CN103698007B - 一种数字可控光谱光源系统及其调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字可控光谱光源系统及其调控方法。将宽光谱光源发出的光辐射信号耦合后输入到分光数字选通子系统，对输入的信号进行色散分光和数字化调制选通处理后，输出光谱信号至光谱检测子系统，对接收到的光谱信号进行实时监测，并将光谱信号反馈至控制处理子系统；控制处理子系统将接收到的光谱信号与目标光辐射信号比对，依据两者的差异实时补偿控制分光数字选通子系统中数字化选通装置的状态，对光谱光源系统的输出光辐射信号的光谱构成与强度进行实时校准和调制。本发明提供的数字可控光谱光源系统，具有输出光谱失真度小、数字化控制程度高、结构紧凑、实时性好的特点。

Description

一种数字可控光谱光源系统及其调控方法

技术领域

本发明涉及一种数字可控光谱光源系统及其调控方法，属光学照明检测技术领域。

背景技术

可控光谱光源作为一种能够根据应用需求不同而产生特定光谱形状和辐射强度输出的光源模拟装置，在生物与农业科学、材料学、环境监测、机器视觉、照明设计、国防军事、航空航天等诸多领域有着广泛的应用需求，因此研发一种高精度、可控化程度高的光谱光源系统具有重要的现实意义。

传统形式的光谱光源模拟器多采用卤素灯作为源光，对其进行简单调制输出。虽然该技术较为成熟，但受限于光机结构，系统体积较大、结构复杂、价格昂贵；且该类模拟器的光谱可调谐性低，增加了与真实目标光谱的匹配难度。

随着科技的进步，尤其是新型固体照明元件——发光二极管（LED）的出现和应用，一种基于LED的可控光谱光源模拟器应运而生。其通过对LED种类和数量的组合优化，实现系统输出光谱光强的调制。虽然相比于传统的卤素灯光源，LED具有体积小、寿命长、反应速度快、发光效率高、稳定性强等优点。但在目前市场上，找齐谱段覆盖范围广且峰值波长间隔较窄（<5nm）的LED单元却较为困难。这在很大程度上制约了系统对高精度、高保真输出谱线实现的便捷性。

伴随着另一些新型光电子元器件的引入，如硅基液晶（LCOS）和数字微镜器件（DMD），一批数字可控化程度更高的光谱光源相继出现。其主要通过分光器件与LCOS/DMD的配合，实现系统输出光谱光强的数字选通。目前，该类光源模拟器的光谱分光多由平面光栅或棱镜的色散实现。随着相对孔径的提高，与平面光栅相匹配的准直——会聚光学结构的复杂度增加，导致系统辐射能量透过率下降；而棱镜的线色散性不够理想，系统结构的紧凑性不强。在该类光源中，基于LCOS的光谱光源常受到材料工作寿命、制作工艺、温漂等因素的困恼。相比之下，DMD因其对比度高、分辨率高、反应速度快、可控性和均匀性好、技术成熟、成品率高、成本低等优点，在数字可控光谱光源中更具应用优势。

从国内外相关工作的发展历程来看，研制出一种输出光谱保真度高、光谱和辐射可控性强，系统可重复性好、结构紧凑简单且成本较低，尤其是借助于先进的光电数字化设备的可控光谱光源系统，是该领域研究的热点与趋势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度、可控化程度高的数字可控光谱光源系统及其控制方法。

实现本发明目的的技术方案是提供一种数字可控光谱光源系统，它包括照明光源子系统、分光数字选通子系统、光谱混合输出子系统、光谱监测子系统和控制处理子系统；照明光源子系统发出的光辐射信号经耦合进入分光数字选通子系统，再经光谱混合输出子系统输出信号至光谱检测子系统；光谱检测子系统输出反馈信号至控制处理子系统，控制处理子系统输出信号至控制分光数字选通子系统；所述的照明光源子系统包括宽光谱光源、抛物面聚光镜、科勒照明透镜组和导光光纤束，宽光谱光源置于抛物面聚光镜焦点处，宽光谱光源发出的光辐射经科勒照明透镜组和导光光纤束耦合进入分光数字选通子系统；所述的分光数字选通子系统包括狭缝光阑、凸面光栅、凹面反射镜、数字化选通装置及吸光器，狭缝光阑限制照明光源子系统中导光光纤束输出端处的杂散光，凸面光栅与凹面反射镜构成同心对称的Offner型分光结构。

本发明技术方案中，导光光纤束的入射端为若干单根导光光纤组成的圆形端面，导光光纤束的出射端为相应导光光纤排列而成的线形端面。

本发明技术方案中，所述的数字化选通装置优选为数字微镜器件或硅基液晶。

本发明技术方案还包括上述数字可控光谱光源系统的调控方法，包括如下步骤：

1、将宽光谱光源发出的光辐射信号耦合后输入到分光数字选通子系统；

2、分光数字选通子系统对输入的信号进行色散分光和数字化调制选通处理后，输出光谱信号至光谱检测子系统；

3、光谱检测子系统对接收到的光谱信号进行实时监测，并将光谱信号反馈至控制处理子系统；

4、控制处理子系统对接收到的光谱信号的光谱构成和强度与目标光辐射信号比对，依据两者的差异实时补偿控制分光数字选通子系统中数字化选通装置的状态，对光谱光源系统的输出光辐射信号的光谱构成与强度进行实时校准和调制。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明技术方案提供的分光数字选通子系统，使用固有像差小、同心对称的凸面光栅Offner分光结构对导光光纤束输出端的光辐射进行色散，色散后的光谱匀排、光谱分辨率高，该结构采用纯反射式，无色差，适用于较宽谱段，利于系统的小型化；使用DMD与凸面光栅Offner分光结构相结合的方式，实现对光谱信号的数字化调制选通，可控性强、保真度高、响应速度快。

2、本发明技术方案中的照明光源子系统与分光数字选通子系统之间通过特殊端面的导光光纤束级联，配合科勒照明透镜组优化利用源光信号，增强了系统模块化的便捷性；

3、本发明提供的光谱光源系统可根据要求输出特定光谱构成与强度的光信号，系统输出光谱失真度小、数字化控制程度高、结构紧凑、实时性好。

附图说明

图1为本发明提供的一种数字可控光谱光源系统的构成示意图；

图2为本发明实施例提供的一种数字可控光谱光源系统中照明光源子系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种数字可控光谱光源系统中分光数字选通子系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种数字可控光谱光源系统中导光光纤束入射端面的示意图；

图5为本发明实施例提供的种数字可控光谱光源系统中导光光纤束出射端面的示意图。

图中，11、抛物面镜；12、宽光谱光源；13、科勒照明透镜组；14、导光光纤束；21、狭缝光阑；22、凹面反射镜；23、凸面光栅；24、凹面反射镜；25、数字化选通装置（数字微镜器件）；26、吸光器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明所述的一种数字可控光谱光源系统作进一步详细说明。

实施例1

参见附图1，它为本发明提供的数字可控光谱光源系统的构成示意图。该数字可控光谱光源系统，由照明光源子系统、分光数字选通子系统、光谱混合输出子系统、光谱监测子系统、控制处理子系统五个部分构成。其工作原理为：照明光源子系统将源光——宽光谱光源发出的光辐射信号耦合进入分光数字选通子系统，并经后者色散分光和数字化调制选通后进入光谱混合输出子系统输出，光谱检测子系统实时监测混合输出的光谱信号并反馈给控制处理子系统，由后者对信号的光谱构成与强度进行分析并与目标光辐射信号比对，根据两者的差异实时补偿控制分光数字选通子系统中数字化选通装置（如数字微镜器件，DMD）的状态，从而实现对整个数字可控光谱光源系统输出光辐射信号的光谱构成与强度的实时校准和调制。

参见附图2，它为本实施例中照明光源子系统的结构示意图，包括抛物面聚光镜11、宽光谱光源12、科勒照明透镜组13以及特殊端面的导光光纤束14。宽光谱光源12可根据不同的应用场景，做出相应的选择，如卤素灯、黑体、白光LED、复合光源等，在本实施例中采用波长范围为300～800nm的白光LED作为宽光谱光源。科勒照明透镜组13将置于抛物面聚光镜11焦点处的宽光谱光源12发出的光辐射均匀汇聚至导光光纤束14的入射端面，并经导光光纤束14传输至分光数字选通子系统2中的狭缝光阑21处耦合匹配。

科勒照明透镜组13由三片透镜组成。第一片透镜前表面距宽光谱光源12为14.9±0.1mm，前表面半径-152.169mm，厚度6.1±0.1mm，后表面半径-20.561mm。第二片透镜与第一片透镜间距2.0±0.1mm，前表面半径-367.106mm，厚度5.5±0.1mm，后表面半径-32.995mm。第三片透镜与第二片透镜间距2.0±0.1mm，前表面半径-98.298mm，厚度5.5±0.1mm，后表面半径-63.119mm，后表面距离导光光纤束14入射端面33.0mm。

参见附图3，它为本实施例中分光数字选通子系统的结构示意图，包括狭缝光阑21、凹面反射镜22、凸面光栅23、凹面反射镜24、数字微镜器件25、吸光器26。狭缝光阑21限制照明光源子系统中导光光纤束14输出端处的杂散光，凸面光栅23与凹面反射镜22和24位于罗兰圆上且构成了同心对称的Offner型分光结构，并将导光光纤束14输出的光辐射均匀色散至焦面处的数字微镜器件25，通过对数字微镜器件25上每个微小反射镜朝向的数字化选通实现不同光谱构成与强度的控制，无用的杂散光由吸光器26消除。在本实施例中，采用狭缝光阑21高度为14.1mm，宽度为13.68um。所述Offner型分光结构中凸面光栅23口径为33mm，曲率半径为152.7mm，线对数为268lp/mm，凹面反射镜22和24的曲率半径分别为299.68mm和299.67mm，口径分别为99.50mm和83.48mm。分光结构的谱段工作范围为380-780nm，可根据需要进行相应设计修改。所述数字微镜阵列25的分辨率为1024×768，一维为色散维方向，另一维为空间维方向，每个微镜尺寸为13.68μm×13.68μm，每个微镜有-12°和+12°两个偏向角，分别代表吸光和通光工作状态。吸光工作状态即将色散光反射至吸光器26吸收，通光工作状态即将色散光反射至光谱混合输出子系统选通。处于吸光和通光工作状态的数字微镜的个数决定了色散光幅度调制的强弱。所述吸光器26可通过发黑处理过的吸光元件实现。

参附图4和5，它们分别为本实施例中导光光纤束入射端面和出射端面的示意图；如图4所示，入射端为若干单根导光光纤组成的圆形端面，与附图2中科勒照明透镜组13的出瞳耦合匹配；如图5所示，出射端为相应导光光纤排列而成的线形端面，与附图3中狭缝光阑21耦合匹配。

本实施例中，光谱混合输出子系统的结构包括凹面反射镜、平面反射镜、积分器以及透镜，将分光数字选通子系统输出的色散光经凹面和平面反射镜耦合至积分器，由透镜出射，使数字化选通的色散光辐射混合输出。其结构设置和输出光谱范围由分光数字选通子系统匹配决定。积分器起到将色散的光信号在空间上混合的作用，可为积分球、积分棒等形式，在本实施例中采用积分棒。

光谱监测子系统的结构包括分束器、透镜、光谱仪，实现对光谱混合输出子系统输出端光信号的监测反馈。分束器为半透半反型，透镜起到将光信号耦合进入光谱仪的作用，光谱仪的工作谱段范围涵盖光谱混合输出子系统3的输出光谱范围。

控制处理子系统的结构包括中央处理器和高速控制处理电路，通过对光谱监测子系统中光谱仪反馈回的监测信号进行分析，经高速控制处理电路，实时优化数字微镜器件上每个微小反射镜的朝向状态，补偿数字可控光谱光源系统的输出光谱与目标谱线间的差异。在本实施例中，中央处理器为高性能的计算机，高速控制处理电路为基于FPGA（现场可编程门阵列）的PCB板，其控制处理速度与数字微镜器件相匹配。

在本实施例中，整个数字可控光谱光源系统的工作谱段为380～780nm，但本发明的适用光谱范围在原理上不仅限于此，可根据目标要求对照明光源子系统、分光数字选通子系统、光谱混合输出子系统和光谱监测子系统进行相应合理的设计实现。

Claims (3)

1.一种数字可控光谱光源系统，其特征在于：它包括照明光源子系统、分光数字选通子系统、光谱混合输出子系统、光谱监测子系统和控制处理子系统；照明光源子系统发出的光辐射信号经耦合进入分光数字选通子系统，再经光谱混合输出子系统输出信号至光谱检测子系统；光谱检测子系统输出反馈信号至控制处理子系统，控制处理子系统输出信号至控制分光数字选通子系统；所述的照明光源子系统包括宽光谱光源（12）、抛物面聚光镜（11）、科勒照明透镜组（13）和导光光纤束（14），宽光谱光源置于抛物面聚光镜焦点处，宽光谱光源发出的光辐射经科勒照明透镜组和导光光纤束耦合进入分光数字选通子系统；所述的分光数字选通子系统包括狭缝光阑（21）、凸面光栅（23）、凹面反射镜（22）、数字化选通装置（25）以及吸光器（26），狭缝光阑限制照明光源子系统中导光光纤束输出端处的杂散光，凸面光栅与凹面反射镜构成同心对称的Offner型分光结构。

2.根据权利要求1所述的一种数字可控光谱光源系统，其特征在于：导光光纤束（14）的入射端为若干单根导光光纤组成的圆形端面，导光光纤束的出射端为相应导光光纤排列而成的线形端面。

3.一种如权利要求1所述的数字可控光谱光源系统的调控方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将宽光谱光源发出的光辐射信号耦合后输入到分光数字选通子系统；

（2）分光数字选通子系统对输入的信号进行色散分光和数字化调制选通处理后，输出光谱信号至光谱检测子系统；

（3）光谱检测子系统对接收到的光谱信号进行实时监测，并将光谱信号反馈至控制处理子系统；

（4）控制处理子系统对接收到的光谱信号的光谱构成和强度与目标光辐射信号比对，依据两者的差异实时补偿控制分光数字选通子系统中数字化选通装置的状态，对光谱光源系统的输出光辐射信号的光谱构成与强度进行实时校准和调制。