CN112540459A - 一种双棱镜色散装置的优化调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学技术领域，公开了一种双棱镜色散装置的优化调整方法，所述双棱镜色散装置包括第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜与所述第二棱镜的结构相同，所述第一棱镜的出射面平行于所述第二棱镜的入射面，所述优化调整方法包括以下步骤：校准光路，确定双棱镜的摆放角度，使得入射光束以最小偏向角α₁入射到第一棱镜的入射面；检测有关参数；利用光线追迹法得到色散条纹的理论长度值L₅；根据理论长度值L₅选择合适的空间光调制器的靶面，或者根据靶面的长度及色散条纹的理论长度值L₅调整双棱镜的间距h，使得色散条纹的实际长度不超过靶面。本发明的方法便于将双棱镜色散装置快速调整到位，优化了对双棱镜色散装置的调整。

Description

一种双棱镜色散装置的优化调整方法

技术领域

本发明专利涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种双棱镜色散装置的优化调整方法。

背景技术

成像光谱仪是新一代传感器，在获取大量地物目标窄波段连续光谱图像的同时，获得每个像元几乎连续的光谱数据，因而称为成像光谱仪，应用于高光谱航空遥感等领域。

成像光谱仪一般都会用棱镜来使入射光产生色散，色散光再经过空间光调制器(DMD、LCTF、SLM)后入射到探测器中进行成像。在上述过程中，因为入射光是一束宽带光源，因此经过色散元件后会产生一个色散条纹，即不同波长成分的光具有不同的空间位置。大多数成像光谱仪都是使用一个色散元件来将入射光分解成不同波长成分的光，但是单个色散元件产生的光束是一束发散光，准直性很差，最终很难聚焦到探测器或其他的光处理元件上。单个色散元件产生的色散光不是一束准直光，即光束尺寸会发生变化。而在光学系统中，我们总是希望照射在空间光调制器上的光束是一束平行光，方便其接收和处理。目前该问题的解决方法是使用两个色散元件。

而双色散元件会让不同波长成分的光在空间上是平行传输的，因此能更加灵活、方便、高效的对色散光进行一些处理。而双色散元件的调试难度要远远大于单色散元件。

在现有技术中，需要操作人员根据经验及实际成像情况多次对双色散棱镜进行调整，如果只是简单的将两个棱镜给调平行了，还是会有色散条纹长度与接收色散光的靶面不匹配的问题。当色散条纹长度过大，超过了接收色散光的靶面时，超过靶面的那部分光无法被调制或利用。当色散条纹长度过小时，接收色散光的靶面未得到充分利用，光谱分辨率偏低；而根据色散原理可知，色散条纹长度越小，光谱分辨率越低；反之，色散条纹长度越大，光谱分辨率越高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双棱镜色散装置的优化调整方法，旨在解决现有技术中双棱镜色散装置的色散条纹长度与接收色散光的靶面不匹配的问题。

本发明是这样实现的，一种双棱镜色散装置的优化调整方法，所述双棱镜色散装置包括第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜与所述第二棱镜的结构相同，所述第一棱镜的光出射面平行于所述第二棱镜的光入射面，所述优化调整方法包括以下步骤：

S01：校准光路，确定双棱镜的摆放角度，使得入射光束以最小偏向角α₁入射到第一棱镜表面；

S02：检测入射光束的光斑直径D，第一棱镜和第二棱镜的间距h，所述第一棱镜顶点到入射光束截面的距离为k₁，所述第二棱镜顶点到光束截面的距离为k₂；

S03：根据谢米尔公式分别获得所述入射光束的长波长光在所述第一棱镜的折射率n₁、短波长光在所述第一棱镜的折射率n₂；

S04：根据折射定律分别获得所述长波长光在所述第一棱镜的折射角θ₁、所述短波长光在所述第一棱镜的折射角θ₂；

S05：利用光线追迹法得到所述第二棱镜出射的色散条纹的理论长度值L5；

S06：根据理论长度值L5选择合适的空间光调制器的靶面，使得色散条纹的实际长度不超过靶面；或者根据靶面的长度及色散条纹的理论长度值L5的计算公式调整所述第一棱镜和所述第二棱镜的间距h，使得色散条纹的实际长度不超过靶面。

进一步地，在步骤S01中，检测入射光束的中心波长，使得所述中心波长的入射光在通过所述第一棱镜时与所述第一棱镜的底边平行，所述中心波长的入射光在所述第一棱镜表面的入射角为入射光束的最小偏向角α₁。

进一步地，在步骤S03中，获得入射光束的长波长光的波长λ₁和短波长光的波长λ₂，根据所述第一棱镜的材料确定谢米尔公式中的系数B1、B2、B3、C1、C2、C3，谢米尔公式为：

其中λ为入射光的波长，n为入射光在第一棱镜中的折射率。

进一步地，所述第一棱镜和所述第二棱镜的材料为肖特光学特种玻璃N-SF11，对应的谢米尔公式为：

进一步地，所述色散条纹的理论长度值L₅为：L₅＝(ΔL₁+ΔL₂+ΔL₃)*cos(θ₇)；其中，

ΔL₂＝[tan(arcsin(n₂sin(60°-θ₂)))-tan(arcsin(n₁sin(60°-θ₁)))]*h，

θ₇＝arcsin(n₂ sinθ₂)。

进一步地，所述第一棱镜和所述第二棱镜的材料为肖特光学特种玻璃F2，对应的谢米尔公式为：

进一步地，所述双棱镜色散装置包括智能调节模块，所述智能调节模块包括参数单元和调节单元，在所述参数单元输入色散条纹的预期长度及相关参数，获得所述第一棱镜和所述第二棱镜间距的调节量，并驱动所述调节单元对所述双棱镜色散装置进行调节。

进一步地，所述调节单元由微型步进电机驱动。

进一步地，所述第二棱镜出射的色散光经过所述空间光调制器后，入射到探测器中成像。

进一步地，所述空间光调制器为数字微镜器件或液晶可调谐滤光器。

与现有技术相比，本发明提供的一种双棱镜色散装置的优化调整方法，通过校准光路，利用光线追迹法推算出经过双棱镜色散装置后的色散条纹的理论长度，再选择与之相匹配的空间光调制器的靶面；或者根据现有的空间光调制器的靶面参数及色散条纹的理论长度公式反推第一棱镜和第二棱镜的间距，以便于将双棱镜色散装置快速调整到位，优化了对双棱镜色散装置的调整。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于双色散元件的成像光谱仪的光路示意图；

图2是本发明提供的多色光在双棱镜色散装置中的传播示意图；

图3是本发明提供的多色光在双棱镜色散装置的第一棱镜中的传播示意图；

图4是本发明提供的色散光在双棱镜色散装置的第一棱镜与第二棱镜之间的传播示意图；

图5是本发明提供的多色光在双棱镜色散装置的第二棱镜中的传播示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照图1-5所示，为本发明提供的较佳实施例。

一种双棱镜色散装置的优化调整方法，双棱镜色散装置包括第一棱镜204和第二棱镜205，第一棱镜204与第二棱镜205的结构相同，第一棱镜204的光出射面平行于第二棱镜205的光入射面，所述优化调整方法包括以下步骤：

S01：校准光路，确定双棱镜的摆放角度，使得入射光束以最小偏向角α₁入射到第一棱镜204表面；

S02：检测入射光束的光斑直径D，第一棱镜204和第二棱镜205的间距h，所述第一棱镜204顶点到入射光束截面的距离为k₁，所述第二棱镜205顶点到光束截面的距离为k₂；

S03：根据谢米尔公式分别获得所述入射光束的长波长光在所述第一棱镜204的折射率n₁、短波长光在所述第一棱镜204的折射率n₂；

S04：根据折射定律分别获得所述长波长光在所述第一棱镜204的折射角θ₁、所述短波长光在所述第一棱镜204的折射角θ₂；

S05：利用光线追迹法得到所述第二棱镜205出射的色散条纹的理论长度值L₅；

S06：根据理论长度值L₅选择合适的空间光调制器206的靶面，使得色散条纹的实际长度不超过靶面；或者根据靶面的长度及色散条纹的理论长度值L₅的计算公式调整所述第一棱镜204和所述第二棱镜205的间距h，使得色散条纹的实际长度不超过靶面。

本实施例提供的一种双棱镜色散装置的优化调整方法，通过校准光路，利用光线追迹法推算出经过双棱镜色散装置后的色散条纹的理论长度，再选择与之相匹配的空间光调制器206的靶面；或者根据现有的空间光调制器206的靶面参数及色散条纹的理论长度公式反推第一棱镜204和第二棱镜205的间距，以便于将双棱镜色散装置快速调整到位，优化了对双棱镜色散装置的调整。

在本实施例中，第二棱镜205出射的色散光经过空间光调制器206后，入射到探测器209中成像，便于后续的成像分析、光谱分析、图像处理等，可用于获取窄波段连续光谱图像的同时，获得每个像元几乎连续的光谱数据，可用于高光谱航空遥感等领域。

空间光调制器206为数字微镜器件(DMD)、液晶可调谐滤光器(LCTF)或其他类型的空间光调制器206。

在本实施例中提供了一种基于双色散元件的成像光谱仪，包括光纤201、准直透镜202、棱镜对、数字微镜器件(DMD)、反射镜203、聚焦透镜208和探测器209，其中，

棱镜对为双棱镜色散元件，包括第一棱镜204和第二棱镜205，第一棱镜204和第二棱镜205为相同的正三角形结构，且两者采用相同的材料制成；第一棱镜204的光出射面平行于第二棱镜205的光入射面。

多色光100通过光纤201传输，准直透镜202将光纤201端口处的多色光100准直后形成平行光入射到棱镜对，形成色散条纹投射到数字微镜器件(DMD)上，通过调整DMD靶面上镜片的翻转角度，可以将特定波长的光信号反射偏离原光路并被探测器209接收。

或者，当色散条纹投射到DMD上之后，通过调整DMD靶面上镜片的翻转角度，将特定波长的光信号反射至棱镜对，再通过反射镜203反射到聚焦透镜208，聚焦透镜208前设有光阑207，并由探测器209接收光信号成像。

在准直透镜202将多色光100准直的过程中，实际上决定了入射到双棱镜上的入射光的光斑大小，光源的发散角不变的情况下，改变准直透镜202的焦距可以改变光斑直径D的大小。准直透镜202可以采用凸透镜或者透镜组，多色光100在光纤201端部的出射处位于准直透镜202的焦点上，多色光经过准直透镜202后被准直后形成平行光。

第一棱镜204和第二棱镜205的材料可采用肖特光学特种玻璃N-SF11、肖特光学特种玻璃F2等，根据入射光的波长范围来选择合适光学玻璃。例如，多色光100的波长围是400nm～700nm(可见光)，色散棱镜的材料是N-SF11；多色光100的波长范围在近红外波段，色散棱镜的材料是F2。

当一束平行光入射到第一棱镜204中时，入射光是多色光100，即包括多种波长成分的光，而多种波长成分的光在色散棱镜中的折射率不同，其光程也不相同，因此，在第一棱镜204的出射面会产生一个色散条纹，不同波长成分的光会按照折射率从大到小或从小到大的规律依次排列。但是，此时的色散条纹是一束发散光，即色散条纹的长度会随着空间距离的改变而发生变化。然后，让这束色散条纹继续入射到第二棱镜205中，经过与第一棱镜204同样的物理变化后，原先发散的色散条纹变成了一束平行光，即条纹的长度不再改变，而且还实现了不同波长成分的光在空间上不仅位置不同还相互平行。

在本实施例中，入射光的波长范围是400nm～700nm(可见光)，可见光波段的中心波长为532nm，在双棱镜色散装置中，色散棱镜的材料是肖特光学特种玻璃N-SF11。

根据色散棱镜的材料N-SF11来确定谢米尔公式中的系数B1、B2、B3、C1、C2、C3，谢米尔公式为：

其中λ为入射光的波长，n为入射光在第一棱镜204中的折射率。

对于N-SF11材料，其对应的谢米尔公式为：

根据以上谢米尔公式可推算多色光100的长波长光λ₁、短波长光λ₂在色散棱镜中的折射率n₁、n₂。

因为色散棱镜一般是在最小偏向角下使用的，在最小偏向角的条件下，单波长的入射光通过棱镜时与底边平行。因为入射光是多色光，所以并不是每个波长都能满足最小偏向角，因此在步骤S01中，检测入射光束的中心波长，在本实施例中选择可见光波段的中心波长，即532nm，让这束单波长的入射光去满足最小偏向角α₁的条件。

以下利用光线追迹法来测算多色光100经过双棱镜色散装置后色散条纹的理论长度值：

图3展示了多色光100在第一棱镜204中的传播形式。

入射第一棱镜204的光斑直径为D，光束在第一棱镜204入射面的截面为AB(长度为L₁)，入射角为α₁，第一棱镜204顶点O到光束截面的距离为k₁。根据折射定律nsinθ＝n'sinα可分别求出长波长光的折射角θ₁、短波长光的折射角θ₂。其中，

做两条辅助线BD₁和AC₁，且都平行于第一棱镜204的底边。光束在第一棱镜204出射面的截面是CD，为了求出CD之间的距离L₂，需要分别得到CC₁、C₁D₁和D₁D之间距离。设D₁D之间的距离值x₂，CC₁之间距离是x₁，由于平行的关系，D₁D之间的距离等于AB之间的距离，即L₁。

在三角形ACC₁中，根据正弦定理，

可得x₁的值。

在三角形ADD₁中，根据正弦定理，

可得x₂的值。其中L₁＝D/sin(90°-α₁)。

所以在第一个棱镜的第二个折射面上，条纹的长度为L₂＝L₁+x₂+x₁。而入射角α₂＝(120°-(θ₁-30°))-90°(长波长)，α₃＝90°-(60°-(θ₁-30°))(短波长)。再利用斯涅尔定律可分别求出α₂、α₃对应的折射角θ₃、θ₄。

图4是色散光在第一棱镜204与第二棱镜205空气间隙中的传播方式。图4中左边的光线承接图3中的光线，从第一棱镜204出射的色散条纹在空气中传播一段距离后再次入射到第二棱镜205上，色散条纹在第二棱镜205的入射面的截面是GH，长度为L₃。

因为棱镜对是平行摆放的，所以第一棱镜204和第二棱镜205的相邻两个工作面是平行的，距离为h。这里做GH的延长线，同时以D点、C点为起点向GH的延长线HF做垂线，垂足分别为E和F。假设HE的长度是x₄，GF的长度是x₃，根据平行定理，EF等于DC，即为L₂。

在三角形DHE中，利用正切关系可得x₄，即x₄＝h*tanθ₄。同样，在三角形CFG中，利用正切关系可得x₃，即x₃＝h*tanθ₃。因此，条纹GH的长度为L₃＝L₂+x₄-x₃。

图5是色散光在第二棱镜205中的传播方式。利用斯涅尔定律可以求出与入射角α₄、α₅对应的折射角θ₅、θ₆。与上述方法类似，做辅助线HI₁和GJ₁，且都平行于棱镜的底边。

根据正弦定理，在三角形HHI₁中，

其中，第二棱镜205顶点P到点H的距离为k₂。从上式中可以得到II₁的长度，即x₆。

而在三角形GJJ₁中，根据正弦定理，

可以得到JJ₁的长度，即x₅。因此，色散光在第二棱镜205出射面的投影长度就是L₄＝L₃+x₅+x₆。长波长入射角α₆＝90°-(60°-(30°-θ₅))，短波长入射角α₇＝(120°-(θ₆-30°))-90°。

然后，利用斯涅尔定律可以得到与入射角α₆、α₇对应的折射角θ₇、θ₈。最后，根据色散准直的定义，最终长度为L₅＝L₄*sin(90°-θ₇)。

最终，化简上述推导过程可以得到下式，

L₅＝(ΔL₁+ΔL₂+ΔL₃)*cos(θ₇)

其中：

ΔL₂＝[tan(arcsin(n₂sin(60°-θ₂)))-tan(arcsin(n₁sin(60°-θ₁)))]*h，

θ₇＝arcsin(n₂ sinθ₂)。

根据推导过程编写公式，发现光斑大小(D)、双棱镜的间距(h)这两个参数对色散条纹长度的影响最大。

经过模拟以及实验，色散条纹长度的实验值与理论值十分接近，表明色散条纹的理论长度值对于双棱镜色散装置的调整具有实际的指导意义。

根据色散条纹长度的理论值，可以选择合适的空间光调制器的靶面，使得色散条纹的实际长度不超过靶面，同时又充分利用靶面，使得靶面上的色散条纹尽可能长，提高光谱分辨率。

根据空间光调制器DMD靶面的参数，可以确定色散条纹的预期长度，再根据色散条纹的理论长度值L₅的公式，令预期长度为理论长度L₅，根据之前所测的相关参数：最小偏向角α₁、光斑直径D、第一棱镜204顶点到入射光束截面的距离为k₁、二棱镜顶点到光束截面的距离为k₂、长波长光的波长λ₁、短波长光的波长λ₂，可反向推算，第一棱镜204和第二棱镜205间距的调节量，这样便于将双棱镜色散装置快速调整到位，使得色散条纹的实际长度不超过靶面，同时又充分利用靶面，提高光谱分辨率。

在双棱镜色散装置中，第一棱镜204和第二棱镜205的材料根据入射光的波长范围作对应的选择。当第一棱镜204和第二棱镜205的材料为肖特光学特种玻璃F2时，适合近红外波段，其对应的谢米尔公式为：

根据此谢米尔公式可得到多色光100的长波长光、短波长光在第一棱镜204中的折射率，并根据折射定律可对应得到在第一棱镜204的入射面上的折射角。按以上类似的方式可获得第二棱镜205出射的色散条纹的理论长度值。根据空间光调制器206靶面的参数及色散条纹的理论长度可反推第一棱镜204和第二棱镜205间距的调节量，从而快速将双棱镜色散装置调整到位。

在双棱镜色散装置中，还包括智能调节模块，智能调节模块包括参数单元和调节单元，参数单元中包括单片机或微处理器，在参数单元输入色散条纹的预期长度及相关参数，参数单元根据以上公式对数据进行处理，获得第一棱镜204和第二棱镜205间距的调节量，并驱动调节单元对双棱镜色散装置进行调节，调节单元可以由微型步进电机驱动。例如，在微型步进电机的驱动过程中，可经过齿轮箱进行变速，带动螺杆转动；螺杆上设有螺母组件，与螺杆平行的位置设有导向杆，螺母组件与螺杆配合，螺母组件上设有导向孔，导向杆穿过导向孔，使得螺母只能在螺杆上纵向移动；当螺杆转动时，螺母组件在螺杆上纵向移动，从而带动与螺母组件连接的第二棱镜205纵向移动，使得第一棱镜204与第二棱镜205的间距得到快速准确调整。

在双棱镜色散装置中，还可包括控制空间光调制器的控制模块，通过控制模块控制空间光调制器，例如通过调整数字微镜器件DMD靶面上镜片的翻转角度，可以将特定波长的光信号反射偏离原光路并被探测器接收，从而选择性地对特定波长的光信号进行光谱分析、成像分析，这对许多领域的技术分析具有实际意义。

或者，可先构建多个基础图案，将多个基础图案分别加载到数字微镜器件中，获得每个基础图案对应的光谱数据，这些光谱数据作为预处理数据；然后根据滤光的需求，选择特定的波长或波段，选择一个或多个基础图案组合形成所需的加载图案，然后将所需的加载图案加载到数字微镜器件中，从而实现对数字微镜器件的精准控制。使得后续的检测、成像，及光谱分析、成像分析变得更加有针对性、更加准确，取得较好的效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双棱镜色散装置的优化调整方法，其特征在于，所述双棱镜色散装置包括第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜与所述第二棱镜的结构相同，所述第一棱镜的出射面平行于所述第二棱镜的入射面，所述优化调整方法包括以下步骤：

S01：校准光路，确定双棱镜的摆放角度，使得入射光束以最小偏向角α₁入射到第一棱镜的入射面；

S02：检测入射光束的光斑直径D，第一棱镜和第二棱镜的间距h，所述第一棱镜顶点到入射光束截面的距离为k₁，所述第二棱镜顶点到光束截面的距离为k₂；

S03：根据谢米尔公式分别获得所述入射光束的长波长光在所述第一棱镜的折射率n₁、短波长光在所述第一棱镜的折射率n₂；

S04：根据折射定律分别获得所述长波长光在所述第一棱镜的折射角θ₁、所述短波长光在所述第一棱镜的折射角θ₂；

S05：利用光线追迹法得到所述第二棱镜出射的色散条纹的理论长度值L₅；

S06：根据理论长度值L₅选择合适的空间光调制器的靶面，使得色散条纹的实际长度不超过靶面；或者根据靶面的长度及色散条纹的理论长度值L₅的计算公式调整所述第一棱镜和所述第二棱镜的间距h，使得色散条纹的实际长度不超过靶面。

2.如权利要求1所述的一种双棱镜色散装置的优化调整方法，其特征在于，在步骤S01中，检测入射光束的中心波长，使得所述中心波长的入射光在通过所述第一棱镜时与所述第一棱镜的底边平行，所述中心波长的入射光在所述第一棱镜表面的入射角为入射光束的最小偏向角α₁。

3.如权利要求2所述的一种双棱镜色散装置的优化调整方法，其特征在于，在步骤S03中，获得入射光束的长波长光的波长λ₁和短波长光的波长λ₂，根据所述第一棱镜的材料确定谢米尔公式中的系数B₁、B₂、B₃、C₁、C₂、C₃，谢米尔公式为：

其中λ为入射光的波长，n为入射光在第一棱镜中的折射率。

4.如权利要求3所述的一种双棱镜色散装置的优化调整方法，其特征在于，所述第一棱镜和所述第二棱镜的材料为肖特光学特种玻璃N-SF11，对应的谢米尔公式为：

5.如权利要求4所述的一种双棱镜色散装置的优化调整方法，其特征在于，所述色散条纹的理论长度值L₅为：L₅＝(ΔL₁+ΔL₂+ΔL₃)*cos(θ₇)；其中，

ΔL₂＝[tan(arcsin(n₂sin(60°-θ₂)))-tan(arcsin(n₁sin(60°-θ₁)))]*h，

θ₇＝arcsin(n₂ sinθ₂)。

6.如权利要求3所述的一种双棱镜色散装置的优化调整方法，其特征在于，所述第一棱镜和所述第二棱镜的材料为肖特光学特种玻璃F2，对应的谢米尔公式为：

7.如权利要求1-6任一项所述的一种双棱镜色散装置的优化调整方法，其特征在于，所述双棱镜色散装置包括智能调节模块，所述智能调节模块包括参数单元和调节单元，在所述参数单元输入色散条纹的预期长度及相关参数，获得所述第一棱镜和所述第二棱镜间距的调节量，并驱动所述调节单元对所述双棱镜色散装置进行调节。

8.如权利要求7所述的一种双棱镜色散装置的优化调整方法，其特征在于，所述调节单元由微型步进电机驱动。

9.如权利要求1-6任一项所述的一种双棱镜色散装置的优化调整方法，其特征在于，所述第二棱镜出射的色散光经过所述空间光调制器后，入射到探测器中成像。

10.如权利要求9所述的一种双棱镜色散装置的优化调整方法，其特征在于，所述空间光调制器为数字微镜器件或液晶可调谐滤光器。

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