CN113466179A - 一种光学检测***及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种光学检测***及方法，通过激发光模块用于产生激发光束并将所述激发光束导向待检测样品；光场重构模块用于收集散射光，并根据目标属性进行散射光重构，将重构后的光场导向光信号检测模块，所述目标属性包括目标偏振态、目标相位和目标振幅；所述光信号探测模块，用于接收所述光场重构模块发送的各检测频率或子频段的光信号并转换成电信号；信号收集处理模块，用于收集所述光信号探测模块发送的电信号，根据所述电信号的属性确定所述待检测样品表面的物理成分信息和/或化学成分信息。通过对收集的波长、相位、振幅、偏折方向的光学信号进一步处理，可以获得待检测样品表层物理成分、微观形貌等物理与化学成分信息。
Description
技术领域
本申请实施例涉及光学技术领域，具体涉及一种光学检测***及方法。
背景技术
光学检测***可应用光学技术、电子技术及计算机技术对被检测物体的物理以及化学成分结构等进行分析和测量，广泛应用于环境监测、工业控制、化学分析、食品品质检测、材料分析、临床检验、航空航天遥感及科学教育等领域。
由于传统的检测***存在着结构复杂、使用环境受限、不便携带及价格昂贵等不足，不能满足现场检测和实时监控的需求。因此，微型化、低成本、强性能，便携式检测***成为一个重要的研究方向。近年来，基于工业、科研以及民用产品领域的技术、产品迅速发展，各产品领域对于产品质量检测、性能检测、质量检测等提出了急迫、低成本以及针对性、定制型光谱信息检测需求。
发明内容
为此，本申请实施例提供一种光学检测***及方法，通过对所收集的不同波长/相位/振幅/偏折方向的光学信号进一步处理，获得被测物体表层物理与化学成分信息，提升了检测速率，降低了检测成本。
为了实现上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：
根据本申请实施例的第一方面，提供了一种光学检测***，所述***包括：
激发光模块，用于产生激发光束并将所述激发光束导向待检测样品，以产生散射光；
光场重构模块，用于收集散射光，并根据目标属性进行散射光重构，将重构后的光场导向光信号检测模块，所述目标属性包括目标偏振态、目标相位和目标振幅；
所述光信号探测模块，用于接收所述光场重构模块发送的各检测频率或子频段的光信号并转换成电信号；
信号收集处理模块，用于收集所述光信号探测模块发送的电信号，根据所述电信号的属性确定所述待检测样品表面的物理成分信息和/或化学成分信息。
可选地，所述***还包括：光学成像模块；
所述光学成像模块用于对散射光进行聚焦，并反射至所述光场重构模块上，和/或用于对所述光场重构模块重构后的光场进行处理，并反射至所述光信号探测模块上。
可选地，所述光学成像模块为透镜、菲涅尔透镜中的一种或组合。
可选地，所述光场重构模块与所述光信号探测模块通过晶圆级光学***集成，或者通过模组工艺封装集成。
可选地，所述光场重构模块为光栅元件、闪耀光栅元件、衍射光学元件、微纳光学元件、微棱镜、微周期排列光学元件中的一种或多种组合。
可选地，所述光信号探测模块为互补金属氧化物半导体CMOS、电荷耦合器件CCD、光电池、光热致电阵列、热电堆阵列中的一种或多种组合。
可选地，所述根据目标属性进行散射光重构，将重构后的光场导向光信号检测模块，包括：
针对光场的N个微观结构，所述光场重构模块分别根据目标属性进行光学重构，所述N个微观结构用于不同性能的光学重构，所述性能包括特定波长增透和增反、传播方向偏折和发散角度调整，N为大于1的整数；
将重构后的N个微观结构区域的光场导向至所述光信号检测模块中的M个区域，M为大于1的整数。
根据本申请实施例的第二方面，提供了一种光学检测方法，所述方法包括：
激发光模块产生激发光束并将所述激发光束导向待检测样品，以产生散射光；
光场重构模块收集散射光，并根据目标属性进行散射光重构，将重构后的光场导向光信号检测模块，所述目标属性包括目标偏振态、目标相位和目标振幅；
所述光信号探测模块接收所述光场重构模块发送的各检测频率或子频段的光信号并转换成电信号；
信号收集处理模块收集所述光信号探测模块发送的电信号，根据所述电信号的属性确定所述待检测样品表面的物理成分信息和/或化学成分信息。
可选地，所述方法还包括：
光学成像模块对散射光进行聚焦，并反射至所述光场重构模块上，和/或所述光学成像模块对所述光场重构模块重构后的光场进行处理，并反射至所述光信号探测模块上。
可选地，所述根据目标属性进行散射光重构，将重构后的光场导向光信号检测模块，包括：
针对光场的N个微观结构，所述光场重构模块分别根据目标属性进行光学重构，所述N个微观结构用于不同性能的光学重构，所述性能包括特定波长增透和增反、传播方向偏折和发散角度调整，N为大于1的整数；
将重构后的N个微观结构区域的光场导向至所述光信号检测模块中的M个区域，M为大于1的整数。
综上所述，本申请实施例提供了一种光学检测***及方法，通过激发光模块用于产生激发光束并将所述激发光束导向待检测样品，以产生散射光；光场重构模块，用于收集散射光，并根据目标属性进行散射光重构，将重构后的光场导向光信号检测模块，所述目标属性包括目标偏振态、目标相位和目标振幅；从而可以实现例如特定波长增透或增反、传播方向偏折和发散角度调整等光学波前相位/振幅/偏振态等物理属性调制。所述光信号探测模块，用于接收所述光场重构模块发送的各检测频率或子频段的光信号并转换成电信号；信号收集处理模块，用于收集所述光信号探测模块发送的电信号，根据所述电信号的属性确定所述待检测样品表面的物理成分信息和/或化学成分信息。通过对收集的波长、相位、振幅、偏折方向的光学信号进一步处理，可以获得待检测样品表层物理成分、微观形貌等物理与化学成分信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本申请实施例提供的一种光学检测***框图；
图2为本申请实施例提供的光学检测***实施例示意图；
图3为本申请实施例提供的光场重建组件与光信号探测器件示意图；
图4为本申请实施例提供的一种光学检测方法流程示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
光场包含光线的空间和角度信息，是对场景中光线的辐照度刻画，广泛应用于场景渲染、深度信息获取以及计算摄影与三维重构。
本申请实施例提供的光学检测***，使用光场重构组件、光信号探测器件、附加特殊定制的光学成像***，可实现不同光学性能重构，如特定波长增透/增反，传播方向偏折，发散角度调整等光学波前相位幅/偏振态等物理属性调制，并将被重构后信号收集于光信号探测器件不同区域中，可实现性能高度强化，集成化、全固态、高精度的光谱检测***，整个***结构更具模块化，使用更加方便灵活，可适合众多的现场检测、实时检测、低成本检测的应用需求。
图1示出了本申请实施例提供的一种光学检测***框图，所述***包括：
激发光模块101，用于产生激发光束并将所述激发光束导向待检测样品，以产生散射光。
光场重构模块102，用于收集散射光，并根据目标属性进行散射光重构，将重构后的光场导向光信号检测模块，所述目标属性包括目标偏振态、目标相位和目标振幅。
所述光信号探测模块103，用于接收所述光场重构模块发送的各检测频率或子频段的光信号并转换成电信号。
信号收集处理模块104，用于收集所述光信号探测模块发送的电信号，根据所述电信号的属性确定所述待检测样品表面的物理成分信息和/或化学成分信息。
在一种可能的实施方式中，所述***还包括：光学成像模块105，所述光学成像模块105用于对散射光进行聚焦，并反射至所述光场重构模块上，和/或用于对所述光场重构模块重构后的光场进行处理，并反射至所述光信号探测模块上。
在一种可能的实施方式中，所述光学成像模块105为透镜、菲涅尔透镜中的一种或组合。
在一种可能的实施方式中，所述光场重构模块与所述光信号探测模块通过晶圆级光学***集成，或者通过模组工艺封装集成。
在一种可能的实施方式中，所述光场重构模块为光栅元件、闪耀光栅元件、衍射光学元件、微纳光学元件、微棱镜、微周期排列光学元件中的一种或多种组合。
在一种可能的实施方式中，所述光信号探测模块为互补金属氧化物半导体CMOS、电荷耦合器件CCD、光电池、光热致电阵列、热电堆阵列中的一种或多种组合。
在一种可能的实施方式中，所述根据目标属性进行散射光重构，将重构后的光场导向光信号检测模块，包括：
针对光场的N个微观结构，所述光场重构模块分别根据目标属性进行光学重构，所述N个微观结构用于不同性能的光学重构，所述性能包括特定波长增透和增反、传播方向偏折和发散角度调整，N为大于1的整数；将重构后的N个微观结构区域的光场导向至所述光信号检测模块中的M个区域，M为大于1的整数。
图2示出了基于光场重构组件的光学检测***实施例示意图。可以看出光学检测***主要包括光学成像***、光场重构组件、光信号探测器和信号收集和软件处理***。
被检测物体所散射光学信号，通常具有光谱宽、发散角随机、不同波长光学信号强度不一等特点。被检测物体散射光通过光场重构组件后，进入光信号探测器***。光学成像***中包括不同结构a、b、c到m以及不同结构对应的位置A、B、C到N，光学成像***用于各不同频率和不同方向的光学信号以及其对应空间位置信息收集。光学成像***可位于光场重构组件之前，或者光信号探测器器件之前，用于进一步提升整体***光学效能。光学成像***可以是透镜、透镜***、菲涅尔透镜以及相互之间的组合的成像***，可用于进一步提升整体检测***性能，如降低信噪比，提高波长分辨率等。
图3示出了光场重构组件与光信号探测器件示意图。给定入射光信号面积/方向/强度/光谱属性，通过光场重构组件，将不同波长/不同传播方向光学信号，最终收集并反馈于同一片光学信号探测器内不同区域。
光场重构组件内部，通过相应的算法实现不同性能，不同性能对应的光场重构组件都不同，具有不同微观结构a1/a2/a3到m1/m2等不同区域，不同微观结构区域可实现不同光学性能重构，如特定波长增透或增反，传播方向偏折，发散角度调整等光学波前相位/振幅/偏振态等物理属性调制。所述光场重构组件通常为光栅元件、闪耀光栅元件、衍射光学元件、微纳光学元件、微棱镜、具备微周期排列光学元件等。
经过光场重构后的光学信号，进入到光信号探测器器件内不同区域如A1/A2/A3到N1/N2的光电探测器不同区域内，各区域分别处理经过光学重构后的光学信号，如区域A1可以对应收集结构c3处理后的光学信号。所述光信号探测器器件可以是CMOS/CCD/光电池、光热致电阵列、热电堆阵列等器件。
光场重构组件可与光信号探测器器件通过晶圆级光学***高度集成，也可以通过模组工艺将二者直接封装集成。
信号收集及软件处理***收集后光学信号，可进一步用于检测分析被检测物体物理信息以及表层化学组分信息。通过对所收集的不同波长/相位/振幅/偏折方向的光学信号进一步处理，可以获得被测物体表层物理成分，微观形貌等物理与化学成分信息。通过弱光信号探测、特定波长信号探测、多波长信号探测、可分辨被探测物体三维物理信息，可判断被探测物体表层化学组分信息等传统光学检测***难以实现的功能。
综上所述，本申请实施例提供了一种光学检测***，通过激发光模块用于产生激发光束并将所述激发光束导向待检测样品，以产生散射光；光场重构模块，用于收集散射光，并根据目标属性进行散射光重构，将重构后的光场导向光信号检测模块，所述目标属性包括目标偏振态、目标相位和目标振幅；从而可以实现例如特定波长增透或增反、传播方向偏折和发散角度调整等光学波前相位/振幅/偏振态等物理属性调制。所述光信号探测模块，用于接收所述光场重构模块发送的各检测频率或子频段的光信号并转换成电信号；信号收集处理模块，用于收集所述光信号探测模块发送的电信号，根据所述电信号的属性确定所述待检测样品表面的物理成分信息和/或化学成分信息。通过对收集的波长、相位、振幅、偏折方向的光学信号进一步处理，可以获得待检测样品表层物理成分、微观形貌等物理与化学成分信息。
基于相同的技术构思，本申请实施例还提供了一种光学检测方法，如图4所示，所述方法包括：
步骤401：激发光模块产生激发光束并将所述激发光束导向待检测样品，以产生散射光。
步骤402：光场重构模块收集散射光，并根据目标属性进行散射光重构，将重构后的光场导向光信号检测模块，所述目标属性包括目标偏振态、目标相位和目标振幅。
步骤403：所述光信号探测模块接收所述光场重构模块发送的各检测频率或子频段的光信号并转换成电信号。
步骤404：信号收集处理模块收集所述光信号探测模块发送的电信号，根据所述电信号的属性确定所述待检测样品表面的物理成分信息和/或化学成分信息。
在一种可能的实施方式中，所述方法还包括：光学成像模块对散射光进行聚焦，并反射至所述光场重构模块上，和/或所述光学成像模块对所述光场重构模块重构后的光场进行处理，并反射至所述光信号探测模块上。
在一种可能的实施方式中，在步骤402中，针对光场的N个微观结构，所述光场重构模块分别根据目标属性进行光学重构，所述N个微观结构用于不同性能的光学重构，所述性能包括特定波长增透和增反、传播方向偏折和发散角度调整，N为大于1的整数；将重构后的N个微观结构区域的光场导向至所述光信号检测模块中的M个区域，M为大于1的整数。
本说明书中上述方法的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
虽然本申请提供了如实施例或流程图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。
上述实施例阐明的单元、装置或模块等，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块或子单元的组合实现等。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、类等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，移动终端，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本申请可用于众多通用或专用的计算机***环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器***、基于微处理器的***、置顶盒、可编程的电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何***或设备的分布式计算环境等等。
以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光学检测***，其特征在于，所述***包括：
激发光模块，用于产生激发光束并将所述激发光束导向待检测样品，以产生散射光；
光场重构模块，用于收集散射光，并根据目标属性进行散射光重构，将重构后的光场导向光信号检测模块，所述目标属性包括目标偏振态、目标相位和目标振幅；
所述光信号探测模块，用于接收所述光场重构模块发送的各检测频率或子频段的光信号并转换成电信号；
信号收集处理模块，用于收集所述光信号探测模块发送的电信号，根据所述电信号的属性确定所述待检测样品表面的物理成分信息和/或化学成分信息。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括：光学成像模块；
所述光学成像模块用于对散射光进行聚焦，并反射至所述光场重构模块上，和/或用于对所述光场重构模块重构后的光场进行处理，并反射至所述光信号探测模块上。
3.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述光学成像模块为透镜、菲涅尔透镜中的一种或组合。
4.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述光场重构模块与所述光信号探测模块通过晶圆级光学***集成，或者通过模组工艺封装集成。
5.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述光场重构模块为光栅元件、闪耀光栅元件、衍射光学元件、微纳光学元件、微棱镜、微周期排列光学元件中的一种或多种组合。
6.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述光信号探测模块为互补金属氧化物半导体CMOS、电荷耦合器件CCD、光电池、光热致电阵列、热电堆阵列中的一种或多种组合。
7.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述根据目标属性进行散射光重构，将重构后的光场导向光信号检测模块，包括：
针对光场的N个微观结构，所述光场重构模块分别根据目标属性进行光学重构，所述N个微观结构用于不同性能的光学重构，所述性能包括特定波长增透和增反、传播方向偏折和发散角度调整，N为大于1的整数；
将重构后的N个微观结构区域的光场导向至所述光信号检测模块中的M个区域，M为大于1的整数。
8.一种光学检测方法，其特征在于，所述方法包括：
激发光模块产生激发光束并将所述激发光束导向待检测样品，以产生散射光；
光场重构模块收集散射光，并根据目标属性进行散射光重构，将重构后的光场导向光信号检测模块，所述目标属性包括目标偏振态、目标相位和目标振幅；
所述光信号探测模块接收所述光场重构模块发送的各检测频率或子频段的光信号并转换成电信号；
信号收集处理模块收集所述光信号探测模块发送的电信号，根据所述电信号的属性确定所述待检测样品表面的物理成分信息和/或化学成分信息。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
光学成像模块对散射光进行聚焦，并反射至所述光场重构模块上，和/或所述光学成像模块对所述光场重构模块重构后的光场进行处理，并反射至所述光信号探测模块上。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据目标属性进行散射光重构，将重构后的光场导向光信号检测模块，包括：
针对光场的N个微观结构，所述光场重构模块分别根据目标属性进行光学重构，所述N个微观结构用于不同性能的光学重构，所述性能包括特定波长增透和增反、传播方向偏折和发散角度调整，N为大于1的整数；
将重构后的N个微观结构区域的光场导向至所述光信号检测模块中的M个区域，M为大于1的整数。
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