本发明专利技术公开了一种基于多角度偏振光宽带滤光片的光谱重构方法和光谱仪，包括：入射光经准直后以不同角度入射至滤光元件进行调制，同时在滤光元件前或者滤光元件后对对应的光束进行起偏，经调制和起偏后的光束照射至待检测样品上，透射光照射到探测器上，获得透射光束的强度值，将该光强值输入至光谱解码网络计算得到待检测样品的待测光谱。本发明专利技术是一种全新的，微型化的，可集成的光谱仪，有望在便携式工业检测、消费电子等领域得到广泛应用。工业检测、消费电子等领域得到广泛应用。
【技术实现步骤摘要】
基于多角度偏振光宽带滤光片的光谱重构方法及光谱仪
[0001]本专利技术涉及光谱分析领域，具体涉及一种基于多角度偏振光宽带滤光片的光谱重构方法及转动式计算光谱仪，有望应用在现代科学实验、生物医疗、工农业生产、国防等众多领域。
技术介绍
[0002]光谱仪是认识光谱世界的重要工具，光谱测量作为观察物质结构和分析物质成分的基础技术手段，广泛应用于生物传感、环境监测、天文学、医学和通信等众多科学研究与工业生产领域。色散型光谱仪通常由光源、色散单元和探测器组成,其中,色散单元是仪器的关键部分,将复合光按照波长分解为单色光,形成光谱。随着探测器(单点、阵列)、色散元件、光源等部件的不断发展,逐步形成了一系列性能优良的光谱仪器。
[0003]传统光谱仪受限于衍射极限，需要增大整个光学系统来满足高光谱分辨率的需求，使得仪器的制作成本往往十分昂贵。在大部分情况下，物质检测中对减小仪器体积、成本以及功耗的需求已经大于对高性能的需求。自20世纪90年代以来，微型化与集成化的电子器件、以及计算机技术的飞速进步为微型光谱仪的发展提供了有利的条件。与笨重、庞大的传统光谱仪相比，经过持续改良和精简的微型光谱仪更加便携好用。
[0004]近年来，得益于微纳加工技术和相关算法(压缩感知、机器学习等)的进步，出现了一种全新的微型光谱仪——计算重构型。计算重构型微型光谱仪利用压缩感知、深度神经网络等算法，从一组经宽带探测器或宽带滤光片编码的光谱响应中反演入射光谱。理论上，可以产生不同宽光谱响应的光学元件都可以作为编码器，如量子点、纳米线、薄膜、液晶、光子晶体、超表面等。该方法的编码次数往往少于待测光谱通道数，从而有效减少所需阵列区块个数，简化加工流程，降低加工难度。另一方面，光谱分辨率不再受限于光谱仪尺寸大小，使光谱仪尺寸有望缩小至毫米甚至亚毫米量级。
技术实现思路
[0005]本专利技术提供了一种基于多角度偏振光宽带滤光片的重构微型光谱仪，该方案摒弃以往棱镜、光栅、傅里叶干涉仪等体积大、重量重、价格昂贵、局限性高的分光器件，仅采用一个滤光元件，大大简化加工流程。
[0006]滤光元件主要包括薄膜、超表面、光子晶体、量子点等，采用这些滤光元件制备的光谱仪都能达到小型化的目的。
[0007]本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种基于多角度偏振光宽带滤光片的光谱重构方法，包括：入射光经准直后以不同角度入射至滤光元件进行调制，同时在滤光元件前或者滤光元件后对对应的光束进行起偏，经调制和起偏后的光束照射至待检测样品上，透射光照射到探测器上，获得透射光束的强度值，将该光强值输入至光谱解码网络计算得到待检测样品的待测光谱。
[0009]作为优选，光束经过准直透镜准直后，多角度下的滤光元件对其进行调制。此时可
以选择按照设定角度间隔旋转的滤光片，以实现所述入射光经准直后以不同角度入射至滤光元件进行调制。多次旋转滤光元件获得不同的入射角，探测器测得透射光束的强度值并输入计算机，经计算机内的光谱解码网络计算得到待测光谱。
[0010]作为优选，在检测样品之前，我们利用光源和硬件的相关特性计算出理想光强值，然后对实际检测过程中获得的探测器光强值进行标定。具体讲，按照相同的光路，去除样品，将已知光强的光束通过本专利技术的方法(系统)检测得到实际光强值，然后实际光强值除以理想光强值，即可得到样标定因子。进行实际样品检测时，将光束通过样品后打到探测器上得到的光强值除以标定因子，既可以得到标定后的光强值，将该标定后光强值作为光谱解码网络的输入，经计算得到待检测样品的待测光谱。
[0011]作为优选，光谱重构过程中，所述滤光元件在0
°‑
85
°
之间按照特定角度间隔进行旋转。
[0012]作为优选，所述光谱解码网络来自于光谱反演网络的解码网络。所述谱反演网络采用主成分分析算法、遗传算法、深度神经网络及压缩感知算法中的一种或多种的结合得到。
[0013]作为优选，所述光谱反演网络为深度神经网络，包括编码网络和解码网络，所述编码网络包括光谱输入层和光强输入层；所述解码网络包括光强输入层、光谱输出层，以及位于光强输入层、光谱输出层之间的若干隐层。其中：光谱输入层的神经元数量和光谱输出层的神经元数量均为光谱通道数；光强输入层的神经元数量为多角度下若干条偏振光实际光谱响应数量M；光谱输入层、光强输入层、若干隐层、光谱输出层的神经元之间的连接方式均为全连接，并在每个全连接层之后添加批归一化层与激活函数。
[0014]作为优选，光谱反演网络模型优化时，软件把已知输入光谱(比如n个高斯曲线的任意叠加所得曲线，n为1～50)作为训练集和测试集，以实际光谱响应作为编码网络神经元之间的连接权重，并在深度学习过程中设置为不更新参数，仅对解码网络进行优化。
[0015]作为优选，光谱反演网络模型优化时，光谱输入层和光强输入层神经元之间的权重设置为实际光谱响应并使其在后续训练过程中保持不变偏置设置为0并锁定，对解码网络进行“微训练”，可以使之与实际光谱响应更加适配，并提高光谱重构精度。
[0016]本专利技术提供了一种基于多角度偏振光宽带滤光片的光谱重构方法，将不同角度的入射光经过滤光区块、偏振片所形成的光谱响应作为神经网络的编码过程，利用该方法可以将探测器上多次获得的光强值作为网络的输入，反演出离散化的待测光束光谱分布，准确度高，反演速度快，有望应用在生物学、毒品检测、遥感、化工业等诸多领域。
[0017]本专利技术将待测光束经过准直透镜准直后，多角度下的滤光元件对其进行调制。光束再依次通过偏振片和样品，照射到探测器上。多次旋转滤光元件获得不同的入射角，探测器测得透射光束的强度值并输入计算机，经光谱解码网络计算得到待测光谱。
[0018]作为优选，起偏后的光束为具有2～4种不同偏振角度的偏振光。
[0019]一种基于多角度偏振光宽带滤光片的重构微型光谱仪，包括：
[0020]对于输入光束进行准直的准直透镜；
[0021]对准直后光束或者调控后光束进行起偏的偏振片；
[0022]对起偏的后光束或者准直后光束进行调控的可旋转滤光片；
[0023]对起偏和调制后光束进行检测的探测器；
[0024]利用探测器所得光强数据进行重构的计算机。
[0025]所述偏振片、可旋转滤光片的位置可以调换，得到不同角度、不同偏振态下光束通过滤光元件的光强值。
[0026]在本专利技术中，偏振片、滤光片位于准直透镜与探测器之间，且滤光片单独置于角度可调的转轮上。可以根据需要设置驱动机构，比如驱动电机等。
[0027]由压缩感知理论可知，滤光元件光谱响应相关度越低，其对待测光谱的编码冗余越小，因此实验可以充分利用数量有限的滤光元件来对光束进行编码，使之产生不同的透过率曲线。一般的光源是非偏振光，包含光矢量向各个方向振动的多种偏振光。不同角度下，选取若干种特定的偏振光入射到滤光元件时，得到的透过率曲线会有明显的差异，表现为不同波长点透过率大本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于多角度偏振光宽带滤光片的光谱重构方法，其特征在于，包括：入射光经准直后以不同角度入射至滤光元件进行调制或者入射光经准直后入射至不同角度的滤光元件进行调制，同时在滤光元件前或者滤光元件后对对应的光束进行起偏，经调制和起偏后的光束照射至待检测样品上，透射光照射到探测器上，获得透射光束的强度值，将该光强值输入至光谱解码网络计算得到待检测样品的待测光谱。2.根据权利要求1所述的基于多角度偏振光宽带滤光片的光谱重构方法，其特征在于，保持入射光方向不变，不同角度旋转所述滤光元件，实现入射光经准直后入射至不同角度的滤光元件进行调制。3.根据权利要求1所述的基于多角度偏振光宽带滤光片的光谱重构方法，其特征在于，在检测样品之前，利用无样品的探测器光强值对实际检测过程中获得的探测器光强值进行标定。4.根据权利要求1所述的基于多角度偏振光宽带滤光片的光谱重构方法，其特征在于，光谱重构过程中，所述滤光元件在0
°‑
85
°
之间按照特定角度间隔进行旋转。5.根据权利要求1所述的基于多角度偏振光宽带滤光片的光谱重构方法，其特征在于，所述光谱解码网络来自于光谱反演网络的解码网络；所述光谱反演网络采用主成分分析算法、遗传算法、深度神经网络及压缩感知算法中的一种或多种的结合得到。6.根据权利要求5所述的基于多角度偏振光宽带滤光片的光谱重构方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨陈楹，高程，朱美萍，郝凌云，温俊仁，朱泽宇，潘雨婷，吴晗，高海淇，林杰，
申请(专利权)人：国科大杭州高等研究院，
类型：发明
国别省市：
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