CN103176280B - 一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学系统设计技术领域，具体的讲是一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统，其中当进行探测器真空紫外相对光谱响应率校准时，所述复数个准直透镜中的特定准直透镜将110nm-400nm波段范围内的特定波段的紫外光源变为平行光发送给所述探测器；当进行光源真空紫外光谱辐照度校准时，所述复数个会聚透镜中的特定会聚透镜将经过漫射器的110nm-400nm波段范围内的特定波段的紫外光源会聚输出至标准探测器，其中经过特定漫射器对特定波段的紫外光源进行均光。通过本发明实施例使用组合式设计方法，使光学系统的7片透镜材料、波段范围和性能参数得到合理匹配，降低了成本，简化了系统结构。

Description

一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统

技术领域

本发明涉及光学系统设计技术领域，具体的讲是一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统。

背景技术

光学系统设计中，根据光学设计相应的理论，波段范围越宽，波段下限越到短波紫外波段，光学设计的难度越大。在近中远紫外到极远紫外波段，波段范围宽，波长短，在此范围内光学材料的种类变得很少，光谱折射率也很低；一般来说，为了设计较为完善的紫外光学系统，特别是真空紫外光学系统，都要使系统复杂化，利用很多的镜片来校正像差，以满足系统需求。这样做的后果是导致光学系统结构复杂，光能损失严重，影响整机性能指标，同时光学系统造价昂贵，装调复杂，增加了成本负担，装调精度难以保证。

发明内容

为了解决现有技术紫外-真空紫外领域光学系统复杂、造价成本高的问题，提出了一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统，以不同的透镜处理不同波段的紫外光源，成本低、系统结构简单。

本发明实施例提供了一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统，

包括壳体，复数个准直透镜或复数个会聚透镜；

复数个准直透镜或所述复数个会聚透镜安装于所述壳体中，当进行探测器真空紫外相对光谱响应率校准时，所述复数个准直透镜中的特定准直透镜将110nm-400nm波段范围内的特定波段的紫外光源变为平行光发送给所述探测器；当进行光源真空紫外光谱辐照度校准时，所述复数个会聚透镜中的特定会聚透镜将经过漫射器的110nm-400nm波段范围内的特定波段的紫外光源会聚输出至标准探测器，其中经过特定漫射器对特定波段的紫外光源进行均光。

根据本发明实施例所述一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统的一个进一步的方面，所述复数个准直透镜包括3个准直透镜，其中：

第一准直透镜，两个表面半径依次R∞，-213.28mm，厚度为6±0.1mm，两表面通光口径均为φ64mm，光学材料为氟化锂晶体，将110nm至130nm波段范围的紫外光源变为平行光；第二准直透镜，两个表面半径依次为R∞，-192.25mm，厚度为6±0.1mm，两表面通光口径均为φ64mm，光学材料为氟化钙晶体，将130nm至200nm波段范围的紫外光源变为平行光；第三准直透镜，两个表面半径依次为R∞，-168.31mm，厚度为6±0.1mm，两表面通光口径均为φ64mm，光学材料为氟化钙晶体，将200nm至400nm波段范围的紫外光源变为平行光。

根据本发明实施例所述一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统的再一个进一步的方面，所述复数个会聚透镜包括4个会聚透镜，其中：

第一会聚透镜，两个表面半径依次为281.5mm，-138.6mm，厚度为16±0.1mm，两表面通光口径均为φ94mm，光学材料为氟化锂晶体，将经过漫射器的110nm至130nm波段的紫外光源会聚输出；第二会聚透镜，两个表面半径依次为234mm，-144.6mm，厚度为17±0.1mm，两表面通光口径均为φ94mm，光学材料为氟化钙晶体，将经过漫射器的130nm至150nm波段的紫外光源会聚输出；第三会聚透镜，两个表面半径依次为206.2mm，-133.7mm，厚度为18±0.1mm，两表面通光口径均为φ94mm，光学材料为氟化钙晶体，将经过漫射器的150nm至200nm波段的紫外光源会聚输出；第四会聚透镜，两个表面半径依次为180mm，125.7mm，厚度为19±0.1mm，两表面通光口径均为φ94mm，光学材料为氟化钙晶体，将经过漫射器的200nm至400nm波段的紫外光源会聚输出。

根据本发明实施例所述一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统的另一个进一步的方面，对于点光源的紫外光源，所述漫射器为3个，所述3个漫射器中的第一漫射器对应于110nm～130nm波段范围的紫外光源，材料为氟化锂单晶，其凸面的曲率半径为81.56mm，整体厚度为4±0.1mm，通光口径为26mm，焦距数为9；

第二漫射器对应于130nm～200nm波段范围的紫外光源，材料为氟化钙单晶，其凸面的曲率半径为77.35mm，整体厚度为4±0.1mm，通光口径为26mm，F数为9；

第三漫射器对应于200nm～400nm波段范围的紫外光源，材料为氟化钙单晶，其凸面的曲率半径为168.31mm，整体厚度为6±0.1mm，通光口径为64mm，F数为9。

根据本发明实施例所述一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统的另一个进一步的方面，对于面光源的紫外光源，所述漫射器为3个，所述3个漫射器中的第一漫射器为对应于110nm～130nm波段范围紫外光源的毛玻璃；

第二漫射器为对应于130nm～200nm波段范围紫外光源的毛玻璃；

第三漫射器为对应于200nm～400nm波段范围紫外光源的毛玻璃。

根据本发明实施例所述一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统的另一个进一步的方面，所述壳体为铝合金材质。

通过本发明实施例使用组合式设计方法，使光学系统的7片透镜材料、波段范围和性能参数得到合理匹配，降低了成本，简化了系统结构，同时满足宽波段范围的使用要求；并且通过采用组合式设计方法及合理匹配透镜的材料、半径和厚度参数，使镜头在110nm～400nm波段范围内实现功能要求，简化了光学系统结构，提高了系统可靠性。另外通过采用组合式设计方法及合理匹配透镜的材料、半径和厚度参数，还减小了像差，提高了镜头光学传递函数；另一方面，本发明的使用温度范围-100℃～25℃，工作波段110nm～400nm，相对孔径≥1/1.5，与现有技术相比较具有很大进步。

附图说明

结合以下附图阅读对实施例的详细描述，本发明的上述特征和优点，以及额外的特征和优点，将会更加清楚。

图1a所示为本发明实施例一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统示意图；

图1b所示为本发明实施例一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统示意图；

图2所示为本发明实施例第一准直透镜的结构示意图；

图3所示为本发明实施例第二准直透镜的结构示意图；

图4所示为本发明实施例第三准直透镜的结构示意图；

图5所示为本发明实施例第一会聚透镜的结构示意图；

图6所示为本发明实施例第二会聚透镜的结构示意图；

图7所示为本发明实施例第三会聚透镜的结构示意图；

图8所示为本发明实施例第四会聚透镜的结构示意图。

具体实施方式

下面的描述可以使任何本领域技术人员利用本发明。具体实施例和应用中所提供的描述信息仅为示例。这里所描述的实施例的各种延伸和组合对于本领域的技术人员是显而易见的，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，本发明定义的一般原则可以应用到其他实施例和应用中。因此，本发明不只限于所示的实施例，本发明涵盖与本文所示原理和特征相一致的最大范围。

图1a给出了根据本发明的一个实施例一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统示意图。

包括壳体101，复数个准直透镜102。

复数个准直透镜102安装于所述壳体101中，当进行探测器真空紫外相对光谱响应率校准时，所述复数个准直透镜中的特定准直透镜将110nm-400nm波段范围内的特定波段的紫外光源变为平行光发送给所述探测器。

作为本发明的一个实施例，所述复数个准直透镜102包括3个准直透镜，其中：

第一准直透镜1021，两个表面半径依次R∞，-213.28mm，厚度为6±0.1mm，两表面通光口径均为φ64mm，光学材料为氟化锂晶体，将110nm至130nm波段范围的紫外光源变为平行光；第二准直透镜1022，两个表面半径依次为R∞，-192.25mm，厚度为6±0.1mm，两表面通光口径均为φ64mm，光学材料为氟化钙晶体，将130nm至200nm波段范围的紫外光源变为平行光；第三准直透镜1023，两个表面半径依次为R∞，-168.31mm，厚度为6±0.1mm，两表面通光口径均为φ64mm，光学材料为氟化钙晶体，将200nm至400nm波段范围的紫外光源变为平行光。

图1b给出了根据本发明的一个实施例一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统示意图。

包括壳体101，复数个会聚透镜103。

所述复数个会聚透镜103安装于所述壳体101中，当进行光源真空紫外光谱辐照度校准时；所述复数个会聚透镜中的特定会聚透镜将经过漫射器的110nm-400nm波段范围内的特定波段的紫外光源会聚输出，其中经过特定漫射器对特定波段的紫外光源进行均光。

所述输出的平行紫外光照射探测器，可以进行探测器真空紫外相对光谱响应率校准等操作。

作为本发明的一个实施例，所述复数个会聚透镜103包括4个会聚透镜，其中：

第一会聚透镜1031，两个表面半径依次为281.5mm，-138.6mm，厚度为16±0.1mm，两表面通光口径均为φ94mm，光学材料为氟化锂晶体，将经过漫射器的110nm至130nm波段的紫外光源会聚输出；第二会聚透镜1032，两个表面半径依次为234mm，-144.6mm，厚度为17±0.1mm，两表面通光口径均为φ94mm，光学材料为氟化钙晶体，将经过漫射器的130nm至150nm波段的紫外光源会聚输出；第三会聚透镜1033，两个表面半径依次为206.2mm，-133.7mm，厚度为18±0.1mm，两表面通光口径均为φ94mm，光学材料为氟化钙晶体，将经过漫射器的150nm至200nm波段的紫外光源会聚输出；第四会聚透镜1034，两个表面半径依次为180mm，125.7mm，厚度为19±0.1mm，两表面通光口径均为φ94mm，光学材料为氟化钙晶体，将经过漫射器的200nm至400nm波段的紫外光源会聚输出。

所述输出的会聚的紫外光进入标准探测器，可以进行光源真空紫外光谱辐照度校准等操作。

在本实施例中，如果紫外光源为点光源，则所述漫射器为3个，所述3个漫射器中的第一漫射器对应于110nm～130nm波段范围的紫外光源，材料为氟化锂单晶，其凸面的曲率半径为81.56mm，整体厚度为4±0.1mm，通光口径为26mm，焦距数为9；

第二漫射器对应于130nm～200nm波段范围的紫外光源，材料为氟化钙单晶，其凸面的曲率半径为77.35mm，整体厚度为4±0.1mm，通光口径为26mm，F数为9；

第三漫射器对应于200nm～400nm波段范围的紫外光源，材料为氟化钙单晶，其凸面的曲率半径为168.31mm，整体厚度为6±0.1mm，通光口径为64mm，F数为9。

如果紫外光源为面光源，则所述漫射器为3个，所述3个漫射器中的第一漫射器为对应于110nm～130nm波段范围紫外光源的毛玻璃；

第二漫射器为对应于130nm～200nm波段范围紫外光源的毛玻璃；

第三漫射器为对应于200nm～400nm波段范围紫外光源的毛玻璃。

当对某个波段范围的紫外光源进行校准时，紫外光源先经过上述实施例中的某个漫射器进行均光，然后进入到相应波段范围的会聚透镜进行会聚，最后输出到探测器。

作为本发明的一个实施例，所述壳体101为铝合金材质。

如图2所示为本发明实施例第一准直透镜的结构示意图，如图3所示为本发明实施例第二准直透镜的结构示意图，如图4所示为本发明实施例第三准直透镜的结构示意图。

如图5所示为本发明实施例第一会聚透镜的结构示意图，如图6所示为本发明实施例第二会聚透镜的结构示意图，如图7所示为本发明实施例第三会聚透镜的结构示意图，如图8所示为本发明实施例第四会聚透镜的结构示意图。

在现有技术中紫外-真空紫外波段可供使用的光学材料很少，可选材料主要是氟化镁(MgF2)、氟化锂晶体(LiF)和氟化钙晶体(CaF2)，MgF2材料虽然满足透过波段要求，但是存在双折射效应，在会聚光学系统中不宜采用；LiF材料虽然没有双折射现象，也满足透过波段要求，但是加工困难，材料加工成本很高，且存在严重的潮解现象；CaF2没有双折射现象，硬度也满足要求，无潮解现场，加工成本相对经济，但是透过波段只到130nm。只要在每个小的波段范围内只用一片光学透镜，利用ZEMAX光学设计软件进行优化设计，使每片透镜都能满足系统的焦距、相对孔径等参数指标的要求。因此只有采用组合式设计方法才能在各种影响因素之间取得最理想的效果。根据本发明实施例的方法，准直透镜和会聚透镜的数量可以有其它的配置，上述实施例只是本发明的一个较佳的实施例，并不应理解为对本发明准直透镜与会聚透镜的限制。

通过使用组合式设计方法，使光学系统的7片透镜材料、波段范围和性能参数得到合理匹配，降低了成本，简化了系统结构，同时满足宽波段范围的使用要求；并且通过采用组合式设计方法及合理匹配透镜的材料、半径和厚度参数，使镜头在110nm～400nm波段范围内实现功能要求，简化了光学系统结构，提高了系统可靠性。另外通过采用组合式设计方法及合理匹配透镜的材料、半径和厚度参数，还减小了像差，提高了镜头光学传递函数；另一方面，本发明的使用温度范围-100℃～25℃，工作波段110nm～400nm，相对孔径≥1/1.5，与现有技术相比较具有很大进步。

在相关领域中的技术人员将会认识到，本发明的实施例有许多可能的修改和组合，虽然形式略有不同，仍采用相同的基本机制和方法。为了解释的目的，前述描述参考了几个特定的实施例。然而，上述的说明性讨论不旨在穷举或限制本文所发明的精确形式。前文所示，许多修改和变化是可能的。所选和所描述的实施例，用以解释本发明的原理及其实际应用，用以使本领域技术人员能够最好地利用本发明和各个实施例的针对特定应用的修改、变形。

Claims (6)

1.一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统，其特征在于，

包括壳体，3个准直透镜或4个会聚透镜；

3个准直透镜或所述4个会聚透镜安装于所述壳体中，当进行探测器真空紫外相对光谱响应率校准时，所述3个准直透镜中的特定准直透镜将110nm-400nm波段范围内的特定波段的紫外光源变为平行光发送给所述探测器：其中，第一准直透镜，光学材料为氟化锂晶体，将110nm至130nm波段范围的紫外光源变为平行光；第二准直透镜，光学材料为氟化钙晶体，将130nm至200nm波段范围的紫外光源变为平行光，光学材料为氟化钙晶体；第三准直透镜，光学材料为氟化钙晶体，将200nm至400nm波段范围的紫外光源变为平行光；

当进行光源真空紫外光谱辐照度校准时，所述4个会聚透镜中的特定会聚透镜将经过漫射器的110nm-400nm波段范围内的特定波段的紫外光源会聚输出至标准探测器，其中经过特定漫射器对特定波段的紫外光源进行均光：其中，第一会聚透镜，光学材料为氟化锂晶体，将经过漫射器的110nm至130nm波段的紫外光源会聚输出；第二会聚透镜，光学材料为氟化钙晶体，将经过漫射器的130nm至150nm波段的紫外光源会聚输出；第三会聚透镜，光学材料为氟化钙晶体，将经过漫射器的150nm至200nm波段的紫外光源会聚输出；第四会聚透镜，光学材料为氟化钙晶体，将经过漫射器的200nm至400nm波段的紫外光源会聚输出。

2.根据权利要求1所述的一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统，其特征在于，所述3个准直透镜，其中：

第一准直透镜，两个表面半径依次R∞，-213.28mm，厚度为6±0.1mm，两表面通光口径均为φ64mm；第二准直透镜，两个表面半径依次为R∞，-192.25mm，厚度为6±0.1mm，两表面通光口径均为φ64mm；第三准直透镜，两个表面半径依次为R∞，-168.31mm，厚度为6±0.1mm，两表面通光口径均为φ64mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统，其特征在于，所述4个会聚透镜中：

第一会聚透镜，两个表面半径依次为281.5mm，-138.6mm，厚度为16±0.1mm，两表面通光口径均为φ94mm；第二会聚透镜，两个表面半径依次为234mm，-144.6mm，厚度为17±0.1mm，两表面通光口径均为φ94mm；第三会聚透镜，两个表面半径依次为206.2mm，-133.7mm，厚度为18±0.1mm，两表面通光口径均为φ94mm；第四会聚透镜，两个表面半径依次为180mm，125.7mm，厚度为19±0.1mm，两表面通光口径均为φ94mm。

4.根据权利要求3所述的一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统，其特征在于，对于点光源的紫外光源，所述漫射器为3个，所述3个漫射器中的第一漫射器对应于110nm～130nm波段范围的紫外光源，材料为氟化锂单晶，其凸面的曲率半径为81.56mm，整体厚度为4±0.1mm，通光口径为26mm，F数为9；

第二漫射器对应于130nm～200nm波段范围的紫外光源，材料为氟化钙单晶，其凸面的曲率半径为77.35mm，整体厚度为4±0.1mm，通光口径为26mm，F数为9；

第三漫射器对应于200nm～400nm波段范围的紫外光源，材料为氟化钙单晶，其凸面的曲率半径为168.31mm，整体厚度为6±0.1mm，通光口径为64mm，F数为9。

5.根据权利要求3所述的一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统，其特征在于，对于面光源的紫外光源，所述漫射器为3个，所述3个漫射器中的第一漫射器为对应于110nm～130nm波段范围紫外光源的毛玻璃；

第二漫射器为对应于130nm～200nm波段范围紫外光源的毛玻璃；

第三漫射器为对应于200nm～400nm波段范围紫外光源的毛玻璃。

6.根据权利要求1所述的一种用于真空紫外光谱参数校准的光学系统，其特征在于，所述壳体为铝合金材质。