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关于光谱成像的分光问题

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分光一直是光谱分析的核心问题之一,在这个项目里,用什么器材分光,光谱分辨率如何,分得的光的波段是否容易精确测量(以便测试特征波段)是我们现在亟待解决的问题。

分光器材

        棱镜,在光学中是一种透明的光学元件,抛光与平坦的表面能折射光线。正确的表面角度取决于应用上的需求,传统的几何形状是以三角型为基础长方形为边的三棱柱。在口头上提到棱镜时,通常都是指这种类型,但许多光学棱镜都不是这种形状的棱镜。只要是对波长透明的材料都可以用来制造棱镜,但传统上和外观上看都是以玻璃来制作。棱镜可以将光线分裂成原来的成分,也就是光谱(在彩虹中的颜色),也可以用来反射或分裂成不同的偏振光

        石英棱镜用于紫外光区,玻璃棱镜用于可见光区。

        由于不同的波长有不同的折射率,因此能把不同波长分开。棱镜的波长越短,偏向角越大。

        棱镜分光:棱镜也是分光系统中的一个组成部件,因棱镜色散力随波长不同而变化,所在宽入射角宽波段偏振分光棱镜。棱镜分辨率随波长变化而变化,在短波部分分辨率较大,即棱镜分光具有“非匀排性”,色谱的光谱为“非匀排光谱。这是棱镜分光最大的不足。

        光栅(Grating)是一种非常重要的光学元件。

        广义的光栅定义为:可以使入射振幅相位(或两者同时)受到周期性空间调制的光学元件。只能使光受到振幅调制或相位调制的光栅,分别称为振幅光栅相位光栅。按工作方式分,光栅又可分为透射光栅(透射光受调制)和反射光栅(反射光受调制)。

        光栅每单位长度内的刻痕多少,主要决定于所分光的波长范围(两刻痕距离应与该波长数量级相近),单位长度内的刻痕多,色散度越大。光栅的分辨本领决定于刻痕多少。利用全息摄影技术制备的光栅称“全息光栅”,不像机刻光栅刻痕有周期性误差。

        衍射光栅(diffraction grating)是光栅的一种。它通过有规律的结构,使入射振幅相位(或两者同时)受到周期性空间调制。衍射光栅在光学上的最重要应用是作为分光器件,常被用于单色仪光谱仪上。

        实际应用的衍射光栅通常是在表面上有沟槽或刻痕的平板。这样的光栅可以是透射光栅反射光栅。可以调制入射光的相位而不是振幅的衍射光栅现在也能生产。

光栅的分光原理是衍射效应

        由于光的衍射于干涉总效果,不同波长通过光栅作用各有相应的衍射角。光栅的波长越短,偏向角越小。光栅的谱级重叠,有干扰,要考虑消除;棱镜没有这种情况。

        光栅分光:光波将在每个狭缝处发生衍射,经过所有狭缝衍射的光波又彼此发生干涉,这种由衍射光形成的干涉条纹是定域于无穷远处的。光栅在使用面积一定的情况下,狭缝数越多,分辨率越高;对于光栅常数一定的光栅,有效使用面积越大,分辨率越高。

        光栅分光计(Grating Spectrometer)是指采用光栅作为色散系统的光谱仪。光栅分光计分为平面光栅分光计反射式光栅分光计两类。平面光栅分光计通常由准直管、平面光栅和会聚透镜等三部分组成。准直管形成的平行光束经光栅各狭缝衍射,并发生干涉而在透镜焦平面上形成几条偏转方向不同的谱线,按偏转的大小为序。称为第一级(偏转最小),第二级……谱线。复色光将分解为各级光谱。反射式光栅分光计是能应用于全部紫外线光、可见光和红外光波段的光谱仪

        小结:棱镜和光栅色散型成像光谱仪出现较早、技术比较成熟,入射狭缝位于准直系统的前焦面上,入射的辐射经准直光学系统准直后,经棱镜或光栅色散由成像系统将狭缝按波长成像在焦平面探测器上。但是基于棱镜或光栅分光的光谱成像仪器的主要缺点是系统信噪比和光谱分辨率受狭缝宽度的限制,狭缝越窄,光谱分辨率越高,但系统接收到的能量也随之降低。

        滤光片是一种对的不同波段具有选择性吸收光学元件。常见的有有色玻璃、染色胶片或者充满有颜色溶液的玻璃槽等几种形式。其中用有色玻璃或染色胶片制成的滤光器也称为滤光片/镜、滤色片/镜等。广泛用于摄影、电气照明等领域。

        光学滤光片,简单来说就是用来选择性过滤所需要辐射波段的光学器件。基片多为白玻璃、石英、有色玻璃或塑料树脂等光学材料。

        光学滤光片的分类方式可以按光谱分布、光谱类型、带宽、波长、膜层特性、行业应用特点等方式分类。

1、按光谱波段区分滤光片:

        通过光谱的分布长短(即光谱所处区域)把滤光片分为:紫外滤光片,可见光滤光片,近红外滤光片,红外滤光片,远红外滤光片。

光谱波长范围如下:

  • 紫外滤光片180~400nm
  • 可见光滤光片400~700nm
  • 近红外滤光片700~3000nm
  • 红外滤光片3000nm~10um以上

2、按光谱特性区分滤光片:

        带通滤光片、短波截止滤光片、长波截止滤光片。

        带通型滤光片:选定特定波段的光通过,通带以外的光截止。其光学指标主要是中心波长(CWL),半带宽(FWHM),中心波长透过率(Tp),截止度及截止范围。按带宽分为窄带和宽带,通常按带宽比中心波长的值来区分,小于2%来定为窄带,大于2%定为宽带。比如窄带BP808-10滤光片,宽带的如BP650-80。

        短波通型(又叫低波通)短于选定波长的光通过,长于该波长的光截止。 比如红外截止滤光片,IR-CUT-650。

        长波通型(又叫高波通)长于选定波长的光通过,短于该波长的光截止 比如红外透过滤光片,LWP-700。

3、滤光片相关名词解释:

  • 中心波长(CWL):滤光片在实际应用中所使用的波长,如光源主峰值是850nm led灯,那需求的中心波长就是850nm。
  • 透过率(T):假设光初始值为100%,通过滤光片后有所损耗了,通过评估得出只有85%了,那就可以把这个滤光片的光学透过率只有85%,简单讲就是损失了多少,大家都希望做所有事性损失越小越好。
  • 峰值透过率(Tp)>85%:滤光片损耗后能够透过的最高值在85%以上。
  • 半带宽(FWHM):简单说就是最高透过率的1/2处所对应的波长,左右波长值相减,例如,峰值最好是90%,1/2就是45%,45%所对应的左右波长是800nm和850nm,那半带宽就是50nm。
  • 截止率(Blocked): 截止区所对应的透过率.由于要想透过率达到0%,那是非常难的事情,要知道太阳可以让地下的树变成炭,只靠这薄薄的薄膜去掩盖一切是很难的,只能选择它透过率越小越好,就是不想要的光谱透过率越小越好。
  • 截止波段:可接受的不想要的波长最小区域。
  • 介质硬膜(hard coating): 氧化物材料镀制(如Ta2O5,SiO2等)。
  • 软膜: 除氧化物材料外,如氟化物(MgF2),硫化物,常用的金,银,铝之类。增透膜(AR): 减反射膜,增加光的穿性,使光能量最有效的利用。
  • BBAR:背面宽带增透膜。
  • 高反(HR):光通过某波长被返回或反射较多,如平时用的镜子。
  • 高透(HT):光通过某波长损失较少,如平时用的玻璃窗,就属于可见光高透。

        很明显,如果用带通/窄带滤光片作为实验分光工具的话,高光谱一般需要大量波段,确实买不起,基本上10nm分辨率每个波段都有滤光片成品,但是5nm分辨率下并不都都有成品,波段不连续,很有可能错过可用特征波段。(主要还是成本太大)

  • 线性渐变滤光片(LVF)

        线性渐变滤光片(LVF)是一种光谱特性随位置线性变化的光学器件。它是采用离子辅助法或离子束溅射法等工艺,通过在基底表面镀制多层厚度变化的膜系而形成的。相比传统的窄带滤光片,线性渐变滤光片具有接近连续的光谱通道,因此采用线性渐变滤光片进行分光可以获得较高的光谱分辨率。光通讯中的波分复用技术(WDM)和密集波分复用技术(DWDM)就是将线性渐变滤光片耦合在光纤传输端口, 在不增加光纤数量的基础上将通讯传输量扩大几十倍乃至几百倍。线性渐变滤光片的另一个应用领域是光谱成像技术,相比于棱镜和光栅型等光谱成像仪,基于线性渐变滤光片的光谱成像仪具有高集成度、高稳定性和高分辨率等特点,其整机结构紧凑,体积小重量轻,同时研发和制造成本较低,具有很好的应用前景。线性渐变滤光片还可用于便携式分光计、光栅二级次光分离/截至、激光反射镜设计等方面和领域。

线性渐变滤光片

        由于镀膜工艺的限制,在线性渐变滤光片的镀制过程中 会引入各种误差,使得成品滤光片与设计特性产生偏差,并 且使用环境,如温度、湿度、压力等的变化会造成滤光片特性的改变。若要将其应用于相关方面的设计,就必须对其实 际特性进行检测以进行预标定。

        这东西国内没的卖,而且国内论文应用都在概念中没有看到实际的东西。但是看描述由于波段随空间线性连续,因此分光系统理应简单,免去了光学系统复杂造成的像差,可以尝试。

国内代理连接

  • (液晶)可调谐滤光片(LCTF等)

        跟上面的线性滤光片一样,是个科技前沿产品,具体直接见产品连接:(液晶)可调谐滤光片

        这个东西我看了半天是个bug级别的东西,只需要soc控制其通过波段即可达到带通滤波的效果,并且响应是50~100ms级的,这与传统机械轮盘式滤光的效率不是一个档次的,而且非常容易操作,但是缺点就是可调谐波段不是很宽,看了几个论文多用在多光谱成像的应用领域。

声光可调谐技术

自由空间声光可调谐滤波器

作者:Zznjupt

Electronic design interest enthusiasts

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