CN101566711A - 光学模组 - Google Patents

Abstract

根据本发明的光学模组可以实现使用用于弯曲具有特定波长的入射光线的光学路径大约90°的光学系统。透射型衍射光栅的基板以相对入射光线的设计入射角α在±5°范围的角度安装。光学系统可以施用到光线多路复用/解复用模组。

Description

光学模组

本申请是申请号为2006100036259、申请日为2006年1月9日、发明名称为：光学模组的分案申请。

技术领域

本发明总体上涉及一种用于波分多路复用光学通讯技术领域和光谱技术领域的光学模组。本发明的一个方面涉及一种光学模组中的光学路径改变光学系统。此外，本发明的另一方面涉及一种用于保持构成关学模组的光学零件的机构。

背景技术

另一方面，在光谱技术领域中，衍射光栅广泛用于分析光谱设备中光线的光谱。光谱分析需要在宽频带内高效率使用能量。反射型衍射光栅适用于获得宽频带内的高衍射效率。因为反射型衍射光栅具有较好的衍射角与光线波长的改变比，也就是说，波长角度分布特性很好(例如，参见Tadao Tsuruta，“应用光学1”Baifukan Co.Ltd，1990，p.307)，所以，反射型衍射光栅广泛用于光谱设备中。

特别在环境测量等领域中，对于可以携带到工作现场并可以在现场进行测量的小型光谱设备的需求逐渐增加。已经提出了通过利用液体的光谱，用于在微小流体路径中测量液体流动的光谱或测定如液体的pH值的性质的几种小型传感器，并已经将小型光谱设备用于环境测量领域中。

同样在用于这些目的的小型光谱设备中，反射型衍射光栅作为光谱分布元件以与根据相关技术领域的大型光谱设备的同样方式使用。总体上说，反射镜等用于设计光学系统以实现光谱分布功能的尺寸减少。

衍射光栅还用于波分多路复用光学通信领域中的光解复用器(demultiplexer)中。当反射型衍射光栅用于校准入射光的光学轴线和衍射光的光学轴线接近在一条直线上时，也就是说，当形成所谓的利特罗设置(Littrow)的光学系统时，可以获得小型光线解复用模组(例如，参见国际专利公开，No.99/46638号说明书)。

然而，反射型衍射光栅具有入射光和衍射光之间的位置关系依据衍射光栅的安装角敏感地变化的特性。例如，如图16所示，包含波长成分λ1、λ2和λ3的入射光402通过透镜430校准为平行光线束404，然后，入射在反射型衍射光栅410上。光线束通过衍射光栅410根据波长以不同的向外方向衍射。例如，波长λ2的衍射光线束成分在衍射光线束成分的光学轴407和从衍射光线束的基板412引出的垂直线405之间的角(衍射角)为β2的方向输出。衍射光线会聚为以便入射在元件420-2上，如衍射光线检测装置420的光电探测器上。

当入射光线的光学轴403和从衍射光线束基板412引出的垂直线405之间的角(入射角)α在此情况改变时，入射光线的光学轴403和衍射光线的光学轴407之间的角(用于在前述实施例中具有波长λ2的衍射光线的角γ2)也改变。因此，需要严格调节衍射光栅相对入射光线的安装角，并严格调节衍射光线检测装置的安装位置。但其问题在于很难装配光学模组。

同样由于此原因，在使用反射型衍射光栅的光学模组中，用于调节各个零件位置的复杂机构需要设置在模组的壳体中，或需要预先保存用于保持元件的粘接/固定空间。因此，其问题在于增加了使用光学模组设备的尺寸。

对于光电子学领域，技术的发展已经提高到用于部分更换装置之间或具有光学信号传输/处理装置中的电子信号传输/信号处理。此技术需要光学信号和电子信号之间的中间转换装置以及分别用于传输和处理光学信号和电子信号的信号传输和处理装置。因此，如果产生这些功能的光学元件和电子元件混合安装在板子上，以便光学信号和电子信号两者都可以在同样的板子上传输、处理以及中间转换，则可以具有许多优点，如信号处理效率的改进以及装置尺寸的减少。在光学元件和电子元件混合安装的所谓光电混载板上，需要提供下述光学系统，其中通过该关学系统，在光管如光学纤维、光学波导管等中传播，或在空间中传播的光可以通过固定在板中的片状光电控测元件接收，或从安装在板上的片状光线发射元件发射的光线能够被发出到光管或主要在光学信号和电子信号之间转换部分的空间光路径上。

优选的是，从方便布局和小安装空间的观点出发，光学纤维、光学波导管和空间光学路径设置为以便其光学轴平行于板。另一方面，用于在光学信号和电子信号之间进行中间转换的光学元件被安装在板上。因此，在具有此光学设置的光学系统中，优选使用具有平行于板表面的入射和输出表面的所谓片状光学元件，以便平行于板的光学路径弯曲90°，以便垂直地连接到安装在所述板上的片状光学元件。

虽然用于改变光学路径的角度可以为锐角、或不是90°的钝角，但因为入射到光学元件的入射或从光学元件的输出具有倾斜角，所以此种情况带来降低调节的效率和难度的情况。如果光线要垂直入射到光学元件上或从光学元件上发出，因为传播光线的光学路径不能与板子表面平行，所以将增加装置结构的复杂性并增加装置的尺寸。

然而，不需要精确调节光学路径改变角到90°。即使选择远偏离90°几度的角度作为设计的弯曲角的情况下，如果每个光学元件的安装结构根据所述角度进行设计，则前述问题也不会变为这样的实际情况。在以下说明中，“90°光学路径改变”意味着包括以此几度宽度的变化的接近90°的光学路径改变。

当使用光线的反射时，可以实现90°光学路径改变。总体上说，可以通过使用平面镜或棱镜实现(例如，参见日本专利出版号No.2004-85913A)。

在光电混载板中，因为要使用的光线束直径、要连接的光线管的芯直径、片状光电检测元件的光电检测表面的面积等很小，所以，光学路径的稍微的差异将产生很大的光线损失。为此，用于安装角、反射面的角度或平面精度都需要较高的精确度，以便实现90°光学路径改变。这就出现了需要复杂装配或制造过程的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供解决这些问题的方法。本发明的目的之一在于提供一种光学模组，因为其不需要提供任何复杂的校准机构，所以其易于装配以便降低光学模组的尺寸。

更具体地说，本发明涉及提供一种光学模组，其中90°光学路径改变光学系统中的机械精度可以使装配过程简单。

为了解决上述问题，本发明的一方面提供一种光学模组，包括使用衍射光学元件用于弯曲具有特定波长的入射光线束的光学轴大约90°的光学系统。优选透射型衍射光栅作为衍射光学元件。如果波长为特定的，则对于安装和装配来说，通过衍射弯曲光学路径比通过反射弯曲光学路径更容易。

在优选方式中，要使用的透射型衍射光栅中的凹槽数目N设定为通过公式表示的值：

N＝±(cosα+sinα)/(mλ)

其中±为当第m级数(mth-order)衍射的光线束(m为整数)在具有包含在从光线输入装置输入的波长λ的入射光线以入射角α入射在透射型衍射光栅上的条件下使用时，与m的符号相同的符号。当使用满足此关系的衍射光栅时，可以形成光学系统，其中衍射的光线相对以凹槽的第m级数的45°入射角入射的光线弯曲大约90°。即，当具有波长λ的光线束以入射角α入射在透射型衍射光栅上时，透射型衍射光栅输出具有光学路径改变90°的第m级数的衍射光线束。

在优选方式中，透射型衍射光栅的基板以相对入射光线束在α±5°范围的角度进行安装。当衍射光栅安装在此角度范围内时，可以提供具有低损失的光学模组。

在光学模组中，透射型衍射光栅的基板以相对入射光线束在α+Δθ范围的角度进行安装，且通过透射型衍射光栅衍射的光线束通过具有焦距长度f的透镜会聚，以便入射在具有沿入射光线束的方向具有宽度W的光电检测表面的光电检测器上。另外，满足下述关系：

tan|Δθ|≤W/(2f)

当在使用具有宽度W的光电检测表面的光电检测器的条件下，衍射光栅安装在此角度范围内时，可以提供具有低损耗的光学模组。

除了上述结构外，根据本发明的光学模组还包括：光线输入装置，其用于使具有多路复用波长的光线束入射在使用所述波长中之一作为特定波长的透射型衍射光栅上；以及多个光电检测器，其用于接收其中每个都具有通过透射型衍射光栅进行解复用并从透射型衍射光栅输出的单一波长的各个光线束。通过此结构，可以形成易装配和小尺寸的解复用模组。

在优选方式中，所述用于使光线束入射到透射型衍射光栅上的光线输入装置为光学纤维或波导管，其固定成以便其光学轴与所述板平行；透射型衍射光栅固定为以便当光线束入射到透射型衍射光栅上时，具有特定波长的光线束在接近垂直于板的方向输出；以及用于接收从透射型衍射光栅输出的每个都具有单一波长的各种光线束的光电检测器为多个片状光电检测元件，其平行于光学轴设置在其中每个都具有从透射型衍射光栅输出的单一波长的光线束达到基板的各个位置中。当使用此构成件时，可以提供易装配和小尺寸的解复用模组。

根据本发明的光学模组还包括：用于发射具有不同波长的光线束的多个光线发射装置；以及光电检测器，其用于接收具有从透射型衍射光栅输出的多路复用的波长的光线束，以便从多个光线发射装置发出的光线束通过透射型衍射光栅进行多路复用，其中所述特定波长为波长中之一。通过此结构，可以形成易装配和小尺寸的多路复用模组。

根据本发明的光学模组还包括：用于在预定波长范围内使具有连续波长谱的光线束入射到透射型衍射光栅上的光线输入装置；以及用于接收具有通过透射型衍射光栅进行光谱分布并从透射型衍射光栅输出的预定波长的光线束的光电检测器，其中特定波长位于入射光线束的预定波长范围中。当使用此构成件时，可以提供易装配和小尺寸的光谱分布模组。

在优选方式中，根据本发明的光学模组还包括实质上用于校准入射到衍射光学元件上的光线束的准直仪。在优选方式中，根据本发明的光学模组还包括用于会聚从衍射光学元件输出的光线束的会聚装置。

根据本发明以上方面的结构，与使用平面镜的情况相比，可以大大放松要求用于元件安装角的精确度。因此，可以简化装配过程。

当提供多个入射波长时，解复用和光学路径改变两者可以同时进行。因此，光谱分布元件和平面镜可以组合为一体以便减少零件的数量。

本发明的另一方面提供了一种使用衍射光栅的光学模组，包括：

具有第一空心部分的第一圆筒保持件；

具有第二空心部分的第二圆筒保持件；

设置在第一和第二圆筒保持件之间的衍射光栅；

通过第一空心部分中的第一保持件保持以便第一空心部分形成入射光线的光学路径的光线输入装置；

连接到与衍射光栅相对的第二保持件的端部分以便第二保持件的空心部分形成衍射光线的光学路径的衍射光线检测装置；

其中衍射光栅固定为以便衍射光栅的光线入射面邻接第一保持件的端部分上，而衍射光栅的光线输出面邻接第二保持件的端部分上。

在优选方式中，可以使用透射型衍射光栅。因为透射型衍射光栅的使用可以允许根据衍射光栅的安装角减少入射光线和衍射光线之间的角关系中的改变比，其不需要严格调节衍射光栅的角度。此外，因为衍射光栅通过机械夹具保持，所以，可以省略衍射光栅、校准所述衍射光栅以及粘接地安装衍射光栅的任何复杂定位过程。

在优选方式中，在邻接衍射光栅的第一保持件的端部分的端表面和第一保持件的圆筒的轴方方向之间的角，以及邻接衍射光栅的第二保持件的端部分的端表面和第二保持件的圆筒的轴向方向之间的角的和设定在入射光线和衍射光线之间角的范围内。根据此结构，当透射型衍射光栅固定的同时放置在两个保持件之间，可以获得光谱仪光学系统，其中入射光线和衍射光线彼此以预定角度弯曲。

在优选方式中，光线输入装置包括准直仪。因为设置了准直仪，所以在使用发散光源的情况下，光线可以通过准直仪校准为模组中的平行光线束，以便入射到衍射光栅上。

在优选方式中，第二保持件保持会聚装置在其空心部分中。因为设置了会聚装置，所以衍射光线可以通过会聚装置会聚在模组中，以便有效地入射到衍射光线检测装置上。

在优选方式中，第一保持件具有用于调节准直仪的机构。根据此结构，可以调节沿平行和垂直于光学轴的位置和角度，而不增加任何校准或粘接/安装空间到其中组合光学模组的壳体中。可以实现极大减少光学模组尺寸的目的。

在优选方式中，第二保持件和衍射光线检测装置之间的连接部分配合到安装件，用于保持衍射光线检测装置，以便连接部分可以绕光学轴旋转。根据此结构，可以绕光学轴的旋转方向进行位置调节，而不增加任何校准或粘接/安装空间到其中组合光学模组的壳体中。可以实现极大减少光学模组尺寸的目的。

在优选方式中，光线输入装置具有光学纤维以及平凸型透镜。或光线输入装置具有光学纤维以及分级分度杆透镜(graded index rod lens)。当使用这些构成零件时，可以形成与保持件为一体的准直仪。

在优选方式中，会聚装置为平凸型透镜。此构成零件的使用可以提供与保持件为一体的准直仪。

在优选方式中，衍射光线检测装置为光电检测器阵列。此构成零件的使用可以减少光学模组的尺寸，从而可以完成光学模组中的光谱分布作用。

根据本发明的结构，可以提供一种光学模组，其中可以只通过机械配合操作而没有原先的衍射光栅的安装位置的非常复杂调节就可以定位和安装衍射光栅。

此外，因为组合了用于校准衍射光栅检测装置的机构，所以，可以极大地简化装配过程。

此外，因为不需要单独设置任何特殊的光学元件定位机构或光学模组外壳中的任何粘接/固定空间，所以，可以实现极大减少光学模组尺寸的目的。

附图说明

图1是显示根据本发明的90°光学路径改变光学系统的视图；

图2是显示根据本发明光学系统的主要部分的放大视图；

图3是显示根据本发明光学模组的基本光学系统的视图；

图4是显示衍射光栅或平面镜安装角的允许误差的曲线图；

图5是显示用于说明根据本发明另一光学模组的基本光学系统的视图；

图6是显示透射型衍射光栅和反射型衍射光栅之间特征差异的曲线图；

图7是显示使用根据本发明实施例1的90°光学路径改变光学系统的光线解复用模组的结构视图；

图8是显示使用根据本发明实施例2的90°光学路径改变光学系统的光线解复用模组的结构视图；

图9是显示根据本发明光学模组的实施例3的实施方式的剖面视图；

图10是显示根据本发明光学模组的实施例3的剖面视图；

图11A和11B是显示根据实施例3的准直仪保持件的结构的剖面视图；

图12A和12B是显示根据实施例3的会聚透镜保持件和光电检测器保持件的结构的剖面视图；

图13是显示用于说明在根据实施例3的光学模组的衍射光栅的周边中的光学系统的视图；

图14是显示根据相关技术领域的90°光学路径改变光学系统的视图；

图15是显示根据相关技术领域的光学系统的主要部分的放大视图；以及

图16是显示用于说明使用根据相关技术领域的反射型衍射光栅的光谱仪光学系统的视图。

具体实施方式

图1是显示根据本发明实施方式的基本结构的视图。在本发明中，衍射光学元件用于改变光学路径。在图1所示的实施例中，具有形成于片状透明基板12上的周期凹槽(栅格)14的透射型衍射光栅10用于作为衍射光学元件。

在衍射光栅的情况下，作为入射光线束50和从衍射光栅基板表面引出的垂直线1之间角的入射角α，以及作为输出光线束(衍射光线束)52和从衍射光栅基板表面引出的垂直线1之间角的输出角(衍射角)β具有通过以下表达式表示的关系：

sinβ＝sinα+Nmλ                        (1)

其中N为衍射光栅中的凹槽数目，m为衍射的级数，而λ为入射光线束的波长。

为了改变光学路径90°，需要满足以下表达式表示的关系：

α+|β|＝90°                                (2)

因为表达式(2)可以用sinβ＝-cosα替换，所以，将此关系带入表达式(1)，以便衍射光栅中的凹槽数目N可以通过以下表达式给出：

N＝-(cosα+sinα)/(mλ)        (3)

也就是说，如果入射角α、特定波长λ和使用的衍射波长的级数m按照设计值给出，则衍射光栅中的凹槽数目可以根据表达式(3)确定。例如，当入射光线束需要以入射角α＝45°入射到透射型衍射光栅的衍射表面侧上时，负第一级数的衍射光线束可以从基板的后表面以衍射角β＝-45°时提取，从而实现如果使用的衍射光栅具有表达式表示的凹槽的数目的90°光学路径改变。

$N=\sqrt{2}/\mathrm{\λ}---\left(4\right)$

另一方面，图14显示了使用平面镜440用于弯曲入射光线束450的光学路径90°以获得反射的光线束454的相关技术领域的光学系统。在平面镜的情况下，需要条件α＝β＝45°用于实现90°光学路径改变。

为了实现上述光学系统，需要相对入射光线束的方向以角度α精确地固定衍射光栅基板或平面镜。现在考虑安装角变位Δθ的情况。

在衍射光栅的情况下，当入射光线束50的入射角α改变到图2所示的α+Δθ时，衍射光线束52的输出角β′改变表达式(1)给出的值，也就是说，根据以下表达式(5)：

sinβ′＝sin(α+Δθ)+Nmλ            (5)

表1显示了入射角α+Δθ、输出角β′以及入射光线束和输出光线束之间的角，当元件安装角变位Δθ时，其通过表达式(5)计算。

附带地说，衍射光栅10中的凹槽数目N设定为每mm 900个，且将具有波长λ＝1570nm的校准光线束用作入射光线束。在此情况下，如果α＝|β|＝45°，则负第一级数衍射光线束(m＝-1)满足表达式(4)。在此衍射光栅的情况下，可以发现，即使安装角变位3°，光学路径改变也可以保持90°。也就是说，当安装角在角度范围α±3°内时，β′可以保持接近等于β-Δθ。如果弯曲角允许在90°±2°内，则安装角可以允许在α±5°内。

另一方面，如图15所示，在平面镜的情况下，当安装角相对入射光线束的光学轴从45°变位Δθ时，也就是说，当安装角变化到45°+Δθ时，反射角也从45°变位Δθ，也就是说，反射角也变化到45°+Δθ。结果，入射光线束和输出光线束之间的角度从90°变位2Δθ。表2显示了在与用于比较的衍射光栅情况的同样方式中计算的平面镜的数值。可以发现，当Δθ等于3°时，光学路径的数量变位到96°。

在根据本发明的光学模组中，弯曲90°的光线束入射到光电检测器20上。光电检测器20可以为光电检测器，例如光电二极管或可以为光学纤维。因为以入射角α入射到衍射光栅上的光线束弯曲90°，所以，每个光电检测器的光电检测表面可以设置在衍射光线束入射的位置。

如果Z为从衍射光栅或平面镜到光电检测器20的光电检测表面的距离。例如，当Z等于3mm时，在衍射光栅的情况下，光学轴在光电检测表面上的位置位移Δx相对安装角的位移Δθ可以忽略，但在平面镜的情况下达到315μm。从此结果可以清晰地看出，衍射光栅中的允许安装角误差比平面镜中的误差大很多。

让W为在此使用的光电检测器20的有效光电检测表面22的宽度。有效光电检测表面22的宽度为沿入射光线束50的方向的宽度。当光电检测表面与光通量相比相对小时，图3所示，会聚装置30如透镜优选设置在衍射光栅10和光电检测器20之间。如上所述，在衍射光栅的情况下，当入射角变位Δθ时，输出角变位接近-Δθ。因此，入射到会聚装置(透镜)30上的光线的光学轴相对透镜的主轴变位-Δθ。当f为透镜的焦距时，此光线聚焦在距离透镜轴f×tan(Δθ)远的位置。

光点的位置位移必须不大于W/2，以便光电检测器，例如光电二极管的有效光电检测表面的中心可以位于透镜的主轴上，同时透镜和光电检测器之间的损耗可以降低到不高于3dB的值。因此，当满足以下表达式(6)时，由衍射光栅安装角的位移Δθ造成的损耗可以降低到不高于3dB的值。

|tan(Δθ)|≤W/(2f)            (6)

另外，在反射光线的角位移与Δθ一致的情况下，此关系可以施用到平面镜。

由安装角的位移造成的影响将在下面根据具体实施例进行说明。

衍射光线通过透镜会聚并通过具有35μm×100μm(W＝35μm)尺寸的有效光电检测表面的光电检测器(光电二极管)接收。会聚透镜的焦距f为7.96mm。在具有波长λ＝1570nm的光线的最佳聚焦位置中的光点直径大约为14μm。

图4是显示安装角的位移和光点的位置位移之间的关系。为了将透镜和光电二极管之间的损耗降低到不高于3dB的值，在衍射光栅的情况下，安装角的位移需要在大约±3°的范围内，在平面镜的情况下，大约在±0.07°的范围内。从此情况可以清晰地看出，衍射光栅的允许角度误差不小于平面镜的允许角度误差的40倍。

表1

表2

其次，将说明入射光线4接近包含多个波长成分的平行光线束的情况。在此情况下，入射光线4通过衍射光栅衍射，通过会聚装置40会聚，并通过衍射光线检测装置20-1、20-2、20-3检测。

例如，如图5所示，包含波长成分λ1、λ2和λ3的入射光线4入射到透射型衍射光栅10上。通过衍射光栅10衍射的光线束8根据波长在不同的方向发出。例如，波长λ2的衍射光线束成分以此方向输出，以便衍射光线束成分的光学轴7和从衍射光栅10的基板12引出的垂直线5之间的角(衍射角)为β2。衍射光线束成分通过为会聚装置的会聚透镜40会聚，并入射到作为衍射光线检测装置的光电检测器阵列20中相应的光电检测器20-2上。

在本发明中，用于使接近平行的光线束入射到光学模组上的光线输入装置可以为激光束源或光学纤维准直仪，或可以为散光源和准直仪透镜的组合。会聚装置可以为会聚平面镜或衍射光学元件，而不是会聚透镜。如果为光谱分布元件的衍射光学元件其本身具有会聚作用，则不需要提供任何专用的会聚装置。衍射光线检测装置可以为光电检测器如光电二极管或可以为光学纤维。

虽然为简化起见，图5显示了三个波长的情况，但入射光线可以包括大量的波长成分(不小于两个波长成分)或可以为具有连续波长分布的光线。衍射光线检测装置的元件可以根据通道的需要数量进行设置。

作为实施例，现在要考虑具有波长λ1＝1550nm、λ2＝1570nm和λ3＝1590nm的光线以45°的入射角入射到每mm具有900个凹槽的透射型衍射光栅。在此实施方式的情况下，表达式(2)几乎由波长λ2满足。

表3和图6是显示在衍射光栅和作为入射光线的接近平行光线束之间的角(此后称为“衍射光栅安装角”)在前述条件下变位预定角(在此实施方式中α＝45°)的情况下的入射光线和衍射光线之间的角的视图。

从表3可以清晰地看出，即使衍射光栅安装角变位±5°，在透射型衍射光栅的情况下，入射光线和衍射光线之间的角的改变量不大于0.3°。

也就是说，作为入射光线源和会聚透镜的准直仪和用于接收衍射光线的光电检测器之间的位置关系保持恒定，而与衍射光栅安装角无关。

另一方面，在具有波长λ1＝1550nm、λ2＝1570nm和λ3＝1590nm的光线，与前述实施例方式相同，以45°的入射角入射到每mm具有900个凹槽的衍射光栅情况下，考虑使用图16所示的反射型衍射光栅的光谱仪光学系统。表4和图6是显示在衍射光栅安装角从预定角变位的情况下(在此实施方式中α＝45°)，入射光线和衍射光线之间的角的视图。

从表4可以清晰地看出，当衍射光栅安装角变位±5°时，在反射型衍射光栅情况下的入射光线和衍射光线之间的角的改变量达到大约20°。

也就是说，除非作为入射光线源和会聚透镜的准直仪和用于接收衍射光线的光电检测器之间的位置关系根据衍射光栅安装角进行调节，否则光谱分布光线不能引导到相应的光电检测器。

从表3和4以及图5可以清晰地看出，就入射光线和衍射光线之间角的改变量而言，透射型衍射光栅的稳定性不低于反射型衍射光栅稳定性的60倍。

例如，当具有7.96mm焦距的会聚透镜用于产生通过具有35μm的有效光电检测宽度的光电检测器接收的光点时，此情况与透射型衍射光栅中的允许角度误差不小于反射型衍射光栅的允许角度误差的25倍的情况相同。

在前述情况的基础上，根据本发明一个方面的光学模组的特征在于光学模组具有用于保持各个组成零件的从动机构。

表3

表4

实施例

下面将说明使用根据本发明光学系统的应用实施例。

实施例1

在实施例1中，透射型衍射光栅用于改变光学路径。众所周知，透射型衍射光栅具有根据波长显示不同衍射角的光谱分布功能。因此，除了光学路径改变之外，还将说明使用此光谱分布功能的实施例。图7是显示使用根据本发明光学系统的实施例1的情况。

实施例1显示了解复用模组，其包括光学纤维160、准直仪透镜132、透射型衍射光栅110、会聚透镜130、以及光电检测器阵列120。

相对1550nm波长，具有4mm直径和7.96mm焦距f的平凸透镜用作准直仪透镜132和会聚透镜130中的每一个。具有4×6mm的有效面积和每mm 900个凹槽的深凹槽薄片衍射光栅用作衍射光栅110。光栅部分用SiO₂和Ta₂O₅作为两层设置。每个凹槽的宽度大约为1.45μm。每个导管(flue)的宽度与凹槽的间距之间的比(负荷比)设定为0.5。每个都具有35μm×100μm尺寸的有效光电检测表面的光电检测器122以200μm的间隔设置的阵列用作光电检测器阵列120。

通过光学纤维160传播的具有1510nm、1530nm、1550nm和1570nm的多路复用的波长的光线51从光学纤维的端表面160b输出，并入射到准直仪透镜132上。从光学纤维的端表面160b到准直仪透镜的第一表面132a的距离设定为大约6.21mm。从准直仪透镜的第二表面132b输出的光线作为接近平行光线束53设置。平行光线束53以大约45°的入射角入射到衍射光栅的表面上。通过衍射光栅110衍射的输出光线束54根据波长从衍射光栅的基板表面110b以不同的角度发出。

由电介质多层膜制作的反射还原膜(未示出)设置在基板表面110b上。入射到会聚透镜130上的输出光线束54通过会聚透镜130会聚，然后根据波长分别入射到光电检测器阵列120的光电检测器122上。在此情况下，光电检测器阵列安装于其上的基板124的表面，也就是说，光电检测器122的光电检测表面122a平行于光学纤维160的光学轴固定。从会聚透镜的第二表面130b到光电检测器122的光电检测表面122a的距离设定为大约6.17mm。

在此情况下，因为衍射光栅中的凹槽数等于前述衍射光栅中的凹槽数，所以，具有1570nm波长的入射光线和输出光线之间的角变为大约90°。也就是说，当使用前述结构时，可以同时实现解复用和90°光学路径改变。因为不需要使用任何平面镜，所以，可以减少零件的数量并方便装配/校准光学系统。准直仪透镜、衍射光栅和会聚透镜可以安装在10×10mm的面积内，以便可以极大地减少解复用模组的尺寸。

虽然此实施例显示了入射光线的波长离散的情况，但本发明也可以施用到波长具有连续波长光谱的情况。在此情况下，衍射光线的输出角连续改变，但当光电检测器放置在预定的位置时，可以检测具有预定波长的光线束。

实施例2

虽然上述已经说明了光线解复用模组形成的情况，但上述同样的光学系统也可以用于形成图8所示的光线解复用模组。对于光学系统的构成件，图7的光电检测器阵列可以用光线发射元件阵列替换。

在光线发射元件阵列270中，每个都具有50μm直径的有效光线发射表面的四个表面光线发射半导体激光元件272以200μm的间隔设置。激光元件分别发射1510nm、1530nm、1550nm和1570nm波长的光线束。从激光元件272输出的光线束55通过准直透镜232分别校准为接近平行的光线束56。平行光线束56以大约45°的入射角入射到衍射光栅的表面上。具有通过衍射光栅210衍射的多个波长的光线束被多路复用并作为波分多路复用光线束被输出。入射到会聚透镜230上的输出光线57通过会聚透镜230会聚，然后与光学纤维260的端表面连接。

当使用前述结构时，可以同时实现多路复用和90°光学路径改变。因为不需要使用任何平面镜，所以，可以减少零件的数量并方便装配/校准光学系统。准直仪透镜、衍射光栅和会聚透镜可以安装在10×10mm的面积内，以便可以极大地减少多路复用模组的尺寸。

可以组合使用图7所示的结构和图8所示的结构。也就是说，通过光学纤维传播的波分多路复用光线通过光线解复用模组被解复用。当电处理如调制根据波长施加到解复用的光线束时，光线束通过光线多路复用模组被多路复用，以便最终的光线束可以再次作为波分多路复用光线束与光学纤维耦合。在此情况下，当光电检测器、光线发射元件和电子电路集成在板上时，也就是说，当形成所谓的光电混载板时，可以整体上减少光学模组的尺寸。

实施例3

图9和10显示了根据本发明的实施例3。

图9是显示沿根据本发明光学模组的中心轴剖开的剖视图。光线输入装置为具有光学纤维350以及准直仪透镜330的准直仪。从光学纤维350的端表面输出的光线校准为平行光线束。平行光线束入射到透射型衍射光栅10上。准直仪通过第一保持件(准直仪保持件)335保持。准直仪保持件335为圆筒形，以便准直仪透镜330和用于保持光学纤维350的套圈360，被插进并保持在准直仪保持件335的圆筒的空心部分中。空心部分为圆形截面，并形成从准直仪输出的平行光线通量的光学路径。

通过衍射光栅衍射的光线通过会聚透镜40会聚在作为衍射光线检测装置的光电检测器阵列20的光电检测表面上。会聚透镜40通过第二保持件(会聚透镜保持件)345保持。同样，会聚透镜保持件345为圆形，以便会聚透镜40被插入并保持在会聚透镜保持件345的圆筒的空心部分中。空心部分为圆形截面，并形成从衍射光栅输出的衍射光线的光学路径。

透射型衍射光栅10保持为以便被放置在准直仪保持件335和会聚透镜保持件345的端面之间。

此外，用于保持光电检测器阵列20的第三保持件(光电检测器保持件)325连接到会聚透镜保持件。下面将具体说明光电检测器保持件325和会聚透镜保持件之间的连接部分。

虽然前述实施例显示了保持在套圈360中的光学纤维350和作为准直仪透镜330的平凸透镜330通过准直仪保持件335固定的情况，但分级分度杆透镜等也可以作为准直仪透镜使用。另外，如图10所示的预先制作的光学纤维准直仪可以固定进准直仪保持件335中。光学纤维准直仪形成为以便用于固定光学纤维350的套圈360和分级分度杆透镜332安装进管件334中。

在光学纤维准直仪的装配中，光学纤维的光线输出端表面和透镜之间的距离以及光学纤维和/或透镜的光学轴的仰角需要根据用于获得良好平行光线束的条件进行调节。在根据本发明的光学模组中，调节机构设置在准直仪保持件中。具体地说，使用螺旋的调节机构作为图11A或11B所示的实施例设置。在图11A所示的实施例中，使用了测量装置，其中螺纹孔以对称位置设置在准直仪保持件335的侧表面上，以便套圈360的光学轴根据调节螺纹338的推进量进行调节并固定。在图11B所示的实施例中，光学纤维准直仪以同样的方式整体调节。

如上所述，透射型衍射光栅10保持为以便放在准直仪保持件335和会聚透镜保持件345的端表面之间。因此，准直仪保持件335的光线输出开口侧端表面317处理为如此倾斜以便相对光学轴等于衍射光栅安装角θ。

当设置在准直仪保持件335的端表面的衍射光栅保持部分315与设置在会聚透镜保持件的端表面的衍射光栅保持部分组合在一起时，形成空腔318以便衍射光栅基板配合进空腔318彼此部分邻接的端表面之间。在特别优选方式中，用于配合衍射光栅的空腔318的深度为衍射光栅基板312的厚度的51-53％，以便防止衍射光栅破裂和变位。一空腔还设置在会聚透镜保持件345的端表面中。在如上所述透射型衍射光栅的情况下，因为安装角的允许误差很大，所以，不需要特别提供用于调节安装角的任何机构。

如图12A和2B所示，一结构设置在相对衍射光栅保持部分348的会聚透镜保持件345的侧面上，以便结构可以配合到光电检测器保持件325并绕光学轴旋转。配合到光电检测器保持件325的会聚透镜保持件345的端部分347具体形成为象圆筒形。形成类似圆形截面的通孔326设置在配合到会聚透镜保持件345的端部分347的光电检测器保持件325的部分中。通孔326的内径形成为稍微大于会聚透镜保持件345的圆筒端部分347的外径，以便通孔326和圆筒端部分347可以彼此可旋转地配合。

光电检测器保持件325需要具有用于保持光电检测器阵列20的机构以及配合到会聚透镜保持件345的端部分的结构。例如，如图12B所示，光电检测器阵列20的模组配合和保持进设置在光电检测器保持件325中的U型部分327中。另外，图12B是显示沿用图12A的箭头XIIB-XIIB剖开的剖面图。

光电检测器阵列20可以在沿U型部分327的光电检测器的设置方向滑动。多个螺纹孔设置在光电检测器保持件325的U型部分327中。当光电检测器阵列定位在光电检测器的设置方向和垂直于光电检测表面的方向后，光电检测器阵列20通过安装螺栓328进行安装。

因为光电检测器保持件325可以相对用于保持衍射光栅的会聚透镜保持件345旋转，通过衍射光栅的不同波长的衍射方向(散射方向)可以调节以与光电检测器的设置方向一致。调节后，光电检测器保持件325通过设置在光电检测器保持件中的固定螺栓323进行安装。

虽然前述实施例已经显示了使用用于弯曲大约90°的入射光线的衍射光栅的光学系统，但弯曲角不局限于90°。当弯曲角为90°时，准直仪保持件的衍射光栅保持部分和会聚透镜保持件的衍射光栅保持部分中的每个都以相对轴为45°的角度进行处理。当衍射光栅需要以另一角度固定时，准直仪透镜保持件的端表面和轴方方向之间的角以及会聚透镜保持件的端表面和轴方方向之间的角的和设定为在入射光线和衍射光线之间的角的范围内。

下面将说明本发明实施方式的小型光谱分布模组的具体结构。

此实施方式显示了具有如图9所示基本结构的光谱分布模组。光谱分布模组包括光学纤维芯片、准直仪透镜、透射型衍射光栅、会聚透镜以及光电检测器阵列。

固定进具有4mm外径的筒形套圈360的石英单模式光学纤维350用作光学纤维芯片。由BK7制作并具有4mm直径以及相对1550nm波长的7.96mm焦距的平凸透镜用作准直仪透镜330。

准直仪保持件335由30mm长、8mm外径和4mm内径的铝圆筒体制作。铝圆筒体处理为以便在圆筒体侧面上的端表面相对圆筒体的轴倾斜45°。一空腔形成于端表面中，以便衍射光栅10可以配合进空腔中。M1.4的螺纹孔设置在圆筒侧表面的四个方向的每个方向的两个位置，也就是说，螺纹孔总体设置在八个位置，以便提供用于通过螺纹拧紧固定光学纤维的位置并通过每个螺纹的推进量调节光学纤维仰角的机构。保持件经过黑矾(black alumite)处理以便防止杂散光线。

用于准直仪透镜的同样平凸透镜也用于会聚透镜40。

会聚透镜保持件345形成类似具有6mm长、8mm外径和4mm内径的圆筒体。会聚透镜保持件345由与以准直仪保持件同样的方式经过黑矾处理的铝制作。会聚透镜保持件345的端表面被处理，以便相对圆筒体的轴倾斜45°。会聚透镜保持件345的另一端部分的外圆周处理为以便在3mm长度上获得6mm的外径，以便会聚透镜保持件345可以配合到光电检测器保持件325上。

具有4×6mm的有效面积和每mm 900个凹槽的深凹槽薄片衍射光栅用作衍射光栅110。衍射光栅形成于石英基板上。衍射部分形成为SiO₂和Ta₂O₅的两层结构。每个凹槽的深度大约为1.45μm。每个凹槽的宽度与凹槽的间距(pitch)之间的比(负荷比)设定为0.5。衍射光栅基板的厚度设定为2mm。

衍射光栅固定为以便其衍射表面作为光线入射表面设置在准直仪保持件335的侧面上，同时，其基板后表面作为光线输出表面设置在会聚透镜保持件345的侧面上。为了固定，使用下述方法：将衍射光栅10配合进形成于准直仪保持件335的衍射光栅保持部分中的空腔中，然后将准直仪保持件335螺纹安装到会聚透镜保持件345，同时通过会聚透镜保持件345夹住衍射光栅10。

以50μm的间隔设置且每个都具有35μm×100μm有效光电检测表面的22个光电检测器的设置用作光电检测器阵列20。也就是说，光电检测器阵列20具有22个通道的设置。

光电检测器保持件325由经过黑矾处理的铝制作。光电检测器保持件325由具有10平方毫米的上表面以及大约5mm长的腿的U型形成。大约6.1mm直径的通孔形成于上表面，以便配合到会聚透镜保持件345。M1.7mm的螺纹孔设置在上表面的侧壁中。当光电检测器保持件325配合到会聚透镜保持件345后，会聚透镜保持件345通过螺纹连接固定。光电检测器阵列20配合进光电检测器保持件325的U型部分并通过粘接剂进行安装。

虽然各个保持件都通过螺纹连接彼此安装，但在优选方式中，保持件最终通过热硬化性的粘接剂等安装。

虽然实施方式已经显示了准直仪保持件和会聚透镜保持件为圆筒形的情况，但外部形状的截面不局限于圆形。在优选方式中，此形状根据用于将此模组安装进壳体的条件进行选择。虽然通常在优选方式中，每个空心部分的截面为圆形，因为空心部分作为光通量的光学路径设置，但空心部分的截面形状不是总是局限于此。各个保持件和元件的尺寸、角度、材料等只是作为实施例进行显示，而不是局限于实施例。

根据前述结构，各个光学元件如下设置。

从光学纤维350的端表面到准直仪透镜330的第一表面的距离设定为大约6.21mm。如图13所示，准直仪透镜330的光学轴333和会聚透镜的第一表面40a的顶点之间的距离Y设定为4.0mm。离开穿过衍射光栅10的基板的中心线10c并平行于准直仪透镜330的光学轴333的线的准直仪透镜330的光学轴333的位移D1设定为1.1mm。在穿过衍射光栅基板的中心线10c并平行于衍射光栅的表面10a的轴处，会聚透镜40的光学轴343距离通过旋转准直仪透镜330的光学轴33390°获得的轴的位移D2设定为0.8mm。各个元件设置为以便从会聚透镜340的第二表面到每个光电检测器的前表面的距离设定为大约6.17mm。

具有从1470nm到1590nm范围内的连续光谱的光线入射到如此制作的光谱分布模组的光学纤维350上。当光线通过准直仪透镜330校准为接近平行光线束时，接近平行的光线束以45°的入射角入射到衍射光栅表面上。因此，通过衍射光栅10衍射的光线束根据波长以不同的角度从衍射光栅的基板表面输出。输出的光线束(衍射光线)入射到会聚透镜340上并通过会聚透镜340进行会聚，以便根据波长入射到光电检测器阵列20的各个光电检测器上。在此结构中，可以获得具有大约5nm波长分辨能力的光谱分布特性。

包括壳体和光电检测器阵列的模组可以安装在20×40×10mm的空间中，以便可以大大减少光谱分布模组的尺寸。

Claims (10)

1.一种光学模组，包括使用衍射光学元件用于弯曲具有特定波长的入射光线束的光学轴大约90°的光学系统，还包括：

具有第一空心部分的第一圆筒保持件；

具有第二空心部分的第二圆筒保持件；

其中所述衍射光学元件是衍射光栅，设置在第一和第二圆筒保持件之间；

通过第一空心部分中的第一保持件保持以便第一空心部分形成入射光线的光学路径的光线输入装置；

连接到与衍射光栅相对的第二保持件的端部分以便第二保持件的空心部分形成衍射光线的光学路径的衍射光线检测装置；

其中衍射光栅固定为以便衍射光栅的光线入射面邻接第一保持件的端部分上，而衍射光栅的光线输出面邻接第二保持件的端部分上；

所述透射型衍射光栅中的凹槽数目N通过下述公式表示：

N＝±(cosα+sinα)/(mλ)

其中±为当第m级数衍射的光线束m为整数在具有包含在从光线输入装置输入的波长λ的入射光线以入射角α入射到透射型衍射光栅上的条件下使用时，与m的符号相同的符号。

2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于：

在邻接衍射光栅上的第一保持件的端部分的端表面和第一保持件的圆筒的轴向方向之间的角，以及邻接衍射光栅上的第二保持件的端部分的端表面和第二保持件的圆筒的轴向方向之间的角的和设定在入射光线和衍射光线之间的角的范围内。

3.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于：

所述光线输入装置包括准直仪。

4.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于：

所述第二保持件保持会聚装置在第二空心部分中。

5.根据权利要求3所述的光学模组，其特征在于：

所述第一保持件具有用于调节准直仪的机构。

6.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于：

所述第二保持件和所述衍射光线检测装置之间的连接部分配合到用于保持衍射光线检测装置的保持件，以便所述连接部分可以绕所述光学轴旋转。

7.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于：

所述光线输入装置具有光学纤维以及平凸型透镜。

8.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于：

所述光线输入装置具有光学纤维以及分级分度杆透镜。

9.根据权利要求4所述的光学模组，其特征在于：

所述会聚装置为平凸型透镜。

10.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于：

所述衍射光线检测装置为光电检测器阵列。

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