CN111183342B - 多色仪系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种多色仪系统包括：光学元件，其限定光阑；准直镜，用于经由所述光阑接收光并反射基本上准直的光；至少第一色散光学部件和第二色散光学部件，各自被配置为针对不同的波长将从所述准直镜接收的所述基本准直的光色散不同的量，并提供沿第一轴线和第二轴线隔开的具有不同光波长的交叉色散光；以及聚焦镜，其定位成将所述交叉色散的光聚焦到2D阵列检测器上，以在所述检测器的多个相应区域处提供所述光阑的多个光阑图像，所述多个光阑图像中的每一个与所述交叉色散光的各自的波长相关联。所述准直镜和所述聚焦镜中的一个或两个是具有反射面的自由曲面镜，所述反射面被配置为减轻所述多色仪系统在沿着所述第一轴线和所述第二轴线的所述交叉色散光的多个波长上的光学像差的影响，并且从而优化与沿着所述第一轴线和所述第二轴线的所述多个波长相关联的所述多个光阑图像的分辨率。

Description

多色仪系统和方法
技术领域
本公开总体上涉及多色仪或多色仪系统，并且更具体地涉及用于光谱仪或用于光谱学的光学系统中的多色仪或多色仪系统。本公开还涉及确定用于这种多色仪系统的自由曲面镜的优化形状的方法。
发明内容
一些实施方案涉及一种多色仪系统，包括：光学元件，其限定光阑；准直镜，用于经由所述光阑接收光并反射基本上准直的光；至少第一色散光学部件和第二色散光学部件，每一个被配置为针对不同的波长将从所述准直镜接收的所述基本准直的光色散不同的量，并提供沿第一轴线和第二轴线隔开的具有不同光波长的交叉色散的光；以及聚焦镜，其定位成将所述交叉色散的光聚焦到2D阵列检测器上，以在所述检测器的多个相应区域处提供所述光阑的多个光阑图像，所述多个光阑图像中的每一个与所述交叉色散的光的各自的波长相关联；其中，所述准直镜和所述聚焦镜中的一个或两个是具有反射面的自由曲面镜，所述反射面被配置为减轻所述多色仪系统在沿着所述第一轴线和所述第二轴线的所述交叉色散的光的多个波长上的光学像差的影响，并且从而优化与沿着所述第一轴线和所述第二轴线的所述多个波长相关联的所述多个光阑图像的分辨率。
在一些实施方案中，所述第二光学色散元件相对于所述第一光学色散元件取向，使得所述第二轴线基本垂直于所述第一轴线。
在一些实施方案中，所述第一色散光学部件被配置为接收来自所述准直镜的准直光并且沿着所述第一轴线针对不同的波长将所述基本上准直的光色散不同的量以提供色散光；并且所述第二色散光学部件被配置为沿着所述第二轴线进一步针对不同的波长将所述经色散的光色散不同的量，以提供所述交叉色散的光。
在一些实施方案中，所述第一色散光学元件被配置为沿着所述第一轴线将所述光分离成具有重叠阶次的色散光谱，并且所述第二色散光学元件被配置为沿着所述第二轴线将所述光分离成不同阶次的光谱。在其他实施方案中，所述第二色散光学元件被配置为沿着所述第二轴线将所述光分离成具有重叠阶次的色散光谱，并且所述第一色散光学元件被配置为沿着所述第一轴线将所述光分离成不同阶次的光谱。
在一些实施方案中，所述第一色散光学部件包括衍射光栅，并且所述第二色散光学部件包括棱镜。在其他实施方案中，所述第二色散光学部件包括衍射光栅，并且所述第一色散光学部件包括棱镜。在其他实施方案中，所述第一色散光学部件包括第一衍射光栅，并且所述第二色散光学部件包括第二衍射光栅。
在一些实施方案中，所述准直镜是自由曲面镜并且所述聚焦镜是以下任一种：(i)球形凹面镜、(ii)复曲面凹面镜、和(iii)抛物面凹面镜。在一些实施方案中，所述聚焦镜是自由曲面镜，并且所述准直镜是以下任一种：(i)球形凹面镜、(ii)复曲面凹面镜、和(iii)抛物面凹面镜。
在一些实施方案中，所述准直镜和聚焦镜中的一者或两者的所述反射面由多项式描述。所述准直镜的所述反射面可以被描述为：
Figure BDA0002438953910000021
其中
Figure BDA0002438953910000022
且
其中，z是沿光轴线的高度，x是沿第一轴线的位置，并且y是沿所述第二轴线的位置。
在一些实施方案中，所述第二色散光学部件还被配置为向所述第一色散光学部件提供交叉色散的光，并且所述第一色散光学部件被配置为进一步沿所述第一轴线色散波长，并且将所述进一步交叉色散的光提供给所述聚焦镜。
一些实施方案涉及一种为多色仪系统优化自由曲面镜的反射面的方法，所述方法包括：
(i)初始化所述自由曲面镜的所述反射面的模型；
(ii)模拟两个或更多个光波长下的光阑图像；
(iii)确定所述光阑图像相对于所述多色仪系统的经模拟检测器的检测器表面的位置；
(iv)响应于确定所述光阑图像不位于所述检测器表面上，调整所述自由曲面镜的所述反射面的模型以调整所述反射面的形状；
(v)响应于确定所述光阑图像位于所述检测器表面上，确定在所述两个或更多个光波长下的所述光阑图像的一个或多个特征；
(vi)基于所述光阑图像的所述一个或多个特征与参考图像的相应的一个或多个特征的比较来计算优值；
(vii)响应于确定所述优值超过阈值，重复步骤(iv)至(vi)；以及
(viii)响应于确定所述优值小于阈值，确定所述自由曲面镜的所述反射面被优化。
在一些实施方案中，确定在两个或更多个光波长下的所述光阑图像的一个或多个特征包括确定以下任一项或多项：(i)所述图像的一个或多个尺寸，(ii)所述图像中光的强度，以及(iii)所述图像在所述探测器表面上的位置。
在一些实施方案中，所述参考图像包括目标图像。
在一些实施方案中，调整所述反射面的所述模型包括调整所述模型的项的一个或多个系数。初始化所述模型可以包括选择所述模型的项的系数，使得所述反射面近似于球面镜。
在一些实施方案中，初始化所述自由曲面镜的反射面的模型可以包括初始化所述第一自由曲面镜的第一反射面的第一模型，以及初始化所述第二自由曲面镜的第二反射面的第二模型，并且调整所述反射面的所述模型可以包括调整所述第一反射面的所述第一模型的项的一个或多个系数和/或调整所述第二反射面的所述第二模型的项的一个或多个系数。
在一些实施方案中，所述方法包括响应于确定自所述模拟开始以来已经对所述模型进行了预定次数的调整和/或已经经过了预定时间段，确定优化了所述自由曲面镜的所述反射面。
在一些实施方案中，所述方法包括根据模拟模型对所述多色仪系统进行模拟，其中，所述经模拟模型包括所述自由曲面镜的所述反射面的所述模型以及表示所述多色仪系统的其他部件的一个或多个模型。
在一些实施方案中，所述方法还包括响应于确定所述光阑图像中的至少一个不位于所述检测器表面上，调整所述自由曲面镜的所述反射面的所述模型的自由参数和/或多色仪系统的所述其他部件的所述一个或多个模型的自由参数。所述方法还可以包括响应于确定所述优值小于所述阈值，调节所述自由曲面镜的所述反射面的所述模型的自由参数和/或所述多色仪系统的所述其他部件的所述一个或多个模型的自由参数。
在一些实施方案中，当优化沿着所述多色仪系统的所述检测器的第一轴线延伸的交叉色散的光的波长范围中的多个行的波长分辨率以及优化沿着所述多色仪系统的所述检测器的第二轴线的交叉色散的光的阶次分辨率时，所述目标图像指示由所述多色仪系统产生的图像。
一些实施方案涉及一种制造用于多色仪系统的自由曲面镜的方法，所述方法包括：
执行公开的实施方案中任一项的方法，以确定所述自由曲面镜的反射面的优化形状；以及
根据所述经确定优化形状制造自由曲面镜。
贯穿本说明书，词语“包括”或诸如“包含”之类的变型将被理解为暗示包括该元件、整体或步骤或者一组元件、整体或步骤，但是不排除任何其他元件、整体或步骤或者一组元件、整体或步骤。
已经包括在本说明书中的对文档、动作、材料、装置、物品等的任何讨论不应被视为承认任何或所有这些事项：形成现有技术基础的一部分；或是所附的每个权利要求的优先权日之前存在的与本公开文本相关的领域的公知常识。
附图说明
下面通过示例方式参考下面简要描述的附图来进一步详细描述实施方案：
图1是根据一些实施方案的多色仪系统的示意图；
图2是由图1的多色仪系统产生的多个光谱的示意表示；
图3a是根据一些实施方案的多色仪系统和相关联射线图的俯视图；
图3b是图3a的多色仪系统和相关联射线图的透视图；
图4a是图1的多色仪系统的准直镜的正视图；
图4b是图4a的准直镜的放大侧视图；
图5是图4a和4b的准直镜的反射面与球面的偏离图；
图6a是与图1的多色仪系统产生的相对较短光波长相关联的光阑图像；
图6b是图6a的光阑图像沿第一轴线的强度分布；
图7a是与图1的多色仪系统产生的相对较长光波长相关联的光阑图像；
图7b是图7a的光阑图像沿第一轴线的强度分布；
图8a是与由多色仪系统产生的相对较短光波长相关联的光阑图像，所述多色仪系统包括具有抛物反射面的准直镜和具有抛物反射面的聚焦镜；
图8b是图8a的光阑图像沿第一轴线的强度分布；
图9a是与由多色仪系统产生的相对较长光波长相关联的光阑图像，所述多色仪系统包括具有抛物反射面的准直镜和具有抛物反射面的聚焦镜；
图9b是图9a的光阑图像沿第一轴线的强度分布；以及
图10是根据一些实施方案的用于确定用于多色仪或多色仪系统的自由曲面镜的优化形状的方法的流程图。
具体实施方式
所描述的实施方案总体上涉及多色仪或多色仪系统，并且更具体地涉及用于光谱学的光谱仪光学系统中的多色仪或多色仪系统。一些实施方案还涉及确定用于这种多色仪的自由曲面镜的优化形状的方法。
化学样品在通电时发出的光通常包括在强度谱(发射线)中被视为峰值的多个离散且不同特征波长的光。光谱化学分析涉及使用光谱仪产生和分析发射光的光谱。为了产生光谱，光谱仪可以使用光学元件系统将不同的波长色散到检测器的不同部分上。光学元件系统例如可以包括光谱仪或多色仪，两者在这里可互换使用。多色仪是一种光学装置，其通过入射狭缝或光阑接收多波长光、使用诸如棱镜和/或衍射光栅等色散元件将光分离成一个或多个不同的波长范围、并将多个光阑图像聚焦到一个或多个检测器上，因此可以检测、测量和/或记录波长范围。多色仪通常产生单行波长，以供一维或二维阵列检测器检测。然而，非常高分辨率的光谱仪(诸如echelle光谱仪)被设计为通过产生多行波长来照亮二维阵列检测器，从而能够在检测器上同时测量宽范围的波长。
然而，像许多光学系统一样，多色仪也容易遭受诸如彗形像差和球形像差之类的光学像差。尽管对于聚焦于检测器中心(即沿理想光线路径轴线)的波长，可以将合理准确的光阑图像投影到检测器上，但由于像差，对于聚焦在远离探测器中心的波长，实现了更光学失真或模糊的光阑图像(光斑)。由于这种光学像差，许多现有的多色仪具有长焦距和高f值，以实现所需的光谱分辨率。因此，经典的镜形状倾向于限制在光学像差变得不可接受之前多色仪可以有多小。
然而，发明人已经认识到，与失真的光阑图像相关联的光斑倾向于沿着检测器表面的X轴线(波长轴线)和沿着Y轴线(阶次轴线)散布，这导致较差的分辨率。特别地，这些光斑包括沿X轴线延伸的交叉色散的光的波长范围中的多个行，其中，光沿所述行散布(导致较差的波长分辨率)并且沿Y轴线正交于所述行散布(导致较差的阶次分辨率)。因此，在检测器包括多条检测像素线的情况下，每条线布置成容纳相应的波长范围行，光可以从检测器的行像素的每个像素的顶部和底部落下并且当光沿Y轴线传播时，可以与来自另一行或阶次的光重叠。
所描述的实施方案涉及多色仪系统和设计多色仪系统的方法，所述多色仪系统包括至少一个自由曲面镜，所述自由曲面镜具有被配置为减轻多色仪系统的光学像差的影响的反射面。例如，多色仪系统的准直镜和聚焦镜中的一者或两者可以包括自由曲面镜。在一些实施方案中，所述至少一个自由曲面镜被配置为优化交叉色散的光的波长范围中的多个行的波长分辨率，每个行沿着多色仪系统的检测器的第一轴线延伸。在一些实施方案中，所述至少一个自由曲面镜还被配置为优化沿着多色仪系统的检测器的第二轴线的交叉色散的光的阶次分辨率。第二轴线可以垂直于第一轴线。
更特别地，多色仪系统的准直镜和聚焦镜中的一者或两者的自由曲面镜的反射面可以被配置或成形为优化沿探测器的X轴线和Y轴线产生的光阑图像的分辨率。因此，可以在检测器的更小区域(例如，光检测像素)上捕获更多的光，从而增加多色仪系统的灵敏度以及包括所描述多色仪系统的仪器(诸如光谱仪)的灵敏度。例如，随着光更紧密地聚焦到像素上，更少的光将从探测器的每个像素的顶部和底部落下。此外，减少了阶间重叠(即，来自一行波长的光散布在相邻的波长行上)，从而减轻了错误检测波长的可能性。通过增加聚焦在像素上的光量，可以提高信噪比，并改善仪器的检测极限。此外，这种增加的灵敏度意味着可以向多色仪系统和/或光谱仪提供改善的能力，以解决光谱干扰，诸如来自不同波长处的峰的重叠或来自不同阶次的光谱的重叠(阶间干涉)。
参照图1，示出了根据一些实施方案的用于光谱学的多色仪或多色仪系统100。多色仪系统100包括：限定光阑111的光学元件110、准直镜120、被配置为沿着第一轴线(未示出)色散不同波长的光的第一色散光学元件130、被配置为沿着不同于第一轴线的第二轴线(未示出)色散不同波长的光的第二色散光学元件132、以及聚焦镜140。在一些实施方案中，多色仪系统100还包括具有检测器表面151的检测器150。
相对于光源101布置光学元件110，以允许来自光源101的光穿过光阑111。
准直镜120相对于光学元件110定位，以经由光阑111接收在光源101处产生的光102，并反射基本上准直的光。在一些实施方案中，准直镜120包括反射面121，所述反射面可以绕中心轴线(未示出)旋转不对称。因此，准直镜120可包括自由曲面镜。
在一些实施方案中，准直镜120与例如位于反射面121前面的掩模(322，图3a)相关联。掩模322限定掩模光阑(未示出)以限制由准直镜120接收的光102的入射角。准直镜120与第一色散光学元件130相对于彼此定位，以使第一色散光学元件130能够接收由准直镜120反射的光103。掩模322可以通过影响准直镜120的反射面121的面积来影响光阑图像中的光的强度并且可以影响多色仪系统的光学像差。与使用较大的掩模光阑的情况相比，较小的掩模光阑导致反射面121的面积更小，所述反射面可以具有更小的总曲率。因此，更小的总曲率可以减小光学像差。
第一色散光学元件130被配置为沿着第一轴线色散光103以提供经色散的光104。在一些实施方案中，第一色散光学元件130被配置为针对不同的波长将光的角度改变不同的量。经色散的光104可以是基本上准直的，即，第一色散光学元件130可以针对不同的波长将光的角度改变不同的量，而基本上不影响由准直镜反射的光103的准直。第一色散光学元件130与第二色散光学元件132相对于彼此定位，以使第二色散光学元件132能够接收来自第一色散光学元件130的经色散的光104。
第二色散光学元件132被配置为沿第二轴线(未示出)交叉色散所接收的经色散的光104，以提供沿第一轴线与第二轴线间隔开的交叉色散的光105。例如，第二色散光学元件132可以被配置为沿名义上“横穿”第一色散光学元件130将色散光104色散的不同方向色散接收到的经色散的光104。在一些实施方案中，第二色散光学元件132被配置为针对不同的波长将接收到的经色散的光104的角度改变不同的量。交叉色散的光105可以是基本上准直的，即，第二色散光学元件132可以针对不同的波长将光的角度改变不同的量，而基本上不影响从第一色散光学元件130接收的经色散的光104的准直。在一些实施方案中，第一轴线与第二轴线彼此垂直。例如，第二色散光学元件132可以相对于第一色散光学元件130取向，使得第一轴线与第二轴线基本上彼此垂直。
因此，在一些实施方案中，第一色散光学元件130将光分离成具有重叠阶次的色散光谱，并且第二色散光学元件132沿着第二轴线将光分离成不同的阶次光谱。然而，在其他实施方案中，第二色散光学元件132沿着第一轴线将光分离成具有重叠阶次的色散光谱，并且第一色散光学元件130沿着第二轴线将光分离成不同的阶次光谱。例如，第一色散光学元件130可以被配置为沿第二轴线(阶次轴线)色散光103，并且第二色散光学元件132可以被配置为沿第一轴线(波长轴线)色散经色散的光104，以提供交叉色散的光105。
第一色散光学元件130或第二色散光学元件132产生色散且重叠的光谱，并且第一色散光学元件130和第二色散光学元件132中的另一个在不同的方向(例如，第二轴线)上将所述重叠分离开。
再次参考图1，聚焦镜140与第二色散光学元件132相对于彼此定位，以使聚焦镜140能够接收交叉色散的光105。
如图3a和图3b所示出的，在一些实施方案中，第二色散光学元件132与第一色散光学元件130相对于彼此定位，使得交叉色散的光105被进一步从第二色散光学元件132提供给第一色散光学元件130并且波长沿第一轴线进一步色散。在此实施方案中，第一色散光学元件130然后将另外的交叉色散的光提供给聚焦镜140。
在一些实施方案中，由于折射，第一色散光学元件130或第二色散光学元件132色散不同波长的光。例如，第一色散光学元件130或第二色散光学元件132可以包括棱镜。棱镜可以由熔融石英形成，用于色散可见波长的光。如果用于光谱学的感兴趣波长包括紫外和/或红外波长，则棱镜可以例如由氟化钙(CaF2)或氟化钡(BaF2)制成。
在一些实施方案中，由于衍射，第一色散光学元件130或第二色散光学元件132色散不同光波长或分离光波长。例如，第一色散光学元件130或第二色散光学元件132可包括衍射光栅(诸如中阶梯光栅)。中阶梯光栅可以包括相对低密度的光栅线，所述光栅线针对相对高入射角的衍射而优化。
在一些实施方案中，第一色散光学元件130和/或第二色散光学元件132可包括多个棱镜或衍射光栅。
如图2所示出的，第一和第二色散光学元件130、132有效地将从准直仪120接收的光103分离为具有不同波长范围的一个或多个光谱260，以投影到检测器150中。例如，并且如图2所示出的，第二色散光学元件132与第一色散光学元件130可以被取向为使得多个光谱260中的每个光谱261沿着第二轴线272彼此分离，并且每个光谱261内的波长沿第一轴线271分离。每个光谱261可以通过不同的衍射阶次来表征。
聚焦镜140被配置为反射和聚焦交叉色散的光105，并将聚焦的光106提供给检测器150。在一些实施方案中，聚焦镜140被配置为将交叉色散的光105聚焦到检测器150的检测器表面151上以提供多个光谱260。在一些实施方案中，检测器150相对于聚焦镜140定位，使得检测器表面151位于聚焦镜140的焦平面处。在一些实施方案中，检测器表面151沿着第一轴线和第二轴线延伸。
在一些实施方案中，聚焦镜140包括凹面和抛物线形的反射面141。在其他实施方案中，聚焦镜140包括凹面和球形的反射面141。在其他实施方案中，聚焦镜140包括凹面和复曲面的反射面141。在一些实施方案中，聚焦镜140是自由曲面镜。在一些实施方案中，聚焦镜140包括球形聚焦镜。有利地，球形聚焦镜对XY定位误差较不敏感，这可以通过倾斜或倾侧聚焦镜以匹配所需的设计球形弯曲表面位置来校正，并且从而使得制造和调整相对容易。球形聚焦镜的另一个优点是其对半径公差误差较不敏感，因为可以通过将反射镜移向或移离检测器以匹配设计的球形弯曲表面位置来校正这些误差，从而使聚焦镜相对便宜。
因此，在一些实施方案中，聚焦镜140和准直镜120中的一者或两者是自由曲面镜。在一些实施方案中，准直镜120的反射面121包括球形凹面镜或抛物凹面镜或复曲面凹面镜，并且聚焦镜140是自由曲面镜。在一些实施方案中，聚焦镜140的反射面141包括球形凹面镜或抛物凹面镜或复曲面凹面镜，并且准直镜120是自由曲面镜。在一些实施方案中，准直镜120和聚焦镜140都是自由曲面镜。
参照图1、3a和3b，在使用中，来自光源101通过光学元件110的光阑111进入系统100的光被准直镜120准直或基本准直。第一和第二色散光学元件130、132针对不同的波长使准直的光弯曲或色散不同量，以产生交叉色散的光105，并且聚焦镜140将交叉色散的光105聚焦到检测器150的检测器表面151上以产生光学元件110的光阑111的图像作为每个波长的光斑。例如，由系统100接收的光的第一波长可以聚焦到检测器表面151的相应的第一区域352上，并且由系统100接收的光的第二波长可以聚焦到检测器表面151的相应的第二区域353上。
多色仪系统100具有单个离散波长，所述离散波长将在理想光轴线上传播系统的长度，并且可以布置为将其作为光阑图像聚焦在检测器表面151的几何中心。所有其他波长的光阑图像将从检测器表面151的中心偏移。对于将传播通过相对靠近理想光轴线的系统100的波长，第一和第二色散光学元件130、132的折射角和衍射角分别将相对较小。因此，用于将波长反射和聚焦在相对靠近理想光轴线上的聚焦镜140的区域将基本上彼此重叠和/或与用于将波长反射和聚焦在理想光轴线上的聚焦镜140的区域基本重叠。传播通过系统100的每个波长都有不同的(尽管在某些情况下细微不同的)聚焦镜形状要求，以在检测器表面151上产生聚焦且基本无像差的光阑图像，并且没有数学上完美的解决方案同时适合于由聚焦镜140接收的来自每个波长的光105的所有不同入射角。因此，尽管来自跟随理想光轴线路径的波长的光可以在检测器表面151上产生相对聚焦的光阑图像652(图6a)，但是与其他波长相关联的光阑图像可以产生不太聚焦或模糊或像差的光阑图像。结果，由聚焦镜140反射的光可能遭受光学像差。此外，由于聚焦镜140的不同区域反射了不同的波长，因此在多个不同的波长的每一个处的光学像差可能会变化。因此，包括多色仪系统100的光谱仪的分辨率可以在不同的波长范围内变化。
多色仪系统100的分辨率部分地取决于当光投影到检测器表面151的不同区域上时，如何区分(分辨)不同波长的光，并因此取决于在多个不同的波长的每一个处的光学像差。具有相对较低的光学像差的多色仪系统100有利地使得能够通过将投影到检测器表面151上的光阑图像的相邻区域清楚地分离来执行相对高分辨率的光谱。因此，波长的色散有助于在相邻波长处区分检测到的光(发射线)。较差的分辨率会影响将一个发射线与相邻或其他附近的发射线分离或区分的能力。较差的分辨率还会降低发射线的检测极限，因为来自发射线的光能会散布在检测器像素的较大范围上，并且发射线的峰值强度(或信噪比)会降低。
在一些实施方案中，多色仪系统100的准直镜120包括具有反射面的自由曲面镜，所述反射面被配置为减轻多色仪系统100(诸如准直镜120、聚焦镜140和/或多色仪系统100的任何其他部件)的光学像差的影响。例如，准直镜120可以被配置为预校正聚焦镜140的至少一些光学像差(诸如球形像差)，从而允许将更多聚焦的光阑图像投影到检测器上。在一些实施方案中，准直镜120的反射面121包括穿过中心轴线423的截面(图4b)，所述截面是非抛物线形的和非球形的。在一些实施方案中，准直镜120的反射面121被成形为优化从光阑111接收的光102的准直。反射面121的优化形状可以有助于准直与光轴线(未示出)偏离轴线的光102。
在一些实施方案中，多色仪系统100的聚焦镜140包括具有反射面的自由曲面镜，所述反射面被配置为减轻多色仪系统100的光学像差的影响，诸如准直镜120、聚焦镜140和/或多色仪系统100的任何其他部件。
特别地，准直镜120和/或聚焦镜140的自由曲面镜的反射面被配置或成形为减轻所述多色仪系统在沿着所述第一轴线和所述第二轴线的所述交叉色散的光的多个波长上的光学像差的影响，并且从而优化与沿着所述第一轴线和所述第二轴线的所述多个波长相关联的所述多个光阑图像的分辨率。因此，通过使用所描述的多色仪系统100，检测器150可以在每个像素处捕获更多的光，从而提高多色仪系统100的灵敏度，并因此提高包括所描述的多色仪系统100的仪器(诸如光谱仪)的灵敏度。较少的光倾向于从检测器上的每个像素阵列的顶部和底部像素落下，从而增加了聚焦到像素上的光量，并且因此提高了检测极限，例如通过增加信噪比。
因此，所描述的实施方案涉及一种多色仪系统，其中，所述准直镜和所述聚焦镜中的一个或两个是具有反射面的自由曲面镜，所述反射面被配置为减轻所述多色仪系统在沿着所述第一轴线和所述第二轴线的所述交叉色散的光的多个波长上的光学像差的影响，并且从而优化与沿着所述第一轴线和所述第二轴线的所述多个波长相关联的所述多个光阑图像的分辨率。
在某些实施例中，可能无法在整个波长范围内改善或优化多色仪系统100的分辨率。但是，波长范围的某些子范围或特定波长可能比其他的更重要。准直镜120和/或聚焦镜140因此可以被成形为改善在选择的子范围内或特定波长下的分辨率。下面通过例子进一步讨论准直镜120对分辨率的影响。
参照图5，示出了准直镜120的反射面121与以中心轴线423为中心的球面的偏离的示例图。所述偏差由关于中心轴线423不对称的表面580表示。如所示出的，表面580是大致鞍形的，并且在任何给定点处与球面的偏离的大小可以达到20微米。因此裸眼可能无法区分反射面121与球面镜。然而，应当理解，在其他实施方案中，与球面的偏差可以大于20微米。
图5的准直镜120的反射面121由多项式函数来描述，所述多项式函数描述了反射面121的位置坐标x、y和高度坐标z之间的关系。然而，应当理解，可以使用经典的XY多项式、泽尔尼克多项式、Q多项式、切比雪夫多项式、勒让德多项式、福布斯多项式、或任何其他合适的数学模型来定义准直镜120的反射面121和/或聚焦镜140的反射面141。
在一实施方案中，多项式函数可采取以下形式：
Figure BDA0002438953910000121
其中
Figure BDA0002438953910000122
其中，z是沿光轴线的高度，x是沿第一轴线371的位置，并且y是沿第二轴线372的位置。在下表1中指定了用于多项式函数的合适系数的例子。
Figure BDA0002438953910000131
c＝-0.000640449615604
k＝-151.7106420829
表1
一些实施方案涉及一种方法1000，所述方法确定用于多色仪系统100的一个或多个相应自由曲面镜的一个或多个反射面的优化形状。例如，自由曲面镜可用作多色仪系统100的准直镜120和/或聚焦镜140。
在一些实施方案中，方法1000可以是由计算系统(未示出)实施的计算机实施方法。例如，计算系统(未示出)可以包括处理器(未示出)和包括计算机代码或指令的存储器(未示出)，所述计算机代码或指令在由处理器执行时使计算系统执行方法1000。
方法1000包括根据多色仪系统100的数学模型来模拟多色仪系统100。多色仪系统100的模型可以包括自由曲面镜的反射面的模型和表示多色仪系统100的其他部件的一个或多个模型。例如，可以使用诸如Zemax公司的OpticsStudioTM 16的光学模拟程序来模拟多色仪系统100。
通常，方法1000逐渐地调整表示自由曲面镜的反射面的模型的系数以及多色仪系统的至少一些部件(可以包括自由曲面镜)的自由参数，以优化自由曲面镜表面和位置，并且因此减少光学像差和/或图像失真的影响。特别地，在一些实施方案中，所述方法为多色仪系统的自由曲面镜提供了优化的形状，使得自由曲面镜被配置为优化交叉色散的光的波长范围中的多个行的波长分辨率，每个行沿着多色仪系统的检测器的第一轴线延伸，并优化交叉色散的光沿着多色仪系统的检测器的第二轴线的阶次分辨率。
方法1000包括在1010处初始化自由曲面镜的反射面的模型，诸如数学模型。在一些实施方案中，为自由曲面镜初始化反射面包括在数学模型中选择项的系数的值，使得反射面近似于球面镜。在一些实施方案中，数学模型是包括更低阶项和一个或多个更高阶项的多项式函数。基本曲率和/或圆锥常数可由多项式函数的更低阶项定义。为仿真初始化反射面可以包括为更高阶项分配零值系数。
在一些实施方案中，在多色仪系统100将包括例如分别对应于准直仪和聚焦镜的两个自由曲面镜的情况下，所述方法包括在1010处初始化第一自由曲面镜(将用作准直仪)的第一反射面的第一模型，以及初始化第二自由曲面镜(将用作聚焦镜)的第二反射面的第二模型。
方法1000还包括在1020处在两个或更多个光波长中的每个波长处模拟光阑图像。
在1030处，方法1000包括在两个或更多个光波长中的每个波长处确定光阑图像的位置。
在1035处，所述方法包括判定两个或更多个光波长的(模拟)光阑图像的位置是否位于检测器表面151上。因此，在模拟的多色仪系统中，相对于检测器150的检测器表面151确定光阑图像的位置。
在1040处，响应于确定两个或更多个波长的光的光阑图像的位置不位于检测器表面151上，调整自由曲面镜的反射面的模型以调整反射面的形状(或曲率)。在一些实施方案中，调整自由曲面镜的反射面的模型包括调整模型的项的一个或多个系数。例如，多项式函数的一个或多个高阶项可以被修改以近似适合用作准直器或聚焦镜的反射面。在两个自由曲面镜被优化的实施方案中，调整自由曲面镜的反射面的模型包括调整第一反射面的第一模型的一个或多个系数和/或第二反射面的第二模型的一个或多个系数。
在一些实施方案中，所述方法包括在1045处响应于确定光阑图像中的至少一个不位于检测器表面151上，调整多色仪系统的至少一些部件的自由参数，诸如其他光学部件相对于彼此和/或自由曲面镜的旋转和位移。
在1050处，响应于确定两个或更多个光波长的(模拟)光阑图像的位置位于检测器上，确定在两个或更多个光波长处的光阑图像的特性或特征。所述特性或特征可以包括以下一项或多项：光阑图像的一个或多个尺寸、光阑图像中的光强度、以及光阑图像在检测器表面151上的位置。
例如，一个或多个尺寸可以包括在第一轴线371和第二轴线372中的一个或两个上的光阑图像的半峰全宽强度(FWHM)。例如，对于梯形光阑111，光阑图像可以被成形为大约25微米宽和大约50微米高的矩形。
在1060处，所述方法包括根据基于将确定的特性或特征与目标图像或参考图像的相应特性或特征进行比较而得到的优点函数来计算优值。
在一些实施方案中，优点函数通过将确定的模拟光阑图像的尺寸与目标图像的尺寸进行比较来定义。例如，当模拟的光阑图像的(多个)尺寸更接近由缩放因子缩放的目标图像的(多个)尺寸时，优值可以减小。缩放因子表示包括一个或多个电动镜的多色仪系统100，所述缩放因子对光阑图像相对于孔光阑111的尺寸进行缩放。在一些实施方案中，缩放因子可以是值1，在这种情况下，光阑图像的尺寸与光阑111的尺寸匹配。
优值可以是模拟光阑图像与目标图像的尺寸之间的差异的量度。例如，优值可以是在一个或两个轴线上模拟光阑图像的FWHM与目标图像的FWHM之间的差异的量度。可替代地，优值可以是在一个或两个轴线上模拟光阑图像的FWHM与目标图像的FWHM之间的比值的量度。
在一些实施方案中，通过将光阑图像内包含的模拟强度与目标图像的强度进行比较来定义优点函数。例如，当模拟光阑强度更接近于图像的强度值时，可以减小优值。优值可以是模拟光阑图像强度与目标图像强度或模拟光阑图像功率和目标图像之间的差异的量度。可替代地，优值可以是模拟光阑图像强度与目标图像强度之间的比值的量度。
在一些实施方案中，通过将两个或更多个波长处的模拟光阑位置与两个或更多个波长的目标图像位置进行比较来定义优点函数。例如，当模拟光阑图像的位置更接近目标图像的位置时，可以减小优值。优值可以是模拟光阑图像位置与目标图像位置之间的差异的量度。例如，优值可以是在一维或二维上模拟光阑图像的图像位置与目标图像的图像位置之间的差异的量度。可替代地，优值可以是在一维或二维上模拟光阑图像的图像位置与目标图像的图像位置之间的比值的量度。
在一些实施方案中，目标图像表示使用多色仪系统100在检测器上产生的期望光阑图像的尺寸。例如，当优化沿着所述多色仪系统的所述检测器的第一轴线371延伸的交叉色散的光的波长范围中的多个行的波长分辨率以及优化沿着所述多色仪系统的所述检测器的第二轴线372的交叉色散的光的阶次分辨率时，所述目标图像可以指示由所述多色仪系统产生的图像。目标图像可以表示其中没有光学像差和/或图像失真或光学像差和/或图像失真的理论最小量的理论光阑图像。
在一些实施方案中，优点函数基于模拟光阑图像与参考图像的比较。参考图像可以是初始化模型的模拟光阑图像。优点函数例如可以通过将模拟光阑图像与参考图像进行比较来定义，使得当与参考图像的(多个)尺寸相比当模拟光阑图像的(多个)尺寸减小时，优值减小。在一些实施方案中，当与参考图像的相应强度相比时，当模拟光阑图像的强度增加时，优值可以减小。在一些实施方案中，当模拟光阑图像的位置更靠近参考图像的位置时，可以减小优值。
在一些实施方案中，参考图像是动态图像，并且方法1000可以包括调整参考图像的特性或特征从而以特定方式订做或定制自由曲面镜。例如，如果确定UV波长比可见波长更重要，则方法100可以包括调整参考图像的特性或特征以产生参考图像，所述参考图像指示自由曲面镜对UV波长的响应得以改善，但代价是其对可见波长的响应。
在1065处，所述方法包括将优值与阈值进行比较。在一些实施方案中，比较包括判定优值是否大于阈值。
响应于优值大于阈值，方法1000包括在1040处再次调整自由曲面镜的反射面的模型的系数以调整反射面的形状(或曲率)和/或在1045处调整多色仪系统中的至少一些部件(其可以包括(多个)自由曲面镜)的附加自由参数。在一些实施方案中，如果优值等于阈值，则调整模型和/或附加自由参数。
在1080处，响应于优值小于阈值，方法1000包括确定自由曲面镜的反射面的形状被优化。在一些实施方案中，如果优值等于阈值，则确定形状是优化的。
在一些实施方案中，例如，响应于对用于自由曲面镜的模型的系数的调整和/或对多色仪系统100中的至少一些的自由参数的调整无效，从而无法进一步将优值降低到阈值或目标值以下，在自开始模拟以来已经经过预定的时间段和/或已经进行了预定次数的调整之后，方法1000包括确定针对多色仪系统100自由曲面镜的反射面被优化。例如，可以确定对自由曲面镜的模型的进一步调整对于进一步降低优值基本上无效，并且优值已经收敛，并且模型表示局部优化的自由曲面镜，在所述局部优化的自由曲面镜中，与初始化的(多个)自由曲面镜相比，光学像差和/或图像失真对光阑图像的影响降低了。
一些实施方案涉及一种制造用于多色仪系统100的自由曲面镜的方法，所述方法包括执行确定用于多色仪系统的自由曲面镜的反射面的优化形状的方法1000，并根据所确定的优化形状来制造自由曲面镜。
参照图6a和图6b以及图7a和图7b，示出了投影到检测器150的检测器表面151的相应区域352、353上的光阑图像652、753的例子以及相关联的强度分布。使用光学模拟软件(诸如Zemax，LLC的OpticsStudioTM16)对光阑图像进行模拟。
参照图6a和图6b，使用系统100针对具有约213.857nm的波长的光模拟光阑图像652，其中，光学元件110包括梯形光阑111，准直镜120包括根据表1中的系数由多项式描述的反射面121，并且聚焦镜140包括球形反射面141。
光阑图像是投影到检测器表面151上的系统100的光学元件110的梯形光阑111的图像。由于系统100的光学像差和/或图像失真(诸如例如由于球形聚焦镜140引起的球形像差和/或由于第一和第二色散光学元件130、132引起的图像剪切)，光阑图像的形状不是光阑111的梯形形状的精确复制。光阑111的梯形形状的角度被设计为与系统100的剪切变形相匹配，以在检测器150处产生矩形图像。模拟表明，对于大约213.857nm波长的光，沿着第一轴线371穿过光阑图像中心的光强度分布690的半峰全宽(FWHM)692与在系统100包括具有抛物反射面的准直镜120和具有抛物反射面的聚焦镜的情况下产生的穿过光阑图像852(图8a)中心的光强度分布890(图8b)的模拟FWHM 892相似。例如，两个FWHM之间的差异可能约为3％。然而，沿着第二轴线372穿过光阑图像的中心的光强度分布的FWHM比在系统100包括具有抛物反射面的准直镜120和具有抛物形反射面的聚焦镜140的情况下产生的模拟FWHM小约30％。在一些实施方案中，沿着第二轴线372穿过光阑图像的中心在213.857nm处的光强度分布的FWHM比在系统100包括具有抛物反射面的准直镜120和具有抛物反射面的聚焦镜140的情况下产生的模拟FWHM小约35％。
参照图7a和7b，使用系统100针对具有约766.491nm的波长的光模拟光阑图像753，其中，光学元件110包括梯形光阑111，准直镜120包括根据表1中的系数由多项式描述的反射面121，并且聚焦镜140包括球形反射面141。
光阑图像753对应于多色仪系统的光学元件110的梯形光阑111的图像，所述图像投影到远离系统100的理想光轴线(未示出)的检测器表面151上。由于诸如彗形像差的光学像差，光阑图像753的形状不是光阑111的梯形形状。但是，模拟表明，对于大约766.491nm波长的光，沿着第一轴线371穿过光阑图像753中心的光强度分布790的半峰全宽(FWHM)792小于当系统100包括具有抛物反射面的准直镜120和具有抛物反射面的聚焦镜时产生的穿过光阑图像953(图9a)中心的光强度分布990(图9b)的模拟FWHM 992。例如，两个FWHM之间的差异可能约为25％。沿着第二轴线372穿过光阑图像的中心的光强度分布的FWHM比在系统100包括具有抛物反射面的准直镜120和具有抛物形反射面的聚焦镜140的情况下产生的模拟FWHM小约25％。在一些实施方案中，沿着第二轴线372穿过光阑图像的中心在766.491nm处的光强度分布的FWHM比在系统100包括具有抛物反射面的准直镜120和具有抛物反射面的聚焦镜140的情况下产生的模拟FWHM小约3％。
准直镜120的反射面121的形状和/或自由曲面聚焦镜140的反射面141的形状可以被优化以在预定波长范围内在尽可能多的波长上增加系统100的分辨率。例如，波长范围可以是165nm至800nm。
通过优化准直镜120的反射面121的形状和/或聚焦镜140的反射面141的形状来提高系统100的分辨率，可以增加由检测器150检测到的光的强度，并且因此增加包括多色仪系统100的光谱仪的信噪比和检测效率。尽管减小光学元件110的光阑111的大小也可以增加多色仪系统100的分辨率，但是这也将减小光强度，并且因此也可能减小信噪比。
使用自由曲面准直镜120和/或自由形曲面聚焦镜140控制多色仪系统100的光学像差可以使系统100的整体物理大小减小。可以减小多色仪系统100的焦距，从而导致更短的光路长度、更小的光学部件、以及更大的光学部件之间的反射角，而不会由于恶化的光学像差而降低分辨率。
在一些实施方案中，准直镜120可以由金属材料制成以产生优化的反射面121和/或聚焦镜140可以由金属材料制成以使用车床或铣床的单点金刚石车削的计算机数字控制(CNC)来产生反射面141。在其他实施方案中，准直镜120和/或聚焦镜140可以由玻璃材料制成，其中，磁流变抛光工艺被用于抛光准直镜120的反射面121的最终形状和/或聚焦镜140的反射面141的最终形状。复制或注射成型也可用于制造准直镜120和/或自由曲面聚焦镜140。
准直镜120的反射面121和/或聚焦镜140的反射面141可以在诸如垂度和斜率误差的特定公差内制造。垂度误差是反射面121与优化设计的偏差。在一些实施方案中，垂度误差的公差可以在反射面121上的每个点处小于参考波长的四分之一。例如，可以相对于632.8nm的参考波长指定垂度误差，并且因此小于约160nm。斜率误差是反射面121与优化表面之间在特定距离上的偏差。在一些实施方案中，斜率误差可以在整个表面上小于参考波长除以15每厘米，即，小于约42nm/cm(相对于参考波长632.8nm)。
本领域技术人员将明白，在不脱离本公开文本的广泛的一般范围的情况下，可以对上述实施方案进行许多变化和/或修改。因此，当前实施方案在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (23)

1.一种多色仪系统，包括：
光学元件，其限定光阑；
准直镜，用于经由所述光阑接收光并反射基本上准直的光；
至少第一色散光学部件和第二色散光学部件，各自被配置为针对不同的波长将从所述准直镜接收的所述基本准直的光色散不同的量，并提供沿第一轴线和第二轴线隔开的具有不同光波长的交叉色散光；和
聚焦镜，其定位成将所述交叉色散的光聚焦到2D阵列检测器上，以在所述检测器的多个相应区域处提供所述光阑的多个光阑图像，所述多个光阑图像中的每一个与所述交叉色散光的各自的波长相关联；
其中，所述准直镜和所述聚焦镜中的一个或两个是具有反射面的自由曲面镜，所述反射面被配置为减轻所述多色仪系统在沿着所述第一轴线和所述第二轴线的所述交叉色散光的多个波长上的光学像差的影响，并且从而优化与沿着所述第一轴线和所述第二轴线的所述多个波长相关联的所述多个光阑图像的分辨率；
其中，所述准直镜的所述反射面被描述为：
Figure FDA0004093917000000011
其中
Figure FDA0004093917000000012
且
其中，z是沿光轴线的高度，x是沿第一轴线的位置，并且y是沿所述第二轴线的位置。
2.根据权利要求1所述的多色仪系统，其中，所述第二色散光学元件相对于所述第一色散光学元件取向，使得所述第二轴线基本垂直于所述第一轴线。
3.根据权利要求1或2所述的多色仪系统，
其中，所述第一色散光学部件被配置为接收来自所述准直镜的准直光，并且沿着所述第一轴线针对不同的波长将所述基本上准直的光色散不同的量以提供色散光；并且
其中，所述第二色散光学部件被配置为沿着所述第二轴线进一步针对不同的波长将所述经色散的光色散不同的量，以提供所述交叉色散光。
4.根据权利要求1或2所述的多色仪系统，其中，所述第一色散光学元件被配置为沿着所述第一轴线将所述光分离成具有重叠阶次的色散光谱，并且所述第二色散光学元件被配置为沿着所述第二轴线将所述光分离成不同阶次的光谱。
5.根据权利要求1或2所述的多色仪系统，其中，所述第二色散光学元件被配置为沿着所述第二轴线将所述光分离成具有重叠阶次的色散光谱，并且所述第一色散光学元件被配置为沿着所述第一轴线将所述光分离成不同阶次的光谱。
6.根据权利要求1或2所述的多色仪系统，其中，所述第一色散光学部件包括衍射光栅，并且所述第二色散光学部件包括棱镜。
7.根据权利要求1或2所述的多色仪系统，其中，所述第二色散光学部件包括衍射光栅，并且所述第一色散光学部件包括棱镜。
8.根据权利要求1或2所述的多色仪系统，其中，所述第一色散光学部件包括第一衍射光栅，并且所述第二色散光学部件包括第二衍射光栅。
9.根据权利要求1或2所述的多色仪系统，其中，所述准直镜是自由曲面镜并且所述聚焦镜是以下任一种：(i)球形凹面镜、(ii)复曲面凹面镜、和(iii)抛物面凹面镜。
10.根据权利要求1或2所述的多色仪系统，其中，
所述准直镜和聚焦镜中的一者或两者的所述反射面由多项式描述。
11.根据权利要求1或2所述的多色仪系统，其中，所述第二色散光学部件还被配置为向所述第一色散光学部件提供交叉色散光，并且所述第一色散光学部件被配置为进一步沿所述第一轴线色散波长，并且将所述进一步交叉色散的光提供给所述聚焦镜。
12.一种为根据权利要求1至11中任一项所述的多色仪系统优化自由曲面镜的反射面的方法，所述方法包括：
(i)初始化所述自由曲面镜的所述反射面的模型；
(ii)模拟两个或更多个光波长下的光阑图像；
(iii)确定所述光阑图像相对于所述多色仪系统的经模拟检测器的检测器表面的位置；
(iv)响应于确定所述光阑图像不位于所述检测器表面上，调整所述自由曲面镜的所述反射面的模型以调整所述反射面的形状；
(v)响应于确定所述光阑图像位于所述检测器表面上，确定在所述两个或更多个光波长下的所述光阑图像的一个或多个特征；
(vi)基于所述光阑图像的所述一个或多个特征与参考图像的相应的一个或多个特征的比较来计算优值；
(vii)响应于确定所述优值超过阈值，重复步骤(iv)至(vi)；以及
(viii)响应于确定所述优值小于阈值，确定所述自由曲面镜的所述反射面被优化。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，调整所述反射面的所述模型包括调整所述模型的项的一个或多个系数。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，初始化所述模型包括选择所述模型的项的系数，使得所述反射面近似于球面镜。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，初始化所述自由曲面镜的反射面的模型包括：初始化用作准直仪的第一自由曲面镜的第一反射面的第一模型，以及初始化用作聚焦镜的第二自由曲面镜的第二反射面的第二模型，并且其中，调整所述反射面的所述模型包括调整所述第一反射面的所述第一模型的项的一个或多个系数和/或调整所述第二反射面的所述第二模型的项的一个或多个系数。
16.根据权利要求12或13所述的方法，包括：响应于确定自所述模拟开始以来已经对所述模型进行了预定次数的调整和/或已经经过了预定时间段，确定优化了所述自由曲面镜的所述反射面。
17.根据权利要求12或13所述的方法，还包括：根据模拟模型对所述多色仪系统进行模拟，其中，所述经模拟模型包括所述自由曲面镜的所述反射面的所述模型以及表示所述多色仪系统的其他部件的一个或多个模型。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：响应于确定所述光阑图像的至少一个不位于所述检测器表面上，调整所述自由曲面镜的所述反射面的所述模型的自由参数和/或多色仪系统的所述其他部件的所述一个或多个模型的自由参数。
19.根据权利要求17或18所述的方法，还包括：响应于确定所述优值超过所述阈值，调整所述自由曲面镜的所述反射面的所述模型的自由参数和/或所述多色仪系统的所述其他部件的所述一个或多个模型的自由参数。
20.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述参考图像包括目标图像。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，当优化沿着所述多色仪系统的所述检测器的第一轴线延伸的交叉色散的光的波长范围中的多个行的波长分辨率以及优化沿着所述多色仪系统的所述检测器的第二轴线的交叉色散的光的阶次分辨率时，所述目标图像指示由所述多色仪系统产生的图像。
22.根据权利要求12或13所述的方法，其中，确定在两个或更多个光波长下的所述光阑图像的一个或多个特征包括确定以下任一项或多项：(i)所述图像的一个或多个尺寸，(ii)所述图像中光的强度，以及(iii)所述图像在所述检测器表面上的位置。
23.一种制造用于多色仪系统的自由曲面镜的方法，所述方法包括：
执行权利要求12至22中任一项所述的方法，以确定所述自由曲面镜的反射面的优化形状；以及
根据所述经确定的优化形状制造所述自由曲面镜。
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