自由曲面凹面光栅成像光谱仪的制作方法

1.本发明涉及光学领域，尤其涉及一种自由曲面凹面光栅成像光谱仪。


背景技术：

2.光谱信息非常重要，在生物科学、医疗健康、制药、能源、食品和农业等领域有着广泛的应用。光谱信息的获取依赖光谱仪和成像光谱仪。成像光谱仪中关键的元件是具有色散功能的光学系统。具有色散功能的光学系统具有更大的视场、更宽的光谱范围、更高的分辨率，能够推动相关应用领域学科的发展，是人们长期以来所不懈追求的目标。
3.自由曲面是指无法用球面或非球面系数来表示的非传统曲面，自由曲面是不具有对称性的复杂面形的光学曲面。近十几年来，自由曲面光学的快速发展不但为光学系统的性能带来了全方位的提升，而且还实现了许多以往难以设计、或者从来没有过的光学系统，为光学设计领域带来了革命性的突破。
4.现有的成像光谱仪较少采用自由曲面来设计，原因是自由曲面的变量较多，自由度太大，系统的体积、重量与镜片数量等考虑因素很多，很难设计出结构简单、成本低廉且具有较好成像效果的成像光谱仪。


技术实现要素：

5.有鉴于此，确有必要提供一种自由曲面凹面光栅成像光谱仪，该自由曲面凹面光栅成像光谱仪结构简单、成本低廉且具有较好的成像效果。
6.一种自由曲面凹面光栅成像光谱仪，包括一狭缝、一自由曲面凹面光栅和一像面，从所述狭缝入射的光线照射到所述自由曲面凹面光栅上发生色散并反射形成一反射光束，该反射光束照射到所述像面上，使得狭缝入射的不同波长的光线分开并分别成像在所述像面上。
7.与现有技术相比，本发明提供的自由曲面凹面光栅成像光谱仪仅含有自由曲面凹面光栅这一个光学元件，该自由曲面凹面光栅同时作为色散元件和成像元件，从而使得所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪结构简单、体积小、成本低廉，而且还具有较好的成像效果。
附图说明
8.图1为本发明第一实施例提供的自由曲面凹面光栅成像光谱仪的光路图。
9.图2为本发明第一实施例提供的自由曲面凹面光栅成像光谱仪的结构示意图。
10.图3为本发明第一实施例提供的系统1不同视场和不同波长的波像差。
11.图4为本发明第二实施例提供的自由曲面凹面光栅成像光谱仪的设计方法的流程图。
12.主要元件符号说明
13.自由曲面凹面光栅成像光谱仪
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100
14.狭缝
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102
15.凹面光栅
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104
16.探测器
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106
17.像面
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108
18.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
19.下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的自由曲面凹面光栅成像光谱仪作进一步的详细说明。
20.请参见图1和图2，本发明第一实施例提供一种自由曲面凹面光栅成像光谱仪100，该自由曲面凹面光栅成像光谱仪100包括一狭缝102、一凹面光栅104和一像面108。光线通过所述狭缝102照射到所述凹面光栅104上发生色散并反射形成一反射光束，该反射光束照射到所述像面108成像。所述凹面光栅104具有一自由曲面，因此所述凹面光栅104为自由曲面凹面光栅104。所述自由曲面凹面光栅104同时作为所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100的色散元件和成像元件，也即所述自由曲面凹面光栅104同时具有色散和成像的功能。也即，从狭缝102入射的光线照射到所述自由曲面凹面光栅104上发生色散并反射，反射光束照射到所述像面108上，使得狭缝102入射的不同波长的光线分开并分别成像在像面108上。
21.所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100仅含有单个光学元件，该单个光学元件就是所述凹面光栅104。也即，所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100仅含有凹面光栅104这一个光学元件。所述狭缝102和所述像面108位于所述凹面光栅104的同一侧。
22.所述狭缝102是一条宽度可调、狭窄细长的缝孔。所述狭缝102可以是固定的狭缝102、单边可调的非对称式狭缝102和双边可调的对称狭缝102。本实施例中，所述狭缝102是双边可调的对称狭缝102。
23.所述凹面光栅104的线距可以固定，也可以变化。当凹面光栅104的线距固定时，说明该凹面光栅104具有定线距，该凹面光栅104为定线距凹面光栅104。当凹面光栅104的线距变化时，说明该凹面光栅104具有变线距，该凹面光栅104为变线距凹面光栅104。一实施例中，所述凹面光栅104为定线距自由曲面凹面光栅104；另一实施例中，所述凹面光栅104为变线距自由曲面凹面光栅104。
24.自由曲面上光栅栅线距离固定或是变化、栅线的形状弯曲或是笔直，对应着栅线在光栅局部坐标系的xy平面上的投影线的距离和形状。所述变线距凹面光栅104指的是直条纹的变线距光栅，镜面上某一点(x,y)处栅线距离d满足：
25.d(x,y)＝d0+d1y+d2y2+d3y3+
…ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
26.所述成像光学系统进一步包括一探测器106，该探测器106位于所述像面108的位置，用于记录所述像面108的信息。所述探测器106也可以为胶片等。本实施例中，所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100由所述狭缝102、所述凹面光栅104、所述像面108和所述探测器106组成。
27.表1为凹面光栅104分别为不同的定线距凹面光栅104和不同的变线距凹面光栅104时，所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100的性能参数。表1中，constant指定线距凹面
光栅104，variable指变线距凹面光栅104，system no.指系统编号(该系统就是所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100，简称系统)，grating line-space指凹面光栅104线距，spectral bandwidth指光谱带宽，spectral dispersion指光谱色散，slit length指狭缝102长度，numerical aperture指数值孔径，system length指系统长度(系统长度是指所述狭缝102至所述凹面光栅104的距离)，spectral resolving power指光谱分辨力，光谱带宽的单位为nm(纳米)，光谱色散的单位为nm/mm(纳米每毫米)，狭缝102长度和系统长度的单位均为mm(毫米)。
28.表1所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100的性能参数
[0029][0030]
由表1可知，所述凹面光栅104为定线距凹面光栅104时，所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100的光谱范围(光谱带宽)是400nm至1000nm，光谱色散大于等于240nm/mm，狭缝102长度小于等于2.1mm，数值孔径小于等于0.13，系统长度大于等于61mm，光谱分辨力最高可达342。所述凹面光栅104为变线距凹面光栅104时，所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100的光谱范围是400nm至1000nm，光谱色散大于等于100nm/mm，狭缝102长度小于等于2.3mm，数值孔径小于等于0.16，系统长度大于等于37mm，光谱分辨力最高可达820。
[0031]
表1中，系统1(system no.1)的光谱范围是400nm至1000nm，狭缝102长度为1mm，数值孔径为0.1，系统长度为100mm，光谱色散最高为340nm/mm，光谱分辨力为241，此时，系统1各视场、各波长的波像差如图3所示。
[0032]
图3中，横坐标为狭缝102长度，纵坐标为波长，狭缝102长度和波长的长度均为mm。图3中，wfe rms(wavefront error波前误差，root mean square均方根)的最小值(minimum)为0.0081λ，最大值(maximum)为0.0745λ，平均值(average)为0.0422λ，标准偏差(standard deviation)为0.0065，色畸变(keystone distortion)的最大值为0.175μm(微米)，谱线弯曲(smile distortion)的最大值为0.109μm。
[0033]
由图3可知，系统1在整个工作的光谱范围内，各个波长λ全视场波像差rms的最大值不超过0.075λ，因此系统1各个波长的像质(成像质量)达到衍射极限，系统1具有良好的像质；系统1各个波长的谱线弯曲和各视场点的色畸变的绝对值不超过1μm；系统1中像面108上的像点到中心视场主光线的垂直距离不小于1.4mm，避免了遮拦；并且系统1为物方远心。
[0034]
另外，表1中，系统2(system no.2)至系统21(system no.21)在光谱范围内，全视场的波像差rms的最大值不超过0.075λ，像质达到了衍射极限，因此系统2至系统21均具有良好的像质。系统2至系统21中色畸变和谱线弯曲的绝对值均小于1μm，因此系统2至系统21均无遮拦，且系统2至系统21均为物方远心。由此可见，所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100为物方远心、无遮拦，且具有良好的像质。
[0035]
对比表1中使用定线距凹面光栅104和变线距凹面光栅104的系统1至系统21，可以得出采用变线距凹面光栅104使整个系统的各项性能参数提高的百分比，如表2所示。表2中，maximum improvement指最大提高值，from constant to variable指从定线距凹面光栅104到变线距凹面光栅104。
[0036]
表2使用变线距凹面光栅104时各系统各性能参数提高的百分比
[0037][0038]
由表2可得知，在光谱范围为400nm至1000nm时，采用变线距凹面光栅104，仅提升狭缝102长度最多从1.0mm提升到1.8mm，提高了80％；仅提升数值孔径最多从0.10提升到0.14，提高了40％；仅缩小系统长度最多从100mm缩小至52mm，提高了92％；仅提升光谱色散最多从340nm/mm提升到140nm/mm，提高了143％；光谱分辨力最高可以达到系统13中的585，相比于系统1提高了143％。
[0039]
在光谱范围为600nm至1000nm时，采用变线距凹面光栅104，仅提升狭缝102长度最多从2.1mm提升到2.3mm，提高了10％；仅提升数值孔径最多从0.13提升到0.16，提高了23％；仅缩小系统长度最多从61mm缩小至37mm，提高了65％；仅提升光谱色散最多从240nm/mm提升到100nm/mm，提高了140％；光谱分辨力最高可以达到系统17中的820，相比于系统5提高了140％。
[0040]
在光谱范围为400nm至800nm时，采用变线距凹面光栅104，仅提升狭缝102长度最多从1.6mm提升到1.8mm，提高12％；仅提升数值孔径最多从0.11提升到0.14，提高了27％；仅缩小系统长度最多从73mm缩小至52mm，提高了40％；仅提升光谱色散最多从260nm/mm提升到120nm/mm，提高了117％；光谱分辨力最高可以达到系统21中的683，相比于系统9提高了117％。
[0041]
通过以上结果可以得知，变线距凹面光栅104能够整体提高系统的各项性能参数，对提高光谱色散和光谱分辨力、缩小系统长度的效果尤其明显。当光谱范围为400nm至
1000nm时，系统各性能参数的提升幅度要高于光谱范围为600nm至1000nm和400nm至800nm时系统的提升幅度，其中提升幅度相差最多的是狭缝102长度。400nm至800nm的波长范围由于平均波长较短，提升的效果相对最差，这符合成像光学系统的设计规律。
[0042]
表3为光谱范围缩小后，系统各项性能参数的最佳值下降的幅度。表3中，decrease of best performance指性能参数最佳值的下降。
[0043]
表3光谱范围缩小后系统各性能参数下降的百分比
[0044][0045]
由表3得知，扩大光谱范围后，系统的光谱色散和光谱分辨力的下降幅度较大，而且在使用定线距凹面光栅104的系统中，各项性能参数的下降幅度比使用变线距凹面光栅104的系统的下降幅度要大。另外，由于400nm至800nm光谱范围内平均波长较小，系统的设计难度比600nm至1000nm更高，当光谱范围扩大至400nm至1000nm时，使用变线距凹面光栅104的系统甚至在狭缝102长度、数值孔径和系统长度三个方面均没有提升。因此，与使用定线距凹面光栅104的系统相比，使用变线距凹面光栅104的系统，其性能的下降对光谱范围的扩大不灵敏，因此使用变线距凹面光栅104有利于扩大系统的光谱范围。
[0046]
所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100具有以下优点：第一、利用光学自由曲面的面形的高自由度，只使用一个光学元件即实现了高光谱成像，也即仅含有自由曲面凹面光栅104这一个光学元件，所述自由曲面凹面光栅104同时作为色散元件和成像元件，光路简单、结构简单、体积小、成本低廉；第二、具有较好的成像效果；第三、相对于使用定线距自由曲面凹面光栅104，使用变线距自由曲面凹面光栅104，可以提高自由曲面凹面光栅成像光谱仪100的各项性能，对提高光谱色散和光谱分辨力、缩小系统长度的效果尤为明显，而且还有利于扩大光谱范围。本发明第二实施例提供一种所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100的设计方法，该设计方法为：先确定所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100的初始结构，再对该初始结构进行优化。所述设计方法中，采用针对带有色散器件的光学系统的逐点设计方法来求解所述初始结构，所述逐点设计方法是先选取从狭缝102不同位置入射的一系列光线作为特征光线，然后计算这些特征光线和凹面光栅104面交点处特征数据点的坐标和法向，接着通过拟合得到凹面光栅104的自由曲面面形，得到所述初始结构。最后通过优化来提高所述初始结构的成像质量，得到所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100。
[0047]
请参见图4，所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100的设计方法包括以下步骤：
[0048]
s1，选取从狭缝102不同位置入射的一系列光线作为特征光线；
[0049]
s2，计算所述特征光线和所述凹面光栅104面交点处特征数据点的坐标和法向；
[0050]
s3，通过拟合得到所述凹面光栅104的自由曲面面形，得到一初始结构；以及
[0051]
s4，优化所述初始结构。
[0052]
步骤s2中，所述凹面光栅104为自由曲面凹面光栅104。使用逐点设计方法计算凹
面光栅104面的面形时，首先根据最近光线原则，计算凹面光栅104面上各个特征数据点的坐标。然后，按照系统的物像关系，计算凹面光栅104面上各个特征数据点的法向。根据系统的成像要求，从狭缝102上不同位置射出的光线最终要汇聚到像面108上的目标点(即理想像点)处。因此，对于某一个特征光线，波长大小为λ时，凹面光栅104面上相应的特征数据点处入射光线的方向矢量s和出射光线的方向矢量s'应该满足光栅方程。根据ludwig给出的一般化的光栅的追迹方程，s和s'应该满足
[0053][0054]
其中，n表示衍射级次，λ表示光线的波长，g表示光栅生成面的法向方向，r表示特征数据点的法向，d表示光线入射点处光栅线距。其中，n、λ和g是已知量，而r和d是未知量。
[0055]
凹面光栅104面上各个特征数据点的法向的计算方法根据凹面光栅104种类的不同而不同。也即，定线距凹面光栅104面上各个特征数据点的法向的计算方法和变线距凹面光栅104面上各个特征数据点的法向的计算方法不相同。以下为具体说明。
[0056]
当计算定线距凹面光栅104的面形时，首先要计算出光栅线距d0。按照系统光谱色散的大小以及凹面光栅104面到像面108的距离，可以计算出狭缝102中心的主光线发生色散的角度大小，根据色散的角度大小和光谱范围，可以计算出满足要求的光栅线距d0。此时，公式(2)中除了r以外都是已知量，因此可求解出r的值，得到定线距凹面光栅104面上各个特征数据点的法向。也即，所述定线距凹面光栅104面上各个特征数据点的法向的计算方法，包括以下子步骤：
[0057]
s21’，按照系统光谱色散的大小以及定线距凹面光栅面到像面的距离，计算出狭缝中心的主光线发生色散的角度大小；
[0058]
s22’，根据色散的角度大小和光谱范围，计算出满足要求的光栅线距d0；
[0059]
s23’，根据公式求解出r的值，其中，n表示衍射级次，λ表示光线的波长，g表示光栅生成面的法向方向，r表示定线距凹面光栅面上各个特征数据点的法向，d表示光线入射点处光栅线距，s表示定线距凹面光栅104面上相应的特征数据点处入射光线的方向矢量，s'表示定线距凹面光栅104面上相应的特征数据点处出射光线的方向矢量。
[0060]
当计算变线距凹面光栅104的面形时，不同特征数据点处光栅线距的大小是不同的，采取以下方法进行求解：
[0061]
s21，将光栅的面形设定为球面，特征光线与球面的交点为特征数据点，各特征数据点处球面法向r已知，此时公式(2)中除了d以外都是已知量，因此可以求解出该特征数据点处的光栅线距d，当所有特征数据点处的光栅线距都求解完成后，按照公式(1)拟合得到光栅线距随坐标y变化的函数d(y)；以及
[0062]
s22，采用求解定线距凹面光栅104的特征数据点法向的方法(即所述步骤s23’)，求解变线距光栅上特征数据点的法向r，但不同的是，各特征数据点处光栅线距d的值不是根据狭缝102中心主光线的色散求解，而是由函数d(y)给出。
[0063]
步骤s3中，在求解得到所有的特征数据点的坐标和法向之后，通过拟合即得到定线距凹面光栅104的自由曲面面形或者变线距凹面光栅104的自由曲面面形。
[0064]
通过拟合得到所述凹面光栅104的自由曲面面形的方法不限。本实施例中，通过拟合得到所述凹面光栅104的自由曲面面形的方法，包括以下子步骤：
[0065]
步骤s1’，建立一初始曲面以及一第一三维直角坐标系；
[0066]
步骤s2’，选取k条特征光线ri(i＝1,2,
…
,k)；
[0067]
步骤s3’，根据物像关系或光线映射关系及斯涅尔定律逐点求解每条特征光线与待求自由曲面的多个交点，进而得到多个特征数据点pi(i＝1,2,
…
,k)；
[0068]
步骤s4’，在所述第一三维直角坐标系中，将该多个特征数据点拟合成一球面，并将中心采样视场主光线对应的特征数据点定义为球面的顶点，并以该球面的顶点为原点，通过曲率中心和球面顶点的直线为z轴，建立一第二三维直角坐标系；以及
[0069]
步骤s5’，将所述多个特征数据点在第一三维直角坐标系中的坐标(xi,yi,zi)和法向量(αi,βi,γi)分别变换为第二三维直角坐标系中的坐标(x'i,y'i,z'i)和法向量(α'i,β'i,γ'i)，将所述多个特征数据点pi(i＝1,2
…
k)在第二三维直角坐标系中拟合成一个二次曲面，将特征数据点在第二三维直角坐标系中的二次曲面上的坐标和法向量分别从坐标(x'i,y'i,z'i)和法向量(α'i,β'i,γ'i)中除掉，得到残余坐标和残余法向量，将所述残余坐标和残余法向量进行曲面拟合得到一自由曲面，该自由曲面的方程式与所述二次曲面的方程式相加得到待求自由曲面的方程式，也即所述凹面光栅104的自由曲面的面形方程。
[0070]
步骤s4中，优化所述初始结构的目的是提高初始结构的成像质量。优化所述初始系统，从而提高所述初始系统的成像质量的方法不限，可以采用光学设计软件来实现。所述光学设计软件包括code v或者zemax optic studio等。
[0071]
进一步，所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100的设计方法还可以在步骤s4之后包括一根据步骤s4中输出的参数进行加工的步骤，从而得到一所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100的物理元件，该物理元件具有形状，并且由材料制成，是一个物理元件实体。
[0072]
另外，对于变线距凹面光栅104，在求解得到了自由曲面面形的同时，还得到了变线距凹面光栅104栅距随坐标变化的函数。为了进一步提高变线距凹面光栅104的面形方程和线距函数的求解效果，提高初始系统的像质，所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100的设计方法的步骤s3进一步包括以下步骤：
[0073]
s31，将求得的自由曲面面形固定，重复变线距凹面光栅104面型求解过程中的步骤s21，计算得到一个新的光栅线距的变化函数；
[0074]
s32，再重复变线距凹面光栅104面型求解过程中的步骤s22，得到一个相应的新的自由曲面面形；以及
[0075]
s33，反复重复步骤s31和步骤s32进行迭代，就可以进一步提高计算得到的变线距自由曲面凹面光栅成像光谱仪100的成像质量。
[0076]
本实施例中，采用所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100的设计方法，得到了所述系统1至系统21。
[0077]
所述自由曲面凹面光栅成像光谱仪100的设计方法具有以下优点：第一、可以快速生成一个满足给定条件的初始解，通过后续优化即可得到高像质的系统，极大地方便了设计具有不同光谱范围和不同光谱分辨率的系统；第二、方法简单。
[0078]
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。