一种基于分波前原理的空间光分束阵列的制作方法

本发明属于光谱成像技术领域，具体涉及一种具有空间光调制功能的光学元件，特别涉及一种基于分波前原理，适用于不同波长光的不同空间调制的的空间光分束阵列。

背景技术：

空间光调制主要指利用光学元件的衍射特性、反射特性、晶体特性等特性对入射光的出射方向、频率、相位、偏振态等光学性质进行调制的一项技术。目前，能够起到空间光调制功能的光学元件主要有衍射光栅、棱镜、dmd以及液晶材料。

衍射光栅和棱镜主要利用光学衍射特性对入射光的振幅或相位进行调制；dmd利用微反射镜单元的正负角度翻转来达到空间光出射方向的调制；液晶材料利用在电流、电场、和温度作用下的各种电光效应及其他光学性质进行光学参数的调制。但是，衍射光栅、棱镜、dmd以及液晶材料在光能利用率、入射波长选择上以及出射光方向调制均有一定限制，采用反射镜进行空间光方向调制时，在不同波长光的不同空间调制场合中需多组反射镜，既无法保证一致性又增加仪器复杂程度。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对不同波长光的不同空间调制需求，提供一种结构简单的基于分波前原理的空间光分束阵列，以克服目前该技术领域的光学元件在光能利用率、入射波长选择上以及出射光方向调制均存在限制，多组反射镜进行空间光方向调制时无法保证一致性且装置复杂的缺点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于分波前原理的空间光分束阵列，包括承载组件、设置于所述承载组件表面的多组波前分割组件，其中不同组波前分割组件的间隔距离不同；每组所述波前分割组件包括两个波前分割件，所述波前分割件具有反射斜面，每组波前分割组件中两块反射斜面相对布置，使入射光经反射后，按平行于入射方向的反方向出射。

进一步地，所述波前分割件为等腰直角三角，该等腰直角三角的斜面为反射镜。

进一步地，经准直后的平行光入射到波前分割组件上，不同波长的平行光经各级波前分割组件反射，不同波长出射光经空间光分束阵列后方向一致，但空间上分开，实现不同频率光的差异性空间调制功能。

进一步地，每个波前分割件经胶结和曝光固化后安装在承载组件上。

进一步地，所述承载组件包括多块承载件，所述多块承载件为厚度相同的平行平板，每组两个波前分割件固定在同一块承载件上，每组的两个波前分割件间隔距离依次递增排列。

进一步地，所述承载组件包括多块承载件，所述多块承载件为多块不同厚度的平行平板，每组两个波前分割件固定在同一块承载件上，每组的两个波前分割件间隔距离依次递增排列。

更进一步地，所述承载组件按周期进行排列，并以由不同厚度的多块平行平板胶结固化而成的承载组件计为一个周期，相邻两个周期的承载组件之间胶结固定。

进一步地，所述承载组件为一整块平行平板，所述两组波前分割组件按十字方向排布安装在承载组件上。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供的基于分波前原理的空间光分束阵列，可按实际需求将不同区域波前分割到指定路径上，通过承载组件的归一化解决了反射镜组的一致性基准问题；利用承载组件与波前分割组件的一体化可有效简化结构，提高精度，易于加工推广；通过对波前分割组件的排列组合实现差异性空间调制功能。经试验，本发明的空间光分束阵列与其他光学元件配合能够实现微米到毫米级别不同频率光的差异性空间调制功能，还可实现空间分幅超快光谱成像，并广泛应用于高分辨率瞬态微弱信号光谱分析领域中。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1基于分波前原理的空间光分束阵列的侧视图(左边)和主视图(右边)；

图2为本发明实施例2等光程差排列分布形式的空间光分束阵列的侧视图(左边)和主视图(右边)；

图3为图2的立体图；

图4为本发明实施例3采用二维分布方式的空间光分束阵列的侧视图(左边)和主视图(右边)；

图5为图4的立体图；

图6为本发明实施例4采用其他分布方式的空间光分束阵列的结构示意图(左边)和主视图(右边)；

图7为图6的立体图；

图8为2维2+3形式分布光谱成像光路；

图9-图10为局部仿真及仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

振幅和相位是光的重要物理量，分振幅指将光的振幅即能量进行分割，分波前指将光的等相位面进行分割。本发明空间分束阵列结构类似潜望镜结构，通过单组的两个波前分割组件实现出射光方向、距离的调控，通过多组波前分割组件的不同排列形式实现波前的差异化调控的一类空间调制光学元件。

本发明基于分波前原理的空间光分束阵列主要由承载组件1和波前分割组件2构成；波前分割组件2设置于承载组件1上，例如可以利用胶结技术和固化技术将波前分割组件2按需求排列和安装到承载组件1上。波前分割组件2用于将入射光不同区域波前分割到指定路径上，配合其他光学元件实现不同频率光的差异性空间调制功能。本发明通过承载组件的归一化解决了反射镜组的一致性基准问题，通过将波前分割组件和承载组件的一体化简化了复杂结构，通过对波前分割组件的排列组合实现差异性空间调制功能。

本发明基于分波前原理的空间光分束阵列，按实际光斑尺寸确定波前分割组件2尺寸，按实际调制需求确定波前分割组件2的排列形式，经胶结和曝光固化后将波前分割组件2安装在承载组件1上。

以下给出几种不同排列形式的空间分束阵列的示例。

实施例1

如图1所示，准直输入的中心波长515nm，光谱宽度6nm左右，波前分割组件2直角边长为15mm，经准直后的平行光入射到波前分割组件2上，波前分割组件2根据实际需求进行排列，经胶结和曝光固化后安装在承载组件1上，波长λ1平行光经第一级波前分割组件2反射，同理波长λ2、波长λ3、波长λ4依次经过第二、三、四级波前分割组件2反射，不同波长λ1-λ4出射光经本发明的空间光分束阵列后方向一致，但空间上分开，实现不同频率光的差异性空间调制功能，如图1所示为本发明的一种基本形式，更改波前分割组件2位置、排列形式及角度可改变空间光的调制位置及方向均应属于本发明的范畴内。

其中，所述承载组件1为多块厚度相同的平行平板，每组两个波前分割件2固定在同一块承载组件1上，每组的两个波前分割件2垂直方向相对距离依次递增排列。

所述波前分割件2为等腰直角三角，该等腰直角三角的斜面为反射镜。例如，可以两个斜面相对布置的等腰直角三角棱镜，经胶结和曝光固化后安装在承载组件1上，棱镜的斜面镀反射膜。使入射光入射后按反方向(180°方向)出射，并在垂直方向与入射光分开(如λ1-λ4的入射光和λ1的出射光)。不同组波前分割组件2的垂直距离(两个直角棱镜的距离)不同，其俯视图如图所示，因此入射光经该空间光分束阵列后λ1、λ2、λ3、λ4出射光方向相同，空间(垂直方向)位置分开。

实施例2

图2-图3为本发明的另一种等光程差排列分布，其承载组件厚度存在差异以补偿不同波长光程差对系统带来的影响。图2所示原理与图1相似，为补偿不同组波前分割组件2的垂直距离引入的光程差差异，将承载组件1由一整块平行平板变成不同厚度的4个小平行平板，每组波前分割组件2胶结到对应高度的承载组件1上，每组的两个波前分割件2垂直方向相对距离依次递增排列。最后，4组承载组件1再进行胶结固化。

实施例3

图4-图5为本发明的另一种二维分布方式，承载组件1厚度、波前分割组件2排列均按周期性变化，以达到复杂空间调制需求。图4所示原理与图3类似，将承载组件1高度变化按周期，并以由不同厚度的4块平行平板胶结固化而成的承载组件计为1个周期，相邻两个周期的承载组件1之间胶结固定。

实施例4

图6-图7为本发明的另一种分布方式，波前分割组件2排列发生变化，以满足特定空间调制需求。图7所示承载组件1为一整块平行平板，所述两组波前分割组件2按十字方向排布安装在承载组件1上。适用于双光束入射情况。

实施例5

如图9-图10示，仿真表明该方法实用有效，经实际使用实现5分幅空间调制功能。

仿真过程为：入射光经反射镜折转入射到衍射光栅上，横向色散成λ1-λ5波长的光，经柱面反射镜后入射空间分束阵列上，λ1入射光对应第一组波前分割组件(纵向距离最短的一组)，同理λ2、λ3、λ4、λ5入射光对应第二、三、四、五组波前分割组件，从而经空间光分束阵列反射后，出射方向一致，不同波长光空间(纵向)分开，再经柱面反射镜反射回衍射光栅消色差后入射到反射镜上，改变出射方向后经横向折转镜组和纵向折转镜组后在像面上形成2维2+3形式分布，见图8。

仿真过程为6mm光斑由单波长混合光斑分为5个波长的光斑。另外，采用如微纳加工技术加工空间分束阵列还可实现微米级别调制。本发明中差异性调制指的是反射镜组的再调制功能，比如可将λ1、λ2、λ3、λ4分为一组，λ5单独一组的4+1形式分布；或者将λ2、λ3、λ4分为一组、λ1与λ5单独一组的1+3+1形式等等。

与此同时，本发明的空间光分束阵列与上述光学元件及前端光源系统和后端接收系统配合还可应用于超快事件(微秒、纳秒)分析中，如空间分幅超快光谱成像，并可在高分辨率瞬态微弱信号光谱分析领域进行广泛应用。

为满足其他测量需求，也可使安装在不同承载组件1上的同一侧方向的多个所述波前分割件2与承载组件1之间以一定角度安装，并根据实际情况调整安装角度使其依次递增或递减。或者，也可设置安装在不同承载组件1上，同一侧方向的多个波前分割件2为不同底角的等腰三角棱镜，并根据实际情况设置多个波前分割件2的底角依次递增或递减。例如，多个波前分割件2的底角依次为45度，44度，43度等等，使入射光的出射方向依次分开。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。