專利名稱：一種提高光通量及分辨率的非對(duì)稱式單色儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將組合光分散成光譜的光學(xué)儀器，特別涉及一種提高光通量及分辨率的非對(duì)稱式單色儀。
背景技術(shù)：
單色儀或光譜儀是常用的物理學(xué)儀器，可以用來(lái)產(chǎn)生單色光或進(jìn)行光譜分析。其常用的準(zhǔn)直和成像元件為普通的球面反射鏡。光譜測(cè)量可以獲得物質(zhì)的成份和結(jié)構(gòu)的信息，在科研、工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境監(jiān)測(cè)中有非常廣泛的用途。但是，傳統(tǒng)的單色儀由普通的球鏡進(jìn)行準(zhǔn)直成像，因其系統(tǒng)內(nèi)的像散得不到有效的校正，因而很大一部分的光能量沒(méi)有得到有效的利用。現(xiàn)有技術(shù)的方案是采用球面反射鏡準(zhǔn)直，并采用球面反射鏡成像。此類型的單色儀由入射狹縫、準(zhǔn)直球面鏡、平面反射式光柵、成像球面鏡、出射狹縫構(gòu)成。入射狹縫與出射狹縫分別位于準(zhǔn)直球面鏡和成像球面鏡的兩個(gè)焦面，從入射狹縫進(jìn)入的光經(jīng)由準(zhǔn)直球面鏡準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的平行光打到平面反射式光柵上進(jìn)行分光，分得的色散光經(jīng)過(guò)成像球面鏡會(huì)聚成像到出射狹縫上。發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下不足由于此類型的單色儀均為CT式結(jié)構(gòu)，為光軸偏轉(zhuǎn)反射式結(jié)構(gòu)，因而整個(gè)系統(tǒng)的像散較大，即子午焦點(diǎn)和弧矢焦點(diǎn)位置差異較大。因而在單色儀保證弧矢方向的分辨率時(shí)，子午方向的光能量損失很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以一次獲得高分辨率、高光通量的光譜儀。為達(dá)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種提高光通量及分辨率的非對(duì)稱式單色儀，所述單色儀包括準(zhǔn)直系統(tǒng)、色散系統(tǒng)和成像系統(tǒng)；其中，所述準(zhǔn)直系統(tǒng)包括用于準(zhǔn)直的非球面反射鏡。在一實(shí)施例中，所述成像系統(tǒng)包括用于成像的非球面反射鏡。在另一實(shí)施例中，所述準(zhǔn)直系統(tǒng)還包括入射轉(zhuǎn)折鏡，所述成像系統(tǒng)還包括出射轉(zhuǎn)折鏡。所述入射轉(zhuǎn)折鏡采用平面反射鏡或非球面反射鏡。和/或，所述出射轉(zhuǎn)折鏡采用平面反射鏡或非球面反射鏡。在又一優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)所述出射轉(zhuǎn)折鏡采用非球面反射鏡時(shí)，所述非球面反射鏡的輪胎面反射鏡弧矢方向的曲率半徑為640mm，子午方向的曲率半徑為597. 5mm。優(yōu)選地，所述非球面反射鏡可包括環(huán)形面反射鏡。本發(fā)明實(shí)施例的單色儀的像散較小，即子午焦點(diǎn)和弧矢焦點(diǎn)位置差異較小，因而在單色儀保證弧矢方向的分辨率時(shí)，子午方向的光能量損失被降低，從而可提高光通量及分辨率。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明實(shí)施例的一種提高光通量及分辨率的非對(duì)稱式單色儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為傳統(tǒng)的單色儀成像效果圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的提高光通量及分辨率的非對(duì)稱式單色儀的成像效果圖；圖4為通過(guò)光電倍增管掃描傳統(tǒng)單色儀和本發(fā)明實(shí)施例的單色儀的分辨率所形成的對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。通常單色儀判定的關(guān)鍵指標(biāo)是其辨別光源光譜像的能力。分辨率通常是為納米級(jí)單位，單色儀Inm的分辨率能夠分辨光源的光譜像波長(zhǎng)Inm的變化。如果光源發(fā)出(或吸收)復(fù)合波長(zhǎng)靠近在一起小于lnm，它們將不會(huì)被分辨。單色儀的分辨能力與它的光柵刻線密度和它的焦距相關(guān)聯(lián)。兩臺(tái)相同焦距的單色儀，提高一倍光柵刻線密度就會(huì)提高一倍的色散，理論上會(huì)提高一倍的分辨率。兩臺(tái)相同光柵刻線密度的單色儀，提高一倍的焦距長(zhǎng)度將會(huì)提高一倍的色散能力，理論上會(huì)提高一倍的分辨率。這些提高是理論上的，因?yàn)楣逃械膸缀喂鈱W(xué)限制影響圖像的質(zhì)量。這些限制包括像散和慧差，會(huì)使像模糊，偏離主光軸(一條從入射狹縫的中心穿過(guò)光學(xué)元件的中心到像面的中心的假象線)。光學(xué)系統(tǒng)的入瞳限制了收集光的能力，入瞳越大，越多的光就能指向探測(cè)器，從而提高輸出或單色儀系統(tǒng)的靈敏度。入瞳通常記為f/光圈數(shù)，它是測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部焦距與最小光學(xué)元件直徑之比。一個(gè)f/4單色儀焦距300mm，則鏡子的直徑為75mm。小一點(diǎn)的入瞳直徑，f/8，300mm單色儀應(yīng)為37. 5mm直徑的鏡子，只有四分之一的光線收集能力。不幸的是， 如果要增加光線的收集能力，則會(huì)增加系統(tǒng)的像差。越大的系統(tǒng)入瞳，它的圖像性質(zhì)越差， 圖像瑕疵會(huì)減少圖像在焦平面的分離能力。兩臺(tái)同樣焦距的單色儀，相同的光柵，越大的入瞳就會(huì)越降低分辨率。因?yàn)楦鄶?shù)量的離軸光線使得光源像產(chǎn)生嚴(yán)重變形。像散會(huì)使像拉長(zhǎng)。球鏡使點(diǎn)光源延長(zhǎng)到兩條線的像和一個(gè)可見(jiàn)聚焦“真實(shí)”像。 一個(gè)線像會(huì)垂直，寬度接近點(diǎn)直徑，另一個(gè)會(huì)平行，高度接近點(diǎn)的直徑。這些像在空間分布， 所有其他的成像應(yīng)用最好像質(zhì)在介于兩點(diǎn)之間，所有光線匯聚最近的地方。延長(zhǎng)像成在兩個(gè)像平面，一個(gè)稱為子午像面，一個(gè)稱為弧矢像面。在傳統(tǒng)單色儀設(shè)計(jì)里，探測(cè)器放置在子午像平面上，它的水平像質(zhì)影響分辨波長(zhǎng)的能力。分光鏡與兩維可見(jiàn)完美像無(wú)關(guān)，但是在光譜色散平面上有明銳像質(zhì)?；鄄钍窍竦哪：蛲羡E，電光源拖跡成像彗星一樣的影子，大量的拖跡是由于離軸光線組成的像。入射孔徑角越大，光譜儀的慧差就越大。傳統(tǒng)光譜儀設(shè)計(jì)使用球面鏡，在傳統(tǒng)的球面光學(xué)系統(tǒng)，子午和弧矢焦點(diǎn)分離得很遠(yuǎn)，焦平面幾乎不產(chǎn)生彎曲。所有其他的參數(shù)相等，如焦距、光柵密度和入瞳。本發(fā)明實(shí)施例提供的單色儀，能夠使空間不同點(diǎn)到單色儀的入射狹縫上。采用非球面反射鏡取代了球面鏡，而非球面反射鏡具有不同的水平與垂直曲率，能夠有效的使子午和弧矢焦面靠近在一起。像平面實(shí)際上交叉在光軸上；點(diǎn)光源的像在光軸上，沒(méi)有水平像散，沒(méi)有垂直像散。焦面向彼此傾斜，同時(shí)在主光軸上是正常的。作為檢測(cè)工具的探測(cè)器放置在與焦平面相切的平面上，用以放大水平成像質(zhì)量和光譜分辨率，垂直成像質(zhì)量會(huì)因離軸距離而產(chǎn)生的焦平面分離產(chǎn)生瑕疵。本發(fā)明實(shí)施例提供的單色儀的像散要小于傳統(tǒng)的使用球面鏡的單色儀產(chǎn)生的像散。本發(fā)明實(shí)施例利用“Czerny-Turner”原理，整個(gè)單色儀由準(zhǔn)直系統(tǒng)，色散系統(tǒng)和成像系統(tǒng)構(gòu)成。圖1為本發(fā)明實(shí)施例的一種提高光通量及分辨率的非對(duì)稱式單色儀的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，在一個(gè)實(shí)施例中，該單色儀包括平面反射鏡1、用于準(zhǔn)直的非球面反射鏡2、安裝于可替換光柵塔臺(tái)上的光柵3、成像球面反射鏡4、平面反射鏡5和出射狹縫6。其中，準(zhǔn)直系統(tǒng)包括準(zhǔn)直非球面反射鏡2和作為入射轉(zhuǎn)折鏡的平面反射鏡1，色散系統(tǒng)包括安裝于可替換光柵塔臺(tái)上的光柵3，成像系統(tǒng)包括成像球面反射鏡4和作為出射轉(zhuǎn)折鏡的平面反射鏡5。在工作過(guò)程中，光束經(jīng)由平面反射鏡1反射打到非球面準(zhǔn)直反射鏡2上產(chǎn)生平行光，平行光打到可替換光柵塔臺(tái)3上色散后由球面成像反射鏡4經(jīng)平面反射鏡5反射打到出射狹縫6上。在另一實(shí)施例中，成像系統(tǒng)中的成像球面反射鏡4可以被用于成像的非球面反射鏡所替代。從而實(shí)現(xiàn)充分校正子午方向的像差。在又一實(shí)施例中，準(zhǔn)直系統(tǒng)包含的入射轉(zhuǎn)折鏡也可采用非球面反射鏡。在又一實(shí)施例中，成像系統(tǒng)包含的出射轉(zhuǎn)折鏡也可采用非球面反射鏡，較佳地，其輪胎面反射鏡弧矢方向的曲率半徑為640mm，子午方向的曲率半徑為597. 5mm。優(yōu)選地，上述非球面反射鏡可包括環(huán)形面反射鏡。本發(fā)明實(shí)施例提供的單色儀，提高了有效光通量。非球面鏡矯正像散，順著子午方向(分辨率優(yōu)化)和弧矢方向(成像優(yōu)化)像平面穿過(guò)像平面的中心。該單色儀有一個(gè)最大的有效平面視場(chǎng)，分辨率的提升是在整個(gè)平面視場(chǎng)通過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的非對(duì)稱布局和一個(gè)同軸光柵驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，減少慧差和其他像差。多次衍射光是光進(jìn)入單色儀以后，兩次或多次入射到光柵上，因?yàn)檠苌涔獾囊徊糠止饩€通過(guò)準(zhǔn)直鏡與光柵重復(fù)反射從而造成雜散光的產(chǎn)生。在單色儀里，這些雜光會(huì)產(chǎn)生較高的基準(zhǔn)線并降低靈敏度。這個(gè)情況會(huì)在通過(guò)不同波長(zhǎng)區(qū)域時(shí)發(fā)生，更可能在常規(guī)的對(duì)稱式CT結(jié)構(gòu)光譜儀結(jié)構(gòu)里發(fā)生。準(zhǔn)直系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的非對(duì)稱布局消除多次衍射雜光，確定可以抑制雜光的位置，從而可實(shí)現(xiàn)低雜光和高成像質(zhì)量的效果?？蛇x地，在成像鏡處使用非球面鏡也可達(dá)到此效果。以下通過(guò)對(duì)比來(lái)詳細(xì)闡述本發(fā)明實(shí)施例的單色儀的有益效果。 使用三通道光纖放置在入射狹縫處，經(jīng)過(guò)單色儀內(nèi)部成像至出射狹縫處，形成圖2 和圖3所示的成像效果圖。其中，圖2為傳統(tǒng)的單色儀成像效果圖，從圖2中可以看到由于子午方向的像散沒(méi)有得到控制，整個(gè)譜線呈一條狹長(zhǎng)的豎線像。圖3為本發(fā)明實(shí)施例的提高光通量及分辨率的非對(duì)稱式單色儀的成像效果圖，從圖3中可以看到子午方向的光得到很有效的校正，從而得到最接近真實(shí)的光纖像。圖4為通過(guò)光電倍增管掃描傳統(tǒng)單色儀和本發(fā)明實(shí)施例的單色儀的分辨率所形成的對(duì)比圖。如圖4所示，10為傳統(tǒng)的單色儀掃出的譜線，20為本發(fā)明實(shí)施例的單色儀掃出的譜線。從圖4可以看出，本發(fā)明實(shí)施例的單色儀的光通量要比傳統(tǒng)單色儀的光通量要提高1. 5倍以上，而且其半波寬寬度為0. 06nm要比傳統(tǒng)單色儀的半波寬寬度0. OSnm略小， 也就即本發(fā)明實(shí)施例的單色儀的光譜分辨率要比傳統(tǒng)光譜儀的光譜分辨率有提高。本發(fā)明實(shí)施例的有益效果在于，通過(guò)使用非球面反射鏡也即輪胎面鏡使得單色儀內(nèi)部產(chǎn)生的像差得到有效的消除，從而從根本上直接提高了單色儀的光通量以及分辨率， 有效地將子午方向的光得到有效的壓縮，沒(méi)有多余的光打到其他無(wú)效的光學(xué)元件和機(jī)械零件上，降低了雜散光的水平。從而本實(shí)施例的單色儀實(shí)現(xiàn)了低雜光、高分辨率、高光通量的效果。以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明實(shí)施例各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種提高光通量及分辨率的非對(duì)稱式單色儀，其特征在于，所述單色儀包括準(zhǔn)直系統(tǒng)、色散系統(tǒng)和成像系統(tǒng)；其中，所述準(zhǔn)直系統(tǒng)包括用于準(zhǔn)直的非球面反射鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光通量及分辨率的非對(duì)稱式單色儀，其特征在于，所述成像系統(tǒng)包括用于成像的非球面反射鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提高光通量及分辨率的非對(duì)稱式單色儀，其特征在于，所述準(zhǔn)直系統(tǒng)還包括入射轉(zhuǎn)折鏡，所述成像系統(tǒng)還包括出射轉(zhuǎn)折鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高光通量及分辨率的非對(duì)稱式單色儀，其特征在于，所述入射轉(zhuǎn)折鏡采用平面反射鏡或非球面反射鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高光通量及分辨率的非對(duì)稱式單色儀，其特征在于，所述出射轉(zhuǎn)折鏡采用平面反射鏡或非球面反射鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高光通量及分辨率的非對(duì)稱式單色儀，其特征在于，當(dāng)所述出射轉(zhuǎn)折鏡采用非球面反射鏡時(shí)，所述非球面反射鏡的輪胎面反射鏡弧矢方向的曲率半徑為640mm，子午方向的曲率半徑為597. 5mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4、5或6所述的提高光通量及分辨率的非對(duì)稱式單色儀，其特征在于，所述非球面反射鏡包括環(huán)形面反射鏡。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種提高光通量及分辨率的非對(duì)稱式單色儀，所述單色儀包括準(zhǔn)直系統(tǒng)、色散系統(tǒng)和成像系統(tǒng)；其中，所述準(zhǔn)直系統(tǒng)包括用于準(zhǔn)直的非球面反射鏡。本實(shí)施例的單色儀可實(shí)現(xiàn)低雜光、高分辨率、高光通量的效果。
文檔編號(hào)G01J3/18GK102331300SQ201110159439
公開(kāi)日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月14日
發(fā)明者葉磊, 方君 申請(qǐng)人:北京卓立漢光儀器有限公司