水质在线监测仪用微型分光系统的设计与分析

基于交叉非对称式切尔尼-特纳系统设计了一种宽光谱高分辨率微型分光系统,采用Zemax光学设计软件进行了光路设计、优化及像质分析后,得到了尺寸为70mm×42mm×15mm、波长范围为200~750nm、分辨率为1.5nm的分光系统,并搭建了实验光路对设计结果进行了性能验证,结果表明该系统满足了设计指标要求,具有小型化、高分辨率、结构简单、成本低等特点,可应用于水质在线自动分析仪器中进行多种水质参数的监测。     

近红外微型光谱仪光学系统设计与模拟

基于光谱仪基本工作原理和光学设计理论,以系统微型化、且能满足一定光谱范围和分辨率要求为具体设计目标,提出了基于平面衍射光栅分光的交叉式C-T结构的近红外微型光谱仪光学系统结构方案。采用ZEMAX软件对近红外微型光谱仪的分光系统、成像系统进行了优化设计与模拟分析。最终设计与模拟分析结果表明,该光学系统光谱范围为900～1 700 nm,分辨率<10 nm,谱面展宽为12.74 mm,F数为8.128 388,系统体积为51.26 mm×41.81 mm×22 mm。     

基于倾斜场镜的C-T成像光谱仪优化设计

残留谱线弯曲限制了切尔尼-特纳平面光栅光谱仪在成像光谱仪中的应用.本文不同于传统的基于棱镜的光栅谱线弯曲补偿方法,提出了基于倾斜场镜的补偿方法,即在校正场曲的同时对入射到场镜不同区域,不同波长的狭缝像分别进行谱线弯曲校正,且没有改变系统的其它光学特性.对狭缝大小为7.8mm×0.016mm、光谱范围0.31~0.5μm、光谱分辨率0.4nm、物方焦距70mm、1∶1放大倍率的切尔尼-特纳成像光谱仪进行了优化设计,结果全谱段、全视场MTF0.8,点列图RMS半径小于9μm,相对谱线弯曲小于0.2%,满足设计要求.实际设计表明该方法对于可选用光学玻璃有限,且能量较弱的紫外光学系统是一种可选的优化设计方法.     

高分辨率分光光度计光学系统的研究

以高输出能量和低杂散光为系统设计的中心思想,目的为实现小型化、高分辨率、易于操作维护的光学分光系统。提出以非对称式切尔尼特纳(C-T)结构为分光结构,以平面全息衍射闪耀光栅为分光元件。不仅提高了结构的优化自由度,同时系统的输出能量和杂散光方面都得到了显著的改善。通过Zemax光学软件的模拟和优化,结果表明系统光谱范围在400~800nm内,具有较宽的谱线展宽,光谱分辨优于1nm,系统的光学像差控制在容限范围内。结构体积约为95mm×90mm×44mm,满足高输出能量、高分辨率、低杂散光、小型化的设计。     

高分辨率Czerny-Turner光谱仪光学系统设计

为了克服光栅光谱仪分辨率低、像差较大、体积大的缺点,根据光谱仪工作原理和几何光学像差理论,设计了一种光谱范围为350~450nm的Czerny-Turner光谱仪光学系统.计算了光学系统各光学元件的特征参量和系统结构参量.运用光学设计软件Zemax对系统进行光线追迹与优化设计,并对设计结果进行分析.理论和实验结果均表明,该系统在350~450nm光谱范围内分辨率小于0.1nm,系统体积约为105×105×20mm3,整个光学系统具有结构简单、体积小、分辨率高、稳定性好等优点.     

星载宽波段临边臭氧廓线探测仪光学设计

星载宽波段临边臭氧廓线探测仪是一种新型空间光学遥感器,根据宽波段、大动态范围、小型化的要求,提出了利用随波段衰减滤光片调节入射信号的强度,实现宽波段大动态范围临边成像光谱同时探测的新方法。采用离轴抛物面望远镜和离轴非球面光谱成像系统,设计了一个棱镜色散型宽波段临边臭氧廓线探测仪光学系统,工作波段290~1000 nm、视场1.4°×0.032°、焦距80 mm,相对孔径1/6。利用光学设计软件ZEMAX-EE进行了优化设计和性能评价,结果表明,成像点弥散斑半径的均方根值最大为6.2 mm,小于探测器像元尺寸的1/2,在290 nm处,光谱分辨率0.9 nm,在1000 nm处,光谱分辨率22 nm,均满足设计指标要求。临边臭氧廓线探测仪全系统不同波长的光学传递函数在特征频率7.4 lp/mm处大于0.82,设计结果满足成像质量要求,且具有体积小、质量轻的特点,适合空间遥感应用。     

高分辨率光纤光谱仪的设计及其在激光诱导击穿光谱中的应用

为解决激光诱导击穿光谱系统中光谱检测模块体积大、分辨率低的问题,设计了一种小体积、高分辨率的交叉型Czerny-Turner光纤光谱仪.计算了光学系统的结构参量和光学元件的特征参量.运用光学设计软件Zemax对光学系统进行分析与评价,结果表明该光谱仪在340~440nm光谱范围内分辨率优于0.1nm,系统体积约为200mm×180mm×60mm.此外,搭建了一套激光诱导击穿光谱实验系统,通过对重金属溶液的分析检测,获得良好的实验结果,整个系统分辨率高、体积小、成本低、结构简单、稳定性好.     

星载车尔尼-特纳型成像光谱仪像差校正的研究

为克服传统的车尔尼-特纳型光谱仪像差较大、空间分辨率低等缺点,提出了一种星载车尔尼-特纳型成像光谱仪像差校正方法.具体分析了像差校正的原理和方法,利用这种方法设计了视场角为2.3°,焦距为114.18 mm,F数为3.81,工作波段为540～850 nm星载车尔尼-特纳型成像光谱仪光学系统,运用光学设计软件Zemax对成像光谱仪总的光学系统进行光线追迹和优化,并对设计结果进行分析.结果表明,该系统的像差得到充分校正,全视场调制传递函数值在540～850 nm波段达0.58以上,完全满足设计指标要求,也证明了所提出的像差校正方法的可行性.     

基于LCTF的新型多光谱成像光学系统设计

设计了一种基于液晶可调谐滤光片（Liquid Crystal Tunable Filter,LCTF）的新型多光谱成像光学系统。该光学系统工作谱段为400~720nm,光谱分辨率为10nm,可对216mm×216mm幅面大小的物面成像清晰。根据多光谱成像系统的总体方案,对光学系统分析,确定各光学参数,设计结果表明,成像系统在空间频率91lp/mm处,各个波段处的轴上和轴外调制传递函数均大于0.3,全视场畸变低于0.1%,成像质量良好,可以满足多光谱成像的总体要求。     

带有实时温度补偿功能的微型光谱仪研制

解调飞机上变栅距光栅位移传感器的微型光谱仪在受到严重的高低温冲击后会出现温度漂移。针对航空领域中变栅距光栅位移传感器的解调系统研制了一种具有实时温度补偿功能的微型光纤光谱仪。为了实现实时温度补偿,分析了温度变化对微型光谱仪的影响,并对传统的交叉式Czerny-Turner光路进行了优化,用ZEMAX软件模拟得到：在相同的受热产生的变形条件下,优化的C-T光路光谱漂移量相比优化前的更小且整体漂移线性度更好。在此基础上提出了一种引入参考光来实现实时温度补偿的方法,并最终基于改进的C-T光路制作了一个体积为80 mm×70 mm×70 mm、工作波段在500～1 000 nm、积分时间为8 ms～1 000 ms、光学分辨率约为2 nm的微型光纤光谱仪,用实验验证了优化的C-T光路的光谱温度漂移情况及温度补偿方案的可行性。实验结果表明在近60 ℃范围内的温度冲击下,研制的微型光谱仪能够达到波长标准误差小于0.1 nm,波长最大误差小于传感器系统所要求的0.3 nm,满足初始的设计要求。该微型光谱仪的创新之处在于采用了优化的交叉式C-T光路作为色散系统且基于引入参考光的方法实现了实时温度补偿功能。     

基于线阵CCD的小型光谱仪光度特性研究

基于线阵电荷耦合器件（CCD）的小型光谱仪具有便于携带和快速探测的优点，故特别适于现场检测应用。介绍一种自行研制的小型光栅光谱仪，它采用Czerny-Turner式光学结构，并用线阵CCD作为探测器。该光谱仪光度特性的实验检测结果证明：实验样机的光度精密度优于±0.04Abs，光度准确度为±0.04Abs（0Abs～1Abs）。实验分析了光谱仪的杂散光、光度噪声和基线平直度等指标对仪器光度准确度的影响。最后针对小型光谱仪的特点提出改善其光度特性的措施。     

测色分光光度计的双光束分光系统设计

通常测色分光光度计均由两个独立且完全相同的分光系统组成,为实现测色分光光度计小型化、轻量化,提出一种双光束分光系统设计。将传统的分光系统进行改进,使一个分光系统实现双光束分光系统的功能,用两个小狭缝代替一个狭缝,即可实现两束光谱同时探测。分析了双光束分光系统的工作原理及设计要求,设计了一个用于便携式测色分光光度计的分光系统。设计的Czerny-Turner结构双光束分光系统采用超环面成像镜,可以较好的校正像散,防止两束光谱串扰,两束光谱在探测器上完全没有重叠,光谱分辨率小于10 nm,谱面长度9.12 mm,体积仅为57 mm×54 mm×23 mm,满足设计指标要求。通过与相同设计指标的单光束分光系统比较得出,采用双光束分光系统的改进型测色分光光度计比传统的测色分光光度计减少了一整套分光系统,从而使体积大幅缩小。该方法特别适用于便携式测色分光光度计,也可适用于其他双光束分光光度计。     

宽光谱Czerny-Turner光谱仪中的彗差与分辨率

小型光谱仪较多地采用Czerny-Turner(切尼—特纳)光路结构,其设计应遵循Shafer消彗差原理消除中心波长处的初级彗差并尽量平直整个谱面以提高分辨率。但常规设计并未考虑非中心波长处彗差和分辨率的变化情况。在对两种典型切尼—特纳光路结构进行初级彗差分析的基础上,指出交叉型光路结构宽光谱范围内的分辨率呈“V”形,而M型光路结构分辨率在全光谱范围内变化较小,近似呈“一”形,即后者宽光谱范围内的分辨率一致性远好于前者。针对于此,该文设计了光谱范围为400～600 nm的2种光路,并对其进行了理论计算和对比实验,实验结果表明,两者边缘波长处分辨率分别比中心波长处分辨率低3.7倍和1.2倍,与理论计算结果基本一致。     

交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统设计

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.     

Czerny-Turner imaging spectrometer for broadband spectral simultaneity

A modified asymmetrical Czerny-Turner arrangement with a fixed plane grating is proposed to correct aberrations over a broadband spectral range by analyzing the dependence of aberrations for different wavelengths. The principle of design is deduced in detail. We compare the performance of this modified Czerny-Turner imaging spectrometer with that of the existing Czerny-Turner arrangement by using a practical Czerny-Turner imaging spectrometer example. The excellent performance of the modified imaging spectrometer is confirmed by simulation with ZEMAX software.     

微型宽波段光谱仪光学系统设计

针对国内基于M型Czerny-Turner结构的宽波段微型光谱仪研究较少的情况,对微型宽波段光谱仪进行了设计,并提出了完整的设计流程。根据几何光学原理,分析了光学系统各个参数之间的约束关系,据此设计、计算得到了光学系统的基本参数,并使用Zemax进行仿真。为了提高仪器的紫外响应,在CCD的前端增加了Lumogen镀膜的滤光片。实际制做的光谱仪测量结果表明:光谱仪的分辨率在200 nm~1100 nm全波段范围内达到1.5 nm,中心分辨率达到1 nm,满足设计需求。     

交叉型消像散Czerny-Turner结构光谱仪设计

以相对孔径为1：8,工作波段为780～1014nm为初始光学参数,首次推导出交叉型Czerny-Turner（C-T）结构光谱仪的一阶消像散条件,搭建了交叉型消像散C-T结构和交叉型消彗差C-T结构。利用ZEMAX软件对两种初始结构进行了优化和比较。结果表明：交叉型消像散C-T结构具有更优越的光学性能,其均方根半径仅是消彗差C-T结构的12％～52％。消像散C-T结构不仅在沿狭缝方向上能量更为集中,利于设计大聚光能力的分光系统,而且在沿垂直于狭缝方向上点斑更小,具有更高的光谱分辨率。     

钢铁检测微型光谱仪的研制

针对国内光电直读型钢铁检测微型光谱仪研究的不足,提出基于Czerny-Turner结构的系统设计方法,讨论了优化方法及验证方法,并加工出了光谱仪。光谱仪采用三次多项式拟合标定波长,实测分辨率在436 nm~608 nm全谱段达0.225 nm、中心谱段达0.135 nm,基本满足钢铁检测要求。提出一种基于多帧判断的定性分析方法,7种待测元素检出限优于1.5%,通过建立拟合光谱数据库实现半定量分析,25种样品检测精度达2%,为钢铁牌号识别提供重要参考。     

基于DMD光谱可调的星模拟器光源光学系统设计

为满足在各种谱线分布下对星敏感器探测能力的高准确度标定,提出了一种基于数字微镜器件的光谱可调星模拟器光源光学系统设计方法,以解决星模拟器与星敏感器观星色温不匹配对星敏感器光信号定标准确度产生的问题.首先,根据设计指标选取Czerny-Turner型光学系统为光源光学系统,对Czerny-Turner型光学系统的彗差和象散进行分析,选取消彗差的Czerny-Turner结构;其次利用MATLAB程序求解Czerny-Turner型光学系统初始结构并应用ZEMAX对其进行优化;最后对光学系统进行公差分析.公差分析结果表明,在400~1 100nm的工作谱段范围内,光学系统的光谱分辨率小于2nm,设计结果满足要求,有效降低了光谱不匹配带来的定标误差.     

电离层遥感远紫外成像光谱仪光学系统设计

基于Czerny-Turner分光结构的成像光谱仪光学系统,介绍了一种用于电离层观测的远紫外成像光谱仪光学系统设计方法。分析了该结构的像差来源,提出了使用发散光照明光路的消像差方法,计算了像差校正条件。设计了工作在120～180nm波长范围内的远紫外成像光谱仪光学系统,视场角为6.0°×0.1°,焦距为121.8mm,F数为6.2。利用调制传递函数(MTF)和成像仿真分析的方法对该系统的主要性能参数进行了评价,验证了设计的成像光谱仪的光谱分辨力优于1.0nm,空间分辨力优于0.1°,完全满足电离层观测的应用要求。与同类设计相比,该系统不含非球面光学元件,加工装调简单且易于工程实现。