CN101533159B - 三级法布里-珀罗腔型可调谐滤光片系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三级法布里-珀罗腔型可调谐滤光片系统。有两种结构。第一种结构有三个法布里-珀罗腔构成，其中法布里-珀罗腔是电可调谐的；第二种结构有起偏器、三个法布里-珀罗腔和检偏器构成，其中法布里-珀罗腔只对通过起偏器的线偏振光起电可调谐作用。本发明通过三个法布里-珀罗腔的合理设计实现宽光谱范围内连续可调的窄带滤光，法布里-珀罗腔制作工艺成熟，整个系统实现方便。还具有通光口径大、装配简易、滤光光谱范围宽、光谱分辨率高的特点，可应用于遥感探测、生物医学、天文观测等领域。
Description
技术领域
本发明涉及光学可调谐滤波装置，尤其涉及一种三级法布里-珀罗腔型可调谐滤光片系统，可应用于光谱成像领域。
背景技术
可调谐滤光片系统包括机械调谐、声光调谐、电光调谐滤光片系统等。
机械可调谐滤光片主要用于干涉滤光系统和偏振干涉滤光系统之中，通过改变系统中器件的物理参数如厚度、夹角等，达到调谐滤光系统光谱特性的目的。机械调谐滤光系统一般有运动机构，稳定性和牢固性差，调谐响应速度慢，结构复杂。
声光可调谐滤光片主要是利用各向异性晶体在声光互作用下的反常布拉格衍射效应制成的可调谐滤光系统，能够根据施加给它的射频信号频率的不同对入射复色光进行衍射从而得到特定波长的单色光。声光调谐滤光系统具有结构紧凑，调谐响应速度快的优点，但是有装置复杂，价格昂贵，通光口径小，不同光谱的图象会有漂移等缺陷。
电光可调谐滤光片则主要是利用晶体或聚合物的压电效应、电致伸缩效应、电光效应以及液晶的电控双折射效应而达到调谐滤光片的目的。电光可调谐滤波器基本结构类型有Lyot型、Solc型和法布里-珀罗腔型三种，它们具有一些共同特点，如结构简单紧凑，调节方便，响应速度快，通光口径大等优点，是目前应用较为广泛的方法。
Lyot型和Solc型可调谐滤光片通常需要多级叠加才有较好的滤光效果，光谱分辨率要求越高，叠加级数需要越多，这就出现系统结构变复杂、体积变大、透过率降低等矛盾；法布里-珀罗腔型目前主要应用在光通信波长，自由光谱区及调谐能力要求不高。在光通信领域，有使用两个自由光谱区稍有差异的法布里-珀罗腔叠加，构成游标式级联FP滤波器，但是只能实现多个频率的动态滤波和选择，不是连续滤波。在光谱成像领域，受到光通信领域两个法布里-珀罗腔叠加的启发，采用三个可调谐法布里-珀罗腔构成滤光片系统实现宽光谱连续可调谐窄带滤光。
发明内容
本发明的目的是提供一种滤光光谱范围广、光谱分辨率高、通光口径大、装配简易、结构紧凑、调节方便、响应速度快的三级法布里-珀罗腔型可调谐滤光片系统。
三级法布里-珀罗腔型可调谐滤光片系统中的第一法布里-珀罗腔、第二法布里-珀罗腔和第三法布里-珀罗腔以任意次序叠加而成，第一法布里-珀罗腔、第二法布里-珀罗腔和第三法布里-珀罗腔的结构相同，法布里-珀罗腔包括第一玻璃基板、第一ITO导电薄膜、第一介质高反射层和第一腔体，第一腔体上、下方分别设有第一介质高反射层、第一ITO导电薄膜和第一玻璃基板。
所述的第一法布里-珀罗腔与第二法布里-珀罗腔的腔长相同。
三级法布里-珀罗腔型可调谐滤光片系统包括起偏器、第四法布里-珀罗腔、第五法布里-珀罗腔、第六法布里-珀罗腔和检偏器，其中第四法布里-珀罗腔、第五法布里-珀罗腔、第六法布里-珀罗腔的次序是任意叠加，起偏器、检偏器在第四法布里-珀罗腔、第五法布里-珀罗腔、第六法布里-珀罗腔的两侧，第四法布里-珀罗腔、第五法布里-珀罗腔、第六法布里-珀罗腔的结构相同，法布里-珀罗腔包括第二玻璃基板、第二ITO导电薄膜、第二介质高反射层、液晶定向层和第二腔体，第二腔体上、下方分别设有液晶定向层、第二介质高反射层、第二ITO导电薄膜和第二玻璃基板。
所述的第四法布里-珀罗腔与第五法布里-珀罗腔的腔长相同；第四法布里-珀罗腔、第五法布里-珀罗腔、第六法布里-珀罗腔起调谐作用的线偏振方向与液晶分子定向方向一致。
本发明通过三个法布里-珀罗腔的合理设计实现宽光谱范围内连续可调的窄带滤光，法布里-珀罗腔制作工艺成熟，整个系统实现方便。还具有通光口径大、装配简易、滤光光谱宽、光谱分辨率高的特点，可应用于遥感探测、生物医学、天文观测等领域。
附图说明
图1(a)为三级法珀型宽光谱窄带可调滤光片系统第一种结构的示意图；
图1(b)为一种可调谐法布里-珀罗腔的结构示意图；
图2(a)为三级法珀型宽光谱窄带可调滤光片系统第二种结构的示意图；
图2(b)为一种利用液晶的可调谐法布里-珀罗腔的结构示意图；
图3为法布里-珀罗腔自由光谱区随波长增大而变大的示意图；
图4(a)为第一个法布里-珀罗腔的透射曲线示意图；
图4(b)为第二个法布里-珀罗腔的透射曲线示意图；
图4(a’)为第一个法布里-珀罗腔调谐后透射曲线示意图；
图4(b’)为第二个法布里-珀罗腔调谐后透射曲线示意图；
图4(c)为第一个法布里-珀罗腔和第二个法布里-珀罗腔合透射曲线示意图；
图4(d)为第三个法布里-珀罗腔调谐后透射曲线示意图；
图4(e)为三个法布里-珀罗腔合透射曲线示意图；
图5(a)为滤光片系统滤得400nm峰值的透射曲线示意图；
图5(b)为滤光片系统滤得700nm峰值的透射曲线示意图；
图中：第一法布里-珀罗腔1、第二法布里-珀罗腔2、第三法布里-珀罗腔3、起偏器4、第四法布里-珀罗腔5、第五法布里-珀罗腔6、第六法布里-珀罗腔7、检偏器8、第一玻璃基板11、第一ITO导电薄膜12、第一介质高反射层13、第一腔体14、第二玻璃基板51、第二ITO导电薄膜52、第二介质高反射层53、液晶定向层54、第二腔体55。
具体实施方式
如图1所示，三级法布里-珀罗腔型可调谐滤光片系统中的第一法布里-珀罗腔1、第二法布里-珀罗腔2和第三法布里-珀罗腔3以任意次序叠加而成，第一法布里-珀罗腔1、第二法布里-珀罗腔2和第三法布里-珀罗腔3的结构相同，法布里-珀罗腔包括第一玻璃基板11、第一ITO导电薄膜12、第一介质高反射层13和第一腔体14，第一腔体14上、下方分别设有第一介质高反射层13、第一ITO导电薄膜12和第一玻璃基板11。所述的第一法布里-珀罗腔1与第二法布里-珀罗腔2的腔长相同。
如图2所示，三级法布里-珀罗腔型可调谐滤光片系统包括起偏器4、第四法布里-珀罗腔5、第五法布里-珀罗腔6、第六法布里-珀罗腔7和检偏器8，其中第四法布里-珀罗腔5、第五法布里-珀罗腔6、第六法布里-珀罗腔7的次序是任意叠加，起偏器4、检偏器8在第四法布里-珀罗腔5、第五法布里-珀罗腔6、第六法布里-珀罗腔7的两侧，第四法布里-珀罗腔5、第五法布里-珀罗腔6、第六法布里-珀罗腔7的结构相同，法布里-珀罗腔包括第二玻璃基板51、第二ITO导电薄膜52、第二介质高反射层53、液晶定向层54和第二腔体55，第二腔体55上、下方分别设有液晶定向层54、第二介质高反射层53、第二ITO导电薄膜52和第二玻璃基板51。所述的第四法布里-珀罗腔5与第五法布里-珀罗腔6的腔长相同；第四法布里-珀罗腔5、第五法布里-珀罗腔6、第六法布里-珀罗腔7起调谐作用的线偏振方向与液晶分子定向方向一致。
上述三级法布里-珀罗腔型可调谐滤光片系统第一种结构中的第一法布里-珀罗腔1、第二法布里-珀罗腔2和第三法布里-珀罗腔3的第一ITO导电薄膜12镀在第一玻璃基板11内侧；第一介质高反射层13镀制在第一ITO导电薄膜12上，构成法布里-珀罗腔的反射镜；第一腔体14内填充电可调节长度、折射率的物质，如压电晶体、电致伸缩聚合物、电光效应聚合物等，实现法布里-珀罗腔电可调谐滤光。
上述三级法布里-珀罗腔型可调谐滤光片系统第二种结构中的第四法布里-珀罗腔5、第五法布里-珀罗腔6和第六法布里-珀罗腔7的第二ITO导电薄膜52镀在第二玻璃基板51内侧；第二介质高反射层53镀制在第二ITO导电薄膜52上，构成法布里-珀罗腔的反射镜；液晶定向层54制作在第二介质高反射层53上，对液晶分子起到定向作用；第二腔体55内灌有液晶，实现法布里-珀罗腔对液晶分子定向方向的线偏振光起电可调谐滤光作用。第四法布里-珀罗腔5、第五法布里-珀罗腔6和第六法布里-珀罗腔7起调谐作用的线偏振方向即液晶分子定向方向是一致的。其中所述的起偏器4与检偏器8的透光轴方向一致，且与第四法布里-珀罗腔5、第五法布里-珀罗腔6和第六法布里-珀罗腔7的液晶分子定向方向一致。
上述结构中，介质高反射层为采用高低折射率薄膜材料交替镀制的膜层所构成的反射镜。起偏器和检偏器可以是薄膜偏振片或偏振棱镜。液晶定向层可以采用有机涂敷的薄膜进行一定方向摩擦，也可以采用斜蒸镀无机材料或光刻一定方向的微结构实现。在进行波长调谐时，在可调谐滤光片系统的每一个法布里-珀罗腔的ITO导电膜上加电压，并分别调节电压值。
上述可调谐滤光片的调谐原理如下：三个法布里-珀罗腔在外加电压的作用下，其腔长或腔体内所填充的材料折射率发生变化，使得每个法布里-珀罗腔的透射峰的波长发生移动。设置参数时，使得三个法布里-珀罗腔的透射率曲线中，有一个透射峰的波长位置是相同的，即透射峰重合，而其他的透射峰波长均不相同。由于光连续通过三个法布里-珀罗腔，因此只有和此峰值波长相同的光波可以通过，其它波长无法通过。调节电压时，可以依次调节各个法布里-珀罗腔的透射峰位置，但始终保持只有一个峰值是重合的，就可以使得系统的透射波长发生移动，这就是可调谐滤光片的工作原理。
上面叙述了三级法布里-珀罗腔型可调谐滤光系统的基本结构和原理，接着通过一个具体实施例来阐述本发明的设计思路和一些参数的确定。为了便于实施方式的阐述，将上述各种可调谐法布里-珀罗腔简化为电可控光学腔长nd的法布里-珀罗腔，这样的简化不影响本发明的基本思想。实现三级法布里-珀罗腔型可调谐滤光片系统在400-700nm光谱区内光谱分辨率为4.0nm窄带可调谐滤光的实施步骤如下：
1)法布里-珀罗腔的总相位由腔体相位和高反射层相位两部分构成，即
其中腔体相位2nd·2π/λ与波长成反比，介质高反层的反射相位当只考虑腔体相位时，自由光谱区在短波向长波方向是逐渐变大的，如图3。在考虑高反射层相位的情况下，自由光谱区在总体仍有上述趋势，局部可能不满足上述趋势。
2)滤光片的峰值半高全宽度
可见峰值半高宽随波长增大而增大，随着干涉级次和反射率的增大而减小。假设法布里-珀罗腔光学腔长4um且不考虑反射相位的情况下，选取最大波长λ＝700nm，级次反射率ρ＝0.90，则单个法布里-珀罗腔
必然满足滤光片系统光谱分辨率4.0nm系统要求。
3)根据上述1)和2)的分析，采用两个完全相同结构的可调谐法布里-珀罗腔，这两个法布里-珀罗腔光学腔长需要根据其调谐能力确定，调谐能力要大于最大的两个自由光谱区之和，即2Δ(nd)·2π/λmax＞2×2π。由于实际使用液晶E44材料，其Δn＝0.26，因此取光学腔长为4um，其中一个法布里-珀罗腔过级对准，这样可以使离滤光波长较远的透射峰被抑制，这是利用自由光谱区从短波向长波逐渐变大这一现象。其中所述的过级对准，其含义是：两个相同的法布里-珀罗腔在相同的条件下可以得到相同透射曲线，图4(a)代表第一个法布里-珀罗腔的透射曲线和图4(b)代表第二个法布里-珀罗腔的透射曲线；假设所滤波长为540nm，那么首先将第一个法布里-珀罗腔的波长小于等于540nm又最靠近540nm的这一级次K＝15的透射峰调谐至540nm，即调节光学腔长至4.125um，如图4(a’)，再将第二个法布里-珀罗腔的第K+1＝16级次的透射峰调谐至540nm，即调节光学腔长至4.4um，如图4(b’)，这种情况下两个FP的合透射曲线如图4(c)。
4)再加入第三个法布里-珀罗腔，腔长的确定需要保证法布里-珀罗腔调谐能力要大于最大的自由光谱区，且自由光谱区与上述两个相同法布里-珀罗腔的自由光谱区要有合适的差别，使滤光波长附近的透射峰抑制。取其光学腔长为3um。第三个法布里-珀罗腔调谐至540nm，即调节光学腔长至3.025um，透射曲线如图4(d)，三个法布里-珀罗腔滤光片系统滤得540nm峰值的透射曲线如图4(e)。滤光片系统滤得400nm和700nm峰值的透射曲线分别见图5(a)和图5(b)。
5)至于是否需要加偏振片，就看可调谐法布里-珀罗腔是否只对一个方向的线偏振光起作用，并且偏振片透光轴方向应是可调谐法布里-珀罗腔起调谐作用的偏振方向。
本领域技术人员可显见，本发明上述概述并不意味着阐述了本发明的每一个示例性的实施例或每一种实施方式，容易对本发明进行各种修改和形式替换而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改、替换及其等同形式。
Claims (2)
1.一种三级法布里-珀罗腔型可调谐滤光片系统，其特征在于第一法布里-珀罗腔(1)、第二法布里-珀罗腔(2)和第三法布里-珀罗腔(3)以任意次序叠加而成，第一法布里-珀罗腔(1)、第二法布里-珀罗腔(2)和第三法布里-珀罗腔(3)的结构相同，法布里-珀罗腔包括第一玻璃基板(11)、第一ITO导电薄膜(12)、第一介质高反射层(13)和第一腔体(14)，第一腔体内填充电可调节长度、折射率的物质，第一腔体(14)上、下方分别均依次设有第一介质高反射层(13)、第一ITO导电薄膜(12)和第一玻璃基板(11)，第一法布里-珀罗腔(1)与第二法布里-珀罗腔(2)的腔长初始取值相同，这两个结构完全相同的法布里-珀罗腔在相同的条件下可以得到相同透射曲线；调谐滤光：三个法布里-珀罗腔的透射率曲线中，只有一个透射峰的波长位置相同对应滤光波长，第一法布里-珀罗腔(1)与第二法布里-珀罗腔(2)调谐能力要大于它们最大的两个自由光谱区之和，第一法布里-珀罗腔(1)与第二法布里-珀罗腔(2)的光学腔长略微被调节使得二者中一个法布里-珀罗腔过级对准，使离滤光波长较远的透射峰被抑制，第三个法布里-珀罗腔(3)的腔长调谐能力要大于最大的自由光谱区，且其自由光谱区与第一法布里-珀罗腔(1)、第二法布里-珀罗腔(2)的自由光谱区要有差别，使滤光波长附近的透射峰抑制。
2.一种三级法布里-珀罗腔型可调谐滤光片系统，其特征在于包括起偏器(4)、第四法布里-珀罗腔(5)、第五法布里-珀罗腔(6)、第六法布里-珀罗腔(7)和检偏器(8)，其中第四法布里-珀罗腔(5)、第五法布里-珀罗腔(6)、第六法布里-珀罗腔(7)的次序是任意叠加，起偏器(4)、检偏器(8)分别在第四法布里-珀罗腔(5)、第五法布里-珀罗腔(6)、第六法布里-珀罗腔(7)的叠加结构两侧，第四法布里-珀罗腔(5)、第五法布里-珀罗腔(6)、第六法布里-珀罗腔(7)的结构相同，法布里-珀罗腔包括第二玻璃基板(51)、第二ITO导电薄膜(52)、第二介质高反射层(53)、液晶定向层(54)和第二腔体(55)，第二腔体内灌有液晶，第二腔体(55)上、下方分别均依次设有液晶定向层(54)、第二介质高反射层(53)、第二ITO导电薄膜(52)和第二玻璃基板(51)，第四法布里-珀罗腔(5)、第五法布里-珀罗腔(6)、第六法布里-珀罗腔(7)起调谐作用的线偏振方向与液晶分子定向方向一致，所述起偏器和检偏器的透光轴方向均与液晶分子定向方向一致；第四法布里-珀罗腔(5)与第五法布里-珀罗腔(6)的腔长初始取值相同，这两个结构完全相同的法布里-珀罗腔在相同的条件下可以得到相同透射曲线；调谐滤光：三个法布里-珀罗腔的透射率曲线中，只有一个透射峰的波长位置相同对应滤光波长，第四法布里-珀罗腔(5)与第五法布里-珀罗腔(6)调谐能力要大于它们最大的两个自由光谱区之和，第四法布里-珀罗腔(5)与第五法布里-珀罗腔(6)的光学腔长略微被调节得使二者中一个法布里-珀罗腔过级对准，使离滤光波长较远的透射峰被抑制，第六个法布里-珀罗腔(7)的腔长调谐能力要大于最大的自由光谱区，且其自由光谱区与第四法布里-珀罗腔(5)、第五法布里-珀罗腔(6)的自由光谱区要有差别，使滤光波长附近的透射峰抑制。
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