CN110926610B

CN110926610B - 一种自由曲面光谱仪

Info

Publication number: CN110926610B
Application number: CN201911147887.6A
Authority: CN
Inventors: 许晨; 赵瑞行; 王玲
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2022-05-20
Anticipated expiration: 2039-11-21
Also published as: CN110926610A

Abstract

本发明涉及一种自由曲面光谱仪，该自由曲面光谱仪包括：一主镜，以所述主镜的顶点为第一原点，定义一第一三维直角坐标系(X,Y,Z)，且该第一三维直角坐标系(X,Y,Z)为所述全局三维直角坐标系（X₀,Y₀,Z₀）沿Z轴正方向平移得到；一次镜，以所述次镜的顶点为第二原点，定义一第二三维直角坐标系(X’,Y’,Z’)，且该第二三维直角坐标系(X’,Y’,Z’)为所述全局三维直角坐标系（X₀,Y₀,Z₀）沿Z轴正方向、Y轴负方向平移得到；一线阵探测器，光线依次经过主镜、次镜的反射后，被该线阵探测器接收到。本发明结构简单且具有良好的成像效果，能够在保持系统紧凑的同时实现波数线性的关系。

Description

一种自由曲面光谱仪

技术领域

本发明涉及光学设计领域，具体涉及一种自由曲面光谱仪。

背景技术

自由曲面是不具备旋转对称性的新型的、复杂的曲面。相对于传统的球面和非球面，自由曲面的像差校正能力更强，特别适合于非轴对称光学系统。近年来，自由曲面光学显著提升了光学系统的性能，并且实现了许多以往难以实现的光学系统形式，有效地简化光学系统，为光学设计领域带来了革命性的突破。

光谱仪是一种具有色散器件的光学系统，在化学分析、生命科学等领域有着广泛和重要的应用。特别地，对于频域光学相干层析技术中，需要使用光谱仪对收集到的探测信号进行色散分光。在频域光学相干层析技术中，为了保持深度信号的信噪比，在分光中采用让探测器上的像点位置与波数成线性关系的光谱仪。目前的波数线性光谱仪同时采用光栅和棱镜进行分光，利用两者分光性质的差异使得不同波数的波长在探测器像元阵列上线性分布。然而，现有的波数线性光谱仪由于采用了光栅和棱镜，体积较和重量较大，镜片数量较多，很难实现系统的轻质量与紧凑化。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种结构紧凑且与波数线性相关的自由曲面成像光谱仪。

一种自由曲面光谱仪，在该自由曲面光谱仪光纤出射位置所在的空间中，以光纤出口中心作为原点定义一全局三维直角坐标系(X₀,Y₀,Z₀)，该自由曲面光谱仪包括：

一主镜，以所述主镜的顶点为第一原点，定义一第一三维直角坐标系(X,Y,Z)，且该第一三维直角坐标系(X,Y,Z)为所述全局三维直角坐标系(X₀,Y₀,Z₀)沿Z轴正方向平移得到，在该第一三维直角坐标系(X,Y,Z)中，所述主镜的反射面为一xy多项式自由曲面，且该主镜为具有自由曲面面型的光栅，该自由曲面面型的光栅由一组等间距平行平面与自由曲面相交而得到；

一次镜，以所述次镜的顶点为第二原点，定义一第二三维直角坐标系(X’,Y’,Z’)，且该第二三维直角坐标系(X’,Y’,Z’)为所述全局三维直角坐标系(X₀,Y₀,Z₀)沿Z轴正方向Y轴负方向平移得到，在该第二三维直角坐标系(X’,Y’,Z’)中，所述次镜的反射面为x’y’多项式曲面；

一线阵探测器，光线依次经过主镜、次镜的反射后，被该线阵探测器接收到，不同波数在线阵探测器像面上的光斑位置与线阵探测器像元成线性关系。

相对于现有技术，本发明提供的自由曲面光谱仪结构简单且具有良好的成像效果，能够在保持系统紧凑的同时实现波数线性的关系。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的自由曲面光谱仪系统的结构光路图主视图。

图2为本发明第一实施例提供的自由曲面光谱仪系统的几何光斑图。

主要元件符号说明

自由曲面光谱仪系统 100

主镜 102

次镜 104

线阵探测器 106。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。

请参阅附图1，本发明的实施例提供一种自由曲面光谱仪系统100。其中，该自由曲面光谱仪系统100包括相邻且间隔设置的一主镜102、一次镜104，从光源出射的光依次经过所述主镜102和次镜104反射后，被一线阵探测器106接收并成像。

所述主镜102和次镜104均为自由曲面。所述主镜102为孔径光阑，并且具有自由曲面面型的光栅，该自由曲面面型的光栅由一组等间距的平行平面与自由曲面相交而得到，平行平面之间的距离为栅距。本实施例中，自由曲面光栅由一组等间距的平行平面与自由曲面相交而得到，且所述光栅的栅距为0.0008333毫米，对应于1200线/毫米。

为了描述方便，在光纤出口所在空间中。光纤出口中心的物点作为原点定义一全局三维直角坐标系(X₀,Y₀,Z₀)，将所述主镜102所处的空间定义一第一三维直角坐标系(X,Y,Z)、次镜104所处的空间定义一第二三维直角坐标系(X’,Y’,Z’)。

在全局三维直角坐标系中，X轴通过全局坐标系的原点并且垂直于图1所示的平面，向里为正、向外为负；Y轴在图1所示的平面内竖直，向上为正、向下为负；Z轴在图1所示的平面内方向水平，向右为正、向左为负。

所述主镜102的顶点为所述第一三维直角坐标系(X,Y,Z)的原点。所述第一三维直角坐标系(X,Y,Z)为所述全局直角坐标系(X₀,Y₀,Z₀)沿Z轴正方向移动获得。本实施例中，所述第一三维直角坐标系(X,Y,Z)由所述全局三维直角坐标系(X₀,Y₀,Z₀)沿Z轴正方向平移约43.59毫米，再以X轴为旋转轴按逆时针方向旋转约37.84°得到。

在所述第一三维直角坐标系(X,Y,Z)中，所述主镜102的反射面为xy的多项式自由曲面，该xy多项式自由曲面的方程式表达式为：

其中，z为曲面矢高，c为曲面曲率，k为二次曲面参数，Ai是多项式中的第i项系数。由于所述自由曲面光谱仪系统100关于YZ平面对称，因此，可以仅保留x的偶次项。优选的，所述主镜102的反射面一xy多项式自由曲面，所述xy多项式为x的偶次多项式，x的最高次数为6次、x和y最高幂次之和为7，该xy多项式自由曲面的方程式可表达为：

本实施例中，所述主镜102反射面的xy多项式中曲率c、二次曲面系数k以及各项系数Ai的值参见表1。可以理解，曲率c、二次曲面系数k以及各项系数Ai的值也不限于表1中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。

表1主镜的反射面的xy多项式中的各系数的值

所述第二三维直角坐标系(X’,Y’,Z’)的原点为所述次镜104的顶点。所述第二三维直角坐标系(X’,Y’,Z’)为所述全局三维坐标系(X₀,Y₀,Z₀)沿z轴正方向和y轴负方向平移得到。本实施例中，所述第二三维直角坐标系(X’,Y’,Z’)由所述全局直角坐标系(X₀,Y₀,Z₀)沿z轴正方向平移约3.778毫米和y轴负方向平移约7.039毫米，然后以X轴为旋转轴沿顺时针方向旋转角度约20.840°得到。

在所述第二三维直角坐标系(X’,Y’,Z’)中，所述次镜104的反射面为x’y’的多项式自由曲面，该x’y’多项式自由曲面的表达方程可以表达为：

其中，z’为曲面矢高，c’为曲面曲率，k’为二次曲面参数，Ai’是多项式中的第i项系数。由于所述自由曲面光谱仪系统100关于YZ平面对称，因此，可以仅保留x’的偶次项。优选的，所述主镜102的反射面一x’y’多项式自由曲面，所述x’y’多项式为x’的偶次多项式，x’的最高次数为6次、x’和y’最高幂次之和为7，该x’y’多项式自由曲面的方程式可表达为：

本实施例中，所述次镜104反射面的x’y’多项式中曲率c’、二次曲面系数k’以及各项系数Ai’的值参见表2。可以理解，曲率c’、二次曲面系数k’以及各项系数Ai’的值也不限于表2中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。

表2次镜的反射面的x’y’多项式中的各系数的值

曲率c’	1/70.3663184767074
		二次曲面系数k’	0
A<sub>2</sub>’	0
		A<sub>3</sub>’	0.00227443355251203
A<sub>5</sub>’	-0.0109979072920972
		A<sub>7</sub>’	0
A<sub>9</sub>’	-4.26007839329571e-005
		A<sub>10</sub>’	-1.41235304151946e-007
A<sub>12</sub>’	-4.50906840427582e-006
		A<sub>14</sub>’	-4.45348409536242e-006
A<sub>16</sub>’	0
		A<sub>18</sub>’	-6.39327861518365e-008
A<sub>20</sub>’	2.3835320814656e-007
		A<sub>21</sub>’	-9.70163330438864e-008
A<sub>23</sub>’	-5.77057394902708e-008
		A<sub>25</sub>’	-3.92079936012784e-008
A<sub>27</sub>’	2.34560367979965e-008
		A<sub>29</sub>’	0
A<sub>31</sub>’	2.29018722521194e-009
		A<sub>33</sub>’	-8.05214591516604e-010
A<sub>35</sub>’	7.35792738568835e-010

所述主镜102、次镜104的材料不做要求，只要保证其具有较高的反射率即可。所述主镜102和次镜104可以采用金属材料，例如铝，也可以采用非金属材料。为了进一步增加主镜102和次镜104的反射率，可以在反射面上镀增反射膜层。

所述线阵探测器的接受平面的中心为全局坐标系(X₀,Y₀,Z₀)中的(0毫米，-30.354毫米,12.749毫米)处，所述线阵探测器的接收平面与X轴平行，并且与XY平面的夹角为-35.820°，即XY平面以X为旋转轴按照逆时顺方向旋转角度35.820°后得到的平面与所述线阵探测器的接收平面平行。

用所述自由曲面光谱仪系统100的光谱波长范围为760纳米至920纳米，对应于11个波数。波长和波数的对应关系以及波数在线阵探测器接收表面上的入射点位置的关系如表3所述。

表3自由曲面光谱仪系统100光谱范围内的波长和波数、像点中心位置的对应关系

请参考表3，本发明实施例具有良好的波数线性度，以波数序号为自变量、到线阵探测器接收面上的像点中心位置到波数序号为1的像点中心位置的距离为因变量，进行拟合得到的R²为0.9999，说明系统具有良好的波数线性度。

当然，所述自由曲面光谱仪系统100的光谱波长并不局限于本实施例，本领域技术人员可以根据实际需求需要调整。

所述自由曲面光谱仪系统的物方数值孔径大于等于0.13。本实施例中，所述自由曲面光谱仪系统的物方数值孔径为0.13。

所述自由曲面光谱仪系统不同波数的光束在像面上的对应光斑点列图如图2所示，从RMS光斑尺寸可以看出本发明实施例具有优良的光学性能。

另外，本领域技术人员还可以在本发明专利精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims

1.一种自由曲面光谱仪，其特征在于，该自由曲面光谱仪的光谱波长范围为760纳米至920纳米，对应于11个波数；在该自由曲面光谱仪光纤出射位置所在的空间中，以光纤出口中心作为原点，定义一全局三维直角坐标系(X₀,Y₀,Z₀)，该自由曲面光谱仪包括：

一主镜，以所述主镜的顶点为第一原点，定义一第一三维直角坐标系(X,Y,Z)，且该第一三维直角坐标系(X,Y,Z)为所述全局三维直角坐标系(X₀,Y₀,Z₀)沿Z轴正方向平移得到，在该第一三维直角坐标系(X,Y,Z)中，所述主镜的反射面为一xy多项式自由曲面，且该主镜为具有自由曲面面型的光栅，该自由曲面面型的光栅由一组等间距平行平面与自由曲面相交而得到，其中X轴垂直于平面，向里为正、向外为负；Y轴在平面内竖直，向上为正、向下为负；Z轴在平面内方向水平，向右为正、向左为负；

一次镜，以所述次镜的顶点为第二原点，定义一第二三维直角坐标系(X’,Y’,Z’)，且该第二三维直角坐标系(X’,Y’,Z’)为所述全局三维直角坐标系(X₀,Y₀,Z₀)沿Z轴正方向、Y轴负方向平移得到，在该第二三维直角坐标系(X’,Y’,Z’)中，所述次镜的反射面为x’y’多项式曲面；

2.根据权利要求1所述的一种自由曲面光谱仪，其特征在于：所述具有自由曲面面型的光栅的栅距为0.0008333毫米，对应于1200线/毫米。

3.根据权利要求1所述的一种自由曲面光谱仪，其特征在于：所述xy多项式为x的偶次多项式，x的最高次数为6次、x和y最高幂次之和为7。

4.根据权利要求1所述的一种自由曲面光谱仪，其特征在于：所述x’y’多项式为x’的偶次多项式，x’的最高次数为6次、x’和y’最高幂次之和为7。