用于光谱共焦测量的多通道合成的宽光谱光源及融合方法与流程

技术特征：
1.一种用于光谱共焦测量的多通道合成的宽光谱光源，其特征包括：直流开关电源、恒流驱动电路、led阵列、n个光纤耦合法兰和光纤分路器；所述led阵列由n个不同主波长的单色led和散热器(2)构成，第i个单色led(1)通过散热硅胶与第i个散热器(2)固定；第i个光纤耦合法兰(3)通过螺丝与第i个散热器(2)固定，由所述第i个单色led(1)、第i个散热器(2)和第i个光纤耦合法兰(3)构成第i个光通道；i＝1,2,
…
,n；所述恒流驱动电路设置有n个电流输出通道，并分别与所述led阵列中的n个单色led连接，从而使得第i个电流输出通道为第i个单色led(1)提供可调节的恒定驱动电流；所述第i个光纤耦合法兰(3)的内部设置有第i个椭球镜(6)，且所述第i个椭球镜(6)的长轴与第i个光纤耦合法兰(3)中轴线重合，第i个椭球镜(6)的上焦点(7)和下焦点(8)为一对共轭点，且均落在第i个光纤耦合法兰(3)的中轴线上；第i个单色led(1)与第i个椭球镜(6)的下焦点(8)重合；所述光纤分路器的第i个支路光纤(9)通过第i个光纤耦合接口(4)与第i个光纤耦合法兰(3)连接，第i个支路光纤(9)的纤芯(5)的入射端口与第i个椭球镜(6)的上焦点(7)重合；第i个光通道中的第i个单色led(1)的出射光经过第i个椭球镜的反射后汇聚于所述上焦点(7)并耦合进入所述第i个支路光纤(8)的纤芯(5)的内部，并在n个支路纤芯(5)的熔接处与其他光通道中的出射光进行融合，最终从总路光纤(10)输出融合后的宽光谱光源。2.一种基于权利要求1所述的用于光谱共焦测量的多通道合成的宽光谱光源的融合方法，其特征按照如下步骤进行：步骤1、建立n个主波长单色led的光谱分布特性数学模型并建立最大光强比例系数表：步骤1.1、利用光谱仪测定n个主波长单色led的光谱分布数据并进行归一化处理；步骤1.2、根据归一化后的光谱数据，计算n个主波长单色led的峰值波长和光谱带宽；步骤1.3、以光谱带宽最大的单色led光强为参考值，建立n个主波长的单色led的最大光强比例系数表；步骤1.4、根据g种拟合模型来拟合n个主波长的光谱分布特性{s
g,i
(λ)|λ∈[λ
min
,λ
max
]}，λ表示波长，[λ
min
,λ
max
]表示光源输出的光谱范围，s
g,i
(λ)表示第g种拟合模型拟合的第i个主波长的单色led光谱分布特性；g＝1,2,
…
,g；i＝1,2,
…
,n；步骤1.5、以决定系数作为第g种拟合模型对第i个主波长的单色led光谱特性拟合效果的评价指标；步骤1.6、根据第i个主波长的评价指标选取最大评价指标所对应的拟合模型作为第i个主波长的单色led对应的最优拟合模型；步骤2、设定目标光源的光谱分布特性：步骤2.1、获取色散物镜的波长透过率特性：若色散物镜内部结构已知，则根据色散物镜所使用的玻璃材料和各光学表面的镀膜情况，构建色散物镜对光源输出光谱范围内的光谱透过率特性t
lens
(λ)；若色散物镜内部结构未知，则以已知光谱分布特性的光源作为照明光源，将已知反射率的反射镜作为测量对象，并在测量范围内，采样测量x个波峰光谱，并记录波峰的中心波长及光强，再利用多项式拟合得到光源分布特性，再去除反射镜的光谱反射率影响，从而得
到照明光源在通过色散物镜后的光谱曲线，并与未通过色散物镜的光谱曲线进行比较，从而得到色散物镜对光谱的透过率特性t
lens
(λ)；步骤2.2、获得待测表面的光谱反射特性；若待测表面的光谱反射特性已知，则使用函数表达式来表征待测表面的光谱反射特性r
surf
(λ)；若待测表面的光谱反射特性未知，则以已知光谱分布特性的光源作为照明光源，测量经过待测表面反射后的光谱分布特性，并与未经过待测表面反射后的光谱分布特性进行比较，从而得到待测表面的光谱反射特性r
surf
(λ)；步骤2.3、利用式(1)计算融合后的宽光谱光源的光谱分布特性s
t
(λ)：式(3)中，s
′
t
(λ)是光源输出光谱范围内测量所需的光源光谱能量分布特性；步骤3、利用式(2)～式(6)建立目标光源光谱分布特性求解方程并，并求解各通道的驱动电流相关参数：s
τ
＝s
×
a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)s
t
＝[s
t
(λ1)s
t
(λ2)
…
s
t
(λ
k
)
…
s
t
(λ
k
)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)s＝[s1(λ)s2(λ)
…
s
i
(λ)
…
s
n
(λ)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)s
i
(λ)＝[s
i
(λ1)s
i
(λ2)
…
s
i
(λ
k
)
…
s
i
(λ
k
)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)a＝[a1a2…
a
i
…
a
n
]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)式(4)～式(7)中，s
t
表示融合后的宽光谱光源的光谱分布特性，s
t
(λ
k
)表示融合后的宽光谱光源在第k种波长λ
k
的光强，s表示所有单色led灯输出的光谱分布特性合集，s
i
(λ)表示第i种主波长的单色led光谱分布特性，s
i
(λ
k
)表示第i种主波长的单色led在第k种波长λ
k
的光强，a是与电流输出通道所输出的恒定驱动电流相关的参数合集，a
i
表示与第i种主波长的单色led的恒定驱动电流相关的参数；以min(s
τ
‑
s
×
a)为优化目标，并利用遗传算法进行求解，得到一组最优恒定驱动电流相关参数a
*
；步骤4、根据最优恒定驱动电流相关参数a
*
和所述单色led的最大光强比例系数表，求解n个主波长单色led对应的驱动电流{i1,i2,
…
,i
n
}，再根据n个主波长单色led所能承受的最大驱动电流，计算n个主波长单色led的数量之和并作为所述合成的宽光谱光源的通道数；步骤5、根据所述驱动电流{i1,i2,
…
,i
n
}驱动n个光通道的单色led产生稳定照明，并从所述光纤分路器(3)的总路光纤(9)输出融合的宽光谱光源，以传入色散物镜完成相关测量工作。3.根据权利要求2所述的融合方法，其特征是，若待测样品为透明薄膜时，则在步骤2.2之后，按如下过程调整光谱特性后再执行步骤3；步骤a、按照步骤2.2的过程测量待测薄膜的表面光谱反射特性r
film
(λ)；步骤b、以已知光谱分布特性的光源为照明光源，采用透射法测量光源穿过薄膜后的光谱分布特性，并与未穿过薄膜的光谱分布特性进行比较，从而得到薄膜的光谱透过率特性t
film
(λ)；步骤c、利用式(1)计算调整后的光源光谱分布特性s
film
(λ)。
4.根据权利要求3所述的融合方法，其特征是，若待测样品为透明薄膜时，则在步骤5的初次测量工作结束后，按如下过程进行二次光源光谱特性的调整：步骤6.1、初步测量待测测样品各表面对应的峰值波长，令λ
′
p1
代表薄膜上表面对应的波峰的峰值波长，令λ
′
p2
代表薄膜下表面的对应的波峰的峰值波长；步骤6.2、调整分别以峰值波长λ
′
p1
和λ
′
p2
为中心，δλ带宽范围内的波长对应的光强和从而得到新的宽光谱光源的光谱分布特性s
tfilm2
(λ)；步骤6.3、重复所述步骤3、步骤4、步骤5，完成薄膜样品的测量。

技术总结
本发明公开了一种用于光谱共焦测量的多通道合成的宽光谱光源及融合方法，该宽光谱光源包括：直流开关电源、恒流驱动电路、LED阵列、光纤耦合法兰、光纤分路器；单色LED、散热器和光纤耦合法兰共同构成多通道LED光源模块的一个通道，各通道互相独立，单独供电控制；光纤耦合法兰将单色LED的出射光耦合到分路光纤，利用光谱叠加原理，将多个通道不同波长的单色LED出射光进行融合，得到可调节的宽光谱光源。本发明能够消除传统光源对测量信号峰值的调制作用，还可以消除色散物镜对不同波长透过率不一致的影响，提升测量信号的信噪比，以提高测量的准确性，此外还可以根据不同的测量需求调节输出的光谱特性，获得良好的测量信号。获得良好的测量信号。获得良好的测量信号。


技术研发人员：卢荣胜 张紫龙
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2021.07.16
技术公布日：2021/10/23