一種凹面體全息光柵的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光譜成像領(lǐng)域，具體涉及一種凹面體全息光柵。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的體全息光柵前表面為平面，由于入射光有一定的發(fā)散角，那么入射光的不 同角譜成分的入射角不同，根據(jù)體全息光柵的特性可知，不同入射角對應(yīng)的衍射光中心波 長不同，這不僅會使得體全息光柵的濾波中心波長發(fā)生偏移，使濾波曲線的半高寬增寬，還 會造成像面的色模糊問題更加嚴(yán)重。傳統(tǒng)的方式通常要使用與體光柵嚴(yán)格匹配的光束變化 系統(tǒng)，嚴(yán)格限制視場角到〇.Γ以下，這樣的光束變換系統(tǒng)設(shè)計和制作難度較大，造價昂貴， 體積龐大，并且對實際應(yīng)用需要較大的視場角的要求相矛盾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種凹面體全息光柵，解決傳統(tǒng)的體全息光柵在面對具有 較大發(fā)散角的入射光時嚴(yán)重的色模糊和中心波長漂移問題。
[0004] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種凹面體全息光柵，包括光 柵，所述光柵為體全息光柵，所述體全息光柵的上表面設(shè)有凹面。
[0005] 進(jìn)一步地，作為優(yōu)選方案，所述凹面為半球面。
[0006] 進(jìn)一步地，作為優(yōu)選方案，所述凹面為弧形的凹槽。
[0007] 進(jìn)一步地，作為優(yōu)選方案，所述凹槽縱切得到的曲線滿足如下條件：
[0008]
[0009] 其中，X軸為與曲線的最低點相切的坐標(biāo)軸，y軸為垂直于光柵底面的坐標(biāo)軸， f(x)表示曲線方程，f'（X)為f(x)的一階導(dǎo)數(shù)，η是光柵介質(zhì)折射率，a、b分別為光源的 橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)。
[0010] 進(jìn)一步地，作為優(yōu)選方案，所述凹面的最低點到光柵的底面的距離d滿足如下條 件：
[0011]
[0012] 其中，Λ為光柵周期，θB為布拉格角，λ為入射光波長，Δλ為波長選擇性曲線 的半高全寬。
[0013] 進(jìn)一步地，作為優(yōu)選方案，所述凹面的最低點到光柵上沿的豎直距離為凹面的最 低點到光柵底面的距離d的1. 1~1. 5倍。
[0014] 進(jìn)一步地，作為優(yōu)選方案，所述凹槽的兩側(cè)上沿與光柵的側(cè)面齊平。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及有益效果：
[0016] (1)本發(fā)明通過對傳統(tǒng)的平面體全息光柵進(jìn)行改造，設(shè)計了特殊的凹面結(jié)構(gòu)，使 不同角度的入射光進(jìn)入體全息光柵后，得到的折射光線為平行光束，從而使入射光在射入 體全息光柵前，無需進(jìn)行平行光處理，降低了對入射光線的角度要求，省去了平行光處理環(huán) 節(jié)，降低了裝置的復(fù)雜程度。
[0017] (2)將本發(fā)明運用到光譜成像系統(tǒng)中，能夠避免不同角度的入射光造成體全息光 柵的濾波中心波長發(fā)生偏移，進(jìn)而避免濾波曲線的半高寬增寬，防止像面的色模糊問題加 重。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2為不同角度入射光在本發(fā)明中進(jìn)行折射的示意圖。
[0020] 圖中附圖標(biāo)記對應(yīng)的名稱為：
[0021] 1、光柵，2、凹面。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0023] 實施例：
[0024] 本實施例所述的一種凹面體全息光柵，包括光柵1，光柵1為體全息光柵，體全息 光柵的上表面設(shè)有凹面2,入射光從上表面入射，即入射光首先經(jīng)過凹面2。本實施例的凹 面2可以為半球面，或者弧形的凹槽結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示，弧形的凹槽設(shè)置于光柵1的頂 部，且橫向貫通光柵1的頂部。對光柵1進(jìn)行縱切，即可得到凹槽2縱切之后的曲線，如圖 2所示，圖中的曲線部分由凹槽縱切得到，X軸為與曲線的最低點（凹面的最低點）相切的 坐標(biāo)軸，y軸為垂直于光柵底面的坐標(biāo)軸，假設(shè)該曲線滿足的曲線方程為y=f(x)，體全息 光柵外的光源的坐標(biāo)為（a，b)，入射角為0b，布拉格角為ΘΒ，于是有：
[0025] sin Θ b= η · sin Θ B (1)
[0026] 其中，n為光柵介質(zhì)折射率。
[0027] 由于光束的發(fā)散角存在，點（a,b)會發(fā)出不同方向的光線，假設(shè)其中一條與布拉 格入射方向存在Θ角度間隔的光線，與凹面的交點為（X，f(X))，凹面上該點的切線與X軸 夾角α滿足：
[0028] a=arctanf' (x) (2)
[0029] 其中，f'（x)為f(x)的一階導(dǎo)數(shù)；
[0030] 同時，從圖2可知：
[0031]
[0032] 因此，該點上法線偏轉(zhuǎn)α，光束入射角為Θb-θ+α;折射光線與布拉格入射光的 折射光線平行，因此折射角為θΒ+α。根據(jù)折射定律有
[0033] sin (0b-0+a)=η· sin(θB+a) (4)
[0034] 將（1)、⑵、⑶代入（4)，并取近似關(guān)系sin Θ~Θ可得方稈：
[0035]
[0036] 式（5)即凹面縱切得到的曲線需要滿足的方程。
[0037]因此，通過在傳統(tǒng)的體全息光柵的上表面（入射面）設(shè)置滿足式（5)的曲線所構(gòu) 成的曲面，即可保證從（a，b)點射出的光線經(jīng)光柵折射后，得到的是平行光，即無需對入射 光進(jìn)行任何平行處理，即可得到平行的折射光，相當(dāng)于是平行的入射光射入到傳統(tǒng)的體全 息光柵，相對于傳統(tǒng)的體全息光柵，本發(fā)明在減弱了發(fā)散角的影響的同時，能夠有效簡化裝 置，使光束處理更簡單。
[0038] 另外，需要說明的是，本實施例采用的是體全息光柵，這與一般的面全息光柵是有 本質(zhì)區(qū)別的，面全息屬于薄全息，薄全息與體全息的劃分由Q因子決定：
[0039]
[0040] 其中，Λ為光柵周期，η。為折射率，d為光柵厚度，λ為入射光波長；
[0041] Q大于一定值時為體全息，反之為薄全息。由公式可知，在入射光波長和介質(zhì)折射 率一定時，Q因子由光柵厚度和周期決定，如果周期一定，則體全息的厚度遠(yuǎn)大于薄全息的 厚度。由此可見，面全息的厚度通常較小，常用的在數(shù)微米到幾十微米，一般不能直接切出 凹面形狀，要形成凹面，通常只能在介質(zhì)材料的表層制作，在介質(zhì)材料的表層凹面與底面之 間沒有光柵條紋。
[0042] 但是，對于全息光柵，光柵的波長選擇性與厚度和周期有關(guān)，厚度越大，周期越小， 波長選擇性曲線的半高寬越小，波長選擇特性越好，即只有厚度達(dá)到一定程度后，才會具有 明顯的波長選擇性和角度選擇性。因此薄全息光柵的波長選擇性是達(dá)不到"面陣"光譜成 像要求的，通常需要借助狹縫進(jìn)行"線陣"成像，將不同波長光衍射到不同級次上，再通過 推掃方式才能得到"面陣"圖像，是一種先"光譜維"分光后"空間維"推掃的方式。其凹面 通常用于調(diào)整光譜維的均勻性。
[0043] 而本實施例的體全息光柵，厚度屬于毫米量級，可以直接切出凹面，這是之前體全 息光柵沒有的改造和應(yīng)用，光柵條紋存在于凹面與底面之間的整個介質(zhì)中，這是"體"的概 念，這樣的光柵具有好的波長選擇特性，無需狹縫用于面陣成像，即直接對某一波長進(jìn)行空 間面陣成像，再掃描不同光譜，是一種先"空間維"成像后"光譜維"掃描的光譜成像方式， 本實施例通過在體全息光柵上設(shè)置特定的凹面形狀后，能夠調(diào)整光束中不同角度部分的入 射角，來減小色模糊和中心波長漂移。
[0044] 另外，為了更好地平衡衍射效率和譜寬，發(fā)明人還進(jìn)行了如下研究：發(fā)明人對光柵 厚度，尤其是凹面底部到光柵底面的厚度進(jìn)行了大量試驗和研究，通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凹面2 的最低點到光柵1的底面的距離d滿足如下條件：
[0045]
[0046]其中，Λ為光柵周期，θB為布拉格角，λ為入射光波長，Δ λ為波長選擇性曲線 的半高全寬。
[0047] 此時，能夠確保衍射光的衍射效率和譜寬不會因為厚度的不同而造成過大的差 異，更好地滿足衍射和光譜成像的要求。
[0048] 優(yōu)選的，凹面2的最低點到光柵1上沿的豎直距離為凹面2的最低點到光柵1底 面的距離d的1. 1~1. 5倍，發(fā)明人經(jīng)過大量試驗和研究發(fā)現(xiàn)，凹面2的最低點到光柵1上 沿的豎直距離，也就是凹面的深度對光衍射也有一定的影響，當(dāng)凹面深度為凹面2的最低 點到光柵1底面的距離d的1. 1~1. 5倍時，能夠使得光柵的不同厚度部分的衍射效率和 譜寬具有較小的差異，有利于光譜成像。
[0049] 優(yōu)選的，凹槽的兩側(cè)上沿與光柵1的側(cè)面齊平，也就是說，凹槽的寬度與光柵的寬 度相等，在這種條件下，能夠確保光路盡可能地都進(jìn)入到凹面后，能夠有效減輕色模糊問 題。
[0050] 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依 據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發(fā)明的保護(hù) 范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種凹面體全息光柵，其特征在于：包括光柵（1)，所述光柵（1)為體全息光柵，所述 體全息光柵的上表面設(shè)有凹面（2)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種凹面體全息光柵，其特征在于：所述凹面（2)為半球面。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種凹面體全息光柵，其特征在于：所述凹面（2)為弧形的 凹槽。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種凹面體全息光柵，其特征在于：所述凹槽（2)縱切得到 的曲線滿足如下條件：其中，X軸為與曲線的最低點相切的坐標(biāo)軸，y軸為垂直于光柵底面的坐標(biāo)軸，f(x)表 示曲線方程，f'（X)為f(x)的一階導(dǎo)數(shù)，η是光柵介質(zhì)折射率，a、b分別為光源的橫坐標(biāo)、縱 坐標(biāo)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種凹面體全息光柵，其特征在于：所述凹面（2)的最低點 至IJ光柵⑴的底面的距離d滿足如下條件：其中，Λ為光柵周期，ΘΒ為布拉格角，λ為入射光波長，△λ為波長選擇性曲線的半 高全寬。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種凹面體全息光柵，其特征在于：所述凹面（2)的最低點 到光柵（1)上沿的豎直距離為凹面（2)的最低點到光柵（1)底面的距離d的1. 1~1. 5倍。7. 根據(jù)權(quán)利要求3~6任一項所述的一種凹面體全息光柵，其特征在于：所述凹槽的 兩側(cè)上沿與光柵（1)的側(cè)面齊平。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種凹面體全息光柵，包括體全息光柵本體，體全息光柵本體的前表面設(shè)有弧形的凹槽，凹槽縱切得到的曲線滿足如下條件：<maths num="0001"></maths>其中，x軸為與曲線的最低點相切的坐標(biāo)軸，y軸為垂直于光柵底面的坐標(biāo)軸，f(x)表示曲線方程，fˊ(x)為f(x)的一階導(dǎo)數(shù)，n是光柵介質(zhì)折射率，a、b分別為光源的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)。本發(fā)明采用上述結(jié)構(gòu)，能夠降低對入射光線的角度要求，省去平行光處理環(huán)節(jié)，降低裝置的復(fù)雜程度。
【IPC分類】G02B5/18
【公開號】CN105388546
【申請?zhí)枴緾N201510967783
【發(fā)明人】段佳著, 趙祥杰, 張大勇, 駱永全, 沈志學(xué), 王海峰
【申請人】中國工程物理研究院流體物理研究所
【公開日】2016年3月9日
【申請日】2015年12月21日