本发明专利技术提供一种基于二维色散光谱重构的光谱探测装置，包括依次排布的通光孔、准直镜、具有二维色散能力的色散元件、成像镜和二维探测器，色散元件对待测光进行二维空间色散，得到二维光谱空间分布，二维探测器接收二维光谱空间分布，得到光谱二维强度分布信息；数据映射模块将光谱二维强度分布信息和定标矩阵进行数据映射，得到待测光的光谱信息。本发明专利技术还提供相应的基于二维色散光谱重构的光谱探测方法。本发明专利技术的装置采用具有二维色散能力的色散元件对待测光进行二维空间的色散，通过二维探测器的高采样率和宽尺寸实现高分辨率、宽探测范围的光谱探测；此外，其利用定标矩阵和关联重构的算法，实现光谱信息的重构与探测。实现光谱信息的重构与探测。实现光谱信息的重构与探测。
【技术实现步骤摘要】
一种基于二维色散光谱重构的光谱探测方法及装置
[0001]本专利技术涉及光谱探测领域，更具体的涉及一种光谱探测方法及光谱探测装置。
技术介绍
[0002]光谱分析技术是目前分析物质结构、定量成分含量的强有力的手段。光谱分析技术的核心是利用物质辐射或散射、透射或反射的光携带了该物质的属性和条件的信息，如化学和物理成份等参数，通过对光谱检测获取相应的物理或化学信息。光谱分析需要依靠光谱探测技术的有效采集，光谱探测技术依托于光的色散、衍射和光学调制的原理，将不同频率的光辐射按照一定的规律分解，形成光谱，配合一系列光学、机械、电子、计算机系统，实现对光频率和强度的精密测定。光谱探测可广泛应用于许多不同的领域，如颜色测量、半导体领域里的测量、化学成分的浓度测量等。
[0003]现有的光谱探测方法主要分为三大类：
[0004]第一类对应的是利用光栅或者棱镜的色散原理让不同频率的光产生不同的角色散，从而将不同频率的光从空间区分。这类光谱探测方法对应着的仪器是光栅光谱仪。
[0005]第二类光谱探测方法是利用了傅里叶变换的原理，通过对光波信号强度随时间的变化关系做傅里叶变换，并对时间域信号解调出光谱分布。该测量方法对应的仪器是傅里叶光谱仪。由于基于傅里叶变换的光谱仪在工作过程中需要严格的保证使用过程中无外界震动影响干涉图样的产生，因此使用场景十分受限。
[0006]第三类光谱探测方法则是利用滤光片的对不同波长的光进行滤除，从而获取单一波长的成分光的强度。基于滤波片的分光系统会大部分能量被滤除，造成极大的能量损失。
[0007]目前普遍使用的光谱探测是基于色散的光谱探测手段。虽然基于色散光谱探测方法具有分辨率高，成本低、易操作等优势，但是限于目前技术确有无法克服的极大瓶颈。其主要体现在以下三个方面：
[0008]1.现有光栅光谱仪的分辨率和光谱仪大小是一对矛盾，高光谱分辨率必须采取长焦距透镜。很多光栅光谱仪直接用透镜焦距的大小来标记光谱仪的分辨能力。
[0009]根据色散能力公式：其中,θ为色散角度，m是光谱级次，d为光栅常数，f为透镜焦距。可以看到，当焦平面越远，即f越大，对应的色散能力越强，从而分辨率越高。
[0010]2.现有光栅光谱仪为了增大光谱探测范围，需要转动光栅，增加了复杂度和成本，以及光谱测量时间。
[0011]3.现有光栅光谱仪对光谱的测量采用了低效的信息获取手段即探测器像素点所探测的强度即为光谱强度。而目前信息理论的发展能够轻易的突破传统探测方法低效的信息获取能力，从而打破现有光谱探测方式的瓶颈。
技术实现思路
[0012]本专利技术的目的是提供一种基于二维色散光谱重构的方法及其装置，从而解决现有技术中的色散光谱探测方法中分辨率受限、光谱探测范围受限、仪器体积过大等问题。
[0013]为了实现上述目的，本专利技术提供一种基于二维色散光谱重构的光谱探测装置，包括沿待测光的光路依次排布的通光孔、准直镜、具有二维色散能力的色散元件、成像镜和二维探测器，所述通光孔设置为收集待测光，所述准直镜将通过通光孔的待测光进行准直，所述具有二维色散能力的色散元件设置为对待测光进行二维空间色散，得到二维光谱空间分布，所述成像镜将色散得到的二维光谱空间分布成像至二维探测器，所述二维探测器设置为接收所述二维光谱空间分布，采样得到待测光的光谱二维强度分布信息Y；所述二维探测器与一数据映射模块相连，所述数据映射模块设置为将待测光的光谱二维强度分布信息Y和一定标矩阵A进行数据映射，得到待测光的光谱信息。
[0014]所述光谱探测装置设置为反射式、透射式或其组合；其中，反射式的光谱探测装置采用的准直镜和成像镜采用无色差的凹面镜、或无色差的椭球面镜；所述具有二维色散能力的色散元件为反射式光栅、棱镜、数字微反射镜或其组合；透射式的光谱探测装置采用的准直镜和成像镜采用消色差复合透镜；所述具有二维色散能力的色散元件为透射式光栅、棱镜、随机相位调制器或其组合。
[0015]所述数据映射模块设置为借助关联算法将光谱二维强度分布信息Y与定标矩阵A进行关联运算，得到待测光的光谱信息X。
[0016]所述通光孔和具有二维色散能力的色散元件之间设有准直镜，且所述具有二维色散能力的色散元件和二维探测器之间设有成像镜。
[0017]所述准直镜与成像镜焦距同为f，并且是在探测光谱范围内的消色差复合透镜、无色差的凹面镜、或无色差的椭球面镜。
[0018]所述具有二维色散能力的色散元件是两个一维色散元件色散方向正交设置而形成的，每一个一维色散元件包括棱镜、透射式光栅和反射式光栅的一种或多种的组合，所述棱镜包括反射型棱镜、Cornu棱镜、Littrow棱镜和Abbe恒偏向棱镜；
[0019]或者，所述具有二维色散能力的色散元件采用二维色散编码元件或二维色散材料，所述二维色散编码元件为相位调制器、液晶空间光调制器、随机相位调制器、数字微透镜装置、或数字微反射镜装置，所述二维色散材料为毛玻璃、介观材料、或超材料。
[0020]所述通光孔为矩形光阑；所述矩形光阑的尺寸是固定的且是二维探测器的像元尺寸的大小或其整数倍，或者所述矩形光阑的尺寸是可变的且最小尺寸为二维探测器的像元尺寸。
[0021]另一方面，本专利技术一种基于二维色散光谱重构的光谱探测方法，其特征在于，包括：
[0022]S1：制作根据上文所述的基于二维色散光谱重构的光谱探测装置，并确定相应的光谱二维强度分布信息获取方法；所述光谱二维强度分布信息获取方法包括：利用通光孔收集待测光，利用准直镜对待测光准直，利用具有二维色散能力的色散元件对待测光进行二维空间色散，得到二维光谱空间分布，利用成像镜将二维光谱空间分布成像到二维探测器，利用二维探测器采集所述二维光谱空间分布，以得到光谱二维强度分布信息Y；
[0023]S2：利用已知波长的单色光执行所述光谱二维强度分布信息获取方法或者执行数
值计算的方法，得到每个波长的单色光对应的光谱二维强度分布信息，得到定标矩阵A，将定标矩阵A保存在一数据映射模块中；
[0024]S3：利用光谱二维强度分布信息获取方法得到待测光的光谱二维强度分布信息Y；
[0025]S4：将待测光的光谱二维强度分布信息Y和定标矩阵A进行数据映射，得到待测光的光谱信息。
[0026]所述单色光通过以下方式获取：将白光通过高光谱分辨率的单色仪，单色仪的光谱分辨率高于或等于待定标的基于二维色散光谱重构的光谱探测装置，经单色仪分光，得到单色光。
[0027]所述步骤S4具体包括：借助关联算法将定标矩阵A与光谱二维强度分布信息Y进行关联运算，以求解Y＝AX，得到待测光的光谱信息X；
[0028]所述关联运算的方法包括：
[0029]逆矩阵求解算法，其具体包括：求解逆矩阵问题X＝A
‑1Y；
[0030]最小二乘拟合算法，其具体包括：求解优化问题min||Y
‑
AX||2；
[0031]稀疏约束算法，其具本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于二维色散光谱重构的光谱探测装置，其特征在于，包括沿待测光的光路依次排布的通光孔、准直镜、具有二维色散能力的色散元件、成像镜和二维探测器，所述通光孔设置为收集待测光，所述准直镜将通过通光孔的待测光进行准直，所述具有二维色散能力的色散元件设置为对待测光进行二维空间色散，所述成像镜将色散得到的二维光谱空间分布成像至二维探测器，所述二维探测器设置为接收所述二维光谱空间分布，采样得到待测光的光谱二维强度分布信息Y；所述二维探测器与一数据映射模块相连，所述数据映射模块设置为将待测光的光谱二维强度分布信息Y和一定标矩阵A进行数据映射，得到待测光的光谱信息。2.根据权利要求1所述的基于二维色散光谱重构的光谱探测装置，其特征在于，所述光谱探测装置设置为反射式、透射式或其组合；其中，反射式的光谱探测装置采用的准直镜和成像镜采用无色差的凹面镜、或无色差的椭球面镜；所用的具有二维色散能力的色散元件为反射式光栅、棱镜、数字微反射镜或其组合；透射式的光谱探测装置采用的准直镜和成像镜采用消色差复合透镜；所用的具有二维色散能力的色散元件为透射式光栅、棱镜、随机相位调制器或其组合。3.根据权利要求1所述的基于二维色散光谱重构的光谱探测装置，其特征在于，所述数据映射模块设置为借助关联算法将光谱二维强度分布信息Y与定标矩阵A进行关联运算，得到待测光的光谱信息X。4.根据权利要求1所述的基于二维色散光谱重构的光谱探测装置，其特征在于，所述准直镜与成像镜焦距同为f，并且是在探测光谱范围内的消色差复合透镜、无色差的凹面镜、或无色差的椭球面镜。5.根据权利要求1所述的基于二维色散光谱重构的光谱探测装置，其特征在于，所述具有二维色散能力的色散元件是两个一维色散元件色散方向正交设置而形成的，每一个一维色散元件包括棱镜、透射式光栅和反射式光栅的一种或多种的组合，所述棱镜包括反射型棱镜、Cornu棱镜、Littrow棱镜和Abbe恒偏向棱镜；或者，所述具有二维色散能力的色散元件采用二维色散编码元件或二维色散材料，所述二维色散编码元件为相位调制器、液晶空间光调制器、随机相位调制器、数字微透镜装置、或数字微反射镜装置，所述二维色散材料为毛玻璃、介观材料、或超材料。6.根据权利要求1所述的基于二维色散光谱重构的光谱探测装置，其特征在于，所述通光孔为矩形光阑；所述矩形光阑的尺寸是固定的且是二维探测器的像元尺寸的大小或其整数倍，或者所述矩形光阑的尺寸是可变的且最小尺寸为二维探测器的像元尺寸。7.一种基于二维色散光谱重构的光谱探测方法，其特征在于，包括：步骤S1：制作根据权利要求1
【专利技术属性】
技术研发人员：王中阳，肖康，孙静，李栋，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：
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