[发明专利]一种两片式线性色散组合棱镜分光器件的设计方法

说明书

本发明公开了一种两片式线性色散组合棱镜分光器件的设计方法，它由两块特殊选材，形状参数特殊设计的棱镜组合而成，特别适用于光谱分析、光谱检测及其相关领域。该发明基于控制变量法和线性规划理论，依据第一块棱镜材料的色散特性，通过控制光线的传播方向、棱镜的形状，利用第二块棱镜的非线性色散对第一块棱镜的非线性色散进行补偿，得到线性色散组合棱镜分光器件。该组合棱镜克服了单个棱镜色散非线性的缺陷，具有自由光谱范围宽、光能利用率高、通用性好、结构简单、价格低廉等优点。

一种线性色散组合棱镜分光器件，由两块特殊选材，形状特殊设计的棱镜组合而成，特别适用于光谱分析、光谱检测及其相关领域。该发明基于控制变量法和线性规划理论，依据第一块棱镜材料的色散特性，通过控制光线的传播方向、棱镜的形状，利用第二块棱镜的非线性色散对第一块棱镜的非线性色散进行补偿，得到线性色散组合棱镜分光器件。该组合棱镜克服了单个棱镜色散非线性的缺陷，具有自由光谱范围宽、光能利用率高、通用性好、结构简单、价格低廉等优点。

背景技术

棱镜作为传统的分光器件，与光栅、傅里叶变换、声光可调谐滤波器等其他分光器件或技术相比，具有自由光谱范围宽，光能利用率高，杂散光易于控制，结构简单，易于加工、装调等优点，是测热辐射谱仪的不二器件，然而棱镜使系统光轴发生折转以及自身的非线性色散缺陷抑制了其在现代精密光谱仪器中的使用^【1,2,3】。复合棱镜与单棱镜相比，引入了角度、棱镜材料等变量，为改善棱镜的分光性能提供了无限可能。

1900年Abbott和Fowle第一次明确的提出使用组合棱镜改善棱镜的非线性色散缺陷，将低色散冕牌玻璃棱镜置于两个高色散的火石玻璃棱镜之间构成三片式组合棱镜，通过材料之间的色散补偿获得线性色散棱镜，并在其文章的实验部分用了两块棱镜组合的Amici结构，讨论了三种不同入射角度时器件的色散特性^【4,5】。美国科学家Bittner在其1998年的专利中提到，将多块Fery棱镜胶合，通过选择棱镜的材料和角度，可以或得近似线性色散的成像光谱仪器^【6】。2003年，美国Dayton大学Duncan等人提出了大角度消色差棱镜光束旋转器在红外对抗中的应用，文中提到了一种一级消色散组合棱镜^【7】。2008年，美国Konan大学的Ebizuka等人提出使用三种不同材料的棱镜组合，通过材料之间的色散补偿，可以获得线性色散棱镜^【8】。然而上述文献均是简要的给出了作者的想法，并没有给出定量化的设计方法，也没有涉及棱镜线性色散的评价指标。

2008年，剑桥大学Dereniak等人在其著作《Geometric and TrigonometricOptics》中利用透镜的消色差理论，给出了小角度近似条件下的线性色散棱镜的设计方法，定性的论述了器件性能与平均折射率，阿贝数，部分色散的依赖关系。^【9】2011年，美国Rice大学Hagen等人，从Amici结构出发，利用商业化的光学设计软件ZEMAX，自主构建优化函数，给出了线性色散直视棱镜的设计结果。^【10】虽然上述两篇文献在实现线性色散棱镜的设计方法上都有具体的数学推导过程，然而都存在缺陷。文献^【9】在推导中从薄光楔入手，使用了大量的近似并且没有仿真、或实验验证，最终只是定性的给出了线性色散与平均折射率，阿贝数，部分色散的依赖关系，对真正指导线性色散棱镜的工程实现作用有限；文献^【10】得到的线性色散直视棱镜，依赖于商业设计软件ZEMAX，考虑到软件优化的局限性，文中得到的是否为最佳结果尚存疑虑，此外文章并没有阐述线性色散与材料选择，棱镜角度等因素之间的依赖关系。

综上所述，现有关于线性色散组合棱镜的研究不能定量的给出材料的选择依据，也不能定量的判定组合棱镜的线性色散性能，因此不能形成一套科学的完整的线性色散组合棱镜设计理论。

以上所涉及的参考文献如下：