[发明专利]一种线性色散组合棱镜分光器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种棱镜分光器件，具体涉及一种线性色散组合棱镜分光器件，它是两块特殊选材、侧面镀膜的棱镜按照“底面相贴，镀膜面相对”方式组合而成的组合棱镜，适用于光谱检测、分析等相关领域。

背景技术

首先必须明确这样一个概念，材料的色散是由于其折射率为波长的函数所引起的。当材料的折射率是波长的一次函数时，材料具有线性色散特性；当材料的折射率是波长的高次函数时，材料具有非线性色散特性。棱镜的色散特性由光线经棱镜出射后偏折角随波长的变化关系表征，若偏折角是波长的一次函数，则棱镜线性色散，若偏折角是波长的高次函数，则棱镜非线性色散。

三角棱镜作为最常用的分光器件具有自由光谱范围宽、结构简单、通光量大、能量利用率高的优点，被广泛用于摄谱仪、分光光谱仪等仪器中。棱镜作为分光器件也很早被用于卫星载荷，例如意大利航天局的PRISMA、机载成像光谱仪APEX等^【1】。

三角棱镜的角色散率表达式如(1)式所示，式中α表示三角棱镜的顶角，θ表示出射光线的偏折角，n表示材料的折射率，三角棱镜的角色散率取决于棱镜材料的折射率和三角棱镜的顶角。

介质折射率随波长的增加而减小的关系称为正常色散，文献中描述材料的色散常数公式如(2)式所示^【2】，其中n代表材料的折射率，λ代表波长，A、B、C、D是常数。

材料的折射率是波长的高次函数，导致(1)式所决定的棱镜角色散率亦是波长的高次函数。因此，三角棱镜在成像光学系统中会给系统带来色差，降低系统的分辨率。PRISMA和APEX光谱仪中，棱镜分光的后光路都采用复杂的透镜组以校正非线性色散带来的色差。

为了克服传统棱镜色散非线性的缺陷，20世纪90年代，提出使用改进的Fery棱镜代替传统棱镜。文献^【3】详细分析了Fery棱镜的色散特性，其角色散率取决于材料的折射率和光线在球面入射点及出射点处切线的夹角。中国科学院光电研究院、中国科学院长春光学与精密机械研究所、苏州大学等单位对Fery棱镜的分光特性都做了深入的研究^【4,5】，理论上，通过控制入射光线的角度，可以用两个曲面校正棱镜的非线性色散。但根据相关单位的研究结果，Fery棱镜仅在理论上能实现线性分光。中科院光电研究院2012年研制的基于曲面Fery棱镜的宽视场推帚式高光谱成像仪，采用Fery棱镜和Offner中继结构相结合的成像设计，其在可见短波范围的分辨率也仅仅达到了25nm^【6】，反映了Fery棱镜的非线性色散依然严重。

第二种克服棱镜色散非线性缺陷的方法是设计复杂的光学系统，目前已经成型了较为成熟的设计方案——离轴全球面成像光学系统(OASIS)，文献^【7】对OASIS系统做了详细的分析。上海技术物理研究所为“天宫一号”研制的空间遥感短波红外成像光谱仪采用了OASIS系统，虽然运用了复杂的光学系统，系统平均光谱分辨率仅仅达到了24nm^【8】，反映了OASIS系统色散的非线性缺陷依然没有得到较好改善。

上述三种现有技术的缺点主要体现在以下几个方面：一、对三角棱镜而言，材料的折射率随波长的非线性变化致使三角棱镜的角色散率呈现严重的非线性，短波(400nm)部分的角色散率是长波(1000nm)部分角色散率的几十倍到数百倍；二、Fery棱镜在理论上可以实现线性色散，但在实际中Fery棱镜短波部分(400nm)的角色散率是长波(1000nm)部分角色散率的10倍以上，此外Fery棱镜的分光效果受制于加工精度，实际加工难度大，关键参数难于控制；三、对于校正棱镜非线性色散的OASIS系统，运用离轴系统，提高了系统加工的难度和成本，增加了系统装调的难度，同时系统的非线性色散依然严重。

以上所涉及的参考文献如下：

【1】魏儒义,“时间调制傅里叶变换红外光谱成像技术与应用研究”.中国科学院大学硕士学位论文,2013.05

【2】Michael Bass,Casimer Docusatis,Jay Enoch等，Hand book of optics(the fourth edition),America:McGraw-Hill professional,2009