一种多通道光谱仪及光波长获取方法

本技术属于光谱成像，更具体地，涉及一种多通道光谱仪及光波长获取方法。

背景技术：

1、随着光谱成像技术的发展，光谱成像技术被广泛应用于多个领域。如生命科学、天文观测、农业检测和工业检测等领域。多通道光谱仪能够对多个输入光同时测量，提高了检测效率。目前，多通道光谱仪的光谱分辨率通常受到多通道光谱仪光电探测器像素大小的限制，为了提高多通道光谱仪的分辨率，通常需要采用像元更小的光电探测器。然而，像元更小的光电探测器受到工艺限制，且单个像元接受到的信号变弱，降低系统信噪比。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种多通道光谱仪及光波长获取方法，旨在解决现有多通道光谱仪分辨率通常受到多通道光谱仪光电探测器像素大小的限制，更小像元的光电探测器受到工艺限制且会降低系统信噪比的问题。

2、为实现上述目的，本技术提供了一种多通道光谱仪，包括顺次排列的光纤阵列、第一狭缝阵列、第二狭缝阵列、光电探测器和数据分析模块；

3、光纤阵列用于接收多个不同来源的输入光，以避免输入光之间出现串扰；第一狭缝阵列和第二狭缝阵列用于将入射的光信号调制，产生摩尔纹信号，以便分辨出超过奈奎斯特采样极限的波长改变量；光电探测器用于获取摩尔纹信号；

4、数据分析模块用于基于摩尔纹信号，通过识别摩尔纹位置，获取输入光的波长；

5、其中，第一狭缝阵列和第二狭缝阵列的周期不同；第一狭缝阵列和第二狭缝阵列分别设置在输入光的入射平面和出射平面处。

6、进一步优选地，多通道光谱仪还包括顺次设置的准直镜组、分光元件和聚焦镜组；

7、第一狭缝阵列位于准直镜组前端；聚焦镜组位于第二狭缝阵列的前端；

8、准直镜组用于将第一狭缝阵列传输的输入光准直为平行光；分光元件用于将平行光以不同的波长在空间上分割开来；聚焦镜组用于将分光元件传输的光聚焦至第二狭缝阵列成像。

9、进一步优选地，输入光经第二狭缝阵列后，光电探测器接收到的摩尔纹强度为：

10、

11、其中，x为光电探测器的水平方向上的像素分布；δp为p1和p2的差值；1/p1和1/p2分别为g1(x)和g2(x)的空间频率；g1(x)和g2(x)分别为第一狭缝阵列和第二狭缝阵列沿x轴的强度透过率；x轴为水平方向，与光电探测器水平方向一致；

12、进一步优选地，当输入的输入光波长改变后，光电探测器上接收到的摩尔纹强度为：

13、

14、其中，d(δλ)为第一狭缝阵列在第二狭缝阵列上成像出现的位移偏移量；

15、数据分析模块通过识别摩尔纹的位置，获取输入光波长与摩尔纹的偏移量δxm之间的关系：

16、

17、进一步优选地，光纤阵列输入端为多根光纤呈散开状，每根光纤前端安装物镜或者光纤接口，用于接收来自待测样品的信号光或者漫反射光；光纤阵列输出端的光纤呈线性紧密排列；光纤阵列具体参数如前端物镜参数、接口选择、光纤选择和光纤纤芯距的选择需要根据具体的应用需求以确定，光纤阵列光纤数量不少于1；

18、进一步优选地，准直镜组和聚焦镜组为单透镜、组合透镜或透镜组合中的一种或多种；单透镜是指单片透镜，组合透镜是指多片单透镜组合，透镜组合是指多个单透镜或者多个组合透镜组合具有透镜功能的组合；

19、进一步优选地，分光元件为光栅或棱镜与光栅的组合；采用棱镜-光栅作为多通道光谱仪的分光元件，可以降低系统谱线弯曲现象；

20、进一步优选地，第一狭缝阵列和第二狭缝阵列的周期结构，根据多通道光谱仪的分辨率需求设置；第一狭缝阵列和第二狭缝阵列的周期需要有差异；

21、进一步优选地，第一狭缝阵列和第二狭缝阵列的周期结构为梳状狭缝阵列结构。

22、色散转换率α，未加狭缝阵列前多通道光谱仪在单位像元尺寸上所能测量波长带宽。

23、当输入光束直径为w，第一狭缝阵列周期为p1，采样点数量为n时，摩尔纹最小可分辨尺寸δres为p12/w，第二狭缝阵列周期为p2＝p1+p1/n；加上第二狭缝阵列后多通道光谱仪分辨率为δres×α；加上第二狭缝阵列后多通道光谱仪可探测光谱范围为p1×α。

24、多通道光谱仪的分辨率与第一狭缝阵列周期p1成正相关，与输入光束直径w成正相关。

25、第二方面，本技术提供了一种基于多通道光谱仪的光波长获取方法，包括以下步骤：

26、接收不同来源的输入光至光纤阵列的不同光纤中，采用第一狭缝阵列和第二狭缝阵列对光纤阵列传输的光信号进行调制，产生摩尔纹信号，以便分辨出超过内奎斯特采样极限的波长改变量；

27、基于摩尔纹信号，通过识别摩尔纹位置获取输入光的波长。

28、进一步优选地，摩尔纹信号强度为：

29、

30、其中，x为光电探测器的水平方向上的像素分布；δp为p1和p2的差值；1/p1和1/p2分别为g1(x)和g2(x)的空间频率；g1(x)和g2(x)分别为第一狭缝阵列和第二狭缝阵列沿x轴的强度透过率；x轴为水平方向，与光电探测器水平方向一致；

31、当输入光波长改变后，摩尔纹强度为：

32、

33、其中，d(δλ)为第一狭缝阵列在第二狭缝阵列上成像出现的位移偏移量；

34、通过识别摩尔纹的位置，获取输入光波长与摩尔纹的偏移量之间的关系：

35、

36、进一步优选地，摩尔纹最小可分辨尺寸δres为p12/w；

37、其中，p1为第一狭缝阵列周期；w为输入光直径；

38、第二狭缝阵列周期为：p2＝p1+p1/n；

39、其中，n为采样点数量；

40、多通道光谱仪分辨率为δres×α，其可探测光谱范围为p1×α；

41、其中，α为色散转换率，是未加第二狭缝阵列前多通道光谱仪在单位像元尺寸上所能测量的波长带宽。

42、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

43、本技术提供了一种多通道光谱仪，只需要将两个周期不同的狭缝阵列添加到传统的多通道光谱仪系统中，无需更改多通道光谱仪的原始结构，通过改变狭缝阵列的周期可以实现不同的超分辨率。

44、本技术提供了一种多通道光谱仪及输入光波长获取方法，根据已有多通道光谱仪和应用需求设计周期差异的狭缝阵列，即第一狭缝阵列和第二狭缝阵列分别置于多通道光谱仪准直镜组前端和光电探测器前端；光纤阵列输入端接收来自待测样品的输入光或者漫反射光；输入光经由光纤阵列后从另一端输出，经过第一狭缝阵列后，通过准直镜组准直成平行光，平行光经过分光元件，以不同的波长在空间上分割开来，经由聚焦镜组聚焦后通过第二狭缝阵列成像在光电探测器上，形成摩尔纹；当输入光波长发生δλ改变时，光电探测器上接收的摩尔纹会出现偏移，通过摩尔纹的偏移量可以获取输入光微小波长改变量，这一方法可以获得超过奈奎斯特极限的分辨率。

45、本技术提供了一种多通道光谱仪及输入光波长获取方法，当以单色光入射时，经过第一狭缝阵列的输入光会成像在第二狭缝阵列上，在光电探测器上会形成一个单色的摩尔纹，改变单色光波长δλ时，第一狭缝阵列在第二狭缝阵列上所成的像会出现轻微位移d，探测器上接收到的摩尔纹会出现偏移量δx，偏移量δx与第一狭缝阵列和第二狭缝阵列的周期有关，可以通过调整第一狭缝阵列和狭缝阵列的周期增大偏移量；通过识别摩尔纹峰值偏移，可以分辨出超过奈奎斯特采样极限的波长改变δλ；在获取输入光波长时调节方式简单易操作。