專利名稱：選擇性干涉濾光片及應(yīng)用它的光學(xué)儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)儀器，更確切地說是涉及選擇性干涉濾光片及應(yīng)用它的光學(xué)儀器。
本發(fā)明可應(yīng)用于光譜學(xué)、照明技術(shù)、光學(xué)和激光儀器制造、以及宇宙探測(cè)。
已知的干涉濾光片包括兩組或若干組由折射率不同的電介質(zhì)材料制成的交替重疊的介質(zhì)層，各層的光學(xué)厚度等于入射到濾光片上的光束波長的四分之一(SU、A、539284;SU、A、881647)。
這些濾光片的制作技術(shù)復(fù)雜，這些濾光片上還必須加保護(hù)層，額外地使濾光片的制造過程復(fù)雜化，也使濾光片的光學(xué)性能變壞，也就是說會(huì)使光線透過。
此外，這些濾光片的制造還要求提高材料的化學(xué)純度。
在已知的一些濾光片中，波長只能在非常狹窄的范圍內(nèi)均勻調(diào)節(jié)。
已知的選擇性的干涉濾光片有分層結(jié)構(gòu)，從其中每一層上都反射入射到濾光片上的光線。分層結(jié)構(gòu)是由在金屬底板上鍍上具有π的倍數(shù)的相位半寬的介質(zhì)層構(gòu)成的，而且該介質(zhì)層是由分別具有高折射率和低折射率的兩種介質(zhì)構(gòu)成的偶數(shù)層交替重疊的四分之一波長層。該復(fù)合層上面覆蓋一層其厚度比工作波長小很多的金屬吸收膜(光學(xué)和光譜學(xué)，第40卷、1976年版，《科學(xué)》出版社，列寧格勒，
著“
”(反射光窄帶濾光片)，第935～938頁)。
這種已知的濾光片除了選擇波長外，還反射波長在反射帶范圍以外的光，稱之為干擾光。此外，這些濾光片具有與前面所述同樣的缺點(diǎn)。
已知的光學(xué)儀器，其中包括光譜儀(
著“
”(光譜儀光學(xué))，1975年N，《機(jī)械制造》出版社，列寧格勒，第5～10頁)，它們包括入射狹縫和出射狹縫、準(zhǔn)直物鏡和箱式物鏡、以色散棱鏡或衍射光柵為主體構(gòu)成的選擇系統(tǒng)，例如色散系統(tǒng)，以及接收裝置。這類光譜儀能均勻地改變工作波長，但由于存在狹窄的入射狹縫，限制了這些儀器的光通量強(qiáng)度，只能對(duì)強(qiáng)輻射光進(jìn)行分析。
還知道一些光學(xué)儀器包括連續(xù)輻射源、一個(gè)或兩個(gè)選擇元件、被照射對(duì)象的支架或器皿。這些儀器可以包括若干鏡頭和輻射接收器。這些儀器中的選擇元件或棱鏡、或衍射光柵、或?yàn)V光片(B.B.Leoegeta著“TexHukaonTuleckou cnekmpockonuu”(光譜學(xué)技術(shù))，1977、莫斯科大學(xué)出版社，莫斯科，第166頁)。
采用棱鏡和衍射光柵則要求裝入限制光強(qiáng)的狹縫。如果采用濾光片作為選擇元件，則波長的選擇是不連續(xù)的，為此采用一組按波長調(diào)節(jié)的濾光片。采用按波長調(diào)節(jié)的楔形濾光片，也要求裝入限制光強(qiáng)的狹縫。通過真空淀積楔形純凈物質(zhì)層的方法制作楔形干涉濾光片，也是出于同一目的。這種工藝非常復(fù)雜，因此帶楔形濾光片的儀器不能被廣泛采用。
本發(fā)明的目的是制作其制作工藝比較簡(jiǎn)單的，在應(yīng)用中有多種機(jī)能的按波長調(diào)節(jié)的有選擇性窄帶干涉濾光片。
本發(fā)明的任務(wù)是制作選擇性干涉濾光片和應(yīng)用該濾光片的光學(xué)儀器，能在改變光線入射角時(shí)通過改變相干光的光程差，來在較寬的范圍內(nèi)均勻地調(diào)節(jié)工作波長。
本發(fā)明的目的是制作能在改變光線入射角時(shí)在較寬范圍內(nèi)均勻調(diào)節(jié)工作波長的選擇性干涉濾光片。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是與已知的濾光片相比保持濾光片的光譜帶寬度、反射系數(shù)和反差系數(shù)不變。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是減小入射輻射的本底。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是進(jìn)一步擴(kuò)大均勻調(diào)節(jié)的范圍。
本發(fā)明的目的是制作能對(duì)物質(zhì)輻射光譜進(jìn)行鑒定的濾光片。
此外，本發(fā)明的目的是制作能同時(shí)分出幾個(gè)波長的不同的光譜帶。
完成所提出來的任務(wù)的方法是使選擇性干涉濾光片具有分層結(jié)構(gòu)，其中每一層都反射入射到濾光片上的光輻射，根據(jù)本發(fā)明，分層結(jié)構(gòu)中的層是由沿深度周期性等距變化的折射率來實(shí)現(xiàn)的，而且這些層是由用至少一種給定波長的單色輻射照射，對(duì)該輻射來說為透明的、只在照射過程中才配置在反射鏡前的光敏材料制成的元件構(gòu)成的。
與用真空淀積平面平行的純凈物質(zhì)層的方法獲得的干涉濾光片相比，所推薦的濾光片的特點(diǎn)是能使工作波長在足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)均勻調(diào)節(jié)。
分層結(jié)構(gòu)對(duì)各種波長的反射取決于入射到該結(jié)構(gòu)上的光的入射角。
被分層結(jié)構(gòu)反射的波長調(diào)節(jié)范圍與該結(jié)構(gòu)的有效折射率有關(guān)，而且折射率越大，調(diào)節(jié)范圍就越窄。同時(shí)，反射系數(shù)越大，光譜帶就越窄，結(jié)構(gòu)的層數(shù)越多，各層的折射率之差就越大。
被照射的元件可以由以銀鹽為主的照相乳膠、或由滲重鉻酸鹽的明膠、或由具有照相記錄作用的聚合介質(zhì)、或由光致聚合物制成。
通常真空淀積所獲得的層數(shù)不超過30～40層，繼續(xù)增加層數(shù)會(huì)導(dǎo)致缺陷的累積，因此不會(huì)增大反射系數(shù)，且使光譜帶縮小。為了在層數(shù)少的條件下具有大反射系數(shù)和窄光譜帶，必須采用具有差值大的折射率n1和n2的物質(zhì)。因?yàn)閚1不會(huì)小于1.3，則n2通常取大于2的值。結(jié)果分層系統(tǒng)的有效折射率大約為2或大一些。
所推薦的濾光片的制作方法可以制作出在自動(dòng)保持所獲得的層厚(半波長)的精度的條件下層數(shù)多(約100～200層)的濾光片。分層系統(tǒng)的有效折射率接近原來的光敏材料的折射率(對(duì)銀鹽照相乳膠來說約為1.5)。層數(shù)多能保證在折射率的低調(diào)制水準(zhǔn)的條件下有高反射系數(shù)和光譜帶(不比用淀積法獲得的濾光片差)，而有效折射率小能保證波長調(diào)節(jié)范圍寬。
濾光片最好有底板，分層結(jié)構(gòu)就配置在底板上。分層結(jié)構(gòu)配置在底板上的濾光片與無底板的濾光片相比具有下述優(yōu)點(diǎn)借助于底板的強(qiáng)度而有較大的強(qiáng)度;較大的反射系數(shù);較窄的光譜帶以及由于排除了“空氣-分層結(jié)構(gòu)”的界面反射的光線的干擾而有較好的反差。視底板材料和工作波長范圍而定，底板能抑制比基本量級(jí)的工作波長高很多量級(jí)波長的極大干擾。
可以用至少一個(gè)棱鏡作為底板，可以在其反射棱面上配置分層結(jié)構(gòu)，而光輻射可以入射到棱鏡的任意一個(gè)無約束的棱面上;或者可以用至少一個(gè)光學(xué)楔形物作為底板，可以在其一個(gè)平面上配置分層結(jié)構(gòu)，而光輻射可以入射到它的另一個(gè)平面上;或者底板可以是一個(gè)具有透鏡形式的元件。
有棱鏡式底板的濾光片能展寬工作波長的調(diào)節(jié)范圍。
底板為光學(xué)楔形物的濾光片與底板為平板式的濾光片相比具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即它與棱鏡式底板的情況一樣，從“空氣-底板”界面上反射的光線不僅直接從相干光中分離出來，而且有其另外的反射方向。同時(shí)有楔形底板的濾光片保留了有平板形底板濾光片的優(yōu)點(diǎn)-它的外形尺寸小，而入射棱面和出射棱面一致。
底板為透鏡式的濾光片不僅是光學(xué)過濾元件，而且是光學(xué)聚焦元件。
當(dāng)用兩種或更多種波長不同的單色輻射照射由光敏材料制成的元件時(shí)，分層結(jié)構(gòu)相應(yīng)地能有兩組或更多組等距層，其中每一層都對(duì)應(yīng)于單色輻射的固有波長。
這種濾光片是多色的。它能同時(shí)反射兩種或更多種波長的輻射，當(dāng)改變到達(dá)濾光片上的輻射入射角時(shí)，其中的每一種波長都被重新調(diào)節(jié)。
分層結(jié)構(gòu)中的各等距層組最好沿射向分層結(jié)構(gòu)的光輻射連續(xù)分布，同時(shí)也在空間重合。
這種濾光片的制作比相似的已知濾光片要簡(jiǎn)單得多。各等距層組在空間重合能以高準(zhǔn)確度在反射光中獲得各給定波長的比例關(guān)系，這是因?yàn)椴煌膶咏M本身是同時(shí)(同一時(shí)刻)獲得的。
還表明兩個(gè)或更多個(gè)等距層組最好用一些平行的單色輻射光束形成，而且分層結(jié)構(gòu)包括一些獨(dú)立部分，這些獨(dú)立部分就是與射向分層結(jié)構(gòu)的光輻射波前的獨(dú)立部分相對(duì)應(yīng)的等距層組。
這種濾光片在反射中給出沿空間傳播的不同波長的光束。
表明下述作法是有利的，即分層結(jié)構(gòu)有一些層，這些層的等距性由沿分層結(jié)構(gòu)的橫截面的一個(gè)平面實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)該平面垂直于任意一層和各層厚度的變化方向，而且該平面是由具有連續(xù)光譜特性的輻射形成的。
這種濾光片不僅能通過改變射到濾光片上的光的入射角、而且能通過濾光片在狹縫式光欄附近的線位移來實(shí)現(xiàn)波長的調(diào)節(jié)。與用真空淀積楔形物質(zhì)層的方法制成的已知楔形濾光片相比，上述濾光片具有制作工藝非常簡(jiǎn)單的特征。
在分層結(jié)構(gòu)上可以安裝一個(gè)加壓裝置，該裝置保證等距層的厚度沿分層結(jié)構(gòu)線性變化。
因此在濾光片的制作工藝中，能保證用很簡(jiǎn)單的方法改變折射率。
棱鏡可以具有偏菱形的截面，在其兩個(gè)對(duì)稱的側(cè)棱面上配置相同的分層結(jié)構(gòu)。
棱鏡還可以具有兩對(duì)相對(duì)于公共對(duì)稱平面自身對(duì)稱的側(cè)棱面，可以在一對(duì)側(cè)棱面的每一面上配置分層結(jié)構(gòu)。
這種濾光片既可以按波長、也可以按入射角進(jìn)行選擇。它只反射沿一個(gè)確定方向行進(jìn)的一種波長的光輻射，它還可以具有小的外形尺寸和重量，這是因?yàn)榭梢匀サ羝庑蔚牟黄鹱饔玫牟糠帧?br> 為了準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)濾出光的波長和為了控制入射到呈層結(jié)構(gòu)上的光的入射角，下述作法是有利的，即濾光片要有一個(gè)外殼，在外殼的壁上作兩個(gè)分別為入射到分層結(jié)構(gòu)上的輻射的入射孔和濾出輻射的出射孔。
分層結(jié)構(gòu)安裝在外殼中，可以相對(duì)于入射輻射旋轉(zhuǎn)和/或進(jìn)行線位移。
在這種情況下，出射的濾出輻射不會(huì)受外殼上的孔的限制，即當(dāng)濾出輻射在空間移動(dòng)時(shí)，濾光片的這種結(jié)構(gòu)是有意義的。
濾光片還可以具有這樣的外殼，它的一個(gè)壁由棱鏡的入射棱面或光學(xué)楔形物充當(dāng)，而在對(duì)面的殼壁上可以設(shè)置供射向分層結(jié)構(gòu)的輻射通過的光欄，而且分層結(jié)構(gòu)和光欄可以作得彼此能相對(duì)旋轉(zhuǎn)和/或作線位移。
這些濾光片可以對(duì)光線的方向和/或反射光的波長進(jìn)行掃描。
還可通過下述方法完成本任務(wù)，即在裝有用來從入射到儀器中的輻射中分出一種或幾種波長的選擇元件的光學(xué)儀器中，根據(jù)本發(fā)明，選擇元件采用上述的選擇性干涉濾光片，它被安裝得能相對(duì)于射到它上面的光輻射旋轉(zhuǎn)。
這種儀器與已知的一些儀器相比具有更強(qiáng)的透光性。
所述的濾光片保證能均勻地改變工作波長，有狹窄的光譜帶，高反差和大反射系數(shù)。
本發(fā)明的其它一些目的和優(yōu)點(diǎn)將通過下述的實(shí)施例和附圖來說明。
下面參考


本發(fā)明的實(shí)施例，從而說明本發(fā)明。這些附圖是圖1所示為附合本發(fā)明的選擇性干涉濾光片;
圖2所示為附合本發(fā)明的有棱鏡狀底板的同樣濾光片;
圖3所示為附合本發(fā)明的有光學(xué)楔形物形底板的同樣濾光片;
圖4所示為附合本發(fā)明的有透鏡式底板的同樣濾光片;
圖5所示為附合本發(fā)明的有若干個(gè)棱鏡的濾光片;
圖6所示為附合本發(fā)明的有若干個(gè)光學(xué)楔形物的濾光片;
圖7所示為附合本發(fā)明的有幾組沿輻射途徑連續(xù)分布的層的濾光片;
圖8所示為附合本發(fā)明的有幾組分布在空間的層的濾光片;
圖9所示為附合本發(fā)明的有幾組在空間重合的層的濾光片;
圖10所示為附合本發(fā)明的能均勻調(diào)節(jié)濾出輻射波長的濾光片;
圖11所示為附合本發(fā)明的裝有分層結(jié)構(gòu)的加壓裝置的濾光片;
圖12所示為有壓縮層的同一種濾光片;
圖13所示為附合本發(fā)明的其截面呈偏菱形的底板的濾光片;
圖14所示為附合本發(fā)明的其截面呈等腰三角形的底板的濾光片;
圖15所示為附合本發(fā)明的其形狀復(fù)雜的底板的濾光片;
圖16所示為附合本發(fā)明的裝有外殼的濾光片;
圖17所示為附合本發(fā)明的另一種實(shí)施方案的裝有外殼的濾光片;
圖18所示為附合本發(fā)明的光學(xué)儀器的原理圖。
選擇性干涉濾光片有分層結(jié)構(gòu)1(圖1)，該分層結(jié)構(gòu)包括其折射率沿深度周期性變化的等距層2、3、4和5。圖1中象征性地示出這種濾光片是怎樣制備的。取一個(gè)由透明的光敏材料制成的元件，讓從光源8出來經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)7的平行光束6射向該元件。在照射過程中，將被照射的元件置于金屬反射鏡9的前面，在照射之后將該反射鏡拿走。至少用一種給定波長為入的單色輻射進(jìn)行照射。
從反射鏡9上反射的光束6的反射波與入射波發(fā)生干涉，並形成駐波。在駐波的波腹和波節(jié)11處，光敏材料的折射率變化不同。
進(jìn)行照射的結(jié)果，由光敏材料制成的元件開始具有分層結(jié)構(gòu)1。波腹10在被照射的元件中等距分布，彼此之間的距離為λ0/2n這里的n是材料的折射率，因此使分層結(jié)構(gòu)1中的等距層2～5與2～5層的周期性相對(duì)應(yīng)，則一個(gè)層的厚度d＝ (λ)/(2n) (1)用垂直線象征性地表示光敏材料折射率的最大變化面12。分層結(jié)構(gòu)1中的層2～5的層數(shù)N與被照射的元件厚度D和每一層2～5的厚度d有關(guān)，並由下式計(jì)算N= (D)/(d) = (D·2n)/(λO) (2)每一層2～5都部分地反射入射到分層結(jié)構(gòu)上的光輻射。從層2～5上反射的其波長與相干光光程差相等的光線的干涉有極大值。這種波長的輻射在被所述的濾光片反射時(shí)被濾出。
被照射的元件由透明的光敏材料制成，這種材料是采用以銀鹽為主的照相乳膠、或滲重鉻酸鹽的明膠、或有照相記錄作用的聚合介質(zhì)、或光致聚合物。
分層結(jié)構(gòu)1有底板，該底板是采用棱鏡13(圖2)、或光學(xué)楔形物14(圖3)、或呈透鏡15(圖4)形式的底板。
分層結(jié)構(gòu)1配置在棱鏡13(圖2)的一個(gè)反射棱面16上，而光輻射17則射向任意一個(gè)空閑棱面18上。濾出輻射19經(jīng)過棱鏡13的另一個(gè)棱面20射出來。
與此相似，分層結(jié)構(gòu)1配置在光學(xué)楔形物14的一個(gè)棱面21上(圖3)，光輻射17射向它的棱面22，而濾出輻射19也經(jīng)過該棱面22射出來。
當(dāng)采用透鏡15(圖4)時(shí)，濾光片有與上述相似的結(jié)構(gòu)，而且不僅使輻射17濾光，還能將它聚焦于透鏡15的焦點(diǎn)23(如果光輻射17是準(zhǔn)直的話)。
從“周圍介質(zhì)-濾光片”界面上反射的輻射24(圖2～4)在所視的所有方案中，其方向都與濾出輻射19的方向不同。
底板可以包括不只一個(gè)棱鏡13或楔形物14，如圖5和6所示。而且棱鏡13(和楔形物14)沿結(jié)構(gòu)1分布，其數(shù)量取決于結(jié)構(gòu)1的長度。每一個(gè)棱鏡13的外形尺寸，因而其重量，都比圖2所示的方案中采用一個(gè)棱鏡13時(shí)小很多。全部棱鏡13′的重量和外形尺寸小于棱鏡13的重量和外形尺寸。
因此圖5所示的整個(gè)濾光片的總外形尺寸和重量比圖2所示方案中的小得多，而且可以相信，這時(shí)整個(gè)濾光片的結(jié)構(gòu)是準(zhǔn)平面式的。在采用許多楔形物14′(圖6)時(shí)，濾光片的結(jié)構(gòu)也與其相似。
被照射的元件可以受到兩種或更多種不同波長的輻射的作用。這時(shí)在元件中形成若干組與這些波長對(duì)應(yīng)的等距層。分層結(jié)構(gòu)中的各個(gè)層組可以用不同的方法形成，它們?nèi)Q于被制作的濾光片的任務(wù)和作用。
圖7所示的層2～5和2′、3′、4′、5′的各組25和26沿輻射17(圖2)的傳播途徑連續(xù)分布。濾光片有兩個(gè)由玻璃制成的底板27和28(圖7)。
圖8所示的各組29、30和31沿分層結(jié)構(gòu)1散布在空間，分層結(jié)構(gòu)都有獨(dú)立部分，輻射分別作用于結(jié)構(gòu)1的每一部分，其結(jié)果產(chǎn)生出與波長λ1、λ2、λ3對(duì)應(yīng)的被每一組29～31濾出的輻射32、33、34分別分散在空間。
圖9所示的各個(gè)層組29′、30′和31′在空間相重合，被這些層組濾出的與波長λ1、λ2、λ3對(duì)應(yīng)的輻射也將在空間相重合。
為了獲得如圖10象征性地示出的濾光片，用連續(xù)光譜輻射照射元件。分層結(jié)構(gòu)35中的層2″、3″、4″、5″等距離地分布在用平面36表示的橫截面中，平面36垂直于層2″～5″中的一個(gè)層和層2″～5″的厚度變化的方向，而且層2″～5″的厚度沿分層結(jié)構(gòu)35單調(diào)地變化。這種濾光片可以通過使其在隨便什么樣的狹縫式光欄(圖中未示出)前面移動(dòng)，來獲得被分析的輻射光譜或?qū)V出輻射波19的波長進(jìn)行調(diào)節(jié)。
在分層結(jié)構(gòu)1上裝有該結(jié)構(gòu)的壓縮裝置37的濾光片(圖11)具有發(fā)揮類似機(jī)能的可能性。該裝置包括弓形夾38和用來改變弓形夾38的壓力的螺絲39。分層結(jié)構(gòu)1由彈性壓縮材料、例如由滲重鉻酸鹽的明膠制成。
壓縮分層結(jié)構(gòu)1的結(jié)果，其中的層2″～5″只在橫截面內(nèi)有等距性(圖12)，就像圖10所示的相似。
根據(jù)本發(fā)明，棱鏡可以有偏菱形40(圖13)的截面或等腰三角形41(圖14)的截面，后者是由偏菱形的一部分構(gòu)成的，因此不必單獨(dú)闡述它的性能。在棱鏡40的兩個(gè)對(duì)稱的側(cè)棱面42、43上(圖13)，配置著兩個(gè)分層結(jié)構(gòu)1和44。光輻射17射向空閑棱面45，而濾出輻射19從分層結(jié)構(gòu)1和44上連續(xù)反射后才從另一個(gè)空閑棱面46射出來?？臻e棱面45和46之間的夾角γ由下列關(guān)系選擇如果β≤90°，則γ＝2β如果β＞90°，則γ＝360°-2β(3)式中β-其上面分別有分層結(jié)構(gòu)1和44的棱面42和43之間的夾角。
在更普通的實(shí)施方案中，棱鏡47(圖15)有復(fù)雜的形狀，至少有兩對(duì)成對(duì)對(duì)稱的側(cè)棱面48、49和50、51，它們的對(duì)稱面是公共的;將分層結(jié)構(gòu)1、44配置在一對(duì)側(cè)棱面48、49上，而各對(duì)棱面48、49和50、51之間的夾角β和γ分別由關(guān)系式(3)選取。光輻射17射向空閑棱面50，並連續(xù)地從結(jié)構(gòu)44和1上反射，而濾出輻射19從空閑棱面51射出。
圖16所示的濾光片包括設(shè)置在棱鏡13上的分層結(jié)構(gòu)1，該濾光片有一個(gè)外殼52，外殼上設(shè)有入射輻射17用的入射孔53和濾出輻射19用的出射孔54。入射孔53包括在孔55、56這一系統(tǒng)之內(nèi)，構(gòu)成光欄，該光欄例如可以是任意的光導(dǎo)管。
分層結(jié)構(gòu)1對(duì)應(yīng)于入射輻射17制作得能相對(duì)于外殼52旋轉(zhuǎn)，還能同時(shí)或單獨(dú)地進(jìn)行線位移。為此有分層結(jié)構(gòu)的棱鏡13裝有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)包括(例如)蝸輪對(duì)57、58和手柄59。棱鏡13固定在蝸輪對(duì)57、58的齒輪57上。此外，通過螺絲60使棱鏡線性移動(dòng)，該螺絲與被彈簧61頂住的齒輪57相互作用。
輻射17經(jīng)過由孔53、55、56構(gòu)成的光欄入射到棱鏡上，濾光后從位于外殼52的對(duì)面壁上的孔54射出。
外殼52′(圖17)可以裝在濾光片的外面，而且它的一個(gè)壁由棱鏡13的入射棱面16充當(dāng)。在外殼52′的對(duì)面壁62上裝有由位于套管63中的孔53、55和56這一系統(tǒng)構(gòu)成的光欄。棱鏡13的線位移機(jī)構(gòu)包括與光欄的套管63相互作用的螺絲64和彈簧65，后兩者保證使光欄和棱鏡13相互作線性移動(dòng)，從而改變輻射17射到分層結(jié)構(gòu)1上的入射角。通過改變波紋管式的外殼52′的形狀，保證使固定在旋轉(zhuǎn)底座66上的棱鏡13轉(zhuǎn)動(dòng)。濾出輻射19從濾光片經(jīng)棱面20射出。
根據(jù)選擇性干涉濾光片制作的光學(xué)儀器(圖18)包括作為選擇元件的此種濾光片。光學(xué)儀器包括其邊框用作入射孔的準(zhǔn)直透鏡66、濾光片68和輻射接收器69。這種結(jié)構(gòu)的光學(xué)儀器是一種無狹縫、透光強(qiáng)的單色儀。
為了擴(kuò)大光學(xué)儀器的機(jī)能，在其構(gòu)成中裝入具有連續(xù)光譜特性的輻射源70。在這種情況下，儀器用作波長可調(diào)的單色反射器。
選擇性干涉濾光片的工作原理如下。
光輻射17入射到濾光片上，分層結(jié)構(gòu)1的每一層2～5(圖2)都反射該輻射的一小部分。形成包含許多條光線的反射輻射19，這些光線之間有恒定的光程差，其大小取決于層厚d、折射率n和射到分層結(jié)構(gòu)1上的入射角α。干涉的結(jié)果是這樣的只有滿足如下條件的波長λ才能有最大干涉λ＝2dncosα (4)改變?yōu)V光片上的光的入射角α，可以改變反射輻射19的波長。
實(shí)際上被照射元件的光敏材料是選用對(duì)給定波長λ0為透明的材料，同時(shí)其折射率在光的作用下變化甚微，以及對(duì)于構(gòu)成分層結(jié)構(gòu)來說有足夠的分辨率(材料內(nèi)部的均勻性應(yīng)小于λ/15)。
在有底板的濾光片上，從“空氣-濾光片”界面上反射的輻射24平直地同從層2～5上反射的輻射19分開，甚至沿另外的方向傳播。因此它不會(huì)與輻射19發(fā)生干涉，也不會(huì)破壞干涉圖象。
如果底板采用棱鏡或光學(xué)楔形物，則從“空氣-濾光片”界面上反射的輻射24呈一角度分開，而波長的調(diào)節(jié)范圍比平面平行底板時(shí)的要寬。
當(dāng)采用透鏡15(圖4)時(shí)，在反射輻射19中將會(huì)觀察到某一波長的極大值，而且如果入射到濾光片上的是平面平行光束，則單色光將聚焦在透鏡15的焦點(diǎn)23上。
有若干層組25和26;29、30和31的濾光片，當(dāng)具有連續(xù)光譜特性的輻射17入射到它上面時(shí)，將反射兩種或更多種波長的光，而且各個(gè)層組可以在空間重合(29′、30′和31′)或者分散在空間(29、30、31)。
當(dāng)輻射17入射到如圖8所示的層厚不同的濾光片的不同部分上時(shí)，各部分將反射不同波長λ1、λ2、λ3的光。
當(dāng)濾光片和光輻射的入射線彼此相對(duì)位移(位移為X)，而射向?yàn)V光片上的入射角不變時(shí)，反射光的波長將發(fā)生變化。而且通過改變?yōu)V光片上的光的入射角，也能改變反射光的波長。圖11、12所示的濾光片的結(jié)構(gòu)，可用來改變dλ/dX值，也就是濾光片的色散作用。
如果具有任意光譜特性的光輻射以任意角度入射到濾光片上，則圖13、14所示的濾光片只反射一種波長的光，而且只當(dāng)這種波長的光以一定的角度入射到濾光片上時(shí)才被反射(棱鏡的參量這樣選擇，以便能分出沿入射棱面31的法線入射到濾光片上輻射)。
其結(jié)果如圖15、16、17所示的濾光片只分出沿其法線入射的光，這是因?yàn)槔绻鈾?圖16、17)不讓傾斜入射的光通過，以及當(dāng)光欄和分層結(jié)構(gòu)1彼此處于一定方位時(shí)，濾光片只濾出一種波長的光。改變光欄和分層結(jié)構(gòu)1的相互方位，可使濾光片對(duì)準(zhǔn)給定范圍內(nèi)的任意波長的光。改變?yōu)V光片的方位，可沿不同角度進(jìn)行掃描，也就是確定對(duì)準(zhǔn)給定波長光源(圖中未示出)的方向。
包括所述的作為選擇元件的濾光片、準(zhǔn)直元件和輻射接收器的光學(xué)儀器可用作無狹縫、透光強(qiáng)的單色儀，利用它可以分析任意輻射的光譜，其中包括弱輻射源的光譜。光線從光源射向物鏡，而濾光片1反射被選出的波長，並將它送到光接收器。旋轉(zhuǎn)濾光片，即過渡到另一波長。
如果在包括所推薦的作為選擇元件的濾光片的光學(xué)儀器的構(gòu)成中，裝入具有連續(xù)光譜特性的輻射源，則儀器可用來照射各種對(duì)象。在這種情況下，來自連續(xù)光譜源的光線射到準(zhǔn)直透鏡上，由濾光片濾出。在出射孔獲得照射對(duì)象用的單色輻射。
下面列舉一些所述濾光片的具體實(shí)施方案。
例1選擇性干涉濾光片有用含有溴化銀的照相乳膠制成的分層結(jié)構(gòu)。分層結(jié)構(gòu)的厚度為18微微米(MKM)。其中不少于85層。折射率從1.52到1.60之間變化。利用波長λ0＝633毫微米的氦-氖激光獲得分層結(jié)構(gòu)。濾出輻射波長λ在480至633毫微米之間。綠色光譜區(qū)的反射率達(dá)40%。在整個(gè)波長調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，光譜帶寬度為8～10毫微米。
例2選擇性干涉濾光片包括用溴化處理過的明膠(含重鉻酸銨)制成的分層結(jié)構(gòu)。分層結(jié)構(gòu)的厚度為10微微米。其中不少于60層。折射率從1.50到1.60之間變化。利用波長λ0＝488毫微米的氬離子激光獲得分層結(jié)構(gòu)。濾出輻射波長在380至488毫微米之間。藍(lán)-綠光譜區(qū)的反射率達(dá)70%。光譜帶寬為5～6毫微米。
例3選擇性干涉濾光片包括用含蒽的記錄氧化介質(zhì)型的照相記錄作用的聚合介質(zhì)制成的分層結(jié)構(gòu)。分層結(jié)構(gòu)的厚度為1毫米。其中不少于4500層。利用波長λ0＝633毫微米的氦-氖激光獲得分層結(jié)構(gòu)。濾出輻射波長在475至633毫微米之間。綠色光譜區(qū)的反射率達(dá)10%。光譜帶寬為0.1～0.2毫微米。
例4選擇性干涉濾光片包括用液態(tài)聚合物制成的分層結(jié)構(gòu)。聚合物包括以原子團(tuán)形式聚合的乙烯單體和穩(wěn)定填加劑。呈層結(jié)構(gòu)的厚度為20微微米。利用波長λ0＝442毫微米的氦-鎘激光獲得約有130層的結(jié)構(gòu)。濾出輻射波長在350至442毫微米之間。反射系數(shù)為15%，光譜帶寬為3～4毫微米。
例5選擇性干涉濾光片包括用含有溴化銀的照相乳膠制成的分層結(jié)構(gòu)。分層結(jié)構(gòu)的厚度為21微微米。其中不少于100層。利用波長λ0＝633毫微米的氦氖激光獲得分層結(jié)構(gòu)。分層結(jié)構(gòu)配置在角度分別為90°、45°、45°的直角三角形棱鏡的斜棱面上。濾出輻射波長在360至610毫微米之間反射系數(shù)從紅色和紫色光譜區(qū)的40%到綠色光譜區(qū)的70%。光譜帶寬為8～10毫微米。
例6選擇性干涉濾光片包括用含有溴化銀的照相乳膠制成的分層結(jié)構(gòu)，分層結(jié)構(gòu)的厚度為21微微米。其中不少于100層。利用波長λ0＝633毫微米的氦-氖激光獲得分層結(jié)構(gòu)。分層結(jié)構(gòu)配置在角度為30°的激光學(xué)楔形物的棱面上。濾出輻射波長在570至633毫微米之間。反射系數(shù)約為60%。
例7選擇性干涉濾光片包括用含有溴化銀的照相乳膠制成的分層結(jié)構(gòu)。分層結(jié)構(gòu)的厚度為21微微米。利用波長λ0＝633毫微米的氦-氖激光在用照相乳膠制成的薄片的一部分上形成分層結(jié)構(gòu)，而在另一部分上則利用波長λ02＝488毫微米的氬離子激光形成分層結(jié)構(gòu)。
分層結(jié)構(gòu)設(shè)置在平面底板上。濾出輻射包括并行的出射光束中的兩種波長。如果在濾出輻射的途徑設(shè)置一光屏，則在光屏上會(huì)出現(xiàn)由兩種顏色構(gòu)成的光點(diǎn)。當(dāng)使射向?yàn)V光片的光輻射的入射角從0°變化到+35°時(shí)，將引起上述兩種波長的變化，其中波長較短的將從380毫微米變化到488毫微米，而波長較長的將從570毫微米變化到633毫微米。
例8選擇性干涉濾光片包括用含有溴化銀的照相乳膠制成的分層結(jié)構(gòu)。分層結(jié)構(gòu)的厚度為42微微米。分層結(jié)構(gòu)是通過波長為λ0′＝633毫微米和λ0″＝488毫微米的兩種激光實(shí)現(xiàn)的。由第一種激光獲得的各層佔(zhàn)據(jù)薄片厚度的一半，厚度的另一半則被由第二種激光獲得的各層所佔(zhàn)據(jù)。第一個(gè)層組位于射向?yàn)V光片的輻射途徑上的較近處。對(duì)濾出輻射的分析結(jié)果表明，當(dāng)以一種入射角射向?yàn)V光片時(shí)，濾出輻射包括兩種波長。當(dāng)改變?nèi)肷浣菚r(shí)，對(duì)應(yīng)于λ0′和λ0″的濾出輻射的波長分別從570變化到633，以及從350變化到488毫微米。
例9選擇性干涉濾光片包括用含有溴化銀的照相乳膠制成的分層結(jié)構(gòu)。分層結(jié)構(gòu)是由波長λ0＝633毫微米的輻射實(shí)現(xiàn)的，且被配置在角度為90°、45°、45°的三角形棱鏡的兩個(gè)直角棱面上，這種棱鏡是偏菱形棱鏡的一種特殊情況。用具有連續(xù)光譜特性的光源照射濾光片，將濾出波長為449毫微米、光譜帶寬為10毫微米的輻射，但這只有當(dāng)射向?yàn)V光片的輻射是沿法線方向時(shí)才會(huì)發(fā)生。當(dāng)入射角度變化1°時(shí)，濾出輻射強(qiáng)度將減弱一半，而當(dāng)入射角變化2°時(shí)，濾光片實(shí)際上不會(huì)讓輻射通過。
所推薦的濾光片是選擇性的窄帶波長調(diào)節(jié)濾光片。它的制作可以相當(dāng)簡(jiǎn)單，且在應(yīng)用中具有很多功能。
當(dāng)光譜帶寬度為8毫微米時(shí)，其波長調(diào)節(jié)范圍為240毫微米的調(diào)節(jié)式濾光片可以代替30片具有同樣光譜帶的非調(diào)節(jié)式濾光片。如果考慮到一個(gè)濾光片的成本，那么采用本發(fā)明將會(huì)收到顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
本發(fā)明可應(yīng)用于光譜學(xué)、照明技術(shù)、光學(xué)儀器和激光儀器制造、以及進(jìn)行宇宙探測(cè)。
權(quán)利要求
1.選擇性干涉濾光片有分層結(jié)構(gòu)(1)，它的每一層(2～5)都是入射到濾光片上的光輻射(17)的反射體，其特征為分層結(jié)構(gòu)(1)的層(2～5)是由沿深度周期性等距變化的折射率來實(shí)現(xiàn)的，而且這些層是由用至少一種給定的波長的單色輻射(6)照射對(duì)該輻射來說為透明的、只在照射過程中才配置在反射鏡(9)前的光敏材料制成的元件構(gòu)成的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的選擇性干涉濾光片，其特征為被照射的元件是由以銀鹽為主的照相乳膠、或由滲重鉻酸鹽的明膠、或由有照相記錄作用的聚合介質(zhì)、或由光致聚合物制成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的選擇性干涉濾光片，其特征為它有底板，在底板上配置分層結(jié)構(gòu)(1)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的選擇性干涉濾光片，其特征為底板采用至少一個(gè)棱鏡(13)，在該棱鏡的反射棱面(16)上配置著分層結(jié)構(gòu)(1)，而光輻射(17)射向棱鏡(13)的任意一個(gè)空閑棱面(18)
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的選擇性干涉濾光片，其特征為底板采用至少一個(gè)光學(xué)楔形物(14)，在該楔形物的一個(gè)棱面(21)上配置著分層結(jié)構(gòu)(1)，而光輻射(17)射向它的另一個(gè)棱面(22)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的選擇性干涉濾光片，其特征為底板是一個(gè)具有透鏡(15)形式的元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的選擇性干涉濾光片，其特征為當(dāng)用兩種或更多種波長不同的單色輻射照射由光敏材料制成的元件時(shí)，分層結(jié)構(gòu)(1)相應(yīng)地有兩組或更多組(25、26)等距層(2～5，2′～5′)，其中每一組都對(duì)應(yīng)于單色輻射的固有波長。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的選擇性干涉濾光片，其特征為當(dāng)用兩種或更多種波長不同的單色輻射照射由光敏材料制成的元件時(shí)，分層結(jié)構(gòu)(1)相應(yīng)地具有兩組或更多組(25、26)等距層(2～5，2′～5′)，其中每一組都對(duì)應(yīng)于單色輻射固有波長。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的選擇性干涉濾光片，其特征為分層結(jié)構(gòu)(1)中的各組(25，26)等距層(2～5，2′～5′)沿射向分層結(jié)構(gòu)(1)的光輻射(17)連續(xù)配置。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的選擇性干涉濾光片，其特征為分層結(jié)構(gòu)(1)中的各組(29′，30′，31′)等距層沿射向分層結(jié)構(gòu)(1)的光輻射(17)連續(xù)配置，且在空間重合。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的選擇性干涉濾光片，其特征為分層結(jié)構(gòu)(35)有層(2″～5″)，各層的等距性由分層結(jié)構(gòu)(35)的橫截面中的平面(36)來實(shí)現(xiàn)，該平面同時(shí)垂直于任意一層(2″～5″)和層(2″～5″)厚度的變化方向，且由具有連續(xù)光譜特征的輻射形成的。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的選擇性干涉濾光片，其特征為兩組或更多組等距層是由單色輻射的平行光束形成的，而且分層結(jié)構(gòu)(1)包括幾個(gè)獨(dú)立部分，它們是與射向分層結(jié)構(gòu)(1)的光輻射(17)的波前的獨(dú)立部分對(duì)應(yīng)的等距層組(29、30、31)。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的選擇性干涉濾光片，其特征為在分層結(jié)構(gòu)(1)上裝有保證使等距層(2～5)的厚度沿分層結(jié)構(gòu)(1)線性變化的加壓裝置(37)。
14.根據(jù)權(quán)利要求4所述的選擇性干涉濾光片，其特征為棱鏡具有偏菱形的截面(40)，在它的兩個(gè)對(duì)稱側(cè)棱面(42、43)上配置著同樣的分層結(jié)構(gòu)(1、44)。
15.根據(jù)權(quán)利要求4所述的選擇性干涉濾光片，其特征為棱鏡(47)有兩對(duì)有公共對(duì)稱面的自身對(duì)稱的側(cè)棱面(48、49和50、51)，在一對(duì)中的每一個(gè)側(cè)棱面(48、49)上配置著分層結(jié)構(gòu)(1、44)。
16.根據(jù)權(quán)利要求5所述的選擇性干涉濾光片，其特征為在分層結(jié)構(gòu)(1)上裝有保證使等距層(2～5)的厚度沿分層結(jié)構(gòu)(1)線性變化的加壓裝置(37)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的選擇性干涉濾光片，其特征為它有外殼(52)，在殼壁上設(shè)有兩個(gè)孔(53、54)，分別為射向分層結(jié)構(gòu)(1)的輻射(17)的入射孔和濾出輻射(19)的出射孔。
18.根據(jù)權(quán)利要求4所述的選擇性干涉濾光片，其特征為它有外殼(52′)，外殼的一個(gè)壁由棱鏡(13)的入射棱面(16)充當(dāng)，而在外殼(52′)的對(duì)面壁(62)上裝有供射向分層結(jié)構(gòu)(1)的輻射(17)通過的光欄。
19.根據(jù)權(quán)利要求5所述的選擇性干涉濾光片，其特征為它有外殼(52′)，外殼的一個(gè)壁由光學(xué)楔形物(14)的入射棱面(22)充當(dāng)，而在外殼(52′)的對(duì)面壁(62)上裝有供射向分層結(jié)構(gòu)(1)的輻射(17)通過的光欄。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的所述的選擇性干涉濾光片，其特征為分層結(jié)構(gòu)(1)設(shè)置在能相對(duì)于入射輻射(17)旋轉(zhuǎn)和/或作線性位移的外殼(52)中。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的選擇性干涉濾光片，其特征為分層結(jié)構(gòu)(1)和光欄作得能互相旋轉(zhuǎn)和/或作線性位移。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的選擇性干涉濾光片，其特征為分層結(jié)構(gòu)(1)和光欄作得能互相旋轉(zhuǎn)和/或作線性位移。
23.包括用來從入射輻射中分出一種或若干種波長輻射的選擇性元件的光學(xué)儀器，其特征為采用權(quán)利要求1所述的選擇性干涉濾光片作為選擇元件，該濾光片安裝得能相對(duì)于入射到它上面的光輻射旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
濾光片有分層結(jié)構(gòu)1，它的各層2-5都是入射光輻射17的反射體，且各層是由沿深度周期性等距變化的折射率來實(shí)現(xiàn)的。層2-5是由用給定波長的單色輻射6照射對(duì)應(yīng)該輻射來說為透明的、只在照射過程中才配置在反射鏡9前的光敏材料制成的元件構(gòu)成的。所述濾光片68用作光學(xué)儀器中的選擇元件，該濾光片能相對(duì)于入射到它上面的光輻射17旋轉(zhuǎn)。
文檔編號(hào)G02B5/28GK1054319SQ9010084
公開日1991年9月4日 申請(qǐng)日期1990年2月20日 優(yōu)先權(quán)日1990年2月20日
發(fā)明者亞歷山大·亞歷山維奇·埃利賽維, 塔瑪拉·尼古拉耶維奇·帕帕娃, 奧里加·維克多羅夫娜·拉沃蒂娜, 維奧耶塔·瓦西里耶維娜·斯塔耶尼娜 申請(qǐng)人:湯姆斯克國立“戈?duì)柊蛦谭颉贝髮W(xué)