CN109341858A - 一种渐变型散射结构光谱分析装置及光谱复原方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种渐变型散射结构光谱分析装置及光谱复原方法。该装置包括透明的基底，其上设有渐变结构特征的散射粒子层，基底的下方设有用于接收散射光的光电探测器阵列，在散射粒子层上方设有两个共焦透镜，在共焦透镜之间设有一孔径光阑。入射光先经过两个共焦透镜，然后经过散射粒子层，进而在光电探测器阵列上产生不同特征的散射光斑，最后采用一种散射光斑局部窗口化、特征加权且光谱分段复原的方法获得光谱复原矩阵，采用Tikhonov正则化求解大型线性方程组的方法复原光谱。本发明中散射粒子层采用渐变结构特征散射粒子，有效解决了宽光谱分析范围与高光谱分辨率之间的矛盾。
Description
技术领域
本发明涉及便携、智能的微型光谱分析仪器技术领域，具体地说是一种渐变型散射结构光谱分析装置及光谱复原方法。
背景技术
光谱学的应用涉及我们生活中的几乎所有领域，比如化工、制药、农业生产、生物医疗、食品安全、环境安全、航空航天、能源等等。随着社会的进步以及物联网信息技术、微纳制造、生物光子学等先进科学技术的发展，大型昂贵的光谱分析设备走出实验室，弥补人类对物质的认知缺陷，轻松实现果蔬糖分、水分，药品真伪，皮肤年龄，酒类品质等检测，走进人们的生活已经成为可能。便携、智能的微型光谱技术的发展与应用必将给人民生活水平的提高，生活方式带来革命性的变化。面向智能终端设备(如智能手机)的微型化、集成化光谱分析芯片技术是先进光谱分析技术及仪器的一个新的重要发展方向。开发微型化、成本低、分辨率高、光谱测定范围宽和测量速度快的新型光谱分析装置是目前各国的研究热点。
随着微纳光学、计算光学等新兴学科的快速发展，不同于传统光谱仪基本光谱分析原理(如光栅光谱仪、傅里叶光谱仪)，科学家们从物理机理、分析原理方面创新性的提出了多种新原理光谱分析技术。例如基于微腔谐振的芯片光谱仪、基于光子晶体的芯片光谱仪、基于光斑模式场、散射场分布的芯片光谱仪以及基于量子点发光光谱仪。研究发现，不同波长的光波通过非均匀散射介质、光波导(光纤)或者特殊排列的衍射介质后产生的光斑具有不同特征的光场模式分布，以光谱为参量对其进行光谱反演复原，可很好的实现入射光光谱成分分布的探测。基于干涉光斑的计算光谱技术可以实现较高光谱分辨率，其面临的主要问题是易于受到外部环境因素的影响，如温度、振动等；利用多模光纤、锥形光纤以及光波导产生干涉光斑，存在空间光难于耦合及耦合器件难以芯片化的问题；相位调制阵列结构及衍射光学元件产生干涉光斑，虽易于集成芯片化，但空间光入射条件(角度、准直性等)的扰动将直接影响测量结果。基于散射光斑的计算光谱技术，具有易于集成芯片化、对空间光入射条件不敏感、环境影响较小的优点，更加符合物联网、智能手机等方面的技术需求。但是，该技术的光谱分析芯片光谱分析范围、光谱分辨率还需进一步提高，如何实现在一定宽度的光谱分析范围内都具有较高的光谱分辨率是基于散射光斑的计算光谱技术发展首要解决的问题。南京邮电大学杨涛课题组提出了“相位调制台阶阵列微型光谱仪”(200910264251.X)、“衍射孔阵列结构微型光谱仪及其高分辨率光谱复原方法”(201210004166.1)以及“一种微型光谱仪”(201210578653.9)，三个技术方案中的分光器件分别采用了台阶阵列结构、衍射孔阵列结构以及纳米粒子涂层，但三者结构特征为周期性的或无序的，无法解决光谱分析宽范围与高光谱分辨率间的矛盾。
发明内容
本发明的目的之一就是提供一种渐变型散射结构光谱分析装置，以解决微型光谱分析芯片宽光谱分析范围与高光谱分辨率之间的矛盾。
本发明的目的之二就是提供一种基于上述渐变型散射结构光谱分析装置的光谱复原方法。
本发明的目的之一是这样实现的：一种渐变型散射结构光谱分析装置，包括一透明基底，在所述基底表面设有一散射粒子层，所述散射粒子层具有渐变结构特征，散射粒子层的渐变结构特征表现为散射粒子尺寸、密度和/或折射率呈渐变分布，渐变结构特征的渐变形式为散射或辐射；在所述基底的上方设有两个共焦透镜，在两个共焦透镜之间设有一孔径光阑；在所述基底的下方设有光电探测器阵列。
在所述基底和所述光电探测器阵列之间设有一厚度可调的距离匹配层。
所述散射粒子层上的散射粒子的尺寸为纳米量级至微米量级。
所述散射粒子层设置在所述基底的上表面或下表面。
所述散射粒子层通过光刻、电子束刻蚀、纳米自组装、蒸镀或旋涂工艺制成。
本发明的目的之二是这样实现的：一种基于渐变型散射结构光谱分析装置的光谱复原方法，包括以下步骤：
a、使入射光通过两个共焦透镜照射透明基底表面的散射粒子层；所述散射粒子层具有渐变结构特征，散射粒子层的渐变结构特征表现为散射粒子尺寸、密度和/或折射率呈渐变分布，渐变结构特征的渐变形式为散射或辐射；
b、位于基底下方的光电探测器阵列接收经散射粒子层散射后的散射光，并将所接收到的光信号发送至数据处理单元；
c、数据处理单元接收光电探测器阵列所发送的光信号，并按照散射粒子层的渐变结构特征设定局部窗口，对整个窗口进行连续搜索，提取各局部窗口内光信号的特征，获得与每一波长相关的特征，通过归一化形成光谱复原矩阵；
d、通过Tikhonov正则化求解步骤c中光谱复原矩阵，得到各光谱成分含量。
步骤c中在提取各局部窗口内光信号的特征时采用数学形态学和小波多尺度数学分析工具；之后利用主成分分析方法，获得与每一波长相关的特征。
步骤d通过如下公式计算各光谱成分含量：
Ψ＝PSF-1S
式中，Ψ为m×1矩阵，表示离散化后每一波长的光谱成分含量；PSF为m×n矩阵，是步骤c中的光谱复原矩阵；S为离散后光电探测器阵列上每个探测单元的光强。
本发明采用具有渐变结构特征的散射粒子层对入射光进行散射，某一波长的光经过具有渐变结构特征的散射粒子层时，经不同结构的散射介质调制后将产生不同特征的散射光斑(简称散斑)，宽谱光波则可对应多个散斑特征叠加后的光斑信号，对于不同的散射结构各个波长散斑特征的叠加系数也将各不相同。因此，利用这些多个散射结构的不同组成形式叠加散射光斑进行光谱复原，可有效解决宽光谱分析范围与高光谱分辨率之间的矛盾。本发明采用一种散射光斑局部窗口化、特征加权且光谱分段复原方法，可有效避免串扰、色散、器件制作误差导致的无效数据，采用Tikhonov正则化求解大型线性方程组的方法复原光谱，可以消除失真，实现快速实时光谱复原。
附图说明
图1是本发明中渐变型散射结构光谱分析装置的结构示意图。
图2是本发明实施例中密度渐变型渐变结构特征散射粒子层结构示意图。
图3是本发明实施例中大小渐变型渐变结构特征散射粒子层结构示意图。
图4是本发明实施例中高度渐变型渐变结构特征散射粒子层结构示意图。
图5是本发明光谱复原流程图。
图6是散射光斑局部窗口化、特征加权、光谱分段复原过程示意图。
图中：1、透镜；2、孔径光阑；3、散射粒子层；4、基底；5、距离匹配层；6、光电探测器阵列；7、散射粒子；8、局部窗口。
具体实施方式
实施例1，一种渐变型散射结构光谱分析装置。
如图1所示，本发明所提供的渐变型散射结构光谱分析装置包括由透明材料制成的基底4，在基底4表面(上表面或下表面均可)上设有一层具有渐变结构特征的散射粒子层3，散射粒子层3由一组纳米至微米尺度的散射粒子构成。散射粒子层3的渐变结构特征表现为散射粒子的尺寸、密度和/或折射率等具有渐变型分布规律，所述渐变型分布规律包括中心向外辐射渐变、由外而内辐射渐变、单方向散射渐变等等。散射粒子层3的渐变结构特征可由散射粒子的多个结构特征参数来实现，其渐变结构也可由多种形式来实现。如图2～图4所示，图2～图4提供了三种散射粒子7的渐变类型，图2中散射粒子的渐变类型为密度渐变型，图3中散射粒子的渐变类型为大小渐变型，图4中散射粒子的渐变类型为高度渐变型。而且，图2～图4中三种渐变结构的渐变形式均为中心向外进行渐变。需要说明的是，本发明中散射粒子层3的渐变结构特征是呈二维分布的渐变结构特征，即：散射粒子沿散射粒子层3的膜层所在面上呈渐变分布，这样，当入射光垂直照射散射粒子层3的膜层所在面时，入射光会被不同结构的散射粒子散射。
射散射粒子层3可采用二氧化硅、聚苯乙烯微球、氮化硅、氧化锌(ZnO)、铌酸锂等材料制成。制备射散射粒子层3时可采用光刻、电子束刻蚀、纳米自组装、蒸镀或旋涂等工艺。例如，对于图3所示散射粒子大小由中心向外渐变的结构来说，可以采用旋涂的方法制备。举例来说：散射粒子采用二氧化硅微球(SiO2)，可通过正硅酸乙酯水解缩合方法制成，通过调整制备过程中各组分比例和温度得到大小不一的二氧化硅纳米粒子的悬浊液。将不同尺寸的二氧化硅纳米粒子悬浊液混合，利用旋涂的方法，控制旋涂的加速度、速度，获得不同大小二氧化硅纳米粒子沿旋转中心向外渐变分布的渐变结构特征的散射粒子层，通过静电组装的方式将纳米粒子固定于基底上，形成中心向外渐变结构特征的散射粒子层。
当散射粒子层3为孔散射结构时，例如可以采用蒸镀、光刻、离子刻蚀的工艺流程制备。通过制作精密的光刻板图形设计实现孔的大小的渐变。散射粒子层3的批量化制作可以通过纳米压印的方法进行模压复制实现。
经过征散射粒子层3后的入射光可产生不同特征的散射光斑，利用这些散射光斑可进行光谱复原，解决了宽光谱分析范围与高光谱分辨率之间的矛盾，增大了光谱测量范围。
在基底4的上方设有两个共焦透镜1，两个透镜1的焦距可以相同，也可以不同。两个共焦透镜1构成一光学***，用于匹配被分析入射光光束的直径与基底4下方探测器的面积大小。在两个透镜1之间的共同焦点处设有一孔径光阑2，孔径光阑2可以消除外界以及***内部的杂散光影响，以提高测量准确性。在基底4的下方设有光电探测器阵列6，光电探测器阵列6可以采用电荷耦合元件(CCD)或者互补金属氧化物半导体元件(CMOS)，光电探测器阵列6用于接收被测光经过散射粒子层3后的散射光，从而构建散射结构产生的散射光斑。光电探测器阵列6与数据处理单元相连接(图中未画出)，数据处理单元主要用于分析和计算光电探测器阵列6采集得到的数据以进行光谱复原。
在基底4和光电探测器阵列6之间还设有一距离匹配层5，距离匹配层5的厚度可以调节，通过调节距离匹配层5的厚度，可控制入射光经过散射粒子层3后在光电探测器阵列6上产生的散射光斑的特征。
实施例2，一种光谱复原方法。
本实施例所提供的光谱复原方法是基于实施例1所述渐变型散射结构光谱分析装置而进行的。
测量光谱时，待测光经两个共焦透镜1后，照射散射粒子层3，再经距离匹配层5，最后照射到光电探测器阵列6的各像素上。当不同波长的光波通过具有渐变结构特征的散射粒子层3时发生散射，最后在光电探测器阵列6上产生的光斑具有不同特征的光场模式分布。
根据Lorenz-Mie理论以及多重散射理论，粒子光散射特性与粒子形状、构成、密度、折射率、尺寸以及入射波长等密切相关，不同物理结构特征的散射介质将产生不同特征的散射光斑。如图5所示，对于某一特定的渐变型散射结构光谱分析装置来说，某一波长的光经过不同结构的散射介质调制后将产生不同特征的散射光斑，宽谱光波则可对应多个散斑特征叠加后的光斑信号，对于不同的散射结构各个波长散斑特征的叠加系数也将各不相同。因此，利用这些多个散射结构的不同组成形式叠加散射光斑进行光谱复原，可有效解决宽光谱分析范围与高光谱分辨率之间的矛盾。
基于散射粒子产生的散射光斑图像的计算光谱分析整个***可以表示为：
g(x,y)＝∫K(x,y,λ)·f(λ)dλ (1)
其中，λ为波长，f(λ)为波长λ的归一化成分含量，(x，y)为散射光斑图像的坐标位置，g(x,y)为光斑某一位置处光电探测器阵列6上的光强值；K(x,y,λ)为散射介质空间-光谱调制函数。
实际进行散斑光场光谱复原时，式(1)可离散表示为：
S＝PSF·Ψ (2)
其中，Ψ为m×1矩阵，表示离散化后每一波长的光谱成分含量，PSF为探测获得用于光谱反演的散斑特征归一化的m×n矩阵，S为离散后光电探测器阵列上每个探测单元的光强，散射光斑图像计算光谱复原为求解Ψ＝PSF-1S，即求解一个离散不适定逆问题。
散射粒子产生的散斑图像其可表达的信息不仅仅是某个位置光强大小，同时还包括具有光斑颗粒之间相互关系的信息(图像统计特性、图像特征)。对于渐变型散射结构光谱分析装置不同位置的光斑图像将对应不同的敏感波长。本发明采用一种散射光斑局部窗口化、特征加权且光谱分段复原方法，如图6所示，设置一定大小的局部窗口8，对整个光斑进行连续搜索(对于这种由中心向外辐射的渐变形式，可沿环形进行搜索)，利用数学形态学和小波等多尺度数学分析工具有效地提取各个散射光斑窗口图像的有效特征，随后，利用主成分分析的方法，获得与每一波长具有一定程度的相关性特征，再对上述方式选取出的图像特征进行归一化构成光谱复原矩阵。最后，计算入射光的光谱可以通过Tikhonov正则化求解上述PSF矩阵方程，从而得到Ψ各光谱成分含量，实现光谱的复原。
本发明所提供的渐变型散射结构光谱分析装置利用具有渐变型二维分布散射结构特征的散射粒子层作为光谱分析装置的关键部件，结合基于该结构的高分辨光谱复原方法，相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、该光谱分析装置的加工工艺简单，成本低。利用如今发展成熟的微纳加工技术及光电技术，可通过光刻、电子束刻蚀、纳米自组装、蒸镀、旋涂等技术完成该光谱分析装置二维微纳结构层的制作，随后可通过纳米压印技术实现批量化制作；同时该光谱分析装置制作材料可采用聚合物或其他价格低廉的透明材料来实现，探测器CCD和CMOS都是技术成熟产品，所以整个装置成本较低。
2、该光谱分析装置可同时实现光谱分析宽光谱范围与高光谱分辨率。基于散射光斑分析的光谱分析装置，探测器获得的是各波长的散斑特征混叠后的信号，再从混叠信号中提取出各波长的散斑特征，随着谱段分析范围的增加，混叠信号中各波长的图像特征对比度将越来越低，达到某一程度后，光谱将无法复原。渐变散射结构不同结构的散射介质调制后将产生不同特征的散射光斑，利用这些多个散射结构的不同组成形式叠加散射光斑进行光谱复原，解决了宽光谱分析范围与高光谱分辨率之间的矛盾，实现了光谱分析宽光谱范围与高光谱分辨率。
3、采用一种散射光斑局部窗口化、特征加权且光谱分段复原方法获得光谱复原矩阵，可有效避免串扰、色散、器件制作误差导致的无效数据，采用Tikhonov正则化求解大型线性方程组的方法复原光谱，可以消除失真，实现快速实时光谱复原。
Claims (10)
1.一种渐变型散射结构光谱分析装置，其特征是，包括一透明基底，在所述基底表面设有一散射粒子层，所述散射粒子层具有渐变结构特征，散射粒子层的渐变结构特征表现为散射粒子尺寸、密度和/或折射率呈渐变分布，渐变结构特征的渐变形式为散射或辐射；在所述基底的上方设有两个共焦透镜，在两个共焦透镜之间设有一孔径光阑；在所述基底的下方设有光电探测器阵列。
2.根据权利要求1所述的渐变型散射结构光谱分析装置，其特征是，在所述基底和所述光电探测器阵列之间设有一厚度可调的距离匹配层。
3.根据权利要求1所述的渐变型散射结构光谱分析装置，其特征是，所述散射粒子层上的散射粒子的尺寸为纳米量级至微米量级。
4.根据权利要求1所述的渐变型散射结构光谱分析装置，其特征是，所述散射粒子层设置在所述基底的上表面或下表面。
5.根据权利要求1所述的渐变型散射结构光谱分析装置，其特征是，所述散射粒子层通过光刻、电子束刻蚀、纳米自组装、蒸镀或旋涂工艺制成。
6.一种光谱复原方法，其特征是，包括以下步骤：
a、使入射光通过两个共焦透镜照射透明基底表面的散射粒子层；所述散射粒子层具有渐变结构特征，散射粒子层的渐变结构特征表现为散射粒子尺寸、密度和/或折射率呈渐变分布，渐变结构特征的渐变形式为散射或辐射；
b、位于基底下方的光电探测器阵列接收经散射粒子层散射后的散射光，并将所接收到的光信号发送至数据处理单元；
c、数据处理单元接收光电探测器阵列所发送的光信号，并按照散射粒子层的渐变结构特征设定局部窗口，对整个窗口进行连续搜索，提取各局部窗口内光信号的特征，获得与每一波长相关的特征，通过归一化形成光谱复原矩阵；
d、通过Tikhonov正则化求解步骤c中光谱复原矩阵，得到各光谱成分含量。
7.根据权利要求6所述的光谱复原方法，其特征是，步骤c中在提取各局部窗口内光信号的特征时采用数学形态学和小波多尺度数学分析工具；之后利用主成分分析方法，获得与每一波长相关的特征。
8.根据权利要求6所述的光谱复原方法，其特征是，步骤d通过如下公式计算各光谱成分含量：
Ψ＝PSF-1S
式中，Ψ为m×1矩阵，表示离散化后每一波长的光谱成分含量；PSF为m×n矩阵，是步骤c中的光谱复原矩阵；S为离散后光电探测器阵列上每个探测单元的光强。
9.根据权利要求6所述的光谱复原方法，其特征是，步骤a中所述散射粒子层是通过光刻、电子束刻蚀、纳米自组装、蒸镀或旋涂工艺制成。
10.根据权利要求6所述的光谱复原方法，其特征是，步骤a中所述散射粒子层设置在所述基底的上表面或下表面。
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