[發(fā)明專利]一種線性色散組合棱鏡分光器件

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510145496.6
• 申請(qǐng)日: 2015-03-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104808346B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-08-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何志平;楊秋杰;舒嶸
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號(hào): G02B27/10
• 分類號(hào): G02B27/10;G02B5/04
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司31213
• 代理人: 郭英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種棱鏡分光器件，具體涉及一種線性色散組合棱鏡分光器件，它是兩塊特殊選材、側(cè)面鍍膜的棱鏡按照“底面相貼，鍍膜面相對(duì)”方式組合而成的組合棱鏡，適用于光譜檢測(cè)、分析等相關(guān)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

首先必須明確這樣一個(gè)概念，材料的色散是由于其折射率為波長(zhǎng)的函數(shù)所引起的。當(dāng)材料的折射率是波長(zhǎng)的一次函數(shù)時(shí)，材料具有線性色散特性；當(dāng)材料的折射率是波長(zhǎng)的高次函數(shù)時(shí)，材料具有非線性色散特性。棱鏡的色散特性由光線經(jīng)棱鏡出射后偏折角隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系表征，若偏折角是波長(zhǎng)的一次函數(shù)，則棱鏡線性色散，若偏折角是波長(zhǎng)的高次函數(shù)，則棱鏡非線性色散。

三角棱鏡作為最常用的分光器件具有自由光譜范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通光量大、能量利用率高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于攝譜儀、分光光譜儀等儀器中。棱鏡作為分光器件也很早被用于衛(wèi)星載荷，例如意大利航天局的PRISMA、機(jī)載成像光譜儀APEX等^【1】。

三角棱鏡的角色散率表達(dá)式如(1)式所示，式中α表示三角棱鏡的頂角，θ表示出射光線的偏折角，n表示材料的折射率，三角棱鏡的角色散率取決于棱鏡材料的折射率和三角棱鏡的頂角。

介質(zhì)折射率隨波長(zhǎng)的增加而減小的關(guān)系稱為正常色散，文獻(xiàn)中描述材料的色散常數(shù)公式如(2)式所示^【2】，其中n代表材料的折射率，λ代表波長(zhǎng)，A、B、C、D是常數(shù)。

材料的折射率是波長(zhǎng)的高次函數(shù)，導(dǎo)致(1)式所決定的棱鏡角色散率亦是波長(zhǎng)的高次函數(shù)。因此，三角棱鏡在成像光學(xué)系統(tǒng)中會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)色差，降低系統(tǒng)的分辨率。PRISMA和APEX光譜儀中，棱鏡分光的后光路都采用復(fù)雜的透鏡組以校正非線性色散帶來(lái)的色差。

為了克服傳統(tǒng)棱鏡色散非線性的缺陷，20世紀(jì)90年代，提出使用改進(jìn)的Fery棱鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)棱鏡。文獻(xiàn)^【3】詳細(xì)分析了Fery棱鏡的色散特性，其角色散率取決于材料的折射率和光線在球面入射點(diǎn)及出射點(diǎn)處切線的夾角。中國(guó)科學(xué)院光電研究院、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)與精密機(jī)械研究所、蘇州大學(xué)等單位對(duì)Fery棱鏡的分光特性都做了深入的研究^【4,5】，理論上，通過(guò)控制入射光線的角度，可以用兩個(gè)曲面校正棱鏡的非線性色散。但根據(jù)相關(guān)單位的研究結(jié)果，F(xiàn)ery棱鏡僅在理論上能實(shí)現(xiàn)線性分光。中科院光電研究院2012年研制的基于曲面Fery棱鏡的寬視場(chǎng)推帚式高光譜成像儀，采用Fery棱鏡和Offner中繼結(jié)構(gòu)相結(jié)合的成像設(shè)計(jì)，其在可見(jiàn)短波范圍的分辨率也僅僅達(dá)到了25nm^【6】，反映了Fery棱鏡的非線性色散依然嚴(yán)重。

第二種克服棱鏡色散非線性缺陷的方法是設(shè)計(jì)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，目前已經(jīng)成型了較為成熟的設(shè)計(jì)方案——離軸全球面成像光學(xué)系統(tǒng)(OASIS)，文獻(xiàn)^【7】對(duì)OASIS系統(tǒng)做了詳細(xì)的分析。上海技術(shù)物理研究所為“天宮一號(hào)”研制的空間遙感短波紅外成像光譜儀采用了OASIS系統(tǒng)，雖然運(yùn)用了復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)平均光譜分辨率僅僅達(dá)到了24nm^【8】，反映了OASIS系統(tǒng)色散的非線性缺陷依然沒(méi)有得到較好改善。

上述三種現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一、對(duì)三角棱鏡而言，材料的折射率隨波長(zhǎng)的非線性變化致使三角棱鏡的角色散率呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性，短波(400nm)部分的角色散率是長(zhǎng)波(1000nm)部分角色散率的幾十倍到數(shù)百倍；二、Fery棱鏡在理論上可以實(shí)現(xiàn)線性色散，但在實(shí)際中Fery棱鏡短波部分(400nm)的角色散率是長(zhǎng)波(1000nm)部分角色散率的10倍以上，此外Fery棱鏡的分光效果受制于加工精度，實(shí)際加工難度大，關(guān)鍵參數(shù)難于控制；三、對(duì)于校正棱鏡非線性色散的OASIS系統(tǒng)，運(yùn)用離軸系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)加工的難度和成本，增加了系統(tǒng)裝調(diào)的難度，同時(shí)系統(tǒng)的非線性色散依然嚴(yán)重。

以上所涉及的參考文獻(xiàn)如下：

【1】魏儒義,“時(shí)間調(diào)制傅里葉變換紅外光譜成像技術(shù)與應(yīng)用研究”.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)碩士學(xué)位論文,2013.05

【2】Michael Bass,Casimer Docusatis,Jay Enoch等，Hand book of optics(the fourth edition),America:McGraw-Hill professional,2009