专利名称：单位放大倍率多光程光路像散补偿方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明属于一种单位放大倍率多光程光路(UMS光路，Unit-magnification Multi-pass System)的后续像散补偿光路结构，这个光路结构具有像散补偿功能，适用于光学检测系统中的单位放大倍率多光程光路的像散补偿，尤其适用于气体检测领域的光学腔。
背景技术：
怀特光路(White光路)、改进型怀特光路(改进型White光路)、多光程矩阵系统(MMS :MultipaSS Matrix System)光路中都可应用光束发散角大的普通光源，这三类光路是多光程吸收光谱系统的首选，已广泛应用于痕量气体检测的系统。这些光路有同样的特点主要由相等曲率半径R的球面镜组成，光路中的反射镜可以分成物镜和场镜，且物镜都是由球面镜相邻排放而成，场镜则是与物镜相隔约为R相向而放，输入孔径和输出孔径放置在场镜一边，因此输入孔径被物镜所成的所有像都在场镜的表面附近， 放大率约为1 1。具有这种特点的光路可以叫做单位放大倍率多光程光路(UMS光路， Unit-magnification Multi-pass System)。UMS光路的结构和部分UMS光路的场镜、物镜正面视图如
图1所示。其中，EAln为输入孔径，EAtxit为输出孔径；Ci(i = 1,2,3)为物镜Mi的曲率中心；黑色小点是输入孔径的成像斑；FT为T形口径的场镜，FR为矩形口径的场镜，FP为直角反射镜或者棱镜。以图1 中所示，图1-1是UMS光路的物镜和场镜的摆放位置。图1-2-1物镜与图1-3-1场镜构成一种 White 光路一BHWC 光路(Bernstein-Herzberg White Cell，由 Bernstein 和 Herzberg 提出，将输入和输出孔径放置于物镜和场镜的曲率中心平面同侧，并且把场镜切割成“Τ” 型)，如图2-1所示；图1-2-1物镜与图1-3-2场镜构成另一种White光路一PBWC光路 (Pickett-Bradley WhiteCell，由Pickett和Bradley提出，将输入和输出孔径分别放置在曲率中心平面的两侧，场镜口径则是规则的矩形形状)，如图2-2所示；图1-2-1物镜与图 1-3-3场镜构成改进型White光路，如图2-3所示；图2-4所示是另一种改进型White光路； 图1-2-2物镜与图1-3-4场镜构成匪S光路，如图2-5所示。在普通的UMS光路中，最重要的像差是使输出光斑弥散的球差、彗差和像散。以球面反射镜为例比较这三种像差，如图3，物点为P，y为物高，i为入射角，i'为反射角，u，u' 分别为物方孔径角和像方孔径角，R为球面镜半径，1为物方截距，h是光线矢高(按照几何光学中符号规则的定义，沿轴线段如R，1，规定光线的传播方向自左向右为正方向，以反射面顶点0为原点，由顶点到光线到光轴的交点A，A'或球心C的方向和光线传播方向相同取正，相反时取负；垂轴线段，如光线矢高h，以光轴为基准，在光轴上方为正，在光轴下方为负；光线与光轴的夹角，如u，u'，用由光轴转向光线所形成的锐角度量，顺时针为正，逆时针为负，因此图中u，u'都为负，光线与法线的夹角，由光线以锐角方向转向法线为，顺时针为正，逆时针为负，因此图中i为负，i'为正)。当物点P偏移球面镜的曲率中心C时， 考量三阶像差(初级像差)，第一、第二、第三塞德尔系数Geidel系数，Seidel像差是指初级像差，分别是球差，彗差，像散，场曲，畸变)近似有
权利要求
1.单位放大倍率多光程光路像散补偿方法，其特征在于，依次含有以下的步骤 步骤(1)针对一个设定的单位放大倍率多光程光路，简称UMS光路，下同，通过主光线追迹计算下述各参数该UMS光路出射光线的单位矢量rin，最后一次在物镜上反射的子午面法线矢量，和该次反射的等效像散薄透镜旋转角 α，旋转矩阵E的参数β和该旋转矩阵的特征值λ s和λ m，而且λ ω- λ s就是该UMS光路的像散；步骤O)设定补偿球面镜的曲率半径为r，光束发散角在校正后比校正前放大a倍，所述补偿球面镜放在所述UMS光路的输出孔径之后，以便通过调节所述补偿球面镜，使两者的像散互补，达到抵消的效果。由高斯公式求出该UMS光路的光束输出参考面与补偿球面镜的距离1的近似值步骤(3)按未进行像散补偿时UMS光路所述旋转矩阵E的所述两个特征值入3和λω 以及所述旋转矩阵E的对角线元素en和计算考虑像散补偿时旋转矩阵E"的两个特征值λ丨和λ 2
2.根据权利要求1所述的单位放大倍率多光程光路像散补偿方法构建出的一种具有后续像散补偿功能的单位放大倍率多光程光路系统，其特征在于，所述的UMS光路是BHWC 光路，其输入和输出孔径放置于物镜和场镜的曲率中心平面同侧，并且把场镜切割成“T” 型，物镜与场镜间的距离R = 625mm，输入孔径中心坐标为(h/2，p，0)，其中h/2是输入孔径中心距\轴的距离，ρ是输入孔径中心距\轴的距离，ρ = 40mm, h = 20mm, Δ为物镜中心到自身曲率中心的水平距离，Δ = 50mm，光程数η = 40，补偿球面镜的曲率半径为r = 200mm，光束发散角调整倍数a = (1 1) (3 1)。
3.根据权利要求1所述的单位放大倍率多光程光路像散补偿方法构建出的一种具有后续像散补偿功能的单位放大倍率多光程光路系统，其特征在于所述的UMS光路是改进型的White光路，数值孔径NA = 0. 05，曲率半径为R = 750mm，补偿球面镜的曲率半径为r = 200mm, Δ为物镜中心到自身曲率中心的水平距离，Δ = 56mm，光束发散角调整倍数a = (1 1)或 a = (2 1)。
全文摘要
单位放大倍率多光程光路像散补偿方法及其系统，属于单位放大倍率多光程光路UMS的像散补偿领域，其特征在于，在至少包括White光路，各种改进型White光路，MMS光路在内的UMS光路的输出孔径之后引入一个补偿球面镜，通过调节该补偿镜的半径，光束发散角调整参数，使补偿球面镜和UMS光路整体的像散实现互补，UMS光路的输出光束在该补偿球面镜上反射，其发射子午面尽可能与UMS光路的输出光束弧矢面重合，像散与UMS光路输出光束的像散大小相等，方向相反，实现像散补偿，进一步还可以调节输出光束发散角，使其与后续光路的数值孔径相匹配。
文档编号G02B27/00GK102253489SQ20111014307
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月27日 优先权日2011年5月27日
发明者何庆声, 孙利群, 杨怀栋, 许默涵, 金国藩, 陈科新 申请人:清华大学