TWI778526B - 自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法 - Google Patents

自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI778526B
TWI778526B TW110106521A TW110106521A TWI778526B TW I778526 B TWI778526 B TW I778526B TW 110106521 A TW110106521 A TW 110106521A TW 110106521 A TW110106521 A TW 110106521A TW I778526 B TWI778526 B TW I778526B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
free
concave grating
grating
imaging spectrometer
data point
Prior art date
Application number
TW110106521A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202232065A (zh
Inventor
張本奇
朱鈞
譚益林
金國藩
范守善
Original Assignee
鴻海精密工業股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 鴻海精密工業股份有限公司 filed Critical 鴻海精密工業股份有限公司
Publication of TW202232065A publication Critical patent/TW202232065A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI778526B publication Critical patent/TWI778526B/zh

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0012—Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2823—Imaging spectrometer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1861—Reflection gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

一種自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法，其包括以下步驟：S1， 選取從狹縫不同位置入射的一系列光線作為特徵光線；S2，計算所述特徵光線及一自由曲面凹面光柵面交點處特徵數據點的坐標及法向；S3，通過擬合得到所述自由曲面凹面光柵的自由曲面面形，得到一初始結構；及S4，優化所述初始結構。本發明還涉及一種利用所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法而得到的自由曲面凹面光柵成像光譜儀。

Description

自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法
本發明涉及光學設計領域，尤其涉及一種自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法。
光譜資訊非常重要，在生物科學、醫療健康、製藥、能源、食品及農業等領域有著廣泛的應用。光譜資訊的獲取依賴光譜儀及成像光譜儀。成像光譜儀中關鍵的元件係具有色散功能的光學系統。具有色散功能的光學系統具有更大的視場、更寬的光譜範圍、更高的解析度，能夠推動相關應用領域學科的發展，係人們長期以來所不懈追求的目標。
自由曲面係指無法用球面或非球面係數來表示的非先前曲面，自由曲面係不具有對稱性的複雜面形的光學曲面。近十幾年來，自由曲面光學的快速發展不但為光學系統的性能帶來了全方位的提升，而且還實現了許多以往難以設計、或者從來沒有過的光學系統，為光學設計領域帶來了革命性的突破。
先前的成像光譜儀較少採用自由曲面來設計，原因係自由曲面的變數較多，自由度太大，系統的體積、重量與鏡片數量等考慮因素很多，很難設計出結構簡單、成本低廉且具有較好成像效果的成像光譜儀。
有鑒於此，提供一種自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法實為必要，該設計方法可以設計出結構簡單且具有較好的成像效果的自由曲面凹面光柵成像光譜儀。
一種自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法，其包括以下步驟： S1，選取從狹縫不同位置入射的一系列光線作為特徵光線；S2，計算所述特徵光線及一自由曲面凹面光柵面交點處特徵數據點的坐標及法向；S3，通過擬合得到所述自由曲面凹面光柵的自由曲面面形，得到一初始結構；及S4，優化所述初始結構。
與先前技術相比，本發明提供的自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法可以得到僅含有自由曲面凹面光柵這一個光學元件的自由曲面凹面光柵成像光譜儀，該自由曲面凹面光柵同時作為色散元件及成像元件，從而使得所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀結構簡單、體積小、成本低廉，而且還具有較好的成像效果。
100:自由曲面凹面光柵成像光譜儀
102:狹縫
104:凹面光柵
106:探測器
108:像面
圖1為本發明第一實施例提供的自由曲面凹面光柵成像光譜儀的光路圖。
圖2為本發明第一實施例提供的自由曲面凹面光柵成像光譜儀的結構示意圖。
圖3為本發明第一實施例提供的系統1不同視場及不同波長的波像差。
圖4為本發明第二實施例提供的自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法的流程圖。
下面將結合附圖及具體實施例對本發明提供的自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法作進一步的詳細說明。
請參見圖1及圖2，本發明第一實施例提供一種自由曲面凹面光柵成像光譜儀100，該自由曲面凹面光柵成像光譜儀100包括一狹縫102、一凹面光柵104及一像面108。光線通過所述狹縫102照射到所述凹面光柵104上發生色散並反射形成一反射光束，該反射光束照射到所述像面108成像。所述凹面 光柵104具有一自由曲面，故所述凹面光柵104為自由曲面凹面光柵104。所述自由曲面凹面光柵104同時作為所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100的色散元件及成像元件，也即所述自由曲面凹面光柵104同時具有色散及成像的功能。也即，從狹縫102入射的光線照射到所述自由曲面凹面光柵104上發生色散並反射，反射光束照射到所述像面108上，使得狹縫102入射的不同波長的光線分開並分別成像在像面108上。
所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100僅含有單個光學元件，該單個光學元件就係所述凹面光柵104。也即，所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100僅含有凹面光柵104這一個光學元件。所述狹縫102及所述像面108位於所述凹面光柵104的同一側。
所述狹縫102係一條寬度可調、狹窄細長的縫孔。所述狹縫102可以係固定的狹縫102、單邊可調的非對稱式狹縫102及雙邊可調的對稱狹縫102。本實施例中，所述狹縫102係雙邊可調的對稱狹縫102。
所述凹面光柵104的線距可以固定，也可以變化。當凹面光柵104的線距固定時，說明該凹面光柵104具有定線距，該凹面光柵104為定線距凹面光柵104。當凹面光柵104的線距變化時，說明該凹面光柵104具有變線距，該凹面光柵104為變線距凹面光柵104。一實施例中，所述凹面光柵104為定線距自由曲面凹面光柵104；另一實施例中，所述凹面光柵104為變線距自由曲面凹面光柵104。
自由曲面上光柵柵線距離固定或係變化、柵線的形狀彎曲或係筆直，對應著柵線在光柵局部坐標系的xy平面上的投影線的距離及形狀。所述變線距凹面光柵104指的係直條紋的變線距光柵，鏡面上某一點(x,y)處柵線距離d滿足：d(x,y)=d 0+d 1 y+d 2 y 2+d 3 y 3+… (1)
所述成像光學系統進一步包括一探測器106，該探測器106位於所述像面108的位置，用於記錄所述像面108的資訊。所述探測器106也可以為膠片等。本實施例中，所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100由所述狹縫102、所述凹面光柵104、所述像面108及所述探測器106組成。
表1為凹面光柵104分別為不同的定線距凹面光柵104及不同的變線距凹面光柵104時，所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100的性能參數。表1中，Constant指定線距凹面光柵104，Variable指變線距凹面光柵104，System No.指系統編號(該系統就係所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100，簡稱系統)，Grating line-space指凹面光柵104線距，Spectral bandwidth指光譜頻寬，Spectral dispersion指光譜色散，Slit length指狹縫102長度，Numerical aperture指數值孔徑，System length指系統長度(系統長度係指所述狹縫102至所述凹面光柵104的距離)，Spectral resolving power指光譜分辨力，光譜頻寬的單位為nm(奈米)，光譜色散的單位為nm/mm(奈米每毫米)，狹縫102長度及系統長度的單位均為mm(毫米)。
Figure 110106521-A0305-02-0005-1
由表1可知，所述凹面光柵104為定線距凹面光柵104時，所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100的光譜範圍(光譜頻寬)係400nm至1000nm，光譜色散大於等於240nm/mm，狹縫102長度小於等於2.1mm，數值孔徑小於等於0.13，系統長度大於等於61mm，光譜分辨力最高可達342。所述凹面光柵 104為變線距凹面光柵104時，所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100的光譜範圍係400nm至1000nm，光譜色散大於等於100nm/mm，狹縫102長度小於等於2.3mm，數值孔徑小於等於0.16，系統長度大於等於37mm，光譜分辨力最高可達820。
表1中，系統1(System No.1)的光譜範圍係400nm至1000nm，狹縫102長度為1mm，數值孔徑為0.1，系統長度為100mm，光譜色散最高為340nm/mm，光譜分辨力為241，此時，系統1各視場、各波長的波像差如圖3所示。
圖3中，橫坐標為狹縫102長度，縱坐標為波長，狹縫102長度及波長的長度均為mm。圖3中，WFE RMS(wavefront error波前誤差，root mean square均方根)的最小值(Minimum)為0.0081λ，最大值(Maximum)為0.0745λ，平均值(Average)為0.0422λ，標準差(Standard Deviation)為0.0065，色畸變(keystone distortion)的最大值為0.175μm(微米)，譜線彎曲(Smile distortion)的最大值為0.109μm。
由圖3可知，系統1在整個工作的光譜範圍內，各個波長λ全視場波像差RMS的最大值不超過0.075λ，故系統1各個波長的像質(成像品質)達到衍射極限，系統1具有良好的像質；系統1各個波長的譜線彎曲及各視場點的色畸變的絕對值不超過1μm；系統1中像面108上的像點到中心視場主光線的垂直距離不小於1.4mm，避免了遮攔；並且系統1為物方遠心。
另，表1中，系統2(System No.2)至系統21(System No.21)在光譜範圍內，全視場的波像差RMS的最大值不超過0.075λ，像質達到了衍射極限，故系統2至系統21均具有良好的像質。系統2至系統21中色畸變及譜線彎曲的絕對值均小於1μm，故系統2至系統21均無遮攔，且系統2至系統21均為物方遠心。由此可見，所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100為物方遠心、無遮攔，且具有良好的像質。
對比表1中使用定線距凹面光柵104及變線距凹面光柵104的系統1至系統21，可以得出採用變線距凹面光柵104使整個系統的各項性能參數提高的百分比，如表2所示。表2中，Maximum improvement指最大提高值，From Constant To Variable指從定線距凹面光柵104到變線距凹面光柵104。
Figure 110106521-A0305-02-0007-2
由表2可得知，在光譜範圍為400nm至1000nm時，採用變線距凹面光柵104，僅提升狹縫102長度最多從1.0mm提升到1.8mm，提高了80%；僅提升數值孔徑最多從0.10提升到0.14，提高了40%；僅縮小系統長度最多從100mm縮小至52mm，提高了92%；僅提升光譜色散最多從340nm/mm提升到140nm/mm，提高了143%；光譜分辨力最高可以達到系統13中的585，相比於系統1提高了143%。
在光譜範圍為600nm至1000nm時，採用變線距凹面光柵104，僅提升狹縫102長度最多從2.1mm提升到2.3mm，提高了10%；僅提升數值孔徑最多從0.13提升到0.16，提高了23%；僅縮小系統長度最多從61mm縮小至37mm，提高了65%；僅提升光譜色散最多從240nm/mm提升到100nm/mm，提高了140%；光譜分辨力最高可以達到系統17中的820，相比於系統5提高了140%。
在光譜範圍為400nm至800nm時，採用變線距凹面光柵104，僅提升狹縫102長度最多從1.6mm提升到1.8mm，提高12%；僅提升數值孔徑最多從0.11提升到0.14，提高了27%；僅縮小系統長度最多從73mm縮小至52mm，提高了40%；僅提升光譜色散最多從260nm/mm提升到120nm/mm，提高了117%；光譜分辨力最高可以達到系統21中的683，相比於系統9提高了117%。
通過以上結果可以得知，變線距凹面光柵104能夠整體提高系統的各項性能參數，對提高光譜色散及光譜分辨力、縮小系統長度的效果尤其明顯。當光譜範圍為400nm至1000nm時，系統各性能參數的提升幅度要高於光譜範圍為600nm至1000nm及400nm至800nm時系統的提升幅度，其中提升幅度相差最多的係狹縫102長度。400nm至800nm的波長範圍由於平均波長較短，提升的效果相對最差，這符合成像光學系統的設計規律。
表3為光譜範圍縮小後，系統各項性能參數的最佳值下降的幅度。表3中，Decrease of best performance指性能參數最佳值的下降。
Figure 110106521-A0305-02-0008-3
由表3得知，擴大光譜範圍後，系統的光譜色散及光譜分辨力的下降幅度較大，而且在使用定線距凹面光柵104的系統中，各項性能參數的下降幅度比使用變線距凹面光柵104的系統的下降幅度要大。另，由於400nm至800nm光譜範圍內平均波長較小，系統的設計難度比600nm至1000nm更高，當光譜範圍擴大至400nm至1000nm時，使用變線距凹面光柵104的系統甚至在狹縫102長度、數值孔徑及系統長度三個方面均沒有提升。故，與使用定線距凹面光柵104的系統相比，使用變線距凹面光柵104的系統，其性能的下降對光譜範圍的擴大不靈敏，故使用變線距凹面光柵104有利於擴大系統的光譜範圍。
所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100具有以下優點：第一、利用光學自由曲面的面形的高自由度，只使用一個光學元件即實現了高光譜成像，也即僅含有自由曲面凹面光柵104這一個光學元件，所述自由曲面凹面光柵104同時作為色散元件及成像元件，光路簡單、結構簡單、體積小、成本低廉；第二、具有較好的成像效果；第三、相對於使用定線距自由曲面凹面光柵104，使用變線距自由曲面凹面光柵104，可以提高自由曲面凹面光柵成像光譜儀100的各項性能，對提高光譜色散及光譜分辨力、縮小系統長度的效果尤為明顯，而且還有利於擴大光譜範圍。本發明第二實施例提供一種所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100的設計方法，該設計方法為：先確定所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100的初始結構，再對該初始結構進行優化。所述設計方法中，採用針對帶有色散器件的光學系統的逐點設計方法來求解所述初始結構，所述逐點設計方法係先選取從狹縫102不同位置入射的一系列光線作為特徵光線，然後 計算這些特徵光線及凹面光柵104面交點處特徵數據點的坐標及法向，接著通過擬合得到凹面光柵104的自由曲面面形，得到所述初始結構。最後通過優化來提高所述初始結構的成像品質，得到所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100。
請參見圖4，所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100的設計方法包括以下步驟：S1，選取從狹縫102不同位置入射的一系列光線作為特徵光線；S2，計算所述特徵光線及所述凹面光柵104面交點處特徵數據點的坐標及法向；S3，通過擬合得到所述凹面光柵104的自由曲面面形，得到一初始結構；及S4，優化所述初始結構。
步驟S2中，所述凹面光柵104為自由曲面凹面光柵104。使用逐點設計方法計算凹面光柵104面的面形時，首先根據最近光線原則，計算凹面光柵104面上各個特徵數據點的坐標。然後，按照系統的物像關係，計算凹面光柵104面上各個特徵數據點的法向。根據系統的成像要求，從狹縫102上不同位置射出的光線最終要彙聚到像面108上的目標點(即理想像點)處。故，對於某一個特徵光線，波長大小為λ時，凹面光柵104面上相應的特徵數據點處入射光線的方向向量S及出射光線的方向向量S'應該滿足光柵方程。根據Ludwig給出的一般化的光柵的追跡方程，S及S'應該滿足
Figure 110106521-A0305-02-0009-4
其中，n表示衍射級次，λ表示光線的波長，G表示光柵生成面的法向方向，R表示特徵數據點的法向，d表示光線入射點處光柵線距。其中，n、λ及G係已知量，而R及d係未知量。
凹面光柵104面上各個特徵數據點的法向的計算方法根據凹面光柵104種類的不同而不同。也即，定線距凹面光柵104面上各個特徵數據點的法向的計算方法及變線距凹面光柵104面上各個特徵數據點的法向的計算方法不相同。以下為具體說明。
當計算定線距凹面光柵104的面形時，首先要計算出光柵線距d0。按照系統光譜色散的大小及凹面光柵104面到像面108的距離，可以計算出狹縫 102中心的主光線發生色散的角度大小，根據色散的角度大小及光譜範圍，可以計算出滿足要求的光柵線距d0。此時，公式(2)中除了R以外都係已知量，故可求解出R的值，得到定線距凹面光柵104面上各個特徵數據點的法向。也即，所述定線距凹面光柵104面上各個特徵數據點的法向的計算方法，包括以下子步驟：S21’，按照系統光譜色散的大小及定線距凹面光柵面到像面的距離，計算出狹縫中心的主光線發生色散的角度大小；S22’，根據色散的角度大小及光譜範圍，計算出滿足要求的光柵線距d0；S23’，根據公式
Figure 110106521-A0305-02-0010-5
求解出R的值，其中，n表示衍射級次，λ表示光線的波長，G表示光柵生成面的法向方向，R表示定線距凹面光柵面上各個特徵數據點的法向，d表示光線入射點處光柵線距，S表示定線距凹面光柵104面上相應的特徵數據點處入射光線的方向向量，S'表示定線距凹面光柵104面上相應的特徵數據點處出射光線的方向向量。
當計算變線距凹面光柵104的面形時，不同特徵數據點處光柵線距的大小係不同的，採取以下方法進行求解：S21，將光柵的面形設定為球面，特徵光線與球面的交點為特徵數據點，各特徵數據點處球面法向R已知，此時公式(2)中除了d以外都係已知量，故可以求解出該特徵數據點處的光柵線距d，當所有特徵數據點處的光柵線距都求解完成後，按照公式(1)擬合得到光柵線距隨坐標y變化的函數d(y)；及S22，採用求解定線距凹面光柵104的特徵數據點法向的方法(即所述步驟S23’)，求解變線距光柵上特徵數據點的法向R，但不同的係，各特徵數據點處光柵線距d的值不係根據狹縫102中心主光線的色散求解，而係由函數d(y)給出。
步驟S3中，在求解得到所有的特徵數據點的坐標及法向之後，通過擬合即得到定線距凹面光柵104的自由曲面面形或者變線距凹面光柵104的自由曲面面形。
通過擬合得到所述凹面光柵104的自由曲面面形的方法不限。本實施例中，通過擬合得到所述凹面光柵104的自由曲面面形的方法，包括以下子步驟：步驟S1’，建立一初始曲面及一第一三維直角坐標系； 步驟S2’，選取K條特徵光線Ri(i=1,2,...,K)；步驟S3’，根據物像關係或光線映射關係及斯涅爾定律逐點求解每條特徵光線與待求自由曲面的複數個交點，進而得到複數個特徵數據點Pi(i=1,2,...,K)；步驟S4’，在所述第一三維直角坐標系中，將該複數個特徵數據點擬合成一球面，並將中心採樣視場主光線對應的特徵資料點定義為球面的頂點，並以該球面的頂點為原點，通過曲率中心及球面頂點的直線為z軸，建立一第二三維直角坐標系；及步驟S5’，將所述複數個特徵數據點在第一三維直角坐標系中的坐標(xi,yi,zi)及法向量(αi,βi,γi)分別變換為第二三維直角坐標系中的坐標(x'i,y'i,z'i)及法向量(α'i,β'i,γ'i)，將所述複數個特徵數據點P i (i=1,2...K)在第二三維直角坐標系中擬合成一個二次曲面，將特徵數據點在第二三維直角坐標系中的二次曲面上的坐標及法向量分別從坐標(x'i,y'i,z'i)及法向量(α'i,β'i,γ'i)中除掉，得到殘餘坐標及殘餘法向量，將所述殘餘坐標及殘餘法向量進行曲面擬合得到一自由曲面，該自由曲面的方程式與所述二次曲面的方程式相加得到待求自由曲面的方程式，也即所述凹面光柵104的自由曲面的面形方程。
步驟S4中，優化所述初始結構的目的係提高初始結構的成像品質。優化所述初始系統，從而提高所述初始系統的成像品質的方法不限，可以採用光學設計軟體來實現。所述光學設計軟體包括CODE V或者ZEMAX OPTIC STUDIO等。
進一步，所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100的設計方法還可以在步驟S4之後包括一根據步驟S4中輸出的參數進行加工的步驟，從而得到一所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100的物理元件，該物理元件具有形狀，並且由材料製成，係一個物理元件實體。
另，對於變線距凹面光柵104，在求解得到了自由曲面面形的同時，還得到了變線距凹面光柵104柵距隨坐標變化的函數。為了進一步提高變線距凹面光柵104的面形方程及線距函數的求解效果，提高初始系統的像質，所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100的設計方法的步驟S3進一步包括以下步驟：S31，將求得的自由曲面面形固定，重複變線距凹面光柵104面型求解過程中的步驟S21，計算得到一個新的光柵線距的變化函數； S32，再重複變線距凹面光柵104面型求解過程中的步驟S22，得到一個相應的新的自由曲面面形；及S33，反復重複步驟S31及步驟S32進行反覆運算，就可以進一步提高計算得到的變線距自由曲面凹面光柵成像光譜儀100的成像品質。
本實施例中，採用所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100的設計方法，得到了所述系統1至系統21。
所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀100的設計方法具有以下優點：第一、可以快速生成一個滿足給定條件的初始解，通過後續優化即可得到高像質的系統，極大地方便了設計具有不同光譜範圍及不同光譜解析度的系統；第二、方法簡單。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

Claims (7)

  1. 一種自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法，其包括以下步驟：S1，選取從狹縫不同位置入射的一系列光線作為特徵光線；S2，計算所述特徵光線及一自由曲面凹面光柵面交點處特徵數據點的坐標及法向；所述自由曲面凹面光柵為定線距自由曲面凹面光柵，所述定線距自由曲面凹面光柵面上各個特徵數據點的法向的計算方法，包括以下步驟：S21’，按照系統光譜色散的大小及定線距凹面光柵面到像面的距離，計算出狹縫中心的主光線發生色散的角度大小；S22’，根據色散的角度大小及光譜範圍，計算出光柵線距d0；及 S23’，根據公式
    Figure 110106521-A0305-02-0013-6
    求解出R的值，其中，n表示衍射級次，λ表示光線的波長，G表示光柵生成面的法向方向，R表示定線距自由曲面凹面光柵面上各個特徵數據點的法向，d表示光線入射點處光柵線距，S表示定線距自由曲面凹面光柵面上相應的特徵數據點處入射光線的方向向量，S'表示定線距自由曲面凹面光柵面上相應的特徵數據點處出射光線的方向向量；S3，通過擬合得到所述自由曲面凹面光柵的自由曲面面形，得到一初始結構；及S4，優化所述初始結構。
  2. 一種自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法，其包括以下步驟：S1，選取從狹縫不同位置入射的一系列光線作為特徵光線；S2，計算所述特徵光線及一自由曲面凹面光柵面交點處特徵數據點的坐標及法向；所述自由曲面凹面光柵為變線距自由曲面凹面光柵，所述變線距自由曲面凹面光柵面上各個特徵數據點的法向的計算方法，包括以下步驟：S21，將變線距自由曲面凹面光柵的面形設定為球面，特徵光線與球面的交點為特徵數據點，各特徵數據點處球面法向R已知，此時公式
    Figure 110106521-A0305-02-0013-7
    中除了d以外都係已知量，從而求解出該特徵數據點處的光柵線距d，當所有特徵數據點處的光柵線距都求解完成後，按照公式d(x,y)=d 0+d 1 y+d 2 y 2+d 3 y 3+…擬合得到光柵線距隨坐標y變化的函數d(y)；及 S22，根據公式
    Figure 110106521-A0305-02-0014-8
    求解出R的值，其中，n表示衍射級次，λ表示光線的波長，G表示光柵生成面的法向方向，R表示變線距自由曲面凹面光柵面上各個特徵數據點的法向，d表示光線入射點處光柵線距，S表示變線距自由曲面凹面光柵面上相應的特徵數據點處入射光線的方向向量，S'表示變線距自由曲面凹面光柵面上相應的特徵數據點處出射光線的方向向量；S3，通過擬合得到所述自由曲面凹面光柵的自由曲面面形，得到一初始結構；及S4，優化所述初始結構。
  3. 如請求項2所述的自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法，其中，所述步驟S3進一步包括以下步驟：S31，將求得的自由曲面面形固定，重複所述步驟S21，計算得到一個新的光柵線距的變化函數；S32，再重複所述步驟S22，得到一個相應的新的自由曲面面形；及S33，反復重複所述步驟S31及所述步驟S32進行反覆運算。
  4. 如請求項1所述的自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法，其中，所述步驟S4中，採用光學設計軟體來優化所述初始結構。
  5. 如請求項1所述的自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法，其中，所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法在步驟S4之後進一步包括一根據步驟S4中輸出的參數進行加工的步驟，從而得到一所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀的物理元件。
  6. 如請求項1所述的自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法，其中，所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀包括一狹縫、一自由曲面凹面光柵及一像面，從物出發的光線通過所述狹縫照射到所述自由曲面凹面光柵上並反射形成一反射光束，該反射光束照射到所述像面成像。
  7. 如請求項6所述的自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法，其中，所述自由曲面凹面光柵成像光譜儀僅含有所述自由曲面凹面光柵一個光學元件。
TW110106521A 2021-02-05 2021-02-24 自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法 TWI778526B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110163594.8A CN114877995A (zh) 2021-02-05 2021-02-05 自由曲面凹面光栅成像光谱仪的设计方法
CN202110163594.8 2021-02-05

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202232065A TW202232065A (zh) 2022-08-16
TWI778526B true TWI778526B (zh) 2022-09-21

Family

ID=82667124

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110106521A TWI778526B (zh) 2021-02-05 2021-02-24 自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11614617B2 (zh)
CN (1) CN114877995A (zh)
TW (1) TWI778526B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116661139B (zh) * 2023-06-09 2024-05-10 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种自由曲面光学***的设计方法
CN116661138B (zh) * 2023-06-09 2024-05-14 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种光栅光谱仪的光学设计方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201416648A (zh) * 2012-10-17 2014-05-01 Oto Photonics Inc 光譜儀及其光機
TW201627641A (zh) * 2015-01-23 2016-08-01 台灣超微光學股份有限公司 光譜儀及其光輸入部
TW201802439A (zh) * 2016-07-12 2018-01-16 台灣超微光學股份有限公司 光譜儀及其製作方法
TW201937228A (zh) * 2018-02-09 2019-09-16 鴻海精密工業股份有限公司 自由曲面成像光譜儀系統
TW201945787A (zh) * 2018-02-09 2019-12-01 鴻海精密工業股份有限公司 具有色散器件的自由曲面光學系統的設計方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104570340B (zh) * 2013-10-24 2017-04-05 清华大学 自由曲面成像***的设计方法
US10444069B2 (en) * 2015-06-07 2019-10-15 University Of Rochester Imaging spectrometer with freeform surfaces
KR20200101444A (ko) * 2017-12-28 2020-08-27 브리제 유니버시타이트 브루셀 결상 시스템에 대한 광학 설계 방법 및 이로 설계된 광학 시스템

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201416648A (zh) * 2012-10-17 2014-05-01 Oto Photonics Inc 光譜儀及其光機
TW201627641A (zh) * 2015-01-23 2016-08-01 台灣超微光學股份有限公司 光譜儀及其光輸入部
TW201802439A (zh) * 2016-07-12 2018-01-16 台灣超微光學股份有限公司 光譜儀及其製作方法
TW201937228A (zh) * 2018-02-09 2019-09-16 鴻海精密工業股份有限公司 自由曲面成像光譜儀系統
TW201945787A (zh) * 2018-02-09 2019-12-01 鴻海精密工業股份有限公司 具有色散器件的自由曲面光學系統的設計方法

Also Published As

Publication number Publication date
US11614617B2 (en) 2023-03-28
US20220252871A1 (en) 2022-08-11
TW202232065A (zh) 2022-08-16
CN114877995A (zh) 2022-08-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10488254B2 (en) Spectrometer with two-dimensional spectrum
CN108152948B (zh) 离轴非球面光学***的设计方法
TWI778526B (zh) 自由曲面凹面光柵成像光譜儀的設計方法
TWI677728B (zh) 自由曲面離軸成像系統的設計方法
CN110031957B (zh) 自由曲面离轴三反成像***
CN102155990B (zh) 一种中阶梯光栅光谱仪的装调方法
CN102279047B (zh) 一种15°视场远心三个反射镜同轴的成像***
US20060082882A1 (en) Achromatic imaging lens with extended depth of focus
CN108152939B (zh) 离轴非球面三反光学***
TWI691737B (zh) 具有色散器件的自由曲面光學系統的設計方法
CN203881441U (zh) 基于自由曲面的成像光谱仪分光***
CN104406691B (zh) 一种基于单个自由曲面的成像光谱仪分光***
CN113419340B (zh) 一种用于激光光束整形的自由曲面构建方法
CN110579277B (zh) 大视场自由曲面光谱仪光学***设计方法及光学***
TWI780601B (zh) 自由曲面凹面光柵成像光譜儀
CN105004421A (zh) 以光栅为分界的成像光谱仪
CN203965040U (zh) 基于单个自由曲面的成像光谱仪分光***
Cakmakci et al. Application of radial basis functions to represent optical freeform surfaces
CN113126270A (zh) 自由曲面离轴三反成像***
Pan et al. Design and measurement of convex grating in conical diffraction Offner spectrometer
Sun et al. A method to increase the field of view of an imaging optical system
Miñano et al. Freeform optics design
CN113701882B (zh) 一种光谱仪光学***及其设计方法
CN113552717B (zh) 透镜设计方法、透镜及激光雷达
CN111678598B (zh) 一种Dyson曲面棱镜光谱成像***

Legal Events

Date Code Title Description
GD4A Issue of patent certificate for granted invention patent