TWI719540B

TWI719540B - 一種分光裝置

Info

Publication number: TWI719540B
Application number: TW108125313A
Authority: TW
Inventors: 徐建旭; 蘭艷平
Original assignee: 大陸商上海微電子裝備（集團）股份有限公司
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2019-07-17
Publication date: 2021-02-21
Also published as: TW202008034A; CN110737098B; CN110737098A; WO2020015607A1

Abstract

本說明書揭示一種分光裝置，該分光裝置包含：沿光束傳播方向依次設置的第一楔形分光鏡及第二楔形分光鏡；其中，前述第一楔形分光鏡及前述第二楔形分光鏡設置為：使入射光經過前述第一楔形分光鏡後產生第一透射光；並使前述第一透射光經過前述第二楔形分光鏡後形成與前述入射光平行的第二透射光。本發明實施例提供的分光裝置，可以將不同表面的反射光分離，得到相互不干擾的反射光，在分光的同時不改變光束的形貌及尺寸，且透射光沿著與入射光相同的方向傳播。

Description

一種分光裝置

本說明書實施例關於光學領域，例如關於一種分光裝置。

在光學系統中，特別是測試系統中存在多種參數同時測試的需求，就需要多路分光到各測試模組，圖1是相關技術中的分光場景示意圖，參考圖1，光從光源出射後，沿著光束傳輸的方向，使用分光元件分光，光束進入各測量模組，實現多模組同時測量。

在光學系統中，分光裝置的使用非常普遍，分光裝置主要用於分光，把一束光分成兩束或多束。傳統的分光裝置有視窗片、分光鏡、楔形分光鏡。圖2是相關技術中的視窗片或分光鏡分光光線走向示意圖，參考圖2，視窗片分光則利用光學材料的固有特性：光學材料對任何適用的波段具有一定的反射及透射，從而把一束光分成透射光及反射光，但因為光學元件的前後表面皆會反射，且前後表面的反射率相近，鏡片的厚度有限，不足以把前後表面的光斑分開，前後表面的反射光斑會互相重合，造成光斑尺寸變大，光斑形狀及光強分布失真。分光鏡分光則是藉由在光學材料上鍍膜實現不同的分光比，但是因光學材料的本性，在後表面上不可避免出現反射光，仍然會造成與視窗片分光同樣的問題，前後表面的反射光斑會互相重合，造成光斑尺寸變大，光斑形狀及光強分布失真。除視窗片及分光鏡外，分光裝置亦包含楔形分光鏡分光，圖3是相關技術中楔形分光鏡的分光光線走向示意圖，參考圖3，光束從斜面入射，利用楔形分光鏡不同的厚度，使前表面及後表面的反射角度不相同，進而實現分光，但是由楔形分光鏡分光產生的透射光與入射光的傳播方向會產生偏折，影響分光裝置所處的光學系統的正常工作。

本說明書提供一種分光裝置，以得到相互不干擾的反射光，在分光的同時不改變光束的形貌及尺寸，且透射光沿著與入射光相同的方向傳播。

本發明實施例提供一種分光裝置，其特徵係其包含：沿光束傳播方向依次設置的第一楔形分光鏡及第二楔形分光鏡；其中，前述第一楔形分光鏡及前述第二楔形分光鏡設置為：使入射光經過前述第一楔形分光鏡後產生第一透射光；並使前述第一透射光經過前述第二楔形分光鏡後形成與前述入射光平行的第二透射光。

在部分實施例中，前述第一楔形分光鏡及前述第二楔形分光鏡的折射率相同。

在部分實施例中，沿光束傳播方向，前述第一楔形分光鏡依次包含第一受光面及第一出光面，前述第二楔形分光鏡依次包含第二受光面及第二出光面；前述第一受光面及前述第二出光面平行，前述第一出光面及前述第二受光面平行。

在部分實施例中，前述第一楔形分光鏡與前述第二楔形分光鏡形狀相同。

在部分實施例中，前述第一楔形分光鏡與前述第二楔形分光鏡之間的距離可調。

在部分實施例中，亦包含導軌，前述第一楔形分光鏡及前述第二楔形分光鏡中至少之一設置於前述導軌上。

在部分實施例中，沿光束傳播方向，前述第一楔形分光鏡依次包含第一受光面及第一出光面，前述第一楔形分光鏡的前述第一受光面上設置有光學膜層，前述光學膜層具有預設的透反比。

在部分實施例中，沿光束傳播方向，前述第一楔形分光鏡依次包含第一受光面及第一出光面，前述第二楔形分光鏡依次包含第二受光面及第二出光面；前述第一楔形分光鏡的前述第一出光面設置有第一擋片，前述第一擋片設置為遮擋第三透射光；其中，前述入射光經前述第一出光面產生第二反射光；前述第三透射光為前述第二反射光在前述第一楔形分光鏡內多次反射後形成。

在部分實施例中，沿光束傳播方向，前述第一楔形分光鏡依次包含第一受光面及第一出光面，前述第二楔形分光鏡依次包含第二受光面及第二出光面；前述第二楔形分光鏡的前述第二出光面設置有第二擋片，前述第二擋片設置為遮擋前述第四透射光；其中，前述入射光經前述第二出光面產生第四反射光；前述第四透射光為前述第四反射光在前述第二楔形分光鏡內多次反射後形成。

在部分實施例中，前述分光裝置亦包含沿光束傳播方向依次設置的第三楔形分光鏡及第四楔形分光鏡；前述第三楔形分光鏡及前述第四楔形分光鏡均位於前述第二楔形分光鏡的第二出光面一側，且前述第三楔形分光鏡及前述第四楔形分光鏡與前述第一楔形分光鏡及第二楔形分光鏡設置為以垂直於入射光的軸向的平面呈鏡像對稱，前述第三楔形分光鏡與前述第一楔形分光鏡折射率相同，前述第四楔形分光鏡與前述第二楔形分光鏡折射率相同。

在部分實施例中，前述第一楔形分光鏡設置為：使前述入射光入射前述第一楔形分光鏡時的入射角為45度。

本發明實施例提供的分光裝置，利用楔形分光鏡，可將不同表面的反射光分離，得到相互不干擾的反射光，在分光的同時不改變光束的形貌及尺寸，同時，藉由另外一個楔形分光鏡，將由前一個楔形分光鏡改變傳播方向的透射光，進行角度補償，保證最終出射的透射光沿著與入射光相同的方向傳播。

1‧‧‧入射光

11‧‧‧第一楔形分光鏡

12‧‧‧第二楔形分光鏡

13‧‧‧第三楔形分光鏡

14‧‧‧第四楔形分光鏡

31‧‧‧第一擋片

32‧‧‧第二擋片

111‧‧‧第一受光面

112‧‧‧第一出光面

121‧‧‧第二受光面

122‧‧‧第二出光面

1-T‧‧‧第一透射光

2-T‧‧‧第二透射光

1-R1‧‧‧第一反射光

1-R2‧‧‧第二反射光

T1、T2、T3、T4‧‧‧第一、二、三、四透射光

R1、R2、R3、R4‧‧‧第一、二、三、四反射光

【圖1】為相關技術中的分光場景示意圖。

【圖2】為相關技術中的視窗片或分光鏡分光光線走向示意圖。

【圖3】為相關技術中楔形分光鏡的分光光線走向示意圖。

【圖4】為本發明實施例提供的一種分光裝置的結構示意圖。

【圖5】為本發明實施例提供的另一種分光裝置的結構示意圖。

【圖6】為本發明實施例提供的又一種分光裝置的結構示意圖。

【圖7】為本發明實施例提供的楔形分光鏡距離原理圖。

【圖8】為本發明實施例提供的又一種分光裝置的結構示意圖。

【圖9】為本發明實施例提供的又一種分光裝置的結構示意圖。

【圖10】為本發明實施例提供的又一分光裝置的結構示意圖。

下面結合圖式及實施例對本說明書作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅用於解釋本說明書，而非對本說明書的限定。另外亦需要說明的是，為了便於描述，圖式中僅示出與本說明書相關的部分而非全部結構。

圖4為本發明實施例提供的一種分光裝置的結構示意圖，參考圖4，該分光裝置包含：沿光束傳播方向依次設置的第一楔形分光鏡11及第二楔形分光鏡12；其中，前述第一楔形分光鏡11及前述第二楔形分光鏡12設置為：使入射光經過第一楔形分光鏡11後產生第一透射光1-T；並使第一透射光1-T經過第二楔形分光鏡12後形成與入射光平行的第二透射光2-T。

本實施例中，第一楔形分光鏡11及第二楔形分光鏡12為一種正反面不平行的，具有一定夾角的分光鏡，沿光束傳播方向，第一楔形分光鏡11依次包含第一受光面111及第一出光面112，第二楔形分光鏡12依次包含第二受光面121及第二出光面122。第一楔形分光鏡11及第二楔形分光鏡12採用的光學材料對任何適用的波段具有一定的反射及透射，因此，可把入射光1分成第一透射光1-T及第一反射光1-R1，而入射光1在進入第一楔形分光鏡11後，在第一楔形分光鏡11的出光面也會產生反射，進而透過第一楔形分光鏡11的受光面出射，形成第二反射光1-R2，第二反射光1-R2與第一反射光1-R1的出射方向存在較大偏差，因而保證第一反射光1-R1不受第二反射光1-R2的干擾，並且，入射光1在進入第一楔形分光鏡11後，會在受光面及出光面進行多次反射，同理，反射後出射的反射光均與第一反射光1-R1的傳播方向具有較大偏差，因此，第一反射光1-R1的光斑形狀及光強分布不會因其他反射光的干擾而失真。接著參考圖4，第一透射光1-T藉由第二楔形分光鏡12後同樣可以產生反射光及第二透射光2-T，此時，第二楔形分光鏡12可藉由合理地設置及選擇楔角、放置位置以及分光鏡折射率，保證第二透射光2-T與入射光1平行。

接著參考圖4，可選地，第一楔形分光鏡11的第一受光面111上設置有光學膜層，光學膜層具有預設的透反比。藉由光學膜層可以形成滿足光學系統要求的分光比，以適應不同類型的分光。

可選地，入射光1入射第一楔形分光鏡11時的入射角θ為45度。藉由設置入射角為45度，可以保證該分光裝置分出的第一反射光1-R1與原入射光1的光路垂直，進一步地可以為第一反射光的採集裝置餘留足夠的空間，保證第一反射光的測試裝置不會干擾正常的光學系統。

圖5是本發明實施例提供的另一種分光裝置的結構示意圖，參考圖5，第一楔形分光鏡11及第二楔形分光鏡12可採用相同折射率的材料製成，而為了保證第二透射光2-T及入射光1平行，需要對第二楔形分光鏡12的形狀及位置進行合理設置，其中關於第一透射光1-T入射第二楔形分光鏡12的入射角，即在第二楔形分光鏡12的折射率確定的情況下，藉由合理設置入射角，即可確定出射的第二透射光2-T的出射角度，即可保證第二透射光2-T與入射光1的傳播方向一致。

接著參考圖5，沿光束傳播方向，第一楔形分光鏡11依次包含第一受光面111及第一出光面112，第二楔形分光鏡12依次包含第二受光面121及第二出光面122；在部分實施例中，為了方便第二楔形分光鏡12的位置放置及形狀的設計製作，可設計第一受光面111及第二出光面122平行，第一出光面112及第二受光面121平行。

圖6是本發明實施例提供的又一種分光裝置的結構示意圖，參考圖6，在部分實施例中，第一楔形分光鏡11與第二楔形分光鏡12形狀相同。如圖6所示，採用形狀相同的第一楔形分光鏡11及第二楔形分光鏡12，即兩楔形分光鏡的大小及厚度相同，在折射率相同，即採用同一種材料製備的情況下，只需平行放置第一楔形分光鏡11及第二楔形分光鏡12即可，此時第一楔形分光鏡11及第二楔形分光鏡12為中心對稱放置，第二透射光2-T的傳播方向可以保證與入射光1平行。

可選地，第一楔形分光鏡11與第二楔形分光鏡12之間的距離可調。圖7是本發明實施例提供的楔形分光鏡距離原理圖，參考圖7，第二透射光2-T與入射光1雖然保證傳播方向平行，但第二透射光2-T與入射光1在y維度上發生平移，在光學系統中，如果該平移過大時，可能導致第二透射光2-T被光學元件遮擋，影響正常的光路傳播，因此，根據實際的光學系統及光學元件的大小來調節第一楔形分光鏡11及第二楔形分光鏡12的間距，進而可以調節第二透射光2-T在y維度上的平移量。示例性的，假設楔形分光鏡所放置介質空間的折射率為n0，第一楔形分光鏡11的折射率為n1，第一楔形分光鏡的楔角為δ 1，第二楔形分光鏡的折射率為n2，第二楔形分光鏡的楔角為δ 2，根據折射定律，入射光1入射到第一楔形分光鏡11的入射角α 1，在第一楔形分光鏡11平面產生的折射角γ 1，第一透射光1-T入射到第二楔形分光鏡12的入射角α 2，在第二楔形分光鏡12平面產生的折射角γ 2，光束傳輸過程中滿足如下關係：n0*sinα1=n1*sinγ1,n1*sin(γ1-δ1)=n0*sinβ1，n0*sinα2=n2*sinγ2，n2*sin(γ2+δ2)=n0*sinα1。當第一楔形分光鏡11及第二楔形分光鏡12形狀相同，且採用同樣的折射率材料時，可設第一楔形分光鏡11及第二楔形分光鏡的折射率為n1，楔角均為δ。假設入射光1以α入射第一楔形板的平面，在第一楔形分光鏡11的受光面產生的折射角為γ，在第一楔形分光鏡11的出光面的入射角為(γ-δ)，則以β角從第一楔形分光鏡11的出光面出射，以β角從第二楔形分光鏡12的受光面入射，以α角從第二楔形分光鏡12的出射面出射。光束經過兩塊楔形分光鏡後，出射角與入射角相同，光束出射位置沿Y方向產生△y的偏移。假設楔形分光鏡放置的介質空間的折射率為n0，根據折射定律，光束入射到第一楔形分光鏡11的入射角α，在第一楔形分光鏡11入射面產生的折射角γ，楔形分光鏡的楔角δ，出射角為β，光束傳輸過程中滿足如下關係：n0*sinα=n1*sinγ，n1*sin(γ-δ)=n0*sinβ，n0*sinβ=n1*sin(γ-δ)，n1*sinγ=n0*sinα。假設入射光1從第一楔形分光鏡11出射點與光束從第二楔形分光鏡12的入射點之間沿Z向的距離為△z，第一楔形分光鏡11的光束入射點與光束出射點之間沿Z向的距離為△z1，第二楔形分光鏡12的光束入射點與光束出射點之間沿Z向的距離為△z2，則產生的光束量為△y=△z*tan(α-β-δ)+(△z1+△z2)*tan(α-γ)，由此，可根據第一楔形分光鏡11及第二楔形分光鏡12的楔角、厚度、以及入射光的入射角，來確定光束平移量△y，進一步地，可根據兩楔形分光鏡的間距，來調節光束的平移量△y。

圖8是本發明實施例提供的又一種分光裝置的結構示意圖，參考圖8，可選地，該分光裝置亦包含導軌21，第一楔形分光鏡11及第二楔形分光鏡12中至少之一設置於導軌21上。在部分實施例中，可將第一楔形分光鏡11或第二楔形分光鏡12中的至少一個設置於導軌上，保證第一楔形分光鏡11或第二楔形分光鏡12在移動過程中能夠保持相互平行，同時藉由兩楔形分光鏡間距的改變調節第二透射光2-T在y維度上的平移量。

圖9是本發明實施例提供的又一種分光裝置的結構示意圖，參考圖9，入射光1經過第一楔形分光鏡11的第一受光面111產生第一反射光R1，經第一出光面112產生第二反射光R2；第二反射光R2在第一楔形分光鏡11內多次反射後形成第三透射光T3；入射光經過第二楔形分光鏡12的第二受光面121產生第三反射光R3，經第二出光面122產生第四反射光R4；第四反射光R4在第二楔形分光鏡12內多次反射後形成第四透射光T4。在部分實施例中，第一楔形分光鏡11的第一出光面112設置有第一擋片31，第一擋片31設置為遮擋第三透射光T3；在部分實施例中，第二楔形分光鏡12的第二出光面122設置有第二擋片32，第二擋片32設置為遮擋第四透射光T4。

其中，第二反射光R2在第一楔形分光鏡11內多次反射後形成第三透射光T3，第四反射光R4在第二楔形分光鏡12內多次反射後形成第四透射光T4，此處第三透射光T3及第四透射光T4表示除第一透射光T1及第二透射光T2外的其他經過楔形分光鏡內部的反射最終由出光面出射的透射光，由此，藉由第一擋片31及第二擋片32，保證出射的透射光可以僅限於第二透射光，從而使由該分光裝置分出的透射光不會被其他透射光束所干擾，而影響整個光學系統。

圖10是本發明實施例提供的又一分光裝置的結構示意圖，參考圖10，該分光裝置亦包含沿光束傳播方向依次設置的第三楔形分光鏡13及第四楔形分光鏡14；第三楔形分光鏡13及第四楔形分光鏡14均位於第二楔形分光鏡14的第二出光面122一側，且第三楔形分光鏡13及第四楔形分光鏡14與第一楔形分光鏡11及第二楔形分光鏡12以垂直入射光1的軸向的平面呈鏡像對稱，第三楔形分光鏡13與第一楔形分光鏡11折射率相同，第四楔形分光鏡14與第二楔形分光鏡12折射率相同。

藉由設置與第一楔形分光鏡11及第二楔形分光鏡12鏡像對稱的第三楔形分光鏡13及第四楔形分光鏡14，並且第三楔形分光鏡13與第一楔形分光鏡11折射率相同，第四楔形分光鏡14與第二楔形分光鏡12折射率相同，即保證第二透射光2-T在第三楔形分光鏡13及第四楔形分光鏡14中的光路與入射光在第一楔形分光鏡及第二楔形分光鏡中光路呈鏡像對稱，由此可以任意調節第一楔形分光鏡11及第二楔形分光鏡12的間距，而最終出射的透射光T與入射光1不會在y維度上產生平移，從而還原入射光1的光路，對於需要根據光束位置進行測量、成像等工作的光學系統，能夠保證分光的同時不影響光學系統的正常工作。