一种光谱测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光谱测量技术领域，更具体地，涉及一种光谱测量装置及方法。

背景技术

使用光栅光谱仪进行光谱探测时，会存在以下问题：

1、使用光栅光谱仪进行光谱探测时，由于光栅衍射效应，通常存在高级次衍射问题，此时，不同波长的光谱会在空间形成重叠区无法区分从而造成干扰；

2、由于光栅的零级衍射造成的杂散光，光栅加工缺陷造成的杂散光，光学系统内部镜架、外壳等漫反射噪声的杂散光，会造成探测器接收到的光谱收到其他光谱的干扰；

3、由于光源光谱功率分布不一致，图像传感器量子效率在不同光谱段的差异，以及光栅在不同光谱段衍射效率的差异，进行光谱探测时存在部分谱段强度远大于其他谱段的情况，造成图像传感器在部分区域饱和时，其他区域响应较弱。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种光谱测量装置和方法，通过设置可以起到带通和调节作用的滤光片，可以抑制以高级次衍射为主的杂散光，并调节不同波长光的强度，实现在图像传感器处各波段光的强度均衡效果。

为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种光谱测量装置，该装置包括：

依次设置的狭缝、准直系统、色散系统、成像系统、滤光片和图像传感器；

其中，所述滤光片用于选择通过其覆盖区域的光的波长和强度。

进一步地，上述光谱测量装置还包括：

所述滤光片是用于控制通过光的波长和强度的单层膜结构。

进一步地，上述光谱测量装置还包括：

所述滤光片至少包括一层带通膜和一层调节膜，所述带通膜用于控制通过至少二个第一区域的光的波长，所述调节膜用于控制通过至少二个第二区域的光的强度；

其中，所述第一区域是所述带通膜的覆盖区域，所述第二区域是所述调节膜的覆盖区域。

进一步地，上述光谱测量装置还包括：

所述第二区域与所述第一区域对应设置。

进一步地，上述光谱测量装置还包括：

所述带通膜和所述调节膜分离设置。

进一步地，上述光谱测量装置还包括：

所述调节膜可替换。

进一步地，上述光谱测量装置还包括：

计算模块，被配置为获取所述图像传感器上各传感单元的光强度信号，计算所述第二区域需要调节的强度；

替换模块，被配置按照所述计算模块的计算结果，选择并替换为合适的所述调节膜。

进一步地，上述光谱测量装置还包括：

所述滤光片与所述图像传感器贴附设置。

进一步地，上述光谱测量装置还包括：

所述色散系统优选为光栅。

进一步地，上述光谱测量装置还包括：

所述覆盖区域按照所述光栅的衍射光的分布设置。

按照本发明的第二个方面，提供了一种光谱测量方法，包括：

S1. 待测光依次经过狭缝、准直系统、色散系统、成像系统后照射在图像传感器上；

S2. 依据所述图像传感器上各区域所需探测的光的波长，以及对应波长的光的强度，设置并调节位于所述成像系统和所述图像传感器之间的滤光片；

其中，所述滤光片用于选择通过其覆盖区域的光的波长和强度。

进一步地，上述光谱测量方法还包括：

所述设置并调节位于所述成像系统和所述图像传感器之间的滤光片，具体方法包括：

当所述色散系统是光栅时，依照所述待测光经过所述光栅后衍射光的波长和强度分布，选择对应结构的所述滤光片。

进一步地，上述光谱测量方法还包括：

当所述滤光片的结构包括一层带通膜和一层调节膜时，依照所述待测光经过所述光栅后衍射光的分布，计算并设置所述带通膜的结构。

进一步地，上述光谱测量方法还包括：

所述依照所述待测光经过所述光栅后衍射光的分布，计算并设置所述带通膜的结构，具体方法为：

计算所述待测光经过所述光栅后，第一区域上的波长和衍射光级次的关系；

设置所述带通膜的结构，使得所述第一区域上仅有一级衍射光可通过；

其中，所述第一区域是所述带通膜的覆盖区域。

进一步地，上述光谱测量方法还包括：

所述设置并调节位于所述成像系统和所述图像传感器之间的滤光片，具体方法还包括：

获取所述图像传感器上各传感单元的光强度，计算第二区域需要调节的强度；

当所述滤光片的结构包括一层带通膜和一层调节膜时，按照上述计算结果，选择并替换为合适的所述调节膜，使得所述图像传感器上各传感单元的光强度位于第一阈值范围内；

其中，所述第二区域是所述调节膜的覆盖区域。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的一种光谱测量装置，通过设置可以起到带通和调节作用的滤光片，可以抑制以高级次衍射为主的杂散光，并调节不同波长光的强度，实现在图像传感器处各波段光的强度均衡效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种光谱测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光谱测量装置的局部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的又一种光谱测量装置的局部结构示意图；

图4为本发明实施例提供的又一种光谱测量装置的局部结构示意图；

图5为本发明实施例提供的又一种光谱测量装置的局部结构示意图；

图6为本发明实施例提供的又一种光谱测量装置的局部结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种光谱测量装置的滤光片结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种光谱测量装置的滤光片结构示意图；

图9为本发明实施例提供的又一种光谱测量装置的局部结构示意图；

图10为本发明实施例提供的又一种光谱测量装置的滤光片结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

光谱仪是一种基本的光学测量仪器，其原理是通过采集目标物体的辐射、反射或透射的光信号，经过光学和电学信号处理后得到入射光的光谱功率分布曲线，由此分析得到入射光的各种详细信息，如辐射度学、光度学和色度学物理量，实现物质结构和成分的鉴定以及材料光学属性的测量。光栅光谱仪的基本配置一般包括狭缝、准直系统、色散系统、成像系统、图像传感器等。

光学薄膜是在光学器件、光电子元器件表面用物理、化学等方法制造的，利用光的干涉现象以改变光学特性，实现如增透、增反、分光、分色、带通、截止等光学现象的各类膜系。常见的光学薄膜包括增透膜、增反膜、滤光膜、分光膜、偏振膜、消偏振膜等等。本发明中，将光学薄膜应用到光谱测量装置中，形成一种可以抑制杂散光和强度均衡的光谱测量装置。

为解决光栅光谱仪在使用过程中出现的以高级次衍射为主的杂散光，以及解决光谱探测时存在部分谱段强度远大于其他谱段的情况，造成图像传感器在部分区域饱和时，其他区域响应较弱的问题，如图1所示，作为本发明的第一实施例，提供了一种包含了滤光片5的光谱测量装置。本实施例中提供的光谱测量装置，沿入射光传播方向，依次设置了狭缝1、准直系统2、色散系统3、成像系统4、滤光片5和图像传感器6。其中，色散系统3常用元件是光栅。

为了实现抑制杂散光和强度均衡两个技术效果，滤光片5可以被配置为两种形式。其中一种实施方式是包括一层同时实现带通和强度调节作用的滤光片5，另一种实施方式是通过一层带通膜51实现带通作用，再设置一层调节膜52实现强度调节作用。

入射光经狭缝1和准直系统2后，经色散系统3会产生衍射，经过成像系统4后的衍射光斑分布遵循光栅的衍射方程，即：

考虑到在光谱测量装置中，入射光是垂直入射到光栅的，因此入射角

其中

例如，本实施例中以测量200~1100nm的光谱测量装置为例，基于上述简化的衍射方程，容易发现波长为200nm的入射光的二级衍射光与波长为400nm的入射光的一级衍射光在图像传感器上的位置相同，波长为200nm的入射光的三级衍射光与波长为600nm的入射光的一级衍射光在图像传感器上的位置相同；同理，波长为300nm的入射光的二级衍射光与波长为600nm的入射光的一级衍射光在图像传感器上的位置相同。

基于上述理论，为了抑制高级衍射，可以依据光谱测量装置中色散元件3、成像系统4、滤光片5和图像传感器6的相对位置，计算得到滤光片5结构中用于消除高级次衍射光为主的杂散光的第一区域的位置，以及不同第一区域中对应的带通膜51的通过波长。

这里以一种实施方式，即如图2所示的滤光片5贴合图像传感器6为例。图像传感器6可以是例如阵列式CCD或CMOS器件，或其余阵列式传感器结构。其不同的探测单元用于探测不同波长的光。因为滤光片5与图像传感器6贴合，也可以忽略不同衍射角

图2中设计了带通膜51分为51-1,51-2,51-3这三个第一区域。作为一种具体的实施方式，例如，51-1区域镀200-400nm带通膜层，51-2区域镀400-550nm带通膜层，51-3区域镀550-1100nm带通膜层，这三部分膜层的尺寸与各谱段的一级光谱在图像传感器的尺寸一致，即51-1区域覆盖了图像传感器6中用于接收200-400nm光的6-1区域，51-2区域覆盖了图像传感器6中用于接收400-550nm光的6-2区域，51-3区域覆盖了图像传感器6中用于接收550-1100nm光的6-3区域。这样，可以避免入射光的高级次衍射光谱对其余入射光的一级衍射光谱产生影响。

举例说明如下：300nm入射光的二级衍射光谱会与600nm入射光的一级衍射光谱出现在相同的位置，即6-3区域，此区域覆盖51-3区域的带通膜，即550-1100nm带通膜之后，300nm光的二级衍射光谱将不再进入图像处理器6的6-3区域，此时6-3区域对应的图像处理器6单元将只会接收到600nm入射光的一级衍射光谱，即带通膜51起到了“带通”的作用。

进一步地，如图3所示，可以设计带通膜51的第一区域不完全对称，例如，带通膜的第一区域51-4与51-1对称，51-5与51-2不对称，51-6与51-3不对称，其可通过波长也是非对称设计：51-1与51-4镀200-400nm带通膜，51-2镀400-550nm带通膜，51-5镀400-700nm带通膜，51-3镀550-1100nm带通膜，51-6镀700-1100nm带通膜。这样，可以在消除杂散光的基础上，进一步控制对应的图像传感器6区域接收的光的波长。例如，图像传感器6-2与6-5区域部分对称，但是对称部分能消除的杂散光波长不一样，能接收到的光的波长也会被控制。此时，带通膜51起到了“控制”的作用。

本领域技术人员容易理解，在实际应用过程中，带通膜51的第一区域的设置方式可以不限于上述方法。例如，当图像传感器6是阵列式CCD或CMOS器件，可以对每个CCD或CMOS单元设置其对应的带通膜51，从而可以使得图像传感器6的每个探测单元分别用于接收不同波长的探测光，并消除杂散光。

在实际应用中，滤光片5应当与图像传感器6贴合设置，但也可能存在滤光片5与图像传感器6分离的情况。作为本发明的又一实施例，如图4所示，当滤光片5与图像传感器6分离时，即带通膜51与图像传感器6分离，此时，考虑带通膜覆盖51的第一区域与图像传感器在光传播方向上角度一致，即可以同样的实现控制光的波长的效果。此处不再赘述。

进一步地，为了实现强度均衡作用，滤光片5还包括调节膜52。本实施例的光谱检测装置测试的光谱范围是200-1100nm，这一波段中，紫外波段光的强度一般是小于可见光波段和红外波段的。同时，不同的图像传感器6，其对不同波段的光响应能力也有区别。因此，容易出现部分谱段强度远大于其他谱段的情况，造成图像传感器在部分区域饱和时，其他区域响应较弱的情况。因此，设置调节膜52，对进入图像传感器6的光的强度进行调节，可以起到强度均衡的作用。

图5示出了一种滤光片5的设置方式，包括带通膜51和调节膜52。本实施例中以探测光源为卤钨灯光源为例，卤钨灯光源强度在550-1100nm波段较强，400-550nm次之，200-400nm较弱。因此，首先设计带通膜如前述实施例中的设置方式，在不同的第一区域镀了不同的带通膜层。具体而言，51-1区域镀200-400nm带通膜层，51-2区域镀400-550nm带通膜层，51-3区域镀550-1100nm带通膜层。此时，对应设置调节膜52的方式应当如下：52-1区域调节膜设计为高强度，52-2区域调节膜设计为中强度，52-3区域调节膜设计为低强度，此时图像传感器6接收到的信号强度在卤钨灯光源对应的波段，即200-1100nm波段，比较接近，可以实现信号强度的均衡。

图6示出了另一种滤光片5的设置方式。与前述实施例类似，当滤光片5与图像传感器6分离时，同样需要设置带通膜51覆盖的第一区域、调节膜52覆盖的第二区域与图像传感器在光传播方向上角度一致，即可以同样的实现控制光的波长的效果。此处不再赘述。

对于滤光片5的具体结构，图7示出了多种具体的结构形式。例如，带通膜51和调节膜52既可以是如图7中的（a）图所示的单层膜结构，也可以是如图7中的（b）图所示的多层膜结构，或者是单层膜与多层膜的组合结构。图7中的（c）图示出了另一种滤光片5的结构，该结构中带通膜51分为两层，其中一层镀上了不同材质的膜，另一层为相同的膜，即第一区域51-1和51-2共用了部分膜结构。同样的，第二区域52-1和52-2可以以相似的方式共用部分膜结构。图7中的（d）图示出了又一种滤光片5的结构，在这种结构中，不同区域的镀膜厚度可以不一样，例如51-1和51-2区域的带通膜厚度不一。具体的厚度选择是依据其使用效果和对应的镀膜材质计算获得的。

图8示出了又一种滤光片5的结构，在这种结构中，带通膜51覆盖的第一区域与调节膜52覆盖的两块第二区域对应。因为带通膜51可以设置为一个较大波长范围内的带通膜，因此，分别设置不同的第二区域进行特定化的透射率控制，可以起到更好的强度均衡的效果。

作为另一种实施例，图9示出了又一种滤光片5的结构，在这种结构中，带通膜51和调节膜52是可替换的。进而，当待测的入射光变化时，可以通过调节带通膜51和调节膜52的结构，起到更准确的抑制高级次衍射和强度均衡效果。进一步地，还可以包括计算模块和替换模块，计算模块被配置为获取图像传感器6上各传感单元的光强度信号，计算第二区域需要调节的强度；替换模块被配置按照计算模块计算的强度，选择并替换为合适的调节膜52，这样，可以实现更准确的强度均衡效果。本领域技术人员也容易理解，带通膜51也可以依据需求进行替换，可以实现更准确的抑制杂散光的效果。

如前文所述，滤光片5除了可以按照上述实施例设计为带通膜51和调节膜52的组合形式以外，还可以设计为同时实现带通和强度调节功能的单层膜结构。如图10所示，此时滤光片5会被划分为不同区域，每个区域同时实现带通功能和强度调节功能。这种设置方式会使得滤光片5的结构简化，可以降低整个光谱测量装置的结构复杂度。

作为本发明的又一实施例，还提供了一种光谱测量方法，应用于上述实施例中的光谱测量装置，包括：

S1. 待测光依次经过狭缝1、准直系统2、色散系统3、成像系统4后照射在图像传感器6上；

S2. 依据图像传感器6上各区域所需探测的光的波长，以及对应波长的光的强度，设置并调节位于成像系统4和图像传感器6之间的滤光片5；

其中，滤光片5用于选择通过其覆盖区域的光的波长和强度。

其中，设置并调节位于成像系统4和图像传感器6之间的滤光片5，具体方法包括：

当色散系统3是光栅时，依照待测光经过光栅后衍射光的波长和强度分布，选择对应结构的滤光片5。

对于滤光片5的结构是如图10所示的同时实现带通和强度调节功能的单层膜结构，则直接根据计算结果替换对应的滤光片5，使其可以同时兼顾带通和强度均衡效果即可。

当滤光片5的结构包括一层带通膜51和一层调节膜52时，则可以依据计算结果分别调节带通膜51和调节膜52。其中，带通膜51结构至少需要用于抑制第一区域上的高级次衍射光，使得第一区域上只有一级衍射光可以通过。因此，调节带通膜51的结构，需要计算经过色散系统3后各波长光的一级衍射和高级衍射的对应区域，进而选择带通膜51的结构。调节膜52的结构依据图像传感器6上各传感单元的光强度计算，使各传感单元接收到的光强度在第一阈值范围内，即认为实现了强度均衡。其中，第一阈值可以依据图像传感器6的最大可接收光功率范围，和/或图像传感器6对不同波长光的探测能力，以及其他图像传感器6的相关光学参数，选择可接受的光强度区间即可。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。