小型中阶梯光栅光谱仪交叉色散光学系统设计

摘要

从光谱学发展至今，光谱仪器被越来越多的应用到各种领域，而随着科学技术的不断发展，对光谱仪器的性能要求也越来越高，小型化、宽光谱，高分辨率与瞬态测量代表了光谱仪器的发展方向，光谱仪器中的光学系统设计是光谱仪器能否达到以上目标的决定性因素，本文设计了两种交叉色散光路，并对其光路进行了仿真，对它们的设计结果进行了对比分析。 本文完成的主要工作包括： 1.探讨了中阶梯光栅光谱仪器的原理和基本光路结构 中阶梯光栅具有大闪耀角，高分辨率，光谱级次重叠现象严重，全谱闪耀等特点，根据中阶梯光栅的这些特点，讨论了中阶梯光栅光谱仪器的基本光路结构。 2.设计了小型中阶梯光栅光谱仪器的交叉色散光路方案 根据中阶梯光栅光谱仪器的基本光路结构，对比了光栅及棱镜作为横向色散元件的优势，然后讨论了交叉色散的方式，设计出了以棱镜为横向色散元件的折叠式棱镜后色散交叉色散光路方案。 3.研究了折叠式棱镜后色散交叉色散光路的像差及其消除方法 根据方向导数求得了交叉色散光路的光程差，并根据求得的解析式与仿真值进行对比，验证了方向导数计算光程差分析像差的可行性，根据求得的解析式分别讨论了不同物象位置与不同的因素对像差的影响。 4.提出了利用超环面镜优化中阶梯光栅光谱仪光路的方法 由之前的章节分析可知像散是影响成像质量的最主要因素，探讨超环面镜面型的表达式并与交叉色散光路相结合，设计了基于超环面镜的交叉色散光路,减小了像散对光谱分辨率影响。经过仿真优化后，所设计的光路在波长230-900nm的范围内分辨率小于10pm，且光路尺寸小于400mm。 5.选择抛物面镜为准直和成像镜的交叉色散光路结构进行对比分析 利用ZEMAX完成了光路仿真，在同一光路尺寸下，设计了一种以抛物面镜为准直和成像镜的交叉色散光路。虽然设计结果也可以达到在波长230-900nm的范围内分辨率优于10pm的目标，但是超环面镜交叉色散光路具有消象散特性，分辨率提高明显，且成像质量优于抛物面镜的设计结果。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 光谱仪器概述

1.2 光栅光谱仪及光路结构

1.3 交叉色散光路的设计需求

1.4 本文的主要工作

第二章 中阶梯光栅的基本原理及光谱仪器色散方案研究

2.1 中阶梯光栅的特性

2.2 中阶梯光栅光谱仪的组成与光路结构

2.3 本章小结

第三章 折叠式棱镜后色散交叉色散光路的光程差及像差分析

3.1 交叉色散光路光程差研究的理论依据

3.2 各个元件的光程函数与光程差推导

3.3 交叉色散光路的光程差函数及像差分析

3.4 本章小结

第四章 基于超环面镜的交叉色散光路设计

4.1 设计方法介绍

4.2 主色散光路设计

4.3 折反棱镜设计

4.4 主辅色散光路结合

4.5 超环面成像镜设计

4.6 本章小结

第五章 基于抛物面镜的交叉色散光路设计

5.1 抛物面镜交叉色散光路设计

5.2 抛物面镜交叉色散光路优化结果

5.3 对比分析

5.4 杂散光分析和消除

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢