[发明专利]一种基于阵列化多峰谷宽带滤光片的光谱重构方法及微型光谱仪

说明书

本发明公开了一种基于阵列化多峰谷宽带滤光片的光谱重构方法及微型光谱仪，待测光束依次经过扩束透镜扩束、准直透镜准直后照射于多峰谷宽带滤光片阵列，探测器测得透射光束的强度值并输入计算机，经光谱反演网络的解码子网络计算得到待测光束的光谱分布。本发明是一种全新的，微型化的，可集成的光谱仪，有望在便携式工业检测、消费电子等领域广泛应用。

技术领域

本发明涉及光谱分析领域，具体涉及一种基于阵列化多峰谷宽带滤光片的光谱重构方法及微型光谱仪。

背景技术

光谱仪是科学研究和工业生产中常用的光谱表征仪器，用于测试标定光源或物体的发射/反射/透射/辐射特性等，在光电系统、传感探测、食品安全、化工生产等领域有广泛用途。

传统的色散型光谱仪采用光栅、棱镜、可调谐滤光片等作为分光元件，将连续宽波段光谱依次分解成特定波长的能量出射从而实现全光谱的扫描和获取，可以提供超低光谱分辨率和宽光谱范围。但存在体积较大、光谱获取速度慢等缺点。

随着科学技术的不断发展，光谱分析的应用领域正在迅速扩大。在一些应用场合，如消费电子、片上实验室、临床医学，对光谱仪较小物理尺寸、较低成本与功耗的需求优先于高性能。微型光谱仪应运而生。

使用微型化或平面化分光元件是应用较广泛的光谱仪微型化策略。主要分光元件为微型化色散元件(平面光栅、平板波导、光子晶体波导、阵列波导光栅等)或窄带滤光片(阵列化窄带滤光片、线性渐变滤光片、可调谐滤光片等)。前者光谱分辨率与光谱仪尺寸大小相互制约，即色散元件到探测器的间距(即光谱仪的尺寸)与光谱分辨率成正比，使光谱仪的尺寸在一定光谱范围和精度要求下存在理论极限；后者虽并不受此制约，但需要区块数量较大(数百个)的阵列滤光片，涉及复杂精细的加工流程，生产成本较高。

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。

但现有计算重构型微型光谱仪方案中，阵列化编码滤光片的设计主要基于“随机生产–挑选”的方法，缺乏对其结构与光谱响应的定量优化设计方法，难以实现光谱仪的制造可重复性。

如公开号为CN109932058A的中国专利文献公开了一种基于阵列滤光片的微型光谱仪,包括扩束透镜、准直透镜、阵列滤光片、探测器和上位机；具体为使用具有不同中心波长和通带半宽度的窄带透射光谱的滤光区块作为其分光元件，并将其集成在探测器芯片上。所述待测光束经依次经过扩束透镜扩束、准直透镜准直后照射于阵列滤光片，经阵列滤光片调制后的透射光被探测接收并传送给上位机，经上位机处理后得到待测光束的光谱分布。所述阵列滤光片的制备基于多次二元光刻分离方法，不包含对阵列滤光片各滤光区块光谱响应的定量优化设计；所述滤光区块的透射光谱半宽度较窄，并不覆盖探测全波段，对待测光谱的编码能力不足；所述求解待测光束光谱分布的具体算法不明确。

发明内容

本发明提供了一种基于阵列化多峰谷宽带滤光片的光谱重构方法，利用该方法可以将探测器上一次性获得的光强值作为输入，反演出离散化的待测光束光谱分布，准确度高，反演速度快。

本发明提供了一种基于阵列化多峰谷宽带滤光片的重构微型光谱仪，该微型光谱仪避免使用光栅、棱镜、可调谐滤光片等分光元件，缩小器件物理尺寸。方案使用较少数量的滤光区块，简化加工流程，且薄膜结构可以降低阵列化滤光片的加工难度，提高器件的制备可重复性和稳定性。

本发明提供如下技术方案：