一种光谱仪光路设计方法与流程

本发明涉及一种光路结构优化技术，尤其是一种光谱仪光路设计方法。

背景技术：

光谱仪作为光谱分析的主要器材，在众多科研和教学项目中起到很关键的作用。在光谱仪分析中，象散和慧差是光谱仪误差的主要来源，也是影响分辨率的重要因素。传统的czerny-turner，也就是c-t结构的光谱仪考虑了消球差条件和消彗差条件，它采用两镜分离的方式，虽然可以有效地避免ebert-fusty结构的二次和多次衍射所带来的问题，但是同时也带来了难以消除的大像散，这是此类系统固有的缺点。

因此实现c-t结构的消像散，特别是在确保不影响慧差的前提下，具有重要意义。通过对光谱仪的光路设计结构进行参数调整，可以在保证消球差和消慧差的基础上，进一步实现消像散。这种调节方式卓有成效，但是需要牺牲边缘光路成像质量，为了改进这个问题，可以使用多光栅替代的方式辅以傅里叶光路转化的方法，从而实现边缘光路画质改良。

技术实现要素：

发明目的：提供一种光谱仪光路设计方法，以解决上述问题。

技术方案：一种光谱仪光路设计方法，包括光路初始优化单元和边缘图像修正单元，在消慧差公式、零阶消像散条件和一阶消像散条件的约束下，对光谱仪的光路设计结构进行优化，同时采用边缘图像修正技术，保证图像边缘成像的准确性，加强了光路设计的完整性和优越性；

光路初始优化单元，其特征在于，在波长范围和精度要求的基础上选定元件规格，采用消慧差公式、零阶消像散条件和一阶消像散条件对光路关键指数进行调整，从而获得初步优化光路，具体步骤为：

步骤1、根据波长范围以及精度要求，确定使用的ccd、狭缝a以及光栅b的型号，再计算出各反射镜焦距；

步骤2、根据消慧差原理计算出准直镜l1和聚焦镜l2的离轴角的关系；

步骤3、根据零阶消像散条件解出所述狭缝a到所述准直镜l1的距离lsc和所述聚焦镜l2到探测器c的距离lfd，根据一阶消像散条件计算出所述光栅b到所述聚焦镜l2的距离lgf和所述探测器c的偏角θd；

步骤4、综合消像散原理与消慧差原理得出光谱仪初始结构参数并使用zemax做进一步优化；

边缘图像修正单元，通过使用高分辨率和宽光谱范围的多光栅外差光谱对成像图像的边缘区域进行修正。

根据本发明的一个方面，所述光路初始优化单元的步骤1具体包括：

步骤11、根据波长范围以及精度要求，确定使用的ccd、所述狭缝a和所述光栅b的型号并计算出ccd的有效长度l；

步骤12、根据准直镜l1的焦距和光栅b的常数、狭缝a的宽度、分辨率的关系计算出光路设计结构中所述准直镜l1的焦距f1；

步骤13、根据聚焦镜l2焦距和波长范围以及ccd长度的关系计算出光路设计结构中所述聚焦镜l2的焦距f2。

根据本发明的一个方面，所述光路初始优化单元的步骤2具体包括：

步骤21、根据光栅方程求出光栅入射角与衍射角的关系；

步骤22、将所述步骤12、所述步骤13中得到的f1、f2带入消慧差公式，求得所述准直镜l1和所述聚焦镜l2的离轴角的关系。

根据本发明的一个方面，所述光路初始优化单元的步骤3具体包括：

步骤31、根据光路结构计算出子午像面距离st和弧矢像面距离ss；

步骤32、根据零阶消像散条件(即单波长消像散条件)st＝ss＝lfd，得出满足该条件下，所述狭缝a到所述准直镜l1的距离lsc；

步骤33、根据光路结构以及一阶消像散条件得出所述光栅b到所述聚焦镜l2的距离lgf和所述探测器c的偏角θd。

根据本发明的一个方面，所述光路初始优化单元的步骤4具体包括：

步骤41、将所述步骤1至所述步骤3所计算得出的初始结构带入到zemax运行软件中，构建光路模型；

步骤42、由于使用的是线阵ccd且光源强度足够，因此只需要考虑y方向的光斑大小，在优化函数时直接选择rms即均方根算法，优化目标为y光斑，参考选择质心；

步骤43、根据精度要求，选择三环六臂的高斯积分进行光瞳采样；

步骤44、由于光谱仪的特性，勾选忽略垂轴色彩，选择合适的变量进行局部优化，得到最终结构。

根据本发明的一个方面，所述边缘图像修正单元通过使用高分辨率和宽光谱范围的多个衍射光栅替代平面反光镜，从而实现外差光谱成像，对成像图像的边缘区域进行修正，保证光路成像的完整性，具体步骤为：

步骤1、结合使用多个衍射光栅成像数据和傅里叶光谱变化技术，在特定光谱范围内，利用光栅的高光谱分辨率特性，实现边缘光谱成像的超高精细结构分辨；

步骤2、保证在不改变原光路设计结构的前提下，创建边缘图像的整个数据图样；

步骤21、引入外差，降低干涉条纹的空间频率；

步骤22、利用原有光路结构，进一步进行光路成像的傅里叶变换转化，保留边缘图像的光谱完整性；

步骤3、通过傅里叶逆变换实现边缘图像的最终成像，保证边缘成像的可靠性和高光谱分辨率。

一种空间外差光谱替换方法，利用具有不同密度特性的光栅组成规格合适的光栅模块，替代传统光路结构中的衍射光栅，具体步骤为：

步骤1、初级光栅采用刻度密度为1800线/mm，光栅照明宽度为60mm，光谱分辨能力为200000，视场角为0.3°，设定初级探测光谱的范围；

步骤2、依照光路设计需要的光路参数，设置其余密度特性的光栅模块，保证适用于光路原始波段的光谱测量；

步骤3、采用稳定性高的共光路结构，避免其他光路材料的透光率对测量过程的限制和影响。

根据本发明的一个方面，当光路成像涉及到边缘区域时，多光栅的使用避免因为傅里叶光谱变化的采样数目造成的光谱探测光谱范围狭窄，在保证光谱高分辨率的同时扩大了光谱稳定范围。

有益效果：本发明能够解决现有技术存在的计算复杂的问题，具有精度高的优点，通过采用三种约束条件的基础上对光谱仪的光路设计进行优化，以及边缘图像修正技术，避免因为光路约束对图像边缘成像造成的牺牲，保证了光路设计的完整性和优越性，为光谱仪分辨率提供保证。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是本发明的zemax仿真的光路结构图。

具体实施方式

如图1所示，在该实施例中，一种光谱仪光路设计方法，包括光路初始优化单元和边缘图像修正单元，在消慧差公式、零阶消像散条件和一阶消像散条件的约束下，对光谱仪的光路设计结构进行优化，同时采用边缘图像修正技术，保证图像边缘成像的准确性，加强了光路设计的完整性和优越性；

光路初始优化单元，其特征在于，在波长范围和精度要求的基础上选定元件规格，采用消慧差公式、零阶消像散条件和一阶消像散条件对光路关键指数进行调整，从而获得初步优化光路，具体步骤为：

步骤1、根据波长范围以及精度要求，确定使用的ccd、狭缝a以及光栅b的型号，再计算出各反射镜焦距；

步骤2、根据消慧差原理计算出准直镜l1和聚焦镜l2的离轴角的关系；

步骤3、根据零阶消像散条件解出所述狭缝a到所述准直镜l1的距离lsc和所述聚焦镜l2到探测器c的距离lfd，根据一阶消像散条件计算出所述光栅b到所述聚焦镜l2的距离lgf和所述探测器c的偏角θd；

步骤4、综合消像散原理与消慧差原理得出光谱仪初始结构参数并使用zemax做进一步优化；

边缘图像修正单元，通过使用高分辨率和宽光谱范围的多光栅外差光谱对成像图像的边缘区域进行修正。

在进一步的实施例中，所述光路初始优化单元的步骤1具体包括：

步骤11、根据波长范围以及精度要求，确定使用的ccd、所述狭缝a和所述光栅b的型号并计算出ccd的有效长度l；

步骤12、根据准直镜l1的焦距和光栅b的常数、狭缝a的宽度、分辨率的关系计算出光路设计结构中所述准直镜l1的焦距f1；

步骤13、根据聚焦镜l2焦距和波长范围以及ccd长度的关系计算出光路设计结构中所述聚焦镜l2的焦距f2。

在更进一步的实施例中，以波长范围200-1000，分辨率2nm为例，根据波长范围以及精度要求，确定使用的ccd型号为tcd1304dg(8z，aw)，像素数为3648，像素尺寸(μm)为8×200，有效长度l＝29.2mm，分辨率和准直镜焦距以及狭缝宽度的关系如下：

其中δλ为分辨率，由于分辨率要求为不低于2nm，考虑到杂散光和结构的加工误差，计算初始结构时需要预留20％左右的余量，所以分辨率取1.5nm；a为狭缝宽度，这里暂定为20um；α是光栅入射角，由于入射角一般较小，所以cosα近似取1；n为光栅线数，根据波长范围只能选用300线光栅，所以n＝0.3；最终计算得f1＝44.4，所以准直镜焦距取45。

聚焦镜焦距计算公式如下：

由于工作波长200-1000，cosβ和近似取1可求得f2<108mm,因此f2取100mm。

在进一步的实施例中，所述光路初始优化单元的步骤2具体包括：

步骤21、根据光栅方程求出光栅入射角与衍射角的关系；

步骤22、将所述步骤12、所述步骤13中得到的f1、f2带入消慧差公式，求得所述准直镜l1和所述聚焦镜l2的离轴角的关系。

在更进一步的实施例中，以工作波长200-1000为例，将中心波长600nm带入光栅方程得：sinβ-sinα＝0.195；

联立上式和消慧差条件：

从而求得准直镜和聚焦镜的离轴角的关系。

在进一步的实施例中，所述光路初始优化单元的步骤3具体包括：

步骤31、根据光路结构计算出子午像面距离st和弧矢像面距离ss；

步骤32、根据零阶消像散条件(即单波长消像散条件)st＝ss＝lfd，得出满足该条件下，所述狭缝a到所述准直镜l1的距离lsc；

步骤33、根据光路结构以及一阶消像散条件得出所述光栅b到所述聚焦镜l2的距离lgf和所述探测器c的偏角θd。

在更进一步的实施例中，例如，按照所述步骤1和所述步骤2中的案例，将各参数带入子午像面距离st和弧矢像面距离ss的公式中：

根据零阶消像散原理算得lsc的值为61mm；

再结合光路结构和一阶消像散公式可以得到光栅到聚焦镜的距离lgf和探测器的偏角θd的计算公式：

将算得参数带入等式中，可以求得光栅到聚焦镜的距离lgf＝60mm，探测器的偏角θd＝16。

在进一步的实施例中，所述光路初始优化单元的步骤4具体包括：

步骤41、将所述步骤1至所述步骤3所计算得出的初始结构带入到zemax运行软件中，构建光路模型；

步骤42、由于使用的是线阵ccd且光源强度足够，因此只需要考虑y方向的光斑大小，在优化函数时直接选择rms即均方根算法，优化目标为y光斑，参考选择质心；

步骤43、根据精度要求，选择三环六臂的高斯积分进行光瞳采样；

步骤44、由于光谱仪的特性，勾选忽略垂轴色彩，选择合适的变量进行局部优化，如图二所示，得到最终结构。

在进一步的实施例中，所述边缘图像修正单元通过使用高分辨率和宽光谱范围的多个衍射光栅替代平面反光镜，从而实现外差光谱成像，对成像图像的边缘区域进行修正，保证光路成像的完整性，具体步骤为：

步骤1、结合使用多个衍射光栅成像数据和傅里叶光谱变化技术，在特定光谱范围内，利用光栅的高光谱分辨率特性，实现边缘光谱成像的超高精细结构分辨；

步骤2、保证在不改变原光路设计结构的前提下，创建边缘图像的整个数据图样；

步骤21、引入外差，降低干涉条纹的空间频率；

步骤22、利用原有光路结构，进一步进行光路成像的傅里叶变换转化，保留边缘图像的光谱完整性；

步骤3、通过傅里叶逆变换实现边缘图像的最终成像，保证边缘成像的可靠性和高光谱分辨率。

一种空间外差光谱替换方法，利用具有不同密度特性的光栅组成规格合适的光栅模块，替代传统光路结构中的衍射光栅，具体步骤为：

步骤1、初级光栅采用刻度密度为1800线/mm，光栅照明宽度为60mm，光谱分辨能力为200000，视场角为0.3°，设定初级探测光谱的范围；

步骤2、依照光路设计需要的光路参数，设置其余密度特性的光栅模块，保证适用于光路原始波段的光谱测量；

步骤3、采用稳定性高的共光路结构，避免其他光路材料的透光率对测量过程的限制和影响。

在进一步的实施例中，当光路成像涉及到边缘区域时，多光栅的使用避免因为傅里叶光谱变化的采样数目造成的光谱探测光谱范围狭窄，在保证光谱高分辨率的同时扩大了光谱稳定范围。

总之，本发明具有以下优点：在波长范围和精度要求的基础上选定元件规格，采用消慧差公式、零阶消像散条件和一阶消像散条件对光路关键指数进行调整，从而获得初步优化光路，保证避免大像散的出现；边缘图像修正单元通过使用多密度光栅组成光栅模块，可以对成像图像的边缘区域进行修正，保证光路光谱的高分辨率。本发明在采用像散和慧差计算公式的基础上，对光谱仪的光路设计进行参数优化，同时采用边缘图像修正技术，避免因为光路约束对图像边缘成像造成的牺牲，保证了光路设计的完整性和优越性。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。