基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀的制作方法
【專利摘要】基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀，涉及光譜分析儀器領(lǐng)域，解決了采用亞像元技術(shù)實(shí)現(xiàn)超分辨的光譜儀存在的裝調(diào)工藝要求高、難度大的問題，超分辨光譜儀中的入射狹縫為N階狹縫陣列，入射狹縫對(duì)入射光線進(jìn)行空間濾波，使入射光線寬度按照光學(xué)系統(tǒng)要求的寬度入射到準(zhǔn)直鏡上，光線依次經(jīng)過準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直、光柵分光、聚焦鏡聚焦后成像在光電探測器上，在垂直于光譜維方向上獲得N幅具有亞像元位移的低分辨率光譜圖，計(jì)算機(jī)采集光譜圖信息并利用遞推算法求取亞像元值構(gòu)建出一幅高分辨率的光譜圖，N為正整數(shù)且N≥2。本發(fā)明在不減少入射光通量的前提下提高了光譜分辨率，實(shí)現(xiàn)了光譜儀的光譜超分辨，光譜測量范圍包括紫外—可見—近紅外波段。
【專利說明】基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光譜分析儀器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀。
【背景技術(shù)】
[0002]光譜儀是光學(xué)檢測的重要儀器，是通過對(duì)光譜的測量分析來完成對(duì)物質(zhì)的成分及結(jié)構(gòu)等測量的通用設(shè)備，具有測量速度快、精度高、無損測量等優(yōu)點(diǎn)。近年來，伴隨著材料學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、光電子學(xué)、半導(dǎo)體加工技術(shù)的發(fā)展，尤其是光譜學(xué)與分析化學(xué)的結(jié)合使得光譜儀器開始得到廣泛的應(yīng)用，目前已經(jīng)廣泛使用的領(lǐng)域有材料化學(xué)、石油化工、光學(xué)檢測、天文研究、環(huán)境保護(hù)、資源探測和航空航天等領(lǐng)域。
[0003]光譜儀的分辨率是光譜測量中至關(guān)重要的指標(biāo)，它表示將波長極為接近的譜線分開的能力，反映光譜超精細(xì)結(jié)構(gòu)測量的程度，因此，光譜分辨率是光譜儀最關(guān)鍵的性能指標(biāo)之一。目前的光譜儀一般采用光電陣列探測器(如CCD)作為接收器件，可以對(duì)一個(gè)寬波段范圍內(nèi)的光譜同時(shí)成像，而不需要復(fù)雜、精密的光柵掃描機(jī)構(gòu)。光電陣列探測器由一系列像敏單元(簡稱像元)組成，它是通過對(duì)探測器面上的光譜強(qiáng)度輪廓采樣來獲取光譜信息的。因?yàn)楣怆婈嚵刑綔y器上每個(gè)像元都是有一定大小的，每個(gè)采樣點(diǎn)不是數(shù)學(xué)意義上的點(diǎn)，采樣點(diǎn)的值實(shí)際上是像敏單元內(nèi)光能量的積分，所以，實(shí)際的采樣過程是積分采樣過程，符合采樣定理，抽樣頻率越高，光譜分辨率也就越高，但是，受測量結(jié)果信噪比和制作工藝的制約，像元尺寸的減小余地是很有限的，如在0.35 μ mCMOS工藝下，探測器像元的極限尺寸約為5 μ m，而且越接近極限尺寸，代價(jià)也越難以承受。
[0004]為了解決上述問題，人們提出了一種采用亞像元超分辨技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光譜儀，其原理如圖1所示，該光譜儀中，光線通過透鏡7聚焦后再通過半透半反的分光棱鏡8分別成像在兩個(gè)線陣CCD芯片上，分光棱鏡8將兩個(gè)線陣CCD芯片的像元在線陣的排列長度方向上用光學(xué)的方法使之相互錯(cuò)位I / 2個(gè)像元，即相當(dāng)于將第二片C⑶芯片10的所有像元依次插入第一片CCD芯片9的像元間隙中，從而提高探測器的采樣頻率。這種拼接方式，對(duì)兩片CXD芯片的拼接精度提出了更高的要求，兩片CXD芯片像元之間的位置度誤差相對(duì)于理想位置的偏差不能大于像元尺寸的I / 10，這就大大增加了裝調(diào)測試的難度，裝調(diào)時(shí)的誤差會(huì)嚴(yán)重影光譜儀的分辨率，使之達(dá)不到要求的超分辨率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有采用亞像元技術(shù)實(shí)現(xiàn)超分辨的光譜儀存在的裝調(diào)工藝要求高、難度大的問題，本發(fā)明提供一種基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀。
[0006]本發(fā)明為解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
[0007]基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀，由入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、光柵、聚焦鏡、光電探測器和與所述光電探測器相連的計(jì)算機(jī)組成；所述入射狹縫為N階陣列狹縫，所述入射狹縫對(duì)入射光線進(jìn)行空間濾波，使入射光線寬度按照光學(xué)系統(tǒng)要求的寬度入射到準(zhǔn)直鏡上，光線依次經(jīng)過準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直、光柵分光、聚焦鏡聚焦后成像在光電探測器上，在垂直于光譜維方向上獲得N幅具有亞像元位移的低分辨率光譜圖，計(jì)算機(jī)對(duì)光電探測器采集的光譜圖信息進(jìn)行信息融合，利用遞推算法求取亞像元值從而構(gòu)建出一幅高分辨率的光譜圖，其中，所述N為正整數(shù)且N2。
[0008]所述入射狹縫采用半導(dǎo)體硅材料或玻璃材料通過微機(jī)械工藝制作而成。
[0009]所述光電探測器采用面陣(XD、CMOS面陣成像探測器或InGaAs面陣成像探測器。
[0010]所述光電探測器上垂直于光譜維方向上的陣列數(shù)為N的整數(shù)倍，N為正整數(shù)且N2。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的超分辨光譜儀通過設(shè)計(jì)N階狹縫陣列，在光電探測器5上得到N(N為正整數(shù)且N2)幅低分辨率光譜圖，利用遞推算法求取亞像元值并構(gòu)建出一幅高分辨率的光譜圖，在不減小入射光通量的情況下，提高了光譜儀的光譜分辨率，而且不需要對(duì)光譜儀中的光電探測器進(jìn)行裝調(diào)測試以及省去了 CCD芯片的拼接步驟，因而降低了高分辨率光譜儀的制作成本和裝調(diào)難度。
[0012]本發(fā)明無需采用過小尺寸像元的探測器，就可獲得很高的光譜分辨率，測量范圍為紫外一可見一近紅外波段。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為現(xiàn)有的亞像元超分辨光譜儀的原理示意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明的基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3為多狹縫陣列中的三階狹縫陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖4為通過本發(fā)明的基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀獲得高分辨率光譜圖的原理示意圖。
[0017]圖中:1、入射狹縫，2、準(zhǔn)直鏡，3、光柵，4、聚焦鏡，5、光電探測器，6、計(jì)算機(jī)，7、透鏡，8、分光棱鏡，9、第一片CXD芯片，10、第二片CXD芯片。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0019]如圖2所示，本發(fā)明的基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀，由入射狹縫1、準(zhǔn)直鏡2、光柵3、聚焦鏡4、光電探測器5和計(jì)算機(jī)6組成，光電探測器5與計(jì)算機(jī)6通過電纜線相連；入射狹縫I為N(N為正整數(shù)且N > 2)階陣列狹縫，入射狹縫I作為整個(gè)光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的光闌，對(duì)入射光線進(jìn)行空間濾波，使入射光線寬度按照光學(xué)系統(tǒng)要求的寬度入射到準(zhǔn)直鏡2上，準(zhǔn)直鏡2對(duì)光線進(jìn)行準(zhǔn)直后入射 到光柵3上，光柵3對(duì)準(zhǔn)直后的光線進(jìn)行分光，分光后的光線通過聚焦鏡4的聚焦作用成像在光電探測器5上，由于不同波長的光線沿光譜維方向在光電探測器5上依次分開，因而在光電探測器5上且垂直于光譜維方向上獲得N (N為正整數(shù)且N ^ 2)幅具有亞像元位移的低分辨率光譜圖，計(jì)算機(jī)6對(duì)光電探測器5采集得到的N (N為正整數(shù)且N > 2)幅低分辨率光譜圖信息進(jìn)行信息融合，再利用遞推算法求取亞像元值并構(gòu)建出一幅高分辨率的光譜圖，光譜分辨率為光電探測器5單幅光譜曲線的N倍，從而實(shí)現(xiàn)了光譜儀的光譜超分辨。
[0020]如圖3所示，當(dāng)N=3時(shí)，入射狹縫I為三階陣列狹縫，三階陣列狹縫中的狹縫U、L2、L3在垂直于光譜維方向上依次分開錯(cuò)位排列，狹縫U、L2、L3的寬度相等均為d，在光譜維方向上狹縫L1和狹縫L2有部分重疊,狹縫L2和狹縫L3有部分重疊,各自的重疊部分的寬度為狹縫寬度d的1/3即d/3，因此，在光電探測器5上將得到垂直于光譜維方向上的三幅低分辨率光譜圖11U2U3，如圖4所示，光電探測器5的每個(gè)像元的寬度為a，則光譜圖11和光譜圖12之間的光譜位移為a/3像元寬度所對(duì)應(yīng)的光譜寬度Δ λ，光譜圖12和光譜圖13之間的光譜位移同樣也為a/3像元寬度所對(duì)應(yīng)的光譜寬度Δλ，通過遞推算法求取亞像元值，即當(dāng)亞像元寬度為a/3時(shí)求取每個(gè)亞像元所對(duì)應(yīng)的光譜值，從而獲得具有高分辨率的光譜圖1。
[0021]本實(shí)施方式中，入射狹縫I采用半導(dǎo)體硅材料或者玻璃材料制成，通過微機(jī)械(MEMS)工藝制作而成的多狹縫陣列，這種多狹縫的形狀和位置可以精確的進(jìn)行控制滿足光譜儀精度的要求。以三階狹縫陣列為例，說明其制作過程:三階狹縫陣列的制作材料為硅片，首先對(duì)制作狹縫的胚體進(jìn)行表面涂膠，然后通過光刻的方法形成帶有狹縫陣列的圖形，最后利用電感耦合等離子刻蝕(ICP)或濕法腐蝕的方法，將狹縫部分的硅完全去掉，完成通透的三階硅狹縫陣列的制作。
[0022]本實(shí)施方式中，光電探測器5為面陣光電探測器，其垂直于光譜維方向上的陣列數(shù)為N (N為正整數(shù)且N ≥2)的整數(shù)倍，面陣光電探測器采用電荷耦合器件面陣(XD、CM0S面陣成像探測器或者InGaAs面陣成像探測器。
[0023]本發(fā)明的基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀的測量范圍為紫外一可見一近紅外波段。
【權(quán)利要求】
1.基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀，其特征在于，由入射狹縫(I)、準(zhǔn)直鏡(2)、光柵(3)、聚焦鏡(4)、光電探測器(5)和與所述光電探測器(5)相連的計(jì)算機(jī)(6)組成；所述入射狹縫(I)為N階陣列狹縫，所述入射狹縫(I)對(duì)入射光線進(jìn)行空間濾波，使入射光線寬度按照光學(xué)系統(tǒng)要求的寬度入射到準(zhǔn)直鏡(2)上，光線依次經(jīng)過準(zhǔn)直鏡(2)準(zhǔn)直、光柵(3)分光、聚焦鏡(4)聚焦后成像在光電探測器(5)上，在垂直于光譜維方向上獲得N幅具有亞像元位移的低分辨率光譜圖，計(jì)算機(jī)(6)對(duì)光電探測器(5)采集的光譜圖信息進(jìn)行信息融合，利用遞推算法求取亞像元值從而構(gòu)建出一幅高分辨率的光譜圖，其中，所述N為正整數(shù)且N≥2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀，其特征在于，所述入射狹縫(I)采用半導(dǎo)體硅材料或玻璃材料通過微機(jī)械工藝制作而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀，其特征在于，所述光電探測器(5)采用面陣(XD、CMOS面陣成像探測器或InGaAs面陣成像探測器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多狹縫陣列的超分辨光譜儀，其特征在于，所述光電探測器(5)上垂直于光譜維方向上的陣列數(shù)為N的整數(shù)倍，N為正整數(shù)且N≥2。
【文檔編號(hào)】G01J3/04GK103471717SQ201310424250
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月17日
【發(fā)明者】郝鵬, 吳一輝, 遲明波, 劉永順 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所