[发明专利]用于校正光谱仪像散与彗差的自由曲面光学器件

说明书

技术领域

本发明是关于光谱仪器的改进，特别涉及一种用于同时校正光谱仪系统宽波段的子午彗差和像散的自由曲面光学器件。

背景技术

光谱仪器一般是用来测定光源光谱组成的，包括光谱波长分布、强度响应和光谱带宽等。以传统的Czerny-Turner光谱仪为例，其包括入射狭缝、平面衍射光栅、准直镜、成像镜、光电探测器。准直镜是将入射光束准直并反射到衍射光栅，反射镜是将被衍射光栅色散的光束聚焦成像到探测器上，常用的光电探测器是线性CCD阵列，因此需要提高光谱仪的集光效率和分辨率。

在Czerny-Turner光谱仪系统中，光线经过离轴的准直镜和成像镜，到达像面的光程不同，与主光线的交点不同，因此产生像差。在子午面内，两侧的边缘光线被反射镜反射后与主光线交于不同的点，因此产生子午彗差。同时，光线被反射系统反射后，其在子午面内的光束与主光线的交点和弧矢面内的光束与主光线的交点不重合，因此得到像散。像散和彗差是影响CCD阵列集光效率和分辨率的主要因素，所以在光谱仪中需要矫正这两类像差。

常用的方法是在光谱仪像面上增加柱面镜，但是柱面镜只能校正光谱仪的像散。校正光谱仪系统彗差的方法：调整光学系统的各参数，即选择合适的准直镜离轴角及曲率半径，成像镜离轴角及曲率半径，光线在光栅上的入射角和衍射角，使这些参数之间满足Shafer公式，来校正特定波长的彗差。但是该方法只能校正中心波长的彗差，整个光学系统的彗差随波长变化呈V字型分布。

为了得到光谱仪最大的分辨率和集光效率，需要有一个光学器件同时校正光谱仪的像散和宽波段子午彗差。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能同时校正现有光谱仪宽波段的子午彗差和像散的自由曲面光学器件。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种用于校正光谱仪像散与彗差的自由曲面光学器件，光谱仪包括光源、入射狭缝、凹面准直镜、平面衍射光栅、凹面成像镜和光电探测器，其特征在于，所述自由曲面光学器件位于凹面成像镜与光电探测器之间，自由曲面光学器件的上表面是自由曲面，下表面是平面，下表面与光电探测器叠放在一起；所述自由曲面通过以下方法确定：

A、计算出光束经过凹面准直镜、平面衍射光栅和凹面成像镜产生的总彗差：光束从入射狭缝入射光谱仪，经凹面准直镜反射至平面衍射光栅的光程函数可以表示为：