零像散宽波段平场全息凹面光栅的优化设计

进行快速金 光谱 分析＿］ 随着 Ｃ Ｄ技术 的快速发展 和 日 １。 。 Ｃ 益
成熟 ，平场全息 凹面光栅 的应用领域迅速 拓展并逐 渐显示 出
线 与像 面拟合 。 实际上 ， 这是 一种特殊 情况 ， 在光栅参 量满 足特定条 件时平场弧矢 焦线 可以是穿 过光 栅曲率中心的任意
一
其独特 的巨大优 势＿ 。目前 ， 场全 息 凹面光栅 光谱 仪正 ４ ］ 平
条 直线 。
鉴 于此 ， 本文提 出一种基 于平场弧矢焦线 约束条件 的平 场全 息凹面光栅设 计方法 ， 并运用此方法设计 一个微小型平 场光谱仪用零像散 宽波段平 场全息凹面光栅 。利用光学设计
软件 Ｚ ＭＡ Ｅ Ｘ对设计结果进行模拟分析 ， 与现有常规设计 并 方法进行对 比。
１ ０ ３ ３０３
摘
要 平 场全息凹面光栅的理想像 面应为 一平面 ，此 时子午焦 线与 弧矢 焦线均 位于像 面 内且 彼此重 合 ，
形 成接 近理想像点的光谱像 。 子午焦线总是存在 弯 曲， 但 只有弧 矢焦线 在满足一 定条件 的情况下 可 以成 为 直线 。鉴于此 ， 出一 种满 足平场弧矢焦线条件 的平场全息 凹面光栅设计方法 。利用光学设 计软件 Ｚ ＭＡ 提 Ｅ Ｘ 研 究了运用此方法设计的零像散光栅 的成像特性 ， 并与原有设计方法得到 的结果进行 比较 。 模拟结 果显示 ，
基金项 目：国家 自然科 学 基金 项 目（ ０ ７ ０ ４ ，国 家“ ６４８３ ） 十一 五 ” 技支 撑 计划 重 大项 目（ ０ ６ Ａ Ｏ Ａ ２ 和 吉林 省科 技 发展 计 划项 目 科 ２０Ｂ Ｋ ３ ０ ）
（０ ７ ５ ３ ０ ８ ０ ３资助 ２ Ｏ Ｏ ２ ，２ ０ ６ １ ）
Leabharlann Baidu
零 像 散 宽 波段 平场 全 息 凹面 光栅 的优 化设 计
孔 鹏 ， 玉 国 ，巴音贺希格ｈ ，李文昊 ， 唐 崔锦江。
１ ．中国科学 院长春光学精密机械与物理研究所 ， 吉林 长春
２ ．中国科学 院研究生 院，北京 １ ０ ４ ００９ ３ ．中国科学 院苏州生物医学工程技术研究所 ， 江苏 苏州 ２ ５ ６ １１３
光谱学与光谱 分析
Ｒ
Ｒ
第 ３ 卷 ２
（） ７
…
光线 Ｃ 和 ＤＯ长度分别为 ｒ ，ｒ ，与 ｘ轴夹 角分别为 ｙ和 Ｏ Ｃ Ｄ
满 足平 场弧矢焦线条件的光栅能够达到与原有方法所设计 光栅相 当的光谱 分辨率 ，而其 全波段零像 散特性
使其拥 有更 加出色的弧矢方 向聚焦性能 ， 显著提高平场光谱仪的信噪 比。
关键 词 衍 射光 栅 ； 全息 凹面光栅 ； 平场 ；像差 弧矢焦线 ；子午焦线 中图分 类号 ： ３ ． ０４ ６ １ 文献标识码 ：Ａ Ｄ ： ０ ３ ６ ／．ｓｎ １０ —５ ３ ２ １ ）２０ ６—５ ＯＩ １ ． ９４ ｊｉｓ． ０ ００ ９ （０ ２ ０—５ ５０ 矢焦线所 在平 面 ，然 后对 子 午焦 线 进行 优 化拟 合 。但 文献
作者简 介： 孔
鹏 ， ９１ １８ 年生 ，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博 士研究生
ｅｍａｌ ａｉ８ ８ ｉａ ｃｒ － ｉ ｙｎ ８ ＠ｓ ．ｏ ：ｂ ｎ ｎ
ｅ ｉ ｋ ｎ ｄ ｐｎ ＠ｙｈ ｏ ｃｍ ｃ － ｌ ｏ ｇ ａ ｅ ｇ ａｏ ．ｏ ． ａ ｍａ ：
＊通讯联系人
５６ ６
向着微小型 化、宽波段 、高分辨等方向发展 。 平场全 息凹面光栅的理想像面应为平 面 ，即子午焦线 与 弧矢焦线均位 于同一 平面内且 彼此重合 。 由于各种 像差 的 但 存在 ，子午焦线总呈现为 曲线 ，只能通 过减小像 差来 降低子 午焦线 的弯 曲程度 。其优 化设 计方 法 主要有 两 种 ，一种 基于全息 凹面光 栅几何理论 ， 通过校正几何 像差来 压缩像面
收稿 日期 ： ０ １０ —８ 修订 日期 ：２ １— ６２ ２ １—３１ 。 ０ １０ —８
轴 ，垂直刻线方 向为 Ｙ轴 ，沿刻线方 向为 ｚ轴 。狭缝 中心点 Ａ及其像点 Ｂ、记 录点 Ｃ和 Ｄ 均位 于子午 面 ｘ ｙ内 ， ｘ ｏ Ｐ（ ， Ｙ ） ，２ 为光栅 上任一点 。由 ｃ和 Ｄ 发 出的记 录光 束的 中心 主
第３卷 ， ２ ２ 第 期
２０ １２ 年 ２ 月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃｒ １Ａｎ ｌｓｓ ｐ ｃｒ ｓｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅｔａ ａｙ ｉ
Ｖｏ ． ２ Ｎｏ ２ ｐ ５ ５ ５ ９ １３ ， ． ，ｐ ６ —６ Ｆｅ ｒ ａｙ ０ ２ ｂ ｕ ｒ ，２ １
上光 谱 像 的大小 ＿ ； 一 种 基 于光 学 设 计 软件 如 Ｚ Ｍ— ９ 另 Ｅ Ａ １ 和 Ｃ Ｅ Ｖ 等 ，由点 列 图评 价像 质 然 后逐 步 优 化逼 Ｘ［］ ＯＤ
近 。 两种 方法都是将子午焦线与弧矢焦线 优化拟合 至预先 这
１ 平 场弧矢焦线
图 １为平 场全息 凹面光栅制作 结构与使用结 构示 意 图。
引 言
平场全 息凹面光栅是将所有波长的光谱成像在一个平面 附近 ， 而可以利用 Ｃ Ｄ等平面探测器进行接收 ， 进 Ｃ 从而能够
［］ ８ 没有给出具体的优 化求解方 法 与设 计结 果 。文献 ［ ３ 给 １］ 出一种通 过拟合子午焦线与平场弧矢焦线 对平 场全息 凹面光 栅进行优化 的方法 ： 令过光栅 曲率 中心并垂直 于光栅法线 的 平面 为像 面（ 实际上是平场弧矢焦线所在 的平 面） ，将子午焦
以光栅 中心点 Ｏ为原点建立直角 坐标 系 ， 光栅法线 方向为
假定的像平 面 ， 达到最佳 的子午与弧矢方 向的聚焦性能。
文献Ｅ］ ８在研究了平场全息 凹面光栅 的像差特性后 发现 ，
在光栅结构参量 满足一定 约束 条件时弧矢焦线可以满足平场 化条件 ， 据此特性提 出以下设计 构想 ：将像 面置于 平场弧 并