CN103471717A - 基于多狭缝阵列的超分辨光谱仪 - Google Patents

Abstract

基于多狭缝阵列的超分辨光谱仪，涉及光谱分析仪器领域，解决了采用亚像元技术实现超分辨的光谱仪存在的装调工艺要求高、难度大的问题，超分辨光谱仪中的入射狭缝为N阶狭缝阵列，入射狭缝对入射光线进行空间滤波，使入射光线宽度按照光学系统要求的宽度入射到准直镜上，光线依次经过准直镜准直、光栅分光、聚焦镜聚焦后成像在光电探测器上，在垂直于光谱维方向上获得N幅具有亚像元位移的低分辨率光谱图，计算机采集光谱图信息并利用递推算法求取亚像元值构建出一幅高分辨率的光谱图，N为正整数且N≥2。本发明在不减少入射光通量的前提下提高了光谱分辨率，实现了光谱仪的光谱超分辨，光谱测量范围包括紫外—可见—近红外波段。

Description

基于多狭缝阵列的超分辨光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱分析仪器技术领域，具体涉及一种基于多狭缝阵列的超分辨光谱仪。

背景技术

光谱仪是光学检测的重要仪器，是通过对光谱的测量分析来完成对物质的成分及结构等测量的通用设备，具有测量速度快、精度高、无损测量等优点。近年来，伴随着材料学、计算机学、光电子学、半导体加工技术的发展，尤其是光谱学与分析化学的结合使得光谱仪器开始得到广泛的应用，目前已经广泛使用的领域有材料化学、石油化工、光学检测、天文研究、环境保护、资源探测和航空航天等领域。

光谱仪的分辨率是光谱测量中至关重要的指标，它表示将波长极为接近的谱线分开的能力，反映光谱超精细结构测量的程度，因此，光谱分辨率是光谱仪最关键的性能指标之一。目前的光谱仪一般采用光电阵列探测器（如CCD）作为接收器件，可以对一个宽波段范围内的光谱同时成像，而不需要复杂、精密的光栅扫描机构。光电阵列探测器由一系列像敏单元（简称像元）组成，它是通过对探测器面上的光谱强度轮廓采样来获取光谱信息的。因为光电阵列探测器上每个像元都是有一定大小的，每个采样点不是数学意义上的点，采样点的值实际上是像敏单元内光能量的积分，所以，实际的采样过程是积分采样过程，符合采样定理，抽样频率越高，光谱分辨率也就越高，但是，受测量结果信噪比和制作工艺的制约，像元尺寸的减小余地是很有限的，如在0.35μmCMOS工艺下，探测器像元的极限尺寸约为5μm，而且越接近极限尺寸，代价也越难以承受。

为了解决上述问题，人们提出了一种采用亚像元超分辨技术实现的光谱仪，其原理如图1所示，该光谱仪中，光线通过透镜7聚焦后再通过半透半反的分光棱镜8分别成像在两个线阵CCD芯片上，分光棱镜8将两个线阵CCD芯片的像元在线阵的排列长度方向上用光学的方法使之相互错位1／2个像元，即相当于将第二片CCD芯片10的所有像元依次插入第一片CCD芯片9的像元间隙中，从而提高探测器的采样频率。这种拼接方式，对两片CCD芯片的拼接精度提出了更高的要求，两片CCD芯片像元之间的位置度误差相对于理想位置的偏差不能大于像元尺寸的1／10，这就大大增加了装调测试的难度，装调时的误差会严重影光谱仪的分辨率，使之达不到要求的超分辨率。

发明内容

为了解决现有采用亚像元技术实现超分辨的光谱仪存在的装调工艺要求高、难度大的问题，本发明提供一种基于多狭缝阵列的超分辨光谱仪。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

基于多狭缝阵列的超分辨光谱仪，由入射狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜、光电探测器和与所述光电探测器相连的计算机组成；所述入射狭缝为N阶阵列狭缝，所述入射狭缝对入射光线进行空间滤波，使入射光线宽度按照光学系统要求的宽度入射到准直镜上，光线依次经过准直镜准直、光栅分光、聚焦镜聚焦后成像在光电探测器上，在垂直于光谱维方向上获得N幅具有亚像元位移的低分辨率光谱图，计算机对光电探测器采集的光谱图信息进行信息融合，利用递推算法求取亚像元值从而构建出一幅高分辨率的光谱图，其中，所述N为正整数且N≥2。

所述入射狭缝采用半导体硅材料或玻璃材料通过微机械工艺制作而成。

所述光电探测器采用面阵CCD、CMOS面阵成像探测器或InGaAs面阵成像探测器。

所述光电探测器上垂直于光谱维方向上的阵列数为N的整数倍，N为正整数且N≥2。

本发明的有益效果是：本发明的超分辨光谱仪通过设计N阶狭缝阵列，在光电探测器5上得到N（N为正整数且N≥2）幅低分辨率光谱图，利用递推算法求取亚像元值并构建出一幅高分辨率的光谱图，在不减小入射光通量的情况下，提高了光谱仪的光谱分辨率，而且不需要对光谱仪中的光电探测器进行装调测试以及省去了CCD芯片的拼接步骤，因而降低了高分辨率光谱仪的制作成本和装调难度。

本发明无需采用过小尺寸像元的探测器，就可获得很高的光谱分辨率，测量范围为紫外—可见—近红外波段。

附图说明

图1为现有的亚像元超分辨光谱仪的原理示意图；

图2为本发明的基于多狭缝阵列的超分辨光谱仪的结构示意图；

图3为多狭缝阵列中的三阶狭缝阵列的结构示意图；

图4为通过本发明的基于多狭缝阵列的超分辨光谱仪获得高分辨率光谱图的原理示意图。

图中：1、入射狭缝，2、准直镜，3、光栅，4、聚焦镜，5、光电探测器，6、计算机，7、透镜，8、分光棱镜，9、第一片CCD芯片，10、第二片CCD芯片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，本发明的基于多狭缝阵列的超分辨光谱仪，由入射狭缝1、准直镜2、光栅3、聚焦镜4、光电探测器5和计算机6组成，光电探测器5与计算机6通过电缆线相连；入射狭缝1为N（N为正整数且N≥2）阶阵列狭缝，入射狭缝1作为整个光谱仪光学系统的光阑，对入射光线进行空间滤波，使入射光线宽度按照光学系统要求的宽度入射到准直镜2上，准直镜2对光线进行准直后入射到光栅3上，光栅3对准直后的光线进行分光，分光后的光线通过聚焦镜4的聚焦作用成像在光电探测器5上，由于不同波长的光线沿光谱维方向在光电探测器5上依次分开，因而在光电探测器5上且垂直于光谱维方向上获得N（N为正整数且N≥2）幅具有亚像元位移的低分辨率光谱图，计算机6对光电探测器5采集得到的N（N为正整数且N≥2）幅低分辨率光谱图信息进行信息融合，再利用递推算法求取亚像元值并构建出一幅高分辨率的光谱图，光谱分辨率为光电探测器5单幅光谱曲线的N倍，从而实现了光谱仪的光谱超分辨。

如图3所示，当N=3时，入射狭缝1为三阶阵列狭缝，三阶阵列狭缝中的狭缝L₁、L₂、L₃在垂直于光谱维方向上依次分开错位排列，狭缝L₁、L₂、L₃的宽度相等均为d，在光谱维方向上狭缝L₁和狭缝L₂有部分重叠，狭缝L₂和狭缝L₃有部分重叠，各自的重叠部分的宽度为狭缝宽度d的1/3即d/3，因此，在光电探测器5上将得到垂直于光谱维方向上的三幅低分辨率光谱图I₁、I₂、I₃，如图4所示，光电探测器5的每个像元的宽度为a，则光谱图I₁和光谱图I₂之间的光谱位移为a/3像元宽度所对应的光谱宽度△λ，光谱图I₂和光谱图I₃之间的光谱位移同样也为a/3像元宽度所对应的光谱宽度△λ，通过递推算法求取亚像元值，即当亚像元宽度为a/3时求取每个亚像元所对应的光谱值，从而获得具有高分辨率的光谱图I。

本实施方式中，入射狭缝1采用半导体硅材料或者玻璃材料制成，通过微机械（MEMS）工艺制作而成的多狭缝阵列，这种多狭缝的形状和位置可以精确的进行控制满足光谱仪精度的要求。以三阶狭缝阵列为例，说明其制作过程：三阶狭缝阵列的制作材料为硅片，首先对制作狭缝的胚体进行表面涂胶，然后通过光刻的方法形成带有狭缝阵列的图形，最后利用电感耦合等离子刻蚀（ICP）或湿法腐蚀的方法，将狭缝部分的硅完全去掉，完成通透的三阶硅狭缝阵列的制作。

本实施方式中，光电探测器5为面阵光电探测器，其垂直于光谱维方向上的阵列数为N（N为正整数且N≥2）的整数倍，面阵光电探测器采用电荷耦合器件面阵CCD、CMOS面阵成像探测器或者InGaAs面阵成像探测器。

本发明的基于多狭缝阵列的超分辨光谱仪的测量范围为紫外—可见—近红外波段。

Claims (4)

1.基于多狭缝阵列的超分辨光谱仪，其特征在于，由入射狭缝（1）、准直镜（2）、光栅（3）、聚焦镜（4）、光电探测器（5）和与所述光电探测器（5）相连的计算机（6）组成；所述入射狭缝（1）为N阶阵列狭缝，所述入射狭缝（1）对入射光线进行空间滤波，使入射光线宽度按照光学系统要求的宽度入射到准直镜（2）上，光线依次经过准直镜（2）准直、光栅（3）分光、聚焦镜（4）聚焦后成像在光电探测器（5）上，在垂直于光谱维方向上获得N幅具有亚像元位移的低分辨率光谱图，计算机（6）对光电探测器（5）采集的光谱图信息进行信息融合，利用递推算法求取亚像元值从而构建出一幅高分辨率的光谱图，其中，所述N为正整数且N≥2。

2.根据权利要求1所述的基于多狭缝阵列的超分辨光谱仪，其特征在于，所述入射狭缝（1）采用半导体硅材料或玻璃材料通过微机械工艺制作而成。

3.根据权利要求1所述的基于多狭缝阵列的超分辨光谱仪，其特征在于，所述光电探测器（5）采用面阵CCD、CMOS面阵成像探测器或InGaAs面阵成像探测器。

4.根据权利要求1所述的基于多狭缝阵列的超分辨光谱仪，其特征在于，所述光电探测器（5）上垂直于光谱维方向上的阵列数为N的整数倍，N为正整数且N≥2。

Images