一种基于法布里珀罗干涉仪的超光谱分辨光谱仪

1.本发明涉及光谱技术领域，尤其涉及一种基于法布里珀罗干涉仪的超光谱分辨光谱仪。


背景技术：

2.光谱仪器广泛引用于理化分析、生物样品、半导体材料检测，光学检测，材料检测和环境监测等领域。
3.现有的光谱仪器主要有光栅光谱仪、棱镜光谱仪和傅里叶光谱仪。其中，光栅光谱仪主要依靠衍射光栅低级次干涉分光，光谱分辨率受限于衍射光栅刻线数、聚焦透镜焦距及探测器尺寸；高分辨率的光栅光谱仪往往需要密集的光栅刻线配合大尺寸光栅及长聚焦透镜，因而尺寸较大、成本较高，同时光谱范围受限于探测器尺寸，难以实现宽波段范围高光谱分辨率。棱镜光谱仪依靠折射分光，不会出现光谱混叠，但分辨率也较差。傅里叶光谱仪依靠干涉分光，对干涉强度进行傅里叶变换，可以实现高光谱分辨率，但仪器需要高精度的机械控制，一般体积较大、成本较高。
4.因此，目前急需研究出一种具有高光谱分辨率、宽光谱范围，且成本相对较低、体积相对较小的光谱仪器。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于法布里珀罗干涉仪的超光谱分辨光谱仪，该光谱仪结合法布里珀罗干涉仪一级分光系统和二级光谱阶次选择系统，并利用二维探测器接收二维高分辨光谱图，实现超光谱分辨的光谱仪，有效解决了现有光谱仪器存在的难以实现高光谱分辨率、宽光谱范围，且成本相对较高、体积相对较大的问题。
6.本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
7.一种基于法布里珀罗干涉仪的超光谱分辨光谱仪，包括光学导入系统、法布里珀罗干涉仪一级分光系统、二级光谱阶次选择系统和二维面阵探测系统；
8.所述光学导入系统包括入射狭缝、准直透镜；所述入射狭缝用于接收待测光束进入光谱仪系统，并将光束通过准直透镜投射到所述法布里珀罗干涉仪一级分光系统中；
9.所述法布里珀罗干涉仪一级分光系统包括法布里珀罗干涉仪；所述法布里珀罗干涉仪用于接收来自准直透镜的不同角度的平行光束，并通过干涉光谱的角度依赖性进行一级分光；
10.所述二级光谱阶次选择系统包括光栅或滤光片器件，用于将由所述法布里珀罗干涉仪一级分光系统分离出的混叠光谱在一个空间维度上进行二次选择；
11.所述二维面阵探测系统用于接收来自二级光谱阶次选择系统的粗分辨光谱信号，以及，来自法布里珀罗干涉仪一级分光系统所过滤出的高分辨光谱信号。
12.作为本发明的优选方式之一，所述光学导入系统的入射狭缝位于准直透镜焦平面处；由所述入射狭缝不同空间位置进入的光束，经由所述准直透镜形成不同角度的平行光
束。
13.作为本发明的优选方式之一，光束角度由公式i确定：
14.α＝arctan(d/f)公式i；
15.式中，d为入射狭缝上空间点的高度，f为准直透镜焦距，α为光束角度。
16.作为本发明的优选方式之一，所述法布里珀罗干涉仪一级分光系统位于所述光学导入系统后方，根据公式ii进行光谱选择：
[0017][0018]
式中，α为光束进入法布里珀罗干涉仪的角度，r为法布里珀罗干涉仪镜面反射率，d为法布里珀罗干涉仪镜面间距，t为光谱透过率；
[0019]
经过法布里珀罗干涉仪后，不同空间位置接收不同角度透过的光谱，进而提取超高分辨光谱信息。
[0020]
作为本发明的优选方式之一，所述二级光谱阶次选择系统位于所述法布里珀罗干涉仪一级分光系统后方，利用所述光栅或滤光片器件分离来自所述法布里珀罗干涉仪一级分光系统的混叠高分辨光谱。
[0021]
作为本发明的优选方式之一，所述二维面阵探测系统具有两个空间维度，其中的一个空间维度用于接收来自所述二级光谱阶次选择系统中光栅或滤光片器件的粗分辨光谱选择信号，另一个空间维度用于接收来自所述法布里珀罗干涉仪一级分光系统中由法布里珀罗干涉仪光谱角度依赖性所过滤出的高分辨光谱信号。
[0022]
作为本发明的优选方式之一，通过对所述二维面阵探测系统接收的高分辨光谱以及粗分辨光谱进行拼接，即得宽带高分辨光谱。
[0023]
作为本发明的优选方式之一，所述法布里珀罗干涉仪一级分光系统与二级光谱阶次选择系统之间还设置有光学耦合系统。
[0024]
作为本发明的优选方式之一，所述光学耦合系统包括耦合透镜、二次狭缝和二次准直透镜；所述耦合镜头将来自法布里珀罗干涉仪一级分光系统不同角度的空间光汇聚到二次狭缝；所述二次狭缝位于二次准直透镜焦点处，限制接收到的不同角度的空间光经过二次准直透镜准直后以平行光形式进入的所述二级光谱阶次选择系统。
[0025]
工作原理：
[0026]
利用法布里珀罗干涉高阶干涉进行一次光谱选择，利用法布里珀罗干涉仪透射谱的角度依赖性将不同波长的高阶混叠谱聚焦于不同空间点，利用光栅/滤光片器件进行二次光谱选择，在一个方向的空间维度上进行低阶光谱滤光，最终在二维探测器上接收到包含超高分辨率的光谱信息的二维谱图，将由法布里珀罗干涉仪单个自由光谱范围内的高分辨光谱与光栅/滤光片器件宽波段光谱拼接，得到宽波段、高光谱分辨的光谱信息。
[0027]
本发明相比现有技术的优点在于：
[0028]
(1)光栅/滤光片器件仅作为光谱阶次选择器件，精细的光谱分辨率由法布里珀罗干涉仪(f-p)高阶干涉提供，因而相对于以增加光栅刻线数提高光谱分辨率的光谱仪，本发明实现成本更低；
[0029]
(2)传统高分辨光谱仪仅能提供窄波段范围内的高分辨光谱(通过增加聚焦透镜
焦距)，本发明利用光栅/滤光片器件做粗分辨率光谱选择，利用法布里珀罗干涉仪(f-p)在单个光栅光谱通道内再次细分光谱，可以实现宽波段范围内高分辨光谱获取，且体积较小(不需要长焦距聚焦镜头)。
附图说明
[0030]
图1是实施例1中基于法布里珀罗干涉仪的超光谱分辨光谱仪的立体结构示意图；
[0031]
图2是实施例1中基于法布里珀罗干涉仪的超光谱分辨光谱仪的正视结构示意图；
[0032]
图3是实施例2中基于法布里珀罗干涉仪的超光谱分辨光谱仪的正视结构示意图；
[0033]
图4是实施例2中基于法布里珀罗干涉仪的超光谱分辨光谱仪的俯视结构示意图；
[0034]
图5是实施例3中基于法布里珀罗干涉仪的超光谱分辨光谱仪的正视结构示意图；
[0035]
图6是实施例1、2、3中法布里珀罗干涉仪的光谱透过率；
[0036]
图7是实施例1、2、3中法布里珀罗干涉仪的光谱透过率随角度变化图；
[0037]
图8是实施例1、2中二维探测器像面接收到的光栅分光和基于法布里珀罗干涉仪的超光谱分辨光谱仪的光谱图。
[0038]
图中：1为光学导入系统，11为入射狭缝，12为准直透镜，2为法布里珀罗干涉仪一级分光系统，21为法布里珀罗干涉仪，3为二级光谱阶次选择系统，31为衍射光栅，32为聚焦镜头，33为聚焦透镜，34为线性渐变滤光片，4为二维面阵探测系统，41为二维探测器，5为光学耦合系统，51为耦合透镜，52为二次狭缝，53为二次准直透镜。
具体实施方式
[0039]
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0040]
实施例1
[0041]
如图1-2所示，本实施例的一种基于法布里珀罗干涉仪的超光谱分辨光谱仪，沿光路方向依次包括光学导入系统1、法布里珀罗干涉仪一级分光系统2、二级光谱阶次选择系统3和二维面阵探测系统4。其中，光学导入系统1包括入射狭缝11和准直透镜12；法布里珀罗干涉仪一级分光系统2包括法布里珀罗干涉仪21；二级光谱阶次选择系统3包括衍射光栅31和聚焦镜头32；二维面阵探测系统4包括二维探测器41。
[0042]
进一步地，在本实施例中，入射狭缝11位于准直透镜12焦平面处，用于接收待测光束进入光谱仪系统。入射狭缝11将光束限制为线状，经由准直透镜12准直为垂直于入射狭缝11方向的平行光，平行于入射狭缝11方向光束角度随入射狭缝11空间位置变化。
[0043]
由入射狭缝11不同空间位置进入的光束经由准直透镜12形成不同角度的平行光束。光束角度由公式i确定：
[0044]
α＝arctan(d/f)
ꢀꢀꢀ
公式i；
[0045]
式中，d为入射狭缝11上空间点的高度，f为准直透镜12焦距，α为光束角度。
[0046]
进一步地，在本实施例中，法布里珀罗干涉仪21位于准直透镜12后方，用于接收来自准直透镜12的不同角度的平行光束，并通过干涉光谱的角度依赖性进行一级分光。
[0047]
具体地，法布里珀罗干涉仪21根据公式ii(法布里珀罗干涉仪透过率公式)将不同
角度进入的光分散到不同的波长：
[0048][0049]
式中，α为光束进入法布里珀罗干涉仪21的角度，r为法布里珀罗干涉仪21镜面反射率，d为法布里珀罗干涉仪21镜面间距，t为光谱透过率。
[0050]
本实施例法布里珀罗干涉仪21的透过率如图6～7所示，由法布里珀罗干涉仪21一级分光产生高光谱分辨率的混叠光谱。
[0051]
进一步地，在本实施例中，衍射光栅31对来自法布里珀罗干涉仪21的高光谱分辨率混叠光谱进行二级光谱阶次选择，根据公式iii(光栅线色散公式)选取合适角度的聚焦镜头32，将不同波长的光分散到不同空间位置，只有衍射光栅31衍射分光的波段范围与且处于法布里珀罗干涉仪21光谱透过峰位置时对应的透过峰光谱才能透过。
[0052][0053]
式中，f为聚集透镜焦距，m为光栅干涉级次，θ为光栅衍射角，λ为波长，l为相邻谱线间距离。
[0054]
进一步地，在本实施例中，二维探测器41具有两个空间维度，其中一个空间维度接收来自所述二级光谱阶次选择系统3的粗分辨光谱选择通道，另一个空间维度接收来自所述法布里珀罗干涉仪一级分光系统2中由法布里珀罗干涉仪21光谱角度依赖性所过滤出的高分辨光谱信号。
[0055]
本实施例二维探测器41像面接收到的光栅分光和基于法布里珀罗干涉仪21的超光谱分辨光谱仪的光谱图如图8所示。
[0056]
通过对二维探测器41接收的高分辨光谱以及粗分辨光谱进行拼接，即得宽带高分辨光谱。
[0057]
实施例2
[0058]
如图3-4所示，本实施例的一种基于法布里珀罗干涉仪的超光谱分辨光谱仪，沿光路方向依次包括光学导入系统1、法布里珀罗干涉仪一级分光系统2、光学耦合系统5、二级光谱阶次选择系统3和二维面阵探测系统4。其中，光学导入系统1包括入射狭缝11和准直透镜12；法布里珀罗干涉仪一级分光系统2包括法布里珀罗干涉仪21；二级光谱阶次选择系统3包括衍射光栅31和聚焦镜头32；二维面阵探测系统4包括二维探测器41；光学耦合系统5包括耦合透镜51、二次狭缝52和二次准直透镜53。
[0059]
进一步地，在本实施例中，入射狭缝11位于准直透镜12焦平面处，用于接收待测光束进入光谱仪系统。入射狭缝11将光束限制为线状，经由准直透镜12准直为垂直于入射狭缝11方向的平行光，平行于入射狭缝11方向光束角度随入射狭缝11空间位置变化。
[0060]
由入射狭缝11不同空间位置进入的光束经由准直透镜12形成不同角度的平行光束。光束角度由公式i确定：
[0061]
α＝arctan(d/f)
ꢀꢀꢀ
公式i；
[0062]
式中，d为入射狭缝11上空间点的高度，f为准直透镜12焦距，α为光束角度。
[0063]
进一步地，在本实施例中，法布里珀罗干涉仪21位于准直透镜12后方，用于接收来
自准直透镜12的不同角度的平行光束，并通过干涉光谱的角度依赖性进行一级分光。
[0064]
具体地，法布里珀罗干涉仪21根据公式ii(法布里珀罗干涉仪透过率公式)将不同角度进入的光分散到不同的波长：
[0065][0066]
式中，α为光束进入法布里珀罗干涉仪21的角度，r为法布里珀罗干涉仪21镜面反射率，d为法布里珀罗干涉仪21镜面间距，t为光谱透过率。
[0067]
本实施例法布里珀罗干涉仪21的透过率如图6～7所示，由法布里珀罗干涉仪21一级分光产生高光谱分辨率的混叠光谱。
[0068]
进一步地，在本实施例中，耦合镜头51将来自法布里珀罗干涉仪21不同角度的空间光汇聚到二次狭缝52；所述二次狭缝52位于二次准直透镜53焦点处，限制接收到的不同角度的空间光经过二次准直透镜53准直后以平行光形式进入其后方的二级光谱阶次选择系统3。
[0069]
进一步地，在本实施例中，衍射光栅31对来自光学耦合系统5的高光谱分辨率混叠光谱进行二级光谱阶次选择，根据公式iii(光栅线色散公式)选取合适角度的聚焦镜头32，将不同波长的光分散到不同空间位置，只有衍射光栅31衍射分光的波段范围与且处于法布里珀罗干涉仪21光谱透过峰位置时对应的透过峰光谱才能透过。
[0070][0071]
式中，f为聚集透镜焦距，m为光栅干涉级次，θ为光栅衍射角，λ为波长，l为相邻谱线间距离。
[0072]
进一步地，在本实施例中，二维探测器41具有两个空间维度，其中一个空间维度接收来自所述二级光谱阶次选择系统3的粗分辨光谱选择通道，另一个空间维度接收来自所述法布里珀罗干涉仪一级分光系统2中由法布里珀罗干涉仪21光谱角度依赖性所过滤出的高分辨光谱信号。
[0073]
本实施例二维探测器41像面接收到的光栅分光和基于法布里珀罗干涉仪21的超光谱分辨光谱仪的光谱图如图8所示。
[0074]
通过对二维探测器41接收的高分辨光谱以及粗分辨光谱进行拼接，即得宽带高分辨光谱。
[0075]
实施例3
[0076]
如图5所示，本实施例的一种基于法布里珀罗干涉仪的超光谱分辨光谱仪，沿光路方向依次包括光学导入系统1、法布里珀罗干涉仪一级分光系统2、二级光谱阶次选择系统3和二维面阵探测系统4。其中，光学导入系统1包括入射狭缝11和准直透镜12；法布里珀罗干涉仪一级分光系统2包括法布里珀罗干涉仪21；二级光谱阶次选择系统3包括聚焦透镜33和线性渐变滤光片34；二维面阵探测系统4包括二维探测器41。
[0077]
进一步地，在本实施例中，入射狭缝11位于准直透镜12焦平面处，用于接收待测光束进入光谱仪系统。入射狭缝11将光束限制为线状，经由准直透镜12准直为垂直于入射狭缝11方向的平行光，平行于入射狭缝11方向光束角度随入射狭缝11空间位置变化。
[0078]
由入射狭缝11不同空间位置进入的光束经由准直透镜12形成不同角度的平行光束。光束角度由公式i确定：
[0079]
α＝arctan(d/f)
ꢀꢀꢀ
公式i；
[0080]
式中，d为入射狭缝11上空间点的高度，f为准直透镜12焦距，α为光束角度。
[0081]
进一步地，在本实施例中，法布里珀罗干涉仪21位于准直透镜12后方，用于接收来自准直透镜12的不同角度的平行光束，并通过干涉光谱的角度依赖性进行一级分光。
[0082]
具体地，法布里珀罗干涉仪21根据公式ii(法布里珀罗干涉仪透过率公式)将不同角度进入的光分散到不同的波长：
[0083][0084]
式中，α为光束进入法布里珀罗干涉仪21的角度，r为法布里珀罗干涉仪21镜面反射率，d为法布里珀罗干涉仪21镜面间距，t为光谱透过率。
[0085]
本实施例法布里珀罗干涉仪21的透过率如图6～7所示，由法布里珀罗干涉仪21一级分光产生高光谱分辨率的混叠光谱。
[0086]
进一步地，在本实施例中，聚焦透镜33将来自法布里珀罗干涉仪一级分光系统2不同角度的空间光汇聚到二维探测器41靶面上；线性渐变滤光片34位于二维探测器41前方，将二维探测器41的像素按波长在一个空间维度上线性分离，不同空间位置像素点接收不同波段的光强，经由法布里珀罗干涉仪21角度分离的高光谱分辨率的透过光谱在另一个空间维度对线性渐变滤光片34粗分辨的光谱通道进行二次细分。
[0087]
进一步地，在本实施例中，二维探测器41具有两个空间维度，其中一个空间维度接收来自所述二级光谱阶次选择系统3中线性渐变滤光片34的粗分辨光谱选择通道，另一个空间维度接收来自所述法布里珀罗干涉仪一级分光系统2中由法布里珀罗干涉仪21光谱角度依赖性所过滤出的高分辨光谱信号。
[0088]
通过对二维探测器41接收的高分辨光谱以及粗分辨光谱进行拼接，即得宽带高分辨光谱。
[0089]
本发明未尽事宜为公知技术。
[0090]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。