第33卷，第2期 2013年2月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol. 33, No. 2,pp562-566 February, 2013
宽波段高分辨率小型紫外成像光谱仪光学系统研究
丛海芳1.2，王春晖"，王宇2
1.哈尔滨工业大学可调谐(气体)激光技术重点实验室，黑龙江哈尔滨150001 2.长春理工大学电子信息工程学院，吉林长春130022
摘要结合小型紫外光谱仪器设计原理对紫外成像光谱仪进行了研究。以离轴抛物镜为望远镜，超环面光栅为成像光诺系统设计了系统方案；该光学系统的优化设计就是对超环面光栅的参数设计。分析了光栅的光程函数和像差方程，总结了单超环面光概结构的完善聚焦条件和完善成像条件：这两种条件无法在代数计算下得到完善代数解，限制了光谱仪的工作波段和视场，引人遗传算法解决了这个间题。以一工作波段为200～280nm的日盲紫外成像光谱仪为例对设计理论进行验证，根据优化理论计算了初始结构最优解并进行光线追迹模拟，成功得到了F数为5.7，焦距为102mm，全视场全波段调制传递函数值在奈奎斯特频率(20lp·mm=1)下大于0.65的高分辨率成像光谱仪光学系统。设计结果表明这种光学系统设计理论适用于小型宽波段高分辨率紫外成像光谱仪
小型成像光谱仪；紫外；超环面光栅
关键词
中图分类号：O433.1；TH744.1
引言
文献标识码：A
紫外光谱涵盖近紫外(200～400nm)波段，远紫外波段(100~200nm)和极紫外波段(1~100nm)几个部分对紫外光谱进行探测分析，可以实现对探测物质的定性与定量分析，对人类生活生产具有重要意义。将小型成像光谱仪应用于紫外波段探测，可以实现多种探测功能，如空间大气遥感与地球大气成分含量分析，天文紫外星体观测，分子吸收照射光谱法分析检测物质组成，武器预警等等，分析精度高，体积小，应用方便(1.)。
紫外光谱属于较为微弱的光谱，尤其是300nm以下属于完全非可见光谱，在240nm以上波段部分还可以使用熔石英等材料作为透射系统或折反式系统的光学系统材科，而在240nm以下，则由于无合适的透射材料而必须使用反射式系统。无论是透射、折反还是反射系统，各光学元件表面所镀膜层在紫外波段的传输效率相比可见光谱和红外光谱都是比较低的，尤其在短波处表现更为明显，部分波段甚至不足50%，因此进行该类设计时需要着重考虑光学系统的传输效率；此外，无论是星载或是地面物质分析光谱仪，都要考虑轻便，便携等问题，这就要求可应用的光谱仪要向着小型
收稿日期：2012-06-28，修订日期：2012-09-29
DOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2013)02-0562-05
化、轻量化的方向发展；最后，由于单色仪只能满足光谱分析的功能，而在进行紫外光谱探操测时，还希量仅器可以从中尺度或宏观角度对目标采集光谱图像进行分析，这就要求仪器还要具备在紫外波段成像的能力，为了满足以上探测要求，就需要我们研究传输效率高的小型成像光谱系统(3)，以提高相关研究能力。
在各种紫外成像光谱仪光学系统中，以离轴抛物镜为望远成像物镜，单光栅Rowland四为光谱成像系统的结构传输效率最高。本文主要分析了单超环面光栅的光谐成像系统，从像差理论角度出发对系统的完善聚焦条件和完善成像条件进行了分析，引入遗传算法解决了优化条件无完善代数解的间题，计算了可用于200～280ntn的成像光谱仪系统参数，并利用ZEMAX进行了参数模拟，从而设计出了合理的小型紫外成像光语仪系统。
光学系统分析与设计
Werner，Beutler和Namioka等最早给出了凹面光栅的光谱成像理论(4.5)，在此理论基础之上衍生出了很多不同的系统方案，其中可以达到较好消像差目的的光主要有以下几类：超环面光栅，变间距球面凹面光栅和变间距超环面光
基金项目：国家自然科学基金项目(60977011)，吉林省自然科学基金项目（201215142)和吉林省教育厅*十二五"科学技术研究项目（2012
33)资助
作者简介：丛海芳，女，1980年生，哈尔演工业大学博士研究生万方数据
e-mail; conghf99@163.com