中阶梯光栅光谱仪自动化波长提取算法

基于质心提取的线性拟合法,提出了一种自动化快速处理中阶梯光栅光谱仪谱图的方法,解决了中阶梯光栅光谱仪无法直接通过交叉色散形成的二维光谱图标定入射光波长的问题。根据中阶梯光栅光谱仪光谱图背景光的分布特点,采用背景扣除法处理光谱图,提高了后续光谱图光斑提取算法的运算效率。利用基于质心的曲线拟合中心定位算法,将光斑位置的提取精度提高到亚像素量级。建立了中阶梯光栅光谱仪理论谱图与实际二维谱图的自动匹配模型,并根据光栅的线性色散特性,采用插值法计算谱图还原模型中未列出的坐标位置处的波长。实验结果表明:该算法对整个谱图的处理时间不超过3s,波长提取精度达10-2 nm,不仅实现了中阶梯光栅光谱仪波长的自动化提取,还提高了波长提取精度。     

基于多项式拟合的中阶梯光栅光谱仪谱图还原

为了基于中阶梯光栅光谱仪特殊的二维原始光谱图像实现各波长与其强度信息的一一对应,进而得到可以直接读取所需波段或波长光信号强度信息的一维光谱曲线。对其原始光谱进行分析研究,通过获得接收像面上各波长光斑位置与探测器像元的精确对应关系,实现谱图的还原处理。采用多项式拟合方法分别对中阶梯光栅光谱仪的棱镜色散方向和光栅色散方向上光斑的位置坐标进行拟合,建立起波长与像面之间的关系式,为减小光线追迹数量,同时采用级次间拟合的方式建立谱图还原模型。实验结果表明:通过该方法,可实现快速、高精度的谱图还原模型建立,模型的计算误差最大为0.023 92 mm,即谱图还原精度优于1个像元。该算法具有较强的灵活性和普适性,适用于各类中阶梯光栅光谱仪的谱图还原模型计算。     

中阶梯光栅分光光路的设计

为了实现更宽波段范围内的全谱直读并获得较高的分辨率,对中阶梯光栅光谱仪的分光系统进行了研究。简述了中阶梯光栅与中阶梯光栅光谱仪的基本原理,分析了中阶梯光谱仪和普通光谱仪的区别,详细论述了一种利用中阶梯光栅作为主要分光元件,棱镜作为交叉色散原件的中阶梯光栅分光光路的设计方法,并最终在探测面上得到了可探测分析的二维谱图。通过对设计过程的详细论述,可以为今后从事中阶梯光栅光谱仪光学设计的研究者提供参考。     

中阶梯光栅光谱仪的光学设计

为了在更宽波段范围内获得较高的分辨率,实现全谱直读,对中阶梯光栅光谱仪进行了研究。简述了中阶梯光栅及中阶梯光栅光谱仪的基本原理,分析并比较了这种光谱仪与普通平面闪耀光栅光谱仪的区别。利用光学成像原理与消像差理论设计了Czerney-Turner结构形式的中型高分辨率中阶梯光栅光谱仪原理样机的光学系统。该光学系统工作在原子谱线最为密集的200～500nm波长处;为简化计算,在设计中消除了350nm波长的所有像差;光线对中阶梯光栅在准Littrow条件下入射,以获得高衍射效率;使用折反射棱镜作为交叉色散元件来分离重叠的级次,在CCD探测器上获得了二维光谱面。该光学系统有较好的平场特性及点对点成像能力,在整个工作波长分辨率可达到2000～15000,满足设计要求。该仪器可用于原子发射和吸收光谱的研究工作,通过替换不同的探测器及增加外围电路与软件平台,仪器的工作性能可进一步提高。     

基于数字微镜器件的中阶梯光栅光谱仪的光学系统设计

研究了一种基于数字微镜器件(DMD)具有新型光路结构的中阶梯光栅光谱仪,并采用新的谱图信息接收方式来降低其使用成本和数据处理过程的复杂程度。将具有单波长选通功能的DMD与一维探测器光电倍增管(PMT)相结合接收中阶梯光栅光谱仪的光谱信息,在降低仪器成本的同时将中阶梯光栅光谱仪谱图还原算法与DMD扫描驱动算法相整合,提高了算法效率。由于DMD的填充因子比CCD稍低,该类光谱仪对成像质量和能量集中度提出了更高的要求。本文根据DMD型中阶梯光栅光谱仪特点,在有限的可挑选的光学材料下,采用多重优化的方式合理设计了中阶梯光栅光谱仪准直镜、中阶梯光栅、棱镜、聚焦镜等各个光学元件的光路结构参数,并且在Czerny-Turner结构中加入校正透镜和场镜,校正了系统所有像差,提高了整个光学系统的成像质量和光谱分辨率。最终设计的光谱仪系统分辨率达0.01nm,单个微反射镜内的光斑能量聚集度达到70%。     

中阶梯光栅光谱仪CCD相机的设计

为了高精度采集中阶梯光栅光谱仪的谱图,设计了一种适用于中阶梯光栅光谱仪原理样机的高性能面阵CCD相机。首先,根据中阶梯光栅光谱仪的谱图特点和CCD芯片的特性,设计了面阵CCD相机的时序产生电路、驱动电路及数据采集处理电路,实现了面阵CCD相机的低噪声、高灵敏度以及高动态范围。然后,利用LabVIEW编写了CCD相机测试软件。最后,利用设计的面阵CCD相机对汞灯谱线进行了测试。结果表明:面阵CCD相机获取的二维谱图图像清晰、信噪比较高;经二维谱图还原后,可以得到标准的汞灯谱线。该相机性能稳定、可靠,满足中阶梯光栅光谱仪原理样机的研制要求。     

Design of echelle spectrograph CCD camera

为了高精度采集中阶梯光栅光谱仪的谱图,设计了一种适用于中阶梯光栅光谱仪原理样机的高性能面阵CCD相机.首先,根据中阶梯光栅光谱仪的谱图特点和CCD芯片的特性,设计了面阵CCD相机的时序产生电路、驱动电路及数据采集处理电路,实现了面阵CCD相机的低噪声、高灵敏度以及高动态范围.然后,利用LabVIEW编写了CCD相机测试软件.最后,利用设计的面阵CCD相机对汞灯谱线进行了测试.结果表明:面阵CCD相机获取的二维谱图图像清晰、信噪比较高;经二维谱图还原后,可以得到标准的汞灯谱线.该相机性能稳定、可靠,满足中阶梯光栅光谱仪原理样机的研制要求.     

分波段式中阶梯光栅原子发射光谱仪

受探测器发展水平的限制,以中阶梯光栅光谱仪为分光模块的ICP-AES电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES）难以实现宽波段内多元素的同时测量。本文对现有中阶梯光栅光谱仪进行了改进,设计出一种适用于ICP-AES多元素同时测量的分波段式中阶梯光栅光谱仪。通过改变棱镜的入射角度,将系统波长扩展为200~900 nm,光谱分辨率为25 000,突破了现有探测器尺寸的限制,实现了宽波段范围内的多元素快速测量。将中阶梯光栅光谱仪与固态ICP光源组合,进行了系统波长标定与化学试样测试。实验结果表明：波长测试误差小于0.01 nm,满足化学元素精确判读要求;分波段式中阶梯光栅光谱仪在保持原有仪器性能的前提下,增宽了仪器的有效光谱探测范围,为多元素的同时测量提供了有效手段。     

太阳光栅光谱仪方案设计

简述了光谱仪的原理、阶梯光栅的基本原理和光栅光谱仪的特性参数。针对目前国内正在研制的光纤阵列太阳光学望远镜,提供了一种太阳光栅光谱仪结构的设计方案。根据太阳光栅光谱仪接收整个太阳光谱的要求,该方案采用了双狭缝设计。根据太阳光栅光谱仪尺寸大、分辨率高、色散大的特点,该设计方案采用了白瞳设计,并对结构中各个元件的选择进行简要阐述。光谱仪采用光纤接入,光栅工作在准Littrow角条件下,以获得高衍射效率,同时辅以棱镜增大横向色散,分开重叠的光谱级次。整个系统结构简单紧凑,可以有效地缩小光谱仪尺寸。     

基于粒子群寻优的光谱仪波长误差修正方法

为了提高便携式光栅扫描近红外光谱仪扫描波长的准确性,利用平面衍射光栅的色散公式,结合扫描机构中光栅、摆杆与丝杠之间的位置与传动关系,建立了光谱仪波长修正数学模型,提出了基于粒子群优化算法确定波长修正模型参数、基于波长修正模型的杆长比全谱对比寻优确定杆长和修正参数调节量、对光谱仪施以硬件结构调节软件补偿的波长修正方法,并利用标准光源的特征波长,对自制便携式近红外光谱仪进行了波长修正实验。实验结果表明,经波长修正后光谱仪的波长准确性优于±1 nm,满足光谱仪波长准确性的要求,验证了光谱仪波长误差分析的正确性与修正方法的有效性。     

基于特征吸收波长板的色散型高光谱传感器光谱定标技术

高光谱传感器的光谱定标是实现高光谱遥感定量化的关键。为了克服传统的基于单色仪扫描的光谱定标方法存在的设备昂贵、耗时等缺点,实现色散型高光谱传感器在野外或飞行中的实时、高精度定标,提出了一种基于特征吸收波长板的色散型高光谱传感器系统级光谱定标方法。分别对特征吸收波长板和漫反射参照体反射信号进行了比对测量,通过优化计算得到了传感器通道的中心波长和带宽。该方法消除了待定标传感器的光谱响应和光源的光谱能量分布带来的影响,能快速准确地实现色散型高光谱传感器的波长定位。运用该技术实现了对野外光谱辐射计FieldSpec(UV/VNIR的光谱定标,并对影响光谱定标精确度的因素进行了分析计算,结果表明,该方法实现的波长准确度0.5 nm,可满足色散型高光谱传感器实时、高精度光谱定标的需要。     

Multichannel wide‐field microscopic FRET imaging based on simultaneous spectral unmixing of excitation and emission spectra

Simultaneous spectral unmixing of excitation and emission spectra (ExEm unmixing) has inherent ability resolving spectral crosstalks, two key issues of quantitative fluorescence resonance energy transfer (FRET) measurement, of both the excitation and emission spectra between donor and acceptor without additional corrections. We here set up a filter‐based multichannel wide‐field microscope for ExEm unmixing‐based FRET imaging (m‐ExEm‐spFRET) containing a constant system correction factor (f_sc) for a stable system. We performed m‐ExEm‐spFRET with four‐ and two‐wavelength excitation respectively on our system to quantitatively image single living cells expressing FRET tandem constructs, and obtained accurate FRET efficiency (E) and concentration ratio of acceptor to donor (R_C). We also performed m‐ExEm‐spFRET imaging for single living cells coexpressing CFP‐Bax and YFP‐Bax, and found that the E values were about 0 for control cells and about 28% for staurosporin‐treated cells when R_C were larger than 1, indicating that staurosporin induced significant oligomerisation.     

超光谱成像仪的精细光谱定标

为了精细标定棱镜色散超光谱成像仪1024×80光谱像元的中心波长和响应带宽,建立了一套光谱定标装置,提出了实现1nm光谱定标精度的定标方法。首先,介绍了产生谱线弯曲与谱线倾斜的原因,确定了精细光谱定标的方法和数据处理算法;然后,利用光谱定标装置测定了全部光谱响应像元的离散单色光响应值,利用高斯方程拟合了相对光谱响应曲线;最后,建立了中心波长矩阵表和带宽矩阵表,采用多项式拟合算法确定了空间视场像元的色散方程和光谱通道谱线弯曲方程,实验测定了温度变化谱线漂移结果。另外,还对光谱定标精度对辐射定标精度的影响进行了分析。光谱定标结果表明:超光谱成像仪的光谱定标精度达到了±1nm,各谱段带宽平均为8.75nm;色散方程及谱线弯曲与设计结果相符,谱线弯曲值为14～19nm,平均值为17nm;1nm的定标精度对辐射定标精度的影响分别小于1%(3000K黑体)和0.25%(6000K黑体),满足超光谱成像仪1nm光谱定标精度的要求。     

Spectroscopic identification of individual fluorophores using photoluminescence excitation spectra

The identity of a fluorophore can be ambiguous if other fluorophores or nonspecific fluorescent impurities have overlapping emission spectra. The presence of overlapping spectra makes it difficult to differentiate fluorescent species using discrete detection channels and unmixing of spectra. The unique absorption and emission signatures of fluorophores provide an opportunity for spectroscopic identification. However, absorption spectroscopy may be affected by scattering, whereas fluorescence emission spectroscopy suffers from signal loss by gratings or other dispersive optics. Photoluminescence excitation spectra, where excitation is varied and emission is detected at a fixed wavelength, allows hyperspectral imaging with a single emission filter for high signal‐to‐background ratio without any moving optics on the emission side. We report a high throughput method for measuring the photoluminescence excitation spectra of individual fluorophores using a tunable supercontinuum laser and prism‐type total internal reflection fluorescence microscope. We used the system to measure and sort the photoluminescence excitation spectra of individual Alexa dyes, fluorescent nanodiamonds (FNDs), and fluorescent polystyrene beads. We used a Gaussian mixture model with maximum likelihood estimation to objectively separate the spectra. Finally, we spectroscopically identified different species of fluorescent nanodiamonds with overlapping spectra and characterized the heterogeneity of fluorescent nanodiamonds of varying size.