一種可實現光譜超解析度還原的光柵光譜儀的製作方法

2023-05-19 05:00:31 3

一種可實現光譜超解析度還原的光柵光譜儀的製作方法
【專利摘要】一種可實現光譜超解析度還原的光柵光譜儀涉及光譜測量領域，該結構包括入射狹縫、光闌、準直反射鏡、衍射光柵、會聚反射鏡、線陣探測器、壓電陶瓷驅動平臺、壓電陶瓷控制器和數據處理系統；待測光從入射狹縫進入，經過光闌由準直反射鏡反射到達衍射光柵，經過衍射光柵分光後，通過聚反射鏡聚焦將光譜圖像成像到線陣探測器像元陣列上；線陣探測器固定在壓電陶瓷驅動平臺上；壓電陶瓷控制器控制壓電陶瓷驅動平臺在色散方向上產生微小位移進行一次測量，完成N+1次位移，將前N次數據通過數據處理系統進行處理，獲得光譜超解析度還原的光譜數據。本發明結構簡單，除一維壓電陶瓷驅動平臺外無可移動部件，能夠在寬光譜範圍內獲得高光譜解析度。
【專利說明】一種可實現光譜超解析度還原的光柵光譜儀

【技術領域】
[0001]本發明涉及光譜測量領域，具體涉及一種可實現光譜超解析度還原的光柵光譜儀結構。

【背景技術】
[0002]光譜儀是一種用於光譜測量及分析的儀器，廣泛應用於化學分析、工業檢測以及航空航天遙感等領域。其中光柵光譜儀具有體積小、光譜範圍寬、結構簡單等優點，成為了市面上最主要的光譜儀類型。但受限於線陣探測器的像元尺寸及像元數的限制，光譜儀的光譜範圍和光譜解析度無法良好協調，即無法在大光譜範圍情況下保證較高的光譜解析度。另外由於入射狹縫和出射狹縫的影響，對光譜帶寬產生展寬作用，光譜解析度進一步降低。
[0003]對於光譜範圍和光譜解析度無法良好協調的問題，現有解決方案是選用具有更多像元數的線陣探測器。但線陣探測器的像元數依賴於現有的工藝，無法輕易增加，且定製多像元數的線陣探測器價格昂貴，會增加光譜儀的成本。另外，增加像元數後探測器尺寸必然增加，要求光譜儀的線色散率變大，這很大程度上提高了光學設計的難度，光學設計中的像差會影響光譜解析度。
[0004]對於狹縫影響致使光譜解析度低的問題，解決方法是減小狹縫尺寸，但減小入射狹縫和出射狹縫的尺寸會同時降低進入光譜儀以及探測器接收的光通量，降低系統信噪比並且不利於對弱光的測量。另一方面，探測器的像元尺寸決定出射狹縫的尺寸，現有的工藝決定了探測器的像元尺寸同時限制了狹縫尺寸最小值。


【發明內容】

[0005]為了解決現有技術存在的問題，本發明提供一種可實現光譜超解析度還原的光柵光譜儀，該光譜儀解決了光柵光譜儀受到入射狹縫和出射狹縫限制，光譜解析度低，以及受到線陣探測器像元數及像元尺寸限制、光譜範圍與光譜解析度無法良好協調的問題。
[0006]本發明解決技術問題所採用的技術方案如下:
[0007]一種可實現光譜超解析度還原的光柵光譜儀，結構包括入射狹縫、光闌、準直反射鏡、衍射光柵、會聚反射鏡、線陣探測器、壓電陶瓷驅動平臺、壓電陶瓷控制器和數據處理系統；待測光從入射狹縫進入，經過光闌由準直反射鏡反射到達衍射光柵，經過衍射光柵分光後，通過聚反射鏡聚焦將光譜圖像成像到線陣探測器像元陣列上；線陣探測器固定在壓電陶瓷驅動平臺上；壓電陶瓷控制器控制壓電陶瓷驅動平臺在色散方向上依次產生1/N探測器像元間隔的微小位移，在每一次位移之後線陣探測器進行一次測量，完成N+1次位移，實現一個探測器像元間隔的位移；將前N次數據通過數據處理系統進行處理，獲得光譜超解析度還原的光譜數據。
[0008]本發明的有益效果:本發明結構簡單，除一維壓電陶瓷驅動平臺外無可移動部件，在使用線陣探測器情況下，能夠在寬光譜範圍內獲得高光譜解析度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本發明一種可實現光譜超解析度還原的光柵光譜儀結構示意圖。
[0010]圖2為探測器多次測量的各像元測量值重新排序
[0011]圖3為600nm、601nm混合光源經測量獲得的原始光譜圖
[0012]圖4為光譜解析度為2nm的傳統光柵光譜儀對混合光源的測量結果
[0013]圖5為使用光譜超解析度還原光譜儀對混合光源的測量結果
[0014]圖中:1、入射狹縫，2、光闌，3、準直反射鏡，4、衍射光柵，5、會聚反射鏡，6、線陣探測器，7、壓電陶瓷驅動平臺，8、壓電陶瓷控制器和9、數據處理系統。

【具體實施方式】
[0015]下面結合實施例子來說明本方法的【具體實施方式】。
[0016]實施例:
[0017]如圖1所示為一種可實現光譜超解析度還原的光柵光譜儀，結構包括入射狹縫1、光闌2、準直反射鏡3、衍射光柵4、會聚反射鏡5、線陣探測器6、壓電陶瓷驅動平臺7、壓電陶瓷控制器8、數據處理系統9。待測光從入射狹縫I進入光學系統，經過光闌2由準直反射鏡3反射到達衍射光柵4，經過衍射光柵4分光後經會聚反射鏡5聚焦將完整的光譜圖像成像到線陣探測器6像元陣列上。線陣探測器6固定在壓電陶瓷驅動平臺7上跟隨其一同運動。壓電陶瓷控制器8控制壓電陶瓷驅動平臺7在色散方向上依次產生1/N探測器像元間隔的微小位移，在每一次位移之後線陣探測器進行一次測量。重複這一過程直至完成N+1次位移，即直至完成一個探測器像元間隔的位移。最後將前N次數據通過數據處理系統9進行處理，最後獲得光譜超解析度還原的光譜數據。其中，入射狹縫色散方向尺寸為50 μ m，衍射光柵選用300g/mm的反射式刻劃光柵，線陣探測器選用512像元，像元尺寸為25 μmX500 ymo壓電陶瓷驅平臺每次在色散方向上產生的位移為0.5 μm。總共需要完成50次位移和51次測量。該光柵光譜儀在不進行光譜超解析度還原操作的情況下光譜解析度為2nm。
[0018]數據處理系統9的處理方法包括如下步驟:a、通過線陣探測器6、壓電陶瓷驅動平臺7和壓電陶瓷控制器8獲得N次測量的線陣探測器全部像元的N次響應值；b、重新排序N次測量的各像元的響應值以獲得光譜響應曲線，排序方法如圖2所示，假設線陣探測器6的像元從一端開始編號依次為1、2、3，……、M，第i個像元的第j次測量編號為ip最終的光譜響應曲線橫坐標依次為I1U2,…、…、2n、……、MpM2、…、Mn;c、基於DU)= A(A)^S(A)對數據進行光譜超解析度還原處理，式中Α( λ)為待測光的原始光譜圖，S(A)為所求光譜區域處光譜響應函數，D(A)為探測器接收並重新排序後的探測器響應值，*為卷積運算。
[0019]本實施例中利用上述光譜儀對600nm和601nm的雙單色光源混合構成的複合光源進行測量。光源經測量獲得的原始光譜圖如圖3所示，在不使用光譜超解析度還原操作情況下對該光源進行測量獲得的結果如圖4所示，由圖4可知，測量結果無法分出兩個不同波長的光，因此得出傳統光柵光譜儀受困於光譜解析度限制，無法對高於光譜解析度的光源進行測量的結果。另一方面，執行光譜超解析度還原操作，對該光源進行重新測量，並測量600nm位置處的光譜響應函數，根據探測器響應曲線以及光譜響應函數退卷積獲得的還原後的光譜圖如圖5所示，可知該光譜儀超過自身光譜解析度分辨出了 600nm和60Inm的光，光譜超解析度還原得以實現。
【權利要求】
1.一種可實現光譜超解析度還原的光柵光譜儀，結構包括入射狹縫、光闌、準直反射鏡、衍射光柵、會聚反射鏡、線陣探測器、壓電陶瓷驅動平臺、壓電陶瓷控制器和數據處理系統；待測光從入射狹縫進入，經過光闌由準直反射鏡反射到達衍射光柵，經過衍射光柵分光後，通過聚反射鏡聚焦將光譜圖像成像到線陣探測器像元陣列上；線陣探測器固定在壓電陶瓷驅動平臺上；壓電陶瓷控制器控制壓電陶瓷驅動平臺在色散方向上依次產生1/N探測器像元間隔的微小位移，在每一次位移之後線陣探測器進行一次測量，完成N+1次位移，實現一個探測器像元間隔的位移；將前N次數據通過數據處理系統進行處理，獲得光譜超解析度還原的光譜數據。
2.如利要求I所述的一種可實現光譜超解析度還原的光柵光譜儀數據處理方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟: 步驟一:所述線陣探測器、壓電陶瓷驅動平臺和壓電陶瓷控制器陣探測器獲得N次測量的線陣探測器全部像元的N次響應值； 步驟二:重新排序N次測量的各像元的響應值以獲得光譜響應曲線，線陣探測器的像元從一端開始編號依次為1、2、3、……、M，第i個像元的第j次測量編號為ip最終的光譜響應曲線橫坐標依次為1^12、一、1ν、21;22、…、2ν、……,M0M2,…、Mn; 步驟三:基於D(A)=A(A)*S(A)對數據進行光譜超解析度還原處理，式中A ( λ )為待測光的原始光譜圖，S(A)為所求光譜區域處光譜響應函數，D(A)為探測器接收並重新排序後的探測器響應值，*為卷積運算。
【文檔編號】G01J3/28GK104501955SQ201410821312
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月25日 優先權日:2014年12月25日
【發明者】方偉, 高震宇, 王玉鵬 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所