基于衍射光栅的光谱检测系统的光学设计

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1、基于衍射光栅的光谱检测系统的光学设计　　【摘要】为了满足光谱检测系统模块化、微型化的要求，以光谱检测仪基本工作原理和光学设计理论为基础，能满足一定光谱范围和分辨率要求为具体设计目标，提出了基于全息体相位光栅与铟镓砷（InGaAs）探测器阵列的光谱检测系统的光路结构，使用Zemax软件对其分光系统及成像系统进行优化设计及结果分析。该系统光谱检测范围为1525nm～1570nm，分辨率小于0.31nm，谱面展宽为7.3mm，光学系统尺寸为38mm×31mm×5mm。优化结果满足系统要求。　　【关键词】光学设计；光谱检测；Zemax；衍射光栅　　Des

2、ignofSpectrumDetectingSystemBasedonDiffractionGrating　　YANGHao-kunZHAODong-eLIUJiHUOHan　　（NationalKeyLaboratoryforElectronicMeasurementTechnology，NorthUniversityofChina，TaiyuanShanxi030051，China）　　【Abstract】Thestructureoftheopticpathforthespectrumdetectingsystemwhichbasedonvo

3、lumephaseholographicgratingandInGaAslineararraydetectorisputforward，inordertosatisfytherequestofmodularizationandminiaturization.Uponthebasicworkingprincipleandopticaldesigntheory，thisnewstructure6canmeetthespecificdesignobjectivesofthespectrumrangeandtheresolutionvalue.Zemax

4、canbeusedforoptimumdesignandanalysisofthediffractionsystemandimagingsystem.Thestructure，witharesolutionrateoflessthan0.31nmanda7.3mmbroadeningofthespectrum，cantestspectralcoveragefrom1525nmto1570nm.Thesizeoftheopticalsystemis38mm×31mm×5mm.Theoptimizationresultsmeetthedesignre

5、quirements.　　【Keywords】Opticaldesign；Spectrumdetection；Zemax；Diffractiongrating　　0引言　　光谱检测系统是应用光学技术及光谱技术原理，对物质的结构和成分进行观测、分析和处理的基本系统，是光谱仪器的核心部分。随着技术的进步，其发展逐步趋向模块化、小型化。基于衍射光栅和探测器阵列的小型化光谱检测系统，由于其全固态、无活动部件设计，具有寿命长、抗冲击及振动的优点，在恶劣环境下的长期监测中具有广泛的应用[1]。本文以全息透射式衍射光栅作为色散部件，以线阵InGaAs作为探测器

6、，利用Zemax软件对光谱检测系统的光路结构进行设计，有效的控制光学总长并消除像差，设计结果满足系统要求[2]。　　1系统的原理及结构　　该系统的分光元件采用透射式体相位光栅，其衍射效率高，实际可达92%以上，当入射角大于41°6时，透射全息光栅比反射全息光栅的波长灵敏度高。光谱检测范围为1525nm～1570nm，因此探测器选用对该波长范围敏感的InGaAs线阵探测器。InGaAs探测器像元大小为50μm×250μm，根据实际谱面展宽决定选择探测器的像元个数及整体长度。同时，基于系统的微型化考虑，该系统采用两块衍射光栅，保证在提高波长分辨力的同

7、时减小整个光学系统的尺寸。　　光源通过狭缝进入系统，经过准直镜后的光可近似认为是平行光束。不同波长的光束，经过两块衍射光栅后，具有不同空间传播方向的透射角[3]，最后由球面反射镜将光束会聚在探测器上。探测器将光信号转化为电信号，将数据传回上位机，通过软件算法实现光谱的检测。　　2系统参数　　该系统由准直透镜，衍射光栅，汇聚反射镜以及线阵探测器组成，可调节的结构参数较多。因此，必须精确计算确定各个光学元件之间的相互位置关系，使光源发出的光能够顺利的成像于探测器上。　　首先确定衍射光栅的角度及位置，本系统为了消除二级衍射的影响，将初始入射角设置为60

8、°。设λ1=1525nm，λ2=1547.5nm，λ3=1570nm，则由公式θk=sin-1（λk/d-sini）可得相对应的衍射角式