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。

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。

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。

由于光谱仪的尺寸限制，微型光谱仪在满足一定光谱范围时，其分辨力往往难以小于0.1 nm。而一些特殊应用场合要求光谱仪不仅具有微小的尺寸，还要求具有极高的光谱分辨力。本文基于Zemax 光学设计软件，通过选择合适的初始结构参数与评价函数，自动优化准直镜、聚焦镜、柱透镜、光栅，以及CCD 间倾角和距离，设计出光谱分辨力高达0.05 nm，尺寸为90 mm×130 mm×40 mm 的Czerny-Turner 结构微型光谱仪。在此基础上优化出8 个光栅倾斜角度，使微型光谱仪光谱分辨力在优于0.05 nm 的同时，波段范围达到了820 nm～980 nm。所设计的光谱仪具有超高的光谱分辨力、微小的外形尺寸与适中的光谱范围等特点。

为了同时满足光谱分辨率、光谱范围、探测器(CCD)上光谱信号覆盖区域要求, 提出一种基于CzernyTurner(CT)结构拉曼光谱仪的综合设计方法, 通过Zemax软件采用逐步手动调节光栅倾斜, 自动优化聚焦镜、柱面镜以及CCD间倾角和距离的方式, 设计出全波段光谱分辨率优于4 cm-1, 光谱波数范围为80~3 967 cm-1, 光学结构尺寸为90 mm×130 mm×40 mm的微型拉曼光谱仪。

为了探究Czerny-Turner(CT)光路结构在装配过程中各个光学元件偏离理论光学设计参量时对光谱仪光学性能的影响，建立数学物理模型还原Zemax设计的非对称CT结构光路，在不影响光谱仪分辨率的条件下，调节CT结构中的各元件，得到各元件的可调节冗余量.结果表明，准直镜和衍射光栅偏转角度可调节范围分别为±0.19°和±0.17°; 聚光镜和CCD的位置可调节范围都为±0.12 mm.以上四个变量的可调节冗余量最小，对光谱仪最终分辨率影响较大.该研究对CT结构中各光学元件机械调节机构的设计具有参考意义.

根据Czerny-Turner结构光谱仪工作原理, 以便携式微型光学系统为设计目标, 设计了一种光谱范围为200~900 nm的交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统.通过分辨率、光谱范围等设计要求确定光谱仪大致结构后, 引入初级像差对初始结构进行进一步优化.首次提出将球差约束条件与光阑面选取相结合, 设计流程确定准直镜通光口径、光栅初始尺寸及聚焦镜中心波长对应口径, 继而结合彗差约束条件, 确定球面镜离轴角, 并基于几何光学确定聚焦镜初始通光口径的方法.利用ZEMAX软件对初始参量进行模拟优化, 并采用自主研制的样机进行光谱测量, 分析结果表明, 该光学系统能够在狭缝宽度为25 μm, 光栅常数为1.667 μm/line条件下, 实现中心波长分辨率优于1 nm, 边缘波长分辨率优于1.5 nm.

针对宽波段Czerny-Turner结构像散校正存在的问题，分析了影响光学系统像散校正的主要因素。基于发散光束照射平面光栅的像差理论，应用Matlab软件模拟分析了光学系统产生像散的原因和相应抑制方法的不足。讨论了了准直镜离轴角与聚焦镜离轴角的角度差值α和光学系统像散S之间关系，理论模拟了α取不同值时，宽波段C-T结构的全波段像散校正情况。为了验证理论分析的正确性，设计了光谱段为900~1 700 nm的消像散型光学系统，利用光学设计软件Zemax对该波段的光学系统进行了光线追迹和设计优化，并对设计结果进行处理和分析。结果显示: 随着角度差值的逐渐增大，短波波段像散校正能力越来越强，像散校正能力提高了1.6倍左右; 长波波段像散束缚能力越来越弱，像散校正能力平均降低了1.27倍左右。得到的结果表明: 角度差值的合理选取可以为宽波段Czerny-Turner结构的像散校正提供理论指导。

针对Czerny-Turner结构光谱仪宽波段像散很难同时校正的不足，提出了一种复合方法校正像散，即在一阶消像散方法校正宽波段像散的能力达到极限时，加入柱镜，利用柱镜的相反像散变化趋势，进一步补偿光学系统的剩余像散，推导出复合方法的边缘波段像散补偿公式。应用复合方法，设计了1个近红外900~1700 nm的消像散Czerny-Turner结构。Zemax的仿真结果表明，全波段全视场均方根（RMS）值均小于14 μm，调制传递函数(MTF)达到0.7以上，全波段的光谱分辨率为1.5 nm。保证了在高光谱分辨率的情况下，实现了近红外800 nm宽波段像散的同时校正，避免了能量的横向扩散。该设计方法同样适用其他波段的结构设计，对宽波段消像散型光学系统的设计具有指导意义。