一种凹面体全息光栅的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及光谱成像领域，具体涉及一种凹面体全息光栅。
【背景技术】
[0002] 传统的体全息光栅前表面为平面，由于入射光有一定的发散角，那么入射光的不 同角谱成分的入射角不同，根据体全息光栅的特性可知，不同入射角对应的衍射光中心波 长不同，这不仅会使得体全息光栅的滤波中心波长发生偏移，使滤波曲线的半高宽增宽，还 会造成像面的色模糊问题更加严重。传统的方式通常要使用与体光栅严格匹配的光束变化 系统，严格限制视场角到0.1°以下，这样的光束变换系统设计和制作难度较大，造价昂贵， 体积庞大，并且对实际应用需要较大的视场角的要求相矛盾。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型的目的在于提供一种凹面体全息光栅，解决传统的体全息光栅在面对 具有较大发散角的入射光时严重的色模糊和中心波长漂移问题。
[0004] 本实用新型为实现上述目的，采用以下技术方案实现:一种凹面体全息光栅，包括 光栅，所述光栅为体全息光栅，所述体全息光栅的上表面设有凹面。
[0005] 进一步地，作为优选方案，所述凹面为半球面。
[0006] 进一步地，作为优选方案，所述凹面为弧形的凹槽。
[0007] 进一步地，作为优选方案，所述凹槽纵切得到的曲线满足如下条件：
[0009] 其中，X轴为与曲线的最低点相切的坐标轴，y轴为垂直于光栅底面的坐标轴，f(x) 表示曲线方程，f'（x)为f(x)的一阶导数，η是光栅介质折射率，a、b分别为光源的横坐标、纵 坐标。
[0010] 进一步地，作为优选方案，所述凹面的最低点到光栅的底面的距离d满足如下条 件：
[0012] 其中，Λ为光栅周期，ΘΒ为布拉格角，λ为入射光波长，Δλ为波长选择性曲线的半 高全宽。
[0013] 进一步地，作为优选方案，所述凹面的最低点到光栅上沿的竖直距离为凹面的最 低点到光栅底面的距离d的1.1~1.5倍。
[0014] 进一步地，作为优选方案，所述凹槽的两侧上沿与光栅的侧面齐平。
[0015] 本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
[0016] (1)本实用新型通过对传统的平面体全息光栅进行改造，设计了特殊的凹面结构， 使不同角度的入射光进入体全息光栅后，得到的折射光线为平行光束，从而使入射光在射 入体全息光栅前，无需进行平行光处理，降低了对入射光线的角度要求，省去了平行光处理 环节，降低了装置的复杂程度。
[0017] (2)将本实用新型运用到光谱成像系统中，能够避免不同角度的入射光造成体全 息光栅的滤波中心波长发生偏移，进而避免滤波曲线的半高宽增宽，防止像面的色模糊问 题加重。
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型的整体结构不意图；
[0019]图2为不同角度入射光在本实用新型中进行折射的示意图。
[0020]图中附图标记对应的名称为：
[0021] 1、光栅，2、凹面。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不 限于此。
[0023] 实施例：
[0024] 本实施例所述的一种凹面体全息光栅，包括光栅1，光栅1为体全息光栅，体全息光 栅的上表面设有凹面2,入射光从上表面入射，即入射光首先经过凹面2。本实施例的凹面2 可以为半球面，或者弧形的凹槽结构，具体如图1所示，弧形的凹槽设置于光栅1的顶部，且 横向贯通光栅1的顶部。对光栅1进行纵切，即可得到凹槽2纵切之后的曲线，如图2所示，图 中的曲线部分由凹槽纵切得到，X轴为与曲线的最低点（凹面的最低点）相切的坐标轴，y轴 为垂直于光栅底面的坐标轴，假设该曲线满足的曲线方程为y = f(x)，体全息光栅外的光源 的坐标为(a，b)，入射角为9b，布拉格角为ΘΒ，于是有：
[0025] sin9b = n · sinBe (1)
[0026] 其中，η为光栅介质折射率。
[0027] 由于光束的发散角存在，点(a,b)会发出不同方向的光线，假设其中一条与布拉格 入射方向存在Θ角度间隔的光线，与凹面的交点为(x，f(x))，凹面上该点的切线与X轴夹角α 满足：
[0028] a = arc tanf'(x) (2)
[0029] 其中，f'（x)为f(x)的一阶导数；
[0030]同时，从图2可知：
[0032]因此，该点上法线偏转α，光束入射角为0b-0+a;折射光线与布拉格入射光的折射 光线平行，因此折射角为θΒ+α .根据折射定律有
[0033] sin(9b-9+a) =η · sin(0B+a) (4)
[0034] 将（1)、（2)、（3)代入(4)，并取近似关系sin0?0可得方程：
[0036]式(5)即凹面纵切得到的曲线需要满足的方程。
[0037]因此，通过在传统的体全息光栅的的上表面(入射面)设置满足式(5)的曲线所构 成的曲面，即可保证从(a，b)点射出的光线经光栅折射后，得到的是平行光，即无需对入射 光进行任何平行处理，即可得到平行的折射光，相当于是平行的入射光射入到传统的体全 息光栅，相对于传统的体全息光栅，本实用新型在减弱了发散角的影响的同时，能够有效简 化装置，使光束处理更简单。
[0038]另外，需要说明的是，本实施例采用的是体全息光栅，这与一般的面全息光栅是有 本质区别的，面全息属于薄全息，薄全息与体全息的划分由Q因子决定：
[0040]其中，Λ为光栅周期，no为折射率，d为光栅厚度，λ为入射光波长；
[0041 ] Q大于一定值时为体全息，反之为薄全息。由公式可知，在入射光波长和介质折射 率一定时，Q因子由光栅厚度和周期决定，如果周期一定，则体全息的厚度远大于薄全息的 厚度。由此可见，面全息的厚度通常较小，常用的在数微米到几十微米，一般不能直接切出 凹面形状，要形成凹面，通常只能在介质材料的表层制作，在介质材料的表层凹面与底面之 间没有光栅条纹。
[0042] 但是，对于全息光栅，光栅的波长选择性与厚度和周期有关，厚度越大，周期越小， 波长选择性曲线的半高宽越小，波长选择特性越好，即只有厚度达到一定程度后，才会具有 明显的波长选择性和角度选择性。因此薄全息光栅的波长选择性是达不到"面阵"光谱成像 要求的，通常需要借助狭缝进行"线阵"成像，将不同波长光衍射到不同级次上，再通过推扫 方式才能得到"面阵"图像，是一种先"光谱维"分光后"空间维"推扫的方式。其凹面通常用 于调整光谱维的均匀性。
[0043] 而本实施例的体全息光栅，厚度属于毫米量级，可以直接切出凹面，这是之前体全 息光栅没有的改造和应用，光栅条纹存在于凹面与底面之间的整个介质中，这是"体"的概 念，这样的光栅具有好的波长选择特性，无需狭缝用于面阵成像，即直接对某一波长进行空 间面阵成像，再扫描不同光谱，是一种先"空间维"成像后"光谱维"扫描的光谱成像方式，本 实施例通过在体全息光栅上设置特定的凹面形状后，能够调整光束中不同角度部分的入射 角，来减小色模糊和中心波长漂移。
[0044] 另外，为了更好地平衡衍射效率和谱宽，实用新型人还进行了如下研究:实用新型 人对光栅厚度，尤其是凹面底部到光栅底面的厚度进行了大量试验和研究，通过研究发现， 当凹面2的最低点到光栅1的底面的距离d满足如下条件：
[0046] 其中，Λ为光栅周期，ΘΒ为布拉格角，λ为入射光波长，△ λ为波长选择性曲线的半 高全宽。
[0047] 此时，能够确保衍射光的衍射效率和谱宽不会因为厚度的不同而造成过大的差 异，更好地满足衍射和光谱成像的要求。
[0048] 优选的，凹面2的最低点到光栅1上沿的竖直距离为凹面2的最低点到光栅1底面的 距离d的1.1~1.5倍，实用新型人经过大量试验和研究发现，凹面2的最低点到光栅1上沿的 竖直距离，也就是凹面的深度对光衍射也有一定的影响，当凹面深度为凹面2的最低点到光 栅1底面的距离d的1.1~1.5倍时，能够使得光栅的不同厚度部分的衍射效率和谱宽具有较 小的差异，有利于光谱成像。
[0049] 优选的，凹槽的两侧上沿与光栅1的侧面齐平，也就是说，凹槽的宽度与光栅的宽 度相等，在这种条件下，能够确保光路尽可能地都进入到凹面后，能够有效减轻色模糊问 题。
[0050] 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限 制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入 本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种凹面体全息光栅，其特征在于:包括光栅（1)，所述光栅（1)为体全息光栅，所述 体全息光栅的上表面设有凹面(2)。2. 根据权利要求1所述的一种凹面体全息光栅，其特征在于:所述凹面(2)为半球面。3. 根据权利要求1所述的一种凹面体全息光栅，其特征在于：所述凹面（2)为弧形的凹 槽。4. 根据权利要求3所述的一种凹面体全息光栅，其特征在于:所述凹槽(2)纵切得到的 曲线满足如下条件：其中，X轴为与曲线的最低点相切的坐标轴，y轴为垂直于光栅底面的坐标轴，f(x)表示 曲线方程，f'（x)为f(x)的一阶导数，η是光栅介质折射率，a、b分别为光源的横坐标、纵坐 标。5. 根据权利要求4所述的一种凹面体全息光栅，其特征在于:所述凹面(2)的最低点到 光栅(1)的底面的距离d满足如下条件：其中，Λ为光栅周期，Θβ为布拉格角，λ为入射光波长，Δ λ为波长选择性曲线的半高全 宽。6. 根据权利要求5所述的一种凹面体全息光栅，其特征在于:所述凹面(2)的最低点到 光栅(1)上沿的竖直距离为凹面(2)的最低点到光栅(1)底面的距离d的1.1~1.5倍。7. 根据权利要求3~6任一项所述的一种凹面体全息光栅，其特征在于:所述凹槽的两 侧上沿与光栅(1)的侧面齐平。
【专利摘要】本实用新型公开了一种凹面体全息光栅，包括体全息光栅本体，体全息光栅本体的前表面设有弧形的凹槽，凹槽纵切得到的曲线满足如下条件：<maths num="0001"></maths>其中，x轴为与曲线的最低点相切的坐标轴，y轴为垂直于光栅底面的坐标轴，f(x)表示曲线方程，fˊ(x)为f(x)的一阶导数，n是光栅介质折射率，a、b分别为光源的横坐标、纵坐标。本实用新型采用上述结构，能够降低对入射光线的角度要求，省去平行光处理环节，降低装置的复杂程度。
【IPC分类】G03H1/02, G02B5/18, G02B5/32
【公开号】CN205210333
【申请号】CN201521070150
【发明人】段佳著, 赵祥杰, 张大勇, 骆永全, 沈志学, 王海峰
【申请人】中国工程物理研究院流体物理研究所
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月21日