CN108362379B - 一种宽谱段高分辨率光谱色散方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及色散型光谱技术领域，特别是涉及一种宽谱段高分辨率光谱色散方法及装置。装置包括沿光路依次设置的第一色散***、像切分器、第一聚光模块、第二准直模块、第二色散***及探测器；点目标通过光纤引入光谱仪***，通过准直后进入第一色散***进行分光，汇聚后在像切分器平面成像，通过像切分器将不同谱段光切分并沿不同角度反射，汇聚准直，进入第二色散***进行第二次分光，成像在探测器面。能够实现宽谱段高分辨光谱色散，适用于物质成分分析，天文光学信号探测，大气风场测速等诸多领域。
Description
技术领域
本发明涉及色散型光谱技术领域，特别是涉及一种宽谱段高分辨率光谱色散方法及光谱仪。
背景技术
光谱技术在遥感、生化、环保、天文、农业等多个领域都有着广泛的应用。对于光谱技术而言，其核心在于分光技术，目前的分光技术主要包括色散法分光、滤光片分光和干涉法分光。
滤光片是新发展起来的一种分光元件，具有结构简单、体积小、重量轻、光学设计简单等多种优势，但滤光片加工工艺不成熟。干涉型光谱仪技术成熟，并且能够在宽谱段下获得高的光谱分辨率。但高分辨率干涉型光谱仪受光路影响体积较大，无法实现小型化和轻量化。色散型光谱仪是目前应用最广泛的光谱技术。
其中色散型光谱仪中的分光元件主要包括棱镜、光栅或滤光片。棱镜结构简单，应用广泛，但体积和重量较大，色散不均匀；相比之下，光栅则体积小、重量轻、色散能力强被广泛用于光谱仪器中；滤光片分光受技术限制，实现宽谱段高分辨率光谱十分困难，并且成本高昂。
高分辨率色散型光谱仪存在探测器像元数造成的光谱谱段受限问题，一般采用线探测器拼接的方法或采用高分辨阶梯光栅和棱镜交叉色散的方法结合大面阵探测器实现。对于线阵探测器拼接的方法，其可实现的光谱范围和光谱分辨率难以摆脱探测器的限制，并且体积大、成本高。而高分辨阶梯光栅和棱镜交叉色散的方案中，高分辨阶梯光栅成本较高，棱镜的体积和重量大，使得光谱仪的体积、重量、成本均比较高，且交叉色散会导致光谱谱线弯曲，从而引起的各种***误差，降低***测量精度。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了宽谱段高分辨率光谱色散方法及装置。解决了宽谱段高分辨率范围受探测器行或列像元限制以及宽谱段高分辨率光谱仪器体积和重量大、成本高等的问题。
本发明所采用的技术方案是提供一种宽谱段高分辨率光谱色散方法，包括以下步骤：
步骤一：将目标光准直后色散至探测器行像元或列像元方向上；
步骤二：将沿探测器行像元或列像元色散的光谱按照不同谱段反射至同一平面的不同行或列位置；
步骤三：将步骤二中反射光束汇聚准直后沿探测器行像元或列像元方向进行二次色散，将位于不同行或列的光谱谱段色散至探测器不同行或者列上。
优选地，上述目标为单个或多个点光源。
本发明还提供一种实现上述方法的宽谱段高分辨率光谱色散装置，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的第一色散***、像切分器、第一聚光模块、第二准直模块、第二色散***及探测器；
上述第一色散***包括沿光路依次设置的第一准直模块及第一色散模块；
第一准直模块将点目标扩展为面平行光进入第一色散模块进行分光，第一色散模块将面平行光沿探测器行像元或列像元方向色散，色散光束传播至像切分器，像切分器将色散光束进行切割，使不同谱段沿不同角度反射，反射方向垂直于第一色散模块色散方向；第一聚光模块将像切分器的反射光束进行汇聚后进入第二准直模块进行准直，获得不同谱段的平行光束；不同谱段的平行光束进入第二色散***，第二色散***将平行光沿探测器行像元或列像元方向进行二次色散，将位于不同行或列的光谱谱段色散至探测器不同行或者列上。
优选地，在第一色散模块与像切分器之间还包括汇聚镜，上述汇聚镜用于对第一色散模块的光束按照不同谱段进行汇聚。
优选地，上述第二色散***可以包括沿光路依次设置的第二色散模块及第二聚光模块；第二色散模块将平行光沿探测器行像元或列像元方向进行二次色散进入第二聚光模块汇聚后，在探测器不同行或者列上获得各个谱段。
优选地，上述第二色散***还可以为曲面光栅。
优选地，第一色散模块与第二色散模块均为光栅或棱镜，也可以用其他一维色散元件代替，第二色散模块的分辨率大于第一色散模块的分辨率。
优选地，上述第一聚光模块为凸透镜或者凸透镜组，将不同角度的入射平行光汇聚在不同空间位置。
优选地，上述第二准直模块为微小透镜组，将不同谱段的光进行准直。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明能实现更宽谱段和更高分辨率的光谱色散能力；
光栅对目标光谱色散时，在探测器行或列像元数目确定的情况下，光谱分辨率和光谱色散范围成反比，无法实现高分辨率宽谱段光谱测量。本发明所采用的方法首先通过光栅或棱镜将目标色散至探测器行像元上，再通过图像切片器将沿行色散的光谱反射至不同平面位置，使得不同谱段被排列在探测器不同行或列上，再通过高分辨率色散元件对位于同一平面不同行或列的窄带光谱沿行或列的方向进行二次色散，获得宽谱段高分辨率光谱谱线。
2、本发明在宽谱段色散过程中，两次色散方向一致，避免了交叉色散造成的光谱曲线弯曲的现象，从而避免了谱线弯曲带来的光谱探测误差，提高了光谱议的分辨率，并且该设计方案降低了后期数据处理难度和复杂程度。
3、该发明在光谱展宽时无需采用探测器拼接，使用一块探测器就能实现较宽谱段的光谱色散，因此，光学***设计能够实现小型化和轻量化。
4、该发明在光谱高分辨率色散时不采用阶梯光栅和棱镜交叉色散方案，光学***中不采用棱镜，能够减小***体积和重量，并且图像切片器是反射器件，反射光路能够使光学***更加紧凑。
5、该发明光谱展宽和色散无需采用高色散阶梯光栅，采用普通的高分辨率闪耀光栅就能实现高精度色散，在工程上实现难度较小，成本相对较低。
附图说明
图1为本发明一个实施例装置示意图；
图2为第二色散***示意图；
图中附图标记为：1-第一准直模块，2-第一色散模块，3-像切分器，4-第一聚光模块，5-第二准直模块，6-第二色散***；61-第二色散模块，62-第二聚光模块，7-汇聚镜。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明。
本发明宽谱段高分辨率光谱色散技术与光谱仪主要用于物质成分分析、天文光学信号探测、原子能级探测等在诸多领域。首先，将目标色散至探测器行像元或列像元方向上；其次，采用图像切片器将一次色散像面进行切割，并反射至同一平面不同位置；再次，将反射光束汇聚准直后沿探测器行像元或列像元方向进行二次色散，由于入射角度不同，不同谱段光被汇聚在不同位置，通过准直***后，再通过高色散器件沿一次色散方向进行二次色散，将整个谱段色散至探测器不同行或者列上。一方面解决了宽谱段在高分辨率色散情况下受探测器限制的问题，另一方面***结构紧凑，无复杂器件，能够实现小型化、轻量化、低成本。
该实施例中可以通过图1所示的装置实现色散，从图1及图2可以看出，
沿光路依次设置有第一准直模块1、第一色散模块2、汇聚镜7、像切分器3、第一聚光模块4、第二准直模块5、第二色散***6及探测器；
在该实施例中第二色散***6包括沿光路依次设置的第二色散模块61与第二聚光模块62，也可以直接用曲面光栅代替；第一色散模块2与第二色散模块61均为光栅，也可以用棱镜或其他以一维色散元件代替；汇聚镜7，对第一色散模块的光束按照不同谱段进行汇聚；像切分器3，为一种微阶梯反射镜阵列，由角度不同的平面反射镜组成，其特点是将线或面进行分割，然后沿不同角度进行反射；第一聚光模块4将不同角度的入射平行光汇聚在不同空间位置，凸透镜等效聚光光路；第二准直模块5为柱面镜或者分光路微小透镜；第二色散模块61的分辨率代表光谱仪实际分辨率，第二次色散和第一次色散方向一致。
具体的色散过程如下：
1)、其中目标为单个或多个点光源，通过物镜成像在焦面上，通过光纤或者物镜将目标引入第一准直模块1，继而点目标扩展成面平行光进入第一色散模块2进行分光。通过第一色散模块2将输入平行光沿探测器行像元或列像元方向色散，色散光束传播至汇聚镜7，对第一色散模块的光束按照不同谱段进行汇聚后进入像切分器3。
2)、通过像切分器3将目标色散谱线进行切割，并使不同谱段沿不同角度反射，反射方向垂直于第一色散模块2的色散方向。
3)、通过第一聚光模块4将像切分器3反射的光线汇聚，由于像切分器3每一阶梯反射谱段光线的角度不同，不同阶梯对应波段被压缩在同一平面不同位置(如图1中的a1、a2及a3)，压缩后光束进入第二准直模块5。
4)、通过第二准直模块5将压缩后的各个谱段进行准直，并通过高分辨第二色散模块进行二次色散，色散方向和一次色散方向一致，再通过汇聚镜将位于不同行或列的光谱谱段色散至探测器不同行或者列上。
Claims (9)
1.一种宽谱段高分辨率光谱色散装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的第一色散***、像切分器、第一聚光模块、第二准直模块、第二色散***及探测器；
所述第一色散***包括沿光路依次设置的第一准直模块及第一色散模块；
第一准直模块将点目标扩展为面平行光进入第一色散模块进行分光，第一色散模块将面平行光沿探测器行像元或列像元方向色散，色散光束传播至像切分器，像切分器将色散光束进行切割，使不同谱段沿不同角度反射，反射方向垂直于第一色散模块色散方向；第一聚光模块将像切分器的反射光束进行汇聚后进入第二准直模块进行准直，获得不同谱段的平行光束；不同谱段的平行光束进入第二色散***，第二色散***将平行光沿探测器行像元或列像元方向进行二次色散，将位于不同行或列的光谱谱段色散至探测器不同行或者列上；第一色散模块的色散方向与所述二次色散的色散方向一致。
2.根据权利要求1所述的宽谱段高分辨率光谱色散装置，其特征在于：在第一色散模块与像切分器之间还包括汇聚镜，所述汇聚镜用于对第一色散模块的光束按照不同谱段进行汇聚。
3.根据权利要求2所述的宽谱段高分辨率光谱色散装置，其特征在于：
所述第二色散***包括沿光路依次设置的第二色散模块及第二聚光模块；第二色散模块将平行光沿探测器行像元或列像元方向进行二次色散进入第二聚光模块汇聚后，在探测器不同行或者列上获得各个谱段。
4.根据权利要求2所述的宽谱段高分辨率光谱色散装置，其特征在于：
所述第二色散***为曲面光栅。
5.根据权利要求3所述的宽谱段高分辨率光谱色散装置，其特征在于：第一色散模块与第二色散模块均为光栅或棱镜，第二色散模块的色散能力大于第一色散模块的色散能力。
6.根据权利要求1-5任一所述的宽谱段高分辨率光谱色散装置，其特征在于：所述第一聚光模块为凸透镜或者凸透镜组。
7.根据权利要求6所述的宽谱段高分辨率光谱色散装置，其特征在于：所述第二准直模块为微小透镜组。
8.一种宽谱段高分辨率光谱色散方法，基于权利要求1-7任一所述的宽谱段高分辨率光谱色散装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将目标光准直后沿探测器行像元或列像元方向色散；
步骤二：将沿探测器行像元或列像元色散的光谱按照不同谱段反射至同一平面的不同行或列位置；
步骤三：将步骤二中反射光束汇聚准直后沿探测器行像元或列像元方向进行二次色散，将位于不同行或列的光谱谱段色散至探测器不同行或者列上。
9.根据权利要求8所述的宽谱段高分辨率光谱色散方法，其特征在于：所述目标为单个或多个点光源。
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