CN105676331A - 角度调谐滤波片阵列及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种角度调谐滤波片阵列，用于增大光谱覆盖范围，若干个调谐范围覆盖不同波段的子滤波片以阵列的方式组合在一起，每个子滤波片具有一定角度调谐范围，该范围分为有效角度调谐范围和叠加范围两部分，通过波段叠加，每个子滤波片的波段范围并不完全用到，故只需保证每个子滤波片的有效调谐波段内的角色散率满足需求；本发明还提供利用角度调谐滤波片阵列得到规律分布的光谱的方法及滤波片阵列的加工方法，本发明采用滤波片阵列波段叠加的方式，增大了光谱覆盖范围，且避开滤波片角色散率的极小部分，同时实现了大角色散率和宽调谐光谱范围。

Description

角度调谐滤波片阵列及其方法

技术领域

本发明属于光学成像领域，尤其是一种角度调谐滤波片及利用该阵列得到规律分布的光谱的方法和加工方法，可用于光学信息处理、分析以及光谱仪、分光光度计、DWDM等系统装置中的分光实现。

背景技术

光学滤波片是光学系统中的重要元器件，可调谐滤波片在现代光通信系统和传感网络中扮演着关键角色。近年来，关于可调谐滤波片的应用越来越多，迫切需要研究开发成本低、体积小、调谐范围宽的可调谐滤波片。

角度调谐滤波片，是可调谐滤波片中的一种，其调谐方式主要是利用了滤波片的角度敏感特性：当滤波片表面入射光束的入射角度变化时，随着入射角度的增大，滤波片的透射通带和峰值会向短波方向发生偏移。故通过变化光的入射角度改变滤波片的透射特性。利用该方法设计的可调谐滤波片结构简单且成本低。

但对于单个可调谐滤波片来说，其波长选择范围有限，且角色散率难以保证，因此一种波长选择范围更广且角色散率较大的可调谐滤波方式的提出，必不可少。

现在大部分用的分光技术都要用到光栅，因为光栅成本比较高，而且集成起来体积比较大，不利于做到微型化，现在有不用光栅的技术，但是未见直接用滤波片角度调谐特性来分光的技术方案。之前使用滤波片通常都考虑垂直入射的状态，尽量避免斜入射。很少有人会专门利用它斜入射的特性，通过不同角度的斜入射来实现分光，因为角度这个因素在传统滤波片制造过程中被当成了一个影响因素，传统观念中是要尽量减少斜入射对滤波特性的影响。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种实现宽光谱且角色散率较大的角度调谐滤波片阵列及利用该阵列得到规律分布的光谱的方法和加工方法。

本发明以阵列的方式将若干个调谐范围覆盖不同波段的子滤波片组合在一起。根据所需调谐范围确定子滤波片个数。根据各个子滤波片透过率特性，调节子滤波片的波段叠加大小，从而改善可调谐滤波片阵列的角色散率。

根据多层膜干涉滤波片透射光谱中心波长与光入射角度关系：

$\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}^0\sqrt{1-\frac{{\sin }^2\mathrm{\θ}}{{n_p}^2}}---\left(1\right)$

其中，θ表示入射角；λ⁰表示正入射情况下滤波片的中心波长(此时θ＝0°)；λ表示入射角为θ时的滤波片中心波长；n_p表示滤波片的膜系等效折射率。

在θ不超过90度的情况下，得式(1)变形为：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(n_p\sqrt{1-\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{{\left({\mathrm{\λ}}^0\right)}^2}}\right)---\left(2\right)$

由于滤波片薄膜折射特性，其透射光线出射角θ′与光线入射角θ一致(θ′＝θ)。此时，根据式(1)角色散率D的表达式为：

$D=\frac{{\mathrm{d\θ}}^{\′}}{d\mathrm{\λ}}=\frac{d\mathrm{\θ}}{d\mathrm{\λ}}=-\frac{n_p\sqrt{{n_p}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}{{\mathrm{\λ}}^{0}sin\mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}}---\left(3\right)$

角色散率绝对值越大，波长间隔dλ对应的角度变化dθ′也就越大。根据公式，中心波长与入射角度的分布关系是非线性的。且随着入射角度的增大，滤波片的角色散率减小，即光线分辨能力降低。当入射角增大到一定程度后，不同角度的滤波片透过光线将非常密集难以分辨。

因此，单个滤波片在保证分辨率前提下，所能够覆盖的光谱范围时有限的。故需采用滤波片阵列波段叠加的方式，增大光谱覆盖范围，且避开滤波片角色散率的极小部分。

为实现上述发明目的，本发明提供一种角度调谐滤波片阵列，用于增大光谱覆盖范围，若干个调谐范围覆盖不同波段的子滤波片以阵列的方式组合在一起，每个子滤波片具有一定角度调谐范围，该范围分为有效角度调谐范围和叠加范围两部分，有效角度调谐范围指每个子滤波片实际应用的角度调谐范围；叠加范围为每个子滤波片未被利用、且与其他子滤波片存在交叠的调谐区域。通过波段叠加，每个子滤波片的波段范围并不完全用到，故只需保证每个子滤波片的有效调谐波段内的角色散率满足需求。有效调谐波段和叠加波段的划分根据所需满足的角色散率大小决定，所需角色散率越大，有效调谐波段越窄，叠加波段越宽。比如要求角色散率在0.015以上，则有效调谐波段是指该滤波片角色散率大于等于0.015的波段；而叠加波段则是不能满足角色散率大于等于0.015的那部分波段，每块滤波片都存在一部分角色散率很小的波段，叠加的目的就是避免使用到这个波段。

作为优选方式，子滤波片个数根据所需调谐范围确定，根据目标角色散率范围结合各个子滤波片透过率特性调节子滤波片波段叠加大小。

作为优选方式，所述陈列为线阵列、面阵列、中心对称扇形阵列其中的一种。

作为优选方式，所述子滤波片从以下几类滤波片中选取：(1)法布里-珀罗滤波片；(2)介质薄膜滤波片；(3)干涉滤波片。

作为优选方式，阵列中每个子滤波片有效角度调谐范围大小以及所需子滤波片个数，根据目标角色散率κ大小和总光谱调谐范围λ_min≤λ≤λ_max，按以下步骤确定：

(1)假设相邻两块子滤波片垂直入射中心波长分别为λ_i ⁰，其中，

(2)根据第i+1块子滤波片的垂直入射中心波长和滤波片等效折射率n_p，获得其角色散率-调谐角度分布，如下式所示：

$D=\frac{d\mathrm{\θ}}{d\mathrm{\λ}}=-\frac{n_p\sqrt{{n_p}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}{{\mathrm{\λ}}_{i+1}^0\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}}$

(3)结合目标角色散率和第i+1块子滤波片角色散率-调谐角度分布，计算其有效角度调谐范围，所述有效角度调谐范围，能保证阵列中，子滤波片在该调谐范围内的角色散率均满足|D|≥κ，κ为目标角色散率。公式如下：

-θ_max≤θ≤θ_m(4)

其中，

${\mathrm{\θ}}_{max}=\frac{1}{2}\arccos \[\frac{2{n_p}^2}{{\left({\mathrm{\κ\λ}}_{i+1}^0\right)}^2}(-\frac{1}{2}+\sqrt{\mathrm{\Δ}})\]$

$\mathrm{\Δ}=\frac{1}{4}+{\left({\mathrm{\κ\λ}}_{i+1}^0\right)}^2\·\frac{{\left({\mathrm{\κ\λ}}_{i+1}^0\right)}^2+2{n_p}^2-4{n_p}^4}{4{n_p}^4}$

(4)根据第i+1块子滤波片有效角度调谐范围计算有效波长调谐范围，公式如下：

${\mathrm{\λ}}_{i+1}^0\sqrt{1-\frac{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{max}}{{n_p}^2}}\≤\mathrm{\λ}\≤{\mathrm{\λ}}_{i+1}^0---\left(5\right)$

(5)判断相邻两块子滤波片的有效波长调谐范围是否存在断点，即是否存在的情况，若存在，则减小的值，返回第(2)步。若不存在，确定第i+1块子滤波片的垂直入射的中心波长为

(6)重复步骤(1)到(5)直至确定出所有子滤波片的垂直入射中心波长及其对应的有效角度调谐范围和有效波长调谐范围。

(7)结合各子滤波片的波长调谐范围及所要达到的总光谱调谐范围λ_min≤λ≤λ_max，计算所需子滤波片的数量，计算方法如下：

$\mathrm{\Σ}\≥\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\ϵ}}_i---\left(6\right)$

其中，N为所需子滤波片总数；Σ＝λ_max-λ_min；

为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用所述的角度调谐滤波片阵列得到规律分布的光谱的方法，当多色光束以不同角度均匀入射到所述滤波片阵列时，阵列各个子滤波片不同位置对应光束入射角度不同，根据各子滤波片的角度调谐特性，多色光束与所述滤波片阵列作用后，其不同位置对应不同波长的透射光线，将空间不同位置与不同波长的光线一一对应，即得到规律分布的光谱。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种所述角度调谐滤波片阵列的加工方法：采用逐级光刻的方法，依次对阵列中的各个子滤波片进行加工，每次光刻预留出目标子滤波片的区域，对其他区域进行涂胶。

作为优选方式，所述加工方法包含以下步骤：

(1)预留出目标子滤波片待光刻区域，并对其他区域进行涂胶；

(2)对目标子滤波片进行光刻；

(3)对光刻成功的阵列进行洗胶；

(4)选取新的目标子滤波片，回到步骤(1)重复上述过程直至完成所有子滤波片的光刻，获得成品。

本发明的有益效果为：本发明采用滤波片阵列波段叠加的方式，增大了光谱覆盖范围，且避开滤波片角色散率的极小部分，同时实现了大角色散率和宽调谐光谱范围。

附图说明

图1为单个角度调谐滤波片当光线入射角度变化时，透射带通向短波方向偏移示意图；其中，T表示光透过率；θ₀、θ₁、θ₂分别表示三个不同的光线入射角，且θ₀＜θ₁＜θ₂；λ₀、λ₁、λ₂分别为对应三个不同的光线入射角的透射谱线中心波长，且λ₀＞λ₁＞λ₂。

图2为单个角度调谐滤波片，入射角度不同时，透射波长变化示意图。

图3为滤波片阵列中，单个滤波片的光线入射角为θ₀时的透过率分布谱和不同入射角度与谱线中心波长对应关系示意图；其中，虚线框标明部分为滤波片角色散率很小的滤波片覆盖波段短波部分。

图4为几种滤波片阵列的排布方式。

图5为滤波片阵列不同波段对应入射角分布曲线；其中λ_ij中，i＝1,2,3,…表示阵列中第i块滤波片，j＝1,2分别表示第i块滤波片覆盖波段的起始波长和终止波长；阴影部分表示该滤波片覆盖波段中通过波段叠加而避免使用的部分，曲线实线部分表示有效波长调谐范围及其对应的有效角度调谐范围的分布情况。

图6为等效折射率np＝1.8，垂直入射中心波长为885nm的子滤波片，中心波长-入射角度变化示意图。

图7为角度调谐滤波片阵列加工流程图。

图8为光谱范围为885nm至1005nm，角色散率大于等于0.015的滤波片线阵列分布。图中的数据代表每块子滤波片的中心波长。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

一种本发明提供一种角度调谐滤波片阵列，用于增大光谱覆盖范围，若干个调谐范围覆盖不同波段的子滤波片以阵列的方式组合在一起，每个子滤波片具有一定角度调谐范围，该范围分为有效角度调谐范围和叠加范围两部分，有效角度调谐范围指每个子滤波片实际应用的角度调谐范围；叠加范围为每个子滤波片未被利用、且与其他子滤波片存在交叠的调谐区域。通过波段叠加，每个子滤波片的波段范围并不完全用到，故只需保证每个子滤波片的有效调谐波段内的角色散率满足限制条件。

子滤波片个数根据所需调谐范围确定，根据各个子滤波片透过率特性调节子滤波片的波段叠加大小。

所述陈列为线阵列、面阵列、中心对称扇形阵列其中的一种。

所述子滤波片从以下几类滤波片中选取：(1)法布里-珀罗滤波片；(2)介质薄膜滤波片；(3)干涉滤波片。

阵列中每个子滤波片有效角度调谐范围大小以及所需子滤波片个数，根据目标角色散率κ大小和总光谱调谐范围λ_min≤λ≤λ_max，按以下步骤确定：

(1)假设相邻两块子滤波片垂直入射中心波长分别为λ_i ⁰，其中，

(2)根据第i+1块子滤波片的垂直入射中心波长和滤波片等效折射率n_p，获得其角色散率-调谐角度分布，如下式所示：

$D=\frac{d\mathrm{\θ}}{d\mathrm{\λ}}=-\frac{n_p\sqrt{{n_p}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}{{\mathrm{\λ}}_{i+1}^0\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}}$

(3)结合目标角色散率和第i+1块子滤波片角色散率-调谐角度分布，计算其有效角度调谐范围，所述有效角度调谐范围，能保证阵列中，子滤波片在该调谐范围内的角色散率均满足|D|≥κ，κ为目标角色散率。公式如下：

-θ_max≤θ≤θ_m(4)

其中，

${\mathrm{\θ}}_{max}=\frac{1}{2}\arccos \[\frac{2{n_p}^2}{{\left({\mathrm{\κ\λ}}_{i+1}^0\right)}^2}(-\frac{1}{2}+\sqrt{\mathrm{\Δ}})\]$

$\mathrm{\Δ}=\frac{1}{4}+{\left({\mathrm{\κ\λ}}_{i+1}^0\right)}^2\·\frac{{\left({\mathrm{\κ\λ}}_{i+1}^0\right)}^2+2{n_p}^2-4{n_p}^4}{4{n_p}^4}$

(4)根据第i+1块子滤波片有效角度调谐范围计算有效波长调谐范围，公式如下：

${\mathrm{\λ}}_{i+1}^0\sqrt{1-\frac{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{max}}{{n_p}^2}}\≤\mathrm{\λ}\≤{\mathrm{\λ}}_{i+1}^0---\left(5\right)$

(5)判断相邻两块子滤波片的有效波长调谐范围是否存在断点，即是否存在的情况，若存在，则减小的值，返回第(2)步。若不存在，确定第i+1块子滤波片的垂直入射的中心波长为

(6)重复步骤(1)到(5)直至确定出所有子滤波片的垂直入射中心波长及其对应的有效角度调谐范围和有效波长调谐范围。

(7)结合各子滤波片的波长调谐范围及所要达到的总光谱调谐范围λ_min≤λ≤λ_max，计算所需子滤波片的数量，计算方法如下：

$\mathrm{\Σ}\≥\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\ϵ}}_i---\left(6\right)$

其中，N为所需子滤波片总数；Σ＝λ_max-λ_min；

例如，在一个实施例中，对于膜系等效折射率n_p＝1.8，垂直入射中心波长λ⁰＝885nm的子滤波片来说，其中心波长-入射角度变化关系如图5所示。当κ＝0.015时，根据式(5)(6)可得有效角度调谐范围为：

-14.455°≤θ≤14.455°

此时，根据式(1)，对应的有效波长调谐范围是：

876.448nm≤λ≤885nm

同理，对于κ＝0.015时，n_p＝1.8的其他垂直入射中心波长λ₀的子滤波片，对应的有效角度调谐范围和有效波长调谐范围分别如下表所示：

表1不同子滤波片角色散率0.015的有效调谐范围

由表可知，当满足同样大小角色散率(κ＝0.015)的前提下，不同波段的子滤波片对应的有效角度调谐范围和有效波段范围各不相同。但由于加工限制，滤波片阵列中的每个子滤波片的角度调谐范围通常加工为相同大小，因此往往不能满足所有波段子滤波片角色散率的要求。本实施例用子滤波片波段叠加的方法，改善这种因技术限制引起的阵列整体的角色散率降低。通过波段叠加，每个子滤波片的波段范围并不完全用到，故只需保证每个子滤波片的有效调谐波段内的角色散率满足限制条件，从而减小加工方面的压力。

在一个实施例中，阵列加工角度调谐范围为-30°～30°，不满足表1所示的角度范围限制。为满足角色散率要求(κ＝0.015)，并实现全波段的覆盖，在该实施例中，阵列中子滤波片中心波长的选取及波段叠加情况如表2所示：

表2角度调谐滤波片阵列波段叠加参数设计实施例

由表2可知，通过波段叠加，能保证有效调谐波段角色散率满足κ＝0.015的限制条件。

角度调谐滤波片阵列的排布方式有很多种，在本发明的一些实施例中，采取了如图4所示的一些排布方式。

图8为光谱范围为885nm至1005nm，角色散率大于等于0.015的滤波片线阵列分布。图中的数据代表每块子滤波片的中心波长。采用如图8所示的线阵列排布方式，从左至右滤波片的中心波长依次增加。

本实施例还提供一种利用所述的角度调谐滤波片阵列得到规律分布的光谱的方法，当多色光束以不同角度均匀入射到所述滤波片阵列时，阵列各个子滤波片不同位置对应光束入射角度不同，根据各子滤波片的角度调谐特性，多色光束与所述滤波片阵列作用后，其不同位置对应不同波长的透射光线，将空间不同位置与不同波长的光线一一对应，即得到规律分布的光谱。

此外，本实施例提供了一种宽光谱大角色散率角度调谐滤波片阵列的加工方案，采用逐级光刻的方法，依次对阵列中的各个子滤波片进行加工，每次光刻预留出目标子滤波片的区域，对其他区域进行涂胶。以表2所示实施例的加工为例，如图7所示，为其加工流程图，图中的每一列表示对一块子滤波片的加工过程。整个阵列的加工分为以下几个步骤：

步骤101.预留出目标子滤波片待光刻区域，并对其他区域进行涂胶；

步骤102.对目标子滤波片进行光刻；

步骤103.对光刻成功的阵列进行洗胶；

步骤104.选取新的目标子滤波片，回到步骤101重复上述过程直至完成所有子滤波片的光刻，获得成品。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种角度调谐滤波片阵列，用于增大光谱覆盖范围，其特征在于：若干个调谐范围覆盖不同波段的子滤波片以阵列的方式组合在一起，每个子滤波片具有一定角度调谐范围，该范围分为有效角度调谐范围和叠加范围两部分，有效角度调谐范围指每个子滤波片实际应用的角度调谐范围；叠加范围为每个子滤波片未被利用、且与其他子滤波片存在交叠的调谐区域，通过波段叠加，每个子滤波片的波段范围并不完全用到，故只需保证每个子滤波片的有效调谐波段内的角色散率满足需求。

2.根据权利要求1所述的角度调谐滤波片阵列，其特征在于：子滤波片个数根据所需调谐范围确定，根据目标角色散率范围结合各个子滤波片透过率特性调节子滤波片波段叠加大小。

3.根据权利要求1所述的角度调谐滤波片阵列，其特征在于：所述陈列为线阵列、面阵列、中心对称扇形阵列其中的一种。

4.根据权利要求1所述的角度调谐滤波片阵列，其特征在于：所述子滤波片从以下几类滤波片中选取：(1)法布里-珀罗滤波片；(2)介质薄膜滤波片；(3)干涉滤波片。

5.根据权利要求1所述的角度调谐滤波片阵列，其特征在于：阵列中每个子滤波片有效角度调谐范围大小以及所需子滤波片个数，根据目标角色散率κ大小和总光谱调谐范围λ_min≤λ≤λ_max，按以下步骤确定：

(1)假设相邻两块子滤波片垂直入射中心波长分别为其中，

(2)根据第i+1块子滤波片的垂直入射中心波长和滤波片等效折射率n_p，获得其角色散率-调谐角度分布，如下式所示：

$D=\frac{d\mathrm{\θ}}{d\mathrm{\λ}}=-\frac{n_p\sqrt{{n_p}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}{{\mathrm{\λ}}_{i+1}^0\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}}$

(3)结合目标角色散率和第i+1块子滤波片角色散率-调谐角度分布，计算其有效角度调谐范围，所述有效角度调谐范围，能保证阵列中，子滤波片在该调谐范围内的角色散率均满足|D|≥κ，κ为目标角色散率；公式如下：

-θ_max≤θ≤θ_max

其中，

${\mathrm{\θ}}_{max}=\frac{1}{2}\arccos \[\frac{2{n_p}^2}{{\left({\mathrm{\κ\λ}}_{i+1}^0\right)}^2}(-\frac{1}{2}+\sqrt{\mathrm{\Δ}})\]$

$\mathrm{\Δ}=\frac{1}{4}+{\left({\mathrm{\κ\λ}}_{i+1}^0\right)}^2\·\frac{{\left({\mathrm{\κ\λ}}_{i+1}^0\right)}^2+2{n_p}^2-4{n_p}^4}{4{n_p}^4}$

(4)根据第i+1块子滤波片有效角度调谐范围计算有效波长调谐范围，公式如下：

${\mathrm{\λ}}_{i+1}^0\sqrt{1-\frac{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{max}}{{n_p}^2}}\≤\mathrm{\λ}\≤{\mathrm{\λ}}_{i+1}^0$

(5)判断相邻两块子滤波片的有效波长调谐范围是否存在断点，即是否存在的情况，若存在，则减小的值，返回第(2)步；若不存在，确定第i+1块子滤波片的垂直入射的中心波长为

(6)重复步骤(1)到(5)直至确定出所有子滤波片的垂直入射中心波长及其对应的有效角度调谐范围和有效波长调谐范围；

(7)结合各子滤波片的波长调谐范围及所要达到的总光谱调谐范围λ_min≤λ≤λ_max，计算所需子滤波片的数量，计算方法如下：

$\mathrm{\Σ}\≥\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\ϵ}}_i$

其中，N为所需子滤波片总数；Σ＝λ_max-λ_min；

6.根据权利要求1至5任意一项所述的角度调谐滤波片阵列得到规律分布的光谱的方法，其特征在于：当多色光束以不同角度均匀入射到所述滤波片阵列时，阵列各个子滤波片不同位置对应光束入射角度不同，根据各子滤波片的角度调谐特性，多色光束与所述滤波片阵列作用后，其不同位置对应不同波长的透射光线，将空间不同位置与不同波长的光线一一对应，即得到规律分布的光谱。

7.权利要求1至5任意一项所述的角度调谐滤波片阵列的加工方法，其特征在于采用逐级光刻的方法，依次对阵列中的各个子滤波片进行加工，每次光刻预留出目标子滤波片的区域，对其他区域进行涂胶。

8.根据权利要求7所述的角度调谐滤波片阵列的加工方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)预留出目标子滤波片待光刻区域，并对其他区域进行涂胶；

(2)对目标子滤波片进行光刻；

(3)对光刻成功的阵列进行洗胶；

(4)选取新的目标子滤波片，回到步骤(1)重复上述过程直至完成所有子滤波片的光刻，获得成品。