一种基于旋转滤光片的单色器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于旋转滤光片的单色器，包括第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第一旋转滤光片、第二旋转滤光片、第三旋转滤光片、第四旋转滤光片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜和第四偏振分光棱镜，所述第一分光镜、第二分光镜和第三分光镜均为平面镜；所述第一分光镜置于平行光路中，第二分光镜位于第一分光镜的透射光的光路中，第三分光镜位于第一分光镜的反射光的光路中。本发明采用了旋转滤光片来实现光谱扫描，具有较高的光谱分辨率和较高的光通量；可实现可见光到红外光的宽光谱波段应用；应用灵活、并且旋转滤光片制作成本低，光学镜片更换方便，后期维护成本低。
【专利说明】
一种基于旋转滤光片的单色器
技术领域
[0001]本发明涉及光学仪器技术领域，具体是一种基于旋转滤光片的单色器。
【背景技术】
[0002]单色器是光学仪器中常用到的一种分光器件，具有分光功能，将一段连续的光谱分割成多个独立的通道，实现光谱扫描。
[0003]目前，单色器的分光方法主要有棱镜分光、光栅分光、傅里叶变换分光三种。
[0004]棱镜分光是利用棱镜材料本身对不同颜色的光具有不同的折射能力这一原理来实现的。棱镜分光系统不产生光谱叠级现象，但测量范围受棱镜材料的透过率和色散率的影响，通常用于可见光，而且分辨率较低。棱镜单独使用时分光性能较低，通常与其它分光元件组合使用，适合做精细分光中的预分光。
[0005]光栅分光是利用衍射原理来进行分光的，即不同频率的光以相同的入射角射到光栅时，各频率的光产生的同级衍射主极大的位置不同。光栅分光系统具有较宽的光谱测量范围和较高的光谱分辨率。但由于受到狭缝大小的限制，该方法难以获得较高的光通量。
[0006]傅里叶变换分光是利用不同频率的光波经双光束干涉过程调制后所得的干涉数据与光谱之间具有傅里叶变换关系的原理来分光。傅里叶变换分光具有较高的光谱分辨率和较高的光通量，但受限于光程变化间隔难以太小，该方法主要用于红外波段。
[0007]目前各种分光系统难以同时兼顾光谱分辨率、光通量、光谱测量范围等特性。开发一种具有较高的综合性能的单色器显得尤为迫切。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种光谱分辨率高、光通量高的基于旋转滤光片的单色器，以解决上述【背景技术】中提出的问题。
[0009]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
一种基于旋转滤光片的单色器，包括第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第一旋转滤光片、第二旋转滤光片、第三旋转滤光片、第四旋转滤光片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜和第四偏振分光棱镜，所述第一分光镜、第二分光镜和第三分光镜均为平面镜;所述第一分光镜置于平行光路中，第二分光镜位于第一分光镜的透射光的光路中，第三分光镜位于第一分光镜的反射光的光路中，所述第一分光镜、第二分光镜和第三分光镜的表面法线与入射平行光均具有45°夹角，第一分光镜、第二分光镜和第三分光镜的受光面积均大于入射光线分别在其表面投射光斑的面积，第一分光镜、第二分光镜和第三分光镜的表面均涂有光学膜层；
第一旋转滤光片位于第二分光镜的透射光路中，第二旋转滤光片位于第二分光镜的反射光路中，第三旋转滤光片位于第三分光镜的反射光路中，第四旋转滤光片位于第三分光镜的透射光路中，第一旋转滤光片、第二旋转滤光片、第三旋转滤光片和第四旋转滤光片的受光面积均大于入射光线分别在其表面投射光斑的面积，第一旋转滤光片、第二旋转滤光片、第三旋转滤光片和第四旋转滤光片的表面均涂有光学膜层，第一旋转滤光片、第二旋转滤光片、第三旋转滤光片和第四旋转滤光片均通过支撑架分别与步进电机联接；
第一偏振分光镜位于第一旋转滤光片的透射光路中，第二偏振分光镜位于第二旋转滤光片的透射光路中，第三偏振分光镜位于第三旋转滤光片的透射光路中，第四偏振分光镜位于第四旋转滤光片的透射光路中，第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜和第四偏振分光棱镜的受光面积均大于入射光线分别在其表面投射光斑的面积，第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜和第四偏振分光棱镜的表面均涂有偏振分光膜层。
[0010]作为本发明进一步的方案:第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜和第四偏振分光棱镜上的偏振分光膜层的工作波段分别与第一旋转滤光片、第二旋转滤光片、第三旋转滤光片和第四旋转滤光片的工作波段一致。
[0011]作为本发明再进一步的方案:所述第一分光镜、第二分光镜、第一旋转滤光片和第一偏振分光棱镜形成第一工作通道，第一分光镜、第二分光镜、第二旋转滤光片和第二偏振分光棱镜形成第二工作通道，第一分光镜、第三分光镜、第三旋转滤光片和第三偏振分光棱镜形成第三工作通道，第一分光镜、第三分光镜、第四旋转滤光片和第四偏振分光棱镜形成第四工作通道。
[0012]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
本发明采用了旋转滤光片来实现光谱扫描，具有较高的光谱分辨率和较高的光通量；并通过多旋转滤光片组合使用来扩展光谱扫描的范围，可实现可见光到红外光的宽光谱波段应用;通道数量、波段范围均可根据实际需要进行定制，应用灵活;并且旋转滤光片制作成本低，光学镜片更换方便，后期维护成本低。
【附图说明】
[0013]图1为本发明的结构示意图。
[0014]1-第一分光镜;2-第二分光镜;3-第三分光镜;4-第一旋转滤光片；5-第二旋转滤光片;6-第三旋转滤光片;7-第四旋转滤光片;8-第一偏振分光棱镜;9-第二偏振分光棱镜；I O-第三偏振分光棱镜;11-第四偏振分光棱镜。
【具体实施方式】
[0015]下面结合【具体实施方式】对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
[0016]请参阅图1，一种基于旋转滤光片的单色器，包括第一分光镜1、第二分光镜2、第三分光镜3、第一旋转滤光片4、第二旋转滤光片5、第三旋转滤光片6、第四旋转滤光片7、第一偏振分光棱镜8、第二偏振分光棱镜9、第三偏振分光棱镜10和第四偏振分光棱镜11，所述第一分光镜1、第二分光镜2和第三分光镜3均为平面镜;所述第一分光镜I置于平行光路中，第二分光镜2位于第一分光镜I的透射光的光路中，第三分光镜3位于第一分光镜I的反射光的光路中，所述第一分光镜1、第二分光镜2和第三分光镜3的表面法线与入射平行光均具有45°夹角，第一分光镜1、第二分光镜2和第三分光镜3的受光面积均大于入射光线分别在其表面投射光斑的面积，第一分光镜1、第二分光镜2和第三分光镜3的表面均涂有光学膜层，使得入射到其表面的某一波段的光能量被反射，另一波段的光能量透射； 第一旋转滤光片4位于第二分光镜2的透射光路中，第二旋转滤光片5位于第二分光镜2的反射光路中，第三旋转滤光片6位于第三分光镜3的反射光路中，第四旋转滤光片7位于第三分光镜3的透射光路中，第一旋转滤光片4、第二旋转滤光片5、第三旋转滤光片6和第四旋转滤光片7的受光面积均大于入射光线分别在其表面投射光斑的面积，第一旋转滤光片4、第二旋转滤光片5、第三旋转滤光片6和第四旋转滤光片7的表面均涂有光学膜层，用来对入射光进行过滤，第一旋转滤光片4、第二旋转滤光片5、第三旋转滤光片6和第四旋转滤光片7均通过支撑架分别与步进电机联接，并通过步进电机的带动在子午平面内绕光轴做旋转运动，实现光谱扫描；
第一偏振分光镜8位于第一旋转滤光片4的透射光路中，第二偏振分光镜9位于第二旋转滤光片5的透射光路中，第三偏振分光镜10位于第三旋转滤光片6的透射光路中，第四偏振分光镜11位于第四旋转滤光片7的透射光路中，第一偏振分光棱镜8、第二偏振分光棱镜
9、第三偏振分光棱镜10和第四偏振分光棱镜11的受光面积均大于入射光线分别在其表面投射光斑的面积，第一偏振分光棱镜8、第二偏振分光棱镜9、第三偏振分光棱镜1和第四偏振分光棱镜11的表面均涂有偏振分光膜层，第一偏振分光棱镜8、第二偏振分光棱镜9、第三偏振分光棱镜1和第四偏振分光棱镜11上的偏振分光膜层的工作波段分别与第一旋转滤光片4、第二旋转滤光片5、第三旋转滤光片6和第四旋转滤光片7的工作波段一致，对第一旋转滤光片4、第二旋转滤光片5、第三旋转滤光片6和第四旋转滤光片7出射的光束进行偏振分光，并且禁止P分量的偏振光通过，只允许s分量的偏振光通过。
[0017]入射平行光依次经过第一分光镜1、第二分光镜2、第一旋转滤光片4和第一偏振分光棱镜8之后形成第一工作通道的光波段出射;入射平行光依次经过第一分光镜1、第二分光镜2、第二旋转滤光片5和第二偏振分光棱镜9之后形成第二工作通道的光波段出射;入射平行光依次经过第一分光镜1、第三分光镜3、第三旋转滤光片6和第三偏振分光棱镜10之后形成第三工作通道的光波段出射;入射平行光依次经过第一分光镜1、第三分光镜3、第四旋转滤光片7和第四偏振分光棱镜11之后形成第四工作通道的光波段出射。
[0018]从物体发射出来的光经过光束压缩整形后形成平行光束进入单色器，光束经过第一分光镜1、第二分光镜2和第三分光镜3的作用分成四个波段，每个波段的光经过相应的旋转滤光片及偏振分光棱镜的过滤及扫描，完成对应四个工作通道的光谱扫描，输出给相应的光电接收系统。
[0019]平行光束首先入射至第一分光镜I，被第一分光镜I分成第一波段和第二波段两束光，其中第一波段的光被第一分光镜I透射，第二波段的光被第一分光镜I反射;所述第一波段的光入射至第二分光镜2，被第二分光镜2分成第三波段和第四波段两束光，其中第三波段的光被第二分光镜2透射，第四波段的光被第二分光镜2反射;所述第二波段的光，入射至第三分光镜3，被第三分光镜3分成第五波段和第六波段两束光，其中第五波段的光被第三分光镜3透射，第六波段的光被第三分光镜3反射。
[0020]所述第一波段的光对应的波长范围为λ11-λ12，所述第二波段的光对应的波长范围为λ21-λ22，所述第三波段的光对应的波长范围为λ31-λ32，所述第四波段的光对应的波长范围为λ41-λ42，所述第五波段的光对应的波长范围为λ51-λ52，所述第六波段的光对应的波长范围为λ61-λ62;并且有如下关系:
λ41>λ11，λ42<λ31，λ32<λ12，λ22<λ11，λ61>λ21，λ62<λ51，λ52<λ22。
[0021]所述第三波段的光，入射至第一旋转滤光片4后被过滤，输出带宽很窄的一束光，再经过第一偏振分光棱镜8的分光，形成偏振分量为s光的输出光束;所述第一旋转滤光片4，表面涂有光学膜层，使得第一工作通道范围内很窄的某个波段的光透过。
[0022]所述第一旋转滤光片4，当光束入射角为零时，其光谱特性为:
半带宽为A Al，中心波长为λ10，峰值透过率为Tlmax，截止带范围Δ λ13，截止带透过率为Tlmin0
[0023]所述第一旋转滤光片4，在步进电机的驱动下在子午面内旋转，使光束入射角在O度至ΘI之间变化，实现第一工作通道的光谱扫描；ΘI大于零并且小于90度;光束入射角为O度时，第一旋转滤光片4的输出光束的中心波长λ10对应于第一工作通道的最大波长值;随着入射角的逐渐增大，λ10逐渐减小;光束在ΘI角度入射角时，λ10对应于第一工作通道的最小波长值。
[0024]第一工作通道的波长范围为λ14?λ15，并且有λ14彡λ31，λ15彡λ32。
[0025]第一偏振分光棱镜8，表面涂有光学膜层，其工作波段与第一工作通道的范围一致，禁止第一工作通道以外的光透射，禁止第一工作通道的P偏振分量的光透射，只允许第一工作通道的s偏振分量的光透射;第一偏振分光棱镜8，其后设置聚光系统，将输出的光汇聚在聚光系统的焦平面上设置的光电接收系统。
[0026]所述第四波段的光，入射至第二旋转滤光片5后被过滤，输出带宽很窄的一束光，再经过第二偏振分光棱镜9的分光，形成偏振分量为s光的输出光束;所述第二旋转滤光片5，表面涂有光学膜层，使得第二工作通道范围内很窄的某个波段的光透过。
[0027]所述第二旋转滤光片5，当光束入射角为零时，其光谱特性为:
半带宽为Δ λ2，中心波长为λ20，峰值透过率为T2max，截止带范围Δ λ23，截止带透过率为T2min。
[0028]所述第二旋转滤光片5，在步进电机的驱动下在子午面内旋转，使光束入射角在O度至Θ2之间变化，实现第二工作通道的光谱扫描；Θ2大于零并且小于90度;光束入射角为O度时，第二旋转滤光片5的输出光束的中心波长λ20对应于第二工作通道的最大波长值;随着入射角的逐渐增大，λ20逐渐减小;光束在Θ2角度入射角时，λ20对应于第二工作通道的最小波长值。
[0029]第二工作通道的波长范围为λ24?λ25，并且有λ24彡λ41，λ25彡λ42。
[0030]第二偏振分光棱镜9，表面涂有光学膜层，其工作波段与第二工作通道的范围一致，禁止第二工作通道以外的光透射，禁止第二工作通道的P偏振分量的光透射，只允许第二工作通道的s偏振分量的光透射;第二偏振分光棱镜9，其后设置聚光系统，将输出的光汇聚在聚光系统的焦平面上设置的光电接收系统;所述第五波段的光，入射至第四旋转滤光片7后被过滤，输出带宽很窄的一束光，再经过第四偏振分光棱镜11的分光，形成偏振分量为8光的输出光束;所述第四旋转滤光片7，表面涂有光学膜层，使得第四工作通道范围内很窄的某个波段的光透过。
[0031 ]所述第四旋转滤光片7，当光束入射角为零时，其光谱特性为:
半带宽为Δ λ4，中心波长为λ40，峰值透过率为T4max，截止带范围Δ λ43，截止带透过率为T4min。
[0032]所述第四旋转滤光片7，在步进电机的驱动下在子午面内旋转，使光束入射角在O度至Θ4之间变化，实现第四工作通道的光谱扫描；Θ4大于零并且小于90度;光束入射角为O度时，第四旋转滤光片7的输出光束的中心波长λ40对应于第四工作通道的最大波长值;随着入射角的逐渐增大，λ40逐渐减小;光束在Θ4角度入射角时，λ40对应于第四工作通道的最小波长值。
[0033]第四工作通道的波长范围为λ44?λ25，并且有λ24彡λ51，λ45彡λ52;
第四偏振分光棱镜11，表面涂有光学膜层，其工作波段与第四工作通道的范围一致，禁止第四工作通道以外的光透射，禁止第四工作通道的P偏振分量的光透射，只允许第四工作通道的S偏振分量的光透射;第四偏振分光棱镜11，其后设置聚光系统，将输出的光汇聚在聚光系统的焦平面上设置的光电接收系统;所述第六波段的光，入射至第三旋转滤光片6后被过滤，输出带宽很窄的一束光，再经过第三偏振分光棱镜1的分光，形成偏振分量为S光的输出光束;所述第三旋转滤光片6，表面涂有光学膜层，使得第三工作通道范围内很窄的某个波段的光透过。
[0034]所述第三旋转滤光片6，当光束入射角为零时，其光谱特性为:
半带宽为Δ λ3，中心波长为λ30，峰值透过率为T3max，截止带范围Δ λ33，截止带透过率为T3min。
[0035]所述第三旋转滤光片6，在步进电机的驱动下在子午面内旋转，使光束入射角在O度至Θ3之间变化，实现第三工作通道的光谱扫描；Θ3大于零并且小于90度;光束入射角为O度时，第三旋转滤光片6的输出光束的中心波长λ30对应于第三工作通道的最大波长值;随着入射角的逐渐增大，λ30逐渐减小;光束在Θ3角度入射角时，λ30对应于第三工作通道的最小波长值。
[0036]第三工作通道的波长范围为λ34?λ35，并且有λ34多λ61，λ35<λ62。
[0037]第三偏振分光棱镜10，表面涂有光学膜层，其工作波段与第六波段的范围一致，禁止第六波段以外的光透射，禁止第六波段的P偏振分量的光透射，只允许第六波段的S偏振分量的光透射;第三偏振分光棱镜10，其后设置聚光系统，将输出的光汇聚在聚光系统的焦平面上设置的光电接收系统;实际应用中，工作通道数量可以根据需要进行增减，工作波段范围也可以根据需要在紫外光、可见光、红外光范围内进行灵活调整。
[0038]所述的基于旋转滤光片的单色器，可以与光电接收器结合起来构成光谱辐射计，进行光谱辐射扫描测量;可以与成像系统光电接收器结合起来构成高光谱成像仪，应用于高光谱成像领域，如测量空气能见度、对温室气体进行分析等。
[0039]本发明采用了旋转滤光片来实现光谱扫描，具有较高的光谱分辨率和较高的光通量;并通过多旋转滤光片组合使用来扩展光谱扫描的范围，可实现可见光到红外光的宽光谱波段应用;通道数量、波段范围均可根据实际需要进行定制，应用灵活;并且旋转滤光片制作成本低，光学镜片更换方便，后期维护成本低。
[0040]上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。
【主权项】
1.一种基于旋转滤光片的单色器，其特征在于，包括第一分光镜(I)、第二分光镜(2 )、第三分光镜(3)、第一旋转滤光片(4)、第二旋转滤光片(5)、第三旋转滤光片(6)、第四旋转滤光片(7)、第一偏振分光棱镜(8)、第二偏振分光棱镜(9)、第三偏振分光棱镜(10)和第四偏振分光棱镜(11)，所述第一分光镜(I)、第二分光镜(2)和第三分光镜(3)均为平面镜;所述第一分光镜(I)置于平行光路中，第二分光镜(2)位于第一分光镜(I)的透射光的光路中，第三分光镜(3)位于第一分光镜(I)的反射光的光路中，所述第一分光镜(I)、第二分光镜(2)和第三分光镜(3)的表面法线与入射平行光均具有45°夹角，第一分光镜(I)、第二分光镜(2)和第三分光镜(3)的受光面积均大于入射光线分别在其表面投射光斑的面积，第一分光镜(I)、第二分光镜(2)和第三分光镜(3)的表面均涂有光学膜层； 第一旋转滤光片(4)位于第二分光镜(2)的透射光路中，第二旋转滤光片(5)位于第二分光镜(2)的反射光路中，第三旋转滤光片(6)位于第三分光镜(3)的反射光路中，第四旋转滤光片(7)位于第三分光镜(3)的透射光路中，第一旋转滤光片(4)、第二旋转滤光片(5)、第三旋转滤光片(6 )和第四旋转滤光片(7 )的受光面积均大于入射光线分别在其表面投射光斑的面积，第一旋转滤光片(4 )、第二旋转滤光片(5 )、第三旋转滤光片(6 )和第四旋转滤光片(7 )的表面均涂有光学膜层，第一旋转滤光片(4 )、第二旋转滤光片(5 )、第三旋转滤光片(6)和第四旋转滤光片(7)均通过支撑架分别与步进电机联接； 第一偏振分光镜(8)位于第一旋转滤光片(4)的透射光路中，第二偏振分光镜(9)位于第二旋转滤光片(5 )的透射光路中，第三偏振分光镜(1 )位于第三旋转滤光片(6 )的透射光路中，第四偏振分光镜(11)位于第四旋转滤光片(7 )的透射光路中，第一偏振分光棱镜(8)、第二偏振分光棱镜(9)、第三偏振分光棱镜(10)和第四偏振分光棱镜(I I)的受光面积均大于入射光线分别在其表面投射光斑的面积，第一偏振分光棱镜(8)、第二偏振分光棱镜(9)、第三偏振分光棱镜(1 )和第四偏振分光棱镜(11)的表面均涂有偏振分光膜层。2.根据权利要求1所述的基于旋转滤光片的单色器，其特征在于，第一偏振分光棱镜(8)、第二偏振分光棱镜(9)、第三偏振分光棱镜(10)和第四偏振分光棱镜(I I)上的偏振分光膜层的工作波段分别与第一旋转滤光片(4)、第二旋转滤光片(5)、第三旋转滤光片(6)和第四旋转滤光片(7)的工作波段一致。3.根据权利要求1所述的基于旋转滤光片的单色器，其特征在于，所述第一分光镜(1)、第二分光镜(2)、第一旋转滤光片(4)和第一偏振分光棱镜(8)形成第一工作通道，第一分光镜(1)、第二分光镜(2)、第二旋转滤光片(5)和第二偏振分光棱镜(9)形成第二工作通道，第一分光镜(I)、第三分光镜(3)、第三旋转滤光片(6)和第三偏振分光棱镜(10)形成第三工作通道，第一分光镜(I)、第三分光镜(3)、第四旋转滤光片(7)和第四偏振分光棱镜(I I)形成第四工作通道。
【文档编号】G01J3/26GK105890756SQ201610356985
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】缪同群, 张声荣, 伍志军, 王志洲, 刘宝星
【申请人】上海新产业光电技术有限公司