基于雙光柵和柱透鏡的高分辨率近紅外微型光譜儀

吳婧儀, 周哲海*, 趙 爽, 閔昆龍, 李慧宇

1. 北京信息科技大學光電測試技術及儀器教育部重點實驗室, 北京 100192

2. 北京航天測控技術有限公司, 北京 100041

引 言

光譜儀是一種光學測量儀器, 被廣泛應用于環(huán)境、 材料、 食品安全、 生物醫(yī)學檢測等領域[1-5]。 隨著科學技術的飛速發(fā)展, 人們對其便捷性、 低成本和小型化的要求更加迫切, 微型光譜儀已成為光譜儀技術發(fā)展的重要趨勢, 也是系統(tǒng)集成化和小型化的必然要求[6-8]。 其中, 近紅外微型光譜儀是工作波段在近紅外的一類微型光譜儀, 在光纖傳感和解調、 光纖通信等領域有著非常廣泛的應用[9-10]。 傳統(tǒng)的近紅外微型光譜儀普遍存在分辨率低、 成本高、 體積大不便于攜帶等問題[11-12], 主要原因是其往往只使用一個衍射光柵分光而且成像的光斑尺寸大等, 使得在有限空間內的分辨率不高。 為此, 為進一步擴展其應用范圍, 發(fā)展高分辨率的近紅外微型光譜儀一直是光譜研究領域的熱點和關鍵問題[13-15]。

近年來, 國內外研究人員對高分辨率近紅外微型光譜儀進行了大量的研究工作。 Friedrich等使用線性濾光片薄膜與InGaAs探測器陣列耦合開發(fā)了一種微型近紅外光譜儀, 工作于900～1 700 nm的光譜波段, 但是分辨率只有2 nm[16]。 2016年, Belay等研制了一種基于衍射光學元件的小型化光譜儀, 將可見/近紅外(VIS/NIR)和短波紅外(SWIR)光譜儀的功能結合在一個緊湊的外殼中, 400～800 nm波段分辨率達到6 nm, 850～1 700 nm波段分辨率達到了10 nm, 但是其衍射光柵效率僅達到60%[17]。 2022年, Song等提出并演示了一種基于自聚焦輻射傾斜光纖光柵的全光纖微型光譜儀, 在1 400～1 700 nm的光譜范圍內達到了0.53 nm的分辨率[18]。 另外, 為了提高微型光譜儀的分辨率, 還提出了一些獨特的設計結構, 例如, Li等提出了一種低成本的抑制高分辨率Czerny-Turner光譜儀系統(tǒng)像差的方法, 實現(xiàn)了0.019 2 nm的分辨率[19]。 Zhang等人提出了一種用于從激光雷達回波中提取PRR線的交叉雙光柵光譜儀的光學設計, 通過使用光纖束, 避免入射狹縫造成的額外信號衰減, 在532 nm的激光波長下獲得了0.22 nm的分辨率[20]。

針對當前近紅外微型光譜儀分辨率不高、 體積偏大等問題, 在此提出了一種基于雙光柵和柱透鏡的新結構, 使用兩個光柵實現(xiàn)二次衍射分光, 并利用柱透鏡在探測器接收端減小光斑大小并抑制像差, 從而使傳統(tǒng)的微型光譜儀在體積減小的情況下光學分辨率大大提升, 在1 525～1 575 nm的工作波段內分辨率達到0.215 nm。 同時, 將設計研制的該微型光譜儀應用于光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)的信號解調, 實現(xiàn)了高精度的溫度傳感測量, 證明了該設計方案的可行性和有效性。

1 實驗部分

圖1是所提出的基于雙光柵和柱透鏡的微型光譜儀的結構示意圖。 該系統(tǒng)由單模光纖、 準直透鏡、 透射衍射光柵、 會聚鏡、 柱透鏡和探測器陣列組成。 光源發(fā)出的光束從耦合的單模光纖發(fā)出, 經(jīng)過準直透鏡獲得平行光束, 平行光束經(jīng)第一片衍射光柵衍射得到不同波長的衍射光, 使不同波長的衍射光進一步以對應的入射角入射到第二片衍射光柵, 衍射光束由會聚反射鏡會聚到柱透鏡, 最后再會聚到探測陣列上獲得輸出信號。

圖1 基于雙光柵和柱透鏡的微型光譜儀的結構示意圖

在設計的結構中, 采用單模光纖代替入射狹縫, 以光纖作為光闌, 使光源輸出的光更多的耦合到光學系統(tǒng), 提高了系統(tǒng)的光使用效能; 通過增加一個柱透鏡, 可以改變線陣CCD表面的成像尺寸, 縮小了一個方向的像斑大小; 針對傳統(tǒng)光譜儀使用的平面或者凹面光柵存在雜散光多、 光譜平坦度差等缺陷, 本系統(tǒng)采用兩個體相位全息透射衍射光柵, 其衍射效率高, 且制作工藝較為成熟, 實際的光柵產(chǎn)品參數(shù)接近理論的設計參數(shù), 全息光柵的衍射光束是在與入射光成一定角度傳輸?shù)? 能以最佳的工作狀態(tài)進行分光, 同時, 幾乎不存在表面裂縫導致的雜散光問題, 可以大大提高光譜測量的性能。

1.1 雙光柵的設計

由給定的光柵公式,

d(sinθ+sinφ)=mλ

(1)

式(1)中,d是光柵常數(shù),φ是入射角,θ是衍射角,m是光譜級次,λ為波長值。 當m=1時, 式(1)可以轉化為,

(2)

式(2)中,k是一個正整數(shù)。

假定光譜儀工作波長范圍是1 525～1 570 nm, 設定光柵寬度10 mm, 衍射級次為1, 為了達到0.2 nm左右的分辨率, 結合CCD寬度及色散角大小, 同時為了降低系統(tǒng)的成本, 取900刻線·mm-1的衍射光柵。 并取三個工作波長進行設計, 分別為λ1=1 525 nm,λ2=1 547.5 nm,λ3=1 570 nm。

由于考慮到盡可能消除衍射帶來的雜散光的影響, 取入射角初始值φ=44.1°, 由式(2)計算可知, 對應三個波長的光束入射到第一片衍射光柵的衍射角分別為θ1=42.59°、θ2=44.18°和θ3=45.83°, 則第一片衍射光柵出射光束衍射角的范圍為Δθ=θ3-θ1=3.24°。

圖2 波長的衍射角原理圖

由此可知, 通過使用兩片透射式衍射光柵可以有效的擴大光束的衍射范圍, 這樣能夠在不擴大系統(tǒng)空間尺寸的前提下, 衍射角度擴大, 光學系統(tǒng)分辨率提升。

1.2 柱透鏡的設計

由于本設計光路只需要檢測到光譜的一個維度展開, 因此選擇了線陣CCD, 討論光譜儀只需研究子午成像。 在設計中子午方向的像斑尺寸較大, 超過了瑞利判據(jù)要求的小于2個像元尺寸的要求, 結合雙光柵的光路設計, 提出了利用柱透鏡來解決這個問題。

柱透鏡只有一個柱表面, 對入射光只有一個方向上的作用, 可以用于改變像的寬高比, 縮小一個方向的像斑尺寸, 使其在這個方向聚焦的效果更好, 提升了系統(tǒng)分辨率。 另外一個方向發(fā)散, 形成了一個很大的像散, 也就是說使點斑整形為一個橢圓形光斑, 便于后面CCD的安裝。

2 結果與討論

2.1 光學設計與分析

采用了Zemax軟件對設計的微型光譜儀進行了性能仿真設計與分析。 首先, 選定光譜儀的工作波段為1 525～1 570 nm, 即近紅外波段。 其次, 為了獲得高分辨率及降低成本, 選擇了900刻線·mm-1的衍射光柵, 而且在寬帶范圍內獲得高衍射效率、 低損耗、 耐用性強, 選擇了體相位全息透射式衍射光柵, 同時, 為了減少像差并保證其小于λ/4, 并在保證高分辨率的前提下, 能盡量減少系統(tǒng)尺寸, 設置入瞳孔徑為5 mm。

通過分析初始結構參數(shù), 系統(tǒng)還存在一定的像差, 繼續(xù)利用Zemax軟件對光譜儀系統(tǒng)結構進行優(yōu)化, 選取光柵及柱透鏡的空間位置、 傾斜角度、 會聚鏡的空間位置、 曲率半徑等為變量, 優(yōu)化系統(tǒng)結構減小像差。 圖3是經(jīng)過Zemax仿真優(yōu)化后獲得的光路圖, 表1則為通過初始結構優(yōu)化完的系統(tǒng)結構參數(shù)。

表1 通過初始結構優(yōu)化完的系統(tǒng)結構參數(shù)

圖3 Zemax仿真優(yōu)化得到的光路圖

圖4進一步給出了仿真設計后的系統(tǒng)性能。 圖4(a)為優(yōu)化后的系統(tǒng)點列圖, 由圖可知, 利用該雙光柵和柱透鏡結構可以實現(xiàn)1 525～1 570 nm波段范圍內的光譜檢測, 系統(tǒng)體積小于66 mm×40 mm×24 mm。 圖4(b)給出了當波長間隔減小為0.2 nm的5個波長的點列圖, 圖中各不相同的顏色的光斑表示以1 547.5 nm為主波長、 間隔0.2 nm的不同波長的光斑在探測器上成像的位置, 各光斑正好不重合可分辨開, 即光譜儀分辨率為0.2 nm, 與理論計算結果吻合。

圖4 Zemax仿真結果圖

在光學系統(tǒng)中, MTF代表不同頻率成分對比度的衰減, 在光學評價方法中, 它的單位是lp·mm-1, 代表每mm范圍內, 有幾個明暗相間的條紋。 根據(jù)香農(nóng)采樣定理, 截止頻率f計算公式為

(3)

式(3)中,a為像素尺寸。 在此設計中, 選擇子午方向的像元尺寸為25 μm, 截止頻率為20 lp·mm-1。 圖4(c)為系統(tǒng)的MTF圖, 可以看出, MTF曲線非常接近衍射極限, 且在子午方向的截止頻率處MTF值大于0.5, 因此像質得到了有效改善。 根據(jù)柱透鏡的原理, 弧矢方向的像散被拉大, 便于CCD的組裝。 圖4(d)是未加柱透鏡光路系統(tǒng)的點列圖, 此時光譜分辨率為0.50 nm, 圖4(b)使用了柱透鏡的結果使光譜分辨率提高了2.5倍。

2.2 實驗驗證

基于所設計的結構, 選擇了器件主要參數(shù), 如表2所示。

表2 光譜儀內部元器件主要參數(shù)

基于上述元器件進行了封裝設計, 通過高對比度測試卡, 在被測光學系統(tǒng)焦平面處得到測試卡的像, 不同的空間頻率, 測試卡像的對比度不同, 得到被測光學系統(tǒng)的子午方向的MTF與仿真得到的值吻合。 將封裝的光學系統(tǒng)與匹配的電路部分連接, 搭建出微型光譜儀系統(tǒng)。 輸入光源是可調諧激光器, 本系統(tǒng)采用5次多項式對光束光斑位置與光學波長進行擬合標定, 在此設計中, 較長的波長入射光對應較低的像素數(shù), 如圖5所示。

圖6給出了研制的微型光譜儀的實際測量結果與理論結果的比較, 理論上光譜儀的分辨率為0.2 nm, 實際測量的分辨率為0.215 nm, 實際測量結果與理論結果基本吻合。 其中存在的微小偏差可能源于器件選擇的性能偏差或檢測時光源的不穩(wěn)定性等不確定因素。

圖6 實驗測量的光譜曲線

該微型光譜儀的性能參數(shù)如表3所示, 其中信號采集處理中采用了基于高斯非線性插值擬合算法提高系統(tǒng)精度及穩(wěn)定性。

表3 微型光譜儀的性能參數(shù)

將研制的微型光譜儀應用于光纖光柵溫度傳感測量系統(tǒng)中, 作為解調儀實現(xiàn)信號解調, 系統(tǒng)結構示意圖和實物圖如圖7所示。 從寬帶光源發(fā)出的光, 經(jīng)過隔離器, 保證光路一端進一端出, 防止光的反射, 然后進入環(huán)形器1端口, 經(jīng)過環(huán)形器2端口入射到光柵傳感器上, 符合其反射條件的光被反射回來, 再經(jīng)過環(huán)行器3端口, 進入微型光譜儀進行信號解調, 最后通過上位機計算出光柵的中心波長。 這里的微型光譜儀發(fā)揮了光纖光柵傳感解調作用, 并能實現(xiàn)實時溫度檢測。

圖7 基于微型光譜儀的光纖光柵溫度傳感測量系統(tǒng)的結構示意圖(a)及實物圖(b)

將四個中心波長分別為1 534、 1 538、 1 542和1 545 nm的光纖光柵放入精度為0.01 ℃的恒溫箱中, 測量范圍為0～50 ℃, 每間隔1 ℃, 記錄檢測到的中心波長值, 重復15次實驗, 取平均值為實驗結果并對其進行擬合。 最終, 確定4個光纖光柵反射光譜峰值波長與溫度的線性關系, 如圖8所示。 從圖中可以看出, 該光譜儀解調性能良好, 最終得出溫度每變化1 ℃, 四個峰值波長偏移量分別為9.58、 9.68、 9.69和9.6 pm, 具有非常高的靈敏度和測量精度。

圖8 4個光纖光柵反射光譜峰值波長與溫度的關系圖

3 結 論

針對微型光譜儀高分辨的迫切需求, 提出了一種雙光柵和柱透鏡組合的光譜儀結構, 提高分辨率的同時, 結構更為緊湊。 通過數(shù)值仿真分析和實驗驗證, 微型光譜儀的分辨率達到0.215 nm, 結構尺寸達到66 mm×40 mm×30 mm。 同時作為信號解調儀應用于光纖光柵溫度傳感測量中, 實現(xiàn)了高性能的信號解調。 為發(fā)展高分辨率近紅外微型光譜儀提供了新的解決方案, 同時將工作波長擴展到其他波段, 對于進一步發(fā)展高分辨率微型光譜儀的研究和應用具有非常重要的指導意義。