[发明专利]基于滤波膜阵列的光谱测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光谱测量装置及方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

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的中国发明专利)。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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明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、…、f_n；