微型紫外光纤光谱仪的光学系统设计及性能检测

王 璐，裘燕青，周盛华，王成群

（1.中国计量学院 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大学 信息学院，浙江 杭州 310018）

近年来，微型光纤光谱仪的快速发展使其在环境监测、农产品／食品检验、生物医学检测，以及地质／矿业勘探、航空航天等领域的应用得以全面铺开和延伸［1－4］.目前最常见的光纤光谱仪的波长范围是400～1100nm，可以探测可见光和一部分近红外的光.光栅、狭缝和光电探测器的类型与参数会影响光谱范围，使用新型的光电探测器可以使光谱范围拓宽至180～2500nm，即覆盖紫外、可见和近红外波段.

紫外光谱仪的工作波长范围通常为180～400nm，多用于原子发射或吸收光谱等检测领域.例如在对物质元素的发射光谱进行分析时，需要找出元素的最灵敏线（即第一激发态的共振线），一般来说，绝大多数具有中等激发能的元素，其灵敏线分布于近紫外区域［5－6］.在对包括碱土金属、铜分族和锌分族金属元素进行分析时，通常选择分析其灵敏度更高的原子线，可以利用紫外光谱仪对这些金属样品进行定性和定量检测.微型紫外光谱仪在某些检测条件很苛刻的特殊领域发挥着非常重要的作用，如对大气污染的监测、对火山喷射的微量气体的检测、对发动机油液中的磨损粒子进行原子发射光谱分析从而判断该发动机的性能，等等.

本文介绍一种微型紫外光纤光谱仪的光学系统设计.首先，采用非对称交叉的切尼尔－特纳（CT）光路结构，对光学系统的结构参数进行了设计.然后，对不同狭缝宽度和不同光栅刻线下的系统理论分辨率进行了讨论.并且，用ZEMAX软件对光路进行了仿真、结构参数优化和像差校正，得到了较好的分辨率和光学传递特性，并使各像差控制在一定范围内.最后，在本光学设计的基础上，研制了一台微型光纤光谱仪样机，在使用交流电弧激发金属纯铁样品的条件下，对原子发射光谱进行了检测.

1 光路结构

折叠交叉的Czerny－Turner结构（图1）由光源、光纤、狭缝S、准直镜 M1、光栅G、聚焦镜 M2和CCD组成，整个光路结构简单紧凑、光能利用率高［7－9］.采用非对称交叉的 Czerny－Turner（CT）结构，光路结构中准直镜M1、光栅G和聚焦镜M2的偏心或倾斜增加了系统的可变参量，可有效改善系统的成像质量和光谱强度，既能实现光学系统的微型化，又简化了光学元件的安装与调试.

图1 折叠交叉的Czerny－Turner结构示意图Figure 1 Schematic diagram of the crossed Czerny－Turner optical path

本文所设计的微型紫外光纤光谱仪的光路系统中，由光源发出的光通过光纤传输，经由狭缝再照射到准直镜M1上，准直后的类平行光束经由平面衍射光栅G分光，再通过聚焦镜M2成像到背照式面阵CCD上.其中准直镜M1和聚焦镜M2均为球面反射镜，避免了透射式物镜成像光谱面不平直且影响传输光谱范围的缺点.球面反射镜的离轴可以有效地避免光线的中心遮挡，虽然离轴抛物面镜在用作准直和聚焦消像差时比球面反射镜的性能更好［10］，但由于受到目前光学器件加工水平和加工成本的限制，还未能实现普遍使用.

2 光学系统参数设计

综合考虑光学系统的光谱范围、成像质量、系统分辨率、光谱响应灵敏度以及光谱仪器微型化等要求［11］，设计光学系统的初始结构参数（表1），入射狭缝为30μm（多尺寸可选：5、10、20μm），准直物镜M1和聚焦物镜M2的曲率半径r1＝r2＝220mm，平面光栅选择1800线／mm，闪耀波长为250nm，CCD像敏面有效长度为28.627mm，充分利用CCD的全部像素，可以得到较宽的波长范围.

表1 结构参数Table 1 The structure parameters mm

3 光谱仪系统理论分辨率分析

非对称交叉的 Czerny－Turner系统［15］中（图2），α、β分别为入射光线与准直镜 M1和聚焦镜M2法线夹角，i为光线到光栅的入射角，θ为衍射角.

瑞利判据对条件的要求是非常严苛的，其使用的前提条件是在理想狭缝下，即狭缝无限细的情况下，并且两条谱线的轮廓完全相同，然而狭缝过细会牺牲光谱响应灵敏度.

实际情况中，通常定义半峰全宽值FWHM（nm）作为光谱分辨率［13］，即一窄带谱线在光谱仪中所测得的谱线轮廓下降到最大值的一半时所对应的轮廓宽度.它与光谱仪的光谱覆盖范围DL、狭缝宽度WS、检测器的像元宽度Wd及像元

光谱仪的分辨率是衡量光谱仪器性能的重要指标之一，它表征光谱仪能够分开波长极为相近的两谱线的能力.影响光谱仪分辨率的原因有以下几点［12－13］：1）入射狭缝宽度；2）光栅的分辨本领（衍射现象）；3）系统有效焦长；4）探测器像元尺寸；5）系统像差等.

通常，用瑞利（Rayliegh）提出的仅考虑衍射现象的理论分辨率来讨论系统的分辨本领.瑞利认为，当一条谱线的衍射主极大，恰好落在另一条谱线的衍射第一条暗线上时，可认为这两条谱线刚刚被分辨开.通过公式（1）可计算光谱仪的理论分辨率，表明光栅光谱仪的理论分辨率等于光谱仪的角色散率与有效孔径在色散平面内的乘积［7］，与光栅常数d、所选取光谱级数m和准直镜M1的孔径有关.一般选取第一级光谱检测时，系统的分辨率取决于物镜孔径与光栅常数的比，在选取1800线／mm的光栅和孔径为25mm的准直镜时，光谱仪系统的理论分辨率为4.5×103.数n密切相关，其中RF为系统的分辨率因子，由WS与Wd的比值决定［14］.

图2 非对称交叉的Czerny－Turner系统Figure 2 Asymmetrical crossed Czerny－Turner system

式（2）中的光谱覆盖范围DL取决于光谱仪器所使用衍射光栅的反射光谱特性及探测器的光谱响应范围，具体与光谱仪聚焦镜的焦距f2、衍射光栅的刻线数g（groove／mm）、衍射级次m、光栅衍射角θ、检测器的像元宽度Wd密切相关.

把式（3）带入式（2）中，得到光栅光谱仪系统分辨率FWHM（nm），式（4）.

由于微型光纤光谱仪在不同环境、领域的运用中，对系统的光谱范围、分辨率、光谱响应灵敏度等性能参数要求不尽相同，设计者往往要在性能和造价的综合考虑下，选择合适的光路结构、光栅种类、光电探测器等，在此基础上设计和优化结构参数.一般取第一级光谱进行分析，即m＝1，根据不同的光谱范围和分辨率要求，可选择狭缝宽度WS为10μm、25μm、50μm、100μm或无狭缝结构等，通常用于紫外波段的光栅有1800grooves／mm、2400grooves／mm等，确定好参数，设计合适的光路系统就可以算出光谱仪系统的理论分辨率.

4 ZEMAX模拟和优化光路

在对该微型光纤光谱仪的光学系统进行设计时，必须对其像差进行一定程度的校正.本光学系统选择非对称交叉的C－T结构，与传统的C－T结构相比较，折叠交叉C－T结构具有相对孔径大、聚光能力强和杂散光小的特点，同时也能满足消彗差条件，但却存在大像散的缺点［15－16］.研究者们提出过很多办法来校正像散，M.W.McDowell提出对光栅进行发散照明，利用光栅的像散来补偿两球面镜所带来的像散［17－18］；薛庆生等提出用超环面聚焦镜在子午方向和弧矢方向产生不同的焦长来校正像散，fS2＜fT2，从而使 Δf≈0［19］；Kye－Sung Lee等人提出一种在探测器前放置一块倾斜放置的柱面镜的方法来补偿像散［20］.由于本文模拟的紫外光纤光谱仪光谱范围较窄，光路系统中可调节的参量多，所以在该波段内可以通过调整光路结构参数来优化整个系统成像质量，在一定程度上减小像散对系统成像质量的影响.

采用ZEMAX软件对该微型光纤光谱仪的准直系统、色散系统和成像系统的光路进行了优化设计与模拟分析［5］，输入初始参数（表1），手动调整准直镜M1、光栅G和聚焦镜M2的Decenter和Tilt参数，并设为变量.编辑评价函数，以波长作为多重结构参数（180、190、200、210、220、230、240、250、260和270nm），设置偏心和倾斜角为变量并设定参数范围，以RMS为优化目标.在优化光路的同时输出像质评价图表，对比分析各像质评价图表，重复以上优化操作步骤，使系统满足要求.优化完成后对像质进行评价.

图3 设计模拟的3D结果输出图Figure 3 3DOutput result of the design and simulation

该光学系统经过ZEMAX模拟优化后，输出3D结果（图3），所得出的像质分析图（图4－7）.从180～270nm的点列图（图4）中可以看出条纹像斑在色散方向规则且集中，说明在优化环节球差和慧差校正较好，能量比较集中.从光线像差光扇图（图5）中可以看出对于整个波段来说，曲线基本关于EX和EY对称分布，说明像差控制在容限内.从场曲和畸变图（图6）中可以看出子午光线和弧矢光线间的象散较小，子午方向的场曲在可控范围之内，各种色光的畸变都比较小.从调制传递函数MTF图（图7）中可以看出，空间频率为51p／mm时，传递效率50%以上：由于理论上凹面反射镜的反射率一般在95%，平面衍射光栅的衍射效率一般为25%～40%左右，由此计算最低光能传递效率为η≈95%×95%×25%＝22.5%［21］.

图4 180～270nm的点列图Figure 4 The spot diagrams of 180～270nm

图5 光线像差光扇图Figure 5 Ray aberration fans plot

图6 场曲和畸变图Figure 6 Field curve and distortion data

图7 调制传递函数MTF图Figure 7 Modulation transfer function graph

最后，为了分析验证该光学系统的分辨率，分别取180nm、230nm和270nm附近6个每相隔0.5nm的波长点，并对其分别列出的点列图进行分析（图8）.根据瑞利判据：当一条谱线的衍射主线极强，恰好落在另一条谱线衍射第一条暗线上时，可认为这两条谱线刚刚被分辨开.该ZEMAX模拟优化结果表明，本光学系统在180～270nm光谱范围内的分辨率可达到0.5nm.对180nm处分辨率进行分析（图9），发现其附近6个每相隔0.1nm的波长点恰能分开，说明该光谱仪的模拟光路系统在180nm附近获得最佳分辨率为0.1nm.

图8 180nm、230nm、270nm附近的点列图Figure 8 The spot diagrams of 180nm、230nm、270nm

5 光谱仪实际性能检测

图9 180～180.5nm的点列图Figure 9 The spot diagrams of 180～180.5nm

基于以上光学设计，研制了一台在紫外波段有良好光谱响应和分辨能力的微型紫外光纤光谱仪样机.采用飞秒激光刻蚀的30μm不锈钢材质狭缝，1800线／mm的平面反射光栅，所有反射镜面均镀有紫外增强铝膜.光电探测器为滨淞（Hamamatsu）公司的生产的S10420－1106－01背照式面阵CCD，共有2048个像素，像元尺寸为14μm×14μm.对光谱仪进行装调后，使用交流电弧激发纯铁，对纯铁的激发光谱进行检测，实现了在1～2048像素范围内金属纯铁的原子发射光谱（图10（a）（b））.从该图中可以看出，在光谱范围内，铁元素谱线的特征峰密集且细锐（图10（a）），把整个谱图局部放大来看，非常接近的像素点上的相邻谱线能够很好的分辨开（图10（b）），且每条特征谱线轮廓相似、对称性好.说明基于以上光学设计的微型紫外光纤光谱仪，在对金属纯铁的原子发射光谱实际检测分析中，能够满足分辨率要求，且成像质量良好.

图10 光谱仪性能测试谱图Figure 10 Testing spectral graph

6 结 语

本文主要介绍了一种微型紫外光纤光谱仪的光学系统设计，并使用基于该光学设计的光谱仪系统对金属纯铁的原子发射光谱进行检测.光学设计中，采用非对称交叉的C－T光路结构，并对参数进行了设定，对光栅光谱仪系统的理论分辨率进行了讨论，分析了系统分辨率（FWHM）与狭缝尺寸、光栅常数之间的关系.使用ZEMAX软件对光路进行仿真、优化成像质量和像质评价，当采用30μm狭缝和1800线／mm的平面反射光栅时，模拟得出了180～270nm光谱范围内的总体分辨率优于0.5nm，最高分辨率在180nm处为0.1.最后利用该光谱仪系统对金属纯铁的原子发射光谱进行了检测.以后的研究方向为：减小光路系统中像散的影响，拓宽光谱仪紫外光谱优质成像范围，提高光谱范围内的整体分辨率.

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