CN115112238A - 一种超表面空间光谱仪 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种超表面空间光谱仪，光谱仪包括：第一分光片、第一反射镜、第二反射镜、接收传感器，第一反射镜或第二反射镜的反射面包括按照预设位置分布的多个不同功能的亚波长结构，其中，第一分光片与光源的入射光的传输方向呈45°或‑45°或135°或‑135°的角度设置；第一反射镜与入射光的传输方向平行设置；第二反射镜与入射光的传输方向垂直设置；接收传感器用于接收分光片透射或者反射的部分光以形成干涉。本申请通过使用超表面器件代替传统光谱仪中的反射镜，减小器件的尺寸，实现光谱仪的小型化、微型化、轻量化。此外，亚波长结构单元的尺寸处于亚波长量级，可提高光谱仪的分辨率以及对光的处理范围。

Description

一种超表面空间光谱仪

技术领域

本申请实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种超表面空间光谱仪。

背景技术

傅里叶变换光谱仪是红外光谱分析中常用的技术，主要由迈克尔逊干涉仪和计算机组成。迈克尔逊干涉仪的主要功能是使光源发出的光分为两束后形成一定的光程差，再使之复合以产生干涉，所得到的干涉图函数包含了光源的全部频率和强度信息。再用计算机将干涉图函数进行傅里叶变换，就能够计算出原来光源的强度按频率的分布。时间调制傅里叶光谱仪可以快速得到光谱分析的结果，但一般有运动部件稳定性不高。

一种现有的空间调制傅里叶变换光谱，采用固定部件，是将倾斜平面镜与分束器组合在一起，以实现干涉图像的空间调制，但是这种空间调制傅里叶光谱仪体积较大，光谱分辨率受到探测器像元尺寸的限制。另一种现有的光谱仪是基于阶梯形和楔形法布里-珀罗干涉的多通道光谱仪，该种多通道光谱仪实现了光程差的空间采样，但是由于该种多通道光谱仪的波长选择性，只能进行单波长或窄带宽光谱范围的测量。可见，现有各类空间调制傅里叶变换光谱仪的分辨率以及对光的处理范围不佳，或者器件尺寸较大。

发明内容

本申请实施例提供了一种基于超表面的空间调制傅里叶变换光谱仪，能够解决现有的光谱仪分辨率不佳以及器件尺寸较大的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种超表面空间光谱仪，所述光谱仪包括：第一分光片、第一反射镜、第二反射镜、接收传感器，所述第一反射镜或所述第二反射镜的反射面包括按照预设位置分布的多个不同功能的亚波长结构，其中，

所述第一分光片与光源的入射光的传输方向呈45°或-45°或135°或-135°的角度设置，所述第一分光片用于透射部分所述入射光以及反射部分所述入射光，所述第一分光片还用于透射部分所述第一反射镜反射的光，以及反射部分所述第二反射镜反射的光；

所述第一反射镜与所述入射光的传输方向平行设置，所述第一反射镜用于反射所述分光片反射的部分入射光；

所述第二反射镜与所述入射光的传输方向垂直设置，所述第二反射镜用于反射所述分光片透射的部分入射光；

所述接收传感器用于接收所述分光片透射或者反射的部分光以形成干涉。

在一种可选的设计中，在所述分光片与所述光源之间包括：透镜，其中，

所述透镜用于将所述光源扩束准直成平行光，并入射到所述分光片上。

在一种可选的设计中，在所述第二反射镜与所述第一分光片之间还包括：第二分光片，

所述第二分光片用于反射部分所述第一分光片透射的入射光，以及透射部分所述第一分光片透射的入射光，所述第二分光片还用于透射部分所述第二反射镜反射的光。

在一种可选的设计中，所述第二反射镜还用于反射所述第二分光片透射的光。

在一种可选的设计中，所述第一分光片还用于反射部分所述第二分光片透射或者反射的光。

在一种可选的设计中，所述多个不同功能的亚波长结构包括至少两种材料，且多个亚波长结构对光的处理功能不同。

在一种可选的设计中，所述多个亚波长结构对光的处理功能包括以下功能中的至少一项：改变相位、色差、偏振、振幅和频率。

在一种可选的设计中，所述多个亚波长结构包括多个亚波长结构单元，每个亚波长结构单元中的亚波长结构相同，不同亚波长结构单元的亚波长结构不同，所述多个亚波长结构单元按照预设位置依次排列。

在一种可选的设计中，所述接收传感器与所述第一分光片之间还包括：超表面透镜阵列，用于接收所述第一分光片透射或者反射的光，并出射到所述接收传感器中，

所述超表面透镜阵列中的每个超表面透镜是指包括多个不同结构不同功能的亚波长柱子的透镜。

本申请提供了一种超表面空间光谱仪，所述光谱仪包括：第一分光片、第一反射镜、第二反射镜、接收传感器，所述第一反射镜或所述第二反射镜的反射面包括按照预设位置分布的多个不同功能的亚波长结构。通过使用超表面器件代替传统光谱仪中的反射镜，可以减小器件的尺寸，从而使相应的光谱仪系统变得小型化、微型化、轻量化。基于此，通过反射镜表面预设的亚波长结构排列，能够对光束进行不同的处理，从而实现多光束的干涉，超表面器件对光的处理功能包括但不限于分束、汇聚、发散、准直、偏振、滤波、偏转和强度衰减。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种超表面空间光谱仪的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的第二种超表面空间光谱仪的结构示意图。

图1中的标号指示的部件为：1光源，2透镜，3第一分光片，4第一反射镜，5第二反射镜，6超表面透镜阵列，7接收传感器。

图2中的标号指示的部件为：1光源，2透镜，3第一分光片，5第二反射镜，6超表面透镜阵列，7接收传感器，8第二分光片。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例的技术方案进行描述。

本申请以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本申请的限制。如在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括复数表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，尽管在以下实施例中可能采用术语第一、第二等来描述某一类对象，但所述对象不应限于这些术语。这些术语仅用来将该类对象的具体对象进行区分。例如，以下实施例中可能采用术语第一、第二等来描述分光片，但分光片不应限于这些术语。这些术语仅用来将不同的分光片进行区分。以下实施例中可能采用术语第一、第二等来描述的其他类对象同理，此处不再赘述。

本申请实施例提供了一种超表面空间光谱仪，该光谱仪能够解决现有的光谱仪分辨率不佳的问题。

以下通过几种实施方式介绍本申请实施例涉及的一种超表面空间光谱仪。

如图1所示，图1示意了一种超表面空间光谱仪，所述光谱仪包括：第一分光片3、第一反射镜4、第二反射镜5、接收传感器7，所述第一反射镜4或所述第二反射镜5的反射面包括按照预设位置分布的多个不同功能的亚波长结构，其中，

所述第一分光片3与光源1的入射光的传输方向呈45°或-45°或135°或-135°的角度设置，所述第一分光片3用于透射部分所述入射光以及反射部分所述入射光，所述第一分光片3还用于透射部分所述第一反射镜4反射的光，以及反射部分所述第二反射镜5反射的光；

所述第一反射镜4与所述入射光的传输方向平行设置，所述第一反射镜4用于反射所述分光片反射的部分入射光；

所述第二反射镜5与所述入射光的传输方向垂直设置，所述第二反射镜5用于反射所述分光片透射的部分入射光；

所述接收传感器7用于接收所述分光片透射或者反射的部分光以形成干涉。

该实施例中，如图1所示，第一分光片3与入射光的传输方向呈45°的角度设置，光源1发出的光经过透镜2处理之后，作为入射光入射到第一分光片3上并被分为两束光，这两束光分别是指被第一分光片3反射的部分光，以及被第一分光片3透射的部分光。其中，第一分光片3反射部分入射光，反射之后的光束传输方向与入射光的传输方向垂直，反射之后的光束入射到第一反射镜4中，并被第一反射镜4反射，被第一反射镜4反射之后的光束入射到第一分光片3中，被第一分光片3透射部分光，并入射到超表面透镜阵列6中，经过超表面透镜阵列6的处理出射到接收传感器7中。

另一束光是被第一分光片3透射的光，透射之后的光束沿着入射光的传输方向继续传输，入射到第二反射镜5中，被第二反射镜5反射之后的光束入射到第一分光片3中，被第一分光片3反射部分光，并入射到超表面透镜阵列6中，经过超表面透镜阵列6的处理继续出射到接收传感器7中。接收传感器7分别接收到两束光使之复合以形成干涉，通过对应第二反射镜5中不同位置处的相位不同，得到的干涉结果也不同，进而得到包含光源1频率和强度信息的干涉图函数，从而完成光谱分析。

该实施例中，提供了一种超表面空间光谱仪，采用超表面反射镜作为光谱仪中的元件，有效减小了器件的尺寸，同时也提高了光谱仪的分辨率，两束光分别经过不同的反射镜反射，彼此之间在不同位置产生了不同的光程差，从而复合可以产生干涉，以完成光谱分析，整个光谱仪变得更加小型轻量，可以应用在更多的场景中。

一些可选的实施方式中，在所述分光片与所述光源1之间包括：透镜2，其中，所述透镜2用于将所述光源1扩束准直成平行光，并入射到所述分光片上。

该实施例中，如图1所示，透镜2位于光源1之后，第一分光片3之前，能够将光源1进行扩束成大光束，并以平行光作为入射光入射到分光片中，从而增大光束的直径。

一些可选的实施方式中，在所述第二反射镜5与所述第一分光片3之间还包括：第二分光片8，

所述第二分光片8用于反射部分所述第一分光片3透射的入射光，以及透射部分所述第一分光片3透射的入射光，所述第二分光片8还用于透射部分所述第二反射镜5反射的光。

该实施例中，图2示出了第二种超表面空间光谱仪的结构，在第一分光片3之后和第二反射镜5之前，还设置有第二分光片8，，第二分光片8与入射光的传输方向垂直设置，入射光被第一分光片3透射之后，沿入射光的传输方向继续传输，入射到第二分光片8上，被第二分光片8分成两束光，两束光分别是被第二分光片8反射的光以及被第二分光片8透射的光。

其中，第二分光片8反射部分被第一分光片3透射的入射光，反射之后的光入射到第一分光片3中，并被第一分光片3反射到超表面透镜阵列6中，经过超表面透镜阵列6处理入射到接收传感器7中。

另一束光是被第二分光片8透射的光，透射之后的光束沿着入射光的传输方向继续传输，入射到第二反射镜5中，被第二反射镜5反射之后的光束入射到第二分光片8中，被第二分光片8透射的部分光束继续入射到第一分光片3中，被第一分光片3反射部分光，并入射到超表面透镜阵列6中，经过超表面透镜阵列6处理后，入射到接收传感器7中。

该实施例中，增加了第二分光片8，使得被第一分光片3透射的光束能够在第一分光片3、第二分光片8以及第二反射镜5之间进行反射、透射，并且第二反射镜5表面的亚波长结构能够对光束进行不同的处理，改变了光束的相位、色差、振幅、频率等等，从而使得被第二反射镜反射的光束与被第二分光片反射光束在不同位置的相位不同，进而接收传感器7对接收到的多束光进行复合，以得到不同的干涉结果。

一些可选的实施方式中，所述第二反射镜5还用于反射所述第二分光片8透射的光。

一些可选的实施方式中，所述第一分光片3还用于反射部分所述第二分光片8透射或者反射的光。

该实施例中，如图2所示，设置了第二分光片8之后，被第一分光片3透射的入射光入射到第二分光片8之上，第二分光片8对部分入射光进行反射，对另一部分入射光进行透射，从而被第二分光片8透射的光会入射到第二反射镜5中，并被第二反射镜5反射，被第二分光片8反射的光会入射到第一分光片3中，并被第一分光片3反射。

一些可选的实施方式中，所述多个不同功能的亚波长结构包括至少两种材料，且多个亚波长结构对光的处理功能不同。

该实施例中，在第二反射镜5的反射面包括多个按照预设位置分布的亚波长结构，其中，亚波长结构通常为亚波长柱子的形态，在多个亚波长柱子中，包括至少两种材料，不同材料对光的处理功能也不相同，因此不同亚波长柱子的光处理功能也不相同。需要知道的是，在其他实施方式中，也可以是第一反射镜4的反射面包括多个亚波长结构，本申请对此不做限制。

一些可选的实施方式中，所述多个亚波长结构对光的处理功能包括以下功能中的至少一项：改变相位、色差、偏振、振幅和频率。

该实施例中，通过多个亚波长结构不同的材料组合，以及亚波长结构之间的排列方式等等，可以对光进行不同的处理，包括但不限于改变相位、色差、偏振、振幅和频率，还可以通过不同亚波长结构的排列组合实现其他光处理功能，本申请对此不做限制。

一些可选的实施方式中，所述多个亚波长结构包括多个亚波长结构单元，每个亚波长结构单元中的亚波长结构相同，不同亚波长结构单元的亚波长结构不同，所述多个亚波长结构单元按照预设位置依次排列。

该实施例中，在第二反射镜5的反射面上的多个亚波长结构被分为许多个亚波长结构单元，其中将亚波长结构相同的亚波长柱划分为一个单元，不同结构的亚波长柱划分为不同亚波长结构单元，并且按照预设位置进行设置。例如可以根据亚波长柱的高度从低到高依次排列，或者根据亚波长柱的尺寸从大到小依次或任意排列，也可以根据材料的不同，在相应的位置设置对应材料的亚波长柱，以实现预设的光学功能。此外，亚波长结构单元的尺寸处于亚波长量级，提高了光谱仪的分辨率以及对光的处理范围。本申请实施例提供的超表面空间光谱仪仅是一种示例性描述，并不对本申请构成限制。

一些可选的实施方式中，所述接收传感器7与所述第一分光片3之间还包括：超表面透镜阵列6，用于接收所述第一分光片3透射或者反射的光，并出射到所述接收传感器7中，

所述超表面透镜阵列6中的每个超表面透镜是指包括多个不同结构不同功能的亚波长柱的透镜。

该实施例中，在第一分光片3之后接收传感器7之前，还包括一个超表面透镜阵列6，该超表面透镜阵列6包括至少一个超表面透镜，其中，每个超表面透镜的表面均包括多个亚波长柱，多个亚波长柱的材料、结构以及排列方式根据预设进行分布，根据不同的光学功能对应的采用不同结构、材料的亚波长柱，以及确定亚波长柱的位置。超表面透镜阵列6接收全部第一分光片3透射或者反射的光束，并将处理之后的光束出射到接收传感器7中。

综上，本申请实施例的超表面空间光谱仪，通过使用超表面器件代替传统光谱仪中的反射镜，可以减小器件的尺寸，从而使相应的光谱仪系统变得小型化、微型化、轻量化。此外，亚波长结构单元的尺寸处于亚波长量级，提高了光谱仪的分辨率以及对光的处理范围。基于此，通过反射镜表面预设的亚波长结构排列，能够对光束进行不同的处理，使得两束光在不同的位置产生了不同的光程差，从而实现多光束的干涉，超表面器件对光的处理功能包括但不限于分束、汇聚、发散、准直、偏振、滤波、偏转和强度衰减。

尽管已描述了本申请的可选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超表面空间光谱仪，其特征在于，所述光谱仪包括：第一分光片、第一反射镜、第二反射镜、接收传感器，所述第一反射镜或所述第二反射镜的反射面包括按照预设位置分布的多个不同功能的亚波长结构，其中，

所述第一分光片与光源的入射光的传输方向呈45°或-45°或135°或-135°的角度设置，所述第一分光片用于透射部分所述入射光以及反射部分所述入射光，所述第一分光片还用于透射部分所述第一反射镜反射的光，以及反射部分所述第二反射镜反射的光；

所述第一反射镜与所述入射光的传输方向平行设置，所述第一反射镜用于反射所述分光片反射的部分入射光；

所述第二反射镜与所述入射光的传输方向垂直设置，所述第二反射镜用于反射所述分光片透射的部分入射光；

所述接收传感器用于接收所述分光片透射或者反射的部分光以形成干涉。

2.如权利要求1所述的超表面空间光谱仪，其特征在于，在所述分光片与所述光源之间包括：透镜，其中，

所述透镜用于将所述光源扩束成平行光，并入射到所述分光片上。

3.如权利要求1所述的超表面空间光谱仪，其特征在于，在所述第二反射镜与所述第一分光片之间还包括：第二分光片，

所述第二分光片用于反射部分所述第一分光片透射的入射光，以及透射部分所述第一分光片透射的入射光，所述第二分光片还用于透射部分所述第二反射镜反射的光。

4.如权利要求3所述的超表面空间光谱仪，其特征在于，所述第二反射镜还用于反射所述第二分光片透射的光。

5.如权利要求4所述的超表面空间光谱仪，其特征在于，所述第一分光片还用于反射部分所述第二分光片透射或者反射的光。

6.如权利要求1所述的超表面空间光谱仪，其特征在于，所述多个不同功能的亚波长结构包括至少两种材料，且多个亚波长结构对光的处理功能不同。

7.如权利要求6所述的超表面空间光谱仪，其特征在于，所述多个亚波长结构对光的处理功能包括以下功能中的至少一项：改变相位、色差、偏振、振幅和频率。

8.如权利要求7所述的超表面空间光谱仪，其特征在于，所述多个亚波长结构包括多个亚波长结构单元，每个亚波长结构单元中的亚波长结构相同，不同亚波长结构单元的亚波长结构不同，所述多个亚波长结构单元按照预设位置依次排列。

9.如权利要求1所述的超表面空间光谱仪，其特征在于，所述接收传感器与所述第一分光片之间还包括：超表面透镜阵列，用于接收所述第一分光片透射或者反射的光，并出射到所述接收传感器中，

所述超表面透镜阵列中的每个超表面透镜是指包括多个不同结构不同功能的亚波长柱子的透镜。

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