CN106017685A - 一种基于虚像相位阵列的扫频式光谱测量方法 - Google Patents
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Abstract
基于虚像相位阵列的扫频式光谱测量方法,由光学接收系统、基于虚像相位阵列光学滤波器、匹配光学透镜、多通道光电探测系统、数据采集和处理系统构成。基于虚像相位阵列光学滤波器由虚像相位阵列和衍射光栅构成，其输出为二维空间排列的光谱干涉条纹。通过调节虚像相位阵列和衍射光栅的参数，以及匹配光学透镜焦距，可以调整基于虚像相位阵列光学滤波器输出干涉条纹的光谱特性。基于虚像相位阵列的扫频式光谱测量方法可以应用于各种与原子光谱和分子光谱相关的测量，如米散射（Mie）光谱、瑞利（Rayleigh）散射光谱、布里渊（Brillouin）散射光谱、拉曼（Raman）光谱、荧光光谱、等离子光谱。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于虚像相位阵列的扫频式光谱测量方法，更具体地说属于一种基于虚像相位阵列光学滤波器的扫频式光谱测量方法。
背景技术
光谱测量有两个重要的参数：光谱精细度和光谱测量密度。光谱精细度对应于选用的光学滤波器的光谱带宽。光谱测量密度即光谱测量间隔。
扫频式光谱测量可以同时获得高光谱精细度和高密度光谱采样。例如，目前采用法布里－珀罗（Fabry–Pérot）干涉仪作为光学滤波器，干涉仪输出的单个干涉条纹带宽就是测量光谱精细度。通过调节法布里－珀罗干涉仪两片反射镜的间距，调整干涉条纹对应的中心波长，进行多次测量，从而实现小于其自由光谱范围的高密度光谱采样。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于虚像相位阵列的扫频式光谱测量方法，其中虚像相位阵列配合衍射光栅构成基于虚像相位阵列光学滤波器。通过调节虚像相位阵列和衍射光栅的参数，可以调整基于虚像相位阵列光学滤波器输出干涉条纹的光谱特性，实现高分辨光谱测量。
虚像相位阵列是光学色散器件，可以将输入的线光源色散为空间排列的光谱干涉条纹。将虚像相位阵列输出的光谱耦合到匹配的衍射光栅中，则衍射光栅输出的是二维空间排列的光谱干涉条纹，每个光谱干涉条纹对应一个光学滤波器。
虚像相位阵列的角色散公式为：
其中，θ i 是线光束的虚像相位阵列入射角；n r 是构成虚像相位阵列反射腔内材料的折射率系数；θ in 由n r sin(θ in )=sin(θ i ) 计算出，是虚像相位阵列内部反射角；θ λ 是虚像相位阵列出射角；λ 0 由mλ 0 =2tn r cos(θ in )确定，m为整数，t 是虚像相位阵列厚度；λ p 是虚像相位阵列输出的干涉条纹峰值波长。
衍射光栅的角色散公式为：
其中，d是光栅周期；θ 0 是光束入射角；θ g 为光束出射角；k是整数。
由公式（1）和（2）可知，虚像相位阵列和衍射光栅是角色散器件，因此基于虚像相位阵列光学滤波器需要配合光学透镜才能成像，如匹配透镜焦距是f，则f也能影响基于虚像相位阵列光学滤波器输出的光谱干涉条纹。如果采用凹面光栅，则f就是凹面光栅的焦距。
因为衍射光栅的光谱宽度远大于虚像相位阵列的干涉峰光谱宽度，所以基于虚像相位阵列光学滤波器的单个干涉峰光谱宽度（半高全宽，FWHM）由虚像相位阵列决定：
其中，R是 虚像相位阵列全反射面反射系数；r 是虚像相位阵列高反射输出面反射系数。
由公式（1）、（2）可知，通过调节虚像相位阵列线光束入射角、虚像相位阵列反射腔内材料的折射率系数、虚像相位阵列厚度、衍射光栅周期、衍射光栅光束入射角，以及匹配的光学透镜焦距，可以调整基于虚像相位阵列光学滤波器输出干涉条纹的中心波长。根据公式（3），调节虚像相位阵列的全反射面反射系数和高反射输出面反射系数，可以调节基于虚像相位阵列光学滤波器输出干涉条纹的光谱宽度。
本发明包括光学接收系统、基于虚像相位阵列光学滤波器、匹配光学透镜、多通道光电探测系统、数据采集和处理系统，其特征在于，利用光学接收系统接收目标信号，并耦合进基于虚像相位阵列光学滤波器中；基于虚像相位阵列光学滤波器对目标信号进行光谱分光，并通过匹配光学透镜成像到多通道光电探测系统上；多通道光电探测系统光谱信号转换成对应的电信号，并导入数据采集和处理系统；调节虚像相位阵列和衍射光栅的参数，以及光学透镜的焦距，调整基于虚像相位阵列光学滤波器输出干涉条纹的中心波长和光谱宽度，并重复进行光谱测量；将多次测量得到的结果组合起来，得到被测目标高分辨率光谱。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1，本发明的基于虚像相位阵列光学滤波器结构图
图2，本发明的基于虚像相位阵列的扫频式光谱测量系统结构图
图3，本发明的基于虚像相位阵列光学滤波器的光谱干涉条纹和被测目标光谱
图4，本发明的基于虚像相位阵列光学滤波器滤出的被测目标光谱
图中：1．入射的平行光，2．柱面镜，3．虚像相位阵列，4．辅助光学透镜，5. 衍射光栅（以平面反射式光栅为例），6. 衍射光栅像平面处的二维空间排列的光谱干涉条纹，7. 光学接收系统，8. 基于虚像相位阵列光学滤波器，9. 匹配光学透镜，10. 多通道光电探测和转换系统，11. 数据采集和处理系统，12. 被测目标光谱，13. 基于虚像相位阵列光学滤波器的输出光谱干涉条纹，14. 调节（8）的参数，或者（9）的焦距，得到的基于虚像相位阵列光学滤波器输出干涉条纹，15. 再次调节（8）的参数，或者（9）的焦距，得到的基于虚像相位阵列光学滤波器输出干涉条纹，16. 基于虚像相位阵列光学滤波器的一个干涉条纹的光谱宽度（半高全宽），17. 基于虚像相位阵列光学滤波器的自由光谱范围，18. （13）滤出的被测目标光谱，19. （14）滤出的被测目标光谱，20. （15）滤出的被测目标光谱，21. 由（18）、（19）、（20）等组合得到的被测目标光谱。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种基于虚像相位阵列的扫频式光谱测量方法，以解决相关领域的技术问题。
本发明的基于虚像相位阵列光学滤波器如图1所示。平行光（1）经柱面透镜（2）聚焦后入射到虚像相位阵列（3）中。虚像相位阵列（3）的输出经过辅助光学透镜（4）后耦合到匹配的衍射光栅（5）中。根据实际情况，辅助光学透镜（4）也可以不加。衍射光栅（5）可以是透射式或者反射式，也可是凹面光栅或者平面光栅。在衍射光栅的焦平面（6）处得到二维空间排列的光谱干涉条纹，其中虚像相位阵列在y方向有光谱角色散，衍射光栅在x方向有光谱角色散。
本发明的基于虚像相位阵列的扫频式光谱测量系统如图2所示。光学接收系统（7）接收被测目标信号，并导入到基于虚像相位阵列光学滤波器（8）中，其输出光谱信号由匹配光学透镜（9）耦合到多通道光电探测系统（10）中。利用多通道光电探测系统（10）探测对应的光谱信号，并导入数据采集和处理系统（11）中。
图3中（12）是被测目标光谱。（13）是基于虚像相位阵列光学滤波器输出的光谱干涉条纹。通过调节基于虚像相位阵列光学滤波器（8）的参数，如虚像相位阵列线光束入射角、虚像相位阵列反射腔内材料的折射率系数、虚像相位阵列厚度、衍射光栅周期、衍射光栅光束入射角，以及光学透镜（9）的焦距，可以调整基于虚像相位阵列光学滤波器输出干涉条纹的中心波长或光谱宽度（16），从而得到（14）或（15）等的输出干涉条纹。
图4中（18）、（19）、（20）分别是（13）、（14）。（15）滤出的被测目标的光谱信号。因为基于虚像相位阵列光学滤波器干涉条纹的理论模型精确可知，所以由（18）、（19）、（20）等的测量结果可以组合得到被测目标光谱（21）。被测目标光谱（21）的采样密度超过基于虚像相位阵列光学滤波器的自由光谱范围（17）。
总之，由本发明图2中基于虚像相位阵列的扫频式光谱测量方法可以实现高精细度和高密度光谱测量。本发明中的扫频式光谱测量方法可以应用于各种与原子光谱和分子光谱相关的测量，如米散射（Mie）光谱、瑞利（Rayleigh）散射光谱、布里渊（Brillouin）散射光谱、拉曼（Raman）光谱、荧光光谱、等离子光谱。
Claims (2)
1.一种基于虚像相位阵列的扫频式光谱测量方法，其特征在于：由光学接收系统、基于虚像相位阵列光学滤波器、匹配光学透镜、多通道光电探测系统、数据采集和处理系统构成；其中利用光学接收系统接收目标信号，并耦合进基于虚像相位阵列光学滤波器中；基于虚像相位阵列光学滤波器对目标信号进行光谱分光，并通过匹配光学透镜成像到多通道光电探测系统上；多通道光电探测系统将光谱信号转换成对应的电信号，并导入数据采集和处理系统；通过调节虚像相位阵列线光束入射角、虚像相位阵列反射腔内材料的折射率系数、虚像相位阵列厚度、衍射光栅周期、衍射光栅光束入射角，以及匹配的光学透镜焦距，调整基于虚像相位阵列光学滤波器输出干涉条纹的中心波长和光谱宽度，并重复进行光谱测量；将多次测量得到的结果组合起来，得到被测目标高分辨率光谱。
2.权利要求1所述的基于虚像相位阵列光学滤波器的特性在于其由虚像相位阵列和衍射光栅构成，其输出为二维空间排列的光谱干涉条纹。
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