基于散射介质薄片的散射装置和散斑光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱数据采集技术领域，特别是涉及一种基于散射介质薄片的散射装置和散斑光谱仪。

背景技术

光谱仪是科学研究和工业应用的重要工具，如物理和生化传感、材料分析和光源表征。由于随机散射材料在光谱投射方面具有足够的多样性，可以精确测量光场的光谱依赖偏振状态，因此随机光谱仪得到广泛应用，但由于随机光谱仪的散射系统的总透射率较低，大部分输入信号被反射而不是被传输，这种消耗将限制光谱仪的灵敏度。

进而出现一种基于多模光纤、单模光纤或单模光纤和随机介质连接的散斑光谱仪。但由于引导模式的数量有限，基于多模光纤的光谱仪往往受到分辨率和带宽之间的权衡限制，通常需要几米长的多模光纤才能达到皮米级的光谱分辨率，采用主成分分析法，也只能在有限的带宽下实现飞米级和阿米级的分辨率。并且随机介质一般选用积分球、无序光子晶体和芯片、天然珍珠、散射成分、光纤和波导以及随机散射体等尺寸较大的物质，不能实现良好的积分和小型化。

因此，直至目前高精度光谱仪的低成本和小型化依然具有挑战性。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种基于散射介质薄片的散射装置和散斑光谱仪，所述散斑光谱仪在达到优异分光谱分辨性能的同时还兼具成本低、小型化的特点。

根据本发明的第一方面，提供一种基于散射介质薄片的散射装置，包括：

可调激光器，用于提供入射光；

第一单模光纤和第二单模光纤，设置于所述入射光的光路上，用于使所述入射光具有单一模式；

偏振器，连接于所述第一单模光纤和第二单模光纤之间，用于使所述入射光具有相同偏振；

散射介质薄片，与所述第二单模光纤连接，用于折射所述入射光，使所述入射光的光路散射形成唯一的散射图样；

面阵探测器，设置于所述散射介质薄片的散射图样方向上，用于接收并记录所述散射图样；

其中，在垂直于入射光的方向上，所述散射介质薄片包括两个以上的散射区，每一散射区的透光率不同，且最大透光率与最小透光率的差值为20％～80％。

在其中一个实施例中，最大透光率与最小透光率的差值为40％～80％。

在其中一个实施例中，所述散射介质薄片的透光率在垂直于入射光的方向上依次递增或递减。

在其中一个实施例中，所述散射介质薄片包括聚合物基体以及分散于所述聚合物基体中的微纳散射颗粒，其中，所述散射介质薄片中的微纳散射颗粒的体积掺杂浓度在垂直于入射光的方向上依次递增或递减；

及/或，所述散射介质薄片中的微纳散射颗粒的粒径在垂直于入射光的方向上依次递增或递减；

及/或，所述散射介质薄片中的微纳散射颗粒的透光率在垂直于入射光的方向上依次递增或递减。

在其中一个实施例中，所述微纳散射颗粒为无机物微纳颗粒；其中，所述无机物微纳颗粒选自二氧化硅颗粒、二氧化钛颗粒、氧化铝颗粒、氧化镁颗粒、氟化钙颗粒、氟化镁颗粒、氟化锂颗粒中的至少一种；

及/或，所述聚合物基体选自聚二甲基硅氧烷基体、聚乙烯基体、聚丙烯基体、聚酯基体、聚酰胺基体、聚甲基丙烯酸甲酯基体、氟化聚甲基丙烯酸酯基体、聚苯乙烯基体、聚偏二氟乙烯基体、聚氨酯基体、聚对苯二甲酸乙二醇基体中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述散射介质薄片中微纳散射颗粒的体积掺杂浓度为0.01vol.％～20vol.％；

及/或，所述散射介质薄片中微纳散射颗粒的粒径为0.01μm～100μm。

在其中一个实施例中，所述散射介质薄片中微纳散射颗粒的掺杂浓度为0.1vol.％～10vol.％；

及/或，所述散射介质薄片中微纳散射颗粒的粒径为0.05μm～0.5μm。

在其中一个实施例中，所述散射介质薄片的厚度为0.001mm～10mm。

在其中一个实施例中，所述散射介质薄片的厚度为0.001mm～1mm。

根据本发明的第二方面，提供散斑光谱仪，包括预置校准系统、散射装置和计算机，

所述预置校准系统用于获取预置校准信息；

所述散射装置用于获取散射图样；

所述计算机接收所述散射图样并基于预置校准信息和光谱重构计算获取光谱；

其中，所述散射装置为基于散射介质薄片的散射装置。

本发明基于散射介质薄片的散射装置，通过在散射介质薄片垂直于入射光的方向上设置透光率不同的散射区，实现不同区域的光谱调控，在空间上拉开差值，从而在空间上把不同波长的光进行分离。进而，在散斑光谱仪中使用本发明的散射装置，通过分级光谱随机调控思路，与光纤光谱仪进行结合，使散斑图的随机性增强，在达到优异的光谱分辨性能的同时实现了光谱仪的小型化，且成本降低。

附图说明

图1为本发明提供的基于散射介质薄片的散射装置的结构示意图；

图2为本发明实施例3提供的散射介质薄片内TiO

图3为本发明实施例3提供的散射介质薄片掺杂不同粒径TiO

图4为本发明实施例4提供的散射介质薄片掺杂不同体积浓度的透过谱；

图5为本发明实施例5提供的散射介质薄片不同微纳散射颗粒的透过谱；

图6为本发明实施例6提供的散斑光谱仪的光谱信息重构结果与市面上的光谱仪测得的光谱结果对比；

图7为本发明实施例7提供的散斑光谱仪的光谱信息重构结果与市面上的光谱仪测得的光谱结果对比；

图8为本发明实施例8提供的散斑光谱仪的光谱信息重构结果与市面上的光谱仪测得的光谱结果对比；

图9为本发明实施例9提供的散斑光谱仪的光谱信息重构结果与市面上的光谱仪测得的光谱结果对比；

图10为本发明实施例10提供的散斑光谱仪的光谱信息重构结果与市面上的光谱仪测得的光谱结果对比。

图中：1、可调激光器；2、第一单模光纤；3、第二单模光纤；4、偏振器；5、散射介质薄片；6、面阵探测器。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更详细的描述。但是，应当理解，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式或实施例。相反的，提供这些实施方式或实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与术语本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式或实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，上述数值区间内视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。

根据本发明的第一方面，如图1所示，提供了一种基于散射介质薄片的散射装置，在入射光的光路上依次设有第一单模光纤2、偏振器4、第二单模光纤3、散射介质薄片5和面阵探测器6。

具体的，可调激光器1，用于提供入射光；

第一单模光纤2和第二单模光纤3，设置于所述入射光的光路上，用于使入射光具有单一模式；

偏振器4，连接于所述第一单模光纤2和第二单模光纤3之间，用于使入射光具有相同偏振；

散射介质薄片5，与所述第二单模光纤3连接，用于折射入射光，使入射光的光路散射形成唯一的散射图样；

面阵探测器6，设置于所述散射介质薄片5的散射图样方向上，用于接收并记录散射图样；

其中，在垂直于入射光的方向上，所述散射介质薄片5包括两个以上的散射区，每一散射区的透光率不同，且最大透光率与最小透光率的差值为20％～80％。

本发明提供的基于散射介质薄片5的散射装置，散射介质薄片5包括两个以上的散射区且不同散射区的透光率不同，即实现相邻两个散射区的透光率存在差值。通过不同区域的光谱调控，在空间上拉开一定差值，从而在空间上把不同波长的光进行分离。不同波长的光以不同比例散射到不同检测单元，各个探测检测单元上的探测信息可以构建一组光强信号。由于入射光波长与散斑间存在一一对应关系，因此通过识别散斑能够获得波长信息。当输入光为多波长时，输出图像是每个单色波长产生散斑的叠加。

本发明中，散射介质薄片5的最大透光率和最小透光率的差值设置为20％～80％，优选的，最大透光率与最小透光率的差值为40％～80％。可以对不同波长的光具有优异的分离效果。

在一实施方式中，所述散射介质薄片5任一相邻的散射区存在透光率差值，便可以增强光谱分辨率。在垂直于入射光的方向上，透光率的变化可以为无序的，例如，第一散射区对532nm入射光的透光率为10％，第二散射区对532nm入射光的透光率为60％，第三散射区对532nm入射光的透光率为20％。优选的，透光率的变化是有序的，如，所述散射介质薄片5的透光率在垂直于入射光的方向上依次递增或递减。本发明中的散射介质薄片5通过将透光率在垂直于入射光的方向上依次递增和递减，使同一波长的光在不同梯度区域的透光率存在梯度差，且不同波长梯度差不同，使得不同波长的光具有不同的光谱分辨率最佳区域。

本发明中的散射介质薄片5包括聚合物基体以及分散于所述聚合物基体中的微纳散射颗粒，为了使散射介质薄片5的透光率在垂直于入射光的方向上依次递增或递减，本发明提供了三种具体实施方式：

在第一种实施方式中，由于微纳散射颗粒的体积掺杂浓度不同，对入射光的透光率不同，因此将微纳散射颗粒的不同体积掺杂浓度在垂直于入射光的方向上依次递增或递减，得到浓度梯度分布的散射介质薄片5。

具体的制备方法为：

将所述微纳散射颗粒与聚合物基体材料进行共混，制备得到至少两种不同体积掺杂浓度的混合液；

再将混合液按微纳散射颗粒的体积掺杂浓度递增或递减的顺序进行分层固化，切片，得到所述散射介质薄片5。

具体的，所述混合液中微纳散射颗粒的体积掺杂浓度为0.01vol.％～20vol.％，优选的，所述混合液中微纳散射颗粒的体积掺杂浓度为0.1vol.％～10vol.％。

在第二种实施方式中，由于微纳散射颗粒的粒径不同，对入射光的透光率不同，因此将微纳散射颗粒的不同粒径在垂直于入射光的方向上依次递增或递减，得到粒径区域分布的散射介质薄片5。

具体制备方法为：

将不同粒径的所述微纳散射颗粒与聚合物基体材料进行共混，得到至少两种不同粒径的混合液；

再将混合液按微纳散射颗粒的粒径递增或递减的顺序进行分层固化，切片，得到所述散射介质薄片5。

具体的，所述混合液中微纳散射颗粒的粒径为0.01μm～100μm，优选的，所述混合液中微纳散射颗粒的粒径为0.05μm～0.5μm。

在第三种实施方式中，由于不同微纳散射颗粒的透光率不同，因此将不同微纳散射颗粒按照透光率在垂直于入射光的方向上依次递增或递减，得到材料区域分布的散射介质薄片5。

具体制备方法为：

将不同透光率的所述微纳散射颗粒与聚合物基体材料进行共混，得到至少两种透光率的混合液；

在将混合液按微纳散射颗粒的透光率递增或递减的顺序进行分层固化，切片，得到所述散射介质薄片5。

本发明为了制备散射介质薄片5的透光率在垂直于入射光的方向上依次递增或递减，并不局限于上述三种实施方式，还可以调控微纳散射颗粒的粒径、体积掺杂浓度或材料中的至少两种，以制备散射介质薄片的透光率依次递增或递减。由于本发明提供的三种实施方式仅调控单一变量，制备方法更简单，因此作为优选的实施方式。

具体的，所述微纳散射颗粒为无机物微纳颗粒，本发明选择的无机物微纳颗粒对光源具有优异的透光率。优选的，本发明的无机物微纳颗粒选自二氧化硅颗粒、二氧化钛颗粒、氧化铝颗粒、氧化镁颗粒、氟化钙颗粒、氟化镁颗粒、氟化锂颗粒中的至少一种。

本发明中选择的聚合物基体选自聚二甲基硅氧烷基体、聚乙烯基体、聚丙烯基体、聚酯基体、聚酰胺基体、聚甲基丙烯酸甲酯基体、氟化聚甲基丙烯酸酯基体、聚苯乙烯基体、聚偏二氟乙烯基体、聚氨酯基体、聚对苯二甲酸乙二醇基体中的至少一种。

在一实施方式中，所述散射介质薄片5的厚度为0.001mm～10mm。优选的，所述散射介质薄片5的厚度为0.001mm～1mm。通过将散射介质薄片5的厚度设置为0.001mm～1mm，对入射光具有更好的折射效果。

根据本发明的第二方面，提供了一种散斑光谱仪，包括预置校准系统、散射装置和计算机，

所述预置校准系统用于获取预置校准信息；

所述散射装置用于获取散射图样；

所述计算机接收所述散射图样并基于预置校准信息和光谱重构计算获取光谱；

其中，所述散射装置选自上述基于散射介质薄片5的散射装置。

具体的，本发明提供的散斑光谱仪的使用方法为：

使用前，先通过校准光源为波长可调的准单色光的预置测试系统进行预置校准；

使用时，激光调节器提供入射光，入射光依次通过单模光纤和光纤偏振器，在经过散射介质薄片5进行散射得到唯一的散射图谱，面阵探测器对散射图谱进行接收并记录。

最后，经过预置校准信息和光谱重构计算获得光谱。

本发明提供的散斑光谱仪，使用基于散射介质薄片5的散射装置，通过引入微纳散射颗粒的分级光谱随机调控思路，与光纤光谱仪进行结合，使散斑图的随机性增强，在达到优异的光谱分辨性能的同时实现了光谱仪的小型化，且成本降低。

以下，将通过以下具体实施例对所述基于散射介质薄片的散射装置和散斑光谱仪做进一步的说明。

实施例1

本实施例提供的一种基于散射介质薄片的散射装置，包括可调激光器1、第一单模光纤2、第二单模光纤3、偏振器4、散射介质薄片5和面阵探测器6，可调激光器1用于提供入射光，在入射光的光路上，第一单模光纤2、偏振器4、第二单模光纤3和散射介质薄片5依次连接，面阵探测器6位于散射介质薄片5的散射方向上，用于接收并记录散射图样。

其中，散射介质薄片5的具体制备方式如下：

将粒径为100nm的二氧化硅颗粒与聚二甲基硅氧烷以1∶19的体积比进行化学溶解混合，得到掺杂浓度为5vol.％的第一混合液。

将粒径为100nm的二氧化钛颗粒与聚二甲基硅氧烷以1∶19的体积比进行化学溶解混合，得到掺杂浓度为5vol.％的第二混合液。

先将第一混合液倒入模具中进行加热固化，再将第二混合液倒入同一模具中进行加热固化，得到块状固体。

将块状固体进行切片，得到厚度为100μm的散射介质薄片5。

本实施例中的散射介质薄片5在垂直于入射光的方向上包括两个散射区，分别为二氧化硅散射区和二氧化钛散射区。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，散射介质薄片5不同，具体制备方法为：

将粒径为10nm的二氧化钛颗粒与聚二甲基硅氧烷以1∶19的体积比进行化学溶解混合，得到掺杂浓度为5vol.％的第一混合液。

将粒径为70nm的二氧化钛颗粒与聚二甲基硅氧烷以1∶19的体积比进行化学溶解混合，得到掺杂浓度为5vol.％的第二混合液。

将粒径为30nm的二氧化钛颗粒与聚二甲基硅氧烷以1∶19的体积比进行化学溶解混合，得到掺杂浓度为5vol.％的第三混合液。

先将第一混合液倒入模具中进行加热固化，再将第二混合液倒入同一模具中进行加热固化，再将第三混合液倒入同一模具中进行加热固化，得到块状固体。

将块状固体进行切片，得到厚度为100μm的散射介质薄片5。

本实施例到的散射介质薄片5在垂直于入射光的方向上依次包括三个散射区，分别为粒径为10nm散射区、粒径为70nm散射区和粒径为30nm散射区。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，散射介质薄片5不同，具体制备方法为：

将粒径为10nm的二氧化钛与聚二甲基硅氧烷以1：19的体积比混合，得到掺杂浓度为5vol.％的第一混合液。

将粒径为30nm的二氧化钛和聚二甲基硅氧烷以1：19的体积比混合，得到掺杂浓度为5vol.％的第二混合液。

将粒径为70nm的二氧化钛和聚二甲基硅氧烷以1：19的体积比混合，得到掺杂浓度为5vol.％的第三混合液。

先将第一混合液倒入模具中进行加热固化，再将第二混合液倒入同一模具中进行加热固化，再将第三混合液倒入同一模具中进行加热固化，得到粒径梯度分布的块状固体。

将块状固体进行切片，得到厚度为100μm的散射介质薄片，得到的散射介质薄片5。

本实施例得到的散射介质薄片5在垂直于入射光的方向上依次设有粒径为10nm的散射区、粒径为30nm的散射区和粒径为70nm的散射区，根据图2中的从左至右所示。

采用市售光谱仪测量，获得散射介质薄片5的透光率如图3所示，通过图3可知，不同粒径分布的散射区的透过谱具有较强的光谱选择性。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于，散射介质薄片5不同，具体制备方法为：

将100nm的二氧化钛颗粒与聚二甲基硅氧烷以1∶95的体积比进行混合，得到掺杂浓度为1vol.％的第一混合液。

将100nm的二氧化钛颗粒与聚二甲基硅氧烷以1∶19的体积比进行混合，得到掺杂浓度为5vol.％的第二混合液。

将100nm的二氧化钛颗粒与聚二甲基硅氧烷以1∶10的体积比进行混合，得到掺杂浓度为10vol.％的第三混合液。

先将第一混合液倒入模具中进行加热固化，再将第二混合液倒入同一模具中进行加热固化，再将第三混合液倒入同一模具中进行加热固化，得到浓度梯度分布的块状固体。

将块状固体进行切片，得到厚度为100μm的散射介质薄片5。

本实施例得到的散射介质薄片5在垂直于入射光的方向上依次设有掺杂浓度为1vol.％的散射区、掺杂浓度为5vol.％的散射区和掺杂浓度为10vol.％的散射区，采用市售光谱仪测量，获得散射介质薄片5的透过率如图4所示，通过图4可知，不同体积掺杂浓度的散射区的透过谱具有较强的光谱选择性。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于，散射介质薄片5不同，具体制备方法为：

将粒径为100nm的二氧化硅颗粒与聚二甲基硅氧烷以1∶19的体积比进行混合，得到散射微纳颗粒为二氧化硅的第一混合液。

将粒径为100nm的二氧化钛颗粒与聚二甲基硅氧烷以1∶19的体积比进行混合，得到散射微纳颗粒为二氧化钛的第二混合液。

将粒径为100nm的氧化锌颗粒与聚二甲基硅氧烷以1∶19的体积比进行混合，得到散射微纳颗粒为氧化锌的第三混合液。

先将第一混合液倒入模具中进行加热固化，再将第二混合液倒入同一模具中进行加热固化，再将第三混合液倒入同一模具中进行加热固化，得到材料梯度分布的块状固体。

将块状固体进行切片，得到厚度为100μm的散射介质薄片5。

本实施例中的散射介质薄片5在垂直于入射光的方向上依次设有二氧化硅散射区、二氧化钛散射区和氧化锌散射区，采用市售光谱仪测量，获得散射介质薄片5的透过率如图5所示，通过图5可知，不同微纳散射颗粒的散射区的透过谱具有较强的光谱选择性。

实施例6

本实施例提供一种散斑光谱仪，包括预置校准系统，散射装置和计算机；

其中散射装置选择实施例1提供的基于散射介质薄片5的散射装置。

实施例7

本实施例与实施例6的区别在于，散射装置选择实施例2提供的基于散射介质薄片5的散射装置。

实施例8

本实施例与实施例6的区别在于，散射装置选择实施例3提供的基于散射介质薄片5的散射装置。

实施例9

本实施例与实施例6的区别在于，散射装置选择实施例4提供的基于散射介质薄片5的散射装置。

实施例10

本实施例与实施例6的区别在于，散射装置选择实施例5提供的基于散射介质薄片5的散射装置。

分别将本发明实施例6至10制备的散斑光谱仪与市面上的常规款光谱仪安捷伦Cary5000进行光谱检测对比测试，设定入射光为520nm～620nm的可调入射光，得到的光谱检测信号与市面上的常规款光谱仪获得的光谱检测信号对比图如图6至图10所示。根据图6至图10可知，本发明实施例6至10制备的散斑光谱仪与市面上的光谱仪的检测结果相同，显示了优异的光谱测试精度。因此，本发明通过材料设计和结构设置的综合应用，通过引入随机颗粒的分级光谱随机调控思路，与光纤光谱仪进行结果，在达到优异的光谱分辨性能的同时兼具低成本、小体积等优点，同时本发明制备的微型光谱仪可根据目标波段设计不同散射介质，适用于不同光谱检测领域。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。