[發(fā)明專(zhuān)利]基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310424250.3
• 申請(qǐng)日: 2013-09-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103471717A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郝鵬;吳一輝;遲明波;劉永順
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
• 主分類(lèi)號(hào): G01J3/36
• 分類(lèi)號(hào): G01J3/36;G01J3/04
• 代理公司: 長(zhǎng)春菁華專(zhuān)利商標(biāo)代理事務(wù)所 22210
• 代理人: 王丹陽(yáng)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光譜分析儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀。

背景技術(shù)

光譜儀是光學(xué)檢測(cè)的重要儀器，是通過(guò)對(duì)光譜的測(cè)量分析來(lái)完成對(duì)物質(zhì)的成分及結(jié)構(gòu)等測(cè)量的通用設(shè)備，具有測(cè)量速度快、精度高、無(wú)損測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，伴隨著材料學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、光電子學(xué)、半導(dǎo)體加工技術(shù)的發(fā)展，尤其是光譜學(xué)與分析化學(xué)的結(jié)合使得光譜儀器開(kāi)始得到廣泛的應(yīng)用，目前已經(jīng)廣泛使用的領(lǐng)域有材料化學(xué)、石油化工、光學(xué)檢測(cè)、天文研究、環(huán)境保護(hù)、資源探測(cè)和航空航天等領(lǐng)域。

光譜儀的分辨率是光譜測(cè)量中至關(guān)重要的指標(biāo)，它表示將波長(zhǎng)極為接近的譜線(xiàn)分開(kāi)的能力，反映光譜超精細(xì)結(jié)構(gòu)測(cè)量的程度，因此，光譜分辨率是光譜儀最關(guān)鍵的性能指標(biāo)之一。目前的光譜儀一般采用光電陣列探測(cè)器（如CCD）作為接收器件，可以對(duì)一個(gè)寬波段范圍內(nèi)的光譜同時(shí)成像，而不需要復(fù)雜、精密的光柵掃描機(jī)構(gòu)。光電陣列探測(cè)器由一系列像敏單元（簡(jiǎn)稱(chēng)像元）組成，它是通過(guò)對(duì)探測(cè)器面上的光譜強(qiáng)度輪廓采樣來(lái)獲取光譜信息的。因?yàn)楣怆婈嚵刑綔y(cè)器上每個(gè)像元都是有一定大小的，每個(gè)采樣點(diǎn)不是數(shù)學(xué)意義上的點(diǎn)，采樣點(diǎn)的值實(shí)際上是像敏單元內(nèi)光能量的積分，所以，實(shí)際的采樣過(guò)程是積分采樣過(guò)程，符合采樣定理，抽樣頻率越高，光譜分辨率也就越高，但是，受測(cè)量結(jié)果信噪比和制作工藝的制約，像元尺寸的減小余地是很有限的，如在0.35μmCMOS工藝下，探測(cè)器像元的極限尺寸約為5μm，而且越接近極限尺寸，代價(jià)也越難以承受。

為了解決上述問(wèn)題，人們提出了一種采用亞像元超分辨技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光譜儀，其原理如圖1所示，該光譜儀中，光線(xiàn)通過(guò)透鏡7聚焦后再通過(guò)半透半反的分光棱鏡8分別成像在兩個(gè)線(xiàn)陣CCD芯片上，分光棱鏡8將兩個(gè)線(xiàn)陣CCD芯片的像元在線(xiàn)陣的排列長(zhǎng)度方向上用光學(xué)的方法使之相互錯(cuò)位1／2個(gè)像元，即相當(dāng)于將第二片CCD芯片10的所有像元依次插入第一片CCD芯片9的像元間隙中，從而提高探測(cè)器的采樣頻率。這種拼接方式，對(duì)兩片CCD芯片的拼接精度提出了更高的要求，兩片CCD芯片像元之間的位置度誤差相對(duì)于理想位置的偏差不能大于像元尺寸的1／10，這就大大增加了裝調(diào)測(cè)試的難度，裝調(diào)時(shí)的誤差會(huì)嚴(yán)重影光譜儀的分辨率，使之達(dá)不到要求的超分辨率。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有采用亞像元技術(shù)實(shí)現(xiàn)超分辨的光譜儀存在的裝調(diào)工藝要求高、難度大的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀。

本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下：

基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀，由入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、光柵、聚焦鏡、光電探測(cè)器和與所述光電探測(cè)器相連的計(jì)算機(jī)組成；所述入射狹縫為N階陣列狹縫，所述入射狹縫對(duì)入射光線(xiàn)進(jìn)行空間濾波，使入射光線(xiàn)寬度按照光學(xué)系統(tǒng)要求的寬度入射到準(zhǔn)直鏡上，光線(xiàn)依次經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直、光柵分光、聚焦鏡聚焦后成像在光電探測(cè)器上，在垂直于光譜維方向上獲得N幅具有亞像元位移的低分辨率光譜圖，計(jì)算機(jī)對(duì)光電探測(cè)器采集的光譜圖信息進(jìn)行信息融合，利用遞推算法求取亞像元值從而構(gòu)建出一幅高分辨率的光譜圖，其中，所述N為正整數(shù)且N≥2。

所述入射狹縫采用半導(dǎo)體硅材料或玻璃材料通過(guò)微機(jī)械工藝制作而成。

所述光電探測(cè)器采用面陣CCD、CMOS面陣成像探測(cè)器或InGaAs面陣成像探測(cè)器。

所述光電探測(cè)器上垂直于光譜維方向上的陣列數(shù)為N的整數(shù)倍，N為正整數(shù)且N≥2。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的超分辨光譜儀通過(guò)設(shè)計(jì)N階狹縫陣列，在光電探測(cè)器5上得到N（N為正整數(shù)且N≥2）幅低分辨率光譜圖，利用遞推算法求取亞像元值并構(gòu)建出一幅高分辨率的光譜圖，在不減小入射光通量的情況下，提高了光譜儀的光譜分辨率，而且不需要對(duì)光譜儀中的光電探測(cè)器進(jìn)行裝調(diào)測(cè)試以及省去了CCD芯片的拼接步驟，因而降低了高分辨率光譜儀的制作成本和裝調(diào)難度。

本發(fā)明無(wú)需采用過(guò)小尺寸像元的探測(cè)器，就可獲得很高的光譜分辨率，測(cè)量范圍為紫外—可見(jiàn)—近紅外波段。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有的亞像元超分辨光譜儀的原理示意圖；

圖2為本發(fā)明的基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為多狹縫陣列中的三階狹縫陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為通過(guò)本發(fā)明的基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀獲得高分辨率光譜圖的原理示意圖。

圖中：1、入射狹縫，2、準(zhǔn)直鏡，3、光柵，4、聚焦鏡，5、光電探測(cè)器，6、計(jì)算機(jī)，7、透鏡，8、分光棱鏡，9、第一片CCD芯片，10、第二片CCD芯片。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。