CN108180990A - 基于分束窗结构的微小型分束器 - Google Patents
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Abstract
基于分束窗结构的微小型分束器，涉及光谱探测与光谱分析技术领域中的一种光学分束器件，具体涉及一种基于分束窗结构的微小型分束器。解决现有分束器体积、重量大，无法满足仪器微小型化应用需求的问题。由栅棱、分束窗和分束膜组成，栅棱对分束器进行空间分割形成分束窗阵列，分束膜位于分束窗上表面或分束窗和栅棱的上表面，栅棱对分束膜起支撑作用；栅棱横向宽度与纵向宽度相同或不同，分束窗横向宽度与纵向宽度相同或不同，分束窗在横向和纵向的占空比相同；栅棱宽度范围为1nm‑100cm，分束窗宽度范围为1nm‑100cm；栅棱厚度范围为1nm‑10cm，分束窗厚度范围为1nm‑10cm；栅棱的剖面结构为单面矩形、单面平行四边形、单面梯形、双面矩形、双面平行四边形或双面梯形。
Description
技术领域
本发明涉及光谱探测与光谱分析技术领域中的一种光学分束器件，具体涉及一种基于分束窗结构的微小型分束器。
背景技术
分束器是光学系统中广泛应用的一种光学器件，该器件将入射光按比例进行反射和折射，也是干涉光谱测量仪器中的核心元件之一。干涉光谱技术在近半个世纪以来取得巨大突破并得到迅速发展，具有灵敏度高、波数准确、重复性好等优点。该技术根据未知物光谱中吸收峰的强度、位置和形状，可以确定未知物分子中包含有哪些基团，进而推断未知物的结构组成。以傅里叶变换光谱仪为例，它具有多通道、高通量、高精度和杂散光低等优点，具有十分明显的应用优势。目前研究比较广泛的傅里叶变换光谱仪分为时间调制型和空间调制型，时间调制型采用动镜扫描结构，高精度的动镜驱动系统增加了仪器的体积和重量，对其便携式应用产生了一定的限制。而空间调制型不含可动部件，在可靠性和稳定性方面具有优势。近年来，随着如资源勘探、环境监控、气象监测、生命科学等领域的科学研究和工程应用的快速发展，对于微小型化、轻量化、高性价比、可进行便携式探测和在线分析的光谱仪器提出了十分迫切的使用需求。而传统的分束器是由具有一定厚度的整片分束镜和补偿板构成，或采用光学材料胶合而成的立方体结构，在体积和重量方面均限制了仪器的微型化和轻型化。本发明提出了具有基于分束窗结构的微小型分束器及其制作方法，由栅棱支撑分束窗，并且当分束窗低于一定厚度时，可以省略补偿板，简化了分束结构，从而实现分束器的微型化和轻量化。进而大大降低仪器的体积和重量。
发明内容
本发明为解决现有分束器体积、重量大，无法满足仪器微小型化应用需求的问题，提出一种基于分束窗结构的微小型分束器。
基于分束窗结构的微小型分束器，由栅棱、分束窗和分束膜组成，所述栅棱对分束器进行空间分割形成分束窗阵列，分束膜位于分束窗上表面或分束窗和栅棱的上表面，栅棱对分束膜起支撑作用；栅棱横向宽度与纵向宽度相同或不同，分束窗横向宽度与纵向宽度相同或不同，分束窗在横向和纵向的占空比相同；所述栅棱宽度范围为1nm-100cm，分束窗宽度范围为1nm-100cm；栅棱厚度范围为1nm-10cm，分束窗厚度范围为1nm-10cm；所述栅棱的剖面结构为单面矩形、单面平行四边形、单面梯形、双面矩形、双面平行四边形或双面梯形，也可以为弧形或其它形状。
本发明的有益效果：本发明所述的基于分束窗结构的微小型分束器，是一种以利用栅棱结构支撑分束窗，实现入射光按一定比例分束的微小型光学元件。本分束器与现有的正方体分束器，以及片状分束器相比，具有体积小，重量轻，分束窗厚度低等优点，还可在一定条件下省略分束板，使仪器结构更加简化。因此该基于栅网结构的轻型分束器具有微小型化、轻量化、低成本等优点，在光谱探测与光谱分析等诸多领域具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明所述的基于分束窗结构的微小型分束器的府视图；
图2为十种栅网分束器的水平与垂直栅棱结构示意图，同一行的两个图分别表示同一轻型分束器的主视剖面图和左视剖面图，每一行的两图位置可以进行互换。其中左侧部分的图2a、图2c、图2e、图2g、图2i、图2k、图2m、图2o、图2q和图2s为十种栅网分束器的主视剖面图；右侧部分的图2b、图2d、图2f、图2h、图2j、图2l、图2n、图2p、图2r和图2t分别为对应主视剖面图的左视剖面图；
图3中图3a至图3f分别为双面栅棱剖面形状示意图；
图4为栅条分束器结构的俯视图；
图5为十种栅条分束器的水平与垂直栅棱结构示意图，其中左侧部分的图5a、图5c、图5e、图5g、图5i、图5k、图5m、图5o、图5q和图5s为十种栅条分束器的主视剖面图；右侧部分的图5b、图5d、图5f、图5h、图5j、图5l、图5n、图5p、图5r和图5t分别为对应主视剖面图的左视剖面图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，基于分束窗结构的微小型分束器，包括栅网分束器和栅条分束器，所述栅网分束器和栅条分束器均由栅棱、分束窗和分束膜组成，所述栅棱1对分束器进行空间分割形成分束窗2阵列，分束膜位于分束窗2上表面或分束窗2和栅棱1的上表面，用于将入射光束按所需比例分成折射和反射两束光。栅棱1对分束膜起支撑作用，以保证分束窗结构具有良好的面型。所述栅网分束器中的栅棱在横向的宽度是其纵向宽度的倍，或其它倍数，分束窗在横向的宽度是其纵向宽度的倍，或其它倍数；分束窗在横向和纵向的占空比相同；由于分束窗的尺寸决定了系统的光通量，因此分束窗的面积远远大于栅棱的面积。所述栅网分束器和栅条分束器中的栅棱宽度范围为1nm-100cm，分束窗宽度范围为1nm-100cm；栅棱厚度范围为1nm-10cm，分束窗厚度范围为1nm-10cm；所述栅棱的剖面结构为单面矩形、单面平行四边形、单面梯形、单面弧形、双面矩形、双面平行四边形、双面梯形或双面弧形。
结合图1说明本实施方式，栅网分束器两个不同方向的网格个数分别为P和Q，P＝Q或P≠Q；P方向栅网周期为a’+b’，a’为P方向单个棱宽，b’为P方向单个分束窗宽度。其中a’2＝a’3＝…＝a’P；a’1与a’(P+1)可以与其它栅棱相同，也可以不同；b’1＝b’2＝…＝b’P。栅网分束器P方向总长度：Lp＝a’1+b’1+a’2+b’2+…+a’P+b’P+a’(P+1)。
Q方向栅网周期为c’+d’，c’为Q方向单个棱宽，d’为Q方向单个分束窗宽度。其中c’2＝c’3＝…＝c’q；c’1与c’(Q+1)可以与其它栅棱相同，也可以不同；d’1＝d’2＝…＝d’Q。栅网分束器Q方向总长度：LQ＝c’1+d’1+c’2+d’2+…+c’Q+d’Q+c’(Q+1)。
栅网分束器棱宽度a’、c’范围为1nm-100cm，分束窗宽度宽度b’、d’范围为1nm-100cm；栅网分束器棱厚度范围为1nm-10cm，分束窗厚度范围为1nm-10cm。可以根据具体参数选择加补偿板或者不加，补偿板的结构和材料可以与分束器相同，也可以不同。
本实施方式中，可以选择栅网分束器或栅条分束器中的栅棱宽度为1μm-10μm，分束窗的宽度为100μm-2000μm，栅棱厚度为100μm-500μm，分束窗的厚度为10μm-100μm；也可以栅棱宽度为0.5μm-2μm，分束窗的宽度为50μm-250μm，栅棱厚度为20μm-50μm，分束窗的厚度为100nm-10μm；还可以选择栅棱宽度为50μm-1000μm，分束窗的宽度为1000μm-10000μm，栅棱厚度为500μm-3000μm，分束窗的厚度为200μm-1000μm。根据不同的使用要求对应改变栅棱的宽度值、栅棱的厚度值、分束窗的宽度值以及分束窗的厚度值。
图2中的十种栅网分束器的形状，栅网分束器的分束窗与栅棱为同质结构或异质结构，图2a、2b，图2e、2f，图2i、2j，图2m、2n，图2q、2r的分束窗与栅棱为同质结构或异质结构；图2c、2d，图2g、2h，图2k、2l，图2o、2p，图2s、2t，的分束窗与栅棱为同质结构。栅网分束器结构中，栅棱结构的剖面可以为矩形(图2i，图2k，图2m，图2o)、平行四边形(图2a，图2c，图2e，图2g)、梯形(图2q，图2s)、弧形或其它形状。在同一个栅网分束器中，水平方向的栅棱与垂直方向的栅棱可以是同一种剖面结构形式，也可以不同。
结合图3，栅网分束器结构中，栅棱结构的剖面还可以为双面矩形(图3a，图3b)、双面平行四边形(图3c，图3d)、双面梯形(图3e，图3f)、双面弧形或其它形状。
结合图4说明本实施方式，图4为栅条分束器结构方案俯视图，栅条分束器的网格个数为Q，Q方向栅条周期为c’+d’，c’为Q方向单个棱宽，d’为Q方向单个分束窗宽度。其中c’2＝c’3＝…＝c’Q；c’1与c’(Q+1)可以与其它栅棱相同，也可以不同；d’1＝d’2＝…＝d’Q。栅网分束器Q方向总长度：LQ＝c’1+d’1+c’2+d’2+…+c’Q+d’Q+c’(Q+1)。
所述栅条分束器棱宽度c’范围为1nm-100cm，分束窗宽度d’范围为1nm-100cm；栅条分束器棱厚度范围为1nm-10cm，分束窗厚度范围为1nm-10cm。可以根据具体参数选择加补偿板或者不加，补偿板的结构和材料可以与分束器相同，也可以不同。
栅条分束器的分束窗与栅棱与栅网分束器同理，可以为同质结构或异质结构。栅条分束器结构中，栅棱结构的剖面同样可以为矩形、平行四边形、梯形、弧形或其它形状。在同一个栅条分束器中，水平方向的栅棱与垂直方向的栅棱可以是同一种结构形式，也可以不同。
图5为10种栅条分束器的水平与垂直栅棱结构示意图。栅条分束器结构中，栅棱结构的剖面还可以为双面矩形、双面平行四边形、双面梯形或其它形状。平行四边形剖面的角度由分束器与入射光的夹角决定。
本实施方式中，栅网分束器及栅条分束器中的栅棱材料可以选金属、非金属无机材料或有机材料，也可以是几种性质的混合材料。如铝、铜、钛、镍、金等金属，氧化铝、陶瓷、石英、玻璃、氟化钙、硒化锌、硫化锌、硅、锗、二氧化硅、氮化硅等非金属材料以及具有支撑作用的有机材料。分束窗材料可以为石英、玻璃、氟化钙、氟化镁、氟化钡、氟化锂、硒化锌、硫化锌、硅、锗、二氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺、PMMA、铝、铍、非金属无机材料或有机材料。本实施方式未提出的从X射线到远红外波段范围，乃至更宽波段范围的折射材料、反射材料以及吸收材料均可以运用到该器件中。
Claims (10)
1.基于分束窗结构的微小型分束器，其特征是，包括栅网分束器和栅条分束器，所述栅网分束器和栅条分束器均由栅棱、分束窗和分束膜组成，所述栅棱对分束器进行空间分割形成分束窗阵列，分束膜位于分束窗上表面或分束窗和栅棱的上表面，栅棱对分束膜起支撑作用；
所述栅网分束器中的栅棱宽度范围为1nm-100cm，分束窗宽度范围为1nm-100cm；栅棱厚度范围为1nm-100cm，分束窗厚度范围为1nm-100cm；
所述栅网分束器中的栅棱的剖面结构为单面矩形、单面平行四边形、单面梯形、双面矩形、双面平行四边形或双面梯形。
2.根据权利要求1所述的基于分束窗结构的微小型分束器，其特征在于，栅条分束器中，栅棱的宽度范围为1nm-100cm，分束窗宽度范围为1nm-100cm；栅棱厚度范围为1nm-100cm，分束窗厚度范围为1nm-100cm。
3.根据权利要求1所述的基于分束窗结构的微小型分束器，其特征在于，栅网分束器中的栅棱在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗在横向和纵向的占空比相同。
4.根据权利要求1所述的基于分束窗结构的微小型分束器，其特征在于，所述栅棱与分束窗的材料相同或不同。
5.根据权利要求1所述的基于分束窗结构的微小型分束器，其特征在于，栅网分束器和栅条分束器中，水平方向的栅棱与垂直方向的栅棱的结构相同或不同。
6.根据权利要求1所述的基于分束窗结构的微小型分束器，其特征在于，栅网分束器或栅条分束器中的栅棱宽度为1μm-10μm时，分束窗的宽度为100μm-2000μm；栅棱厚度为100μm-500μm时，分束窗的厚度为10μm-100μm。
7.根据权利要求1所述的基于分束窗结构的微小型分束器，其特征在于，栅网分束器或栅条分束器中的栅棱宽度为0.5μm-2μm时，分束窗的宽度为50μm-250μm；栅棱厚度为20μm-50μm时，分束窗的厚度为100nm-10μm。
8.根据权利要求1所述的基于分束窗结构的微小型分束器，其特征在于，栅网分束器或栅条分束器中的栅棱宽度为50μm-1000μm时，分束窗的宽度为1000μm-10000μm；栅棱厚度为500μm-3000μm时，分束窗的厚度为200μm-1000μm。
9.根据权利要求1所述的基于分束窗结构的微小型分束器，其特征在于，栅网分束器中的栅棱材料为金属、非金属无机材料或有机材料，分束窗材料为非金属无机材料或有机材料。
10.根据权利要求1所述的基于分束窗结构的微小型分束器，其特征在于，栅条分束器中的栅棱材料为金属、非金属无机材料或有机材料，分束窗材料为非金属无机材料或有机材料。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20100328659A1 (en) * | 2001-12-21 | 2010-12-30 | Andrew Bodkin | Hyperspectral Imaging Systems |
| CN103913227A (zh) * | 2014-03-10 | 2014-07-09 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于轻型分束器的红外成像光谱仪及制作方法 |
| CN103913235A (zh) * | 2014-03-10 | 2014-07-09 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于moems技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪 |
-
2017
- 2017-12-20 CN CN201711380864.0A patent/CN108180990A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100328659A1 (en) * | 2001-12-21 | 2010-12-30 | Andrew Bodkin | Hyperspectral Imaging Systems |
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| CN103913235A (zh) * | 2014-03-10 | 2014-07-09 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于moems技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪 |
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