本發(fā)明涉及一種棱鏡分光器件，具體涉及一種線性色散組合棱鏡分光器件，它是兩塊特殊選材、側(cè)面鍍膜的棱鏡按照“底面相貼，鍍膜面相對(duì)”方式組合而成的組合棱鏡，適用于光譜檢測、分析等相關(guān)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
首先必須明確這樣一個(gè)概念，材料的色散是由于其折射率為波長的函數(shù)所引起的。當(dāng)材料的折射率是波長的一次函數(shù)時(shí)，材料具有線性色散特性；當(dāng)材料的折射率是波長的高次函數(shù)時(shí)，材料具有非線性色散特性。棱鏡的色散特性由光線經(jīng)棱鏡出射后偏折角隨波長的變化關(guān)系表征，若偏折角是波長的一次函數(shù)，則棱鏡線性色散，若偏折角是波長的高次函數(shù)，則棱鏡非線性色散。三角棱鏡作為最常用的分光器件具有自由光譜范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單、通光量大、能量利用率高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于攝譜儀、分光光譜儀等儀器中。棱鏡作為分光器件也很早被用于衛(wèi)星載荷，例如意大利航天局的PRISMA、機(jī)載成像光譜儀APEX等【1】。三角棱鏡的角色散率表達(dá)式如(1)式所示，式中α表示三角棱鏡的頂角，θ表示出射光線的偏折角，n表示材料的折射率，三角棱鏡的角色散率取決于棱鏡材料的折射率和三角棱鏡的頂角。介質(zhì)折射率隨波長的增加而減小的關(guān)系稱為正常色散，文獻(xiàn)中描述材料的色散常數(shù)公式如(2)式所示【2】，其中n代表材料的折射率，λ代表波長，A、B、C、D是常數(shù)。材料的折射率是波長的高次函數(shù)，導(dǎo)致(1)式所決定的棱鏡角色散率亦是波長的高次函數(shù)。因此，三角棱鏡在成像光學(xué)系統(tǒng)中會(huì)給系統(tǒng)帶來色差，降低系統(tǒng)的分辨率。PRISMA和APEX光譜儀中，棱鏡分光的后光路都采用復(fù)雜的透鏡組以校正非線性色散帶來的色差。為了克服傳統(tǒng)棱鏡色散非線性的缺陷，20世紀(jì)90年代，提出使用改進(jìn)的Fery棱鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)棱鏡。文獻(xiàn)【3】詳細(xì)分析了Fery棱鏡的色散特性，其角色散率取決于材料的折射率和光線在球面入射點(diǎn)及出射點(diǎn)處切線的夾角。中國科學(xué)院光電研究院、中國科學(xué)院長春光學(xué)與精密機(jī)械研究所、蘇州大學(xué)等單位對(duì)Fery棱鏡的分光特性都做了深入的研究【4,5】，理論上，通過控制入射光線的角度，可以用兩個(gè)曲面校正棱鏡的非線性色散。但根據(jù)相關(guān)單位的研究結(jié)果，F(xiàn)ery棱鏡僅在理論上能實(shí)現(xiàn)線性分光。中科院光電研究院2012年研制的基于曲面Fery棱鏡的寬視場推帚式高光譜成像儀，采用Fery棱鏡和Offner中繼結(jié)構(gòu)相結(jié)合的成像設(shè)計(jì)，其在可見短波范圍的分辨率也僅僅達(dá)到了25nm【6】，反映了Fery棱鏡的非線性色散依然嚴(yán)重。第二種克服棱鏡色散非線性缺陷的方法是設(shè)計(jì)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，目前已經(jīng)成型了較為成熟的設(shè)計(jì)方案——離軸全球面成像光學(xué)系統(tǒng)(OASIS)，文獻(xiàn)【7】對(duì)OASIS系統(tǒng)做了詳細(xì)的分析。上海技術(shù)物理研究所為“天宮一號(hào)”研制的空間遙感短波紅外成像光譜儀采用了OASIS系統(tǒng)，雖然運(yùn)用了復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)平均光譜分辨率僅僅達(dá)到了24nm【8】，反映了OASIS系統(tǒng)色散的非線性缺陷依然沒有得到較好改善。上述三種現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一、對(duì)三角棱鏡而言，材料的折射率隨波長的非線性變化致使三角棱鏡的角色散率呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性，短波(400nm)部分的角色散率是長波(1000nm)部分角色散率的幾十倍到數(shù)百倍；二、Fery棱鏡在理論上可以實(shí)現(xiàn)線性色散，但在實(shí)際中Fery棱鏡短波部分(400nm)的角色散率是長波(1000nm)部分角色散率的10倍以上，此外Fery棱鏡的分光效果受制于加工精度，實(shí)際加工難度大，關(guān)鍵參數(shù)難于控制；三、對(duì)于校正棱鏡非線性色散的OASIS系統(tǒng)，運(yùn)用離軸系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)加工的難度和成本，增加了系統(tǒng)裝調(diào)的難度，同時(shí)系統(tǒng)的非線性色散依然嚴(yán)重。以上所涉及的參考文獻(xiàn)如下：【1】魏儒義,“時(shí)間調(diào)制傅里葉變換紅外光譜成像技術(shù)與應(yīng)用研究”.中國科學(xué)院大學(xué)碩士學(xué)位論文,2013.05【2】MichaelBass,CasimerDocusatis,JayEnoch等，Handbookofoptics(thefourthedition),America:McGraw-Hillprofessional,2009【3】TakeshiNamioka,Theoryoftheellipsoidalconcavegrating.JournaloftheopticalsocietyofAmerican,Vol51,No.1,Jan,1961【4】劉力,Fery棱鏡特性及應(yīng)用研究，蘇州大學(xué)碩士論文,2013.05【5】楊晉,光譜成像儀同心光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究,中國科學(xué)院大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.05【6】聶云峰、相里斌、周瑾松等,“基于曲面棱鏡的寬視場推帚式高光譜成像儀設(shè)計(jì)”[J].光譜學(xué)與光譜分析，2012,32(6):1708-1711【7】LOBBD.Imagingspectrometersusingconcentricoptics[C].SPIE,1997,3118:342-347【8】王欣、丁學(xué)專、楊波等,“棱鏡分光光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及光譜特性計(jì)算”[J].光子學(xué)報(bào),2010,39(7):1334-1339

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
如何滿足光譜分析、檢測與成像系統(tǒng)對(duì)線性色散棱鏡的需求，克服已有技術(shù)不能完全校正棱鏡非線性色散問題，乃是本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題。因此本發(fā)明的目的在于提供一種線性色散組合棱鏡分光器件，以滿足光譜分析、檢測、成像對(duì)線性色散棱鏡的需求。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述功能，所使用的技術(shù)方案為：使用兩塊三角棱鏡，控制光線在組合棱鏡中的逆向傳播引入“減法”，用第二塊棱鏡的非線性色散對(duì)第一塊棱鏡的非線性色散進(jìn)行補(bǔ)償，消除色散的非線性部分，通過求解附加約束條件的微分方程確定棱鏡參數(shù)，得到線性色散組合棱鏡，最后根據(jù)工程需要將三角棱鏡“剪裁”成需要的形狀。具體步驟如下：第一步選材，公式(2)所描述的材料的折射率可以分為兩部分，線性部分n1(λ)和非線性部分Δn2(λ2，λ3，...)，如公式(3)所示，折射率的線性部分是指折射率表達(dá)式中的常數(shù)項(xiàng)和波長的一次項(xiàng)，折射率的非線性部分是指折射率表達(dá)式中波長的高次項(xiàng)，選材時(shí)需要滿足：在所選用波長范圍，描述棱鏡材料的色散常數(shù)公式(2)中，上棱鏡1與下棱鏡2的第二個(gè)系數(shù)B相差小于百分之二，上棱鏡1的與下棱鏡2的第三個(gè)系數(shù)C相差小于百分之二十。其次將三角棱鏡的一個(gè)側(cè)面鍍內(nèi)反射膜，并按照說明書附圖的方式進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)光線的逆向傳播，引入減法，用下棱鏡2的非線性色散對(duì)上棱鏡1的非線性色散進(jìn)行補(bǔ)償，消除色散的非線性部分；第三步，推導(dǎo)組合棱鏡的角色散率表達(dá)式，求解線性色散所約束的微分方程的解，確定棱鏡的形狀，光線的入射方向等參數(shù)，從而獲得線性色散組合棱鏡。角色散率公式的推導(dǎo)過程以及棱鏡的形狀、入射光線的確定參考說明書附圖1進(jìn)行說明，圖中i11、i12分別是光線的入射角和第一面的折射角，i21、i22分別是光線在第二面的入射角和反射角，i31、i32分別是光線在第三面的入射角和折射角，i41、i42分別是光線在第四面的入射角和反射角，i51、i52分別是光線在第五面的入射角和折射角，材料1的折射率為n1，材料2的折射率為n2，圖1中的虛線表示三角棱鏡被“剪裁”掉的部分，組合棱鏡的各參數(shù)求解過程如下所述。符號(hào)規(guī)則：δ表示經(jīng)過兩個(gè)折射棱鏡之后出射光線與入射光線的偏向角。其正負(fù)規(guī)定為，有入射光線以銳角轉(zhuǎn)向出射光線，順時(shí)針方向?yàn)檎?，逆時(shí)針方向?yàn)樨?fù)。光線以銳角方向轉(zhuǎn)向法線，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)。則圖1中的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下所述，α1，β1分別表示第一個(gè)棱鏡的頂角和底角，α2，β2分別表示第二個(gè)棱鏡的頂角和底角。在第一面，sin(i11)＝n1*sin(i12)，角度過渡公式，i12-i21＝α1，則i21＝i12-α1在第二面，i21＝-i22角度過渡公式，2β1+α＝180，-i31+i22＝β1，則i31＝i22-β1第三面，n1*sin(i31)＝n2*sin(i32)轉(zhuǎn)角公式：δ1＝i11-i32-α1-β1角度過渡公式，-α2-2β2＝180，i41-i32+β2＝0，則i41＝i3-2-β2第四面，i42＝-i41角度過渡公式，i42＝i51+α2，則i51＝i42-α2第五面，n2*sin(i51)＝sin(i52)，則i52＝arcin(n2*sin(i51)轉(zhuǎn)角公式，δ2＝i31-i52-α2-β2總的偏轉(zhuǎn)角，δ＝δ1+δ2令則δ＝i11-(α2+2β1+β2)+arcsin(y)-x+arsin(p)該組合棱鏡的角色散率的表達(dá)式為：有公式(4)可知，組合棱鏡的角色散率和上棱鏡1、下棱鏡2的頂角、底角、材料的折射率，以及光線的入射角有關(guān)。線性色散組合棱鏡即要求角色散率為常數(shù)，即要滿足公式(5)式成立，其中δ表示光線經(jīng)過組合棱鏡的偏折角，λ代表波長，C是常數(shù)。將所選材料的色散特性代入微分方程(5)，通過求解附加約束條件的微分方程，即可得到上棱鏡1、下棱鏡2的頂角、底角，以及光線的入射角。第四步，根據(jù)工程需要，將三角棱鏡“剪裁”成合適的形狀，如說明書附圖1所示，上棱鏡1和下棱鏡2可以是三角棱鏡，可以是切去頂角而形成的梯形棱鏡，可以是切去頂角和一個(gè)底角而形成的五邊形棱鏡，也可以是切去頂角、兩個(gè)底角而形成的六邊形棱鏡。本發(fā)明的核心在于使用兩塊折射率非線性部分相等或非常接近的棱鏡，通過側(cè)面鍍膜，使光線反向傳播，用第二塊棱鏡的非線性色散對(duì)第一塊棱鏡的非線性色散進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲得線性色散組合棱鏡分光器件。與現(xiàn)有技術(shù)相比，這種獲得線性色散組合棱鏡分光器件的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：一、方法簡單，與曲面棱鏡和OASIS系統(tǒng)相比，本發(fā)明所述的方法只需要結(jié)合控制變量法求解微分方程，就可以獲得組合棱鏡的設(shè)計(jì)參數(shù)；二、結(jié)構(gòu)簡單，在具體工程實(shí)施時(shí)，工藝容易實(shí)現(xiàn)；三、費(fèi)用低，棱鏡材料容易獲取，加工精度容易實(shí)現(xiàn)，組合棱鏡的生產(chǎn)成本低，且可以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，線性色散組合棱鏡分光器件分光具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：一、繼承了棱鏡光學(xué)效率高、雜散光弱、自由光譜范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了棱鏡色散非線性的缺點(diǎn)；二、具有普適性和通用化的優(yōu)點(diǎn)，可以有效降低光譜儀器的成本、復(fù)雜度、加工裝調(diào)難度；三、材料為普通光學(xué)玻璃，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、抗震性能好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，且易集成、成本低、體積小、重量輕、便于攜帶，適合外場惡劣環(huán)境應(yīng)用。附圖說明圖1為線性色散組合棱鏡示意圖。圖2為H-BaK5與H-ZK3組合棱鏡的偏折角隨波長的變化關(guān)系示意圖。圖3為S-BAL3M與S-BAL41M組合棱鏡的偏折角隨波長的變化關(guān)系示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖1對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。實(shí)施例1：用于可見、近紅外波段的線性色散組合棱鏡分光器件本發(fā)明采用以下主要器件：1.上棱鏡1：材質(zhì)H-BaK5,頂角30°，下底邊長40mm，三面拋光，一個(gè)側(cè)面鍍鋁保護(hù)膜at360-1000nm。2.下棱鏡2：材質(zhì)H-ZK3,頂角30°，下底邊長40mm，三面拋光，一個(gè)側(cè)面鍍鋁保護(hù)膜at360-1000nm。本發(fā)明主要工作原理表述如下：1.材料折射率表達(dá)式為：H-BaK5的系數(shù)B＝0.013404，C＝0.01148432；H-ZK3的系數(shù)B＝0.0136465，C＝0.013476，兩種材料的第二個(gè)系數(shù)相差1.8％，第三個(gè)系數(shù)相差9.2％。上棱鏡1與下棱鏡2按照“底面相貼，鍍膜面相對(duì)”的方式組合成組合棱鏡；2.將兩種材料的折射率與波長的關(guān)系代入(5)式，有(5)式約定的入射角為39°，棱鏡的頂角為30°，底角75°；3.360nm-1000nm的寬波段平行光以39°角入射組合棱鏡，經(jīng)過組合棱鏡的折反射，出射光線的偏折角與波長的變化關(guān)系如圖2所示。該組合棱鏡的角色散率為常數(shù)。實(shí)施例2：用于短波紅外波段的線性色散組合棱鏡分光器件本發(fā)明采用以下主要器件：1.上棱鏡1：材質(zhì)S-BAL3M,頂角27°，下底邊長40mm，三面拋光，一個(gè)側(cè)面鍍鋁保護(hù)膜at1000-2100nm。2.下棱鏡2：材質(zhì)S-BAL41M,頂角27°，下底邊長40mm，三面拋光，一個(gè)側(cè)面鍍鋁保護(hù)膜at1000-2100nm。本發(fā)明主要工作原理表述如下：1.材料折射率表達(dá)式為：S-BAL3M的系數(shù)B＝0.0202019、C＝0.0236648，S-BAL41M的系數(shù)B＝0.0202027、C＝0.023359，兩種材料的第二個(gè)系數(shù)相差0.004％，第三個(gè)系數(shù)相差1.2％。上棱鏡1與下棱鏡2按照“底面相貼，鍍膜面相對(duì)”的方式組合成組合棱鏡；2.將兩種材料的折射率與波長的關(guān)系代入(5)式，有(5)式約定的入射角為25°棱鏡的頂角為27°，底角76.5°；3.1000nm-2100nm的寬波段平行光以25°角入射組合棱鏡，經(jīng)過組合棱鏡的折反射，出射光線的偏折角與波長的變化關(guān)系如圖3所示。該組合棱鏡的角色散率為常數(shù)。