[发明专利]一种基于DLP技术和压缩感知理论的超灵敏光谱检测方法及系统

说明书

本发明涉及一种基于DLP技术和压缩感知理论的超灵敏光谱检测方法及系统，该检测方法以DLP分光技术和压缩感知理论为核心，采用单点探测器，结合DLP分光技术，采用压缩感知理论即可以实现超灵敏的光谱检测。该超灵敏度的光谱检测系统包括：滤光片/滤光系统1、第一透镜2、狭缝3、准直/聚焦镜4、光栅5、DMD器件6、单点探测器7、电控系统及软件8、第二透镜9；其灵敏度可以显著提高，成本成倍降低。该系统可以广泛应用于采用光栅分光的光谱仪系统，如拉曼光谱仪、红外光谱仪、荧光光谱仪、SPR光谱仪等。

技术领域

本发明涉及一种基于DLP技术和压缩感知理论的超灵敏光谱检测方法及系统，尤其涉及对灵敏度、尺寸以及成本要求较高的小型光谱仪系统和成像系统，可以广泛应用于采用光栅分光的光谱仪系统，如拉曼光谱仪、红外光谱仪、荧光光谱仪、SPR光谱仪等。

背景技术

光谱仪是应用最为广泛的分析仪器，根据其分光原理的不同可以分为滤光片型、光栅型、傅里叶变换型和声光可调型等，其中光栅色散型光谱仪是覆盖面最广，使用最多的光谱仪类型。

光栅型光谱仪几乎覆盖了所有类型的光谱仪系统，其光路结构主要有光栅扫描型和固定光路阵列检测型两种，其中光栅扫描型的光栅需要复杂精密的机械控制系统进行精密控制，具有高灵敏度的优点，但其整机尺寸大，成本高，检测时间长的缺点制约了其小型化的道路；固定光路阵列检测型具有检测时间快，成像方便的优点，并且结合多级CCD制冷技术或者使用EMCCD阵列器件可实现高灵敏度探测，但是线/面阵CCD，尤其是EMCCD的价格高昂，CCD制冷技术以及封装较为复杂，使得其在小型化的同时消减了仪器的检测灵敏度。

专利CN201110166471提出了一种极弱光多光谱成像方法及其系统，该系统以DLP技术和压缩感知理论为基础，实现了用点探测器对极弱光对象的单一光谱成分进行二维成像，用线阵单光子探测器对极弱光对象进行多光谱成像；专利CN201110328748提出了一种时间分辨极弱光多光谱成像系统及方法，该发明提出的方案可以解决利用单光子计数器线阵实现高探测灵敏度的时间分辨极弱光多光谱成像的问题，其灵敏度可以达到单光子水平。这两个专利均以DLP技术和压缩感知理论为基础，实现了高灵敏度的光谱降维采集功能，但是其对光路的调制均在分光狭缝之前，即对采集的原始光谱进行压缩处理，没有对分光光路提出改进方案，不适用于测量要求较高的小型光谱仪系统。本发明的目的在于提出一种基于DLP技术和压缩感知理论为基础的超灵敏光谱检测方法及系统，对现有光谱仪的分光系统进行改进设计，对光栅分光后的信号进行压缩采样，实现单个探测器采集光谱的功能，降低光谱系统设计的成本、尺寸，提高光谱检测的灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于DLP技术和压缩感知理论为基础的超灵敏光谱检测方法及系统，对现有光谱仪的分光系统进行改进设计，对光栅分光后的光谱信号进行压缩采样，实现单个探测器采集光谱的功能，降低光谱系统设计的成本、尺寸，提高光谱检测的灵敏度。该超灵敏度的光谱检测系统包括：滤光片/滤光系统1、第一透镜2、狭缝3、准直/聚焦镜4、光栅5、DMD器件6、单点探测器7、电控系统及软件8、第二透镜9。

本发明是通过这样的设计方案实现的：

(1)设计基于DLP技术的光谱仪分光光路。改进现有光谱仪的分光系统，灵活调节光栅分光后光谱的分辨率，采集范围，实现单个探测器采集光谱的功能，降低光谱系统设计的成本、尺寸，提高光谱检测的灵敏度。所述DLP技术是美国TI(德州仪器)公司提出的一项技术，其核心是Larry Hornbeck工程师发明的数字微镜器件(DMD)，该器件可以采用脉冲调制波驱动，能在-12°和+12°之间摆动，近而实现光的调控，DMD及一系列精密的电子元件系统就是所谓的DLP技术；所述光谱仪分光光路是较为常用的光栅分光光路结构，如由衍射光栅所构成的C-T分光结构：其包括狭缝、聚焦镜、衍射光栅、聚焦镜、DMD器件和PMT/APD探测器几个部分；