基于LVF的高光谱成像仪研制及应用

传统的线性渐变滤光片型高光谱成像仪,把线性渐变滤光片置于探测器窗口前,因线性渐变滤光片与探测器焦平面的位置差异,会产生光谱分辨率降低等问题。为了解决这个问题,设计了基于线性渐变滤光片的高光谱成像仪样机,整个系统包括望远系统、线性渐变滤光片元件、中继系统和探测系统四部分。将线性渐变滤光片置于望远系统的焦平面上,中继系统把线性渐变滤光片成像在探测系统靶面上,使线性渐变滤光片与探测系统焦面重合。高光谱成像仪系统的光谱范围为400～700 nm,谱段数为31,光谱分辨率为10 nm,视场角为±8°,焦距为55 mm。搭建样机并开展光谱定标与应用实验,效果良好。相比传统采用棱镜或光栅分光的高光谱成像仪系统,该系统省去了准直系统,具有体积小、重量轻、光通量大的优势,可为高光谱成像仪的小型化提供参考。     

集成滤光片型近红外光谱组件的时空域性能改善研究（英文）

提出针对线性渐变滤光片型近红外光谱组件的时空域性能改善方法,并通过研制微型化512×2元InGaAs光谱组件,结合多帧数据融合算法完成了实验验证。光谱通道采用基于多次测量的两列相邻光敏元动态组合实现,相比单个大光敏元作为光谱通道,可以改善探测器盲元引起的不良影响。波长标定和测试结果表明,该光谱组件在线性渐变滤光片的分辨率限制下,可以有效减小相邻光谱通道间的波长间隔。     

集成滤光片型近红外光谱组件的时空域性能改善研究

提出针对线性渐变滤光片型近红外光谱组件的时空域性能改善方法,并通过研制微型化512×2元InGaAs光谱组件,结合多帧数据融合算法完成了实验验证。光谱通道采用基于多次测量的两列相邻光敏元动态组合实现,相比单个大光敏元作为光谱通道,可以改善探测器盲元引起的不良影响。波长标定和测试结果表明,该光谱组件在线性渐变滤光片的分辨率限制下,可以有效减小相邻光谱通道间的波长间隔。     

0.2 nm带宽滤光片的制备以及退火温度对其形貌和性能的影响

近红外波长为1.064 μm的激光是激光测距、自由空间光通信和空间光学遥感等应用中的主要激光光源之一.窄带滤光片是抑制背景光干扰的关键元件之一,目前大部分滤光片的半峰全宽为几纳米.本文研制了中心波长为(1064±0.05) nm、半峰全宽为0.19 nm、峰值透过率可达70.2％的带通滤光片,并考察了不同温度(100,200,300℃)退火处理后滤光片的表面形貌和光谱特性的变化.实验结果表明:滤光片的表面光滑,受退火温度的影响很小;滤光片的透射光谱随着退火温度的升高向长波方向移动,在100℃退火处理3h的滤光片的光谱漂移量为0.03 nm,说明该滤光片可在温控条件有限的空间光学系统中使用.     

线性渐变滤光片光谱分光特性及检测方法研究

线性渐变滤光片(LVF)被广泛应用于各种小型快速分光测试设备中。分光特性进行研究,给出了其分光特性的高斯函数表达式,分析了各个参数与线性渐变滤光片中心透过率、谱线宽度和线性渐变系数等特性的关系。将光谱成像仪标定的单色仪法引入线性渐变滤光片的分光特性检测中,讨论了检测系统的敏感性,并给出了相应的误差容限公式。分析表明单色仪出射狭缝相对光轴平移量,以及滤光片倾斜角度对检测精度影响最大,实际测量中可通过光路和系统机构的调整达到精度要求。构建检测系统完成了对成品线性渐变滤光片分光特性的检测,结果表明对中心透过率的测量均方根误差小于0.05%,验证了方法的精确性,普适性,检测结果可为线性渐变滤光片相关系统的设计和标定提供参数指导。     

线性渐变滤光片光谱特征参数测试方法

为了能够精确地测量线性渐变滤光片的光谱特征参数,提出一种线性渐变滤光片的透过率检测方法.该方法在测量时,用光谱仪分别采集滤光前和滤光后的光信号,计算得到测量点的光谱透过率.调节微动位移平台,对滤光片样品进行多点扫描测量,数据处理后,得到线性渐变滤光片的光谱特征参数.推导了测试光谱透过率的理论公式,仿真结果表明该方法的测量精度随着线性色散系数的增大而减小,在线性色散系数小于1.5nm·mm-1时,该方法测量的中心透过率和带宽的误差小于0.4%.根据该测量方法设计了相应的检测系统,实际测量了线性渐变滤光片的光谱特征参数.     

近红外光谱仪器中滤光片波长组合的优选

如何快速、准确地进行滤光片波长组合的优选,是滤光片型近红外光谱仪器研究的一个关键技术.利用组合生成算法与多元线性回归分析相结合,并运用计算机编程语言分析了掺假山茶油的近红外光谱吸光度矩阵,优选出不同组合数下滤光片波长组合.该方法可在全光谱波长范围内快速的实现滤光片的优选,且建立的定量分析模型简单、精度高、稳定.     

基于光刻工艺的阶跃滤光片式微型分光器件研制

为了消除机械掩模的尺寸限制和阴影效应,采用基于光刻掩膜的组合刻蚀法来制备阶跃滤光片,并成功地实现了16×1通道阶跃滤光片式微型分光器件的制备,该分光器件中滤光片单元的宽度只有90 μm,总体尺寸不到2 mm.各滤光片通道分布在632.4 nm到739.6 nm之间,带宽均小于2.9 nm,透过率均高于70%.这样的阶跃滤光片最小单元尺寸可达微米量级,阴影效应可减小到微米甚至亚微米量级,与电荷耦合器件(CCD)完全匹配,可以作为微型分光器件来构建应用于空间等领域的微型光谱系统,从而促进相应光谱仪器的微型化.     

一种基于MEMS光栅光调制器的近红外光谱探测系统

基于微机电系统技术的近红外光谱探测系统已成为了近红外光谱仪研究的一个新方向。文章提出了一种基于光栅光调制器的新型近红外光谱探测系统。该系统采用微加工技术制造的光栅光调制器阵列与单点近红外探测器相结合使用的方法进行光谱探测。设计了该光谱探测系统的光学结构, 论述了系统光谱探测原理, 并使用经表面微加工工艺得到的光栅光调制器器件进行了系统分辨本领、波长准确性、系统稳定性、器件响应频率等特征参数测试实验。结果表明,该探测系统在1 320到1 400 nm波长范围内,分辨本领小于10 nm, 波长准确性小于1 nm, 系统稳定性小于0.5%, 光栅光调制器的响应频率为5kHz。实验结果证明了该近红外光谱探测系统的可行性, 为研制基于微机电系统光栅光调制器的微型化近红外光谱仪提供了理论基础及实验指导。     

短波红外平场光谱仪的波长定标

针对自行研制的短波红外平场光谱仪,讨论了波长定标的原理和方法.短波红外平场光谱仪由两个分光探测单元组成,探测单元以平场凹面光栅分光,处于焦平面上的线阵列探测器探测,波长定标分为两个波段进行.为了实现准确的波长定标,针对短波红外平场光谱仪的特点设计了波长定标步骤.双单色仪可以输出光谱仪波长范围内任意波长单色光,选用双单色仪作为光谱定标光源,双单色仪的输出单色光光潜分辨力为1.5 nm,经过光谱仪的分光会聚后成像在线阵列探测器像元上,采用重心法计算出给定波长对应的像元精确位置,通过多项式拟合得出两个探测单元的波长定标系数.定标结果表明,在900～2400 nm波长范围内,定标曲线拟合误差小于0.5 nm,波长定标不确定度优丁0.6 nm.     

分立波长型近红外光谱分析仪定标模型的优化

对于滤光片型或者二极管阵列型等采用非连续扫描方式工作的近红外光谱仪来说 ,如何快速、准确地进行定标波长的优选一直是很关键的问题 ,传统近红外定标波长的优选采用向前或者向后逐步多元线性回归方法 ,依据回归结果所给出的各个波长的t检验值进行定标波长的筛选 ,但是在实际应用中 ,被筛选掉的波长也可能是非常有用的定标波长 ,而增加波长的定标所给出的定标标准差往往会减小 ,但预测精度则不一定会提高。文章将组合数学中的组合生成算法和面向矩阵运算的计算机语言相结合运用于近红外最优回归定标波长的计算机选取 ,可以在较短的时间内完成最优波长组合的选取 ,由于最优波长组合的选取是在优选定标波长数一定的前提下进行比较而且以经回归定标分析确定定标标准差最小原则 ,所以由此得到的定标方程是稳健的。     

基于光谱吸收靶标的成像光谱仪光谱定标方法研究

中心波长和带宽是影响成像光谱仪数据定量化应用水平的两个重要光谱性能参数。针对覆盖光谱范围较窄的可见光与近红外波段成像光谱仪,提出了一种利用人工光谱吸收靶标进行光谱定标的方法,论证和建立光谱吸收靶标光谱定标方法的数学模型。在同一环境下利用成像光谱仪和ASD光谱仪对地面光谱吸收靶标进行准同步光谱测量,并进行反射率计算,然后通过光谱匹配计算中心波长偏移量和带宽变化量。利用该方法对设计带宽为6 nm的可见光与近红外波段的成像光谱仪进行了地面定标实验。实验结果表明,该方法能够作为外场光谱定标的辅助手段,提高成像光谱仪的定量化应用水平。     

基于多通道窄带滤光片和彩色图像传感器的实时多光谱成像系统

针对复染情况的出现,采用多通道窄带滤光片与彩色图像传感器相结合的方式,设计了一种多光谱成像方法.使用多通道窄带滤光片对光源进行分光,采用多元线性回归方法建立多光谱剥离模型,并对彩色图像传感器输出的多个单色光混叠响应进行剥离,通过FPGA实现多光谱图像的实时剥离运算和输出.实验结果表明:多通道窄带滤光片的半高宽为12nm/15nm/20nm,其透射光是三个不同波段的窄带单色光;在检验水平为0.01情况下的模型具有较高的准确性;具有相同光谱特征的物质在同一波段的灰度图像上特征一致,同一物质在不同波段上的灰度图像特性差异较大.     

中心波长121.6nm的真空紫外窄带滤光片设计和制备

采用双半波法布里-珀罗(F-P)干涉滤光片结构设计了中心波长在121.6 am的窄带滤光片,其峰值透射率为6.78%,通带半宽度为10.7 nm.通过设计、制备和测量峰值波长在217 nm的滤光片验证了设计用到的光学常数和膜厚定标都比较精确.在此基础上制备了121.6 nm的窄带滤光片,到合肥同步辐射实验室测量的结果是中心波长在120.74 nm,峰值透射率为5.94%,通带半宽度为12 nm.可以看出实际制备的滤光片和预先设计的基本吻合但还是有一定的偏差,最后对实际测量的和理论设计的偏差进行了分析.     

中空型平板波导红外光谱仪的波长定标

为了实现中空型平板波导小型红外光谱仪光谱数据的定量化,在分析实验室常用波长定标方法的基础上,搭建了一种基于CO_2激光器+积分球的波长定标装置。该装置的光谱定标范围宽,且具有较高的分辨率,克服了传统实验室定标方法的缺点,提高了定标精度。首先介绍了中空型平板波导红外光谱仪的工作原理,接着利用该定标装置对光谱仪进行波长定标,然后采用多项式拟合算法完成定标数据的分析,最后通过对两片窄带滤光片的测量完成定标结果的验证。实验结果表明:采用CO_2激光器+积分球组合的方式得到的波长定标方程,其中心波长定标误差不超过0.02μm,光谱分辨率可达144 nm。     

水体细菌微生物多波长透射光谱快速准确获取方法研究

为实现水体细菌微生物快速在线监测,搭建了多波长透射光谱快速测量实验系统,利用该系统分别测量了重铬酸钾标准溶液紫外波段及中性滤光片可见波段的透射光谱,并与紫外-可见分光光度计测得的透射光谱进行对比分析,验证了实验系统测量透射光谱的准确性;以水体中常见的金黄色葡萄球菌作为研究对象,利用搭建的实验系统获取金黄色葡萄球菌溶液在220～900 nm波段的前向小角度透射光谱,进一步验证了实验系统测量细菌微生物透射光谱的准确性和快速性。结果表明,由实验系统和紫外-可见分光光度计测得的重铬酸钾标准溶液,与中性滤光片紫外波段及可见波段透射光谱的线性拟合相关系数分别为0.999 7和0.999 5,光密度误差分别在5.00%和4.58%以内,说明两个系统测量光谱的一致性较好,所搭建的实验系统测量标准样品紫外-可见透射光谱准确度较高;对于金黄色葡萄球菌,实验系统测得的透射光谱经过校正后,与紫外-可见分光光度计测得的透射光谱线性拟合的相关系数为0.999 97,两者相比的光密度误差在0.74%以内;系统重复30次细菌光谱信号采集获得平均透射光谱单次测量时间为15 s,说明该实验系统相对于紫外-可见分光光度计能够快速准确获取水体细菌微生物多波长透射光谱,在保证测量结果准确的同时缩短了光谱测量时间,为水体细菌微生物快速检测提供技术支持。     

宽波段太阳辐照度仪光谱定标方法研究

宽波段太阳辐照度仪采用fèry棱镜分光,利用线阵CCD反馈控制光谱扫描,波长覆盖范围为400~2 500nm.为实现该仪器的高准确度光谱定标,在实验室内利用单波长激光器和OPO激光器分别作为光源.通过光谱扫描,得出定标波长与CCD像元的对应关系.根据棱镜参量和光路设计参量推导出全波段内光谱定标方程,实现全波段光谱定标.通过与其他特征波长比较,分析得出光谱定标合成不确定度优于0.5nm.用定标好的仪器进行室外测量,将测量结果与大气辐射传输软件modtran4模拟结果相比对,可得实际测量的大气吸收峰与模拟结果一致.将该方法在红外波长区域定标结果与传统的多项式拟合光谱定标方法对比,显示该定标结果优于传统多项式拟合方法.证明该定标方法的正确性和仪器设计的合理性.     

近红外微型光谱仪光学系统设计与模拟

基于光谱仪基本工作原理和光学设计理论,以系统微型化、且能满足一定光谱范围和分辨率要求为具体设计目标,提出了基于平面衍射光栅分光的交叉式C-T结构的近红外微型光谱仪光学系统结构方案。采用ZEMAX软件对近红外微型光谱仪的分光系统、成像系统进行了优化设计与模拟分析。最终设计与模拟分析结果表明,该光学系统光谱范围为900～1 700 nm,分辨率<10 nm,谱面展宽为12.74 mm,F数为8.128 388,系统体积为51.26 mm×41.81 mm×22 mm。     

近红外光谱烷烃类气体定量分析系统的研究

介绍了一种近红外光谱烷烃类气体在线定量分析测量方法.该方法以单片闪耀光栅为核心构成分光系统,分析计算了分光系统的关键参数,设计构建了硬件系统平台,完成了窄带光束实验测试和烷烃类七种单组分气体光谱探测实验.实验表明,入射狭缝为2 mm时,分光系统在中心波长1 200～1 800 nm波段内能够分离谱宽为10 nm的窄带光...     

宽谱段高分辨扫描光谱定标技术

为了满足原子发射光谱仪在紫外至近红外宽谱段范围内的高光谱分辨率快速检测需求,采用精密角位移平台直接驱动光栅,配合面阵探测器,实现高精度光谱分段快速扫描探测。但在扫描过程中,探测器像元波长增量与光栅转角呈非线性关系,且不同像元的波长增量不同,这对该光谱仪波长定标造成障碍。为校正光栅色散的非线性,基于光栅方程精确计算光栅转角与探测器首尾两端像元波长的映射关系,针对同一光栅转角,探测器其余像元波长利用首尾像元波长按照局部线性色散规律计算得到,从而完成全谱段光谱定标。依据定标所得转角与探测波段对应关系依次驱动光栅转动,实现宽谱段范围内的分段高精度光谱快速扫描探测。利用汞灯光源对该定标方法的波长检测精度进行检验,在200~800 nm的宽谱段范围内,波长准确度优于0.018 nm,波长重复性优于0.001 nm。