基于变栅距光栅透镜的微型光谱仪系统及其关键技术研究

基于微光机电系统（MOEMS）技术的微型光栅光谱仪兼具芯片级的体积和被微电子工艺兼容的双重优势，特别适合生物、医学、食品等领域所亟需的嵌入式快速测量需要，代表了微型光谱仪的未来发展趋势。本研究提出了一个基于变栅距光栅透镜的微型光谱仪系统。该系统将微透镜与变栅距光栅的功能有机结合在一起，一方面通过微透镜保证光谱聚焦成像，避免了无曲面元件微型光谱仪像差大的问题；另一方面又通过透镜表面光栅栅距的变化保证谱面平直，克服了普通等栅距光栅透镜谱面不平直、长波段离焦严重的问题。本研究将对变栅距光栅透镜这一新型集成元件优化设计、制作工艺中的关键问题进行攻关，建立一个基于变栅距光栅透镜的微型光谱仪系统并对光谱分辨率的影响因素进行评价分析，从而为国内外MOEMS光谱仪研究提供一套新的可行的解决方案，为将来的芯片级光谱测量系统集成打下基础。

基于微光机电系统（MOEMS）技术的微型光栅光谱仪具有简单紧凑的结构，特别适合生物、医学、食品等领域所亟需的嵌入式快速测量需要，代表了微型光谱仪的未来发展趋势。本研究提出了一个基于变栅距光栅透镜的微型光谱仪系统。该系统将微透镜与变栅距光栅的功能有机结合在一起，一方面通过微透镜保证光谱聚焦成像，避免了无曲面元件微型光谱仪像差大的问题；另一方面又通过透镜表面光栅栅距的变化保证谱面平直，克服了普通等栅距光栅透镜谱面不平直的问题。.首先，采用光程级数展开法对变栅距光栅透镜的栅线分布函数进行优化设计。在给定光源点、聚焦点位置，透镜的折射率、直径、曲率半径，以及波长范围等条件下，对变栅距光栅透镜上任一点与坐标原点的光程差进行泰勒级数展开，根据光程差最小原则进行最小二乘优化，从而求得栅线分布函数。我们使用Matlab软件编写了优化设计程序，并通过Zemax软件进行了验证。.其次，先通过精密光学加工工艺制作出K9玻璃微透镜基板，再通过软模板纳米压印技术在微透镜表面制作出变栅距光栅透镜图案。采用PDMS作为模具，先制作出PDMS材料的平面光栅，再通过热压印将平面光栅图案转移到微透镜表面涂覆的纳米压印胶上。由于PDMS是软模具，压印过程能与透镜的曲面紧密贴合，从而保证了光栅图案的准确转移，克服了电子束光刻、紫外光刻等工艺难以在曲面上制作纳米图案的缺点。.最后，搭建了基于变栅距光栅透镜的微型光谱仪系统。该微型光谱仪的光谱范围为430nm-730nm，按照FWHM评价的光谱分辨率为2.2nm@532.0nm，3.3nm@632.8nm。要优于瑞士Neuchatel大学Traut等（Opt. Eng. 2000, 39: 290-298）报道的等栅距光栅透镜系统（4nm@450nm，10nm@600nm），也要优于荷兰Delft大学的Grabarnik等（Appl. Opt., 2008, 47: 2082-2090）报道的的单平面变栅距光栅系统（6nm@600-700nm）。充分说明了将变栅距光栅与微透镜相结合，能够达到更好的消像差效果，从而提高光谱分辨率。.总之，本项目创新性地提出了基于变栅距光栅透镜的微型光谱仪系统，并从理论设计、制作工艺和系统测试上实现了一套可行的方案，基本达到了预期目标。