CN104501955A - 一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪 - Google Patents

一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪 Download PDF

Info

Publication number
CN104501955A
CN104501955A CN201410821312.9A CN201410821312A CN104501955A CN 104501955 A CN104501955 A CN 104501955A CN 201410821312 A CN201410821312 A CN 201410821312A CN 104501955 A CN104501955 A CN 104501955A
Authority
CN
China
Prior art keywords
piezoelectric ceramic
linear array
array detector
spectral
pixel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201410821312.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104501955B (zh
Inventor
方伟
高震宇
王玉鹏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Original Assignee
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS filed Critical Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority to CN201410821312.9A priority Critical patent/CN104501955B/zh
Publication of CN104501955A publication Critical patent/CN104501955A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104501955B publication Critical patent/CN104501955B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪涉及光谱测量领域，该结构包括入射狭缝、光阑、准直反射镜、衍射光栅、会聚反射镜、线阵探测器、压电陶瓷驱动平台、压电陶瓷控制器和数据处理系统；待测光从入射狭缝进入，经过光阑由准直反射镜反射到达衍射光栅，经过衍射光栅分光后，通过聚反射镜聚焦将光谱图像成像到线阵探测器像元阵列上；线阵探测器固定在压电陶瓷驱动平台上；压电陶瓷控制器控制压电陶瓷驱动平台在色散方向上产生微小位移进行一次测量，完成N+1次位移，将前N次数据通过数据处理系统进行处理，获得光谱超分辨率还原的光谱数据。本发明结构简单，除一维压电陶瓷驱动平台外无可移动部件，能够在宽光谱范围内获得高光谱分辨率。

Description

一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪
技术领域
本发明涉及光谱测量领域，具体涉及一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪结构。
背景技术
光谱仪是一种用于光谱测量及分析的仪器，广泛应用于化学分析、工业检测以及航空航天遥感等领域。其中光栅光谱仪具有体积小、光谱范围宽、结构简单等优点，成为了市面上最主要的光谱仪类型。但受限于线阵探测器的像元尺寸及像元数的限制，光谱仪的光谱范围和光谱分辨率无法良好协调，即无法在大光谱范围情况下保证较高的光谱分辨率。另外由于入射狭缝和出射狭缝的影响，对光谱带宽产生展宽作用，光谱分辨率进一步降低。
对于光谱范围和光谱分辨率无法良好协调的问题，现有解决方案是选用具有更多像元数的线阵探测器。但线阵探测器的像元数依赖于现有的工艺，无法轻易增加，且定制多像元数的线阵探测器价格昂贵，会增加光谱仪的成本。另外，增加像元数后探测器尺寸必然增加，要求光谱仪的线色散率变大，这很大程度上提高了光学设计的难度，光学设计中的像差会影响光谱分辨率。
对于狭缝影响致使光谱分辨率低的问题，解决方法是减小狭缝尺寸，但减小入射狭缝和出射狭缝的尺寸会同时降低进入光谱仪以及探测器接收的光通量，降低系统信噪比并且不利于对弱光的测量。另一方面，探测器的像元尺寸决定出射狭缝的尺寸，现有的工艺决定了探测器的像元尺寸同时限制了狭缝尺寸最小值。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪，该光谱仪解决了光栅光谱仪受到入射狭缝和出射狭缝限制，光谱分辨率低，以及受到线阵探测器像元数及像元尺寸限制、光谱范围与光谱分辨率无法良好协调的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪，结构包括入射狭缝、光阑、准直反射镜、衍射光栅、会聚反射镜、线阵探测器、压电陶瓷驱动平台、压电陶瓷控制器和数据处理系统；待测光从入射狭缝进入，经过光阑由准直反射镜反射到达衍射光栅，经过衍射光栅分光后，通过聚反射镜聚焦将光谱图像成像到线阵探测器像元阵列上；线阵探测器固定在压电陶瓷驱动平台上；压电陶瓷控制器控制压电陶瓷驱动平台在色散方向上依次产生1/N探测器像元间隔的微小位移，在每一次位移之后线阵探测器进行一次测量，完成N+1次位移，实现一个探测器像元间隔的位移；将前N次数据通过数据处理系统进行处理，获得光谱超分辨率还原的光谱数据。
本发明的有益效果：本发明结构简单，除一维压电陶瓷驱动平台外无可移动部件，在使用线阵探测器情况下，能够在宽光谱范围内获得高光谱分辨率。
附图说明
图1为本发明一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪结构示意图。
图2为探测器多次测量的各像元测量值重新排序
图3为600nm、601nm混合光源经测量获得的原始光谱图
图4为光谱分辨率为2nm的传统光栅光谱仪对混合光源的测量结果
图5为使用光谱超分辨率还原光谱仪对混合光源的测量结果
图中：1、入射狭缝，2、光阑，3、准直反射镜，4、衍射光栅，5、会聚反射镜，6、线阵探测器，7、压电陶瓷驱动平台，8、压电陶瓷控制器和9、数据处理系统。
具体实施方式
下面结合实施例子来说明本方法的具体实施方式。
实施例：
如图1所示为一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪，结构包括入射狭缝1、光阑2、准直反射镜3、衍射光栅4、会聚反射镜5、线阵探测器6、压电陶瓷驱动平台7、压电陶瓷控制器8、数据处理系统9。待测光从入射狭缝1进入光学系统，经过光阑2由准直反射镜3反射到达衍射光栅4，经过衍射光栅4分光后经会聚反射镜5聚焦将完整的光谱图像成像到线阵探测器6像元阵列上。线阵探测器6固定在压电陶瓷驱动平台7上跟随其一同运动。压电陶瓷控制器8控制压电陶瓷驱动平台7在色散方向上依次产生1/N探测器像元间隔的微小位移，在每一次位移之后线阵探测器进行一次测量。重复这一过程直至完成N+1次位移，即直至完成一个探测器像元间隔的位移。最后将前N次数据通过数据处理系统9进行处理，最后获得光谱超分辨率还原的光谱数据。其中，入射狭缝色散方向尺寸为50μm，衍射光栅选用300g/mm的反射式刻划光栅，线阵探测器选用512像元，像元尺寸为25μm×500μm。压电陶瓷驱平台每次在色散方向上产生的位移为0.5μm。总共需要完成50次位移和51次测量。该光栅光谱仪在不进行光谱超分辨率还原操作的情况下光谱分辨率为2nm。
数据处理系统9的处理方法包括如下步骤：a、通过线阵探测器6、压电陶瓷驱动平台7和压电陶瓷控制器8获得N次测量的线阵探测器全部像元的N次响应值；b、重新排序N次测量的各像元的响应值以获得光谱响应曲线，排序方法如图2所示，假设线阵探测器6的像元从一端开始编号依次为1、2、3，……、M，第i个像元的第j次测量编号为ij，最终的光谱响应曲线横坐标依次为11、12，…、1N、21、22、…、2N、……、M1、M2、…、MN；c、基于D(λ)＝A(λ)*S(λ)对数据进行光谱超分辨率还原处理，式中A(λ)为待测光的原始光谱图，S(λ)为所求光谱区域处光谱响应函数，D(λ)为探测器接收并重新排序后的探测器响应值，*为卷积运算。
本实施例中利用上述光谱仪对600nm和601nm的双单色光源混合构成的复合光源进行测量。光源经测量获得的原始光谱图如图3所示，在不使用光谱超分辨率还原操作情况下对该光源进行测量获得的结果如图4所示，由图4可知，测量结果无法分出两个不同波长的光，因此得出传统光栅光谱仪受困于光谱分辨率限制，无法对高于光谱分辨率的光源进行测量的结果。另一方面，执行光谱超分辨率还原操作，对该光源进行重新测量，并测量600nm位置处的光谱响应函数，根据探测器响应曲线以及光谱响应函数退卷积获得的还原后的光谱图如图5所示，可知该光谱仪超过自身光谱分辨率分辨出了600nm和601nm的光，光谱超分辨率还原得以实现。

Claims (2)

1.一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪，结构包括入射狭缝、光阑、准直反射镜、衍射光栅、会聚反射镜、线阵探测器、压电陶瓷驱动平台、压电陶瓷控制器和数据处理系统；待测光从入射狭缝进入，经过光阑由准直反射镜反射到达衍射光栅，经过衍射光栅分光后，通过聚反射镜聚焦将光谱图像成像到线阵探测器像元阵列上；线阵探测器固定在压电陶瓷驱动平台上；压电陶瓷控制器控制压电陶瓷驱动平台在色散方向上依次产生1/N探测器像元间隔的微小位移，在每一次位移之后线阵探测器进行一次测量，完成N+1次位移，实现一个探测器像元间隔的位移；将前N次数据通过数据处理系统进行处理，获得光谱超分辨率还原的光谱数据。
2.如利要求1所述的一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪数据处理方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：所述线阵探测器、压电陶瓷驱动平台和压电陶瓷控制器阵探测器获得N次测量的线阵探测器全部像元的N次响应值；
步骤二：重新排序N次测量的各像元的响应值以获得光谱响应曲线，线阵探测器的像元从一端开始编号依次为1、2、3、……、M，第i个像元的第j次测量编号为ij，最终的光谱响应曲线横坐标依次为11、12、…、1N、21,22、…、2N、……、M1、M2、…、MN；
步骤三：基于D(λ)＝A(λ)*S(λ)对数据进行光谱超分辨率还原处理，式中A(λ)为待测光的原始光谱图，S(λ)为所求光谱区域处光谱响应函数，D(λ)为探测器接收并重新排序后的探测器响应值，*为卷积运算。
CN201410821312.9A 2014-12-25 2014-12-25 一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪 Active CN104501955B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410821312.9A CN104501955B (zh) 2014-12-25 2014-12-25 一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410821312.9A CN104501955B (zh) 2014-12-25 2014-12-25 一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104501955A true CN104501955A (zh) 2015-04-08
CN104501955B CN104501955B (zh) 2017-12-26

Family

ID=52943377

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410821312.9A Active CN104501955B (zh) 2014-12-25 2014-12-25 一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104501955B (zh)

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105758521A (zh) * 2015-10-14 2016-07-13 北京信息科技大学 采用微动光栅提高光谱分辨率的光纤光栅解调系统及方法
CN105865626A (zh) * 2016-05-26 2016-08-17 上海新产业光电技术有限公司 一种基于旋转滤光片单色器的高光谱成像仪
CN105890759A (zh) * 2015-10-14 2016-08-24 北京信息科技大学 采用微动探测器阵列提高光谱分辨率的光纤光栅解调系统
CN105890756A (zh) * 2016-05-26 2016-08-24 上海新产业光电技术有限公司 一种基于旋转滤光片的单色器
CN105890636A (zh) * 2015-10-13 2016-08-24 北京信息科技大学 采用狭缝平移提高光谱分辨率的光纤光栅解调系统
CN105890635A (zh) * 2015-10-14 2016-08-24 北京信息科技大学 采用成像镜微调提高光谱分辨率的光纤光栅解调系统
CN107782446A (zh) * 2017-10-27 2018-03-09 中国科学院上海技术物理研究所杭州大江东空间信息技术研究院 一种用于高光谱成像仪的光学玻璃的设计方法
CN107976254A (zh) * 2017-11-15 2018-05-01 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种光纤光谱仪及多通道光纤光谱仪装置
CN109269643A (zh) * 2018-11-02 2019-01-25 天津津航技术物理研究所 基于移动设备屏幕光源的光谱解调系统及方法
WO2019119335A1 (zh) * 2017-12-21 2019-06-27 深圳配天智能技术研究院有限公司 图像获取装置和图像获取方法
CN111189537A (zh) * 2020-01-07 2020-05-22 中国科学院武汉物理与数学研究所 一种多通道多类型激光功率同时监测的装置及方法
CN111610154A (zh) * 2020-05-26 2020-09-01 长江师范学院 一种光谱推扫与位姿同步关联的水质监测装置及方法
CN111610153A (zh) * 2020-05-26 2020-09-01 长江师范学院 一种压电驱动局部单点推扫的水质状态探测装置及其推扫方法
CN114062304A (zh) * 2021-08-04 2022-02-18 哈尔滨工业大学 一种基于智能手机的微型漫反射光谱测量系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101158599A (zh) * 2007-11-13 2008-04-09 清华大学 一种光谱仪器的波长标定方法
CN101634591A (zh) * 2009-08-21 2010-01-27 南开大学 利用柱透镜进行像散纠正的光谱仪

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101158599A (zh) * 2007-11-13 2008-04-09 清华大学 一种光谱仪器的波长标定方法
CN101634591A (zh) * 2009-08-21 2010-01-27 南开大学 利用柱透镜进行像散纠正的光谱仪

Cited By (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105890636A (zh) * 2015-10-13 2016-08-24 北京信息科技大学 采用狭缝平移提高光谱分辨率的光纤光栅解调系统
CN105890636B (zh) * 2015-10-13 2018-03-30 北京信息科技大学 采用狭缝平移提高光谱分辨率的光纤光栅解调系统
CN105890635B (zh) * 2015-10-14 2018-03-30 北京信息科技大学 采用成像镜微调提高光谱分辨率的光纤光栅解调系统
CN108387314A (zh) * 2015-10-14 2018-08-10 北京信息科技大学 采用微动探测器阵列提高光谱分辨率的光纤光栅解调方法
CN105890759A (zh) * 2015-10-14 2016-08-24 北京信息科技大学 采用微动探测器阵列提高光谱分辨率的光纤光栅解调系统
CN105890635A (zh) * 2015-10-14 2016-08-24 北京信息科技大学 采用成像镜微调提高光谱分辨率的光纤光栅解调系统
CN105890752A (zh) * 2015-10-14 2016-08-24 北京信息科技大学 一种提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光栅解调系统
CN105890752B (zh) * 2015-10-14 2018-01-26 北京信息科技大学 一种提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光栅解调系统
CN105758521A (zh) * 2015-10-14 2016-07-13 北京信息科技大学 采用微动光栅提高光谱分辨率的光纤光栅解调系统及方法
CN108225559A (zh) * 2015-10-14 2018-06-29 北京信息科技大学 采用微动光栅提高光谱分辨率的光纤光栅解调系统
CN105865626A (zh) * 2016-05-26 2016-08-17 上海新产业光电技术有限公司 一种基于旋转滤光片单色器的高光谱成像仪
CN105890756A (zh) * 2016-05-26 2016-08-24 上海新产业光电技术有限公司 一种基于旋转滤光片的单色器
CN107782446A (zh) * 2017-10-27 2018-03-09 中国科学院上海技术物理研究所杭州大江东空间信息技术研究院 一种用于高光谱成像仪的光学玻璃的设计方法
CN107976254A (zh) * 2017-11-15 2018-05-01 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种光纤光谱仪及多通道光纤光谱仪装置
WO2019119335A1 (zh) * 2017-12-21 2019-06-27 深圳配天智能技术研究院有限公司 图像获取装置和图像获取方法
CN109269643A (zh) * 2018-11-02 2019-01-25 天津津航技术物理研究所 基于移动设备屏幕光源的光谱解调系统及方法
CN111189537A (zh) * 2020-01-07 2020-05-22 中国科学院武汉物理与数学研究所 一种多通道多类型激光功率同时监测的装置及方法
CN111610154A (zh) * 2020-05-26 2020-09-01 长江师范学院 一种光谱推扫与位姿同步关联的水质监测装置及方法
CN111610153A (zh) * 2020-05-26 2020-09-01 长江师范学院 一种压电驱动局部单点推扫的水质状态探测装置及其推扫方法
CN111610153B (zh) * 2020-05-26 2023-04-14 长江师范学院 一种压电驱动局部单点推扫的水质状态探测装置及其推扫方法
CN111610154B (zh) * 2020-05-26 2023-04-28 长江师范学院 一种光谱推扫与位姿同步关联的水质监测方法
CN114062304A (zh) * 2021-08-04 2022-02-18 哈尔滨工业大学 一种基于智能手机的微型漫反射光谱测量系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN104501955B (zh) 2017-12-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104501955A (zh) 一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪
CN103471717B (zh) 基于多狭缝阵列的超分辨光谱仪
CN103389159B (zh) 棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统
CN103954359B (zh) 一种光谱测量范围及分辨率可调的变焦光谱仪
CN104458696A (zh) 基于数字微镜元件的微型固化拉曼光谱仪
CN104266755B (zh) 一种提高光通量的光谱测量方法及系统
US11629996B2 (en) Compact hyperspectral mid-infrared spectrometer
CN104729708A (zh) 一种消像散宽光谱探测光栅光谱仪
CN205808912U (zh) 紧凑型高分辨率宽视场光谱成像系统
CN104090320B (zh) 一种用于超光谱成像系统中的消二级光谱集成滤光片
CN103616074A (zh) 数字微镜光栅光谱仪的波长标定方法
CN112013955B (zh) 一种光谱成像方法和装置
CN112345076A (zh) 一种可调整分辨率的摄谱系统和摄谱仪
CN104977084B (zh) 一种提高aotf成像空间分辨率和光谱分辨率的方法
US7034945B2 (en) Fourier transform spectrometry with a multi-aperture interferometer
CN108362379B (zh) 一种宽谱段高分辨率光谱色散方法及装置
CN110926612A (zh) 一种多通道宽带高分辨光谱仪
CN113624339B (zh) 一种基于dmd和中阶梯光栅的同向色散光谱分析仪及方法
CN103604499B (zh) 基于反向双光路的光谱重建方法
Ren et al. Optical design and investigation of a dual-interference channels and bispectrum static fourier-transform imaging spectrometer based on stepped micro-mirror
CN103792005A (zh) 宽谱段二维色散高速成像光谱仪
CN211877754U (zh) 一种气体浓度检测的高光谱系统
CN105865626A (zh) 一种基于旋转滤光片单色器的高光谱成像仪
CN110849829A (zh) 一种气体浓度检测的高光谱系统
Chen et al. Medium-wave infrared static Fourier transform spectrometer based on micro-optical elements

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant