【《光谱探测系统光路设计分析案例》5200字】

II光谱探测系统光路设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u29154光谱探测系统光路设计分析案例 1190471.1光谱探测系统光路结构分析 119581.1.1液晶偏振光栅理论 1178441.1.2系统元器件的选择 329711.1.3系统元器件参数的设定 6218531.2光谱探测系统的仿真 101.1光谱探测系统光路结构分析1.1.1液晶偏振光栅理论在LCPG（LiquidCrystalPolarizationGrating，液晶偏振光栅）中，液晶分子的排列方向是随空间坐标线性变化的，且在一个光栅周期内，液晶分子的方位角变化了180°，假定液晶分子排列方向沿x轴变化，则在LCPG中，液晶分子方位角满足：（1.1）其中为光栅的周期。图1.1液晶分子排布图琼斯矩阵是一种描述偏振光束经过偏振器件后光波状态的非常简单有效的方法，每个偏振器件都有自己的透过率矩阵。LCPG的透过率矩阵可通过下式计算[11]：（1.2）其中为旋转矩阵，它的表达式为：（1.3）假设LCPG不存在吸收、散射等能量损失，则参量A和B的表达式为：，其中为液晶层的双折射相位延迟量。将旋转矩阵、参量A和B的表达式带入到式（1.2）中，并作拆分处理可得到LCPG的透过率矩阵为：（1.4）其中和即为几何相位项，它的大小与几何相位理论相一致。由式（1.4）可知，光束入射到LCPG上后，共存在三个衍射级次：0级、+1级和-1级。此外，由LCPG的透过率矩阵亦可知，±1级衍射光的偏振态分别为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光。因此，液晶偏振光栅具有偏振分离特性，如图1.2所示。当一束自然光入射时，偏振光栅将光束按照左旋和右旋分量，分离成为两束具有正交圆偏振态的子光束，分别由+1或-1级次出射。一般而言，织构良好的液晶偏振光栅仅有±1和0三个级次，不存在高级次，出射光级次分布相对简单。图1.2偏振光栅分光效果示意图与普通光栅一样，液晶偏振光栅的入射光波长、光栅周期和衍射角之间也满足光栅方程：（1.5）其中，为光栅周期，为衍射角，为衍射级次，为入射光波长。所以，液晶偏振光栅对于光的衍射特性与振幅/相位光栅基本相同。不同之处在于，液晶偏振光栅在周期内的折射率呈正弦规律变化，衍射图样没有高级次，所有的能量都集中在0和±1级次。具体各级次的效果如下表1.1所示：表1.1理想偏振光栅衍射特性衍射级次0+1-1偏振态与入射光相同左旋圆偏光右旋圆偏光衍射效率其中：（1.6）（1.7）和为由归一化斯托克斯矢量定义的参数。其中为光栅厚度，为匹配半波条件[12]的入射光波长，为液晶材料双折射率。因此，当满足半波匹配关系，即时，偏振光栅的0级衍射效率理论值为0，几乎消失，并且±1级次的效率之和为100%。根据上述分析，液晶偏振光栅在光传播路径方面与普通光栅一致，关键性的区别在于出射部分只含0、+1、-1三级，且±1级的光谱携带偏振信息。1.1.2系统元器件的选择本课题的光路结构设计在史建政等[13]提出的简单光谱仪的模型的基础上进行。原文中，作者将简单光谱仪的系统分为五个部分：光源和照明系统、准直系统、色散系统、成像系统和探测接收系统。如下图1.3所示：图1.3光谱仪的光学系统构成下面将介绍本光学系统各部分作用的分析以及所需要的考虑的元件与参数的选择。（1）目标光源本课题目标为实现可见光波段的谱展开，因此最终的目标光源选择为宽谱可见光光源。同时在初步搭建阶段，需要借助激光器观察探测效果。因此光源有激光光源与宽谱可见光源。（2）准直系统准直系统一般是由狭缝和准直镜组成。狭缝与准直镜的位置关系是狭缝位于准直镜的焦面上。我们的准直系统也由狭缝与准直镜组成。二者的作用如下所示：狭缝用于遮挡杂散光及调整系统入射光的图样。由于光的衍射，光透过狭缝后，会使得原本的光斑变成一条与狭缝方向垂直的光线，之后通过同方向的光栅后，可以实现光谱在二维平面上的展开。在与光栅垂直方向上为依波长展开的光谱，光强表示该波长在光源中的占比。为了减少狭缝处的光源传播方向的影响，将准直镜置于与狭缝相距焦距长度的位置，使进入色散系统的光为平行光，以使分光的各波段不会相互交杂。由于最终的结果为直观地显示在接受光的平面上，保证平行光入射，可以使得最终的结果更加准确。在参数选择过程中，我们主要关注的是狭缝的宽度以及准直镜的焦距。狭缝的宽度影响波长成像缝宽，准直镜焦距影响光栅上光线入射角度，二者均对光谱分辨率有影响。（3）色散系统色散系统是所有光谱探测器的关键部分，本课题选用液晶偏振光栅进行分光。液晶偏振光栅具有能将非偏振光转换成为两束在空间上相互分离，旋向相反的椭圆偏振光的性质。由于衍射只含两个级次，因此不需要考虑采用光栅元件所导致的光谱级次重叠的问题。同时由于只含±1级两个级次，得到的光谱能量比普通的光栅要强，同时由于采用的液晶偏振光栅得到的光谱还包含了部分的偏振信息，因此从光谱获取的能量与信息量两方面均比普通的光栅能力强。在色散系统中，核心参数为液晶偏振光栅的光栅周期。偏振光栅周期直接影响各波长的光分离的程度，根据光栅方程（1.5），周期越小，分离程度越大。（4）成像系统成像系统的作用是是将色散系统分散开来的各种波长的单色光谱会聚到成像镜的焦平面上，形成一系列按波长排列的类狭缝形式的单色像，从而起到缩短光路的作用。其主要功能相关的参数为透镜的焦距，这也是我们需要考虑的参数。（5）探测接收系统的选择探测器接在成像镜后，以将得到的光谱信息通过数字影像呈现出来。此处采用的是可见光相机。需要考虑相机感光芯片的尺寸是否可以覆盖探测到的光谱范围，以较好地呈现整个光谱以及单位像元大小与光谱的分辨率的要求是否相合，以便分辨不同的波长对应的光谱信息。现有探测设备为工业相机BasleracA640-120gm，该工业相机官网查询参数可得到所需信息，下方图1.4为官网感光芯片部分截图。图1.4相机感光芯片参数我们设计实验中最关注的两个参数：①感光芯片尺寸3.7mm*1.8mm；②水平/垂直像素尺寸5.6μm*5.6μm。根据上述分析，可将本光路主要的硬件部分分为光阑、准直镜、液晶偏振光栅、成像镜和探测器五个部件，如图1.5所示：图1.5光学系统的结构简图1.1.3系统元器件参数的设定根据1.1.2的分析，本部分需要设定参数的元件有狭缝、准直镜、偏振光栅以及成像镜，同时由于元件的参数影响整个光谱探测光路的性能，需要对性能进行初步评价，进行评价的性能参数初步拟定为光谱分辨率以及系统长度。一般地，在各光学仪器设计中，人们将分辨率定义为仪器所能分辨的最小波长的差值，此参数为衡量仪器性能高低的重要参数，常用瑞利判据为基础分析理论分辨率。如图1.6所示，当两光斑相距较远时，传感器可以很容易地实现光斑的分辨，但若开始不断缩小光斑间的距离，两光斑开始发生重叠，当重叠部分的面积过多时，传感器开始无法分辨重叠区域的归属，从这个位置开始，若光斑距离继续缩小，传感器仍旧无法分辨重叠区域的归属。因此，当两个光斑恰好发生重叠时，定义此时的两光斑波长的差值为光学仪器的理论分辨率。可以分辨恰能分辨不能分辨图1.6瑞利判据示意图而光谱分辨率是指探测器在波长方向上的记录宽度，又称波段宽度(bandwidth)。光谱分辨率被严格定义为仪器达到光谱响应最大值的50%时的波长宽度。在此处，我们按照瑞利判据的标准，将光谱分辨率设定为两个波长的出射光斑可以完全分开时，两个波长的波长差的值。系统长度指从狭缝开始计算，到达成像面（即同一波长的光汇聚为一点）时的距离，将其作为仪器体型的指标进行考察。由于本课题旨在设计并实现一种光谱探测方法，而光谱分辨率是光谱探测设备的主要性能考察标准，所以我们也将从光谱分辨率入手，进行光路元件参数的选定；光路总长与今后设计中器件小型化的实现有关，因此也可以被纳入参考，作为性能参数考察的辅助指标。根据调查，目前在使用的高光谱探测系统的光谱分辨率参数可以达到几纳米甚至零点几纳米，如美国SOC710vp便携式可见/红外成像光谱仪的光谱分辨率为4.68nm，ImSpectorV10E光谱仪的光谱分辨率为1.8nm。而在大部分有关高光谱光谱仪的应用相关文献中，纳米级的光谱仪已可以基本满足大部分的模型反演、地物识别需要，因此本课题所设计光学系统的光谱分辨率也暂定为纳米级，初步选定为4nm。本模型以史建政提出的简便光谱仪的结构为基础进行设计，本系统的示意图如图1.6所示。图1.6系统示意图光谱分辨率的值通过公式（1.8）给出：(1.8)其中代表光谱带宽（分辨率），表示光栅常数（周期），表示狭缝宽度，m表示衍射级次，i为入射角角度，为准直物镜的焦距。系统总长的值通过公式（1.9）给出：(1.9)其中代表准直镜焦距，表示准直镜与光栅间距离，为成像镜焦距。根据上述公式，便可以进行进一步的参数设计。下面将简要说明本系统各部分的初始设计及组成的元件，以及系统设计的主要步骤。本光学系统的模型包含准直系统、色散系统和成像系统。其中准直部分包括狭缝和准直镜，需设定的参数为缝宽和准直镜焦距；色散系统为液晶偏振光栅，需设定的参数为液晶偏振光栅的光栅常数；成像系统为成像镜，需设定的参数为成像镜焦距。下面将具体阐述各部分的组成，及各元件的参数设定的依据。根据设计需要，可以首先设定即光谱分辨率（光谱带宽）的数值为4nm，之后需要计算其他部件即狭缝、准直镜、光栅、成像镜及探测器等的关键参数。这一部分的参数设定如下：（1）根据实验室已有液晶偏振光栅的光栅常数，设定为。此处为了给其他参数留有更大调整范围，因此设定为90μm。（2）在分辨率和光栅常数已确定的情况下，狭缝宽度与准直镜焦距（与系统长度直接相关）有正比关系，根据市面上可以做的狭缝，将缝宽设定为。（3）在以上参数已经确定情况下，与系统光谱分辨率相关的参数只剩下准直物镜焦距，在满足分辨率的要求下，设定为。（4）前半部分的参数决定系统的光谱分辨率，后半部分与呈现在显示屏上的光谱有关。在官网查表得到相机的像素尺寸，根据奈奎斯特采样定理[14]，选取成像镜的参数为。（5）根据前面这些元器件的选择，可以推断出最终呈现在像面的结果，为：①可见光光谱探测器成像宽度：1.254mm②特征波长成像缝宽：12μm。与相机参数进行比较，可以判断系统各元器件的选择是合理的。（6）由于夹持元件的存在，将准直镜与光栅之间的距离设为50mm。根据上述参数得到的光谱分辨率为3.6nm@532nm；光路总长约为600mm。根据前面的设计计划，本实验所需要的器材如下表1.2所示。表1.2探测光路器件及参数表名称参数数值狭缝狭缝宽度10μm准直镜焦距250mm液晶偏振光栅光栅常数60-90nm成像镜焦距300mm相机CCD尺寸≥1.254mm像元尺寸＜6.0μm*6.0μm在参数设计完成后，需要考察对应的光谱分辨率以及单波长成像面的范围和可见光全波段（380-760nm）在成像面的总范围。根据中心波长附近±4nm的波长在最终像面上得到的全视场点列图是否相交，验证所得的光谱分辨率是否符合设计；根据可见光全波段在最终像面上的范围判断需要的探测器的感光范围大小；根据单波长全视场的范围，求取所需单个像元的最小尺寸，判断其与相机参数是否相合。1.2光谱探测系统的仿真鉴于Zemax平台的使用的广泛性及操作的便捷性，本模型选择在Zemax平台进行仿真设计。在Zemax中，点列图（spt）功能用于分析探测光路系统的光谱分辨率，其原理是通过计算，将入射位置的物点发出的光线保持预先设定的限制因素（如视场、光阑等），经过设计的各元件后所呈现在像面上的实际成像位置绘制出来。 根据1.1的设计方案，在Zemax输入已设计好的参数，观察结果是否符合预期。 主要关注的参数为光谱分辨率以及特征波长成像缝宽，二者分别应满足：以及（这里的a指代相机相面上单位像元的尺寸）。 在这一步骤中，由于面型库中中并无偏振光栅的面型，根据偏振光栅与传统衍射光栅的联系，可知在光的衍射特性这一方面偏振光栅相当于只存在0、±1级的衍射光栅。因此在模拟这一元器件时，需要将面型选为衍射光栅，因此模拟时表面选取衍射光栅并在参数2部分标注1便可以表现偏振光栅性能。参数2是多重组态设计，这里用来表示衍射级次。由此，Zemax建模结果如图1.7所示：图1.7Zemax建模结果在初步建模完成后，需要对设计系统的参数是否符合理论进行验证。验证分为两个部分，一是考察中心波长和与其相差±4nm的三个波段的全视场点列图是否可以实现分离，即符合瑞利判据，由此保证光谱分辨率；二是观察可见光波段（380-760nm）的各个特征波长（380nm、450nm、532nm、632nm和750nm）的成像缝宽的最小值是否可以覆盖至少两