专利名称：一种能同时压缩光斑并提高分辨率的光路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用新型反射镜一超环面镜的光路，可以应用于光谱仪器领域。
背景技术：
光能利用率和分辨率是评价光谱分析仪器性能的两个重要指标，然而两者存在一定矛盾性。光谱仪器光学模块主要分为两个重要部分模块——样品光路模块和色散光路模块，改善这两个模块的成像质量是提高光谱分析仪器性能的关键。日本专利JP2003014631A公开了一种改善光谱仪器样品光路的方案，如附
图1所示，其样品光路部分主要由光源1、2，半透半反镜3，超环面镜4，平面反射镜5，原子化部8， 球面反射镜9，平面反射镜10组成，光源发出的光经超环面镜4聚焦，再经平面反射镜5转折汇聚到原子化部8，将样品的物化特性转化为光学特性，经球面反射镜9进行聚焦形成点光源在后续色散光路中进行光谱分析。超环面镜俗称轮胎镜，是一种反射镜，其有两个相互垂直方向上的曲率半径。该专利在样品光路中采用超环面镜4，优点是可以改善原子化部8 中的光斑质量，压缩光斑以提高后续光路的光能利用率。该专利的缺陷是该样品光路并不能改善整体光路的分辨率，并且没有说明如何设计参数摆放超环面镜。同时该专利样品光路部分仍有可以改进的地方，比如球面反射镜9可以用超环面镜替代以进一步压缩光斑， 提高光能利用率。美国专利US5192981A提出了一种改善光谱仪切尔尼-特纳色散光路的方案，如附图2所示，该色散光路采用切尔尼-特纳结构，主要由入射狭缝18、准直物镜40、光栅52、成像物镜80、出射狭缝20组成，光从入射狭缝18进入结构，经准直物镜40准直成平行光，经过光栅52分光入射至成像物镜80，在出射狭缝20处出射。该专利使用超环面镜作为准直物镜40，优点是可以压缩光斑，提高整体光路的光能利用率。该专利的缺陷是不能有效的改善色散光路的分辨率，同样没有说明如何设计参数摆放超环面镜。同时该色散光路仍有可以改进之处，比如成像物镜80也可以采用超环面镜以进一步压缩光斑，提高光能利用率。Arthur B. Shafer 在其论文"Optimization of the Czerny-Turner Spectrometer"中提到了一种改善切尔尼-特纳光路分辨率的方法，即利用cos3公式
sin β R^ cos3 β cos3 i= ^~ sino· R1 cos α cos θ 计算得到主光线对准直物镜离轴角α和成像物镜离轴角β与主光线对光栅的入射角i和衍射角θ的关系，如附图3所示，R1和&分别是色散光路中准直物镜和成像物镜的曲率半径，α和β分别是主光线对准直物镜和成像物镜的离轴角，i和θ分别是主光线对光栅的入射角和衍射角，其中主光线是指单一波长的主要设计光线，离轴角是指入射光线或出射光线与反射镜光轴的夹角。根据该公式设计参数可以有效地减少色散光路中的彗差，从而提高光路的分辨率。这种方法的缺陷是会将光斑要缩成细长状，如附图8. 1所示， 这会使得探测器不能探测到全部的光斑，造成光能的浪费。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、工艺性好、同时提高分辨率和光能利用率的光路。本发明能同时提高分辨率和光能利用率的光路的特征是含有样品光路和色散光路，其中样品光路含有光源1，第一平面反射镜21，第一反射镜31，样品室4，第二反射镜 32，第二平面反射镜22以及狭缝5，其中 第一平面反射镜21，接收所述光源1发出的入射光并向所述第一反射镜31反射输出，第一反射镜31，接收所述第一平面反射镜21的输出光并向所述样品室4反射输出，样品室4，接收所述第一反射镜31的输出光并把透过样品后得到的光束入射到所述第二反射镜32上，第二反射镜32，接收所述样品室4的输出光并向所述第二平面反射镜22反射输出，第二平面反射镜22，接收所述第二反射镜32的输出光并向狭缝5反射输出；色散光路含有作准直物镜用的第三反射镜33，光栅6，作成像物镜用的第四反射镜；34和探测器7，其中第三反射镜33，接收所述狭缝5的输出光并向所述光栅6反射输出，光栅6，接收所述第三反射镜33的输出光并向所述第四反射镜34衍射输出，第四反射镜34，接收所述光栅6的输出光并向所述探测器7反射输出，其中所述的四个反射镜31、32、33、34均采用超环面镜，且超环面镜在弧矢方向的曲率半径P 3按如下公式计算P 3 = R3COS2 α 3,其中R3为超环面镜在子午方向的曲率半径，α 3为波长为190nm的主光线对超环面镜的离轴角；在所述的色散光路中，所述准直物镜33子午方向的曲率半径Ii33、成像物镜34子午方向的曲率半径R34、波长为190nm的主光线对所述准直物镜33的离轴角α 33、波长为190nm 的主光线对所述成像物镜34的离轴角α 34、波长为190nm的主光线对所述光栅6的入射角 i和衍射角θ应满足下述关系式
权利要求
1. 一种能同时压缩光斑并提高分辨率的光路，其特征在于，含有样品光路和色散光路， 其中样品光路含有光源(1)，第一平面反射镜(21)，第一反射镜(31)，样品室0)，第二反射镜(32)，第二平面反射镜0 以及狭缝(5)，其中第一平面反射镜(21)，接收所述光源(1)发出的入射光并向所述第一反射镜(31)反射输出，第一反射镜(31)，接收所述第一平面反射镜的输出光并向所述样品室(4)反射输出，样品室G)，接收所述第一反射镜(31)的输出光并把透过样品后得到的光束入射到所述第二反射镜(32)上，第二反射镜(32)，接收所述样品室(4)的输出光并向所述第二平面反射镜02)反射输出，第二平面反射镜(22)，接收所述第二反射镜(32)的输出光并向狭缝(5)反射输出； 色散光路含有作准直物镜用的第三反射镜(33)，光栅(6)，作成像物镜用的第四反射镜(34)和探测器(7)，其中:第三反射镜(33)，接收所述狭缝(5)的输出光并向所述光栅(6)反射输出， 光栅(6)，接收所述第三反射镜(33)的输出光并向所述第四反射镜(34)衍射输出， 第四反射镜(34)，接收所述光栅(6)的输出光并向所述探测器(7)反射输出，其中 所述的四个反射镜(31、32、33、34)均采用超环面镜，且超环面镜在弧矢方向的曲率半径P 3按如下公式计算P 3 = R3COS2 α 3,其中R3为超环面镜在子午方向的曲率半径，α 3为波长为190nm的主光线对超环面镜的离轴角；在所述的色散光路中，所述准直物镜(3 子午方向的曲率半径I^33、成像物镜(34)子午方向的曲率半径民4、波长为190nm的主光线对所述准直物镜(33)的离轴角α 33、波长为 190nm的主光线对所述成像物镜(34)的离轴角α 34、波长为190nm的主光线对所述光栅(6) 的入射角i和衍射角θ应满足下述关系式
2.根据权利要求1所述的一种能同时压缩光斑并提高分辨率的光路，其特征在于，所述第三反射镜(3 用球面镜代替。
3.根据权利要求1所述的一种能同时压缩光斑并提高分辨率的光路，其特征在于，所述第四反射镜(34)用球面镜代替。
4.根据权利要求1所述的一种能同时压缩光斑并提高分辨率的光路，其特征在于，所述第三反射镜(33)和第四反射镜(34)均用球面镜代替。
5.根据权利要求1所述的一种能同时压缩光斑并提高分辨率的光路，其特征在于，所述第二反射镜(3 用球面镜代替。
6.根据权利要求1所述的一种能同时压缩光斑并提高分辨率的光路，其特征在于，所述第二反射镜(32)和第三反射镜(33)均用球面镜代替。
7.根据权利要求1所述的一种能同时压缩光斑并提高分辨率的光路，其特征在于，所述第二反射镜(32)和第四反射镜(34)均用球面镜代替。
8.根据权利要求1所述的一种能同时压缩光斑并提高分辨率的光路，其特征在于，所述第二反射镜(32)、第三反射镜(33)以及第四反射镜(34)均用球面镜代替。
全文摘要
一种能同时压缩光斑并提高分辨率的光路属于光谱仪领域，其特征在于，由样品光路和色散光路组成，样品光路依次由光源1、第一平面反射镜21、第一反射镜31、样品室4、第二反射镜32、第二平面反射镜22、以及狭缝5组成，色散光路由第三反射镜33、光栅6、第四反射镜34和探测器7依次组成，各个反射镜均采用超环面镜以压缩光斑。色散光路采用三次余弦公式建立了主光线对作准直物镜用的第三反射镜离轴角、主光线对作成像物镜用的第四反射镜离轴角、主光线对光栅的入射角和衍射角与所述第三反射镜、第四反射镜的子午方向曲率半径的关系以减少像差，并自主提出了各个参数的选择范围。本发明在压缩光斑的同时提高了光路的分辨率。
文档编号G02B5/10GK102419205SQ201110235310
公开日2012年4月18日 申请日期2011年8月16日 优先权日2011年8月16日
发明者叶闯, 杨怀栋, 金国潘 申请人:清华大学