基于像切分镜的快照式光谱系统研究
发布时间：2020-08-09 14:23
【摘要】：光谱仪是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器,在天文、化学、生物、地理、工业、农业等领域都是重要的检测仪器及分析监测手段,它能获得待测物的成分信息。而成像光谱仪在获取光谱信息的同时还需二维成像,形成物质分布图像,达到透视被测对象的目的,是空间遥感、天文观测及生命科学等领域的重要科学仪器。光谱仪及成像光谱仪根据应用需要,在光谱范围、光谱分辨率、图像分辨率等方面有着自身发展特点,然而在捕捉动态光谱信息和成像上,提高时间分辨率是两者共同追求的要素。解决宽波段光谱仪的光谱扫描以及大视场成像光谱的空间扫描所带来的效率不足问题,是提高仪器时间分辨率的关键。快照式光谱和成像光谱分析是避免扫描,一次曝光获取包含光谱和成像的所有所需信息的方法,在瞬态光谱和成像获取及分析上有重要价值。本文研究了光学系统中切分视场或切分子像的光学切分方法,提出了基于像切分镜的快照式光谱系统设计方法,完成了以下主要工作:1.提出了基于像切分镜的快照式宽谱直读光谱仪光路结构。像切分镜及多闪耀角复合光栅将全波段切分成多个子波段,每波段均有对应闪耀波长,以实现全谱闪耀,面阵CCD一次曝光可捕获全波段的光谱信息。2.设计了快照式宽谱直读光谱仪光路系统,系统的光谱范围为200-1000 nm,光谱分辨率为0.3nm。分析比较了单像切分镜和双像切分镜光谱仪系统。3.提出了子像阵列快照式光谱成像方法。像切分镜将图像切割成若干狭缝子像并重新排列,经过分光系统后,由面阵探测器一次曝光获得包含被测物空间信息和光谱信息的三维数据组(x,y.λ)。4.完成了双像切分镜的快照式显微成像光谱仪的光路系统设计,系统的视场为0.2mm×0.2mm,光谱范围为450nm-650nm,经软件仿真可知,系统空间分辨率为0.43μm,光谱分辨率为0.9nm。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH744.1
【图文】：
套分光光学系统，并发现了被称作“夫琅禾费”的太阳光谱中的吸收暗线。世界上第 台结构完善的光谱仪器，是在 1859 年由克希霍夫（G.R.Kirchhoff）和本森（R. W. Bunsen）设计完成的，目的为研究金属的光谱，此台光谱仪器的出现第 次完成了光谱成分的检测，同时这也标志着光谱学的诞生[1]。根据电磁理论，不同的生物化学成分通常具有不同的光谱特征，这些特征通常由材料和电磁波之间的相互作用产生，如电子跃迁，原子和分子振动或旋转。因此光谱仪的出现帮助科学家们获得大量的光谱学研究和光谱分析数据，光谱仪将成分复杂（即包含多个波长）的光分解为单波长光谱线的科学仪器，经过光谱标定后的光谱仪获得的光谱图像通常是波长与强度的相对应关系或波长的空间位置，如图 1-1 所示。随着科技发展的不断进步，例如机械、计算机、光电检测技术以及各种先进加工制造工艺的发展，光谱仪器的设计原理及制造技术也在不断地进步，其性能也在不断地提高，相关应用已经涉及众多领域，如航空航天、遥感遥测、生物医学、环境生态、军事科技、以及日常生活和工业控制等，可用于光源测量，色彩测量，化学分析和研究各种材料的物理信息。
技术集成了传统的成像技术和光谱技术，可以同时成三维数据立方。光谱成像根据其光谱分辨率，等参数可分为多光谱成像，高光谱成像和连续光谱出现是天文学家 P. J. C. Janssen 使用双折射单色仪单色仪（在此时称为分光镜，或在这种情况下为 手段，通过用眼睛观察出口狭缝并快速旋转设备相对于棱镜色散的相对位置，可以观察不同波长的珀罗发明了干涉滤波器，首次允许天文学家在狭并调整滤波器的波长，可调谐滤波器因此代表了重难以获得的信息。成像光谱技术的 个突出的优点的反射，吸收或荧光光谱，可以用于检测传统灰度类化学和物理变化[2]，如图 1-2 所示。随着技术的用于机载监视或卫星成像等遥感领域，采矿地质，学等研究领域。
第 1 章 绪论色散型光谱仪根据色散类型又可以分为光栅光谱仪和棱镜光谱仪两大类，本文主要研究光栅色散型光谱仪。光栅作为色散元件被广泛的应用在光谱仪器中是因为光栅的分光作用，由光栅的分光作用产生的光谱是光栅的夫琅禾费衍射图像，它是焦面上 组明暗相间的细条纹，每个波长都有各自的条纹[3]。光栅光谱仪主要由入射狭缝、准直镜，光栅，聚焦镜和探测器五部分构成，如图 1-3 所示，光源由狭缝进入准直透镜，光栅将复色光转换为不同波长下的单色光后由成像透镜成像，最终由探测器获取数据。成熟的光栅色散光谱仪结构如 Ebert-Fastie 结构、Czerny-Turner 结构、Littrow 结构等都已非常成熟。传统的色散型光谱仪可以获得约 0.1nm 的高分辨率，但光谱范围较小，通常在 200-500nm。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH744.1
【图文】：
套分光光学系统，并发现了被称作“夫琅禾费”的太阳光谱中的吸收暗线。世界上第 台结构完善的光谱仪器，是在 1859 年由克希霍夫（G.R.Kirchhoff）和本森（R. W. Bunsen）设计完成的，目的为研究金属的光谱，此台光谱仪器的出现第 次完成了光谱成分的检测，同时这也标志着光谱学的诞生[1]。根据电磁理论，不同的生物化学成分通常具有不同的光谱特征，这些特征通常由材料和电磁波之间的相互作用产生，如电子跃迁，原子和分子振动或旋转。因此光谱仪的出现帮助科学家们获得大量的光谱学研究和光谱分析数据，光谱仪将成分复杂（即包含多个波长）的光分解为单波长光谱线的科学仪器，经过光谱标定后的光谱仪获得的光谱图像通常是波长与强度的相对应关系或波长的空间位置，如图 1-1 所示。随着科技发展的不断进步，例如机械、计算机、光电检测技术以及各种先进加工制造工艺的发展，光谱仪器的设计原理及制造技术也在不断地进步，其性能也在不断地提高，相关应用已经涉及众多领域，如航空航天、遥感遥测、生物医学、环境生态、军事科技、以及日常生活和工业控制等，可用于光源测量，色彩测量，化学分析和研究各种材料的物理信息。
技术集成了传统的成像技术和光谱技术，可以同时成三维数据立方。光谱成像根据其光谱分辨率，等参数可分为多光谱成像，高光谱成像和连续光谱出现是天文学家 P. J. C. Janssen 使用双折射单色仪单色仪（在此时称为分光镜，或在这种情况下为 手段，通过用眼睛观察出口狭缝并快速旋转设备相对于棱镜色散的相对位置，可以观察不同波长的珀罗发明了干涉滤波器，首次允许天文学家在狭并调整滤波器的波长，可调谐滤波器因此代表了重难以获得的信息。成像光谱技术的 个突出的优点的反射，吸收或荧光光谱，可以用于检测传统灰度类化学和物理变化[2]，如图 1-2 所示。随着技术的用于机载监视或卫星成像等遥感领域，采矿地质，学等研究领域。
第 1 章 绪论色散型光谱仪根据色散类型又可以分为光栅光谱仪和棱镜光谱仪两大类，本文主要研究光栅色散型光谱仪。光栅作为色散元件被广泛的应用在光谱仪器中是因为光栅的分光作用，由光栅的分光作用产生的光谱是光栅的夫琅禾费衍射图像，它是焦面上 组明暗相间的细条纹，每个波长都有各自的条纹[3]。光栅光谱仪主要由入射狭缝、准直镜，光栅，聚焦镜和探测器五部分构成，如图 1-3 所示，光源由狭缝进入准直透镜，光栅将复色光转换为不同波长下的单色光后由成像透镜成像，最终由探测器获取数据。成熟的光栅色散光谱仪结构如 Ebert-Fastie 结构、Czerny-Turner 结构、Littrow 结构等都已非常成熟。传统的色散型光谱仪可以获得约 0.1nm 的高分辨率，但光谱范围较小，通常在 200-500nm。
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 付玲;袁菁;王家福;田念;杨莉;田庚;刘谦;;多光谱荧光共聚焦内窥显微成像系统研究[J];中国医疗器械信息;2015年10期
2 李建欣;周伟;孟鑫;朱日宏;;基于像面干涉的高光谱显微成像方法[J];光学学报;2013年12期
3 刘健鹏;唐义;黄刚;张止戈;倪国强;;改进型Czerny-Turner成像光谱仪光学系统设计方法[J];光学学报;2012年03期
4 刘洪英;李庆利;王依婷;刘锦高;薛永祺;;分子超光谱成像系统及其生物医学应用[J];光谱学与光谱分析;2011年10期
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本文编号：2787238
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