凹面衍射光栅

凹面反射光栅可以被建模为分散的凹面镜;它可以被认为是通过其孔来反射和聚焦光，并通过其凹槽图案来分散光。凹槽图案还可以有助于像差减少的凹面光栅聚焦。

自从Henry Rowland在一百多年前发明凹面衍射光栅以来，凹面衍射光栅在光谱分析中发挥了重要作用。与平面光栅相比，它们提供了一个重要的优点：它们为光栅提供了聚焦(成像)特性，否则必须由单独的光学元件提供。对于低于110nm的光谱，对于可用反射镜涂层的反射率较低的光谱，凹光栅允许没有聚焦反射镜的系统，这种系统将使通量降低两个或更多个数量级。

已经设计了许多用于凹面光谱仪的结构。有些是罗兰圆的变体，而有些则将光谱放在平坦的场上，这更适合于电荷耦合器件(CCD)阵列仪器。Seya Namioka凹光栅单色仪特别适合通过绕其自身轴旋转光栅来扫描光谱。

光栅类型的分类

凹入光栅系统的成像特性由入射和出射光学器件的尺寸、位置和取向、由光栅引起的像差、以及由光栅引起的衍射，以及系统中任何辅助光学器件引起的像差来控制。衍射光栅本身的成像特性完全由其衬底的形状(其曲率或图形)以及凹槽的间距和曲率(其凹槽图案)决定。光栅根据其凹槽图案和衬底曲率进行分类。

凹槽图案

经典光栅是指其凹槽在投影到切平面上时形成一组等距直线的光栅。直到20世纪80年代，绝大多数光栅都是经典的，因为任何偏离均匀间距、凹槽平行度或凹槽直线度的情况都被认为是缺陷。传统光栅通常通过机械刻划和干涉(全息)记录来制作。

第一代全息光栅的凹槽由共聚焦双曲面族(或椭球体)与光栅基底的相交形成。当投影到切平面上时，这些凹槽的间距和曲率都不相等。第一代全息光栅是通过将主光栅记录在由两组球面波前产生的场中而形成的，每一组球面波前可以从点源发出或聚焦到虚拟点。

第二代全息光栅使来自其点源的光被凹面镜反射(或透射通过透镜)，使得记录波前是环形的。

可变线空间(VLS)光栅是这样一种光栅，其凹槽在投影到切平面上时形成一组平行直线，其间距因凹槽而异。改变光栅表面上的凹槽间距会移动切向聚焦曲线，而保持凹槽平直和平行会保持矢状聚焦曲线固定。

基板(空白)形状

凹面光栅是指其表面是凹面的光栅，无论其凹槽图案或轮廓如何，也无论其使用的底座如何。例如，球形基底(其表面是球体的一部分，可通过一个半径定义)和环形基底(可通过两个半径限定)。球形基底是迄今为止最常见的凹形基底类型，因为它们易于制造和公差，并且可以直接复制。环形基底更难对齐、公差和复制，但像散通常比使用球形基底更容易校正。也可以使用更通用的基底形状，如椭球形或抛物面基底，但公差和复制复杂性使这些光栅表面脱离主流。此外，使用其表面比环面的表面更通用的非球面基底，对于两个最低阶像差(离焦和像散;)没有提供任何额外的设计自由度;因此，在商业仪器中，由于非球面衬底而改进的成像值得付出成本的情况非常少。

凹光栅的形状(仅考虑球体和环面)可以通过其半径或曲率来表征。衬底切片在主(色散)平面中的半径称为切向半径R，而在平行于光栅中心凹槽的平面中的径向半径称为矢状半径p。等效地，我们可以定义切向曲率1/R和矢状曲率1/p。对于球形基底，R=p。

平面光栅是指表面是平面的光栅。虽然平面光栅可以被认为是凹光栅的一种特殊情况(基板的曲率半径变为无穷大)，平面光栅的情况可以简单地通过让R(和p)。

审核编辑 黄宇