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光路設(shè)計(jì)是微型光譜儀的重要組成部分
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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(shí)，其分辨力往往難以小于0.1nm。而一些特殊應(yīng)用場(chǎng)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(xué)設(shè)計(jì)軟件，通過(guò)選擇合適的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)與評(píng)價(jià)函數(shù)，自動(dòng)優(yōu)化準(zhǔn)直鏡、聚焦鏡、柱透鏡、光柵，以及CCD間傾角和距離，設(shè)計(jì)出光譜分辨力高達(dá)0.05nm，尺寸為90mm×130mm×40mm的結(jié)構(gòu)微型光譜儀。在此基礎(chǔ)上優(yōu)化出8個(gè)光柵傾斜角度，使微型光譜儀光譜分辨力在優(yōu)于0.05nm的同時(shí)，波段范圍達(dá)到了820nm980nm。所設(shè)計(jì)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(diǎn)。
光路設(shè)計(jì)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(cè)量系統(tǒng)的性能。目前，平面光柵光譜儀絕大多數(shù)采用Czerny-Turner光路結(jié)構(gòu)，其根本原因，首先在于此結(jié)構(gòu)安排緊湊、體積小、成本低，其次在于該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光路對(duì)稱且和譜面基本平直。另外，此結(jié)構(gòu)的像質(zhì)隨離開(kāi)中心距離增大而變壞的速度較其他反射成像結(jié)構(gòu)要慢得多，因此能保證獲得滿意像質(zhì)的較寬光譜[12]。該結(jié)構(gòu)是由狹縫、球面反射準(zhǔn)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(jīng)準(zhǔn)直鏡將光線準(zhǔn)直后投向光柵上，光柵將不同波長(zhǎng)的光線分開(kāi)，最后由聚光鏡將分開(kāi)的光線聚焦照射到探測(cè)器CCD上，進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)采集與分析。CT光路結(jié)構(gòu)分為M型和交叉型，其中M型光路在光譜測(cè)量范圍內(nèi)的彗差和分辨力穩(wěn)定性較好。
光學(xué)元器件的選擇與光路結(jié)構(gòu)參量的計(jì)算
為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高分辨和微型化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，便于與機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸相匹配，確定的光譜儀設(shè)計(jì)指標(biāo)為體積為90mm×130mm×40mm，光譜測(cè)量范圍為820nm?980nm，光譜分辨力為0.05nm。但是，由于對(duì)光譜分辨力的要求過(guò)高，所以只能先設(shè)計(jì)出光譜測(cè)量范圍約為880nm?900nm的微型光譜儀，然后通過(guò)優(yōu)化并轉(zhuǎn)動(dòng)8個(gè)光柵傾斜角度，使得光譜的測(cè)量范圍達(dá)到820nm?980nm，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)。
光柵是光譜儀光路系統(tǒng)中的核心器件，所以光柵的選擇至關(guān)重要。在現(xiàn)代光譜儀中，大多用閃耀光柵代替平面透射光柵，主要是因?yàn)殚W耀光柵可以實(shí)現(xiàn)單縫衍射中央最大值的位置從沒(méi)有色散的零級(jí)光譜轉(zhuǎn)移到其他有色散的光譜級(jí)上，這樣能量會(huì)更集中。
