CN109738066A - 一种用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜及其制作方法，包括以下步骤：取用立体分光镜，所述立体分光镜包括依次相邻设置的第一平面、第二平面、第三平面和第四平面，所述第一平面为进光面，所述第二平面、第三平面和第四平面为出光面，所述第一平面垂直于第二平面设置，所述第三平面垂直于第四平面设置；使用光学冷加工工艺对所述第二平面加工并获得倾斜面，得到斜面分光镜；通过离子束刻蚀法在所述倾斜面上刻蚀出阶梯表面；在所述阶梯表面和所述第三平面上镀反射膜。其结构简单紧凑，而且具有更好的稳定性，精度高。

Description

一种用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜及其制作 方法

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，具体涉及一种用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜及其制作方法。

背景技术

传统色散型光谱仪依靠光栅、棱镜等色散元件将波长分开，然后进行光谱测量。为了保证较好的光谱分辨率，这种光谱仪需要狭缝，一般只有20～50微米宽。由于狭缝的存在，这种光谱仪的光通量较小，因而信噪比也受到一定的影响。傅里叶变换光谱有别于色散型光谱仪，它基于光的干涉原理，通过光程扫描和傅里叶变换来实现波长解析。但是传统的傅里叶变换光谱仪体积大，且需要精密控制干涉臂的运动，测量耗时相对较长，且价格昂贵。

静态傅里叶变换光谱仪以阶梯状的反射镜代替经典迈克尔逊干涉仪中的平面反射镜，该阶梯反射镜可在空间不同位置产生不同的光程差，因此只需要一副干涉测量图就可以通过光谱反演得到对应的光源光谱。它具有体积小、重量轻、低成本、测量速度快、无运动部件等诸多优点。图1为传统的静态傅里叶变换光谱仪的结构示意图。M1是反射镜，和M2是阶梯反射镜，BS代表分光镜，CCD为探测器。入射光从左方射入分光镜，被一分为二，分别经过M1和M2的反射后在由分光镜BS合成一束，并产生干涉，干涉图经过滤波等处理后被CCD图像探测器接收。通过对探测器探测的图像进行光谱反演得到输入光源的光谱。在静态傅里叶变换光谱仪中，阶梯反射镜是核心元件，如何制造出高精度的阶梯反射镜是静态傅里叶变换光谱仪的关键。

中国专利申请号为201310362780.X的专利公开了“基于楔形玻璃条的微阶梯反射镜的制作方法”，该专利提出了一种用楔形玻璃条逐个粘贴在大楔形玻璃板上从而得到微阶梯反射镜的制备方法。然而，用楔形玻璃条制作微阶梯反射镜的制备方法工艺过程十分繁琐，费时费力。存在大量手工操作的步骤，工艺精度较难控制。此外，采用紫外胶固定的方法还存在紫外胶收缩变形、应力等问题。这样制作的阶梯反射镜工艺误差较大，长期稳定性较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜及其制作方法，其结构简单紧凑，而且具有更好的稳定性，精度高。

为了解决上述技术问题，本发明提供了用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜，包括第一直角棱镜和第二直角棱镜；所述第一直角棱镜具有第一斜面，所述第二直角棱镜具有第二斜面，所述第一斜面与第二斜面贴合设置且所述第一斜面与第二斜面的贴合面为半透面；所述第一直角棱镜包括互相垂直的第一平面和第二平面，所述第二直角棱镜包括互相垂直的第三平面和第四平面；所述第二平面与第三平面相邻设置，所述第一平面与第四平面相邻设置；所述第二平面上设置有阶梯表面，所述阶梯表面和第三平面上皆镀有反射膜；

光线垂直于所述第一平面入射，之后经所述半透面分光成参考光束和测试光束；所述参考光束经第三平面反射后折回，并由所述半透面反射后由第四平面射出；所述测试光束经阶梯表面反射，并经所述半透面从第四平面射出。

作为优选的，所述阶梯表面包括多个第五平面，多个所述第五平面的高度沿x轴方向或y轴方向依次递减；其中，所述x轴垂直于第三平面设置，所述y轴平行于所述第三平面设置，所述x轴与y轴垂直设置。

作为优选的，所述阶梯表面包括多个第五平面，多个所述第五平面的高度沿x轴方向和y轴方向依次递减；所述x轴方向垂直于第三平面设置，所述y轴方向平行于第三平面设置，所述x轴与y轴垂直设置。

本发明公开了一种静态傅里叶变换光谱仪，包括上述的微阶梯反射镜。

本发明公开了一种用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、取用立体分光镜，所述立体分光镜包括依次相邻设置的第一平面、第二平面、第三平面和第四平面，所述第一平面为进光面，所述第二平面、第三平面和第四平面为出光面，所述第一平面垂直于第二平面设置，所述第三平面垂直于第四平面设置；使用光学冷加工工艺对所述第二平面加工并获得倾斜面，得到斜面分光镜；

步骤二、通过离子束刻蚀法在所述倾斜面上刻蚀出阶梯表面；

步骤三、在所述阶梯表面和所述第三平面上镀反射膜。

作为优选的，所述步骤二具体包括：

S21、将所述斜面分光镜固定在x-y二维运动平台上，所述倾斜面朝上设置；

S22、在所述斜面分光镜上侧固定设置有挡板，所述挡板上设置有镂空图案，所述镂空图案为沿x轴方向或y轴方向排布的周期性锯齿图案；

S23、在所述挡板上侧设置有产生离子束的粒子束发生器；

S24、所述离子束经过所述镂空图案对所述倾斜面做刻蚀处理，并且所述x-y二维运动平台带动所述斜面分光镜沿x轴或y轴移动，在所述倾斜面上刻蚀出阶梯表面。

作为优选的，所述步骤二具体包括：

S21、将所述斜面分光镜固定在x-y二维运动平台上，所述倾斜面朝上设置；

S22、在所述斜面分光镜上侧固定设置有挡板，所述挡板上设置有镂空图案，所述镂空图案包括第一组图案和第二组图案，所述第一组图案为沿x轴方向周期性排列的锯齿图形，所述第二组图案为沿y轴方向周期性排列的锯齿图形；

S23、在所述挡板上侧设置有产生离子束的粒子束发生器；

S24、将所述斜面分光镜移动至所述第一组图案的下方，所述x-y二维运动平台带动所述斜面分光镜沿x轴方向移动并且所述离子束经过第一组图案对倾斜面进行刻蚀，获得具有一维方向分布的阶梯表面；

S25、将所述斜面分光镜移动至所述第二组图案的下方，所述x-y二维运动平台带动所述斜面分光镜沿y轴方向移动并且所述离子束经过第二组图案对所述一维方向分布的阶梯表面进行刻蚀，获得二维方向分布的阶梯表面。

作为优选的，所述光学冷加工工艺包括对所述倾斜面磨平、抛光以使得倾斜面达到光学级的表面粗糙度。

作为优选的，所述镂空图案通过湿法腐蚀法或光刻法制备。

本发明的有益效果：

1、本发明能够替代传统的静态傅里叶变换光谱仪中的分光镜、反射镜和阶梯反射镜，其结构简单紧凑，而且具有更好的稳定性。

2、本发明采用离子束刻蚀加工微阶梯反射镜，加工精度高，表面粗糙度好。

3、本发明中微阶梯反射镜只是单个光学元件，当其应用到光谱仪中时，不涉及多个光学元件校准的问题，光路稳定，光谱仪成像质量高。

4、本发明原料普遍，工艺步骤简单，最终成品精度高。

附图说明

图1为背景技术中传统的静态傅里叶变换光谱仪的结构示意图；

图2为本发明中的微阶梯反射镜的结构示意图；

图3为本发明中斜面分光镜的结构示意图；

图4为通过离子束刻蚀法在倾斜面上刻蚀阶梯表面的原理示意图；

图5为实施例二中挡板的结构示意图；

图6为具有一维阶梯表面的微阶梯反射镜的结构示意图；

图7为实施例三中挡板的结构示意图；

图8为具有二维阶梯表面的微阶梯反射镜的结构示意图。

图中标号说明：10、第一直角棱镜；11、第一平面；12、第二平面；13、倾斜面；121、第五平面；20、第二直角棱镜；21、第三平面；22、第四平面；30、半透面；40、斜面分光镜；41、挡板；42、镂空图案；421、第一组图案；422、第二组图案；43、x-y二维运动平台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例一

参照图2所示，本发明公开了一种用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜，包括第一直角棱镜10和第二直角棱镜20。第一直角棱镜10具有第一斜面，第二直角棱镜20具有第二斜面，第一斜面与第二斜面贴合设置且第一斜面与第二斜面的贴合面为半透面30。该贴合面可通过镀膜获得半透面30，光线经过半透面30，一部分光线被反射，另一部分光线透射而过。

第一直角棱镜10包括互相垂直的第一平面11和第二平面12，第二直角棱镜20包括互相垂直的第三平面21和第四平面22；第二平面12与第三平面21相邻设置，第一平面11与第四平面22相邻设置。该第一直角棱镜和第二直角棱镜的组合也可直接使用立体分光镜。

在第二平面12上设置有阶梯表面，阶梯表面和第三平面上皆镀有反射膜。

本发明中的微阶梯反射镜，光线垂直于第一平面11入射，之后经半透面30分光成参考光束和测试光束；参考光束经第三平面21反射后折回，并由半透面30反射后由第四平面射出；而测试光束经阶梯表面反射，并经半透面30从第四平面射出。如此，光学探测器，如CCD即可放置在第四平面22的一侧，即可检测到参考光束和测试光束，从而便于在探测器上干涉成像以检测光谱的光学性质。

本实施例中的阶梯表面可以为一维阶梯表面，这种阶梯表面包括多个第五平面121，多个第五平面121的高度沿x轴方向或y轴方向依次递减；其中，x轴垂直于第三平面设置，y轴平行于第三平面21设置，x轴与y轴垂直设置。该微阶梯反射镜的结构图如图6所示。

本实施例中的阶梯表面也可以为二维阶梯表面，这种阶梯表面包括多个第五平面121，多个第五平面121的高度即沿x轴方向依次递减，又沿y轴方向依次递减。即设第五平面上一点为坐标原点，由该坐标原点既向x轴方向递减，又向y轴方向递减。其中，x轴方向垂直于第三平面设置，y轴方向平行于第三平面21设置，x轴与y轴垂直设置。该微阶梯反射镜的结构图如图8所示。

发明中的阶梯表面可以通过离子束光刻法制备。

本发明还公开了一种静态傅里叶变换光谱仪，包括上述微阶梯反射镜。

实施例二

本发明公开了一种用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、取用立体分光镜，立体分光镜包括依次相邻设置的第一平面、第二平面、第三平面和第四平面，第一平面为进光面，第二平面、第三平面和第四平面为出光面，第一平面垂直于第二平面设置，第三平面垂直于第四平面设置；使用光学冷加工工艺对第一平面加工并获得倾斜面13，得到斜面分光镜40。如图3所示，为斜面分光镜的结构示意图。

步骤二、通过离子束刻蚀法在倾斜面13上刻蚀出阶梯表面。参照图4所示，为通过离子束刻蚀法在倾斜面上刻蚀阶梯表面的原理示意图。

其中，步骤二具体包括：

S21、将斜面分光镜40固定在x-y二维运动平台43上，倾斜面13朝上设置；

S22、在斜面分光镜40的上侧固定设置有挡板41，挡板41上设置有镂空图案42，镂空图案42为沿x轴方向或y轴方向排布的周期性锯齿图案。如图5所示，为沿x轴方向周期性排列的锯齿图案的挡板结构示意图；

S23、在挡板41上侧设置有产生离子束的粒子束发生器；

S24、离子束经过镂空图案42对倾斜面13做刻蚀处理，并且x-y二维运动平台43带动斜面分光镜沿x轴或y轴移动，在倾斜面13上刻蚀出阶梯表面。

步骤三、在阶梯表面和第三平面上镀反射膜。

如此，最终可以获得微阶梯反射镜，其阶梯表面为在一维方向递增或递减的阶梯表面，其产品图如图6所示。

实施例三

本发明公开了一种用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、取用立体分光镜，立体分光镜包括依次相邻设置的第一平面11、第二平面、第三平面21和第四平面22，第一平面11为进光面，第二平面、第三平面21和第四平面22为出光面，第一平面11垂直于第二平面设置，第三平面21垂直于第四平面22设置。使用光学冷加工工艺对第二平面加工并获得倾斜面13，得到斜面分光镜40。如图3所示，为获得的斜面分光镜40。

步骤二、通过离子束刻蚀法在倾斜面上刻蚀出阶梯表面。参照图4所示，为通过离子束刻蚀法在倾斜面13上刻蚀出阶梯表面的示意图。

其中，步骤二具体包括：

S21、将斜面分光镜40固定在x-y二维运动平台43上，倾斜面13朝上设置；

S22、在斜面分光镜40的上侧固定设置有挡板41，挡板41上设置有镂空图案42，镂空图案42包括第一组图案421和第二组图案422，第一组图案421为沿x轴方向周期性排列的锯齿图形，第二组图案422为沿y轴方向周期性排列的锯齿图形。如图7所示，为具有第一组图案421和第二组图案422的挡板41结构示意图；

S23、在挡板41上侧设置有产生离子束的粒子束发生器；

S24、将斜面分光镜40移动至第一组图案421的下方，x-y二维运动平台43带动斜面分光镜沿x轴方向移动并且离子束经过第一组图案421对倾斜面13进行刻蚀，获得具有一维方向分布的阶梯表面；

S25、将斜面分光镜40移动至第二组图案422的下方，x-y二维运动平台43带动斜面分光镜沿y轴方向移动并且离子束经过第二组图案422对一维方向分布的阶梯表面进行刻蚀，获得二维方向分布的阶梯表面。

步骤三、在阶梯表面和第三平面上镀反射膜。

如此，最终可以获得微阶梯反射镜，其阶梯表面为在二维方向高度渐变的阶梯表面，其产品图如图6所示，该微阶梯反射镜的阶梯表面即沿x方向递增，也沿y方向递增，其具有二维复杂台阶形表面。在一个具体实例中，立方分光镜大小为25mmx25mmx25mm，有效通光面积为10mmx10mm，微阶梯反射镜分为5x5阶，每个大台阶(x方向分布)高度为2微米，每个小台阶(y方向分布)高度为400纳米。

现有的静态傅里叶变换光谱仪一般采用两个阶梯反射镜，两个阶梯反射镜的阶梯分布方向互相垂直。而本发明采用镂刻图案挡板41结合离子束刻蚀和样品的运动进行阶梯反射镜加工，可以在同一个表面制作出两个维度的阶梯反射镜分布，因而避免了两个阶梯反射镜的对准问题。

在实施例二和实施例三中，光学冷加工工艺包括对倾斜面13磨平、抛光以使得倾斜面13达到光学级的表面粗糙度。该处光学级的表面粗糙度是指达到IV级光学表面光洁度，表面平整度优于λ/5@632.8nm。镂空图案42通过湿法腐蚀法或光刻法制备，精确度高，可控制到微纳米尺寸。

本发明中，离子束经过设置有镂空图案的挡板41，在倾斜面13上刻蚀台阶形阶梯表面，其原理为，由于镂空图案42呈锯齿形，如第二组图案422，其为沿y轴方向周期性排列的锯齿图案，在刻蚀时，斜面分光镜沿y方向移动，那么由于第二组图案422，其在x方向不同位置处分光镜被离子束轰击的时间将不同，被蚀刻的深度也不同，锯齿图形的设计与分光镜倾斜面13的角度和离子束对分光镜材料的刻蚀速度有关。

本发明中所提及的x轴和y轴在同一水平面上，而z轴垂直于该水平面设置。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜，其特征在于，包括第一直角棱镜和第二直角棱镜；所述第一直角棱镜具有第一斜面，所述第二直角棱镜具有第二斜面，所述第一斜面与第二斜面贴合设置且所述第一斜面与第二斜面的贴合面为半透面；所述第一直角棱镜包括互相垂直的第一平面和第二平面，所述第二直角棱镜包括互相垂直的第三平面和第四平面；所述第二平面与第三平面相邻设置，所述第一平面与第四平面相邻设置；所述第二平面上设置有阶梯表面，所述阶梯表面和第三平面上皆镀有反射膜；

光线垂直于所述第一平面入射，之后经所述半透面分光成参考光束和测试光束；所述参考光束经第三平面反射后折回，并由所述半透面反射后由第四平面射出；所述测试光束经阶梯表面反射，并经所述半透面从第四平面射出。

2.如权利要求1所述的用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜，其特征在于，所述阶梯表面包括多个第五平面，多个所述第五平面的高度沿x轴方向或y轴方向依次递减；其中，所述x轴垂直于第三平面设置，所述y轴平行于所述第三平面设置，所述x轴与y轴垂直设置。

3.如权利要求1所述的用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜，其特征在于，所述阶梯表面包括多个第五平面，多个所述第五平面的高度沿x轴方向和y轴方向依次递减；所述x轴方向垂直于第三平面设置，所述y轴方向平行于第三平面设置，所述x轴与y轴垂直设置。

4.一种静态傅里叶变换光谱仪，其特征在于，包括权利要求1-3中任一项所述的微阶梯反射镜。

5.一种用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、取用立体分光镜，所述立体分光镜包括依次相邻设置的第一平面、第二平面、第三平面和第四平面，所述第一平面为进光面，所述第二平面、第三平面和第四平面为出光面，所述第一平面垂直于第二平面设置，所述第三平面垂直于第四平面设置；使用光学冷加工工艺对所述第二平面加工并获得倾斜面，得到斜面分光镜；

步骤二、通过离子束刻蚀法在所述倾斜面上刻蚀出阶梯表面；

步骤三、在所述阶梯表面和所述第三平面上镀反射膜。

6.如权利要求5所述的用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜的制备方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：

S21、将所述斜面分光镜固定在x-y二维运动平台上，所述倾斜面朝上设置；

S22、在所述斜面分光镜上侧固定设置有挡板，所述挡板上设置有镂空图案，所述镂空图案为沿x轴方向或y轴方向排布的周期性锯齿图案；

S23、在所述挡板上侧设置有产生离子束的粒子束发生器；

S24、所述离子束经过所述镂空图案对所述倾斜面做刻蚀处理，并且所述x-y二维运动平台带动所述斜面分光镜沿x轴或y轴移动，在所述倾斜面上刻蚀出阶梯表面。

7.如权利要求5所述的用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜的制备方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：

S21、将所述斜面分光镜固定在x-y二维运动平台上，所述倾斜面朝上设置；

S22、在所述斜面分光镜上侧固定设置有挡板，所述挡板上设置有镂空图案，所述镂空图案包括第一组图案和第二组图案，所述第一组图案为沿x轴方向周期性排列的锯齿图形，所述第二组图案为沿y轴方向周期性排列的锯齿图形；

S23、在所述挡板上侧设置有产生离子束的粒子束发生器；

S24、将所述斜面分光镜移动至所述第一组图案的下方，所述x-y二维运动平台带动所述斜面分光镜沿x轴方向移动并且所述离子束经过第一组图案对倾斜面进行刻蚀，获得具有一维方向分布的阶梯表面；

S25、将所述斜面分光镜移动至所述第二组图案的下方，所述x-y二维运动平台带动所述斜面分光镜沿y轴方向移动并且所述离子束经过第二组图案对所述一维方向分布的阶梯表面进行刻蚀，获得二维方向分布的阶梯表面。

8.如权利要求5所述的用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜的制备方法，其特征在于，所述光学冷加工工艺包括对所述倾斜面磨平、抛光以使得倾斜面达到光学级的表面粗糙度。

9.如权利要求6所述的用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜的制备方法，其特征在于，所述镂空图案通过湿法腐蚀法或光刻法制备。