应用二维微硅片狭缝阵列的阿达玛光谱仪

　　1　引　言

　　目前,微小型光谱仪入射狭缝大多数采用单狭缝形式,在化学分析、医学分析等对光谱仪分辨率要求较高的情况下,通常采用减小入射狭缝尺寸等手段来实现,但这必然导致光通量严重下降,对微弱信号的分析极其不利。虽然可以通过延长探测器的采集积分时间来增强对微弱信号的读取,但延长采集积分时间会使背景噪声和探测器的固有噪声增大。因此,大多数光栅光谱仪不得不在光通量与分辨率之间进行折衷。

　　入射狭缝作为光谱仪中的重要元件,它的结构直接影响光谱仪的光通量与分辨率。为了改进光谱仪的这两个最重要的性能指标,目前的入射狭缝常采用多狭缝阵列结构。利用双层薄膜硅片叠加是实现多狭缝阵列结构的普遍方法,比如采用压电驱动加放大机构的方式来实现驱动,每次平移一个狭缝距离。这种实现狭缝阵列的方法对两层狭缝阵列的对准工艺要求非常苛刻,并且驱动结构复杂、精度有限,同时由于移动距离有限,限制了狭缝的个数,种种不利都限制了阿达玛光谱仪的发展[1]。

　　本文利用MEMS工艺制作的全固态阿达玛微硅片狭缝阵列制作了阿达玛光谱仪,最小狭缝单元为6μm,因为全固态的阿达玛光谱仪仅用一次采集就可以实现阵列变换,因此完全克服了上述缺点。这种基于微硅片狭缝阵列结构的光谱仪系统有如下优点:

　　(1)全固态化设计,完全消除了任何移动部件带来的误差,例如,重复性差、一致性差,改善了寿命短、测量时间长等问题;

　　(2)采用微硅片狭缝模板[2],具有体积小、精度高、易于批量化制作、杂散光小、同一个模板上的狭缝一致性好,同时可以根据实际光学系统的需要对狭缝进行改变等优点;

　　(3)由于微硅片狭缝是中空的,透过率达到100%,可以得到很好的通光效果,并适于紫外到红外全波段。

　　本文设计的阿达玛光谱仪,在不降低光通量的前提下可提高分辨率,适用于微弱信号的测量,克服了大多数光栅光谱仪的缺陷。同时本文对入射狭缝阵列衍射后的光强分布进行了理论分析,并以阿达玛S15型微硅片狭缝阵列和阿达玛循环S15微硅片型狭缝阵列为例进行了比较,实验验证了狭缝阵列结构对光谱仪光通量的影响,为阿达玛光谱仪入射狭缝的选择提供了依据。

　　2　系统光学结构

　　本文的阿达玛微型光谱仪光学设计采用了Offner光学结构,利用ZEMAX软件进行辅助设计。光学结构(如图1所示)由微硅片狭缝阵列、非球面反射镜和光栅组成。入射光通过微硅片狭缝阵列,照射到非球面反射镜上,变成平行光束,照射到光栅上,经过分光,再照射到非球面反射镜上并最终成像。