微小型光谱仪光谱带宽及象元分辨力的讨论

    1　引言

    光谱仪是分析物质化学组成及含量的重要分析仪器,已在现代科学实验、生物医学、工农业生产、国防等领域得到极其广泛的应用。但是,目前所广泛使用的光谱仪存在体积大、价格贵、安装调试难、使用条件苛刻等不足,不能满足航天遥测、地质矿藏勘探、环境监测等众多研究领域对光谱仪提出的小型化、微型化、集成化等一系列更高的要求。为此,各国科学家进行了长期的探索研究,如1992年美国海洋光学公司研制的S1000光纤光谱仪。但是,这类光谱仪体积的缩小反而导致技术难度的加大。近年来,微型机电系统(MEMS)技术的迅速发展为光谱仪的微型化提供了一种新的设计思路和技术方法^[1,2],利用MEMS技术将可能研制出具有体积小、结构紧凑、集成度高等优点的微小型光谱仪^[3]。然而,微小型光谱仪从设计到加工、从结构到参数配置都与传统光谱仪有很大不同,并且其结构的微型化往往导致仪器性能指标的急剧下降,以致无法满足实用要求。因此,如何利用MEMS技术研制出具有实用价值的微小型光谱仪已成为世界各国研究的热点。本文将对微小型光谱仪的主要性能参数(光谱带宽及象元分辨力)与结构参数的关系进行较深入的分析、讨论,研究光谱仪器微型化过程中结构参数的变化对光谱带宽及象元分辨力的影响,以便为微小型光谱仪优化设计提供一定的理论依据。

    2　光谱带宽及象元分辨力

    典型光谱仪的工作原理图如图1所示。由于光栅具有一系列优点,典型光谱仪分光系统中的色散元件一般采用光栅;它的接收系统则越来越多地采用了能快速、实时、直观地获取光谱信号的阵列式光电探测器(包括各种线阵、面阵),从而避免了采用单个光电探测器所需的复杂、精密的光栅扫描机构。这种采用光电阵列探测器的典型光谱仪,其对光谱的分辨能力及探测器的象元分辨能力即成为它的两个主要性能参数。

    2.1　光谱带宽

    典型光谱仪的工作原理是把由复合光照明的狭缝经过分光系统而变为若干个单色的狭缝像,这单色的狭缝象即为通常所说的谱线,它的空间宽度δL(线色散)所对应的光谱宽度δλ(即光谱带宽),如图2所示。图中I(x)是光谱中轴面的能量分布函数。光谱带宽表示了光谱仪分辨光谱的能力,光谱带宽越窄,则意味着仪器的分辨力高。

    式(6)即表示了在理想情况下,光谱带宽δλ与仪器结构尺寸的关系。从式中可看出,光谱带宽与入射狭缝的宽度及光栅常数成正比;与准直透镜的焦距及光谱级次成反比。并且光谱带宽与成像物镜的焦距无关,因为成像物镜焦距的大小只影响线色散率,对焦面上光斑的光谱带宽并无影响。