多波長激發高分辨率微型拉曼光譜儀設計

楊照清，楊 潔，方晨霆，郭漢明

（1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.上海理工大學 上海市現代光學系統重點實驗室，上海 200093）

引 言

拉曼光譜是物質鑒定的指紋譜，可以反映豐富的物質分子結構信息，被廣泛應用于生物、化學、醫藥、危險品檢測等行業[1]。傳統的拉曼光譜分析儀多用于實驗室，為了保證其優良性能，往往配置多個附件系統，盡管分辨率高，光譜范圍寬，但其體積龐大，進樣過程復雜，分析時間長。隨著光機電系統的便攜式發展，微小型光譜儀有無可比擬的優越性，如結構緊湊，體積小，質量輕，可集成化?；诠鈻沤Y構的不同，光譜儀結構主要分為平面光柵光譜儀和平場凹面光柵光譜儀，但由于后者價格昂貴，考慮實用性及成本問題，平面光柵光譜儀占絕對優勢[1-2]?，F今應用于微型光譜儀最廣泛的光學結構是Czerny-Turner光路結構，此反射結構像質隨著與中心距離增大而變差的速度遠遠低于其他反射結構，同時可避免二次及多次衍射導致的雜散光難以抑制的問題[3]。光譜分辨率、光譜范圍、光譜儀體積作為微型拉曼光譜儀的重要指標彼此相互制約，很難同時達到高標準。2012年浙江大學夏果等[4]設計出基于交叉型光路結構、同時利用柱面鏡消除離軸像散的小型化光譜儀，分辨率為0.3～0.4 nm。2013年安巖等[5]設計出激發波長785 nm的寬光譜光譜儀，全波段分辨率0.6 nm。2014年彭雪峰等[6]設計的高分辨率0.1 nm光譜儀波段范圍僅覆蓋350～450 nm，體積約105 mm×105 mm×20 mm。美國海洋光學和上海復享光學銷售的微型光譜儀分辨率在波段范圍較窄時可達到0.3 nm，寬波段范圍分辨率達到0.8 nm。廈門奧譜天成設計的雙激發波長便攜式拉曼光譜儀，根據配置波段范圍，分辨率0.19～0.5 nm不等，整體機械尺寸為800 mm×500 mm×300 mm。

微型拉曼光譜儀有多種激發波長可供選擇，激發波長很大程度上決定了拉曼信號強度、熒光背景強度以及儀器應用范圍[7]。785 nm激發波長是大多數拉曼光譜儀的首選，可以很好地抑制熒光干擾，主要應用于有機生物領域，而532 nm、633 nm的激光得到的拉曼信號強，在化學反應、無機材料領域優勢明顯。一種激發波長往往對應單一的光譜儀光路結構。不同的光譜范圍和不同分辨率使得光路結構差異性明顯，在光機設計中很難整合。鑒于此，本文以光譜分辨率、光譜范圍、尺寸大小為評價標準，利用Zemax（光學設計軟件）模擬，配合評價函數優化，設計出波段范圍640～800 nm、分辨率0.1 nm的光路結構。在此基礎上，再次優化出光柵的2個旋轉角度，微調聚焦鏡Decenter Y參數（Zemax中光學設計參數），同時保持其余光路元件固定，即可實現此光路結構同時適用于540～650 nm和790～1 000 nm兩個波段范圍、且分辨率均達到0.1 nm、尺寸大小為70 mm×60 mm×20 mm的多波段微型拉曼光譜儀，從而實現了適用激光波長為633 nm、532 nm、785 nm的多波段拉曼光譜儀系統集成設計。

1 光路設計

1.1 光路結構

Czerny-Turner經典光路即用兩片凹面反射鏡分別作為準直鏡和聚焦鏡，不僅可以避免二次及多次衍射，還便于光學元件加工裝調[7]。Czerny-Turner光路結構以平面光柵作為基本色散元件，光源系統一般采用光纖耦合出來的光，從狹縫發出一定數值孔徑的光束到達凹面準直鏡，平行入射到光柵，經反射式光柵衍射分光，不同波長的光線再由凹面聚焦鏡聚焦到探測器，得到展寬的衍射光譜。在CT結構中，最常見的兩種結構是M型和交叉型，盡管物理結構上交叉型結構更加緊湊[8]，但由于M型成像像差及分辨率隨波長變化更小，更加適合寬波段高分辨率的探測系統[9-10]。

圖1 M 型 CT 初始光路Fig. 1 The initial optical path of M-type CT structure

1.2 指標要求及參數選擇

考慮波段范圍、分辨率、小型化、集成化等設計要求，此拉曼光譜儀系統采用消彗差CT結構[10]。為了方便光路調節，雜散光好控，以消彗差CT結構中的非對稱結構進行初始光路設計，數值孔徑NA取0.1，激發波長分別為532 nm、633 nm、785 nm，帶寬小于0.2 nm。光路結構探測器采用日本HAMAMATSU型號為S10420-1106的線陣CCD。光譜儀光柵常數越小，狹縫越小，對應光譜儀系統理論分辨率越高，閃耀光柵使得單縫衍射中央最大值的位置從沒有色散的零級光譜轉移到其他有色散的光譜級上，實現能量集中化。閃耀光柵在其閃耀波長附近衍射效率最高，光譜測量范圍與閃耀波長遵循以下關系[7,10]：

光譜分辨率常用光譜帶寬（即譜線半峰全寬）來定義，表示甄別相鄰譜線的能力。系統的分辨率和球差取決于準直鏡和聚焦鏡的焦距和孔徑，準直鏡的焦距與分辨率滿足[7,10,12]

式中：l為像面上光譜覆蓋有效長度；、為測量光譜范圍起始波長和終止波長。初始結構設計假設像面不發生傾斜即，可得54.41 mm，考慮實際情況像面再優化過程中可能發生傾斜，應小于54.41 mm。非對稱式CT結構要求，考慮加工成本參照廠家反射鏡曲率表，確定準直鏡和聚焦鏡的半徑104.052 mm。為了避免球差對稱性地擴展譜線寬度降低分辨率，當選擇凹球面反射鏡作為準直鏡和聚焦鏡時，其口徑大小應滿足[7,10]

式中：F為光譜儀F數；為準直鏡的口徑；為聚焦鏡口徑；為終止波長衍射角。忽略不同波長的光纖從光柵到達聚焦鏡距離不同，考慮衍射光線被聚焦鏡充分接收，最終確定，。

考慮在設計過程中，弧矢方向點列圖均方根半徑大小往往超過CCD在此方向上的接收區域，使得光能量減小，影響成像質量，柱面鏡的加入就可以很好地消除了弧矢方向上的像散[4,10,12]，N-BK7是首選的柱面鏡材料，可用于制作各種可見光到近紅外的光學元件，硬度高，性能穩定，價格適中，透射光譜范圍在380～2 100 nm之間。綜合考慮加工成本及現有加工模板，表1給出此光學系統初始結構所需的光學元件特征參量，N為CCD像素數，S為CCD有效接收尺寸。

表1 光學元件特征參量Tab. 1 Specification of the optical elements

表2 優化前初始坐標參量Tab. 2 Design of initial coordinate parameters before optimization

2 光路系統模擬優化

2.1 Zemax 模擬設計

光學設計過程中Zemax軟件利用光線追跡模擬光譜儀反射系統，設置數值孔徑NA=0.1，波段范圍640～800 nm，中心波長720 nm，各光學元件擺放相應地遵循追跡中心波長。有了上述光學元件的參數，可以建立初始光譜儀光學系統，表2給出每個光學元件優化前初始坐標位置。

初始結構中可以先手動進行元件位置的相互調整，保證整體結構合適，不會出現元件重疊，光線遮擋現象[12]。在設置評價函數過程中，以SpotY為優化函數參考，由于光譜成像目的正是為了將不同波長的像點分散開來，故選擇忽略色差。此時的點列圖反映出由于像散、彗差的影響，CCD所成的高斯像面并非最佳像面，相鄰0.1 nm的兩波長光線沒有足夠分開，此時通過在聚焦鏡和CCD之間放置柱面鏡進一步消除色散，同時設置評價函數操作數，合理調整準直鏡、聚焦鏡、光柵及像面位置的距離及角度。多次手動優化加自動優化即可使得波段范圍640～800 nm均可在像面良好成像。圖2所示為優化完成后的光路模擬圖。表3為優化后各元件坐標參數。

2.2 像質分析

圖2 優化后光路圖Fig. 2 The optimized optical path

像質分析中主要以點列圖調制傳遞函數（MTF）曲線以及均方根（RMS）半徑圖為評價標準，點列圖是根據像點彌散斑幾何尺寸與形狀來分析相差及其產生原因，能夠最直觀地判斷相鄰兩波長形成的光斑是否在像面足夠分開[13-14]；MTF曲線即光學傳遞函數，有子午和弧矢兩個方向，一般MTF曲線從左到右頻率隨之增大，可以反映成像亮度、輪廓、層次及細節，一般要求奈奎斯特頻率下子午和弧矢兩個方向成像的MTF曲線值在0.2～0.8水平[7]；RMS圖反映全波段范圍光斑的均方根半徑大小，光斑集中程度可以看出成像均勻性。本設計中，CCD單個像元尺寸大小為14 μm×14 μm，由此可計算出空間頻率為

表3 優化后坐標參數Tab. 3 Design of the coordinate parameters after optimization

首先對優化后結構進行點列圖分析。圖3(a)～(c)依次為 640 nm和 640.1 nm，720 nm和720.1 nm，800 nm和800.1 nm成像于像面時光斑的分開情況。由于系統往往存在球差和彗差的影響，可能使得譜線單邊擴散，邊緣模糊，譜線輪廓極大值發生位移，這就要求優化過程盡量減小像差的不利影響[15-16]。

圖3 640 nm、720 nm、800 nm 的波長處點列圖Fig. 3 Spot diagram at 640 nm,720 nm and 800 nm

從圖3可以看出點列圖像點集中規則，在滿足瑞利條件時，可以明顯區分相隔0.1 nm的兩波長，球差矯正較好，滿足分辨率要求。圖4所示MTF曲線圖表示空間頻率為35.714 lp/mm時，全波段傳遞函數在子午和弧矢兩個方向均在37%～86%之間，獲得良好的成像質量，不存在成像細節大部分丟失的情況。

圖5所示均方根半徑圖也再一次反映出全波段光斑半徑在6.5～8.13 μm之間，光斑大小均勻，成像性能穩定。Zemax系統數據中得到此光學系統尺寸為70 mm×60 mm×20 mm達到微型拉曼光譜儀的尺寸要求。

圖4 優化后整體 MTF 曲線Fig. 4 The optimized MTF curves

圖5 優化后 Spot Y 曲線Fig. 5 The optimized Spot Y curves

3 多波段光譜儀設計方法及優化分析

上文所設計的微型拉曼光譜儀，雖然全波段分辨率可達0.1 nm，但檢測波段范圍僅在640～800 nm之間，只能適用于633 nm的激發波長。如何有效擴展能夠檢測的波段范圍使其同時適用于532 nm和785 nm的激發波長是亟待解決的問題。

設計目的是在滿足波段范圍、尺寸及分辨率要求的前提下，光學系統盡可能保證一致性，為光機設計的整合提供最大便利。如果僅僅讓光柵旋轉角發生旋轉，有效檢測波段范圍雖然可以擴展，但分辨率急劇下降，CCD像面的有效尺寸無法保證充分利用?；诖?，本文提出一種在合理優化光柵旋轉角度的過程中，僅需要配合聚焦鏡DecenterY參數微調的設計方法。由于所選型號CCD在1 000 nm波長時光電效率下降到20%，因此為了保證成像性能的最優化，將1 000 nm定為檢測波段范圍的上限?；谏衔脑O計好的光學系統，將波段范圍改為790～1 000 nm，中心波長改為895 nm，設置光柵旋轉角度為變量，聚焦鏡DecenterY參數中的Solve Type（求解模式）設為Chief Ray（主光線），進行初始優化，Zemax會自動尋找該條件下最優的結構來滿足設計要求。在此自動優化的基礎上，為了滿足0.1 nm分辨率要求需多次重復設置相關操作數的權重比來確定該波段范圍下的光柵最優偏轉角。適用于532 nm、激發波長工作波段范圍為540～650 nm的光學系統設計方法同上。

經 Zemax模擬，790～1 000 nm和 540～650 nm 波段范圍對應光柵偏轉角及聚焦鏡Y位置微調參數如表4所示。經此優化操作，此光學系統能夠檢測的波段范圍由640～800 nm間接擴展到540～1 000 nm且同時適用于532 nm和785 nm的激發波長；圖 6（a）～（f）為 790～1 000 nm 和540～650 nm波段范圍滿足0.1 nm分辨率要求時各相鄰波長成像光斑分開情況。圖7為均方根半徑圖，其中圖7（a）為790～1 000 nm波段范圍內成像光斑大小隨波長的變化情況，圖7（b）為540～650 nm波段范圍內成像光斑大小隨波長的變化情況。圖 8（a）～（f）為 790～1 000 nm 和540～650 nm波段范圍MTF曲線圖。參照上文評價指標分析可得在540～1 000 nm超寬波段范圍內，各波長成像光斑半徑大小保持在14 μm之內，且半徑變化均勻較平緩，沒有出現陡增或突然下降情況，0.1 nm的分辨情況良好，光斑中心集中，沒有邊緣模糊情況，且790～1 000 nm和540～650 nm兩個波段范圍在子午和弧矢兩個方向的MTF均在0.35以上，曲線平滑，有良好的光能量傳遞效率，達到初始設計指標要求，整體光路尺寸為70 mm×60 mm×20 mm。綜上，該光學設計系統在高分辨率的前提下實現了一種同時適用于激光波長532 nm、633 nm、785 nm的多波段微型拉曼光譜儀集成化設計。

表4 參數對比圖Tab. 4 Comparison of the design parameters

圖6 790 nm、895 nm、1000 nm、540 nm、595 nm、650 nm 的波長處點列圖Fig. 6 Spot diagram at 790 nm, 895 nm, 1 000 nm, 540 nm, 595 nm and 650 nm

圖7 優化后 Spot Y 曲線圖Fig. 7 The optimized Spot Y curves

圖8 優化后整體 MTF 曲線Fig. 8 The optimized MTF curves

4 結 論

本文初始光路結構采用平面衍射式光柵分光CT型非對稱結構，利用Zemax設計軟件首先進行640～800 nm波段范圍結構優化，分析優化前后系統可能存在的像差問題，通過多次手動及自動優化光學元件的位置及旋轉角完成在此波段的高分辨率及成像質量要求。其次以超寬光譜的設計為目標，綜合考慮系統結構尺寸大小、分辨率要求及成像質量，以光柵旋轉角為優化變量，配合聚焦鏡Decenter Y參數微調使得該光學系統同樣滿足波段范圍540～650 nm和790～1 000 nm，0.1 nm高分辨率的成像要求，最終實現了一種適用于激光波長532，633 ，785 nm的多波段拉曼光譜儀集成設計，克服了不同波段范圍光學結構差異性大而導致光機設計很難整合在一起的難題，具有一定的參考價值。