CN102331300B - 一种提高光通量及分辨率的非对称式单色仪 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种提高光通量及分辨率的非对称式单色仪，所述单色仪包括准直系统、色散系统和成像系统；其中，所述准直系统包括用于准直的非球面反射镜。本实施例的单色仪可实现低杂光、高分辨率、高光通量的效果。

Description

一种提高光通量及分辨率的非对称式单色仪

技术领域

本发明涉及一种将组合光分散成光谱的光学仪器，特别涉及一种提高光通量及分辨率的非对称式单色仪。

背景技术

单色仪或光谱仪是常用的物理学仪器，可以用来产生单色光或进行光谱分析。其常用的准直和成像元件为普通的球面反射镜。光谱测量可以获得物质的成份和结构的信息，在科研、工业生产和环境监测中有非常广泛的用途。但是，传统的单色仪由普通的球镜进行准直成像，因其系统内的像散得不到有效的校正，因而很大一部分的光能量没有得到有效的利用。

现有技术的方案是：采用球面反射镜准直，并采用球面反射镜成像。此类型的单色仪由入射狭缝、准直球面镜、平面反射式光栅、成像球面镜、出射狭缝构成。入射狭缝与出射狭缝分别位于准直球面镜和成像球面镜的两个焦面，从入射狭缝进入的光经由准直球面镜准直，准直后的平行光打到平面反射式光栅上进行分光，分得的色散光经过成像球面镜会聚成像到出射狭缝上。

发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术至少存在以下不足：由于此类型的单色仪均为CT式结构，为光轴偏转反射式结构，因而整个系统的像散较大，即子午焦点和弧矢焦点位置差异较大。因而在单色仪保证弧矢方向的分辨率时，子午方向的光能量损失很大。

发明内容

本发明的目的在于，研制一种结构简单，可以一次获得高分辨率、高光通量的光谱仪。

为达上述目的，本发明实施例提供了一种提高光通量及分辨率的非对称式单色仪，所述单色仪包括准直系统、色散系统和成像系统；其中，所述准直系统包括用于准直的非球面反射镜。

在一实施例中，所述成像系统包括用于成像的非球面反射镜。

在另一实施例中，所述准直系统还包括入射转折镜，所述成像系统还包括出射转折镜。所述入射转折镜采用平面反射镜或非球面反射镜。和/或，所述出射转折镜采用平面反射镜或非球面反射镜。

在又一优选实施例中，当所述出射转折镜采用非球面反射镜时，所述非球面反射镜的轮胎面反射镜弧矢方向的曲率半径为640mm，子午方向的曲率半径为597.5mm。

优选地，所述非球面反射镜可包括环形面反射镜。

本发明实施例的单色仪的像散较小，即子午焦点和弧矢焦点位置差异较小，因而在单色仪保证弧矢方向的分辨率时，子午方向的光能量损失被降低，从而可提高光通量及分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种提高光通量及分辨率的非对称式单色仪的结构示意图；

图2为传统的单色仪成像效果图；

图3为本发明实施例的提高光通量及分辨率的非对称式单色仪的成像效果图；

图4为通过光电倍增管扫描传统单色仪和本发明实施例的单色仪的分辨率所形成的对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

通常单色仪判定的关键指标是其辨别光源光谱像的能力。分辨率通常是为纳米级单位，单色仪1nm的分辨率能够分辨光源的光谱像波长1nm的变化。如果光源发出(或吸收)复合波长靠近在一起小于1nm，它们将不会被分辨。单色仪的分辨能力与它的光栅刻线密度和它的焦距相关联。两台相同焦距的单色仪，提高一倍光栅刻线密度就会提高一倍的色散，理论上会提高一倍的分辨率。两台相同光栅刻线密度的单色仪，提高一倍的焦距长度将会提高一倍的色散能力，理论上会提高一倍的分辨率。这些提高是理论上的，因为固有的几何光学限制影响图像的质量。这些限制包括像散和慧差，会使像模糊，偏离主光轴(一条从入射狭缝的中心穿过光学元件的中心到像面的中心的假象线)。

光学系统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测器，从而提高输出或单色仪系统的灵敏度。入瞳通常记为f/光圈数，它是测量系统内部焦距与最小光学元件直径之比。一个f/4单色仪焦距300mm，则镜子的直径为75mm。小一点的入瞳直径，f/8，300mm单色仪应为37.5mm直径的镜子，只有四分之一的光线收集能力。不幸的是，如果要增加光线的收集能力，则会增加系统的像差。越大的系统入瞳，它的图像性质越差，图像瑕疵会减少图像在焦平面的分离能力。两台同样焦距的单色仪，相同的光栅，越大的入瞳就会越降低分辨率。因为更多数量的离轴光线使得光源像产生严重变形。

像散会使像拉长。球镜使点光源延长到两条线的像和一个可见聚焦“真实”像。一个线像会垂直，宽度接近点直径，另一个会平行，高度接近点的直径。这些像在空间分布，所有其他的成像应用最好像质在介于两点之间，所有光线汇聚最近的地方。延长像成在两个像平面，一个称为子午像面，一个称为弧矢像面。在传统单色仪设计里，探测器放置在子午像平面上，它的水平像质影响分辨波长的能力。分光镜与两维可见完美像无关，但是在光谱色散平面上有明锐像质。慧差是像的模糊或拖迹，电光源拖迹成像彗星一样的影子，大量的拖迹是由于离轴光线组成的像。入射孔径角越大，光谱仪的慧差就越大。传统光谱仪设计使用球面镜，在传统的球面光学系统，子午和弧矢焦点分离得很远，焦平面几乎不产生弯曲。所有其他的参数相等，如焦距、光栅密度和入瞳。

本发明实施例提供的单色仪，能够使空间不同点到单色仪的入射狭缝上。采用非球面反射镜取代了球面镜，而非球面反射镜具有不同的水平与垂直曲率，能够有效的使子午和弧矢焦面靠近在一起。像平面实际上交叉在光轴上；点光源的像在光轴上，没有水平像散，没有垂直像散。焦面向彼此倾斜，同时在主光轴上是正常的。作为检测工具的探测器放置在与焦平面相切的平面上，用以放大水平成像质量和光谱分辨率，垂直成像质量会因离轴距离而产生的焦平面分离产生瑕疵。本发明实施例提供的单色仪的像散要小于传统的使用球面镜的单色仪产生的像散。

本发明实施例利用“Czerny-Turner”原理，整个单色仪由准直系统，色散系统和成像系统构成。图1为本发明实施例的一种提高光通量及分辨率的非对称式单色仪的结构示意图。如图1所示，在一个实施例中，该单色仪包括：平面反射镜1、用于准直的非球面反射镜2、安装于可替换光栅塔台上的光栅3、成像球面反射镜4、平面反射镜5和出射狭缝6。其中，准直系统包括准直非球面反射镜2和作为入射转折镜的平面反射镜1，色散系统包括安装于可替换光栅塔台上的光栅3，成像系统包括成像球面反射镜4和作为出射转折镜的平面反射镜5。

在工作过程中，光束经由平面反射镜1反射打到非球面准直反射镜2上产生平行光，平行光打到可替换光栅塔台3上色散后由球面成像反射镜4经平面反射镜5反射打到出射狭缝6上。

在另一实施例中，成像系统中的成像球面反射镜4可以被用于成像的非球面反射镜所替代。从而实现充分校正子午方向的像差。

在又一实施例中，准直系统包含的入射转折镜也可采用非球面反射镜。

在又一实施例中，成像系统包含的出射转折镜也可采用非球面反射镜，较佳地，其轮胎面反射镜弧矢方向的曲率半径为640mm，子午方向的曲率半径为597.5mm。

优选地，上述非球面反射镜可包括环形面反射镜。

本发明实施例提供的单色仪，提高了有效光通量。非球面镜矫正像散，顺着子午方向(分辨率优化)和弧矢方向(成像优化)像平面穿过像平面的中心。该单色仪有一个最大的有效平面视场，分辨率的提升是在整个平面视场通过准直系统和成像系统的非对称布局和一个同轴光栅驱动来实现的，减少慧差和其他像差。

多次衍射光是光进入单色仪以后，两次或多次入射到光栅上，因为衍射光的一部分光线通过准直镜与光栅重复反射从而造成杂散光的产生。在单色仪里，这些杂光会产生较高的基准线并降低灵敏度。这个情况会在通过不同波长区域时发生，更可能在常规的对称式CT结构光谱仪结构里发生。准直系统和成像系统的非对称布局消除多次衍射杂光，确定可以抑制杂光的位置，从而可实现低杂光和高成像质量的效果。可选地，在成像镜处使用非球面镜也可达到此效果。

以下通过对比来详细阐述本发明实施例的单色仪的有益效果。

使用三通道光纤放置在入射狭缝处，经过单色仪内部成像至出射狭缝处，形成图2和图3所示的成像效果图。其中，图2为传统的单色仪成像效果图，从图2中可以看到由于子午方向的像散没有得到控制，整个谱线呈一条狭长的竖线像。图3为本发明实施例的提高光通量及分辨率的非对称式单色仪的成像效果图，从图3中可以看到子午方向的光得到很有效的校正，从而得到最接近真实的光纤像。

图4为通过光电倍增管扫描传统单色仪和本发明实施例的单色仪的分辨率所形成的对比图。如图4所示，10为传统的单色仪扫出的谱线，20为本发明实施例的单色仪扫出的谱线。从图4可以看出，本发明实施例的单色仪的光通量要比传统单色仪的光通量要提高1.5倍以上，而且其半波宽宽度为0.06nm要比传统单色仪的半波宽宽度0.08nm略小，也就即本发明实施例的单色仪的光谱分辨率要比传统光谱仪的光谱分辨率有提高。

本发明实施例的有益效果在于，通过使用非球面反射镜也即轮胎面镜使得单色仪内部产生的像差得到有效的消除，从而从根本上直接提高了单色仪的光通量以及分辨率，有效地将子午方向的光得到有效的压缩，没有多余的光打到其他无效的光学元件和机械零件上，降低了杂散光的水平。从而本实施例的单色仪实现了低杂光、高分辨率、高光通量的效果。

以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种提高光通量及分辨率的非对称式单色仪，其特征在于，所述单色仪包括准直系统、色散系统和成像系统；其中，所述准直系统包括用于准直的非球面反射镜和入射转折镜，所述入射转折镜采用非球面反射镜；所述色散系统为光栅；所述成像系统还包括出射转折镜，所述出射转折镜采用非球面反射镜，其轮胎面反射镜弧矢方向的曲率半径为640mm，子午方向的曲率半径为597.5mm；光线经过所述准直系统和色散系统后，进入成像系统，具体的，光线经过入射转折镜、用于准直的非球面反射镜和光栅后，进入用于成像的非球面反射镜和出射转折镜。

2.根据权利要求1所述的提高光通量及分辨率的非对称式单色仪，其特征在于，所述非球面反射镜包括环形面反射镜。

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