静态多通道编码孔径光谱仪研究

　　光谱仪作为一种常用的光谱测量仪器,广泛应用于医疗、生物、化学、光学等各个领域,随着分光器件以及电子器件工艺的发展,光谱仪的性能有了显著的提高.但是分辨率与通光孔径(光通量)的互相制约(或称为双增益)始终困扰着光谱仪器设计者.傅里叶变换光谱仪(Fourier transform spec-trometer, FTS)和哈达玛变换光谱仪(Hadamardtransform spectrometer, HTS)是两种可以实现双增益的光谱仪.FTS运用的是干涉记录方法,分辨率高、光通量大,但是系统需要动镜(moving mir-ror)装置来实现相位调制,这大大增加了系统的复杂度和不稳定性,同时成本比较高;HTS发展自多狭缝光谱仪^[1-2],需要机械装置来进行各个列的编码.随着光电探测器的发展,越来越多的二维探测器运用到了光谱仪器中.哈达玛技术也和二维探测器结合运用在成像光谱仪上^[4-5].

　　本文将二维探测器和二维编码板同时运用到非成像光谱仪,从而避免了增加移动的出射狭缝实现编码组合.由于不含有位置信息,该系统可以获得静态多通道光谱信息,大大提高了系统的信噪比.采用静态设计,不但可以使该光谱仪小型化,而且还可以提高稳定性,降低成本.

　　1　系统方程

　　光谱仪是利用分光原件将混合的光谱信息分开显示测量的仪器,常用的分光原件有棱镜和光栅,随着刻划和全息技术的不断发展,光栅已经逐渐成为主要分光器件.

　　光栅光谱仪将待测量的光谱准直后经过光栅分光,最后利用成像镜在探测器上成光谱像.系统方程可以表述为

　　式中:x、y表示入射面的坐标,x′、y′表示出射面即探测器上的坐标,λ为波长,H表示整个系统对光谱信息的调制,T表示入射面狭缝或者通光孔径的形式,S代表待测光源的信息.以下的讨论都是建立在方程(1)之上.

　　目前最常用的是单狭缝光谱仪,将通光孔径制作成x,y两个方向限度相差很多的狭缝,狭缝各个波长的单色像排列在一维探测器原件上,探测器的信息直接与光谱信息对应无须变换,只需最后的定标.可以将狭缝的方程近似描述为^[3]

　　根据光栅的特性,可以将x、y两个方向分别定义为色散方向和非色散方向(因为光栅只在一个方向上分光),并且光栅具有一定的角色散率,使探测器面接收的光谱信息和入射面的光谱信息在一定范围内成线性关系,可以将以上系统特性描述为

　　式中:λc为中心波长,α为色散系数.

　　将式(3)代入式(1),得到

　　再将式(2)代入式(4)得到

　　式(5)为单狭缝光谱仪的系统方程.当光源能量较小时,为了保证分辨率狭缝的通光口径也很小,那么进入系统的光能就非常少,严重影响了系统的信噪比,甚至信号会湮没在噪声中.如果采用增加狭缝宽度的方法提高通光量,会使光谱分辨率下降.分辨率和通光量这两种增益很难同时保证.