一种利用全内反射棱镜阵列实现高通量虚拟狭缝的光学系统

摘要

本发明公开了一种利用全内反射棱镜阵列实现高通量虚拟狭缝的光学系统，包括：子午方向的前置短焦柱透镜、弧矢方向的前置长焦柱透镜、全内反射棱镜阵列、弧矢方向的后置长焦柱透镜以及子午方向的后置短焦柱透镜。圆形光纤端面输入的信号光分别经子午方向的前置短焦柱透镜和弧矢方向的前置长焦柱透镜准直后形成一个椭圆光斑，椭圆的长轴位于弧矢方向，短轴位于子午方向。椭圆光斑在弧矢方向经全内反射棱镜阵列分割后，将分割后的椭圆光斑旋转重排，再经弧矢方向的后置长焦柱透镜和子午方向的后置短焦柱透镜后，即可获得所需的高通量虚拟狭缝。本发明的光路简单，光能利用率高。

说明书

技术领域

本发明属于光谱仪器设计领域，涉及一种利用全内反射棱镜阵列实现高通量虚拟狭缝的 光学系统。

背景技术

光谱仪广泛应用于物理学、化学、生物学、医学、天文学、地质学、材料学等领域，近 年来，随着光电技术、激光技术、计算机技术、先进加工技术等的发展和引入，光谱仪已发 展成为高性能、自动化、一体化的光学分析仪器。

在光谱仪器中，有一个很不起眼，但又很重要的组成部分——狭缝。狭缝在光谱仪中的 主要作用是作为成像系统的“物”，它的宽度将直接影响到光谱仪探测器上“像”的宽度，而“像” 的宽度将决定光谱仪的光谱分辨率。因此，狭缝宽度越小，光谱仪的分辨率将越高。然而， 另一方面，狭缝的宽度越小，系统的光通量也会越小，若一味的通过减小狭缝宽度来获得更 高的光谱分辨率，将会使光谱探测过程中的积分时间过长，甚至根本无法探测类似拉曼光、 荧光等微弱信号。

传统光栅光谱仪中，导致光通量低的主要原因是狭缝对输入光纤的端面只是简单的遮挡， 这使被遮挡区域的光信号完全的损失掉。为了在获得高光谱分辨率的同时提高光通量，研究 人员对光栅光谱仪的狭缝作出了各种改进。最常见的一种方法是对导入信号光的输入光纤进 行改进，将传统的单根大纤芯光纤改进为一端呈圆形分布另一端呈线性分布的多根小纤芯的 光纤束(Fiber bundles)，其中，呈线性分布的一端可直接用作光谱仪的“狭缝”。这种方法尽 管可以提高一定的光通量，但光纤束中光纤与光纤之间的空隙还是会带来较大的能量损失， 而且小纤芯光纤的耦合效率也较低，因此，这种方法对光谱仪光通量的提高有限。另外两种 方法——像切割技术(Image slicers)及编码孔技术(Coded apertures)尽管也能提高一定的 光通量，但这两种方法均会增加系统的复杂性，对系统的工作环境也提出了很高的要求。

最近，美国Tornado Spectral Systems公司提出了一种高通量虚拟狭缝(High-Throughput  Virtual-Slit)技术，该技术通过一系列球透镜、柱透镜以及反射镜等光学元件，将光谱仪输入 光纤端面的圆形光斑整形为一个沿色散方向被压窄的条形光斑，且条形光斑在子午和弧矢方 向上均能保持光纤原有的数值孔径不变。由于光斑在压窄的过程中仅存在因光学元件反射或 吸收而引起的非常小的能量损失，因此所得的条形光斑被称为高通量虚拟狭缝。尽管高通量 虚拟狭缝由于诸多优点得到实际应用，但现有高通量虚拟狭缝技术中的光学系统将扩束、准 直系统与光束整形系统分离，导致光路复杂，所用光学元件较多，且用于光束分割重组的多 块反射镜是分离配置的，这将导致系统总装调试时具有较大的难度，而且还有可能降低系统 的稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有高通量虚拟狭缝技术光路复杂，反射镜装调难度 大等问题，提出一种利用全内反射棱镜阵列实现高通量虚拟狭缝的光学系统。该光学系统仅 包含四组柱透镜和一个全内反射棱镜阵列，具有结构简单、装调容易、系统稳定等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用全内反射棱镜阵列实现高通量虚 拟狭缝的光学系统，其特征在于包括：

－子午方向的前置短焦柱透镜，所述子午方向的前置短焦柱透镜的物方焦面位于输入光 纤的端面；

－弧矢方向的前置长焦柱透镜，所述弧矢方向的前置长焦柱透镜位于子午方向的前置短 焦柱透镜之后，且其物方焦面也位于输入光纤的端面；

－全内反射棱镜阵列，所述全内反射棱镜阵列位于弧矢方向的前置长焦柱透镜之后，且 其垂直输入面与弧矢方向的前置长焦柱透镜的光轴垂直；

－弧矢方向的后置长焦柱透镜，所述弧矢方向的后置长焦柱透镜位于全内反射棱镜阵列 的垂直输出面之后，且其光轴与全内反射棱镜阵列的垂直输出面垂直；

－子午方向的后置短焦柱透镜，所述子午方向的后置短焦柱透镜位于弧矢方向的后置长 焦柱透镜之后，且其像方焦面与弧矢方向的后置长焦柱透镜的像方焦面重合。

进一步的，所述子午方向的前置短焦柱透镜和弧矢方向的前置长焦柱透镜分别用于对圆 形光纤端面输入的信号光在子午方向和弧矢方向进行准直，准直后获得一个长轴在弧矢方向、 短轴在子午方向的椭圆光斑。

进一步的，所述的全内反射棱镜阵列用于对椭圆光斑沿弧矢方向进行分割，然后将分割 后的椭圆光斑进行旋转重排。

进一步的，所述弧矢方向的后置长焦柱透镜和子午方向的后置短焦柱透镜分别用于对分 割后的椭圆光斑在弧矢方向和子午方向进行聚焦且焦面重合，最终在焦面上可获得所需的高 通量虚拟狭缝。

进一步的，所述前置弧矢方向长焦柱透镜与前置子午方向短焦柱透镜的焦距之比以及全 内反射棱镜阵列中棱镜的数目N均取决于对光纤端面圆形光斑的压窄倍率，且等于该压窄倍 率。

进一步的，所述后置弧矢方向长焦柱透镜与后置子午方向短焦柱透镜的焦距之比应该等 于前置弧矢方向长焦柱透镜与前置子午方向短焦柱透镜的焦距之比，以保证获得的高通量虚 拟狭缝在子午方向和弧矢方向上的数值孔径均与圆形光纤端面输入信号光的数值孔径相同。

进一步的，所述全内反射棱镜阵列中单个棱镜的工作面包括：垂直输入面、第一全反射 面、第二全反射面以及垂直输出面；其中，垂直输入面的有效工作区是第一全反射面在垂直 输入面上投影的区域，该投影区域为正方形，且正方形边长应为入射椭圆光束长轴方向宽度 的1/N，N为棱镜阵列中棱镜的数目，第一全反射面与第二全反射面均与棱镜底面成45°角， 但第一全反射面与入射光轴的垂线平行，而第二全反射面与入射光轴平行，以使入射光经过 这两个反射面后发生90°偏转，棱镜的折射率应能使信号光在45°角入射时发生全反射。

进一步的，所述全内反射棱镜阵列可通过将分立棱镜的底面胶合在玻璃基底上制作而成， 各棱镜沿弧矢方向依次无间隔排列，沿入射光轴方向依次按一定间隔排列，间隔大小等于入 射椭圆光斑短轴方向的宽度。

进一步的，准直后的椭圆光束垂直入射至所述全内反射棱镜阵列中各棱镜的垂直输入面， 进入棱镜后沿弧矢方向被分割成N段光束，N为棱镜阵列中棱镜的数目，各段光束分别由各 棱镜的第一全反射面和第二全反射面反射后，最终从垂直输出面出射，实现椭圆光束的旋转 重排。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、与现有光谱仪中的普通狭缝相比，本发明所述的高通量虚拟狭缝在保证相同光谱分辨 率的同时可大大提升能量利用率，提高仪器的探测灵敏度；

2、与现有高通量虚拟狭缝技术中利用多片反射镜实现光路重排的方法相比，本发明中的 全内反射棱镜阵列利用全反射的原理，巧妙的实现了光路重排器件的集成，降低了系统装调 的难度，使系统稳定性更高；

3、与现有高通量虚拟狭缝技术的光学系统相比，本发明的光学系统将准直、扩束系统与 光束整形系统融合在一起，光路更简单，所需光学元件更少，能量损失更少，更易于微型化、 小型化和集成化；

4、本发明所述的高通量虚拟狭缝可作为独立模块取代现有光谱仪、单色仪及分光光度计 等光谱分析仪器中的普通狭缝，具有较强的普适性和兼容性等优点。

附图说明

图1是本发明实施例1中一种利用全内反射棱镜阵列实现高通量虚拟狭缝的光路示意图；

图中：1为输入光纤；2为子午方向的前置短焦柱透镜；3为弧矢方向的前置长焦柱透镜； 4为全内反射棱镜阵列；5弧矢方向的后置长焦柱透镜为；6为子午方向的后置短焦柱透镜； 7为准直后的椭圆平行光束；8为经棱镜阵列重排后的平行光束；9为最终得到的虚拟狭缝。

图2是本发明实施例1中全内反射棱镜阵列中单个棱镜的三维结构示意图；

图中：4-1为棱镜的垂直入射面；4-2为棱镜的第一全反射面；4-3为棱镜的第二全反射 面；4-4为棱镜的垂直出射面；4-5为棱镜的底面。

图3是本发明实施例1中全内反射棱镜阵列的三维结构示意图及光束通过全内反射棱镜 阵列的光路图。

图4是本发明实施例2中一种利用全内反射棱镜阵列实现高通量虚拟狭缝的光路示意图；

图中：1为输入光纤；2为子午方向的前置短焦柱透镜；3为弧矢方向的前置长焦柱透镜； 4为全内反射棱镜阵列；5弧矢方向的后置长焦柱透镜为；6为子午方向的后置短焦柱透镜； 7为准直后的椭圆平行光束；8为经棱镜阵列重排后的平行光束；9为最终得到的虚拟狭缝。

图5是本发明实施例2中全内反射棱镜阵列的三维结构示意图及光束通过全内反射棱镜 阵列的光路图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本 发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对领域的技术人员即可以 实现本发明权利要求的全部内容。

实施例1

本发明的实施例1，是将直径为200μm，数值孔径为0.22的光纤输入光整形为宽度为 50μm，长度为800μm虚拟狭缝的光学系统。如图1所示，本发明实施例1所述利用全内反射 棱镜阵列实现高通量虚拟狭缝的光学系统包括：输入光纤1，子午方向的前置短焦柱透镜2， 弧矢方向的前置长焦柱透镜3，全内反射棱镜阵列4，弧矢方向的后置长焦柱透镜5以及子午 方向的后置短焦柱透镜6。其中，子午方向的前置短焦柱透镜2的口径为6mm×6mm，焦距 为10mm，弧矢方向的前置长焦柱透镜3的口径为25.4mm×10mm，焦距为40mm，弧矢方向 的后置长焦柱透镜5的口径为25.4mm×10mm，焦距为40mm，子午方向的后置短焦柱透镜6 的口径为6mm×6mm，焦距为10mm。全内反射棱镜阵列4中棱镜的数目为4块，单个棱镜 的三维结构示意图如图2所示，棱镜的第一全反射面4-2在垂直输入面4-1上投影的正方形 边长为4.4mm，棱镜底面4-5的尺寸为：15mm×4.4mm。图3为本发明实施例1中全内反射 棱镜阵列的三维结构示意图及光束通过全内反射棱镜阵列的光路图。其中各棱镜沿弧矢方向 依次无间隔排列，沿入射光轴方向依次排列的间隔为4.4mm。

将圆形光纤1的输入端面置于子午方向的前置短焦柱透镜1和弧矢方向的前置长焦柱透 镜2的共同焦距上，光纤输入信号光经由子午方向的前置短焦柱透镜1和弧矢方向的前置长 焦柱透镜2在两个方向上分别准直后获得一个长轴在弧矢方向、短轴在子午方向的椭圆平行 光束，椭圆平行光束弧矢方向的尺寸为17.6mm，子午方向的尺寸为4.4mm，即弧矢方向的尺 寸是子午方向尺寸的4倍，而弧矢方向的光束发散角是子午方向光束发散角的1/4；准直后的 椭圆平行光束7垂直入射至全内反射棱镜阵列3中各棱镜的第一直角面4-1，进入棱镜后沿弧 矢方向被分割成4段光束，各段光束分别经由各棱镜的第一全反射面4-2和第二全反射面4-3 反射后，最终从垂直出射面4-4出射，实现椭圆光束的旋转重排。重排后光束8沿弧矢方向 和子午方向的尺寸仍分别为17.6mm和4.4mm，但沿弧矢方向的光束发散角变为子午方向光 束发散角的4倍。该重排后的光束8再经弧矢方向的后置长焦柱透镜5和子午方向的后置短 焦柱透镜6在两个方向上分别聚焦后，即可获得宽度为50μm，长度为800μm的虚拟狭缝9， 且该虚拟狭缝9在两个方向上的数值孔径均保持为0.22。

实施例2

本发明的实施例2，是将直径为100μm，数值孔径为0.22的光纤输入光整形为宽度为 50μm，长度为200μm虚拟狭缝的光学系统。如图4所示，本发明实施例1所述利用全内反射 棱镜阵列实现高通量虚拟狭缝的光学系统包括：输入光纤端面1，子午方向的前置短焦柱透 镜2，弧矢方向的前置长焦柱透镜3，全内反射棱镜阵列4，弧矢方向的后置长焦柱透镜5以 及子午方向的后置短焦柱透镜6。其中，子午方向的前置短焦柱透镜2的口径为10mm×8mm， 焦距为15mm，弧矢方向的前置长焦柱透镜3的口径为20mm×10mm，焦距为30mm，弧矢方 向的后置长焦柱透镜5的口径为20mm×10mm，焦距为30mm，子午方向的后置短焦柱透镜6 的口径为10mm×8mm，焦距为15mm。全内反射棱镜阵列4中棱镜的数目为2块，单个棱镜 的三维结构与实施例1中相同。图5为本发明实施例2中全内反射棱镜阵列的三维结构示意 图及光束通过全内反射棱镜阵列的光路图。其中各棱镜沿弧矢方向依次无间隔排列，沿入射 光轴方向依次排列的间隔为6.6mm。

将圆形光纤1的输入端面置于子午方向的前置短焦柱透镜1和弧矢方向的前置长焦柱透 镜2的共同焦距上，光纤输入信号光经由子午方向的前置短焦柱透镜1和弧矢方向的前置长 焦柱透镜2在两个方向上分别准直后获得一个长轴在弧矢方向、短轴在子午方向的椭圆平行 光束，椭圆平行光束弧矢方向的尺寸为13.2mm，子午方向的尺寸为6.6mm，即弧矢方向的尺 寸是子午方向尺寸的2倍，而弧矢方向的光束发散角是子午方向光束发散角的1/2；准直后的 椭圆平行光束7垂直入射至全内反射棱镜阵列3中各棱镜的第一直角面4-1，进入棱镜后沿弧 矢方向被分割成2段光束，各段光束分别经由各棱镜的第一全反射面4-2和第二全反射面4-3 反射后，最终从垂直出射面4-4出射，实现椭圆光束的旋转重排。重排后光束8沿弧矢方向 和子午方向的尺寸仍分别为13.2mm和6.6mm，但沿弧矢方向的光束发散角变为子午方向光 束发散角的2倍。该重排后的光束8再经弧矢方向的后置长焦柱透镜5和子午方向的后置短 焦柱透镜6在两个方向上分别聚焦后，即可获得宽度为50μm，长度为200μm的虚拟狭缝9， 且该虚拟狭缝9在两个方向上的数值孔径均保持为0.22。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。