專利名稱：：一種切尼-特納光譜儀裝置的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種采用自由曲面鏡的切尼-特納光譜儀，可以應用于光譜儀器領±或
背景技術：
：切尼-特納型光譜儀是一種常用的光譜儀，它的特點是采用兩面球面反射鏡分別作為準直物鏡和成像物鏡。如圖i，照明系統的光從狹縫s(狹縫s的形式可以是孔或者縫)入射，被準直物鏡Mt準直之后，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，被光電探測器P接收。其優勢在于可調節和布置的結構參數較多，可以避免二次或多次衍射，能夠實現結構緊湊、平直譜面范圍較大、且在相當范圍內成像質量較高的設計，便于采用光電陣列探測器接收光譜。影響切尼-特納結構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個球面鏡曲率中心所成的面)彌散，使得點擴散函數展寬，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，使點像彌散成了線像。目前切尼-特納光譜儀結構參數的優化設計主要考慮通過中心波長的慧差補償來提高光譜儀分辨率，放棄了弧矢面方向上的像散補償。為解決弧矢面方向上彌散的大尺寸帶來的問題，早期傳統的切尼-特納單色儀在入縫和出縫位置都采用了彎曲的狹縫，但是這種結構并不適合采用線陣探測器，比如CCD、CMOS、PDA等。線陣探測器像元的尺寸限制和它的無法彎曲將導致很大一部分的光譜能量不能被線陣探測器接收，降低了儀器的信噪比。近年來也出現了一些方案來解決像散問題如M.A.Gil和J.M.Simon等人采用離軸拋物面來代替球面準直物鏡和球面成像物鏡，L.Schieffer等人采用環形面鏡代替球面成像物鏡。但是這兩種結構有很大的局限性，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范圍。
發明內容本發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直物鏡或者成像物鏡，同時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)結構，也適用于采用陣列探測器同時探測寬波長范圍內整體光譜的結構。本發明的特征在于，含有準直物鏡、成像物鏡、狹縫、平面光柵和線陣探測器，照明系統的光從狹縫入射，經所述準直物鏡準直后，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器平面上并接收，其中準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稱面YOZ，稱為子午平面，其中，Y軸是在該子午平面內垂直于Z軸方向，X軸垂直于該子午平面方向并通過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'經過所述C點，且垂直于所述子午平面，經過該輔助軸RR'的任意平面，稱為弧矢面，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的交點是F^，該圓弧Et&G^的曲率中心S,在所述子午平面內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F,的Y軸坐標cy為自變量的函數/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準直物鏡的入射角，化是所述成像物鏡的子午截線上各點的Y軸坐標，/(2)是波長為;1經過所述子午截線上坐標為(0,2,《2)的F2點的主光線對成像物鏡的入射角，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)為經過所述點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P2的坐標為(/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S2P2與S2F2的夾角，將i^(^)對^展開，得到一個以《2為未知數的多項式，i2S(w2)=60+6，《2+62,22+63，3+......，當^^卜45。時，i2S(w2)6。+Vw2，其中"(《2)是波長為/1經過所述子午截線上坐標為(0，《2,《2)的F2點的主光線對成像物鏡的入射角，其中2=sin6>2，《2=&cos<92，自由曲面準直物鏡的經過所述子午截線上坐標為(O,^,^)的Fi點的弧矢截線的弧矢半徑^(q)為其中a。-i^，i^為自由曲面準直物鏡的子午截線的曲率半徑，6,是所述4-0.15,&+0.15，自由曲面準直物鏡上A"^)的關于化多項式的一次項系數，g任意一點P,的坐標為(A,cV,《')，其中《'=--cosr！)]cos《，必i'=[及ir—及is)(l—cosTi)]sin《'《=一cos《，q=iirsin《，其中，G為所述自由曲面準直物鏡子午截線的曲率中心，Ch為所述自由曲面準直物鏡的中心，，i^(A)為經過所述點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S^與S^的夾角。補充效果本發明用于采用線陣探測器的切尼-特納光譜儀時，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構示意圖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系圖4是切尼-特納光譜儀各參數示意圖圖5是切尼-特納光譜儀光路圖圖6是MpM2為自由曲面鏡時，《變化時的效果曲線比較圖具體實施例方式一種切尼-特納光譜儀裝置，由狹縫S、準直物鏡M。平面光柵G，成像物鏡M2，光譜探測器P組成，其特征在于準直物鏡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，自由曲面準直物鏡主要補償慧差，所述自由曲面鏡的特征如下自由曲面鏡有一對稱面(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'經過C，且垂直于子午平面，經過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^的交點是Fa,由于自由曲面的對稱性，其曲率中心Si在子午平面內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Fa的Y軸坐標co為自變量的函數Xw),見圖2。如圖3，所述自由曲面上任意一點P的三維坐標(/，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)為經過P的弧矢截線的弧矢半徑，它與子午截線的交點F(O，w力的Y軸坐標為co，Z軸坐標《-^.-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SP與SF的夾角。當自由曲面鏡口半徑尺寸^<丄&(ia的定義參見圖2)時，w'與w之間的相對誤差在2%以內，(o'^w。如圖4,是切尼-特納光譜儀的子午截面圖，準直物鏡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分別是準直物鏡Mi和成像物鏡M2子午平面截線的曲率半徑。當準直物鏡M1或成像物鏡M2是自由曲面時，子午平面截線和準直物鏡Ml或成像物鏡M2是球面情況時的子午平面截線的位置一致。a和卩是中心波長主光線對準直物鏡Ml和成像物鏡M2上的入射角，ag和Pg是中心波長主光線對平面光柵G的入射角和衍射角，他們之間滿足sin/—W2r2cos3"cos3agsinaiir2cos3orcos3/8g對于凹面反射鏡，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。對于切尼-特納光譜儀，任意波長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A/(A)=0時，像散全部補償。下標中的數字1代表準直物鏡，2代表成像物鏡；9a、P分別代表主光線對準直物鏡Mt及成像物鏡M2的入射角。不同波長K的光束，對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M2的入射角"(x)也不同。因此為保證全部波長的像散都補償，i^(;1卜i^(;1卜&(w,0)，Wl是準直物鏡Mi子午截線上各點的Y軸坐標。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的子午截線上各點的Y軸坐標，風叱)是波長為義經過子午截線上坐標為(0,W2，&)的F2點的主光線對成像物鏡M2的入射角。(2)可以用奶進行展開，擬合得到一個以0)2為未知數的多項式i2S(i2)=60+、*必2+62，2+63,w23+......其中常數項和一次項是必須保留的，其他高次項可以依據精度進行省略當-(2)<45°時，可以考慮/^Oga6。+一a^，誤差可以忽略。準直物鏡Mi的弧矢半徑可由下式決定"。=/^，參數A由以下式子決定當[<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>時，狹縫中心點成像彌散斑尺寸在色散方向上增大與最優、2r的情況相比小于50%，實施效果較好。具體實施方式闡述具體包括2個實施例子(準直物鏡和成像物鏡M2都是自由曲面鏡，準直物鏡Mt是球面鏡，成像物鏡M2是自由曲面鏡)，其實施效果將與準直物鏡和成像物鏡M2為球面鏡時的效果進行對比。準直物鏡Mi和成像物鏡M2是球面鏡時的切尼-特納光譜儀參數<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1V^的入射角風500nm)23.47°500nm主光線對M2的入射角5.00°準直后的光對光柵的入射角卩g(500nm)22.78°500nm中心波長光的衍射角其光路圖如圖5。當準直物鏡IV^和成像物鏡M2都是球面鏡時，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/腦Y/jam80032.49324.9865018.09438.405007.10559.1135014.42687.4420027.57823.891、準直物鏡M,和成像物鏡M2都是自由曲面鏡時的其他參數如表所示，其余未列的參數與上表(準直物鏡I^和成像物鏡M2是球面鏡時)相同參數描述11<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>這里的參數《取的是及^//^0.67，當《在此附近變化時，色散方向上的像斑尺寸大小變化如圖6所示，當ge時，全波長范圍內的像斑尺寸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，準直物鏡I^是球面鏡成像物鏡M2是自由曲面鏡，準直物鏡Mi是球面鏡的其他參數如表所示，其余未羅列的參數與前表(準直物鏡Mi和成像物鏡M2是球面鏡時)相同<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>實施效果參見各波長的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>本發明的實施效果要優于采用球面鏡為準直物鏡M,和成像物鏡M2的傳統切尼-特納光譜儀的效果。本發明具體實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。權利要求1、一種切尼-特納光譜儀裝置，其特征在于，含有準直物鏡、成像物鏡、狹縫、平面光柵和線陣探測器，照明系統的光從狹縫入射，經所述準直物鏡準直后，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器平面上并接收，其中準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稱面YOZ，稱為子午平面，其中，Y軸是在該子午平面內垂直于Z軸方向，X軸垂直于該子午平面方向并通過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’經過所述C點，且垂直于所述子午平面，經過該輔助軸RR’的任意平面，稱為弧矢面，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是Fk，該圓弧的曲率中心Sk在所述子午平面內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Fk的Y軸坐標ω為自變量的函數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準直物鏡的入射角，ω2是所述成像物鏡的子午截線上各點的Y軸坐標，β(ω2)是波長為λ經過所述子午截線上坐標為(0，ω2，ξ2)的F2點的主光線對成像物鏡的入射角，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)為經過所述點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P2的坐標為(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S2P2與S2F2的夾角，將R2S(ω2)對ω2展開，得到一個以ω2為未知數的多項式，R2S(ω2)＝b0+b1·ω2+b2·ω22+b3·ω23+......，當β(ω2)<45°時，R2S(ω2)≈b0+b1·ω2，其中β(ω2)是波長為λ經過所述子午截線上坐標為(0，ω2，ξ2)的F2點的主光線對成像物鏡的入射角，其中ω2＝R2Tsinθ2，ξ2＝R2T-R2Tcosθ2，自由曲面準直物鏡的經過所述子午截線上坐標為(0，ω1，ξ1)的F1點的弧矢截線的弧矢半徑R1S(ω1)為R1S(ω1)≈a0+a1·ω1，其中a0＝R1T，R1T為自由曲面準直物鏡的子午截線的曲率半徑，a1＝qb1，b1是所述R2S(ω2)的關于ω2多項式的一次項系數，自由曲面準直物鏡上任意一點P1的坐標為(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為所述自由曲面準直物鏡子午截線的曲率中心，O1為所述自由曲面準直物鏡的中心，，R1S(ω1)為經過所述點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S1P1與S1F1的夾角。2、根據權利要求1所述的一種切尼-特納光譜儀裝置，其特征在于，當所述自由曲面準直鏡口半徑《。<li^時，q'a^;當所述自由曲面成像鏡口半徑/2。<丄^,時，<y2'&>2。3、根據權利要求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域，其特征在于，準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的Y軸坐標為自變量的函數，可以是多項式函數，或線性函數。其中，自由曲面成像物鏡主要用于校正像散，自由曲面準直物鏡主要用于補償慧差。文檔編號G01J3/12GK101498606SQ20091007638公開日2009年8月5日申請日期2009年1月15日優先權日2009年1月15日發明者何慶聲,立徐,楊懷棟,金國藩,陳科新申請人:清華大學