基于Tikhonov正则化的阵列结构微型光谱仪研究

光谱仪在军事、工业、农业、环保、医药、生物等众多领域都有着广泛的应用。高精度、微型化、智能化是下一代光谱仪发展的主要方向。本项目研究由申请人首次提出的阵列结构微型光谱仪。本项目主要研究内容为：探索阵列结构微型光谱仪制作方案，研制阵列结构微型光谱仪器件；构建阵列结构微型光谱仪的入射光整形系统、CCD数据采集分析系统，开展阵列结构微型光谱仪实验测试；尝试不同结构设计，寻求成本最低、性能最优的结构设计方案；研究阵列结构微型光谱仪相关理论，对光谱复原方法进行优化，为阵列结构微型光谱仪的产业化提供理论依据和技术基础。与传统的光谱仪相比，阵列结构微型光谱仪具有体积小、分辨率高、探测频谱范围宽、抗震动干扰能力强等优点，具有重要的应用价值和市场前景。此外，阵列结构微型光谱仪可以由普通的聚合物材料制作，其制作成本不高，因此阵列结构微型光谱仪的实现将会带来良好的经济效益。

光谱仪是一种通过获取研究物质的光谱信号分析物质的组成和含量的重要分析仪器，在材料、化学、生物、地理、农业、环保、医药等众多领域都有着广泛的应用。但是，目前商用的傅里叶变换光谱仪和光栅光谱仪普遍存在体积较大、光谱分辨率较低、对振动敏感等缺点。为了克服这些缺点，顺应高精度、微型化、智能化的发展趋势，本项目研究了基于Tikhonov正则化方法的微型光谱仪。其原理主要是通过分析透过色散分光器件照射到探测阵列芯片各像素元上的光强，通过正则化方法求解大型病态方程组从而得到入射光的光谱信息。本项目的完成情况及取得研究成果包括：(1) 通过构建微型光谱仪光谱测量装置，对衍射孔阵列结构微型光谱仪和散射粒子结构微型光谱仪等不同类型的光谱仪开展光谱复原实验研究，实验结果显示：所测复原光谱曲线与商用光谱仪所测光谱曲线基本吻合；光谱复原的波长范围由CCD和单色仪的工作范围决定，至少可在从400nm至900nm的波长范围内实现光谱复原；光谱波长分辨率可达0.5nm；(2) 在300nm至1000nm波长范围内对台阶阵列、凹槽阵列、衍射小孔、纳米气泡等多种不同结构的微型光谱仪进行光谱复原FDTD仿真实验研究，从而设计出性能更加优良的光谱仪器件，仿真结果表明光谱测量的波长分辨率最高可以达到皮米量级；(3) 优化了微型光谱仪的光谱复原方法，即改进大型病态方程组的求解方法，通过在普通Tikhonov正则化法中加入平滑因子项，基本消除了采用普通数学优化方法产生的光谱失真；(4) 通过对电光效应、磁光效应、声光效应等物理现象的运用，以及对干涉、衍射、散射等原理深入的研究，设计了多种不同结构、不同功能的光谱仪，并通过深入研究总结这些光谱仪的材料制作方法、结构设计方案以及光谱测量方法，申请专利二十余项，为微型光谱仪实用化、市场化提供了有力支持。总之，通过本项目的研究，成功研制了集体积小、分辨率高、静态实时测量等优点于一身的新一代光谱仪。其核心部件体积可不足一立方厘米，因此它将在航空遥感、微流控等领域有着广阔的应用前景。