施仁杰1，张〓敏2，李东波1
                                     (1.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京〓210094）
                                 （2.南京波思途智能科技股份有限公司，江苏 南京〓211100)
摘要：针对宽波段Czerny-Turner结构像散校正存在的问题，分析了影响光学系统像散校正的主要因素。以工作波段为200～1 000 nm、全波段分辨率不低于2 nm为初始光学参数，推导出交叉型Czerny-Turner结构光谱仪的一阶消像散条件，并结合零阶和一阶消像散条件以及消慧差条件搭建了Czerny-Turner结构。最后利用 ZEMAX 软件对初始结构进行了进一步仿真和优化，并设计出一个简易的外壳对该结构的可靠性进行了测试。
关键词：宽波段；光谱仪；Czerny-Turner结构；消像散；仿真与优化
中图分类号：TH744〓文献标识码：A〓文章编号：2095-509X(2019)09-0014-05

  光谱仪是利用光的色散原理将复杂光线分解成光谱线的科学仪器，被广泛应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等领域的检测中。传统光谱仪体积大、成本高，使用的局限性较大。而光纤光谱仪和传统光谱仪相比虽然精度较低，但具有体积小、速度快、结构简单、成本较低等优点，因此在众多领域被广泛使用。Czerny-Turner结构（简称C-T结构）是目前光纤光谱仪最常采用的结构，其仅由2块球面反射镜和1块平面光栅组成，具有结构简单、成本低廉等特点。随着C-T结构的普遍应用，人们在传统 C-T 结构的光学系统基础上，做了很多方面的改进。Czerny、Turner和Shafer等对C-T结构提出了消慧差和消球差理论，可以有效消除慧差和球差对光谱仪的影响；M. W. McDowell提出了发散照明条件，即通过光栅的像散来补偿球面镜带来的像散，这就是零阶消像散条件；D. R. Austin提出了宽光谱波段的消像散，即一阶消像散条件。这些理论无需添加额外的光学元件，只需要通过结构调整就可以减小各种像差的影响。本文结合消慧差条件和消像散条件，通过消除单一方法的局限性，进一步降低了像差对光谱仪分辨率的影响。

1〓初始结构计算
本文以工作波段为200～1 000 nm的光谱仪为例，根据消慧差公式算出准直镜入射角θ1和聚焦镜入射角θ2的关系，根据零阶消像散条件解出狭缝到准直镜的距离LSC和聚焦镜到探测器的距离LFD，根据一阶消像散条件计算出光栅到聚焦镜的距离LGF和探测器的偏角θD。

1.1〓光学元件的选型
根据波长范围以及精度要求，确定使用的CCD（charge coupled device，电荷耦合器件）型号为TCD1304DG(8Z,AW)，像素数为3 648，像素尺寸为8 μm×200 μm，有效长度l=29.2 mm。
分辨率和准直镜焦距以及狭缝宽度的关系为：

δλ=(acosαnf1SX)(1)

式中：δλ为分辨率，由于分辨率要求为不低于2 nm，考虑到杂散光和结构的加工误差，计算初始结构时需要预留20%左右的余量，所以分辨率取1.5 nm；a为狭缝宽度，这里暂定为20 μm；α是光栅入射角，由于入射角一般较小，因此cosα近似取1；n为光栅线数，根据波长范围只能选用300线光栅，所以n=0.3；f1为准直镜焦距。计算得f1=44.4 mm，所以准直镜焦距取45 mm。
聚焦镜焦距和波长范围以及光栅线数的关系如下：

f2=(lcosβcosφn(λ2-λ1)〖SX)
(2)


作者简介：施仁杰（1995—），男，硕士研究生，主要研究方向为工业工程，849235643@qq.com.
通讯作者：李东波，db_calla@yahoo.com.cn.

文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289）

更多关注，请扫码