本发明专利技术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，属于集成光电子成像领域。本发明专利技术通过改变超颖表面的纳米柱占空比和旋转角度，能够对入射光任意衍射级次进行调制，实现改变衍射角并提高衍射效率。通过改变纳米柱的几何尺寸实现改变入射光和出射光传输相位，矫正光学像差。入射光经过基于超颖表面的高效率反射式色散元件后，被色散分离成单波段光谱，不同波段光以不同衍射角出射至基于超颖表面相位型反射式光学元件和基于超颖表面相位型透射式光学元件。通过所述相位型反射式光学元件和相位型透射式光学元件的光线最终成像在光电探测器上。本发明专利技术能够实现高光谱分辨率成像并提高衍射效率，使得成像光谱仪的关键技术参数有效提升。的关键技术参数有效提升。的关键技术参数有效提升。
【技术实现步骤摘要】
一种基于超颖表面的高衍射效率反射式微型成像光谱仪
[0001]本专利技术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。
技术介绍
[0002]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。本专利技术基于超颖表面，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。
技术实现思路
[0003]本专利技术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。
[0004]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0005]本专利技术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。
[0006]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。
[0007]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；
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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
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3.2mm
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0.5mm。
[0011]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。
[0012]本专利技术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：
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]有益效果：
[0019]1、本专利技术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，
[0020]2、本专利技术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
[0021]图1为本专利技术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。
[0022]图2为基于超颖表面的高效率反射式色散元件示意图。
[0023]图3为基于超颖表面的相位型反射式光学元件示意图。
[0024]图4为基于超颖表面的相位型透射式光学元件示意图。
[0025]图5为光谱仪不同波长下的点列图。
[0026]图6为超颖表面单个纳米柱三维示意图。
具体实施方式
[0027]为了更好的说明本专利技术的目的和优点，下面结合附图和实例对
技术实现思路
做进一步说明。
[0028]实施例1：
[0029]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本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于超颖表面的高衍射效率反射式微型成像光谱仪，其特征在于：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第一反射式光学元件(20)、第二反射式光学元件(30)、基于超颖表面的相位型透射式光学元件(40)光电探测器(50)，入射光线经过基于超颖表面的高效率反射式色散元件，产生具有不同衍射角的分离波段高衍射效率光线，衍射分光后的光线经过基于超颖表面的相位型反射式光学元件和基于超颖表面的相位型透射式光学元件后聚焦在光电探测器上。2.根据权利要求1所述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，其特征在于：所述基于超颖表面的高效率反射式色散元件(10)与基于超颖表面的相位型第二反射式光学元件(30)在同一平面。3.根据权利要求1所述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，其特征在于：所述基于超颖表面的相位型第一反射式光学元件(20)与基于超颖表面的相位型透射式光学元件(40)在同一平面。4.根据权利要求1所述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，其特征在于：所述光谱仪结构形式为三次反射式一次透射式结构。5.根据权利要求1所述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，其特征在于：所述基于超颖表面的高效率反射式色散元件(10)的尺寸为0.25mm
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0.25mm。6.根据权利要求1所述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，其特征在于：所述基于超颖表面的高效率反射式色散元件(10)的衍射效率能达到80％以上。7.根据权利要求1所述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，其特征在于：所述基于超颖表面的相位型第一反射式光学元件(20)的尺寸为0.33mm
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0.33mm，面型类型为相位型光学表面类型。8.根据权利要求1所述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，其特征在于：所述基于超颖表面的相位型第二反射式光学元件(30)的尺寸为0.4mm
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0.4mm，面型类型为相位型光学表面类型；所述基于超颖表面的相位型透射式光学元件(40)的尺寸为0.26mm
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0.26mm，面型类型为相位型光学表面类型；所述光谱仪系统体积大小为2mm
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3.2mm
【专利技术属性】
技术研发人员：常军，杜杉，钟乐，曹佳静，马丽凤，穆全全，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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