平面光栅摄谱仪改造为光电直读光谱仪

照相式的光栅摄谱仪常用电弧光源、相板照相、洗相及测黑度等进行发射光谱分析。我们用ICP光源、光电转换、精密机械传动、电子技术及计算机控制和数据处理等新技术,将摄谱仪改造升级为高性能ICP扫描直读光谱仪。此仪器适用于光谱定量分析、光谱分析研究和光谱教学。     

中阶梯光栅光谱仪的光学设计

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200～500nm波长处;为简化计算,在设计中消除了350nm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2000～15000,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。     

高分辨率阶梯光栅光谱仪的光学设计

简述阶梯光栅的基本原理和在天文学中的应用,分析并比较了阶梯光栅光谱仪与普通平面闪耀光栅光谱仪的区别。为正在研制中的一架国产4m通光口径的光谱巡天望远镜(简称LAMOST)设计了高分辨率阶梯光栅光谱仪的光学方案,该设计方案采用了白光孔径准直镜系统,大闪耀角的R4阶梯光栅和无遮拦的离轴折叠Schmidt照相机。     

低波数高分辨率微型光栅光谱仪的设计

为了满足光栅型光谱仪高分辨率、小型化以及宽谱段的需求,设计了一种基于Czerny-Turner（C-T）型光路结构的拉曼光谱仪。通过Zemax光学设计软件对聚焦镜、准直镜、柱面镜、CCD的倾角和间距进行了自动优化,并设置合理操作数来消除系统的球差和彗差,利用柱面镜来消除系统像散。所设计的拉曼光谱仪波段范围在80～ 3 200 cm^-1,运用了Zemax操作数平衡光谱仪分辨率、工作波段和体积三个重要指标。设计结果表明,该仪器在785 nm波长激发下,全波段光谱分辨率优于3 cm^-1,光学结构体积为70 mm×80 mm×25 mm。     

光栅-平面镜型可调式空间外差光谱仪

针对空间外差光谱技术测量光谱范围较窄(10nm左右),制约其应用范围的问题,提出了一种光栅-平面镜结构的可调式空间外差光谱仪系统。该系统将传统的双平面光栅式空间外差光谱仪中的一块光栅换成平面镜,让另一块光栅可旋转来组成可调式结构;通过旋转光栅切换测量波段,展宽其测量范围;对平面镜施加微小俯仰角以确保谱图还原的单值性;从而拓展了仪器的应用范围。搭建了原理样机并对其性能进行了实验验证。结果表明,设计的仪器的光谱范围达到了100nm左右,分辨率优于0.29nm。该仪器结构简单,光栅制作难度低,易于实现谱图还原。另外,通过增加光栅旋转切换次数和引入抑制杂光措施等手段,还可进一步展宽波段范围,提高系统光谱分辨率。     

机载宽视场大相对孔径成像光谱仪

根据宽视场大相对孔径成像光谱仪的应用要求和技术指标,采用离轴Schwarzschild望远成像系统和双Schwarzschild光谱成像系统匹配的结构型式,设计了一个视场为28°、相对孔径为1/2.5、工作波段为0.4~1μm的机载成像光谱仪光学系统;根据双Schwarzschild光谱成像系统的像散校正条件计算了初始结构参数。然后,利用光学设计软件ZEMAX-EE进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行了分析与评价。结果显示:光谱成像系统中心波长和边缘波长88%以上的能量集中在一个探测器像元内;谱线弯曲和谱带弯曲均小于像元的5%,便于光谱和辐射定标;成像光谱仪全系统在各个波长的光学传递函数均达到0.59以上,完全满足设计指标要求。该成像系统体积小、重量轻,非常适合航空遥感应用。     

太阳光栅光谱仪方案设计

简述了光谱仪的原理、阶梯光栅的基本原理和光栅光谱仪的特性参数。针对目前国内正在研制的光纤阵列太阳光学望远镜,提供了一种太阳光栅光谱仪结构的设计方案。根据太阳光栅光谱仪接收整个太阳光谱的要求,该方案采用了双狭缝设计。根据太阳光栅光谱仪尺寸大、分辨率高、色散大的特点,该设计方案采用了白瞳设计,并对结构中各个元件的选择进行简要阐述。光谱仪采用光纤接入,光栅工作在准Littrow角条件下,以获得高衍射效率,同时辅以棱镜增大横向色散,分开重叠的光谱级次。整个系统结构简单紧凑,可以有效地缩小光谱仪尺寸。     

基于数字微镜器件的中阶梯光栅光谱仪的光学系统设计

研究了一种基于数字微镜器件(DMD)具有新型光路结构的中阶梯光栅光谱仪,并采用新的谱图信息接收方式来降低其使用成本和数据处理过程的复杂程度。将具有单波长选通功能的DMD与一维探测器光电倍增管(PMT)相结合接收中阶梯光栅光谱仪的光谱信息,在降低仪器成本的同时将中阶梯光栅光谱仪谱图还原算法与DMD扫描驱动算法相整合,提高了算法效率。由于DMD的填充因子比CCD稍低,该类光谱仪对成像质量和能量集中度提出了更高的要求。本文根据DMD型中阶梯光栅光谱仪特点,在有限的可挑选的光学材料下,采用多重优化的方式合理设计了中阶梯光栅光谱仪准直镜、中阶梯光栅、棱镜、聚焦镜等各个光学元件的光路结构参数,并且在Czerny-Turner结构中加入校正透镜和场镜,校正了系统所有像差,提高了整个光学系统的成像质量和光谱分辨率。最终设计的光谱仪系统分辨率达0.01nm,单个微反射镜内的光斑能量聚集度达到70%。     

消谱线弯曲长波红外成像光谱仪设计

为了实现遥感目标的长波红外高光谱成像,有效消除平面光栅产生的谱线弯曲,设计了离轴透镜消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱仪。分别计算了平面光栅和离轴透镜产生的谱线弯曲,分析了谱线弯曲随相关参量的变化关系,并基于此设计了消谱线弯曲的初始结构。通过优化设计得到的光学系统的通光孔径为100mm,F数为2,光谱分辨率为20nm,空间分辨率为150μrad,冷光阑效率为100%,成像质量接近衍射极限,系统谱线弯曲由原有的180μm以上变为14.3μm以内。该项设计获得了具有普适性的消谱线弯曲公式,证明了离轴透镜具备校正谱线弯曲的特殊功能。最后的设计结果表明,在满足系统成像质量要求且不增加系统复杂度的前提下,采用离轴透镜的平面光栅光谱仪的系统谱线弯曲小于探测器像元尺寸的1/2,满足使用要求。     

高分辨率旋转光栅光谱仪的设计

针对光栅光谱仪中高分辨率与宽光谱难以同时满足的问题,设计了一款基于旋转光栅的Czerny-Turner（C-T型）光路结构的高分辨率宽光谱拉曼光谱仪,激发波长为532 nm,光谱范围为80～3000 $ {\mathrm{c}\mathrm{m}}^{-1} $,分辨率为1.2 $ {\mathrm{c}\mathrm{m}}^{-1} $。将光谱范围分为低（80～1450 $ {\mathrm{c}\mathrm{m}}^{-1} $）、中（855～2225 $ {\mathrm{c}\mathrm{m}}^{-1} $）、高（1630～3000 $ {\mathrm{c}\mathrm{m}}^{-1} $）3个波段,以优化中波段为主,对全波段进行了优化。通过微调光栅的旋转角度,确保低、中、高波段均位于CCD的有效像面上。该光谱仪成像系统的点列图、均方根图和调制传递函数图均符合设计要求。     

凸面光栅Offner结构成像光谱仪的傅里叶分析

用傅里叶光学对凸面光栅Offner结构成像光谱仪的光学系统进行了分析;给出了当探测器的接收面放在负一级光谱像平面上时的光强分布公式,建立了探测器接收面上的光强分布与地面目标的空间信息及光谱信息之间的一一对应关系。在此基础上可以对目标进行直接分析。     

改进的宽谱段车尔尼-特纳光谱成像系统设计

针对传统的车尔尼-特纳光谱仪像散较大的缺点,基于像差理论,提出了一种改进的车尔尼-特纳光谱成像系统.将平面光栅置于发散光中,利用平面光栅产生的像散来补偿物镜产生的像散.推导出了宽谱段像散同时校正条件,实现了宽谱段像散的同时校正.具体分析了像差校正的原理和方法,编制了初始结构快速计算程序.作为实例,设计了一个谱段为540～780 nm的宽谱段像散同时校正车尔尼-特纳光谱成像系统,利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光谱成像系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行了分析.结果表明,全视场调制传递函数在整个工作波段均达到0.52以上,实现了宽谱段像散的同时校正,并获得了良好的成像质量,满足了设计指标要求,结果也证实了所提出的改进方法是可行的.     

微型集成超光谱成像系统

基于Offner结构的凸面光栅成像光谱仪以其独特的优点,成为新一代航天遥感器上对地观测的重要手段之一。文中报导了一种便携式高集成度超光谱成像系统,它由两块普通玻璃胶合而成、尺寸小于30mm×30mm×30mm。优化设计超光谱成像光学系统的工作波段为可见光波段,相对孔径小于F/2.5,放大倍率1:1,满足物方和像方远心,具有成像质量高、光谱分辨率高、重量体积超轻小、稳定性好、加工容易、成本低等优点,适用于航天、生物医学等领域。     

凸面光栅成像光谱仪的研制与应用

考虑传统光栅成像光谱仪受光学畸变的限制难以同时实现大光学孔径和小型化要求,利用全息法设计并制作了凸面光栅,并以该凸面光栅作为核心元件研制了便携式成像光谱仪。该光谱仪以推扫方式进行目标扫描,获取成像光谱数据立方。仪器的光谱分辨率为2.4 nm,光谱谱线弯曲为0.1%,色畸变为0.6%,体积为209 mm×199 mm×110 mm。介绍了仪器的工作原理和结构设计,并进行了实验室检测和室外花卉实际光谱测量。测试结果表明:凸面光栅成像光谱仪的光谱分辨率为2.1 nm,光谱谱线弯曲为0.09%,色畸变为0.6%,均满足设计要求,实际花卉光谱测试亦取得了较为理想的结果。     

应用于电脑配色系统的凹面光栅光谱仪

介绍了一种应用于电脑配色系统的小型光谱仪。它根据分光测色的原理,使用 型凹面光栅作为其分光器件,石英光纤做测色探头,线阵CCD为探测器。详细介绍了实验仪器的硬件及软件系统,给出了波长标定方法,并进一步探讨了影响仪器准确性和重复性的因素以及解决办法。     

低成本光谱仪的研制

为了满足高校教学和人才培养的需求,便于系统的小型化、低成本,设计了低成本光谱仪的光学系统和机械结构,制作了低成本的光谱仪实物并完成了对仪器的性能测试。该光谱仪的工作波长为400~800nm,分辨率为20nm,仪器尺寸为200mm×120mm×80mm,成本控制在2 000元以内。通过对仪器的测试,获得了六个光谱特征峰,验证了低成本光谱仪系统光学设计的可行性和合理性。