宽光谱高分辨率二维光谱信号探测系统设计

针对宽光谱范围高分辨率的中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路对二维光谱的探测需求,分析了探测器与光路系统的匹配关系,提出了面阵光谱探测系统的设计方法,设计了具有高灵敏度、低噪声等特点的二维光谱探测系统。该系统包括主控单元、探测器驱动单元、信号处理单元、数据存储单元以及数据传输单元等主要模块。以滨松S10141型CCD为核心设计的探测系统灵敏度高、动态范围大、信噪比高。结合中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路进行光谱探测实验,结果表明,该探测系统能在200～600 nm宽光谱范围内获得高分辨率二维光谱图像,在Hg灯253.652 nm处单色像斑覆盖5个像素,分辨率达到6.3 pm。     

轻小型中阶梯光栅光谱仪光学设计及性能分析

中阶梯光栅光谱仪采用中阶梯光栅与棱镜交叉色散结构,在像面形成二维光谱。影响中阶梯光栅光谱仪分辨率因素较多。分析了针孔直径、光栅参数、棱镜参数、CCD像素尺寸和像差对系统分辨率的影响,得到针孔、光栅、CCD是影响系统分辨率的主要因素,并推导三者在确定系统实际分辨率时相互制约的关系,从而设计一种高分辨率轻小型中阶梯光栅光谱仪。结果表明,轻小型中阶梯光栅光谱仪像差得到充分校正,分辨率达到设计要求。通过对拍摄的汞灯谱图进行还原与标定,实际分辨率为0.038 nm,达到目标值(0.05@ 200 nm)的要求。而普通的光栅光谱仪要达到这样的分辨率,其焦距是500 mm左右,充分体现轻小型的优势。     

新型便携式中阶梯光栅光谱仪光学设计与消杂散光研究

中阶梯光栅光谱仪凭借着高分辨率、小体积、全谱瞬态直读等优异特性成为了现代光谱仪器研究的热点和重点。为了进一步缩小它的体积,提高仪器信噪比和检出限,设计了一种新型结构的中阶梯光栅光谱仪,其折叠主光路的设计可以在不改变成像质量、不降低光谱分辨率的前提下减小仪器体积,光学尺寸小于165 mm×70 mm×65 mm,光谱分辨率为0.06 nm@200 nm。同时设计了挡板、光阑等结构减小仪器的杂散光,经过光线追迹仿真实验,新型中阶梯光栅光谱仪杂散光低于2×10-5,显著地提高了仪器的信噪比。     

二维全谱高分辨中阶梯光谱仪光学系统设计

传统的罗兰圆光谱仪和Czerny-Turner型光谱仪常常采用刻线密的光栅和大的成像焦距,来提高其光谱分辨率,其结果导致成本高和仪器体积庞大。为了克服这一缺点,提出了一种中阶梯光栅和低色散棱镜相结合的光谱仪光学系统设计方法。具体分析了中阶梯光栅的基本原理和使用方法,给出设计基于中阶梯光栅的光谱仪基本步骤,并且实际设计了基于中阶梯光栅的高分辨光谱仪光学系统,焦距为400 mm,可在全谱工作波段180~800 nm成二维光谱。Zemax光学设计软件对光学系统进行光线追迹结果表明,该系统环围能量在单个CCD像素(24 mm×24 mm)内达到50%~70%以上,200 nm处分辨率可达0.00675 nm,完全满足设计指标要求。     

小型分段式高分辨率中阶梯光栅光谱仪的设计

由于棱镜具有色散不均匀的特点,中阶梯光栅光谱仪的二维谱图在长波波段不可避免地存在相邻衍射级次间相互干扰的情况。为了克服这一缺点,同时充分利用探测器像面,设计了一种小型分段式的中阶梯光栅光谱仪。通过对中阶梯光栅和棱镜色散原理的详细分析,确定了二者参数与探测器之间的关系,结合双缝间隔设计方法,采用双狭缝切换的方式,给出分段式中阶梯光栅光谱仪的设计方法。利用此方法将系统的波段范围165～800 nm分为165～230 nm和210～800 nm两部分,焦距设计为200 mm,分别采集双波段的二维谱图。使用光学设计软件对光学系统进行仿真,结果表明,200 nm处的实际光谱分辨率可达0.015 nm,满足设计指标的要求。     

基于离轴三反光学系统的高分辨率中阶梯光栅光谱仪

基于离轴三反光学系统和多列线阵探测器,设计了一种具有宽波段高光谱分辨率的中阶梯光栅光谱仪.首先,以仪器性能指标为约束优化中阶梯光栅的结构参数,使光栅在保证高色散的同时将宽工作波段折叠重合在较小的光谱级次内,并采用多列线阵探测器采集信号.然后,以离轴三反光学系统作为会聚镜,以离轴抛物镜作为准直镜,实现了高色散宽自由光谱的像差校正.最终,设计的中阶梯光栅光谱仪工作波段为400～900 nm,F数为4.5,光谱分辨率在402.31,541.82,870.48 nm时分别为0.003,0.004,0.005 nm,系统体积为380 mm×325 mm×230 mm.     

高分辨率中阶梯光栅光谱仪精确装调与标定

中阶梯光栅光谱仪是一种高分辨率、高精度新型光谱仪器,其分辨率可达到几万至几十万,结构参数的微小偏差严重影响着其分辨率和波长标定精度,所以精确的装调方法是保证中阶梯光栅光谱仪性能指标的重要环节之一。针对中阶梯光栅光谱仪的结构特点,对中阶梯光栅光谱仪精确装调方法进行了研究。该方法简便、快捷,适用于小体积、封闭式结构设计的中阶梯光栅光谱仪。通过该方法的装调,使中阶梯光栅光谱仪工作状态与设计结果一致。给出了最终波长标定结果,其波长标定误差小于0.002 nm,满足系统性能要求。     

中阶梯光栅光谱仪的多谱线联合在线定标方法

为了提高中阶梯光栅光谱仪光谱定标的效率和精度,基于谱图还原算法,提出了利用汞灯多条特征谱线联合定标的思想,设计了中阶梯光栅光谱仪的在线定标算法。以汞灯为定标光源进行光谱定标实验,结果表明该算法在谱图偏差不超过限定范围时可以自动修正谱图还原模型,选择的定标波长越多、分布越均匀,定标精度越高。对于250~600nm波段内的中阶梯光栅光谱仪,选择5个以上的定标波长可以使定标精度达到仪器理论分辨率0.01nm。该方法实现了中阶梯光栅光谱仪的自动化光谱定标,使光谱仪在保证高光谱分辨率的前提下更具实用性,具有工程应用价值。     

中阶梯光栅光谱仪信号光斑位置的质心提取算法

中阶梯光栅光谱仪二维谱图中,信号光斑位置的提取精度直接影响光谱分析精度,是中阶梯光栅光谱仪研制中的关键问题之一。为保证中阶梯光栅光谱仪的高分辨率特征(其分辨率一般为几千以上,本仪器光谱分辨率为15 000),信号光斑的位置提取误差应小于0.03mm(小于2个像素)。在分析中阶梯光栅光谱仪谱图特征的基础上,提出了一种基于质心法的信号光斑位置提取算法,即通过搜索信号光斑探测窗口进行光斑判读以及信号光斑质心计算,实现了信号光斑位置的精确读取。实验结果表明,采用该算法可以有效地去除噪声光斑的干扰,实现信号光斑位置的快速精确读取,位置提取误差小于2个像素,波长误差小于0.02nm,满足本仪器要求。     

C-T型棱镜透射式中阶梯光栅光谱仪谱图还原模型

中阶梯光栅光谱仪通过交叉色散形成的二维光谱图,无法直接对入射光的波长进行光谱标定。为此,建立了C-T型棱镜透射式中阶梯光栅光谱仪的谱图还原模型,分别分析了棱镜和光栅色散方向的色散规律以及棱镜与光栅之间的相互作用关系,并且建立了波长与像面坐标的关系表达式。根据该类中阶梯光栅光谱仪的光路结构特点,以及光束在各个光学元件的传输特性,校正各光学元件引入的坐标计算误差,最终精确计算出波长所对应的像面坐标,完成谱图还原模型的建立。通过该方法建立的模型可快速准确地对该类型中阶梯光栅光谱仪二维谱图进行谱图还原及波长标定,模型的计算误差小于一个像元。     

基于中阶梯光栅光谱仪的激光诱导等离子体分析系统研究

为了满足激光诱导等离子体分析系统(LIPS)对分光系统的分辨率,光谱范围,体积等多方面要求。本文研制了一台中阶梯光栅光谱仪,该光谱仪能同时获得所有谱段范围内的光谱信息,令LIPS系统可实现快速在线实时分析。并且,该光谱仪采用可调节延迟时间的ICCD作为后端探测器,令整个系统可根据实际实验情况选择最优延迟时间接收光谱,提高了整个系统的信噪比。最后,搭建了一套激光诱导等离子体分析系统,对研制的中阶梯光栅光谱仪在系统中的可用性进行验证。通过对合金样品测试,整个系统的分辨率达0.02 nm,光谱范围覆盖190～600 nm。并且研制的LIPS系统光谱重复性较好,特征元素波长提取误差不超过0.01 nm,可较准确的对样品成分进行分析。     

基于谱图还原的中阶梯光栅光谱仪有效波长提取算法

中阶梯光栅光谱仪具有高色散、高分辨率、宽波段、全谱瞬态直读等诸多优点,是先进光谱仪器的代表之一。在中阶梯光栅光谱仪民用化、商品化的发展趋势之下,其二维谱图图像处理的地位越来越重要。目前,国内一般先利用质心提取算法计算光斑质心再结合谱图还原算法计算有效波长,但这种方法难以达到较为理想的要求。为了提升运算速度、波长提取精度以及成像误差补偿能力,提出了基于谱图还原的有效波长提取算法。利用谱图还原算法,将探测器拍摄的二维谱图转换为一维图,通过改进的直方图双峰法选取阈值对一维图降噪,实现了二维谱图中全部有效(x, y)点对应波长的一次性提取。先将二维谱图转换为一维图进行图像处理,使算法在提升运算速度的基础上提取精度也得到了改善,还可以对一定范围内的成像误差进行补偿。采用标准汞灯作为待测光源开展了中阶梯光栅光谱仪成像实验,并使用该算法进行数据处理。实验结果表明,不仅能够自动补偿光谱仪0.05 μm(两个像元)以内的成像偏差,而且能在精确提取有效波长的基础上大幅提升运算速度,波长误差小于0.02 nm,满足中阶梯光栅光谱仪图像处理的要求。     

宽谱段共光轴线色散成像光谱仪三棱镜分光系统设计

针对棱镜型成像光谱仪结构复杂、具有严重的色散不均匀性,进行了共光轴线色散棱镜式宽谱段成像光谱仪研究。利用棱镜的色散公式建立了对称型三棱镜组合分光结构的数学模型,获得了满足直视结构的棱镜组合,并在此基础上分析影响棱镜组色散线性因素：棱镜材料的折射率和色散率对棱镜组线色散影响比较大,入射角度对其影响比较小,并提出改善色散线性的方法,获得了满足线色散要求的棱镜组合的折射率条件,从而为共光轴结构的线色散棱镜式成像光谱仪初始结构的选择提供了重要理论依据。在工作波段为400~1 000 nm、中心波长偏向角为0°、最大色散角为0.6°、光谱仪系统数值孔径NA为0.18、光谱分辨率为5 nm条件下,实现共光轴三棱镜分光系统的线色散设计,最后利用ZEMAX进行了模拟分析表明,理论计算结果与实际仿真结果基本相符。     

中阶梯光栅衍射效率及杂散光检测系统设计

中阶梯光栅具有刻线密度低、闪耀角度大、衍射级次高、光谱范围宽、色散率大、光谱分辨率高等一系列突出优点,近年来由于其优良的性能而倍受青睐。作为评价中阶梯光栅质量的衍射效率和杂散光系数直接体现了中阶梯光栅的光学性能,能够准确地进行中阶梯光栅衍射效率和杂散光系数的测量是光栅应用的前提。鉴于此,基于中阶梯光栅的衍射理论创造性地提出用一套系统对中阶梯光栅的衍射效率和杂散光系数进行检测,该系统引入双轨结构,具有结构简单新颖、一机多能等优点。通过理论分析和计算,确定了检测系统的结构参数,设计结果表明： 该检测系统可用于测量190～1 100 nm光谱范围内的中阶梯光栅绝对衍射效率,同时也可用于测量200～800 nm光谱范围内的中阶梯光栅杂散光系数,实现了将衍射效率测量和杂散光测量集于一体的设计思想。     

Wavelength-dispersive device based on a Fourier-transform Michelson-type arrayed waveguide grating

We propose a new type of arrayed waveguide grating (AWG) device that operates as a Fourier-transform (FT) spectrometer without the need of scanning elements. The large input aperture size typical of a FT spectrometer eliminates the requirement for a narrow single-mode input waveguide while still achieving high spectral resolution with a markedly increased light-gathering capability (etendue). An example of the device with a resolution of 0.07 nm (approximately 10 GHz) and designed for a silicon-on-insulator platform is presented. The calculated spectra show no noticeable deterioration for aperture widths as large as 40 microm, yielding more than a 50-fold increase in aperture size compared with conventional AWG or echelle grating based devices at the equivalent resolution.     

基于中阶梯光栅的波长定标方法研究

波长定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础。针对星载大气微量成分探测仪视场大、波长宽、空间分辨率和波长分辨率高的特点,建立了基于中阶梯衍射光栅的波长定标装置。中阶梯光栅因其较少的线密度和较大的闪耀角工作在较高的闪耀级次,光谱范围宽且具有较高的分辨率,可在工作波段内一次性输出多条分布较为均匀的谱线,克服了传统定标方式的缺点,提高了定标精度。本文首先介绍了波长定标装置的工作原理,接着利用该装置对高光谱大气微量成份探测仪进行波长定标,通过寻峰和回归分析给出载荷的波长定标方程,并利用标准汞灯谱线对定标结果进行检验。结果表明:高光谱大气微量成份探测仪的像元和波长近似满足线性分布规律,定标不确定度为0.025 8 nm,汞灯特征谱线的定标值和标准值偏差最大不超过0.043 5 nm,证明了定标结果的准确性。