一种基于集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T结构的微型近红外光谱仪

作     者：谢瑛珂 王晰晨 梁恒恒 温泉 XIE Ying-ke;WANG Xi-chen;LIANG Heng-heng;WEN Quan

作者机构：西南大学物理科学与技术学院重庆400715 重庆理工大学理学院重庆400054 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室重庆400030 

基　　金：国家重点研发计划项目(2018YFF01011200)资助 

出 版 物：《光谱学与光谱分析》 (Spectroscopy and Spectral Analysis)

年 卷 期：2023年第43卷第2期

页      码：563-568页

摘      要：近红外光谱分析技术在航空航天、生物医药、环境检测、食品安全等众多领域均有广泛应用。高性能、微型化、低成本近红外光谱仪是制约基于近红外连续光谱分析的微小型检测装备发展的主要瓶颈,是当前光谱仪发展的主要研究方向。提出了一种基于微光机电系统(Micro-optical electro-mechanical system,MOEMS)集成扫描光栅微镜和改进型非对称式切尼-特纳(Czerny-Turner,C-T)光学结构的微型近红外光谱仪系统结构,分析了光谱仪系统和集成扫描光栅微镜的工作原理,基于光栅相关参数和光谱仪性能指标要求确定了集成扫描光栅微镜最大扫描角度。分析了改进型非对称式C-T初始光学结构像差,基于ZEMAX光学设计平台完成了光谱仪光学系统的仿真和优化设计,确定了系统关键参数。仿真分析了平凸柱面透镜对改进型非对称式C-T光学结构系统分辨率、检测灵敏度等性能参数的影响。基于仿真优化结果,完成了微型近红外光谱仪机械结构设计、加工与装调,搭建实验平台完成了光谱仪相关性能参数测试。结果表明,设计的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T光学结构的微型近红外光谱仪,采用重庆大学自主研发的谐振频率为677.1 Hz的MOEMS集成扫描光栅微镜来实现同步扫描和分光,0.8 ms时间内即可完成一次波长范围800~1800 nm的光谱测量,光谱准确性与国外品牌光谱仪比较无明显差异,光谱整体分辨率半峰全宽(FWHM)≤11 nm,波长稳定性≤±1 nm;基于平凸柱面透镜的光学结构设计可将探测输出光强值提高15%以上,可有效提高光谱测量的灵敏度;同时,经过平凸透镜二次聚焦后的光斑尺寸更小,可选用感光面积小、截至频率大的单管探测器实现光谱探测,可降低系统成本、抑制外部光噪声,满足扫描频率较高的扫描光栅式光谱仪的光谱分辨率需求。因此,提出的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T结构的近红外光谱仪满足高性能、微型化和低成本的光谱仪发展需求。

主 题 词：集成扫描光栅微镜 MOEMS 微型近红外光谱仪 光谱分辨率 C-T光学结构 

学科分类：08[工学] 0837[0837] 0804[工学-材料学] 0803[工学-仪器类] 

核心收录：

D　O　I：10.3964/j.issn.1000-0593(2023)02-0563-06

馆 藏 号：203118523...