CN106094227B - 一种分光耦合装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光耦合技术领域，特别涉及一种分光耦合装置及方法。分光耦合装置包括第一透镜组、分光棱锥、至少两个滤光片和像增强器，所述分光棱锥包括至少两个反射面，所述反射面设置反射膜，所述第一透镜组用于收集并准直目标光线，所述第一透镜组输出的光线被所述分光棱锥的所述至少两个反射面分为至少两束光线，所述至少两束光线中的每束光线分别全反射至所述至少两个滤光片中的一个滤光片，所述至少两个滤光片输出的光线耦合至所述像增强器。本发明实施例提供的分光耦合装置及方法，分光棱锥可以将目标发射的光谱信号分为至少两束光线，至少两束光线分别经过滤光片后可以同时到达探测器，大大提高了信号测量的准确度，且装置体积较小。

Description

一种分光耦合装置及方法

技术领域

本发明涉及光耦合技术领域，尤其涉及一种分光耦合装置及方法。

背景技术

目前应用于超高温探测技术领域的耦合装置，对目标光进行耦合时，是利用多个依次排列设置的滤光片逐级地将所需辐射谱波长筛选出来，然后进入探测器，由于不同波长光信号到达探测器所需的时间不一致，被排列在前的滤光片提取的光信号优先达到探测器，被排列在后的滤光片提取的光信号最后达到探测器，因此探测器获得的光谱信号不是同一时间发出的，而是存在一定的延迟，进而导致探测器的信号探测准确度不高。此外，采用多个滤光片逐级筛选的方式，也导致耦合装置的体积较大。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种可提高高温探测器的探测精度的分光耦合装置及方法。

本发明实施例提供的分光耦合装置，包括第一透镜组、分光棱锥、至少两个滤光片和像增强器，所述分光棱锥包括至少两个反射面，所述反射面设置有反射膜，所述第一透镜组包括双胶合透镜和两个单透镜，所述双胶合透镜、所述两个单透镜依次排列设置，所述双胶合透镜、所述两个单透镜的光轴重合，所述第一透镜组用于收集并准直目标光线，所述第一透镜组输出的光线被所述分光棱锥的所述至少两个反射面分为至少两束光线，所述至少两束光线中的每束光线分别全反射至所述至少两个滤光片中的一个滤光片，所述至少两个滤光片输出的光线耦合至所述像增强器。

较优的，所述分光耦合装置，还包括第二透镜组，所述第二透镜组包括至少两个双胶合消色差透镜，所述至少两束光线中的每束光线分别全反射至所述至少两个双胶合消色差透镜中的一个双胶合消色差透镜，每个双胶合消色差透镜输出的光线分别入射至一个所述滤光片。

经过双胶合消色差透镜的光线可以消除色差，更有利于滤光片提取指定中心波长的光信号。

较优的，所述分光棱锥为包含四个所述反射面的分光棱锥，所述双胶合消色差透镜为四个，一个所述双胶合消色差透镜接收一个所述反射面全反射的光信号。

反射面的个数越多，到达探测器的光线的波长范围越宽，探测精度就会越准确，但是相应所需的反射膜及滤光片的个数也会增多，导致成本增加，且在达到一定探测精度后，由于反射面的个数增加而引起探测精度提高的效果不明显。反射面设置为四个，可以实现很高的探测精度，同时分光耦合装置的体积较小，成本较低。

进一步较优的，所述反射膜为反射率大于90％的反射膜。

反射面镀反射膜，反射膜的反射率越高，经反射面反射的光线越多，为了实现较高的探测精度，需要从目标光线中提取更多的反射光线，因此优选反射率较高的反射膜。

较优的，所述反射面为与光轴呈45度角的扇形反射面。

较优的，所述分光棱锥的尖端为平面。

较优的，所述第一透镜组包括双胶合透镜和两个单透镜，所述双胶合透镜、所述两个单透镜依次排列设置，所述双胶合透镜、所述两个单透镜的光轴重合。

较优的，所述至少两个滤光片分别为镀有不同介质膜的滤光片。

另一方面，本发明实施例提供的一种分光耦合方法，包括以下步骤：

第一透镜组对收集的目标光线准直后发出；

分光棱锥将所述第一透镜组输出的光线分为至少两束光线，将所述至少两束光线中的每束光线分别全反射到至少两个滤光片中的一个滤光片；

经所述至少两个滤光片输出的光线耦合至所述像增强器。

较优地，所述将所述至少两束光线中的每束光线分别全反射到至少两个滤光片中的一个滤光片，包括：

将所述至少两束光线中的每束光线分别全反射到至少两个双胶合消色差透镜中的一个双胶合消色差透镜；

每个双胶合消色差透镜输出的光线分别入射至一个所述滤光片。

与现有技术相比，本发明实施例提供的分光耦合装置及方法，通过分光棱锥的设置，分光棱锥可以将目标发射的光谱信号分为至少两束光线，至少两束光线分别经过滤光片后可以同时到达探测器，解决了现有技术中不同波长光信号达到探测器存在时间延迟的问题，大大提高了信号测量的准确度。另一方面，分光棱锥的使用也极大地减小了耦合装置的体积，耦合装置可以设置为一个相机镜头的大小，而不是传统的大体积仪器。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明较佳实施例提供的分光棱锥的结构示意图。

图2为本发明较佳实施例提供的分光耦合装置的结构示意图。

图3为本发明较佳实施例提供的第一透镜组的结构示意图。

图4为本发明较佳实施例提供的分光耦合方法流程图。

主要元件符号说明

第一透镜组100；分光棱锥200；双胶合消色差透镜300；滤光片400；像增强器500；双胶合透镜101；固定件102；单透镜103；反射面201；光轴202。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

现有技术中，应用于超高温探测的分光耦合装置由多个滤光片组成，多个滤光片同光轴依次排列设置，目标光谱信号先后依次达到各个滤光片，被排列在前的滤光片提取的光信号优先达到探测器，被排列在后的滤光片提取的光信号最后达到探测器，因此，各个波长的光信号达到探测器的时间不一致，导致探测器的准确度不高

基于此，本发明人经过不断研究，提出了一种新型结构的分光耦合装置。

本发明实施例提供的分光耦合装置，包括第一透镜组、分光棱锥、至少两个滤光片和像增强器，所述分光棱锥包括至少两个反射面，所述至少两个反射面设置有反射膜。第一透镜组收集目标光线并准直，所述第一透镜组输出的光线被所述分光棱锥的反射面全反射至所述滤光片，所述滤光片输出的光线耦合至所述像增强器。

分光棱锥包括至少两个反射面，目标光线辐照到分光棱锥后，被分光棱锥的至少两个反射面分为至少两束光线，至少两束光线分别同时全反射至少两个滤光片，即经过一个反射面的光线被反射至一个滤光片，经过滤光片的至少两束光线同时入射到像增强器，像增强器对入射光线进行放大后输出至探测器。由于被至少两个滤光片提取出的至少两束光线同时到达像增强器，即探测器可同时接收到不同波长的至少两束光线，因此探测器的探测精度得到提高。

下面将以一个较佳的实施例对本发明实施例提供的分光耦合装置作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明较佳实施例提供的分光棱锥200的结构示意图。所述分光棱锥200包括四个反射面201，所述四个反射面201均为扇形反射面，每个反射面201镀有反射膜，以增加反射光束。反射膜的反射率可根据应用需求进行选择，优选反射率大于90％的反射膜，以增加反射光束。

本发明较佳实施例中，每个反射面201与光轴202呈45度角设置。经过反射面201反射的光线最终要进入像增强器进行耦合，因此分光棱锥的反射面201与光轴202形成的角度可根据像增强器的有效耦合面积设置，如果像增强器的孔径越大，那么分光棱锥的反射面201与光轴202形成的角度可以越大，反之则越小。换言之，当分光棱锥的反射面201与光轴202形成的角度较小时，像增强器的孔径较小，进而可以缩小整个分光耦合装置的体积，因此可以将反射面201与光轴202形成的角度设置得较小，例如30度，45度，60度。本发明对反射面201与光轴202形成的角度不做限定，每个反射面201与光轴202形成的角度也可以不同。

本发明较佳实施例中，反射面201为扇形反射面，其是基于圆柱形基体实现的，若基体为其他形状，例如多边体，那么反射面201则可以为三角形。本发明对反射面201的形状不做限定。

本发明较佳实施例中，反射面201为四个。反射面201的个数越多，到达探测器的光线的波长范围越宽，探测精度就会越准确，但是反射膜及滤光片的使用个数也会相应的增多，导致成本增加，分光棱锥200的体积也会相应增大。另一方面，反射面201的个数与探测精度并不是呈线性增长的，在达到一定探测精度后，由于反射面201的个数增加而引起探测精度提高的效果不明显，因此，基于体积及成本的限制，反射面201的个数只需要根据探测精度来设置，可优选为四个，探测精度不高也可分光棱锥设置两个或三个反射面201。本发明对分光棱锥200的反射面201的个数不做限定。

本发明较佳实施例中，分光棱锥200的尖端为平面。如果分光棱锥的尖端为锥面，那么在尖端处位于不同反射面201的光线距离很近，很难分开。优选将分光棱锥的尖端磨平，辐照在分光棱锥的四个反射面201的光线就可以很好地分开，然后分别反射至相应的滤光片。

如图2所示，是本发明较佳实施例提供的分光耦合装置的结构示意图。所述分光耦合装置包括本发明较佳实施例提供的分光棱锥200，还包括第一透镜组100、四个滤光片400和像增强器500。四个滤光片400分别镀有不同的介质膜，以实现分别提取不同中心波长的光信号。如果要提取相同中心波长的光信号，也可以在不同反射面201镀相同的介质膜。光线从第一透镜组100的入射面进入，从第一透镜组100的出射面发出，并进入分光棱锥200。经分光棱锥200的四个反射面201分为四路光线后，四路光线分别进入四个滤光片400的入射面，一路光线进入一个滤光片400的入射面，从滤光片400的出射面发出。经四个滤光片提取出的指定中心波长的光信号的四路光线同时进入像增强器500的入射面。

如图3所示，是本发明较佳实施例提供的第一透镜组100的结构示意图。所述第一透镜组100包括双胶合透镜101、两个单透镜103和固定件102，所述双胶合透镜101、所述两个单透镜103依次排列并通过所述固定件102固定，所述双胶合透镜101、所述两个单透镜103的光轴重合。第一透镜组100实现对目标光信号的收集与准直，然后输出至分光棱锥200。

目标自身的辐射光辐照在第一透镜组100的双胶合透镜101，被双胶合透镜101收集，两个单透镜103将目标的辐射光在成像于分光棱锥200之前的数值孔径减小，以对双胶合透镜101输出的光线准直后，辐照在分光棱锥200的四个反射面201，分光棱锥200的四个反射面201将收集的光信号分别反射到四个滤光片400，形成四路光信号，实现四分幅。经一个反射面201反射的光被一个滤光片400接收，一个滤光片400提取出一个中心波长的光信号。被四个滤光片400提取出的四路光信号同时到达像增强器500，像增强器500对四路光信号进行放大、耦合。经放大后的光信号更利于探测器识别，进一步提高探测精度。分光耦合装置的输出端连接探测器后，分别经四个滤光片400提取出的不同波长的光信号可以同时达到探测器，实现目标光信号的精确测量。

作为更优选的实施方式，所述分光耦合装置还可以包括第二透镜组。所述第二透镜组包括四个双胶合消色差透镜300，所述分光棱锥200输出的四路光线分别入射至所述四个双胶合消色差透镜300的入射面，经双胶合消色差透镜300消除色差后输出的光线入射至滤光片400，一个双胶合消色差透镜300分别接收分光棱锥200的一个反射面201反射的光信号，一个双胶合消色差透镜300的输出光线入射至一个所述滤光片400的入射面，即一个反射面201对应一个双胶合消色差透镜300，一个双胶合消色差透镜300对应一个滤光片400。经过双胶合消色差透镜300的光信号质量更高，利用双胶合消色差透镜300提高被滤光片400提取的光信号质量，进而提高进入探测器的光信号质量。

需要说明的是，在本发明较佳实施例中，滤光片400为四个，第二透镜组包含的双胶合消色差透镜300也为四个，滤光片400及第二透镜中的双胶合消色差透镜300的数量是根据所述分光棱锥200的反射面201个数而设置的，只要保障分光棱锥200的一个反射面201反射的光被一个双胶合消色差透镜300接收，一个双胶合消色差透镜300输出的光被一个滤光片400接收即可，本发明对双胶合消色差透镜300、滤光片400的个数不做具体限定。

本发明较佳实施例提供的分光耦合装置中，分光棱锥200可以将目标发射的光谱信号分为四束光线，四束光线分别经过滤光片400后可以同时到达像增强器500，即可同时达到探测器，解决了现有技术中不同波长光信号达到探测器存在时间延迟的问题，大大提高了信号测量的准确度。

另一方面，现有技术中使用滤光片进行分光，受滤光片焦距限制，多个滤光片之间的设置间距较大，导致分光耦合装置的体积较大。此外，分的光路越多，所需的滤光片越多，进一步导致分光耦合装置的体积较大，分光所需的滤光片加上提取指定中心波长的滤光片，使得目前使用的分光耦合装置只能是一个具有较大体积的仪器。而本发明实施例提供的分光耦合装置，仅需要一个分光棱锥即可实现分光，极大地减小了分光耦合装置的体积，分光耦合装置可以设置为一个相机镜头的大小。

本发明实施例提供的分光耦合装置可以应用于***冲击波物理、激光加载、瞬态热辐射、超高温探测等领域。

如图4所示，是本发明较佳实施例提供的基于图2所示的分光耦合装置实现的分光耦合方法的流程图。本发明较佳实施例提供的分光耦合方法包括：

步骤S401，第一透镜组接收目标自身的辐射光信号，对辐射光信号准直后辐照在分光棱锥的四个反射面。

步骤S402，分光棱锥的四个反射面将准直后的辐射光信号分为四束，分别反射在四个双胶合消色差透镜。

步骤S403，滤光片从双胶合消色差透镜输出的光信号中提取出指定中心波长的光信号。一个滤光片对应一个双胶合消色差透镜，从该双胶合消色差透镜输出的光信号中提取出指定中心波长的光信号。提取出的光信号的中心波长由滤光片镀有的介质膜决定。

步骤S404，四个滤光片输出的光信号同时耦合到像增强器。

需要说明的是，根据分光耦合装置的结构变化，基于该分光耦合装置实现的分光耦合方法的步骤相应变化。例如，若分光耦合装置中没有双胶合消色差透镜，那么步骤S402中，分光棱锥的四个反射面将辐射光信号分为四束后直接辐照在四个滤光片，步骤S403中，滤光片从分光棱锥的反射面输出的光信号中提取出指定中心波长的光信号。

采用本发明实施例提供的分光耦合方法，可以使得目标发射的光谱信号在同一时间被分为四路，四路光线又可同时达到像增强器，进而实现同时到达探测器，大大提高了信号测量的准确度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种分光耦合装置，其特征在于，包括第一透镜组、分光棱锥、至少两个滤光片和像增强器，所述分光棱锥包括至少两个反射面，所述反射面设置有反射膜，所述第一透镜组用于收集并准直目标光线，所述第一透镜组输出的光线被所述分光棱锥的所述至少两个反射面分为至少两束光线，所述至少两束光线中的每束光线分别全反射至所述至少两个滤光片中的一个滤光片，所述至少两个滤光片输出的光线耦合至所述像增强器；

所述第一透镜组包括固定件、双胶合透镜和两个单透镜，所述双胶合透镜、所述两个单透镜依次排列并通过所述固定件固定，所述双胶合透镜、所述两个单透镜的光轴重合。

2.根据权利要求1所述的分光耦合装置，其特征在于，还包括第二透镜组，所述第二透镜组包括至少两个双胶合消色差透镜，所述至少两束光线中的每束光线分别全反射至所述至少两个双胶合消色差透镜中的一个双胶合消色差透镜，每个双胶合消色差透镜输出的光线分别入射至一个所述滤光片。

3.根据权利要求2所述的分光耦合装置，其特征在于，所述分光棱锥为包含四个所述反射面的分光棱锥，所述双胶合消色差透镜为四个，一个所述双胶合消色差透镜接收一个所述反射面全反射的光信号。

4.根据权利要求1所述的分光耦合装置，其特征在于，所述反射膜为反射率大于90％的反射膜。

5.根据权利要求1所述的分光耦合装置，其特征在于，所述反射面为与光轴呈45度角的扇形反射面。

6.根据权利要求1所述的分光耦合装置，其特征在于，所述分光棱锥的尖端为平面。

7.根据权利要求1所述的分光耦合装置，其特征在于，所述至少两个滤光片分别为镀有不同介质膜的滤光片。

8.一种分光耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一透镜组对收集的目标光线准直后发出；

分光棱锥将所述第一透镜组输出的光线分为至少两束光线，将所述至少两束光线中的每束光线分别全反射到至少两个滤光片中的一个滤光片；

经所述至少两个滤光片输出的光线耦合至像增强器；

所述将所述至少两束光线中的每束光线分别全反射到至少两个滤光片中的一个滤光片的步骤，包括：

将所述至少两束光线中的每束光线分别全反射到至少两个双胶合消色差透镜中的一个双胶合消色差透镜；

每个双胶合消色差透镜输出的光线分别入射至一个所述滤光片。