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中阶梯光栅光谱仪凭借着高分辨率、小体积、全谱瞬态直读等优异特性成为了现代光谱仪器研究的热点和重点。为了进一步缩小它的体积,提高仪器信噪比和检出限,设计了一种新型结构的中阶梯光栅光谱仪,其折叠主光路的设计可以在不改变成像质量、不降低光谱分辨率的前提下减小仪器体积,光学尺寸小于165 mm×70 mm×65 mm,光谱分辨率为0.06 nm@200 nm。同时设计了挡板、光阑等结构减小仪器的杂散光,经过光线追迹仿真实验,新型中阶梯光栅光谱仪杂散光低于2×10-5,显著地提高了仪器的信噪比。
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第 35 卷 第 8 期
2015 年 8 月
Vol. 35, No. 8
August, 2015
光 学 学 报
ACTA OPTICA SINICA
0812001-
新型便携式中阶梯光栅光谱仪
光学设计与消杂散光研究
杨 晋
1,2
尹 禄
1,2
姚雪峰
1
巴音贺希格
1
唐玉国
1
朱继伟
1
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
中国科学院大学, 北京 100049
摘要 中阶梯光栅光谱仪凭借着高分辨率、小体积、全谱瞬态直读等优异特性成为了现代光谱仪器研究的热点和重点。
为了进一步缩小它的体积,提高仪器信噪比和检出限,设计了一种新型结构的中阶梯光栅光谱仪,其折叠主光路的设
计可以在不改变成像质量、不降低光谱分辨率的前提下减小仪器体积,光学尺寸小于 165 mm×70 mm×65 mm,光谱分
辨率为 0.06 nm@200 nm。同时设计了挡板、光阑等结构减小仪器的杂散光,经过光线追迹仿真实验,新型中阶梯光栅
光谱仪杂散光低于 2×10
-5
,显著地提高了仪器的信噪比。
关键词 光学设计; 中阶梯光栅光谱仪; 优化; 杂散光; 消杂光设计
中图分类号 TH744.1 文献标识码 A
doi: 10.3788/AOS201535.0812001
Optical Design and Stray Light Suppression of
A New Portable Echelle Spectrometer
Yang Jin
1,2
Yin Lu
1,2
Yao Xuefeng
1
Bayanheshig
1
Tang Yuguo
1
Zhu Jiwei
1
1
Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,
Changchun, Jilin 130033, China
2
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract Echelle spectrometer is becoming a hot research and focus of modern spectrograph with the
outstanding features of high resolution, small size, full spectrum transient direct- reading. In order to further
refine its volume, improve the signal to noise ratio and the detection limit, a new structure of echelle
spectrometer is designed. By folding main optical path, the new design has smaller size and lower stray light
without reducing spectral resolution and image quality. It′ s optical size is less than 165 mm × 70 mm × 65 mm,
and spectral resolution is 0.06 nm@200 nm. The baffle and diaphragm is designed to further reduce stray light.
Through ray tracing simulation, the stray light of the new echelle spectrometer is less than 2×10
-5
, the signal to
noise ratio is improved significantly.
Key words optical design; echelle spectrometer; optimization; stray light; anti-stray-light design
OCIS codes 120.4570; 120.6200; 220.2740; 290.2648; 300.6190
收稿日期: 2014-11-24; 收到修改稿日期: 2015-02-13
基金 项目: 国家 重大科学仪器设 备开发专项项目 (2014YQ120351)、国家自 然科学基金(60478043)、国家重 大科研装备研制
项目(ZBYZ2008-1)、中国科学院重大科研装备研制项目(YZ200804)、国家重大科学仪器设备开发专项项目(11YQ120023)、吉林
省重大科技攻关项目(09ZDGG005)
作者简介: 杨 晋(1988—),男,博士研究生,研究实习员,主要从事分光系统光学设计方面的研究。
E-mail:yangjinl@mail.ustc.edu.cn
导师简介: 唐玉国(1967—),男,博士,研究员,主要从事光谱仪器及医用光谱技术方面的研究。E-mail: tangyg@yiliaoyiqi.com
1 引 言
中阶梯 光栅光 谱仪与同体积的光谱仪器 相比具 有极高 的光谱分辨率、极快 的光谱分析速度、较高的能
量传输效率,逐渐被应 用于许 多对光 谱仪器具有较高要求的系统中。目前 ,中阶梯光栅光谱仪与电感耦 合
1
光 学 学 报
0812001-
等离子体(ICP)技术
[1-2]
以及激光诱导等离子体(LIBS)技术
[3-4]
相结合的产品在原子发射光谱分析领域具有明显
的优势,极大地推动了原子发射光谱技术的发展。
相比于具有相同光谱分辨率的扫描式光谱仪而言,中阶梯光栅光谱仪具有全谱直读、实时分析的优点,
因此其越来越多地被应用在原子发射光谱技术中;并且针对中阶梯光栅光谱仪小体积、高光谱分辨率、快速
实时分析的特点,其开 始被应 用于户 外便携式试验和作为小型载荷等方面 。目前 ,国外已有多家公司研 制
出了与电感耦合等离子体技术、激光诱导等离子体技术结合的中阶梯原子发射光谱仪。我国对中阶梯光栅
光谱仪的研究起步于 2008 年,已有多家机构提出了中阶梯光栅光谱仪的光学模型并由中科院长春光机所研
制出了第一台原 理样机
[5]
,但 其整体 呈平板的长方块 状,且探 测器与 标定光源均设计在长边 方向,并不利于
便携式应用和作为小型载荷。
鉴于此 ,在现有研究基础上,本 文提出 了一种 新型的 光路折 叠式中 阶梯光 栅光谱 仪,利用中阶 梯光栅 、
反射棱镜等元件将主光路进行多次折返,充分利用了光谱仪的体积,在不降低成像质量和光谱分辨率的 前
提下,仪器总体积 缩小 了 1/4,同时 设计 折叠预留的 空间使仪器 可以 在不增 加体 积的前提下 ,利用 平面 折返
镜将入臂和出臂由原来的长边方向折转到短 边方向 ,作为探测器与标定光 源接口 ,使整个仪器结构更为 立
体、紧凑 ,利于便 携式研 发。此外,对于 光学仪器而言,杂散光主要是由内 部元件 和仪器壁的多次散射引 起
的,体积 的减小 对仪器 的杂散 光水平 提出了更高的要求,因此在主 光路之间设计了带有相应通光孔的挡板
以降低仪器的杂散光,提高其信噪比,并通过光线追迹软件仿真验证了消杂散光效果。
2 传统中阶梯光栅光谱仪光学结构
目前国内 长春光学 精密机械 与物理研 究所
[5-6]
研制的中 阶梯光栅 光谱仪原 理样机和 天津大学
[7-8]
等研究
机构均采用图 1 所示的光学结构。
图 1 中阶梯光栅光谱仪传统光学结构
Fig.1 Traditional optical structure of echelle spectrometer
在传统结构中,中阶梯光栅光谱仪由聚焦镜、准直镜(一般选择相同曲率半径和离轴角的离轴抛物镜以
消除球差和轴外像差)、中阶梯光栅、反射棱镜和面阵探 测器构 成。光线经准直镜以平 行光入 射到光栅上,
为了提高光能传输效率,光栅在准利特罗条件下使用。平行光经过中阶梯光栅色散后入射到棱镜上进行横
向色散 ,最终经聚 焦镜成像在 面阵探测器 上。从 YZ 俯视图 中可以看出 这种光学结 构下的光学 元件中心都
在 XZ 平面上 平铺 开来,即主光 线始终在 XZ 平面 内,除光栅外 的任何光学 元件并 没有俯仰角 度。这种传 统
结构的特点是有利于装调,但是光谱 仪的体积并没有得到充分利用,据此提出了在保证光谱分辨率前提下
缩小体积的新型光学结构。
3 新型中阶梯光栅光谱仪光学设计
3.1 新型便携式中阶梯光栅光谱仪光学结构
为了尽量减小中阶梯光栅光谱仪的体积,新型中阶梯光栅光谱仪的各光学元件中心不再采用在同一水
2
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