瞬态短波红外光谱仪光学系统设计

　　1 引 言

　　光谱学是研究从紫外到红外光谱波段的光谱测量的一门科学， 对很多学科的发展具有重要意义[1-2]。光谱仪器已广泛应用于航天遥感、 能源工程、 医药研究、 食品安全、 空间工程、 资源开发、 国防、 天文观测和环境保护等很多领域。 随着固态阵列探测器的出现和计算机技术的快速发展， 出现了由阵列探测器、 计算机技术和平像场光谱仪相结合的瞬态光谱仪。 许多研究领域对光谱仪器提出了小型化和高速瞬态光谱测量， 而瞬态红外光谱测量技术正成为国内外的研究热点[3-7]。 光学系统是光谱仪的核心，光学系统的设计质量直接影响光谱仪的性能。 本文研究了短波红外光谱仪光学系统的设计， 并确定了相应的光谱仪的结构方式和主要参数。

　　2 基本原理和光学系统方案选择

　　光谱仪主要分为干涉型和分光型两大类。 干涉型光谱仪是通过傅立叶变换获得信号光的光谱信息，特别适合对微弱光信号的探测， 但帧频相对较低。分光型光谱仪是基于棱镜或光栅分光原理， 将待测光按波长分开， 对不同波长的光信号进行探测， 获得信号光的光谱特征。 分光型的光谱仪测量速度主要取决于探测器性能。

　　短波红外光谱仪的光学系统由准直物镜、 色散元件、 成像物镜 3 个部分组成。 聚光系统把被测物质的光会聚到短波红外光谱仪的入射狭缝上， 狭缝发出的光经准直物镜后变成平行光投向色散元件，色散元件将入射的复合光分解成单色光。 成像物镜将空间上色散开的各波长的光会聚在成像物镜的焦平面上， 形成按波长排列的狭缝单色像， 光电接收器安置于成像物镜的焦平面上， 即可测量被测物质光谱的强度和波长位置， 进行光谱分析。 短波红外瞬态光谱仪原理框图见图 1。

　　色散元件是分光型光谱仪的核心元件， 色散元件的选择主要包括棱镜分光和光栅分光。 光栅分光的特点是对整个光谱范围可提供线性光谱色散， 存在光谱级次重叠， 光栅效率与波长有很大关系; 棱镜分光的特点是不存在光谱级相互重叠的问题， 光通量较高， 色散有很大的非线性。 根据实际要求，所设计的短波红外光谱仪采用平面闪耀光栅做为色散元件。 通过选择刻槽形状， 将能量集中到某一所需的光谱级， 减弱零级和其余各级光谱。 探测器选用 512 像元 InGaAs 线阵红外探测器。

　　选择与确定设计方案在光学系统设计中起着关键作用， 方案选择的结果对光学系统设计和仪器制造将产生很大影响， 经过分析确定了满足要求的两种方案， 如图 2 和图 3 所示。 方案一： 准直物镜和成像物镜采用两片凹球面反射镜， 入射狭缝和探测器 位 于 光 栅 主 轴 的 两 侧 ， 布 局 方 式 是 EBERT-FASTIE 型， 有利于减小系统的彗差， 减小或避免了二次衍射和多次衍射， 装调略显不太方便。 方案二：选用折叠交叉 CZERNY-TURNER 型， 光学系统增加了变量， 可有效改善系统的慧差、 成像质量， 实现光学系统体积的小型化， 方便了光学系统的安装调试。