[發明專利]一種能同時壓縮光斑并提高分辨率的光路

有效

• 申請號: 201110235310.8
• 申請日: 2011-08-16
• 公開（公告）號: CN102419205A
• 公開（公告）日: 2012-04-18
• 發明（設計）人: 楊懷棟;葉闖;金國潘
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01J3/02
• 分類號: G01J3/02;G02B17/06;G02B5/10
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 樓艮基

技術領域

本發明涉及一種采用新型反射鏡——超環面鏡的光路，可以應用于光譜儀器領域。

背景技術

光能利用率和分辨率是評價光譜分析儀器性能的兩個重要指標，然而兩者存在一定矛盾性。光譜儀器光學模塊主要分為兩個重要部分模塊——樣品光路模塊和色散光路模塊，改善這兩個模塊的成像質量是提高光譜分析儀器性能的關鍵。

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，光源發出的光經超環面鏡4聚焦，再經平面反射鏡5轉折匯聚到原子化部8，將樣品的物化特性轉化為光學特性，經球面反射鏡9進行聚焦形成點光源在后續色散光路中進行光譜分析。超環面鏡俗稱輪胎鏡，是一種反射鏡，其有兩個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面鏡4，優點是可以改善原子化部8中的光斑質量，壓縮光斑以提高后續光路的光能利用率。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計參數擺放超環面鏡。同時該專利樣品光路部分仍有可以改進的地方，比如球面反射鏡9可以用超環面鏡替代以進一步壓縮光斑，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-特納結構，主要由入射狹縫18、準直物鏡40、光柵52、成像物鏡80、出射狹縫20組成，光從入射狹縫18進入結構，經準直物鏡40準直成平行光，經過光柵52分光入射至成像物鏡80，在出射狹縫20處出射。該專利使用超環面鏡作為準直物鏡40，優點是可以壓縮光斑，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計參數擺放超環面鏡。同時該色散光路仍有可以改進之處，比如成像物鏡80也可以采用超環面鏡以進一步壓縮光斑，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

sinβsinα=R22cos3βcos3iR12cos3αcos3θ]]>

計算得到主光線對準直物鏡離軸角α和成像物鏡離軸角β與主光線對光柵的入射角i和衍射角θ的關系，如附圖3所示，R₁和R₂分別是色散光路中準直物鏡和成像物鏡的曲率半徑，α和β分別是主光線對準直物鏡和成像物鏡的離軸角，i和θ分別是主光線對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計光線，離軸角是指入射光線或出射光線與反射鏡光軸的夾角。根據該公式設計參數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將光斑要縮成細長狀，如附圖8.1所示，這會使得探測器不能探測到全部的光斑，造成光能的浪費。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種結構簡單、成本低、工藝性好、同時提高分辨率和光能利用率的光路。

本發明能同時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：