超高分辨力微型光谱仪的光学系统设计 收藏

1.引言光谱能够反映物质分子结构信息，在生物、化学、医药材料、食品工业以及地质勘探等领域起着重要的作用随着科学技术日新月异的发展和众多前沿学科的互相交叉、渗透和融合，对光谱仪提出了宽光谱、高分辨力、小型化等一系列新要求，因而微型光谱仪受到了极大的关注。

目前光谱仪有多种光路结构，其中，光栅菲涅尔光谱仪，即在光谱仪结构中采用平面 透射衍射光栅，会使测量光谱范围较窄；采用凹面衍射成像系统的光谱仪成本较高、体积较大，其广泛应用有一定的局限性；Czerny-Turner光路结构不仅可以避免二次或多次衍射，而且便于光学元件的加工与调装，具有测量范围宽、结构简单、成本低廉等特点，被广泛应用于微型光谱仪中。

近年来，国内外的研究人员对微型光谱仪的设计和性能进行了大量的研究工作,浙江大学的夏果等人采用在探测器前加柱 面透镜用于消除离轴像散，且采用了交叉性光路结构，虽然体积上实现了小型化，但其分辨力仅为 0.3 nm∼0.4 nm。

浙江大学的刘康等人研制了一台双光路 结构的微型光谱仪，中心波长分辨率为 5nm，边缘波 长分辨率为 2 nm徐明明等人基于对称式 Czerny-Turner结构，提出使用两块平面光栅进行光谱 分离的方法，从理论上设计了一种光谱分辨力优于 1 nm 光谱仪光学系统，但此光学系统的分辨力与现阶 段的微型光谱仪的分辨力相差一个数量级，而且并未 考虑小体积这一设计指标。

另外，美国海洋光学和 上海复享公司所设计出的微型光谱仪分辨力往往也在 0.1 nm∼0.9 nm之间显然上述光谱仪分辨力一般大于 0.3 nm，无法满足某些对于分辨力要求很高的领域， 如在大气层中临边成像光谱探测时，由于受大气层中 颗粒的种类和成分多及大气湿度等客观条件影响，对光谱仪的分辨力要求极高，分辨力可达 0.06 nm∼0.08 nm;在对钢铁中杂质元素的测定时，由于杂质元 素的光谱特别复杂，谱线繁多，当其以基体元素存在 时，往往会对其他元素的测定产生光谱干扰。

这就要求光谱仪有很高的分辨力；另外，小体积光谱仪易于携带，更方便公安部门现场检测毒品、执法部门现场检测工厂污水以及地质学家现场检测矿石成分等鉴于此，本文以满足外形尺寸、光谱分辨力、光 谱范围、探测器(CCD)上光谱信号覆盖区域为条件，基于 Zemax光学设计软件，通过选择合适的初始结构 参数与评价函数自动优化准直镜、聚焦镜、柱透镜、光栅以及 CCD间倾角和距离，并在此基础上优化出 8 个光栅倾斜角度，从而设计了光谱范围为820 nm∼980 nm，分辨力可达到0.05 nm，外型尺寸为 90 mm×130 mm×40 mm 的 Czerny-Turner结构的微型光谱仪。

2.光路结构的设计及参数选择2.1.Czerny-Turner(CT)光路结构光路设计是微型光谱仪的重要组成部分，光谱分 辨能力直接影响了微型光谱仪测量系统的性能目前，平面光栅光谱仪绝大多数采用 Czerny-Turner光路结构，其根本原因，首先在于此结构安排紧凑、体积小、成本低，其次在于该结构简单、光路对称且和谱面基本平直。

另外，此结构的像质随离开中心距离增大而变坏的速度较其他反射成像结构要慢得多，因此能保 证获得满意像质的较宽光谱该结构是由狭缝、球 面反射准直镜、平面衍射光栅、球面反射聚焦镜和CCD组成[13-14]入射光线由狭缝入射，经准直镜将光线准直后投向光栅上，光栅将不同波长的光线分开，最后由聚光镜将分开的光线聚焦照射到探测器 CCD 上，进行相应的信号采集与分析。

CT 光路结构分为M型和交叉型，其中M型光路在光谱测量范围内的彗差和分辨力稳定性较好M型CT光路结构如图1所示，准直镜和聚光镜的半径为r1 和r2,α和β分别为主光线到达准直和聚光镜上的入射角度，H1是准直镜中心到衍射光栅中心 的竖直方向的距离，H2是聚光镜中心到衍射光栅中心的竖直方向的距离，x是准直镜中心到衍射光栅中心水平方向的距离，f为聚光镜中心到光栅中心的水平距离。

图1 M型CT光路结构图Fig. 1 The CT optical path structure of M-typeM型CT结构还可以分为对称型CT结构和非对称型CT结构，对称型CT结构需要满足条件：H1=H2，r1≠r2，α=β。

这种结构如果要消除彗差的影响，在结构上还需 要满足：（1）

非对称型CT结构需要满足：H1=H2，r1=r2。这种结构如果要消除彗差的影响，在结构上还需 要满足：（2）

相对于对称式CT结构，非对称式CT结构具有体积小、杂散光小和方便调节等优点因此M型CT结构中更适合采用非对称的CT光路结构2.2.光学元器件的选择与光路结构参量的计算为了实现系统高分辨和微型化的设计目标，便于 与机械结构的尺寸相匹配，确定的光谱仪设计指标为体积为90 mm×130 mm×40 mm，光谱测量范围为820 nm∼980 nm，光谱分辨力为0.05 nm。

但是，由于对光谱分辨力的要求过高，所以只能先设计出光谱测量范 围约为880 nm∼900 nm的微型光谱仪，然后通过优化并转动8个光栅倾斜角度，使得光谱的测量范围达到820 nm∼980 nm，从而实现设计指标。

光栅是光谱仪光路系统中的核心器件，所以光栅 的选择至关重要在现代光谱仪中，大多用闪耀光栅代替平面透射光栅，主要是因为闪耀光栅可以实现单缝衍射中央最大值的位置从没有色散的零级光谱转移 到其他有色散的光谱级上，这样能量会更集中。

闪耀 光栅工作在其闪耀波长附近衍射效率最高，闪耀波长与光谱测量范围满足以下关系式[16]：（3）

其中：λb为闪耀波长，λ1，λ2分别为测量光谱范围的起始波长和终止波长，由式(3)可得闪耀波长λb=885 nm所以，本文选用885 nm的闪耀波长，1200 line/mm刻线数的光栅，该光栅在840 nm~1000 nm处衍射效率最好，可达到90%，在1000 nm往后的衍射效率开始低于60%。

另外，考虑到机械调试，我们确定光栅的宽度X=11 mm光谱分辨力是可分辨的最小波长差，本文中的最小波长差为0.05 nm聚焦镜和准直镜的焦距和孔径决定了分辨力和球差其中准直镜的焦距f和光谱分辨力δ满足关系：。

f=acosi/mnδλ （4）式中：a为入射狭缝的宽度，n为光栅刻线密度，m为衍射级次，m为光线在光栅上的入射角取光栅衍射+1级光谱，则i=1，同时为了能够减小轴外像差，入射角i应该尽可能的小，在这里取cosi=1。

由式(4)可计算出f=47.08 mm同时考虑到加工成本、像差影响以及参考反射镜曲率半径参照表，故在本文中取两面反射镜的焦距为f1=f2=f=52.0825mm，相应的可以确定两面反射镜的曲率半径为r1=r2=104.165mm。

在微型光谱仪光学设计过程中，除了考虑彗差对成像质量的影响，球差的存在也会使得光谱线扩散，使得边缘不清晰，会直接影响分辨力所以为了能够将像差控制在合理的范围之内，凹面反射镜的通光口径D与焦距f需要满足：

图2.优化后的光路图Fig. 2.The optimized optical path diagram

图6.间隔为20 nm, 30 nm, 40 nm和50 nm的点列图5. 结论本文以微型光谱仪的光谱范围、尺寸和光谱分辨力等技术指标为依据，提出了基于平面衍射光栅分光的C-T结构方案采用Zemax软件对光谱仪光学系统进行设计与优化。

分析了该系统存在的像差光强等问题，通过逐步手动调节光栅倾斜，自动优化聚焦镜和CCD间的距离和倾角，完成设计超高分辨力光谱仪的任务最后，由于光谱范围较窄，在此光学设计基础上通过仅转动光栅的角度，使得波段范围逐渐变宽。

该光学系统的结构尺寸小，分辨力高，光谱工作范围宽其设计方法和结果可为新一代超高分辨力微型光谱仪的设计提供参考

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