本發(fā)明涉及一種基于DLP技術(shù)和壓縮感知理論的超靈敏光譜檢測(cè)方法及系統(tǒng)，尤其涉及對(duì)靈敏度、尺寸以及成本要求較高的小型光譜儀系統(tǒng)和成像系統(tǒng)，可以廣泛應(yīng)用于采用光柵分光的光譜儀系統(tǒng)，如拉曼光譜儀、紅外光譜儀、熒光光譜儀、SPR光譜儀等。

背景技術(shù)：

光譜儀是應(yīng)用最為廣泛的分析儀器，根據(jù)其分光原理的不同可以分為濾光片型、光柵型、傅里葉變換型和聲光可調(diào)型等，其中光柵色散型光譜儀是覆蓋面最廣，使用最多的光譜儀類(lèi)型。

光柵型光譜儀幾乎覆蓋了所有類(lèi)型的光譜儀系統(tǒng)，其光路結(jié)構(gòu)主要有光柵掃描型和固定光路陣列檢測(cè)型兩種，其中光柵掃描型的光柵需要復(fù)雜精密的機(jī)械控制系統(tǒng)進(jìn)行精密控制，具有高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，但其整機(jī)尺寸大，成本高，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)制約了其小型化的道路；固定光路陣列檢測(cè)型具有檢測(cè)時(shí)間快，成像方便的優(yōu)點(diǎn)，并且結(jié)合多級(jí)CCD制冷技術(shù)或者使用EMCCD陣列器件可實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測(cè)，但是線/面陣CCD，尤其是EMCCD的價(jià)格高昂，CCD制冷技術(shù)以及封裝較為復(fù)雜，使得其在小型化的同時(shí)消減了儀器的檢測(cè)靈敏度。

專(zhuān)利CN201110166471提出了一種極弱光多光譜成像方法及其系統(tǒng)，該系統(tǒng)以DLP技術(shù)和壓縮感知理論為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了用點(diǎn)探測(cè)器對(duì)極弱光對(duì)象的單一光譜成分進(jìn)行二維成像，用線陣單光子探測(cè)器對(duì)極弱光對(duì)象進(jìn)行多光譜成像；專(zhuān)利CN201110328748提出了一種時(shí)間分辨極弱光多光譜成像系統(tǒng)及方法，該發(fā)明提出的方案可以解決利用單光子計(jì)數(shù)器線陣實(shí)現(xiàn)高探測(cè)靈敏度的時(shí)間分辨極弱光多光譜成像的問(wèn)題，其靈敏度可以達(dá)到單光子水平。這兩個(gè)專(zhuān)利均以DLP技術(shù)和壓縮感知理論為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的光譜降維采集功能，但是其對(duì)光路的調(diào)制均在分光狹縫之前，即對(duì)采集的原始光譜進(jìn)行壓縮處理，沒(méi)有對(duì)分光光路提出改進(jìn)方案，不適用于測(cè)量要求較高的小型光譜儀系統(tǒng)。本發(fā)明的目的在于提出一種基于DLP技術(shù)和壓縮感知理論為基礎(chǔ)的超靈敏光譜檢測(cè)方法及系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有光譜儀的分光系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)光柵分光后的信號(hào)進(jìn)行壓縮采樣，實(shí)現(xiàn)單個(gè)探測(cè)器采集光譜的功能，降低光譜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本、尺寸，提高光譜檢測(cè)的靈敏度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種基于DLP技術(shù)和壓縮感知理論為基礎(chǔ)的超靈敏光譜檢測(cè)方法及系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有光譜儀的分光系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)光柵分光后的光譜信號(hào)進(jìn)行壓縮采樣，實(shí)現(xiàn)單個(gè)探測(cè)器采集光譜的功能，降低光譜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本、尺寸，提高光譜檢測(cè)的靈敏度。該超靈敏度的光譜檢測(cè)系統(tǒng)包括：濾光片/濾光系統(tǒng)1、透鏡2、狹縫3、準(zhǔn)直/聚焦鏡4、光柵5、DMD器件6、單點(diǎn)探測(cè)器7、電控系統(tǒng)及軟件8。

本發(fā)明是通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)的：

(1)設(shè)計(jì)基于DLP技術(shù)的光譜儀分光光路。改進(jìn)現(xiàn)有光譜儀的分光系統(tǒng)，靈活調(diào)節(jié)光柵分光后光譜的分辨率，采集范圍，實(shí)現(xiàn)單個(gè)探測(cè)器采集光譜的功能，降低光譜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本、尺寸，提高光譜檢測(cè)的靈敏度。所述DLP技術(shù)是美國(guó)TI(德州儀器)公司提出的一項(xiàng)技術(shù)，其核心是Larry Hornbeck工程師發(fā)明的數(shù)字微鏡器件(DMD)，該器件可以采用脈沖調(diào)制波驅(qū)動(dòng)，能在-12°和+12°之間擺動(dòng)，近而實(shí)現(xiàn)光的調(diào)控，DMD及一系列精密的電子元件系統(tǒng)就是所謂的DLP技術(shù)；所述光譜儀分光光路是較為常用的光柵分光光路結(jié)構(gòu)，如由衍射光柵所構(gòu)成的C-T分光結(jié)構(gòu)：其包括狹縫、聚焦鏡、衍射光柵、聚焦鏡、DMD器件和PMT/APD探測(cè)器幾個(gè)部分；

(2)設(shè)計(jì)基于DLP技術(shù)的DMD控制電路。所述控制電路包括DMD驅(qū)動(dòng)電路和電源電路兩個(gè)部分構(gòu)成，控制電路與(1)的DMD器件連接；

(3)設(shè)計(jì)光譜信號(hào)采集光路。所述光譜信號(hào)采集光路可以是拉曼采集光路、紅外采集光路和熒光采集光路等，如拉曼光譜儀中使用的拉曼采集光路由入射激光(激光器)、聚焦透鏡、散射光收集透鏡、notch濾光片、散射光聚焦透鏡幾個(gè)部分組成，也可以設(shè)計(jì)為前期設(shè)計(jì)的具有線聚焦功能的拉曼采集光路(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枺?01410776558.9)；散射光聚焦透鏡所匯聚的散射光與(1)的狹縫進(jìn)行耦合連接；

(4)設(shè)計(jì)單點(diǎn)探測(cè)器采集電路。所述采集電路可以是A/D采集電路或者光子計(jì)數(shù)電路，所述A/D采集裝置采用高精度和高位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換電路，所述光子計(jì)數(shù)電路是采用高精度的放大器、計(jì)數(shù)器進(jìn)行設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)電路；該模塊與(1)中的PMT/APD的電路連接接口連接，用于檢測(cè)光譜儀分光光路PMT/APD所產(chǎn)生的光電流信號(hào)；

(5)設(shè)計(jì)基于TEC制冷電路，所述制冷電路以TEC制冷芯片為核心，采用基于高精度放大器電路的PID制冷控制電路進(jìn)行控制，將光電探測(cè)器的工作溫度控制到儀器可接受的范圍，也可以設(shè)計(jì)為多級(jí)且可調(diào)的制冷電路(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枺?01510296066.4)；該模塊與PMT/APD器件貼合連接；

(6)設(shè)計(jì)基于壓縮感知理論的采集軟件，所述采集軟件可以控制采集光路，可以控制探測(cè)器制冷溫度，可以控制DLP器件，可以采用壓縮采樣的方式采集單點(diǎn)探測(cè)器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)顯示存儲(chǔ)，光譜處理以及系統(tǒng)通信等功能。

其中(1)所述的DLP技術(shù)是美國(guó)TI(德州儀器)公司提出的一項(xiàng)技術(shù)，其核心是Larry Hornbeck工程師發(fā)明的數(shù)字微鏡器件(DMD)，該器件可以采用脈沖調(diào)制波驅(qū)動(dòng)，能在-12°和+12°之間擺動(dòng)，近而實(shí)現(xiàn)光的調(diào)控，DMD及一系列精密的電子元件系統(tǒng)就是所謂的DLP技術(shù)；所述的C-T分光結(jié)構(gòu)是根據(jù)儀器設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)的色散型光路結(jié)構(gòu)；所述的衍射光柵是反射型或者透射型的衍射光柵，其光柵刻線數(shù)，閃耀波長(zhǎng)以及閃耀角度根據(jù)光譜儀的最終指標(biāo)來(lái)確定；所述的聚焦鏡為根據(jù)分光波段進(jìn)行特殊處理的聚焦鏡片；所述DMD器件是根據(jù)光路設(shè)計(jì)需求選定的任意DMD器件；所述PMT/APD為單點(diǎn)探測(cè)器，其靈敏度等參數(shù)根據(jù)光路設(shè)計(jì)進(jìn)行選擇；

其中(2)所述的DMD驅(qū)動(dòng)電路可采用DMD控制芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有快速、靈活可控的特點(diǎn)；所述的DMD電源電路也可以采用DMD電源芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有緊湊，控制精度高的特點(diǎn)；

其中(3)所述的激光器為拉曼激光器，根據(jù)說(shuō)設(shè)計(jì)的拉曼光譜儀需求進(jìn)行選定；所述透鏡均根據(jù)光譜波段進(jìn)行選擇；所述notch濾光片選用高性能的高通濾光片；所述具有線聚焦功能的拉曼采集光路為專(zhuān)利(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枺?01410776558.9)聲明的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；

其中(4)所述A/D采集裝置采用高精度和高位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換電路，所述光子計(jì)數(shù)電路是采用高精度的放大器、計(jì)數(shù)器進(jìn)行設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)電路；

其中(5)所述的TEC制冷電路以TEC制冷芯片為核心，采用放大器電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的PID制冷控制電路進(jìn)行控制，將光電探測(cè)器的工作溫度控制到儀器可接受的范圍，也可以設(shè)計(jì)為多級(jí)且可調(diào)的制冷電路(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枺?01510296066.4)；

其中(6)所述的壓縮感知理論為2006年D.Donoho、Emmanuel Candes等人提出的新型的壓縮采樣理論，該理論指出，對(duì)稀疏或可壓縮的信號(hào)進(jìn)行少量非適應(yīng)性的線性測(cè)量，所獲取的信息足夠用來(lái)重建信號(hào)，打破了傳統(tǒng)的線性Nyquist采樣模式；所述的系統(tǒng)顯示可以是PC顯示、手機(jī)等便攜式終端顯示以及儀器自身顯示等；所述的光譜處理包括所有的光譜處理技術(shù)，如基線校正，線性擬合以及去噪濾波等技術(shù)，所述的系統(tǒng)通信功能可以為USB通信、藍(lán)牙通信等傳統(tǒng)的通信方式。

本發(fā)明具有如下的特點(diǎn)：

該發(fā)明提出了一種基于DLP技術(shù)和壓縮感知理論為基礎(chǔ)的超靈敏光譜檢測(cè)方法及系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有光譜系統(tǒng)的分光系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)光柵分光后的光譜信號(hào)進(jìn)行壓縮采樣，實(shí)現(xiàn)單個(gè)探測(cè)器采集光譜的功能，降低光譜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本、尺寸，提高光譜檢測(cè)的靈敏度。該超靈敏度的光譜檢測(cè)系統(tǒng)包括：濾光片/濾光系統(tǒng)、透鏡、狹縫、準(zhǔn)直/聚焦鏡、光柵、DMD器件、單點(diǎn)探測(cè)器、電控系統(tǒng)及軟件等八個(gè)部分；

優(yōu)點(diǎn)：

單個(gè)探測(cè)器采集二維光譜圖；

提高光譜儀系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度；

降低光譜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本、尺寸。

本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說(shuō)明書(shū)中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)下面的說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明的DMD器件控制圖。

圖3是本發(fā)明的壓縮感知理論的求解流程圖。

圖1中濾光片/濾光系統(tǒng)1、透鏡2、狹縫3、準(zhǔn)直/聚焦鏡4、光柵5、DMD器件6、單點(diǎn)探測(cè)器7、電控系統(tǒng)及軟件8。

注：其中透鏡2在整個(gè)光路系統(tǒng)中多次使用，其具體需求根據(jù)其所起作用和光路需求進(jìn)行設(shè)計(jì)；其中電控系統(tǒng)及軟件8包括圖2，圖3所示的所有內(nèi)容以及文中未著重介紹的其他所有電路控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作詳細(xì)說(shuō)明，使本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明有更深入的認(rèn)識(shí)。

實(shí)施方式以拉曼光譜儀為例，分為光、機(jī)、電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部分：

(1)光、機(jī)、電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

如圖1中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示，將選定拉曼激光器輸出的單束激光經(jīng)透鏡聚焦到待測(cè)樣品上，采用透鏡收集樣品經(jīng)單束激光激發(fā)而產(chǎn)生的散射光(包括反射光、瑞麗散射光、拉曼散射光等)；

將透鏡收集到的散射光經(jīng)notch濾光片進(jìn)行濾光，去除散射光中包含的反射光和瑞麗散射光，只剩下系統(tǒng)需要的拉曼散射光；

將notch濾光片過(guò)濾后的拉曼散射光耦合到分光系統(tǒng)的入射狹縫處，采用準(zhǔn)直透鏡將穿過(guò)(單縫衍射)入射狹縫的拉曼散射光準(zhǔn)直到光柵的入射面上；

將光柵分光后的不同波長(zhǎng)的拉曼散射光反射或者透射到聚焦透鏡上，經(jīng)聚焦透鏡匯聚后，最終按系統(tǒng)波長(zhǎng)范圍和光譜分辨率的要求匯聚到DMD器件反射表面；

如圖2所示，將DMD器件與DLP控制系統(tǒng)連接，DLP控制系統(tǒng)包括DLPC控制器、RAM內(nèi)存、FLASH存儲(chǔ)器和DMD電源控制器件幾個(gè)部分。其中DLPC控制器負(fù)責(zé)接收主控制發(fā)送的工作指令，解析指令，并依據(jù)指令對(duì)DMD器件進(jìn)行控制；RAM內(nèi)存為常用的高速內(nèi)存器件，為整個(gè)DLP控制系統(tǒng)的運(yùn)行提供足夠的運(yùn)行速率和運(yùn)行空間；FLASH存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)記錄工作指令的狀態(tài)；DMD電源控制器負(fù)責(zé)為DMD器件，DLPC控制器，RAM內(nèi)存以及FLASH提供穩(wěn)定可靠的工作電源；

經(jīng)DLP技術(shù)處理后的DMD器件根據(jù)軟件系統(tǒng)需求，將不同波長(zhǎng)的散射光順序或者隨機(jī)的反射到探測(cè)器前方的匯聚透鏡上，經(jīng)匯聚透鏡匯聚后的光信號(hào)全部照射到光電探測(cè)器的接收面上；

將電控系統(tǒng)檢測(cè)電路與光電探測(cè)器連接，檢測(cè)不同觸發(fā)情況下所產(chǎn)生的光電流信號(hào)，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)提供給系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行處理顯示；

將電控系統(tǒng)TEC制冷電路與光電探測(cè)器連接，控制光電探測(cè)器的工作溫度，使其工作在系統(tǒng)能接受的狀態(tài)下。

(2)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

如圖3所示，軟件系統(tǒng)的核心內(nèi)容為基于壓縮感知理論的檢測(cè)方法，軟件系統(tǒng)通過(guò)以下步驟進(jìn)行壓縮感知檢測(cè)：

將DMD反射鏡片的狀態(tài)按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的隨機(jī)矩陣(M行N列，M<<N)進(jìn)行設(shè)置，使得采集到的拉曼散射信號(hào)是不同波長(zhǎng)散射信號(hào)的隨機(jī)組合；

將DMD反射的隨機(jī)拉曼散射信號(hào)經(jīng)匯聚透鏡全部匯聚到探測(cè)器表面，采用探測(cè)器測(cè)量該隨機(jī)信號(hào)的總信號(hào)強(qiáng)度；

重復(fù)測(cè)量多次隨機(jī)選取的拉曼散射信號(hào)的總信號(hào)強(qiáng)度，測(cè)量次數(shù)M根據(jù)軟件系統(tǒng)要求進(jìn)行設(shè)定；

記錄每次測(cè)量的隨機(jī)信號(hào)的強(qiáng)度值，并構(gòu)建一個(gè)M行1列的測(cè)量矩陣；

根據(jù)測(cè)量矩陣、隨機(jī)矩陣以及誤差矩陣進(jìn)行壓縮感知求解，得到實(shí)際的拉曼信號(hào)強(qiáng)度。

整個(gè)軟件系統(tǒng)還包括系統(tǒng)顯示、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信等其他功能，實(shí)現(xiàn)拉曼光譜的信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)顯示、信號(hào)存儲(chǔ)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。