（光学工程专业论文）微型光谱仪系统的研究及其应用.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 光谱仪器是光谱与光谱分析学基本的分析工具 传统的光谱仪器由于体积庞大且价 格昂贵 应用范围受到很大的限制 微型化成为其重要的发展方向 本论文研究并实现 以光纤作为系统输入 可配置三种型号c c d 和多种不同规格光学元件 工作在紫外可见 和可见及近红外波段的系列化微型光纤光谱仪 并进一步研究了此类光谱成像系统的增 益特性 提出静态双增益编码孔径色散光谱模型 在微型光纤光谱仪的电路与探测系统设计中 以相同的硬件同时完成三种型号c c d 探测器的驱动 最大程度地精简了电路设计 这种设计在国内外同类仪器中尚属首次 同时 实现了t c d l 3 0 4 a p 型号探测器l o l j s 4 9 s e c 的积分时间调节范围 保证本系统能 够满足大多数实际应用的需求 达到并超越了国外最新型此类仪器的水平 此外 在国 内首次研究了常规c c d 探测器紫外荧光增强方法 提出用于c c d 表面荧光增强的荧光 粉的性能参数要求及该技术的具体实现方法 保证本微型光谱仪能工作在紫外波段 在光学机械系统设计过程中 研究了基于平场全息凹面光栅和交叉非对称 c z e r n y t u r n e r 结构的两种光学系统 从理论上研究了平场全息凹面光栅的优化设计方法 首次引入全局搜索算法对非线性目标方程组进行求解 提高了收敛精度并缩短了设计周 期 提出的反向优化和多工作位置的设计思想能提高设计的效率和现有此类光栅的使用 灵活性 研究了基于c z e r n y t u r n e r 结构的微型光谱仪光学系统的设计方法 对比分析选 择后者作为本系统的基础光学结构 最后 论文充分利用c o d e v t r a c e p r o 和s o l i d w o r k s 等光学机械设计与模拟软件 完成了光谱仪光学机械系统和两类光谱测量附件的设计以 及较为全面的系统公差分析 论文在软件系统设计部分 不仅完成了对光谱仪的全面控制和常规光谱测量功能 还以两种接口方式实现了二次开发工具箱 实现了软件系统的扩展功能 使整体系统具 有更高的实用性和灵活性 达到国外此类仪器的水平 对实际系统进行全面测试 结果 表明其性能优良 系列化程度高 具有很强的软硬件扩展性 整体性能达到并超过国外 最新型同类产品 目前整个系统已经进入批量生产和销售 在成功研制微型光纤光谱仪的基础上 论文分析了此类系统增益受限的原因 提出 使用具有正交独立列编码形式的扩展孔径代替传统狭缝 使得从叠加的成像光谱中还原 单通道光谱成为可能 打破了狭缝对系统性能的限制 实现静态系统的双增益 进而设 计了模拟系统对该模型可行性进行全面分析 大量分析结果证明 所提出的静态双增益 编码孔径色散光谱模型完全可行 优化了传统色散成像系统的性能 对基于面阵探测器 的微型光谱仪系统性能的提升具有革命性的意义 关键词 微型光纤光谱仪 c c d 探测器 平场全息凹面光栅 表面荧光增强技术 编码孔径双增益系统 正交独立列编码 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t s p e c t r o m e t e r sa r et h eb a s i ca n a l y s i si n s t r u m e n t so fo p t i c a ls p e c t r o s c o p ea n ds p e c t r a l a n a l y s i s t h ea p p l i c a t i o n so ft r a d i t i o n a ls p e c t r o m e t e r sa r ec o n s t r a i n e dd u et ot h e i rb i g v o l u m ea n dh i g hc o s t s m i n i a t u r i z a t i o nb e c o m e st ob et h e i ri m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nc a r r i e st h er e s e a r c ho nt h em i c r os p e c t r o s c o p i cs y s t e ma n dr e a l i z e dam i c r o f i b e rs p e c t r o m e t e rw i t hap o s s i b l ew o r k i n gw a v e l e n g t hr a n g ec o v e r su l t r a v i o l e ta n dv i s i b l e o rv i s i b l ea n dn e a ri n f r a r e dr e g i o n w i t h i nw h i c ht h r e ed i f f e r e n tm o d e l so fc c d sa n ds e v e r a l t y p e so fo p t i c a lc o m p o n e n t sc o u l db ec o n f i g u r e dp r a c t i c a l l y f u r t h e rr e s e a r c hw a sc a r r i e dt o s t u d yt h ea d v a n t a g ec h a r a c t e r i s t i co ft h i sk i n do fd i s p e r s i v es p e c t r o s c o p i cs y s t e ma n dan o v e l s t a t i cd u a l a d v a n t a g es y s t e mm o d e lb a s e do nc o d e da p e r t u r ew a sr a i s e df i r s t l y i nt h ed e s i g no fc i r c u i ta n dd e t e c t i n gs y s t e mo fm i c r of i b e rs p e c t r o m e t e r t h ed r i v eo f t h r e ed i f f e r e n tm o d e l so fc c d sw i t ht h es a m ec i r c u i th a r d w a r ew a sa c h i e v e dw h i c hh i g h l y s i m p l i f i e dt h ec i r c u i td e s i g n t h i sd e s i g nm e t h o d sf i r s ta p p l i e da m o n ga l le x i s t i n gs i m i l a r i n s t r u m e n t s a ni n t e g r a t e dt i m er a n g eo fl o p s 4 9 s e cf o rt c d l 3 0 4 a pl i n e a rc c d sr e a l i z e d w h i c hc o u l dm e e tt h en e e d sf o ri o t so fa p p l i c a t i o n s t h i sc h a r a c t e r i s t i cr e a c h e sa n de x c e e d s t h eh i g h e s tl e v e lo ff o r e i g ni n s t r u m e n t s t h e nf i r s t l yc a r r i e dt h er e s e a r c ho nu vs u r f a c e f l u o r e s c e n c ee n h a n c i n gt e c h n i q u ef o rc o m m o nc c d si nc h i n a r e p r e s e n t e dt h er e q u i r e m e n t s o fp h o s p h o rp o w d e ru s e df o rc c du ve n h a n c i n ga n dt h er e a l i z a t i o nm e t h o df o rt h i s t e c h n i q u e w h i c hg u a r a n t e e dt h a tt h em i c r os p e c t r o m e t e rc o u l dn o r m a l l ya n de f f e c t i v e l y w o r ki nu vr a n g e i nt h er e s e a r c ho fo p t i c a la n dm e c h a n i c a ls y s t e m t w ok i n d so fo p t i c a ls t r u c t u r e sf o r m i c r of i b e rs p e c t r o m e t e r sw e r es t u d i e d f i r s t l y t h eo p t i m u md e s i g no ff l a t f i e l dh o l o g r a p h i c c o n c a v eg r a t i n gw a ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l y g l o b es e a r c h i n ga l g o r i t h m sf i r s t l yi n t r o d u c e dt o s o l v et h en o n l i n e a re q u a t i o n ss e tt oi n c r e a s et h ep r e c i s i o no ft h ec o n v e r g e n c ea n ds h o r t e n t h ed e s i g nc y c l e t h et h o u g h to fa n t i o p t i m i z a t i o na n dm u l t i w o r k i n gp o s i t i o n sw a sr a i s e dt o i n c r e a s et h ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dt h ef l e x i b i l i t yo ft h i sk i n do fe x i s t i n gg r a t i n g s t h e n t h e d e s i g nm e t h o d f o rm i c r os p e c t r o m e t e ro p t i c a l s y s t e mb a s e do nc r o s s a s y m m e t r i c a l c z e r n y t u r n e rs t r u c t u r e ss t u d i e d a f t e rc o m p a r i s o n t h el a t t e r sc h o s e na st h eb a s i co p t i c a l s t r u c t u r ef o rt h em i c r of i b e rs p e c t r o m e t e r a tl a s t t h ed e s i g no fo p t i c a la n dm e c h a n i c a l s y s t e ma n dt h o r o u g ht o l e r a n c ea n a l y s i so ft h ei n t e g r a lh a r d w a r es y s t e mw e r ea c h i e v e d u t i l i z i n go p t i c a la n dm e c h a n i c a ld e s i g na n ds i m u l a t i o ns o f t w a r e sa sc o d e v t r a c e p r oa n d s o l i d w o r k s f u r t h e r m o r e t w ot y p e so fs p e c t r a lm e a s u r e m e n ta c c e s s o r i e sw e r ed e s i g n e d b a s e do np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s 浙江大学博士学位论文 i nt h ed e s i g no fs o f t w a r es y s t e m t h es o f t w a r es y s t e mn o to n l ya c h i e v e dt h ec o m p l e t e c o n t r o lo ft h es p e c t r o m e t e r b a s i cs p e c t r a lm e a s u r e m e n t sa n da n a l y s i sf u n c t i o n b u ta l s o r e a l i z e das d kb a s e do nt w ok i n d so fc a l l i n gi n t e r f a c e s w h i c hc o u l dh i g h l ye x t e n ds y s t e m 7 s f u n c t i o na n di n c r e a s es y s t e m sp r a c t i c a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y t h er e s u l t so fam a s so fv a r i o u s e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h er e a ls y s t e m 7 sp e r f o r m a n c e sp r e t t yh i g h t h ew h o l es y s t e mi so f h i g hd e g r e es e r i a l i z a t i o na n dh a ss t r o n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ee x p a n s i b i l i t y t h u s i s c o m p e t i t i v et oi t sl a t e s tc o u n t e r p a r t sa m o n gf o r e i g ni n s t r u m e n t s t h ew h o l es y s t e mh a s a l r e a d yb e e np u ti n t om a s sp r o d u c t i o na n dm a r k e t i n g b a s eo nt h er e a l i z i n go fm i c r of i b e rs p e c t r o m e t e r t h et r a d i t i o n a ls l i tb a s e dd i s p e r s i v e s p e c t r o g r a p h i cs y s t e m m o d e l ss t u d i e dt of i n dt h er e a s o nf o rs y s t e m p e r f o r m a n c e s r e s t r i c t i o n an o v e ls t a t i ch i g hg a i ns y s t e mm o d e l l sr a i s e d i nw h i c ht r a d i t i o n a ls l i t4 sr e p l a c e d b ya no r t h o g o n a li n d i v i d u a lc o l u m nc o d e da p e r t u r e w h i c hm a d ei tp o s s i b l et oe x t r a c tt h e s i n g l ec h a n n e l ss p e c t r u mf r o mt h es u p e r p o s e ds p e c t r u ma n da c h i e v e ds y s t e m sd u a l a d v a n t a g e s b a s e do nt h ed e r i v a t i o no ft h et h e o r e t i c a ls y s t e mm o d e l as i m u l a t i o ns y s t e m w a ss e t u pt ot e s ti t sc o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t y t h es i m u l a t i o na n dt o l e r a n c ea n a l y s i sr e s u l t s s h o wt h a tt h i ss y s t e mm o d e li so fv e r yh i g hp e r f o r m a n c ea n dt o t a l l ya c h i e v a b l e t h i sn o v e l h i g hg a i nm o d e lh i g h l yo p t i m i z e st h ep e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a ld i s p e r s i v es p e c t r o s c o p i c s y s t e ma n di so fr e v o l u t i o n a r ys e n s ef o rm i c r os p e c t r o m e t e r sb a s e do n2 dd e t e c t o r s k e yw o r d s m i c r of i b e rs p e c t r o m e t e r c c dd e t e c t o r f l a t f i e l dh o l o g r a p h i cc o n c a v e g r a t i n g s u r f a c ef l u o r e s c e n c ee n h a n c i n gt e c h n i q u e c o d e da p e r t u r ed u a l a d v a n t a g es y s t e m o r t h o g o n a li n d i v i d u a lc o l u m nc o d e 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 光谱仪器是进行光谱学研究和物质光谱分析的仪器 通过对光谱的测量来完成光成 分的分析 材料光学属性的测量以及物质成分的鉴定 是一种基本的光学检测仪器 自 从1 6 6 6 年牛顿发现了太阳光的色散现象建立了光谱学实验基础 到1 8 5 9 年克希霍夫制 造了第一台光谱仪 1 再到目前多规格多用途高性能的光谱仪器设备 在这3 0 0 多年中 随着新技术诸如光电子学 计算机 激光及先进的加工制造技术等不断的发展和引入 以及光谱与光谱分析学自身的快速发展 光谱仪器的性能不断提高且适用领域也不断地 扩大 光谱与光谱分析学已经成为一门独立的学科服务于其他各领域 而且光谱仪器也 成为一种基本的测量仪器 广泛地应用于各领域 目前光谱仪器已经广泛地应用于各种 光学检测 生物化学分析 工业自动检测 天文研究等领域 能够完成对物质辐射的研 究 对光与物质相互作用的研究 对物质结构及其能级分布与变化的研究 对物质的定 性和定量的光谱分析以及星体的研究等 随着微型光机电系统 m o e m s 的发展 2 q j 微型化成为了许多科研仪器发展的方向 微型化意味着更强的使用灵活性和环境适应性 以及更低的生产成本 传统的光谱仪器由于体积庞大造价昂贵 通常只用于实验室研究 或专门用途 制约着其在众多领域中的应用 如庞大的体积限制了其在航空航天领域的 应用 而高昂的价格制约了其在众多民用领域的发展 微型化能够打破这些限制 推动 光谱仪器向更广的领域发展 本论文将基于对光谱仪器系统的研究 分析出适合于微型 化的光谱仪发展方向 并对其进行实现 本章首先对光谱仪器系统作简要的介绍 分析各种光谱仪器的工作原理和基本组成 并介绍了光谱仪器的各种分类 然后基于上述分析 具体介绍了几种典型的光谱仪器结 构及其各自特点 分析了其微型化的可能性 并结合微型光谱仪器发展现状 确定了本 论文所研究的微型光谱仪的解决方案 最后 引出论文的立项依据 给出论文的研究内 容 并对论文的学术内容进行了总结和评估 1 1 光谱仪器系统简介 微型化的光谱仪器基于传统的大型的光谱仪器 所以首先要对光谱仪器系统作一定 的分析 以找到合适的微型化解决方案 光谱仪器应用广泛 有着很多的具体形式和不 同的特点以满足实际应用的需要 因此其分类方法也有很多种 根据工作原理 可将其 分为两类 经典色散光谱仪和调制变换式光谱仪 经典色散光谱仪是建立在空间色散原 理上的仪器 而调制变换式光谱仪是建立在调制计算原理上的仪器 前者是基于狭缝的 光谱仪器 采用棱镜或光栅作为空间色散元件 且所采集的一次性结果即为所求的光成 分分布 后者是基于光学调制来完成光成分检测的仪器 其可以基于传统的棱镜或光栅 浙江大学博士学位论文 进行色散 也可以基于干涉调制 5 6 1 等来完成色散 与前者不同的是 调制变换式光谱仪 器所采集的一次性结果必须再经过计算变换才能得到实际的测量光谱 常见的调制变换 式光谱仪器包括傅里叶变换光谱仪 7 i o 阿达玛变换光谱仪 1 l 1 3 1 及法布里一珀罗分光训1 4 傅里叶变换光谱仪基于余弦调制 利用傅里叶变换得到受干涉调制的光谱信息 阿达玛 变换光谱仪基于矩形波调制 利用线形变换的方法得到叠加的色散光谱信息 经典色散 光谱仪器结构简单 系统成熟 应用最为广泛 而调制变换式的光谱仪器在系统组成上 较经典色散光谱仪器复杂 通常还包含运动的部件 但是调制变换式光谱仪器不受入射 狭缝的限制 能够通过扩展的入射孔径或者干涉调制得到信噪比更高 分辨率更大的光 谱信号 适用于高端应用 如天文检测 地物检测及荧光检测等远距离低能量的情况 此外 在习惯上还以光谱仪器所能正常工作的光谱范围作为仪器分类的依据 根据 工作波长范围 光谱仪器可分为以下类型 1 真空紫外光谱仪 此类光谱仪器的工作波长范围为6 2 0 0 n m 由于大气对波长1 8 5 n m 以下的光有着 强烈的吸收 所以此类仪器要抽真空 并且仪器内各元件在该波段范围内要有良好的光 学效率 真空紫外光谱仪器主要是用来研究真空紫外光谱区的原子光谱和分子光谱 任 何原子在真空紫外光谱区都具有自己的光谱区 1 5 尤其是多电离原子的光谱绝大多数是 处于真空紫外光谱区的 利用真空紫外光谱仪器可以研究高达十八次电离原子的光谱 同时真空紫外光谱仪器还可以测定真空紫外光谱区的波长 标定各种物质发射光谱或吸 收光谱的波长 此外由于各种星云的发射光谱是由温度很高的星体发出的 它们处于远 紫外区 所以其在天文物理学的研究中也有着广泛的应用 2 紫外光谱仪 此类仪器的工作波长范围为1 8 5 4 0 0 n m 因为大多数分子的电子光谱处于紫外区域 1 6 而分子的电子光谱基本上能决定物质的化学反应 利用分子的电子光谱可以进行分 子定性分析 定量分析 结构分析和分子化学反应等有关的分子光谱技术工作 所以紫 外光谱仪器在此领域有着广泛的应用 3 可见光光谱仪 此类仪器的工作波长范围为3 8 0 7 8 0 n m 可见光是应用最为广泛的光波段 与人们 的生活联系紧密 是照明光学和颜色科学的基础 利用可见光光谱仪器 可以实现对照 明光成分的分析 颜色的测量和计算 材料属性的测量和分子光谱分析等 可见光光谱 仪器是众多光谱仪中最常见的 应用非常广泛 4 近红外光谱仪 此类仪器的工作波长范围为7 8 0 2 5 0 0 n m 左右 近红外光谱仪器的主要用于研究分 子电子光谱 5 红外及远红外光谱仪 2 浙江大学博士学位论文 红外光谱仪器的工作波长范围为2 5 5 0 p m 的中红外光谱区 而远红外光谱仪器的 工作范围为5 0 p m i m m 红外光谱仪器主要用于研究吸收分子振动光谱和利用这种红外 光谱的特性进行物质结构与成份的光谱分析 1 7 1 广泛地应用于石油化工 地质分析 制 药工业 食品工业和生物学等领域 远红外光谱仪器广泛的应用于固体物理学 化学和 各种物质结构与成份的分析工作中 棱镜由于材料限制 只能达到5 0 微米的工作范围 不适合于此类仪器 而光栅没有这种限制 能够应用于整个红外光谱区 此外 调制干 涉型的光谱仪器在该波长范围内的应用非常广泛 在实际的应用中 有很多光谱仪器并没有按照上述分类进行区分 实际的光谱仪器 的工作波长范围可能包含多个光谱区问 如紫外可见光谱仪 1 8 1 可见及近红外光谱仪 1 9 等 考虑到仪器的应用 本论文欲研制的微型光谱仪将基于可见光波段 并考虑将其工 作范围扩展到紫外和近红外部分 所以确定紫外可见及近红外波段为具体的设计目标 虽然具有很多类型 但是光谱仪器系统具有大致相同的基本组成 包括 光源和照 明系统 色散系统以及探测接收系统 以上三个部分是光谱仪器的基本构成 不同类型 的光谱仪器 由于其工作原理不同 组成部分也有不同 对于经典色散光谱仪器及其他 基于狭缝的光谱仪器而言 除以上三个部分外 还包括了准直系统和聚焦成像系统 但 是不基于入射狭缝的光谱仪器如傅里叶变换光谱仪 并不需要面向狭缝的准直系统 且 其聚焦系统也不用于色散光的会聚成像 所以在此区分 而同为计算式光谱仪器的阿达 玛变换光谱仪虽然采用了扩展的入射狭缝 但是也基于色散成像 因此也需要传统意义 上的准直和聚焦成像系统 光谱仪器的结构组成如图1 1 所示 f 一 1f 一一 光源和 准色聚 探测与 照明系 直散焦 接收系 系 系 系 统 统 统统统 图1 1 光谱仪器系统组成 光源和照明系统是光谱仪器基本的组成 是光谱仪器进行测量的前提 在研究物质 的发射光谱时 光源就是被研究的对象 在研究物质的吸收光谱 拉曼光谱 2 0 1 荧光光 谱 2 卜2 2 时 光源是照明待测物体的工具 照明系统的作用是将光源发出的光能量传输至 后续系统 直接影响着整体系统光能量的大小 所以照明系统的设计要求就是在满足系 统各部分孔径匹配的前提下 尽可能保证更多的光能进入色散系统 准直系统和聚焦成 像系统是基于狭缝的光谱仪器特有的 准直系统一般由入射狭缝和准直物镜组成 而聚 焦成像系统由成像物镜将色散开的光成像到探测接收系统上 此类系统基于入射狭缝成 像 狭缝的尺寸决定了系统的入射光能和光谱分辨率 通常情况下狭缝是一条很窄的矩 形通光孔 在一些特殊的光学成像系统中 可能会采用弯曲的狭缝以校正谱线弯曲 色 浙江大学博士学位论文 散系统是光谱仪器系统的核心 根据工作原理可以将其分成两类 一类基于棱镜或光栅 来完成色散 而另一类基于干涉调制来完成色散 探测接收系统的作用是对色散开的入 射光进行接收 并定性或定量的表示出来 常用的探测接收系统有几种 目视接收系统 感光摄影接收系统和光电探测器系统 随着光电探测器技术的不断发展 前两种探测接 收系统在实际应用中已经逐渐被取代 目前绝大多数的光谱仪器都基于光电探测器系统 这种类型的探测接收系统不仅扩大了光谱仪器的检测范围 提高了测量的精度 实现了 数字化和自动化 而且还使多种新型的光谱技术如傅里叶变换光谱技术 阿达玛变换光 谱技术 光声光谱技术 2 剐等成为可能 1 2 典型光谱仪器系统研究 由上文的分析可知 光谱仪器根据工作原理可以分成两大类 传统色散成像型光谱 仪和调制变换式光谱仪 本节将简要介绍这两种类型的光谱仪器系统 并具体分析具有 代表性的仪器系统 包括基于棱镜色散的光谱系统 基于光栅色散的光谱系统 傅里叶 变换光谱系统和阿达玛变换光谱系统等 1 2 1 基于棱镜色散的光谱系统 此类光谱系统的核心元件为棱镜 棱镜的规格在很大程度上决定了系统的性能 光 学系统中棱镜的种类有很多 总体可分为两类 即反光棱镜和分光棱镜 基于上文对光 谱仪器系统结构的分析可知 此类光谱系统的色散系统由分光棱镜构成 系统结构示意 图如图1 2 所示 光源和 准分聚 照明系 直光 住 探测与 接收系 系 棱 系 统统 统镜统 图1 2 基于棱镜色散的光谱系统 棱镜的分光原理基于不同色光在棱镜中传播时光程的不同而实现光束的分离 如图 1 3 所示 a bc 图1 3 棱镜分光原理图 4 浙江大学博上学位论文 设波长为a 的光波以i 的角度入射至棱镜的工作面a 8 经两次折射后 以f 27 的角度射出 令o t 为棱镜的折射顶角 6 为光线的偏向角 并假设棱镜的折射率为门 可求出光线的 偏向角6 为 6 f 1 s i n 1 ns i n 口一s i n 1 半 口 1 1 由上式可知 对于顶角口确定的棱镜 当入射角 不变时 偏向角6 是折射率门的函数 当一束复合光以一定角度射入棱镜 各色光因折射率不同而具有不同的偏向角 这就是 棱镜分光的原理 在性能方面 分光棱镜的理论分辨率为有效孔径的宽度和角色散率之积 与棱镜的 折射顶角无关 而棱镜的角色散率取决于棱镜的材料 常用的棱镜材料有光学玻璃 石 英晶体和其他晶体 2 4 1 由于是透射式的系统 材料受透过率的限制 每种材料都有着各 自对应的工作波段 但是因为材料有限 棱镜的工作范围最高只能到5 0 微米 这也是 此类系统的一个固有的限制 且透过式的系统还会引入色差 影响成像光谱准确性 为 了提高此类系统的光谱分辨率 可以采用棱镜组系统 2 5 1 棱镜组系统的理论分辨率是各 棱镜底边之和与材料色散率的乘积 在系统设计方面 此类系统可以通过采用不同的棱 镜结构来完成相应的系统配置 常见的分光棱镜有 普通三棱镜 李特洛棱镜 科纽棱 镜 阿贝恒偏棱镜和瓦茨沃斯棱镜系统等 2 6 1 根据上述对此类系统的分析可知 此类系统结构简单 较容易实现系统的微型化和 集成化 但是系统的性能一般并且在实现上存在一定的限制 目前已经很少出现以棱镜 作为核心色散元件的光谱仪器 棱镜更多地用于配合其他类型的色散元件 完成预色散 的功能 此外棱镜受环境因素的影响较大如温度 应力等 而微型化的光谱仪要面对多 种工作环境 所以此类系统模型不太适合微型化 1 2 2 基于光栅色散的光谱系统 基于光栅色散的光谱系统以衍射光栅作为色散系统的核心元件 光栅是在高精度平 面或曲面上刻划的一系列刻痕所形成的元件 光栅按照面型可分为平面光栅和凹面光栅 按照工作方式可分为透过式光栅和反射式光栅 按照加工方法可分为刻划光栅 复制光 栅和全息光栅 其中凹面全息光栅根据设计方法又分为很多种 2 卜2 9 j 原则上以上光栅都 可以用于光谱仪器系统 但是考虑到透过式系统的限制 透过式光栅已经很少被采用 目前的光栅加工技术不仅可以保证极高的单位刻线数和刻划面积 而且还可以保证其能 够正常工作在全光谱波段 极高的性能以及广泛的适用性使光栅成为光谱仪器系统最常 用的色散元件 基于光栅色散的光谱系统的发展也最为迅速 出现了很多类型如 e b e r t f a s t i e 结构 c z e r n y t u r n e r 结构和l i t t r o w 结构等 而且每种结构根据实际的应用 还发展了很多衍生的结构 在后续章节中将会对此类结构作具体的研究 5 浙江大学博士学位论文 光栅的色散是单光束衍射与多光束干涉的结果 以平面反射光栅为例 光栅的色散 原理如图1 4 所示 图1 4 平面光栅色散原理 刻痕的间距d 被称为光栅常数 其倒数即为每单位长度所含划痕数量 由上图分析 可知 光栅应该工作在平行光束中 若为凹面光栅 那么其也应该工作于准直位置 分 析图1 4 中两入射光线的光程差 结合波动光学中相干光束干涉极大值条件 即可得到 光栅方程 d s i n 妒 s i n 妒 k t k 0 1 2 1 2 上式中 妒和妒7 分别为入射角和衍射角 k 为光谱级次 由光栅方程可知 当给定光栅和 入射角时 在某一确定的光谱级中 波长不同则衍射角不同 从而完成了入射光束的色 散 同时由光栅方程可知 不同光谱级的谱线可能发生重叠 这是光栅所特有的性质 所有采用光栅作为色散元件的光谱仪器系统必须考虑消除光谱级次重叠 在性能方面 光栅的理论分辨率由光栅总的刻线数决定 其角色散率由光谱级次和 光栅常数决定 在面积一定的情况下 单位刻线数多的光栅具有更强的色散能力 此外 普通光栅的零级谱占据了总能量的很大一部分 为了将更多的能量转移到具有色散能力 的高级次光谱上 出现了闪耀光栅 3 0 1 闪耀光栅的刻槽面与光栅面不平行 两者之问有 一个夹角臼 如图1 4 所示 从而使单个刻槽面衍射的中央级大和各槽面间干涉零级主 极大分开 将更多的光谱能量转移到特定的光谱级次上 大大提高了光栅的衍射效率 在系统设计和实现方面 光栅的种类有很多 能满足不同光谱仪器系统的需求 其次 各种类型光栅的加工技术也非常成熟 大都已经投入大规模的生产 最后 基于光栅的 光谱系统结构种类繁多 结构成熟且各有针对性的特点 综上分析可知 此类系统结构 成熟 元件性能优良 非常适用于光谱仪器的微型化 目前商品化的微型光谱仪器中大 都采用此类系统 1 2 3f o u r i e r 变换光谱仪 随着光电探测器技术 微型计算机技术以及快速傅里叶变换技术1 3 1 3 3 1 的发展和引入 6 浙江大学博士学位论文 出现了傅里叶变换光谱仪 不同于上述两种基于色散元件进行分光的光谱仪器系统 傅 里叶变换光谱仪是一种利用傅里叶变换技术 根据干涉效应并通过快速傅里叶变换算法 来进行光谱数据测量的仪器 是较早出现的变换型光谱检测仪器 发展也最为成熟 傅 里叶变换光谱仪的组成包括干涉系统和数据处理系统 干涉系统获得样品光的干涉图样 而数据处理系统对干涉图样采集并进行傅里叶变换 系统组成如图1 5 所示 图1 5 傅里叶变换光谱仪 上图中5 代表照明光源和孔阑 为准直物镜 2 为成像物镜 6 为分束器 6 2 为光程 补偿板 舰和m 2 为两个平面反射镜 其中 忱为动镜 由5 发出的光经 准直入射至 分束器白上 光束分裂为两束并分别射向两个平面镜方向 这样就构成了双光束干涉 成像系统 在其中一光路置入样品即可完成对样品光谱特性的检测 傅里叶光谱仪的测量原理基于光源的光谱分布与所产生的干涉条纹的光强和光程 差变化之间的关系 物质在一定条件下出射光的各频率成分是一定的 即频率i 的振幅 4 1 是矿的确定函数 但各频率y 的位相咖 1 却是完全随机的 并且不同频率的位相统 计相互独立 所以任意光谱分布的光源所发出的波场可以写成如下离散形式的求和 u 亡 a i v e x p j z t r v i t 驴 1 3 当用干涉仪测量这一波场时 随着两光路长度之差h 的改变 探测器记录下的干涉 光强分布为 如 t 1 1 i z 厂 t i 厂 t h 2 2 尺b 厂 t 1 4 由以上两式可得待测信号的光场分布 0 j f 瓠i o r 一i o e 1 c o s 2 r r v r d v 1 5 其中光源的功率谢 a 2 1 且由上式可以看出j t 是厅或r 的偶函数 对上式进行 傅里叶变换即可得到光源或样品的功率谱分布 e t c o s 2 1 r v r d v 2f j f c o s 2 r r v r d v 1 6 7 浙江大学博士学位论文 由上可知 对于某个待测光源 移动干涉仪的反射镜记录下干涉曲线 d t 减去常 数项光强再对所得结果进行傅里叶变换 即可求出光源的功率谱分布 1 傅里叶变换光谱仪的优点由其工作原理所决定 首先它可以使用扩展光源 提高了 光能输入的同时又不影响系统的分辨率 其次 傅里叶变换光谱仪具有较高的信噪比 双输入通道抑制了环境噪声和系统随机噪声 而且较色散光谱仪更能够抑制系统的加性 噪声 最后 傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率要比色散光谱仪的分辨率高得多 它取决 于动镜的最大移动距离 近3 0 年来 傅里叶变换光谱技术发展非常迅速 在红外区域 傅里叶红外光谱仪己经逐步全面取代色散型红外光谱仪 34 1 特别在航空航天工业中得到 了广泛的应用 3 习 此外 傅里叶光谱仪也向着全静态和微型化的方向发展 静态傅里叶 变换光谱仪 3 6 3 9 和商品化的微型傅里叶光谱仪也不断出现 1 2 4 其他类型光谱仪 除以上各常见类型的光谱仪器外 还有多种其它类型的光谱仪 如h a d a m a r d 变换 光谱仪和声光可调谐滤波器光谱仪等 与傅里叶变换光谱仪一样 h a d a m a r d 变换光谱 仪采用对入射狭缝进行h a d a m a r d 编码 利用称重试验的测量原理 完成对光谱的间接 获取 不同的是 傅里叶变换基于余弦函数变换而h a d a m a r d 光谱仪基于矩形函数变换 此外还有一些新型的光谱仪器 如声光可调谐滤波器 a o t f 4 0 4 2 a o t f 光谱仪器是 根据声光衍射原理制成的新型分光器件 是一种微型窄带可调滤光片 具有光的调制偏 转滤光等多方面的功能 a o t f 具有体积小重量轻 入射范围大 衍射效率高且可调 调谐范围宽等优点 利于集成化 由美国n a s a g s f c 研制的紧凑 双通道声光成像光 谱仪在0 4 8 u m 一1 0 2 u r n 和o 8 u m 一2 4 u m 达到相当高的精度 l 引 但是它通光本领不理想 电路复杂需要调温电路 制作上增加了复杂度 这种光谱仪以用于航天技术 如果工作 波长范围和通光本领上得到改善 它便可更广泛的用于光谱化学分析等 1 3微型光谱仪器的发展现状 较传统的光谱仪器 微型光谱仪需要解决微型化和集成化的问题 早期的微型光谱 仪多基于平面波导或集成型结构 大都解决了这两个问题 但是仪器结构复杂 加工困 难 成本很高 不利于大批量生产 所以此类仪器大都没有实现商品化 仅停留在研究 阶段 m o e m s 技术 光电探测器技术及先进加工技术的不断发展 进一步提高了光谱 仪器的微型化和集成化程度 进而出现了更多类型的微型化光谱仪器 本节就微型光谱 仪器的发展作简要的介绍 结合上文对光谱仪器系统的研究 总结出一条最适合于本论 文的光谱仪微型化道路 微型化的光谱仪器在工作原理上与传统的光谱仪器相同 所以无论以何种形式实现 8 浙江大学博士学位论文 微型化 系统都必须包含光谱仪器的基本组成如图1 1 所示 将图1 1 所示的系统结构 微型化有两种途径 第一 将各部分集成加工 仅利用一个或较少的元件来实现所有的 功能 第二 采用微型化的元件和系统结构来实现整体系统的微型化 第一种方法多基于集成波导 是早期微型化光谱仪的突破点 也是目前该领域研究 的重点 第一台微型光谱仪就是由g o l d m a n 等人研制的基于平面波导和光栅分光的集成 器件 4 3 1 如图1 6 所示 该系统由两个衍射光栅和一个平面波导构成 两个内埋光栅在 波导材料被沉积前蚀刻在玻璃基底上 入射光透过基底会聚在第一个光栅上 然后各衍 射光被耦合入平面波导 通过波导后的光被第二个光栅色散为空间光谱 在光谱面放置 一个光电二极管阵列进行光谱数据采集 该光谱仪是基于平面波导微型集成光谱仪的代 表 然而由制作方法可以看出该系统的制作过程复杂 成本高 不利于商品化的实现 图1 6 基于波导的微型光谱仪结构 随着光纤和半导体加工技术的发展 出现了新型的基于光纤与波导集成的微型光栅 光谱仪 4 4 1 如图1 7 所示 光线通过光纤进入波导 入射到一个凹面反射光栅上 色散 后的单色光投射到一个光纤阵列上 这些光纤连接到相应的阵列式光电探测器上 从而 实现了光谱测量 系统中的光栅是在聚合体上由离子刻蚀而成 该器件在7 2 0 一9 0 0 n m 的波段内获得了比较好的光谱分辨率 同时这也是早期第一个商品化的微型光谱仪 图1 7 光纤与波导集成的微型光栅光谱仪 对于调制变换式的光谱仪器 也可以利用集成加工的思想完成系统的微型化 由 m j p a d g e t t 等人提出的一种结构紧凑的傅里叶光谱仪 4 5 1 如图1 8 所示 主要由两个偏 振片 一个w o l l a s t o n 棱镜 成像透镜组和阵列探测器构成 该w o l l a s t o n 棱镜由两个楔 9 浙江大学博士学位论文 形的双轴晶体组成 两个楔形晶体的光轴相互正交 两个偏振片的偏振方向均与棱镜的 光轴成4 5 度 且两个偏振片相互正交 利用o 光和e 光的光程差在像面上的空间线性 分布得到入射光光谱的傅里叶变换结果 最后用阵列探测器获取光谱信号的傅里叶变换 该方法不像传统的傅里叶光谱仪用机械装置对信号进行扫描 使得结构紧凑 但光学元 件较多 同样不利于集成 近年来 由瑞士n e l l c h a t e l 大学的微技术研究所研制出的一 种片状光栅集成傅里叶变换光谱仪 46 将会以低成本进入市场 该仪器内置一个采用深 度反应刻蚀法在绝缘体硅芯片上制作的静电梳状驱动器 来控制反射镜的运动 反射镜 的高度为7 5 1 1 m 光栅周期数为3 2 m m 光栅周期长度为1 0 0 1 a m m e m s 器件的总尺 寸为7 m m x 4 m m 该光谱仪的工作范围为3 8 0 n m 1 7 0 0 n m 具有很高的分辨率和精度 入射光 w o l l a s t o n 棱镜成像透镜 偏扳片 图1 8 微型傅里叶变换光谱仪 此外 一款由美国n e w p o r t 公司设计的耦合光纤光谱仪已经进入商业应用阶段 其 核心部分是德克萨斯仪器公司生产的数