本發(fā)明涉及一種光譜測量裝置及測量方法，屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
光譜儀是研究、測定光輻射的頻率、強度特性及其變化規(guī)律的光學(xué)儀器。它應(yīng)用光的色散原理、衍射原理或光學(xué)調(diào)制原理，將不同頻率的光輻射按照一定的規(guī)律分開，形成光譜，配合一系列光學(xué)、精密機械、電子和計算機系統(tǒng)，實現(xiàn)對光輻射的頻率和強度的精密測定和研究。光譜儀具有分析精度高、測量范圍大、速度快等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于冶金、地質(zhì)勘探、生物醫(yī)學(xué)、石油化工、天文觀測、環(huán)境保護等領(lǐng)域。近年來由于環(huán)境監(jiān)測、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、軍事分析以及工業(yè)流程監(jiān)控等領(lǐng)域的現(xiàn)代化發(fā)展，要求分析儀器小型化、輕量化，在特殊場合（如環(huán)保、野外、現(xiàn)場檢測、星載分析檢測等）還要求儀器在測量頻段寬、分辨率高、抗振動干擾能力強、性能穩(wěn)定可靠。因此，需要一種微型化、集成化、智能化的光譜儀。它的功耗小、電壓低、使用方便靈活、性能價格比高，且能快速、實時、直觀地獲取光譜信號。而目前所廣泛使用的光譜儀不僅分辨率不夠高，測量頻帶不夠?qū)挘移毡榇嬖隗w積大、價格昂貴、安裝調(diào)試困難、使用條件苛刻等不足。如傅里葉變換光譜儀不僅體積較大，而且對振動敏感，其分辨率受動鏡的移動范圍的影響。光柵衍射型光譜儀所用光柵體積雖然相對較小，但該種光譜儀分辨率不高，而且價格不菲[YangJae-chang,etal.Micro-electro-mechanical-systems-basedinfraredspectrometercomposedofmulti-slitgratingandbolometerarray,Jap.J.ofAppl.Phys.47(8),6943-6948(2008)]。中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局于2012年9月26日授權(quán)了申請?zhí)枮?00910264251.X的專利文獻，名稱是“相位調(diào)制臺階陣列微型光譜儀”，其核心部件是構(gòu)建在CCD或CMOS之上的二維臺階陣列。于2012年7月11日公開了公開號為CN102564586A的專利文獻，名稱是“衍射孔陣列結(jié)構(gòu)微型光譜儀及其高分辨率光譜復(fù)原方法”，其核心部件是構(gòu)建在CCD或CMOS之上的二維衍射孔陣列。由于不同波長的光通過臺階或者衍射孔后，能在CCD或CMOS的像素元上產(chǎn)生不同的干涉或衍射光強。因此可以通過測量不同大小臺階或衍射孔下一系列像素元的光功率，就可以利用求解大型線性方程組的方法復(fù)原光譜。與傳統(tǒng)的光柵光譜儀或傅里葉變換光譜儀相比，其體積小、頻率分辨率高、光譜測量范圍寬，可以實現(xiàn)靜態(tài)實時測量。但不管是臺階結(jié)構(gòu)的還是衍射孔結(jié)構(gòu)的光譜儀，其原理均基于光的衍射，而符合要求的衍射結(jié)構(gòu)的制作成本較高，制作過程復(fù)雜，需要用到昂貴的設(shè)備，比如離子刻蝕系統(tǒng)或光刻設(shè)備等。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的制作成本較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的不足，提供一種體積更小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度及制作成本更低的光譜測量裝置及測量方法。本發(fā)明的光譜測量裝置，包括光學(xué)準直裝置、光散射器件、陣列式探測芯片，以及與所述陣列式探測芯片連接的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)；經(jīng)由光學(xué)準直裝置準直后的入射光經(jīng)由光散射器件形成散射光，并被陣列式探測芯片接收；所述光散射器件可令不同頻率的入射光形成不同的散射光強角分布，且相同頻率的入射光在光散射器件的不同部位所產(chǎn)生的散射光強分布也不同。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述光散射器件包括不透明基底，所述不透明基底朝向入射光的表面上設(shè)置有一系列納米至微納米尺度的大小不等的凸起和/或凹坑，所述凸起和/或凹坑在不透明基底表面呈不均勻分布。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之二，所述光散射器件包括不透明基底，所述不透明基底朝向入射光的表面上固著有一層納米粒子膜，所述納米粒子膜包括一組納米至微納米尺度的大小不等的不透明材料粒子，且所述不透明材料粒子在納米粒子膜中呈不均勻分布。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之三，所述光散射器件包括透明基底，所述透明基底的至少一個表面上固著有一層納米粒子膜，所述納米粒子膜包括一組納米至微納米尺度的大小不等的不透明材料粒子，且所述不透明材料粒子在納米粒子膜中呈不均勻分布。以上優(yōu)選方案二和三中，所述不透明材料粒子優(yōu)選金屬粒子，其中又優(yōu)選金屬銀。以下為使用納米銀粒子的光散射器件的一種優(yōu)選制備方案：步驟1、將濃度為1.0×10－2mol·L－1的AgNO3溶液按照1：9的比例與水混合，將混合液攪拌并加熱至沸騰；然后在混合液中注入0.02%的檸檬酸鈉，持續(xù)攪拌并加熱使其保持沸騰狀態(tài)40分鐘，得到銀膠體，冷卻至室溫備用；步驟2、對基底進行清洗并干燥，將干燥后的基底浸入1%PDDA溶液浸泡30分鐘后再次進行清洗并干燥，得到表面覆蓋有PDDA的基底；步驟3、將表面覆蓋有PDDA的基底浸入銀膠體中浸泡1小時，然后取出清洗并干燥。本發(fā)明的光譜測量方法，使用如上任一技術(shù)方案所述光譜測量裝置，包括以下步驟：步驟1、將所述陣列式探測芯片所能探測的頻率范圍等分為n個頻寬為Δf的頻率段，n為所述陣列式探測芯片中的像元總數(shù)，各頻率段的中心頻率為f1,f2,…fn；步驟2、令待測入射光依次通過光學(xué)準直裝置、光散射器件，測量所述陣列式探測芯片中每個像元所探測到的光功率值，記為P1,P2,…Pn；步驟3、通過求解以下方程組得到待測入射光中各頻率分量f1,f2,…fn的大小P（f1）,P（f2）,…，P（fn）：式中，Cij(i=1,2…n)(j=1,2…n)表示中心頻率為fj的光在經(jīng)過與不經(jīng)過所述光散射器件的情況下，所述陣列式探測芯片中第i個像元所探測到的光功率值之比，通過實驗預(yù)先測得；步驟4、對P(f1),P(f2),…P(fn)進行線性擬合，并經(jīng)光譜定標，得到待測入射光的光譜。優(yōu)選地，利用Tikhonov正則化的方法求解所述方程組。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明及其優(yōu)選技術(shù)方案具有以下有益效果：1、本發(fā)明光譜測量裝置是基于光的散射原理，陣列式探測芯片主要接收的是散射光，因此可以設(shè)置在光散射器件的入射光一側(cè)，從而可進一步減小整個裝置的體積，便于攜帶；測量時無需移動光學(xué)器件，因此振動對它的影響較小，可在復(fù)雜的環(huán)境中進行實時測量。2、本發(fā)明光譜測量裝置的光譜分辨率高，測量范圍寬，復(fù)原速度快，光譜的分辨率是由CCD、CMOS等光探測器件的像素元數(shù)量決定的，而CCD、CMOS等光探測器件的像素現(xiàn)在很容易達到百萬以上，所以整個光譜測量裝置可以達到很高的分辨率。陣列式探測芯片所能探測到的光譜范圍決定了光譜測量寬度，其光譜測量范圍覆蓋了可見到紅外波段，乃至紫外波段，因此相應(yīng)地，本發(fā)明光譜測量裝置可以獲得較寬的光譜測量范圍。3、本發(fā)明光譜測量裝置制作成本低，光散射器件可采用現(xiàn)有的各種成熟技術(shù)制備；而CCD、CMOS等光探測器件也很成熟，整個裝置的制作成本較低，不需要復(fù)雜昂貴的設(shè)備。附圖說明圖1是本發(fā)明光譜測量裝置的第一個實施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2是入射光光譜劃分方法示意圖；其中，橫坐標表示頻率，單位是赫茲；縱坐標是歸一化光譜功率，單位是瓦特每赫茲；用微積分的方法把入射光譜按照頻率劃分成n等份，每一份取其中心頻率，每一份的頻寬為Δf，fj是其中任意一個小矩形的中心頻率，它的幅值為P(fj)；圖3是本發(fā)明光譜測量裝置的第二個實施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖4是本發(fā)明光譜測量裝置的第三個實施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖中標號含義如下：1、基底，2、凸起（或凹坑），3、陣列式探測芯片，4、透鏡，5、小孔光闌，6、不透明材料粒子。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明：本發(fā)明不同于現(xiàn)有基于衍射的光譜測量技術(shù)，其主要思路是基于光的散射原理，設(shè)計一種光散射器件，可令不同頻率（波長）的入射光形成不同的散射光強角分布，且相同頻率（波長）的入射光在光散射器件的不同部位所產(chǎn)生的散射光強分布也不同。這樣，陣列式探測芯片中的不同位置處的像素元探測到不同的散射光功率。如果按照陣列式探測芯片中所用像素元的個數(shù)，將像素元所能探測的頻率（波長）范圍均勻劃分，每一份的中心頻率（波長）在入射光中的歸一化功率作為未知數(shù)；將探測芯片的不同位置處的像素元探測到的值作為增廣矩陣；事先測得探測陣列芯片不同位置處的各像素元對各頻率（波長）分量的探測率，并將該探測率作為系數(shù)矩陣；通過求解大型線性方程組、線性擬合、光譜定標就可以得到入射光光譜。由以上思路可以看出，本發(fā)明的核心是可令不同頻率的入射光形成不同的散射光強角分布，且相同頻率的入射光在光散射器件的不同部位所產(chǎn)生的散射光強分布也不同的光散射器件。以下以三個優(yōu)選實施例來對本發(fā)明技術(shù)方案進行進一步說明。實施例一、圖1顯示了本實施例中的光譜測量裝置的結(jié)構(gòu)原理。如圖1所示，該光譜測量裝置包括光學(xué)準直裝置、光散射器件、陣列式探測芯片3，以及與所述陣列式探測芯片3連接的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)（圖中未示出）。本實施例中的光散射器件如圖所示，包括不透明材料制成的基底1，例如由金屬、不透明玻璃、不透明高分子聚合物等材料制成?；?朝向入射光的表面上設(shè)置有一系列納米至微納米尺度的大小不等的凸起和/或凹坑2，所述凸起和/或凹坑2在不透明基底表面呈不均勻分布。由于凸起和/或凹坑2的尺寸不同、排列不規(guī)則，因此不同頻率的光照射到不透明基底表面會形成不同的散射光強分布，而同一頻率的光經(jīng)同一位置的凸起或凹坑散射后，其散射光強也不一樣。這樣，陣列式探測芯片中的不同位置處的像素元探測到不同的散射光功率。光學(xué)準直裝置用于將入射光準直為平行光射入，本實施例中的光學(xué)準直裝置如圖1所示，包括兩個共焦的透鏡4，兩個透鏡4的共同交點處設(shè)置有一個小孔光闌5。陣列式探測芯片3可采用現(xiàn)有的電荷耦合元件（CCD）或者互補金屬氧化物半導(dǎo)體元件（CMOS），探測芯片中的每一個像素元經(jīng)過校準后，可以確保相同頻率（波長）、相同功率的光入射到這些像素元時，各像素元輸出的數(shù)據(jù)相同。上述光散射器件可采用現(xiàn)有成熟的化學(xué)腐蝕、離子刻蝕或光刻方法制備得到，只要使得不透明基片的至少一個表面上存在一系列不均勻分布的納米至微納米尺度的大小不等的凸起和/或凹坑即可。數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)根據(jù)陣列式探測芯片中各像元所采集到的光功率數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)待測光的光譜復(fù)原，具體的光譜復(fù)原方法采用背景技術(shù)中提及的文獻（200910264251.X、CN102564586A）中公開的方法。其詳細內(nèi)容如下：如圖2所示，根據(jù)探測陣列芯片有效像元的數(shù)量將探測陣列芯片所能探測的頻率范圍均勻劃分成n份，每一份的中心頻率為f1,f2,…fn，頻寬為Δf，入射光中每段頻率的光功率近似為圖中每個小矩形的面積。需要測的入射光光譜可以由圖中各個頻率所對應(yīng)的光功率幅度進行線性擬合得到，所以光譜復(fù)原的目標轉(zhuǎn)化為求圖中各個小矩形的高度P(f1),P(f2),…P(fn)。根據(jù)微積分原理，入射光的總功率可以近似為圖中曲線下面各個小矩形面積的總和，即各頻率分量功率的迭加?？杀硎緸椋篜0=P(f1)Δf+P（f2)Δf+…+P(fn)Δf當入射光經(jīng)過光散射器件散射后，被其中一個像素元探測到，該像素元接收到的功率可以通過自身直接探測。而另一方面，像素元探測到的功率也可以通過入射光光譜進行計算得到。因為每個頻率的功率，即圖中每一個小矩形的面積，被某個像素元探測到時都有一定程度減小。而由于不同凸起或凹坑的散射作用，使得入射光的每個頻率分量的光在每個像素元上減小的比例都不一樣。每個像素元的減小比例當器件做好后即為固定值，可以事先通過測量入射光束中每個頻率的光經(jīng)過光散射器件散射后被某一個像素元所探測的探測率計算得出。因此就可以得到一個方程，方程的左邊是像素元的功率測量值，方程組的右邊是入射光中各個頻率的功率大小與像素元對入射光各個頻率的探測率分別相乘后再相加所得到的計算值。假設(shè)入射光經(jīng)過光散射器件散射后被第i個像素元所探測，該像素元上得到的光功率大小可表示為：Pi=Ci1P(f1)Δf+Ci2P(f2)Δf+…+CinP(fn)Δf這里，Ci1,Ci2,…Cin分別為頻率為f1,f2,…fn的光經(jīng)過光散射器件散射后被第i個像素元所探測的探測率。因此，陣列式探測芯片的n個像素元就可以測得一系列功率，這些功率可以表示為如下線性方程組：P1=C11P(f1)Δf+C12P(f2)Δf+…+C1nP(fn)Δf,P2=C21P(f1)Δf+C22P(f2)Δf+…+C2nP(fn)Δf,…Pn=Cn1P(f1)Δf+Cn2P(f2)Δf+…+CnnP(fn)Δf,其中Cij(i=1,2…n)(j=1,2…n)是中心頻率為fj的光被第i個像素元所探測的探測率，即中心頻率為fj的光被第i個像素元探測到的功率與經(jīng)過光散射器件散射之前該頻率光功率的比值?？赏ㄟ^實驗預(yù)先得到，例如，通過單色儀獲取中心頻率為fj的單色光直接照射陣列式探測芯片，測得各像素元所探測的光功率；然后用同樣的單色光作為入射光，經(jīng)光散射器件散射后，得到陣列式探測芯片中各像素元所探測到的光功率；然后用每個像素元之后獲得的探測值除以之前獲得的探測值，即得到各像素元對中心頻率為fj的光的探測率。當事先測得各像素元的探測率，就可以用上述線性方程組表示出探測芯片中各像素元所測得的光功率。如果用矩陣形式Cx=y表示，設(shè)探測率組成系數(shù)矩陣C，而探測芯片中各像素元測得的待測光數(shù)據(jù)組成增廣矩陣y，則上述線性方程組可用矩陣形式表示為：求解上述線性方程組方程組得x，并進一步計算得：因此，就可以求得入射光譜中各頻率分量所對應(yīng)功率P(fi)的大小，將P(f1),P(f2),…P(fn)進行線性擬合，就得到了入射光譜。在求解方程組過程中，探測芯片的各像素元所采集到的功率以及對各頻率的光的探測率都是測量值，由于測量誤差等原因，該方程組實為病態(tài)方程組，再加上方程組中方程的數(shù)量較多，用普通方法很難求解，而采用Tikhonov正則化的方法求解該線性方程組效果較好，該方程組求解后即可得入射光各頻率對應(yīng)的歸一化光譜功率，最后進行光譜定標就得到了入射光的復(fù)原光譜。實施例二、圖3顯示了本實施例中的光譜測量裝置的結(jié)構(gòu)原理。本實施例與實施例1的不同之處在于光散射器件的結(jié)構(gòu)，其余部分均相同。如圖3所示，本實施例中的光散射器件包括不透明的基底1，例如由金屬、不透明玻璃、不透明高分子聚合物等材料制成。基底1朝向入射光的表面上固著有一層納米粒子膜，所述納米粒子膜包括一組納米至微納米尺度的大小不等的不透明材料粒子6，且所述不透明材料粒子6在納米粒子膜中呈不均勻分布。由于不透明材料粒子6的尺寸不同、排列不規(guī)則，因此不同頻率的光照射到納米粒子膜上會形成不同的散射光強分布，而同一頻率的光經(jīng)同一位置的不透明材料粒子6散射后，其散射光強也不一樣。這樣，陣列式探測芯片中的不同位置處的像素元探測到不同的散射光功率。采用實施例一中的光譜復(fù)原方法即可獲得待測入射光的光譜。實施例三、圖4顯示了本實施例中的光譜測量裝置的結(jié)構(gòu)原理。本實施例與實施例1的不同之處同樣在于光散射器件的結(jié)構(gòu)，其余部分均相同。本實施例中的光散射器件包括透明的基底1，例如使用玻璃或二氧化硅等透明材料制成?；?的至少一個表面上固著有一層納米粒子膜，所述納米粒子膜包括一組納米至微納米尺度的大小不等的不透明材料粒子6，且所述不透明材料粒子在納米粒子膜中呈不均勻分布。納米粒子膜可設(shè)置于基片1的一個表面，也可以兩個表面都有。由于不透明材料粒子6的尺寸不同、排列不規(guī)則，因此不同頻率的光照射到納米粒子膜上會形成不同的散射光強分布，而同一頻率的光經(jīng)同一位置的不透明材料粒子6散射后，其散射光強也不一樣。這樣，陣列式探測芯片中的不同位置處的像素元探測到不同的散射光功率。采用實施例一中的光譜復(fù)原方法即可獲得待測入射光的光譜，此處不再贅述。以上實施例二和實施例三中光散射器件的不透明材料粒子優(yōu)選采用金屬材料?？刹捎矛F(xiàn)有成熟的靜電吸附、氣相沉積等方法制備，因此制作簡單，制造成本低。以采用銀粒子膜的光散射器件為例，其可采用以下制備方法：首先進行銀膠體的制備：將50ml1.0×10－2mol·L－1AgNO3注入裝有450ml水的燒瓶，攪拌并加熱至沸騰，然后注入10ml1%檸檬酸鈉溶液,持續(xù)攪拌并加熱沸騰40分鐘，最終膠體為黃綠色。由于制備的銀膠體帶有負電性，因此可以利用正電性電解質(zhì)PDDA與帶負電的銀顆粒間的靜電相互作用進行組裝。具體步驟如下：先對玻璃基底2進行清洗，將基底2依次在體積比1∶1的乙醇-丙酮溶液、乙醇和水中超聲清洗20分鐘，然后置入沸騰的Piranha溶液(98%H2SO4與30%H2O2體積比3∶1配制)浸泡30分鐘，取出用去離子水沖洗3次，氬氣吹干。然后將干燥基底2浸入1%PDDA溶液浸泡30分鐘使表面帶上正電荷，取出用去離子水沖洗3次，氬氣吹干。再將覆蓋有PDDA的基底2浸入銀膠體中浸泡1小時，取出后用去離子水沖洗3次，氬氣吹干。以上的多個實施例僅是便于公眾理解本發(fā)明的技術(shù)方案，而并非對本發(fā)明所要求保護范圍的限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)知：除以上實施例以外，所有根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明思路，利用可令不同頻率（波長）的入射光形成不同的散射光強角分布，且相同頻率（波長）的入射光在光散射器件的不同部位所產(chǎn)生的散射光強分布也不同的光散射器件，從而實現(xiàn)光譜測量的產(chǎn)品及方法，均落入本發(fā)明的保護范圍。