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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：2171 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(guang)路設(she)計(ji)是微型(xing)光(guang)譜儀(yi)的(de)(de)重要(yao)組成(cheng)部(bu)分(fen)(fen)，光(guang)譜分(fen)(fen)辨(bian)能力(li)直(zhi)接影響了微型(xing)光(guang)譜儀(yi)測(ce)量(liang)系統的(de)(de)性能。目前，平(ping)面(mian)(mian)光(guang)柵(zha)(zha)光(guang)譜儀(yi)絕大多數采(cai)用Czerny-Turner光(guang)路結(jie)構(gou)，其(qi)根本原因(yin)，首先在于此(ci)(ci)結(jie)構(gou)安排(pai)緊(jin)湊、體(ti)積小、成(cheng)本低，其(qi)次在于該(gai)結(jie)構(gou)簡單、光(guang)路對稱且和(he)譜面(mian)(mian)基本平(ping)直(zhi)。另(ling)外(wai)，此(ci)(ci)結(jie)構(gou)的(de)(de)像質隨離開(kai)中(zhong)心距離增大而變(bian)壞的(de)(de)速度(du)較(jiao)其(qi)他反射(she)(she)成(cheng)像結(jie)構(gou)要(yao)慢得(de)多，因(yin)此(ci)(ci)能保證獲得(de)滿意(yi)像質的(de)(de)較(jiao)寬光(guang)譜[12]。該(gai)結(jie)構(gou)是由狹縫(feng)、球面(mian)(mian)反射(she)(she)準直(zhi)鏡、平(ping)面(mian)(mian)衍射(she)(she)光(guang)柵(zha)(zha)、球面(mian)(mian)反射(she)(she)聚焦鏡和(he)CCD組成(cheng)[13-14]。入(ru)射(she)(she)光(guang)線由狹縫(feng)入(ru)射(she)(she)，經(jing)準直(zhi)鏡將光(guang)線準直(zhi)后投向光(guang)柵(zha)(zha)上，光(guang)柵(zha)(zha)將不同波長的(de)(de)光(guang)線分(fen)(fen)開(kai)，最后由聚光(guang)鏡將分(fen)(fen)開(kai)的(de)(de)光(guang)線聚焦照射(she)(she)到(dao)探測(ce)器(qi)CCD上，進行(xing)相應的(de)(de)信號采(cai)集(ji)與(yu)分(fen)(fen)析。CT光(guang)路結(jie)構(gou)分(fen)(fen)為M型(xing)和(he)交叉(cha)型(xing)，其(qi)中(zhong)M型(xing)光(guang)路在光(guang)譜測(ce)量(liang)范圍內(nei)的(de)(de)彗差和(he)分(fen)(fen)辨(bian)力(li)穩定性較(jiao)好。
光學元器件的選擇(ze)與光路結構參量的計算
為(wei)(wei)了實(shi)現(xian)系(xi)統(tong)高分辨和微型(xing)化的(de)(de)設(she)計(ji)目(mu)標，便(bian)于與機(ji)械結構的(de)(de)尺寸相匹配，確(que)定的(de)(de)光(guang)譜(pu)儀(yi)設(she)計(ji)指標為(wei)(wei)體積為(wei)(wei)90mm×130mm×40mm，光(guang)譜(pu)測(ce)量范(fan)圍(wei)為(wei)(wei)820nm?980nm，光(guang)譜(pu)分辨力為(wei)(wei)0.05nm。但是，由于對光(guang)譜(pu)分辨力的(de)(de)要(yao)求過高，所以只能先設(she)計(ji)出光(guang)譜(pu)測(ce)量范(fan)圍(wei)約為(wei)(wei)880nm?900nm的(de)(de)微型(xing)光(guang)譜(pu)儀(yi)，然后通過優化并轉動8個(ge)光(guang)柵傾斜角度，使得光(guang)譜(pu)的(de)(de)測(ce)量范(fan)圍(wei)達(da)到820nm?980nm，從而實(shi)現(xian)設(she)計(ji)指標。
光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)是光(guang)(guang)(guang)(guang)譜儀光(guang)(guang)(guang)(guang)路系(xi)統中(zhong)(zhong)(zhong)的核心器(qi)件，所以光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)的選擇至關重要。在現代光(guang)(guang)(guang)(guang)譜儀中(zhong)(zhong)(zhong)，大(da)多用閃耀光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)代替平面透射光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)，主要是因為閃耀光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)可以實現單(dan)縫衍(yan)射中(zhong)(zhong)(zhong)央最大(da)值的位置從(cong)沒有色散(san)的零級光(guang)(guang)(guang)(guang)譜轉移到其他有色散(san)的光(guang)(guang)(guang)(guang)譜級上，這樣能(neng)量會更集中(zhong)(zhong)(zhong)。
