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光谱仪的小型化

2022-03-13 17:16:37   6  举报

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大纲/内容

小型色散光学

传统光谱仪（平面光栅）

这些色散式微光谱仪通常是通过晶片键合制作的，通过电化学控制的蚀刻形成光路

在一定的宽度内，可以通过增加探测器的像素密度来进行一定程度的补偿。

传统光谱仪（凹面光栅）

将光从不同角度分散聚焦到探测器阵列上的不同位置，而不需要复杂的准直光学和多个反射组件

波导光谱仪

允许更紧凑的光限制，进一步减少足迹而不影响性能

输入和输出光栅蚀刻在衬底的两侧，然后在顶部沉积波导层

光通过输入光栅耦合到波导中。当通过波导传播时，光与波导表面上的分析物相互作用，然后光电探测器阵列检测从输出光栅出射的光

分辨率本质上与系统占地面积所提供的光路长度有关，因此，小型化需要降低性能

窄带滤光片

基于可调谐滤波器的微光谱仪

双折射晶体的尺寸限制是AOTF/ICTF光谱仪小型化的主要障碍

可调谐的Fabry-Pérot滤波器可以通过完善的mems兼容工艺制造，非常适合大规模生产微光谱仪

具有由两个平行镜组成的谐振光学腔，两镜之间的距离为可变的d。Fabry-Pérot滤光片的透射函数T由Airy函数给出

过滤器阵列和线性变量过滤器

允许同时测量多个光谱成分并行(尽管这反过来需要多个探测器)

可以使用组合沉积技术在更少的步骤中制造大量的滤波器

使用线性可变滤波器，它通常是楔形或组合分级滤波器，其中的传输或反射光谱沿着滤波器的一个轴连续变化

傅里叶变化微光谱仪

通常用于红外范围内的吸收或发射光谱分析

内在优点

在一个探测器上同时收集光谱信息产生了多路优势

避免空间色散导致更高的光吞吐量

两个因素都倾向于提供更高的信噪比

基于小型干涉仪的FT系统

基于Mach-Zehnder干涉仪

连续调整单个MZI的特性

驻波集成傅里叶变换光谱(SWIFTS)

重构的光谱仪

复杂的光谱-空间映射

通过在每个波长的空间域中创建一个签名模式来区分波长

签名模式应该尽可能多样化，多样性与光路长度的扩展成正比(即所选光学元件中传播模式的最短光路和最长光路之间的差)

计算成本随着光谱分辨率的增加而增加，因为需要从增加的方程中求解更多的变量

光谱响应工程

为每个探测器定制一个不同的光谱响应。这可以通过设计探测器本身或在探测器上集成光学元件来实现

所有这些设计都需要单独制造滤波器和检测器阵列。这增加了制造的复杂性，限制了小型化

最近，光谱响应度工程纳米结构已被证明集成了这些功能

重构技术

上述反演问题是典型的不适定问题。必须采用不同的策略来缓解这一问题，这取决于问题是超定还是欠定

超定：采用截断奇异值分解来去除测量信息中最容易受噪声影响的部分

欠定：额外的信息应该被纳入，以找到最合理的解决方案，基于先验知识的频谱类型应被测量

窄带滤光片有选择地传输特定波长的光，允许它们在光谱选择性检测中使用。

依靠计算技术来从一组探测器编码的预先校准的信息中近似或重建入射光谱。更具体地说，是指一个线性方程组的解。

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