一种基于超颖表面的高衍射效率反射式微型成像光谱仪

1.本发明属于集成光电子成像领域，具体涉及一种实现高衍射效率的反射式微型成像光谱仪系统，尤其涉及一种通过超颖表面实现任意衍射级次高效率的反射式光谱系统。


背景技术：

2.传统成像光谱仪使用传统透镜或反射镜，受材质和加工技术制约，因此无法实现紧凑低重量小型化。近年来，光学超颖表面克服了传统光学元件所面临的一些限制。光学超颖表面可以实现在亚波长规模和紧凑形式下独立的控制相位、振幅和偏振等功能。本发明基于超颖表面，设计一种高衍射效率微型成像光谱仪，通过改变超颖表面结构的空间分布和尺寸，从而改变超颖表面的传输相位和几何相位，实现高效率任意衍射级次分光的功能和矫正光学几何像差的功能。该微型成像光谱仪相较于传统成像光谱仪，在关键技术参数上有较大提升，使整个光谱仪系统在保持高光谱分辨率的同时还更加趋向于紧凑型和微型化。且该反射式微型成像光谱仪采用新型结构排布方案，通过光学元件紧凑集成在同一平面实现微型化，有利于将该系统集成在手机或隐蔽的光电子设备上。在光学成像领域中，专利申请号为cn202010595459.6，公开了一种基于自由曲面棱镜的一体式微型成像光谱仪光学系统，系统采用自由曲面棱镜来实现高光谱分辨率的成像光谱系统。该系统解决了现有光谱仪光学系统采用衍射光栅获得高分辨成像和系统体积较大的矛盾，但该系统依然受传统光学元件尺寸的限制，不能做到进一步微型化和高衍射效率的任意级次的分光。


技术实现要素：

3.本发明主要目的是提供一种基于超颖表面的高衍射效率反射式微型成像光谱仪，能够实现任意衍射级次的高衍射效率高光谱成像，可用于微小型光学设备的便携式光谱检测。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
5.本发明公开的一种基于超颖表面的高衍射效率反射式微型成像光谱仪，包括基于超颖表面的高效率反射式色散元件、基于超颖表面的相位面型反射式光学元件、基于超颖表面的相位型透射式光学元件、光电探测器；入射光线经过基于超颖表面的高效率色散元件后发生衍射分光，反射光经过基于超颖表面的相位型反射式光学元件后，再经过基于超颖表面的相位型透射式光学元件出射，聚焦在光电探测器上。
6.进一步地，所述的基于超颖表面的高衍射效率反射式微型成像光谱仪结构形式为三次反射式一次透射式结构。
7.进一步地，所述的基于超颖表面的高效率反射式色散元件中，通过改变超颖表面的纳米柱单元的几何半径和高度以及旋转角度，实现任意衍射级次的高效率衍射，将入射光按不同波长分开，并对出射超颖表面的光束相位进行任意的调制；
8.进一步地，所述的基于超颖表面的相位面型反射式光学元件，通过改变超颖表面纳米柱的几何尺寸，从而实现对传输相位的调试，以此来校正光学系统的几何光学像差。
9.进一步地，所述的基于超颖表面的相位型透射式光学元件，通过改变其表面的纳米柱的几何尺寸，从而实现对传输相位的调试，以此来减小光学系统的几何光学像差。
10.进一步地，所述的基于超颖表面的高衍射效率反射式微型成像光谱仪的体积大小为2mm
×
3.2mm
×
0.5mm。
11.进一步地，所述的基于超颖表面的高衍射效率反射式微型成像光谱仪的光学系统参数为光谱范围380nm～480nm，光谱分辨率为0.1nm。
12.本发明公开的一种基于超颖表面的高衍射效率反射式微型成像光谱仪的工作方法为：
13.基于超颖表面的高效率反射式色散元件10，用于产生衍射分光作用，通过改变超颖表面纳米柱的旋转角度以及几何尺寸从而改变贝里相位和传输相位，具有高衍射效率以及任意选择衍射级次的功能的特性。
14.所述基于超颖表面的相位型反射式光学元件20，用于反射基于超颖表面的高效率反射式色散元件10的光线，通过改变超颖表面的纳米柱几何尺寸改变几何相位实现对反射光线的几何像差的矫正。
15.所述基于超颖表面的相位型反射式光学元件30，用于接收所述基于超颖表面的相位型反射式光学元件20反射的光并对其进行进一步光学调制，通过改变超颖表面单个单元的半径r、高度h、以及单个单元周期p实现对经过所述超颖表面区域的反射光束的传输相位调制，实现所述集成超颖表面光学元件对不同波长反射的光束进行几何像差的校正。
16.所述基于超颖表面的相位型透射式光学元件40用于将所述基于超颖表面的相位型反射式光学元件30反射光线聚焦到光电探测器上，光电探测器50用于接收超颖表面的相位型透射式光学元件40会聚的像。
17.光线经由所述基于超颖表面的高效率反射式色散元件10被分成高衍射效率不同波长的光线，其中通过改变所述超颖表面区域内的纳米柱的几何尺寸及旋转角度，实现对不同衍射级次衍射角的高效率衍射。不同波长的光线入射在所述超颖表面的相位型反射式光学元件20的不同位置；所述超颖表面的相位型反射式光学元件20用于将不同波长的光线进行相位调制后反射到所述超颖表面的相位型反射式光学元件30上；所述超颖表面的相位型反射式光学元件30用于将不同波长的光线进行相位调制后反射到所述超颖表面的相位型透射式光学元件40上。其中通过改变所述超颖表面区域内的纳米柱几何尺寸，实现对经过所述超颖表面相位型光学表面的传输相位调试，实现对光学系统几何像差矫正。所述超颖表面的相位型透射式光学元件40用于将不同波长的光线入射到光电探测器50上。
18.有益效果：
19.1、本发明公开的一种基于超颖表面的高衍射效率反射式微型成像光谱仪，采用的基于超颖表面的高效率反射式色散光学元件，与现有传统的衍射光栅元件相比，能够实现对任意衍射级次光的高效衍射并实现高光谱分辨率。衍射效率可以达到80％以上，
20.2、本发明公开的一种基于超颖表面的高衍射效率反射式微型成像光谱仪，在基于超颖表面的高效率反射式色散元件基础上实现，相比于传统成像光谱仪结构更紧凑，小型化高光谱分辨率的光谱成像，具有结构简单，小巧轻便，高光学性能等优点，能够随时对目标进行高分辨光谱成像检测。
附图说明
21.图1为本发明公开的一种基于超颖表面的高衍射效率反射式微型成像光谱仪的示意图。
22.图2为基于超颖表面的高效率反射式色散元件示意图。
23.图3为基于超颖表面的相位型反射式光学元件示意图。
24.图4为基于超颖表面的相位型透射式光学元件示意图。
25.图5为光谱仪不同波长下的点列图。
26.图6为超颖表面单个纳米柱三维示意图。
具体实施方式
27.为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
28.实施例1：
29.如图1所示，本实施例公开的一种基于超颖表面的高衍射效率反射式微型成像光谱仪，包括基于超颖表面的高效率反射式色散元件10、基于超颖表面的相位型反射式光学元件20、基于超颖表面的相位型反射式光学元件30、基于超颖表面的相位型透射式光学元件40和光电探测器50，入射光经基于超颖表面的高效率反射式色散元件10，衍射分光后的光线经基于超颖表面的相位型反射式光学元件20、基于超颖表面的相位型反射式光学元件30反射后经过基于超颖表面的相位型透射式光学元件40后出射，聚焦在光电探测器50。
30.基于超颖表面的高效率反射式色散元件10，用于产生衍射分光作用，通过改变超颖表面纳米柱的旋转角度以及几何尺寸从而改变贝里相位和传输相位，具有高衍射效率以及任意选择衍射级次的功能的特性。可实现压缩光谱仪系统的体积，实现微小型结构设计。
31.所述基于超颖表面的相位型反射式光学元件20，用于反射基于超颖表面的高效率反射式色散元件10的光线，通过改变超颖表面的纳米柱几何尺寸改变几何相位实现对反射光线的几何像差的矫正，如图2所示的基于超颖表面的相位型反射式光学元件20的表面相位系数如表1所示：
32.表1基于超颖表面的相位型反射式光学元件表面相位系数
[0033][0034]
如图3所示的基于超颖表面的相位型反射式光学元件(30)的表面相位系数如表2所示：
[0035]
表2基于超颖表面的相位型反射式光学元件表面相位系数
[0036][0037]
如图4所示的基于超颖表面的相位型透射式光学元件(40)的表面相位系数如表3所示：
[0038]
表3基于超颖表面的相位型透射式光学元件表面相位系数
[0039][0040]
图5为基于超颖表面的高衍射效率微型成像光谱仪光学系统在不同波长下的rms点列图，该点列图展示了波长相差0.1nm的光线依然可以被区分开。
[0041]
所述基于超颖表面的相位型反射式光学元件30，用于接收所述基于超颖表面的相位型反射式光学元件20反射的光并对其进行进一步光学调制，所述基于超颖表面的相位型反射式光学元件30所述的超颖表面单个单元如图6所示，通过改变超颖表面单个单元的半径r、高度h、以及单个单元周期p实现对经过所述超颖表面区域的反射光束的传输相位调制，实现所述集成超颖表面光学元件对不同波长反射的光束进行几何像差的校正。
[0042]
所述基于超颖表面的相位型透射式光学元件40用于将所述基于超颖表面的相位型反射式光学元件30反射光线聚焦到光电探测器上，光电探测器50用于接收超颖表面的相位型透射式光学元件40会聚的像。
[0043]
光线经由所述基于超颖表面的高效率反射式色散元件10被分成高衍射效率不同波长的光线，其中通过改变所述超颖表面区域内的纳米柱的几何尺寸及旋转角度，实现对不同衍射级次衍射角的效率高达80％以上的衍射。不同波长的光线入射在所述超颖表面的相位型反射式光学元件20的不同位置；所述超颖表面的相位型反射式光学元件20用于将不同波长的光线进行相位调制后反射到所述超颖表面的相位型反射式光学元件30上；所述超颖表面的相位型反射式光学元件30用于将不同波长的光线进行相位调制后反射到所述超颖表面的相位型透射式光学元件40上。其中通过改变所述超颖表面区域内的纳米柱几何尺寸，实现对经过所述超颖表面相位型光学表面的传输相位调试，实现对光学系统几何像差矫正的功能。所述超颖表面的相位型透射式光学元件40用于将不同波长的光线入射到光电探测器50上。
[0044]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。