光谱学技术：透镜是如何工作的

本应用笔记介绍了光谱学的基础知识。它描述了棱镜和光的分离，基于棱镜的光谱仪，基于反射光栅的光谱仪以及MLX90255传感器在小型（手持式）和廉价光学光谱仪中的使用。

棱镜和光分离

以下讨论的基础是基于光的两个属性。它的速度是介质的函数，所有频率分量以不同的速度传播，这也是介质的函数。

第一个方法解释了透镜是如何工作的，通过从空气到玻璃，光线被折射，因为它们在玻璃中的传播比在空气中的传播慢。第二条规则告诉我们，任何光学界面都会使这些光线偏离这些光线的波长的角度函数。在像数码相机这样的光学装置中，必须通过光学设计避免或补偿这种情况，因为它会产生色差，如下图所示。

对于一个界面，其分散能力通过称为阿贝数的品质因数来衡量。阿贝数越高，就色彩失真而言，界面越好。在光谱学的情况下，需要高色散的材料，因此需要具有非常低的阿贝数的材料。对于皇冠玻璃，从400 nm到600 nm，n在整个波长上的变化仅为0.02。蓝色和红色指数之间的差异较大时，火石玻璃的阿贝数较低。n指数随光的波长呈非线性变化，如下面的Crown图所示。

基于棱镜的分光镜

根据以上讨论，光可以通过棱镜在其成分中分离。可以使用棱镜公式计算输出光束角，并且可以选择材料以使这种扩展大。要构建分光镜，必须在MLX90255像素阵列的尺寸上将光束在空间上对齐，并且MLX90255需要连接到外部设备。此处将不考虑电气连接，我们将假设使用理想的光学传感器，稍后将对实际传感器的情况进行研究。理想的传感器对于所有波长都具有相同的灵敏度，并且对于所有像素都具有相同的增益。

由于n与波长不是线性的，因此光束中的光谱将不是线性的。光学传感器的位置应确保减小这种影响。例如，将传感器的一侧比另一侧更靠近棱镜。

从棱镜到传感器的平均距离应为在给定的实验波长范围内，光束适合于128 x 66 µm的传感器区域。

下图显示该实验确实有效，但使用棱镜的结果并非最佳。第二张图片显示必须使用正确的入射角，并且入射光束必须窄，否则棱镜将仅显示反射，折射和光线混合。这就是潜望镜的制造方法。

基于反射光栅的分光镜

棱镜解决方案存在许多问题：它既大又昂贵，它需要几个机械部件，并且输出光束角很小，它还需要一个相当大且对准良好的输入光束。

使用反射光栅可以获得更好的解决方案。光栅是玻璃或塑料的干涉物，没有被抛光，而是变成了一系列小的棱镜，孔或刻在材料上的其他结构，并形成了微小的周期性结构。

反射光栅的理论告诉我们，光栅特性可以以类似于棱镜的方式影响反射特性。光栅的优点是体积小；用一根光纤作为输入，能够补偿n的非线性。该解决方案是光学线性阵列传感器的一种选择。

使用迈来芯MLX90255

MLX90255通过在阵列上构造抛物线增益结构。有必要在内部对每个像素应用不同的增益，以使所有像素具有相同的灵敏度。硅对于所有波长都具有不同的灵敏度，以使光能具有一对一的再现，因此有必要通过对每个像素施加不同的增益来对此进行补偿。

编辑：hfy