高分辨宽光谱微型拉曼光谱仪的设计

2022-03-17 11:07:14| 浏览次数：

评价指标

通过逐步手动调节光栅倾斜，自动优化聚焦镜、柱面镜以及CCD间倾角和距离，可以达到比较好的

优化效果。在计算得到初始结构后，利用Zemax对该初始结构进行优化。在默认优化设置中，先将柱面镜旋转角度、柱面镜与CCD探测器间距离以及CCD探测器所在平面旋转角度这三个值设为变量，再打开默认优化函数，如图3所示，在Optimization Function and Reference栏依次选择RMS，Spot Radius和Centroid，在Pupil Integration Method栏选择Rectangular Array，最后记得勾选Ignore Lateral Color，进行自动优化。得到图4所示的点列均方根半径随波长变化的全波段曲线图，其纵坐标反映了落到CCD上的光斑在全波段的点列均方根半径大小。

在上述自动优化基础上，再手动微调聚焦镜的旋转角度，重复上述自动优化，以此找到在固定光栅旋转角度下聚焦镜的最佳旋转角度。调节到图4的全波段曲线图基本达到全波段平稳，同时纵坐标点列均方根半径值达到最小，以此判断该结构达到最佳分辨率。此时的优化结构参数如表3所示。

3.2 像质分析

对优化后结构进行点列图分析，图5依次为790 nm、965 nm和1 140 nm下对应分辨率指标下波长间隔的点列图。当三处的点列图都可以分开时，我们可以判断此设计达到预期值。

如图5所示，由理论分辨率对应的波长间隔分别为0.250 nm，0.373 nm，0.520 nm的点列图情况，可以看出图5（b）对应波长间隔的点列图明显分开。在满足瑞利条件[14]下，图5（a）和图5（c）对应波长间隔的点列图也可分辨出来。因此，我們认为该结构可以实现全波段范围内4 cm-1的光谱分辨率。

4 结论

光谱分辨率、光谱范围、光谱仪体积是微型光谱仪设计过程中的三个重要指标，这三者之间彼此影响和制约。光谱仪设计时，同时满足三者要求比较困难，单一性设计思想往往顾此失彼。本文以同时满足光谱分辨率、光谱范围、CCD上光谱信号覆盖区域为基本条件，通过逐步手动调节光栅倾斜，自动优化聚焦镜、柱面镜以及CCD间倾角和距离的方式，提出了一种基于CT结构拉曼光谱仪的综合设计方法，设计出一种高分辨宽光谱的CT结构微型拉曼光谱仪。分析结果表明，相比于同类微型光谱仪设计大都无法兼顾三个指标而导致或分辨率不高或光谱范围很小或体积偏大的情况，该光学系统光谱工作范围、光谱分辨率以及光学系统结构尺寸等参数性能良好，设计方法和结果可以为新一代微型光谱仪的设计提供参考。

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