[发明专利]单位放大倍率多光程光路像散补偿方法及其系统

说明书

技术领域

本发明属于一种单位放大倍率多光程光路(UMS光路，Unit-magnification Multi-pass System)的后续像散补偿光路结构，这个光路结构具有像散补偿功能，适用于光学检测系统中的单位放大倍率多光程光路的像散补偿，尤其适用于气体检测领域的光学腔。

背景技术

怀特光路(White光路)、改进型怀特光路(改进型White光路)、多光程矩阵系统(MMS：Multipass Matrix System)光路中都可应用光束发散角大的普通光源，这三类光路是多光程吸收光谱系统的首选，已广泛应用于痕量气体检测的系统。这些光路有同样的特点：主要由相等曲率半径R的球面镜组成，光路中的反射镜可以分成物镜和场镜，且物镜都是由球面镜相邻排放而成，场镜则是与物镜相隔约为R相向而放，输入孔径和输出孔径放置在场镜一边，因此输入孔径被物镜所成的所有像都在场镜的表面附近，放大率约为1∶1。具有这种特点的光路可以叫做单位放大倍率多光程光路(UMS光路，Unit-magnification Multi-pass System)。

UMS光路的结构和部分UMS光路的场镜、物镜正面视图如图1所示。其中，EA_In为输入孔径，EA_Out为输出孔径；C_i(i＝1，2，3)为物镜M_i的曲率中心；黑色小点是输入孔径的成像斑；FT为T形口径的场镜，FR为矩形口径的场镜，FP为直角反射镜或者棱镜。以图1中所示，图1-1是UMS光路的物镜和场镜的摆放位置。图1-2-1物镜与图1-3-1场镜构成一种White光路--BHWC光路(Bernstein-Herzberg White Cell，由Bernstein和Herzberg提出，将输入和输出孔径放置于物镜和场镜的曲率中心平面同侧，并且把场镜切割成“T”型)，如图2-1所示；图1-2-1物镜与图1-3-2场镜构成另一种White光路--PBWC光路(Pickett-Bradley WhiteCell，由Pickett和Bradley提出，将输入和输出孔径分别放置在曲率中心平面的两侧，场镜口径则是规则的矩形形状)，如图2-2所示；图1-2-1物镜与图1-3-3场镜构成改进型White光路，如图2-3所示；图2-4所示是另一种改进型White光路；图1-2-2物镜与图1-3-4场镜构成MMS光路，如图2-5所示。

在普通的UMS光路中，最重要的像差是使输出光斑弥散的球差、彗差和像散。以球面反射镜为例比较这三种像差，如图3，物点为P，y为物高，i为入射角，i′为反射角，u，u′分别为物方孔径角和像方孔径角，R为球面镜半径，l为物方截距，h是光线矢高(按照几何光学中符号规则的定义，沿轴线段如R，l，规定光线的传播方向自左向右为正方向，以反射面顶点O为原点，由顶点到光线到光轴的交点A，A′或球心C的方向和光线传播方向相同取正，相反时取负；垂轴线段，如光线矢高h，以光轴为基准，在光轴上方为正，在光轴下方为负；光线与光轴的夹角，如u，u′，用由光轴转向光线所形成的锐角度量，顺时针为正，逆时针为负，因此图中u，u′都为负，光线与法线的夹角，由光线以锐角方向转向法线为，顺时针为正，逆时针为负，因此图中i为负，i′为正)。当物点P偏移球面镜的曲率中心C时，考量三阶像差(初级像差)，第一、第二、第三塞德尔系数(Seidel系数，Seidel像差是指初级像差，分别是球差，彗差，像散，场曲，畸变)近似有：