基于双光栅和柱透镜的高分辨率近红外微型光谱仪

吴婧仪, 周哲海*, 赵 爽, 闵昆龙, 李慧宇

1. 北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室, 北京 100192

2. 北京航天测控技术有限公司, 北京 100041

引 言

光谱仪是一种光学测量仪器, 被广泛应用于环境、 材料、 食品安全、 生物医学检测等领域[1-5]。 随着科学技术的飞速发展, 人们对其便捷性、 低成本和小型化的要求更加迫切, 微型光谱仪已成为光谱仪技术发展的重要趋势, 也是系统集成化和小型化的必然要求[6-8]。 其中, 近红外微型光谱仪是工作波段在近红外的一类微型光谱仪, 在光纤传感和解调、 光纤通信等领域有着非常广泛的应用[9-10]。 传统的近红外微型光谱仪普遍存在分辨率低、 成本高、 体积大不便于携带等问题[11-12], 主要原因是其往往只使用一个衍射光栅分光而且成像的光斑尺寸大等, 使得在有限空间内的分辨率不高。 为此, 为进一步扩展其应用范围, 发展高分辨率的近红外微型光谱仪一直是光谱研究领域的热点和关键问题[13-15]。

近年来, 国内外研究人员对高分辨率近红外微型光谱仪进行了大量的研究工作。 Friedrich等使用线性滤光片薄膜与InGaAs探测器阵列耦合开发了一种微型近红外光谱仪, 工作于900～1 700 nm的光谱波段, 但是分辨率只有2 nm[16]。 2016年, Belay等研制了一种基于衍射光学元件的小型化光谱仪, 将可见/近红外(VIS/NIR)和短波红外(SWIR)光谱仪的功能结合在一个紧凑的外壳中, 400～800 nm波段分辨率达到6 nm, 850～1 700 nm波段分辨率达到了10 nm, 但是其衍射光栅效率仅达到60%[17]。 2022年, Song等提出并演示了一种基于自聚焦辐射倾斜光纤光栅的全光纤微型光谱仪, 在1 400～1 700 nm的光谱范围内达到了0.53 nm的分辨率[18]。 另外, 为了提高微型光谱仪的分辨率, 还提出了一些独特的设计结构, 例如, Li等提出了一种低成本的抑制高分辨率Czerny-Turner光谱仪系统像差的方法, 实现了0.019 2 nm的分辨率[19]。 Zhang等人提出了一种用于从激光雷达回波中提取PRR线的交叉双光栅光谱仪的光学设计, 通过使用光纤束, 避免入射狭缝造成的额外信号衰减, 在532 nm的激光波长下获得了0.22 nm的分辨率[20]。

针对当前近红外微型光谱仪分辨率不高、 体积偏大等问题, 在此提出了一种基于双光栅和柱透镜的新结构, 使用两个光栅实现二次衍射分光, 并利用柱透镜在探测器接收端减小光斑大小并抑制像差, 从而使传统的微型光谱仪在体积减小的情况下光学分辨率大大提升, 在1 525～1 575 nm的工作波段内分辨率达到0.215 nm。 同时, 将设计研制的该微型光谱仪应用于光纤光栅温度传感系统的信号解调, 实现了高精度的温度传感测量, 证明了该设计方案的可行性和有效性。

1 实验部分

图1是所提出的基于双光栅和柱透镜的微型光谱仪的结构示意图。 该系统由单模光纤、 准直透镜、 透射衍射光栅、 会聚镜、 柱透镜和探测器阵列组成。 光源发出的光束从耦合的单模光纤发出, 经过准直透镜获得平行光束, 平行光束经第一片衍射光栅衍射得到不同波长的衍射光, 使不同波长的衍射光进一步以对应的入射角入射到第二片衍射光栅, 衍射光束由会聚反射镜会聚到柱透镜, 最后再会聚到探测阵列上获得输出信号。

图1 基于双光栅和柱透镜的微型光谱仪的结构示意图

在设计的结构中, 采用单模光纤代替入射狭缝, 以光纤作为光阑, 使光源输出的光更多的耦合到光学系统, 提高了系统的光使用效能; 通过增加一个柱透镜, 可以改变线阵CCD表面的成像尺寸, 缩小了一个方向的像斑大小; 针对传统光谱仪使用的平面或者凹面光栅存在杂散光多、 光谱平坦度差等缺陷, 本系统采用两个体相位全息透射衍射光栅, 其衍射效率高, 且制作工艺较为成熟, 实际的光栅产品参数接近理论的设计参数, 全息光栅的衍射光束是在与入射光成一定角度传输的, 能以最佳的工作状态进行分光, 同时, 几乎不存在表面裂缝导致的杂散光问题, 可以大大提高光谱测量的性能。

1.1 双光栅的设计

由给定的光栅公式,

d(sinθ+sinφ)=mλ

(1)

式(1)中,d是光栅常数,φ是入射角,θ是衍射角,m是光谱级次,λ为波长值。 当m=1时, 式(1)可以转化为,

(2)

式(2)中,k是一个正整数。

假定光谱仪工作波长范围是1 525～1 570 nm, 设定光栅宽度10 mm, 衍射级次为1, 为了达到0.2 nm左右的分辨率, 结合CCD宽度及色散角大小, 同时为了降低系统的成本, 取900刻线·mm-1的衍射光栅。 并取三个工作波长进行设计, 分别为λ1=1 525 nm,λ2=1 547.5 nm,λ3=1 570 nm。

由于考虑到尽可能消除衍射带来的杂散光的影响, 取入射角初始值φ=44.1°, 由式(2)计算可知, 对应三个波长的光束入射到第一片衍射光栅的衍射角分别为θ1=42.59°、θ2=44.18°和θ3=45.83°, 则第一片衍射光栅出射光束衍射角的范围为Δθ=θ3-θ1=3.24°。

图2 波长的衍射角原理图

由此可知, 通过使用两片透射式衍射光栅可以有效的扩大光束的衍射范围, 这样能够在不扩大系统空间尺寸的前提下, 衍射角度扩大, 光学系统分辨率提升。

1.2 柱透镜的设计

由于本设计光路只需要检测到光谱的一个维度展开, 因此选择了线阵CCD, 讨论光谱仪只需研究子午成像。 在设计中子午方向的像斑尺寸较大, 超过了瑞利判据要求的小于2个像元尺寸的要求, 结合双光栅的光路设计, 提出了利用柱透镜来解决这个问题。

柱透镜只有一个柱表面, 对入射光只有一个方向上的作用, 可以用于改变像的宽高比, 缩小一个方向的像斑尺寸, 使其在这个方向聚焦的效果更好, 提升了系统分辨率。 另外一个方向发散, 形成了一个很大的像散, 也就是说使点斑整形为一个椭圆形光斑, 便于后面CCD的安装。

2 结果与讨论

2.1 光学设计与分析

采用了Zemax软件对设计的微型光谱仪进行了性能仿真设计与分析。 首先, 选定光谱仪的工作波段为1 525～1 570 nm, 即近红外波段。 其次, 为了获得高分辨率及降低成本, 选择了900刻线·mm-1的衍射光栅, 而且在宽带范围内获得高衍射效率、 低损耗、 耐用性强, 选择了体相位全息透射式衍射光栅, 同时, 为了减少像差并保证其小于λ/4, 并在保证高分辨率的前提下, 能尽量减少系统尺寸, 设置入瞳孔径为5 mm。

通过分析初始结构参数, 系统还存在一定的像差, 继续利用Zemax软件对光谱仪系统结构进行优化, 选取光栅及柱透镜的空间位置、 倾斜角度、 会聚镜的空间位置、 曲率半径等为变量, 优化系统结构减小像差。 图3是经过Zemax仿真优化后获得的光路图, 表1则为通过初始结构优化完的系统结构参数。

表1 通过初始结构优化完的系统结构参数

图3 Zemax仿真优化得到的光路图

图4进一步给出了仿真设计后的系统性能。 图4(a)为优化后的系统点列图, 由图可知, 利用该双光栅和柱透镜结构可以实现1 525～1 570 nm波段范围内的光谱检测, 系统体积小于66 mm×40 mm×24 mm。 图4(b)给出了当波长间隔减小为0.2 nm的5个波长的点列图, 图中各不相同的颜色的光斑表示以1 547.5 nm为主波长、 间隔0.2 nm的不同波长的光斑在探测器上成像的位置, 各光斑正好不重合可分辨开, 即光谱仪分辨率为0.2 nm, 与理论计算结果吻合。

图4 Zemax仿真结果图

在光学系统中, MTF代表不同频率成分对比度的衰减, 在光学评价方法中, 它的单位是lp·mm-1, 代表每mm范围内, 有几个明暗相间的条纹。 根据香农采样定理, 截止频率f计算公式为

(3)

式(3)中,a为像素尺寸。 在此设计中, 选择子午方向的像元尺寸为25 μm, 截止频率为20 lp·mm-1。 图4(c)为系统的MTF图, 可以看出, MTF曲线非常接近衍射极限, 且在子午方向的截止频率处MTF值大于0.5, 因此像质得到了有效改善。 根据柱透镜的原理, 弧矢方向的像散被拉大, 便于CCD的组装。 图4(d)是未加柱透镜光路系统的点列图, 此时光谱分辨率为0.50 nm, 图4(b)使用了柱透镜的结果使光谱分辨率提高了2.5倍。

2.2 实验验证

基于所设计的结构, 选择了器件主要参数, 如表2所示。

表2 光谱仪内部元器件主要参数

基于上述元器件进行了封装设计, 通过高对比度测试卡, 在被测光学系统焦平面处得到测试卡的像, 不同的空间频率, 测试卡像的对比度不同, 得到被测光学系统的子午方向的MTF与仿真得到的值吻合。 将封装的光学系统与匹配的电路部分连接, 搭建出微型光谱仪系统。 输入光源是可调谐激光器, 本系统采用5次多项式对光束光斑位置与光学波长进行拟合标定, 在此设计中, 较长的波长入射光对应较低的像素数, 如图5所示。

图6给出了研制的微型光谱仪的实际测量结果与理论结果的比较, 理论上光谱仪的分辨率为0.2 nm, 实际测量的分辨率为0.215 nm, 实际测量结果与理论结果基本吻合。 其中存在的微小偏差可能源于器件选择的性能偏差或检测时光源的不稳定性等不确定因素。

图6 实验测量的光谱曲线

该微型光谱仪的性能参数如表3所示, 其中信号采集处理中采用了基于高斯非线性插值拟合算法提高系统精度及稳定性。

表3 微型光谱仪的性能参数

将研制的微型光谱仪应用于光纤光栅温度传感测量系统中, 作为解调仪实现信号解调, 系统结构示意图和实物图如图7所示。 从宽带光源发出的光, 经过隔离器, 保证光路一端进一端出, 防止光的反射, 然后进入环形器1端口, 经过环形器2端口入射到光栅传感器上, 符合其反射条件的光被反射回来, 再经过环行器3端口, 进入微型光谱仪进行信号解调, 最后通过上位机计算出光栅的中心波长。 这里的微型光谱仪发挥了光纤光栅传感解调作用, 并能实现实时温度检测。

图7 基于微型光谱仪的光纤光栅温度传感测量系统的结构示意图(a)及实物图(b)

将四个中心波长分别为1 534、 1 538、 1 542和1 545 nm的光纤光栅放入精度为0.01 ℃的恒温箱中, 测量范围为0～50 ℃, 每间隔1 ℃, 记录检测到的中心波长值, 重复15次实验, 取平均值为实验结果并对其进行拟合。 最终, 确定4个光纤光栅反射光谱峰值波长与温度的线性关系, 如图8所示。 从图中可以看出, 该光谱仪解调性能良好, 最终得出温度每变化1 ℃, 四个峰值波长偏移量分别为9.58、 9.68、 9.69和9.6 pm, 具有非常高的灵敏度和测量精度。

图8 4个光纤光栅反射光谱峰值波长与温度的关系图

3 结 论

针对微型光谱仪高分辨的迫切需求, 提出了一种双光栅和柱透镜组合的光谱仪结构, 提高分辨率的同时, 结构更为紧凑。 通过数值仿真分析和实验验证, 微型光谱仪的分辨率达到0.215 nm, 结构尺寸达到66 mm×40 mm×30 mm。 同时作为信号解调仪应用于光纤光栅温度传感测量中, 实现了高性能的信号解调。 为发展高分辨率近红外微型光谱仪提供了新的解决方案, 同时将工作波长扩展到其他波段, 对于进一步发展高分辨率微型光谱仪的研究和应用具有非常重要的指导意义。