基于滤波膜阵列的光谱测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于滤波膜阵列的光谱测量装置，包括沿入射光传播方向依次设置的光学准直装置、滤波膜阵列、探测阵列芯片；所述滤波膜阵列包括一组平行且在入射光方向上互不重叠的滤波膜，各滤波膜在所述探测阵列芯片的测量波段范围内的透射谱线互不相同；所述滤波膜阵列中的每一片滤波膜均有至少一个所述探测阵列芯片的像素元与其正对。本发明专利技术还公开了使用上述光谱测量装置的光谱测量方法。相比现有技术，本发明专利技术易于制作，成本低廉，利于实现批量生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光谱测量装置及方法，属于光学测量

技术介绍
光谱仪是一种测量光谱的科学仪器。它是将光学方法与现代电子数据处理系统相结合，通过获取所研究物质的光谱信息来精确分析物质的结构、成分和含量的基本设备。光谱仪具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点，广泛应用于冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境保护等领域，也是军事侦察、宇宙探索、资源和水文探测等必不可少的遥感设备(参见文献[李全臣，蒋月娟。光谱仪器原理[M]，北京；北京理工大学出版社，1999])。光谱技术的应用几乎覆盖了所有的科学领域，包括医药、化学、地质学、物理及天文学等，从海洋的底部到遥远的宇宙，光谱仪为我们收集周围世界的信息。然而，随着科学技术的迅猛发展，对光谱仪提出了更高的要求。特别是在如地质矿产勘探、微流控和星载分析等一些特殊场合，需要光谱仪能抗振动干扰能力强、光谱测量分辨率高、测量的频率范围大、功耗小和能够快速、实时、直观地获取光谱信号，显然，传统的光谱仪器很难同时达到上述要求。譬如目前商用傅里叶变换光谱仪不仅体积较大、对振动敏感、测量范围主要在红外波段，而且其分辨率受动镜移动范围影响，因此不适于野外等特殊环境测量；而光栅光谱仪分辨率不高，价格也不菲(参见文献[Yang Jae-chang,et al.Micro-electro-mechanical-systems-based infrared spectrometer composed >of multi-slit grating and bolometer array,Jap.J.of Appl.Phys.47(8),6943-6948(2008)])。因此，对于光谱仪来说，要求其在具有抗振动的同时能够降低成本，性能上能够达到较高的光谱分辨率，结构简单并且易于制作，用现有的技术很难实现。南京邮电大学的杨涛课题组提出了一种“衍射孔阵列结构微型光谱仪及其高分辨率光谱复原方法”(参见申请号为20121000416.6，申请日为2012-1-9，公开日为2012-7-11的中国专利技术专利)。该微型光谱仪利用衍射孔二维阵列来进行光谱测量。入射光经过衍射孔阵列后会发生衍射，成像阵列芯片中位于各个衍射孔正下方的像素元会接收到相应的衍射光功率；将不同像素元对不同中心波长或中心频率光的探测率、各个像素元所接收到相应的衍射光功率以及入射光中各中心波长或中心频率所对应的光谱功率分别作为系数矩阵、增广矩阵和未知数矩阵组成一个线性方程组，采用Tikhonov正则化方法求解该线性方程组，就可以得到入射光各中心波长或中心频率对应的归一化光谱功率，然后将这些光谱功率值进行线性拟合并经光谱辐射定标，得到入射光的光谱，即完成高分辨率光谱复原。以上方案虽然较好地解决了传统光谱仪的缺陷，但在制作大小不同的衍射孔阵列时需要通过聚焦离子束刻蚀、光刻、电子束刻蚀等方法，其实现成本较高。因此，在保持衍射孔阵列结构微型光谱仪分辨率高、光谱测量范围广、抗振动能力强等优点的前提下，需要大幅降低其制作成本及制作难度，利于实现批量生产。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有光谱测量技术的不足，提供一种基于滤波膜阵列的光谱测量装置及方法。本专利技术基于滤波膜阵列的光谱测量装置，包括沿入射光传播方向依次设置的光学准直装置、滤波膜阵列、探测阵列芯片；所述滤波膜阵列包括一组平行且在入射光方向上互不重叠的滤波膜，各滤波膜在所述探测阵列芯片的测量波段范围内的透射谱线互不相同；所述滤波膜阵列中的每一片滤波膜均有至少一个所述探测阵列芯片的像素元与其正对。优选地，所述探测阵列芯片为黑白光电成像器件，例如黑白电荷耦合成像器件(黑白CCD)或者黑白互补金属氧化物半导体成像器件(黑白CMOS)。优选地，所述光学准直装置包括两个共焦的透镜，以及设置于所述两个透镜的共同焦点处的小孔光阑。为了便于器件制作，优选地，所述滤波膜阵列还包括透明基底，滤波膜附着于所述透明基底的表面。进一步地，为了能够根据探测阵列芯片所采集的数据自动完成光谱复原，所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置还包括与所述探测阵列信号连接的计算处理单元。本专利技术基于滤波膜阵列的光谱测量方法，利用以上任一技术方案所述光谱测量装置实现，具体包括以下步骤：步骤1、将所述探测阵列芯片所能探测的频率范围等分为n个频率段，n为所述滤波膜阵列中的滤波膜总数，各频率段的中心频率计为f1、f2、…、fn；步骤2、令待测入射光依次通过光学准直装置、滤波膜阵列，测量所述探测阵列芯片中各有效像素元所探测到的灰度值，记为G1、G2、…、Gn；所述有效像素元是指：从每个滤波膜所正对的像素元中预先选定一个，这些预先选定的与所述滤波膜一一对应的像素元即为有效像素元；步骤3、通过求解以下方程组得到待测入射光中各频率分量f1、f2、…、fn的大小G(f1)、G(f2)、…、G(fn)：式中，Cij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)表示中心频率为fi的频率段的光在经过与不经过滤波膜阵列的情况下，所述探测阵列芯片中第j个有效像素元所探测到的灰度值之比，通过实验预先测得；步骤4、对G(f1)、G(f2)、…、G(fn)进行线性拟合，并经光谱定标，得到待测入射光的光谱。优选地，使用交替方向乘子法求解所述方程。相比现有技术，本专利技术技术方案具有以下有益效果：1、结构简单，易于制作：相比于制作其他光谱仪需要复杂、昂贵的设备，该光谱仪制作更加简单容易。2、成本低廉：该光谱仪所需的滤波膜价格低廉，利于实现批量生产。附图说明图1为具体实施方式中本专利技术光谱测量装置的结构原理示意图；图2为图1中光谱测量装置中滤波膜阵列的结构示意图；图中各标号含义如下：1为入射光源，2为透镜，3为小孔光阑，4为透镜，5为滤波膜，6为透明基底，7为探测阵列芯片。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案进行详细说明：图1为本专利技术光谱测量装置的一个优选实施例的结构原理示意图，如图所示，为了对入射光进行光学整形，本实例中首先使入射光通过一个光学准直装置。该光学准直装置包括共焦的透镜2和透镜4，透镜2和透镜4共同的焦点处设置有小孔光阑3。入射光源1所发出的光通过该光学准直装置后即可转变为平行光，这样不仅使得只有平行光才能入射到滤波膜阵列，而且限定了入射光的光束宽度，有利于提高测量的准确度。整形后的入射光通过一个滤波膜阵列，该滤波膜阵列包括一组平行且在入射光方向上互不重叠的滤波膜5本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，包括沿入射光传播方向依次设置的光学准直装置、滤波膜阵列、探测阵列芯片；所述滤波膜阵列包括一组平行且在入射光方向上互不重叠的滤波膜，各滤波膜在所述探测阵列芯片的测量波段范围内的透射谱线互不相同；所述滤波膜阵列中的每一片滤波膜均有至少一个所述探测阵列芯片的像素元与其正对。

【技术特征摘要】
1.基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，包括沿入射光传播方向依次设置的光学准直装置、滤波膜阵列、探测阵列芯片；所述滤波膜阵列包括一组平行且在入射光方向上互不重叠的滤波膜，各滤波膜在所述探测阵列芯片的测量波段范围内的透射谱线互不相同；所述滤波膜阵列中的每一片滤波膜均有至少一个所述探测阵列芯片的像素元与其正对。
2.如权利要求1所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述探测阵列芯片为黑白光电成像器件。
3.如权利要求2所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述黑白光电成像器件为黑白电荷耦合成像器件或者黑白互补金属氧化物半导体成像器件。
4.如权利要求1所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述光学准直装置包括两个共焦的透镜，以及设置于所述两个透镜的共同焦点处的小孔光阑。
5.如权利要求1所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述滤波膜阵列还包括透明基底，滤波膜附着于所述透明基底的表面。
6.如权利要求5所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述透明基底的材质为聚甲基丙烯酸甲酯。
7.如权利要求1所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述滤波膜阵列中的各滤波膜均为光学彩色聚酯薄膜。
8.如权利要求1所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨涛，许超，黄维，周馨慧，李兴鳌，刘亚丽，何浩培，严怀成，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32