摘 要：作为一个微弱光信号探测系统， 拉曼光谱仪中的杂散光分析可以为其设计提供较大帮助。 针对微型拉曼光谱仪系统， 结合光学设计和三维建模优化了其光机结构， 系统分辨率为0.7 nm， 体积为110 mm×95 mm， 属便携式微型拉曼光谱仪， 并基于杂散光分析软件TracePro对系统进行了光线追迹和仿真分析。 首先通过优化孔径光阑初步抑制了入射处带来的杂散光， 然后针对系统内部的主要杂散光(光栅零级衍射光)抑制装置即光学陷阱进行了详细分析和设计改进， 改进后的光学陷阱较改进前更有效地利用了光谱仪内部空间， 且分析结果表明改进后的光学陷阱将杂散光线数量减少了50%， 杂散光归一化辐照度强度从10-5降低至10-7， 在微型化的同时可有效抑制微型拉曼光谱仪系统中的杂散光， 将更加有利于微弱信号的探测， 为微型拉曼光谱仪的设计和装调提供了参考。
关键词：微型拉曼光谱仪； 杂散光； 光学陷阱； Tracepro
引 言
光学系统中杂散光可直观定义为混杂在目标光束中到达像面的有害非目标光束[1]， 在微弱信号探测系统中危害较大。 在微型拉曼光谱仪中， 拉曼散射强度为入射光的10-11～10-6， 属微弱信号探测[2]， 外杂光主要有瑞利散射光和荧光， 内杂光除器件的表面反射之外很大部分来自光栅的多级衍射， 拉曼光谱仪的微型化对其杂散光水平有着更高要求， 因此需要对系统的杂散光分析并通过有效的抑制手段来得到性能可靠的系统。
国内外对杂散光的研究经过杂光测量、 计算、 分析与抑制等阶段已比较成熟， 现已广泛应用于各种大型空间光学系统[3-8]， 针对光栅色散型光谱仪等小型系统也做过一些研究， 如Fernandez-Saldivar[9]等对高分辨率近红外光栅系统进行光线追迹并设置杂散光平面来分析系统杂光； 中国科学院安徽光学精密机械研究所刘洋[10]等利用遮光罩和挡光板对中红外平面光栅光谱仪系统进行了杂散光分析； 中国科学院长春光学精密机械研究所杨晋[11]对新型便携式中阶梯光栅光谱仪光学设计与消杂散光进行了研究。 但对属于微弱信号探测的微型拉曼光谱仪系统的杂散光并未见太多研究， 本文针对微型拉曼光谱仪系统内杂散光进行了追迹和初步分析， 并对光栅多级衍射光的杂光抑制进行了分析和改进。
1 基于软件TracePro的杂散光仿真模型
杂散光分析软件TracePro是基于蒙特卡罗法(概率分布函数)来模拟产生和传播带有随机性的杂散光， 分析时主要对光谱仪内部各个元件的表面空间散射特性进行描述。 软件自带描述材料散射特性的双向表面散射分布函数(BSDF)[12]， 定义为某散射面元散射的辐射亮度与入射的辐射照度的比值
(1)
式(1)中， L为散射面元的辐射亮度， E为散射面元所受到的辐射照度， θi和φi分别为入射光的入射角和方位角， θs和φs分别为散射光的散射角和方位角。 在Tracepro软件中有大量的BSDF散射模型， 在此选用适用于常见均匀随机粗糙表面ABg函数[12]模型， 表达式为
(2)
式(2)中， β为镜面元件表面的单位法向量， β0为散射元件表面的单位法向量， 参数A， B和g可以通过对测量某些散射方向BRDF值后用待定系数法求解出来， 用该公式可模拟整个半球空间的散射分布， 其中A参数决定散射的光线数目， B和g决定材料的散射空间分布。
2 微型拉曼光谱仪光机系统
本文微型拉曼光谱仪系统采用图1所示的Czerny-Turner结构， 该结构紧凑、 成像质量好、 易于机械设计。 选取平面反射光栅作为光谱仪色散核心元件， 有利于系统模块化实现， 对应于工业级微型光谱仪设计要求， 光谱仪指标参数见表1。
图1 微型拉曼光谱仪系统光学结构图
Fig.1 Optical configuration of the miniature Raman spectrometer
表1 微型拉曼光谱仪系统参数表
Table 1 Basic specifications of the miniature Raman spectrometer
本系统机械装配如图2， 结构上设计了可调俯仰的光学夹持件， 特别设计了CCD与柱面镜梯形连接结构， 便于整体调节， 外壳与夹持件均采用硬铝合金制作并涂以消光材料， 可吸收大部分的漫反射杂光。
图2 微型拉曼光谱仪系统的机械装配图
Fig.2 Mechanical assembly drawing of the miniature Raman spectrometer
系统光谱分辨率为0.7 nm， 整体体积为110 mm×95 mm， 属于便携式微型拉曼光谱仪。
3 微型拉曼光谱仪系统的杂散光基本分析
利用表2中的系统仿真参数在TracePro中对光谱仪整体结构进行光线追迹， 参考@Richardson光栅的衍射曲线进行参数设置， 在整个波段范围内考虑五个典型波长， 总衍射效率为90%(其他光被散射和吸收)， 1， 0和-1级衍射效率依次降低。
将光线追迹的门槛设置为达到初始光强的5%就不再追迹， 追迹10 000条光线， 追迹结果如图3， 可看到有部分杂散光进入了探测器。
表2 微型拉曼光谱仪系统仿真参数表
Table 2 Simulation parameter of the miniature Raman spectrometer
3.1 孔径光阑对杂散光的控制
大多数光谱仪系统由于光纤入射数值孔径与准直镜数值孔径不匹配导致大量入射光线入射到光谱仪内部， 这些光线经过装置内壁和夹持件多次反射和散射会再次进入分光系统， 最终比较集中地到达探测器且与所需探测信号能量相近。 对此在光谱仪狭缝后设计优化孔径光阑， 预先将大角度光线散射掉， 保证系统入射能量的同时避免大角度散射光进入探测器像面。 降低光通量门槛阈值为0.5%， 增加追迹光线为15 000条光线， 图4给出了加光阑前后探测器表面的辐照度分析， 其中色度坐标为归一化的探测器表面辐照度强度， 分析表明， 改进数值孔径匹配使得归一化能量为10-4的杂散光能量降低为10-6甚至消失， 证明此抑制措施对孔径不匹配导致的直接入射杂光有很好效果， 但是在探测器其余位置还有大量其他杂光。
图3 微型拉曼光谱仪系统光线追迹图 (a): 光路光线追迹图; (b): 系统整体光机结构光线追迹图
Fig.3 Ray tracing of the miniature Raman spectrometer (a): Ray tracing of optical configuration; (b): Ray tracing of the whole system
图4 加光阑前后微型拉曼光谱仪探测器表面辐照度分析图 (a): 无孔径光阑; (b): 有孔径光阑
Fig.4 Irradiation intensity on the surface of a detector of the miniature Raman spectrometer (a): Without the aperture stop; (b): With the aperture stop
3.2 圆锥型光学陷阱对零级衍射光的控制
由图3光线追迹结果不难发现本系统最主要内部杂散光为光栅衍射产生的零级杂光， 这些光线经过装置内壁和夹持件多次反射和散射会产生大量杂乱光线， 再次进入分光系统并分散到达探测器像面， 影响最终拉曼信号探测， 因此研究如何消除光栅零级衍射光十分必要。
目前消除光栅零级次衍射光的最佳办法是在光谱仪内部设计后置挡光阑即光学陷阱[13]， 如圆锥型光学陷阱[10]。 基于圆锥型光学陷阱分别设计高度相同顶角不同(即锥度不同)的圆锥体， 在TracePro中将内表面设置为完全反射， 采用入射光线数目完全相同的光源追迹光线， 比较不同锥度圆锥型光学陷阱内表面入射光线条数， 表3结果表明锥度越小的圆锥型光学陷阱内表面吸收更多杂散光线， 杂散光消除能力更强。
表3 不同锥角圆锥型光学陷阱接收光线数
Table 3 Rays come to the conical receiver with different point angles of stray light
4 微型拉曼光谱仪系统的杂散光改进分析
4.1 改进型光学陷阱设计
考虑光线在圆锥型光学陷阱子午面内传播情况， 当光束口径不变， 则轮廓为三角形的陷阱在顶角越小时光线折返次数越多(图5)， 即表3中锥形光学陷阱锥角变小可以吸收更多杂光的原因。
但如果光束口径较大， 要获得较小锥角则需要很高的圆锥高度， 对光学陷阱本身和微型光谱仪系统整体大小和装配都带来较大负担。 其次少部分折返杂散光与入射光共路， 且光束直径越大圆锥口径也越大， 易使部分杂光再次沿原路折返进光谱仪光路， 从而削弱圆锥形光陷的杂光收集效果。
图5 光学陷阱子午面内光线折返情况
Fig.5 Reflection of straylight in meridian plane of receiver of stray light
图6给出了我们对锥形光陷的改进， 图中Ray1与Ray2代表光栅零级衍射光子午面的边缘光线， Ray1′和Ray2′重合且为光束中心光线， 设置如图6(b)中所示的反射面3和4， 其中反射面3可将原零级衍射光光束的一半， 由光线Ray1和Ray1′为边缘光线组成的光束恰好反射进横切面为锐角三角形的杂散光光学陷阱， 同理反射面4可将另一半原零级衍射光束也反射进同一杂散光光学陷阱。 反射面3和4的位置和角度由平面光栅零级衍射光决定。
图6 微型拉曼光谱仪系统平面光栅零级衍射光光学陷阱改进 (a): 圆锥型光学陷阱; (b): 改进型光学陷阱
Fig.6 Improvement of the receiver of stray light in the miniature Raman spectrometer to suppress zero-order diffraction light of plane grating (a): Conical receiver of stray light; (b): Improved receiver of stray light
根据漫反射理论， 陷阱内部采用消光材料增加粗糙度利于杂光吸收， 反射面3和4增加一次光线折返会降低杂散光能量并且降低杂散光再次反射进光谱仪光路的可能； 其次子午面内光束半径减小一半后同样高度的陷阱顶角较小， 可吸收更多杂光； 最后改进型光学陷阱又进一步采用光束口径最大的子午面作为光学陷阱横切面， 增加杂光接收面积和杂光折返次数。 改进后的光学陷阱较改进前尺寸稍有增加， 但系统整体机械尺寸并未增加， 在有效利用光谱仪内部空间的同时， 更有利于杂散光吸收和光谱仪的微型化。
4.2 改进圆锥型光学陷阱对零级衍射光抑制结果分析
图7 改进型光学陷阱光线追迹图
Fig.7 Ray tracing of the improved receiver of stray light
为同时验证改进型光学陷阱对光线的折返和吸收效果， 将平面3和4反射率和吸收率均设置为50%， 追迹结果表明改进型光学陷阱对光栅零级衍射杂光有较好的折返和吸收效果。
图8是光学陷阱改进前后微型拉曼光谱仪探测器表面辐照度分析图。 图中五个蓝色光斑为定义的五个特征波长的光线足迹点， 其余光点均为杂散光足迹， 与图4相较不难看出在加入光学陷阱后由光栅零级衍射光引起的分散在探测面上的杂散光明显减少。 从图8(a)和(b)相比可知， 使用改进型光学陷阱后， 探测器像面的光通量由6 569 W增加到7 330 W， 像面入射光线数目由12 160增加到13 567， 但是杂散光线数量减少了50%， 探测器左侧杂散光基本减少到零， 杂散光归一化辐照度强度从10-5降低至10-7， 显著降低了杂散光对CCD信号探测产生的影响。 仿真结果表明， 改进光学陷阱的尺寸和角度误差对系统最终杂散光分析结果影响微小， 对机械加工和装调要求较低。 此改进型光学陷阱对杂散光的消除能力更强， 尤其针对光栅零级衍射这种较为集中的杂散光束有很好效果， 因此这种新型光学陷阱非常适用于微弱信号探测的光栅型拉曼光谱仪。
图8 光学陷阱改进前后微型拉曼光谱仪探测器表面辐照度分析图 (a)： 圆锥型光学陷阱； (b)： 改进型光学陷阱
Fig.8 Irradiation intensity on the surface of a detector in the miniature Raman spectrometer (a): Conical receiver of stray light; (b): Improved receiver of stray light
5 结 论
对微型拉曼光谱仪系统杂散光进行了分析， 在研究了孔径光阑对杂散光的影响后， 重点分析了光栅零级次衍射光产生的内部杂散光。 对常用的圆锥形光学陷阱的杂散光收集效率进行了简要分析并得出同样深度的光学陷阱口径越小时顶角越小， 消除杂光能力越强； 并从光机角度设计了改进型光学陷阱且在杂散光分析软件Tracrpro中建模仿真， 仿真表明改进型光学陷阱在光栅零级次衍射杂散光消除能力上比圆锥型光学陷阱有着更好的表现。
