微型宽波段光谱仪光学系统设计尤泽樟;王先培;田猛;胡明宇;沈斌【摘要】Aiming at the situation that there have been less researches on the wide-band micro-spectrometer based on the M type Czerny-Turner structure, the wide-band micro-spectrometer was designed and the complete design flow was put forward.According to the principle of geometrical optics,the constraint relations among the parameters of optics system were analyzed,then the main parameters were obtained through design and calculation, and simulation was conducted by using Zemax.The measurement results for actual production of the spectrometer show that the resolution reaches 1.5 nm in 200 nm～1100 nm full band and 1 nm in mid,which meets the demands of the design.%针对国内基于M型Czerny-Turner结构的宽波段微型光谱仪研究较少的情况,对微型宽波段光谱仪进行了设计,并提出了完整的设计流程.根据几何光学原理,分析了光学系统各个参数之间的约束关系,据此设计、计算得到了光学系统的基本参数,并使用Zemax进行仿真.为了提高仪器的紫外响应,在CCD的前端增加了Lumogen镀膜的滤光片.实际制做的光谱仪测量结果表明:光谱仪的分辨率在200 nm～1100 nm全波段范围内达到 1.5 nm,中心分辨率达到1 nm,满足设计需求.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2017(038)005【总页数】6页(P740-745)【关键词】微型光谱仪;宽波段;紫外增强;设计流程【作者】尤泽樟;王先培;田猛;胡明宇;沈斌【作者单位】武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430072;武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430072;武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430072;武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430072;武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430072【正文语种】中文【中图分类】TN206;TH703Abstract:Aiming at the situation that there have been less researches onthe wide-band micro-spectrometer based on the M type Czerny-Turner structure, the wide-band micro-spectrometer was designed and the complete design flow was put forward. According to the principle of geometrical optics,the constraint relations among the parameters of optics system were analyzed,then the main parameters were obtained through design and calculation, and simulation was conducted by using Zemax.The measurement results for actual production of the spectrometer show that the resolution reaches 1.5 nm in 200 nm～1100 nm full band and 1 nm in mid,which meets the demands of the design.Key words:micro spectrometer;broad band;UV-enhanced;design flow光谱仪是一种测量并研究光辐射的频率、强度及其特性变化规律的光学仪器[1]。
随着光谱仪及其相关传感技术的发展，环境监测、科技农业、军事分析、生物医学等领域对分析仪器的小型化、轻型化具有迫切需求，野外、现场检测等特殊应用环境还要求仪器坚固抗振，因而光谱仪的小型化、微型化、集成化、芯片化、智能化、系统工程化成为其发展的必然趋势[2]。
国外对光谱仪微型化的研究起步较早，例如瑞士Neuchatel大学、荷兰Delft科技大学等高校都进行了相应的研究 [3],并且已经设计开发了许多微型化、集成化光谱仪器。
相比于国外的光谱仪微型化研究，我国的研究起步较晚。
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、浙江大学等机构在光谱仪微小型化的研制方面做了许多研究，并相继研制出了样机[4-7]，使用的多为交叉型Czerny-Turner光路结构。
对于使用M型Czerny-Turner光路结构设计的微型宽波段光谱仪的研究较少。
基于此，本文首先针对微型光谱仪常用的两种结构——M型和交叉型Czerny-Turner结构进行了简要的介绍和分析，选择M型Czerny-Turner结构作为本文研制的光谱仪的基本光路结构。
然后，对M型Czerny-Turner结构主要参数之间的约束关系进行了详细的分析，给出了光学系统参数的设计流程和方法，根据设计目标对各个主要参数进行了设计，并使用了Zemax进行仿真。
针对系统紫外响应较低的情况，在CCD探测器之前添加了具有增强紫外响应效果的滤光片。
最后对光谱仪进行了加工、装配，并对其分辨率进行了实际测量。
1.1 设计要求与结构选择本文微型光谱仪的设计目标为：探测范围为200 nm～1100 nm，全波段分辨率不低于1.5 nm，中心波长分辨率达到1 nm，且具有较高的紫外响应效率。
微型光谱仪的经典光路Czerny-Turner结构，其组成包括入射狭缝、准直镜、光栅、成像镜、CCD探测器等光学器件。
目前常用的Czerny-Turner结构有两种，分别为M型和交叉型Czerny-Turner结构。
交叉型Czerny-Turner结构紧凑，具有更小的体积，但其彗差和分辨率在宽光谱范围内呈现为“V”型，即随着波长远离中心波长，其彗差越大，分辨率下降越明显；M型Czerny-Turner结构的彗差和分辨率呈现“一”型，彗差的变化随波长的变化较小，可以在较宽的光谱范围内取得较为均匀的分辨率[8]。
因为本文设计研制的光谱仪波段范围较宽，覆盖紫外、可见光、近红外3个波段。
因此，选择M型Czerny-Turner光学结构作为光谱仪的基本结构，其结构如图1所示。
对于M型Czerny-Turner光学结构,其主要参数有：器件参数和位置参数。
包括狭缝宽度s、准直镜焦距f1、成像镜焦距f2、光栅常数d；准直镜入射角α、成像镜入射角β、光栅入射角i、衍射角θ、各器件之间的距离lsc、lcg、lgf、fft等[9]。
1.2 光学系统结构分析对基于CCD探测器的微型光谱仪系统进行设计，选择合适的CCD是设计的第一步，采用索尼公司生产的ILX554B CCD传感器作为系统的光电检测器件，其像元个数为2 048个，满足大于(1 100 nm～200 nm)/1 nm=900个的条件，光敏面面积为28.672 mm(14 μm×2 048)×56 μm，且在探测波段有较好的响应曲线，其参数满足设计的要求，也为以后提高分辨率预留了足够的空间。
在设计系统参数之前，首先对整个系统光学结构进行分析，了解并利用其约束关系，逐步推导出系统的各个参数。
下面从几何光学理论、色散理论和像差理论出发，探讨各个参数之间的约束关系，作为后续设计计算的基础。
从光栅方程出发，有：d(sini-sinθ)=mλ式中：m为衍射级次；λ为衍射波长，单位nm。
对(1)式进行微分，得到角色散率公式：=则宽波段光线在CCD上的成像宽度为式中：l为像面宽度，单位mm；λ1、λ2为光谱范围边缘处的波长，单位nm；θ1、θ2为边缘波长对应的衍射角，单位(°)；Δθ为两边缘波长由于光栅色散导致的衍射角的差值；f2′为成像镜的子午等效焦距，单位mm。
因为本文中的微型光谱仪只需要考虑子午方向的成像，所以其值为f2′=f2cosβ/2=lgf同理有：f1′=f1cosα/2=lcg对狭缝成像进行分析，令由狭缝宽度引入的准直镜入射角的变化量为Δα、狭缝像对成像镜入射角引入的变化量为Δβ，光栅入射角的变化量为Δi。
因为光线经过准直镜后出射的光束为平行光束，由几何关系可知，Δα=Δi，同理可得Δβ=Δθ。
对(1)式进行微分，有：cosiΔi-cosθΔθ=0根据s=f1′Δα，狭缝像高s′=f2′Δβ，则有：=系统的光谱带宽为Δλ=(s′+ε)/式中：ε为系统像差。
令像元宽度为a，则每个像素点的波长变化δλ为δλ==1.3 系统设计流程光学结构的设计流程如图2所示。
在Czerny-Turner结构中，光栅作为色散元件，其衍射效应对于整个系统的性能有着巨大的影响。
其中，衍射的线色散率决定着系统的分辨率和光谱的展开面积，线色散率越大则系统分辨率越高，同时光谱探测范围越小；反之，线色散率变小，分辨率变低，同时光谱探测范围变大。
在设计中需要选择合适的光栅常数，平衡好分辨率和光谱探测范围的关系。
在衍射中，不同级次的衍射光谱具有不同的光强，除了所需要的一级衍射光谱外，其他级次的衍射光谱会作为误差出现在探测结果中，但因为衍射光的光强主要集中在一级衍射光谱中，因此其他级次的衍射光谱引入的误差一般可以忽略。
微型光谱仪中一般光栅都采用一级衍射光谱，故取|m|=1，W=10 mm。
近似取f2′=80 mm、cosθ=1进行计算，由(2)式近似可得1 nm光的线色散率为80mm/d，由光谱范围为200 nm～1 100 nm的光经过色散后必须全部入射到CCD 的像面上(28.672 mm)，可得d≥2 511.16 nm。
在常见的光栅常数中，只有300 l/mm的光栅符合条件，故取d=0.003 33 mm。
