CN114964497A - 基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪及其部署方法 - Google Patents

基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪及其部署方法 Download PDF

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CN114964497A CN202210739713.4A CN202210739713A CN114964497A CN 114964497 A CN114964497 A CN 114964497A CN 202210739713 A CN202210739713 A CN 202210739713A CN 114964497 A CN114964497 A CN 114964497A
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Abstract

本发明涉及光谱仪技术领域，尤其是涉及一种基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪及其部署方法，包括相对设置且用于反射光线的平面反射镜和光线反射模块，所述光线反射模块为微结构芯片，所述光线反射模块上依次设置有用于入射光通过的光阑、准直反射镜、滤光孔、聚焦光栅和线阵CCD，本发明基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪在使用时，通过微结构芯片与平面反射镜相结合，进一步简化了光学系统组装中高精度的对准过程，在提高系统的抗干扰能力的同时也进一步降低了制造成本，不仅能够应用于传统的光谱探测，也能够适用于一些极端环境中探测需求，如小型化、轻量化、剧烈震动或扭动、高速运动等。

Description

基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪及其部署方法
技术领域
本发明涉及光谱仪技术领域，尤其是涉及一种基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪及其部署方法。
背景技术
光谱仪是一种能够将复色光分离并探测的仪器，它通常由光阑、光栅或棱镜、透镜、线阵CCD等元件按照精确的几何关系组合而成。传统的光谱仪通常利用光栅或棱镜对不同波长光分光角度的差异性，使复色光发生空间分离。然而传统光谱仪的体积较大，光学元件多，且对光学元件的对准精度要求极高，限制了它在一些极端环境中的应用，例如剧烈震动、微型载具、高速运动等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决传统光谱仪的体积较大，光学元件多，且对光学元件的对准精度要求极高，限制了它在一些极端环境中的应用，例如剧烈震动、微型载具、高速运动等的问题，现提供了一种基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪及其部署方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪，包括相对设置且用于反射光线的平面反射镜和光线反射模块，所述光线反射模块为微结构芯片，所述光线反射模块上依次设置有用于入射光通过的光阑、准直反射镜、滤光孔、聚焦光栅和线阵CCD；
在使用时，入射光通过光阑照射至平面反射镜上，并由平面反射镜反射至准直反射镜，所述准直反射镜将反射光线进行相位调制并再次反射至平面反射镜，再由所述平面反射镜将调质后的光线反射至滤光孔和聚焦光栅，所述滤光孔将反射光线中的杂散光滤除，所述聚焦光栅将光线调制成不同波长的光并以不同的衍射角反射至平面反射镜，然后光线在平面反射镜和光线反射模块之间反射，最后将不同波长的光线聚焦在线阵CCD的不同位置。相比于现有技术，本方案采用微结构芯片与平面反射镜相结合，进一步简化了光学系统组装中高精度的对准过程，在提高系统的抗干扰能力的同时也进一步降低了制造成本，不仅能够应用于传统的光谱探测，也能够适用于一些极端环境中探测需求，如小型化、轻量化、剧烈震动或扭动、高速运动等。
进一步地，所述光阑、准直反射镜、滤光孔和聚焦光栅均为在微结构芯片的表面刻蚀的微结构阵列。
进一步地，所述滤光孔为在为结构芯片上刻蚀的方形孔。
进一步地，所述滤光孔尺寸W小于准直反射镜和聚焦光栅之间的间距。
进一步地，所述准直反射镜聚焦光栅均由依次堆叠的透明衬底、金属镀膜、透明介电质薄膜和刻蚀的若干介电质纳米圆柱构成。
进一步地，若干所述介电质纳米圆柱呈六边形网格排列。
进一步地，若干所述介电质纳米圆柱的高度相同且小于半中心波长。
进一步地，若干所述介电质纳米圆柱的直径有差异。
一种基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪的部署方法，所述平面反射镜和光线反射模块之间的间距为g，所述光阑的直径为d，所述入射光通过光阑后的发散角为θ，其中α>θ，斜入射光经过平面反射镜反射到准直反射镜的相位分布为：
Figure BDA0003717349120000021
其中λ0为光谱仪工作的中心波长，xy为水平面的空间坐标，α为准直反射镜调制后光线的反射角；
所述准直反射镜的直径为：D＝2g[tan(α+θ)-tan(α-θ)]；
所述准直反射镜距小孔中心点的距离为：L1＝g[tan(α+θ)+tan(α-θ)]。
所述准直反射镜对入射光进行相位调制后，出射光为反射角为β的平行光，即出射光的相位分布为：phasero＝2πx sinβ/λ0；
因此准直反射镜需要补偿的相位为：
Figure BDA0003717349120000031
进一步地，照射到聚焦光栅上相位分布为：
phasefi＝phasero＝2πx sinβ/λ0；
中心波长的焦距为：f＝2n·g，n＝1，2，3...；
其中γ为中心波长的衍射角，经聚焦光栅调制后中心波长出射光的相位分布为：
Figure BDA0003717349120000032
因此准直反射镜需要补偿的相位为：
Figure BDA0003717349120000033
所述准直反射镜和聚焦光栅的中心距离为：L2＝2g tanβ；
所述聚焦光栅与线阵CCD之间的中心距离为：L3＝2ng tanγ；
聚焦光栅的直径为：Dg＝2g[tan(α+θ)-tan(α-θ)]。
本发明的有益效果是：本发明基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪及其部署方法在使用时，通过微结构芯片与平面反射镜相结合，进一步简化了光学系统组装中高精度的对准过程，在提高系统的抗干扰能力的同时也进一步降低了制造成本，不仅能够应用于传统的光谱探测，也能够适用于一些极端环境中探测需求，如小型化、轻量化、剧烈震动或扭动、高速运动等，避免了传统光谱仪的体积较大，光学元件多，且对光学元件的对准精度要求极高，限制了它在一些极端环境中的应用，例如剧烈震动、微型载具、高速运动等的问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中光谱仪的刻蚀结构示意图；
图3是本发明中微结构阵列示意图一；
图4是本发明中微结构阵列示意图二；
图5是本发明中光谱仪光路传播示意图。
图中：1、平面反射镜，2、光阑，3、准直反射镜，4、滤光孔，5、聚焦光栅，6、线阵CCD，7、透明衬底，8、金属镀膜，9、透明介电质薄膜，10、介电质纳米圆柱，11、光线反射模块。
具体实施方式
本发明下面结合实施例作进一步详述：
本发明不局限于下列具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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”等仅用于描述目的，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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
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；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-5所示，一种基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪，包括相对设置且用于反射光线的平面反射镜1和光线反射模块11，所述光线反射模块11为微结构芯片，所述光线反射模块11上依次设置有用于入射光通过的光阑2、准直反射镜3、滤光孔4、聚焦光栅5和线阵CCD6；
在使用时，入射光通过光阑2照射至平面反射镜1上，并由平面反射镜1反射至准直反射镜3，所述准直反射镜3将反射光线进行相位调制并再次反射至平面反射镜1，再由所述平面反射镜1将调质后的光线反射至滤光孔4和聚焦光栅5，所述滤光孔4将反射光线中的杂散光滤除，所述聚焦光栅5将光线调制成不同波长的光并以不同的衍射角反射至平面反射镜1，然后光线在平面反射镜1和光线反射模块11之间反射，最后将不同波长的光线聚焦在线阵CCD6的不同位置。
所述光阑2、准直反射镜3、滤光孔4和聚焦光栅5均为在微结构芯片的表面刻蚀的微结构阵列。
所述滤光孔4为在为结构芯片上刻蚀的方形孔。所述滤光孔4尺寸W小于准直反射镜3和聚焦光栅5之间的间距。滤光孔4能够透过超过发散角θ的杂散光，使杂散光从离轴反射光路中滤除，提高光谱仪的信噪比。
一种基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪的部署方法，所述平面反射镜1和光线反射模块11之间的间距为g，所述光阑2的直径为d，所述入射光通过光阑2后的发散角为θ，其中α>θ，斜入射光经过平面反射镜1反射到准直反射镜3的相位分布为：
Figure BDA0003717349120000061
其中λ0为光谱仪工作的中心波长，xy为水平面的空间坐标，α为准直反射镜3调制后光线的反射角；
所述准直反射镜3的直径为：D＝2g[tan(α+θ)-tan(α-θ)]；
所述准直反射镜3距小孔中心点的距离为：L1＝g[tan(α+θ)+tan(α-θ)]。
所述准直反射镜3对入射光进行相位调制后，出射光为反射角为β的平行光，即出射光的相位分布为：phasero＝2πx sinβ/λ0(rad)；
因此准直反射镜3需要补偿的相位为：
Figure BDA0003717349120000062
照射到聚焦光栅5上相位分布为：
phasefi＝phasero＝2πx sinβ/λ0(rad)；
中心波长的焦距为：f＝2n·g，n＝1，2，3...；
其中γ为中心波长的衍射角，经聚焦光栅5调制后中心波长出射光的相位分布为：
Figure BDA0003717349120000071
因此准直反射镜3需要补偿的相位为：
Figure BDA0003717349120000072
所述准直反射镜3和聚焦光栅5的中心距离为：L2＝2g tanβ；
所述聚焦光栅5与线阵CCD6之间的中心距离为：L3＝2ng tanγ；
聚焦光栅5的直径为：Dg＝2g[tan(α+θ)-tan(α-θ)]。
所述准直反射镜3聚焦光栅5均由依次堆叠的透明衬底7、金属镀膜8、透明介电质薄膜9和刻蚀的若干介电质纳米圆柱10构成。此处透明衬底7的材质为石英(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、蓝宝石(Al2O3)等，金属镀膜8的材质为金(Au)或银(Ag)或铝(Al)，透明介电质薄膜9材质为二氧化硅(SiO2)或氟化镁(MgF2)，介电质纳米圆柱10的材质为硅(Si)或二氧化钛(TiO2)、氮化镓(GaN)等。此处光阑2、准直反射镜3、滤光孔4和聚焦光栅5的尺寸为xy平面中，而平面反射镜1和光线反射模块11之间的尺寸为xz平面中。
若干所述介电质纳米圆柱10呈六边形网格排列。若干所述介电质纳米圆柱10的高度相同且小于半中心波长。若干所述介电质纳米圆柱10的直径有差异。不同直径的介电质纳米圆柱10对局域场的调制相位不同，能够在亚波长尺度内实现对入射光场的任意调制，从而能够控制反射光的波前，每个介电质纳米圆柱10相当于一个局域相位调制器，不同直径的介电质纳米圆柱10能够实现0～2π范围内局域场相位的任意调制，如当介电质纳米圆柱10直径在0.1λ～0.5λ变化时，能够在每个六边形网格大小的局域位置实现0～2π的相位调制。介电质纳米圆柱10的尺寸和透明介电质薄膜9的厚度可以根据光谱仪的工作波长范围通过FDTD仿真获得。通过设计介电质纳米圆柱10尺寸的空间分布能够在平面上实现需要的相位调制，如在第一微结构阵列和第二微结构阵列中需要的相位分布。
上述基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪及其部署方法在使用时，光谱仪包括上下两个平行放置的两部分，其中上部分为平面反射镜1，下部分为内表面经过刻蚀的微结构芯片，该芯片由透明衬底7上的金属镀膜8、表面刻蚀的微结构阵列及贴放在表面的线阵CCD6构成；
小孔光阑2为在金属镀膜8上刻蚀的小孔，小孔尺寸为d(d单位为μm)，光通过小孔斜入射光谱仪内部，斜入射角度为α(α单位为rad)，光通过小孔光阑2后的发散角为θ(θ单位为rad)，其中α>θ；
发散光通过小孔斜入射，经平面反射镜1反射后，照射到准直反射镜3上，以角度β(β单位为rad)反射，且反射光在传播方向上为平面光；
由于光谱仪的光阑2小孔尺寸d远小于准直反射镜3的尺寸D和传输距离g，斜入射光经过平面反射镜1反射到准直反射镜3的相位分布为：
Figure BDA0003717349120000081
其中λ0为光谱仪工作的中心波长，xy为水平面的空间坐标，其中x，y，λ0的单位为μm，α为准直反射镜3调制后光线的反射角，其中α的单位为rad。所述准直反射镜3的直径为D＝2g[tan(α+θ)-tan(α-θ)]，准直反射镜3距小孔中心点的距离为：L1＝g[tan(α+θ)+tan(α-θ)]，其中D和L1的单位为μm；
准直反射镜3对入射光进行相位调制后，出射光为反射角为β的平行光，即出射光的相位分布为：
phasero＝2πx sinβ/λ0(rad)
因此准直反射镜3需要补偿的相位为：
Figure BDA0003717349120000091
经过准直反射镜3调制后的准直光经过平面反射镜1反射后照射到聚焦光栅5上。光经过准直反射镜3反射后为斜入射平面光，光经过面平行镜面反射后，照射到聚焦光栅5上相位分布为：
phasefi＝phasero＝2πx sinβ/λ0(rad)
其中phasefi的单位为rad，斜入射平面光经过聚焦光栅5调制，聚焦光栅5的功能等效于具有聚焦功能的闪耀光栅，中心波长的衍射角为γ，中心波长的焦距为：
f＝2n·g，n＝1、2、3...
其中f的单位为μm，经聚焦光栅(5)调制后中心波长出射光的相位分布为：
Figure BDA0003717349120000092
因此准直反射镜3需要补偿的相位为：
Figure BDA0003717349120000093
所述准直反射镜3和聚焦光栅5的中心距离为L2＝2gtanβ，其中L2的单位为μm，所述聚焦光栅5与线阵CCD6之间的中心距离为L3＝2ngtanγ，其中L2的单位为μm，聚焦光栅(5)的直径为Dg＝2g[tan(α+θ)-tan(α-θ)]，其中Dg的单位为μm。
上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪，其特征在于：包括相对设置且用于反射光线的平面反射镜(1)和光线反射模块(11)，所述光线反射模块(11)为微结构芯片，所述光线反射模块(11)上依次设置有用于入射光通过的光阑(2)、准直反射镜(3)、滤光孔(4)、聚焦光栅(5)和线阵CCD(6)；
在使用时，入射光通过光阑(2)照射至平面反射镜(1)上，并由平面反射镜(1)反射至准直反射镜(3)，所述准直反射镜(3)将反射光线进行相位调制并再次反射至平面反射镜(1)，再由所述平面反射镜(1)将调质后的光线反射至滤光孔(4)和聚焦光栅(5)，所述滤光孔(4)将反射光线中的杂散光滤除，所述聚焦光栅(5)将光线调制成不同波长的光并以不同的衍射角反射至平面反射镜(1)，然后光线在平面反射镜(1)和光线反射模块(11)之间反射，最后将不同波长的光线聚焦在线阵CCD(6)的不同位置。
2.根据权利要求1所述的基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪，其特征在于：所述光阑(2)、准直反射镜(3)、滤光孔(4)和聚焦光栅(5)均为在微结构芯片的表面刻蚀的微结构阵列。
3.根据权利要求2所述的基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪，其特征在于：所述滤光孔(4)为在为结构芯片上刻蚀的方形孔。
4.根据权利要求3所述的基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪，其特征在于：所述滤光孔(4)尺寸W小于准直反射镜(3)和聚焦光栅(5)之间的间距。
5.根据权利要求2所述的基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪，其特征在于：所述准直反射镜(3)和聚焦光栅(5)均由依次堆叠的透明衬底(7)、金属镀膜(8)、透明介电质薄膜(9)和刻蚀的若干介电质纳米圆柱(10)构成。
6.根据权利要求5所述的基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪，其特征在于：若干所述介电质纳米圆柱(10)呈六边形网格排列。
7.根据权利要求6所述的基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪，其特征在于：若干所述介电质纳米圆柱(10)的高度相同且小于半中心波长。
8.根据权利要求5或6或7所述的基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪，其特征在于：若干所述介电质纳米圆柱(10)的直径有差异。
9.一种基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪的部署方法，其特征在于：所述平面反射镜(1)和光线反射模块(11)之间的间距为g，所述光阑(2)的直径为d，所述入射光通过光阑(2)后的发散角为θ，其中α＞θ，斜入射光经过平面反射镜(1)反射到准直反射镜(3)的相位分布为：
Figure FDA0003717349110000021
其中λ0为光谱仪工作的中心波长，xy为水平面的空间坐标，α为准直反射镜(3)调制后光线的反射角；
所述准直反射镜(3)的直径为：D＝2g[tan(α+θ)-tan(α-θ)]；
所述准直反射镜(3)距小孔中心点的距离为：L1＝g[tan(α+θ)+tan(α-θ)]。
所述准直反射镜(3)对入射光进行相位调制后，出射光为反射角为β的平行光，即出射光的相位分布为：phasero＝2πxsinβ/λ0；
因此准直反射镜(3)需要补偿的相位为：
Figure FDA0003717349110000022
照射到聚焦光栅(5)上相位分布为：
phasefi＝phasero＝2πxsinβ／λ0；
中心波长的焦距为：f＝2n·g，n＝1、2、3...；
其中γ为中心波长的衍射角，经聚焦光栅(5)调制后中心波长出射光的相位分布为：
Figure FDA0003717349110000031
因此准直反射镜(3)需要补偿的相位为：
Figure FDA0003717349110000032
所述准直反射镜(3)和聚焦光栅(5)的中心距离为：L2＝2gtanβ；
所述聚焦光栅(5)与线阵CCD(6)之间的中心距离为：L3＝2ngtanγ；
聚焦光栅(5)的直径为：Dg＝2g[tan(α+θ)-tan(α-θ)]。
CN202210739713.4A 2022-06-23 2022-06-28 基于超构表面与平面反射镜相结合的光谱仪及其部署方法 Pending CN114964497A (zh)

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