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原文传递一种基于LED光源的高光谱分辨率的拉曼测量系统及方法

专利名称：	一种基于LED光源的高光谱分辨率的拉曼测量系统及方法
摘要：	本发明涉及光学领域，公开了一种基于LED光源的高光谱分辨率的拉曼测量系统及方法，包括基于LED光源的拉曼信号采集模块和数据后处理模块。其中，基于LED光源的拉曼信号采集模块，通过LED激发拉曼信号，并利用特定的滤光片和光电探测器相结合，获得拉曼窄带测量信号；数据后处理模块通过光谱重建算法，从待测样本的拉曼窄带测量信号重建高光谱分辨率的拉曼测量，可有效解决由于LED的宽带较宽所导致的光谱分辨率较低的问题。该技术是以LED作为光源，由于LED具有价格便宜、寿命长、功耗低、体积小等特点，可用于构建低成本、便携式的拉曼测量系统，且所获得的拉曼测量具有较高的光谱分辨率。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	辽宁;21
申请人：	东北大学
发明人：	陈硕;刘米星;朱姗姗
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-31T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-25T00:00:00+0800
申请号：	CN201910700333.8
公开号：	CN110376180A
代理机构：	大连理工大学专利中心
代理人：	陈玲玉;梅洪玉
分类号：	G01N21/65(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	110819 辽宁省沈阳市和平区文化路三巷11号
主权项：	1.一种基于LED光源的高光谱分辨率拉曼测量系统，其特征在于，该系统包括基于LED光源的拉曼信号采集模块和数据后处理模块；其中，基于LED光源的拉曼信号采集模块用于采集拉曼窄带测量信号，数据后处理模块用于从拉曼窄带测量信号重建高光谱分辨率拉曼光谱；基于LED光源的拉曼信号采集模块包括基于LED光源的拉曼信号激发光路及拉曼窄带测量信号的采集光路；所述的基于LED光源的拉曼信号激发光路包括位于同一光轴上的LED光源(1)、准直镜(2)、二向色镜(5)；所述的拉曼窄带测量的采集光路包括依次布置的物镜(4)、二向色镜(5)、长波通滤光片(6)、滤光转轮(8)及光电探测器(9)，拉曼窄带测量信号的采集光路的光轴与基于LED光源的拉曼信号激发光路光轴垂直；所述的数据后处理模块，用于接收光电探测器(9)采集的拉曼窄带测量信号，利用光谱重建方法恢复高光谱分辨率的拉曼光谱。 2.根据权利要求1所述的基于LED光源的高光谱分辨率拉曼测量系统，其特征在于，所述数据后处理模块中利用的光谱重建方法，具体步骤如下：步骤一、建立训练数据集；训练数据集包括训练样本的基于窄带激光所采集的高光谱分辨率拉曼光谱和基于LED光源所采集的拉曼窄带测量信号；步骤二、利用维纳估计方法获得重建的拉曼光谱；首先，利用公式(1)建立训练数据集中基于窄带激光所采集的高光谱分辨率拉曼光谱r和基于LED光源所采集的拉曼窄带测量信号m之间关系的数学模型，即维纳矩阵W； W＝E(rmT)[E(mmT)]-1 (1) 其中，上标“T”表示矩阵转置，上标“-1”表示矩阵的逆，E()表示总体均值；随后，重建的拉曼光谱R利用公式(2)以及待测样本的基于LED光源所采集的拉曼窄带测量信号n获得； R＝Wn (2) 步骤三、利用公式(3)计算训练数据集中每组训练样本所对应的权重值wi；其中di是重建的拉曼光谱R和训练数据集中第i组训练样本的基于窄带激光所采集的高光谱分辨率拉曼光谱ri之间的差异，n是训练数据集中样本的个数；步骤四、基于权重值wi，利用权重维纳估计方法获得重建的高光谱分辨率拉曼光谱；首先，利用权重值wi和公式(4)，对训练数据集中第i组训练样本的高光谱分辨率拉曼光谱ri和拉曼窄带测量信号mi赋予权重wi，并建立其间关系的数学模型，即权重维纳矩阵随后，重建的高光谱分辨率拉曼光谱利用公式(5)以及待测样本的基于LED光源所采集的拉曼窄带测量信号n获得 3.根据权利要求1或2所述的基于LED光源的高光谱分辨率拉曼测量系统，其特征在于，所述的光电探测器(9)为单通道光电探测器或面阵光电探测器；当采用单通道光电探测器，则获得单点的高光谱分辨率拉曼光谱；若采用面阵光电探测器，则获得测量区域的高光谱分辨率拉曼成像。 4.权利要求1或2或3所述基于LED光源的高光谱分辨率拉曼测量系统的方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤一、LED光源(1)经准直镜(2)变成平行光束后，由二向色镜(5)将光源反射到物镜(4)上，光束经物镜(4)聚焦后照射在样品(3)上；步骤二、源自样品(3)的拉曼散射光通过二向色镜(5)后由长波通滤光(6)滤除激发光源的光，通过滤光片转轮(8)上特定的滤光片滤光后，由光电探测器(9)接收并获得拉曼窄带测量信号；步骤三、基于光电探测器(9)所采集的拉曼窄带测量信号，通过计算机(10)利用光谱重建方法恢复出高光谱分辨率的拉曼光谱。 5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述步骤二中，特定的滤光片利用遗传算法优化得到；该遗传算法的初始种群依次基于下述两个条件进行选择；具体条件如下：条件一、滤光片组的所有光谱透过率应覆盖所有拉曼峰所在的波长范围；条件二、强度变化较大的波长区域比强度变化较小的波长区域更为重要，所以对于强度变化较大的波长区域具有光谱透过率值更高的滤光片，在初始种群中的权重更高。
所属类别：	发明专利