基于緊湊結(jié)構(gòu)的Czerny-Turner光譜儀的程序化設(shè)計(jì)方法

龍亞雪 王賢俊 鄭海燕 郭漢明 胡金兵

摘要：在滿足光譜性能的同時(shí)，能最大化減小czemy-Tumer（cT）光譜儀光學(xué)系統(tǒng)尺寸，并防止入射光線與衍射光線發(fā)生干涉，創(chuàng)建了完整的結(jié)構(gòu)參量選定體系。提出了光柵方程的變式，確定了防止入射光線與衍射光線發(fā)生干涉的約束條件，建立了光路結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，確定了各個(gè)結(jié)構(gòu)參量的計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上將參量的確定過(guò)程編程簡(jiǎn)化，輸入系統(tǒng)的分辨率、波長(zhǎng)范圍、數(shù)值孔徑值和元件之間最小距離，即可直接得到光路結(jié)構(gòu)的所有設(shè)計(jì)參量，實(shí)現(xiàn)了快速通用的cT光譜儀的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證得到光譜范圍780～1020nm、分辨率0.4nm、體積54mmx56mm×30mm的光譜系統(tǒng)，可為其他設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：光學(xué)設(shè)計(jì);光譜儀;czemy-Turner結(jié)構(gòu);緊湊;防干涉

中圖分類號(hào)：TN202 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引言

czemy-Tumer（cT）光譜儀由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于機(jī)械裝調(diào)，能避免二次或多次衍射帶來(lái)的雜光問(wèn)題，目前被普遍用于高分辨率微小型光譜儀與微弱光譜探測(cè)中。其中，M型結(jié)構(gòu)在光譜范圍內(nèi)的彗差和分辨率穩(wěn)定性相對(duì)交叉型結(jié)構(gòu)更好，為更多設(shè)計(jì)者所采用。體積、光譜范圍和分辨率作為衡量?jī)x器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的3個(gè)指標(biāo)，往往又相互約束和限制。為使設(shè)計(jì)結(jié)果整體較優(yōu)，可在滿足分辨率和光譜范圍的條件下，盡量使儀器光學(xué)結(jié)構(gòu)緊湊，從而大幅度減小儀器的體積。對(duì)于結(jié)構(gòu)緊湊的M型cT光譜儀，分辨率受結(jié)構(gòu)約束尤其明顯。一方面，機(jī)械裝調(diào)的方便要求元件間距大于一定值;另一方面，分辨率的提高往往又要求縮小部分元件間距。同時(shí)，由于光學(xué)元件傾角在緊湊結(jié)構(gòu)中更受限制，光柵部分的入射光線與衍射光線易發(fā)生干涉，對(duì)于寬光譜系統(tǒng)尤其如此。對(duì)上述問(wèn)題，目前尚無(wú)統(tǒng)一解決方法。一般的設(shè)計(jì)，是在一定的理論基礎(chǔ)上，基于經(jīng)驗(yàn)對(duì)部分結(jié)構(gòu)參數(shù)采用不同程度的近似以得到可行結(jié)果，如通過(guò)參考典型結(jié)構(gòu)，對(duì)焦長(zhǎng)、準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡的離軸傾角、入射光線與衍射光線的夾角等參數(shù)近似取值，或先用不同刻線密度的光柵設(shè)計(jì)多個(gè)可能的結(jié)構(gòu)，再選取其中體積較小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。其中光學(xué)結(jié)構(gòu)參量的確定多基于對(duì)中心波長(zhǎng)的計(jì)算而未考慮邊緣光線的影響，部分設(shè)計(jì)考慮到譜段范圍，為限定元件位置和傾角，避免光線之間發(fā)生不符合光路要求的干涉，對(duì)具體光路建立了平面坐標(biāo)系。

針對(duì)上述設(shè)計(jì)難點(diǎn)，本文提出了光柵方程的變式，基于變式確定了光柵常數(shù)、入射光線與光柵平面的夾角和波段范圍之間的約束關(guān)系，防止邊緣波段的入射光線與衍射光線發(fā)生干涉。在此基礎(chǔ)上，建立了緊湊光路結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，按照分辨率和機(jī)械裝調(diào)要求及消彗差條件，對(duì)各個(gè)光學(xué)元件的傾角和位置進(jìn)行了分析，得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值方法，并利用計(jì)算機(jī)程序?qū)⒎椒ň幊探ǔ赏暾慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)選定體系，輸入設(shè)計(jì)條件即可直接得到滿足要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了方法的程序化。將該方法應(yīng)用于設(shè)計(jì)實(shí)例，通過(guò)zemax仿真得到滿足要求且整體性能較優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。

1結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析確定與參數(shù)選定系統(tǒng)

1.1防干涉條件

cT結(jié)構(gòu)以平面光柵作為色散元件，用兩面凹面反射鏡實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直和聚焦，見(jiàn)圖1（a）。在光譜范圍較寬及結(jié)構(gòu)緊湊的光學(xué)系統(tǒng)中，光柵部分的入射光線和衍射光線極易發(fā)生干涉。為了解決這一問(wèn)題，在符合光柵方程原理的基礎(chǔ)上，提出了方程的變式。光柵方程可表示為

此時(shí)聚焦鏡要接收波長(zhǎng)為λ1到λ2之間的衍射光線，將與入射光發(fā)生干涉。為判定衍射光線相對(duì)于入射光線的位置，確定防干涉的具體條件，本文提出了光柵方程的變式

1.2結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

3結(jié)論

提出了在滿足分辨率和波長(zhǎng)范圍要求的條件下體積最小的CT光譜儀的快速設(shè)計(jì)方法。提出了光柵方程的變式及基于變式的防干涉條件，使設(shè)計(jì)的光路結(jié)構(gòu)滿足預(yù)定的波長(zhǎng)范圍，可為解決寬光譜系統(tǒng)中入射光線和衍射光線的干涉問(wèn)題提供借鑒。在結(jié)構(gòu)緊湊的前提下，對(duì)部分元件的關(guān)鍵位置作出合理限定，建立了數(shù)學(xué)模型。根據(jù)分辨率、波長(zhǎng)范圍、數(shù)值孔徑值、元件最小間距4個(gè)基本設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合防干涉條件和消彗差要求，確定了各個(gè)元件的物理參數(shù)和位置參數(shù)，得到完整的既能滿足具體設(shè)計(jì)要求，又適用于不同設(shè)計(jì)指標(biāo)的CT光譜儀的結(jié)構(gòu)參數(shù)的選定方法。在此基礎(chǔ)上，依照該方法的原理編程建立了結(jié)構(gòu)參數(shù)選定系統(tǒng)，將基本設(shè)計(jì)條件輸入即得到設(shè)計(jì)所需的所有結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了程序化，使方法具有陜速、通用的特點(diǎn)，可為專家系統(tǒng)的建立提供參考。并給出設(shè)計(jì)實(shí)例，輸出結(jié)果經(jīng)簡(jiǎn)單的兩步優(yōu)化，得到滿足設(shè)計(jì)條件、整體眭能優(yōu)于一般設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)，驗(yàn)證了方法的優(yōu)越性。