光譜學(xué)技術(shù)：透鏡是如何工作的

本應(yīng)用筆記介紹了光譜學(xué)的基礎(chǔ)知識。它描述了棱鏡和光的分離，基于棱鏡的光譜儀，基于反射光柵的光譜儀以及MLX90255傳感器在小型（手持式）和廉價(jià)光學(xué)光譜儀中的使用。

棱鏡和光分離

以下討論的基礎(chǔ)是基于光的兩個屬性。它的速度是介質(zhì)的函數(shù)，所有頻率分量以不同的速度傳播，這也是介質(zhì)的函數(shù)。

第一個方法解釋了透鏡是如何工作的，通過從空氣到玻璃，光線被折射，因?yàn)樗鼈冊诓Ａе械膫鞑ケ仍诳諝庵械膫鞑ヂ?。第二條規(guī)則告訴我們，任何光學(xué)界面都會使這些光線偏離這些光線的波長的角度函數(shù)。在像數(shù)碼相機(jī)這樣的光學(xué)裝置中，必須通過光學(xué)設(shè)計(jì)避免或補(bǔ)償這種情況，因?yàn)樗鼤a(chǎn)生色差，如下圖所示。

對于一個界面，其分散能力通過稱為阿貝數(shù)的品質(zhì)因數(shù)來衡量。阿貝數(shù)越高，就色彩失真而言，界面越好。在光譜學(xué)的情況下，需要高色散的材料，因此需要具有非常低的阿貝數(shù)的材料。對于皇冠玻璃，從400 nm到600 nm，n在整個波長上的變化僅為0.02。藍(lán)色和紅色指數(shù)之間的差異較大時(shí)，火石玻璃的阿貝數(shù)較低。n指數(shù)隨光的波長呈非線性變化，如下面的Crown圖所示。

基于棱鏡的分光鏡

根據(jù)以上討論，光可以通過棱鏡在其成分中分離?？梢允褂美忡R公式計(jì)算輸出光束角，并且可以選擇材料以使這種擴(kuò)展大。要構(gòu)建分光鏡，必須在MLX90255像素陣列的尺寸上將光束在空間上對齊，并且MLX90255需要連接到外部設(shè)備。此處將不考慮電氣連接，我們將假設(shè)使用理想的光學(xué)傳感器，稍后將對實(shí)際傳感器的情況進(jìn)行研究。理想的傳感器對于所有波長都具有相同的靈敏度，并且對于所有像素都具有相同的增益。

由于n與波長不是線性的，因此光束中的光譜將不是線性的。光學(xué)傳感器的位置應(yīng)確保減小這種影響。例如，將傳感器的一側(cè)比另一側(cè)更靠近棱鏡。

從棱鏡到傳感器的平均距離應(yīng)為在給定的實(shí)驗(yàn)波長范圍內(nèi)，光束適合于128 x 66 μm的傳感器區(qū)域。

下圖顯示該實(shí)驗(yàn)確實(shí)有效，但使用棱鏡的結(jié)果并非最佳。第二張圖片顯示必須使用正確的入射角，并且入射光束必須窄，否則棱鏡將僅顯示反射，折射和光線混合。這就是潛望鏡的制造方法。

基于反射光柵的分光鏡

棱鏡解決方案存在許多問題：它既大又昂貴，它需要幾個機(jī)械部件，并且輸出光束角很小，它還需要一個相當(dāng)大且對準(zhǔn)良好的輸入光束。

使用反射光柵可以獲得更好的解決方案。光柵是玻璃或塑料的干涉物，沒有被拋光，而是變成了一系列小的棱鏡，孔或刻在材料上的其他結(jié)構(gòu)，并形成了微小的周期性結(jié)構(gòu)。

反射光柵的理論告訴我們，光柵特性可以以類似于棱鏡的方式影響反射特性。光柵的優(yōu)點(diǎn)是體積小；用一根光纖作為輸入，能夠補(bǔ)償n的非線性。該解決方案是光學(xué)線性陣列傳感器的一種選擇。

使用邁來芯MLX90255

MLX90255通過在陣列上構(gòu)造拋物線增益結(jié)構(gòu)。有必要在內(nèi)部對每個像素應(yīng)用不同的增益，以使所有像素具有相同的靈敏度。硅對于所有波長都具有不同的靈敏度，以使光能具有一對一的再現(xiàn)，因此有必要通過對每個像素施加不同的增益來對此進(jìn)行補(bǔ)償。

編輯：hfy