王 璐，裘燕青，周盛華，王成群

（1.中國計(jì)量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）

近年來，微型光纖光譜儀的快速發(fā)展使其在環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)產(chǎn)品／食品檢驗(yàn)、生物醫(yī)學(xué)檢測，以及地質(zhì)／礦業(yè)勘探、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用得以全面鋪開和延伸［1－4］.目前最常見的光纖光譜儀的波長范圍是400～1100nm，可以探測可見光和一部分近紅外的光.光柵、狹縫和光電探測器的類型與參數(shù)會影響光譜范圍，使用新型的光電探測器可以使光譜范圍拓寬至180～2500nm，即覆蓋紫外、可見和近紅外波段.

紫外光譜儀的工作波長范圍通常為180～400nm，多用于原子發(fā)射或吸收光譜等檢測領(lǐng)域.例如在對物質(zhì)元素的發(fā)射光譜進(jìn)行分析時(shí)，需要找出元素的最靈敏線（即第一激發(fā)態(tài)的共振線），一般來說，絕大多數(shù)具有中等激發(fā)能的元素，其靈敏線分布于近紫外區(qū)域［5－6］.在對包括堿土金屬、銅分族和鋅分族金屬元素進(jìn)行分析時(shí)，通常選擇分析其靈敏度更高的原子線，可以利用紫外光譜儀對這些金屬樣品進(jìn)行定性和定量檢測.微型紫外光譜儀在某些檢測條件很苛刻的特殊領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用，如對大氣污染的監(jiān)測、對火山噴射的微量氣體的檢測、對發(fā)動(dòng)機(jī)油液中的磨損粒子進(jìn)行原子發(fā)射光譜分析從而判斷該發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，等等.

本文介紹一種微型紫外光纖光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì).首先，采用非對稱交叉的切尼爾－特納（CT）光路結(jié)構(gòu)，對光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì).然后，對不同狹縫寬度和不同光柵刻線下的系統(tǒng)理論分辨率進(jìn)行了討論.并且，用ZEMAX軟件對光路進(jìn)行了仿真、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和像差校正，得到了較好的分辨率和光學(xué)傳遞特性，并使各像差控制在一定范圍內(nèi).最后，在本光學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，研制了一臺微型光纖光譜儀樣機(jī)，在使用交流電弧激發(fā)金屬純鐵樣品的條件下，對原子發(fā)射光譜進(jìn)行了檢測.

1 光路結(jié)構(gòu)

折疊交叉的Czerny－Turner結(jié)構(gòu)（圖1）由光源、光纖、狹縫S、準(zhǔn)直鏡 M1、光柵G、聚焦鏡 M2和CCD組成，整個(gè)光路結(jié)構(gòu)簡單緊湊、光能利用率高［7－9］.采用非對稱交叉的 Czerny－Turner（CT）結(jié)構(gòu)，光路結(jié)構(gòu)中準(zhǔn)直鏡M1、光柵G和聚焦鏡M2的偏心或傾斜增加了系統(tǒng)的可變參量，可有效改善系統(tǒng)的成像質(zhì)量和光譜強(qiáng)度，既能實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的微型化，又簡化了光學(xué)元件的安裝與調(diào)試.

圖1 折疊交叉的Czerny－Turner結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the crossed Czerny－Turner optical path

本文所設(shè)計(jì)的微型紫外光纖光譜儀的光路系統(tǒng)中，由光源發(fā)出的光通過光纖傳輸，經(jīng)由狹縫再照射到準(zhǔn)直鏡M1上，準(zhǔn)直后的類平行光束經(jīng)由平面衍射光柵G分光，再通過聚焦鏡M2成像到背照式面陣CCD上.其中準(zhǔn)直鏡M1和聚焦鏡M2均為球面反射鏡，避免了透射式物鏡成像光譜面不平直且影響傳輸光譜范圍的缺點(diǎn).球面反射鏡的離軸可以有效地避免光線的中心遮擋，雖然離軸拋物面鏡在用作準(zhǔn)直和聚焦消像差時(shí)比球面反射鏡的性能更好［10］，但由于受到目前光學(xué)器件加工水平和加工成本的限制，還未能實(shí)現(xiàn)普遍使用.

2 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

綜合考慮光學(xué)系統(tǒng)的光譜范圍、成像質(zhì)量、系統(tǒng)分辨率、光譜響應(yīng)靈敏度以及光譜儀器微型化等要求［11］，設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)（表1），入射狹縫為30μm（多尺寸可選：5、10、20μm），準(zhǔn)直物鏡M1和聚焦物鏡M2的曲率半徑r1＝r2＝220mm，平面光柵選擇1800線／mm，閃耀波長為250nm，CCD像敏面有效長度為28.627mm，充分利用CCD的全部像素，可以得到較寬的波長范圍.

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 The structure parameters mm

3 光譜儀系統(tǒng)理論分辨率分析

非對稱交叉的 Czerny－Turner系統(tǒng)［15］中（圖2），α、β分別為入射光線與準(zhǔn)直鏡 M1和聚焦鏡M2法線夾角，i為光線到光柵的入射角，θ為衍射角.

瑞利判據(jù)對條件的要求是非常嚴(yán)苛的，其使用的前提條件是在理想狹縫下，即狹縫無限細(xì)的情況下，并且兩條譜線的輪廓完全相同，然而狹縫過細(xì)會犧牲光譜響應(yīng)靈敏度.

實(shí)際情況中，通常定義半峰全寬值FWHM（nm）作為光譜分辨率［13］，即一窄帶譜線在光譜儀中所測得的譜線輪廓下降到最大值的一半時(shí)所對應(yīng)的輪廓寬度.它與光譜儀的光譜覆蓋范圍DL、狹縫寬度WS、檢測器的像元寬度Wd及像元

光譜儀的分辨率是衡量光譜儀器性能的重要指標(biāo)之一，它表征光譜儀能夠分開波長極為相近的兩譜線的能力.影響光譜儀分辨率的原因有以下幾點(diǎn)［12－13］：1）入射狹縫寬度；2）光柵的分辨本領(lǐng)（衍射現(xiàn)象）；3）系統(tǒng)有效焦長；4）探測器像元尺寸；5）系統(tǒng)像差等.

通常，用瑞利（Rayliegh）提出的僅考慮衍射現(xiàn)象的理論分辨率來討論系統(tǒng)的分辨本領(lǐng).瑞利認(rèn)為，當(dāng)一條譜線的衍射主極大，恰好落在另一條譜線的衍射第一條暗線上時(shí)，可認(rèn)為這兩條譜線剛剛被分辨開.通過公式（1）可計(jì)算光譜儀的理論分辨率，表明光柵光譜儀的理論分辨率等于光譜儀的角色散率與有效孔徑在色散平面內(nèi)的乘積［7］，與光柵常數(shù)d、所選取光譜級數(shù)m和準(zhǔn)直鏡M1的孔徑有關(guān).一般選取第一級光譜檢測時(shí)，系統(tǒng)的分辨率取決于物鏡孔徑與光柵常數(shù)的比，在選取1800線／mm的光柵和孔徑為25mm的準(zhǔn)直鏡時(shí)，光譜儀系統(tǒng)的理論分辨率為4.5×103.數(shù)n密切相關(guān)，其中RF為系統(tǒng)的分辨率因子，由WS與Wd的比值決定［14］.

圖2 非對稱交叉的Czerny－Turner系統(tǒng)Figure 2 Asymmetrical crossed Czerny－Turner system

式（2）中的光譜覆蓋范圍DL取決于光譜儀器所使用衍射光柵的反射光譜特性及探測器的光譜響應(yīng)范圍，具體與光譜儀聚焦鏡的焦距f2、衍射光柵的刻線數(shù)g（groove／mm）、衍射級次m、光柵衍射角θ、檢測器的像元寬度Wd密切相關(guān).

把式（3）帶入式（2）中，得到光柵光譜儀系統(tǒng)分辨率FWHM（nm），式（4）.

由于微型光纖光譜儀在不同環(huán)境、領(lǐng)域的運(yùn)用中，對系統(tǒng)的光譜范圍、分辨率、光譜響應(yīng)靈敏度等性能參數(shù)要求不盡相同，設(shè)計(jì)者往往要在性能和造價(jià)的綜合考慮下，選擇合適的光路結(jié)構(gòu)、光柵種類、光電探測器等，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù).一般取第一級光譜進(jìn)行分析，即m＝1，根據(jù)不同的光譜范圍和分辨率要求，可選擇狹縫寬度WS為10μm、25μm、50μm、100μm或無狹縫結(jié)構(gòu)等，通常用于紫外波段的光柵有1800grooves／mm、2400grooves／mm等，確定好參數(shù)，設(shè)計(jì)合適的光路系統(tǒng)就可以算出光譜儀系統(tǒng)的理論分辨率.

4 ZEMAX模擬和優(yōu)化光路

在對該微型光纖光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須對其像差進(jìn)行一定程度的校正.本光學(xué)系統(tǒng)選擇非對稱交叉的C－T結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的C－T結(jié)構(gòu)相比較，折疊交叉C－T結(jié)構(gòu)具有相對孔徑大、聚光能力強(qiáng)和雜散光小的特點(diǎn)，同時(shí)也能滿足消彗差條件，但卻存在大像散的缺點(diǎn)［15－16］.研究者們提出過很多辦法來校正像散，M.W.McDowell提出對光柵進(jìn)行發(fā)散照明，利用光柵的像散來補(bǔ)償兩球面鏡所帶來的像散［17－18］；薛慶生等提出用超環(huán)面聚焦鏡在子午方向和弧矢方向產(chǎn)生不同的焦長來校正像散，fS2＜fT2，從而使 Δf≈0［19］；Kye－Sung Lee等人提出一種在探測器前放置一塊傾斜放置的柱面鏡的方法來補(bǔ)償像散［20］.由于本文模擬的紫外光纖光譜儀光譜范圍較窄，光路系統(tǒng)中可調(diào)節(jié)的參量多，所以在該波段內(nèi)可以通過調(diào)整光路結(jié)構(gòu)參數(shù)來優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)成像質(zhì)量，在一定程度上減小像散對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響.

采用ZEMAX軟件對該微型光纖光譜儀的準(zhǔn)直系統(tǒng)、色散系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的光路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與模擬分析［5］，輸入初始參數(shù)（表1），手動(dòng)調(diào)整準(zhǔn)直鏡M1、光柵G和聚焦鏡M2的Decenter和Tilt參數(shù)，并設(shè)為變量.編輯評價(jià)函數(shù)，以波長作為多重結(jié)構(gòu)參數(shù)（180、190、200、210、220、230、240、250、260和270nm），設(shè)置偏心和傾斜角為變量并設(shè)定參數(shù)范圍，以RMS為優(yōu)化目標(biāo).在優(yōu)化光路的同時(shí)輸出像質(zhì)評價(jià)圖表，對比分析各像質(zhì)評價(jià)圖表，重復(fù)以上優(yōu)化操作步驟，使系統(tǒng)滿足要求.優(yōu)化完成后對像質(zhì)進(jìn)行評價(jià).

圖3 設(shè)計(jì)模擬的3D結(jié)果輸出圖Figure 3 3DOutput result of the design and simulation

該光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過ZEMAX模擬優(yōu)化后，輸出3D結(jié)果（圖3），所得出的像質(zhì)分析圖（圖4－7）.從180～270nm的點(diǎn)列圖（圖4）中可以看出條紋像斑在色散方向規(guī)則且集中，說明在優(yōu)化環(huán)節(jié)球差和慧差校正較好，能量比較集中.從光線像差光扇圖（圖5）中可以看出對于整個(gè)波段來說，曲線基本關(guān)于EX和EY對稱分布，說明像差控制在容限內(nèi).從場曲和畸變圖（圖6）中可以看出子午光線和弧矢光線間的象散較小，子午方向的場曲在可控范圍之內(nèi)，各種色光的畸變都比較小.從調(diào)制傳遞函數(shù)MTF圖（圖7）中可以看出，空間頻率為51p／mm時(shí)，傳遞效率50%以上：由于理論上凹面反射鏡的反射率一般在95%，平面衍射光柵的衍射效率一般為25%～40%左右，由此計(jì)算最低光能傳遞效率為η≈95%×95%×25%＝22.5%［21］.

圖4 180～270nm的點(diǎn)列圖Figure 4 The spot diagrams of 180～270nm

圖5 光線像差光扇圖Figure 5 Ray aberration fans plot

圖6 場曲和畸變圖Figure 6 Field curve and distortion data

圖7 調(diào)制傳遞函數(shù)MTF圖Figure 7 Modulation transfer function graph

最后，為了分析驗(yàn)證該光學(xué)系統(tǒng)的分辨率，分別取180nm、230nm和270nm附近6個(gè)每相隔0.5nm的波長點(diǎn)，并對其分別列出的點(diǎn)列圖進(jìn)行分析（圖8）.根據(jù)瑞利判據(jù)：當(dāng)一條譜線的衍射主線極強(qiáng)，恰好落在另一條譜線衍射第一條暗線上時(shí)，可認(rèn)為這兩條譜線剛剛被分辨開.該ZEMAX模擬優(yōu)化結(jié)果表明，本光學(xué)系統(tǒng)在180～270nm光譜范圍內(nèi)的分辨率可達(dá)到0.5nm.對180nm處分辨率進(jìn)行分析（圖9），發(fā)現(xiàn)其附近6個(gè)每相隔0.1nm的波長點(diǎn)恰能分開，說明該光譜儀的模擬光路系統(tǒng)在180nm附近獲得最佳分辨率為0.1nm.

圖8 180nm、230nm、270nm附近的點(diǎn)列圖Figure 8 The spot diagrams of 180nm、230nm、270nm

5 光譜儀實(shí)際性能檢測

圖9 180～180.5nm的點(diǎn)列圖Figure 9 The spot diagrams of 180～180.5nm

基于以上光學(xué)設(shè)計(jì)，研制了一臺在紫外波段有良好光譜響應(yīng)和分辨能力的微型紫外光纖光譜儀樣機(jī).采用飛秒激光刻蝕的30μm不銹鋼材質(zhì)狹縫，1800線／mm的平面反射光柵，所有反射鏡面均鍍有紫外增強(qiáng)鋁膜.光電探測器為濱淞（Hamamatsu）公司的生產(chǎn)的S10420－1106－01背照式面陣CCD，共有2048個(gè)像素，像元尺寸為14μm×14μm.對光譜儀進(jìn)行裝調(diào)后，使用交流電弧激發(fā)純鐵，對純鐵的激發(fā)光譜進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)了在1～2048像素范圍內(nèi)金屬純鐵的原子發(fā)射光譜（圖10（a）（b））.從該圖中可以看出，在光譜范圍內(nèi)，鐵元素譜線的特征峰密集且細(xì)銳（圖10（a）），把整個(gè)譜圖局部放大來看，非常接近的像素點(diǎn)上的相鄰譜線能夠很好的分辨開（圖10（b）），且每條特征譜線輪廓相似、對稱性好.說明基于以上光學(xué)設(shè)計(jì)的微型紫外光纖光譜儀，在對金屬純鐵的原子發(fā)射光譜實(shí)際檢測分析中，能夠滿足分辨率要求，且成像質(zhì)量良好.

圖10 光譜儀性能測試譜圖Figure 10 Testing spectral graph

6 結(jié) 語

本文主要介紹了一種微型紫外光纖光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并使用基于該光學(xué)設(shè)計(jì)的光譜儀系統(tǒng)對金屬純鐵的原子發(fā)射光譜進(jìn)行檢測.光學(xué)設(shè)計(jì)中，采用非對稱交叉的C－T光路結(jié)構(gòu)，并對參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定，對光柵光譜儀系統(tǒng)的理論分辨率進(jìn)行了討論，分析了系統(tǒng)分辨率（FWHM）與狹縫尺寸、光柵常數(shù)之間的關(guān)系.使用ZEMAX軟件對光路進(jìn)行仿真、優(yōu)化成像質(zhì)量和像質(zhì)評價(jià)，當(dāng)采用30μm狹縫和1800線／mm的平面反射光柵時(shí)，模擬得出了180～270nm光譜范圍內(nèi)的總體分辨率優(yōu)于0.5nm，最高分辨率在180nm處為0.1.最后利用該光譜儀系統(tǒng)對金屬純鐵的原子發(fā)射光譜進(jìn)行了檢測.以后的研究方向?yàn)椋簻p小光路系統(tǒng)中像散的影響，拓寬光譜儀紫外光譜優(yōu)質(zhì)成像范圍，提高光譜范圍內(nèi)的整體分辨率.

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