基于多重体全息光栅的光谱器件的研究

提出了一种新型的基于多重体全息存储的光栅光谱仪。在光折变晶体Fe:LiNbO3中的同一位置采用角度与波长混合复用的方法记录多个光栅，它们对相应波长的光具有光谱色散功能；采用布喇格角度与波长补偿的方法，它们还可以通过单一波长的激光器进行记录。给出了该器件的工作原理和参数设计，并在实验上制作了10通道的光谱间隔为10nm的光谱器件，实验结果表明，该光谱器件具有设计灵活、光谱范围宽、光谱分辨率高和衍射效率高等优点。     

应用光谱重建理论的傅里叶变换光谱仪

本文将重建光谱仪的光谱重建理论应用于傅里叶变换光谱仪中，使光谱仪可以兼具重建光谱仪高光谱分辨率优势以及傅里叶变换光谱仪固有的高光通量优势。利用构建的简易空间外差傅里叶变换光谱仪实验装置在520～530 nm光谱范围内进行验证实验。使用实验装置采集的不同单波长入射光光斑图像进行光谱校准实验，证明了傅里叶变换光谱仪可满足光谱重建理论必需的光斑与波长间唯一的一对一映射关系。随后，使用用于光谱校准的光斑图像进行光谱重建实验，实现了0.10 nm的光谱分辨率，相比通过傅里叶变换光谱仪原理得到的～5.65 nm光谱分辨率有明显提高。最后，使用额外采集的波长525 nm入射光光斑图像进行光谱重建实验，重建光谱中存在重建误差，且525 nm处光谱信号峰的半峰全宽（FWHM）～0.30 nm。光斑图像相关性分析显示，光谱重建受光斑图像采集过程中噪声和相邻波长入射光光斑图像高相似性的影响。尽管如此，重建光谱仍然可以反映入射光的光谱信息，且信号峰的FWHM小于傅里叶变换光谱仪原理得到的光谱，验证了将光谱重建理论应用于傅里叶变换光谱仪的可行性和高光谱分辨率优势。     

远程激光拉曼光谱探测系统前置光学系统设计

为实现远程物质高空间分辨力的拉曼光谱探测,设计了共孔径远程激光拉曼光谱探测系统的前置光学系统。光学系统采用共孔径结构,实现了激光发射系统、拉曼光收集系统及微区成像系统的共孔径、共光轴。设计的光学系统能够对激光进行聚焦以缩小激光光斑尺寸,使系统具有优于0.125 mrad的空间分辨率。该拉曼光收集透镜有效通光口径为50 mm,拉曼散射光在耦合透镜焦平面上的像高小于25m,可以与50m狭缝宽度的光谱仪进行空间光耦合,也可使用50m芯径的光纤来耦合光学系统与光谱仪。该系统可用于远距离物质的激光聚焦、拉曼光谱探测及微区成像。     

基于线阵CCD的微型光谱仪的研制

为了满足环境污染检测等工业实际应用的需要,便于系统的集成、降低成本,研制了基于CCD芯片的微型光谱仪,重点介绍了仪器的光学和电子学设计。光学系统采用了非对称交叉式Czerny-Turner分光结构,使用线阵CCD为光探测元件;电子学设计部分结合单片机智能化控制的特点和复杂可编程逻辑器件时序准确、可编程的优点实现了高效、灵活的光谱数据采集。 CCD光谱仪的性能测试表明,该光谱仪光谱覆盖范围为350 nm - 780 nm,光谱分辨率达到了0.6 nm,信噪比近500。     

航天高光谱成像仪简述(特邀)

航天高光谱载荷相比于传统的多光谱载荷,在光谱分辨率上有着巨大的提升,随着定量化遥感的发展,天基探测不仅可以对地面目标的几何信息进行采集,更可以利用高光谱数据实现大气、陆地资源、战场环境、海洋物质成份的探测,随着航天高光谱技术的不断发展,高时间分辨率的对全球气候、自然资源、水纹情形的光谱成像已成为可能。高光谱探测依据成像原理的不同,主要可以分为干涉型光谱仪、衍射型光谱仪、滤光片型光谱仪。文中针对其中应用较为广泛的光栅衍射型光谱仪、时间傅里叶变换光谱仪、空间傅里叶变换光谱仪、声光调制滤光片（AOTF）光谱仪、液晶可调谐滤光片（LCTF）光谱仪、高光谱滤光片光谱仪进行了介绍,并针对每种光谱仪的优势及存在的局限性进行了分析。     

电热式微机电系统微镜傅里叶变换红外光谱仪

为了研制小体积、低成本、高分辨率的微型傅里叶变换红外光谱仪,通过选择电热式微机电系统(MEMS)微镜作为迈克尔逊干涉仪动镜,在满足了傅里叶光谱仪小型化、便携化的同时,利用折叠双S型Bimorph驱动结构来实现双倍位移量以确保较高分辨率,并将分束器外置来进行不同波段的灵活选择,进而实现全光谱范围的应用。以1 310 nm激光作为参考光光源,钨灯宽带光作为待测光源信号,通过信号采集、滤波、插值、光谱恢复步骤完成原始信号采集到光谱信号复原的过程。测试结果表明:电热式微镜的位移量可达到500 m,光谱理论分辨率1 nm,光谱仪整机尺寸小至62 mm62 mm28 mm。测试基线噪声为0.000 04,基线重复性为0.000 32,吸光度重复性为0.000 48。性能指标能满足食品安全、药品检测、石油化工等领域的光谱检测应用。     

阶梯光栅光谱仪

德国柏林激光器技术公司生产一种阶梯光栅光谱仪,该光谱仪通过激光诱导等离子体光谱学同时分析元素。仪器在175至750nm的波长范围内探测元素,在真空紫外中的光谱分辨率为35000,在紫外／可见光／近红外范围内的光谱分辨率为15000。两台对称排列的摄谱仪的光谱照射一个共用探测器。这两台摄谱仪的入射狭缝、阶梯光栅、棱镜和成像光具的参数可自由确定。     

一种近红外光纤布里渊光谱仪分辨率增强方法

对于研制的基于光纤受激布里渊效应的精密光谱分析仪,受激布里渊增益谱宽的存在限制了可用的最佳光谱分辨率,并造成受激布里渊增益系数与功率存在关联性。这些都会影响近红外光纤布里渊光谱仪的性能。针对上述问题,提出了一种光谱分辨率增强方法。采用两级受激布里渊过程级联,并结合待测光和泵浦光的功率调控,使得受激布里渊过程处于小信号、线性高增益区。结果表明,该方法能够实现约1.4倍的光谱分辨率增强效果,突破了原理理论限制,提升了近红外光纤布里渊光谱仪的性能。     

短波红外Hadmard变换高光谱成像技术研究

Hadmard变换成像光谱技术基于Hadmard变换光学基本原理,采用线阵探测器件实现高光谱成像,多通道探测优势使其在一定条件下可以获得与推帚式高光谱成像相当水平的探测信噪比.本文在阐述Hadmard变换成像光谱技术基本原理的基础上,通过类比光机扫描成像和推帚式成像,论证了Hadmard变换成像光谱技术的探测信噪比优势,设计了一套基于线阵短波红外器件、DMD芯片和双Offner光栅光谱仪系统的高光谱成像光谱仪,并简要论证了其工程可行性.     

相位调制阵列结构微型光谱仪的设计与仿真实验研究

介绍了一种相位调制阵列结构微型光谱仪。光谱仪的核心部件为构建在CCD或CMOS上的微型干涉仪二维阵列,阵列中的各个微型干涉仪由不同高度的PMMA台阶组成。待测光入射后,会在各个微型干涉仪下方形成不同的干涉光强分布。通过CCD或CMOS的像素元测量每个微型干涉仪下方的干涉光功率,所得数据可组成一个线性方程组,由Tikhonov正则化方法解此方程组可复原光谱。仿真实验结果显示,光谱仪的光谱测量波长范围至少覆盖从300nm到1 100nm的波段,光谱测量的波长分辨率达到皮米量级。与传统光谱仪相比,该光谱仪具有体积小、成本低、分辨率高、光谱测量范围宽、测量时振动因素影响较小和可实时测量等优点。可以预计它将在航天遥感遥测、地质矿藏勘探、环境监测和生物细胞检测等领域有着广阔的应用前景。     

中红外平面光栅光谱仪系统光学设计与优化

利用红外热电堆阵列探测器作为光接收器,以小型化且能满足一定光谱工作范围和光谱分辨率为设计指标,根据光谱仪器设计理论和像差理论,设计了一种Czerny-Turner结构中红外平面光栅光谱仪。系统采用双离轴抛物面镜作为前置光路缩减了光学系统尺寸,采用超环面聚焦镜校正了像散。运用ZEMAX设计软件对中红外平面光栅光谱仪的前置光路、色散成像系统进行设计、优化和分析。最终分析结果表明,该系统光谱工作范围为8.04~13.96 m,光谱分辨率优于80 nm,F数为2,光学结构特征尺寸约为150 mm200 mm70 mm,满足设计指标。     

在轨超高分辨率傅里叶光谱仪仪器线型函数更新方法研究

仪器线型函数是傅里叶光谱仪重要的物理表征参数之一,影响仪器测量光谱的精度.随着空间测量和大气探测等遥感应用在高精度上的需求,如何实时在轨测量并更新星载光谱仪的仪器线型函数,成为当前提高在轨超高分辨率光谱仪测量精度的重要手段.以傅里叶型光谱仪为例,根据仪器线型函数的原理,利用在轨超高分辨率光谱仪实测太阳光谱定标数据不受大气气溶胶影响且具有独立太阳弗朗和费线的特征,来对在轨超高分辨率光谱仪的仪器线型函数进行监督和更新.实验以Kurucz太阳光谱模型作为参考光谱,在对应波段范围内分别选取多条实测太阳定标光谱和参考光谱的特征峰,通过调整光谱仪的狭缝模型,对特征峰残差进行迭代对比,演算出仪器ILS参数变化.最后,用更新的仪器线型函数与临边理论光谱卷积,与实测临边定标光谱比较验证,误差范围在-6%~8%.结果表明,该方法可为在轨超高分辨率光谱仪仪器线型函数的监督更新提供参考依据.     

用于新型天文设备的MOEMS基可编程衍射光栅

微型可编程衍射光栅是一种新型MOEMS器件,它的出现使得未来的天文装置具备了新的观测能力。可编程光栅是利用一组能够移出平面的平行带板来实现的,通过施加静态电压驱动带板来组成光栅。几条带板便可以满足衍射光的要求;这样,该光栅便可以作为一个ON-OFF开关。将光谱聚集在这样一个装置上,通过设置某一特定波长的ON和OFF状态即可实现光谱的编程。可编程光栅使得可编程光谱仪的设计成为了可能,该类光谱仪主要应用在空间任务,如ESADarwin任务。该任务的主要目的是通过高对比度的干涉术和光谱分析技术来寻找、探索并表征外星体。本文提出了一种新的可用于Darwin任务的可编程光谱仪的概念。通过对光谱响应编程,装置的灵敏度和信噪比都会得到很大提高。本文还设计并加工制作了带有PMDG装置的实验电路板,该实验装置包括可调谐光源（光谱类型、亮度）,光谱类型调节可以利用PMDG元件来实现。两个并行光谱和成像通道用来对信号进行光学分析。通过PMDG设置对典型的星外光谱进行了仿真分析,通过电路板明确地揭示并表征了存在生命体的外星仿真信号,从而证实了该思路的可行性。     

宽谱段消像散Czerny-Turner光谱仪光学系统设计

针对光谱仪小型化、高分辨率的发展趋势,设计了一种结构简单、宽谱段、消像散的小型光谱仪。具体分析了折叠光路Czerny-Turner光谱仪各种像差的原理和校正方法。推导了柱透镜宽谱段消像散的理论方程。作为实例,设计了一款谱段为300～900nm、物方数值孔径0.08的小型光谱仪。该光谱仪采用折叠光路结构以减小尺寸,添加柱透镜以消除整个谱段的像散。结果表明:该光谱仪结构简单紧凑,体积小,实现了宽谱段的消像散,全谱段光谱分辨率优于0.5nm。     

哈达玛变换成像光谱仪中光谱混合像素点的解码方法

介绍了一种基于DMD的哈达玛变换成像光谱仪的物理模型,由于DMD微镜单元尺寸与探测器像元尺寸不匹配或者其他一些在光学设计和系统集成中的误差,导致这种光谱仪中采集到的编码图像上部分像素点出现的一种光谱混合现象。描述和分析了这些光谱混合像素点的编码原理,分析表明:这种光谱混合像素点无法直接用哈达玛反变换解码。为了准确地解码这些光谱混合像素点,改善复原后光谱图像的质量,提出了一种针对这种光谱混合像素点的解码方法。首先向光谱仪中导入一束激光并充满整个视场,针对编码图像中的光谱混合像素点确定一个解码系数。然后将这个系数带入光谱混合像素点的编码方程,即可解码它的光谱元。实验结果证明该方法是可行的。     

一种提高折叠光栅光谱仪信噪比的新方法

折叠光栅光谱仪由于折叠光栅制作、安装过程中的工艺问题,子光栅衍射图像易发生倾斜、变形。为了保证在对光栅衍射图像进行处理时不降低分辨率,每块子图像仅抽取单行像素校准,最终拼接成光谱,这导致光谱信噪比较低。为克服这一缺点,提出了一种软件提高折叠光栅光谱仪信噪比(SNR)的方法。通过对原始光谱图像进行校正、一维中值滤波和像素平均三个处理步骤,在不影响波长分辨率的情况下,使光谱信噪比提高约6倍。这种处理方法充分利用了光栅衍射图像的信息,对提高折叠光栅光谱系统探测微弱信号的能力具有实用价值。     

小型长波红外光栅光谱仪光学设计

光学系统是光谱仪微小型化的关键,光学设计的质量将直接影响微小型光谱仪的性能.针对长波红外光谱探测的具体应用,对比国内外各种方案,分析其优劣后提出一种基于交叉非对称切尔尼-特纳(Czerny-Turner)结构的小型光栅光谱仪.首先根据光谱仪基本原理和光学设计理论,分析系统的光谱分辨率、像差以及探测灵敏度.然后以小型化、低成本、要求的光谱范围和分辨率为具体设计目标,对系统进行优化设计.最后在光学软件Zemax中进行模拟和优化.设计结果表明:该系统的光谱范围为8～14μm,光谱分辨率优于80nm,光学系统尺寸约为100mm×75mn×45mm,满足小型化要求.同时采用扫描光栅配合单通道探测器的方式降低成本.     

Sagnac型干涉成像光谱仪中棱镜偏移量对光谱分辨率影响的讨论

为了进一步提高Sagnac型干涉成像光谱仪的光谱分辨率,对Sagnac型干涉成像光谱仪的基本数学模型进行了分析,重点讨论了Sagnac棱镜偏移量对系统光谱分辨率的影响,根据原理样机的基本结构参数推导出了偏移量的具体数值.假设仪器装调在理想状态,将模拟光谱曲线引进模型进行仿真,结果表明,当棱镜偏移量取该值时,系统光谱分辨率最高可达到2 nm,该结果对Sagnac型干涉成像光谱仪原理样机的结构设计参数以及相关设备的选择具有指导意义.     

基于FPGA的可见光波段便携式光谱仪的设计

为了有效地实现光谱仪的便携式设计,文中采用FPGA便携式光谱仪。FPGA采用Altera公司的CLCLONE IV系列的EP4CE30F23C8N芯片,CCD采用东芝公司的TCD1304。系统机上的数据使用Matlab进行去噪处理,绘制成光谱曲线,系统选用汞灯作为标准光源进行系统校验,利用汞灯的5个标准光谱特征峰确定光谱仪的谱线校验系数。测试结果表明,光谱分辨率可以达到10 nm,系统可以实现可见光波段的光谱测量,具有较好的实用性。     

基于空间光调制器的无掩模光学光刻技术研究进展

随着器件特征尺寸的不断减小,传统光刻技术的加工分辨率受限于衍射极限已接近使用化技术的理论极限且成本过高。无掩模光刻技术是解决掩模价格不断攀升而引起成本过高的一种潜在方案,以成本低、灵活性高、制作周期短的特点在微纳加工、掩模直写、小批量集成电路的制作等方面有着广泛的应用。基于空间光调制器的无掩模光学光刻技术在提高分辨率和产出率方面取得了一定的进展,理论和实验上均取得了较好的效果。详细归纳介绍了基于空间光调制器的无掩模光学光刻技术的原理、特点以及研究进展。