本實(shí)用新型涉及光學(xué)微器件制備及遙感探測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種基于菲涅爾波帶片的多通道光譜探測(cè)技術(shù)，具體地講，涉及一種利用離軸菲涅爾波帶片和卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的多通道光譜探測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

光譜儀又稱分光儀，是用光電倍增管等光探測(cè)器測(cè)量譜線不同波長(zhǎng)強(qiáng)度的裝置。常見(jiàn)的光譜儀，是將光線通過(guò)一個(gè)具有光柵的狹小縫隙，利用光柵來(lái)控制光譜儀器的分辨率。衍射光柵作為色散元件，經(jīng)過(guò)特定設(shè)計(jì)，將不同波長(zhǎng)的光以不同的角度反射出去，使得輻射源的電磁輻射分離出所需要的波長(zhǎng)或波長(zhǎng)區(qū)域，分析系統(tǒng)在選定的波長(zhǎng)上(或掃描某一波段)對(duì)分離出的各個(gè)波長(zhǎng)的光，進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)定。目前，常見(jiàn)的色散分光技術(shù)包括，光柵分光、聲光可調(diào)諧濾波分光和棱鏡分光等。這些方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，裝置體積和質(zhì)量大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

實(shí)用新型目的：克服現(xiàn)有光譜探測(cè)技術(shù)中的不足，提供一種基于菲涅爾波帶片的多光譜探測(cè)其裝置，該菲涅爾波帶片與卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡配套使用，可以充分利用卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡小視場(chǎng)、高增益特點(diǎn)，以及菲涅爾波帶片光放大及分光的作用，提高弱信號(hào)光強(qiáng)度，并降低排除視場(chǎng)外背景光干擾。該多光譜探測(cè)裝置簡(jiǎn)單輕便，方便維護(hù)和使用，具有很高實(shí)用價(jià)值。

本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：一種基于菲涅爾波帶片的多光譜探測(cè)裝置，包括菲涅爾波帶片、卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和探測(cè)器，所述的菲涅爾波帶片置于卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡出射孔徑上；所述探測(cè)器放置在菲涅爾波帶片光軸上，或者在菲涅爾波帶片光軸的不同色散光會(huì)聚位置放置在能接收微反射鏡系統(tǒng)，將會(huì)聚的光線傳輸?shù)教綔y(cè)器。

上述技術(shù)方案中，所述的菲涅爾波帶片采用離軸菲涅爾波帶片，離軸菲涅爾波帶片為在完整波帶片上偏離中心截取的一部分。

上述技術(shù)方案中，所述的卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡包括卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡主鏡和卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡附鏡。

上述技術(shù)方案中，所述的探測(cè)器采用單像素探測(cè)器。

本實(shí)用新型將菲涅爾波帶片與卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)結(jié)合，利用卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡收集光信號(hào)，傳輸?shù)椒颇鶢柌◣?jīng)由菲涅爾波帶片匯聚、分光，將不同波長(zhǎng)的光波反射到探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)多光譜探測(cè)。

所述的卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)包括卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡主鏡和卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡副鏡，所述將菲涅爾波帶片與卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)結(jié)合是指將菲涅爾波帶片置于卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡出射孔徑上，調(diào)整卡賽格倫望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中副鏡與主鏡的幾何參數(shù)，使主鏡收集的光線經(jīng)副鏡反射后，以平行光垂直入射菲涅爾波帶片。

在菲涅爾波帶片光軸不同位置放置微反射鏡系統(tǒng)，將會(huì)聚的光線傳輸?shù)絾蜗袼靥綔y(cè)器，或者將單像素探測(cè)器放置在菲涅爾波帶片光軸上，直接探測(cè)會(huì)聚的目標(biāo)光，實(shí)現(xiàn)多通道光譜同時(shí)探測(cè)。

實(shí)現(xiàn)上述基于菲涅爾波帶片的多光譜探測(cè)方法的具體步驟包括：(1)設(shè)計(jì)菲涅爾波帶片微結(jié)構(gòu)，獲得合適的探測(cè)波長(zhǎng)的焦距和光放大倍率；(2)設(shè)計(jì)具有一定視場(chǎng)和增益的卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡，調(diào)整主鏡和副鏡，獲得垂直出射孔徑的平行光； (3)再利用電子束蒸發(fā)鍍膜、電子束曝光和等離子體刻蝕技術(shù)完成微結(jié)構(gòu)的制備；(4)將菲涅爾波帶片裝配在卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡的出射孔徑，利用光闌或者直接裁剪使得菲涅爾波帶片以離軸方式工作；(5)菲涅爾波帶片光軸不同位置放置微反射鏡系統(tǒng)，將會(huì)聚的光線傳輸?shù)絾蜗袼靥綔y(cè)器，或者將單像素探測(cè)器放置在菲涅爾波帶片光軸上，直接探測(cè)會(huì)聚的目標(biāo)光，實(shí)現(xiàn)多通道光譜同時(shí)探測(cè)。

菲涅爾波帶片的半波帶，要根據(jù)需要探測(cè)的目標(biāo)光波長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，半波帶數(shù)目決定了光放大的倍率，半波帶數(shù)目越大，菲涅爾波帶片尺寸越大；菲涅爾波帶片的焦距與波長(zhǎng)成反比，長(zhǎng)波焦距短。

菲涅爾波帶片對(duì)垂直入射的平行光具有強(qiáng)大的會(huì)聚及分光能力。對(duì)于具有N 個(gè)半波帶的波帶片，焦點(diǎn)處的光強(qiáng)是自由光強(qiáng)的4N²倍，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱光信號(hào)的放大；

菲涅爾波帶片對(duì)垂直入射的平行光具有很好的分光性能，但不同波長(zhǎng)的光波的主焦點(diǎn)都在光軸上，從光軸方向觀察時(shí)，不同波長(zhǎng)的光波仍然混合在一起，不利于探測(cè)。在完整波帶片上偏離中心的地方截取一部分(離軸菲涅爾波帶片)，則不同波長(zhǎng)的光波將在原完整菲涅爾波帶片光軸上彼此分離的焦點(diǎn)會(huì)聚，可以實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的光波較好的分離(離軸分光)；

當(dāng)平行光以一定角度入射時(shí)，菲涅爾波帶片的會(huì)聚能力將降低，并且失去分光的作用；當(dāng)光以漫散射的形式入射波帶片時(shí)，波帶片基本喪失會(huì)聚能力，并且也喪失了分光的作用。卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)與菲涅爾波帶片組合使用，在收集光信號(hào)的同時(shí)，為菲涅爾波帶片提供垂直入射的信號(hào)光；

菲涅爾波帶片是光譜探測(cè)的色散分光元件，具有體積小、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)；入射光經(jīng)菲涅爾波帶片后發(fā)生衍射，信號(hào)光被相干放大，適合探測(cè)弱光目標(biāo)；采用單像素探測(cè)器獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)多光譜同時(shí)探測(cè)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、信噪比高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

本實(shí)用新型能對(duì)微弱目標(biāo)光信號(hào)進(jìn)行干涉放大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，可靠性高，便于使用和維護(hù)。

附圖說(shuō)明

圖1為菲涅爾波帶片衍射原理圖；

圖2為平行光垂直入射波帶片時(shí)軸向聚光及分光情況；

圖3為離軸菲涅爾波帶片示意圖。圖3中，11是一塊完整的菲涅爾波帶片， 12是在完整的菲涅爾波帶片的基礎(chǔ)上，偏離中心位置截取的一塊圓形的離軸菲涅爾波帶片；

圖4為離軸菲涅爾波帶片分光示意圖。圖4中，平行光垂直入射離軸菲涅爾波帶片，不同波長(zhǎng)的光波會(huì)聚在原菲涅爾波帶片光軸的不同位置，21～23是分別對(duì)應(yīng)3個(gè)不同波長(zhǎng)光波的光譜探測(cè)器；

圖5(a)、圖5(b)為主焦面上光強(qiáng)分布；其中5(a)為主焦面垂直入射前光波圖，圖5(b)為主焦面垂直入射后光波圖。

圖6為卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡示意圖。圖6中，通過(guò)合理調(diào)節(jié)副鏡與主鏡的距離，設(shè)置副鏡參數(shù)，能使光線以平行光從系統(tǒng)射出，為后續(xù)光學(xué)元件如菲涅爾波帶片提供了理想的垂直入射光；

圖7為離軸菲涅爾波帶片與卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡組合裝置側(cè)視圖。圖7中，31 是卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡的主鏡，32是卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡的副鏡，離軸菲涅爾波帶片12 位于卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡出射孔徑，h₁是主鏡頂與副鏡頂?shù)木嚯x，h₂是主鏡頂點(diǎn)處的厚度，h₃是主鏡邊緣厚度，h₄是主鏡邊緣寬度，D₁是主鏡邊緣的外口徑，D₃是主鏡上出射孔徑的直徑；

圖8為卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡主鏡俯視圖。圖8中，D₂是主鏡邊緣的內(nèi)口徑；

圖9為卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡副鏡側(cè)視圖。圖9中，h₅是副鏡邊緣的厚度，h₆是副鏡中心的厚度，D₄是副鏡的口徑；

圖10為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖中標(biāo)記與圖7同。

具體實(shí)施方式

參見(jiàn)附圖，本實(shí)用新型將菲涅爾波帶片與卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)結(jié)合，利用卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡收集光信號(hào)，傳輸?shù)椒颇鶢柌◣?，?jīng)由菲涅爾波帶片匯聚、分光，將不同波長(zhǎng)的光波反射到探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)多光譜探測(cè)，所述的菲涅爾波帶片采用離軸菲涅爾波帶片，所述離軸菲涅爾波帶片為在完整波帶片上偏離中心截取的一部分，所述的卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)包括卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡主鏡和卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡副鏡，所述將菲涅爾波帶片與卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)結(jié)合是指將菲涅爾波帶片置于卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡出射孔徑上，調(diào)整卡賽格倫望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中副鏡與主鏡的幾何參數(shù)，使主鏡收集的光線經(jīng)副鏡反射后，以平行光垂直入射菲涅爾波帶片，在菲涅爾波帶片光軸不同位置放置微反射鏡系統(tǒng)，將會(huì)聚的光線傳輸?shù)絾蜗袼靥綔y(cè)器，或者將單像素探測(cè)器放置在菲涅爾波帶片光軸上，直接探測(cè)會(huì)聚的目標(biāo)光，實(shí)現(xiàn)多通道光譜同時(shí)探測(cè)。

本實(shí)用新型的基于菲涅爾波帶片的多光譜探測(cè)裝置，包括菲涅爾波帶片、卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和探測(cè)器，所述的菲涅爾波帶片置于卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡出射孔徑上；所述探測(cè)器放置在菲涅爾波帶片光軸上，或者在菲涅爾波帶片光軸的不同色散光會(huì)聚位置放置在能接收微反射鏡系統(tǒng)，將會(huì)聚的光線傳輸?shù)教綔y(cè)器，所述的菲涅爾波帶片采用離軸菲涅爾波帶片，離軸菲涅爾波帶片為在完整波帶片上偏離中心截取的一部分，所述的卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡包括卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡主鏡和卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡副鏡，所述的探測(cè)器采用單像素探測(cè)器。

本實(shí)用新型的基于離軸菲涅爾波帶片和卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡的多通道光譜探測(cè)技術(shù)，是利用卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡大口徑、高增益的特點(diǎn)，為離軸菲涅爾波帶片提供垂直入射的信號(hào)光，通過(guò)波帶片的光放大和分光后，不同波長(zhǎng)的光波被會(huì)聚在不同的位置，從而實(shí)現(xiàn)多光譜同時(shí)探測(cè)。

離軸菲涅爾波帶片的半波帶周期，根據(jù)濾光波波長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，波帶片的波帶數(shù)N，根據(jù)裝置光放大的需求設(shè)計(jì)，出射光強(qiáng)I_N是入射光強(qiáng)的4N²倍。

離軸菲涅爾波帶片的形狀可以是圓形、方形或者任意多邊形，根據(jù)卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡出射孔徑或者所使用的光闌等因素確定。

為了實(shí)現(xiàn)多通道光譜探測(cè)，可以采用如下步驟：

(1)仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)合理的菲涅爾波帶片微結(jié)構(gòu)；

(2)利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝加工制備菲涅爾波帶片；

(3)設(shè)計(jì)制作并裝配調(diào)試卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；

(4)裝配菲涅爾波帶片和卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡組合裝置，并在菲涅爾波帶片的焦點(diǎn)位置設(shè)置探測(cè)器。

波帶片有多種制作方法，較為常用的方法是鍍膜、電子束曝光和刻蝕，這種技術(shù)是在透明基底上先鍍金屬膜，然后電子束曝光形成光刻膠掩膜，再利用刻蝕的方法除去相間波帶部分的金屬膜，將波帶片直接刻出來(lái)；同步輻射光刻技術(shù)更為精密，但技術(shù)復(fù)雜成本高，常采用金為制作材料，特點(diǎn)是利用扇形條來(lái)支撐波帶環(huán)；也可以用聚焦離子束直接刻蝕來(lái)制備波帶片；對(duì)精度要求不高的試驗(yàn)用波帶片一般采用照相法實(shí)現(xiàn)，它成本低廉，通過(guò)繪圖軟件(如Auto CAD)繪制波帶片，然后打印再拍攝成像于底片而得。

圖2為254nm、300nm及400nm平行光垂直入射波帶片時(shí)，各自在光軸的不同位置聚焦，焦點(diǎn)光強(qiáng)具有10⁷量級(jí)。

波帶片對(duì)垂直入射的平行光具有很好的分光性能，但不同光波的主焦點(diǎn)都在光軸上，所以從光軸方向觀察時(shí)，不同光波仍然混合在一起，300nm和400nm光強(qiáng)形成背景噪聲，不能實(shí)現(xiàn)三種光波的徹底分離。如果在完整波帶片上偏離中心的地方截取一部分(圖3)，則不同光波將在原光軸上彼此分離的焦點(diǎn)會(huì)聚(圖4)。

從圖5(a)、圖5(b)所示結(jié)果可見(jiàn)，離軸波帶片對(duì)垂直入射光波同樣具有強(qiáng)大的會(huì)聚能力，但分光更加徹底。

菲涅爾波帶片對(duì)雜散光沒(méi)有會(huì)聚放大能力，可以將波帶片與圖6所示望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)結(jié)合對(duì)信號(hào)光進(jìn)行聚集，望遠(yuǎn)鏡出射光為平行光，波帶片置于望遠(yuǎn)鏡出射孔徑上。對(duì)卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖7和圖8所示，主鏡的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

■面型：圓錐系數(shù)k＝-1，拋物面，頂點(diǎn)半徑300mm(f＝150mm)

■主鏡頂與副鏡頂?shù)木嚯x：h₁＝138.326mm

■頂點(diǎn)處的厚度：h₂＝20mm

■外口徑：D₁＝206mm

■出射孔徑口徑(中心開(kāi)孔)：D₃＝20mm

■厚度：h₃＝36.7mm

■邊緣寬度：h₄＝3mm

如圖7和圖9所示，副鏡的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

■面型：圓錐系數(shù)k＝-1.5625，雙曲面，頂點(diǎn)半徑22.5mm(a＝40mm，b＝30 mm)

■口徑：D₄＝15.54mm

■中心厚度：h₆＝6.32mm

■底部厚度：h₅＝5mm

調(diào)整卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡副鏡與主鏡的距離，能使光線經(jīng)副鏡反射后，近乎平行地射向出射孔徑。將離軸波帶片置于望遠(yuǎn)鏡出射孔徑處，便構(gòu)成了卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡與菲涅爾波帶片組合的多光譜探測(cè)接收天線。它具有小視場(chǎng)、大口徑、增益較高的特點(diǎn)。