CN107290051A - 基于柱透镜型中阶梯光栅光谱仪消像散方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学仪器设计领域，为提出用于中阶梯光栅光谱仪(可推广至类似CT型光谱仪)的像散校正方法，在宽波段范围内实现像散校正；应用于实现宽波段、高精度、紧凑型光谱仪器开发。本发明采用的技术方案是，基于柱透镜型中阶梯光栅光谱仪消像散方法，在阶梯光栅光谱仪面阵CCD器件前设置柱透镜，已知曲率半径rc、中心厚度t0；根据探测光谱范围，确定光谱仪探测的上限和下限波长；利用下限波长，结合球面聚焦镜的离轴角，确定柱透镜和平面反射镜的初始距离Lc0；利用上限波长，结合棱镜色散角变化量Δβt，确定柱透镜偏转角ζ。本发明主要应用于光学仪器设计制造场合。
Description
技术领域
本发明属于光学仪器设计领域，具体讲,涉及基于柱透镜消像散型中阶梯光栅光谱仪设计方法及装置。
背景技术
中阶梯光栅光谱仪是一种高分辨率光谱仪器，由中阶梯光栅和棱镜组成交叉色散结构，在像面上形成二维光谱，采用面阵CCD接收。它克服了传统扫描式光栅光谱仪获得谱图过程繁琐、测试时间长的缺点，具有动态范围大、无移动部件、结构紧凑、可实现多元素光谱的瞬态直读测量等多种功能，由于面阵CCD的像素数远大于线阵CCD，所以中阶梯光栅光谱仪可以在一次曝光中获得很宽波段的光谱信号。
中阶梯光栅光谱仪一般采用非交叉式CT结构，属于一种特殊的CT型光谱仪。而传统的CT型光谱仪，其性能(如分辨率、灵敏度等)受像差影响严重，最大程度地校正像差、降低像差对光谱仪成像质量的影响至关重要。根据已有报道，在CT结构中，采用相同曲率半径的准直和聚焦镜，同时设计保证两者具有大小相同、方向相反的离轴角，可以达到校正慧差的目的；设计准直镜的口径和曲率半径，保证其f数满足一定的要求，可以忽略球差的影响。而对于像散，已有方案如利用柱面反射镜或超环面镜校正补偿的方法，需特殊定制的非标准光学反射镜，具有加工困难、成本高昂、不利于工业产品化的缺点。
发明内容
为克服现有技术的不足，
(1)本发明的目的是提供一种基于柱透镜的中阶梯光栅光谱仪像散校正方法，可用于中阶梯光栅光谱仪(可推广至类似CT型光谱仪)的像散校正，方法利用现成的标准光学器件，简化数学模型和设计过程，在宽波段范围内实现像散校正；
(2)本发明的另一目的是提供一种利用(1)中所述方法设计的消像散型中阶梯光栅光谱仪装置，采用中阶梯光栅、准直镜、聚焦镜、棱镜、平面反射镜、柱透镜、面阵CCD，实现宽波段、高精度、紧凑型光谱仪器开发。
本发明采用的技术方案是，基于柱透镜型中阶梯光栅光谱仪消像散方法，在阶梯光栅光谱仪面阵CCD器件前设置柱透镜，已知曲率半径rc、中心厚度t0；根据探测光谱范围，确定光谱仪探测的上限和下限波长；利用下限波长，结合球面聚焦镜的离轴角，确定柱透镜和平面反射镜的初始距离Lc0；利用上限波长，结合棱镜色散角变化量Δβt，确定柱透镜偏转角ζ。
基于柱透镜型中阶梯光栅光谱仪消像散装置，结构是，光束经光纤传输并聚焦至入射针孔，再由球面准直镜准直到中阶梯光栅进行垂直色散，中阶梯光栅工作于准利特罗条件下即垂直方向入射角等于闪耀角、水平方向具有偏转角，经色散棱镜水平色散，由球面聚焦镜进行聚焦，平面反射镜折叠光路，增加紧凑性，经柱透镜消像散，成像于面阵CCD器件。
其中，经柱透镜消像散具体是，已知曲率半径rc、中心厚度t0；根据探测光谱范围，确定光谱仪探测的上限和下限波长；利用下限波长，结合球面聚焦镜的离轴角，确定柱透镜和平面反射镜的初始距离Lc0；利用上限波长，结合棱镜色散角变化量Δβt，确定柱透镜偏转角ζ。
本发明的特点及有益效果是：
(1)利用现成的标准柱透镜，即可实现中阶梯光栅光谱仪(可推广至类似CT型光谱仪)的像散校正，在宽波段范围(190-600nm)内补偿像散，显著提高光谱仪的光谱分辨能力。
(2)本发明提出的像散校正方法具有过程简单、模型简化、易于操作的特点，相比传统的光谱仪像散校正方法，本方法所涉及关键器件——柱透镜为标准器件，可显著降低机械加工成本，便于产业化应用。
(3)利用本发明所提方法设计的消像散型中阶梯光栅光谱仪是典型的应用案例，验证了本发明提出的方法，证明了方案的可行性和对光谱仪性能的显著改善效果，为其他情况利用本方法提供参考。
附图说明：
图1示出本发明基于柱透镜的光谱仪消像散设计方法原理图。
图2示出本发明消像散型中阶梯光栅光谱仪装置原理图。
图3示出本发明球面聚焦镜离轴角合成模型。
图4示出本发明中可代表像散程度的子午弧矢焦距差图。
图5示出本发明中阶梯光栅光谱仪汞灯光谱软件仿真图。
图6示出本发明中阶梯光栅光谱仪装置汞灯光谱拍摄图。
图1中：1为球面聚焦镜；2为柱透镜；3为柱透镜初始位置；4为柱透镜优化位置；5为柱透镜旋转角ζ；6为棱镜色散角变化量；7为子午面焦距；8为弧矢面焦距。
图2中：9为入射针孔；10为球面准直镜；11为中阶梯光栅；12为色散棱镜；13为球面聚焦镜；14为平面反射镜；15为柱透镜；16为面阵CCD器件。
图3中：17为横向离轴角；18为纵向离轴角；19为聚焦镜合成离轴角。
图4为校正前和校正后子午弧矢焦距差。
图5为校正前和校正后汞灯仿真点列图。
图6为CCD实际汞灯光谱拍摄的灰度图。
具体实施方式
本发明采用的技术方案是，一种基于柱透镜的消像散型中阶梯光栅光谱仪设计方法及装置，由以下部分构成：
第一部分，基于柱透镜的中阶梯光栅光谱仪像散校正方法，如图1所示。选择现成的标准柱透镜，已知曲率半径rc、中心厚度t0；根据探测光谱范围(190-600nm)，确定光谱仪探测的上限和下限波长。利用下限波长(190nm)，结合球面聚焦镜的离轴角，确定柱透镜和平面反射镜的初始距离Lc0；利用上限波长(600nm)，结合棱镜色散角变化量Δβt，确定柱透镜偏转角ζ。
第二部分，消像散型中阶梯光栅光谱仪装置，如图2所示。光束经光纤传输并聚焦至入射针孔1，再由球面准直镜2准直到中阶梯光栅3进行垂直色散，中阶梯光栅3工作于准利特罗条件下(即垂直方向入射角等于闪耀角，水平方向具有偏转角)，经色散棱镜4水平色散，由球面聚焦镜5进行聚焦，平面反射镜6折叠光路，增加紧凑性，经柱透镜7消像散(利用第一部分所述方法)，成像于面阵CCD器件8。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。
像散是一种轴外点成像像差，在根本上是由光学成像***中的离轴角引起的，往往会导致子午面和弧矢面的焦距存在差异，两者差值的大小可代表像散的程度。对于CT结构光谱仪，根据相关文献报道，子午和弧矢焦距的差值可写为
其中R1为球面准直镜的曲率半径，R2为球面聚焦镜的曲率半径，α1为准直镜离轴角，α2为聚焦镜离轴角。需要注意的是，对于非交叉式的CT结构光谱仪，准直镜离轴角α1为常数，而聚焦镜离轴角α2则是一个变化量，受聚焦镜本身离轴角常量和特定波长色散角影响，特别地，对于中阶梯光栅光谱仪，特定波长色散又决定于光栅色散和棱镜色散两个方面。如图3所示，在坐标系OXYZ中，YOZ平面为水平面，聚焦镜离轴角19由垂直方向离轴角18和水平方向离轴角17合成，表达为
其中Δθ为光栅色散角变化量，Δβ为棱镜色散角变化量，α1为聚焦镜本身离轴角常量(相对初始波长主光线，且与准直镜相等)。在子午面和弧矢面，焦距可分别表示为
其中ft(λ)和fs(λ)分别为子午和弧矢焦距。为校正像散，如图1所示(由于平面反射镜只转折光路，不改变光学特性，因此在模型中省去)，引入现成的标准柱透镜2，其曲率半径为rc，中心厚度为t0，焦距可表示为
其中n(λ)为特定波长下的熔融石英折射率。初始情况下，柱透镜平面垂直于初始波长主光线，此时在弧矢面，焦距变化满足
其中l为物距，lˊ为像距。而l又可以表示为
l＝fs(λ)-Lc (6)
其中Lc为柱透镜与球面镜聚焦镜中心的距离。校正后，子午和弧矢面焦距可表示为
根据前面的描述，当子午和弧矢面焦距差值为0时，像散可以被校正，因此可到
为简化计算，令
此时，公式(9)可被写为
根据限制条件Lc<fs(λ)，可解得
然而，随着波长变化，聚焦镜离轴角产生变化，像散情况又有不同。如图1所示，主光线3为初始波长，主光线4为任意波长，其夹角6为变化量，由于波长变化产生的子午和弧矢焦距差可通过旋转柱透镜来补偿，根据正弦定理，可得到
其中ζ为柱透镜旋转角5，Δβ为夹角6。对于给定的光谱测量范围，假设其上限波长为λt，此时柱透镜旋转角ζ可由式(14)求出
其中Lct为相对上限波长λt情况下，由式(12)解出的柱透镜与球面聚焦镜之间的距离，Δβ(λt)为上限波长与下限波长主光线之间的夹角。此时，优化的柱透镜位置参数被最终确定，在探测波段范围内，像差得到极大程度的抑制。
图4为消像散前和消像散后子午和弧矢焦距差，由纵坐标可看出，该差值被大幅度校正并且接近于0。图5为本发明所提出的设计方法的光学软件仿真图，可看出校正后，光斑大小显著降低，成像质量明显提高。图6为本发明最终搭建的消像散型中阶梯光栅光谱仪装置的实际汞灯光谱拍摄图，经谱图还原后，仪器分辨率优于0.1nm。
Claims (3)
1.一种基于柱透镜型中阶梯光栅光谱仪消像散方法，其特征是，在阶梯光栅光谱仪面阵CCD器件前设置柱透镜，已知曲率半径rc、中心厚度t0；根据探测光谱范围，确定光谱仪探测的上限和下限波长；利用下限波长，结合球面聚焦镜的离轴角，确定柱透镜和平面反射镜的初始距离Lc0；利用上限波长，结合棱镜色散角变化量Δβt，确定柱透镜偏转角ζ。
2.如权利要求1所述的基于柱透镜型中阶梯光栅光谱仪消像散装置，其特征是，结构是，光束经光纤传输并聚焦至入射针孔，再由球面准直镜准直到中阶梯光栅进行垂直色散，中阶梯光栅工作于准利特罗条件下即垂直方向入射角等于闪耀角、水平方向具有偏转角，经色散棱镜水平色散，由球面聚焦镜进行聚焦，平面反射镜折叠光路，增加紧凑性，经柱透镜消像散，成像于面阵CCD器件。
3.如权利要求1所述的基于柱透镜型中阶梯光栅光谱仪消像散装置，其特征是，其中，经柱透镜消像散具体是，已知曲率半径rc、中心厚度t0；根据探测光谱范围，确定光谱仪探测的上限和下限波长；利用下限波长，结合球面聚焦镜的离轴角，确定柱透镜和平面反射镜的初始距离Lc0；利用上限波长，结合棱镜色散角变化量Δβt，确定柱透镜偏转角ζ。
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