ZnO温度传感器光谱监测系统的设计

　　1　引　　言

　　基于ZnO薄膜温变特性的光纤温度传感器是一种结构简单、操作方便、成本较低、测温范围广的新型测温传感器,其基本原理是ZnO薄膜的光学吸收边随温度升高有红移现象,并且其禁带宽度和热力学温度之间满足一定的线性关系[1~4]。在10 K~1000 K的温变范围内,ZnO薄膜的光学吸收边的光谱红移范围为350~450 nm[5,6]。而测温的精度和光谱测量系统的分辨率有关,当光谱测量系统的分辨率达到0.1 nm时,测温精度可以达到2℃。目前常见的微型光谱仪的光谱测量范围一般都超过300 nm,分辨率一般都大于1.5 nm,如果直接应用于ZnO温度传感器的光谱测量系统,则测量光谱范围过宽,测温精度过低,大于10℃,同时不易于系统的集成。因此有必要针对ZnO温度传感器研制专用的光谱监测系统以满足测温精度和系统集成的需要。本文通过合理地选择光学系统,分析和计算各个光学元件的参数、光路以及消除系统像差,设计出了一套测量光谱范围为350~450 nm,分辨率约为0.1 nm的窄波段、高分辨率的适用于ZnO温度传感器的微型光谱监测系统。

　　2　光学系统的设计

　　2.1　光学系统的选择

　　不同的光学结构具有不同的像差特性,决定了光学系统的基本性能。在ZnO温度传感器光谱监测系统的设计过程中为了达到高分辨率的要求,应尽可能选择合理的光学系统以降低球差和彗差。为此采用离轴高度不相等的非对称切尔尼-特纳的结构,即h1≠h2。如图1所示, CG为系统的光轴,入射光线由S1入射,被准直镜mirror 1准直后入射到光栅上,衍射光线经mirror 2聚焦成像在CCD上,C点为两面反射镜的曲率中心。该系统在同类系统中具有最小的彗差以及易于控制系统的球差[7],采用两块小反射镜,可以有效地避免系统的二次、三次衍射,提高系统的工艺性和经济性,从而提高系统的分辨率[8~10]。为降低系统的复杂程度和生产成本,使两面反射镜的曲率半径相等,即r1=r2。

　　2.2　准直镜、光栅和聚焦镜的入射光线与出射光线夹角的设计

　　各光学元件的离轴是产生彗差的主要原因,因此需要通过合理地分析和计算准直镜、光栅和聚焦镜的入射光线与出射光线夹角以降低系统的彗差和杂散光,保证系统的分辨率和可集成性。

　　选用的CCD的封装长度为46.1 mm,为有保证足够的光能量和系统结构的体积尽可能地小,所选用的光栅宽度大约为15 mm,由此可以得出聚焦镜的离轴高度至少为30 mm。为此确定中间波长的入射光线与衍射光线的夹角为30°,为保证0.1 nm的分辨率,选用光栅刻线密度n为1.8 line/μm的闪耀光栅。

　　由图1可知