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基于衍射光栅的光谱检测系统的光学设计 　　【摘 要】为了满足光谱检测系统模块化、微型化的要求，以光谱检测仪基本工作原理和光学设计理论为基础，能满足一定光谱范围和分辨率要求为具体设计目标，提出了基于全息体相位光栅与铟镓砷（InGaAs）探测器阵列的光谱检测系统的光路结构，使用Zemax软件对其分光系统及成像系统进行优化设计及结果分析。该系统光谱检测范围为1525nm～1570nm，分辨率小于0.31nm，谱面展宽为7.3mm，光学系统尺寸为38mm×31mm×5mm。优化结果满足系统要求。 　　【关键词】光学设计；光谱检测；Zemax；衍射光栅 　　Design of Spectrum Detecting System Based on Diffraction Grating 　　YANG Hao-kun ZHAO Dong-e LIU Ji HUO Han 　　（National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology， North University of China， Taiyuan Shanxi 030051， China） 　　【Abstract】The structure of the optic path for the spectrum detecting system which based on volume phase holographic grating and InGaAs linear array detector is put forward， in order to satisfy the request of modularization and miniaturization. Upon the basic working principle and optical design theory， this new structure can meet the specific design objectives of the spectrum range and the resolution value. Zemax can be used for optimum design and analysis of the diffraction system and imaging system. The structure， with a resolution rate of less than 0.31nm and a 7.3mm broadening of the spectrum， can test spectral coverage from 1525nm to 1570nm. The size of the optical system is 38mm×31mm×5mm. The optimization results meet the design requirements. 　　【Key words】Optical design； Spectrum detection； Zemax； Diffraction grating 　　0 引言 　　光谱检测系统是应用光学技术及光谱技术原理，对物质的结构和成分进行观测、分析和处理的基本系统，是光谱仪器的核心部分。随着技术的进步，其发展逐步趋向模块化、小型化。基于衍射光栅和探测器阵列的小型化光谱检测系统，由于其全固态、无活动部件设计，具有寿命长、抗冲击及振动的优点，在恶劣环境下的长期监测中具有广泛的应用[1]。本文以全息透射式衍射光栅作为色散部件，以线阵InGaAs作为探测器，利用Zemax软件对光谱检测系统的光路结构进行设计，有效的控制光学总长并消除像差，设计结果满足系统要求[2]。 　　1 系统的原理及结构 　　该系统的分光元件采用透射式体相位光栅，其衍射效率高，实际可达92%以上，当入射角大于41°时，透射全息光栅比反射全息光栅的波长灵敏度高。光谱检测范围为1525nm～1570nm，因此探测器选用对该波长范围敏感的InGaAs线阵探测器。InGaAs探测器像元大小为50μm×250μm，根据实际谱面展宽决定选择探测器的像元个数及整体长度。同时，基于系统的微型化考虑，该系统采用两块衍射光栅，保证在提高波长分辨力的同时减小整个光学系统的尺寸。 　　光源通过狭缝进入系统，经过准直镜后的光可近似认为是平行光束。不同波长的光束，经过两块衍射光栅后，具有不同空间传播方向的透射角[3]，最后由球面反射镜将光束会聚在探测器上。探测器将光信号转化为电信号，将数据传回上位机，通过软件算法实现光谱的检测。 　　2 系统参数 　　该系统由准直透镜，衍射