一種基于集成掃描光柵微鏡和改進(jìn)型非對稱式C-T結(jié)構(gòu)的微型近紅外光譜儀

謝瑛珂， 王晰晨， 梁恒恒， 溫 泉

1. 西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 重慶 400715 2. 重慶理工大學(xué)理學(xué)院， 重慶 400054 3. 重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400030

引 言

近紅外光譜分析技術(shù)在航空航天、 生物醫(yī)藥、 環(huán)境檢測、 食品安全等眾多領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[1-2]。 近年來， 隨著新一代基于近紅外連續(xù)光譜分析的微小型檢測裝備的高速發(fā)展， 高性能、 微型化、 低成本近紅外光譜儀成為國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和相關(guān)儀器廠商近年來的主要研究方向[3-4]。

目前基于光柵分光的光譜儀具有采集速度快和光譜范圍寬等優(yōu)點(diǎn)， 因此大部分的近紅外光譜儀都是以光柵作為分光器件[5]。 傳統(tǒng)的基于機(jī)械轉(zhuǎn)動光柵和單管探測器的光譜儀具有測量精度高等優(yōu)點(diǎn)， 但需要步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動光柵來實(shí)現(xiàn)光譜掃描， 構(gòu)造比較復(fù)雜， 儀器精密裝調(diào)難度大[6]。 比較而言， 基于固定光柵分光與陣列探測器的微型近紅外光譜儀具有檢測速度快、 信噪比高、 光譜分辨率高等特點(diǎn)， 但陣列探測器價格昂貴， 儀器成本高[7]。 近年來， 國內(nèi)外學(xué)者基于MOEMS技術(shù)， 將光柵、 微鏡和驅(qū)動器一體化單片集成， 研制出可同時實(shí)現(xiàn)光學(xué)分光和掃描的微型集成掃描光柵微鏡。 該器件具有精度高、 易集成等優(yōu)點(diǎn)， 將其作為分光器件可使近紅外光譜儀結(jié)構(gòu)簡化， 有利于提高集成度和更好地采集光譜信息， 可實(shí)現(xiàn)近紅外光譜儀的微型化、 低成本和高性能[8-9]。 本研究結(jié)合MOEMS集成掃描光柵微鏡和銦鎵砷單管探測器設(shè)計(jì)了一種基于改進(jìn)型C-T光路結(jié)構(gòu)的微型近紅外光譜儀， 以像差分析理論為依據(jù)， 采用ZEMAX軟件設(shè)計(jì)、 仿真和優(yōu)化了光路結(jié)構(gòu)， 并進(jìn)一步完成了光譜儀的設(shè)計(jì)與裝調(diào)， 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其性能。

1 系統(tǒng)原理

圖1所示為本工作設(shè)計(jì)的微型近紅外光譜儀結(jié)構(gòu)， 由微型集成光柵微鏡來實(shí)現(xiàn)同步掃描和分光。 如圖1所示， 光源發(fā)出的光由光纖耦合后， 經(jīng)入射狹縫進(jìn)入準(zhǔn)直透鏡， 準(zhǔn)直成平行光后進(jìn)入微型掃描光柵微鏡完成分光， 分光后的不同波長單色光依次經(jīng)聚焦透鏡聚焦， 順序通過長波通濾光片(FELH0750， Thorlabs， USA)、 平凸柱面透鏡和出射狹縫， 由銦鎵砷光電二極管完成探測， 最后經(jīng)測控電路處理數(shù)據(jù)后由上位機(jī)顯示光譜。

圖1 基于集成掃描光柵微鏡的微型近紅外光譜儀結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of a NIR micro-spectrometer based on scanning grating mirror

光譜儀基于重慶大學(xué)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的微型集成掃描光柵微鏡同時實(shí)現(xiàn)光學(xué)分光和掃描， 如圖2(a, b)所示。 該光柵微鏡集成了角信號傳感器， 在掃描分光的同時可實(shí)時獲取微鏡偏轉(zhuǎn)角度值， 該角度值與光譜波長一一對應(yīng)， 再結(jié)合光電探測器得到的光功率值， 即可實(shí)現(xiàn)光譜的重構(gòu)。 光柵微鏡諧振頻率為677.1 Hz， 0.8 ms內(nèi)即可獲得全波長范圍光譜。

基于光柵方程可得到掃描光柵微鏡的動態(tài)光柵方程式[10]

d×[sin(α±φ)±sin(β±φ)]=mλ

(1)

式(1)中，d為光柵常數(shù)，α為平行入射光入射角，β和φ分別為衍射角和偏移衍射角。 以掃描光柵靜止時的出射波長為中心波長位置點(diǎn)， 如圖2中λ0所示， 當(dāng)掃描光柵光學(xué)轉(zhuǎn)角θ滿足-φ≤θ≤+φ時， 中心位置處的波長將滿足λmin≤λ≤λmax， 變換式(1)可得到λmin，λmax的關(guān)系滿足

圖2 (a)掃描光柵微鏡分光示意圖； (b)掃描光柵微鏡實(shí)物圖Fig.2 (a) Schematic diagram of scanning grating mirror； (b) The scanning grating mirror used in the system

d×{[sin(α?φ)+sin(β?φ)]+

[sin(α±φ)+sin(β±φ)]}=

m(λmax±λmin)

(2)

基于此， 根據(jù)該集成掃描光柵微鏡所設(shè)計(jì)光柵常數(shù)d=4 μm， 閃耀級次m=-1， 光柵入射角理論值14.1°， 以及光譜儀設(shè)定的800～1 800 nm波長探測范圍， 通過式(2)可得到集成掃描光柵微鏡最大掃描角度為Δφ≈±4°。

2 實(shí)驗(yàn)部分

根據(jù)掃描光柵微鏡工作特點(diǎn)， 提出了基于改進(jìn)的非對稱式C-T光路的微型近紅外光譜儀初始光路結(jié)構(gòu)， 如圖3所示。 在固定準(zhǔn)直透鏡M1和聚焦透鏡M2位置的情況下， 依靠掃描光柵偏轉(zhuǎn)來實(shí)時改變準(zhǔn)直入射光至光柵的角度αg和光柵衍射角度βg， 以實(shí)現(xiàn)不同波長的衍射光沿相同路徑經(jīng)聚焦透鏡M2匯聚于單管探測器實(shí)現(xiàn)探測。

圖3 基于集成掃描光柵微鏡的微型近紅外光譜儀初始光路結(jié)構(gòu)Fig.3 The optical system of NIR micro spectrometer based on the scanning grating

基于光線追跡法分析初始系統(tǒng)光路[11]， 以確定該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各參數(shù)來獲得像差的最佳校正和平衡。 C-T光路結(jié)構(gòu)在子午面上對稱， 在弧矢面上是一個失對稱結(jié)構(gòu)， 為進(jìn)一步矯正弧矢像差， 在聚焦透鏡與探測器中間放置了一個平凸柱面透鏡。 分別分析集成光柵微鏡分光后成像偏差， 聚焦透鏡聚焦后的成像偏差， 以及平凸柱面透鏡引入的像差， 可得到該初始光路結(jié)構(gòu)中探測器接收到像點(diǎn)的偏差為

(3)

式(3)中，R1和R2為準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡半徑，α和β分別為準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡入射角(出射角)，αg和βg分別為掃描光柵微鏡入射角和出射角，G為光柵微鏡的半口徑。 根據(jù)瑞利判據(jù)可知， 當(dāng)滿足式(4)條件時

Δ≤λ/4

(4)

即可認(rèn)為此時探測器上接收到的像點(diǎn)為理想成像點(diǎn)。

基于上述理論， 充分考慮光譜儀工作波長范圍、 分辨率、 像差和系統(tǒng)體積等因素， 基于ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件完成光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 為滿足光譜儀的低成本要求， 準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡均采用商業(yè)化鏡片。 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的改進(jìn)型非交叉非對稱C-T光學(xué)系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。 該系統(tǒng)工作波長范圍為： 800～1 800 nm， 入射端采用400 μm纖徑的低羥基石英多模光纖(NA=0.22)， 入射狹縫寬度為50 μm， 出射狹縫寬度為120 μm， 準(zhǔn)直透鏡直徑和焦距分別為25.4和50 mm， 聚焦透鏡直徑和焦距分別為25.4和75 mm， 平凸柱面透鏡焦距為12.69 mm。

表1 優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Optimized optical system parameters

圖4為優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)在800， 1 300和1 800 nm波長處的點(diǎn)列圖， 圖4(a)和(b)分別表示在光路中未放置柱面鏡和放置柱面鏡。 從圖中可以看出， 在800～1 800 nm波長范圍內(nèi)， 這三個波長處的光譜理論分辨率均優(yōu)于10 nm， 且光斑一致性較好， 譜線平直， 且經(jīng)過平凸柱面透鏡的二次聚焦， 在不影響光譜分辨率的前提下， 成像光斑橫向尺寸顯著減小。

圖4 優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)不同波長點(diǎn)列圖(a)： 無平凸柱面透鏡； (b)： 有平凸柱面透鏡Fig.4 The different RMS spots of optimized optical system(a)： No Plano convex cylindrical lens； (b)： With Plano convex cylindrical lens

圖5為探測器端幾何圈入能量對比圖， 實(shí)線為有柱面鏡光路， 虛線為無柱面鏡光路， 可以看出， 有柱面鏡光路在更小的光斑尺寸內(nèi)即可有效提升圈入能量， 可選擇感光面積更小的單管探測器。 同時， 本系統(tǒng)使用的掃描光柵微鏡掃描頻率(677.1 Hz)較高， 需要探測器有足夠大的帶寬來響應(yīng)光譜信號， 以滿足光譜分辨率的要求。 而同一型號的銦鎵砷單管探測器中， 感光面積越小， 其自身截至頻率(帶寬)越大。

圖5 幾何圈入能量對比圖Fig.5 Geometric circle energy comparison diagram

綜上所述， 改進(jìn)型光路結(jié)構(gòu)可有效減小成像光斑尺寸， 可采用感光面積更小的單管探測器來探測光譜， 既可以滿足光譜分辨率的應(yīng)用要求， 又可以有效降低系統(tǒng)成本、 抑制外部光噪聲干擾。

3 結(jié)果與討論

依據(jù)光學(xué)系統(tǒng)分析結(jié)果， 完成了微型近紅外光譜儀系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 加工與裝調(diào)， 如圖6所示， 圖6(a)為基于Solidworks設(shè)計(jì)的系統(tǒng)布局圖， 圖6(b)為裝調(diào)后的光譜儀光路。 通過光路仿真結(jié)果和不同感光面積探測器的對比實(shí)驗(yàn)， 系統(tǒng)以感光面直徑的INGAAS單管探測器(G12181-003K， Hamamatsu， Japan)來探測光譜。

圖6 微型近紅外光譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(a)： 系統(tǒng)布局圖； (b)： 裝調(diào)后的光譜儀光路Fig.6 System structure of near-infrared micro-spectrometer(a)： System layout； (b)： Micro-spectrometer after adjustment

進(jìn)一步對裝調(diào)完成的微型光譜儀標(biāo)定后進(jìn)行了性能測試。 選擇穩(wěn)定性鹵鎢燈光源(AvaLight-HAL-S-Mini, Avantes, Netherlands)和中心波長和半高寬(FWHM)分別為(1 200±2)， (1 300±2.4)， (1 550±2.4) nm和(10±2)， (12±2.4)， (12±2.4) nm的帶通濾光片(FB1200-10， FB1300-12， FB1550-12， Thorlabs， USA)， 于微型近紅外光譜儀工作過程中測量光源放入濾光片后的光譜， 并與海洋光學(xué)NIRQuest光譜儀對比， 以驗(yàn)證其光譜測量的準(zhǔn)確性。 圖7所示為分別放入3個濾光片后所得光譜的疊加圖， 圖中實(shí)線為掃描光柵微鏡近紅外光譜儀測得的光譜， 虛線為海洋光學(xué)NIRQuest光譜儀測得的光譜， 橫坐標(biāo)代表光譜波長， 縱坐標(biāo)是歸一化處理后的光強(qiáng)值。 從圖中可以看出， 掃描光柵微鏡近紅外光譜儀探測波長范圍為800～1 800 nm， 優(yōu)于NIRQuest光譜儀的700～1 700 nm的光譜范圍。 圖7中實(shí)線框和虛線框內(nèi)數(shù)值分別為掃描光柵微鏡近紅外光譜儀和海洋光學(xué)NIRQuest光譜儀所測得的光譜曲線特征峰的中心波長值和FWHM值。 從圖中可以看出， 掃描光柵微鏡近紅外光譜儀波長準(zhǔn)確性與NIRQuest光譜儀無明顯差異。

圖7 微型近紅外光譜儀與海洋光學(xué)光譜儀的不同波長濾光片光譜對比圖Fig.7 Comparison of different wavelength filter spectrum by NIR micro-spectrometer vs. an Ocean Insight spectrometer

以中心波長處譜線輪廓下降到最大值的一半時所對應(yīng)的半高寬(FWHM)Δλnm來表征光譜儀在波長處所對應(yīng)的系統(tǒng)分辨率

R=Δλnm

(5)

從圖7中可以看出， 在波長1 200 nm處， 掃描光柵微鏡近紅外光譜儀測得的FWHM值為10.98 nm。 圖8所示為掃描光柵微鏡微型近紅外光譜儀測得的汞燈(GY-6球形高壓汞燈， 天津拓普)光譜圖， 計(jì)算所得波長1 016.06， 1 130.88和1 532.91 nm處特征光譜譜線的FWHM值分別為10.85， 9.74和8.19 nm。 根據(jù)單管探測及微型近紅外光譜儀光路系統(tǒng)的特點(diǎn)， 在系統(tǒng)的工作過程中， 不同波長的入射角與衍射角之和為一固定值， 可以得出該掃描光柵微鏡光譜儀系統(tǒng)的光譜分辨率小于11 nm。

圖8 微型近紅外光譜儀高壓汞燈光譜Fig.8 Mercury lamp spectrum by NIR micro-spectrometer

以放入FB1300-12帶通濾光片的鹵鎢燈光源為標(biāo)準(zhǔn)光源， 掃描光柵微鏡近紅外光譜儀多次開關(guān)機(jī)重復(fù)測量， 記錄波長附近特征譜線峰值所對應(yīng)的波長值λi， 共測量10次， 計(jì)算波長平均值λ0=1 298.91 nm， 其標(biāo)準(zhǔn)偏差σ=0.93 nm， 該光譜儀的波長穩(wěn)定性≤±1 nm。

進(jìn)一步對比驗(yàn)證了平凸柱面透鏡對掃描光柵微鏡近紅外光譜儀性能的影響。 圖9所示為鹵鎢燈光源分別放入3個濾光片后所得光譜的疊加圖， 圖中實(shí)線為有平凸柱面鏡光路系統(tǒng)所測得的光譜曲線， 虛線為無平凸柱面透鏡光路系統(tǒng)測得的光譜曲線。 從圖9可以看出， 基于平凸柱面透鏡的改進(jìn)型光路所測得的譜線強(qiáng)度明顯高于無平凸柱面透鏡測得的譜線強(qiáng)度， 波長1 200， 1 300和1 550 nm處無柱面鏡光路與有柱面鏡光路的光強(qiáng)比值分別為81.73%， 87.89%和85.71%， 且光譜分辨率無明顯差異。 本工作提出的基于平凸柱面透鏡的光路結(jié)構(gòu)， 可將探測所得光強(qiáng)值提升15%以上， 可以有效提高光譜測量靈敏度和信噪比。

圖9 平凸柱面透鏡對不同波長濾光片光譜的影響Fig.9 Influence of Plano convex cylindrical lens on spectra of filters with different wavelengths

4 結(jié) 論

提出了一種基于MOEMS集成掃描光柵微鏡和改進(jìn)型非對稱式C-T光學(xué)結(jié)構(gòu)的微型近紅外光譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 完成了光學(xué)系統(tǒng)的仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)， 確定了光學(xué)系統(tǒng)各關(guān)鍵參數(shù)。 基于仿真優(yōu)化結(jié)果， 完成了微型化近紅外光譜儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 加工與裝調(diào)， 搭建實(shí)驗(yàn)平臺完成了相關(guān)性能測試。 結(jié)果表明， 本文設(shè)計(jì)的基于MOEMS集成掃描光柵微鏡和改進(jìn)型非對稱式C-T光學(xué)結(jié)構(gòu)的微型近紅外光譜儀， 采用重慶大學(xué)自主研發(fā)的諧振頻率為677.1 Hz的MOEMS集成掃描光柵微鏡， 0.8 ms時間內(nèi)即可完成一次波長范圍800～1 800 nm的光譜測量， 光譜準(zhǔn)確性與國外品牌光譜儀比較無明顯差異， 光譜整體分辨率(FWHM)≤11 nm， 波長穩(wěn)定性≤1 nm； 同時， 基于平凸柱面透鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可將探測所得光強(qiáng)值提升15%左右， 可有效提高光譜測量的靈敏度， 且對探測器感光面積要求低， 可降低系統(tǒng)成本、 提高系統(tǒng)整體性能。 結(jié)果表明， 所設(shè)計(jì)的基于微型集成掃描光柵微鏡的光譜儀系統(tǒng)滿足高性能、 微型化和低成本的需求， 對發(fā)展和改善微型近紅外光譜儀具有重要的意義， 同時也為發(fā)展基于連續(xù)光譜分析的微小型檢測裝備提供一個新的可行性技術(shù)方案。