用于近红外光谱仪的平场全息凹面光栅的模拟与设计

摘　要　针对近红外光谱分析属于微弱信号与多元信息处理的特点, 基于全息凹面光栅理论, 采用光学设
计软件CODE V , 从初始结构出发, 利用软件强大的全局优化功能, 设计出一种用于近红外光谱仪的平场全息凹面光栅, 成功地减小了像差, 解决了宽光谱、窄谱面展宽的矛盾, 并充分利用了光谱信息, 是一种高效率的分光光学系统结构。利用CODE V 软件, 不需要求解复杂的高级像差方程, 能对结果进行迅速评价, 并可在设计中同时兼顾平场和提高分辨率的要求, 极大地提高了工作效率。最后, 给出了实例, 设计出的全息凹面光栅工作波长范围为900～1700 nm、直径Á = 25 mm、F/ # = 115 , 对设计结果分析表明: 在宽度为50μm 缝光源再现情况下, 理论分辨率优于613 nm。

    近红外(Near Inf rared : NIR) 光谱是指波长在780～2526 nm 范围内的电磁波[1 ] 。通过对特定物质的NIR 光谱分析可定量或定性的确定其组份[2 ] , 具有分析样品用量少、分析速度快和结果稳定性好等优点[3 ] , 广泛应用于农业、生物学、石化、食品、医药、纺织等领域[4 ] 。近红外光谱分析主要利用分子的倍频与合频吸收, 属于微弱信号与多元信息的处理[5 ] , 对复杂样品进行近红外光谱分析就是从复杂、重叠和变动的光谱中提取微弱信息, 难度很大[6 ] 。因此, 为了充分利用光谱信息, 寻求一种高效率的分光光学系统结构成为有效解决此问题的关键之一。传统的车尔尼—特纳(CzernyTurner) 正交结构[7 ]分光光学系统光路复杂, 通常采用3～5个反射面, 光能损失大, 整个系统效率较低。而在采用凹面光栅的光谱仪器中, 凹面光栅兼有色散和成像功能, 可构成只有一个光学作用面的光谱仪器[8 ] 。利用全息记录技术获得的变间距曲线槽凹面光栅, 具有校正像差的能力, 而且还有高效率、低杂散光、无鬼线、高信噪比、小F 数的特点。另外, 全息凹面光栅可以在一定波谱范围内成消像差的平场谱面, 又随着CCD 等阵列探测器技术在近红外波段的成熟, 结合全息凹面光栅和CCD 技术在光谱测量中应用已成为可能。本文将介绍采用CODE V 光学软件设计用于近红外波段的平场全息凹面光栅, 用较高的效率设计出具有高成像质量的宽光谱平场光谱仪。