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光譜學技術:透鏡是如何工作的

電子設計 ? 2021-04-29 15:13 ? 次閱讀

本應用筆記介紹了光譜學的基礎知識。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)和廉價光學光譜儀中的使用。

棱鏡和光分離

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

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,因為它們在玻璃中的傳播比在空氣中的傳播慢。第二條規則告訴我們,任何光學界面都會使這些光線偏離這些光線的波長的角度函數。在像數碼相機這樣的光學裝置中,必須通過光學設計避免或補償這種情況,因為它會產生色差,如下圖所示。

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對于一個界面,其分散能力通過稱為阿貝數的品質因數來衡量。阿貝數越高,就色彩失真而言,界面越好。在光譜學的情況下,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。藍色和紅色指數之間的差異較大時,火石玻璃的阿貝數較低。n指數隨光的波長呈非線性變化,如下面的Crown圖所示。

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基于棱鏡的分光鏡

根據以上討論,光可以通過棱鏡在其成分中分離??梢允褂美忡R公式計算輸出光束角,并且可以選擇材料以使這種擴展大。要構建分光鏡,必須在MLX90255像素陣列的尺寸上將光束在空間上對齊,并且MLX90255需要連接到外部設備。此處將不考慮電氣連接,我們將假設使用理想的光學傳感器,稍后將對實際傳感器的情況進行研究。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。光學傳感器的位置應確保減小這種影響。例如,將傳感器的一側比另一側更靠近棱鏡。

從棱鏡到傳感器的平均距離應為在給定的實驗波長范圍內,光束適合于128 x 66 μm的傳感器區域。

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下圖顯示該實驗確實有效,但使用棱鏡的結果并非最佳。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。

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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,它需要幾個機械部件,并且輸出光束角很小,它還需要一個相當大且對準良好的輸入光束。

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構,并形成了微小的周期性結構。

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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。光柵的優點是體積??;用一根光纖作為輸入,能夠補償n的非線性。該解決方案是光學線性陣列傳感器的一種選擇。

使用邁來芯MLX90255

MLX90255通過在陣列上構造拋物線增益結構。有必要在內部對每個像素應用不同的增益,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,因此有必要通過對每個像素施加不同的增益來對此進行補償。

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