光谱能够反映物质分子结构信息，在生物、化学、 医药材料、食品工业以及地质勘探等领域起着重要的 作用[1-2]。随着科学技术日新月异的发展和众多前沿学 科的互相交叉、渗透和融合，对光谱仪提出了宽光谱、 高分辨力、小型化等一系列新要求，因而微型光谱仪 受到了极大的关注。目前光谱仪有多种光路结构，其 中，光栅菲涅尔光谱仪，即在光谱仪结构中采用平面 透射衍射光栅，会使测量光谱范围较窄[3]；采用凹面 衍射成像系统的光谱仪成本较高、体积较大，其广泛 应用有一定的局限性[4]；Czerny-Turner 光路结构不仅 可以避免二次或多次衍射，而且便于光学元件的加工 与调装，具有测量范围宽、结构简单、成本低廉等特 点，被广泛应用于微型光谱仪中[5]。近年来，国内外 的研究人员对微型光谱仪的设计和性能进行了大量的 研究工作,浙江大学的夏果等人采用在探测器前加柱 面透镜用于消除离轴像散，且采用了交叉性光路结构， 虽然体积上实现了小型化，但其分辨力仅为 0.3 nm∼0.4 nm[6]。浙江大学的刘康等人研制了一台双光路 结构的微型光谱仪，中心波长分辨率为 1 nm，边缘波 长分辨率为 2 nm[7] 。徐明明等人基于对称式 Czerny-Turner结构，提出使用两块平面光栅进行光谱 分离的方法，从理论上设计了一种光谱分辨力优于 1 nm 光谱仪光学系统，但此光学系统的分辨力与现阶 段的微型光谱仪的分辨力相差一个数量级，而且并未 考虑小体积这一设计指标[8]。另外，美国海洋光学和 上海复享公司所设计出的微型光谱仪分辨力往往也在 0.1 nm∼0.9 nm之间。显然上述光谱仪分辨力一般大于 0.3 nm，无法满足某些对于分辨力要求很高的领域， 如在大气层中临边成像光谱探测时，由于受大气层中 颗粒的种类和成分多及大气湿度等客观条件影响，对 光谱仪的分辨力要求极高，分辨力可达 0.06 nm∼0.08 nm[9-10]；在对钢铁中杂质元素的测定时，由于杂质元 素的光谱特别复杂，谱线繁多，当其以基体元素存在 时，往往会对其他元素的测定产生光谱干扰。这就要 求光谱仪有很高的分辨力[11]；另外，小体积光谱仪易 于携带，更方便公安部门现场检测毒品、执法部门现 场检测工厂污水以及地质学家现场检测矿石成分等。鉴于此，本文以满足外形尺寸、光谱分辨力、光 谱范围、探测器(CCD)上光谱信号覆盖区域为条件， 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，并在此基础上优化出 8 个光栅倾斜角度，从而设计了光谱范围为 820 nm∼980 nm，分辨力可达到 0.05 nm，外型尺寸为 90 mm×130 mm×40 mm 的 Czerny-Turner结构的微型光谱仪。 

2.光路结构的设计及参数选择 

2.1.Czerny-Turner(CT)光路结构 

光路设计是微型光谱仪的重要组成部分，光谱分 辨能力直接影响了微型光谱仪测量系统的性能。目前，平面光栅光谱仪绝大多数采用 Czerny-Turner光路结构，其根本原因，首先在于此结构安排紧凑、体积小、 成本低，其次在于该结构简单、光路对称且和谱面基 本平直。另外，此结构的像质随离开中心距离增大而 变坏的速度较其他反射成像结构要慢得多，因此能保 证获得满意像质的较宽光谱[12]。该结构是由狭缝、球 面反射准直镜、平面衍射光栅、球面反射聚焦镜和 CCD组成[13-14]。入射光线由狭缝入射，经准直镜将光 线准直后投向光栅上，光栅将不同波长的光线分开， 最后由聚光镜将分开的光线聚焦照射到探测器 CCD 上，进行相应的信号采集与分析。CT 光路结构分为 M型和交叉型，其中 M型光路在光谱测量范围内的彗 差和分辨力稳定性较好。 

M型CT光路结构如图1所示，准直镜和聚光镜的半径为 r1 和r2 ， α和β分别为主光线到达准直和聚 光镜上的入射角度， H1是准直镜中心到衍射光栅中心 的竖直方向的距离， H2是聚光镜中心到衍射光栅中心的竖直方向的距离，x是准直镜中心到衍射光栅中心水平方向的距离，f为聚光镜中心到光栅中心的水平距离。 

图1 M型CT光路结构图 

Fig. 1 The CT optical path structure of M-type 

M型CT结构还可以分为对称型CT结构和非对称型CT结构，对称型CT结构需要满足条件： 

H1=H2，r1≠r2，α=β。

这种结构如果要消除彗差的影响，在结构上还需 要满足[15]： 

    （1）

非对称型 CT结构需要满足：

H1=H2，r1=r2。

这种结构如果要消除彗差的影响，在结构上还需 要满足[15]： 

 （2）

相对于对称式 CT 结构，非对称式 CT 结构具有 体积小、杂散光小和方便调节等优点[15]。因此 M 型 CT结构中更适合采用非对称的 CT