摘要：针对宽波段czerny-turner结构像散校正存在的问题,分析了影响光学系统像散校正的主要因素。基于发散光束照射平面光栅的像差理论,应用Matlab软件模拟分析了光学系统产生像散的原因和相应抑制方法的不足。讨论了了准直镜离轴角与聚焦镜离轴角的角度差值α和光学系统像散S之间关系,理论模拟了α取不同值时,宽波段C-T结构的全波段像散校正情况。为了验证理论分析的正确性,设计了光谱段为900-1 700nm的消像散型光学系统,利用光学设计软件Zemax对该波段的光学系统进行了光线追迹和设计优化,并对设计结果进行处理和分析。结果显示：随着角度差值的逐渐增大,短波波段像散校正能力越来越强,像散校正能力提高了1.6倍左右;长波波段像散束缚能力越来越弱,像散校正能力平均降低了1.27倍左右。得到的结果表明：角度差值的合理选取可以为宽波段czerny-turner结构的像散校正提供理论指导。

摘要：在满足光谱性能的同时,能最大化减小czerny-turner(CT)光谱仪光学系统尺寸,并防止入射光线与衍射光线发生干涉,创建了完整的结构参量选定体系。提出了光栅方程的变式,确定了防止入射光线与衍射光线发生干涉的约束条件,建立了光路结构的数学模型,确定了各个结构参量的计算公式。在此基础上将参量的确定过程编程简化,输入系统的分辨率、波长范围、数值孔径值和元件之间最小距离,即可直接得到光路结构的所有设计参量,实现了快速通用的CT光谱仪的设计方法。通过实例验证得到光谱范围780~1020nm、分辨率0.4nm、体积54mm×56mm×30mm的光谱系统,可为其他设计提供参考。

摘要：为了探究czerny-turner(CT)光路结构在装配过程中各个光学元件偏离理论光学设计参量时对光谱仪光学性能的影响,建立数学物理模型还原Zemax设计的非对称CT结构光路,在不影响光谱仪分辨率的条件下,调节CT结构中的各元件,得到各元件的可调节冗余量.结果表明,准直镜和衍射光栅偏转角度可调节范围分别为±0.19°和±0.17°;聚光镜和CCD的位置可调节范围都为±0.12mm.以上四个变量的可调节冗余量最小,对光谱仪最终分辨率影响较大.该研究对CT结构中各光学元件机械调节机构的设计具有参考意义.

摘要：利用红外热电堆阵列探测器作为光接收器,以小型化且能满足一定光谱工作范围和光谱分辨率为设计指标,根据光谱仪器设计理论和像差理论,设计了一种czerny-turner结构中红外平面光栅光谱仪。系统采用双离轴抛物面镜作为前置光路缩减了光学系统尺寸,采用超环面聚焦镜校正了像散。运用ZEMAX设计软件对中红外平面光栅光谱仪的前置光路、色散成像系统进行设计、优化和分析。最终分析结果表明,该系统光谱工作范围为8.04~13.96μm,光谱分辨率优于80 nm,F数为2,光学结构特征尺寸约为150 mm×200 mm×70 mm,满足设计指标。

摘要：根据czerny-turner结构光谱仪工作原理,以便携式微型光学系统为设计目标,设计了一种光谱范围为200900nm的交叉非对称型czerny-turner光谱仪光学系统.通过分辨率、光谱范围等设计要求确定光谱仪大致结构后,引入初级像差对初始结构进行进一步优化.首次提出将球差约束条件与光阑面选取相结合,设计流程确定准直镜通光口径、光栅初始尺寸及聚焦镜中心波长对应口径,继而结合彗差约束条件,确定球面镜离轴角,并基于几何光学确定聚焦镜初始通光口径的方法.利用ZEMAX软件对初始参量进行模拟优化,并采用自主研制的样机进行光谱测量,分析结果表明,该光学系统能够在狭缝宽度为25μm,光栅常数为1.667μm/line条件下,实现中心波长分辨率优于1nm,边缘波长分辨率优于1.5nm.

摘要：针对便携式拉曼光谱仪的小型化、高分辨率需求及弱信号能量探测问题,设计了基于高分辨率光栅光谱仪和物方大数值孔径光学探头的便携式拉曼光谱仪的光学系统,完成了样机性能测试。利用czerny-turner(C-T)结构光栅光谱仪的像差特性,在实现消彗差的条件下,建立了像面大小与光栅光谱仪系统参数的关系,保证了系统的像面大小与线阵CCD尺寸之间的完善匹配,完成了新型消彗差C-T结构光栅光谱仪系统。通过采用厚双胶合透镜形式的摄远光学结构,完成了物方数值孔径为0.33,并与光栅光谱仪入射光瞳完善匹配的紧凑型光学探头系统。实现了光谱分辨率优于0.6nm、拉曼光谱范围为781～1014nm的便携式拉曼光谱仪的优化设计和样机研制,样机尺寸为243mm×25mm×71mm。通过样机实验成功获得了CCL4的5个拉曼光谱特征峰,验证了整机拉曼光谱仪系统光学设计的可行性和合理性。

摘要：为解决星模拟器在光谱模拟时存在的衍射问题,提出一种消除数字微镜设备衍射效应的方法。建立标量衍射模型,将数字微镜设备等效为二维闪耀光栅,以光栅衍射理论为基础寻找影响衍射能级的因素,并推导出入射角与衍射效应的耦合关系。当光束沿数字微镜设备对角线入射,高度角为24°时,衍射效率达到最大化提高,衍射效率提高近12%,此时衍射损耗能量最少,数字微镜设备反射时存在衍射效应达到最小,通过ZEMAX优化设计出czerny-turner光学结构,校正系统像差。优化结果表明,在500~900 nm谱段内,光谱模拟精度优于5%,全谱段的光谱分辨率优于5 nm,可有效提升星敏感器地面标定精度。

摘要：研究了czerny-turner正交型光栅单色仪的波长校准技术。结合单色仪的结构参数和特点,提出以符合光栅方程的正弦曲线作为仪器出射波长的校准方程,基于最小二乘法原理给出校准方程的拟合残差表达式,由于校准方程的非线性,应用二维Nelder-Mead单纯形法求解拟合残差的待定系数,建立了波长与光栅转角的精确表达式,并通过实验验证了该算法的准确性。结果表明,经过校准的单色仪波长定位精度小于0.1nm,比设计要求提高一个数量级。该方法在czerny-turner正交型光栅单色仪的波长校准过程中,应用简单,容易实现,只需稍加修改步进电机的控制程序,即可完成对仪器出射波长的快速实时校准,实用性强。

摘要：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0.1 nm。而一些特殊应用场合要求光谱仪不仅具有微小的尺寸,还要求具有极高的光谱分辨力。本文基于Zemax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0.05 nm,尺寸为90 mm×130 mm×40 mm的czerny-turner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0.05 nm的同时,波段范围达到了820 nm～980 nm。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。

摘要：介绍了一种基于czerny-turner光路结构并采用谐波电机直接驱动光栅的小型快速近红外光谱仪的设计、仿真及初步测试结果.为了减小多次反射及衍射产生的杂散光,运用Cary理论进行光路布局与设计,使用光学软件TracePro进行了仿真,结果显示改进之后的结构有效抑制了系统的杂散光.为了减小体积并提高扫描光谱速度,采用谐波电机直接驱动光栅代替传统的电机传动正弦丝杆再驱动光栅的结构,在近红外光波段对样机性能进行了初步测试,并对葡萄糖水溶液进行了定性测量.初步测试结果显示：波长范围800~1 500 nm,扫描速度达到75 nm/s,光谱分辨率6 nm,波长准确性±0.5 nm,重复性≤1 nm,信噪比为1 000∶3,吸光度重复性≤0.008 AU,基线稳定性0.000 5 A/h,简单葡萄糖水溶液的定性测试结果比较清晰地反映了样品的特性.