近红外光谱分析技术在航空航天、 生物医药、 环境检测、 食品安全等众多领域均有广泛应用^{[1, 2]}。 近年来, 随着新一代基于近红外连续光谱分析的微小型检测装备的高速发展, 高性能、 微型化、 低成本近红外光谱仪成为国内外研究机构和相关仪器厂商近年来的主要研究方向^{[3, 4]}。

目前基于光栅分光的光谱仪具有采集速度快和光谱范围宽等优点, 因此大部分的近红外光谱仪都是以光栅作为分光器件^[5]。 传统的基于机械转动光栅和单管探测器的光谱仪具有测量精度高等优点, 但需要步进电机驱动光栅来实现光谱扫描, 构造比较复杂, 仪器精密装调难度大^[6]。 比较而言, 基于固定光栅分光与阵列探测器的微型近红外光谱仪具有检测速度快、 信噪比高、 光谱分辨率高等特点, 但阵列探测器价格昂贵, 仪器成本高^[7]。 近年来, 国内外学者基于MOEMS技术, 将光栅、 微镜和驱动器一体化单片集成, 研制出可同时实现光学分光和扫描的微型集成扫描光栅微镜。 该器件具有精度高、 易集成等优点, 将其作为分光器件可使近红外光谱仪结构简化, 有利于提高集成度和更好地采集光谱信息, 可实现近红外光谱仪的微型化、 低成本和高性能^{[8, 9]}。 本研究结合MOEMS集成扫描光栅微镜和铟镓砷单管探测器设计了一种基于改进型C-T光路结构的微型近红外光谱仪, 以像差分析理论为依据, 采用ZEMAX软件设计、 仿真和优化了光路结构, 并进一步完成了光谱仪的设计与装调, 实验验证了其性能。

图1所示为本工作设计的微型近红外光谱仪结构, 由微型集成光栅微镜来实现同步扫描和分光。 如图1所示, 光源发出的光由光纤耦合后, 经入射狭缝进入准直透镜, 准直成平行光后进入微型扫描光栅微镜完成分光, 分光后的不同波长单色光依次经聚焦透镜聚焦, 顺序通过长波通滤光片(FELH0750, Thorlabs, USA)、 平凸柱面透镜和出射狭缝, 由铟镓砷光电二极管完成探测, 最后经测控电路处理数据后由上位机显示光谱。

图1

Fig.1

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	图1 基于集成扫描光栅微镜的微型近红外光谱仪结构Fig.1 Structure of a NIR micro-spectrometer based on scanning grating mirror

光谱仪基于重庆大学自主研发设计的微型集成扫描光栅微镜同时实现光学分光和扫描, 如图2(a, b)所示。 该光栅微镜集成了角信号传感器, 在扫描分光的同时可实时获取微镜偏转角度值, 该角度值与光谱波长一一对应, 再结合光电探测器得到的光功率值, 即可实现光谱的重构。 光栅微镜谐振频率为677.1 Hz, 0.8 ms内即可获得全波长范围光谱。

图2

Fig.2

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	图2 (a)扫描光栅微镜分光示意图; (b)扫描光栅微镜实物图Fig.2 (a) Schematic diagram of scanning grating mirror; (b) The scanning grating mirror used in the system

基于光栅方程可得到扫描光栅微镜的动态光栅方程式^[10]

d×[sin(α±φ)±sin(β±φ)]=mλ(1)

式(1)中, d为光栅常数, α为平行入射光入射角, β和φ 分别为衍射角和偏移衍射角。 以扫描光栅静止时的出射波长为中心波长位置点, 如图2中λ₀所示, 当扫描光栅光学转角θ 满足-φ ≤θ ≤+φ 时, 中心位置处的波长将满足λ_min≤λ≤λ_max, 变换式(1)可得到λ_min, λ_max的关系满足

d×{[sin(α∓φ)+sin(β∓φ)]+[sin(α±φ)+sin(β±φ)]}=m(λmax±λmin)(2)

基于此, 根据该集成扫描光栅微镜所设计光栅常数d=4 μm, 闪耀级次m=-1, 光栅入射角理论值14.1°, 以及光谱仪设定的800~1 800 nm波长探测范围, 通过式(2)可得到集成扫描光栅微镜最大扫描角度为Δφ ≈±4°。

根据扫描光栅微镜工作特点, 提出了基于改进的非对称式C-T光路的微型近红外光谱仪初始光路结构, 如图3所示。 在固定准直透镜M₁和聚焦透镜M₂位置的情况下, 依靠扫描光栅偏转来实时改变准直入射光至光栅的角度α_g和光栅衍射角度β_g, 以实现不同波长的衍射光沿相同路径经聚焦透镜M₂汇聚于单管探测器实现探测。

图3

Fig.3

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	图3 基于集成扫描光栅微镜的微型近红外光谱仪初始光路结构Fig.3 The optical system of NIR micro spectrometer based on the scanning grating

基于光线追迹法分析初始系统光路^[11], 以确定该系统结构中各参数来获得像差的最佳校正和平衡。 C-T光路结构在子午面上对称, 在弧矢面上是一个失对称结构, 为进一步矫正弧矢像差, 在聚焦透镜与探测器中间放置了一个平凸柱面透镜。 分别分析集成光栅微镜分光后成像偏差, 聚焦透镜聚焦后的成像偏差, 以及平凸柱面透镜引入的像差, 可得到该初始光路结构中探测器接收到像点的偏差为

Δ=-3(2G)2R2sinαcosβcos3αg8R12cos3αcosβg-3(2G)2sinβcosβg8R2cos3β+(R2/2)(sinβtanβ)(3)

式(3)中, R₁和R₂为准直透镜和聚焦透镜半径, α和β分别为准直透镜和聚焦透镜入射角(出射角), α_g和β_g分别为扫描光栅微镜入射角和出射角, G为光栅微镜的半口径。 根据瑞利判据可知, 当满足式(4)条件时

Δ≤λ/4(4)

即可认为此时探测器上接收到的像点为理想成像点。

基于上述理论, 充分考虑光谱仪工作波长范围、 分辨率、 像差和系统体积等因素, 基于ZEMAX光学设计软件完成光学系统优化设计。 为满足光谱仪的低成本要求, 准直透镜和聚焦透镜均采用商业化镜片。 优化设计后的改进型非交叉非对称C-T光学系统主要参数如表1所示。 该系统工作波长范围为: 800~1 800 nm, 入射端采用400 μm纤径的低羟基石英多模光纤(NA=0.22), 入射狭缝宽度为50 μm, 出射狭缝宽度为120 μm, 准直透镜直径和焦距分别为25.4和50 mm, 聚焦透镜直径和焦距分别为25.4和75 mm, 平凸柱面透镜焦距为12.69 mm。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 优化后的光学系统参数 Table 1 Optimized optical system parameters 系统参数 数值 入射狭缝到准直透镜距离/mm 50 准直透镜到扫描光栅距离/mm 38.5 扫描光栅到聚焦透镜距离/mm 28.3 准直透镜入射(出射)角度/(°) 8.5 扫描光栅入射角度/(°) 14.1 扫描光栅出射角度/(°) 34.7 聚焦透镜入射(出射)角度/(°) 28

表1 优化后的光学系统参数 Table 1 Optimized optical system parameters

图4为优化后的光学系统在800, 1 300和1 800 nm波长处的点列图, 图4(a)和(b)分别表示在光路中未放置柱面镜和放置柱面镜。 从图中可以看出, 在800~1 800 nm波长范围内, 这三个波长处的光谱理论分辨率均优于10 nm, 且光斑一致性较好, 谱线平直, 且经过平凸柱面透镜的二次聚焦, 在不影响光谱分辨率的前提下, 成像光斑横向尺寸显著减小。

图4

Fig.4

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	图4 优化后的光学系统不同波长点列图 (a): 无平凸柱面透镜; (b): 有平凸柱面透镜Fig.4 The different RMS spots of optimized optical system (a): No Plano convex cylindrical lens; (b): With Plano convex cylindrical lens

图5为探测器端几何圈入能量对比图, 实线为有柱面镜光路, 虚线为无柱面镜光路, 可以看出, 有柱面镜光路在更小的光斑尺寸内即可有效提升圈入能量, 可选择感光面积更小的单管探测器。 同时, 本系统使用的扫描光栅微镜扫描频率(677.1 Hz)较高, 需要探测器有足够大的带宽来响应光谱信号, 以满足光谱分辨率的要求。 而同一型号的铟镓砷单管探测器中, 感光面积越小, 其自身截至频率(带宽)越大。

图5

Fig.5

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	图5 几何圈入能量对比图Fig.5 Geometric circle energy comparison diagram

综上所述, 改进型光路结构可有效减小成像光斑尺寸, 可采用感光面积更小的单管探测器来探测光谱, 既可以满足光谱分辨率的应用要求, 又可以有效降低系统成本、 抑制外部光噪声干扰。

依据光学系统分析结果, 完成了微型近红外光谱仪系统机械结构设计、 加工与装调, 如图6所示, 图6(a)为基于Solidworks设计的系统布局图, 图6(b)为装调后的光谱仪光路。 通过光路仿真结果和不同感光面积探测器的对比实验, 系统以感光面直径的INGAAS单管探测器(G12181-003K, Hamamatsu, Japan)来探测光谱。

图6

Fig.6

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	图6 微型近红外光谱仪系统结构 (a): 系统布局图; (b): 装调后的光谱仪光路Fig.6 System structure of near-infrared micro-spectrometer (a): System layout; (b): Micro-spectrometer after adjustment

进一步对装调完成的微型光谱仪标定后进行了性能测试。 选择稳定性卤钨灯光源(AvaLight-HAL-S-Mini, Avantes, Netherlands)和中心波长和半高宽(FWHM)分别为(1 200±2), (1 300±2.4), (1 550±2.4) nm和(10±2), (12±2.4), (12±2.4) nm的带通滤光片(FB1200-10, FB1300-12, FB1550-12, Thorlabs, USA), 于微型近红外光谱仪工作过程中测量光源放入滤光片后的光谱, 并与海洋光学NIRQuest光谱仪对比, 以验证其光谱测量的准确性。 图7所示为分别放入3个滤光片后所得光谱的叠加图, 图中实线为扫描光栅微镜近红外光谱仪测得的光谱, 虚线为海洋光学NIRQuest光谱仪测得的光谱, 横坐标代表光谱波长, 纵坐标是归一化处理后的光强值。 从图中可以看出, 扫描光栅微镜近红外光谱仪探测波长范围为800~1 800 nm, 优于NIRQuest光谱仪的700~1 700 nm的光谱范围。 图7中实线框和虚线框内数值分别为扫描光栅微镜近红外光谱仪和海洋光学NIRQuest光谱仪所测得的光谱曲线特征峰的中心波长值和FWHM值。 从图中可以看出, 扫描光栅微镜近红外光谱仪波长准确性与NIRQuest光谱仪无明显差异。

R=Δλnm (5)

图7

Fig.7

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	图7 微型近红外光谱仪与海洋光学光谱仪的 不同波长滤光片光谱对比图 以中心波长处谱线轮廓下降到最大值的一半时所对应的半高宽(FWHM)Δλnm来表征光谱仪在波长处所对应的系统分辨率Fig.7 Comparison of different wavelength filter spectrum by NIR micro-spectrometer vs. an Ocean Insight spectrometer

从图7中可以看出, 在波长1 200 nm处, 扫描光栅微镜近红外光谱仪测得的FWHM值为10.98 nm。 图8所示为扫描光栅微镜微型近红外光谱仪测得的汞灯(GY-6球形高压汞灯, 天津拓普)光谱图, 计算所得波长1 016.06, 1 130.88和1 532.91 nm处特征光谱谱线的FWHM值分别为10.85, 9.74和8.19 nm。 根据单管探测及微型近红外光谱仪光路系统的特点, 在系统的工作过程中, 不同波长的入射角与衍射角之和为一固定值, 可以得出该扫描光栅微镜光谱仪系统的光谱分辨率小于11 nm。

图8

Fig.8

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	图8 微型近红外光谱仪高压汞灯光谱Fig.8 Mercury lamp spectrum by NIR micro-spectrometer

以放入FB1300-12带通滤光片的卤钨灯光源为标准光源, 扫描光栅微镜近红外光谱仪多次开关机重复测量, 记录波长附近特征谱线峰值所对应的波长值λ_i, 共测量10次, 计算波长平均值λ₀=1 298.91 nm, 其标准偏差σ=0.93 nm, 该光谱仪的波长稳定性≤±1 nm。

进一步对比验证了平凸柱面透镜对扫描光栅微镜近红外光谱仪性能的影响。 图9所示为卤钨灯光源分别放入3个滤光片后所得光谱的叠加图, 图中实线为有平凸柱面镜光路系统所测得的光谱曲线, 虚线为无平凸柱面透镜光路系统测得的光谱曲线。 从图9可以看出, 基于平凸柱面透镜的改进型光路所测得的谱线强度明显高于无平凸柱面透镜测得的谱线强度, 波长1 200, 1 300和1 550 nm处无柱面镜光路与有柱面镜光路的光强比值分别为81.73%, 87.89%和85.71%, 且光谱分辨率无明显差异。 本工作提出的基于平凸柱面透镜的光路结构, 可将探测所得光强值提升15%以上, 可以有效提高光谱测量灵敏度和信噪比。

图9

Fig.9

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	图9 平凸柱面透镜对不同波长滤光片光谱的影响Fig.9 Influence of Plano convex cylindrical lens on spectra of filters with different wavelengths

提出了一种基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T光学结构的微型近红外光谱仪系统结构, 完成了光学系统的仿真和优化设计, 确定了光学系统各关键参数。 基于仿真优化结果, 完成了微型化近红外光谱仪的机械结构设计、 加工与装调, 搭建实验平台完成了相关性能测试。 结果表明, 本文设计的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T光学结构的微型近红外光谱仪, 采用重庆大学自主研发的谐振频率为677.1 Hz的MOEMS集成扫描光栅微镜, 0.8 ms时间内即可完成一次波长范围800~1 800 nm的光谱测量, 光谱准确性与国外品牌光谱仪比较无明显差异, 光谱整体分辨率(FWHM)≤11 nm, 波长稳定性≤1 nm; 同时, 基于平凸柱面透镜的光学结构设计可将探测所得光强值提升15%左右, 可有效提高光谱测量的灵敏度, 且对探测器感光面积要求低, 可降低系统成本、 提高系统整体性能。 结果表明, 所设计的基于微型集成扫描光栅微镜的光谱仪系统满足高性能、 微型化和低成本的需求, 对发展和改善微型近红外光谱仪具有重要的意义, 同时也为发展基于连续光谱分析的微小型检测装备提供一个新的可行性技术方案。