[发明专利]一种复合方法校正宽波段Czerny-Turner结构像散的光学系统

说明书

技术领域

本发明属于光学系统设计，涉及一种复合手段校正宽波段Czerny-Turner结构像散的光学系统改进

背景技术

目前，商品化的光谱仪大多采用Czerny-Turner结构作为光学平台，具有结构简单，色散均匀，避免二次衍射或多次衍射，便于光学系统加工装调的优点。近年来，越来越多的领域都应用光谱仪获取光谱信息，进行物质检测和识别，在天文学、化学和地理学等基础科学领域，光谱仪是常用的分析仪器；在工业和农业领域，光谱仪已经成为不可缺少的检测设备；在药物研制、环境保护和食品安全等领域，光谱仪可以实现在线实时的定性检测。

针对目前各种实际应用，对光谱仪的设计指标要求越来越高，随着光谱覆盖范围的拓宽，目前已有的校正手段很难实现宽波段像散的同时校正。将光栅置于发散光路中，未增加光学元件的基础上，仅通过调整元件间的距离各元件间倾角实现全波段像散的校正，但一阶消像散条件存在波段校正宽度有限的局限性，不能实现宽波段Czerny-Turner结构像散的同时校正。

发明内容

本发明的目的是解决由于光谱覆盖范围扩大，一阶消像散条件补偿方法不能实现宽波段像散同时校正的问题。为此，本发明将提供一种复合型的Czerny-Turner结构，即引入柱镜补偿相反像散变化趋势进一步校正光学系统的剩余像散，以满足宽波段Czerny-Turner结构光谱仪像散同时校正的实际需求。本发明的光学系统主要由狭缝1、准直球面反射镜2、平面光栅3、聚焦球面反射镜4、柱镜5、探测器6组成，如附图1所示。

本发明将柱镜引入到一阶消像散条件校正能力达到极限的Czerny-Turner结构中，利用柱镜的相反像散变化趋势补偿光学系统的剩余像散，主要实施步骤如下：

(1)一阶消像散条件校正光学系统像散

将平面光栅置于发散光路中，利用平面光栅产生的像散来补偿两离轴球面反射镜产生的像散，根据一阶消像散条件初步确定本发明光学系统。由于中心波长和边缘波长的聚焦球面反射镜入射角和衍射角存在一定的近似，故当波段校正宽度增加时，衍射角跨度范围增大，不同波长的聚焦球面反射镜的入射角不能忽略，需要进一步校正光学系统的剩余像散S_remain。

(2)柱镜补偿光学系统剩余像散

根据柱镜能够改变弧矢面光焦度，缩短子午光束光程的特征，将其放置在聚焦球面反射镜4与探测器5之间，在不影响一阶消像散条件的情况下能够校正的像散如下式：

其中，L_c为柱镜与探测器之间距离，n为柱镜折射率，t为柱镜厚度，f_c为柱镜焦距。

(3)复合方法校正像散

复合方法校正的具体步骤如下：

首先，根据一阶消像条件下光学系统剩余像散的变化情况，确定柱镜相反的像散变化趋势；然后，令柱镜补偿方法的中心波长与原光学系统的中心波长一致，由于一阶消像散条件下中心波长处的剩余像散为零，则S_cylinder＝0，由式(6)确定柱镜与探测器的距离L_c；最后，建立柱镜与一阶消像散条件之间的关系，推导出柱镜倾角γ公式，通过调整γ大小，直接改变边缘波长像散补偿情况，达到光学系统全波段像散同时校正的目的。

建立S_remain与S_cylinder关于波长的关系，推导出复合方法的柱镜倾角γ公式，如式(2)。

其中，

其中，R₁为准直球面反射镜半径，R₂为聚焦球面反射镜半径，α₁为准直球面反射镜离轴角，α₂为聚焦球面反射镜离轴角，i为光栅入射角，θ为衍射角，L_sc为狭缝与准直球面反射镜间距离，L_gf为光栅与聚焦球面反射镜间距离，S_s为一阶消像散条件下弧矢像距，S_t为一阶消像散条件下子午像距。

探测器倾角σ如式(3)：

根据式(2)、(3)，可精确计算出复合校正方法的柱镜倾角γ。