光谱仪综述

光谱仪综述一、光谱的概念光谱（spectrum）是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。光波是由原子运动过程中的电子产生的。各种物质的原子内部电子的运动情况不同，所以它们发射的光波也不同。研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义，已成为一门专门的学科——光谱学。1666年，牛顿把通过玻璃棱镜的太阳光分解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱，他发现白光是由各种颜色的光组成的。这可算是最早对光谱的研究。其后一直到1802年，渥拉斯顿观察到了光谱线，其后在1814年夫琅和费也独立地发现它。牛顿之所以没有能观察到光谱线，是因为他使太阳光通过了圆孔而不是通过狭缝。在1814～1815年之间，夫琅和费公布了太阳光谱中的许多条暗线，并以字母来命名，其中有些命名沿用至今。此后便把这些线称为夫琅和费暗线。实用光谱学是由基尔霍夫与本生在19世纪60年代发展起来的，他们证明光谱学可以用作定性化学分析的新方法，并利用这种方法发现了几种当时还未知的元素，并且证明了太阳里也存在着多种已知的元素。从19世纪中叶起，氢原子光谱一直是光谱学研究的重要课题之一。在试图说明氢原子光谱的过程中，所得到的各项成就对量子力学法则的建立起了很大促进作用。这些法则不仅能够应用于氢原子，也能应用于其他原子、分子和凝聚态物质。氢原子光谱中最强的一条谱线是1853年由瑞典物理学家埃斯特朗探测出来的。此后的20年，在星体的光谱中观测到了更多的氢原子谱线。1885年，从事天文测量的瑞士科学家巴耳末找到一个经验公式来说明已知的氢原子谱线的位置，此后便把这一组线称为巴耳末系。继巴耳末的成就之后，1889年，瑞典光谱学家里德伯发现了许多元素的线状光谱系，其中最为明显的为碱金属原子的光谱系，它们也都能满足一个简单的公式。尽管氢原子光谱线的波长的表示式十分简单，不过当时对其起因却茫然不知。一直到1913年，玻尔才对它作出了明确的解释。但玻尔理论并不能解释所观测到的原子光谱的各种特征，即使对于氢原子光谱的进一步的解释也遇到了困难。能够满意地解释光谱线的成因的是20世纪发展起来的量子力学。电子不仅具有轨道角动量，而且还具有自旋角动量。这两种角动量的结合便成功地解释了光谱线的分裂现象。电子自旋的概念首先是在1925年由乌伦贝克和古兹密特作为假设而引入的，以便解释碱金属原子光谱的测量结果。在狄拉克的相对论性量子力学中，电子自旋(包括质子自旋与中子自旋)的概念有了牢固的理论基础，它成了基本方程的自然结果而不是作为一种特别的假设了。1896年，塞曼把光源放在磁场中来观察磁场对光三重线，发现这些谱线都是偏振的。这种现象称为塞曼效应。次年，洛伦兹对于这个效应作了满意的解释。塞曼效应不仅在理论上具有重要意义，而且在应用中也是重要的。在复杂光谱的分类中，塞曼效应是一种很有用的方法，它有效地帮助了人们对于复杂光谱的理解。为了更加方便地检测光谱信息，光谱仪应由而生。二、光谱仪的分类为了检测光谱信息，光谱仪应由而生，它能将复杂光分离成光谱。光谱仪的种类很多，分类方法也很多，根据光谱仪所采用的分解光谱的原理，可以将其分成两大类：经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪是建立在空间色散（分光）原理上的仪器；新型光谱仪是建立在调制原理上的仪器，故又称为调制光谱仪。经典光谱仪依据其色散原理可将仪器分为：棱镜光谱仪、衍射光栅光谱仪、干涉光谱仪。根据接收和记录光谱的方法不同，光谱仪可分为：看谱仪、摄谱仪、光电光谱仪（光电直读光谱仪、光电单色仪、分光光度计）。根据光谱仪器所能正常工作的光谱范围，光谱仪可分为：真空紫外（远紫外）光谱仪、紫外光谱仪、可见光光谱仪、近红外光谱仪、红外光谱仪、远红外光谱仪。根据仪器的功能及结构特点，光谱仪可分为下列类型：1、单色仪（平面光栅单色仪、凹面光栅单色仪、棱镜单色仪、双单色仪）2、发射光谱仪（火焰光度计、看谱仪摄谱仪、光电光谱仪、谱线测量光谱仪）3、吸收光谱仪（真空紫外分光光度计、可见分光光度计、紫外可见分光光度计、双波长分光光度计、红外分光光度计、原子吸收分光光度计）4、荧光光谱仪（原子荧光光度计、荧光光度计、荧光分光光度计、荧光检测计）5、调制光谱仪（傅里叶变换光谱仪、阿达玛变换光谱仪、栅栏调制光谱仪）6、其他光谱仪（激光拉曼光谱仪、快速扫描光谱仪、相关光谱仪、光声光谱仪、成像光谱仪、多光谱扫描仪、色度仪、测色色差计、白度计）。三、经典光谱仪的基本原理[1]经典光谱仪是建立在空间色散原理上的仪器。一台典型的光谱仪主要由一个光学平台和一个检测系统组成。包括以下几个主要部分：1.入射狭缝:在入射光的照射下形成光谱仪成像系统的物点。2.准直元件:使狭缝发出的光线变为平行光。该准直元件可以是一独立的透镜、反射镜、或直接集成在色散元件上，如凹面光栅光谱仪中的凹面光栅。3.色散元件:通常采用光栅，使光信号在空间上按波长分散成为多条光束。4.聚焦元件:聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狭缝的像，其中每一像点对应于一特定波长。5.探测器阵列：放置于焦平面，用于测量各波长像点的光强度。该探测器阵列可以是CCD阵列或其它种类的光探测器阵列。棱镜色散、光栅色散和干涉色散是三种经典光谱仪的色散方式。原理图如下所示：棱镜色散的原理主要是不同波长的光具有不同的相对折射率，造成了复色光在折射过程中折射角的不同，从而产生了色散效应。出射的色散光经由成像镜会聚于探测器，得到不同波长的色散光。光栅色散的原理主要是对于一定波长差的两条谱线，经光栅后分开的角间隔和在光谱仪谱面上的距离，定义,。设光谱仪的聚焦透镜为，则，因此。从光谱方程可得光栅的角色散和线色散{其结果表明，光栅的色散本领与光栅常数d成反比，与级次m成正比，还与焦距f成反比。但色散本领与光栅中刻线总数N无关。通常分光仪器的分辨本领定义为。为可分辨的最小波长差，对于每个光栅，其可分辨的最小波长差可由其角色散和最小分辨角来决定。从光栅衍射的光强公式()，可得谱线极大与极小之间的半角宽度为。即可认为是最小分辨角。因此，。即。此式表明,光栅的分辨本领正比于参与衍射的总刻线数N和光谱的级次m，与光栅常数d无关。实际的光路安排中,总是要尽量增加光栅的照亮面积,使N足够大,得到极高的分辨本领。干涉光谱仪的主要原理是傅立叶变换。傅里叶变换光谱仪利用光谱像元干涉图与光谱图之间的傅里叶变换关系，通过测量干涉图和对干涉图进行傅里叶变换来获得物体的光谱信息。获取光谱像元干涉图的方法与技术，是傅里叶变换光谱学研究的核心问题之一,决定了由其所形成的傅里叶变换光谱仪的使用范围和能力。目前，遥感成像傅里叶变换光谱学中，用于获取物面光谱像元干涉图的方法主要有三种:迈克尔逊干涉法、三角共路干涉法和双折射干涉法。迈克尔逊干涉法是建立在具有一个不动镜和一个动镜的迈克尔逊干涉仪基础上，它可实现相当高精度的光谱测量，但对扰动比较敏感，对机械扫描精度要求也高，因此仪器结构庞大、成本高。法国太空空间与战略系统分部和美国罗伦斯利物摩尔实验室分别于1991年和1995年研制出了迈克尔逊干涉型时间调制空间成像傅里叶变换光谱仪样机。三角共路干涉法通过空间调制产生物面采样线的像和组成像元的干涉图。1995年美国茶隼公司和佛罗里达技术研究所共同研制了一台机载可见波段三角共路型成像傅里叶变换光谱仪。双折射干涉法利用双折射偏振干涉方法来获取干涉图。美国NASA利用该方法开发研制了数字阵列扫描干涉仪DASI。迈克尔逊型傅里叶变换成像光谱仪属于时间调制型,只适用于空间和光谱随时间变化较慢的目标光谱图像测量,三角共路型和双折射型属于空间调制型，结构紧凑，对外界扰动和震动有良好的稳定性，既可用于空间又可用于时间光谱分辨，适合对地遥感观测，是国外正大力发展的两种傅里叶变换成像光谱仪。除去上述成像光谱仪的介绍，还有采用可调谐、光楔滤光片的成像光谱仪。可调谐滤光片的种类较多:声光可调谐滤光片(AOTF)、电光可调谐滤光片、双折射滤光片、液晶可调谐滤光片、法布里-波罗(Fabry-Perot)可调谐滤光片等,应用在成像光谱仪上的主要有声光可调谐滤光片(AOTF)和液晶可调谐滤光片。声光可调谐滤光片(AOTF)利用声光衍射原理，采用具有良好的光学性能、较高的声光品质因数和较低声、光衰减的光学材料所制作的器件。AOTF在国内外发展都很快,左图为非共线TeO2声光可调谐滤光片的结构[8]，根据声光滤光器的原理,非共线声光滤光器的调谐关系为。式中—衍射光波长，—超声声速，—入射光与晶体光轴的夹角，—超声驱动频率，—互作用介质的双折射。调谐关系反映了声光可调谐滤光片驱动频率与衍射波长的一一对应关系，通过电子调节声波的频率就可完成一定光谱范围内的光谱扫描。为了扩展可调谐波光片的光谱范围，提高光谱分辨率,液晶可调谐滤光片可采用多级串联的工作方式。右图为MeadowlarkOptics公司为NASA/JPL制造的三级液晶可调谐滤光片，光谱范围覆盖0.4—2.5μm,光谱分辨率为10nm，滤光片口径约40mm。由于使用了偏振片，液晶可调谐滤光透过率的理论最大值为50%，现在最高可达40%。光楔成像光谱仪是另外的一种成像光谱仪，它包括一个安装在靠近面阵探测器的楔形多层膜介质干涉滤光片，探测器的每一行探测像元接收与滤光片透过滤长对应的光谱带的能量。所以用单个光楔光谱仪能够覆盖较宽的光谱范围。当面阵探测器的各行与各光谱带对应时，探测器的各列每次在不同的空间位置上采样，所以该探测器阵列有一个空间光谱轮廓。这种几何关系可以在推扫遥感器设计或摆扫遥感器设计中使用，不论在哪一种扫描方法中，每一个地面像元的光谱都是由不同时刻不同探测器像元的输出信号组合得到的。层析成像光谱仪：层析成像光谱仪将成像光谱图像数据立方体视为三维物体,利用特殊的成像光谱仪记录图像立方体的断层投影，根据图像立方体与其断层投影间的关系,利用计算技术对所得的断层投影进行数字解析，重构出物体的空间光谱图。断层光谱层析法通过绕光轴旋转全视场色散成像光谱仪，产生图像立方体的断层投影，棱镜光谱层析法基于全视场棱镜色散型成像光谱仪,通过顺序更换棱镜，产生图像立方体的断层投影序列，光栅光谱层析法借助透射光栅的色散和衍射效应，产生图像立方体的断层投影序列。Descour利用计算全息图构成的层析成像光谱仪与采用正弦相位光栅的层析成像光谱仪相比具有更均匀的衍射效率。显著的优点是它的全视场性，不仅使光能得到充分的利用，而且能以高光谱分辨率提供物面的图像立方体。断层光谱层析法和棱镜光谱层析法需旋转系统或更换棱镜，获取图像立方体的工作时间长，具有发展为凝视考察地面静态或缓变目标的高空间和光谱分辨率仪器的能力；光栅光谱层析法结构固定，可同时获取物体的影像和光谱信息，因此可用于遥感获取光谱和空间强度迅变物体的光谱图，但由于探测器格式及色散元件的衍射特性限制,工作光谱范围较窄，谱段数较少，需进一步进行研究。采用二元光学元件的成像光谱仪：二元光学元件(即衍射光学元件)具有多种应用。美国光量子中心罗姆实验室的DeniseLgons提出一种利用二元光学元件的成像光谱仪。二元光学元件既是成像元件又是色散元件，利用单色面阵CCD探测器沿光轴方向对所需波段的成像范围进行扫描，每一位置对应相应波长的成像区。由CCD接受的辐射是准确聚焦所成的像与其它波长在不同离焦位置所成像的重叠。利用计算层析技术对图像进行消卷积处理就可获得物面的图像立方体。二元光学元件同普通透镜一样会聚入射光线,但它不是根据折射，而是衍射原理。由于衍射产生色差的有效焦距与波长成反比：。式中是设计波长的焦距。因此，与棱镜或光栅元件沿垂直于光轴方向色散的特性不同，二元光学元件沿轴线色散，采用二元光学元件的成像光谱仪其光谱分辨率由探测器的尺寸决定。该成像光谱仪结构紧凑，衍射效率高，目前采用新型、低成本R0激光直接写入技术制作的连续浮