CN116710739A - 中阶梯光谱仪 - Google Patents

Abstract

光谱仪包括具有光学元件的光学组件，所述光学元件布置成接收来自光源的光并将光沿着光路引导到多元件检测器，将不同波长的光分散到多元件检测器上的不同空间位置。光学组件包括：(1)准直器，其布置在光路中以接收来自光源的光，该准直器包括具有自由曲面的镜子；(2)包括中阶梯光栅的色散子组件，该色散子组件布置在光路中以接收来自准直器的光；以及(3)施密特望远镜，其布置在光路中，以接收来自色散子组件的光并将光聚焦到视场，多元件检测器布置在视场处。

Description

中阶梯光谱仪

背景技术

光谱仪是一种用来测量光源光谱含量的仪器。光谱仪通常使用光学元件组合来将来自光源的光在空间上分离或分散成其不同的分量波长。光学元件将散射光引导到检测器阵列上，使得每个检测器元件的位置对应于光谱的分量。因此，关于光源的光谱内容的信息可以从检测器阵列处的照明图案中确定。

通常，光谱仪的光谱范围(可以分析的波长)和分辨率(可以区分的两个波长之差)都是光谱仪中色散量的函数。通常，更多色散以光谱范围为代价提供更好的分辨率，反之亦然。在使用平面光栅进行色散的光谱仪中，通常使用中等入射角(例如约10度)的第一衍射级(M＝1)。这种光栅通常每毫米有1000条或更多条线，以提供必要的色散。

在某些光谱仪中，中阶梯(echelle)光栅与交叉色散器一起用作主要色散元件。中阶梯光栅通常是低密度光栅(例如对于紫外、可见和近红外波长，每毫米少于100条线)，其被设计用于以非常高入射角(例如45度或更大)和非常高级(例如M＝20或更大)进行回射(例如在Littrow配置中)。与平面光栅相比，这种类型光栅通常同时在多个级提供高得多的色散，从而在用于光谱仪时产生更好分辨率。

为了提取波长信息，通常使用具有低得多的色散的附加色散元件(称为交叉色散器)来分离中阶梯光谱仪中的级。这种技术可以提供具有大光谱范围的中阶梯光谱仪，但是光谱分辨率比传统光谱仪(例如使用平面光栅而不是中阶梯光栅的光谱仪)可以实现的要高得多。例如，典型的Czerny-Turner型光谱仪可能具有600nm的光谱范围和1nm的光谱分辨率，而典型的中阶梯光谱仪可能具有相同的光谱范围和0.01nm的光谱分辨率。

发明内容

描述了具有施密特望远镜型成像系统的中阶梯光谱仪。光谱仪包括具有自由曲面(例如自由曲面镜)的光准直器，其可用于减少(例如消除)施密特望远镜中对施密特校正器的需要。在一些实施例中，也可以使用具有自由曲面的施密特校正器。

总的来说，在第一方面，本公开的特征在于一种光谱仪，包括具有多个光学元件的光学组件，光学元件布置成接收来自光源的光并将光沿着光路引导到多元件检测器，将不同波长的光分散到多元件检测器上的不同空间位置，光学组件包括：(1)布置在光路中以接收来自光源的光的准直器，该准直器包括具有自由曲面的镜子；(2)包括中阶梯光栅的色散子组件，该色散子组件布置在光路中以接收来自准直器的光；以及(3)布置在光路中的施密特望远镜，用于接收来自色散子组件的光并将光聚焦到视场，多元件检测器布置在视场处。

光谱仪的实施例可以包括一个或多个以下特征。例如，自由曲面可以成形为减少与施密特望远镜相关的光学像差。光学像差可以包括球面像差、场常数彗差和/或场常数像散。

自由曲面可以根据由正交多项式函数(例如Zernike多项式、Chebyshev多项式)的一个或多个非零系数修改的抛物面来成形。

中阶梯光栅可以布置成将光分散成第一平面中的构成波长，并且准直器包括第二色散光学元件，其布置成沿着与第一平面正交的第二平面将光分散成构成波长。第二色散光学元件可以是衍射光栅。在一些实施例中，第二色散光学元件是棱镜。棱镜可以包括布置在光路中的两个平坦的不平行表面。第二色散元件可以布置在光路中，使得光两次穿过第二色散元件。第二色散元件可以布置在光路中，使得光在入射到中阶梯光栅上之前第一次穿过第二色散元件，并且光在入射到中阶梯光栅上之后第二次穿过第二色散元件。第二色散元件可以布置在光路中，使得光在入射到中阶梯光栅上之后两次穿过第二色散元件。

施密特望远镜可以是离轴施密特望远镜。

施密特望远镜可以包括凹面镜和场透镜。凹面镜可以是球面镜。场透镜可以配置成减小施密特望远镜的像场曲率。场透镜可以是非球面透镜。场透镜可以相对于施密特望远镜的光轴倾斜。施密特望远镜可以包括施密特校正器，其布置在色散子组件和施密特望远镜的凹面镜之间的光路中。施密特校正器可以是镜子。施密特校正器可以包括非球面光学表面。施密特校正器可以包括自由曲面。

光谱仪可以包括布置在光源和光学组件之间的光路中的孔径。

光学组件还可以包括布置在色散子组件下游的光路中的施密特校正器。

光可以包括可见光、紫外光和/或红外光。

光源可以是电感耦合等离子体(ICP)系统。

光学组件可以布置成在从约160nm到约900nm范围内的波长带上工作。

光谱仪可以具有10pm或更小的分辨率。

除了其他优点之外，所公开的中阶梯光栅光谱仪可以具有相对少量光学元件的紧凑设计为特征。与不包括本文公开的创新的对比光谱仪中使用的元件相比，光学元件可以不太复杂和/或更容易制造。因此，这些设计能够以比对比光谱仪更低的成本提供可比的性能。

附图说明

图1是示例中阶梯光栅光谱仪的示意图。

图2是示例示意图。

图3是用于中阶梯光谱仪的示例光学组件的光学布局。该图是按比例绘制的。

图4是示出图3所示光学组件的不同波长和场点的光斑图的曲线图。

图5是用于中阶梯光谱仪的另一示例光学组件的光学布局。该图是按比例绘制的。

相似的附图标记指代相似的元件。

具体实施方式

当设计光学成像系统时，通过在光学成像系统的明确限定的光瞳处包括非球面光学元件来校正某些像差变得越来越普遍，因为在光瞳处应用的校正类似地影响所有像场点。例如，在色散之后，中阶梯光谱仪通常包括光学成像系统或望远镜，为光谱仪中的所有波长产生明确的焦点。这种成像系统是施密特望远镜，并且通常在距离聚焦镜约一个半径的位置包括校正板，该位置对应于传统施密特望远镜中的光瞳位置。发明人已经认识到并理解，这种限制不是必需的，而是可以在所有像场点经历基本相同校正的其他位置进行像差校正。例如，在本文描述的一些实施例中，所有像场点在输入光遇到的第一光学元件(例如抛物面镜)的表面处经历相同的像差校正。

参考图1，示例中阶梯光谱仪100包括光学组件101，其布置成接收来自光源110的光并将该光引导到多元件检测器120，同时在检测器120处将该光在空间上分离成构成波长。与光源110和检测器120通信的计算机控制器130控制和协调光源和检测器两者的操作，以针对不同的光发射样本收集关于检测器处的光强度图案的数据。

光学组件101包括准直器102(例如抛物面镜)、色散子组件109和施密特望远镜106(例如离轴施密特望远镜)。色散子组件109包括中阶梯光栅104和交叉色散器103(例如棱镜或光栅)。施密特望远镜106包括(可选地)施密特校正器105、凹面镜107(例如球面镜)和场透镜108(例如非球面透镜)。孔径112(例如狭缝孔径)布置在光源110和光学组件101之间。

在操作期间，来自光源110的由多个构成波长构成的光199通过孔径112进入光学组件101。具体地，通过光学组件101的光路如下。来自光源110的光通过孔径112发散，并入射到准直器102上，准直器102准直发散光，并将其导向色散子组件109。对于反射式准直器，抛物面镜就足够了。然而，在一些实施例中，使用自由曲面镜面作为准直器102可以允许准直器执行施密特校正器通常在传统施密特望远镜成像器中执行的一些或全部像差校正功能。因此，准直器102可以是具有自由曲面的镜子，该自由曲面被成形为既准直来自光源110的光，又减少例如成像系统中的球面像差、场常数彗差和/或场常数像散。

通常，准直器102的自由曲面可以用数学函数来描述，例如多项式。例如，在下面提供的实施例中，所使用的数学函数是一系列在单位圆上正交的多项式项，称为Zernike多项式。在Zernike多项式级数中，有不同阶的偶数项和奇数项。偶数项定义为：

(方位角上的偶数函数)

奇数项定义为

其中，m和n为非负整数(m＝0仅适用于偶数变量)，ρ为单位圆上的径向距离，为方位角，并且

实施例不限于基于Zernike多项式级数的自由曲面。经过必要的修改，也可以使用其他多项式数学描述(例如Chebyshev多项式)。ISO10110-19描述了用于注释自由形式或“一般”表面的多种数学形式，包括例如x和y上的简单非正交多项式，或非均匀径向基样条(NURBS)函数。该标准为上述Zernike多项式提供了参考，而且也为所谓的“Forbes”多项式提供了参考。此外，ISO14999-2为Zernike曲面以及Legendre多项式提供了方便的描述，既用于x,y坐标，也用于极坐标系统，其可用于描述自由曲面。

Zernike多项式项可以多种方式排序，正交项的数量是无限的。例如，在流行的光学设计程序Zemax中，使用了“亚利桑那大学条纹系数”。这种排序惯例的Zernike多项式的前25项如下所示，以提供对方程的说明：

表I：Zernike条纹多项式

虽然术语自由曲面可以用任何上述惯例来描述，但当术语自由曲面用于本申请时，它是指没有对称轴的表面。因此，自由曲面比平面、球面、抛物面或非球面(通常包括旋转对称轴)更复杂。例如，一些实施例使用包括具有自由曲面的镜子的准直器102。在这些实施例中，准直器102具有不能用简单抛物线描述的曲率(例如准直器102不仅仅是抛物面镜)。

返回参考图1，准直光在入射到中阶梯光栅104上之前第一次穿过交叉色散器103。交叉散射器103可以是棱镜，其包括布置在光路中的两个平坦的不平行表面。光在第二次穿过交叉色散器103之前从中阶梯光栅104反射。换句话说，光两次穿过交叉色散器103。色散子组件109用于将光色散成二维的构成波长，其中中阶梯光栅104将光衍射成第一平面中的不同级，而交叉色散器103将光色散或衍射，将其分离成第二平面(例如垂直于第一平面)中的构成波长。

中阶梯光栅104通常由许多平行的光栅线构成，其空间频率与光的波长相当。在一些实施例中，中阶梯光栅是反射闪耀光栅，其布置成使得反射光被分散成多个高衍射级。在某些情况下，中阶梯光栅104可以布置在Littrow处或附近。不同波长的衍射级可以重叠。在这种布置中，光栅平面可以相对于准直光方向成掠射角布置。从典型的中阶梯光栅得到的光输出可以包括由不同但重叠的波长范围构成的光带。

分散的光接着被施密特校正器105反射，并被导向施密特望远镜106的凹面镜107(例如球面镜)。施密特校正器105可以是非球面镜，其成形为减小由凹面镜107引起的球面像差。在一些实施例中，施密特校正器105是自由曲面镜，其成形为既能减少图像中的球面像差，又能减少彗差、像散和/或其他像差。然而，在某些实施例中，根本不需要施密特校正器就可以充分校正成像系统中的像差。换句话说，所有像差校正(例如球面像差、彗差和/或像散)可以由准直器102执行，而没有由光学组件101中的任何其他光学元件执行的额外像差校正。最后，由凹面镜107反射和聚焦的光穿过场透镜108，在检测器120上成像。场透镜108可以是用于减小场曲率的平场透镜，并且可以包括用于减小检测器120处的其他场相关像差的非球面性。在某些实施例中，场透镜108相对于施密特望远镜106的光轴倾斜。

在一些实施例中，施密特望远镜106是相对快速的成像系统，例如具有f/6或更快、f/5或更快、f/4或更快的f数，例如f/3。

一般而言，光源110可以是能够产生具有适于光谱仪分析的强度和发射模式的光的任何光源。在一些实施方式中，光源110可以是感应耦合等离子体(ICP)源，其中用于光谱分析的样品通过样品引入装置注入到等离子体中。样品引入装置可以流体联接到炬(torch)。由计算机控制器130控制的感应装置可将射频能量提供给炬，以维持炬中的感应耦合等离子体。来自分析物种的发射通过孔径112耦合到光学组件101中，并被光学组件分散到检测器120上。

检测器120可以是能够在光谱仪100的可操作波长范围内检测和空间上分辨入射光的任何检测器。在一些实施方式中，检测器120是电荷耦合器件(CCD)相机或互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器。通常，光谱仪100的可操作波长范围可以包括宽光谱的波长，包括紫外、可见和/或红外波长。在一些实施例中，光谱仪100的可操作波长范围从约160nm到约900nm。光谱仪可以具有50皮米(pm)或更小的分辨率(例如20pm或更小、10pm或更小、5pm或更小)。

从检测器120收集的数据可被计算机控制器130用来生成中阶梯图，其是指与检测器处的强度图案相对应的二维图，其中图中的每个点由特定波长和特定衍射级生成。图2中示出了示例中阶梯图201。这里，中阶梯图201示出了检测器(例如光谱仪100中的检测器120)在167nm至超过850nm的光谱范围内的发射强度。中阶梯图常用于光学发射光谱学(OES),为此可以使用光谱仪100。在这样的示例中，中阶梯图可以用于识别样品中存在的一种或多种元素。

参考图3，光谱仪100的示例光学组件301包括由自由曲面镜构成的准直器302、棱镜303、中阶梯光栅304、由自由曲面镜构成的施密特校正器305、球面镜307和场透镜308。光学组件300在点312处接收来自孔径的光，并将光沿着光路引导到像平面310处的像场。包括提供光学组件301细节的处方表的文件在下面的表II-III中提供。

在该示例中，准直器302是抛物面镜，用Zernike系数Z5-Z16重新优化。施密特校正器305是具有Zernike自由曲面的镜子，其中Z4到Z25的系数在设计优化期间被允许变化。

这种架构的优点是施密特望远镜独立于衍射元件。与组合望远镜和色散子组件的一个或多个元件的设计相比，这可以允许在集成到光谱仪之前更容易地预对准和测试成像器。这种架构的另一个优点是交叉分散器棱镜303和中阶梯光栅304靠近在一起，因此场角的x和y分布与球形主镜的距离大约相同(即较小的光瞳像散)。这可以改善彗差和像散控制的两个轴之间的对称性。此外，中阶梯光栅304可以接近Littrow工作，提高了效率。

表II：表面数据概要

表III：表面数据细节

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光学组件301可以提供高水平的光学性能。光学组件301的光学性能由图4所示的光斑图举例说明，图4示出了在狭缝上分布的九个不同场点(纵轴)处，分布在从M＝26到M＝121的中阶梯级上的19个不同波长(横轴)的光斑图。所示波长范围从真空紫外线深处(列6，166.3nm)到红外线(列19，789.0nm)。这些波长的场中最差点的光斑半径小于5微米。大多数点的半径在3到4微米之间。这种几何光斑半径足以在感兴趣的光谱范围内提供皮米级分辨率，但更多地受到狭缝宽度和像素尺寸的限制，而不是成像性能的限制。

光学组件301的变化是可能的。例如，在一些实施例中，透射式校正板可以用来代替反射式施密特校正板305。这种几何形状可以用更紧凑的设计提供类似的性能，使用保持对称轴的校正板，并且可以更容易制造。

可替代地或另外，双通棱镜可被用于交叉色散器的双通光栅或组合光栅-棱镜(例如棱栅)代替。

在一些实施例中，不需要单独的施密特校正器(例如施密特校正器305)，并且可以通过组件中的其他光学元件来减少像差。例如，准直器的自由曲面可以与其他部件一起设计，以将球面像差、彗差和像散降低到可接受的水平。例如，参考图5，光谱仪101的另一光学组件501包括具有自由曲面的准直镜502、棱镜503、中阶梯光栅504、球面镜507和场透镜508。在该示例中，施密特望远镜被认为仅由球面镜507和场透镜508构成，并且省略了单独的施密特校正器。由传统施密特望远镜中的施密特校正器执行的功能至少部分地由准直器502执行。光学组件501在点512处接收来自孔径的光，并将光沿着光路引导到像平面510处的像场。包括提供光学组件500细节的处方表的文件在下面的表IV-V中提供。

表IV：表面数据概要

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表V：表面数据细节

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准直器502具有通过将Zernike系数加到抛物线上并重新优化设计而设计的镜面。在一些实施例中，仅使用Zernike多项式的前16项，但可以添加更多项，对性能产生递增的影响。中阶梯光栅504位于距离球面镜507约一个曲率半径处(例如从0.8R到1.2R，其中R是球面镜的曲率半径)。

其他光学组件也是可能的。例如，在一些实施例中，光学组件可以包括附加的光学元件，其包括具有光焦度或不具有光焦度的光学元件。在一些实施例中，光学组件可以包括光学中继子组件(例如折射、反射或反折射中继)。可替代地或另外，某些实施例可以包括一个或多个折叠镜来折叠光的光路。

虽然前述实施例的特征在于适用于中阶梯光谱仪的光学组件，但所公开的光学设计原理也可以应用于其他光学系统。例如，投影照明系统通常使用一对扫描镜来创建可视的“视场”，其中整个场在被分布到期望的角度范围之前以相同的入射角穿过源模块。使用上面定义的方法，自由形式校正器可被添加到该源模块，以校正下游球面反射器的球面像差。这在激光加工、增强现实和平视显示器等应用中可能很有用。

已经描述了许多实施例。其他实施例在下面的权利要求中。

Claims (30)

1.一种光谱仪，包括：

光学组件，其包括多个光学元件，所述光学元件布置成接收来自光源的光并将光沿着光路引导到多元件检测器，将不同波长的光分散到多元件检测器上的不同空间位置，该光学组件包括：

准直器，其布置在光路中以接收来自光源的光，该准直器包括具有自由曲面的镜子；

包括中阶梯光栅的色散子组件，该色散子组件布置在光路中以接收来自准直器的光；

施密特望远镜，其布置在光路中，以接收来自色散子组件的光并将光聚焦到视场，多元件检测器布置在视场处。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述自由曲面被成形为减少与所述施密特望远镜相关的光学像差。

3.根据权利要求2所述的光谱仪，其中，所述光学像差包括球面像差、场常数彗差和/或场常数像散。

4.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述自由曲面根据由正交多项式函数(例如Zernike多项式、Chebyshev多项式)的一个或多个非零系数修改的抛物面来成形。

5.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述中阶梯光栅布置成将光分散成第一平面中的构成波长，并且所述准直器包括第二色散光学元件，其布置成将光沿着与第一平面正交的第二平面分散成构成波长。

6.根据权利要求5所述的光谱仪，其中，所述第二色散光学元件是衍射光栅。

7.根据权利要求5所述的光谱仪，其中，所述第二色散光学元件是棱镜。

8.根据权利要求5所述的光谱仪，其中，所述第二色散光学元件是棱栅。

9.根据权利要求7所述的光谱仪，其中，所述棱镜包括布置在所述光路中的两个平坦的不平行表面。

10.根据权利要求5所述的光谱仪，其中，所述第二色散元件布置在所述光路中，使得光两次穿过第二色散元件。

11.根据权利要求10所述的光谱仪，其中，所述第二色散元件布置在所述光路中，使得光在入射到所述中阶梯光栅上之前第一次穿过第二色散元件，并且光在入射到中阶梯光栅上之后第二次穿过第二色散元件。

12.根据权利要求10所述的光谱仪，其中，所述第二色散元件布置在所述光路中，使得光在入射到所述中阶梯光栅上之后两次穿过第二色散元件。

13.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述施密特望远镜是离轴施密特望远镜。

14.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述施密特望远镜包括凹面镜和场透镜。

15.根据权利要求14所述的光谱仪，其中，所述凹面镜是球面镜。

16.根据权利要求14所述的光谱仪，其中，所述场透镜配置为减小所述施密特望远镜的像场曲率。

17.根据权利要求16所述的光谱仪，其中，所述场透镜是非球面透镜。

18.根据权利要求14所述的光谱仪，其中，所述场透镜相对于所述施密特望远镜的光轴倾斜。

19.根据权利要求14所述的光谱仪，其中，所述施密特望远镜包括施密特校正器，其布置在所述色散子组件和所述施密特望远镜的凹面镜之间的所述光路中。

20.根据权利要求19所述的光谱仪，其中，所述施密特校正器是镜子。

21.根据权利要求19所述的光谱仪，其中，所述施密特校正器包括非球面光学表面。

22.根据权利要求21所述的光谱仪，其中，所述施密特校正器包括自由曲面。

23.根据权利要求1所述的光谱仪，还包括布置在所述光源和光学组件之间的所述光路中的孔径。

24.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述光学组件还包括施密特校正器，其布置在所述色散子组件下游的所述光路中。

25.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述光包括可见光。

26.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述光包括紫外光。

27.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述光包括红外光。

28.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述光源是电感耦合等离子体(ICP)系统。

29.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述光学组件布置用于在约160nm至约900nm范围内的波长带上工作。

30.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述光谱仪具有10pm或更低的分辨率。