一种切尼－特纳光谱仪装置制造方法及图纸

一种切尼－特纳光谱仪装置属于光谱仪领域，其特征在于，准直物镜和成像物镜都是自由曲面，各自由曲面镜的弧矢半径是渐变的，是以自由曲面镜的子午截线上各点的Ｙ轴坐标为自变量的函数，可以是多项式函数，或线性函数。其中，自由曲面成像物镜主要用于校正像散，自由曲面准直物镜主要用于补偿慧差。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种采用自由曲面镜的切尼-特纳光谱仪，可以应用于光谱仪器领±或
技术介绍
切尼-特纳型光谱仪是一种常用的光谱仪，它的特点是采用两面球面反射镜分别作为准直物镜和成像物镜。如图i，照明系统的光从狭缝s (狭缝s的形式可以是孔或者缝)入射，被准直物镜Mt准直之后，平行照射到平面光栅G上，被色散成多束单色光之后，由 成像物镜M2成像到谱面位置，被光电探测器P接收。其优势在于可调节和布置的结构参 数较多，可以避免二次或多次衍射，能够实现结构紧凑、平直谱面范围较大、且在相当范 围内成像质量较高的设计，便于采用光电阵列探测器接收光谱。影响切尼-特纳结构光谱仪性能的主要像差因素是慧差和像散，慧差使得光谱成像在色 散方向上(子午平面，即主光线和2个球面镜曲率中心所成的面)弥散，使得点扩散函数 展宽，从而降低了光谱仪的分辨率。像散使得光谱成像在谱面上垂直于色散方向上(即弧 矢面)弥散，使点像弥散成了线像。目前切尼-特纳光谱仪结构参数的优化设计主要考虑通 过中心波长的慧差补偿来提高光谱仪分辨率，放弃了弧矢面方向上的像散补偿。为解决弧 矢面方向上弥散的大尺寸带来的问题，早期传统的切尼-特纳单色仪在入缝和出缝位置都采 用了弯曲的狭缝，但是这种结构并不适合采用线阵探测器，比如CCD、 CMOS、 PDA等。 线阵探测器像元的尺寸限制和它的无法弯曲将导致很大一部分的光谱能量不能被线阵探 测器接收，降低了仪器的信噪比。近年来也出现了一些方案来解决像散问题如M.A.Gil 和J. M. Simon等人采用离轴抛物面来代替球面准直物镜和球面成像物镜，L. Schieffer等人 采用环形面镜代替球面成像物镜。但是这两种结构有很大的局限性，前者只适合于扫描型 的切尼-特纳光谱仪(单色仪)，后者只适用于很小的波长范围。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种新的切尼-特纳光谱仪装置，采用弧矢半径渐变的自由曲面反射镜代替球面准直物镜或者成像物镜，同时校正该光谱仪的慧差和像散，提高光谱仪的 分辨率和光谱信噪比。它不仅适用于扫描型的光谱仪(单色仪)结构，也适用于采用阵列 探测器同时探测宽波长范围内整体光谱的结构。本专利技术的特征在于，含有准直物镜、成像物镜、狭缝、平面光栅和线阵探测器，照明 系统的光从狭缝入射，经所述准直物镜准直后，平行照射到所述平面光栅上，被色散成多 束单色光后，由所述成像物镜成像到所述线阵探测器平面上并接收，其中准直物镜和成像物镜都是自由曲面镜，所述自由曲面镜有一对称面YOZ，称为子午平 面，其中，Y轴是在该子午平面内垂直于Z轴方向，X轴垂直于该子午平面方向并通过该自由曲面镜的中心o,所述子午平面在自由曲面镜上的子午截线是一条圆弧X55，该圆弧X5^的曲率中心C在Z轴上，CO是该自由曲面镜的子午曲率半径，辅助轴RR'经过所述 C点，且垂直于所述子午平面，经过该辅助轴RR'的任意平面，称为弧矢面，都与所述子午平面垂直，与所述自由曲面镜相交的弧矢截线都是圆弧EJ^Gp hl,2，…，w,所述圆弧, .、EtF,GA与所述圆弧AOB的交点是F^ ，该圆弧Et&G^的曲率中心S,在所述子午平面内CFA的连线上，该圆弧Et&G^的曲率半径定义为弧矢半径^(EtF,G^，记为^(，是渐变的， 是所述点F,的Y轴坐标cy为自变量的函数/w),其中 自由成像物镜的弧矢半径及2 2)为fi 、及is(i-O) cosor--+i 2rcos(/9(ty2))、 ,、 COS J \、 /COSWW)其中，a是从狭缝入射的光的主光线对准直物镜的入射角，化是所述成像物镜的子午 截线上各点的Y轴坐标，/ ( 2)是波长为;1经过所述子午截线上坐标为(0, 2,《2)的F2点 的主光线对成像物镜的入射角，其中，w2 = i 27>sin02 ，《2 二 &r 一Ar cos《j其中，i w为所述自由曲面成像物镜子午截线的曲率半径，02为所述自由曲面成像物镜的中心，C2为所述自由曲面成像物镜子午截线的曲率中心，i^(化)为经过所述点F2的 弧矢截线的弧矢半径，该弧矢截线的曲率中心为S2，《为C2F2与C202的夹角，6自由曲面成像物镜上任意一点P2的坐标为(/2, 2 ',《2 ')，其中6' = & - [ Ar )(l - cos r2)] cos 6>2,o>2' = [i 2r — Kc^Xl — cosz^sinA ， /2 = i 2S( 2)sinT2 ， r2是弧矢面内S2P2与S2F2的夹角，将i^(^)对^展开，得到一个以《2为未知数的多项式，i 2S (w2) = 60 + 6，《2 + 62 , 22 + 63 ，3 +......，当^^卜45。时，i 2S(w2) 6。+Vw2，其中(《2)是波长为/1经过所述子午截线上坐 标为(0，《2,《2)的F2点的主光线对成像物镜的入射角，其中 2 = sin6>2 ，《2 = & cos<92 ， 自由曲面准直物镜的经过所述子午截线上坐标为(O,^,^)的Fi点的弧矢截线的弧矢 半径^(q)为其中a。-i^， i^为自由曲面准直物镜的子午截线的曲率半径，6,是所述4-0.15,& + 0.15，自由曲面准直物镜上A^)的关于化多项式的一次项系数，g 任意一点P,的坐标为(A,cV,《')，其中《'=- - cos r！)] cos《，必i'=[及ir —及is)(l — cos Ti)] sin《'《=一 cos《， q = i ir sin《，其中，G为所述自由曲面准直物镜子午截线的曲率中心，Ch为所述自由曲面准直物镜 的中心，，i^(A)为经过所述点F,的弧矢截线的弧矢半径，该弧矢截线曲率中心为Sp《 为C^与dCh的夹角，t,是弧矢面内S^与S^的夹角。补充效果本专利技术用于采用线阵探测器的切尼-特纳光谱仪时，分辨率和光谱信噪比都能提高。附图说明图1是切尼一特纳式光路结构示意图l(a)是M型光路；l(b)是折叠式光路图2是所述自由曲面镜示意图 图3是自由曲面镜的三维坐标系 图4是切尼-特纳光谱仪各参数示意图 图5是切尼-特纳光谱仪光路图图6是Mp M2为自由曲面镜时，《变化时的效果曲线比较图具体实施例方式一种切尼-特纳光谱仪装置，由狭缝S、准直物镜M。平面光栅G，成像物镜M2， 光谱探测器P组成，其特征在于准直物镜M,或者成像物镜M2是自由曲面镜，自由曲面成 像物镜主要校正像散，自由曲面准直物镜主要补偿慧差，所述自由曲面镜的特征如下自 由曲面镜有一对称面(YOZ平面)，这一平面定义为子午平面，子午平面在自由曲面镜上 的子午截线是一条圆弧X55，曲率中心C在Z轴上，O是自由曲面镜的中心，曲率半径 CO=/^; Y轴是在子午平面内垂直于Z轴的方向，X轴是垂直于子午平面的方向。辅助轴 RR'经过C，且垂直于子午平面，经过RR'的任意平面(定义为弧矢面)都与子午平面相 垂直，与自由曲面镜相交的弧矢截线都是圆弧(hl,...，)， C^与^的交点是Fa,由于自由曲面的对称性，其曲率中心Si在子午平面内CF;t连线上，圆弧g^曲率半径及g^^)定义为弧矢半径，记为i 5^)，是渐变的，是以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种切尼－特纳光谱仪装置，其特征在于，含有准直物镜、成像物镜、狭缝、平面光栅和线阵探测器，照明系统的光从狭缝入射，经所述准直物镜准直后，平行照射到所述平面光栅上，被色散成多束单色光后，由所述成像物镜成像到所述线阵探测器平面上并接收，其中：准直物镜和成像物镜都是自由曲面镜，所述自由曲面镜有一对称面ＹＯＺ，称为子午平面，其中，Ｙ轴是在该子午平面内垂直于Ｚ轴方向，Ｘ轴垂直于该子午平面方向并通过该自由曲面镜的中心Ｏ，所述子午平面在自由曲面镜上的子午截线是一条圆弧＊＊＊，该圆弧＊＊＊的曲率中心Ｃ在Ｚ轴上，ＣＯ是该自由曲面镜的子午曲率半径，辅助轴ＲＲ’经过所述Ｃ点，且垂直于所述子午平面，经过该辅助轴ＲＲ’的任意平面，称为弧矢面，都与所述子午平面垂直，与所述自由曲面镜相交的弧矢截线都是圆弧＊＊＊，ｋ＝１，２，…，ｎ，所述圆弧＊＊＊与所述圆弧＊＊＊的交点是Ｆ↓［ｋ］，该圆弧＊＊＊的曲率中心Ｓ↓［ｋ］在所述子午平面内ＣＦ↓［ｋ］的连线上，该圆弧＊＊＊的曲率半径定义为弧矢半径Ｒ↓［Ｓ］（＊＊＊），记为Ｒ↓［Ｓ］（ｋ），是渐变的，是所述点Ｆ↓［ｋ］的Ｙ轴坐标ω为自变量的函数ｆ（ω），其中：　自由成像物镜的弧矢半径Ｒ↓［２Ｓ］（ω↓［２］）为：　Ｒ↓［２Ｓ］（ω↓［２］）＝［Ｒ↓［１Ｓ］（ω↓［１］＝０）（ｃｏｓα－１／ｃｏｓα）＋Ｒ↓［２Ｔ］ｃｏｓ（β（ω↓［２］））］ｃｏｓ（β（ω↓［２］））　其中，α是从狭缝入射的光的主光线对准直物镜的入射角，ω↓［２］是所述成像物镜的子午截线上各点的Ｙ轴坐标，β（ω↓［２］）是波长为λ经过所述子午截线上坐标为（０，ω↓［２］，ξ↓［２］）的Ｆ↓［２］点的主光线对成像物镜的入射角，其中，　ω↓［２］＝Ｒ↓［２Ｔ］ｓｉｎθ↓［２］，　ξ↓［２］＝Ｒ↓［２Ｔ］－Ｒ↓［２Ｔ］ｃｏｓθ↓［２］，　其中，Ｒ↓［２Ｔ］为所述自由曲面成像物镜子午截线的曲率半径，Ｏ↓［２］为所述自由曲面成像物镜的中心，Ｃ↓［２］为所述自由曲面成像物镜子午截线的曲率中心，Ｒ↓［２Ｓ］（ω↓［２］）为经过所述点Ｆ↓［２］的弧矢截线的弧矢半径，该弧矢截线的曲率中心为Ｓ↓［２］，θ↓［２］为Ｃ↓［２］Ｆ↓［２］与Ｃ↓［２］Ｏ↓［２］的夹角，　自由曲面成像物镜上任意一点Ｐ↓［２］的坐标为（ｌ↓［２］，ω↓［２］′，ξ↓［２］′），其中　ξ↓［２］′＝Ｒ↓［２Ｔ］－［Ｒ↓［２Ｔ］－Ｒ↓［２Ｓ］（ω↓［２］）（１－ｃｏｓτ↓［２］）］ｃｏｓ...

【技术特征摘要】
1、一种切尼-特纳光谱仪装置，其特征在于，含有准直物镜、成像物镜、狭缝、平面光栅和线阵探测器，照明系统的光从狭缝入射，经所述准直物镜准直后，平行照射到所述平面光栅上，被色散成多束单色光后，由所述成像物镜成像到所述线阵探测器平面上并接收，其中准直物镜和成像物镜都是自由曲面镜，所述自由曲面镜有一对称面YOZ，称为子午平面，其中，Y轴是在该子午平面内垂直于Z轴方向，X轴垂直于该子午平面方向并通过该自由曲面镜的中心O，所述子午平面在自由曲面镜上的子午截线是一条圆弧该圆弧的曲率中心C在Z轴上，CO是该自由曲面镜的子午曲率半径，辅助轴RR’经过所述C点，且垂直于所述子午平面，经过该辅助轴RR’的任意平面，称为弧矢面，都与所述子午平面垂直，与所述自由曲面镜相交的弧矢截线都是圆弧k＝1，2，...，n，所述圆弧与所述圆弧的交点是Fk，该圆弧的曲率中心Sk在所述子午平面内CFk的连线上，该圆弧的曲率半径定义为弧矢半径记为RS(k)，是渐变的，是所述点Fk的Y轴坐标ω为自变量的函数f(ω)，其中自由成像物镜的弧矢半径R2S(ω2)为其中，α是从狭缝入射的光的主光线对准直物镜的入射角，ω2是所述成像物镜的子午截线上各点的Y轴坐标，β(ω2)是波长为λ经过所述子午截线上坐标为(0，ω2，ξ2)的F2点的主光线对成像物镜的入射角，其中，ω2＝R2Tsinθ2，ξ2＝R2T-R2Tcosθ2，其中，R2T为所述自由曲面成像物镜子午截线的曲率半径，O2为所述自由曲面成像物镜的中心，C2为所述自由曲面成像物镜子午截线的曲率中心，R2S(ω2)为经过所述点F2的弧矢截线的弧矢半径，该弧矢截线的曲率中心为S2，θ2为C2F2与C2O2的夹角，自由曲面成像物镜上任意一点P2的坐标为(l2，ω2′，ξ2′)，其中ξ2′＝R2T-[R2T-R2S(ω2)(1-cosτ2)]cosθ2，ω2′＝[R2T-R2S(ω...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨怀栋，陈科新，徐立，何庆声，金国藩，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]