研究了一种在近红外波段具备良好成像能力的双凹面光栅成像光谱仪系统。对这种串联光栅系统中存在的主要像差像散和彗差进行了分析, 并计算获得了该系统的最优成像条件: 两个光栅和柱面透镜的最优摆放位置。这种改进型的Wadsworth系统可以在全波段近似消除彗差和像散, 具备良好的光学成像质量, 并仅通过刻线密度较低的光栅即可实现高光谱分辨率。设计了一个工作于780~1 100 nm波段的成像光谱仪系统, 其光谱采样达到0.92 nm/pixel, 全视场调制传递函数在17 lp/mm的奈奎斯特频率下高于0.45, 系统像差得到充分校正, 且加工和装调公差比较宽松。研究结果分析证明了设计理论的正确性。

为解决罗兰光栅光谱成像不易直接读取、平面场凹面光栅成像算法复杂等问题,设计了一种基于全息凹面光栅原理的用于特定蛋白分析仪生化检测的分光光度计。该结构以罗兰光栅为基底,采用双透镜作为过渡元件,将罗兰光栅的曲面成像过渡成平场光谱,同时采用光学设计软件Zemax对该结构进行模拟和优化。优化结果表明,分光光度计能够实现光谱平场化,工作波段为320~800 nm,最高分辨率可达0.5 nm,整体分辨率优于1.7 nm,可被光电二极管阵列直接读取,结构特性满足特定蛋白分析仪的测量要求。样机实验结果与模拟结果一致,仪器重复性、准确度、稳定性及线性度均达到行业标准。

全息凹面光栅光谱仪具有平谱面、小型化、大孔径、高分辨率等优点。首先从信息光学的角度推导了全息凹面光栅的成像公式,在垂直于狭缝和平行于狭缝的平面上系统分析了全息凹面光栅光谱仪的成像性能;在垂直于狭缝的平面上,全息凹面光栅光谱仪具有良好的平谱面性;在平行于狭缝的平面上,全息凹面光栅光谱仪克服了传统平面光栅的谱线弯曲和色畸变,实现了谱线平直成像;此外指出全息凹面光栅光谱仪固有的弧矢场曲对视场扩展的限制。然后根据理论分析结果提出了结构对称消场曲的全息凹面光栅光谱仪的设计思想,利用ZEMAX软件优化设计了像差补偿型全息凹面光栅光谱仪。在保证相对孔径F#=3、光谱分辨率为20 nm/mm、空间分辨率小于25 μm等技术指标不变的前提下,设计了狭缝长度为0.4 mm的传统单球面镜全息凹面光栅光谱仪和狭缝长度为8 mm的像差补偿型全息凹面光栅光谱仪。结果表明,改进后的像差补偿型全息凹面光栅光谱仪成功地将视场扩大为单球面镜全息凹面光栅光谱仪的20倍。

为了满足太阳光谱在170~380 nm波段的精确观测需求, 设计了波长重复性精度优于±002 nm的紫外双光栅光谱仪。波长扫描机构是双光栅光谱仪的关键组件, 根据凹面光栅色散原理, 将光学设计指标转换为波长扫描机构设计的输入参数, 分析了影响光谱仪波长重复性精度的误差源。根据分析结果得知, 丝杠的重复定位误差是影响波长重复性的主要误差源。选用重复定位精度为±2 μm的丝杠设计了波长扫描机构, 并对光谱仪整机进行了设计。以汞灯光源对光谱仪的波长重复性指标进行了验证实验。实验结果表明, 设计的光谱仪波长重复性介于-0005~+0007 nm之间, 满足波长重复性优于±002 nm的指标要求。

凹面衍射光栅兼具色散分光与光束聚焦功能, 同时具有像差校正、 低杂散光、 无鬼线和高信噪比等优势而受到光谱仪器领域的广泛关注。 衍射效率作为凹面光栅最重要的技术指标之一, 其测量技术水平逐渐成为光谱仪器行业最为关注的课题之一。 传统方法一般采用双单色仪结构实现凹面光栅衍射效率的测量, 该方法主要存在两方面问题, 一是测量标准反射镜和待测光栅的出射光谱带宽不同, 二是光栅叠级、 杂散光的影响; 上述问题的存在降低了高性能凹面光栅衍射效率测量的准确性。 本文提出了一种基于傅里叶光学原理测量凹面光栅衍射效率的新方法; 针对该方法建立了凹面光栅衍射效率测量的数学模型, 并采用光学追迹和傅里叶光学方法相结合对其进行了仿真分析, 从而验证了该方法的正确性; 针对动镜横移误差、 倾斜误差、 光源稳定性、 动镜运动距离误差等因素影响凹面光栅衍射效率测量精度的问题, 提出引入辅助探测器的方法来进一步提高衍射效率测量精度, 并对有无辅助探测器情况下的上述误差对衍射效率的影响进行了数学推导和仿真分析, 分析结果表明引入辅助探测器可以有效抑制了上述误差对凹面光栅衍射效率测量的影响。 对比传统双单色仪测量方法而言, 该方法不仅能够解决传统测量方法存在的问题, 同时还具有多波长同时测量、 高光通量、 高分辨率、 高波数精度等优势, 可以有效提高凹面光栅衍射效率的测量精度和测量效率。

近红外光谱分析作为石油勘探过程中油品成分鉴别的一种重要手段，多年来引起人们的广泛关注和深入研究。针对石油勘探过程中油藏井温度高、空间局促等苛刻环境条件，研制了一种能够在高温环境中连续稳定工作的实用化微型近红外光谱分析仪，其体积为154 mm×66.5 mm×38 mm。该微型近红外光谱分析仪采用凹面光栅作为分光元件，针对油气特征波段进行理论计算和Zemax软件仿真，设计出通量高、杂散光少、成像优质的全息凹面光栅。探测器选用Hamamatsu公司二级半导体制冷线阵电荷耦合器件(CCD)，通过合理的光路设计和紧凑的结构布局，实现了在70 ℃的高温环境下稳定工作。通过标定及相关性能测试，结果表明：该微型近红外光谱分析仪光谱范围达到1550~1890 nm，分辨率优于4.8 nm，波长准确性±1.1 nm，信噪比1202∶1；利用该光谱分析仪对0#柴油和水的吸光度进行了应用实验，结果充分证明该系统的实用化水平。

为满足红外双光栅光谱仪波长重复性±0.05 nm的指标要求，设计了光谱仪的波长扫描机构，分析了影响波长重复性的误差源。根据光谱仪结构特点和指标要求，设计了基于丝杠和摆杆的正弦机构作为波长扫描机构，依据凹面光栅扫描原理，推导了光机参数转换公式，分析了各误差源对波长扫描机构的影响。分析结果表明，在丝杠重复定位精度为±1.2 μm时，光谱仪在760~2200 nm波段范围内的重复性应优于±0.05 nm。设计了红外双光栅光谱仪原理样机，并进行了实验验证。以汞灯为光源对其多个特征波长进行7次扫描，计算波长扫描机构在特征波长处的波长重复性。实验结果表明，光谱仪的波长重复性为-0.038~0.041 nm，波长扫描机构满足使用要求。

本文从凹面光栅的理论分辨力和像差、狭缝的宽度和高度、光栅基片的尺寸大小等角度出发，推导了系统分辨力的计算公式，得出系统优化设计的新方法。得出以下结论：系统不能通过无限增加光栅刻线数来提高分辨力；狭缝宽度的选择要综合考虑入射光的能量和分辨力的大小；狭缝宽度对系统分辨力的影响远远大于狭缝高度和凹面光栅的理论分辨力的影响；提出了基片尺寸大小的计算公式和优化设计的方法。本文的理论计算值与实验结果相一致。

构建满足凹面光栅使用条件的精确检测系统来检测凹面光栅的分辨率,根据系统的光源带宽、狭缝宽度和探测器像素尺寸的理论分析,结合凹面光栅的像差分析,给出一种凹面光栅分辨率检测系统的检测方法。系统按照JB/T 8239.2—95《衍射光栅技术条件》的标准方法,定量分析出上述三个因素的影响量,并提出了合理的计算方法,从而在检测系统的测量值中得到了凹面光栅实际的分辨率值。通过实验验证,实际检测结果与理论分析结果相差0.001 0~0.003 7 nm,是一种能够真实反映凹面光栅分辨率的光学检测方法。