微型平像場近紅外光譜儀的消雜散光設(shè)計(jì)

陳萬英，唐玉國，巴音賀希格，崔繼承，馮樹龍

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100039）

微型平像場近紅外光譜儀的消雜散光設(shè)計(jì)

陳萬英1，2，唐玉國1，巴音賀希格1，崔繼承1，馮樹龍1

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100039）

設(shè)計(jì)和研制了結(jié)構(gòu)緊湊、雜散光低的微型平像場近紅外光譜儀。在分光系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不采用附加雜散光遮擋裝置的常規(guī)方法，而是在準(zhǔn)直物鏡前設(shè)置一塊直徑為8.5mm的平面反射鏡，通過調(diào)節(jié)平面反射鏡改變?nèi)肷涔馐目臻g角，使光束全部被準(zhǔn)直鏡接收，不再產(chǎn)生旁光，從而有效地消除系統(tǒng)內(nèi)的雜散光，使儀器整體雜散光水平降低了1.13％。另外，該光譜儀選擇線陣CCD作為探測器件，不再設(shè)置冷卻系統(tǒng)也避免了平面光柵帶有掃描旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。由于使用CCD作探測器和新的消雜散光設(shè)計(jì)方法，該光譜儀實(shí)現(xiàn)了微型化。

微型平像場；近紅外光譜儀；消雜散光設(shè)計(jì)

1 引言

近紅外（NIR）光譜是近些年發(fā)展最為迅速的分析技術(shù)之一。20世紀(jì)80年代后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及化學(xué)計(jì)量學(xué)方法在解決光譜信息提取和消除背景干擾方面取得的進(jìn)展，數(shù)字化光譜儀器與化學(xué)計(jì)量學(xué)方法的結(jié)合形成了現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)。近年來，近紅外光譜技術(shù)在許多領(lǐng)域得到了實(shí)際應(yīng)用，為推進(jìn)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步發(fā)揮了巨大作用［1～4］。

近十年來，國內(nèi)許多科研院所和大專院校開始積極研究和開發(fā)適合國內(nèi)需要的近紅外光譜分析技術(shù)，并研制出一批應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、制藥、煙草和食品等多個(gè)領(lǐng)域的儀器［5］。其中，依據(jù)礦物中部分分子官能團(tuán)對(duì)近紅外光的吸收特性，獲得其物質(zhì)成分及含量的信息是近紅外光譜技術(shù)的又一新的應(yīng)用領(lǐng)域［6～8］。本文給出的微型平像場近紅外光譜儀就是為了滿足礦物成分檢驗(yàn)需求而開發(fā)的一種便攜式測試儀器。

近年來，隨著微光學(xué)、微電子和微機(jī)械的綜合應(yīng)用，微型光機(jī)集成系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的微型光譜儀具有許多大型光譜儀所不具備的優(yōu)點(diǎn)，如重量輕、體積小、探測速度快、使用方便、可集成化等等。因此，微型光譜儀在應(yīng)用領(lǐng)域顯現(xiàn)出了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，傳統(tǒng)的近紅外光譜儀器具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、受地點(diǎn)環(huán)境限制和無法便攜使用的缺點(diǎn)，因此，實(shí)現(xiàn)儀器的小型化甚至微型化，成為紅外光譜技術(shù)領(lǐng)域追求的目標(biāo)之一［9］。

傳統(tǒng)近紅外光譜儀體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的主要原因有3個(gè)方面：（1）采用擋光光闌和擋光板來消除系統(tǒng)雜散光，（2）探測器需要冷卻裝置，（3）大多采用掃描機(jī)構(gòu)。采用線陣CCD作為探測器件，可以方便地解決上述（2）和（3）兩個(gè)問題，但由于擋光裝置的存在，嚴(yán)重阻礙了系統(tǒng)的小型化?；诖?，本文開發(fā)了一種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、可供不同環(huán)境下使用的700～1 100nm的微型平像場光譜儀，該光譜儀選擇線陣CCD作為探測器件，擯棄冷卻系統(tǒng)和掃描旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，并在準(zhǔn)直物鏡前設(shè)置一塊直徑為0.85cm的反射鏡，代替復(fù)雜的消雜光裝置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了儀器的小型化，便于野外礦物實(shí)地測量時(shí)的便攜使用。

2 光學(xué)系統(tǒng)仿真及儀器設(shè)計(jì)

圖1 微型平像場光譜儀光學(xué)系統(tǒng)二維圖Fig.1 Two-dimensional diagram of optical-system in micro flat-field spectrometer

圖2 微型平像場近紅外光譜儀Fig.2 Object diagram ofmicro flat-field spectrometer

建立光學(xué)系統(tǒng)模型，由光學(xué)設(shè)計(jì)軟件仿真得到的儀器分光系統(tǒng)如圖1所示。分光系統(tǒng)采用C-T（Czerny-Turner）型，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，光學(xué)器件少；物和像分別處于光軸的兩端，儀器的總彗差等于準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡的彗差之差，即總彗差?。?0］；入射光和衍射光夾角為定值，便于后端調(diào)試和標(biāo)定。儀器實(shí)物如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)由光源與照明系統(tǒng)（9cm×9cm），分光系統(tǒng)（10cm×10cm）和接收系統(tǒng)組成。入射光經(jīng)聚焦鏡聚焦，通過光纖進(jìn)入分光系統(tǒng)，直徑為0.85cm的平面反射鏡把入射光反射到準(zhǔn)直鏡上，來自于準(zhǔn)直鏡的平行光經(jīng)光柵色散后，經(jīng)成像鏡聚焦于線陣CCD的感光面，由USB AD數(shù)據(jù)采集卡接收，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行譜圖顯示。

通常掃描式光譜儀多采用單色儀結(jié)構(gòu)，在出射狹縫后放置光電倍增管，通過機(jī)械或電動(dòng)方式轉(zhuǎn)動(dòng)分光元件實(shí)現(xiàn)各波長的掃描，進(jìn)而通過圖像重建獲得光譜圖像。這種方法效率較低，裝置及處理方法都比較復(fù)雜。目前，CCD技術(shù)發(fā)展逐漸趨于成熟，應(yīng)用越來越廣泛，已有不少光譜儀使用CCD作為探測器，其光學(xué)系統(tǒng)屬于多色儀結(jié)構(gòu)，譜面由CCD一次接收。本文研制的微型平像場光譜儀即采用CCD接收光譜，利用數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。儀器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 儀器參數(shù)表Tab.1 Specifications of spectrometer

3 消雜散光效果分析

3.1 分光系統(tǒng)雜散光仿真

雜散光對(duì)儀器測量精度影響很大［11］。在單色儀中，雜散光光強(qiáng)被列為必須考核的指標(biāo)之一。因此，消除雜散光也是光譜儀器設(shè)計(jì)者幾十年來一直追求的目標(biāo)。

雜散光的來源可歸納為3個(gè)方面：第一，光學(xué)零件工作表面的余留反射光，非工作表面的多次反射光和光學(xué)零件內(nèi)部缺陷所造成的散射光；第二，儀器內(nèi)部的金屬零件和內(nèi)壁的多次反射光；第三，直接入射到接收器上的旁光。傳統(tǒng)消雜散光的方法有很多，例如，加擋光板、儀器內(nèi)壁、內(nèi)部金屬零件和光學(xué)零件的非工作面涂黑、有關(guān)主要結(jié)構(gòu)密封，防止漏光等。

第一、第二類雜散光的消除相對(duì)容易。旁光的消除與儀器光學(xué)系統(tǒng)有關(guān)，兼顧消雜散光和儀器小型化時(shí)，問題就變得較為復(fù)雜。無論在準(zhǔn)直鏡和成像鏡之間加什么類型的擋光板，都會(huì)導(dǎo)致儀器體積的擴(kuò)大，成為困擾光譜儀器設(shè)計(jì)者的難題之一。針對(duì)上述情況，本文在設(shè)計(jì)微型平像場近紅外光譜儀時(shí)，不再使用傳統(tǒng)的擋雜散光裝置，而是在準(zhǔn)直物鏡前設(shè)置一塊直徑僅為8.5mm的反射鏡巧妙地解決了光學(xué)系統(tǒng)中旁光所帶來的雜散光問題。

入射光經(jīng)光纖進(jìn)入分光系統(tǒng)，在圖2所示的儀器結(jié)構(gòu)條件下，如果使光纖導(dǎo)入分光系統(tǒng)的光束直接照在準(zhǔn)直鏡上，則光纖發(fā)出的光束空間角會(huì)大于光纖出光口對(duì)準(zhǔn)直鏡的張角，經(jīng)ASAP軟件模擬所得光譜儀光路如圖3所示。

由圖3可以看出，從狹縫入射的光未完全照在準(zhǔn)直鏡上，而是一部分入射到準(zhǔn)直鏡的外側(cè)，由于側(cè)壁已涂黑，所以這部分光被側(cè)壁吸收。另外一部分光入射到成像鏡上，未經(jīng)過準(zhǔn)直鏡和光柵，直接由成像鏡反射，被CCD接收，這部分光就是系統(tǒng)旁光，成為光學(xué)系統(tǒng)的雜散光。光束分布及各部分光所占比例的模擬結(jié)果如表2所示。

圖3 未加反射鏡時(shí)的模擬光路Fig.3 Simulated light path without reflectingmirror

表2 進(jìn)入CCD的光束成份Table 2 Rays′com ponents on CCD

表2中，路徑1代表經(jīng)過光柵衍射的色散光，占系統(tǒng)總光束的98.87％；路徑2代表未經(jīng)過光柵衍射，直接由接收器接收的系統(tǒng)旁光，占系統(tǒng)總光束的1.13％。若要求儀器的信噪比為＜0.1％，則上述雜散光所占比例超出了允許范圍，必須加以消除。

消除方法是在準(zhǔn)直物鏡前加一塊可繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的平面反射鏡，以改變由光纖導(dǎo)入分光系統(tǒng)的光束直接照射準(zhǔn)直鏡的方式。通過調(diào)節(jié)平面反射鏡，改變?nèi)肷涔馐目臻g角，使光束全部被準(zhǔn)直鏡所接收，不再產(chǎn)生旁光，進(jìn)而有效地消除系統(tǒng)雜散光，光路模擬如圖4所示。

圖4 增加反射鏡后的模擬光路Fig.4 Simulated light path with reflectingmirror

圖5 存在雜散光的系統(tǒng)點(diǎn)列圖Fig.5 Spot diagram of system with stray light

圖6 消除了雜散光的系統(tǒng)點(diǎn)列圖Fig.6 Spot diagram of system without stray light

增加反射鏡前后，700、850和1 100nm 3個(gè)波長在接收面上的點(diǎn)列圖如圖5和圖6所示。比較圖5、圖6可看出，采用圖3方式時(shí)，中心波長850nm處的雜散光較大；增加反射鏡后，系統(tǒng)雜散光為零，系統(tǒng)像質(zhì)得到優(yōu)化。

3.2 波長標(biāo)定及測試結(jié)果

采用線陣CCD接收譜面，通過USB AD數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，在電腦上顯示譜圖。使用平面反射鏡前后，得到的系統(tǒng)汞燈標(biāo)定圖如圖7、圖8所示。

在圖7、圖8中，橫坐標(biāo)表示CCD像素點(diǎn)，縱坐標(biāo)表示各像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)波長的光強(qiáng)值。系統(tǒng)雜散光入射到成像鏡的邊緣，經(jīng)過成像鏡反射到像面的中間位置（如圖3、圖5所示），造成的影響出現(xiàn)在譜線的中間區(qū)域。從圖8中可看出，增加平面反射鏡后，有效地消除了雜散光。

圖7 未加反射鏡的系統(tǒng)譜線標(biāo)定圖Fig.7 System spectrum without reflectingmirror

圖8 增加了反射鏡的系統(tǒng)譜線圖Fig.8 System spectrum with reflectingmirror

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并研制了微型平像場近紅外光譜儀，并與傳統(tǒng)的近紅外光譜儀進(jìn)行了比較。微型平像場光譜儀結(jié)構(gòu)簡單緊湊，光學(xué)器件少，體積縮小了數(shù)倍，而且整個(gè)儀器中沒有運(yùn)動(dòng)部件，便于攜帶和野外使用。同時(shí)，設(shè)計(jì)的光譜儀沒有用傳統(tǒng)的附加擋光闌和擋光板來消除系統(tǒng)雜散光，而是通過準(zhǔn)直鏡前的平面反射鏡巧妙地消除了由旁光帶來的雜散光。

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Suppression of stray light in m icro flat-field near-infrared spectrometer

CHENWan-ying1，2，TANG Yu-guo1，Bayanheshig1，CUIJi-cheng1，F(xiàn)ENG Shu-long1
（1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China）

A micro flat-field near-infrared spectrometer with simple structures and lower stray light was designed and developed.By comparingwith the conventionalmethod in which a additional installmentwas taken as a dispersion system to suppress the stray light，thismethod installed a planemirror with a diameter of 8.5mm in front of the collimationmirror to control the incident light.By adjusting themirror，the angle of the incident lightwas changed and the light could be received by the collimationmirror totally without bypass light.Using thismethod，the stray light of the system has been reduced approximately by 1.13％.Furthermore，a linear array CCD detectorwas chosen as a receiving component to avoid the cooling system and scanning rotary mechanism of plane grating.By using the CCD detector and new stray light suppressingmethod，the flat-fieldnear-infrared spectrometer has been microminiaturized.

micro spectrometer；structural design；optical design；stray light suppression

1674-2915（2010）03-0263-05

TH744.1

A

2009-01-11；

2009-03-17

“十一五”國家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目（No.2006BAK03A02）；國家創(chuàng)新方法工作專項(xiàng)項(xiàng)目（No.2008IM040700）；國家重大科研裝備研制項(xiàng)目（No.ZBYZ2008-1）；中國科學(xué)院重大科研裝備研制項(xiàng)目（No.YZ200804）；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（No.20070523，No.20086013）；長春市應(yīng)用技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目（No.08Y307）

陳萬英（1984—），女，江西吉安人，碩士研究生，主要從事光譜儀設(shè)計(jì)及非成像理論的研究。E-mail：chenwanying2010@yahoo.com.cn