專利名稱:全息光柵和裝有全息光柵的光學(xué)儀器的制作方法
本發(fā)明涉及全息光柵，它一般定義為具有由全息照相法或由記錄干涉條紋產(chǎn)生的細(xì)紋圖形的衍射光柵，上述干涉條紋是在覆在光柵襯底上的光敏材料上的兩束相干光束形成的，本發(fā)明還涉及安裝有上述全息光柵的光學(xué)儀器。
從發(fā)展全息光柵以來，對細(xì)紋圖形的形成已提出許多改進(jìn)方法。在使用凹面光柵的光譜儀領(lǐng)域中，已提出一些極好的圖形以避免由凹面光柵造成的象差。然而，通常的制造細(xì)紋圖形的技術(shù)是基于使用兩束球面?zhèn)鞑ス颤c光束之上的，它必然導(dǎo)致在光柵襯底上形成具有旋轉(zhuǎn)雙曲面的交叉軌跡，由于垂直方向的象差，高級象差沒有得到進(jìn)一步補(bǔ)償，因為基于雙曲圖形之上的傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)直接消除如球形或慧形這樣的初級象差。
考慮到具有等間距平行線的平面光柵。它沒有自身的象差，但是在用在光譜儀中，其中準(zhǔn)直儀器和測距儀大多為凹面鏡，這些固定在離軸狀態(tài)的凹面鏡會引起象差。為了克服系統(tǒng)象差，開始應(yīng)用具有非直線和/或非等間距的細(xì)紋圖形的全息照相。然而，使用共點球面光束的傳統(tǒng)技術(shù)不能有效地消除上述象差。
如前所述，在由全息照相在光柵襯底上形成細(xì)紋圖形的過程中，應(yīng)用了球面發(fā)散光束，它在聚會時不具有象散性。相反，本發(fā)明提出，在上述過程中，在用于記錄圖形的兩束相干光中的至少一束中，使用象散相干光束，它在由光柵中心和光束主光線路徑確定的平面內(nèi)和垂直于上述平面的平面內(nèi)具有兩個不同的焦點。例如，通過在其有由旋轉(zhuǎn)橢球確定的凹面的反射鏡反射共點球面光束而得到這種象散光束。
換句話說，本發(fā)明的全息光柵的特色為具有由兩束互相可干涉的光束(以后記為記錄光)的分界條紋而形成的細(xì)紋圖形，其中任一束或兩束記錄光是在主光徑方向上的垂直和水平平面內(nèi)具有兩個不同的焦點的象散光束。
本發(fā)明中所定義的象散光束將參考附圖A作進(jìn)一步解釋，其圖A中點光源(1a)發(fā)射由主光束確定的等角球面光束(共點光束)(2a)，經(jīng)凹面鏡(3a)反射后，光束轉(zhuǎn)換成象散光束，它的弧矢光線(4a)聚焦在弧矢(垂直的)焦點(記為②)，而子午光線(5a)聚焦在子午(水平的)聚點(記為
)，其中這兩個焦點在反射的主光路徑(6a)上分離或互不重合。
選擇何種象散光束用于一或兩束記錄光之中，進(jìn)一步確定在垂直和水平平面中引入多大的焦點差是根據(jù)設(shè)計中的要制造的目標(biāo)光柵的所需極限特性進(jìn)行選擇的。然而，本發(fā)明的各實施方案所具有的特色是，因為使用象散記錄光，在設(shè)計細(xì)紋圖形中的技術(shù)參數(shù)豐富了并增加了選擇的能力以克服未被補(bǔ)償?shù)南蟛畹某潭取?br>也就是說，具有等角球面波前的共點先由兩個參數(shù)確定，即，從點源到光柵襯底的距離和點光源對光柵襯底的入射角。相比之下，象散光束對于水平(子午)和垂直(弧矢)方向有雙軸聚焦性質(zhì)，可適合于補(bǔ)償光學(xué)儀器中的垂直方向上的象差。實際上，象散光束是靠球面鏡離軸反射而得到的，并根據(jù)點光源至反射鏡的距離反射鏡至光柵襯底的距離，點光源到反射鏡的入射角、點光源到光柵襯底的入射角及反射鏡的曲率等參數(shù)所確定的。利用這些新增加的參數(shù)可以補(bǔ)償光學(xué)儀器高階殘存象差。
基發(fā)明將根據(jù)附圖加以說明，本發(fā)明更進(jìn)一步的目的和它的優(yōu)點將在后面的說明中清楚地體現(xiàn)。
在附圖中圖1顯示了在本發(fā)明中如何產(chǎn)生象散光束。圖1顯示了用于記錄細(xì)紋圖形于光柵襯底之上的傳統(tǒng)的平面圖。
圖2顯示了用于將細(xì)紋圖形記錄在光柵襯底上的本發(fā)明的系統(tǒng)的平面圖。
圖3顯示了用于將細(xì)紋圖形記錄在光柵襯底上的另一發(fā)明系統(tǒng)的平面圖。
圖4描述了光譜儀中的光通道，顯示了包括光柵、入射光，和光譜的有效軌跡的位置的安排。
圖5描述了使用本發(fā)明光柵與傳統(tǒng)光柵的相比較的消除象差的結(jié)果。
圖6顯示了安裝本發(fā)明的光柵的光譜儀的平面圖。
圖7顯示了用于在光柵襯底上記錄細(xì)紋圖形的又一發(fā)明的系統(tǒng)的平面圖。
圖8顯示了用于在光柵襯底上記錄細(xì)紋圖形的另一發(fā)明的系統(tǒng)的平面圖。
圖9和圖10顯示了裝有發(fā)明的光柵的光譜儀的平面圖。
圖11顯示了用于在光柵襯底上記錄細(xì)紋圖形的另一發(fā)明的系統(tǒng)的平面圖。
圖12描述了關(guān)于發(fā)明的光柵與傳統(tǒng)的光柵消除象差對比試驗的其它結(jié)果。
圖13顯示了用于在光柵襯底上記錄細(xì)紋圖形的另一發(fā)明的系統(tǒng)的平面圖。
圖14顯示了安裝發(fā)明的光柵的光譜儀的平面圖。
為方便描述起見，將這些圖分組。具體地，圖1、2、3、4和5是第一組，圖6和7為第二組，圖8、9、10、11和12為第三組，圖13和圖14為第四組。
要說明的是所有的圖都是示意圖而非比例圖，但是這些圖用于對照解釋發(fā)明中有關(guān)的技術(shù)是很有用的，并且表現(xiàn)了具體方案的實施，然而，附圖不應(yīng)被認(rèn)作是對本發(fā)明的限制。
實施例1圖1顯示的是用傳統(tǒng)的技術(shù)產(chǎn)生光柵的過程或用傳統(tǒng)的技術(shù)在球面光柵上記錄細(xì)紋圖形的系統(tǒng)，其中1是覆有光敏材料的待制成衍射光柵的襯底，2、3是發(fā)射球面波相干激光的點源。如前所述，這個球面光束在襯底上記錄了由兩個雙曲面相交形成的邊界條紋。
所用激光波長為441.6毫微米(nm)，其它參數(shù)為rc＝0.9896，γ＝-4.764°rd＝0.9908，δ＝10.101°實施例2圖2顯示的是本發(fā)明產(chǎn)生細(xì)紋圖形的記錄系統(tǒng)，其中譜線的垂直軌跡與譜線的水平軌跡在它們的中途(圖4中標(biāo)記成“m”)相交叉或切割，其中4是凹封面光柵襯底，5是曲率半徑＝0.6132的球面反射鏡，6是水平半徑為0.6132、垂直半徑為0.5852的超環(huán)面反射鏡，7、8是發(fā)射共點光束的激光點。采用441.6毫微米的激光，其它記錄參數(shù)為Pc＝1.5819 qc＝0.5923 τc＝15，000°(度)PD＝1.5831 qD＝0.5923 τD＝15，000°γ＝-4.764°進(jìn)一步地，其中
和
表示由反射鏡5，6反射的激光束的水平和垂直焦點。焦點
和
的分開表明初始的共點光束通過在反射鏡5和6的反射變成了象散光束。
實施例3圖3顯示的是用于超環(huán)面(toroidal)光柵(注意，作為對比，前面圖2的是凹球面光柵的情形)的記錄系統(tǒng)，此光柵具有如圖4所示的基本相等的水平和垂直軌跡，它們的位置與圖2的方法中形成的光柵的水平軌跡重合。其中12是超環(huán)面光柵襯底，13是曲率半徑＝1.000的球面鏡，14，15是發(fā)射441.6毫微米球面光束的激光點源。其它參數(shù)為Pc＝1.9854 qc＝0.9957 τc＝5.288°rD＝0.9908 γ＝-4.764° δ＝10.134°進(jìn)一步地其中
和
表示由激光源14發(fā)出經(jīng)反射鏡13反射后的光束的水平和垂直焦點。
實施例4圖4用來顯示光譜儀中譜線軌跡的位置如何按凹面光柵(它是本發(fā)明或通常的)的不同而不同，其中21是入射狹縫，22是待測定的球面或超環(huán)面光柵，23是全息平面或陣列檢測器，它們應(yīng)該定位于能在350nm(λ1)至750nm(λ2)的波長范圍內(nèi)獲得與譜線軌跡的最小偏離的位置上。其它的參數(shù)為r＝0.9514，r6′＝0.9707r1′＝1.0035，r7′＝1.1101r2′＝1.0104，r8′＝1.0979r3′＝0.9953，α＝19.268°(度)r4′＝1.0092，β1＝-7.164°r5′＝1.0504，β2＝6.309°并且光柵的水平曲率半徑(在超環(huán)面的情況下為近似值)為1.000。
在此要注意的是圖4中的三條虛線表示水平和垂直聚焦曲線，其中圖1、2和3的光柵的三條水平曲線互相重合，圖3的一條垂直曲線也重合在其上，圖1和圖2的垂直曲線則是分開的。
實施例5這個實施例是用來表示使用本發(fā)明的光柵和傳統(tǒng)的光柵在消除象差方面的比較結(jié)果。
圖5顯示了使用圖4所示光譜儀進(jìn)行實驗所觀察到的象差的程度，其中具有不同波長的單色光由入射狹縫的中心引入，并在圖4標(biāo)注的像平面位置上接收，其中所用光柵為同圖1(傳統(tǒng)的)、圖2(發(fā)明例1的)和圖3(發(fā)明例Ⅱ的)所示的不同記錄系統(tǒng)制造的光柵具有相同曲率半徑(＝200毫米)和相同面積(40×40平方毫米)。
所以，序列(a)的圖對應(yīng)于圖1的光柵所得的結(jié)果，序列(b)對應(yīng)于圖2的結(jié)果，同樣地，序列(c)對應(yīng)于圖3的結(jié)果，其中在使用本發(fā)明的序列(b)和(c)中觀察到的結(jié)果在消除垂直像差方面明顯優(yōu)越于使用傳統(tǒng)的方法的結(jié)果序列(a)。
在上面涉及的形成光柵的方法中，將共點的光轉(zhuǎn)變成用于記錄的發(fā)散波是由離軸狀態(tài)的超環(huán)面鏡或球面鏡實現(xiàn)的，但是亦可采用其它的類似反射鏡，象物圓柱面、橢球面反射鏡和超環(huán)面、球面或圓柱面透鏡，也可采用一面覆有金屬的光學(xué)元件。
第2組實施例6圖6顯示的是裝有本發(fā)明的平面光柵的光譜儀，其中31是入射狹縫，32是凹面鏡，33是本發(fā)明的光柵，34是出射狹縫，其中的這些元件假定定位于從300至900毫微米的波長范圍內(nèi)與水平焦點具有最小偏差的位置上，進(jìn)一步地其中假定凹面鏡32的曲率半徑＝1.000，光柵33的光柵常數(shù)＝1/1200毫米，它的使用級數(shù)為第一級，其它參數(shù)為r＝0.7755 D＝0.6204 r′＝0.7064Q＝10°(度) 2K＝20°實施例7
圖7顯示的是制造發(fā)明的平面光柵的記錄系統(tǒng)，其中44是平面光柵襯底，40、41是記錄光束源，42是半徑為1.000的球面鏡，42是水平曲率半徑為1.000和其垂直半徑為0.9388的超環(huán)面鏡。使用波長為441.6毫微米的激光，其它特別參數(shù)為Pc＝1.9724 qc＝0.9767 τc＝5.121°PD＝2.0799 qD＝0.9879 τD＝4.956°γ＝33.438° δ＝1.210°進(jìn)一步地，兩對
和
點代表由與前面所示相同功能的反射鏡42、43產(chǎn)生的水平和垂直焦點。
在這個實施方案中，兩個反射鏡21、23是凹面的，但是這不是必要條件。另外，在任一位置上使用凹面鏡也是可接受的，而且光柵襯底可用圓柱而代替平面。
第3組實施例8這個實施例涉及參考圖8所示的方法產(chǎn)生本發(fā)明的平面光柵，和使用圖8所示方法的Czerny-Turner(澤爾尼-特納)結(jié)構(gòu)分光法(圖9)。
在圖8的情形中，兩個通過將同一激光束(未顯示)分開并聚焦而得到的記錄光束52、53在光柵襯底81上干涉，其中在它們的傳播路徑上這兩束光分別在凹面鏡54、55上反射變成非球面光。
在圖9的系統(tǒng)中，使用以下參數(shù)波長為300毫微米至800毫微米，在光柵56中心處的光柵常數(shù)為1/16000毫米，而準(zhǔn)直器58假定為具有單位曲率半徑長度的球面鏡。
與圖8或制造光柵有關(guān)的其它參數(shù)為記錄激光源波長為441.6毫微米，曝光參數(shù)為Pc＝0.9898 Pd＝0.9896qc＝0.3915 qd＝0.3907τc＝1.438° τd＝1.564°反射鏡54、55的曲率半徑(R4、R5)相等，R4＝R5＝1.000。
與圖9或分光系統(tǒng)有關(guān)的其它參數(shù)為r＝0.4298，D′＝0.4325，r＝0.4977，D＝0.4298，D′＝0.4325，r′＝0.4925，θ＝5.53°，K＝29.12°，θ′＝13.44°使用級數(shù)m＝-1，照相反射鏡59的曲率半徑(R9)為R9＝1.013。所以，Pc，qd和凹面鏡54、55的曲率半徑等于或接近于準(zhǔn)直器58的曲率半徑。
實施例9這個實施例涉及使用本發(fā)明的凹面光柵的Seya-Namika結(jié)構(gòu)分光法，上述凹面光柵的制造在圖11中顯示。圖12顯示了采用本發(fā)明和傳統(tǒng)的光柵象差估計。
在這個實施方案中制造并應(yīng)用的凹面光柵是曲率半徑為50毫米的球面，在光柵中心的柵距為600線/毫米。圖10顯示了包括此光柵的分光系統(tǒng)，其中66為入射狹縫，67為出射狹縫，由入射狹縫66至光柵60的中心65的距離(r)為r＝409.8374毫米，由光柵中心65至出射狹縫67的距離(r′)為r′＝410.8190毫米，入射狹縫和出射狹縫間相對光柵中心65的夾角(θ)為θ＝69.7083°，使用的波長為100至700毫微米。
圖11顯示了用于在制造光柵60時記錄細(xì)紋圖形的安排，其中61為曲率半徑＝500毫微米的凹球面襯底，隨后假定位于光柵中心65的法線(N)和通過法線N的平面，點光源62在該平面上，由距離r＝1999.4毫米和與法線N成α＝47.7°角確定，并假定相對于點62在線N的另一側(cè)β＝11°角的線上有另一個點，距離為r′＝871.4毫米，凹球面反射鏡63安成使鏡的中心68位于前面所述的另一個點上，另一個點光源64位于角度兩倍于直線65至68和反射鏡中心68處的法線的夾角(γ)的線上，以在中心68(2γ＝16.4°)上構(gòu)成反射，光源離開中心68的距離P＝20.49毫米。所用記錄光為波長是457.93毫微米的激光。
圖12是在計算的基礎(chǔ)上以曲線圖的形式記錄的象差比較的結(jié)果，它們是在用圖10的分光法檢測了由本發(fā)明的光柵(沒有進(jìn)一步的校正)和經(jīng)差校正后的光柵產(chǎn)生的。
第4組實施例10
這個實施方案涉及參考圖13所示的方法制造本發(fā)明的平面光柵，和使用圖13所示方法制造的光柵的Litrrow(利特羅)結(jié)構(gòu)分光法(圖14)。
圖13中，71為平面光柵襯底，72和73為記錄光源，它們通過對同一束激光(未顯示)進(jìn)行分光而得到，將這兩束來自源72，73的球面擴(kuò)散的光束用凹面鏡74、75反射以形成非球面光，并在襯底71上產(chǎn)生干涉條紋。
用于圖14的Litrrow結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的參數(shù)為波長是200毫微米至800毫微米，位于光柵71的中心的光柵常數(shù)為1/1800毫米，準(zhǔn)直器78假定具有單位曲率半徑長度。
制造圖13所示光柵的特殊參數(shù)為使用的激光波長為441.6毫微米。
Pc＝0.3986 Pd＝0.3912qc＝0.8710 qd＝0.8708τc＝6.188° τd＝13.545°兩個凹面反射鏡74、75曲率半徑分別為R4、R5，R4＝R5＝1.000。
圖14的系統(tǒng)的參數(shù)為r＝0.4988，D＝0.4078D′＝0.4093，γ＝0.4973，θ＝4.290° 2K＝2.405°，θ′＝5.709°;使用級數(shù)為-1，準(zhǔn)直器78曲率半徑R8，R8＝1.000。所以，qc，qd和凹面鏡74、75的曲率半徑等于或接近于準(zhǔn)直器78的曲率半徑。
在圖13的例子中，兩個凹面反射鏡用來分別反射來自光源72和73的光，但在類似的記錄系統(tǒng)中，兩個凹面反射鏡并不總是必要的，在本發(fā)明中可接受只用任一反射鏡的情況。另外，光柵襯底可用圓柱或圓球面代替平面。
如前所述，那些熟悉本技術(shù)的人可在不背離本發(fā)明的精神的前提下可將不同的替換和改進(jìn)引入本發(fā)明，進(jìn)一步舉例來說，前面所述的光譜儀可以為分光光度計，但這種情況也包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.具有由兩束相干光干涉產(chǎn)生的細(xì)紋圖形的全息光柵，其中任一或兩個光束都是象散性的，并在由光柵中心和光束傳播的主光線路徑所確定的平面內(nèi)和垂直于上述平面的平面內(nèi)具兩個不同的焦距。
2.安裝有權(quán)利要求
1的全息光柵的光學(xué)儀器。
專利摘要
用全息法為衍射光柵制作細(xì)紋圖形，通過使用一或兩束象散相干記錄光束獲得獨特的細(xì)紋圖形，以代替只使用共點光束的方法，而且在制造全息光柵時使用的記錄光的象散性會在設(shè)計細(xì)紋圖形中帶來更多可以利用的參數(shù)，據(jù)此可在光柵襯底上形成非雙曲曲線類型的新軌跡，從而在各種光學(xué)儀器中能夠消除那些通常難以消除的象差。
文檔編號G02B5/32GK87100754SQ87100754
公開日1988年8月31日 申請日期1987年2月20日
發(fā)明者小池雅人, 野田英行 申請人:株式會社島津制作所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan