第32卷，第12期 2012年12月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol.32,No.12,pp3406-3410
December, 2012
轻小型中阶梯光栅光谱仪光学设计及性能分析宁春丽1.2，齐向东1，陈少杰1，2，巴音贺希格1，崔继承1,2
1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033 2.中国科学院研究生院，北京100049
摘要中阶梯光栅光谱仪采用中阶梯光栅与棱镜交叉色散结构，在像面形成二维光谱。影响中阶梯光栅光谱仪分辨率因素较多。分析了针孔直径、光栅参数、棱镜参数、CCD像素尺寸和像差对系统分辨率的影响，得到针孔、光棚、CCD是影响系统分辨率的主要因素，并推导三者在确定系统实际分辨率时相互制约的关系，从面设计一种高分辨率轻小型中阶梯光栅光谱仪。结果表明，轻小型中阶梯光栅光谱仪像差得到充分校正，分辨率达到设计要求。通过对拍摄的汞灯谱图进行还原与标定，实际分辨率为0.038nm，达到目标值(0.05@200nm)的要求。而普通的光栅光谱仪要达到这样的分辨率，其焦距是500mm左右，充分体现轻小型的优势。
关键词中阶梯光栅；光学设计，光谱分辨率，CCD；校镜
中图分类号：TH744.1
引言
文献标识码：A
DOI: 10. 3964/j. issn. 10000593(2012)12-3406-05
导等离子体原子发射光谱仪、电感耦合等离子体原子发射光谱仪等(1-)。
仪器的分辨率、光谱响应范围以及响应灵敏度等参数决
中阶梯光栅光谱仪是一种高分辨率光谱仪器，由中阶梯光栅和校镜组成交叉色散结构，在像面上形成二维光谱，采用面阵CCD接收。它克服了传统扫描式光栅光谱仅获得谱图过程繁琐、测试时间长的缺点，具有动态范围大、无移动部件、结构紧、可实现多元素光谱的瞬态直读测量以及背景校正、波长自动标定等多种功能。作为一种通用光谱仪器，20世纪70年代中阶梯光栅光谐仪开始在天文领域率先得到应用，德国的”VenusExpress"字宙飞船、日本的先进地球探测卫星ADEO-2上，均搭载中阶梯光栅光谱仪进行大气中微量物质的探测。近年来，它已从最初的天文观测逐新是向民用领域，在生命科学、环境保护、石油化工、钢铁冶金、食品卫生、商品检验等多个领域都有广泛的应用。目前，国内外热表于中阶梯光栅光谱仅仪的研制，主要着眼于其高分辨率的特性，但与此同时也带来了体积大、不易携带等的缺点。因此，随着现代科学技术的不断进步，尤其是二维阵列探测器技术的发展，使得小型化、轻量化、便携式和高分辨率逐渐成为光谱仪器的发展方向之一。小型中阶梯光栅光谱仪显示了它独特的优越性，不仅囊括中阶梯光栅光谱仪的所有优点，而且还具有现场应用价值以及二次并发性能。此外，还可以利用它进一步制造其他分析仪器，例如：激光诱
收稿日期：2012-04-25，修订日期：2012-07-15
定了光谱仅的性能，分辨率是光栅光谱仅最重要的性能参数之一。影响中阶梯光概光谱仪光谱分辨率的因素主要包括系统有效焦距、针孔直径、光概及校镜分辨率、CCD探测器的分辨率、镜子面型、系统像差等。其中，有效焦距根据系统要求是固定不可调的，而其他参数则可以根据实际情况予以设定或调整。
1工作原理及影响光谱分辨率的因素 1.1工作原理
轻小型中阶梯光栅光谱仪的光学系统结构如图1所示，它由针孔、准直镜、中阶梯光栅、反射校镜、聚焦镜、柱面镜和面阵CCD组成，光学系统采用Czermey-Turner(C-T)结构形式[4.5]。与传统的光栅光谱仪光学结构相比中阶梯光栅光谱仪采用了交叉色散形式，即在主色散元件中阶梯光栅分光的基础上又配以辅助色元件棱镜进行横向色散，解决由于中阶梯光栅使用高级次而造成的衔射级次彼此重叠的间题；采用面阵CCD接收交叉色散后形成的二维光谱，再将二维光谱还原为一维光谱信息，可以实现波长的精确标定，大大的提高了系统的光谱分辨率(-8。
基金项目：国家自然科学基金项目(61108032)，国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQ120023)资助
作者简介：宁春丽，女，1987年生，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所硕士研究生万方数据
e-mail; ningchunli, hi@163, com