一种新型微小型光谱仪的设计

    1　引言

    小型化、微型化、集成化是现代光谱分析仪器发展的一个重要方向。虽然目前微小型光谱仪其性能指标尚无法与大型光谱仪媲美,但由于其体积小,质量轻,携带方便,价格低廉等许多优点,使其将在诸如航天遥测、地质矿藏勘探、环境实时监测等众多领域得到广泛应用^[1,2]。因此,微小型光谱仪已成为世界各国的研究热点。较早提出光谱仪器微小型化的是荷兰Delft University of Technology,随后美国的Stanford大学集成系统中心^[3]、美国的AmericanLaubscher公司、美国的Ocean Optic公司也相应提出了各自的光谱仪器微小型化的方案。然而,在这些方案中,光谱仪器其结构的微小型化往往导致了下面3个问题:一是仪器性能指标较差(主要是光谱分辨力);二是光能传递效率较低;三是加工及装调复杂、难度较大,导致成本较高和无法实现一体化混合集成。本文提出了一种混合集成微小型光纤光谱仪的方案,以期能解决上述问题。

    2　结构与设计原理

    图1是光谱仪器工作原理示意图,主要由照明系统、分光系统、接收系统3部分组成。其中,分光系统是光谱仪器的核心部分。下面将针对现有微小型光谱仪方案中存在的问题讨论本方案的设计思想、原理及结构。

    2.1　光栅受光面积的考虑

    从光栅光谱仪的理论分辨率

可知,分辨率R与参与分光的光栅线对数成正比。也就是说,光谱仪为达到一定的分辨率,必须要有足够的光栅栅线参与分光。文献[4]提出的方案由于受其结构及工艺的限制,参与分光的栅线太少,只有64条,导致分辨率很低。

    但是,有足够的栅线对光栅而言,是从其子午方向有足够的受光长度考虑问题。美国AmericanLaubscher公司提出的指上光谱仪其光栅在子午方向有足够的受光长度,但是受其结构及工艺的限制,其光栅在弧矢方向受光长度很短,导致光栅总的受光面积太小,使系统的光能传递效率很低,这将对探测器灵敏度提出较高要求。因此,为保证微小型光谱仪有足够的分辨率和光能传递效率,适当增大光栅的受光面积是较好的选择。

    2.2　谱面平直性的考虑

    由象差理论可知,为保证光学系统的性能,其相对孔径不能太大。光栅受光面积的增大实际上增大了光学系统的孔径,同时也增大了系统的象差。并且由于微小型光谱仪的光学系统一般相对简单,这也造成设计的自由度较少,对全面校正光学系统的象差不利。因此微小型光谱仪光学系统的设计应主要考虑对分辨力影响较大的因素。因为光电阵列探测器是一次性地获取整段光谱,所以必须首先考虑影响谱面平直性的因素,综合协调它们之间的关系,来获得合适的谱面。否则将在探测面上形成较大的弥散斑,严重降低分辨力。由象差理论可知^[5～6],影响谱面平直性的因素主要是光学系统的场曲及轴向色差。