基于MOEMS掃描微鏡的近紅外光譜儀分光系統結構

摘　要　針對近紅外光譜儀由于紅外ＣＣＤ導致的紅外光譜儀高成本問題，提出用ＭＯＥＭＳ微鏡陣列進行光路結構改進，并且解決了紅外光譜儀成像像斑不規則從而難以采用ＭＯＥＭＳ微鏡陣列進行光譜掃描的問題，設計了一種新的分光成像結構。該結構基于全息凹面光柵理論來規則光譜成像的像斑，采用光學設計軟件ＺＥＭＡＸ和針對特定像差評判標準的優化算法，按照像斑規則化的要求設計并優化了光路結構。該光路結構中的平場全息凹面光柵工作波長范圍為９００～１　４００ｎｍ。對設計結果分析表明：在寬度為５０μｍ縫光源情況下，分光系統的理論分辨率優于６ｎｍ，像斑的可用尺寸約為０．０４２ｍｍ×０．０８ｍｍ。驗證實例表明，該設計滿足了像斑規則化的要求，可以使用ＭＯＥＭＳ微鏡進行光譜反射掃描，驗證了新型實用化ＭＯＥＭＳ微鏡陣列光譜儀模型的可行性，在最后對探測器所處位置與微鏡最大偏轉角的關系進行了分析。

    近紅外光是指介于可見光區與中紅外光區之間的電磁波，波長約為７８０～２　５００ｎｍ［１，２］。通過近紅外光譜分析可以定量或定性的確定特定物質的組分［３］，這種分析方法具有所需分析時間短、分析樣品使用量少和分析結果穩定性好等優點，近紅外光譜分析主要利用分子的倍頻與合頻吸收，從重疊、變動和復雜的光譜中提取出微弱信息，屬于微弱信號與多元信息的處理，難度很大［４］。必須尋求一種高效率、低損耗的分光光學系統結構使得能夠充分利用光譜信息。采用全息記錄技術獲得的變間距曲線槽凹面光柵，兼有色散和成像功能，具有高效率、低雜散光、無鬼線、高信噪比、小Ｆ數的特點，同時具有校正像差的能力，可以在一定波譜范圍內成消像差的平場譜面，因此采用全息凹面光柵為核心的分光系統可構成只有一個光學作用面的光譜儀器，大大提高了光譜利用率。但是近紅外光柵光譜儀中采用的紅外ＣＣＤ等陣列探測技術存在成本高、探測質量較單元探測器差等問題。采用ＭＯＥＭＳ技術制造的靜電微鏡陣列進行光譜像斑反射掃描，實現采用單個探測器進行快速光譜掃描探測，可有效提高光譜探測信號的質量，降低近紅外光譜儀的成本［５］。并且隨著近紅外光譜波長變大，像差校正越困難、像斑變大且形狀趨向于不規則（如圖１所示），因此無法使用微鏡陣列進行像斑的反射掃描（因為靜電微鏡陣列單元鏡面的面積通常很小，而且為便于制造和控制，單元微鏡的基本尺寸要求一致）。因此必須解決分光成像系統的像斑規則化問題，才能使用微鏡陣列進行光譜反射掃描。本設計使用ＺＥＭＡＸ光學軟件，并采用針對特定像差的評價標準和算法，對分光系統的結構以及凹面光柵的參數進行了優化設計，較好的解決了分光系統的像斑規則化問題。