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Vol.36SpectralAnalysisJanuary, 2016 开发小型高光谱分辨率光栅单色器。 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春，吉林130033。中国科学院大学，北京100049 单色仪是成像光谱仪光谱连续标定的必备设备。 为了对高光谱成像光谱仪进行连续光谱校准，设计了一种轻型、小型、高光谱分辨率的光栅单色器。 采用水平Czerny-Turner光路结构，从高光谱分辨率出发，通过推导和计算，从光栅选择、焦距计算、狭缝尺寸确定等方面详细论述了光栅单色器的设计思路。 讨论了重要和必要的结构参数，并讨论了这些结构参数对仪器光谱分辨率和体积的影响。 根据光栅单色仪的光路特点，对入射狭缝组件、准直物镜组件、成像物镜组件、扫描结构、机体等进行了轻量化和小型化的机械结构设计，结构参数和仪器输出给出了正弦杆扫描机构波长与波长扫描精度的数学关系，完成了仪器的整体结构设计和调整。 利用汞灯的可见光光谱进行波长标定，采用最小二乘法得到标定曲线，提出将步数极限误差与标定曲线相结合的方法，得到波长重复性和波长精度这个仪器; 在波长范围内，光谱分辨率优于0.1nm，波长重复性达到0.096nm，波长精度达到0.096。 关键词光栅单色仪； 高光谱分辨率； 光学设计； 正弦机制； 波长校准图分类号：TH744.1 文献识别码DOI：10.3964/j.issn.1000-0593(2016)01-0273-06 收稿日期：2014-07-25 修订日期：2014-12-06 基金项目: 国家自然科学基金（61108032），江苏省自然科学基金（BK2012188），国家重大科学仪器设备开发专项（2011YQ120023）和吉林省科技发展计划项目（20126012） 作者简介光纤光谱仪 单色光源，出生1987年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生邮箱：175367864@qq.com，是获取目标图像信息和光谱信息的必备设备，也是科学研究的基础设备许多领域的研究，如航天遥感、用于矿物勘探的地质成像光谱仪、军事侦察、环境监测和医学研究都必须进行校准 使用前。

由于单色器可以提供连续、高稳定性、高精度和高光谱分辨率的准单色光，因此对单色器进行研究是十分必要的。 成像光谱仪进行光谱校准时，通常要求单色仪输出的准单色光的光谱带宽小于成像光谱仪光谱带宽的1/10，即单色仪的光谱性能高于成像光谱仪。 目前，关于单色仪的文献[8-10]大多只讨论了仪器的某项指标，没有综合考虑影响仪器性能指标的参数之间的相关性。 为开展自主研发的棱镜-光栅成像光谱仪的光谱定标，提出了一种高性能、小型、轻量化的光栅单色仪的详细设计思路。 主要有三个方面的研究：一是从高光谱分辨率出发，通过理论计算确定仪器的重要必要参数，完成仪器的光学设计； 其次，从工程实现的角度，通过优化扫描结构和倾斜扫描机构，采用分层设计的方法，保证高光谱分辨率。 同时实现了单色仪的小型化设计； 第三步，完成光栅单色仪的安装调试和光谱校准，使仪器达到技术指标。 光学设计 1.1 工作原理及主要技术指标 高光谱分辨单色仪的总体结构如图1所示。多色光信号通过光纤跳线传输到仪器的入射狭缝S1，形成点发散光束。 发散光束经装有滤光片的光阑滤光后，经平面反射镜1折射光路，入射到球面准直物镜。 经M1反射镜M1反射的平行光束被色散分束，色散后的平行光束照射在球面成像物镜M2上会聚。 出射狭缝S2输出不同波长的光，探测器将准单色光转换成数字信号，并将数据传送给计算机，得到相应的光谱信息。

图 1 单色仪示意图 根据成像光谱仪光谱标定的实际需要，自主研制的高光谱分辨率光栅单色仪的主要技术指标如表 1 所示。系统主要结构参数 1.2.1 光栅线密度计算 目前，平面光栅在要求的波长范围内具有较高的衍射效率。 为保证光栅单色仪的能量传输效率，选用平面光栅作为核心色散元件。 图2显示了光栅的微观截面结构。 图2Structuregrating光栅往往通过控制小镜的零级衍射宽度来实现光强定向分布，即零级最大值到第一个最小值的角距离由公式[11]sin2确定， λ 是波长，a 是缺口面宽。 可见，对于一定的波长，只有降低a才能使光能分布在更宽的800nm波长范围内。 另外，平面光栅的线色散率dl为光的衍射角，σ为像面与主光线垂直的平面角。 等式（3）表明线性色散率与光栅密度成正比。 为了使两条谱线相距较远，选择线密度高的光栅是较好的选择。 考虑式（2）查阅光栅产品规格表，选择光栅的刻槽密度为 1.2.2 光栅闪耀波长的计算 一般认为相对衍射效率大于0.4的波长范围能满足使用要求。 对于要选用的闪耀光栅，这个波长范围可以通过下面的经验公式[10,12]得到540nm，则有用波长范围为：360nm-080nm，覆盖了仪器的工作波段。

1.2.3 自由光谱区的计算 自由光谱区σλ为光谱非重叠区，由下式[11]确定。 λmax 是自由光谱区的最大波长，λmin 是自由光谱区的最小波。 对于工作波段内的短波（小于400nm的光波），为保证输出波长的纯度，要求光栅单色仪在工作波段内输出波长内的谱线无重叠，因此a入射狭缝后装有阻带极限为400nm的高通滤波器。 光片消除了短波高阶子光谱线。 1.2.4 物镜焦距的计算 根据公式（3），为了使两条谱线相距较远，通常优选增大成像物镜的焦距，但这是不利于光栅单色器的小型化。 优化计算。 取dl0.1nm简化计算，使cos333.33mm300mm。 成像物镜采用球面反射镜，其曲率半径为：r2600mm1.2.5 光栅尺寸计算光栅能分辨的最小波长差，由下式[13]确定0.1nm800nm，得到000的几何宽度光栅子午线截面为6.67mm。 光栅的大小是影响仪器输出光强的重要因素。 为保证单色仪有足够的分辨率和光能传输效率，同时考虑到仪器的小型化设计，选用50mm。 系统采用对称的车尔尼-特纳光路结构 1.2.6 狭缝宽度计算系统像差可以通过计算优化和减少光学设计，并可以通过调整减少散焦量。

从入射狭缝和出射狭缝的光谱学和光谱分析 36λ 是出射狭缝隔开的光谱带宽，a1 是入射狭缝的宽度，a2 是光栅在子午面的角放大倍数。 可以看出狭缝宽度越窄0.1nm，计算出来的。 当简化计算时，γ被放大。 1.2.7 光栅旋转角公式的推导 在单色器中，入射光在光栅面上与输出的衍射光的夹角为定值，使其等于2θ，如图3所示。通过旋转光栅，不同波长的准单色光在出射狭缝处输出。 图3 光栅衍射原理图 假设位置1为光栅的初始位置（零级光谱位置），入射角等于出射角。 将光栅的旋转角度由式(9)代入光栅方程并进行三角变换，推导出光栅相对于初始位置的旋转角度与对应输出波长的关系为2cosθ(10)综上所述，经计算，单色仪所需参数如下工作波段：400-800nm； 光谱分辨率：0.1 nm； 光栅参数：540nm，50mm 50mm 10mm； 准直物镜焦距：300 mm； 成像物镜焦距：300mm 出射狭缝宽度：20； 狭缝宽度：20 1.3 光学模拟设计 光学软件用于模拟单色器的设计。 单色仪采用对称的Czerny-Turner光路结构，选择边缘波长和中心波长800、600和400 nm作为参考波长。 选取物平面上的五个点（0 , (1.5mm , 10 , (1.5mm 1.5mm , 10 1.5mm m)）作为参考点，考察光学系统在出射狭缝处的成像；光路，校正系统像差以满足技术指标，光学结构如图所示。

初始光路在长度方向上很长，在宽度方向上只有 136 mm。 考虑到准直物镜架、成像物镜架、光栅转盘等部件的体积，在光路结构中增加了两个平面镜来实现光路的转向。 仪器的宽度被加大以减少长度，这种光路结构也能有效减少仪器的杂散光。 图 4 仿真光学系统 光栅单色器只对光谱分辨率有要求，矢向像差对光栅单色器的光谱分辨率没有影响光纤光谱仪 单色光源，因此只严格校正系统的子午像差。 出射光束与入射光束在光栅表面的夹角为2θ=18。 系统光点图如图5所示。在400-800nm范围内，发射光谱可以相隔0.1nm。 光线追迹得到的入射狭缝在出射狭缝处的像大小如表2所示。 图5 光学系统光斑图表realray trace Wavelength /nmImage width Imageheight /mm 800 77600 77400 77 根据光学设计结果，结合式（10）可得，当光栅单色器输出波长为400nm时，光栅需要旋转角度r400，同理，r800。

当光栅单色仪的输出波长从400nm扫描到800nm时，光学软件模拟验证，当光栅旋转相应角度时，输出狭缝输出相应波长的光谱。 机械设计 光栅单色仪的机械结构设计是利用特定零件的结构组，使仪器经济合理地实现总体设计提出的原理方案和操作要求，同时保证仪器的光学性能。 光栅单色仪的机械结构设计以机身部件底面为定位基准面，保证各光学元件中心高相等，各光学元件空间定位准确。 通过合理的空间布局和各部件的小型化设计，实现仪器的整体小型化。 2.1 入射狭缝组件设计 入射狭缝组件由玻璃狭缝和支架组成。 为保证入射狭缝均匀、无毛刺、无缺口，狭缝采用光刻铬板制成，用于光谱和光谱分析的狭缝宽度为20mm。 光信号通过光纤跳线导入单色仪，有利于仪器的小型化设计。 光纤的纤芯直径为1000 Å，数值孔径NA为0.37，大于仪器的数值孔径。 在入射狭缝后面增加了一个限制光束孔径的光阑，以减少仪器内部的杂散光。 2.2 准直物镜组件设计 准直物镜组件由球面镜和支架组成。 为降低结构复杂度，便于小型化设计，反射器通过粘合剂与支架粘合。 球面反射器由K9玻璃制成，最大径向尺寸与反射器最小厚度之比应小于6。层的收缩不会引起光学表面的畸变。

为获得最大的结合强度，应控制结合层的厚度和面积，结合层薄的比厚的结合强度大，最小结合面积Smin由下式确定[14] Smin为光学部分的重量，aG 最坏条件下的加速度系数kg，aG 22MPa，计算为： Smin 64.5mm 2.3 扫描机构设计 光栅单色仪通过旋转光栅实现不同波长的输出，精度光栅旋转角度直接影响仪器输出波长的精度。 因此，旋转机构的设计非常关键。 该正弦杆扫描机构结构简单，易于提高扫描精度，重复性好，制造和调整方便。 它是一个滚动的圆柱面，导向槽的工作面是一条直线[15]。 光栅转盘与底座采用轴承连接，光栅运转速度较慢，因此转盘与轴承采用比较严格的间隙配合，轴向预紧力由隔圈和挡板给予固定轴承。 光栅线与基板侧面的垂直度可能存在偏差，因此光栅底座的设计应考虑间距调整和滚动调整。 图6 正弦机构示意图 根据公式（10）和图6，输出波长与旋转角度的关系为dcosθ，计算为646.15nm。 将式(12)微分得(13) 丝杆由步进电机转动，步进电机最小步距角为1.8，丝杆的螺纹导程为0.5mm，步进电机的细分为nx dh dh 0.5360 1.8 nx 0.000625 mm (14) 组合式(12) 由式(14)可知，输出波长与步进电机步数成线性关系，波长扫描精度与杠杆长度，但杠杆长度的增加也增加了扫描机构的体积，因此，需要优化杠杆的长度。

要求波长扫描时每个光谱带宽至少采集61.73mm、61.73mm、26.66nm、25nm、65.85nm，即丝母每移动1mm，出口狭缝处的光谱扫描25nm . 在扫描机构的总体布局中，丝杆、联轴节和步进电机的长度之和大于仪器的宽度。 扫描机构在保证光栅单色仪光学性能的前提下斜置在箱体内，实现了仪器的小型化设计。 2.4 机身部件设计 仪器机身设计时，采用双层结构设计，最大限度地减小了仪器的体积。 在保持长宽不变的情况下，扩展高度方向的机械布局，上层为分光系统，下层为电子元器件的布置，主要包括电源和控制器系统。 图7为单色仪的立体结构，整体体积为383×129mm×63.85mm。 步进电机的细分数nx由式(12)和式(13)得到，步进电机单步扫描波长为0.016。 , 并重复多次实验, 汞灯各谱线强度峰值处电机步数的平均值如表3所示. 步数与波长的数学关系由最小二乘法拟合获得线性、二次、三次和四次拟合多项式的方法。 经计算验证，三次拟合多项式的拟合波长偏差最小，如表4所示，最大波长偏差仅为0.031 nm，故选用三次拟合多项式作为步数的标定函数和波长，如等式（16）所示。

1013 3.88709 0.018318 6n 359.927 (16) 光谱与光谱分析 No.36 1013 7.77418 0.018318 6) dn (17) 当列出步数时，步进电机可以单步扫描波长分别为：0.016 , 0.016 , 0.016 , 0.016，0.016 nm，与理论值一致。整个工作波段范围范围，步进电机扫描０ ０ ０ １ nm stepnumber steppermotor不同波长spect ral order Order rol订单波长／ nm nm nm （单位：nm） 标准线拟合波长 波长误差 ４３５ ８３４３５ 07546 002576 96576 07579 029871 66871 对每个波长设置的电机步数数据进行数据处理，得到每个标准光谱处的步数标准差为： 0.98 , 1.87 , 1.94 , 1 .83 和 0.98，置信系数，步数的最大极限误差为δmax 图8波长5.82的拟合曲线示意图。

将校准函数和多组步长-波长实验数据绘制在图上，将校准函数曲线分别沿n轴左右平移。 可以看出所有数据点都落在两条曲线之间，水平平移步长为nm； 垂直最大波长差即波长精度光谱分辨率δλ，通常表示为各波长光谱响应函数的全波半峰宽。 如图9所示为546.07nm处的扫描高斯拟合光谱响应函数，光谱分辨率为0.096。 在波段范围内，波长重复性达到0.096 nm，波长精确到nm，光谱分辨率优于0.1 nm。 色度计的光机设计。 对光栅单色仪的光谱校准数据进行分析处理，确定单色仪的波长重复性可达nm，波长精度可达nm，光谱分辨率可达0.1nm。 该设计方法的意义在于：（1）从实际需要出发，以高光谱分辨率为出发点，从理论上计算光栅单色器的基本参数，为光栅单色器的设计提供理论依据； (2) 从工程角度，通过增加折叠镜，采用双层结构，合理布置单色仪内部空间，在保证单色仪高光谱分辨率的同时，实现了仪器的小型化； (3)通过光栅单色仪进行光谱标定和数据分析，确认仪器满足要求的技术指标，证明设计方法是可靠的，也可为开发提供参考和借鉴其他光栅光谱仪。

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