S 2013年5月
与光谱分析
光谱学
Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol. 33,No. 5,ppl433-1437
May,2013
基于超环面均匀线距光栅的成像光谱仪优化设计研究
薛庆生，王淑荣
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033
摘要根据凹面光栅的儿何像差理论，提出了一种基于超环面均勾线距光概的成像光谱仪优化设计方法，该方法利用遗传算法和光学设计软件ZEMAX两次优化来获得最优的光学结构参数。以设计一个远紫外成像光谱仪为实例，工作波段110～180nm，狭缝尺寸50μmX5mm，数值孔径0.1，利用ZEMAX软件对设计结果进行了分析和评价，结果表明，不同波长的光学传速函数在奈奎斯特频率101P/mm处均大于0.7，点列图半径的均方根值小于14um，在工作波段内获得了良好的成像质量，满足空间分辨率0.5mrad，光谱分辨率0.6nm的设计要求，也证明了该优化设计方法是可行的，可在其他波段推广应用，对光栅色型成像光谱仪的设计具有指导意义。
关键词成像光谱仪；光学设计；超环面均匀线距光概；遗传算法；ZEMAX
中图分类号：TH744.1
引言
文献标识码：A
DOI: 10. 3964/j. issn. 1000-0593(2013)05-1433-05
的曲率半径，此种光栅在超环面上通过机械刻划的方法容易实现[]，超环面均勾线距光栅成像光谱仪的设计复杂，单纯的利I商用光学设计软件ZEMAX或CODEV等优化，收敛
随着现代光谱技术的高速发展和应用，光栅色散型光谱仅在现代工业、农业和空间遥感方面正在得到越来越广泛的应用[1-3]，与梭镜色散光谱仪相比，具有色散均匀、光谱分辨率高的特点。目前，光栅色散型光谱仪大多使用的是基于平面光栅的Czemy--Tumer光谱仪[4.5]，它由3～4个光学元件组成。在远紫外大气遥感[6]等弱信号探测领域，由于信号非常弱，要求光谱仪光学系统具有较高传输效率。叫面光概自身同时具有色散和聚焦能力，单块凹面光栅就可构成凹面光栅光谱仪，光学元件少，因此能量传输效率高。在远紫外波段，凹面光栅光谱仪可以比Czerny-Turner光谱仪的能量利用率提高5倍左右。但普通的凹面光栅的基底为球面，光栅的线距均勾，也称为球面均匀线距光栅")，由于光线的离轴入射，球面光栅的成像质量差，在狭缝长度方向上存在很大的像散，只能用在不要求空间分辨率的单色仪*)和采用线阵探测器的多通道分析仪(中，不能满足成像光谱仪的空间分辨率要求。
成像光谱仪与单色仪相比，不但要求较高的光谱分辨率，还要求具有--定的空间分辨率，需要较高的成像质量(a)，为同时满足高能量利用率和高成像质量的要求，提出采用凹面超环面均匀线距光栅，即光栅基底为超环面，光栅刻线线距均匀。光栅色散方向和重直光幅色散方向具有不同
收稿日期：2012-08-20，修订日期：2012-10-31
基金项目：国家自然科学基金项目(41105014)资助
的迷度很慢，非常耗时，并且很难获得最佳的光学结构参数解。
根据凹面光栅的几何像差理论，提出一种基于超环面均匀线距光插的成像光谱仪优化设计方法，该方法利用遗传算法和ZEMAX光学设计软件两次优化获得最优的光学结构参数，以设计一个远紫外波段（110~180nm）成像光谱仪光学系统为实例，并利用ZEMAX软件进行了光线追迹、性能分析和评价，结果满足设计指标要求，证明了本优化设计方法是可行的。
优化设计方法
图1为凹面光栅的光学结构图，以凹面光栅的顶点O为坐标原点建立直角坐标系，轴方向为过顶点O的法线方向，光榻刻线方向平行于轴，y轴垂直于光栅刻线方向。A(TA，yA，Z）为人射狭缝平面上的一点，B(r，YB，Z)为A 点经凹面光的m衔射在焦平面上所成的像点，P(rs，y， 2B）为光栅面上的任意一点，在整个光栅面上，光概线距为常数，a，β分别为人射角和衍射角，ra和r分别为人射臂和出射臂的长度。
作者简介：薛庆生，1979年生，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所副研究员方方数据
e-mail; qshxue2006@163,com