CN102661793A - 一种平像场凸面光栅分光系统 - Google Patents

Abstract

一种平像场凸面光栅分光系统，包括光源、聚光镜、入射狭缝、大凹面反射镜、凸面光栅和面阵检测器，凸面光栅和大凹面反射镜的球心位于同一点上，且光轴重合，入射狭缝放置在过凸面光栅和大凹面反射镜公共球心并垂直于公共光轴的平面内，方向与光栅刻槽方向平行，面阵检测器放置在过凸面光栅和大凹面反射镜公共球心并垂直于公共光轴的平面内，与入射狭缝分布在光轴的两侧，光源发出的白光经聚焦镜、入射狭缝辐射到大凹面反射镜上，经大凹面反射镜反射辐射到凸面光栅上，经过凸面光栅衍射的衍射波再辐射到大凹面反射镜上，最后经大凹面反射镜汇聚到面阵检测器上。本发明具有高光谱分辨率，光谱像畸变趋于零，结构简单、安装方便、制作成本低。

Description

一种平像场凸面光栅分光系统

技术领域

本发明涉及一种光谱仪器，具体涉及一种平像场凸面光栅分光系统。

背景技术

分光系统是光谱分析仪器的核心部件，目前一般采用平面光栅或凹面光栅作为分光元件。以平面光栅作为分光元件的分光系统需要机械扫描结构来实现光谱分析。以凹面光栅作为分光元件的可以采用扫描结构，也可以利用凹面光栅的聚焦作用，将光谱连续分布在一个平面上，与面阵探测器结合使用，达到高速分析的目的，并实现仪器的小型化和轻型化。但是平像场凹面光栅分光系统的色散光谱具有比较严重的像差，对定标带来困难，降低了光谱分析精度；此外，凹面光栅较难制成闪耀光栅，在使用光谱波段不能获得较高的光谱能量，降低了仪器的信噪比。为此研究者提出了一种采用凸面光栅作为分光元件的分光系统，与凹面光栅分光系统比较，其优点是：容易做成闪耀全息光栅，在使用波段上获得很高的光谱能量；结合同心光路使用降低了光谱的畸变和场曲，提高了光谱的像质和分辨率。

经检索发现，专利“折反射式凸面光栅成像光学系统”（申请号02136154）通过由凸面光栅和凹球面反射镜构成的同轴形式的离轴三反镜成像光学系统前增加折射透镜的方法，使系统的像差得到进一步校正，保证系统在保持同轴形式的情况下获得与离轴式成像光谱仪相当的像质。但这个结构比较复杂，制作和安装调试要求较高，需要有光学设计专业技术人员进行设计。专利“一种双波段凸面光栅成像光谱仪”（授权专利号200910051789）公开了一种凸反射光栅和凹球面反射镜构成的双谱段成像光谱仪，其中可见近红外使用凸面反射光栅的二级衍射光谱，短波红外使用凸面反射光栅的一级衍射光谱。该成像光学系统虽然结构简单，但只能应用于机载或星载光谱成像系统，应用范围相对狭窄。

发明内容

本发明是针对现在分光系统结构比较复杂，制作和安装调试要求较高的问题，提出了一种平像场凸面光栅分光系统，用凸面光栅与一个大凹面反射镜构成同心、同轴光路。在这个光路中存在一个通过引入适当初级球差抵消高级场曲，使得主光线满足理想成像条件的环视场。只要将入射狭缝放置在这个环视场上，就能构成一个理想的分光系统，不需要专业的光学设计。

本发明的技术方案为：一种平像场凸面光栅分光系统，包括光源、聚光镜、入射狭缝、大凹面反射镜、凸面光栅和面阵检测器，凸面光栅和大凹面反射镜的球心位于同一点上，且光轴重合，入射狭缝放置在过凸面光栅和大凹面反射镜公共球心并垂直于公共光轴的平面内，方向与光栅刻槽方向平行，面阵检测器放置在过凸面光栅和大凹面反射镜公共球心并垂直于公共光轴的平面内，与入射狭缝分布在光轴的两侧，光源发出的白光经聚焦镜汇聚成一束具有孔径角的球面波白光经入射狭缝辐射到大凹面反射镜上，经过大凹面反射镜反射辐射到凸面光栅上，经过凸面光栅衍射的衍射波再辐射到大凹面反射镜上，最后经大凹面反射镜汇聚到面阵检测器上。

所述凸面光栅半径r大于大凹面反射镜半径R/2。

对于一束孔径角为μ的球面波入射，所述入射狭缝中心点到凸面光栅和大凹面反射镜公共球心的距离为h,满足

本发明的有益效果在于：本发明平像场凸面光栅分光系统，将光谱像连续分布在一个平面上，具有高光谱分辨率、光谱像畸变趋于零、结构简单、安装方便、应用范围广、制作成本低和不需要专业的光学设计等优点。

附图说明

图1为本发明平像场凸面光栅分光系统结构示意图。

图2为本发明平像场凸面光栅分光系统光路示意图。

1、光源，2、聚光镜，3、入射狭缝，4、、大凹面反射镜，5、凸面光栅，6、面阵检测器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

平像场凸面光栅分光系统结构如图1所示：，包括光源1、聚光镜2、入射狭缝3、大凹面反射镜4、凸面光栅5和面阵检测器6。

搭建凸面光栅分光系统步骤具体如下：

1、选择一个凸面光栅5和一个大凹面反射镜4，使凸面光栅半径r大于凹面反射镜半径R/2，即：

2、将凸面光栅5和大凹面反射镜4的球心放置在同一点上，且光轴重合，建立一个同心、同轴分光系统。

3、将入射狭缝3放置在过凸面光栅4和大凹面反射镜5公共球心并垂直于公共光轴的平面内，方向与光栅刻槽方向平行，对于一束孔径角为μ的球面波入射，中心点到球心的距离为h,满足

4、将面阵检测器6放置在过凸面光栅和大反射镜公共球心并垂直于公共光轴的平面内，入射狭缝分布在光轴的两侧，位置为使用分析光谱的负一级像平面上。

光源1发出的白光经聚焦镜2汇聚成一束孔径角为μ的球面波，白光经入射狭缝3辐射到大凹面反射镜4上，如图2所示，经过大凹面反射镜4反射辐射到凸面光栅5上，经过凸面光栅5衍射的衍射波再辐射到大凹面反射镜4上，最后经大凹面反射镜4汇聚到面阵检测器6上。

Claims (3)

1.一种平像场凸面光栅分光系统，包括光源（1）、聚光镜（2）、入射狭缝（3）、大凹面反射镜（4）、凸面光栅（5）和面阵检测器（6），其特征在于:凸面光栅（5）和大凹面反射镜（4）的球心位于同一点上，且光轴重合，入射狭缝（3）放置在过凸面光栅（5）和大凹面反射镜（4）公共球心并垂直于公共光轴的平面内，方向与光栅刻槽方向平行，面阵检测器（6）放置在过凸面光栅（5）和大凹面反射镜（4）公共球心并垂直于公共光轴的平面内，与入射狭缝（3）分布在光轴的两侧，光源（1）发出的白光经聚焦镜（2）汇聚成一束具有孔径角的球面波白光经入射狭缝（3）辐射到大凹面反射镜（4）上，经过大凹面反射镜（4）反射辐射到凸面光栅（5）上，经过凸面光栅（5）衍射的衍射波再辐射到大凹面反射镜（4）上，最后经大凹面反射镜（4）汇聚到面阵检测器（6）上。

2.根据权利要求1所述的平像场凸面光栅分光系统，其特征在于:所述凸面光栅（5）半径r大于大凹面反射镜（4）半径R/2。

3.根据权利要求1或2所述的平像场凸面光栅分光系统，其特征在于:对于一束孔径角为μ的球面波入射，所述的入射狭缝（3），其中心点到凸面光栅（5）和大凹面反射镜（4）公共球心的距离为h,满足 $h=\frac{R\sqrt{{4r}^2-R^2}}{2r}(1+\frac{{\sin }^2\mathrm{\μ}}{4}).$

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