一种超微区域光谱测试系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种超微区域光谱测试系统及方法，样品的透射光束依次经过扩束透镜扩束、准直透镜准直后照射于若干个阵列滤光片，探测器测得滤光区块透射光束的强度值并一次性输入计算机，经光谱反演网络计算得到待测光束的光谱分布和样品的光谱成像，通过图像识别或光谱识别即可对样品中大量目标微区进行并发定位和分析，无需对准聚焦或扫描。本发明专利技术是一种全新的，小型化的，无对准的超微区域光谱测试系统及方法，有望在便携式工业检测、食品安全、医疗设施等领域广泛应用。医疗设施等领域广泛应用。

【技术实现步骤摘要】
一种超微区域光谱测试系统及方法


[0001]本专利技术涉及光谱分析领域，具体涉及一种无对准的超微区域光谱测试系统及方法。

技术介绍

[0002]在科学研究、材料分析、医疗服务、食品安全等领域，往往需要对物体的某些超微区域进行分析，传统地，一般使用光学显微镜对物体样品进行放大观察，需要在镜头中寻找目标区域，进行调节对焦放大后可获得物体的表面形貌信息，但不能得到物体内部的结构和成分信息。
[0003]光谱是物质的“指纹”，每种物质都有其独特的光谱，对物质的光谱分布进行分析即可获得物质的内部信息，因此光谱仪成为了科学研究和工业生产中常用的分析仪器，用以测试标定光源或物体的发射/反射/透射/辐射特性等。
[0004]而结合了显微镜和光谱仪两者的优点的超微区域光谱测试系统，用于对物体进行光谱测试和成像，可对目标超微区域进行定位、成像和识别，获得其超微区域的放大像和光谱分布信息，通过放大像可以观察超微区域的表面形貌，通过光谱信息可以获得该区域的内部结构信息，在物证检测、材料分析、食品安全、化工生产、医疗分析、文物鉴定等领域有广泛用途。
[0005]传统的超微区域光谱测试系统通常是在光学显微镜的基础上添加光谱测试和成像单元构成，其中的光学元件通常为光栅、棱镜等，光线通过狭缝、准直光学系统照射在色散元件上，色散元件将不同波长的入射光以不同的角度出射，出射光经聚焦光学系统照射到成像面上，形成的光强信号被探测器探测为光谱。进行光谱成像时，需要在上述色散型光谱测试单元的狭缝前添加一个扫描部件，使得每次只允许物体上的一个点的光线进入狭缝，从而获得该点对应像素的光谱响应曲线，照这样的方法，依次扫描物体上的各点即可对待测物体进行光谱成像。这种超微区域光谱测试系统保留了显微镜目镜、物镜、镜座、镜架、调焦旋钮等部件，同时具有光学色散元件，体积较大，光谱获取速度慢，光谱分辨率低。对目标超微区域进行光谱测试和成像时，需要对整个样品区域进行扫描成像，才能获得目标区域的光谱信息，耗时较长。
[0006]要想减小超微区域光谱测试系统的体积，必须摆脱传统显微镜部件的限制，而光谱仪小型化、微型化策略可以提供新的思路。
[0007]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。同时将宽带编码滤光片拼接平铺至整个可测试范围，可对待测物体进行一次性成像，不再受限于扫描部件，成像速度快。
[0008]因此基于宽带阵列滤光片、计算重构方法，可以摆脱传统超微区域光谱测试系统框架的限制，获得一种无对准、体积小、无运动部件、更快捷、低成本的超微区域光谱测试系统及方法。
[0009]公告号为CN114910166A的专利文献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。该文献采用阵列化滤光片作为分光元件，避免使用光栅等色散元件，进一步减小光谱仪的物理尺寸。采用宽带滤光片作为滤光区块，相比使用窄带滤光片的微型化方法，增大了滤光区块的编码能力，使区块数远小于光谱通道数，简化加工流程。该文献重点在于如何实现单束光的光谱重构，对于如何实现样品复杂光谱的检测没有描述。

技术实现思路

[0010]本专利技术提供了一种超微区域光谱测试系统，该光谱测试系统避免使用光栅、棱镜、可调谐滤光片等分光元件，缩小系统物理尺寸，没有扫描振镜等运动部件，可获得待测物体的光谱分布和一次性光谱成像，对大量目标超微区域进行并发成像和定位时无需对准聚焦，同时可通过图像或光谱对不同超微区域进行识别。
[0011]本专利技术提供了一种无对准的超微区域光谱测试方法，利用该方法，无需对焦，可以快速的获得样品的光谱图像和光谱信息。
[0012]本专利技术提供如下技术方案：
[0013]本专利技术提供了一种无对准的超微区域光谱测试系统，该系统由上至下依次为光源模块、样品模块、光谱测试模块和计算成像模块，光源模块包含照明光源，样品模块包含置样台，光谱测试模块包含扩束透镜、准直透镜、阵列滤光片、探测器，计算成像模块包含计算重构方法、光谱输出和成像显示部分。
[0014]进一步讲，一种超微区域光谱测试系统，包括按照光路或者信号传输方向依次设置的光源、置样台、扩束透镜、准直透镜、阵列滤光片、探测器和计算机；所述阵列滤光片中每个滤光片均包括若干个滤光区块，每个滤光区块的透过光谱互不相同，每个滤光区块的透射光谱线性叠加后覆盖探测全波段；所述计算机利用与所述滤光区块匹配的光谱反演网络重构得到待检测样品的光谱信息。
[0015]实际测试时，光源照射置样台上的样品，样品的透射光束依次经过扩束透镜扩束、准直透镜准直后照射于滤光片阵列，探测器测得透射光束的强度值并输入计算机，经光谱反演网络重构得到光谱分布，可获得待测物体微区的光谱分布和一次性光谱成像。进一步
讲，光源垂直照射到待测样品上，透射光束经过扩束透镜扩束、准直透镜准直后照射于阵列滤光片，经阵列滤光片的滤光区块调制后的透射光被探测器一次性测得，转换为光强值信号输入计算机，经计算重构得到待测光束的光谱分布，同时还能对整个样品进行光谱成像，通过图像观察可直接识别出目标超微区域，再分析其相应的光谱分布，由此获得目标超微区域的成分信息，若图像差异不明显，无法直接观察到特殊的超微区域，可通过设计算法比较待测物体的光谱分布，找出具有明显差异的光谱，即可得到特殊超微区域的光谱信息。
[0016]每个滤光片对应于样品上某一点，并对该点产生的透射光进行调制过滤，然后利用探测器检测得到该点的光强信息。在该滤光片中，多个滤光区块的透过光谱互不相同，且非单通道滤波光谱模式而是多峰谷宽带调制光谱模式，多个滤光区块分别对该点透射光进行过滤调制，实现对光的解析，配合计算机的光谱反演网络算法，最终实现对该点光谱的重构。
[0017]本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超微区域光谱测试系统，其特征在于，包括按照光路或者信号传输方向依次设置的光源、置样台、扩束透镜、准直透镜、阵列滤光片、探测器和计算机；所述阵列滤光片中每个滤光片均包括若干个滤光区块，每个滤光区块的透过光谱互不相同，每个滤光区块的透射光谱线性叠加后覆盖探测全波段；所述计算机利用与所述滤光区块匹配的光谱反演网络重构得到待检测样品的光谱信息。2.根据权利要求1所述的无对准的超微区域光谱测试系统，其特征在于，所述阵列滤光片集成在探测器上，且所有的滤光片相同。3.根据权利要求1所述的无对准的超微区域光谱测试系统，其特征在于，所述阵列滤光片中每个滤光区块包括基底和在基底上沉积的滤光膜系，所述滤光膜系选择高/低折射率堆叠的多层全介质膜或金属
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介质结构膜堆。4.根据权利要求1所述的无对准的超微区域光谱测试系统，其特征在于，所述阵列滤光片中滤光片的数量由光谱成像所需的分辨率决定，每个滤光片中滤光区块的数量由每个像素点的光谱还原精度和分辨率共同决定。5.根据权利要求1所述的无对准的超微区域光谱测试系统，其特征在于，所述滤光片均包括M*N个滤光区块，M为2～20，N为2～20。6.根据权利要求1所述的无对准的超微区域光谱测试系统，其特征在于，所述计算机根据得到的所述光谱信息，识别出目标超微区域，分析目标超微区域相应的光谱分布，获得目标超微区域的成分信息。7.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨陈楹，潘雨婷，梁涛，温俊仁，高程，郝凌云，朱泽宇，
申请(专利权)人：国科大杭州高等研究院，
类型：发明
国别省市：