專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種切尼-特納光譜儀裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種采用自由曲面鏡的切尼-特納光譜儀，可以應(yīng)用于光譜儀器領(lǐng)±或
背景技術(shù)：
：切尼-特納型光譜儀是一種常用的光譜儀，它的特點(diǎn)是采用兩面球面反射鏡分別作為準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡。如圖i，照明系統(tǒng)的光從狹縫s(狹縫s的形式可以是孔或者縫)入射，被準(zhǔn)直物鏡Mt準(zhǔn)直之后，平行照射到平面光柵G上，被色散成多束單色光之后，由成像物鏡M2成像到譜面位置，被光電探測(cè)器P接收。其優(yōu)勢(shì)在于可調(diào)節(jié)和布置的結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，可以避免二次或多次衍射，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、平直譜面范圍較大、且在相當(dāng)范圍內(nèi)成像質(zhì)量較高的設(shè)計(jì)，便于采用光電陣列探測(cè)器接收光譜。影響切尼-特納結(jié)構(gòu)光譜儀性能的主要像差因素是慧差和像散，慧差使得光譜成像在色散方向上(子午平面，即主光線和2個(gè)球面鏡曲率中心所成的面)彌散，使得點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)展寬，從而降低了光譜儀的分辨率。像散使得光譜成像在譜面上垂直于色散方向上(即弧矢面)彌散，使點(diǎn)像彌散成了線像。目前切尼-特納光譜儀結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要考慮通過(guò)中心波長(zhǎng)的慧差補(bǔ)償來(lái)提高光譜儀分辨率，放棄了弧矢面方向上的像散補(bǔ)償。為解決弧矢面方向上彌散的大尺寸帶來(lái)的問(wèn)題，早期傳統(tǒng)的切尼-特納單色儀在入縫和出縫位置都采用了彎曲的狹縫，但是這種結(jié)構(gòu)并不適合采用線陣探測(cè)器，比如CCD、CMOS、PDA等。線陣探測(cè)器像元的尺寸限制和它的無(wú)法彎曲將導(dǎo)致很大一部分的光譜能量不能被線陣探測(cè)器接收，降低了儀器的信噪比。近年來(lái)也出現(xiàn)了一些方案來(lái)解決像散問(wèn)題如M.A.Gil和J.M.Simon等人采用離軸拋物面來(lái)代替球面準(zhǔn)直物鏡和球面成像物鏡，L.Schieffer等人采用環(huán)形面鏡代替球面成像物鏡。但是這兩種結(jié)構(gòu)有很大的局限性，前者只適合于掃描型的切尼-特納光譜儀(單色儀)，后者只適用于很小的波長(zhǎng)范圍。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種新的切尼-特納光譜儀裝置，采用弧矢半徑漸變的自由曲面反射鏡代替球面準(zhǔn)直物鏡或者成像物鏡，同時(shí)校正該光譜儀的慧差和像散，提高光譜儀的分辨率和光譜信噪比。它不僅適用于掃描型的光譜儀(單色儀)結(jié)構(gòu)，也適用于采用陣列探測(cè)器同時(shí)探測(cè)寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)整體光譜的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的特征在于，含有準(zhǔn)直物鏡、成像物鏡、狹縫、平面光柵和線陣探測(cè)器，照明系統(tǒng)的光從狹縫入射，經(jīng)所述準(zhǔn)直物鏡準(zhǔn)直后，平行照射到所述平面光柵上，被色散成多束單色光后，由所述成像物鏡成像到所述線陣探測(cè)器平面上并接收，其中準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡都是自由曲面鏡，所述自由曲面鏡有一對(duì)稱(chēng)面YOZ，稱(chēng)為子午平面，其中，Y軸是在該子午平面內(nèi)垂直于Z軸方向，X軸垂直于該子午平面方向并通過(guò)該自由曲面鏡的中心o,所述子午平面在自由曲面鏡上的子午截線是一條圓弧X55，該圓弧X5^的曲率中心C在Z軸上，CO是該自由曲面鏡的子午曲率半徑，輔助軸RR'經(jīng)過(guò)所述C點(diǎn)，且垂直于所述子午平面，經(jīng)過(guò)該輔助軸RR'的任意平面，稱(chēng)為弧矢面，都與所述子午平面垂直，與所述自由曲面鏡相交的弧矢截線都是圓弧EJ^Gphl,2，…，w,所述圓弧,.、EtF,GA與所述圓弧AOB的交點(diǎn)是F^，該圓弧Et&G^的曲率中心S,在所述子午平面內(nèi)CFA的連線上，該圓弧Et&G^的曲率半徑定義為弧矢半徑^(EtF,G^，記為^("，是漸變的，是所述點(diǎn)F,的Y軸坐標(biāo)cy為自變量的函數(shù)/w),其中自由成像物鏡的弧矢半徑及2"2)為fi、及is("i-O)cosor--+i2rcos(/9(ty2))、,、COSJ\、/COSWW)其中，a是從狹縫入射的光的主光線對(duì)準(zhǔn)直物鏡的入射角，化是所述成像物鏡的子午截線上各點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)，/(2)是波長(zhǎng)為;1經(jīng)過(guò)所述子午截線上坐標(biāo)為(0,2,《2)的F2點(diǎn)的主光線對(duì)成像物鏡的入射角，其中，w2=i27>sin02，《2二&r一Arcos《j其中，iw為所述自由曲面成像物鏡子午截線的曲率半徑，02為所述自由曲面成像物鏡的中心，C2為所述自由曲面成像物鏡子午截線的曲率中心，i^(化)為經(jīng)過(guò)所述點(diǎn)F2的弧矢截線的弧矢半徑，該弧矢截線的曲率中心為S2，《為C2F2與C202的夾角，6自由曲面成像物鏡上任意一點(diǎn)P2的坐標(biāo)為(/2,2',《2')，其中6'=&-[Ar)(l-cosr2)]cos6>2,o>2'=[i2r—Kc^Xl—cosz^sinA，/2=i2S(2)sinT2，r2是弧矢面內(nèi)S2P2與S2F2的夾角，將i^(^)對(duì)^展開(kāi)，得到一個(gè)以《2為未知數(shù)的多項(xiàng)式，i2S(w2)=60+6，《2+62,22+63，3+......，當(dāng)^^卜45。時(shí)，i2S(w2)6。+Vw2，其中"(《2)是波長(zhǎng)為/1經(jīng)過(guò)所述子午截線上坐標(biāo)為(0，《2,《2)的F2點(diǎn)的主光線對(duì)成像物鏡的入射角，其中2=sin6>2，《2=&cos<92，自由曲面準(zhǔn)直物鏡的經(jīng)過(guò)所述子午截線上坐標(biāo)為(O,^,^)的Fi點(diǎn)的弧矢截線的弧矢半徑^(q)為其中a。-i^，i^為自由曲面準(zhǔn)直物鏡的子午截線的曲率半徑，6,是所述4-0.15,&+0.15，自由曲面準(zhǔn)直物鏡上A"^)的關(guān)于化多項(xiàng)式的一次項(xiàng)系數(shù)，g任意一點(diǎn)P,的坐標(biāo)為(A,cV,《')，其中《'=--cosr！)]cos《，必i'=[及ir—及is)(l—cosTi)]sin《'《=一cos《，q=iirsin《，其中，G為所述自由曲面準(zhǔn)直物鏡子午截線的曲率中心，Ch為所述自由曲面準(zhǔn)直物鏡的中心，，i^(A)為經(jīng)過(guò)所述點(diǎn)F,的弧矢截線的弧矢半徑，該弧矢截線曲率中心為Sp《為C^與dCh的夾角，t,是弧矢面內(nèi)S^與S^的夾角。補(bǔ)充效果本發(fā)明用于采用線陣探測(cè)器的切尼-特納光譜儀時(shí)，分辨率和光譜信噪比都能提高。圖1是切尼一特納式光路結(jié)構(gòu)示意圖l(a)是"M"型光路；l(b)是折疊式光路圖2是所述自由曲面鏡示意圖圖3是自由曲面鏡的三維坐標(biāo)系圖4是切尼-特納光譜儀各參數(shù)示意圖圖5是切尼-特納光譜儀光路圖圖6是MpM2為自由曲面鏡時(shí)，《變化時(shí)的效果曲線比較圖具體實(shí)施例方式一種切尼-特納光譜儀裝置，由狹縫S、準(zhǔn)直物鏡M。平面光柵G，成像物鏡M2，光譜探測(cè)器P組成，其特征在于準(zhǔn)直物鏡M,或者成像物鏡M2是自由曲面鏡，自由曲面成像物鏡主要校正像散，自由曲面準(zhǔn)直物鏡主要補(bǔ)償慧差，所述自由曲面鏡的特征如下自由曲面鏡有一對(duì)稱(chēng)面(YOZ平面)，這一平面定義為子午平面，子午平面在自由曲面鏡上的子午截線是一條圓弧X55，曲率中心C在Z軸上，O是自由曲面鏡的中心，曲率半徑CO=/^;Y軸是在子午平面內(nèi)垂直于Z軸的方向，X軸是垂直于子午平面的方向。輔助軸RR'經(jīng)過(guò)C，且垂直于子午平面，經(jīng)過(guò)RR'的任意平面(定義為弧矢面)都與子午平面相垂直，與自由曲面鏡相交的弧矢截線都是圓弧(hl,...，")，C^與^的交點(diǎn)是Fa,由于自由曲面的對(duì)稱(chēng)性，其曲率中心Si在子午平面內(nèi)CF;t連線上，圓弧g^曲率半徑及"g^^)定義為弧矢半徑，記為i5^)，是漸變的，是以點(diǎn)Fa的Y軸坐標(biāo)co為自變量的函數(shù)Xw),見(jiàn)圖2。如圖3，所述自由曲面上任意一點(diǎn)P的三維坐標(biāo)(/，w乂')可以按如下公式獲得n[i^—is(w)(l—cosr)]cos(9w'=[ir_(o)(l-cosr)]'sin(9<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>其中，ir為自由曲面鏡子午截線的曲率半徑，Rs(w)為經(jīng)過(guò)P的弧矢截線的弧矢半徑，它與子午截線的交點(diǎn)F(O，w力的Y軸坐標(biāo)為co，Z軸坐標(biāo)《-^.-A.coW，它的曲率中心為S;子午截線曲率中心為C，O是自由曲面鏡的中心。6!是CF與CO的夾角，r是弧矢面內(nèi)SP與SF的夾角。當(dāng)自由曲面鏡口半徑尺寸^<丄&(ia的定義參見(jiàn)圖2)時(shí)，w'與w之間的相對(duì)誤差在2%以?xún)?nèi)，(o'^w。如圖4,是切尼-特納光譜儀的子午截面圖，準(zhǔn)直物鏡Ml和成像物鏡M2的子午平面和切尼-特納光譜儀的子午平面重合。^和Ar分別是準(zhǔn)直物鏡Mi和成像物鏡M2子午平面截線的曲率半徑。當(dāng)準(zhǔn)直物鏡M1或成像物鏡M2是自由曲面時(shí)，子午平面截線和準(zhǔn)直物鏡Ml或成像物鏡M2是球面情況時(shí)的子午平面截線的位置一致。a和卩是中心波長(zhǎng)主光線對(duì)準(zhǔn)直物鏡Ml和成像物鏡M2上的入射角，ag和Pg是中心波長(zhǎng)主光線對(duì)平面光柵G的入射角和衍射角，他們之間滿(mǎn)足sin/—W2r2cos3"cos3agsinaiir2cos3orcos3/8g對(duì)于凹面反射鏡，子午焦距fr與弧矢焦距fs可以分別表示為/s=Js/(2xcosP)Rt和Rs分別表示反射鏡子午方向的曲率半徑和弧矢方向的曲率半徑，e表示光束主光線的入射角。對(duì)于切尼-特納光譜儀，任意波長(zhǎng)L總子午焦距與總弧矢焦距的差值(A/(A))可以近似表示為△/W=A(義)-AW+/2r(義)-/2S(義)其中/ir(A)=(義)/2)cosor(A)/1S(義)=ifls(A)/(2xcosa(義))/"李(及"牟)cos々(A)/"李及2"義)/(2xcos々(;i))當(dāng)A/(A)=0時(shí)，像散全部補(bǔ)償。下標(biāo)中的數(shù)字1代表準(zhǔn)直物鏡，2代表成像物鏡；9a、P分別代表主光線對(duì)準(zhǔn)直物鏡Mt及成像物鏡M2的入射角。不同波長(zhǎng)K的光束，對(duì)Mi的入射角a(義)不變，/17<義)和iis(義)也不變，而衍射角y8g()0不同，對(duì)M2的入射角"(x)也不同。因此為保證全部波長(zhǎng)的像散都補(bǔ)償，i^(;1卜i^(;1卜&(w,0)，Wl是準(zhǔn)直物鏡Mi子午截線上各點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)。成像物鏡M2的弧矢半徑可以表示為17^=0)COS"一曙1cosaCOS(，2))+i2rc。s(/(w2))其中w2是成像物鏡M2的子午截線上各點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)，風(fēng)叱)是波長(zhǎng)為義經(jīng)過(guò)子午截線上坐標(biāo)為(0,W2，&)的F2點(diǎn)的主光線對(duì)成像物鏡M2的入射角。(2)可以用奶進(jìn)行展開(kāi)，擬合得到一個(gè)以0)2為未知數(shù)的多項(xiàng)式i2S(i2)=60+、*必2+62，2+63,w23+......其中常數(shù)項(xiàng)和一次項(xiàng)是必須保留的，其他高次項(xiàng)可以依據(jù)精度進(jìn)行省略當(dāng)-(2)<45°時(shí)，可以考慮/^Oga6。+一a^，誤差可以忽略。準(zhǔn)直物鏡Mi的弧矢半徑可由下式?jīng)Q定"。=/^，參數(shù)A由以下式子決定當(dāng)[<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>時(shí)，狹縫中心點(diǎn)成像彌散斑尺寸在色散方向上增大與最優(yōu)、2r的情況相比小于50%，實(shí)施效果較好。具體實(shí)施方式闡述具體包括2個(gè)實(shí)施例子(準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡M2都是自由曲面鏡，準(zhǔn)直物鏡Mt是球面鏡，成像物鏡M2是自由曲面鏡)，其實(shí)施效果將與準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡M2為球面鏡時(shí)的效果進(jìn)行對(duì)比。準(zhǔn)直物鏡Mi和成像物鏡M2是球面鏡時(shí)的切尼-特納光譜儀參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>/2150mm成像球面鏡的曲率半徑平面光柵6001p/mm600線平面光柵光柵寬度10mm光柵寬度10.00°主光線對(duì)1V^的入射角風(fēng)500nm)23.47°500nm主光線對(duì)M2的入射角5.00°準(zhǔn)直后的光對(duì)光柵的入射角卩g(500nm)22.78°500nm中心波長(zhǎng)光的衍射角其光路圖如圖5。當(dāng)準(zhǔn)直物鏡IV^和成像物鏡M2都是球面鏡時(shí)，光譜儀性能可以用成像光斑大小表示(以下所述的成像效果都是指狹縫中心點(diǎn)光源的成像光斑大小，成像光斑越小，能量越集中，光譜儀分辨率越高)，各波長(zhǎng)的rms尺寸大小如下表(Y為色散方向，X為垂直色散方向)波長(zhǎng)/腦Y/jam80032.49324.9865018.09438.405007.10559.1135014.42687.4420027.57823.891、準(zhǔn)直物鏡M,和成像物鏡M2都是自由曲面鏡時(shí)的其他參數(shù)如表所示，其余未列的參數(shù)與上表(準(zhǔn)直物鏡I^和成像物鏡M2是球面鏡時(shí))相同參數(shù)描述11<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>這里的參數(shù)《取的是及^//^0.67，當(dāng)《在此附近變化時(shí)，色散方向上的像斑尺寸大小變化如圖6所示，當(dāng)ge時(shí)，全波長(zhǎng)范圍內(nèi)的像斑尺寸rms半徑均小于50pm，分辨率效果較好。2、成像物鏡M2是自由曲面鏡，準(zhǔn)直物鏡I^是球面鏡成像物鏡M2是自由曲面鏡，準(zhǔn)直物鏡Mi是球面鏡的其他參數(shù)如表所示，其余未羅列的參數(shù)與前表(準(zhǔn)直物鏡Mi和成像物鏡M2是球面鏡時(shí))相同<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>實(shí)施效果參見(jiàn)各波長(zhǎng)的rms尺寸大小，如下表(Y為色散方向，X為垂直色散方向):<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>本發(fā)明的實(shí)施效果要優(yōu)于采用球面鏡為準(zhǔn)直物鏡M,和成像物鏡M2的傳統(tǒng)切尼-特納光譜儀的效果。本發(fā)明具體實(shí)施例子不限于交叉型切尼-特納光路，同樣適用于"M"型切尼-特納光路。權(quán)利要求1、一種切尼-特納光譜儀裝置，其特征在于，含有準(zhǔn)直物鏡、成像物鏡、狹縫、平面光柵和線陣探測(cè)器，照明系統(tǒng)的光從狹縫入射，經(jīng)所述準(zhǔn)直物鏡準(zhǔn)直后，平行照射到所述平面光柵上，被色散成多束單色光后，由所述成像物鏡成像到所述線陣探測(cè)器平面上并接收，其中準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡都是自由曲面鏡，所述自由曲面鏡有一對(duì)稱(chēng)面YOZ，稱(chēng)為子午平面，其中，Y軸是在該子午平面內(nèi)垂直于Z軸方向，X軸垂直于該子午平面方向并通過(guò)該自由曲面鏡的中心O，所述子午平面在自由曲面鏡上的子午截線是一條圓弧該圓弧的曲率中心C在Z軸上，CO是該自由曲面鏡的子午曲率半徑，輔助軸RR’經(jīng)過(guò)所述C點(diǎn)，且垂直于所述子午平面，經(jīng)過(guò)該輔助軸RR’的任意平面，稱(chēng)為弧矢面，都與所述子午平面垂直，與所述自由曲面鏡相交的弧矢截線都是圓弧k＝1，2，...，n，所述圓弧與所述圓弧的交點(diǎn)是Fk，該圓弧的曲率中心Sk在所述子午平面內(nèi)CFk的連線上，該圓弧的曲率半徑定義為弧矢半徑記為RS(k)，是漸變的，是所述點(diǎn)Fk的Y軸坐標(biāo)ω為自變量的函數(shù)f(ω)，其中自由成像物鏡的弧矢半徑R2S(ω2)為其中，α是從狹縫入射的光的主光線對(duì)準(zhǔn)直物鏡的入射角，ω2是所述成像物鏡的子午截線上各點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)，β(ω2)是波長(zhǎng)為λ經(jīng)過(guò)所述子午截線上坐標(biāo)為(0，ω2，ξ2)的F2點(diǎn)的主光線對(duì)成像物鏡的入射角，其中，ω2＝R2Tsinθ2，ξ2＝R2T-R2Tcosθ2，其中，R2T為所述自由曲面成像物鏡子午截線的曲率半徑，O2為所述自由曲面成像物鏡的中心，C2為所述自由曲面成像物鏡子午截線的曲率中心，R2S(ω2)為經(jīng)過(guò)所述點(diǎn)F2的弧矢截線的弧矢半徑，該弧矢截線的曲率中心為S2，θ2為C2F2與C2O2的夾角，自由曲面成像物鏡上任意一點(diǎn)P2的坐標(biāo)為(l2，ω2′，ξ2′)，其中ξ2′＝R2T-[R2T-R2S(ω2)(1-cosτ2)]cosθ2，ω2′＝[R2T-R2S(ω2)(1-cosτ2)]sinθ2，l2＝R2S(ω2)sinτ2，τ2是弧矢面內(nèi)S2P2與S2F2的夾角，將R2S(ω2)對(duì)ω2展開(kāi)，得到一個(gè)以ω2為未知數(shù)的多項(xiàng)式，R2S(ω2)＝b0+b1·ω2+b2·ω22+b3·ω23+......，當(dāng)β(ω2)<45°時(shí)，R2S(ω2)≈b0+b1·ω2，其中β(ω2)是波長(zhǎng)為λ經(jīng)過(guò)所述子午截線上坐標(biāo)為(0，ω2，ξ2)的F2點(diǎn)的主光線對(duì)成像物鏡的入射角，其中ω2＝R2Tsinθ2，ξ2＝R2T-R2Tcosθ2，自由曲面準(zhǔn)直物鏡的經(jīng)過(guò)所述子午截線上坐標(biāo)為(0，ω1，ξ1)的F1點(diǎn)的弧矢截線的弧矢半徑R1S(ω1)為R1S(ω1)≈a0+a1·ω1，其中a0＝R1T，R1T為自由曲面準(zhǔn)直物鏡的子午截線的曲率半徑，a1＝qb1，b1是所述R2S(ω2)的關(guān)于ω2多項(xiàng)式的一次項(xiàng)系數(shù)，自由曲面準(zhǔn)直物鏡上任意一點(diǎn)P1的坐標(biāo)為(l1，ω1′，ξ1′)，其中ξ1′＝R1T-[R1T-R1S(ω1)(1-cosτ1)]cosθ1，ω1′＝[R1T-R1S(ω1)(1-cosτ1)]sinθ1，l1＝R1S(ω1)sinτ1，ξ1＝R1T-R1Tcosθ1，ω1＝R1Tsinθ1，其中，C1為所述自由曲面準(zhǔn)直物鏡子午截線的曲率中心，O1為所述自由曲面準(zhǔn)直物鏡的中心，，R1S(ω1)為經(jīng)過(guò)所述點(diǎn)F1的弧矢截線的弧矢半徑，該弧矢截線曲率中心為S1，θ1為C1F1與C1O1的夾角，τ1是弧矢面內(nèi)S1P1與S1F1的夾角。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種切尼-特納光譜儀裝置，其特征在于，當(dāng)所述自由曲面準(zhǔn)直鏡口半徑《。<li^時(shí)，q'a^;當(dāng)所述自由曲面成像鏡口半徑/2。<丄^,時(shí)，<y2'&>2。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種切尼-特納光譜儀裝置，其特征在于所述準(zhǔn)直物鏡是球面鏡，成像物鏡是自由曲面鏡。全文摘要一種切尼-特納光譜儀裝置屬于光譜儀領(lǐng)域，其特征在于，準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡都是自由曲面，各自由曲面鏡的弧矢半徑是漸變的，是以自由曲面鏡的子午截線上各點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)為自變量的函數(shù)，可以是多項(xiàng)式函數(shù)，或線性函數(shù)。其中，自由曲面成像物鏡主要用于校正像散，自由曲面準(zhǔn)直物鏡主要用于補(bǔ)償慧差。文檔編號(hào)G01J3/12GK101498606SQ20091007638公開(kāi)日2009年8月5日申請(qǐng)日期2009年1月15日優(yōu)先權(quán)日2009年1月15日發(fā)明者何慶聲,立徐,楊懷棟,金國(guó)藩,陳科新申請(qǐng)人:清華大學(xué)