一種光譜重構方法及其光譜儀裝置的製作方法

2023-05-03 03:41:11 1

專利名稱：一種光譜重構方法及其光譜儀裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於光譜分析技術領域，尤其涉及一種光譜重構方法及其光譜儀裝置。
背景技術：
光譜技術的應用幾乎覆蓋了所有的科學領域，包括醫藥、化學、地質學、物理及天文學等，從海洋的底部到遙遠的宇宙，光譜儀為人們收集周圍世界的物質特徵信息。由於光譜儀可以獲得大量與物質結構相關的信息，應用範圍很廣，如濃度分析、脫硫和硫磺回收分析、尾氣分析、煙道氣分析、汙染源分析、色度分析和濁度分析等，因此廣泛應用於環境監測、法醫鑑定、生物醫學、科技農業、交通、資源勘探與開發、防偽檢測(名牌產品、公安、海關、金融)、軍事分析以及工業流程監控等科研領域和工業部門。由於現有絕大部分光譜儀器都屬於大型精密儀器，採用的都是光柵、稜鏡或傅立葉變換等分光方式，分光系統體積龐大、抗震性能低，只能在實驗室和車間等相對固定的場所使用，難以滿足現場和野外檢測等方面的應用需求，更無法普及應用到人們的日常生活中。現有技術中所有具有拍照功能的設備都是通過內置的CCD晶片來獲取外界光學信號，但是CCD晶片無法直接獲取外界的光譜信息。在現有的光譜重構處理方法中採用壓縮感知解決光譜重構問題，但缺陷是其中的主體優化步驟，即求11範數最小化的速度(效率)比較低，並且該方法默認了光譜的稀疏基。還有採用吉洪諾夫正則化在原先的目標函數上加一個正則項來控制非適定問題的解的個數，並且同時將這個數學模型變成凸模型，但是缺陷是由於加上了正則項而使得最後的結果精確度較低，並且增加了算法中的參數的數量。同時，要確定這些參數的較好的值需要大量的經驗或者運算步驟。現有技術中還存在NNLS、SVD等矩陣分解法，但是都需要使用特定的方法處理分解後的矩陣的負數元素，而簡單的處理負數元素的方法會導致算法運行過程中的有用信息的去除而導致最終結果的精確度降低。

發明內容
本發明克服了現有技術中光譜儀器體積過大、光譜重構方法運算複雜和重構精確度不高等缺陷，提出了一種光譜重構方法及其光譜儀裝置。本發明提出了一種光譜重構方法，包括:濾光片初始化步驟，獲取濾光片上每一個濾光片通道的透射光譜曲線；光譜獲取步驟，獲取光線透過所述濾光片後的初始光譜信息；光譜重構步驟，利用所述透射光譜曲線以非負矩陣滿秩分解法重構所述初始光譜信息，獲得重構後的光譜信息。其中，所述光譜重構步驟包括:重構參數設定步驟，設定最大循環數；矩陣分解步驟，通過所述透射光譜曲線生成初始矩陣，採用非負矩陣滿秩分解法依據所述最大循環數分解所述初始矩陣，生成基矩陣與係數矩陣；
矩陣計算步驟，根據所述基矩陣、係數矩陣與初始矩陣計算獲得所述初始矩陣的偽逆矩陣；重構結果計算步驟，根據所述偽逆矩陣與初始光譜信息計算重構結果，獲得重構後的光譜信息。其中，所述矩陣計算步驟中，偽逆矩陣的計算公式如下所述:inv (T) = Ct (BtTCt) ^1Bt ；式中，C表示係數矩陣，B表示基矩陣，T表示所述初始矩陣。其中，所述重構結果計算步驟中，根據以下公式獲得重構後的光譜信息:X = inv (T) Y ；式中，X表示重構後的光譜信息，inv (T)表示初始矩陣的偽逆矩陣，Y表示初始光
譜信息。其中，進一步包括:重複執行所述光譜重構方法獲得多個光譜信息及其相對於真實光譜的差異值和錯誤率，選取所述差異值與所述錯誤率最小的光譜信息作為重構後的光譜信息。本發明還提出了一種光譜儀裝置，包括:濾光片部件，其對不同波長的光線具有不同的透射率；圖像傳感器，其 設置在所述濾光片部件的後方，用於探測透過所述濾光片部件的光線的初始光譜信息；光譜計算部件，其接收所述圖像傳感器的初始光譜信息並對重構，生成重構後的光譜信息。其中，進一步包括:聚焦鏡部件，其設置在所述濾光片部件的前方，將光線聚焦之所述圖像傳感器上。其中，所述濾光片部件為集成窄帶濾光片。其中，所述圖像傳感器為CXD晶片。其中，進一步包括顯示部件，其與所述光譜計算部件連接，以顯示所述重構後的光
譜信息。本發明通過對CCD晶片的表面設置一層集成窄帶濾光片陣列，通過根據集成窄帶濾光片陣列上不同的透光率對CCD晶片獲取的圖像相結合，可計算獲得圖像的光譜信息。本發明與現有技術中的光譜儀器相比，其製作成本非常低廉。本發明尤其適用於手機等具有CCD晶片和數據存儲及處理功能的設備，可通過手機實現光譜儀器小規模化，促進光譜儀器在使用中的普及。


圖1顯示的是光譜重構方法的流程圖。圖2顯示的是光譜重構步驟的流程圖。圖3顯示的是重構先後的光譜圖。圖4顯示的是光譜儀裝置的結構圖。圖5顯示的是窄帶濾光片與CXD晶片的結構圖。
具體實施例方式結合以下具體實施例和附圖，對本發明作進一步的詳細說明。實施本發明的過程、條件、實驗方法等，除以下專門提及的內容之外，均為本領域的普遍知識和公知常識，本發明沒有特別限制內容。如圖1所示，本發明的光譜重構方法通過濾光片初始化步驟、光譜獲取步驟和光譜重構步驟獲得光譜信息。步驟SI濾光片初始化步驟中，可預先採用可見光光柵光譜儀，將光譜儀的入射和出射狹縫調到高解析度，在本實施例中調到0.lnm，然後將出射狹縫中出射的光照在圖像傳感器上，轉動光柵光譜儀的光柵使得出射狹縫出射的光波長一步一步地變化，每變化一步，CCD上就記錄下一幅強度分布圖，從而獲得濾光片上每一個濾光片通道的精細光譜值。本實施例中，集成濾光片具有32個濾光片通道，其中每個濾光片通道會通過該檢測過程獲得自身的透射光譜曲線，每一條透射光譜曲線上共有m個精確光譜值的數據點。這32條透射光譜曲線將成為初始矩陣T的各行，為此形成了 32*m階的初始矩陣T。步驟S2光譜獲取步驟中，光線經過集成窄帶濾光片之後，使得不同波長的光分散在空間的不同區域，因此集成窄帶濾光片就取代了傳統分光元件旋轉光柵或者稜鏡。由於集成窄帶濾光片位於圖像 探測器之前，所以，從集成窄帶濾光片不同位置射出不同波長的光照射在圖像傳感器的感光面的不同光敏元上，圖像傳感器的不同的光敏元給出不同波長的光所對應的強度，實現獲取初始光譜信息，如圖3(b)所示。本發明的創新點在於採用非負矩陣滿秩分解法(Non-negative MatrixFactorization, NMF)對經過濾光片後的光譜信息進行重構以獲得重構後的光譜信息。本實施例中，非負矩陣滿秩分解初始的32*m階矩陣T，初始矩陣T的第j列就是第j個濾光片的透射光譜曲線上的精細光譜值，m就是一條透射光譜曲線所含的精細光譜值數目，在物理意義上，m的值可以由測光譜的光譜儀的儀器參數所決定，所以m的精度可以做得非常高，例如m的大小可以是32的十倍以上，甚至是上百上千倍。非負矩陣滿秩分解初始參數k =min(m,32) = 32。如圖2所示，步驟S3光譜重構步驟包括:步驟S31重構參數設定步驟、步驟S32矩陣分解步驟、步驟S33矩陣計算步驟和步驟S34重構結果計算步驟。其中，步驟S31重構參數設定步驟中，設定整體算法最大算法循環數max_FES，設定非負矩陣滿秩分解MM算法最大循環數max_NMF與橫坐標的精細度。最大循環數設定在100-10000次範圍內，橫坐標的精細度設定在初始光譜信息中橫坐標精細度的3-3000倍範圍內。步驟S32矩陣分解步驟中，使用非負矩陣滿秩分解MM算法，使用參數k、初始矩陣T以及最大循環數max_NMF作為輸入，最後輸出兩個矩陣，維度分別為32*32和32*m的基矩陣B和係數矩陣C。步驟S33矩陣計算步驟中，根據以上計算的基矩陣B與係數矩陣C，利用一下的計算公式計算初始矩陣T的偽逆矩陣inv (T):inv (T) = Ct (BtTCt) ^1Bt式中，C表示係數矩陣，B表示基矩陣，T表示表示初始矩陣。S34重構結果計算步驟中，根據偽逆矩陣inv(T)利用一下公式計算生成重構後的光譜信息:
X = inv ⑴ Y其中，X表示重構過後的光譜信息，inv (T)表示初始矩陣的偽逆矩陣，Y表示初始光譜信息，即圖像傳感器採集的光譜的測量值，在此Y的曲線為32個點。本發明在計算重構後的光譜信息時，還計算其差異值Eirorjate和錯誤率Negative_rate。Error_rate指的是本發明的一個重構後的光譜信息和本發明光譜重構方法的最優解之間的F範數誤差。Negative_rate表示本發明的一個重構後的光譜信息的負數元素的比例，也就是完全沒有物理意義的負數元素的比例。本發明通過多次執行光譜重構方法後得到多個光譜信息及其差異值與錯誤率。根據比較差異值與錯誤率的大小選取最小作為最優誤差Best^rror,該最優誤差是指重構後的光譜信息的最優解和實際結果之間的誤差的最小值，即與真實光譜最接近的光譜信息。本發明採用該方法對於本發明方法得出的不同的解進行比較和區分，從而重構出精確度最高的光譜信息。本實施例中，用於重構的光譜矩陣如圖3(a)中，該光譜矩陣是唯一的，本發明光譜重構方法重構後的光譜信息是一個不確定性的結果，即在相同輸入的情況下會得出不同的結果。由於受制於圖像採集儀器的限制，通過圖像傳感器採集得到的光譜信息，如圖3(b)所示，該初始光譜信息並且只有32個光譜數據點，即矩陣Y，其與圖3(a)之間存在很大的差異。通過本發明的光譜重構方法使用初始矩陣T中對矩陣Y進行重構。光譜重構過程中為了保證圖3(a)中矩陣的完整性(即保證圖3(a)波形能夠被完全重構，其波形兩側的部分曲線不會消失)，本發明光譜重構方法使用某一個精度選取數據，本實施例以401精度為例，在I到10001(10001為最高精度)中進行全域均勻地選取401個數據點，也就是每隔25個最高精度下的點取一個數據點。通過這樣的取點後就可以得到精度為401的最優的矩陣Y，而對應的矩陣T也將10001列中依次均勻抽取401列作為本發明光譜重構算法401精度下的32X401矩陣T。本發明基於NMF對光譜進行重構，首先對於矩陣T進行非負矩陣滿秩分解，矩陣T是一個滿秩矩陣，在本實施例中矩陣T的秩為32。通過`非負矩陣滿秩分解得到基矩陣B與係數矩陣C，基矩陣B與係數矩陣C是本發明光譜重構方法的中間變量。然後，通過滿秩求逆矩陣求取矩陣T的偽逆矩陣。最後，通過這個矩陣T的偽逆矩陣直接得到重構的結果矩陣X。其中，由於光譜重構方法中非負矩陣滿秩分解部分需要隨機初始化，基矩陣B和係數矩陣C是隨機初始化得到的，所以本發明光譜重構方法根據不同次初始化後得到的最終重構後的矩陣X是不同的。所以本發明中還對篩選出一個最優的矩陣X，對於其他不同的矩陣X，計算其與最優矩陣X的差異值以及各自的錯誤率，以此選出光譜重構後的矩陣X作為重構後的光譜信息。重構後的光譜信息如圖3(C)所示。由圖可見，圖3(c)所示的光譜與光譜圖3(a)的吻合程度明顯比直接測量的圖3(b)所示的初始光譜信息與光譜圖3(a)的吻合程度更好，儘管在經過本發明重構方法處理後圖3(c)曲線兩側平緩的地方有一些抖動，但是兩個峰均被重構再現，本發明提高了的精確度同時提高了本發明中光譜儀裝置的性能。如圖4所示，本發明的光譜儀裝置包括濾光片部件1、圖像傳感器2、光譜計算部件3聚焦鏡部件4與顯示部件6。聚焦鏡部件4設置在濾光片部件I的前方，光線通過聚焦鏡部件4穿過濾光片部件I然後射到圖像傳感器2上。圖像傳感器2獲取光線的光譜信息，將光譜信息發送至光譜計算部件3中進行重構，並通過顯示部件6顯示重構後的光譜信息。本實施例中，濾光片部件I為集成窄帶濾光片。集成窄帶濾光片列陣的初始I旲繫結構為(LH)5(XL) (HL)5，其中下層膜係為(LH)5，間隔層為xL，上層膜係為(HL)5。上層膜系與下層膜系形成鏡面對稱。H表示厚度為λ ^4的高折射率膜層，L表示厚度為λ^/4的低折射率膜層，λ 0為初始窄帶濾光片的中心波長，800nm。高折射率膜層和低折射率膜層可分別為五氧化二鉭膜層和二氧化矽膜層。集成窄帶濾光片列陣各單元之間的唯一差別就是間隔層厚度不同，由於窄帶濾光片的帶通峰位與間隔層的厚度成正比，間隔層的厚度不同則相應窄帶濾光片的帶通峰位不同，通過改變X來實現，X的變化範圍為I < X < 5。具體範圍和每個窄帶濾光片單元之間的間隔可視情況而定，本實施例取間隔為0.025，X為1.60
2.40，窄帶濾光片的對應帶通峰位為785 816nm。在本實施例中，本實施例為32種等間距窄帶濾光片，間隔層是條狀的，每一條與一種窄帶濾光片對應。本實施例中，圖像傳感器2為CXD晶片。在CXD晶片採用真空鍍膜或磁控反應濺射等方法鍍制下層膜系和2.40L間隔層。然後中止鍍膜，將已經鍍好下層膜系和間隔層的樣品取出，採用半導體工藝中常規的離子刻蝕方法分區域進行刻蝕，形成32個厚度不等的間隔層列陣。接著在此基礎上進行上層膜系的鍍制，雖然此時所鍍的片子上間隔層厚度各不相同，但鍍膜時各處沉積速率都一樣，因此在不同間隔層厚度的區域上所鍍的上層膜系都完全相同，於是在CCD晶片上就形成了只有間隔層厚度不同、其他膜系完全相同的集成窄帶濾光片列陣。這 樣，就將一個集成窄帶濾光片列陣有效地轉移到了 CCD晶片上。如圖5所示，條形拼接圖案表示集成窄帶濾光片列陣，方格拼接圖案表示CCD晶片，每個方格表示一個象元。按上述方法將集成窄帶濾光片列陣轉移到CCD晶片上後，CCD晶片的一列象元都對應了一種窄帶濾光片，為此這一列象元所探測到信號之和就是該窄帶濾光片透光量的大小。最終的光譜是由CCD晶片的各列器件信號大小組成的。根據目前CCD晶片的規模通常都大於256*256，一條窄帶濾光片後將有8列CXD晶片中的象元與其對應。這樣，CXD晶片的32個8*256塊CCD晶片中的象元對應了 32條窄帶濾光片，最終的初始光譜信息是由256X256規模CCD晶片中32個象元塊獲得的信號大小按序排列組成。光譜計算部件3以光譜重構方法重構光譜信息，通過顯示部件5以顯示重構後的光譜信息。本發明的保護內容不局限於以上實施例。在不背離發明構思的精神和範圍下，本領域技術人員能夠想到的變化和優點都被包括在本發明中，並且以所附的權利要求書為保護範圍。
權利要求
1.一種光譜重構方法，其特徵在於，包括: 濾光片初始化步驟，獲取濾光片上每一個濾光片通道的透射光譜曲線； 光譜獲取步驟，獲取光線透過所述濾光片後的初始光譜信息； 光譜重構步驟，利用所述透射光譜曲線以非負矩陣滿秩分解法重構所述初始光譜信息，獲得重構後的光譜信息。
2.如權利要求1所述的光譜重構方法，其特徵在於，所述光譜重構步驟包括: 重構參數設定步驟，設定最大循環數； 矩陣分解步驟，通過所述透射光譜曲線生成初始矩陣，採用非負矩陣滿秩分解法依據所述最大循環數分解所述初始矩陣，生成基矩陣與係數矩陣； 矩陣計算步驟，根據所述基矩陣、係數矩陣與初始矩陣計算獲得所述初始矩陣的偽逆矩陣； 重構結果計算步驟，根據所述偽逆矩陣與初始光譜信息計算重構結果，獲得重構後的光譜信息。
3.如權利要求2所述的光譜重構方法，其特徵在於，所述矩陣計算步驟中，偽逆矩陣的計算公式如下所述: inv (T) = Ct (BtTCt) ^1Bt ； 式中，C表示係數矩陣，B表示基矩陣，T表示所述初始矩陣。
4.如權利要求2所述的光譜重構方法，其特徵在於，所述重構結果計算步驟中，根據以下公式獲得重構後的光譜信息: X = inv (T) Y ； 式中，X表示重構後的光譜信息，inv (T)表示初始矩陣的偽逆矩陣，Y表示初始光譜信肩、O
5.如權利要求1所述光譜重構方法，其特徵在於，進一步包括:重複執行所述光譜重構方法獲得多個光譜信息及其相對於真實光譜的差異值和錯誤率，選取所述差異值與所述錯誤率最小的光譜信息作為重構後的光譜信息。
6.一種光譜儀裝置，其特徵在於，包括: 濾光片部件(I)，其對不同波長的光線具有不同的透射率； 圖像傳感器(2)，其設置在所述濾光片部件(I)的後方，用於探測透過所述濾光片部件(I)的光線的初始光譜信息； 光譜計算部件(3)，其接收所述圖像傳感器(2)的初始光譜信息並對重構，生成重構後的光譜信息。
7.如權利要求6所述的光譜儀裝置，其特徵在於，進一步包括:聚焦鏡部件(4)，其設置在所述濾光片部件(I)的前方，將光線聚焦之所述圖像傳感器(2)上。
8.如權利要求6所述的光譜儀裝置，其特徵在於，所述濾光片部件為集成窄帶濾光片。
9.如權利要求6所述的光譜儀裝置，其特徵在於，所述圖像傳感器(2)為CCD晶片。
10.如權利要求6所述的光譜儀裝置，其特徵在於，進一步包括顯示部件(6)，其與所述光譜計算部件(3)連接，以顯示所述重構後的光譜信息。
全文摘要
本發明公開了一種光譜重構方法，包括濾光片初始化步驟，獲取濾光片上每一個濾光片通道的透射光譜曲線；光譜獲取步驟，獲取光線透過濾光片後的初始光譜信息；光譜重構步驟，利用透射光譜曲線以非負矩陣滿秩分解法重構初始光譜信息，獲得重構後的光譜信息。本發明通過重構圖像傳感器採集的光譜信息，從而實現探測光線的光譜信息。本發明還公開了一種光譜儀裝置。
文檔編號G01J3/28GK103207015SQ201310132029
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月16日 優先權日2013年4月16日
發明者黃錚宇, 王少偉, 陳飛良, 陸衛, 熊大元, 張桂戌, 周愛民 申請人:華東師範大學, 中國科學院上海技術物理研究所