二维折叠光谱分析研究

　　一、前言

　　光谱学在现代科学研究和工业等领域有着广泛的应用，覆盖了从紫外、可见到红外的宽广光谱区，通过对各种物质的反射、透射、散射、吸收和偏振等光谱的峰位、强度、线型、带宽等特征物理光学参数的测量，可获得丰富的光学信息。高精度光谱分析是深刻理解自然界中许多光物理现象及其本质的基础，能够发现和探索光与物质相互作用的规律，认识和解决涉及到物理、化学、材料、能源、信息、环境、生物、医学、地球和空间物理等领域的光物理基础问题，其原理和方法在现代通信、微电子、纳米技术、光电子、化工和国防等领域获得了广泛应用。

　　国际上为满足现代光谱学研究和应用的需求，已发展了各种新型的光谱分析原理和方法〔i-i3}o在应用最广泛的可见光谱区，主要是采用如棱镜和光栅这样的光学色散元件，并结合高灵敏探测器对各种光谱(如反射、透射、吸收、散射、椭圆、偏振、磁光旋转，荧光、喇曼等光谱)进行测量和分析。受色散元件非线性效应和探测器光谱响应特性的影响，通常的光谱测量被限制在一定的光谱区范围，并需采用机械装置对色散元件进行位移和旋转控制。

　　在快速光谱分析中，主要包括三项重要指标:(1)光谱区工作宽度;(2)光谱分辨率;(3)测量时间。虽然采用常规的光栅或棱镜机械扫描的光谱分析法，可在较宽的光谱区实现具有很高分辨率的光谱分析，但这种时问串联机械扫描型测量模式难以提高速度，在长时间机械扫描测量过程中的重义测量精度和可靠性较低。采用无机械扫描的一维和1维面阵探测器方式可实现高速度测量，是现代快速光谱分析的重要发展方向【1-5]}但一维探测器有!;良的物理尺寸一和探测象元密度限制了光谱区宽度和分辨率，需要根据不同的波长范围，置换相应的色散元件并结合多光谱窗口扫描，才能完成全光谱的成像分析。并且，一块光栅难以覆盖全光谱范围，在其光谱衍射工作区的两端效率较低，影响了信噪比质量。

　　在采用硅基CCD阵列测量的快速光谱分析系统中，典型的色散特性如被设计为3 nm/mm，与硅基探测器200-1000nm的波长工作区相对应，其一维探测区的长度将达到267mm，为满足每像元0.1 nm的波长分辨率，约需8000个像元，这样的器件物理尺寸和像元密度将很难在考虑成本和工艺等因素的器件中被实现。因此，为r获得较高的14-16bit信号动态范围和优于0.1 nm光谱分辨率，如采用1024 X 1024像元的高灵敏度面阵CCD探测器，每个像儿面积为20 X 20}m2，其一维探测长度约为20mm，每次测量仅能获得约60nm窗L-a的光潜信息。这样仍需采用机械结构，至少需沿光谱的衍射方向连续转动光栅14次，才能完成200-1000nm全光谱区的扫描测量。虽然采用高色散系数的光学系统，或能免除机械扫描机构，一次完成全光谱区的测量，但在有限像兀尺寸和一维阵列像元数(如500-1000像元)等物理条件限制下，这将以降低光谱分辨率为代价，难以满足高精度光谱分析的要求。