一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪的制作方法
【专利摘要】一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪涉及光谱测量领域，该结构包括入射狭缝、光阑、准直反射镜、衍射光栅、会聚反射镜、线阵探测器、压电陶瓷驱动平台、压电陶瓷控制器和数据处理系统；待测光从入射狭缝进入，经过光阑由准直反射镜反射到达衍射光栅，经过衍射光栅分光后，通过聚反射镜聚焦将光谱图像成像到线阵探测器像元阵列上；线阵探测器固定在压电陶瓷驱动平台上；压电陶瓷控制器控制压电陶瓷驱动平台在色散方向上产生微小位移进行一次测量，完成N+1次位移，将前N次数据通过数据处理系统进行处理，获得光谱超分辨率还原的光谱数据。本发明结构简单，除一维压电陶瓷驱动平台外无可移动部件，能够在宽光谱范围内获得高光谱分辨率。
【专利说明】一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及光谱测量领域，具体涉及一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪结构。
【背景技术】
[0002]光谱仪是一种用于光谱测量及分析的仪器，广泛应用于化学分析、工业检测以及航空航天遥感等领域。其中光栅光谱仪具有体积小、光谱范围宽、结构简单等优点，成为了市面上最主要的光谱仪类型。但受限于线阵探测器的像元尺寸及像元数的限制，光谱仪的光谱范围和光谱分辨率无法良好协调，即无法在大光谱范围情况下保证较高的光谱分辨率。另外由于入射狭缝和出射狭缝的影响，对光谱带宽产生展宽作用，光谱分辨率进一步降低。
[0003]对于光谱范围和光谱分辨率无法良好协调的问题，现有解决方案是选用具有更多像元数的线阵探测器。但线阵探测器的像元数依赖于现有的工艺，无法轻易增加，且定制多像元数的线阵探测器价格昂贵，会增加光谱仪的成本。另外，增加像元数后探测器尺寸必然增加，要求光谱仪的线色散率变大，这很大程度上提高了光学设计的难度，光学设计中的像差会影响光谱分辨率。
[0004]对于狭缝影响致使光谱分辨率低的问题，解决方法是减小狭缝尺寸，但减小入射狭缝和出射狭缝的尺寸会同时降低进入光谱仪以及探测器接收的光通量，降低系统信噪比并且不利于对弱光的测量。另一方面，探测器的像元尺寸决定出射狭缝的尺寸，现有的工艺决定了探测器的像元尺寸同时限制了狭缝尺寸最小值。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪，该光谱仪解决了光栅光谱仪受到入射狭缝和出射狭缝限制，光谱分辨率低，以及受到线阵探测器像元数及像元尺寸限制、光谱范围与光谱分辨率无法良好协调的问题。
[0006]本发明解决技术问题所采用的技术方案如下:
[0007]一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪，结构包括入射狭缝、光阑、准直反射镜、衍射光栅、会聚反射镜、线阵探测器、压电陶瓷驱动平台、压电陶瓷控制器和数据处理系统；待测光从入射狭缝进入，经过光阑由准直反射镜反射到达衍射光栅，经过衍射光栅分光后，通过聚反射镜聚焦将光谱图像成像到线阵探测器像元阵列上；线阵探测器固定在压电陶瓷驱动平台上；压电陶瓷控制器控制压电陶瓷驱动平台在色散方向上依次产生1/N探测器像元间隔的微小位移，在每一次位移之后线阵探测器进行一次测量，完成N+1次位移，实现一个探测器像元间隔的位移；将前N次数据通过数据处理系统进行处理，获得光谱超分辨率还原的光谱数据。
[0008]本发明的有益效果:本发明结构简单，除一维压电陶瓷驱动平台外无可移动部件，在使用线阵探测器情况下，能够在宽光谱范围内获得高光谱分辨率。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本发明一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪结构示意图。
[0010]图2为探测器多次测量的各像元测量值重新排序
[0011]图3为600nm、601nm混合光源经测量获得的原始光谱图
[0012]图4为光谱分辨率为2nm的传统光栅光谱仪对混合光源的测量结果
[0013]图5为使用光谱超分辨率还原光谱仪对混合光源的测量结果
[0014]图中:1、入射狭缝，2、光阑，3、准直反射镜，4、衍射光栅，5、会聚反射镜，6、线阵探测器，7、压电陶瓷驱动平台，8、压电陶瓷控制器和9、数据处理系统。
【具体实施方式】
[0015]下面结合实施例子来说明本方法的【具体实施方式】。
[0016]实施例:
[0017]如图1所示为一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪，结构包括入射狭缝1、光阑2、准直反射镜3、衍射光栅4、会聚反射镜5、线阵探测器6、压电陶瓷驱动平台7、压电陶瓷控制器8、数据处理系统9。待测光从入射狭缝I进入光学系统，经过光阑2由准直反射镜3反射到达衍射光栅4，经过衍射光栅4分光后经会聚反射镜5聚焦将完整的光谱图像成像到线阵探测器6像元阵列上。线阵探测器6固定在压电陶瓷驱动平台7上跟随其一同运动。压电陶瓷控制器8控制压电陶瓷驱动平台7在色散方向上依次产生1/N探测器像元间隔的微小位移，在每一次位移之后线阵探测器进行一次测量。重复这一过程直至完成N+1次位移，即直至完成一个探测器像元间隔的位移。最后将前N次数据通过数据处理系统9进行处理，最后获得光谱超分辨率还原的光谱数据。其中，入射狭缝色散方向尺寸为50 μ m，衍射光栅选用300g/mm的反射式刻划光栅，线阵探测器选用512像元，像元尺寸为25 μmX500 ymo压电陶瓷驱平台每次在色散方向上产生的位移为0.5 μm。总共需要完成50次位移和51次测量。该光栅光谱仪在不进行光谱超分辨率还原操作的情况下光谱分辨率为2nm。
[0018]数据处理系统9的处理方法包括如下步骤:a、通过线阵探测器6、压电陶瓷驱动平台7和压电陶瓷控制器8获得N次测量的线阵探测器全部像元的N次响应值；b、重新排序N次测量的各像元的响应值以获得光谱响应曲线，排序方法如图2所示，假设线阵探测器6的像元从一端开始编号依次为1、2、3，……、M，第i个像元的第j次测量编号为ip最终的光谱响应曲线横坐标依次为I1U2,…、…、2n、……、MpM2、…、Mn;c、基于DU)= A(A)^S(A)对数据进行光谱超分辨率还原处理，式中Α( λ)为待测光的原始光谱图，S(A)为所求光谱区域处光谱响应函数，D(A)为探测器接收并重新排序后的探测器响应值，*为卷积运算。
[0019]本实施例中利用上述光谱仪对600nm和601nm的双单色光源混合构成的复合光源进行测量。光源经测量获得的原始光谱图如图3所示，在不使用光谱超分辨率还原操作情况下对该光源进行测量获得的结果如图4所示，由图4可知，测量结果无法分出两个不同波长的光，因此得出传统光栅光谱仪受困于光谱分辨率限制，无法对高于光谱分辨率的光源进行测量的结果。另一方面，执行光谱超分辨率还原操作，对该光源进行重新测量，并测量600nm位置处的光谱响应函数，根据探测器响应曲线以及光谱响应函数退卷积获得的还原后的光谱图如图5所示，可知该光谱仪超过自身光谱分辨率分辨出了 600nm和60Inm的光，光谱超分辨率还原得以实现。
【权利要求】
1.一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪，结构包括入射狭缝、光阑、准直反射镜、衍射光栅、会聚反射镜、线阵探测器、压电陶瓷驱动平台、压电陶瓷控制器和数据处理系统；待测光从入射狭缝进入，经过光阑由准直反射镜反射到达衍射光栅，经过衍射光栅分光后，通过聚反射镜聚焦将光谱图像成像到线阵探测器像元阵列上；线阵探测器固定在压电陶瓷驱动平台上；压电陶瓷控制器控制压电陶瓷驱动平台在色散方向上依次产生1/N探测器像元间隔的微小位移，在每一次位移之后线阵探测器进行一次测量，完成N+1次位移，实现一个探测器像元间隔的位移；将前N次数据通过数据处理系统进行处理，获得光谱超分辨率还原的光谱数据。
2.如利要求I所述的一种可实现光谱超分辨率还原的光栅光谱仪数据处理方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 步骤一:所述线阵探测器、压电陶瓷驱动平台和压电陶瓷控制器阵探测器获得N次测量的线阵探测器全部像元的N次响应值； 步骤二:重新排序N次测量的各像元的响应值以获得光谱响应曲线，线阵探测器的像元从一端开始编号依次为1、2、3、……、M，第i个像元的第j次测量编号为ip最终的光谱响应曲线横坐标依次为1^12、一、1ν、21;22、…、2ν、……,M0M2,…、Mn; 步骤三:基于D(A)=A(A)*S(A)对数据进行光谱超分辨率还原处理，式中A ( λ )为待测光的原始光谱图，S(A)为所求光谱区域处光谱响应函数，D(A)为探测器接收并重新排序后的探测器响应值，*为卷积运算。
【文档编号】G01J3/28GK104501955SQ201410821312
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月25日 优先权日:2014年12月25日
【发明者】方伟, 高震宇, 王玉鹏 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所