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一種提高光通量的光譜測量方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種提高光通量的光譜測量方法及系統(tǒng)，所述方法是通過增大傳統(tǒng)色散光譜儀或光譜測量系統(tǒng)中的入射狹縫的寬度，并在傳統(tǒng)的色散光譜儀或光譜測量系統(tǒng)中的光柵后面增加一組成像鏡頭來測量零級光譜，利用該零級光譜和原有的光譜測量系統(tǒng)中所測的一級光譜之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過計算得出新的光譜。該新的光譜比傳統(tǒng)的采用較小狹縫的光譜測量系統(tǒng)獲得的光譜具有更強的光能量，與此同時，還能保持采用較小狹縫的光譜測量系統(tǒng)所具有的高分辨率。本發(fā)明能有效的提高入射光譜儀器的光通量，并通過數(shù)學(xué)計算來保證較高的光譜分辨率。
【專利說明】一種提高光通量的光譜測量方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光譜學(xué)、光譜測量及儀器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種提高光通量的光譜測量方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]光譜工作范圍、光譜分辨率、光通量以及探測噪聲和動態(tài)范圍等是反映光譜儀器性能的主要參數(shù)。在許多應(yīng)用中，以上參數(shù)都是十分重要的。例如:較高的光譜分辨率可以得到目標(biāo)譜圖的更精細(xì)的結(jié)構(gòu)信息，從而允許更為精細(xì)的分析。較高的光通量可以提高檢測物質(zhì)的靈敏度，降低檢測限。
[0003]自從1802年威廉.沃拉斯頓在色散光譜儀中使用狹縫來提高光譜儀的光譜分辨率后，狹縫便成為色散光譜儀的一個重要組成部分。然而，較小寬度的狹縫在提高分辨率的同時阻擋了大部分的入射光，導(dǎo)致入射光通量較小，影響了儀器探測物質(zhì)的靈敏度。這就是人們所熟知的色散光譜儀中分辨率和光通量之間的矛盾。一些設(shè)計方案已被陸續(xù)提出，來緩解或解決該矛盾。
[0004]在過去的幾十年里，兩個最重要的提高光譜儀性能的方法分別為編碼孔徑成像光譜儀(CAS)和傅立葉變換光譜儀(FTS)。對于CAS來說，只有編碼孔足夠小才能達到較好的分辨率，然而，小的編碼孔帶來的光學(xué)衍射和光學(xué)模糊對測量結(jié)果造成了一定的影響。傳統(tǒng)的FTS的核心部件是干涉儀，系統(tǒng)中的機械掃描元件使儀器的結(jié)構(gòu)和整體裝配變得復(fù)雜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種提高光通量的光譜測量方法及系統(tǒng)，能夠突破傳統(tǒng)高分辨率和高光通量之間的矛盾，實現(xiàn)高光通量的同時獲得高分辨率。
[0006]為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種提高光通量的光譜測量方法，所述方法通過增大傳統(tǒng)色散光譜儀或光譜測量系統(tǒng)中的入射狹縫的寬度，增大后的狹縫寬度大于原有入射狹縫一倍以上，并在傳統(tǒng)的色散光譜儀或光譜測量系統(tǒng)中的光柵后面增加一組成像鏡頭來測量零級光譜，利用該零級光譜和原有的光譜測量系統(tǒng)中所測的一級光譜之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過計算得出新的光譜。所得光譜比傳統(tǒng)的采用寬度較小狹縫的光譜測量系統(tǒng)獲得的光譜具有更強的光能量，與此同時，還能基本保持采用寬度較小狹縫的光譜測量系統(tǒng)所具有的高分辨率。
[0008]所述提高光通量的光譜測量方法，具體包括如下步驟:
[0009]步驟一，被測光源由外光路或光纖耦合進入分光測量單元，經(jīng)入射狹縫后經(jīng)過準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直變成平行光，平行光以一角度入射光柵，經(jīng)光柵衍射后以不同角度出射，其中的零級光譜經(jīng)過狹縫成像鏡將入射狹縫成像于第一 CCD，一級衍射光經(jīng)過光譜成像鏡將光譜成像于第二 CCD ;所述入射狹縫是指增大寬度后的入射狹縫；
[0010]第二步，將第一 CXD與第二 CXD的信號進行前置處理、放大、A/D轉(zhuǎn)換、去噪和反卷積運算，最終獲得待測光譜。
[0011]優(yōu)選地，采用以下公式進行反卷積運算:
[00121 x<//l(0 = x<// h(/)x ~:~~■






O
[0013]其中:χ表示變換后的數(shù)據(jù)，y表示測量的原始數(shù)據(jù)，h表示狹縫上的歸一化光強分布，η表示循環(huán)次數(shù)。M表示變換后的數(shù)據(jù)X的長度，N表示測量的原始數(shù)據(jù)y的長度，i e <0,M-1>, k = O,...，M_l，j = l，...，N_1。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種提高光通量的光譜測量系統(tǒng)，包括分光測量單元和光譜數(shù)據(jù)處理運算單元兩個部分，其中:分光測量單元包括入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、光柵、狹縫成像鏡、光譜成像鏡、第一 CCD和第二 CCD，入射狹縫寬度大于對照的傳統(tǒng)色散光譜儀或光譜測量系統(tǒng)中的入射狹縫的寬度一倍以上；被測光源由外光路或光纖耦合進入分光測量單元，即:經(jīng)入射狹縫后經(jīng)過準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直變成平行光，平行光以一定角度入射光柵，經(jīng)光柵衍射后以不同角度出射，其中的零級光譜經(jīng)過狹縫成像鏡將入射狹縫成像于第一 CCD，一級衍射光經(jīng)過光譜成像鏡將光譜成像于第二 CCD ;第一 CCD與第二 CCD的信號由光譜數(shù)據(jù)處理運算單元進行前置處理、放大、A/D轉(zhuǎn)換、去噪和反卷積運算，最終獲得待測光譜。其中，準(zhǔn)直鏡、狹縫成像鏡和光譜成像鏡的焦距相同。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0016]本發(fā)明能有效的提高入射光譜儀器的光通量，并通過數(shù)學(xué)計算來保證較高的光譜分辨率。本發(fā)明引入了反卷積算法來處理光譜，只在傳統(tǒng)光譜儀原有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行了較小的改動，但可以同時實現(xiàn)高分辨率和高通量，對于傳統(tǒng)光譜儀的性能，特別是在弱光源的情況下，有較大的提升與改善。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0018]圖1(a)-圖1(d)為本發(fā)明測量系統(tǒng)實施例的光路原理圖；
[0019]圖2為本發(fā)明一實施例應(yīng)用在拉曼光譜測量系統(tǒng)上的光路圖；
[0020]圖3為采用圖2光路進行光譜測量得到的光譜數(shù)據(jù)圖；
[0021]圖4為采用傳統(tǒng)小狹縫測量得到的光譜和應(yīng)用本發(fā)明大狹縫獲得重構(gòu)光譜的對比圖(強度做了歸一化)；
[0022]圖中:100-分光測量單元；200_光譜信號處理運算單元；1_入射狹縫；2_準(zhǔn)直鏡；3-光柵；4_狹縫成像鏡；5_光譜成像鏡；6_第一 CXD ;7_第二 (XD。

【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0024]本實施例提供一種提高光通量的光譜測量方法，通過將傳統(tǒng)的色散光譜儀或光譜測量系統(tǒng)中的寬度小的狹縫更改為寬度稍大的狹縫來提高入射光通量，并在光柵后面增加一組成像鏡頭來測量零級光譜，利用該零級光譜和原有的光譜測量系統(tǒng)中所測的一級光譜之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過計算得出新的光譜，這個新的光譜比傳統(tǒng)的采用寬度較小狹縫的光譜測量系統(tǒng)獲得的光譜具有更強的光能量，與此同時，還能基本保持采用寬度較小狹縫的光譜測量系統(tǒng)所具有的高分辨率。一般的光譜儀狹縫寬度取值在幾個微米至幾百微米范圍，本發(fā)明中狹縫寬度增大的范圍:一般是大于原有的狹縫一倍以上。
[0025]該技術(shù)方案的工作原理如圖1所示，待測光通過入射狹縫I射入準(zhǔn)直鏡2后變成平行光，平行光以一定角度入射光柵3，經(jīng)過光柵3衍射后以不同角度出射，其中的零級光經(jīng)狹縫成像鏡4將入射狹縫成像于第一 CXD 6上，故第一 CXD 6檢測到的是入射光照射下的狹縫像，反映的是入射光源在狹縫面上的光強分布；其中的一級衍射光經(jīng)光譜成像鏡5將光譜成像于第二 CXD 7上，故第二 CXD 7檢測到的是的入射光經(jīng)由入射狹縫1、準(zhǔn)直鏡2、光柵3和光譜成像鏡5組成的色散成像系統(tǒng)獲得的一級光譜分布。假設(shè)入射光以一定角度91平行入射于光柵3，波長為λ的光以Θ角度衍射，則滿足光柵方程
[0026]d (sin Θ Jsin Θ ) = j λ
[0027]其中:d是光柵常數(shù)，Qi是入射角，Θ是衍射角，j是衍射級次，對于一級光譜j =
1
[0028]如果準(zhǔn)直鏡2、狹縫成像鏡4和光譜成像鏡5的焦距相同，均為f，忽略像差的情況下放大率為1，第二 CCD 7上所接收到的是不同波長的準(zhǔn)單色光照明下的入射狹縫I所成像的疊加像，光譜的帶寬取決于入射狹縫I的寬度、光柵刻線、焦距等因素，如果入射狹縫I沿寬度方向(設(shè)為X軸方向)的尺寸等于第二 CCD 7像素單元寬度的N倍，由于不同波長的光的衍射角不同，所以成像的位置也不同，結(jié)果是不同波長的光譜沿著色散方向在第二 CCD7相鄰像素上進行重疊。
[0029]為了進一步說明該技術(shù)原理，考慮將入射狹縫I的寬度等距離分割成若干個單元，每個單元寬度等于CCD的像素間距d，沿著入射狹縫I寬度方向(即X軸方向)分別標(biāo)記為第1，2,3, i,…，第η像素位置,考慮入射狹縫I中第i像素位置和沿x軸平移了 k個單位長度的第i_k像素位置，其分別由第一 CXD 6測得的非色散像和由第二 (XD7測得的色散像將會沿相同的方向移動相同的距離kd，這稱為平移不變性。該特性的簡要推理如下:選取入射狹縫I上沿X軸方向的兩個像素i和1-k作為例子；對于波長為λ的光，從這兩個像素單元出射的光經(jīng)過準(zhǔn)直鏡2后成為兩束各自獨立的平行光；這兩束光在射向光柵3時有不同的入射角θ η和Θ i2 ;根據(jù)光柵方程d(sin Θ i^sin θ )=」λ，對于相同波長λ的光而言，衍射角會隨著入射角的不同而有所不同；對于波長為λ、入射角分別為Qil和0i2的光的衍射方程可以表示為:
[0030]d (sin Θ n±sin Θ dl) = j λ = d (sin Θ i2±sin Θ d2)
[0031]因此，對于相同波長λ的光，不同的衍射角和入射角的色散方程可以表示為:
[0032]sin Θ n_sin Θ i2 = 土(sin Θ d2_sin Θ dl)
[0033]在狹縫成像鏡4和光譜成像鏡5有相同焦距f的條件下，若方程兩邊同時乘以焦距f，這樣就可以得到方程
[0034]f (sin Θ n_sin Θ i2) = (sin Θ d2_sin Θ dl)
[0035]fsin Θ dl近似等于波長為λ的光在圖像傳感器第二 CXD 7上距離中心的色散距離。方程右邊是來自入射狹縫I兩個像素的波長為λ的光在色散圖像(即光譜面)上的距離；同理，左邊是來自入射狹縫I兩個像素的波長為λ的光在入射狹縫I平面上沿X軸上的距離(即在非色散圖像第一 CXD 6上的距離)。
[0036]根據(jù)上述位移不變性特性，第一 CXD 6和第二 CXD 7上測量得到的光通量分布與入射光源光譜函數(shù)s (X ; λ )關(guān)系可以表示為:
[0037]f2 (X) = (X) *s (x ; λ )，* 為卷積運算符號
[0038]其中:f2 (x)是第二 CXD 7上測得的一級光譜的圖像，fi (X)是第一 CXD 6測得的零級光譜的圖像；入射光源的光譜函數(shù)s(x;x)可以經(jīng)*f2(x)和A(X)進行反卷積而得出。
[0039]本實施例采用分光測量單元100和光譜數(shù)據(jù)處理運算單元200兩個部分來實現(xiàn)光譜的測量，分光測量單元100包括入射狹縫1、準(zhǔn)直鏡2、光柵3、狹縫成像鏡4、光譜成像鏡5、圖像傳感器第一 CCD 6和第二 CCD 7，其中:準(zhǔn)直鏡2、狹縫成像鏡4和光譜成像鏡5的焦距相同。全部光路可以采用反射式光路，如圖1中(a)所示；也可以全部采用透射式光路，如圖1中(b)所示；或其中的成像光路采用透射式，光柵采用反射式，如圖1中(c)所示；或成像部分采用反射式，光柵采用透射式，如圖1中(d)所示。
[0040]被測光源由外光路或光纖耦合進入分光測量單元100，經(jīng)入射狹縫I后經(jīng)過準(zhǔn)直鏡2準(zhǔn)直變成平行光，其中入射狹縫I要放在準(zhǔn)直鏡2的焦平面上，平行光入射光柵3，經(jīng)光柵3衍射，其中的零級光譜經(jīng)過狹縫成像鏡4將入射狹縫I成像于第一 CXD 6，一級衍射光經(jīng)過光譜成像鏡5將光譜成像于第二 CXD 7，第一 CXD 6與第二 CXD 7的信號由光譜數(shù)據(jù)處理運算單元200進行前置處理、放大、A/D轉(zhuǎn)換、去噪和反卷積等運算，最終獲得待測光譜。
[0041]其中，采用以下公式進行運算:
[0042].ν'Η,(/) =.ν,ΗI '.(7.h






O
[0043]其中:X表示變換后的數(shù)據(jù)，y表示測量的原始數(shù)據(jù)，h表示大狹縫上的歸一化光強分布，η表示循環(huán)次數(shù)。M表示變換后的數(shù)據(jù)X的長度，N表示測量的原始數(shù)據(jù)y的長度，i e <0,M-1>, k = O,...，M_l，j = l，...，N_1。
[0044]如圖2所示，設(shè)選取非對稱交叉式切爾尼一特納型拉曼光譜測量系統(tǒng)，將本發(fā)明所述的光譜測量方法應(yīng)用于該系統(tǒng)，得到如圖2所示的光路圖。其中光源的光譜范圍為794nm-985nm,光纖8的芯徑為200 μ m,系統(tǒng)原有的狹縫寬度較小為50 μ m,測量得到的光譜數(shù)據(jù)如圖3中寬度較小狹縫測量光譜圖；將其中狹縫寬度更換為150 μ m，增加狹縫成像鏡4和第一 CCD 6測量分支，其中第一 CCD 6檢測到的是零級光譜，即圖3中寬度較大狹縫測量圖像，第二 CCD 7檢測到的是一級光譜，即圖3中寬度較大狹縫測量得到的光譜圖；將光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中進行反卷積計算，得到重構(gòu)光譜，即本實驗的結(jié)果光譜，如圖4所示；通過圖中光譜對比可知，兩者具有幾乎相同的分辨率，而經(jīng)計算可以得出，由于高通量，重構(gòu)光譜的RMS信噪比PSNR = 26.8dB,小狹縫測量光譜的信噪比PSNR = 23.5dB,通過本發(fā)明重構(gòu)光譜后信噪比得到了明顯的提高。
[0045]本發(fā)明引入了反卷積算法來處理光譜，所述方法只是在傳統(tǒng)光譜儀原有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行了較小的改動，但可以同時實現(xiàn)高分辨率和高通量，對于傳統(tǒng)光譜儀的性能，特別是在弱光源的情況下，有較大的提升與改善。
[0046]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種提高光通量的光譜測量方法，其特征在于，通過增大傳統(tǒng)色散光譜儀或光譜測量系統(tǒng)中的入射狹縫的寬度，增大后的狹縫寬度大于原有入射狹縫一倍以上，并在傳統(tǒng)的色散光譜儀或光譜測量系統(tǒng)中的光柵后面增加一組成像鏡頭來測量零級光譜，利用該零級光譜和原有的光譜測量系統(tǒng)中所測的一級光譜之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過計算得出新的光譜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高光通量的光譜測量方法，其特征在于，所述方法，具體包括如下步驟: 第一步，被測光源由外光路或光纖耦合進入分光測量單元，經(jīng)入射狹縫后經(jīng)過準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直變成平行光，平行光以一角度入射光柵，經(jīng)光柵衍射后以不同角度出射，其中的零級光譜經(jīng)過狹縫成像鏡將入射狹縫成像于第一 CCD，一級衍射光經(jīng)過光譜成像鏡將光譜成像于第二 CCD ;所述入射狹縫為增大寬度后的入射狹縫； 第二步，將第一 C⑶與第二 CXD的信號進行前置處理、放大、A/D轉(zhuǎn)換、去噪和反卷積運算，最終獲得待測光譜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種提高光通量的光譜測量方法，其特征在于，采用以下公式進行運算:
,ν^(/) = ,ν>-!.(/)χ^/,(/,/) w ,.V(/)
U Σ,,-ο 其中:χ表示變換后的數(shù)據(jù)，y表示測量的原始數(shù)據(jù)，h表示增大寬度后的入射狹縫上的歸一化光強分布，η表示循環(huán)次數(shù)；Μ表示變換后的數(shù)據(jù)X的長度，N表示測量的原始數(shù)據(jù)y的長度，i e <0，M-1>，k = O，...，M-l，j = l，...，N_1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的一種提高光通量的光譜測量方法，其特征在于，增大寬度后的入射狹縫寬度值為檢測成像器件CCD單位像素寬度的整數(shù)倍。
5.一種提高光通量的光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，包括分光測量單元和光譜數(shù)據(jù)處理運算單元兩個部分，其中: 分光測量單元包括入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、光柵、狹縫成像鏡、光譜成像鏡、第一 CCD和第二CCD，所述入射狹縫的寬度是對照的傳統(tǒng)色散光譜儀或光譜測量系統(tǒng)中的入射狹縫的寬度的一倍以上；被測光源由外光路或光纖耦合進入分光測量單元，即:經(jīng)入射狹縫后經(jīng)過準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直變成平行光，平行光以一角度入射光柵，經(jīng)光柵衍射后以不同角度出射，其中的零級光譜經(jīng)過狹縫成像鏡將入射狹縫成像于第一 CCD，一級衍射光經(jīng)過光譜成像鏡將光譜成像于第二 CCD ; 第一 CXD與第二 CXD的信號由光譜數(shù)據(jù)處理運算單元進行前置處理、放大、A/D轉(zhuǎn)換、去噪和反卷積運算，最終獲得待測光譜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種提高光通量的光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述準(zhǔn)直鏡、狹縫成像鏡和光譜成像鏡的焦距相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種提高光通量的光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述入射狹縫寬度值為檢測成像器件CCD單位像素寬度的整數(shù)倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7任一項所述的一種提高光通量的光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)全部光路采用反射式光路；或者全部采用透射式光路。
9.根據(jù)權(quán)利要求5-7任一項所述的一種提高光通量的光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)，其中的成像光路采用透射式光路，光柵采用反射式光路；或成像部分采用反射式光路，光柵采用透射式光路。
【文檔編號】G01J3/02GK104266755SQ201410514190
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】黃梅珍, 鄒燁, 汪洋, 余鎮(zhèn)崗, 孫振華, 季蕓 申請人:上海交通大學(xué)