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一種提高光通量的光譜測量方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種提高光通量的光譜測量方法及系統(tǒng)，所述方法是通過增大傳統(tǒng)色散光譜儀或光譜測量系統(tǒng)中的入射狹縫的寬度，并在傳統(tǒng)的色散光譜儀或光譜測量系統(tǒng)中的光柵后面增加一組成像鏡頭來測量零級光譜，利用該零級光譜和原有的光譜測量系統(tǒng)中所測的一級光譜之間的數(shù)學關系，通過計算得出新的光譜。該新的光譜比傳統(tǒng)的采用較小狹縫的光譜測量系統(tǒng)獲得的光譜具有更強的光能量，與此同時，還能保持采用較小狹縫的光譜測量系統(tǒng)所具有的高分辨率。本發(fā)明能有效的提高入射光譜儀器的光通量，并通過數(shù)學計算來保證較高的光譜分辨率。
【專利說明】一種提高光通量的光譜測量方法及系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光譜學、光譜測量及儀器【技術領域】，具體地，涉及一種提高光通量的光譜測量方法及系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]光譜工作范圍、光譜分辨率、光通量以及探測噪聲和動態(tài)范圍等是反映光譜儀器性能的主要參數(shù)。在許多應用中，以上參數(shù)都是十分重要的。例如:較高的光譜分辨率可以得到目標譜圖的更精細的結構信息，從而允許更為精細的分析。較高的光通量可以提高檢測物質的靈敏度，降低檢測限。
[0003]自從1802年威廉.沃拉斯頓在色散光譜儀中使用狹縫來提高光譜儀的光譜分辨率后，狹縫便成為色散光譜儀的一個重要組成部分。然而，較小寬度的狹縫在提高分辨率的同時阻擋了大部分的入射光，導致入射光通量較小，影響了儀器探測物質的靈敏度。這就是人們所熟知的色散光譜儀中分辨率和光通量之間的矛盾。一些設計方案已被陸續(xù)提出，來緩解或解決該矛盾。
[0004]在過去的幾十年里，兩個最重要的提高光譜儀性能的方法分別為編碼孔徑成像光譜儀(CAS)和傅立葉變換光譜儀(FTS)。對于CAS來說，只有編碼孔足夠小才能達到較好的分辨率，然而，小的編碼孔帶來的光學衍射和光學模糊對測量結果造成了一定的影響。傳統(tǒng)的FTS的核心部件是干涉儀，系統(tǒng)中的機械掃描元件使儀器的結構和整體裝配變得復雜。


【發(fā)明內容】

[0005]針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種提高光通量的光譜測量方法及系統(tǒng)，能夠突破傳統(tǒng)高分辨率和高光通量之間的矛盾，實現(xiàn)高光通量的同時獲得高分辨率。
[0006]為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用以下技術方案:
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種提高光通量的光譜測量方法，所述方法通過增大傳統(tǒng)色散光譜儀或光譜測量系統(tǒng)中的入射狹縫的寬度，增大后的狹縫寬度大于原有入射狹縫一倍以上，并在傳統(tǒng)的色散光譜儀或光譜測量系統(tǒng)中的光柵后面增加一組成像鏡頭來測量零級光譜，利用該零級光譜和原有的光譜測量系統(tǒng)中所測的一級光譜之間的數(shù)學關系，通過計算得出新的光譜。所得光譜比傳統(tǒng)的采用寬度較小狹縫的光譜測量系統(tǒng)獲得的光譜具有更強的光能量，與此同時，還能基本保持采用寬度較小狹縫的光譜測量系統(tǒng)所具有的高分辨率。
[0008]所述提高光通量的光譜測量方法，具體包括如下步驟:
[0009]步驟一，被測光源由外光路或光纖耦合進入分光測量單元，經(jīng)入射狹縫后經(jīng)過準直鏡準直變成平行光，平行光以一角度入射光柵，經(jīng)光柵衍射后以不同角度出射，其中的零級光譜經(jīng)過狹縫成像鏡將入射狹縫成像于第一 CCD，一級衍射光經(jīng)過光譜成像鏡將光譜成像于第二 CCD ;所述入射狹縫是指增大寬度后的入射狹縫；
[0010]第二步，將第一 CXD與第二 CXD的信號進行前置處理、放大、A/D轉換、去噪和反卷積運算，最終獲得待測光譜。
[0011]優(yōu)選地，采用以下公式進行反卷積運算:
[00121 x<//l(0 = x<// h(/)x ~:~~■






O
[0013]其中:χ表示變換后的數(shù)據(jù)，y表示測量的原始數(shù)據(jù)，h表示狹縫上的歸一化光強分布，η表示循環(huán)次數(shù)。M表示變換后的數(shù)據(jù)X的長度，N表示測量的原始數(shù)據(jù)y的長度，i e <0,M-1>, k = O,...，M_l，j = l，...，N_1。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種提高光通量的光譜測量系統(tǒng)，包括分光測量單元和光譜數(shù)據(jù)處理運算單元兩個部分，其中:分光測量單元包括入射狹縫、準直鏡、光柵、狹縫成像鏡、光譜成像鏡、第一 CCD和第二 CCD，入射狹縫寬度大于對照的傳統(tǒng)色散光譜儀或光譜測量系統(tǒng)中的入射狹縫的寬度一倍以上；被測光源由外光路或光纖耦合進入分光測量單元，即:經(jīng)入射狹縫后經(jīng)過準直鏡準直變成平行光，平行光以一定角度入射光柵，經(jīng)光柵衍射后以不同角度出射，其中的零級光譜經(jīng)過狹縫成像鏡將入射狹縫成像于第一 CCD，一級衍射光經(jīng)過光譜成像鏡將光譜成像于第二 CCD ;第一 CCD與第二 CCD的信號由光譜數(shù)據(jù)處理運算單元進行前置處理、放大、A/D轉換、去噪和反卷積運算，最終獲得待測光譜。其中，準直鏡、狹縫成像鏡和光譜成像鏡的焦距相同。
[0015]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0016]本發(fā)明能有效的提高入射光譜儀器的光通量，并通過數(shù)學計算來保證較高的光譜分辨率。本發(fā)明引入了反卷積算法來處理光譜，只在傳統(tǒng)光譜儀原有的結構基礎上進行了較小的改動，但可以同時實現(xiàn)高分辨率和高通量，對于傳統(tǒng)光譜儀的性能，特別是在弱光源的情況下，有較大的提升與改善。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0018]圖1(a)-圖1(d)為本發(fā)明測量系統(tǒng)實施例的光路原理圖；
[0019]圖2為本發(fā)明一實施例應用在拉曼光譜測量系統(tǒng)上的光路圖；
[0020]圖3為采用圖2光路進行光譜測量得到的光譜數(shù)據(jù)圖；
[0021]圖4為采用傳統(tǒng)小狹縫測量得到的光譜和應用本發(fā)明大狹縫獲得重構光譜的對比圖(強度做了歸一化)；
[0022]圖中:100-分光測量單元；200_光譜信號處理運算單元；1_入射狹縫；2_準直鏡；3-光柵；4_狹縫成像鏡；5_光譜成像鏡；6_第一 CXD ;7_第二 (XD。

【具體實施方式】
[0023]下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0024]本實施例提供一種提高光通量的光譜測量方法，通過將傳統(tǒng)的色散光譜儀或光譜測量系統(tǒng)中的寬度小的狹縫更改為寬度稍大的狹縫來提高入射光通量，并在光柵后面增加一組成像鏡頭來測量零級光譜，利用該零級光譜和原有的光譜測量系統(tǒng)中所測的一級光譜之間的數(shù)學關系，通過計算得出新的光譜，這個新的光譜比傳統(tǒng)的采用寬度較小狹縫的光譜測量系統(tǒng)獲得的光譜具有更強的光能量，與此同時，還能基本保持采用寬度較小狹縫的光譜測量系統(tǒng)所具有的高分辨率。一般的光譜儀狹縫寬度取值在幾個微米至幾百微米范圍，本發(fā)明中狹縫寬度增大的范圍:一般是大于原有的狹縫一倍以上。
[0025]該技術方案的工作原理如圖1所示，待測光通過入射狹縫I射入準直鏡2后變成平行光，平行光以一定角度入射光柵3，經(jīng)過光柵3衍射后以不同角度出射，其中的零級光經(jīng)狹縫成像鏡4將入射狹縫成像于第一 CXD 6上，故第一 CXD 6檢測到的是入射光照射下的狹縫像，反映的是入射光源在狹縫面上的光強分布；其中的一級衍射光經(jīng)光譜成像鏡5將光譜成像于第二 CXD 7上，故第二 CXD 7檢測到的是的入射光經(jīng)由入射狹縫1、準直鏡2、光柵3和光譜成像鏡5組成的色散成像系統(tǒng)獲得的一級光譜分布。假設入射光以一定角度91平行入射于光柵3，波長為λ的光以Θ角度衍射，則滿足光柵方程
[0026]d (sin Θ Jsin Θ ) = j λ
[0027]其中:d是光柵常數(shù)，Qi是入射角，Θ是衍射角，j是衍射級次，對于一級光譜j =
1
[0028]如果準直鏡2、狹縫成像鏡4和光譜成像鏡5的焦距相同，均為f，忽略像差的情況下放大率為1，第二 CCD 7上所接收到的是不同波長的準單色光照明下的入射狹縫I所成像的疊加像，光譜的帶寬取決于入射狹縫I的寬度、光柵刻線、焦距等因素，如果入射狹縫I沿寬度方向(設為X軸方向)的尺寸等于第二 CCD 7像素單元寬度的N倍，由于不同波長的光的衍射角不同，所以成像的位置也不同，結果是不同波長的光譜沿著色散方向在第二 CCD7相鄰像素上進行重疊。
[0029]為了進一步說明該技術原理，考慮將入射狹縫I的寬度等距離分割成若干個單元，每個單元寬度等于CCD的像素間距d，沿著入射狹縫I寬度方向(即X軸方向)分別標記為第1，2,3, i,…，第η像素位置,考慮入射狹縫I中第i像素位置和沿x軸平移了 k個單位長度的第i_k像素位置，其分別由第一 CXD 6測得的非色散像和由第二 (XD7測得的色散像將會沿相同的方向移動相同的距離kd，這稱為平移不變性。該特性的簡要推理如下:選取入射狹縫I上沿X軸方向的兩個像素i和1-k作為例子；對于波長為λ的光，從這兩個像素單元出射的光經(jīng)過準直鏡2后成為兩束各自獨立的平行光；這兩束光在射向光柵3時有不同的入射角θ η和Θ i2 ;根據(jù)光柵方程d(sin Θ i^sin θ )=」λ，對于相同波長λ的光而言，衍射角會隨著入射角的不同而有所不同；對于波長為λ、入射角分別為Qil和0i2的光的衍射方程可以表示為:
[0030]d (sin Θ n±sin Θ dl) = j λ = d (sin Θ i2±sin Θ d2)
[0031]因此，對于相同波長λ的光，不同的衍射角和入射角的色散方程可以表示為:
[0032]sin Θ n_sin Θ i2 = 土(sin Θ d2_sin Θ dl)
[0033]在狹縫成像鏡4和光譜成像鏡5有相同焦距f的條件下，若方程兩邊同時乘以焦距f，這樣就可以得到方程
[0034]f (sin Θ n_sin Θ i2) = (sin Θ d2_sin Θ dl)
[0035]fsin Θ dl近似等于波長為λ的光在圖像傳感器第二 CXD 7上距離中心的色散距離。方程右邊是來自入射狹縫I兩個像素的波長為λ的光在色散圖像(即光譜面)上的距離；同理，左邊是來自入射狹縫I兩個像素的波長為λ的光在入射狹縫I平面上沿X軸上的距離(即在非色散圖像第一 CXD 6上的距離)。
[0036]根據(jù)上述位移不變性特性，第一 CXD 6和第二 CXD 7上測量得到的光通量分布與入射光源光譜函數(shù)s (X ; λ )關系可以表示為:
[0037]f2 (X) = (X) *s (x ; λ )，* 為卷積運算符號
[0038]其中:f2 (x)是第二 CXD 7上測得的一級光譜的圖像，fi (X)是第一 CXD 6測得的零級光譜的圖像；入射光源的光譜函數(shù)s(x;x)可以經(jīng)*f2(x)和A(X)進行反卷積而得出。
[0039]本實施例采用分光測量單元100和光譜數(shù)據(jù)處理運算單元200兩個部分來實現(xiàn)光譜的測量，分光測量單元100包括入射狹縫1、準直鏡2、光柵3、狹縫成像鏡4、光譜成像鏡5、圖像傳感器第一 CCD 6和第二 CCD 7，其中:準直鏡2、狹縫成像鏡4和光譜成像鏡5的焦距相同。全部光路可以采用反射式光路，如圖1中(a)所示；也可以全部采用透射式光路，如圖1中(b)所示；或其中的成像光路采用透射式，光柵采用反射式，如圖1中(c)所示；或成像部分采用反射式，光柵采用透射式，如圖1中(d)所示。
[0040]被測光源由外光路或光纖耦合進入分光測量單元100，經(jīng)入射狹縫I后經(jīng)過準直鏡2準直變成平行光，其中入射狹縫I要放在準直鏡2的焦平面上，平行光入射光柵3，經(jīng)光柵3衍射，其中的零級光譜經(jīng)過狹縫成像鏡4將入射狹縫I成像于第一 CXD 6，一級衍射光經(jīng)過光譜成像鏡5將光譜成像于第二 CXD 7，第一 CXD 6與第二 CXD 7的信號由光譜數(shù)據(jù)處理運算單元200進行前置處理、放大、A/D轉換、去噪和反卷積等運算，最終獲得待測光譜。
[0041]其中，采用以下公式進行運算:
[0042].ν'Η,(/) =.ν,ΗI '.(7.h






O
[0043]其中:X表示變換后的數(shù)據(jù)，y表示測量的原始數(shù)據(jù)，h表示大狹縫上的歸一化光強分布，η表示循環(huán)次數(shù)。M表示變換后的數(shù)據(jù)X的長度，N表示測量的原始數(shù)據(jù)y的長度，i e <0,M-1>, k = O,...，M_l，j = l，...，N_1。
[0044]如圖2所示，設選取非對稱交叉式切爾尼一特納型拉曼光譜測量系統(tǒng)，將本發(fā)明所述的光譜測量方法應用于該系統(tǒng)，得到如圖2所示的光路圖。其中光源的光譜范圍為794nm-985nm,光纖8的芯徑為200 μ m,系統(tǒng)原有的狹縫寬度較小為50 μ m,測量得到的光譜數(shù)據(jù)如圖3中寬度較小狹縫測量光譜圖；將其中狹縫寬度更換為150 μ m，增加狹縫成像鏡4和第一 CCD 6測量分支，其中第一 CCD 6檢測到的是零級光譜，即圖3中寬度較大狹縫測量圖像，第二 CCD 7檢測到的是一級光譜，即圖3中寬度較大狹縫測量得到的光譜圖；將光譜數(shù)據(jù)導入Matlab中進行反卷積計算，得到重構光譜，即本實驗的結果光譜，如圖4所示；通過圖中光譜對比可知，兩者具有幾乎相同的分辨率，而經(jīng)計算可以得出，由于高通量，重構光譜的RMS信噪比PSNR = 26.8dB,小狹縫測量光譜的信噪比PSNR = 23.5dB,通過本發(fā)明重構光譜后信噪比得到了明顯的提高。
[0045]本發(fā)明引入了反卷積算法來處理光譜，所述方法只是在傳統(tǒng)光譜儀原有的結構基礎上進行了較小的改動，但可以同時實現(xiàn)高分辨率和高通量，對于傳統(tǒng)光譜儀的性能，特別是在弱光源的情況下，有較大的提升與改善。
[0046]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質內容。
【權利要求】
1.一種提高光通量的光譜測量方法，其特征在于，通過增大傳統(tǒng)色散光譜儀或光譜測量系統(tǒng)中的入射狹縫的寬度，增大后的狹縫寬度大于原有入射狹縫一倍以上，并在傳統(tǒng)的色散光譜儀或光譜測量系統(tǒng)中的光柵后面增加一組成像鏡頭來測量零級光譜，利用該零級光譜和原有的光譜測量系統(tǒng)中所測的一級光譜之間的數(shù)學關系，通過計算得出新的光譜。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種提高光通量的光譜測量方法，其特征在于，所述方法，具體包括如下步驟: 第一步，被測光源由外光路或光纖耦合進入分光測量單元，經(jīng)入射狹縫后經(jīng)過準直鏡準直變成平行光，平行光以一角度入射光柵，經(jīng)光柵衍射后以不同角度出射，其中的零級光譜經(jīng)過狹縫成像鏡將入射狹縫成像于第一 CCD，一級衍射光經(jīng)過光譜成像鏡將光譜成像于第二 CCD ;所述入射狹縫為增大寬度后的入射狹縫； 第二步，將第一 C⑶與第二 CXD的信號進行前置處理、放大、A/D轉換、去噪和反卷積運算，最終獲得待測光譜。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種提高光通量的光譜測量方法，其特征在于，采用以下公式進行運算:
,ν^(/) = ,ν>-!.(/)χ^/,(/,/) w ,.V(/)
U Σ,,-ο 其中:χ表示變換后的數(shù)據(jù)，y表示測量的原始數(shù)據(jù)，h表示增大寬度后的入射狹縫上的歸一化光強分布，η表示循環(huán)次數(shù)；Μ表示變換后的數(shù)據(jù)X的長度，N表示測量的原始數(shù)據(jù)y的長度，i e <0，M-1>，k = O，...，M-l，j = l，...，N_1。
4.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的一種提高光通量的光譜測量方法，其特征在于，增大寬度后的入射狹縫寬度值為檢測成像器件CCD單位像素寬度的整數(shù)倍。
5.一種提高光通量的光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，包括分光測量單元和光譜數(shù)據(jù)處理運算單元兩個部分，其中: 分光測量單元包括入射狹縫、準直鏡、光柵、狹縫成像鏡、光譜成像鏡、第一 CCD和第二CCD，所述入射狹縫的寬度是對照的傳統(tǒng)色散光譜儀或光譜測量系統(tǒng)中的入射狹縫的寬度的一倍以上；被測光源由外光路或光纖耦合進入分光測量單元，即:經(jīng)入射狹縫后經(jīng)過準直鏡準直變成平行光，平行光以一角度入射光柵，經(jīng)光柵衍射后以不同角度出射，其中的零級光譜經(jīng)過狹縫成像鏡將入射狹縫成像于第一 CCD，一級衍射光經(jīng)過光譜成像鏡將光譜成像于第二 CCD ; 第一 CXD與第二 CXD的信號由光譜數(shù)據(jù)處理運算單元進行前置處理、放大、A/D轉換、去噪和反卷積運算，最終獲得待測光譜。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種提高光通量的光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述準直鏡、狹縫成像鏡和光譜成像鏡的焦距相同。
7.根據(jù)權利要求5所述的一種提高光通量的光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述入射狹縫寬度值為檢測成像器件CCD單位像素寬度的整數(shù)倍。
8.根據(jù)權利要求5-7任一項所述的一種提高光通量的光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)全部光路采用反射式光路；或者全部采用透射式光路。
9.根據(jù)權利要求5-7任一項所述的一種提高光通量的光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)，其中的成像光路采用透射式光路，光柵采用反射式光路；或成像部分采用反射式光路，光柵采用透射式光路。
【文檔編號】G01J3/02GK104266755SQ201410514190
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權日:2014年9月29日
【發(fā)明者】黃梅珍, 鄒燁, 汪洋, 余鎮(zhèn)崗, 孫振華, 季蕓 申請人:上海交通大學