CN113485020B - 基于透射光栅的分光器 - Google Patents

基于透射光栅的分光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于透射光栅的分光器,包括:准直模块,配置为将入射的复合光准直后出射;和分光模块,包括透射光栅和第一反射单元,所述第一反射单元设置于所述透射光栅的光路上游,配置为接收所述准直模块出射的复合光并展开成光谱。采用本发明的技术方案,可以实现分光器的小尺寸集成化、高效率、高角色散率,还可以降低加工和装配难度。

Description

基于透射光栅的分光器
技术领域
本公开涉及光学技术领域,尤其涉及一种基于透射光栅的分光器。
背景技术
现有的色散式分光系统多使用光栅作为分光元件,并适当结合反射镜或透镜,用以达到分光目的。
一般情况下,为了拥有高分辨的性能,光学系统即使进行光路折叠,其体积依然较大,难以小型化集成化,因此其使用场景受到限制,例如很难应用于消费电子领域。
在尝试进行小型化的部分产品中,比较多的技术路线选择反射式锯齿光栅,但反射锯齿光栅本身对光波波长敏感,无法实现宽波段高效率。此外,在使用中容易受到膜层,对准公差等工艺水平的影响,加工和装配难度较高。
背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术,并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
有鉴于现有技术的一个或多个缺陷,本发明设计一种基于透射光栅的分光器,包括:
准直模块,配置为将入射的复合光准直后出射;和
分光模块,包括透射光栅和第一反射单元,所述第一反射单元设置于所述透射光栅的光路上游,配置为接收所述准直模块出射的复合光并反射至所述透射光栅。
根据本发明的一个方面,其中所述透射光栅为透射式矩形光栅,光栅调制深度为0.5um~3.0um,光栅周期为0.5um~1.5um,占空比为0.4~0.85,入射角为-25°~-5°。
根据本发明的一个方面,其中所述透射光栅为透射式矩形光栅,光栅调制深度为1um~2um,光栅周期为0.6um~1um,占空比为0.5~0.8,入射角为-20°~-10°。
根据本发明的一个方面,其中所述第一反射单元为反射镀膜或反射镜,设置在所述透射光栅的一侧上。
根据本发明的一个方面,其中所述透射光栅通过填胶或压印工艺形成在透明基板的一侧上,所述第一反射单元为镀在所述透明基板的另一侧上的高反射膜层。
根据本发明的一个方面,其中所述准直模块包括:
透镜单元,配置为准直和偏转入射的复合光;和
第二反射单元,配置为将准直和偏转后的复合光反射至所述分光模块。
根据本发明的一个方面,其中所述透镜单元为透镜或微透镜阵列,所述第二反射单元为平面反射镜。
根据本发明的一个方面,其中所述透镜单元通过填胶或压印工艺形成在透明基板上,所述透镜单元与所述透射光栅形成在相同的透明基板上。
根据本发明的一个方面,其中所述准直模块包括第二反射单元,配置为反射并准直入射的复合光。
根据本发明的一个方面,其中所述第二反射单元为离轴抛物面反射镜。
根据本发明的一个方面,还包括图像处理模块,配置为接收所述分光模块耦出的光谱。
根据本发明的一个方面,所述图像处理模块包括线阵或面阵的感光元件。
根据本发明的一个方面,还包括遮光结构,所述图像处理模块和所述分光模块设置于所述遮光结构的一侧,所述准直模块设置于所述遮光结构的另一侧,所述遮光结构配置为耦出所述准直模块出射的复合光并阻隔杂散光。
根据本发明的一个方面,还包括一体封装的壳体,所述壳体设有入光结构,配置为将入射的复合光耦入所述准直模块。
根据本发明的一个方面,所述入光结构为通孔或狭缝,并且内壁为吸光材料。
根据本发明的一个方面,所述壳体的内壁为光吸收涂料。
采用本发明的技术方案,可以实现分光器的小尺寸集成化、高效率、高角色散率,还可以降低加工和装配难度。
附图说明
构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解,本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开,并不构成对本公开的不当限定。在附图中:
图1示出了本发明的实施例一的分光器示意图;
图2示出了光栅压印示意图;
图3示出了本发明实施例一的分光模块示意图;
图4示出了本发明一个实施例的透射光栅参数示意图;
图5示出了本发明一个实施例的透镜单元示意图;
图6示出了微透镜阵列压印示意图;
图7示出了本发明实施例一的分光器局部示意图;
图8示出了本发明实施例一的分光器俯视图;
图9示出了本发明实施例一的分光器仰视图;
图10示出了本发明实施例一的分光器内侧结构俯视图;
图11示出了本发明实施例一的分光器剖视图;
图12示出了本发明实施例二的分光器示意图;
图13示出了本发明实施例三的分光器示意图。
具体实施方式
在下文中,仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样,在不脱离本发明的精神或范围的情况下,可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此,附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语"第一"、"第二"仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中,"多个"的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接:可以是机械连接,也可以是电连接或可以相互通讯;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开,下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然,它们仅仅为示例,并且目的不在于限制本发明。此外,本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母,这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外,本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子,但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
图1示出了本发明的实施例一的基于透射光栅的分光器示意图,分光器10包括准直模块11和分光模块12。其中,准直模块11配置为将入射的复合光准直后出射。分光模块12包括透射光栅121和第一反射单元122,第一反射单元122设置于透射光栅121的光路上游,配置为接收准直模块11出射的复合光并反射至透射光栅121。具体地,复合光通过入光孔径入射至准直模块11,经过准直后出射至分光模块12,复合光被第一反射单元122反射,并且在透射光栅121处发生衍射,被分离成各种不同波长的光。根据本发明的一个优选实施例,第一反射单元122为反射镀膜或反射镜,设置在透射光栅121的一侧上。第一反射单元122和透射光栅121的相对位置不构成对本发明的限定,只要将尽量折叠光路或者减小分光模块12的尺寸,并且实现分光的目的,都在本发明的保护范围内。
根据本发明的一个优选实施例,分光模块12还包括透明基板123,透射光栅121通过填胶或压印工艺形成在透明基板123的一侧上,第一反射单元122为镀在透明基板123的另一侧上的高反射膜层。
本发明中,第一反射单元122设置于透射光栅121的光路上游,是指复合光首先被第一反射单元122反射,然后被透射光栅121衍射并被展开成光谱。图1的实施例中,透射光栅121形成在透明基板123的一侧上,第一反射单元122形成在透明基板123的另一侧上,复合光首先进入透明基板123,被第一反射单元122反射,然后被透射光栅121衍射并展开成光谱。另外,本领域技术人员也可以构思,复合光直接入射到第一反射单元122上,而不是首先进入透明基板123,这些都在本发明的范围内。
具体地,图2示出了光栅压印示意图,首先,通过激光直写、光刻或超精密机床等加工方式制作出光栅结构的面型母版,然后通过填胶或压印工艺制造出光栅结构,其中光栅采用矩形光栅结构,整体使用透明材质,并压印在透明的基底上的一侧,根据本发明的一个优选实施例,透射光栅121为透射式矩形光栅,图3示出了本发明一个实施例的分光模块示意图,在透明基底的一侧制作光栅,在基底的另一侧无光栅结构,可以设置第一反射单元122,例如镀高反射膜层。
为了进一步实现宽波段高效率的分光,透射光栅121的参数和结构尺寸进一步描述如下。
图4示出了本发明一个实施例的透射光栅参数示意图,其中,c为设置有透射光栅121的基板的厚度,h为矩形光栅的调制深度,Λ为光栅结构的周期,s为光栅狭缝宽度,(Λ-s)/Λ为光栅结构的占空比(duty cycle),θ为基板内光线的入射角。根据本发明的一个优选实施例,透射光栅121的参数设置为:光栅调制深度为0.5um~3.0um,光栅周期为0.5um~1.5um,占空比为0.4~0.85,入射角为-25°~-5°(利用-1级衍射)。
为进一步实现分光器的小型化以及优化光栅参数,根据本发明的一个优选实施例,透射光栅121的参数设置为:光栅调制深度为1um~2um,光栅周期为0.6um~1um,占空比为0.5~0.8,入射角为-20°~-10°(利用-1级衍射)。
采用上述实施例的光栅参数设置,可以实现分光器的小尺寸集成(1cm以内),高效率分光(一个倍频的带宽内效率大于50%)以及高角色散率(可高达0.1deg/nm)。
以上介绍了分光模块12的结构,以下继续介绍准直模块11。
根据本发明的一个优选实施例,所述准直模块11包括透镜单元111和第二反射单元112。参考图1,其中,透镜单元111配置为准直和偏转入射的复合光,根据本发明的一个优选实施例,透镜单元111为设置在透明基板113上的透镜或微透镜阵列,如图5所示。图5(a)为在透明基板113的一侧设置有透镜(微透镜),复合光入射的位置与透镜光轴有一定偏移量,以实现光线的准直和偏转。图5(b)为在透明基板113的一侧设置有微透镜阵列,微透镜面型和位置经过特殊设计,以实现光线的准直和偏转。微透镜或微透镜阵列通过填胶或压印工艺制作,用以达到准直和偏转光线的目的。微透镜或微透镜阵列的制作,也可由母版压印来完成,母版可使用激光直写、光刻或超精密机床等制作。具体过程类似光栅结构的纳米压印加工,如图6所示。第二反射单元112配置为将准直和偏转后的复合光反射至分光模块12。
继续参考图1,根据本发明的一个优选实施例,分光器10还包括图像处理模块13,配置为接收分光模块12耦出的经过透射光栅121分光的各种不同波长的光。图像处理模块13可选用线阵或面阵的感光元件(图像传感器),例如电荷耦合器件(Charge coupleddevice,CCD)、互补金属氧化物半导体(Complementary metal oxide semiconductor,CMOS)图像传感器、薄膜晶体管图像传感器(Thin film transistor image sensor)、单光子雪崩二极管(Single photon avalanche diode,SPAD)或其他适当的图像传感器。
根据本发明的一个优选实施例,分光器10还包括遮光结构14。如图1所示,图像处理模块13和分光模块12设置于遮光结构14的一侧,准直模块11设置于遮光结构14的另一侧,遮光结构14配置为耦出准直模块11出射的复合光并阻隔预设光线路径外的其他杂散光。
根据本发明的一个优选实施例,分光器10还包括一体封装的壳体15,参考图1,壳体15上设有入光结构16,透镜单元111设置在入光结构16处。图7示出了分光器10的局部示意图,入光结构16为透光区域,允许一定角度的外界自然光射入。壳体15为不透光区域。入光结构16配置为将入射的复合光通过透镜单元111耦入准直模块11,在透镜单元111的作用下,入射光线被准直到特定角度,例如0°-30°。根据本发明的一个优选实施例,所述入光结构16为通孔或狭缝,并且入光结构的内壁为吸光材料,用于将入射光集中并入射至透镜单元。根据本发明的一个优选实施例,壳体15的内壁为光吸收涂料,可以减少分光器10内部的杂散光。此外,遮光结构14固定于壳体15内侧的下部,与壳体15一体成型。
综合上述,分别介绍了分光器10的各个模块及功能,各模块由封装结构整体封装,俯视图如图8所示,从分光器10的顶部可见入光结构16,仰视图如图9所示,从分光器10的底部可见图像处理模块13的一部分,例如图像传感器的连接器。与图9对应的内侧视图如图10所示,分光器10的内部底侧被遮光结构14一分为二,一侧设置第二反射单元112,另一侧设置图像处理模块13。图11示出了分光器10的剖视图,分光器10的中部被遮光结构14一份为二,一侧设置第二反射单元112和透镜单元111(未示出),另一侧设置图像处理模块13和分光模块12(未示出)。参考图1和图8-11,对实施例一的分光器结构进行了详细描述,入射光线的路径为:复合光通过入光结构16进入透镜单元111,经过准直并偏转后,被第二反射单元112反射进透明基板123,经过第一反射单元122反射后再次经过透明基板123后在透射光栅121处发生衍射,被分光到不同角度,并被图像处理模块13捕获。此外,遮光结构14遮蔽了入射光线路径外的杂散光。
图12示出了本发明实施例二的分光器示意图,分光器20包括准直模块21、分光模块22、图像处理模块23、遮光结构24、壳体25和入光结构26。其中,准直模块21包括透镜单元211和第二反射单元212,透镜单元211为微透镜或微透镜阵列,第二反射单元212为平面反射镜。分光模块22包括透明基板223、设置于透明基板223一侧的透射光栅221以及设置于透明基板223另一侧的第一反射单元222,透明基板223例如为玻璃或树脂材质,整体尺寸与分光器20内侧顶部的尺寸相匹配。透射光栅221为矩形光栅,第一反射单元222为高反射镀膜层。实施例二与实施例一的区别在于,仅设置一半的遮光结构24,透明基板223延伸从遮光结构24的一侧至另一侧,透射光栅221和透镜单元211通过填胶或压印工艺形成在透明基板223的一侧,第一反射单元222设置于透明基板223的另一侧。入射光线的路径为:复合光通过入光结构26和透明基板223进入透镜单元211,经过准直并偏转后,被第二反射单元212反射进透明基板223,经过第一反射单元222后再次经过透明基板223后在透射光栅221处发生衍射,被分光到不同角度,最后被图像处理模块23捕获。此外,遮光结构24遮蔽了入射光线路径外的杂散光。
图13示出了本发明实施例三的分光器示意图,分光器30包括准直模块31、分光模块32、图像处理模块33、遮光结构34、壳体35和入光结构36。其中,准直模块31包括第二反射单元311,第二反射单元212为离轴抛物面反射镜,配置为反射并准直入射的复合光。分光模块32包括透明基板323、设置于透明基板323一侧的透射光栅321以及设置于透明基板323另一侧的第一反射单元322,透明基板323例如为玻璃或树脂材质,整体尺寸与分光器30内侧顶部的尺寸相匹配。透射光栅321为矩形光栅,第一反射单元322为高反射镀膜层。实施例三与实施例二的区别在于,将包括透镜单元211和第二反射单元212的准直模块21替换为包括第二反射单元311的准直模块31。亦即,第二反射单元311取代了实施例二的透镜单元211和第二反射单元212,同样实现了准直并偏转的功能。入射光线的路径为:复合光通过入光结构36和透明基板323入射至第二反射单元311,经过反射并准直偏转后进入透明基板323,经过第一反射单元322反射后经过透射光栅321分光并被图像处理模块33捕获。此外,遮光结构34遮蔽了入射光线路径外的杂散光。
以上通过三个实施例对本发明的设计方案进行了详细描述,采用本发明设计的方案,可以实现分光器的小尺寸集成化、高效率、高角色散率,还可以降低加工和装配难度。最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种基于透射光栅的分光器,包括:
准直模块,配置为将入射的复合光准直后出射;和
分光模块,包括透射光栅和第一反射单元,所述第一反射单元设置于所述透射光栅的光路上游,配置为接收所述准直模块出射的复合光并反射至所述透射光栅,所述透射光栅将所述复合光展开成光谱;
其中所述透射光栅通过填胶或压印工艺形成在透明基板的一侧上,所述第一反射单元为镀在所述透明基板的另一侧上的高反射膜层。
2.如权利要求1所述的分光器,其中所述透射光栅为透射式矩形光栅,光栅调制深度为0.5um~3.0um,光栅周期为0.5um~1.5um,占空比为0.4~0.85,入射角为-25°~-5°。
3.如权利要求1所述的分光器,其中所述透射光栅为透射式矩形光栅,光栅调制深度为1um~2um,光栅周期为0.6um~1um,占空比为0.5~0.8,入射角为-20°~-10°。
4. 如权利要求1-3中任一项所述的分光器,其中所述准直模块包括:
透镜单元,配置为准直和偏转入射的复合光;和
第二反射单元,配置为将准直和偏转后的复合光反射至所述分光模块。
5.如权利要求4所述的分光器,其中所述透镜单元为透镜或微透镜阵列,所述第二反射单元为平面反射镜。
6.如权利要求4所述的分光器,其中所述透镜单元通过填胶或压印工艺形成在透明基板上,所述透镜单元与所述透射光栅形成在相同的透明基板上。
7.如权利要求1-3中任一项所述的分光器,其中所述准直模块包括第二反射单元,配置为反射并准直入射的复合光。
8.如权利要求7所述的分光器,其中所述第二反射单元为离轴抛物面反射镜。
9.如权利要求1-3中任一项所述的分光器,还包括图像处理模块,配置为接收所述分光模块耦出的光谱。
10.如权利要求9所述的分光器,所述图像处理模块包括线阵或面阵的感光元件。
11.如权利要求9所述的分光器,还包括遮光结构,所述图像处理模块和所述分光模块设置于所述遮光结构的一侧,所述准直模块设置于所述遮光结构的另一侧,所述遮光结构配置为耦出所述准直模块出射的复合光并阻隔杂散光。
12.如权利要求11所述的分光器,还包括一体封装的壳体,所述壳体设有入光结构,配置为将入射的复合光耦入所述准直模块。
13.如权利要求12所述的分光器,所述入光结构为通孔或狭缝,并且内壁为吸光材料。
14.如权利要求12所述的分光器,所述壳体的内壁为光吸收涂料。
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