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光路設計是微型光譜儀的重要組成部分
點擊次數：1838 時間：2021-08-20
由于光譜儀的尺寸限制，微型光譜儀在滿足一定光譜范圍時，其分辨力往往難以小于0.1nm。而一些特殊應用場合要求光譜儀不僅具有微小的尺寸，還要求具有*的光譜分辨力。本文基于光學設計軟件，通過選擇合適的初始結構參數與評價函數，自動優化準直鏡、聚焦鏡、柱透鏡、光柵，以及CCD間傾角和距離，設計出光譜分辨力高達0.05nm，尺寸為90mm×130mm×40mm的結構微型光譜儀。在此基礎上優化出8個光柵傾斜角度，使微型光譜儀光譜分辨力在優于0.05nm的同時，波段范圍達到了820nm980nm。所設計的光譜儀具有超高的光譜分辨力、微小的外形尺寸與適中的光譜范圍等特點。
光路設計是微型光譜儀的重要組成部分，光譜分辨能力直接影響了微型光譜儀測量系統的性能。目前，平面光柵光譜儀絕大多數采用Czerny-Turner光路結構，其根本原因，首先在于此結構安排緊湊、體積小、成本低，其次在于該結構簡單、光路對稱且和譜面基本平直。另外，此結構的像質隨離開中心距離增大而變壞的速度較其他反射成像結構要慢得多，因此能保證獲得滿意像質的較寬光譜[12]。該結構是由狹縫、球面反射準直鏡、平面衍射光柵、球面反射聚焦鏡和CCD組成[13-14]。入射光線由狹縫入射，經準直鏡將光線準直后投向光柵上，光柵將不同波長的光線分開，最后由聚光鏡將分開的光線聚焦照射到探測器CCD上，進行相應的信號采集與分析。CT光路結構分為M型和交叉型，其中M型光路在光譜測量范圍內的彗差和分辨力穩定性較好。
光學元器件的選擇與光路結構參量的計算
為了實現系統高分辨和微型化的設計目標，便于與機械結構的尺寸相匹配，確定的光譜儀設計指標為體積為90mm×130mm×40mm，光譜測量范圍為820nm?980nm，光譜分辨力為0.05nm。但是，由于對光譜分辨力的要求過高，所以只能先設計出光譜測量范圍約為880nm?900nm的微型光譜儀，然后通過優化并轉動8個光柵傾斜角度，使得光譜的測量范圍達到820nm?980nm，從而實現設計指標。
光柵是光譜儀光路系統中的核心器件，所以光柵的選擇至關重要。在現代光譜儀中，大多用閃耀光柵代替平面透射光柵，主要是因為閃耀光柵可以實現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，這樣能量會更集中。
