一种光栅型成像光谱仪光学系统设计

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中阶梯光栅光谱仪的光学设计

中阶梯光栅光谱仪的光学设计唐玉国;宋楠;巴音贺希格;崔继承;陈今涌【摘要】为了在更宽波段范围内获得较高的分辨率,实现全谱直读,对中阶梯光栅光谱仪进行了研究.简述了中阶梯光栅及中阶梯光栅光谱仪的基本原理,分析并比较了这种光谱仪与普通平面闪耀光栅光谱仪的区别.利用光学成像原理与消像差理论设计了Czerney-Turner结构形式的中型高分辨率中阶梯光栅光谱仪原理样机的光学系统.该光学系统工作在原子谱线最为密集的200～500 nm波长处;为简化计算,在设计中消除了350 nm波长的所有像差;光线对中阶梯光栅在准Littrow条件下入射,以获得高衍射效率;使用折反射棱镜作为交叉色散元件来分离重叠的级次,在CCD探测器上获得了二维光谱面.该光学系统有较好的平场特性及点对点成像能力,在整个工作波长分辨率可达到2 000～15 000,满足设计要求.该仪器可用于原子发射和吸收光谱的研究工作,通过替换不同的探测器及增加外围电路与软件平台,仪器的工作性能可进一步提高.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2010(018)009【总页数】7页(P1989-1995)【关键词】中阶梯光栅光谱仪;中阶梯光栅;光学设计;交叉色散【作者】唐玉国;宋楠;巴音贺希格;崔继承;陈今涌【作者单位】中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院,研究生院,北京,100039;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院,研究生院,北京,100039;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033【正文语种】中文【中图分类】TH744.11 引言普通闪耀光栅用于光谱仪器时，为了避免级次重叠只能使用低衍射级次（如－1级或－2级）。

一种凸面光栅Offner结构成像光谱仪的设计方法

维普资讯
第２９卷
第６期
仪器
仪表学报
Ｖ０＿９Ｎｏ６Ｉ２．
２０年６月０８
ＣｉｅｅＪｕｌｏｃｅｔｉＩｓｒｍｅｔｈｎｓｏｍａｆＳｉｎｉｃｎｔｆｕｎ
场。采用低空问频率的凸面光栅（７１７线／毫米）它仍是一个具有高光谱分辨率（．ｍ），２１ｎ的系统。提出了一种新的设计方法，运用一个简单的方程可以设计出系统中具有最小畸变的环视场；一个非光学专业的设计者可以达到理想的设计目的。这种成像光谱仪结构非常简单，容易实现小型化和轻型化。实验的结果与理论分析相一致。很关键词：成像光谱仪；凸面光栅；Ｏｎｒｆｅ结构；同心光学系统；波像差
ｓｍｐｅｅｕｔｏｒｄｓｇｉｇｔｉｙｔｍｔｅｓｓｏｔｏｎｔｅａｎｌｒｆｅｄｉｒｐｏｅｉｌｑａｉｎｆｅｉｎｈｓｓｓｅｗｉｈｌａｔｄｉｔｒｉｎｉｈｎｕａｌｓｐｏｓｄ．Ｔｉｎｆｓｃｒｍｅｏｎｉｈｓｋｉｄｏｐｅｔｏ — ｔｒｉｅｙｓｍｐｌｄｅｓｏｂｎａｕｚｄａｄｌｇｔｎｄ．Ｅｘｅｍｅｔｒｓｌｓａｅｉｏｄａｅｍｅｔｗｉｈｔｅｔｅｒｔｅｓｖｒｉｅａａｙｔｅｍｉｉｔｒｅｎｉｈｅｅｎｉｐｒｎｅｕｔｒｎｇｏｇｅｎｔｈｈｏｅ－ｉｒｉａａｙｉ．ｃａｌｓｓｌｎＫｅｙｗｏｒｓ：ｉｇｎｐｃｒｍｅｅ；ｃｎｅａｉｇ；Ｏｆｎｒｓｓｅ；ｃｎｅｔｃｏｔｃｙｔｍ；ｗａｅａｅａｉｎｄｍａｉｇｓｅｔｏｔｒｏｖｘｇｔｒｎｆｅｙｔｍｏｃｎｒｐｉａｓｓｅｉｌｖｂｒｔｏ

一种小型中阶梯光栅光谱仪的光学设计

一种小型中阶梯光栅光谱仪的光学设计冯帆;段发阶;伯恩;吕昌荣;梁春疆【摘要】With the rapid development of spectral analysis technology in the information age, spectral instrument becomes a preferred access to information in various fields for its performance like high precision, low intrusion and small form factor. With the basic theory of optical design as guidance, echelle grating as key part, high resolution and wide detection wavelength as design target, a small size echelle spectrograph based on Czerny-Turner optical structure is designed. The structure of the system parameters is obtained based on the theoretical computation, and the optical system is simulated by the optical design software Zemax. The design results show that the theoretical resolution of the system, which works in the spectrum range from 200 nm to 800 nm, is better than 0.1 nm.%随着信息时代光谱分析技术的飞速发展，光谱仪器的高精度、低干扰、体积小型化等性能优势使其成为各领域各行业的优选信息获取手段。

多功能光栅光谱仪(单色仪)构造图

多功能光栅光谱仪（单色仪）的构造图
多功能光栅光谱仪（单色仪）是一个光谱分析研究的通用设备。

可以研究诸如氢氘光谱，钠光谱等元素光谱（使用元素灯作为光源），也可以作为更为复杂的光谱仪器的后端分析设备，比如激光拉曼/荧光光谱仪。

多功能光栅光谱仪（单色仪）的结构包括：
1、光源
2、光栅及反射镜
3、准光镜和物镜
4、入射出射狭缝旋钮
5、接收设备（光电倍增管/CCD）
6、计算机及软件系统
图1：多功能光栅光谱仪（单色仪）
图2：多功能光栅光谱仪光路图
图3：多功能光栅光谱仪内部结构
图4：光栅及反射镜
光栅由步进电机驱动，由计算机软件驱动，可以获得较高的精度。

反射镜1将由入射狭缝进入的光线反射到准光镜上。

反射镜2离开光路时，物镜上射来的光线直接进入出射狭缝到光电倍增管，而当反射镜2进入光路时，出射光线被反射到CCD接收器。

图5：准光镜和物镜
图6：入射出射狭缝旋钮
狭缝宽度：0～2mm连续可调。

图7：接收设备（光电倍增管/CCD）。

棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统光学设计

棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统光学设计
棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统是一种用于获取连续的多波长
图像的光学设备。

该系统通过经过凹面棱镜反射、分光光栅分散、再经过凸面棱镜成像的方式，实现了对多波长光束的同时捕获和处理。

该光学设计的重要性在于它能够提供分辨率高、成像清晰、波长准确、能够获取连续波长图像的优良特性。

棱镜-光栅-棱镜规划的关键因素包括系统光谱分辨率、灵敏度
和扫描范围等。

实现高分辨率的关键是选择合适的光栅和棱镜的参数，光栅的线数会影响到光学系统的分辨率，同时通常选用的棱镜材料为光学玻璃或石英材料，通过妥善的设计，使光束经过整个系统的一系列过程后发生衍射，最终能够捕获到高效、清晰的波长图像，并可提高系统综合灵敏度。

具体的光学设计参数包括：光学性能的要求和光学系统的重点，波长范围是选择光栅和棱镜的主要参考依据之一。

波长对分辨率的影响也应该在设计中考虑，以确保系统的光学性能。

另外，涉及到波长区域转换的重要指标是色散，色散的大小在光学设计中也是一个关键因素。

综上所述，棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统的优越性在于它能
够实现非常强大和高质量的图像获取。

在光学设计中，需要考虑到光栅和棱镜的材料、线数、波长范围、分辨率等因素，并进行合理的调整和优化。

这将确保系统具有高分辨率、高灵敏度和广泛的波长范围，以满足各种实际应用场景的需求。

小型Offner凸光栅光谱成像系统的结构设计及分析

ＬＩＷｅＵｉ
（ｈｎｃｕｎｔｕｅｏｐｉ，ｉｅｃａｉｎｈｓｓＣｉｅＣａｇｈｎＩｓｔｔｆＯｔｓＦｎｈｎｓａｄＰｙｉ，ｈｎｓｉｃＭｅｃｃｅ
Ａａｅｙｏｃｎｅ，ｈｎｃｕ０３ＣｉａｃｄｍＳｉｃｓＣａｇｈｎ１０３，ｈｎ）ｆｅ３
．
ｅｅｙｐｎｓｔｕｃｕｅｄｓｇｆｍｉｒｒｎｒｍｅｎｔｍａｅｓｗｅｅｉｖｓｉａｅｖｒａ，ｓｒｔｒｅｉｎｏｒｏｓａｄｆａｓｉｈｅｉｇｒｒｎｅｔｔｄｔｅｈｔｃｕｅｄｓｇｇｈｎｔｅｓｒｔｒｅｉｎｕ
收稿日期：００１１；２１－ — 修订日期：００３２０６２１－－３０
，
ｔｅｓｓｅＦｒｈｒｒｔｅａａｙｉｒｓｌｓｆｗｅｇｔｎｄｅｅａｕｅｎｃｔｔａｔｅｈｙｔｍ．ｕｔｅｍｏｅ，ｈｎｌｓｓｅｕｔｏｉｈａｔｍｐｒｔｒｉｄｉａｅｈｔｈＲＭＳ０ｕｆｃｆｓｒａｅｉｅ，ｄｓａｃｓ，ｃｎｒｆｇｌａｅｎｈｅｄｆｅｔｏｆａｇｅｉｖｒｍｐｒａｔｐｎｓａｌｍｅｔｔｅｒ０ｉｅｆｕｒｇｉｔｎｅｅｔｉｕａｘｓａｄｔｅｌｃｉｎｏｎｌｎｅｅｉｏｔｎａｌｙｅｈｅｕｒ．ｍｅｔｆｔｅｓｓｅｔｌｒｎｅＴｈｓｅｕｔａｉａｅｔｅｒｔｎｌｙｏｔｃｕｅｏｏａｔＯｆｎｒｓｅｔａｎｓｏｈｙｔｍｏｅａｃ．ｅｅｒｓｌｓｖｌｔｈａｉａｉｆｓｒｔｒｆｔｃｍｐｃｆｅＤｃｒｌｄｏｔｕｈｅ

中阶梯光栅光谱仪的光学设计

ｔｏｇａｈｓｗｅｅｒｓａｃｄ．Ｔｈｅｇｎｒｌｔｏｒｅｈｃｅｌａｉｇｓａｄｔｃｌｅｓｃｒｇａｒｒｐｒｅｅｒｈｅｅｅａｈｅｉｓｏｆｔｅｅｈｌｅｇｒｔｎｎｈｅｅｈｅｌｐｅｔｏｒｐｈｓ
第１８卷
第９期
光学精密工程
ＯｐｔｃｎｅｉｉｎＥｎｎｅｒｎｇｉｓａｄＰｒｃｓｏｇｉｅｉ
Ｖｏ１８ＮＯ．１．９
Ｓｐ．Ｏ１ｅ２０
２１Ｏ０年９月
文章编号
１０ — ２Ｘ（０００ — ９９００４９４２１）９１８ — ７
满足设计要求。该仪器可用于原子发射和吸收光谱的研究工作，过替换不同的探测器及增加外围电路与软件平台，通仪
器的工作性能可进一步提高。
关
键
词：中阶梯光栅光谱仪；中阶梯光栅；学设计；叉色散光交文献标识码：Ａｄｉ１．７８ＯＥ２１１０．９９ｏ：０３８／Ｐ．００８９１８

中图分类号：ＴＨ７４１４．
Ｏｐｉａｅｉｎｏｒｓ — ｉｐｒｅｃｌｅｓｅｔｏｒｐｈｔｃｌｄｓｇｆｃｏｓｄｓｅｓｄｅｈｅｌｐｃｒｇａ
ＴＡＮＧＹｕｇｏ，ＯＮＧｎ～，ａａｈｓｉ， —ｕＳＮａＢｙｎｅｈｇＣＵＩＪ—ｈｎＣＨＥＮＪｎｙｎｉｃｅｇ，ｉ— ｏｇ

棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统光学设计

棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统光学设计吴从均;颜昌翔【摘要】为实现成像光谱仪系统的直视性和小型化特点,设计一种棱镜-光栅-棱镜(PGP)结合式元件,作为分光系统的成像光谱仪光学系统装置.系统主要包括PGP分光原件、准直系统、成像系统和接收系统.光栅采用体全息相位光栅,可以获得很高的衍射效率,准直和成像镜采用对称式结构,可以有效地消垂轴像差.根据实际指标探测器像元尺寸为20 μm×20μm,像元数为512×512,采用双像元合并方法,光谱通道数为148个,狭缝大小为10.2 mm×10.2 mm,波段在400 nm～800 nm,物方数值孔径为0.15.分析了PGP光谱成像系统的原理、特点,对参数关系和体全息相位型光栅的衍射效率进行了详细的讨论.分析结果表明:PGP元件在整个光谱范围内理论衍射效率大于0.6,采用ZEMAX软件进行优化设计,得到系统的平均光谱分辨率优于3nm,在截止频率处平均传递数大于0.7,系统总长90 mm.%In order to make the imaging spectrometer compact and to be directly viewed , an optical system incoporating prism-grating-prism(PGP) component was designed. The system includes PGP device, collimating lens, imaging lens and receiving device. The system uses volume hologram bragg diffraction grating(VHDG) instead of ordinary ruled grating, which have high diffraction efficiency. Symmetric structure that can eliminate lateral abberations automatically is applied to this system. The requirements of design specification are given, which include 512×512 pixels CCD with pixel size of 20 μm×20 μm, 148 spectrum channels,slit size of 10 mm×0. 02 mm,object NA of 0. 15, and operation wavelength ranging from 400 nm to 800 nm. System concept and features, diffraction efficiency, paramentsrelationship are discussed. According to analysis, diffraction efficiency is higher than 0. 6 in the whole spectrum range. Using ZEMAX optical optimization software, the MTF of the sysytem is better than 0. 7 at the Nyquist frequency, the spectural resolution is better than 3 nm, and the length of the sysytem is 90 mm.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2012(033)001【总页数】7页(P37-43)【关键词】PGP;体全息相位光栅;成像光谱仪;衍射效率;光学设计【作者】吴从均;颜昌翔【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,吉林长春130033;中国科学院研究生院,北京100039【正文语种】中文【中图分类】O433;TH703引言成像光谱仪可以同时获得二维空间信息和一维光谱信息，在地质分析、矿产勘探、地面测绘、军事监测、医疗器械、自然灾害预警等诸多方面有着重要的应用。

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１１１１１２，，，，ＨＡＮＪｕｎＬＩＸｕｎＷＵＬｉｎｌｉｎＬＵＳｈａｏｕｎＹＵＸｕｎＺＨＡＮＣｈｕｎ，；１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＯｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｉｎｅｅｒｉｎＸｉａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔＸｉａｎ７１００３２，Ｃｈｉｎａｐｇｇｇｙ，）２．ＸｉａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｌｉｅｄＯｔｉｃｓＸｉａｎ７１００６５，Ｃｈｉｎａｐｐｐ
：犃犫狊狋狉犪犮狋Ｉｍａｉｎｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｉｓａｋｉｎｄｏｆｏｔｉｃａｌｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｗｈｉｃｈｃｏｍｂｉｎｉｎｇｇｓｐｐｇｇｉｍａｅｗｉｔｈｓｅｃｔｒｕｍ．Ｇｒａｔｉｎｂａｓｅｄｉｍａｉｎｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｈａｓａｗｉｄｅｒａｎｅｏｆａｌｉｃａｔｉｏｎｓｂｅｇｐｇｇｇｓｐｇｐｐ，，ｃａｕｓｅｏｆｃｏｎｃｉｓｅｐｒｉｎｃｉｌｅｓｔａｂｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｎａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏ．ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｄｅｐｇｙｓｉｎｓａｋｉｎｄｏｆｒａｔｉｎｂａｓｅｄｉｍａｉｎｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｏｔｉｃａｌｓｓｔｅｍｕｓｉｎＥＭＡＸ．ＴｈｅｆｏｒｅｏｇｇｇｇｇｓｐｐｙｇＺｐ，ｔｉｃａｄｏｔｓｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｉｍｉｎｔｔｈｅｉｓｓｕｅｔｈａｔｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＣａｓｓｅｒａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈａｓｐｇａｇｌｉｍｉｔｅｄａｂｉｌｉｔｆａｂｅｒｒａｔｉｏｎｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｍａｋｅｓｓｓｔｅｍｐｒｏｃｅｓｓｉｎｏｍｌｅｘｗｈｅｎｂｏｔｈｔｈｅｙｏｙｇｃｐ，ｔｈｉｓｄｅｓｉｎａｄｏｔｓｔｈｅｉｍｒｏｖｅｄＣａｓｓｅｒｉｍａｒｎｄｓｅｃｏｎｄａｒｉｒｒｏｒａｌｌｕｓｅａｓｈｅｒｉｃｓｕｒｆａｃｅｇｐｐｇｐｙａｙｍｐｒａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｏｒａｂｅｒｒａｔｉｏｎｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｆｉｎａｌｆｏｒｅｏｔｉｃｉｓ０．５ａｔｐ／ｍｍ，ｔｈｅｆｉｅｌｄｃｕｒｖａｔｕｒｅｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ０．０７８ａｎｄｔｈｅｒｅｉｓｎｏｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ．ＴｈｅＣｚｅｒｎＴｕｒｎｅｒ５０ｌｙｐｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂａｓｅｄｏｎｐｌａｎｅｇｒａｔｉｎｈａｔｔｈｅｓｅｃｔｒａｌｉｍａｉｎｓｔｅｍｕｓｕａｌｌｄｏｔｓｈａｓｌｏｗｓｅｃｇｔｐｇｇｓｙｙａｐｐ，ｔｒａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｉｍａｅｑｕａｌｉｔｓｓｏｂａｄａｓｎｏｔｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｉｎｓｔｒｕｇｙｉｑ，ｉｔｈａｓｃｏｍａｃｔｓｔｒｕｃｍｅｎｔ．Ｓｏｔｈｅｓｅｃｔｒａｌｉｍａｉｎｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｃｏｎｖｅｘｇｒａｔｉｎｓｕｓｅｄｐｐｇｇｓｙｇｉ，ｔｕｒｅｓｔｒｏｎｂｉｌｉｔｏｃｏｒｒｅｃｔａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓａｎｄｈｉｈｓｅｃｔｒａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅｆｉｎａｌｓｅｃｔｒａｌｒｅｓｏｇａｙｔｇｐｐ／，ｌｕｔｉｏｎｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ５ｎｍ，ＭＴＦｉｓ０．７５ａｔ５０ｌｍｍ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｔｏｔｈｅｐｒｉｎｃｉｌｅｏｆｍａｔｃｈｉｎｔｈｅｐｇｐｇｒａｔｉｎｂａｓｅｄｉｍａｉｎｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｉｓａｃｈｉｅｖｅｄｂｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌｏｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｏｒｅｏｔｉｃｇｇｇｇｓｐｙｃｐｐ
中图分类号：：／ＴＮ２５３；ＴＨ７４文献标志码：Ａ犱狅犻１０．５７６８ＪＡＯ２０１２３３．０２０１００１
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一种光栅型成像光谱仪光学系统设计
韩军１，李繤１，吴玲玲１，路绍军１，于洵１，占春连２
（１．西安工业大学光电工程学院，陕西西安７１００３２；西安应用光学研究所，陕西西安７）２．１００６５
摘要：成像光谱仪是一种 “ 图谱合一” 的光学遥感仪器。从光栅型成像光谱仪的使用要求出发，利用Ｚ前置望远物镜采用反射式ｅｍａｘ软件设计了一种光栅型成像光谱仪光学系统。其中，传统的卡塞格林结构在主次镜均采用非球面时校正像差的能力依然有限，设计时采用改结构，进后的卡塞格林结构对像差进行校正，最终设计的望远镜头传函在５／场曲０ｌｍｍ处达到０．５，ｐ控制在０．且不存在畸变。针对光谱成像系统通常采用的基于平面光栅的Ｃ０７８以内，ｚｅｒｎｙ成像质量较差不能满足仪器的使用要求。采用基于凸面光Ｔｕｒｎｅｒ结构由于像差校正能力有限、该系统结构紧凑、可实现宽波段内像差的同时校正。最终设计的光谱成像栅的光谱成像系统，系统光谱分辨率＜５ｎ／ｍ，ＭＴＦ在５０ｌｍｍ时升至０．７５。将前置望远物镜与光谱成像系统根ｐ据匹配原则进行组合优化后光栅型成像光谱仪系统点列图ＲＭＳ半径随波长的变化均小于０．２，波长的８波长各视场在特征频率５／０％的能量集中在 Φ ６μ ｍ范围内，０ｌｍｍ处的光学传递函数ｐ均大于０．像差校正能力强、结构尺寸较小的优点。５。整个光学系统具有结构简单、关键词：光学系统设计；光栅型成像光谱仪；卡塞格林前置望远物镜；凸面光栅光谱成像
第３３卷第２期２０１２年３月
应用光学ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｌｉｅｄＯｔｉｃｓｐｐｐ
Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．２Ｍａｒ．２０１２
文章编号：（）１００２２０８２２０１２０２０２３３０７