專利名稱：一種能同時(shí)壓縮光斑并提高分辨率的光路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用新型反射鏡一超環(huán)面鏡的光路，可以應(yīng)用于光譜儀器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光能利用率和分辨率是評(píng)價(jià)光譜分析儀器性能的兩個(gè)重要指標(biāo)，然而兩者存在一定矛盾性。光譜儀器光學(xué)模塊主要分為兩個(gè)重要部分模塊——樣品光路模塊和色散光路模塊，改善這兩個(gè)模塊的成像質(zhì)量是提高光譜分析儀器性能的關(guān)鍵。日本專利JP2003014631A公開了一種改善光譜儀器樣品光路的方案，如附

圖1所示，其樣品光路部分主要由光源1、2，半透半反鏡3，超環(huán)面鏡4，平面反射鏡5，原子化部8， 球面反射鏡9，平面反射鏡10組成，光源發(fā)出的光經(jīng)超環(huán)面鏡4聚焦，再經(jīng)平面反射鏡5轉(zhuǎn)折匯聚到原子化部8，將樣品的物化特性轉(zhuǎn)化為光學(xué)特性，經(jīng)球面反射鏡9進(jìn)行聚焦形成點(diǎn)光源在后續(xù)色散光路中進(jìn)行光譜分析。超環(huán)面鏡俗稱輪胎鏡，是一種反射鏡，其有兩個(gè)相互垂直方向上的曲率半徑。該專利在樣品光路中采用超環(huán)面鏡4，優(yōu)點(diǎn)是可以改善原子化部8 中的光斑質(zhì)量，壓縮光斑以提高后續(xù)光路的光能利用率。該專利的缺陷是該樣品光路并不能改善整體光路的分辨率，并且沒有說明如何設(shè)計(jì)參數(shù)擺放超環(huán)面鏡。同時(shí)該專利樣品光路部分仍有可以改進(jìn)的地方，比如球面反射鏡9可以用超環(huán)面鏡替代以進(jìn)一步壓縮光斑， 提高光能利用率。美國專利US5192981A提出了一種改善光譜儀切爾尼-特納色散光路的方案，如附圖2所示，該色散光路采用切爾尼-特納結(jié)構(gòu)，主要由入射狹縫18、準(zhǔn)直物鏡40、光柵52、成像物鏡80、出射狹縫20組成，光從入射狹縫18進(jìn)入結(jié)構(gòu)，經(jīng)準(zhǔn)直物鏡40準(zhǔn)直成平行光，經(jīng)過光柵52分光入射至成像物鏡80，在出射狹縫20處出射。該專利使用超環(huán)面鏡作為準(zhǔn)直物鏡40，優(yōu)點(diǎn)是可以壓縮光斑，提高整體光路的光能利用率。該專利的缺陷是不能有效的改善色散光路的分辨率，同樣沒有說明如何設(shè)計(jì)參數(shù)擺放超環(huán)面鏡。同時(shí)該色散光路仍有可以改進(jìn)之處，比如成像物鏡80也可以采用超環(huán)面鏡以進(jìn)一步壓縮光斑，提高光能利用率。Arthur B. Shafer 在其論文"Optimization of the Czerny-Turner Spectrometer"中提到了一種改善切爾尼-特納光路分辨率的方法，即利用cos3公式
sin β R^ cos3 β cos3 i= ^~ sino· R1 cos α cos θ 計(jì)算得到主光線對(duì)準(zhǔn)直物鏡離軸角α和成像物鏡離軸角β與主光線對(duì)光柵的入射角i和衍射角θ的關(guān)系，如附圖3所示，R1和&分別是色散光路中準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡的曲率半徑，α和β分別是主光線對(duì)準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡的離軸角，i和θ分別是主光線對(duì)光柵的入射角和衍射角，其中主光線是指單一波長的主要設(shè)計(jì)光線，離軸角是指入射光線或出射光線與反射鏡光軸的夾角。根據(jù)該公式設(shè)計(jì)參數(shù)可以有效地減少色散光路中的彗差，從而提高光路的分辨率。這種方法的缺陷是會(huì)將光斑要縮成細(xì)長狀，如附圖8. 1所示， 這會(huì)使得探測器不能探測到全部的光斑，造成光能的浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工藝性好、同時(shí)提高分辨率和光能利用率的光路。本發(fā)明能同時(shí)提高分辨率和光能利用率的光路的特征是含有樣品光路和色散光路，其中樣品光路含有光源1，第一平面反射鏡21，第一反射鏡31，樣品室4，第二反射鏡 32，第二平面反射鏡22以及狹縫5，其中 第一平面反射鏡21，接收所述光源1發(fā)出的入射光并向所述第一反射鏡31反射輸出，第一反射鏡31，接收所述第一平面反射鏡21的輸出光并向所述樣品室4反射輸出，樣品室4，接收所述第一反射鏡31的輸出光并把透過樣品后得到的光束入射到所述第二反射鏡32上，第二反射鏡32，接收所述樣品室4的輸出光并向所述第二平面反射鏡22反射輸出，第二平面反射鏡22，接收所述第二反射鏡32的輸出光并向狹縫5反射輸出；色散光路含有作準(zhǔn)直物鏡用的第三反射鏡33，光柵6，作成像物鏡用的第四反射鏡；34和探測器7，其中第三反射鏡33，接收所述狹縫5的輸出光并向所述光柵6反射輸出，光柵6，接收所述第三反射鏡33的輸出光并向所述第四反射鏡34衍射輸出，第四反射鏡34，接收所述光柵6的輸出光并向所述探測器7反射輸出，其中所述的四個(gè)反射鏡31、32、33、34均采用超環(huán)面鏡，且超環(huán)面鏡在弧矢方向的曲率半徑P 3按如下公式計(jì)算P 3 = R3COS2 α 3,其中R3為超環(huán)面鏡在子午方向的曲率半徑，α 3為波長為190nm的主光線對(duì)超環(huán)面鏡的離軸角；在所述的色散光路中，所述準(zhǔn)直物鏡33子午方向的曲率半徑Ii33、成像物鏡34子午方向的曲率半徑R34、波長為190nm的主光線對(duì)所述準(zhǔn)直物鏡33的離軸角α 33、波長為190nm 的主光線對(duì)所述成像物鏡34的離軸角α 34、波長為190nm的主光線對(duì)所述光柵6的入射角 i和衍射角θ應(yīng)滿足下述關(guān)系式
權(quán)利要求
1. 一種能同時(shí)壓縮光斑并提高分辨率的光路，其特征在于，含有樣品光路和色散光路， 其中樣品光路含有光源(1)，第一平面反射鏡(21)，第一反射鏡(31)，樣品室0)，第二反射鏡(32)，第二平面反射鏡0 以及狹縫(5)，其中第一平面反射鏡(21)，接收所述光源(1)發(fā)出的入射光并向所述第一反射鏡(31)反射輸出，第一反射鏡(31)，接收所述第一平面反射鏡的輸出光并向所述樣品室(4)反射輸出，樣品室G)，接收所述第一反射鏡(31)的輸出光并把透過樣品后得到的光束入射到所述第二反射鏡(32)上，第二反射鏡(32)，接收所述樣品室(4)的輸出光并向所述第二平面反射鏡02)反射輸出，第二平面反射鏡(22)，接收所述第二反射鏡(32)的輸出光并向狹縫(5)反射輸出； 色散光路含有作準(zhǔn)直物鏡用的第三反射鏡(33)，光柵(6)，作成像物鏡用的第四反射鏡(34)和探測器(7)，其中:第三反射鏡(33)，接收所述狹縫(5)的輸出光并向所述光柵(6)反射輸出， 光柵(6)，接收所述第三反射鏡(33)的輸出光并向所述第四反射鏡(34)衍射輸出， 第四反射鏡(34)，接收所述光柵(6)的輸出光并向所述探測器(7)反射輸出，其中 所述的四個(gè)反射鏡(31、32、33、34)均采用超環(huán)面鏡，且超環(huán)面鏡在弧矢方向的曲率半徑P 3按如下公式計(jì)算P 3 = R3COS2 α 3,其中R3為超環(huán)面鏡在子午方向的曲率半徑，α 3為波長為190nm的主光線對(duì)超環(huán)面鏡的離軸角；在所述的色散光路中，所述準(zhǔn)直物鏡(3 子午方向的曲率半徑I^33、成像物鏡(34)子午方向的曲率半徑民4、波長為190nm的主光線對(duì)所述準(zhǔn)直物鏡(33)的離軸角α 33、波長為 190nm的主光線對(duì)所述成像物鏡(34)的離軸角α 34、波長為190nm的主光線對(duì)所述光柵(6) 的入射角i和衍射角θ應(yīng)滿足下述關(guān)系式
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能同時(shí)壓縮光斑并提高分辨率的光路，其特征在于，所述第三反射鏡(3 用球面鏡代替。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能同時(shí)壓縮光斑并提高分辨率的光路，其特征在于，所述第四反射鏡(34)用球面鏡代替。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能同時(shí)壓縮光斑并提高分辨率的光路，其特征在于，所述第三反射鏡(33)和第四反射鏡(34)均用球面鏡代替。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能同時(shí)壓縮光斑并提高分辨率的光路，其特征在于，所述第二反射鏡(3 用球面鏡代替。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能同時(shí)壓縮光斑并提高分辨率的光路，其特征在于，所述第二反射鏡(32)和第三反射鏡(33)均用球面鏡代替。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能同時(shí)壓縮光斑并提高分辨率的光路，其特征在于，所述第二反射鏡(32)和第四反射鏡(34)均用球面鏡代替。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能同時(shí)壓縮光斑并提高分辨率的光路，其特征在于，所述第二反射鏡(32)、第三反射鏡(33)以及第四反射鏡(34)均用球面鏡代替。
全文摘要
一種能同時(shí)壓縮光斑并提高分辨率的光路屬于光譜儀領(lǐng)域，其特征在于，由樣品光路和色散光路組成，樣品光路依次由光源1、第一平面反射鏡21、第一反射鏡31、樣品室4、第二反射鏡32、第二平面反射鏡22、以及狹縫5組成，色散光路由第三反射鏡33、光柵6、第四反射鏡34和探測器7依次組成，各個(gè)反射鏡均采用超環(huán)面鏡以壓縮光斑。色散光路采用三次余弦公式建立了主光線對(duì)作準(zhǔn)直物鏡用的第三反射鏡離軸角、主光線對(duì)作成像物鏡用的第四反射鏡離軸角、主光線對(duì)光柵的入射角和衍射角與所述第三反射鏡、第四反射鏡的子午方向曲率半徑的關(guān)系以減少像差，并自主提出了各個(gè)參數(shù)的選擇范圍。本發(fā)明在壓縮光斑的同時(shí)提高了光路的分辨率。
文檔編號(hào)G02B5/10GK102419205SQ201110235310
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月16日
發(fā)明者葉闖, 楊懷棟, 金國潘 申請(qǐng)人:清華大學(xué)