基于像切分镜的快照式光谱系统研究

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。

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