第35卷，第6期 2015年6月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol. 35 ,No. 6 -pp1756-1760
June,2015
宽波段高分辨率改进型Czerny-Turner成像光谱仪研究
严羚玮
大连交通大学理学院，辽宁大连116028
摘要主要针对Czerny-Turner结构在成像光谱仪系统中的应用进行了研究。Czerny-Turner结构主要存在的像差为像散。为了获得了该结构的完善消像散条件，对其进行了理论分析和结构改进。系统的基本结构不变，仍由球面准直镜，平面光栅和球面聚焦镜组成，但在聚焦镜后添加了一个带楔角的柱面镜，该柱面镜解决广子年方向和弧失方向上存在大像散差的间题，使系统可以在较宽的波段上实现较高的分辨率，同时元件制作成本大大降低。设计了一个工作在可见光波段（380～760nm)的改进型成像光谱系统，并对设计理论进行了验证。例子成功设计了数值孔径0.05，全视场全波段调制传递函数值在奈奎斯特频率（20Ip· mm-)下大于0.59的高分辨率成像光谱仪光学系统。这种改进的系统设计理论适用于小型宽波段高分辨率成像光谱仪。
关键词成像光谱仪；像散矫正；光学设计
中图分类号：0433.1文献标识码：A
引言
DOI : 10. 3964 /j. issn. 1000-0593 (2015 )06-1756-05
Czerny-Turner结构中存在的像散进行分析，给出增加的模角柱面镜是如何获得良好的消除像散差的情况。针对380~ 760nm可见光波段我门进行了举例设计，设计结果表明该
Czerny-Turner成像光谱仪在很多科学领域都得到了广泛的应用，其低数值孔径，无球差的特性使得该种系统常被应用于光谱检测技术领域，如表面损伤、污染，食品品质检测等，此外，它还可以在以双光束干涉原理为基础的光学干涉测量上得到应用。其基本组成为：两个球面反射镜和一片平面光栅。该系统具有结构简单，光学元件易加工，可完全消除慧差影响，数值孔径小等优点汀。但是，由于子午方向和弧失方向上的聚焦距离不同，导致系统主要存在的像差是像散，这是由于狭缝长度和宽度的不同造成的像散扩散不同导致的3]。因此，如何去除Czerny-Turner结构中的像散，使之可以获得良好的成像质量和光谱分辨能力，就成为广热门的研究问题。目前有很多研究针对该问题给出了良好的解决方案，比如调整准直镜位置，使光栅位于发散光之中；将球面聚焦镜变为超环面镜；对准直镜和聚焦镜采用自由曲面；或是使用柱面光栅和柱面反射镜等等-1。这些方法在光学加工、成本和装调上都可能给改进系统的加工和装调带来一定的难度
这里我们提出了一种增加柱面镜来消除Czerny-Turner 系统像散的方法。在可以实现透射的波段应用中这种方法可以大大的节约成本，并且不会带来更复杂的间题。本文将从
收稿日期：2014-04-07，修订日期：2014-08-05
基金项目：国家自然科学基金项目(61074029)资助
作者简介：严羚玮，女，1979年生，大连交通大学理学院工程师
系统在20lp·mm-的奈奎斯特频率下实现空间分辨率，同时降低了加工成本，因此具有很好的工程应用性。
Czerny-Turner光学系统宽波段像散分析及柱面镜优化方法
在对Czerny-Turner的光谱成像结构进行研究改进前，需要对Czerny-Turmer成像系统进行详细的像散分析，因此这里我们首先分析Czerny-Turner的像散产生原因和理论消除方法。
在传统的Czerny-Turner结构中，最终聚焦成像的像散差可以表示为
asc = (R /2)(sinaα tanα )+ (R: /2)(sinaetance)(1)
式中R为准直镜曲率半径，R为聚焦镜曲率半径，为光线人射在准直镜上的离轴入射角，为光线在聚焦镜上的离轴人射角。可以看到，如果不号人元件或是改变原有元件形式，像散是难以得到消除的。这里我们引人柱面镜对像散进行消除，柱面镜具有子年方向为平面，弧失方向有曲率的性质，可以对像散差进行修正。柱面镜将被放置于像面与聚焦
镜之间，其子午方向和弧矢方向视图如图1所示。 e-mail : dalianyanlingwei@ sohu -com