一種基于虛像相位陣列的掃頻式光譜測(cè)量方法
【專利摘要】基于虛像相位陣列的掃頻式光譜測(cè)量方法,由光學(xué)接收系統(tǒng)、基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器、匹配光學(xué)透鏡、多通道光電探測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)構(gòu)成。基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器由虛像相位陣列和衍射光柵構(gòu)成,其輸出為二維空間排列的光譜干涉條紋。通過(guò)調(diào)節(jié)虛像相位陣列和衍射光柵的參數(shù),以及匹配光學(xué)透鏡焦距,可以調(diào)整基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器輸出干涉條紋的光譜特性?;谔撓裣辔魂嚵械膾哳l式光譜測(cè)量方法可以應(yīng)用于各種與原子光譜和分子光譜相關(guān)的測(cè)量,如米散射(Mie)光譜、瑞利(Rayleigh)散射光譜、布里淵(Brillouin)散射光譜、拉曼(Raman)光譜、熒光光譜、等離子光譜。
【專利說(shuō)明】
一種基于虛像相位陣列的掃頻式光譜測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于虛像相位陣列的掃頻式光譜測(cè)量方法,更具體地說(shuō)屬于一種 基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器的掃頻式光譜測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光譜測(cè)量有兩個(gè)重要的參數(shù):光譜精細(xì)度和光譜測(cè)量密度。光譜精細(xì)度對(duì)應(yīng)于選 用的光學(xué)濾波器的光譜帶寬。光譜測(cè)量密度即光譜測(cè)量間隔。
[0003] 掃頻式光譜測(cè)量可以同時(shí)獲得高光譜精細(xì)度和高密度光譜采樣。例如,目前采用 法布里一泊羅(Fabry-P6rot)干涉儀作為光學(xué)濾波器,干涉儀輸出的單個(gè)干涉條紋帶寬就 是測(cè)量光譜精細(xì)度。通過(guò)調(diào)節(jié)法布里一珀羅干涉儀兩片反射鏡的間距,調(diào)整干涉條紋對(duì)應(yīng) 的中心波長(zhǎng),進(jìn)行多次測(cè)量,從而實(shí)現(xiàn)小于其自由光譜范圍的高密度光譜采樣。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于虛像相位陣列的掃頻式光譜測(cè)量方法,其中虛像相 位陣列配合衍射光柵構(gòu)成基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器。通過(guò)調(diào)節(jié)虛像相位陣列和衍射光 柵的參數(shù),可以調(diào)整基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器輸出干涉條紋的光譜特性,實(shí)現(xiàn)高分辨 光譜測(cè)量。
[0005] 虛像相位陣列是光學(xué)色散器件,可以將輸入的線光源色散為空間排列的光譜干涉 條紋。將虛像相位陣列輸出的光譜耦合到匹配的衍射光柵中,則衍射光柵輸出的是二維空 間排列的光譜干涉條紋,每個(gè)光譜干涉條紋對(duì)應(yīng)一個(gè)光學(xué)濾波器。
[0006] 虛像相位陣列的角色散公式為:
其中,〃 i是線光束的虛像相位陣列入射角;是構(gòu)成虛像相位陣列反射腔內(nèi)材料的折 射率系數(shù);〃i/3由/^sin( D=sin( 〃i)計(jì)算出,是虛像相位陣列內(nèi)部反射角;I是虛像相 位陣列出射角;Λ?由U確定,《為整數(shù),?是虛像相位陣列厚度;Ap是虛像 相位陣列輸出的干涉條紋峰值波長(zhǎng)。
[0007] 衍射光柵的角色散公式為: :f#賴註 爲(wèi)):#: Μ (?) 其中,(6/是光柵周期;"是光束入射角;心為光束出射角4是整數(shù)。
[0008] 由公式(1)和(2)可知,虛像相位陣列和衍射光柵是角色散器件,因此基于虛像相 位陣列光學(xué)濾波器需要配合光學(xué)透鏡才能成像,如匹配透鏡焦距是/,則/也能影響基于虛 像相位陣列光學(xué)濾波器輸出的光譜干涉條紋。如果采用凹面光柵,則/就是凹面光柵的焦 距。
[0009] 因?yàn)檠苌涔鈻诺墓庾V寬度遠(yuǎn)大于虛像相位陣列的干涉峰光譜寬度,所以基于虛像 相位陣列光學(xué)濾波器的單個(gè)干涉峰光譜寬度(半高全寬,/^廣)由虛像相位陣列決定:
其中,7?是虛像相位陣列全反射面反射系數(shù);r是虛像相位陣列高反射輸出面反射系 數(shù)。
[0010]由公式(1)、(2)可知,通過(guò)調(diào)節(jié)虛像相位陣列線光束入射角、虛像相位陣列反射腔 內(nèi)材料的折射率系數(shù)、虛像相位陣列厚度、衍射光柵周期、衍射光柵光束入射角,以及匹配 的光學(xué)透鏡焦距,可以調(diào)整基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器輸出干涉條紋的中心波長(zhǎng)。根據(jù) 公式(3),調(diào)節(jié)虛像相位陣列的全反射面反射系數(shù)和高反射輸出面反射系數(shù),可以調(diào)芐基于 虛像相位陣列光學(xué)濾波器輸出干涉條紋的光譜寬度。
[0011] 本發(fā)明包括光學(xué)接收系統(tǒng)、基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器、匹配光學(xué)透鏡、多通道 光電探測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng),其特征在于,利用光學(xué)接收系統(tǒng)接收目標(biāo)信號(hào),并耦 合進(jìn)基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器中;基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行光譜 分光,并通過(guò)匹配光學(xué)透鏡成像到多通道光電探測(cè)系統(tǒng)上;多通道光電探測(cè)系統(tǒng)光譜信號(hào) 轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào),并導(dǎo)入數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng);調(diào)節(jié)虛像相位陣列和衍射光柵的參數(shù), 以及光學(xué)透鏡的焦距,調(diào)整基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器輸出干涉條紋的中心波長(zhǎng)和光譜 寬度,并重復(fù)進(jìn)行光譜測(cè)量;將多次測(cè)量得到的結(jié)果組合起來(lái),得到被測(cè)目標(biāo)高分辨率光 譜。
[0012]
【附圖說(shuō)明】
[0013] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0014] 圖1,本發(fā)明的基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器結(jié)構(gòu)圖 圖2,本發(fā)明的基于虛像相位陣列的掃頻式光譜測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖3,本發(fā)明的基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器的光譜干涉條紋和被測(cè)目標(biāo)光譜 圖4,本發(fā)明的基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器濾出的被測(cè)目標(biāo)光譜 圖中:1.入射的平行光,2.柱面鏡,3.虛像相位陣列,4.輔助光學(xué)透鏡,5.衍射光柵(以 平面反射式光柵為例),6.衍射光柵像平面處的二維空間排列的光譜干涉條紋,7.光學(xué)接 收系統(tǒng),8.基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器,9.匹配光學(xué)透鏡,10.多通道光電探測(cè)和轉(zhuǎn)換 系統(tǒng),11.數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng),12.被測(cè)目標(biāo)光譜,13.基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器的 輸出光譜干涉條紋,14.調(diào)節(jié)(8)的參數(shù),或者(9)的焦距,得到的基于虛像相位陣列光學(xué)濾 波器輸出干涉條紋,15.再次調(diào)節(jié)(8)的參數(shù),或者(9)的焦距,得到的基于虛像相位陣列光 學(xué)濾波器輸出干涉條紋,16.基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器的一個(gè)干涉條紋的光譜寬度 (半高全寬),17.基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器的自由光譜范圍,18. (13)濾出的被測(cè)目 標(biāo)光譜,19. (14)濾出的被測(cè)目標(biāo)光譜,20. (15)濾出的被測(cè)目標(biāo)光譜,21.由(18)、(19)、 (20)等組合得到的被測(cè)目標(biāo)光譜。
[0015]
【具體實(shí)施方式】
[0016] 本發(fā)明的目的是提供一種基于虛像相位陣列的掃頻式光譜測(cè)量方法,以解決相關(guān) 領(lǐng)域的技術(shù)問(wèn)題。
[0017] 本發(fā)明的基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器如圖1所示。平行光(1)經(jīng)柱面透鏡(2)聚 焦后入射到虛像相位陣列(3)中。虛像相位陣列(3)的輸出經(jīng)過(guò)輔助光學(xué)透鏡(4)后耦合到 匹配的衍射光柵(5)中。根據(jù)實(shí)際情況,輔助光學(xué)透鏡(4)也可以不加。衍射光柵(5)可以是 透射式或者反射式,也可是凹面光柵或者平面光柵。在衍射光柵的焦平面(6)處得到二維空 間排列的光譜干涉條紋,其中虛像相位陣列在/?'向有光譜角色散,衍射光柵在Z方向有光 譜角色散。
[0018] 本發(fā)明的基于虛像相位陣列的掃頻式光譜測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。光學(xué)接收系統(tǒng)(7) 接收被測(cè)目標(biāo)信號(hào),并導(dǎo)入到基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器(8)中,其輸出光譜信號(hào)由匹配 光學(xué)透鏡(9)耦合到多通道光電探測(cè)系統(tǒng)(10)中。利用多通道光電探測(cè)系統(tǒng)(10)探測(cè)對(duì)應(yīng) 的光譜信號(hào),并導(dǎo)入數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)(11)中。
[0019] 圖3中(12)是被測(cè)目標(biāo)光譜。(13)是基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器輸出的光譜干 涉條紋。通過(guò)調(diào)芐基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器(8)的參數(shù),如虛像相位陣列線光束入射 角、虛像相位陣列反射腔內(nèi)材料的折射率系數(shù)、虛像相位陣列厚度、衍射光柵周期、衍射光 柵光束入射角,以及光學(xué)透鏡(9)的焦距,可以調(diào)整基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器輸出干涉 條紋的中心波長(zhǎng)或光譜寬度(16),從而得到(14)或(15)等的輸出干涉條紋。
[0020] 圖4中(18)、(19)、(20)分別是(13)、(14)。(15)濾出的被測(cè)目標(biāo)的光譜信號(hào)。因?yàn)?基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器干涉條紋的理論模型精確可知,所以由(18)、( 19)、(20)等的 測(cè)量結(jié)果可以組合得到被測(cè)目標(biāo)光譜(21)。被測(cè)目標(biāo)光譜(21)的采樣密度超過(guò)基于虛像相 位陣列光學(xué)濾波器的自由光譜范圍(17)。
[0021] 總之,由本發(fā)明圖2中基于虛像相位陣列的掃頻式光譜測(cè)量方法可以實(shí)現(xiàn)高精細(xì) 度和高密度光譜測(cè)量。本發(fā)明中的掃頻式光譜測(cè)量方法可以應(yīng)用于各種與原子光譜和分子 光譜相關(guān)的測(cè)量,如米散射(Mie)光譜、瑞利(Rayleigh)散射光譜、布里淵(Brillouin)散射 光譜、拉曼(Raman)光譜、熒光光譜、等離子光譜。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于虛像相位陣列的掃頻式光譜測(cè)量方法,其特征在于:由光學(xué)接收系統(tǒng)、基于 虛像相位陣列光學(xué)濾波器、匹配光學(xué)透鏡、多通道光電探測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)構(gòu) 成;其中利用光學(xué)接收系統(tǒng)接收目標(biāo)信號(hào),并耦合進(jìn)基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器中;基于 虛像相位陣列光學(xué)濾波器對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行光譜分光,并通過(guò)匹配光學(xué)透鏡成像到多通道光 電探測(cè)系統(tǒng)上;多通道光電探測(cè)系統(tǒng)將光譜信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào),并導(dǎo)入數(shù)據(jù)采集和 處理系統(tǒng);通過(guò)調(diào)節(jié)虛像相位陣列線光束入射角、虛像相位陣列反射腔內(nèi)材料的折射率系 數(shù)、虛像相位陣列厚度、衍射光柵周期、衍射光柵光束入射角,以及匹配的光學(xué)透鏡焦距,調(diào) 整基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器輸出干涉條紋的中心波長(zhǎng)和光譜寬度,并重復(fù)進(jìn)行光譜測(cè) 量;將多次測(cè)量得到的結(jié)果組合起來(lái),得到被測(cè)目標(biāo)高分辨率光譜。2. 權(quán)利要求1所述的基于虛像相位陣列光學(xué)濾波器的特性在于其由虛像相位陣列和衍 射光柵構(gòu)成,其輸出為二維空間排列的光譜干涉條紋。
【文檔編號(hào)】G01J3/45GK106017685SQ201610314482
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月13日
【發(fā)明人】劉金濤, 張凱臨, 宋小全, 吳松華, 劉秉義
【申請(qǐng)人】中國(guó)海洋大學(xué)