[实用新型]一种渐变型散射结构光谱分析装置

说明书

本实用新型提供了一种渐变型散射结构光谱分析装置。该装置包括透明的基底，其上设有渐变结构特征的散射粒子层，基底的下方设有用于接收散射光的光电探测器阵列，在散射粒子层上方设有两个共焦透镜，在共焦透镜之间设有一孔径光阑。入射光先经过两个共焦透镜，然后经过散射粒子层，进而在光电探测器阵列上产生不同特征的散射光斑，最后采用一种散射光斑局部窗口化、特征加权且光谱分段复原的方法获得光谱复原矩阵，采用Tikhonov正则化求解大型线性方程组的方法复原光谱。本实用新型中散射粒子层采用渐变结构特征散射粒子，有效解决了宽光谱分析范围与高光谱分辨率之间的矛盾。

技术领域

本实用新型涉及便携、智能的微型光谱分析仪器技术领域，具体地说是一种渐变型散射结构光谱分析装置。

背景技术

光谱学的应用涉及我们生活中的几乎所有领域，比如化工、制药、农业生产、生物医疗、食品安全、环境安全、航空航天、能源等等。随着社会的进步以及物联网信息技术、微纳制造、生物光子学等先进科学技术的发展，大型昂贵的光谱分析设备走出实验室，弥补人类对物质的认知缺陷，轻松实现果蔬糖分、水分，药品真伪，皮肤年龄，酒类品质等检测，走进人们的生活已经成为可能。便携、智能的微型光谱技术的发展与应用必将给人民生活水平的提高，生活方式带来革命性的变化。面向智能终端设备(如智能手机)的微型化、集成化光谱分析芯片技术是先进光谱分析技术及仪器的一个新的重要发展方向。开发微型化、成本低、分辨率高、光谱测定范围宽和测量速度快的新型光谱分析装置是目前各国的研究热点。

随着微纳光学、计算光学等新兴学科的快速发展，不同于传统光谱仪基本光谱分析原理(如光栅光谱仪、傅里叶光谱仪)，科学家们从物理机理、分析原理方面创新性的提出了多种新原理光谱分析技术。例如基于微腔谐振的芯片光谱仪、基于光子晶体的芯片光谱仪、基于光斑模式场、散射场分布的芯片光谱仪以及基于量子点发光光谱仪。研究发现，不同波长的光波通过非均匀散射介质、光波导(光纤)或者特殊排列的衍射介质后产生的光斑具有不同特征的光场模式分布，以光谱为参量对其进行光谱反演复原，可很好的实现入射光光谱成分分布的探测。基于干涉光斑的计算光谱技术可以实现较高光谱分辨率，其面临的主要问题是易于受到外部环境因素的影响，如温度、振动等；利用多模光纤、锥形光纤以及光波导产生干涉光斑，存在空间光难于耦合及耦合器件难以芯片化的问题；相位调制阵列结构及衍射光学元件产生干涉光斑，虽易于集成芯片化，但空间光入射条件(角度、准直性等)的扰动将直接影响测量结果。基于散射光斑的计算光谱技术，具有易于集成芯片化、对空间光入射条件不敏感、环境影响较小的优点，更加符合物联网、智能手机等方面的技术需求。但是，该技术的光谱分析芯片光谱分析范围、光谱分辨率还需进一步提高，如何实现在一定宽度的光谱分析范围内都具有较高的光谱分辨率是基于散射光斑的计算光谱技术发展首要解决的问题。南京邮电大学杨涛课题组提出了“相位调制台阶阵列微型光谱仪”(200910264251.X)、“衍射孔阵列结构微型光谱仪及其高分辨率光谱复原方法”(201210004166.1)以及“一种微型光谱仪”(201210578653.9)，三个技术方案中的分光器件分别采用了台阶阵列结构、衍射孔阵列结构以及纳米粒子涂层，但三者结构特征为周期性的或无序的，无法解决光谱分析宽范围与高光谱分辨率间的矛盾。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种渐变型散射结构光谱分析装置，以解决微型光谱分析芯片宽光谱分析范围与高光谱分辨率之间的矛盾。

本实用新型的目的是这样实现的：一种渐变型散射结构光谱分析装置，包括一透明基底，在所述基底表面设有一散射粒子层，所述散射粒子层具有渐变结构特征，散射粒子层的渐变结构特征表现为散射粒子尺寸、密度和/或折射率呈渐变分布，渐变结构特征的渐变形式为散射或辐射；在所述基底的上方设有两个共焦透镜，在两个共焦透镜之间设有一孔径光阑；在所述基底的下方设有光电探测器阵列。

在所述基底和所述光电探测器阵列之间设有一厚度可调的距离匹配层。

所述散射粒子层上的散射粒子的尺寸为纳米量级至微米量级。