棱镜-光栅组合分光结构参数的优化方法研究

曾朝斌; 刘宾; 夏正德; 师钰璋; 韩焱

doi:doi:10.3788/AOS202040.2105001

光学学报, 2020, 40 (21): 2105001, 网络出版: 2020-10-25

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Optimal Design of Spectroscopic Structure Based on Prism-Grating Combination

曾朝斌 ^1,**刘宾 ^1,2夏正德 ¹师钰璋 ¹韩焱 ^1,2,*

作者单位

¹ 中北大学信息与通信工程学院, 山西太原 030051

² 山西省信息探测与处理重点实验室, 山西太原 030051

图 & 表

图 1. 三棱镜色散图

Fig. 1. Prism dispersion diagram

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图 2. 不同入射角对棱镜角色散率结果图

Fig. 2. Diagram of different incident angles versus dispersion of prism

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图 3. 不同入射角对600 line/mm光栅色散率曲线

Fig. 3. 600 line/mm dispersion of prism at different incident angles

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图 4. PG组合色散原理图

Fig. 4. Schematic diagram of dispersion for combination of prism and grating

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图 5. PG分光系统设计流程图

Fig. 5. PG spectroscopic system design flow chart

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图 6. 不同线性光栅对应不同光栅入射角的光谱色散力

Fig. 6. Spectral dispersion ability of different linear gratings corresponding to different grating incident angles

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图 7. 成像系统

Fig. 7. Imaging system

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图 8. 点阵列图

Fig. 8. Spot diagram

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图 9. 分辨率仿真验证结果。(a) 400 nm与402 nm的光谱分布;(b) 700 nm与702.5 nm的光谱分布;(c) 1000 nm与1002 nm的光谱分布

Fig. 9. Resolution simulation verification results. (a) Spectral distribution of 400 nm and 402 nm; (b) spectral distribution of 700 nm and 702.5 nm; (c) spectral distribution of 1000 nm and 1002 nm

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图 10. 光谱色散分布对比图。(a)文献[ 9]的仿真结果图;(b)文献[ 29]的仿真结果图;(c)本文的仿真结果图

Fig. 10. Comparison of spectral dispersion distribution. (a) In Ref. [9]; (b) in Ref. [29]; (c) ours

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图 11. 实验测试环境

Fig. 11. Experimental test environment

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图 12. 光谱分辨率实验结果图。 (a) 420 nm附近;(b) 600 nm附近;(c) 780 nm附近

Fig. 12. Experiment results of sresolution. (a) Near 420 nm; (b) near 600 nm; (c) near 780 nm

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图 13. 光谱分布实验结果图

Fig. 13. Experiment results of spectral distribution

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表 1成像光谱仪设计指标参数

Table1. Design index parameters of imaging spectrometer

Parameter	Value
Spectral band /μm	0.4-1.0
Numerical aperture	0.18
Resolution /nm	≤2
χ_max(λ)-χ_min(λ) /(mrad·nm^-1)	≤0.6
System length /cm	≤15

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表 2分辨率对比结果

Table2. Resolution comparison results

Method	Spectral resolution /nm
In Ref. [9]	4.9-7.1
In Ref. [29]	5
In Ref. [8]	4.3
In Ref. [18]	<1
Ours	<2

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曾朝斌, 刘宾, 夏正德, 师钰璋, 韩焱. 棱镜-光栅组合分光结构参数的优化方法研究[J]. 光学学报, 2020, 40(21): 2105001. Chaobin Zeng, Bin Liu, Zhengde Xia, Yuzhang Shi, Yan Han. Optimal Design of Spectroscopic Structure Based on Prism-Grating Combination[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(21): 2105001.

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图 1. 三棱镜色散图

Fig. 1. Prism dispersion diagram

图 2. 不同入射角对棱镜角色散率结果图

Fig. 2. Diagram of different incident angles versus dispersion of prism

图 3. 不同入射角对600 line/mm光栅色散率曲线

Fig. 3. 600 line/mm dispersion of prism at different incident angles

图 4. PG组合色散原理图

Fig. 4. Schematic diagram of dispersion for combination of prism and grating

图 5. PG分光系统设计流程图

Fig. 5. PG spectroscopic system design flow chart

图 6. 不同线性光栅对应不同光栅入射角的光谱色散力

Fig. 6. Spectral dispersion ability of different linear gratings corresponding to different grating incident angles

图 7. 成像系统

Fig. 7. Imaging system

图 8. 点阵列图

Fig. 8. Spot diagram

图 9. 分辨率仿真验证结果。(a) 400 nm与402 nm的光谱分布;(b) 700 nm与702.5 nm的光谱分布;(c) 1000 nm与1002 nm的光谱分布

Fig. 9. Resolution simulation verification results. (a) Spectral distribution of 400 nm and 402 nm; (b) spectral distribution of 700 nm and 702.5 nm; (c) spectral distribution of 1000 nm and 1002 nm

图 10. 光谱色散分布对比图。(a)文献[ 9]的仿真结果图;(b)文献[ 29]的仿真结果图;(c)本文的仿真结果图

Fig. 10. Comparison of spectral dispersion distribution. (a) In Ref. [9]; (b) in Ref. [29]; (c) ours

图 11. 实验测试环境

Fig. 11. Experimental test environment

图 12. 光谱分辨率实验结果图。 (a) 420 nm附近;(b) 600 nm附近;(c) 780 nm附近

Fig. 12. Experiment results of sresolution. (a) Near 420 nm; (b) near 600 nm; (c) near 780 nm

图 13. 光谱分布实验结果图

Fig. 13. Experiment results of spectral distribution

表 1成像光谱仪设计指标参数

Table1. Design index parameters of imaging spectrometer

表 2分辨率对比结果

Table2. Resolution comparison results

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图 1. 三棱镜色散图

Fig. 1. Prism dispersion diagram

图 2. 不同入射角对棱镜角色散率结果图

Fig. 2. Diagram of different incident angles versus dispersion of prism

图 3. 不同入射角对600 line/mm光栅色散率曲线

Fig. 3. 600 line/mm dispersion of prism at different incident angles

图 4. PG组合色散原理图

Fig. 4. Schematic diagram of dispersion for combination of prism and grating

图 5. PG分光系统设计流程图

Fig. 5. PG spectroscopic system design flow chart

图 6. 不同线性光栅对应不同光栅入射角的光谱色散力

Fig. 6. Spectral dispersion ability of different linear gratings corresponding to different grating incident angles

图 7. 成像系统

Fig. 7. Imaging system

图 8. 点阵列图

Fig. 8. Spot diagram

图 9. 分辨率仿真验证结果。(a) 400 nm与402 nm的光谱分布;(b) 700 nm与702.5 nm的光谱分布;(c) 1000 nm与1002 nm的光谱分布

Fig. 9. Resolution simulation verification results. (a) Spectral distribution of 400 nm and 402 nm; (b) spectral distribution of 700 nm and 702.5 nm; (c) spectral distribution of 1000 nm and 1002 nm

图 10. 光谱色散分布对比图。(a)文献[ 9]的仿真结果图;(b)文献[ 29]的仿真结果图;(c)本文的仿真结果图

Fig. 10. Comparison of spectral dispersion distribution. (a) In Ref. [9]; (b) in Ref. [29]; (c) ours

图 11. 实验测试环境

Fig. 11. Experimental test environment

图 12. 光谱分辨率实验结果图。 (a) 420 nm附近;(b) 600 nm附近;(c) 780 nm附近

Fig. 12. Experiment results of sresolution. (a) Near 420 nm; (b) near 600 nm; (c) near 780 nm

图 13. 光谱分布实验结果图

Fig. 13. Experiment results of spectral distribution

表 1成像光谱仪设计指标参数

Table1. Design index parameters of imaging spectrometer

表 2分辨率对比结果

Table2. Resolution comparison results

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