针对目前手持拉曼的微型光谱仪的光谱范围较窄, 光谱分辨率较差, 体积较大等技术短板, 提出一种用于手持拉曼的宽谱段高分辨分光系统设计方法。在综合考虑安装调试及性能基础上, 创新性采用楔形柱面镜消除像散, 既保证了信号强度又便于机械安装。在约束不同波长经过光栅衍射后, 出射光束口径变化的前提下, 利用交叉式非对称Czerny-Turner光路结构的像差特性, 实现全谱范围内的慧差矫正。基于ZEMAX软件对光谱仪结构进行仿真和优化, 并完成了样机研制, 样机尺寸为72mm×43mm×62mm。采用氦-氖灯对其性能进行了测试, 结果表明: 分辨率优于6cm-1、拉曼光谱范围150~4000cm-1,验证了该微型光谱仪系统光学设计的可行性和合理性。

Czerny-Turner型光栅光谱探测技术凭借其色散均匀、灵敏度高、光谱探测范围宽等优势成为现代光谱仪器研究的热点, 广泛应用在生物学、医学、材料科学等领域, 但受限于像散, 系统的成像质量和分辨力难以进一步提高。为解决上述问题, 提出了基于复曲面镜的高分辨Czerny-Turner光谱探测技术, 通过复曲面镜子午和弧矢方向焦距不同的特性来校正像散, 在保证C-T型光谱仪高灵敏、宽谱段优点的前提下, 改善成像质量, 提高系统分辨力。理论分析和实验结果表明, 复曲面镜消像散光谱仪样机基于10nm扫描间隔的光谱拼接技术, 在400~800nm工作波段范围内光谱分辨力达到0.020nm。为C-T型光谱仪的分辨力改进提供了一种可行途径。

为满足宽波段高光谱 Czerny-Turner 结构光谱仪的要求, 基于像差理论, 一方面通过光栅产生的像散补偿球面反射镜的像散, 另一方面通过柱面镜引入相反像散补偿剩余像散, 达到全波段消像散的要求, 从而提高 Czerny-Turner 结构光谱仪成像系统的分辨率。首先理论推导出光栅和柱面镜补偿像散的基础公式, 并基于此分别设计出波段为 900～1700 nm 和 1700～2500 nm 全波段消像散的 Czerny-Turner 光谱仪成像系统, 随后通过前置光路将两部分组合, 从而实现波段范围在 900～2500 nm 的消像散 Czerny-Turner 结构光谱仪成像系统。此光谱仪系统全波段分辨率小于 10 nm, 物方数值孔径 0.07, 全波段点列图均方根半径小于 4 μm。ZEMAX 的优化分析表明, 该光谱仪在全波段范围内不仅达到消像散要求, 而且具有较好的成像质量。

针对M型Czerny-Turner光谱仪在像差校正时可能会出现的二次衍射问题，提出了此光学结构在消慧差条件下的反二次衍射条件。分析了二次衍射出现的主要因素，并进行了理论推导。结合反二次衍射条件与消慧差优化的约束条件，搭建了M型消慧差Czerny-Turner结构光谱仪。为了验证理论分析的正确性，使用Zemax OpticStudio仿真软件进行了对比实验。仿真结果表明：满足约束条件的M型光路结构中不会出现二次衍射现象，而不满足约束条件的M型光路结构中则会出现二次衍射现象，与理论分析结果相符。在入射狭缝宽度为25 μm、光栅刻线密度为600 line/mm的条件下，软件优化后的光学系统在200~500 nm范围内的光谱分辨率优于1 nm。

传统Czerny-Turner光谱仪系统中，像散是影响光谱仪成像质量并限制其在分析领域中进一步应用的主要因素。针对这一问题，提出了柱面反射式消像散Czerny-Turner光谱仪高分辨探测技术。使用柱面反射镜校正系统像散，能够提高系统像质，在具有良好工艺性的同时，保证宽波段C-T光谱仪的实际分辨力。实验证明，柱面反射式消像散C-T光谱仪的分辨力在400~800nm的探测范围内可以达到0.02 nm。该技术能够提高光谱仪的性能，为高分辨宽波段的光谱仪研制提供可行方法。

传统Czerny-Turner结构的成像光谱仪存在固有的像散, 为选择合理的消像散结构。对现有的消像散方法进行了比较, 在不忽略光栅与准直镜和聚焦镜距离的情况下, 分析了传统Czerny-Turner光谱仪的零阶消像散条件, 推导出子午和弧矢焦长的表达式, 并利用MATLAB精确计算出零阶消像散的光学结构参数。此外, 分析了用超环面聚焦镜代替球面镜、加入柱面反射镜和柱面透镜等方法的消像散条件, 并在可见光波段分别对初始Czerny-Turner结构进行改进优化。所有方法在整个波段内都较好地校正了像散, 将平面光栅置于发散光路中的方法不引入复杂光学元件, 结构简单、加工成本低、易于装调, 最具推广价值。

在满足光谱性能的同时, 能最大化减小 Czerny-Turner(CT)光谱仪光学系统尺寸, 并防止入射光线与衍射光线发生干涉, 创建了完整的结构参量选定体系。提出了光栅方程的变式, 确定了防止入射光线与衍射光线发生干涉的约束条件, 建立了光路结构的数学模型, 确定了各个结构参量的计算公式。在此基础上将参量的确定过程编程简化, 输入系统的分辨率、波长范围、数值孔径值和元件之间最小距离, 即可直接得到光路结构的所有设计参量, 实现了快速通用的 CT光谱仪的设计方法。通过实例验证得到光谱范围 780～1020 nm、分辨率 0.4 nm、体积 54 mm×56 mm×30 mm的光谱系统, 可为其他设计提供参考。