双色散二维阿达玛变换光谱仪

中图分类号 ：Ｔ ４ ． Ｈ７４ １
引 言
传 统的高分 辨率光 栅光 谱仪 大多采 用 的是平 面 闪耀 光 栅， 这种光谱仪通常只能采 用低 的衍 射级 次以防止光 谱级次
重叠的问题 ， 要获得高分辨率光谱 只能采用大 面积细刻划线 光栅 。 因而仪器 的尺寸十分庞大 。 １４ ９９年 Ｈａｒ ｉｎ ｒｉｏ 研制 出了一种新 的阶梯光 栅 ， 将其 ｓ 并 命名为 Ｅ ｈ ｌｃ。，即中阶梯光栅 。该类 型光 栅通过 增大 闪 ｃｅｌ 。］ ｅ。
且 信 噪 比得 到 了极 大 的 提 高 。
１ 双色散二维阿达玛变换光谱仪结构
传统 的二维分光光谱仪的原理如图 ｌ 所示 。
耀角 、 光栅 常数 和光谱级 次来提 高分辨率 。但 由于衍射级 次 较高 ，自由光谱 范围窄 ， 多光谱级 次会重叠 在一起 ，所 以 很 需要利用另外一个色散元件将不同级次 的光谱 分离开 ，实现 波长 的双色散 ，从而得到二维 光谱 。同时 ，由于单个 级次 的
色散角小 ，一般 只有几度 ，自由光谱 范围内 的波 长都将 出现 在该级 闪耀角 附近，因此 一个 阶梯光栅对所 有波长都是有 效 闪耀 ， 阶梯光栅成为高效 率闪耀光栅。
缝
Ｆｉ．１ Ｔｈｅｐｒｎｃｐｌ ｆｔ ｄｉ ｅ ｓｏｎ ｇ ａｔｎｇ ｇ ｉ ｉ ｅ ｏ ｗｏ－ ｍ ｎ ｉ ｒ ｉ
高色散率的中阶梯 光栅光谱 仪近年来 越来越受 到关 注 ，
其具有检 出极 限低 、动态范 围大 、 移 动部 件 、结构 紧凑 、 无
入射的发散复合光通过小孔或狭缝到达 准直球面镜 ，球
面镜将光线准直成平行光反射到中阶梯光栅 上 ， 各种 波长的 不同级次的光线 以同一个衍射角出射 （ 级色散 ） 经 过棱镜 谱 ， 后按波长在垂直方 向进行第二次分光 （ 线色散 ） 谱 ，二次分光 后 的二维光谱经 聚焦球面镜到达最后 的面阵 Ｃ Ｄ进行检测 。 Ｃ
由于 二 维 色 散 后 分 配 到 每 个 （ Ｄ感 光 单 元 的 光 强 非 常 、 Ｃ
可实现多元 素光 谱的瞬态直读 测量 以及 背景校正 、波长 自动 标 定等多种 功能［ ］ ４ 。最典 型的一种 是 由中阶梯 光栅 与棱 镜 配合组成的双色散型光谱仪［ｌ 该类型光谱仪可 获得 极高 的 ６， 光谱分辨率 ， 但仪器价格 昂贵 ，且在检测微 弱光谱信 号时存
的高信 噪比探测。仪器原理如图 ２所示 。
基 金 项 目：国 家 “ 十五 ” 关 项 目（０４ Ａ １Ａ ２ ，国家 自然 科 学基 金 项 目（０ ００ ０ 和 中国 石 油科 技 创新 基 金 项 目 （０９ ５０ １０ ） 助 攻 ２ ０Ｂ ２ ０ ０ ） ６８８ １ ） ２０ Ｄ－０６０ ６资
镜对二维光谱进行 阿达玛调制 ， 并利用单点式检测器进行 光信 号的检测 。 理论计算及光学仿真表明 ，与传统 的二维光谱探测仪器相 比， 该光谱仪不仅具有高的分辨率 ，同时还具有很高 的信噪 比。
关键词 阿达玛变换 （ ＨＴ） 数字微镜 （ ； ＤＭＤ ；双色散；光谱仪 ） 文献标识码 ：Ａ Ｄ ：１． ９ ４ ｊｉ ｎ １ ０－５ ３ ２ １ ）６１２—５ ＯＩ ０ ３ ６ ／． ｓ． ０ ００ ９ （０ ２ ０ —７２０ ｓ 方案 ， 利用 阿达玛调制技术不仅 实现 ｒ高 的光 谱分 辨率 ，而
在着信噪 比低下的问题 。
微弱 ，因此 ， 号的 检测极 为 关键 。在 微 弱信 号的 检测 Ｌ， 信 即使采用最 为 昂贵的 Ｃ Ｄ也 未必 能够 获得 很好 的信噪 比。 Ｃ 为 ＿适应微 弱光应用 ， 『 本设计弓 入阿达玛变换原 理实现光 谱 Ｉ
为 ｒ克服传统双色散光谱仪对 微弱光检 测性 能不 高的缺
陷， 本 作 提 出 ＿一 种 基 于 数 字微 镜 （ ｉ ｔｌ ｃｏ ｒ ｒ ｒ ｄｇ ａ ｍｉ ｍｉ ｏ ｉ ｒ ｒ
ｄｖ ｅ Ｄ ｅ ｉ ， ＭＤ） ｃ 阿达玛 变换 调制原 理【 的新 型双色 散光 谱 仪 ７ ］
收稿 日期 ：２ １一９２ ． 订 日期 ：２ １—２２ ０ ｌ —Ｏ 修 ０ ０ １１—８
第３ 卷， ６ ２ 第 期
２０ ｌ２年 ６ 月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖ １ ２ Ｎ ． ，ｐ７ ２１２ ｏ ３ ， ｏ ６ｐ １２ —７６ ．
Ｊ ｎ ，２ １ ｕｅ ０２
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃｒ ｌＡｎ ｌｓｓ ｐ ｃｒ ｓｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ ａｙ ｉ
１ ２ ７３
检测
采用 ，个 ＨＴ模板对试样信号进行调制 ，可 以得 到 个 ｚ 调制的信 号 ， 用检测器检 测每一 个调 制信号 的量值 ， 次 测 量后则 可以通过 ＨＴ解码把 次测得的调制信号还原 成试样 的信 号，在一股测量 中， 如线 阵 Ｃ Ｄ光谱仪 ，检测器在 每一 Ｃ 时 间间隔内只测 量一个分辨单元 的信号强度 ，而阿达玛变换 多通道检测技术在 同一时问里 却可以同时检 测多个分辨单元
双 色 散 二 维 阿 达 玛 变 换 光 谱 仪
刘 佳 ，石 磊 ，李 凯，郑信 文 ，曾立波 ，吴琼水
武汉大学电子信息学院 ，湖北 武汉 ４ ０ ７ ３０９
摘
Fra Baidu bibliotek
要
设计 了一种双色散 二维调制 的阿达玛变换光谱仪 ， 利用 光栅在水平 方 向的谱 级色散 和棱镜在垂 直
方向的谱线色散进 行二维分光 。与传统的二维光谱 Ｃ Ｄ探测方 法不 同，该设计独辟蹊 径 ， Ｃ 采用 面阵数 字微
作者简介：刘
佳 ，１８ ９６年生 ，武汉 大学 电子信息学院博士研究 生
ｅｍａｌ ｓ ＠ ｗｈ ． ｄ ．ｒ － ｉ ：ｑｗｕ ｕ ｅ ｕ ｅｒ
ｅｍａ ： ｉｊ ｙ ＠ｙ ｈ ｏ ｃｒ．ｎ － ｉ Ｌｕｉ ｐ ａ ｏ ．ｏ ｃ ｌ ａ ｎ
＊通 讯联 系 人
第 ６ 期
光谱学与 光谱分 析