基于MOEMS扫描微镜的近红外光谱仪分光系统结构
摘 要 针对近红外光谱仪由于红外ＣＣＤ导致的红外光谱仪高成本问题，提出用ＭＯＥＭＳ微镜阵列进行光路结构改进，并且解决了红外光谱仪成像像斑不规则从而难以采用ＭＯＥＭＳ微镜阵列进行光谱扫描的问题，设计了一种新的分光成像结构。该结构基于全息凹面光栅理论来规则光谱成像的像斑，采用光学设计软件ＺＥＭＡＸ和针对特定像差评判标准的优化算法，按照像斑规则化的要求设计并优化了光路结构。该光路结构中的平场全息凹面光栅工作波长范围为９００～１ ４００ｎｍ。对设计结果分析表明：在宽度为５０μｍ缝光源情况下，分光系统的理论分辨率优于６ｎｍ，像斑的可用尺寸约为０．０４２ｍｍ×０．０８ｍｍ。验证实例表明，该设计满足了像斑规则化的要求，可以使用ＭＯＥＭＳ微镜进行光谱反射扫描，验证了新型实用化ＭＯＥＭＳ微镜阵列光谱仪模型的可行性，在最后对探测器所处位置与微镜最大偏转角的关系进行了分析。
近红外光是指介于可见光区与中红外光区之间的电磁波，波长约为７８０～２ ５００ｎｍ［１，２］。通过近红外光谱分析可以定量或定性的确定特定物质的组分［３］，这种分析方法具有所需分析时间短、分析样品使用量少和分析结果稳定性好等优点，近红外光谱分析主要利用分子的倍频与合频吸收，从重叠、变动和复杂的光谱中提取出微弱信息，属于微弱信号与多元信息的处理，难度很大［４］。必须寻求一种高效率、低损耗的分光光学系统结构使得能够充分利用光谱信息。采用全息记录技术获得的变间距曲线槽凹面光栅，兼有色散和成像功能，具有高效率、低杂散光、无鬼线、高信噪比、小Ｆ数的特点，同时具有校正像差的能力，可以在一定波谱范围内成消像差的平场谱面，因此采用全息凹面光栅为核心的分光系统可构成只有一个光学作用面的光谱仪器，大大提高了光谱利用率。但是近红外光栅光谱仪中采用的红外ＣＣＤ等阵列探测技术存在成本高、探测质量较单元探测器差等问题。采用ＭＯＥＭＳ技术制造的静电微镜阵列进行光谱像斑反射扫描，实现采用单个探测器进行快速光谱扫描探测，可有效提高光谱探测信号的质量，降低近红外光谱仪的成本［５］。并且随着近红外光谱波长变大，像差校正越困难、像斑变大且形状趋向于不规则（如图１所示），因此无法使用微镜阵列进行像斑的反射扫描（因为静电微镜阵列单元镜面的面积通常很小，而且为便于制造和控制，单元微镜的基本尺寸要求一致）。因此必须解决分光成像系统的像斑规则化问题，才能使用微镜阵列进行光谱反射扫描。本设计使用ＺＥＭＡＸ光学软件，并采用针对特定像差的评价标准和算法，对分光系统的结构以及凹面光栅的参数进行了优化设计，较好的解决了分光系统的像斑规则化问题。
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