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狭缝高度对单色仪光谱分辨率的影响

张靖 张博 刘凯 王楷炀 冯树龙 李文昊 姚雪峰

张靖, 张博, 刘凯, 王楷炀, 冯树龙, 李文昊, 姚雪峰. 狭缝高度对单色仪光谱分辨率的影响[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(6): 1442-1449. doi: 10.37188/CO.2023-0004
引用本文: 张靖, 张博, 刘凯, 王楷炀, 冯树龙, 李文昊, 姚雪峰. 狭缝高度对单色仪光谱分辨率的影响[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(6): 1442-1449. doi: 10.37188/CO.2023-0004
ZHANG Jing, ZHANG Bo, LIU Kai, WANG Kai-yang, FENG Shu-long, LI Wen-hao, YAO Xue-feng. Effect of slit height on the spectral resolution of a monochromator[J]. Chinese Optics, 2023, 16(6): 1442-1449. doi: 10.37188/CO.2023-0004
Citation: ZHANG Jing, ZHANG Bo, LIU Kai, WANG Kai-yang, FENG Shu-long, LI Wen-hao, YAO Xue-feng. Effect of slit height on the spectral resolution of a monochromator[J]. Chinese Optics, 2023, 16(6): 1442-1449. doi: 10.37188/CO.2023-0004

狭缝高度对单色仪光谱分辨率的影响

基金项目: 吉林省科技发展计划(No. 20210203053SF)
详细信息
    作者简介:

    张 靖(1997—),女,山西吕梁人,硕士研究生,2020年于太原理工大学获得学士学位,主要从事光谱仪器的光学设计的研究。E-mail:ciompzxx@163.com

    姚雪峰(1985—),男,吉林永吉人,博士,副研究员,2009年于吉林大学获得硕士学位,2018年于中国科学院大学获得博士学位,主要从事新型光谱仪器以及天文光谱仪器方面的研究。E-mail:yaoxf@ciomp.ac.cn

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Effect of slit height on the spectral resolution of a monochromator

Funds: Supported by Jilin Provincial Science and Technology Development Plan (No. 202103053SF)
More Information
  • 摘要:

    单色仪广泛应用于光谱定标、物质分析等方面,因此,对于高光谱分辨率单色仪系统的研究具有重要意义。本文基于矢量光栅方程推导考察了入射狭缝高度对光谱仪器谱线弯曲的影响程度,给出了谱线弯曲同波长、狭缝高度的解析表达式,进而提出了一种基于狭缝高度抑制谱线弯曲的单色仪光谱分辨率优化方案。结合高灵敏度、超快时间响应探测器的性能指标要求,设计了一款光谱分辨率为0.1 nm,波段范围为185 nm~900 nm的三光栅单色仪光学系统,并搭建样机验证狭缝高度对谱线弯曲的影响,进一步探究了狭缝高度对光谱分辨率的影响规律。实验结果表明:在狭缝宽度一定时,对狭缝高度进行优化,可将光谱分辨率从0.32 nm提高至0.1 nm。

     

  • 图 1  光束入射到光栅的物理模型

    Figure 1.  Physical model of the light beam incident on the grating

    图 2  单色仪光路结构图

    Figure 2.  Optical path structure of the monochromator

    图 3  单色仪机械结构图

    Figure 3.  Mechanical structure of the monochromator

    图 4  不同波长处的点列图

    Figure 4.  Point diagram at different wavelengths

    图 5  测试场景图

    Figure 5.  Test scenario diagram

    图 6  不同高度的光阑片

    Figure 6.  Apertures with different heights

    图 7  不同光阑高度下,几种波长入射光的测试谱线

    Figure 7.  Test spectral lines of mercury lamp with different wavelengthes at different aperture heights

    图 8  不同波长和光阑高度对应的光学系统光谱分辨率

    Figure 8.  Spectral resolution of the optical system corresponding to different wavelengths and aperture heights

    表  1  不同光阑高度下边缘视场各个波长的点列斑RMS半径值

    Table  1.   RMS radius of the spot array at each wavelength of the edge field-of-view under different aperture heights (μm)

    光阑高度/mm365 nm404 nm435 nm546 nm640 nm724 nm
    10463.356464.985466.487469.361473.763483.237
    8445.155446.408447.574449.903463.947470.064
    6427.317428.212429.059430.771436.474437.252
    4409.840410.396410.943412.967419.346429.801
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  • [1] 武志昆, 石恩涛, 王咏梅. 消谱线弯曲PGP型成像光谱仪系统设计[J]. 红外与激光工程,2021,50(6):20200433. doi: 10.3788/IRLA20200433

    WU ZH K, SHI E T, WANG Y M. Design of PGP imaging spectrometer with eliminating spectral line bending[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(6): 20200433. (in Chinese) doi: 10.3788/IRLA20200433
    [2] 张尹馨, 段文浩, 李婉卓. 结合三反消像散光学系统的中阶梯光栅光谱仪设计[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版),2022,55(5):519-526.

    ZHANG Y X, DUAN W H, LI W ZH. Design of echelle spectrometer with a three-mirror anastigmat system[J]. Journal of Tianjin University (Natural Science and Technology), 2022, 55(5): 519-526. (in Chinese)
    [3] 曾英杰, 支瑜亮, 范贤光, 等. 小型一体式针尖增强拉曼光谱仪设计与评价[J]. 分析化学,2022,50(1):39-46. doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.210483

    ZENG Y J, ZHI Y L, FAN X G, et al. Design and evaluation of small integrated point-enhanced Raman spectrometer[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2022, 50(1): 39-46. (in Chinese) doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.210483
    [4] 程军杰, 曹智, 杨灿然, 等. 便携式远程激光诱导击穿光谱系统及其定量分析性能[J]. 应用化学,2022,39(9):1447-1452.

    CHENG J J, CAO ZH, YANG C R, et al. Portable remote laser-induced breakdown spectroscopy system and its quantitative analysis performance[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2022, 39(9): 1447-1452. (in Chinese)
    [5] 贾辉, 姚勇. 微小型光栅光谱仪光学系统的特点与光谱分辨率的提高[J]. 光谱学与光谱分析,2007,27(8):1653-1656.

    JIA H, YAO Y. Characteristics of typical optical systems with diffractive gratings of micro-spectrometers and improvement of spectrometer's resolution[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2007, 27(8): 1653-1656. (in Chinese)
    [6] 代锦辉. 基于修正岭估计模型提高成像光谱仪光谱分辨率[D]. 武汉: 华中科技大学, 2019.

    DAI J H. Improving spectral resolution of imaging spectrometer based on modified ridge estimation method[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2019. (in Chinese)
    [7] 毛靖华, 王咏梅, 石恩涛, 等. 星载高光谱成像光谱仪狭缝函数测试方法的研究[J]. 光谱学与光谱分析,2017,37(4):1286-1290.

    MAO J H, WANG Y M, SHI E T, et al. Study on the slitfunction test method based on hyperspectral imaging instrument[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2017, 37(4): 1286-1290. (in Chinese)
    [8] 陈洪福, 巩岩, 骆聪, 等. 消谱线弯曲棱镜-光栅型成像光谱仪设计[J]. 光学学报,2014,34(9):09220004.

    CHEN H F, GONG Y, LUO C, et al. Design of prism-grating imaging spectrometer with eliminating spectral line curvature[J]. Acta Optica Sinica, 2014, 34(9): 09220004. (in Chinese)
    [9] 王凯平. 基于谱线展宽和线移方法的激光等离子体状态诊断研究[D]. 兰州: 西北师范大学, 2020.

    WANG K P. Study on laser produced plasma state diagnosis based on spectral line broadening and shifting methods[D]. Lanzhou: Northwest Normal University, 2020. (in Chinese)
    [10] 徐艳, 李春来, 刘世界, 等. 均匀分布狭缝阵列编码光谱成像系统的仿真与验证[J]. 半导体光电,2021,42(4):562-567. doi: 10.16818/j.issn1001-5868.2021.04.022

    XU Y, LI CH L, LIU SH J, et al. Simulation and verification of uniformly distributed-slit array coded spectral imaging system[J]. Semiconductor Optoelectronics, 2021, 42(4): 562-567. (in Chinese) doi: 10.16818/j.issn1001-5868.2021.04.022
    [11] 李继峰. 多角度双波段大气探测光谱仪设计与研究[D]. 长春: 中国科学院大学, 2022.

    LI J F. Design and research of multi-angle and double-band atmospheric sounding spectrometer[D]. Changchun: University of Chinese Academy of Sciences, 2022. (in Chinese)
    [12] 张晓龙, 范欣雨. 消像散Czerny-Turner光谱成像系统的设计[J]. 光学技术,2020,46(1):33-40.

    ZHANG X L, FAN X Y. Design of anastigmatic Czerny-Turner spectral imaging system[J]. Optical Technique, 2020, 46(1): 33-40. (in Chinese)
    [13] 刘彪, 张敏, 李东波. 一种C-T结构改进型光谱仪的光路结构设计[J]. 机械设计与制造工程,2022,51(2):15-20. doi: 10.3969/j.issn.2095-509X.2022.02.004

    LIU B, ZHANG M, LI D B. Optical path structure design of a C-T structure improved spectrometer[J]. Machine Design and Manufacturing Engineering, 2022, 51(2): 15-20. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.2095-509X.2022.02.004
    [14] 吴云鹏, 王军. M型Czerny-Turner光谱仪结构优化设计与分析[J]. 激光与光电子学进展,2022,59(11):1130002.

    WU Y P, WANG J. Structural optimization design and analysis of M-type Czerny-Turner spectrometer[J]. Laser &Optoelectronics Progress, 2022, 59(11): 1130002. (in Chinese)
    [15] 张佳伦. 大视场自由曲面成像光谱仪光学系统设计方法研究[D]. 长春: 中国科学院大学, 2022.

    ZHANG J L. Research on design method of optical system of large field of view imaging spectrometer with freeform surface[D]. Changchun: University of Chinese Academy of Sciences, 2022. (in Chinese)
    [16] 王宏霞. 基于数字微镜的原子荧光分析测试方法及软件研究[D]. 长春: 吉林大学, 2022.

    WANG H X. Research on analytical & test methods and software of atomic fluorescence spectrometry based on digital micromirror device[D]. Changchun: Jilin University, 2022. (in Chinese)
    [17] 张松涛, 王樱蕙, 张洪杰. Nd3+离子敏化的荧光纳米探针用于近红外二区血管成像[J]. 应用化学,2022,39(4):685-693.

    ZHANG S T, WANG Y H, ZHANG H J. Nd3+ sensitized fluorescent nanoprobes for vascular imaging in the second near infrared window[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2022, 39(4): 685-693. (in Chinese)
    [18] 吴长坤, 张为, 郝亚喆. 可见/近红外实时成像光谱仪控制系统设计[J]. 中国光学,2022,15(2):348-354.

    WU CH K, ZHANG W, HAO Y ZH. Design of a control system for a visible/near-infrared real-time imaging spectrometer[J]. Chinese Optics, 2022, 15(2): 348-354. (in Chinese)
    [19] 范纪泽, 李博, 张璐, 等. 应用于作物荧光检测的改进型Offner光谱仪设计[J]. 中国光学,2021,14(6):1459-1467. doi: 10.37188/CO.2021-0073

    FAN J Z, LI B, ZHANG L, et al. Design of an improved Offner spectrometer for crop fluorescence detection[J]. Chinese Optics, 2021, 14(6): 1459-1467. (in Chinese) doi: 10.37188/CO.2021-0073
    [20] 单秋莎, 谢梅林, 刘朝晖, 等. 制冷型长波红外光学系统设计[J]. 中国光学,2022,15(1):72-78. doi: 10.37188/CO.2021-0116

    SHAN Q SH, XIE M L, LIU ZH H, et al. Design of refrigerated LWIR optical system[J]. Chinese Optics, 2022, 15(1): 72-78. (in Chinese) doi: 10.37188/CO.2021-0116
    [21] 李寒霜. 紫外—真空紫外太阳光谱仪及光谱/辐射定标研究[D]. 长春: 中国科学院大学, 2019.

    LI H SH. Study on UV-VUV solar spectrometer and spectral/radiation calibration[D]. Changchun: University of Chinese Academy of Sciences, 2019. (in Chinese)
    [22] 蔡东浩, 李雅灿, 魏立冬, 等. 高光谱成像仪中曲面棱镜的装调公差研究[J]. 光学学报,2021,41(6):0608001. doi: 10.3788/AOS202141.0608001

    CAI D H, LI Y C, WEI L D, et al. Fabricating tolerance of curved prisms in hyperspectral spectrometer[J]. Acta Optica Sinica, 2021, 41(6): 0608001. (in Chinese) doi: 10.3788/AOS202141.0608001
    [23] 杨晋, 尹禄, 姚雪峰, 等. 新型便携式中阶梯光栅光谱仪光学设计与消杂散光研究[J]. 光学学报,2015,35(8):0812001. doi: 10.3788/AOS201535.0812001

    YANG J, YIN L, YAO X F, et al. Optical design and stray light suppression of a new portable echelle spectrometer[J]. Acta Optica Sinica, 2015, 35(8): 0812001. (in Chinese) doi: 10.3788/AOS201535.0812001
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-01-03
  • 修回日期:  2023-02-05
  • 网络出版日期:  2023-04-18

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