專利名稱：具有像差校正凹面衍射光柵和透射像差校正器的光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜儀和其中使用的光學(xué)系統(tǒng)，特別是，本發(fā)明所涉及的光學(xué)系統(tǒng)改進(jìn)了光譜儀的功能，增加了設(shè)計(jì)上的靈活性和設(shè)計(jì)方案的選擇性。
背景技術(shù)：
光譜儀是用于測(cè)量和/或記錄在可見光或不可見光譜范圍內(nèi)的在某一特定范圍內(nèi)的光輻射的電磁波譜線。它把入射的輻射依頻率或波長(zhǎng)分開，并用于頻譜分析，以確定和分析物質(zhì)成分。例如，光譜儀產(chǎn)生譜線(能帶)，可用以測(cè)量，記錄和分析這些譜線的組成波長(zhǎng)和強(qiáng)度。光譜儀通常工作在一個(gè)預(yù)先選擇的特定的波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)，這個(gè)區(qū)間可從α 射線，X光到遠(yuǎn)紅外的范圍內(nèi)選擇。
光譜儀已有長(zhǎng)期的演變，并為不同的應(yīng)用和用途發(fā)展成許多不同的類型。 盡管相比于傳統(tǒng)的Czerny-Turner結(jié)構(gòu)，其功能和質(zhì)量已有很多提高，但是高質(zhì)量的光譜、 系統(tǒng)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性以及特殊的功能的組合仍然是光譜儀的設(shè)計(jì)上的巨大挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于獨(dú)特的光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，它結(jié)合了各種期望的優(yōu)點(diǎn)，包括優(yōu)異的性能、設(shè)計(jì)的靈活性和高質(zhì)量光譜像質(zhì)。依如下所述，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)利用了一個(gè)像差校正凹面光柵以及一個(gè)或多個(gè)透射像差校正器。
例如，二個(gè)透射材料單元用作像差校正器，一個(gè)用在光束入射到凹面衍射光柵的光路上，而另外一個(gè)用在衍射光到達(dá)像平面的光路上。
本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)和光譜儀具有下列的優(yōu)點(diǎn)
(1)本光學(xué)系統(tǒng)包括像差校正凹面光柵，其具有不相等的間隔和彎曲的光柵條紋圖案。特定的光柵條紋圖案(比如凹槽)是依特定用途與透視像差校正器件一起設(shè)計(jì)的。這個(gè)特點(diǎn)使通常的光學(xué)系統(tǒng)、特別是光學(xué)元件的設(shè)計(jì)和安置更具自由和靈活性。在入射狹縫，像差校正器，凹面光柵和圖像記錄裝置(或者探頭)之間的幾何自由度和位置安排選擇上的增加，使本發(fā)明的光譜儀具有獨(dú)特的功能和用途。
(2)在常用的平場(chǎng)凹面光柵中，其光譜像面的平面性和空間分辯率比羅蘭光柵有了改進(jìn)。但仍然不是很好，尤其當(dāng)視場(chǎng)增大以后。本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)在大視場(chǎng)范圍內(nèi)的光譜分辨率和空間分辨率都比平場(chǎng)凹面光柵的要高得多。
(3)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)具有比反射的Offner光譜儀高得多的色散。Offner 系統(tǒng)的色散不能很大，因?yàn)楫?dāng)光柵色散的提高到某一閥值以后，其衍射光會(huì)被凸面光柵阻擋。本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)沒有這樣的限制。
(4)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)具有幾何尺寸方面的靈活性。例如，可允許設(shè)計(jì)成更小型緊湊的圖像光譜儀。
一方面，本發(fā)明一般地可認(rèn)為是一種光學(xué)組件。該光學(xué)系統(tǒng)包括從光源接受輻射的入射口(狹縫或孔徑)；入射口后光路中的第一透射像差校正器；第一透射像差校正器后光路上的的像差校正凹面衍射光柵，其中該像差校正凹面衍射光柵具有一組非平行的、非等間距的光柵條紋；在像差校正凹面衍射光柵后的第二透射像差校正器；以及在該第二透射像差校正器后用于記錄入射狹縫的光譜像的像平面。光源的輻射在第一透射像差校正器折射后，投射到像差校正凹面衍射光柵，并從該像差校正凹面衍射光柵衍射，再通過第二透射像差校正器的折射，投射到像平面上形成入射口的光譜像。
在某些實(shí)施例中，該第一和/或第二透射像差校正器具有選擇性透過材料，該選擇性透過材料對(duì)光波長(zhǎng)范圍從大約0. 13 μ m到大約20 μ m的輻射進(jìn)行透射。在一些優(yōu)選的光學(xué)組件的實(shí)施例，所述第一和/或第二透射像差校正器具有對(duì)光波長(zhǎng)范圍從大約0. 2 μ m到大約2. 5 μ m進(jìn)行透射的選擇性透過材料。
在另一些實(shí)施例中，像差校正凹面衍射光柵具有不平行的和不等間距的光柵條紋。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述像差校正凹面衍射光柵具有條紋密度大約在50條/mm到 3000條/mm之間的不平行和不等間距的光柵條紋。在更優(yōu)選的實(shí)施例中，所述像差校正凹面衍射光柵具有不平行和不等間距的光柵條紋的密度大約在200條/mm到2000條/mm之間。
所述第一和第二透射像差校正器可由MgF2, UV級(jí)熔融石英玻璃，標(biāo)準(zhǔn)級(jí)熔融石英玻璃，K9光學(xué)玻璃(BK7)，藍(lán)寶石，鍺或硅(或它們的結(jié)合)制成。
像差校正凹面衍射光柵由本領(lǐng)域已知的合適的材料或者以后發(fā)展起來的材料制成，例如光刻膠，金屬薄膜(如鋁、金)，保護(hù)膜材料如MgF2,光柵的基板可用塑料，玻璃，金屬或其他材料做成。
光學(xué)裝置可以包括單通道，即單一入口和相應(yīng)的像平面(或出口)或2個(gè)或多個(gè)入口以及相應(yīng)的2個(gè)或多個(gè)像平面(或出口)。
另一方面，本發(fā)明主要涉及一種光學(xué)系統(tǒng)，其包括從光源接受光輻射的入射口(狹縫或孔徑)；入射狹縫后光路上的透射像差校正器；所述第一透射像差校正器后光路上的像差校正凹面衍射光柵，其中該像差校正凹面衍射光柵具有一組既不平行又不等間距的光柵條紋；光路上再經(jīng)過一次透射像差校正器后用于記錄入射狹縫光譜像的像平面。光源的輻射在透射像差校正器折射后投射到像差校正凹面衍射光柵，并被其衍射，光輻射在投射到像平面、形成狹縫的光譜像之前，再一次被透射像差校正器折射。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種輻射成像的方法。該方法包括從光源接受輻射；通過一第一透射像差校正器折射所述輻射；將被折射的輻射投射到像差校正凹面衍射光柵，并從所述衍射光柵產(chǎn)生衍射輻射，其中，所述像差校正凹面衍射光柵包括一組不平行的和不等間距的光柵條紋，通過一第二透射式像差校正器折射所述衍射輻射，將所述第二像差矯正器折射后的輻射投射到像平面，形成光譜像。
利用本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)成像的(例如分析、測(cè)量、或記錄)輻射包含波長(zhǎng)大約從0. 12 μ m到20 μ m的光束，特別是大約0. 2 μ m到2. 5 μ m波長(zhǎng)的光束。
在另一方面，本發(fā)明涉及另一種輻射成像方法。這方法包括從光源接受輻射，通過一透射像差校正器折射所述輻射；將被折射的輻射投射到一像差校正凹面衍射光柵并且從該像差校正凹面衍射光柵產(chǎn)生一衍射輻射，其中所述像差校正凹面衍射光柵具有一組不平行和不等間距的光柵條紋；將所述衍射輻射再經(jīng)過所述透射像差校正器折射， 將從所述透射像差校正器折射的輻射投射到像平面形成光譜像。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。
圖2是本發(fā)明另一實(shí)施例的的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例的衍射光柵的示意圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例中單通道系統(tǒng)的示意圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例中雙通道系統(tǒng)的示意圖。
圖6是本發(fā)明實(shí)施例中光譜成像系統(tǒng)的示意圖。
圖7列出了本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)中所用的元件的典型材料和相應(yīng)的波長(zhǎng)透
射范圍。
具體實(shí)施例方式
這里呈現(xiàn)的是一種新型的光譜儀光學(xué)裝置，獨(dú)到地綜合了各種預(yù)期的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括優(yōu)異的性能，設(shè)計(jì)上的靈活性，以及高質(zhì)量的光譜像。本發(fā)明的光學(xué)裝置具有像差校正凹面衍射光柵以及一個(gè)或多個(gè)透射像差校正器。例如，二個(gè)透射材料單元被用作像差校正器，一個(gè)用于入射光入射到凹面衍射光柵的光路上，另一個(gè)用于到達(dá)像平面之前的衍射光光路上。
如圖1所示的本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)100包括入射口 110(狹縫或孔徑)，其從輻射源104接受輻射，輻射源104通常不是本光學(xué)系統(tǒng)的一部分。光路上位于入射口 110后的第一透射像差校正器120，光路上位于第一透射像差校正器120后的像差校正凹面衍射光柵140，光路上位于像差校正凹面衍射光柵140后的第二透射像差校正器160 和光路上位于像差校正凹面衍射光柵140后的像平面180(用于顯示、測(cè)量或記錄)。所述第一透射像差校正器120包括在光路上面向狹縫110的接收面IM和面向像差校正凹面衍射光柵140的出射面128。所述第二透射像差校正器160包括在光路上面向像差校正凹面衍射光柵140的接收面164和面向像平面180的出射面168。
在本實(shí)施例中，從輻射源104來的輻射首先通過入射口 110，然后通過第一透射像差校正器120，透過的輻射到達(dá)像差校正凹面衍射光柵140，并發(fā)生衍射。被衍射的輻射通過第二透射像差校正器160，然后，所述輻射被聚焦在像平面180上，用于顯示，測(cè)量禾口記錄。
如圖2所示的本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)的另一實(shí)施例，該光學(xué)裝置200包括入射口 210(狹縫或孔徑)，它從輻射源204接收輻射。輻射源一般不是此光學(xué)裝置的一部分。 一光路上位于入射口 210后的透射像差校正器220，光路上位于透射像差校正器220后的像差校正凹面衍射光柵對(duì)0，以及在光路上位于透射像差校正器220后的像平面280 (用于顯示、測(cè)量或者記錄)。所述透射式像差校正器220包括在光路上面向入射口 210的接收面2 和面向像差校正凹面衍射光柵MO的出射面228。該透射像差校正器220也在像差校正凹面衍射光柵240和像平面280之間的光路中，該光路中的輻射被接收面264接收，從出射面沈8出射。在該實(shí)施例中，出射面2 和接收面264形成透射式像差校正器的一個(gè)表面(出射面2 和接收面264有可能有不同的曲率半徑)。同樣地，接收面2M和出射面 268形成透射式像差校正器的另一表面(接收面2M和出射面268有可能有不同的曲率半徑)。
在本實(shí)施例中從輻射體204來的輻射首先通過入射口 210，然后通過透射像差校正器220。通過的輻射到達(dá)像差校正凹面衍射光柵M0，并被衍射。被衍射的輻射再一次通過透射像差校正器沈0，然后，輻射被聚焦于像平面280上，用于顯示、測(cè)量或記錄。
衍射光柵是把多色的入射光分成其組成波長(zhǎng)成分的光譜光學(xué)零件。也就是它是色散的，使各組成光束向不同方向傳播。各組成光束的傳播方向由光柵條紋間隔，光的波長(zhǎng)，光的入射角和衍射級(jí)來決定。
如圖3是本發(fā)明實(shí)施例的像差校正凹面衍射光柵140(和M0)的示意圖， 其為凹面衍射光柵140(和M0)的一部分的放大圖。光柵的條紋145(和對(duì)幻是蝕刻出來的或用其他方法生產(chǎn)出來的。本實(shí)施例的條紋不是直的(即彎曲的)，并且條紋間隔不是一樣的。光柵條紋145(和對(duì)幻通常也是不平行的(盡管對(duì)某些應(yīng)用也可以是平行的和等間距的)。衍射凹面光柵145 (和對(duì)幻把入射光依組成顏色的波長(zhǎng)在空間上衍射(每一顏色的光往各自特有的方向傳播)。
衍射光柵的材料和形成可以依其用途有不同的選擇和完成辦法。表1列出了用于制造本發(fā)明中衍射光柵的示例材料。表1用于制造衍射光柵的示例材料
保護(hù)材料
金屬鍍層
光刻膠
塑料，玻璃或金屬基板
生產(chǎn)光柵的一種有效方法是用金剛石或者相似的工具機(jī)械地在金屬或塑料等光柵基板上刻出條紋。機(jī)械刻制生產(chǎn)的光柵條紋通常有三角形或者階梯狀的截面。W037]光刻技術(shù)使得光柵可以通過全息干涉方式生產(chǎn)出來。這種光柵通常被稱作全息光柵。全息光柵的條紋截面一般是正弦型的，它的衍射效率一般低于機(jī)刻的光柵。
在一方面，本發(fā)明涉及一種光學(xué)系統(tǒng)。該光學(xué)系統(tǒng)包括用于從光源接受輻射的一入射口(狹縫或孔徑)；在光路上位于入射口后的第一透射像差校正器；在光路上位于第一透射像差校正器后的像差校正凹面衍射光柵，其中像差校正凹面衍射光柵具有一組不平行的和不等間距的條紋；光路上位于像差校正凹面衍射光柵后的第二透射像差校正器；以及在光路上位于所述第二透射像差校正器后的用于記錄入射狹縫的光譜像的像平面。從光源來的輻射被第一透射像差校正器折射，投射到像差校正凹面衍射光柵，并從其衍射，在投射到像平面上形成光譜像之前再通過第二透射像差校正器折射。
入射口依應(yīng)用要求設(shè)計(jì)，用于接收從光源來的輻射。入射口可以是一具有合適形狀和尺寸的狹縫或開孔。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述第一透射像差校正器具有選擇性透過材料，該材料對(duì)波光從大約0. 13 μ m到大約20 μ m的輻射進(jìn)行透射。在某些優(yōu)選實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)中， 所述第一透射像差校正器具有對(duì)波長(zhǎng)從大約0. 2 μ m到大約2. 5 μ m的輻射進(jìn)行透射的選擇性透過材料。
在另一些優(yōu)選的實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)中，所述第二透射像差校正器具有選擇性透過材料，該材料對(duì)波光從大約0. 13 μ m到大約20 μ m的輻射進(jìn)行透射。在更加優(yōu)選的實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)中，所述第二透射像差校正器具有對(duì)波長(zhǎng)從大約0. 2μπι到大約2. 5μπι 進(jìn)行透射的選擇性透過材料。
在一些實(shí)施例中，像差校正凹面衍射光柵具有不平行的和不等間距的條紋。在一些優(yōu)選的設(shè)計(jì)中，像差校正凹面衍射光柵具有條紋密度在大約50條/毫米到大約 3000條/毫米之間的不平行和不等間距的光柵條紋，在更優(yōu)選的一些實(shí)施例中，像差校正凹面衍射光柵具有條紋密度在大約200條/毫米到大約2000條/毫米的不平行和不等間距的光柵條紋。
根據(jù)具體的應(yīng)用和設(shè)計(jì)，所述第一透射像差校正器可以具有平面或曲面的接收面，該接收面在光路上是面向入射口的。
根據(jù)專門的應(yīng)用和設(shè)計(jì)，所述第一透射像差校正器具有在光路上面向像差校正凹面衍射光柵的是曲面的出射面(盡管有罕見情況，所述第一透射像差校正器具有一在光路上面向像差校正凹面衍射光柵的為平面的出射面)。
根據(jù)專門的應(yīng)用和設(shè)計(jì)，所述第二透射像差校正器在光路上面向光柵的接收面是曲面(盡管罕見地在一些實(shí)施例中，所述第二透射像差校正器具有一在光路上面向光柵的為平面的接收面)。
根據(jù)專門的應(yīng)用和設(shè)計(jì)，所述第二透射像差校正器具有一在光路上面向像平面的為平面或者曲面的出射面。
作為例子，所述第一和第二透射像差校正器可以由MgF2, UV級(jí)熔融石英玻璃，標(biāo)準(zhǔn)級(jí)熔融石英玻璃，Κ9光學(xué)玻璃(ΒΚ7)，藍(lán)寶石，鍺或硅(或它們的結(jié)合)制成。
所述像差校正凹面衍射光柵可具有塑料材料，玻璃材料，金屬材料(或它們的組合)。
所述光學(xué)系統(tǒng)可以是單通道，即單個(gè)入射口和一個(gè)相應(yīng)的像平面(或出口)，這種情況下從入射口入射的各點(diǎn)間的空間分辨率是不要求的。例如，如圖如-d所示的本發(fā)明的這些單通道系統(tǒng)。圖中顯示了各種入射口(410)和像平面(480)之間的相對(duì)位置，以及相應(yīng)的譜線方向(即短波長(zhǎng)λ s和長(zhǎng)波長(zhǎng)譜線λ工的位置)。
所述光學(xué)系統(tǒng)還可以具有有二個(gè)或更多的入射口和相應(yīng)的像平面(出口)。在這種情況下，在同一入射口內(nèi)入射的各點(diǎn)間的空間分辨率是不要求的。例如，圖 fe-c所示依本發(fā)明的二(或雙)通道系統(tǒng)。其中一個(gè)通道一般用作參考，而另一通道用來獲取被檢物的光譜訊號(hào)。在圖fe-c中，入射口 510和510’相應(yīng)的像平面(或出口)分別是580和580，，要注意入射口 510和510，，以及像平面580和580，可以是也可以不是共面的。
在圖fe中，像平面的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于其各自的入射口在幾何上排列在相反的位置，即波長(zhǎng)在相反位置上變長(zhǎng)。在圖恥中，像平面的波長(zhǎng)相對(duì)于其各自的入射口在幾何上平行，且為同一方向，即波長(zhǎng)在同方向上變長(zhǎng)。
在圖5c中所示的裝置中，其中兩個(gè)像平面(出射口)是平行的并且相對(duì)于兩個(gè)入射口位于同一邊。
圖6a_b所示的是單通道成像光譜儀的兩個(gè)實(shí)施例，圖6c圖示的是雙通道成像光譜儀的一個(gè)實(shí)施例?！俺上窆庾V儀”在這里指既能提供光譜分辨率又能提供空間分辨率的光譜儀。
在某些實(shí)施例中，光學(xué)系統(tǒng)有兩個(gè)入射口，每一個(gè)入射口接受一個(gè)光源，及分別對(duì)應(yīng)于兩入射口的兩個(gè)像平面(即雙通道裝置)。每一個(gè)像平面都在光路上位于第二像差校正器之后，并記錄相應(yīng)入射口的光譜像。這兩個(gè)像平面在顯示組成波長(zhǎng)時(shí)在幾何上與兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的入射口的位置安排是反過來的。
另一方面，此發(fā)明涉及一種光學(xué)系統(tǒng)，其包括用來接收從光源來的輻射的入射口(狹縫或開孔)；在光路上位于入射口后的透射像差校正器；在光路上位于第一透射像差校正器后的像差校正凹面衍射光柵，，其中，所述像差校正凹面衍射光柵具有一組不平行和不等間距的光柵條紋；以及一在光路上位于第二透射像差校正器后的用于記錄入射口的光譜像的像平面，從光源來的輻射從第一透射像差校正器折射，投射到像差校正凹面衍射光柵，并從其衍射，在到達(dá)像平面形成光譜像之前，再經(jīng)過一次所述透射像差校正器折射。
一般來說，如圖1所示的“雙”像差校正器系統(tǒng)(120和160)的有關(guān)討論， 如材料，設(shè)計(jì)和裝置等都與圖2中所示的單一像差校正器220裝置的系統(tǒng)相關(guān)，并且也可以適用于圖2中所示的單一像差校正器220裝置的系統(tǒng)中。參照?qǐng)D2，所述透射像差校正器 220具有在光路上面向入射口的平面或曲面的接收面224，和在光路上面向像差校正凹面衍射光柵的為曲面的出射面228(盡管在極少數(shù)情況下，出射面2 可以是平面的)。
再參考圖2，透射像差校正器200可以有一在光路上面向入射口的為曲面的接收面264 (盡管在極少數(shù)情況下，接收面264可以是平面)和在光路上面向像差校正凹面衍射光柵的為平面或曲面的出射面268。
在某些(單個(gè)或雙個(gè))像差校正器的實(shí)施例中，所述光學(xué)系統(tǒng)可以有兩個(gè)入射口，每一個(gè)從一光源接收輻射，二個(gè)像平面分別對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的入射口(所以叫“雙通道”裝置)，每一個(gè)像平面在光路上位于第二透射式像差校正器之后，記錄各相應(yīng)入射口的光譜像。所述兩個(gè)像平面相對(duì)于其對(duì)應(yīng)的兩個(gè)入射口在幾何上反轉(zhuǎn)地顯示波長(zhǎng)成分。
在又一方面，此發(fā)明涉及一種輻射成像的方法。這方法包括從光源接收輻射，通過第一透射像差校正器折射所述輻射，投射所述折射后的輻射到像差校正凹面衍射光柵，并從該衍射光柵產(chǎn)生衍射輻射，其中所述像差校正凹面衍射光柵具有一組不平行和不等間距的光柵條紋；，通過第二透射像差校正器折射所述衍射輻射，并從該第二透射像差校正器投射其折射后的輻射到像平面形成光譜像。
用本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)成像的(即被分析，測(cè)量，或記錄)輻射的波長(zhǎng)可以是從例如大約0. 12 μ m到大約20 μ m,從大約0. 2 μ m到大約2. 5 μ m之間。
圖7在提供了一些可被用來制作本發(fā)明中光學(xué)系統(tǒng)的零件的附加材料和其透射的波長(zhǎng)范圍的信息。
再又一方面，此發(fā)明涉及一種輻射成像的方法。這方法包括從光源接收輻射，通過一透射式像差校正器折射所述輻射，投射所述折射后的輻射到像差校正凹面衍射光柵，并從該衍射光柵產(chǎn)生衍射輻射，其中像差校正衍射光柵具有一組不平行和不等間距的光柵條紋，該衍射輻射經(jīng)透射式像差校正器折射，然后將從該第二透射式像差校正器折射的輻射投射到像平面形成一光譜像。
本發(fā)明在設(shè)計(jì)上的靈活性是通過零件之間的距離和角度，光柵的曲率半徑，像差校正器的曲率半徑，像差校正器的材料等來實(shí)現(xiàn)。(參考M. C. Hufley ((Diffration grating》第七章，禾口 Erwin G Loewen and Evgency popov 的《Diffration Gratings and Applications》的第七章)，所述光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，例如kmax，C0de V等。
本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)和光譜儀有如下的有益特點(diǎn)
(1)本光學(xué)系統(tǒng)包括一像差校正凹面光柵，例如其具有不等間距和彎曲的光柵條紋。特定的光柵條紋分布型式(例如凹槽)是依光譜儀的特定用途與透視像差校正器件一起設(shè)計(jì)的。這個(gè)特點(diǎn)使光學(xué)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，特別是光學(xué)元件的設(shè)計(jì)和安排更具自由和靈活性。入射狹縫，像差校正器，凹面光柵和像記錄裝置(探頭)之間的在幾何自由度和位置安排選擇上的增加，使本發(fā)明的光譜儀能提供獨(dú)特的功能和用途。
(2)普通的平場(chǎng)凹面光柵的光譜像面的平面性和空間分辯率比羅蘭光柵有了改進(jìn)，但是還不是很好，尤其當(dāng)視場(chǎng)增大以后。本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)在大視場(chǎng)范圍內(nèi)的光譜分辨率和空間分辨率都比普通平場(chǎng)凹面光柵的要好得多。
( 本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)允許有比反射的Offner光譜儀高得多的色散， Offner系統(tǒng)的色散不能高，因?yàn)楫?dāng)光柵色散的提高到某一閥值以后，其衍射光會(huì)被凸面光柵阻擋。本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)沒有這樣的限制。
(4)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)增加了尺寸上的靈活性。例如，可設(shè)計(jì)成更小型緊湊的成像系統(tǒng)。相關(guān)參考資料
參考資料和引用的其他文件，例如專利、專利申請(qǐng)、專利發(fā)表、期刊、書籍、文章、網(wǎng)站資料是已公開，所有涉及的這些文件只是參考為目的。等效性
所述的代表性實(shí)施例只為了幫助描述本發(fā)明，并不打算也不應(yīng)當(dāng)作為限制本發(fā)明的范圍。事實(shí)上，除已在這里顯示和描述之外，本領(lǐng)域技術(shù)人員從本發(fā)明的全部?jī)?nèi)容中還可以顯而易見地知道各種本發(fā)明的修改實(shí)施例和更進(jìn)一步的實(shí)施例包括各種依照或者參考本發(fā)明引用的科學(xué)文獻(xiàn)和專利文獻(xiàn)所得到的例子。以下的例子具有重要的額外資訊，例證和引導(dǎo)在本發(fā)明的實(shí)踐中應(yīng)用于各種實(shí)施例或者等效的技術(shù)方案中。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)系統(tǒng)，包括用于接收輻射源輻射的入射口；在光路中位于入射口后的第一透射像差校正器；在光路中位于所述第一透射像差校正器后的像差校正凹面衍射光柵，其中，所述像差校正凹面衍射光柵具有一組不平行和不等間距的條紋；在光路上位于像差校正凹面衍射光柵后的第二透射像差校正器；在光路上位于第二透射式像差校正器后的像平面，以記錄入射狹縫的光譜像；其中，輻射源來的輻射通過所述第一透射像差校正器折射，投射到所述像差校正凹面衍射光柵，并從其衍射；再通過所述第二透射像差校正器折射，并投射到像平面形成光譜像。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述入射口由狹縫或開口組成。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第一透射像差校正器具有選擇性透過材料，該材料對(duì)波長(zhǎng)從大約0. 13 μ m到大約20 μ m的輻射進(jìn)行透射。
4.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第一透射像差校正器具有對(duì)波長(zhǎng)從大約0. 2 μ m到大約2. 5 μ m的輻射進(jìn)行透射的選擇性透過材料。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第二透射像差校正器具有選擇性透過材料，該材料對(duì)波長(zhǎng)從大約0. 13 μ m到大約20 μ m的輻射進(jìn)行透射。
6.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第二透射像差校正器具有對(duì)波長(zhǎng)從大約0. 2 μ m到大約2. 5 μ m的輻射進(jìn)行透射的選擇性透過材料。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述像差校正凹面衍射光柵具有不平行的和不等間距的條紋，該條文密度為大約50條/mm到大約3000條/mm，
8.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述像差校正凹面衍射光柵具有不平行的和不等間距的條紋，該條紋密度為大約200條/mm到大約2000條/mm。
9.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第一透射像差校正器具有一在光路上面向入射口的為曲面的接收面。
10.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第一透射像差校正器包括一在光路上面向入射口的為平面的接收面。
11.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第一透射像差校正器包括一在光路上面向像差校正凹面衍射光柵的為曲面的出射面。
12.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第一透射像差校正器包括一在光路上面向像差校正凹面衍射光柵的為平面的出射面。
13.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第二透射像差校正器包括一在光路上面向所述像差校正凹面衍射光柵的為曲面的接收面。
14.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第二透射像差校正器包括一在光路上面向所述像差校正凹面衍射光柵的為平面的接收面。
15.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第二透射像差校正器包括一在光路上面向像平面的為曲面的出射面。
16.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第二透射像差校正器包括一在光路上面向像平面的為平面的出射面。
17.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第一和第二透射像差校正器由 MgF2, UV級(jí)融熔石英，標(biāo)準(zhǔn)級(jí)融熔石英，BK7 (Schott)、藍(lán)寶石，Ge或Si制成。
18.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第一和第二透射像差校正器由 UV級(jí)融熔石英或者BK7制成。
19.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述像差校正凹面衍射光柵具有光刻膠材料。
20.如權(quán)利要求22所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述像差校正凹面衍射光柵具有一金屬膜層。
21.如權(quán)利要求22所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述像差校正凹面衍射光柵具有保護(hù)層。
22.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于具有兩個(gè)入射口，每一個(gè)入射口均從一輻射源接收輻射，具有兩個(gè)相應(yīng)于每個(gè)入射口的像平面，每個(gè)像平面都在光路上位于第二透射像差校正器之后，用于記錄相對(duì)應(yīng)的入射口的光譜像。
23.如權(quán)利要求22所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述兩像平面在幾何上相應(yīng)于對(duì)應(yīng)的入射口相反地顯示波長(zhǎng)成分。
24.—種光學(xué)系統(tǒng)，包括，用于接收輻射源的輻射入射口；在光路上位于入射狹縫后的透射式像差校正器；在光路上位于第一透射像差校正器后的像差校正凹面衍射光柵，其中，所述像差校正凹面衍射光柵具有一組不平行和不等間距的條紋；在光路上位于所述第二透射像差校正器后用于記錄入射狹縫的光譜像的像平面； 其中，輻射源的輻射經(jīng)所述透射像差校正器折射，投射到像差校正凹面衍射光柵，并從其衍射，再經(jīng)透射像差校正器折射后投射到像平面上形成光譜像。
25.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述入射口由狹縫或開口組成。
26.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述透射像差校正器具有透過選擇材料，該材料對(duì)波長(zhǎng)從大約0. 13 μ到大約20 μ m的輻射進(jìn)行透射。
27.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述透射像差校正器具有透過選擇材料，該材料對(duì)波長(zhǎng)從大約0. 2um到大約2. 5 μ m的輻射進(jìn)行透射。
28.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述像差校正凹面衍射光柵具有不平行的和不等間距的條紋。
29.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述像差校正凹面衍射光柵具有不平行的和不等間距的條紋，該條紋密度為大約50條/mm到大約3000條/mm。
30.如權(quán)利要求四所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述像差校正凹面衍射光柵具有不平行的和不等間距的條紋，該條紋密度為大約200條/mm到大約2000條/mm。
31.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述透射像差校正器包括在光路上面向入射口的為曲面的接收面。
32.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述透射像差校正器包括一在光路上面向所述入射口的為平面的接收面。
33.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述透射像差校正器包括一在光路上面向所述像差校正凹面衍射光柵的為曲面的出射面。
34.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述透射像差校正器包括一在光路上面向所述像差校正凹面衍射光柵的為平面的出射面。
35.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述透射像差校正器包括一在光路上面向所述像差校正凹面衍射光柵的為曲面的接收面。
36.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述透射像差校正器包括一在光路上面向所述像差校正凹面衍射光柵的為平面的接收面。
37.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述透射像差校正器包括一在光路上面向所述像平面的為曲面的出射面。
38.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述透射像差校正器包括一在光路上面向所述像平面的為平面的出射面。
39.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述透射像差校正器由MgF2,紫外級(jí)融熔石英，標(biāo)準(zhǔn)級(jí)融熔石英，BK7，藍(lán)寶石，Ge或Si制成。
40.如權(quán)利要求39所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述透射像差校正器由紫外級(jí)融熔石英或BK7制成。
41.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述像差校正凹面衍射光柵具有光刻膠材料。
42.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述像差校正凹面衍射光柵具有一金屬膜層。
43.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述像差校正凹面衍射光柵具有保護(hù)膜。
44.如權(quán)利要求M所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括兩個(gè)入射口，每一個(gè)入射口接收輻射源的輻射，分別相對(duì)應(yīng)于所述兩個(gè)入射口的兩個(gè)像平面，每個(gè)像平面在光路上位于第二透射像差校正器之后，用于記錄相對(duì)應(yīng)的入射口的光譜像。
45.如權(quán)利要求44所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述兩個(gè)像平面在幾何上相應(yīng)于對(duì)應(yīng)的入射口相反地顯示波長(zhǎng)成分。
46.一種輻射成像方法，包括從輻射源接收輻射；通過第一像差校正器折射所述輻射；將折射后的輻射投射到像差校正凹面衍射光柵，并從其產(chǎn)生衍射輻射，其中，所述像差校正凹面衍射光柵具有一組不平行的，不等間距的條紋；通過第二像差校正器折射所述衍射輻射，再將折射后的衍射輻射投射到像平面形成光譜像。
47.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于所述輻射的波長(zhǎng)從大約0.12 μ m到大約 20 μ m0
48.如權(quán)利要求47所述的方法，其特征在于所述輻射的波長(zhǎng)從大約0.2 μ m到大約 2. 5 μ m0
49.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于所述像差校正器由MgF2,紫外級(jí)融熔石英，標(biāo)準(zhǔn)級(jí)融熔石英，BK7，藍(lán)寶石，Ge或Si制成。
50.如權(quán)利要求49所述的方法，其特征在于所述像差校正器由紫外級(jí)融熔石英或BK7 制成。
51.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于所述像差校正凹面衍射光柵包括光刻膠材料。
52.如權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于所述像差校正凹面衍射光柵具有金屬膜層。
53.如權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于所述像差校正凹面衍射光柵具有保護(hù)層。
54.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于所述像差校正凹面衍射光柵具有一組不平行的和不等間距的條紋。
55.一種輻射成像方法，包括 從輻射源接收輻射；通過一透射像差校正器折射所述輻射；將折射后的輻射投射到像差校正凹面衍射光柵，并從其產(chǎn)生衍射輻射，其中，所述像差校正凹面衍射光柵具有一組不平行的，不等間距的條紋； 通過所述投射像差校正器折射所述衍射輻射；再將經(jīng)過所述第二投射像差校正器折射后的輻射投射到像平面形成光譜像。
56.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于所述輻射的波長(zhǎng)從大約0.12 μ m到大約 20 μ m0
57.如權(quán)利要求56所述的方法，其特征在于所述輻射的波長(zhǎng)從大約0.2 μ m到大約 2. 5 μ m0
58.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于所述透射像差校正器由MgF2，紫外級(jí)融熔石英，標(biāo)準(zhǔn)級(jí)融熔石英，BK7，藍(lán)寶石，Ge或Si制成。
59.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于所述像差校正凹面衍射光柵具有金屬膜層。
60.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于所述像差校正凹面衍射光柵具有光刻膠材料。
61.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于所述像差校正凹面衍射光柵具有保護(hù)層。
全文摘要
本發(fā)明涉及光譜儀和其中使用的光學(xué)系統(tǒng)。特別是，本發(fā)明所涉的光學(xué)系統(tǒng)和裝置改進(jìn)了光譜儀的功能，增加了設(shè)計(jì)上的靈活性和設(shè)計(jì)方案的選擇性。例如，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)具有像差校正凹面衍射光柵和一個(gè)或多個(gè)的透射像差校正器。
文檔編號(hào)G02B5/18GK102165337SQ200980134850
公開日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2009年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月20日
發(fā)明者相小鋒, 相連欽 申請(qǐng)人:寧波源祿光電有限公司