芯片式傅里叶变换光谱仪及光谱重建方法与流程

本发明涉及光谱采集领域，特别是涉及一种芯片式傅里叶变换光谱仪及光谱重建方法。

背景技术：

1、光谱仪作为关键光学分析设备，在生物检测、矿物质分析等前沿领域发挥着不可替代的作用。与传统的色散型光谱仪相比，傅里叶变换光谱仪(fourier transformspectrometer,fts)凭借其独特的光学架构，能够同时实现高光谱分辨率与高通量信号采集，这一特性使其在拉曼光谱、荧光光谱等弱信号检测应用中展现出显著优势。近年来发展起来的芯片式fts技术，通过将传统fts系统集成到微型芯片上，不仅实现了器件的高度集成化和cmos工艺兼容性，还具备了大规模量产的潜力，为fts系统的低成本化和微型化迭代提供了新的技术路径。

2、然而，当前芯片式fts技术仍面临工作带宽受限和光谱重建误差较大的挑战，这些限制因素在一定程度上制约了其在大带宽、高精度检测场景中的应用性能。一般情况下，芯片式fts的工作带宽主要受限于其自由光谱范围(free spectral range,fsr)，超出fsr的光谱信号会生成关于littrow波长对称的镜像峰，这些“伪信号”不仅会引入额外的噪声基底，更会造成光谱特征的重叠干扰，降低光谱重建的准确性。理论上，增加fts的干涉通道数可以扩展fsr，从而提升工作带宽，但这种方案必然导致芯片尺寸的几何级数增长，与微型化、集成化的设计初衷相悖。

3、因此，如何设计一种不受自由光谱范围限制且重建误差较小的芯片式傅里叶变换光谱仪及光谱重建方法，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

4、应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种芯片式傅里叶变换光谱仪及光谱重建方法，用于解决现有技术中的芯片式傅里叶变换光谱仪在自由光谱范围以外重建失真的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种芯片式傅里叶变换光谱仪，所述芯片式傅里叶变换光谱仪至少包括：光学基片、光输入模块、干涉模块、色散模块、探测模块及信息处理模块；所述光输入模块和所述干涉模块形成在所述光学基片上；所述光输入模块接收输入光信号，并将所述输入光信号分为n个单元光；所述干涉模块包括n个干涉结构，n个干涉结构一一对应接收n个单元光，并且各干涉结构接收对应的单元光后输出对应的干涉光信号；其中，n个干涉结构的光程差各不相同，n为大于等于2的自然数，并且fsr表示所述芯片式傅里叶变换光谱仪的目标带宽，δ表示所述芯片式傅里叶变换光谱仪的目标分辨率；所述色散模块包括n个色散结构，n个色散结构一一对应接收n个干涉光，每个色散结构均将对应干涉光的波长进行分离；所述探测模块接收所述色散模块输出的光信号并转化为信号强度信息；所述探测模块包括n*m个探测器，每m个探测器对应接收一个色散结构输出的光信号，其中，m为大于等于2的自然数；所述信息处理模块用于接收所述探测模块输出的信号强度信息，并形成信号强度分布的矩阵。

3、可选地，所述色散结构设置在所述光学基片外。

4、更可选地，所述色散结构为凹透镜、色散棱镜、透射光栅中的任意一种。

5、更可选地，所述芯片式傅里叶变换光谱仪还包括滤波模块；所述滤波模块包括n个滤波结构，各滤波结构一一对应设置在各色散结构的光路后，各滤波结构将对应的色散结构输出的光信号进行滤波，并传输至对应的色散结构的m个探测器。

6、可选地，所述色散模块也形成在所述光学基片上。

7、更可选地，所述色散结构为阵列波导光栅、波导布拉格光栅、级联微环谐振器中的任意一种。

8、可选地，所述干涉结构为马赫曾德尔干涉仪、迈克尔逊干涉仪、法布里-珀罗干涉仪中的任意一种；第i个干涉结构的等效干涉长度差其中，i＝1,2,...,n，fsr为所述芯片式傅里叶变换光谱仪的自由光谱范围，λ表示所述芯片式傅里叶变换光谱仪的自由光谱范围的中心波长，ng表示波导臂的基模在波长λ处的群折射率。

9、为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种光谱重建方法，所述光谱重建方法至少以下包括步骤：s1：将待测光信号的光谱范围等分成m个波段，并在第j个波段选取u个单色波长；其中，j＝1,2,...,m，u为大于等于2的自然数；s2：将第j个波段内的u个单色输入光信号分别输入所述芯片式傅里叶变换光谱仪，每个单色输入光信号均得到n个输出信号强度；基于u个单色输入光信号输入到所述芯片式傅里叶变换光谱仪得到的n*u个单色输出信号强度得到特征矩阵aj，其中j＝1,2,...,m；s3：将待测光信号输入到所述芯片式傅里叶变换光谱仪并得到n*m个输出信号强度，将n*m个输出信号强度分为m个波段，并分别得到m个输出矩阵yj，j＝1,2,...,m；s4：基于所述输出矩阵yj和所述特征矩阵aj得到待测输入光信号的输入矩阵xj，将所述输入矩阵xj按照波长进行拼接得到待测光信号的重建光谱x。

10、可选地，在步骤s4中，将所述输出矩阵yj和所述特征矩阵aj代入y＝ax得到待测光信号的输入矩阵xj；其中所述输出矩阵yj是关于不同干涉结构的n*1的矩阵，所述特征矩阵aj是关于干涉结构和波长n*u的矩阵，所述输入矩阵xj是反映第j个波段的光谱信息的u*1的矩阵。

11、可选地，在步骤s4中，将所述输出矩阵yj和所述特征矩阵aj代入y＝xa得到待测光信号的输入矩阵xj；其中所述输出矩阵yj是关于不同干涉结构的1*n的矩阵，所述特征矩阵aj是关于干涉结构和波长u*n的矩阵，所述输入矩阵xj是反映第j个波段的光谱信息的1*u的矩阵。

12、如上所述，本发明的芯片式傅里叶变换光谱仪及光谱重建方法，具有以下有益效果：

13、1、本发明首先通过设置色散模块对各干涉光信号的波长进行分离，其次通过m个探测器接收一个色散后的干涉光信号，因此m个探测器可以对应一个干涉光信号的m个波段，使得n*m个探测器得到的信号强度信息可以分为m个波段，最终本发明可以对输入光信号进行分波段的光谱重建。

14、2、本发明提出一种分波段光谱重建算法，从而避开了自由光谱范围对光谱仪工作带宽的限制。本发明首先采集了各波段的单色光采样点，由于单色输出信号强度等同于单色波长的特征系数的特点，本发明可以得到各波段的特征矩阵；其次，本发明基于待测光信号得到输出矩阵；最后，本发明通过特征矩阵、输入矩阵和输出矩阵之间的关系可以得到各波段的输入矩阵，通过拼接各波段的输入矩阵即可得到被测信号的全波段光谱信息。

1.一种芯片式傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述芯片式傅里叶变换光谱仪至少包括：光学基片、光输入模块、干涉模块、色散模块、探测模块及信息处理模块；

2.根据权利要求1所述的芯片式傅里叶变换光谱仪，其特征在于：所述色散结构设置在所述光学基片外。

3.根据权利要求2所述的芯片式傅里叶变换光谱仪，其特征在于：所述色散结构为凹透镜、色散棱镜、透射光栅中的任意一种。

4.根据权利要求2所述的芯片式傅里叶变换光谱仪，其特征在于：所述芯片式傅里叶变换光谱仪还包括滤波模块；所述滤波模块包括n个滤波结构，各滤波结构一一对应设置在各色散结构的光路后，各滤波结构将对应的色散结构输出的光信号进行滤波，并传输至对应的色散结构的m个探测器。

5.根据权利要求1所述的芯片式傅里叶变换光谱仪，其特征在于：所述色散模块也形成在所述光学基片上。

6.根据权利要求5所述的芯片式傅里叶变换光谱仪，其特征在于：所述色散结构为阵列波导光栅、波导布拉格光栅、级联微环谐振器中的任意一种。

7.据权利要求1所述的芯片式傅里叶变换光谱仪，其特征在于：所述干涉结构为马赫曾德尔干涉仪、迈克尔逊干涉仪、法布里-珀罗干涉仪中的任意一种；所述第i个干涉结构的等效干涉长度差其中，i＝1,2,...,n，fsr为所述芯片式傅里叶变换光谱仪的自由光谱范围，λ表示所述芯片式傅里叶变换光谱仪的自由光谱范围的中心波长，ng表示波导臂的基模在波长λ处的群折射率。

8.一种光谱重建方法，其特征在于，所述光谱重建方法至少以下包括步骤：

9.根据权利要求8所述的光谱重建方法，其特征在于：在步骤s4中，将所述输出矩阵yj和所述特征矩阵aj代入y＝ax得到待测光信号的输入矩阵xj；其中所述输出矩阵yj是关于不同干涉结构的n*1的矩阵，所述特征矩阵aj是关于干涉结构和波长n*u的矩阵，所述输入矩阵xj是反映第j个波段的光谱信息的u*1的矩阵。

10.根据权利要求8所述的光谱重建方法，其特征在于：在步骤s4中，将所述输出矩阵yj和所述特征矩阵aj代入y＝xa得到待测光信号的输入矩阵xj；其中所述输出矩阵yj是关于不同干涉结构的1*n的矩阵，所述特征矩阵aj是关于干涉结构和波长u*n的矩阵，所述输入矩阵xj是反映第j个波段的光谱信息的1*u的矩阵。