本发明涉及基于滤光器阵列的光谱分析模组，尤其是涉及对这种光谱分析模组进行预置校准和光谱重构的方法。
背景技术：
光谱仪是一种非常重要的光学仪器。现行常见的光谱仪概括来说有两类：一类是以光栅光谱仪为代表的色散分光型；另一类是以基于干涉仪的傅里叶变换光谱仪为代表的调制型。实验室级别的专业型光谱仪一般都体积较大、价格昂贵，其整体性能往往伴随着仪器尺寸的缩小而减弱。
近年来，随着信息技术的发展、生产生活智能化、和人们对食品安全、环境污染、医疗健康等需求的增长，微型集成光谱分析模组受到关注。其应用目标向作为智能化设备和消费类电子产品(如智能手机和可穿戴设备等)的传感组件的运用来发展。
其中，基于滤光器阵列结构来实现微型集成光谱分析模组是一个重要途径，受到广泛关注。这种光谱分析模组是将通过滤光器阵列中具有不同透射光谱特性的滤光器结构单元的透射光照射在探测器阵列中相应的探测器单元上进行光电转换，然再通过后端数据处理来进行光谱重构。根据其滤光器阵列结构的不同，举例如下：
如滤光器阵列结构是基于具有分立的不同腔长的垂直型fabry-perot谐振腔阵列结构【如以下文献所涉及：1.s.-w.wang,c.xia,x.chen,w.lu,m.li,h.wang,w.zheng,andt.zhang,opt.lett.,32(6),632(2007)；2.温志渝，陈刚，王建国，光谱学与光谱分析，26(10),1955(2006)。】；
如滤光器阵列结构是基于介质材料的光子晶体结构【如以下文献所涉及：n.k.pervez,w.cheng,z.jia,m.p.cox,h.m.edrees,andi.kymissis,opt.express,18(8),8277(2010).】；
如滤光器阵列结构是基于具有不同吸收谱的半导体量子点或量子线阵列结构【如以下文献所涉及：1.j.baoandm.g.bawendi,nature,523,67(2015)；2.z.yang,t.albrow-owen,h.cui,etal.,science,365,1017(2019).】；等等。
还有一类滤光器阵列结构是基于金属微纳结构【如以下公开发明专利所涉及：中国发明专利cn105092035b、cn109642822a、cn108731806a、cn110873911a、cn110243471a、cn10954311a、cn109564323a、等；美国发明专利us8542359b2、us7426040b2、等。】
基于滤光器阵列的微型集成光谱分析模组在使用中需要结合设备在制造过程中对其中有关光学部件的预置校准信息来进行光谱重构计算。
在如上述期刊论文和一些发明专利【如中国发明专利cn103207015a、cn109642822a、cn10954311a；美国发明专利us8542359b2】为例的公开文件所提供的方法和实施例中，预置校准信息一般包括：滤光器阵列中各个滤光器结构单元的透射光谱(或称传递函数)和探测器阵列中探测器单元的响应函数(或称灵敏度函数)。
这就需要在预置校准测试中，对滤光器阵列中的每个滤光器结构单元的透射光谱、以及探测器阵列中的探测器单元的响应函数(对于不同探测器单元，响应函数一般相同)进行测试。一般来说，这些阵列单元的尺寸(或区域面积)小、数量多，从而使得预置校准测试显得复杂、低效、且可能引入较大误差。再者，当将滤光器阵列、探测器阵列和其它光学部件组装为一个模组后，其它光学部件的传递函数、光束形态、不同部件之间的对准误差、光电信号转换过程中的传递函数、以及其它不可控因素的影响，将使仅仅基于滤光器阵列和探测器阵列的预置校准信息显得不足，从而在光谱重构中引入较大的误差，并可能严重影响光谱测试的准确性。
技术实现要素：
本发明针对基于滤光器阵列的光谱分析模组，提供了对这种光谱分析模组进行预置校准和光谱重构的方法。
本发明实施例涉及的光谱分析模组至少包括滤光器阵列和探测器阵列，另外还可以包括信号光采集与光束整形部分、信号处理与控制电路、以及模组结构件等。
所述的滤光器阵列由具有不同透射光谱特性的滤光器结构单元构成。
所述的探测器阵列由其固有的多个探测器单位像素构成。所述探测器阵列可被规划为具有多个探测器单元，每个探测器单元包含有一个或多个探测器单位像素。
所述的滤光器阵列中的各个滤光器结构单元分别与探测器阵列中的各个探测器单元相对应。
所述的光谱分析模组在使用前，需要首先对其进行预置校准，以获得预置校准信息；在对来自目标物的信号光的光谱检测中，需要结合预置校准信息和对信号光的测试信息，通过数据处理计算来获得信号光的光谱。
本发明实施例中提供的预置校准方法，是在完成对所述光谱分析模组的制造和封装、在其硬件系统固定后的情况下进行预置校准测试。
本发明实施例中所涉及的预置校准测试系统包括：校准光源；被校准的光谱分析模组；以及与所述光谱分析模组相匹配的信号处理系统、控制系统和输入/输出终端等设备。
所述校准光源为波长可调的准单色光源，即在所述光谱分析模组的工作波段范围内可以提供波长可调、输出功率稳定的准单色光。所述准单色光具有较窄的光谱线宽和较小的可调波长间隔，且其中心波长位置尽可能均匀地分布在所述光谱分析模组的工作波段范围内。所述准单色光在其各个中心波长处具有稳定、可控的输出功率。
所述校准光源可为由多个具有不同中心波长的准单色光源相组合构成的波长可调的准单色光源，或为通过调谐内部谐振腔参数来实现具有不同中心波长的准单色光输出的波长可调的准单色光源。
所述校准光源也可基于标准宽带光源、用可调单色仪或可调滤光器来获得具有不同中心波长的准单色光。
在对所述光谱分析模组的预置校准测试中，将校准光源输出的具有不同中心波长的准单色光分别输入所述光谱分析模组，并通过信号处理系统记录由所述光谱分析模组中的探测器阵列所产生的用以表征其中各个探测器单元所接收到的光信号强度的数字信号。
在上述预置校准测试中，对应于校准光源的具有不同中心波长的准单色光的输出功率、以及由信号处理系统接收到的由各个探测器单元等部件所产生的数字信号所表征的光的强度、及其它相关信息为预置校准信息。该预置校准信息唯一对应于单个具体的被校准的光谱分析模组。该预置校准信息需要保存，以在使用该光谱分析模组进行光谱检测时的光谱重构计算中调用。
在使用所述光谱分析模组对来自目标物的信号光的光谱检测中，来自目标物的信号光被所述光谱分析模组采集后，亦通过其信号处理系统记录所述其中各个探测器单元所接受到的光信号强度所对应的数字信号。基于所使用的光谱分析模组的预置校准信息和该测试中所产生的对应于各个探测器单元所接受到的光信号的数字信号，通过数据处理算法，实现对被测信号光的光谱重构。
本发明的主要特征和优点说明如下：
本发明涉及的光谱分析模组包含有滤光器阵列、探测器阵列和其它组成部分。
本发明提供的预置校准方法，是在完成对所述光谱分析模组的制造和封装、在其硬件系统固定后的情况下进行预置校准测试。
通过本发明提供的预置校准方法所获取的预置校准信息，包含了所对应的光谱分析模组内部各个部分或元部件的光学响应和光电转换因素、在制造过程中的结构件偏差和各个部分间的对准偏差、以及其它不可控、不明确因素对光谱测试的综合影响，而不仅仅是滤光器阵列单元和探测器阵列单元的传递函数和响应函数的影响。
本发明提供的预置校准测试方法更加简单、高效、准确；不需要对滤光器阵列中的每个滤光器结构单元和探测器阵列中的探测器单元的传递函数和响应函数进行测定。
本发明提供的预置校准方法和光谱重构方法有利于使所述光谱分析模组在检测中获得更为准确的光谱信息。
附图说明
图1是本发明实施例涉及的光谱分析模组及其测试系统的示意图。
图2是本发明实施例涉及的光谱分析模组中的滤光器阵列和探测器阵列的侧视结构示意图。
图3是对本发明实施例涉及的光谱分析模组进行预置校准测试的示意图。
图4a是根据本发明实施例的预置校准测试系统中基于波长可调准单色光源的校准光源的示意图。
图4b是根据本发明实施例的预置校准测试系统中基于标准宽带光源用可调单色仪来获得准单色光的校准光源的示意图。
图4c是根据本发明实施例的预置校准测试系统中基于标准宽带光源用可调滤光器来获得准单色光的校准光源的示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
以下实施例为示范性实施例，它们可以具有不同的形式或变型，而不应被解释为仅限于这里所给出的描述。在对本发明实施例的描述中，如“包括……”的表述意指“包括但不限于仅有……”。
图1示出本发明实施例涉及的光谱分析模组100及实现其进行光谱测试的测试系统中的信号处理系统140、控制系统150和输入/输出终端160。
所述光谱分析模组100包括有：信号光采集和光束整形光路110、滤光器阵列120、和探测器阵列130。
所述信号光采集和光束整形光路110的目的是为均匀、高效地采集到信号光，并使之变成平行准直光垂直照射到滤光器阵列上。
图2示出本发明实施例涉及的光谱分析模组100中的滤光器阵列120和探测器阵列130的侧视结构示意图。
所述的滤光器阵列120由具有不同透射光谱特性的滤光器结构单元121构成。所述滤光器结构单元121为具有谐振特性的微纳结构、或为具有特定的吸收特性的光电材料(如半导体等)；它们在不同的滤光器结构单元内具有不完全相同的结构或材料参数。所述滤光器结构单元121的透射光谱可为具有通带特性、阻带特性、长波通特性、或短波通特性的光谱，或为由多个谱峰和谱谷所构成的光谱。
所述的探测器阵列130中有多个探测器单元131。每个探测器单元131包含有一个或多个探测器单位像素。探测器单位像素是探测器阵列130中固有的最小的阵列单元。
设滤光器阵列120和探测器阵列130中都有m×n个阵列单元。所述滤光器阵列120中的m×n个滤光器结构单元121按序被标为：f1、f2、f3、…、fj、…、fm×n。所述探测器阵列130中的m×n个探测器单元131按序被标为：d1、d2、d3、…、dj、…、dm×n。，它们分别对应于滤光器结构单元121：f1、f2、f3、…、fj、…、fm×n。
在图1所示测试系统中，待测信号光经信号光采集和光束整形光路110后入射到滤光器阵列120上，通过不同滤光器结构单元121的透射光分别被照射在对应的探测器单元131上；由各个探测器单元131所接收的光信号经光电转换为电信号，并经过前期的信号预处理和模数(a/d)转换后通过有线或无线方式传输到测试系统的信号处理系统140，再结合预置校准信息进行光谱重构。
图3示出对本发明实施例涉及的光谱分析模组100进行预置校准的测试系统。其中校准光源200为预置校准提供中心波长可调、输出功率稳定的准单色光。
所述校准光源200可有如下几种实现方式：
如图4c中所示，所述校准光源200可为基于半导体发光二极管(led)或激光二极管(ld)的阵列光源所构成的波长可调准单色光源210(所述阵列光源在其不同单元内发射出具有不同中心波长的准单色光)，或为通过调谐内部谐振腔参数来实现具有不同中心波长的准单色光输出的波长可调准单色光源210。
如图4b和图4c中所示，所述校准光源200为基于标准宽带光源220、用可调单色仪221或可调滤光器222来获得具有不同中心波长的准单色光的光源。
所述标准宽带光源220可为如氙灯、氘灯、卤素灯(包括溴钨灯、碘钨灯等卤钨灯)等宽带光源，或基于荧光发光的宽带光源，或为上述几种光源的组合光源。
所述可调单色仪221可为包括有色散元件(如光栅、棱镜等)的单色仪。
所述可调滤光器222可为包括有可调光学谐振腔、可调光学干涉仪的滤光器，或为由多个窄带滤光器所组成的可调滤光器。
下面简要说明基于根据本发明实施例的光谱分析模组及其预置校准方法来获取信号光的光谱的方法。
对于一个在硬件系统上完成制造和封装的光谱分析模组100及其光谱测试系统，在使用前首先需要进行预置校准。
设在所述光谱分析模组100的工作波段内，校准光源200输出的准单色光的中心波长为λi(i＝1,2,…,l；此处l为工作波段内准单色光中心波长数目)，且该准单色光对应的输出功率为p0(λi)。
参照图3所示，在具有不同中心波长λi的准单色光分别输入的情况下，光谱分析模组100中的探测器阵列130中的各个探测器单元131所产生的电信号经预处理和模数(a/d)转换后输出到信号处理系统140的对应于各个探测器单元131所接收到的校准光信号强度的数字信号所表征的强度为c0j(λi)(j＝1,2,…,k；此处k为探测器阵列130中探测器单元131的数目，如为k＝m×n)。并设cj(λi)＝c0j(λi)/p0(λi)为对应于各个探测器单元131的相对于校准光源输出准单色光功率的校准信号强度。在此需要说明的是，预置校准信息除了包括校准光源200输出准单色光的信息、以及校准光源200输出准单色光在输入光谱分析模组100后所产生的校准信号强度的信息，还包括预置校准测试系统中控制系统150对光谱分析模组100中探测器阵列130所设定的积分时间(或称曝光时间)。一般来说，探测器阵列130中各个探测器单元131所接收到的光子数目与积分时间成正比。在此，设在预置校准测试中设定的探测器阵列130的积分时间为tc。
经过上述预置校准后所获得的预置校准信息可保存在所对应的光谱分析模组内或与之绑定的信号处理系统等的存储器中，以在应用测试中进行光谱重构计算时调用；或保存于远程服务器的数据存储系统等，通过对所对应的光谱分析模组设定的设备编号来进行索引和调用。
参照图1所示，在光谱测试中，设通过控制系统150设置的光谱分析模组100中的探测器阵列130的积分时间为tr；当来自目标物的待测信号光被光谱分析模组100采集后，在信号处理系统140获得对应于各个探测器单元131所接收到的信号光强度的数字信号所表征的强度为r0j(j＝1,2,…,k)。考虑到探测器阵列130积分时间的不同对所产生的信号强度的影响，设rj＝r0j(tr/tc)。则来自待测目标物的信号光的实际光谱s(λ)可以基于下面的公式来对其离散解s(λi)进行计算。
或写为：r＝cs，其中：r＝[rj]t，c＝[cj(λi)]，s＝[s(λi)]t。上式中也可引入一个噪声项n＝[nj]t，从而使上式写为：r＝cs n。
在此说明，上式中矩阵r、c和s乘以用于表征归一化、离散化或物理量转换等相关的常数不改变上述公式的意义和适用性。
从前面描述可以看出，此处矩阵c和r所表示的校准和测试数据中包含了所对应的光谱分析模组100内部各个部分或元部件的光学响应和光电转换因素、在制造过程中的结构件偏差和各个部分间的对准偏差、以及其它一些不可控、不明确因素对光谱测试的综合影响，而不仅仅是滤光器阵列120和探测器阵列130中各个阵列单元的传递函数和响应函数的影响。
在对上式的求解过程中，如果l＝k，理论上可通过求解c的逆矩阵来计算离散的实际光谱s＝c-1r。但在许多情况下，希望基于有限的探测器单元数目k(即滤光器单元数目)，通过预置校准时在工作波段内用间隔更小、线宽更窄的准单色光(即具有更大的校准波长数目l)来进行校准，以获得具有更高分辨率的测试光谱；于是将有k<l。在这种情况下，需要通过求解c的伪逆矩阵来计算实际光谱s；但是在这种情况下，受系统中噪声和各种不可控因素的影响，可能会导致计算结果存在一定的不稳定性。在上面矩阵方程的实际数值求解过程中，往往通过对||cs-r||2的最小化来算得具有最小误差的实际光谱s。具体实施中，有关问题可以通过其它更优良的算法来进行改进。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
1.对基于滤光器阵列的光谱分析模组进行预置校准的方法，其特征在于：光谱分析模组至少包括滤光器阵列和探测器阵列，设置滤光器阵列中的各个滤光器结构单元具有不同的透射光谱特性，设置探测器阵列有多个由一个或若干个探测器单位像素构成的探测器单元，预置校准测试系统包括校准光源、被校准的光谱分析模组、与所述光谱分析模组相匹配的信号处理系统、控制系统和输入/输出终端等设备；校准光源输出准单色光的信息包括其各个中心波长、线宽、及对应的输出功率；将校准光源输出的准单色光输入光谱分析模组，在信号处理系统获得的对应于探测器阵列中各个探测器单元所接收到的光信号强度的数字信号；以及对探测器阵列所设定的积分时间；将对应于校准光源的具有不同中心波长的准单色光的输出功率、由信号处理系统接收到的由各个探测器单元等部件所产生的数字信号所表征的光的强度、及其它相关信息做为对应于单个具体的被校准的光谱分析模组为预置校准信息，将该预置校准信息保存，在使用该光谱分析模组进行光谱检测时的光谱重构计算中调用。
2.如权利要求1所述的对基于滤光器阵列的光谱分析模组进行预置校准的方法，其特征在于：校准光源为基于半导体发光二极管或激光二极管的阵列光源所构成的波长可调准单色光源，或为通过调谐内部谐振腔参数来实现具有不同中心波长的准单色光输出的波长可调准单色光源。
3.如权利要求1所述的对基于滤光器阵列的光谱分析模组进行预置校准的方法，其特征在于：校准光源基于标准宽带光源、用可调单色仪来获得具有不同中心波长的准单色光，标准宽带光源为如氙灯、氘灯、卤素灯等宽带光源，或基于荧光发光的宽带光源，或上述几种光源的组合光源，所述可调单色仪为包括有如光栅和棱镜等色散元件的单色仪。
4.如权利要求1所述的对基于滤光器阵列的光谱分析模组进行预置校准的方法，其特征在于：校准光源基于标准宽带光源、用可调滤光器来获得具有不同中心波长的准单色光，标准宽带光源为如氙灯、氘灯、卤素灯等宽带光源，或基于荧光发光的宽带光源，或上述几种光源的组合光源，可调滤光器为包括有可调光学谐振腔、可调光学干涉仪的滤光器，或为由多个超窄带滤光器所组成的可调滤光器。
5.如权利要求1所述的对基于滤光器阵列的光谱分析模组进行预置校准的方法，其特征在于：所述的光谱重构为：
设所用光谱分析模组的预置校准信息包括：校准光源输出准单色光中心波长为λi(i＝1,2,…,l)，对应的输出功率为p0(λi)，所设定探测器阵列的积分时间为tc，对应于探测器阵列中各个探测器单元所接收光信号强度的数字信号所表征的强度为c0j(λi)(j＝1,2,…,k)；
设在对待测信号光进行测试中，对应于探测器阵列中各个探测器单元所接收光信号强度的数字信号所表征的强度为r0j(j＝1,2,…,k)，所设定探测器阵列的积分时间为tr；
令cj(λi)＝c0j(λi)/p0(λi)，rj＝r0j(tr/tc)，则待测信号光的实际光谱s(λ)可以基于下面的表达式对其离散解s(λi)进行计算来进行重构：
或写为：r＝cs，其中r＝[rj]t，c＝[cj(λi)]，s＝[s(λi)]t；上式中也可引入一个噪声项n＝[nj]t，从而使上式写为：r＝cs n；另外，上式中矩阵r、c和s乘以用于表征归一化、离散化或物理量转换等相关的常数不改变上述公式的意义和适用性。
技术总结