一种复合方法校正宽波段Czerny-Turner结构像散的光学系统与流程

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。

技术实现要素：

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sremain。

(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，lc为柱镜与探测器之间距离，n为柱镜折射率，t为柱镜厚度，fc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scylinder＝0，由式(6)确定柱镜与探测器的距离lc；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sremain与scylinder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，lsc为狭缝与准直球面反射镜间距离，lgf为光栅与聚焦球面反射镜间距离，ss为一阶消像散条件下弧矢像距，st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。

本发明的优点在于，一阶消像散条件补偿方法与柱镜补偿方法二者不互相冲突，发散光路中引入柱镜，未改变光学元件间距离，即狭缝与准直球面反射镜的间距lsc、准直球面反镜与光栅的间距lcg、光栅与聚焦直球面反镜的间距lgf和准直镜与探测器的间距lfd，以及各自倾角，即准直球面反射镜倾角α1、聚焦球面反射镜倾角α2和探测器倾角σ，在已有的像散校正基础上，再进行剩余像散的补偿，拓宽波段校正宽度。复合方法提高了像散校正能力，相比于一阶消像散方法，像散被压缩了3倍左右，像散得到了很好的抑制。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。此图也是说明书摘要附图。

图2是本发明在900～1700nm波段的全视场点列图

其中图2a为边缘波长900nm处的点列图，

图2b为中心波长1300nm处的点列图，

图2c为边缘波长1700nm处的点列图，

图3是本发明在900～1700nm内全视场的点列图rms半径随波长变化曲线。

图4是本发明在900～1700nm波段的调制传递函数曲线

其中图4a为边缘波长900nm处的调制传递函数曲线，

图4b为中心波长1300nm处的调制传递函数曲线，

图4c为边缘波长1700nm处的调制传递函数曲线。

具体实施方式

结合附图1，对本实用的实施例作进一步说明，改进型光学系统包括：狭缝1、准直球面反射镜2、光栅3、聚焦球面反射镜4、柱镜5、探测器6。

当系统设计选择光谱范围为900～1700nm，光谱校正宽度为800nm，f/#为8的离轴系统。其中狭缝1的尺寸为1mm×25μm，准直球面反射镜2的离轴角α1为7°，曲率半径r1为180mm，聚焦球面反射镜4的离轴角α2为10°，曲率半径r2为180mm。采用滨松公司生产的ingaas线阵探测器6，其像元尺寸为50μm×250μm，选取线对数为300lp/mm，入射角i为6°的光栅3作为分光元件。将上述参数带入一阶消像散条件理论公式，得到lsc＝77.929mm，lcg＝90mm，lgf＝66.898mm，lfd＝109.429mm，σ＝15.935°。

引入焦距fcs为100mm，折射率n为1.45，厚度t为5mm的柱镜5放置在聚焦球面反射镜4与探测器6之间。计算发散光路中剩余像散，令scylinder＝0，得到柱镜放置位置lc＝11.7887mm。根据本发明提出的柱镜倾角公式，计算出柱镜倾角γ＝14.367°。利用zemax软件对整个光学系统进行光线追迹和设计优化，最终得到900～1300nm宽波段消像散czerny-turner结构。

图3为本发明在900～1700nm内全视场的点列图rms半径随波长变化曲线，图中能够看，全波段全视场的rms值均小于14μm，小于探测器单个像元尺寸，达到宽波段像散同时校正的要求。

图4为发明在900～1700nm波段的调制传递函数曲线，中心波长与边缘波长处全视场的mtf值均达到0.7，在全波段全视场有良好的成像质量，所以本发明可实际使用。