1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院， 上海 200093
2 上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室， 上海 200093
为了提高高端探测器的利用率与增强拉曼光谱仪同时对不同物质检测的适用性，将多个波长激发的拉曼光谱仪集成设计成为一个光谱仪，将具有重要的应用价值。提出了一种基于CT结构双波长（532nm和785nm）激发的双通道拉曼光谱仪设计方法。所采用的这种设计方法基于探测器的工作特点为实现双光路结构同时工作创造了条件，从而最大程度的增加了光谱测量范围，同时该方法也实现了对探测器的有效感光面像元的充分利用并且最大程度地实现了高光谱分辨率。优化结果表明对于532nm的激发波长，分辨率为5cm-1、光谱范围达到80~4200cm-1；对于785nm的激发波长，分辨率为3cm-1、光谱范围达到200~2300cm-1。
双激发波长 双光路光谱仪 拉曼光谱仪 集成设计 光谱仪光路设计 dual excitation wavelength dual optical path spectrometer raman spectrometer integration design spectrometer light path design
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针对有限像元数目的不同型号CCD, 设计出同时具有低波数、高分辨率和宽光谱特点的光谱仪, 对于提高拉曼光谱仪光学性能和满足集成化需求具有重要意义。针对2048像元数的CCD, 基于消彗差Czerny-Turner M型光路结构, 同时引入柱面透镜改善弧矢方向的像差, 成功设计了一款激发波长为532nm, 光谱范围为10~2500cm-1, 分辨率为3cm-1的低波数高分辨率拉曼光谱仪;成像系统点列图、RMS(均方根)半径和调制传递函数(MTF)曲线值均有效证明了其光学性能完全满足设计要求;以此光路结构为基础, 将CCD替换为另一种型号的1024像元数CCD, 通过选用分光能力更强的光栅, 并优化光栅角度, 微调聚焦镜和像面位置参数, 最终使该拉曼光谱仪光谱范围达到10~1800cm-1, 分辨率提高到1.8cm-1。这两套光路均最大程度的利用了CCD的有限像元数, 有效实现了高分辨率与宽光谱。同时两套光路的光学元件位置变化较小, 有效保证了多型号CCD的光谱仪光机集成化设计要求。本文的工作不仅保证了光谱仪光机系统的集成化要求, 同时满足系统低波数、高分辨率和宽光谱的设计要求, 具有重要的实用价值。
光谱学 拉曼光谱仪 低波数 高分辨率 宽光谱 光学设计 spectroscopy Raman spectrometer low wavenumber high-resolution broad-spectrum optical design
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为了满足光栅型光谱仪高分辨率、小型化以及宽谱段的需求，设计了一种基于Czerny-Turner（C-T）型光路结构的拉曼光谱仪。通过Zemax光学设计软件对聚焦镜、准直镜、柱面镜、CCD的倾角和间距进行了自动优化，并设置合理操作数来消除系统的球差和彗差，利用柱面镜来消除系统像散。所设计的拉曼光谱仪波段范围在80～ 3 200 cm−1，运用了Zemax操作数平衡光谱仪分辨率、工作波段和体积三个重要指标。设计结果表明，该仪器在785 nm波长激发下，全波段光谱分辨率优于3 cm−1，光学结构体积为70 mm × 80 mm × 25 mm。
光栅 光谱仪 像差理论 分辨率 光学设计 grating spectrometer aberration theory resolution optical design
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
发射透镜直接准直半导体激光光源方案能够使线扫描激光雷达结构更紧凑、成本更低, 但是由于高功率半导体激光光源发热严重会导致光学元件热变形, 从而导致探测器接收到的光功率急剧降低而不可探测。提出了一种30m探测距离的线扫描激光雷达光路的光机热集成优化设计方法。以预设工作温度40℃至80℃的中间温度60℃为初始条件, 基于Zemax软件优化设计了发射透镜与接收透镜的光路系统, 使工作温度为60℃时的光路系统光学性能最佳; 使用有限元方法分析该光路与相应的机械结构随温度变化时光学元件热形变的情况, 通过添加SiO2气凝胶作为隔热材料进行光路系统的机械结构优化。优化结果表明, 采用光机热集成优化设计方法后, 优化后的光路与机械结构在工作温度40℃至80℃范围内探测器接收到的光功率始终在10-4w量级, 相比仅仅使用Zemax软件优化设计发射透镜与接收透镜方法（探测器接收到的光功率10-6~10-4w）有了显著的提升。
应用光学 激光雷达 光学设计 热分析 Zernike拟合 applied optics laser radar optical design thermal design Zernike fitting
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针对不同激光波长激发测试样品所需拉曼光谱范围的差异性问题，同时为了保证拉曼光谱仪的小型化及高分辨率需求，提出一种以Czerny-Turner 光路结构为基础的微型拉曼光谱仪，通过Zemax光学设计软件对光谱仪的准直镜、聚焦镜、柱面镜、光栅以及CCD的倾角及距离进行了优化。该仪器激光波长为633 nm，光谱范围为640～800 nm。进一步优化光栅旋转角度并配合聚焦镜，可使此光学系统同时适用于激光波长532 nm、光谱范围540～650 nm和激光波长785 nm、光谱范围790～1 000 nm两个波段。拉曼光谱仪分辨率为0.1 nm，该光谱仪在保证高分辨率的情况下解决了不同波段范围光学结构差异性大而导致光机设计很难整合在一起的问题。
微型拉曼光谱仪 高分辨率 光学设计 miniature-Raman spectrometer high resolution optical design
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针对激光共焦扫描显微镜的往复式逐行扫描成像方式带来的帧图像数据分割难的问题，在分析系统扫描方式、振镜的实际运动方式与理论运动方式差异的基础上，利用相邻两帧图像相似性大的特点，提出了一套完整的高帧速重构算法。该算法通过连续帧特征区域差分的方式实现了一维信号序列的自适应分割，即实现了对一维信号序列进行动态排列及分割成二维阵列图像数据，从而重构出多帧高精度图像。实验表明，该算法的成像误差低于1.6 %，适用于成像速度高达300帧/s的激光共焦扫描显微成像。
激光共焦扫描显微镜 快速成像 图像处理 振镜扫描 laser confocal scanning microscope rapid imaging image processing galvanometer scan
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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。
光学设计 光谱仪 Czerny-Turner结构 紧凑 防干涉 optical design spectrometer Czerny-Turner structure compact interference prevention
