[发明专利]一种微型光谱仪及光谱测试方法

说明书

本发明公开了一种微型光谱仪及光谱测试方法。所述微型光谱仪包括：全反射光耦合机构，其用于对入射光进行全反射并产生倏逝波；微纳颗粒层，其能够在所述倏逝波的激发下产生辐射和散射光；检测模块，其用于对所述辐射和散射光进行成像，以获得入射光的光谱信息。本发明的微型光谱仪成像对比度和光谱重构精度高，成本低。

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种微型光谱仪及光谱测试方法。

背景技术

光谱仪是解析光信号在不同波长处相对强弱的一种设备。现有光谱仪要么利用光栅或棱镜对入射光进行空间色散，使得不同波长光投射到不同探测器，从而实现光谱信息获取；要么利用机械传动马达控制反射镜移动产生两束分光间的光程差，并利用傅立叶变换把时间域函数干涉图变换为频率域函数图，从而提取光谱信息。这些光谱分析系统的体积都较为庞大，而且内部光路和检测模块复杂，价格昂贵，因此不利于便携式或集成式的应用。

科学家们开发了一系列微型光谱分析技术。2015年在《自然》期刊第524卷第67页报道了基于胶体量子点阵列的光谱仪，通过连续调节量子点吸收波长，得到低相关度的系列光谱，并通过算法实现光谱解析，但需要合成大量胶体量子点，并且大阵列的制备非常困难；2017年在《科学报告》期刊第7卷第40793页报道了一种基于法布里-珀罗标准具滤波器阵列和图像传感器的集成光谱系统，但需要高难度的灰度曝光工艺，并且光学效率受限于标准具上金属镜的反射损耗；2018年在《科学》期刊第360卷第1105页报道了一种基于计算图像技术的光谱分析方法，将窄线宽超材料共振结构阵列芯片通过成像光路与CMOS图像传感器进行组装，此方案需要制备成本高且产率低的纳米结构。2013年在《自然光子学》期刊第7卷第746页报道了一种通过解析随机分布纳米孔阵列的散射光成像与波长的关系来重构光谱的方法，实现了光谱仪的微型化，但纳米孔的制备依然需要复杂的纳米光刻技术。也有研究人员提出了一种通过解析毛玻璃散射光成像与波长关系来重构光谱的方法，降低了制备成本。但入射光穿过毛玻璃的透射光与散射光无法分离，造成成像对比度低，相关度高，光谱重构分辨率低。还有研究人员提出了一种通过解析银颗粒散射光成像与波长关系来重构光谱的方法，但同样面临无法区分透射光与散射光的问题，成像对比度低，光谱重构分辨率低。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种微型光谱仪及光谱测试方法，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种微型光谱仪，其包括：

全反射光耦合机构，其用于对入射光进行全反射并产生倏逝波；

微纳颗粒层，其能够在所述倏逝波的激发下产生辐射和散射光；以及

检测模块，其用于对所述辐射和散射光进行成像，以获得入射光的光谱信息。

本发明实施列还提供了一种光谱检测方法，其包括：

提供上述的微型光谱仪；

使待测的入射光入射全反射光耦合元件，以产生倏逝波激发微纳颗粒层产生辐射和散射光，再使检测模块对所述辐射和散射光进行成像，获得图像；

对所述图像与不同单波长入射光产生的图像之间的关系进行解析，从而获得所述入射光的光谱信息。

进一步的，对所述图像与入射光的波长之间的关系进行解析的方法包括：

(1)将所述微型光谱仪所能检测的波长范围分为N个带宽为Δλ的波段，N为不小于3的整数，各波段的中心波长为λ₁，λ₂，…，λ_N；

(2)将检测模块中探测器阵列的每个单元所测得的光强记为I₁，I₂，…，I_M；