第36卷，第1期 2016年1月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
小型高光谱分瓣率光栅单色仪的研制
杨增鹏，2，唐玉国，巴音贺希格，崔继承"，杨晋
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.申国科学院大学，北京100049
Vol.36,No.1.pp273-278
January2016
摘要单色仪是成像光谱仪进行光谱连续定标的必备设备，为了对高光谱成像光谱仪进行连续光谱定标，设计了一种轻小型高光谱分辨率的光栅单色仪。采用水平式Czerny-Turner光路结构，以高光谱分辨率为出发点，通过推导计算，从光栅选型、焦距计算、狭缝尺寸的确定等方面详细论述了光栅单色仪的设计思路，给出仪器的重要必要结构参数，并论述了这些结构参数对仪器光谱分辨率和体积的影响。根据光栅单色仪的光路特点，对入射狭缝组件、准直物镜组件和成像物镜组件、扫描结构、机身等进行轻小型机械结构设计，并给出正弦杆扫描机构的结构参数与仪器输出波长和波长扫描精度的数学关系，完成了仪器的整体结构设计和装调。应用灯可见光光谱进行波长定标，采用最小二乘法得到定标曲线，并提出步进数极限误差与定标曲线相结合的方法，求得仪器的波长重复性和波长准确度；仪器在400～800nm波长范围内，光谱分
辨率优于0.1nm，波长重复性达土0.0966nm，波长准确度达士0.0969nm。关键词光栅单色仪；高光谱分辨率；光学设计；正弦机构；波长定标
文献标识码：A
中图分类号：TH744.1
引言
DOI: 10. 3964/j issn, 1000-0593 (2016 )01-0273-06
通过理论计算，确定仪器的重要必要参数并完成仪器的光学设计；第二，从工程实现角度考虑，通过优化扫描结构及倾斜放置扫描机构，并采用分层设计的方法，在保证高光谱分
成像光谱仪是集精密光学和精密机械于一体的光学设备，是获取目标图像信息和光谱信息的必备设备，同时也是诸多领域进行科学研究的基础设备，如航空航天遥感、地质矿藏勘探、军事侦查、环境监测、医学研究等[1-5]
成像光谱仪在使用之前，必须进行光谱定标。单色仪因能够提供连续、高稳定、高精度、高光谱分辨率的准单色光，成为成像光谱仪光谱定标的必备设备6」，所以非常有必要对单色仪进行研究。成像光谱仪进行光谱定标时，通常要求单色仪输出的准单色光光谱带宽小于成像光谱仪光谱带宽的 1/10[7}，即单色仪的光谱性能要高于成像光谱仪的光谱性能。目前，有关单色仪的文献多数仅对仪器的某一指标进行讨论，未对影响仪器性能指标的各参数之间的关联性进行综合考虑，
为了对自主研发的棱镜-光栅成像光谱仪进行光谱定标，提出一种高性能、小型轻量化的光栅单色仪的详细设计思路，主要有三方面的研究：第一，以高光谱分辨率为出发点，
收稿日期：2014-07-25，修订日期：2014-12-06
辨率的同时，实现单色仪的小型化设计；第三，完成光栅单
色仪的装调和光谱定标工作，使仪器达到技术指标。 1光学设计
1.1工作原理及主要技术指标
高光谱分辨率单色仪的整体结构如图1所示。复色光信号通过光纤跳线传人到仪器人射狭缝S1处形成点发散光束，发散光束经装有滤光片的光喇滤光，再由平面反射镜1折转光路后照射到球面准直物镜M1上，平面光栅G对经准直物镜M1反射后的平行光束进行色散分光，色散后的平行光束照射到球面成像物镜M2上会聚，会聚光束经平面反射镜2 折转光路后成像于出射狭缝S2处，通过扫描机构转动光栅实现在出射狭缝S2处输出不同波长的光，探测器将准单色光转换为数字信号并将数据发送至计算机，从而得到相应光谱信息。
基金项目：国家自然科学基金项目（61108032），江苏省自然科学基金项目（BK2012188），国家重大科学仪器设备开发专项（2011YQ120023
和吉林省科技发展计划项目(20126012)资助
作者简介：杨增，1987年生，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生
e-mail ; 175367864@ qq: com