一种基于法布里-珀罗腔扫描滤波的光谱分辨率增强方法

摘要

本发明提供一种基于法布里－珀罗腔扫描滤波的光谱分辨率增强方法，在光栅光谱仪光路中加入一个法布里－珀罗腔扫描滤波器，滤波器的腔长可调，调制范围为待侧信号光最大波长的1/2；当法布里－珀罗腔扫描滤波器处于初始腔长时，仅将信号光中的部分谱线滤出；被滤出的这一部分谱线能够被线阵探测器分辨并采集；利用驱动器改变法布里－珀罗腔的腔长，将信号光中另一部分的谱线滤出；被滤出的这一部分谱线也能够被线阵探测器分辨并采集；将不同腔长下采集的各部分光谱进行合成，实现宽光谱范围的光谱拼接；光谱拼接后所获得的包络面即为信号光被检测到的光谱图。本发明在保证光栅光谱仪自由光谱范围的同时，可有效提高光栅光谱仪的光谱分辨率。

说明书

技术领域

本发明属于光谱测量领域，特别涉及一种基于法布里－珀罗腔扫描滤波的方式提高光栅 光谱仪分辨率的方法。

技术背景

光谱分析技术是应用光学原理，对物质的结构和成分等进行测量和分析的一门技术，广 泛应用于物理学、化学、生物学、医学、天文学、地质学、材料学等领域。随着科研和生产 技术的发展，光谱检测技术逐渐应用于环境监测、野外探测、工业在线检测等多种场合。然 而，常规光谱仪体积庞大，便携性差，不适合随身携带和大范围推广，因此需要对光谱仪进 行微型化设计研究。

最常见的微型化方案是通过在传统光谱仪光学结构的基础上对其进行简单的缩小来实现 的，但这样做的后果是导致它们的性能严重下降。例如，光栅光谱仪的微型化需要将准直物 镜的焦距缩短，致使狭缝像严重展宽，极大的影响了光谱分辨率。为了在减小光谱仪体积的 同时保证较高的光谱分辨率，通常采用增加光栅刻线密度或减小狭缝宽度的方法来实现，而 这样做的后果是牺牲了光谱仪的自由光谱范围和能量利用率。罗兰圆光学系统由于结构简单， 通光效率高而被广泛应用于微型光栅光谱仪，然而其弯曲的光谱面使其光谱分辨率难以进一 步提高，尽管可以通过优化凹面光栅的结构来实现平场光谱面，但要制作高精度的凹面光栅 却很困难。

利用窄带滤波器减小光谱的谱线宽度也是提高光谱分辨率的一种常用方法，例如利用法 布里－珀罗滤波器可通过扫描滤波的方式对激光光谱进行探测。然而，与光栅的色散特性相 似，法布里－珀罗滤波器的自由光谱范围与谱线宽度也相互制约，因此，为获得极高的光谱 分辨率，其自由光谱范围往往非常窄。“一种新型微机电系统法布里－珀罗滤波器的设计与分 析”（《光学学报》，2012，32，8，0822005-1）一文中提出了一种新型的微型法布里－珀罗 滤波器，该滤波器在传统法布里－珀罗滤波器的基础上集成了一块光栅进行色散，在保证较 窄谱宽的同时，使滤波器的自由光谱范围大大扩展。然而，该滤波器是针对光纤通信中波分 复用的应用而提出的，主要解决了传统法布里－珀罗滤波器自由光谱范围窄的问题，并未涉 及光谱的探测与采集，更未提及光谱分辨率的提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对光栅光谱仪小型化引起的分辨率降低的问题，提出一 种基于法布里－珀罗腔扫描滤波的光谱分辨率增强方法，利用该方法仅需要在光栅光谱仪的 基础上加入一块法布里－珀罗腔扫描滤波器，即可使原本不可分辨的波长通过光谱扫描，在 时域中得以分辨，解决了光栅光谱仪自由光谱范围与光谱分辨率相互制约的矛盾，具有加工 简单、成本低廉、兼容性好等优点，可广泛应用于各类的光栅光谱仪，提高光谱分辨率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于法布里－珀罗腔扫描滤波的光谱 分辨率增强方法，其特征在于：在光栅光谱仪光路中加入一个法布里－珀罗腔扫描滤波器， 滤波器的腔长可调，调制范围为待侧信号光最大波长的1/2；当法布里－珀罗腔扫描滤波器 处于初始腔长时，仅将信号光中的部分谱线滤出；被滤出的这一部分谱线能够被线阵探测器 分辨并采集；利用驱动器改变法布里－珀罗腔的腔长，将信号光中另一部分的谱线滤出；被 滤出的这一部分谱线也能够被线阵探测器分辨并采集；将不同腔长下采集的各部分光谱进行 合成，实现宽光谱范围的光谱拼接；光谱拼接后所获得的包络面即为信号光被检测到的光谱 图，该光谱图相对未加法布里－珀罗腔扫描滤波的光栅光谱仪而言，其分辨率有明显增强。

所述光栅光谱仪中经准直后的信号光发散角应该保证信号光入射至法布里－珀罗腔后不 出现干涉条纹，而仅对信号光光强进行调制，保证法布里－珀罗腔的滤波功能；

所述法布里－珀罗腔的腔镜面积不小于光栅的面积，以保证光谱仪的光通量；

所述法布里－珀罗腔的初始腔长应使被滤出的谱线能够被线阵探测器分辨。

所述法布里－珀罗腔扫描滤波器可以加在准直物镜与光栅之间，也可以加在光栅与成像 物镜之间，只要能实现波长扫描滤波的功能即可；

所述光栅与法布里－珀罗腔可以分离放置于光路，也可以集成为一体，有利于光谱仪的 小型化；

所述法布里－珀罗腔的腔面应针对不同的工作波长沉积多层介质反射膜，使腔面反射率 大于90％，腔体精细度大于30，以保证法布里－珀罗腔的滤波效果，减小探测误差；

所述法布里－珀罗腔扫描滤波器可以采用压电陶瓷驱动或MEMS驱动，驱动方式可以是连 续扫描或单点驱动，以适应不同条件下对驱动的要求；

所述线阵探测器的采样频率应该使滤波后同一波长的光强从最高值变为最低值时的采样 次数不少于4次，以保证光谱探测的精度。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）现有光栅光谱仪的分辨率受到瑞利判据的限制，在小型化的过程中，狭缝像严重展 宽，导致分辨率降低。本发明通过在光栅光谱仪光路中加入法布里－珀罗腔进行滤波，使原 本不可分辨的两相邻波长分别被滤出，在一定程度上克服了瑞利判据的限制，使光栅光谱仪 在保证原有自由光谱范围的同时，使分辨率得到有效提高，一定程度上解决了光栅光谱仪自 由光谱范围与光谱分辨率相互制约的矛盾。同时，通过驱动器对法布里－珀罗腔单干涉级次 的扫描，使其在很小的驱动行程下即可实现宽光谱范围的扫描探测。

（2）对于传统光栅光谱仪,如果相邻波长的光斑重叠,且根据瑞利判据判定该重叠光斑 正好不可分辨,则认为相邻波长差为光谱分辨率。图3(a)是计算机模拟光栅光谱仪检测到的 一幅光谱示意图。其中，虚线为信号光中真实存在的光谱特征峰，实线表示这几个光谱特征 峰相互叠加以后被光谱仪探测到的光谱图。显然，叠加以后的光谱图成为一个宽的波包，光 谱特征峰完全不可分辨。此时，如果在准直光入射至光栅后，利用可动Fabry-Perot腔进行 扫描滤波,则可滤除光谱图中的部分谱线，图3(b)和图3(c)中实线分别是在图3(a)的基础上 由不同腔长的Fabry-Perot腔滤波后探测到的光谱图。显然，此时得到的光谱图只含有信号 光中相隔较远的部分特征峰，消除了原光谱图中相邻特征峰相互叠加而不可分辨的情况，真 实的反应出特征峰所对应的波长值。将不同腔长Fabry-Perot腔滤波后的光谱图进行合成， 即可得到总的光谱信息，实现光谱分辨率的增强。本发明在一定程度上解决了光栅光谱仪自 由光谱范围与光谱分辨率相互制约的矛盾，具有加工简单、成本低廉、兼容性好等优点，可 广泛应用于各类的光栅光谱仪，提高光谱分辨率。

（3）本发明与现有光栅光谱仪相比，在系统尺寸及自由光谱范围相同的情况下，可获得 更高的光谱分辨率，特别适用于光栅光谱仪小型化过程中，对分辨率降低的补偿，能有效提 升微型光栅光谱仪的综合性能。

附图说明

图1是本发明实施例1中利用法布里－珀罗腔扫描滤波器提高光栅光谱仪分辨率的结构 示意图；

图中：1是信号光输入光纤，2是狭缝，3是准直物镜，4是法布里－珀罗腔扫描滤波器， 5是透射光栅，6是成像物镜，7是探测器；

图2是本发明实施例2中利用法布里－珀罗腔扫描滤波器提高光栅光谱仪分辨率的结构 示意图；

图中：1是信号光输入光纤，2是狭缝，3是准直物镜，4是法布里－珀罗腔扫描滤波器， 5是透射光栅，6是成像物镜，7是探测器；

图3是本发明实现光谱分辨率增强的原理示意图；

图4是本发明实施例1中计算机模拟光谱检测系统中仅有光栅分光时由探测器所探测到 的信号光光谱图；

图5是本发明实施例1中计算机模拟在光栅光谱仪中加入法布里－珀罗腔扫描滤波器后， 当法布里－珀罗腔扫描滤波器处于初始腔长时，由探测器所探测到的部分光谱图；

图6是本发明实施例1中计算机模拟在光栅光谱仪中加入法布里－珀罗腔扫描滤波器后， 当法布里－珀罗腔扫描滤波器腔长改变一定大小时，由探测器所探测到的部分光谱图；

图7是本发明实施例1中计算机模拟在光栅光谱仪中加入法布里－珀罗腔扫描滤波器后， 将不同法布里－珀罗腔长下滤波、采集的各部分光谱图进行合成拼接，得到信号光总的光谱 图；

图8是本发明实施例2中计算机模拟光谱检测系统中仅有光栅分光时由探测器所探测到 的信号光光谱图；

图9是本发明实施例2中计算机模拟在光栅光谱仪中加入法布里－珀罗腔扫描滤波器后， 当法布里－珀罗腔扫描滤波器处于初始腔长时，由探测器所探测到的部分光谱图；

图10是本发明实施例2中计算机模拟在光栅光谱仪中加入法布里－珀罗腔扫描滤波器 后，当法布里－珀罗腔扫描滤波器腔长改变一定大小时，由探测器所探测到的部分光谱图；

图11是本发明实施例2中计算机模拟在光栅光谱仪中加入法布里－珀罗腔扫描滤波器 后，将不同法布里－珀罗腔长下滤波、采集的各部分光谱图进行合成拼接，得到信号光总的 光谱图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本 发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对领域的技术人员即可以 实现本发明权利要求的全部内容。

本发明的实施例1，是提高自由光谱范围为800nm～1000nm的光栅光谱仪分辨率的方法。 如图1所示，光栅光谱仪由狭缝2、准直物镜3、透射光栅5、成像物镜6以及探测器7组成。 待测信号光由纤芯直径为200μm，数值孔径为0.22的光纤1导入至光栅光谱仪，狭缝2宽 度为50μm，经焦距为75mm的准直物镜3准直以后入射至周期为600l/mm，口径为20mm的透 射光栅5上，－1级衍射光经焦距为75mm的成像物镜6进行聚焦成像，由线阵探测器7在成 像面上对光谱进行采集。图4是计算机模拟该光栅光谱仪探测到的光谱图，其中虚线为假设 信号光中真实存在的光谱特征峰，考虑到计算机数据处理能力有限，计算中仅选取900～910nm 的波长范围（也可选取800～810nm或990nm～1000nm的波长范围），波长间隔为1nm，实线 表示探测器所探测到的光谱图。显然，光栅光谱仪的分辨率不到1nm，无法将间隔1nm的各 特征峰分辨开来。

在上述光栅光谱仪的准直物镜3与透射光栅5之间加入一个法布里－珀罗腔扫描滤波器 4，该滤波器首先对信号光进行滤波，滤波后的信号光再由透射光栅5进行色散。滤波器的通 光口径为25.4mm，初始腔长为300μm，腔长调制范围为500nm，精细度为30，利用压电陶瓷 进行扫描驱动，扫描频率为1Hz，探测器采样频率为200Hz，相当于采样步长为5nm。当法布 里－珀罗腔扫描滤波器处于初始腔长300μm时，仅将信号光中的部分谱线滤出，如图5所示， 其中虚线为假设信号光中真实存在的光谱特征峰，波长范围为900～910nm，波长间隔为1nm， 实线为在初始腔长下滤出的部分光谱图，显然，被滤出的这一部分谱线完全能够被线阵探测 器分辨；利用压电陶瓷驱动器改变法布里－珀罗腔的腔长，则信号光中的另一部分谱线被滤 出，如图6中实线所示，被滤出的这一部分谱线也能够被线阵探测器分辨；继续改变法布里 －珀罗腔长，并对每一腔长下的光谱进行采集，直到腔长增加至300.5μm；法布里－珀罗腔 扫描滤波结束后，将不同腔长下采集的各部分光谱进行合成，实现宽光谱范围的光谱拼接； 光谱拼接后所获得的包络面即为信号光被检测到的光谱图，如图7所示，显然，合成后的光 谱包络面可真实反映信号光中的实际光谱，使原本不可分辨的光谱得以分辨，在不改变自由 光谱范围的前提下，有效提高了光栅光谱仪的光谱分辨率。

本发明的实施例2，是提高自由光谱范围为380nm～760nm的光栅光谱仪分辨率的方法。 如图2所示，光栅光谱仪由狭缝2、准直物镜3、透射光栅5、成像物镜6以及探测器7组成。 待测信号光由纤芯直径为100μm，数值孔径为0.22的光纤1导入至光栅光谱仪，狭缝2宽 度为25μm，经焦距为60mm的准直物镜3准直以后入射至周期为600l/mm，口径为10mm的透 射光栅5上，－1级衍射光经焦距为60mm的成像物镜6进行聚焦成像，由线阵探测器7在成 像面上对光谱进行采集。图8是计算机模拟该光栅光谱仪探测到的光谱图，其中虚线为假设 信号光中真实存在的光谱特征峰，考虑到计算机数据处理能力有限，计算中仅选取570～576nm 的波长范围（也可选取380～386nm或754nm～760nm的波长范围），波长间隔为0.5nm，实线 表示探测器所探测到的光谱图。显然，光栅光谱仪的分辨率不到0.5nm，无法将间隔0.5nm 的各特征峰分辨开来。

在上述光栅光谱仪的透射光栅与聚焦物镜之间加入一个法布里－珀罗腔扫描滤波器4， 并将透射光栅5与法布里－珀罗腔扫描滤波器4进行集成，利用该滤波器对光栅的－1级衍 射光进行扫描滤波。滤波器的通光口径为10mm，初始腔长为120μm，腔长调制范围为380nm， 精细度为60，利用MEMS进行单点驱动，驱动步长为4nm。当法布里－珀罗腔扫描滤波器处于 初始腔长120μm时，仅将信号光中的部分谱线滤出，如图9所示，其中虚线为假设信号光中 真实存在的光谱特征峰，波长范围为570～576nm，波长间隔为0.5nm，实线为在初始腔长下 滤出的部分光谱图，显然，被滤出的这一部分谱线完全能够被线阵探测器分辨；利用MEMS 驱动器以4nm的驱动步长改变法布里－珀罗腔的腔长，则信号光中的另一部分谱线被滤出， 如图10中实线所示，被滤出的这一部分谱线也能够被线阵探测器分辨；继续改变法布里－珀 罗腔长，并对每一腔长下的光谱进行采集，直到腔长增加至120.38μm；法布里－珀罗腔扫 描滤波结束后，将不同腔长下采集的各部分光谱进行合成，实现宽光谱范围的光谱拼接；光 谱拼接后所获得的包络面即为信号光被检测到的光谱图，如图11所示，显然，合成后的光谱 包络面可真实反映信号光中的实际光谱，使原本不可分辨的光谱得以分辨，有效提高了光栅 光谱仪的光谱分辨率。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟 悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明 的保护范围之内。