一种提高计算重构光谱仪光谱重构能力的宽谱编码滤光片的设计方法

本发明涉及光谱分析领域，具体涉及一种提高计算重构光谱仪光谱重构能力的宽谱编码滤光片的设计方法，设计的滤光片结合光谱仪有望应用在环境监测、化学分析、工农业生产、安全检查和防伪等众多领域。

背景技术：

1、光谱仪的发展经历了从简单的分光装置到复杂的分析仪器的演变，现代光谱仪不仅仅是分光和测量设备，更是高精度、多功能的分析平台，它们在科学研究、工业检测、生物医学等领域发挥着越来越重要的作用。与此同时，除了硬件方面的发展，相关计算机算法的进步也推动了一种新型光谱仪—计算重构光谱仪的发展。这类光谱仪的独特之处在于，它们结合了计算光学和机器学习算法，根据已经标定的探测元件(如集成了宽谱编码器的探测器)能够从少量的测量数据中重建出完整的光谱信息，这些技术大大拓宽了光谱仪的应用范围，提高了光谱数据的获取效率和处理速度。在本发明中，宽谱编码器选择薄膜滤光片。光学薄膜是目前应用最为广泛的滤光片材料，当光线入射到光学薄膜材料上时，不同膜层之间的反射光与入射光发生干涉，从而对不同波长的光产生不同的透过率和反射率。因此，它的光谱响应可由每层薄膜的厚度和折射率进行调控。理论上，光学薄膜可以产生任意形状的连续光谱响应。计算重构光谱仪中滤光片的个数就表示对待测光需要编码的次数，在确定编码次数的条件下，通过设计与编码次数相同数量的滤光片来实现编码，这些滤光片的膜系结构各不相同。或者只用一种膜系的滤光片，仅改变入射光的偏振态和入射角度来实现编码，一种偏振光以一个角度通过滤光片即代表一次编码。

2、利用常规薄膜设计软件设计出的规整膜系滤光片，其透射光谱可能存在相关系数高，波峰、波谷数量不够多，光谱复杂程度不够高等问题，无法满足计算重构光谱仪中反演网络里编码层的编码精度，这大大制约了光谱仪的光谱重构能力。若设计的透射光谱数据相关度越小，代表对入射光编码的冗余越小，探测器可以获得更多光信息，有利于提高计算重构光谱仪的重构精度。

3、公开号为2022115413251的中国专利文献公开了一种基于多角度偏振光宽带滤光片的光谱重构方法及光谱仪，未涉及其中关键编码元件——编码滤光片的设计方法。由于角度转动重构光谱仪只采用单个滤光片进行编码操作，因此其编码能力对重构效果有着重要影响。而随机生成厚度的宽谱编码滤光片不同角度下的编码光谱往往具有相关度较高和内部差异性较低的特性，从而无法得到较好的编码解码效果。为了降低角度重构光谱仪编码滤光片膜系设计的难度，提高基于光学薄膜的宽带滤光片的编码精度，本专利提出一种基于粒子群算法的宽谱编码滤光片设计方法，最后将常规随机设计的膜系结构对应的若干条光谱透射率之间的相关度与算法自动优化出的若干条光谱透射率之间的相关度进行了比较，验证本发明的可行性。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种提高计算重构光谱仪光谱重构能力的宽谱编码滤光片的设计方法，采用薄膜传输矩阵生成编码光谱、利用粒子群算法优化宽谱编码滤光片结构参数从而获得光谱间相关度较小、光谱内部差异性较大的光谱数据，最终设计出宽谱编码滤光片的膜系结构。本发明的技术解决方案如下：

2、一种提高计算重构光谱仪光谱重构能力的宽谱编码滤光片的设计方法，采用一个编码滤光片，根据不同入射光偏振态和不同入射角度来输出若干组透射光谱用于编码待测光谱，其特点在于，所述设计方法包括以下步骤：

3、步骤一、确定待设计宽谱编码滤光片的初始膜系结构，包括基底材料、高折射率材料、低折射率材料、薄膜层数、每层薄膜的材料和每层薄膜厚度的优化设计范围，以及p和s偏振态下偏振光入射角；

4、步骤二、计算初始膜系结构在p和s偏振态下不同入射角的光谱的数据值，即第i条光谱的第k个数据值，其中，i＝1，2，3……n，k＝1，2，3……n，n为不同偏振光不同入射角下的光谱总数，n为每条光谱包括的数据值总数；

5、步骤三、构建光谱的评价函数e，公式如下：

6、

7、式中，a、b为权重系数，为第i条和第j条光谱之间的相关系数rij的绝对值的平均值，xik表示第i条光谱的第k个数据值，表示第i条光谱n个数据值的平均值，xjk表示第j条光谱的第k个数据值，表示第j条光谱n个数据值的平均值，为组合数公式，i＝1，2，3……n，j＝1，2，3……n，且i≠j；为n条光谱内部差异性vi的平均值的倒数，其中，表示第i条光谱各个数据值之间的差异性；

8、步骤四、设置种群的数目、加速度常数、权重取值范围、最低误差梯度容限、粒子初始位置、迭代次数，采用粒子群算法得到优化后的光谱透射率数据和每层薄膜厚度。

9、优选的，所述步骤一中，基底材料包括硅、锗、硫化物、硒化物、氟化物或氧化物；高折射率材料包括硫化锌、硒化锌、二氧化锆、二氧化铪、二氧化钛、硅或锗等单一材料或复合材料；低折射率材料包括二氧化硅、三氧化二铝或金属氟化物；膜系结构包括sub/(hl)n/air、sub/(lh)n/air、sub/(hlhl)n/air、sub/(h(lh)ml)n/air等，其中m和n均为整数，sub为基底，h为高折射率膜层，l为低折射率膜层，air为空气。

10、优选的，所述步骤一中，薄膜层数变化范围为2-60层，每层膜厚变化范围为5-3000纳米，偏振光入射角范围为0°-85°。

11、优选的，所述步骤二中，采用薄膜传输矩阵法。

12、优选的，所述步骤二中，光谱为透射率光谱或反射率光谱。

13、优选的，所述步骤三中，a、b取值范围为0-1000。

14、优选的，所述步骤四中，种群的数量取值范围为20-50，加速度常数取值范围为2-4，权重取值范围为0.4-0.9，最低误差梯度容限取值范围为1×10-100-1×10-3，粒子初始位置可赋予确定初始值或随机值，算法更新迭代次数为500-5000。

15、本发明除了设计单一膜系的滤光片，通过改变入射光的偏振态和入射角度来实现编码之外，还适用于设计多个不同膜系结构的滤光片，具体说明如下：

16、确定若干个待设计宽谱编码滤光片的初始膜系结构，包括基底材料、高折射率材料、低折射率材料、薄膜层数和每层薄膜厚度的变化范围。这若干个滤光片可以采用相同的基底材料、高折射率材料、低折射率材料，仅改变膜层层数和每层薄膜厚度实现膜系结构的差异性，或者保持膜层层数和每层薄膜厚度相同，采用不同的基底材料、高折射率材料、低折射率材料来实现膜系结构的差异性，再或者采用基底材料、高折射率材料、低折射率材料、膜层层数、每层薄膜厚度都不相同的方式。算法优化方式与上述步骤三与步骤四相同。

17、与现有技术相比，本发明具有以下优势：

18、(1)本发明能够自动优化设计出相关度小、复杂度高的若干条透射光谱，同时给出编码滤光片的膜系结构，降低膜系设计的难度。

19、(2)本发明设计出的薄膜滤光片作为光谱仪的编码器，能够提高计算重构光谱仪的重构精度。

技术特征：

1.一种提高计算重构光谱仪光谱重构能力的宽谱编码滤光片的设计方法，采用一个编码滤光片，根据不同入射光偏振态和不同入射角度来输出若干组透射光谱用于编码待测光谱，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的提高计算重构光谱仪光谱重构能力的宽谱编码滤光片的设计方法，其特征在于，所述步骤一中，基底材料包括硅、锗、硫化物、硒化物、氟化物或氧化物；高折射率材料包括硫化锌、硒化锌、二氧化锆、二氧化铪、二氧化钛、硅或锗等单一材料或复合材料；低折射率材料包括二氧化硅、三氧化二铝或金属氟化物；膜系结构包括sub/(hl)n/air、sub/(lh)n/air、sub/(hlhl)n/air、sub/(h(lh)ml)n/air等，其中m和n均为整数，sub为基底，h为高折射率膜层，l为低折射率膜层，air为空气。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤一中，薄膜层数变化范围为2-60层，每层膜厚变化范围为5-3000纳米，偏振光入射角范围为0°-85°。

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤二中，采用薄膜传输矩阵法。

5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤二中，光谱为透射率光谱或反射率光谱。

6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤三中，a、b取值范围为0-1000。

7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤四中，种群的数量取值范围为20-50，加速度常数取值范围为2-4，权重取值范围为0.4-0.9，最低误差梯度容限取值范围为1×10-100-1×10-3，粒子初始位置可赋予确定初始值或随机值，算法更新迭代次数为500-5000。

技术总结本发明公开了一种提高计算重构光谱仪光谱重构能力的宽谱编码滤光片的设计方法，采用薄膜传输矩阵生成编码光谱、利用粒子群算法优化宽谱编码滤光片结构参数从而获得光谱间相关度较小、光谱内部差异性较大的光谱数据，最终设计出宽谱编码滤光片的膜系结构。本发明能够自动优化设计出相关度小、复杂度高的宽谱编码滤光片，从而降低膜系设计的难度，增强编码滤光片的编码能力，提高计算重构光谱仪的重构精度。技术研发人员：朱美萍,高程,杨陈楹,李静平,温俊仁受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/11