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光路设计是微型光谱仪的重要组成部分
点击次数：1046 时间：2021-08-20
由于光谱仪的尺寸限制，微型光谱仪在满足一定光谱范围时，其分辨力往往难以小于0.1nm。而一些特殊应用场合要求光谱仪不仅具有微小的尺寸，还要求具有*的光谱分辨力。本文基于光学设计软件，通过选择合适的初始结构参数与评价函数，自动优化准直镜、聚焦镜、柱透镜、光栅，以及CCD间倾角和距离，设计出光谱分辨力高达0.05nm，尺寸为90mm×130mm×40mm的结构微型光谱仪。在此基础上优化出8个光栅倾斜角度，使微型光谱仪光谱分辨力在优于0.05nm的同时，波段范围达到了820nm980nm。所设计的光谱仪具有超高的光谱分辨力、微小的外形尺寸与适中的光谱范围等特点。
光路设计是微型光谱仪的重要组成部分，光谱分辨能力直接影响了微型光谱仪测量系统的性能。目前，平面光栅光谱仪绝大多数采用Czerny-Turner光路结构，其根本原因，首先在于此结构安排紧凑、体积小、成本低，其次在于该结构简单、光路对称且和谱面基本平直。另外，此结构的像质随离开中心距离增大而变坏的速度较其他反射成像结构要慢得多，因此能保证获得满意像质的较宽光谱[12]。该结构是由狭缝、球面反射准直镜、平面衍射光栅、球面反射聚焦镜和CCD组成[13-14]。入射光线由狭缝入射，经准直镜将光线准直后投向光栅上，光栅将不同波长的光线分开，最后由聚光镜将分开的光线聚焦照射到探测器CCD上，进行相应的信号采集与分析。CT光路结构分为M型和交叉型，其中M型光路在光谱测量范围内的彗差和分辨力稳定性较好。
光学元器件的选择与光路结构参量的计算
为了实现系统高分辨和微型化的设计目标，便于与机械结构的尺寸相匹配，确定的光谱仪设计指标为体积为90mm×130mm×40mm，光谱测量范围为820nm?980nm，光谱分辨力为0.05nm。但是，由于对光谱分辨力的要求过高，所以只能先设计出光谱测量范围约为880nm?900nm的微型光谱仪，然后通过优化并转动8个光栅倾斜角度，使得光谱的测量范围达到820nm?980nm，从而实现设计指标。
光栅是光谱仪光路系统中的核心器件，所以光栅的选择至关重要。在现代光谱仪中，大多用闪耀光栅代替平面透射光栅，主要是因为闪耀光栅可以实现单缝衍射中央最大值的位置从没有色散的零级光谱转移到其他有色散的光谱级上，这样能量会更集中。
