柱面镜像差校正高分辨光谱探测方法与装置

1.本发明属于光谱成像与探测技术领域，具体涉及柱面镜像差校正高分辨光谱探测方法与装置。


背景技术：

2.光谱探测技术广泛应用于生物医药、材料科学、深空探测、环境监测等领域，但是光谱信号通常较为微弱，并且携带信息丰富，如何对宽谱段范围内的光谱信号进行高分辨、高灵敏的探测是对样品信息进行提取和表征的关键前提。
3.光栅光谱探测技术具有适用光谱范围广、探测分辨力高等优势而成为光谱探测的主流方向，目前基于光栅衍射原理的光谱探测技术成熟的包括李特洛结构、艾伯特—法斯梯结构、夏帕—格兰茨结构、切尔尼—特纳结构四种典型结构，其中切尔尼—特纳结构(c-t)具有杂散光较少、彗差较小、分辨率较高、结构较为紧凑、体积较小、避免了二次衍射及多次衍射、便于加工和装调等优势而在工业和科研领域应用广泛，并成为目前商用大型高分辨光谱仪的主流。
4.在切尔尼—特纳结构(c-t)中，由于会聚镜对光束会聚的光路为离轴成像结构，因此不可避免的会引入离轴像差，其中对成像效果影响最严重的为像散，如何抑制像散，尤其是抑制长焦高分辨结构光谱仪的离轴像散是提高光谱仪探测分辨力的关键；
5.目前已有学者提出多种像散校正技术，美国宾夕法尼亚大学团队通过在光路中添加柱面光栅和平面衍射光栅，利用发散照明的方法实现了系统像散的校正，但该方法会引入彗差从而影响成像质量和分辨力；日本国立聚变科学研究所的团队采用在狭缝前放入补偿机构的技术来校正像散，但该系统结构复杂，引入更多的误差源，制约了综合性能的提升；美国罗切斯特大学、长春光机所、浙江大学等机构分别通过在光路中添加倾斜透镜、楔形透镜、自由形式透镜的方法实现了宽光谱内的像散校正，但是在校正像散的同时导致系统的光学透过率明显降低，影响了系统的灵敏度，可行性较差。上述方法在一定程度上校正了系统像散，提高了系统分辨力，但却造成其他性能的下降，同时还需要对现有光谱探测系统进行基本结构改造，设计和研发成本较高。
6.综上所示，目前已有的方法对离轴像散进行校正能力不足，像散校正效果不足，进而制约了会聚镜对光束聚焦压缩能力，限制了光谱成像探测分辨力，因此对c-t光栅光谱仪的像散进行有效校正是提升光谱探测分辨力的必由途径。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为了解决c-t光栅光谱探测系统的像散造成的光谱探测分辨力难以提高的问题，本发明提出柱面镜像差校正高分辨光谱探测方法与装置，实现了对会聚镜离轴像散的高精度校准，确保了对不同衍射角光束的精密聚焦，提高了光谱信号的探测灵敏度和分辨力。
8.本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
9.本发明公开了一种柱面镜像差校正高分辨光谱探测方法，采用柱面镜结合球面会聚镜构建非对称式c-t结构光栅光谱仪，利用柱面镜单向会聚的特点对光谱仪会聚光束的离轴像差进行校正，压缩聚焦光斑的横向尺寸，显著提升光谱探测分辨力；利用面阵探测器纵向累加对会聚光进行线阵积分探测，显著提升探测灵敏度；利用光栅回转扫描对宽波段范围被测光进行分谱段扫描，通过谱线拼接实现大范围光谱探测，三者结合兼顾光谱探测的范围、灵敏度和分辨力，最终实现对拉曼、红外、发射和吸收等光谱信号的宽谱段、高分辨、高灵敏探测。
10.具体包括以下过程：
11.步骤一、被测光通过入射狭缝形成入射发射光束，入射发射光束被准直镜准直为复色平行光，复色平行光照射到衍射光栅上被色散分光，形成衍射平行光，衍射平行光内含不同衍射角的单色光束，照射到球面反射镜上，被球面反射镜汇聚形成会聚光束，透过柱面镜聚焦到探测面上形成系列聚焦光斑；
12.其中，衍射平行光相对于球面反射镜为离轴光束，被球面反射镜会聚本身会产生离轴像差，像差主要包含像散等，造成聚焦子午面和弧失面焦点不重合，形成弧失面会聚线和子午面会聚线；柱面镜可对会聚光束进行单向聚焦，对衍射平行光经过球面反射镜反射产生的离轴像散进行校正，柱面镜参数按照如下公式设计：
[0013][0014]
其中：γ为柱面镜的入射角，当会聚光束光轴与柱面镜光轴重合时γ＝0，ls为柱面镜弧失方向的物距，l
′s为柱面镜弧失方向的像距，r为柱面镜弧失方向曲率半径；
[0015]
由于柱面镜只能单向会聚，子午方向物距l
t
与像距l
′
t
相等，即：
[0016][0017]
因此，使经过柱面镜后子午方向像距l
′
t
与弧失方向像距相等l
′s即可实现对像散的补偿，从而得到柱面镜的曲率半径为：
[0018][0019]
步骤二、柱面镜通过对衍射平行光因离轴会聚产生的离轴像散进行校正，从而对聚焦光斑进行压缩，相对于传统球面会聚镜的像散光斑图像，复曲面镜校正后的消像散光斑图像；
[0020]
步骤三、消像散光斑图像落到探测面上，对探测面的各列像素探测光强进行纵向累加求和，得到一维数据，按照横向分布重构得到光谱曲线；
[0021]
步骤四、驱动衍射光栅步进旋转，重复步骤一至步骤三，依次得到各个谱段光谱曲线，拼接即可得到宽谱段光谱曲线。
[0022]
作为一种优选的方案：所述衍射光栅包含不同栅距和闪耀角的光栅，以适应不同光谱采集范围和探测分辨力，并采用精密转轴回转驱动。
[0023]
作为一种优选的方案：在探测前，调节入射狭缝宽度，保证光斑尺寸不超过探测面像素前提下尽可能扩大入射狭缝宽度以保证探测光通量，从而提升探测灵敏度。
[0024]
本发明还公开了一种柱面镜像差校正高分辨光谱探测装置，包括入射狭缝、准直镜、光栅组件、球面反射镜、柱面镜、回转轴及探测面；所述准直镜的焦点位于入射狭缝，所述光栅组件设置于所述准直镜的反射方向且设置于所述回转轴上，所述光栅组件包括衍射光栅，所述球面反射镜设置于所述衍射光栅的反射方向，所述柱面镜设置于所述球面反射镜的透射方向，所述探测面设置于所述柱面镜的焦面。
[0025]
作为一种优选的方案：所述光栅组件包括衍射光栅、高密度衍射光栅和低密度衍射光栅，所述衍射光栅、高密度衍射光栅和低密度衍射光栅相对于所述回转轴的轴线圆周对称分布。
[0026]
作为一种优选的方案：所述探测面为面阵探测器，所述探测面采用高灵敏ccd探测器；或者，所述探测面为面阵探测器，所述探测面由高灵敏cmos探测器构建。
[0027]
作为一种优选的方案：所述回转轴由轴承、联轴节、电机和电机驱动器组成。
[0028]
作为一种优选的方案：所述柱面镜采用反射结构，探测面位于柱面镜反射焦面处，此时柱面镜曲率半径为：
[0029][0030]
其中：r为柱面镜弧失方向曲率半径，γ为柱面镜的入射角，ls为柱面镜弧失方向的物距，l
t
为子午方向物距。
[0031]
有益效果
[0032]
本发明方法对比已有技术具有以下创新点：
[0033]
1)采用像散校正技术，提高了会聚镜对不同衍射角度光束的会聚能力，解决了受限于离轴像散像差的影响光束难以精密会聚的问题；
[0034]
2)采用纵向列像素累加探测技术，实现了对光谱信号的积分探测，解决了微弱光谱信号的高灵敏探测难题；
[0035]
3)采用多光栅同轴回转扫描探测技术，利用光栅步进扫描、光谱分段探测拼接，兼顾了光谱探测分辨力和探测范围。
[0036]
本发明方法具有如下有益效果：
[0037]
1.采用柱面镜对光谱仪离轴像散进行校正和补偿，无需改变光谱仪整体结构，可继承c-t光谱仪的高衍射效率，并可以显著提升探测分辨力；
[0038]
2.通过柱面镜进行离轴像散进行补偿，可利用现有光谱仪结构进行改造，成本低，工效高；
[0039]
3.利用探测面列像素的累加探测可在不改变光路结构的前提下提升探测光强，显著改善光谱仪对光谱，尤其是低通量光谱的探测灵敏度；
[0040]
4.采用光谱分段探测拼接成图，可实现通过光栅扫描实现宽光谱范围内的高分辨光谱探测，兼顾探测范围和分辨力。
附图说明
[0041]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
[0042]
图1是本发明的柱面镜像差校正高分辨光谱探测方法的原理示意图；
[0043]
图2是本发明的柱面镜像散校正示意图；
[0044]
图3是传统球面镜与本发明的柱面镜会聚光斑对比示意图；
[0045]
图4是本发明探测器列像素累加探测示意图；
[0046]
图5是本发明的柱面镜像差校正高分辨光谱探测装置的结构示意图；
[0047]
图6为本发明的回转轴的结构示意图；
[0048]
图7为本发明的反射式柱面镜像差校正高分辨光谱探测装置示意图。
[0049]
图中：1-入射狭缝；2-准直镜；3-衍射光栅；4-球面会聚镜；5-探测面；6-入射光束；7-复色平行光；8-衍射平行光；9-会聚光束；10-弧失面会聚线；11-子午面会聚线；12-像散光斑图像；13-消像散光斑图像；14-光谱曲线；15-高密度衍射光栅；16-低密度衍射光栅；17-高灵敏ccd探测器；18-轴承；19-联轴结；20-电机；21-电机驱动器；22-回转轴；23-柱面透镜；24-柱面反射镜。
具体实施方式
[0050]
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
[0051]
本发明的柱面镜像差校正高分辨光谱探测方法实施例如图1所示：采用柱面镜结合球面会聚镜构建非对称式c-t结构光栅光谱仪，利用柱面镜单向会聚的特点对光谱仪会聚光束的离轴像差进行校正，压缩聚焦光斑的横向尺寸，显著提升光谱探测分辨力；利用面阵探测器纵向累加对会聚光进行线阵积分探测，显著提升探测灵敏度；利用光栅回转扫描对宽波段范围被测光进行分谱段扫描，通过谱线拼接实现大范围光谱探测，最终实现对拉曼、红外、发射和吸收等光谱信号的宽谱段、高分辨、高灵敏探测。
[0052]
柱面镜像差校正高分辨光谱探测方法的具体实施步骤如下：步骤一、被测光通过入射狭缝1形成入射发射光束6，入射发射光束6被准直镜2准直为复色平行光7，复色平行光7照射到衍射光栅3上被色散分光，形成衍射平行光8，衍射平行光8内含不同衍射角的单色光束，照射到球面反射镜4上，被球面反射镜4汇聚形成会聚光束9，透过柱面镜23聚焦到探测面5上形成系列聚焦光斑；
[0053]
其中，衍射平行光8相对于球面反射镜4为离轴光束，被球面反射镜4会聚本身会产生离轴像差，像差主要包含像散等，造成聚焦子午面和弧失面焦点不重合，形成弧失面会聚线10和子午面会聚线11；柱面镜23可对会聚光束9进行单向聚焦，对衍射平行光8经过球面反射镜4反射产生的离轴像散进行校正，柱面镜23参数按照如下公式设计：
[0054][0055]
其中：γ为柱面镜的入射角，当会聚光束光轴与柱面镜光轴重合时γ＝0，ls为柱面镜弧失方向的物距，l
′s为柱面镜弧失方向的像距，r为柱面镜弧失方向曲率半径；
[0056]
由于柱面镜只能单向会聚，子午方向物距l
t
与像距l
′
t
相等，即：
[0057][0058]
因此，使经过柱面镜后子午方向像距l
′
t
与弧失方向像距相等l
′s即可实现对像散的补偿，从而得到柱面镜的曲率半径为：
[0059][0060]
步骤二、柱面镜通过对衍射平行光因离轴会聚产生的离轴像散进行校正，从而对聚焦光斑进行压缩，相对于传统球面会聚镜的像散光斑图像，复曲面镜校正后的消像散光斑图像；
[0061]
步骤三、消像散光斑图像落到探测面上，对探测面的各列像素探测光强进行纵向累加求和，得到一维数据，按照横向分布重构得到光谱曲线；
[0062]
步骤四、驱动衍射光栅步进旋转，重复步骤一至步骤三，依次得到各个谱段光谱曲线，拼接即可得到宽谱段光谱曲线。
[0063]
本发明的复曲面镜像差校正高分辨光谱探测装置的第一实施例如图5所示：包括入射狭缝1、准直镜2、光栅组件、球面反射镜4、柱面镜23、回转轴22及探测面5，准直镜2的焦点位于入射狭缝1，光栅组件设置于准直镜2的反射方向且设置于回转轴22上，光栅组件包括衍射光栅3，球面反射镜4设置于衍射光栅3的反射方向，柱面镜23设置于球面反射镜4的透射方向，探测面5设置于柱面镜23的焦面。
[0064]
光栅组件由衍射光栅3、高密度衍射光栅15和低密度衍射光栅16三块光栅构成，三光栅相对于回转轴22轴线圆周对称分布，采用三块光栅切换可根据不同应用场景采用不同测量范围和测量分辨力。
[0065]
如图6所示，回转轴22由轴承18、联轴结19、电机20和电机驱动器21组成。
[0066]
本发明的复曲面镜像差校正高分辨光谱探测装置的第二实施例如图7所示，与上述实施例的不同之处在于：柱面镜23采用反射结构，探测面5位于柱面镜23反射焦面处，此时柱面镜23的曲率半径为：
[0067][0068]
其中：r为柱面镜弧失方向曲率半径，γ为柱面镜的入射角，ls为柱面镜弧失方向的物距，l
t
为子午方向物距。
[0069]
以上仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术保护的范围之内。其它结构和原理与现有技术相同，这里不再赘述。