专利名称：高分辨率高纯度光栅单色仪分光结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高分辨率高纯度光栅单色仪分光结构，属于光栅分光技术领域。
背景技术：
目前大部分高分辨率的单色仪都采用C-T双光栅结构设计，其中各镜面采取球面镜，光栅一般为平面刻划光栅。球面镜的准直能力有限，平行度不高，导致其在分光聚光时会衍生出很多不易消除的复杂像差，需要在后续系统中加入较复杂结构平衡像差，所产生的单色光带有部分球差、彗差、象散等影响。现有技术对C-T结构单色仪的改进多是利用ZEMAX软件对各光学元件的参数及放置角度进行优化，优化出的光学透镜参数不易控制，导致其不满足加工条件等因素，同时无法使像差达到最优的水平，优化的镜片角度会导致系统离轴量增加，直接影响装调阶段的精度，最终降低分光质量。因此，设计一种利用理想光路的光栅单色仪结构，从原理上解决现有光栅单色仪没能利用理想平行光路的缺点，是亟待解决的问题。
发明内容
本发明为解决上述现有光栅单色仪无法利用理想光路导致像差较大、校正设计复杂及离轴装配误差大的问题，提供了利用理想平行光路的高分辨率高纯度光栅单色仪分光结构。高分辨率高纯度光栅单色仪分光结构，包括光孔狭缝、第一准直抛物镜、第一全息光栅、第一聚光抛物镜、光阑狭缝、 第二准直抛物镜、第二全息光栅、第二聚光抛物镜和狭缝，光孔狭缝位于第一准直抛物镜的焦点处，光阑狭缝位于第一聚光抛物镜和第二准直抛物镜的焦点处，狭缝位于第二聚光抛物镜焦点处；从光孔狭缝出射的光入射到第一准直抛物镜上出射平行光，平行光入射到第一全息光栅上反射，反射光入射到第一聚光抛物镜上，光经过第一聚光抛物镜会聚至光阑狭缝再出射，出射光依次经过第二准直抛物镜、第二全息光栅和第二聚光抛物镜，光最终会聚到狭缝；第二准直抛物镜、第二全息光栅、第二聚光抛物镜和狭缝组成的逆光路系统，与之前的系统关于光阑狭缝完全旋转对称，互为对称的各光学兀件完全相同。本发明的有益效果:当发散复色光经过光孔狭缝I入射时，经过第一准直抛物镜2(准直镜离轴角30° )得到理想的平行复色光，再经过第一全息光栅3 (入射角保持15° 50°范围内)，得到各单色光的平行光路；其中一部分所需单色光将沿第一聚光抛物镜4的轴线方向入射，会聚在光阑狭缝5的中心处，会聚光通过光阑狭缝5后入射与之前完全对称逆光路系统(由第二准直抛物镜6、第二全息光栅7、第二聚光抛物镜8和出射狭缝9组成)，最终会聚在出射狭缝9处出射；另一部分单色平行光则会与第一聚光抛物镜4的轴线有角度地入射，并会聚在光阑狭缝5的非中心处，这部分单色光被拦住，但少量杂光会进入狭缝5中，这些杂光经过对称逆光路系统，会继续被分光，最终在出射狭缝9处，被遮拦消除。本发明利用理想成像光路结构，采用双光栅对称系统设计，大大提高了所需单色光的成像质量及单色纯度，获得极小的像差水平(千分五波长以下)和杂散光水平，同时大大降低了优化的难度，提高设计效率。利用理想光路光线平行于光轴的特点，可以看出整个系统的光路一直是平行于各个准直镜，因此系统整体呈现偏折共轴的特性，在装调方面将会更容易获得闻精度。
图1为本发明高分辨率高纯度光栅单色仪分光结构示意图。图2第一聚光抛物镜4和第二准直抛物镜6共轴放置精度的干涉检验示意图。图3是实施例一在光孔狭缝I上选取边界12视场点列图。图4是实施例一 400nm波长单色光的场曲、畸变图。图5是实施例一的MTF曲线图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细说明。如图1所示，高分辨率高纯度光栅单色仪分光结构，包括光孔狭缝1、第一准直抛物镜2，其中光孔狭缝I位于第一准直抛物镜2的焦点处，第一全息光栅3、第一聚光抛物镜
4,光阑狭缝5,第二准直抛物镜6、第二全息光栅7、第二聚光抛物镜8和放置于第二聚光抛物镜8焦点处的出射狭缝9。根据光路特性对其具体的装配过程为:首先，选定光孔狭缝I的位置，发散光线通过光孔狭缝I水平进入系统，光孔狭缝I位于第一准直抛物镜2的焦点处，出射平行光与第一准直抛物镜2的光轴平行，通过改变光轴与水平方向的夹角来控制平行光的方向，保证水平入射的发散光线能完全入射到第一准直抛物镜2的上半部分。沿准直后平行光的方向放置第一全息光栅光栅3，根据设计要求倾斜旋转确定入射角，则所需波长的衍射角可确定，沿所需波长单色光衍射角的方向，垂直放置第一聚光抛物镜4，使其光轴平行于所需单色光的光路，则所需平行单色光会聚在第一聚光抛物镜4的焦点处，并在焦点处放置与光孔狭缝I相同的光阑狭缝5。由第二准直抛物镜6、第二全息光栅7、第二聚光抛物镜8和放置于第二聚光抛物镜8焦点处的出射狭缝9组成的逆光路系统。该逆光路系统与之前的系统关于第一聚光抛物镜4的焦点完全旋转对称，对应的各光学器件也完全相同，因此按照以上的方法再装配逆光路系统。本发明分光结构的对称程度直接决定整体的分光质量，因此对第一聚光抛物镜4和第二准直抛物镜6的共轴精度进行装调控制至关重要。如图2所示，第一聚光抛物镜4和第二准直抛物镜6共轴放置精度的干涉检验方法:首先，在理想的公共焦点处放置点光源10，经过第二准直抛物镜6上半部分的发散光束12准直后直接到达检测面11 ;而经过第二准直抛物镜6下半部分的发散光束13经过第二准直抛物镜6准直后又经过第一聚光抛物镜4会聚，再经过第二准直抛物镜6准直后到达检测面11，与准直后的发散光束12发生干涉，从干涉图的信 息中可以看出，第一聚光抛物镜4与第二准直抛物镜6的位置是否共轴对称，有哪些偏差，由此可以做出适当调整，保证两镜的位置偏差达到要求。具体实施例一:选用4个波长的混合复色光，分别为399.5nm,400nm,400.5nm,401nm,设定400nm为所需单色光波长，光孔狭缝I宽度为60nm，第一准直抛物镜2的相对孔径值为1/5,第一准直抛物镜2偏心角30° ,第一全息光栅光栅3入射角15° ,在光孔狭缝I上选取边界12个视场作为最终像质评价参考。以上四个波长混合的复色光经过该单色仪分光后，由图3可见，最终输出的单色光只有400nm波长的光，衍射斑在衍射极限内，分辨率在F数为5的情况下达到0.5nm水平；由图4可见，400nm波长光的场曲、像散在IOiim之内，畸变在0.5%以内，精度较高；由图5可见，MTF曲线在501n/mm时，各视场MTF值均大于
0.8，表明像 面质量很好。
权利要求
1.高分辨率高纯度光栅单色仪分光结构，其特征是，包括光孔狭缝(I)、第一准直抛物镜(2)、第一全息光栅(3)、第一聚光抛物镜(4)、光阑狭缝(5)、第二准直抛物镜(6)、第二全息光栅(7 )、第二聚光抛物镜(8 )和狭缝(9 )，光孔狭缝(I)位于第一准直抛物镜(2 )的焦点处，光阑狭缝(5)位于第一聚光抛物镜(4)和第二准直抛物镜(6)的焦点处，狭缝(9)位于第二聚光抛物镜(8)焦点处；从光孔狭缝(I)出射的光入射到第一准直抛物镜(2)上出射平行光，平行光入射到第一全息光栅(3)上反射，反射光入射到第一聚光抛物镜(4)上，光经过第一聚光抛物镜(4)会聚至光阑狭缝(5)再出射，出射光依次经过第二准直抛物镜(6)、第二全息光栅(7)和第二聚光抛物镜(8)，光最终会聚到狭缝(9);第二准直抛物镜(6)、第二全息光栅(7)、第二聚光抛物镜(8)和狭缝(9)组成的逆光路系统，与之前的系统关于光阑狭缝(5)旋转对称，互为对 称的 各光学元件完全相同。
全文摘要
高分辨率高纯度光栅单色仪分光结构，属于光栅分光技术领域，为解决现有光栅单色仪像差较大、校正设计复杂及离轴装配误差大的问题，本发明结构包括光孔狭缝、第一准直抛物镜、第一全息光栅、第一聚光抛物镜、光阑狭缝、第二准直抛物镜、第二全息光栅、第二聚光抛物镜和狭缝，光孔狭缝位于第一准直抛物镜的焦点处，光阑狭缝位于第一聚光抛物镜和第二准直抛物镜的焦点处，狭缝位于第二聚光抛物镜焦点处；光从光孔狭缝入射到第一准直抛物镜上出射平行光，平行光入射到第一全息光栅上反射，反射光入射到第一聚光抛物镜上，光经过第一聚光抛物镜会聚至光阑狭缝再出射，出射光依次经过第二准直抛物镜、第二全息光栅和第二聚光抛物镜，光最终会聚到狭缝。
文档编号G01J3/02GK103226244SQ20131014037
公开日2013年7月31日 申请日期2013年4月22日 优先权日2013年4月22日
发明者方伟, 赵维宁, 杨振岭 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所