CN107923791A - 具有可控制的光谱的光源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于发光的设备，其包括：多个光源(1)；控制装置(2)，其驱动光源(1)；叠加光学单元，其将光源(1)发射的光叠加在出口(3)中。本发明的目的在于提供一种与现有技术相比有所改进的设备。为此，本发明提出所述叠加光学单元包括：第一凹面镜(4)，光源(1)布置在所述第一凹面镜的焦平面中；光栅(5)，第一凹面镜(4)将由光源(1)发射的光(6)反射到所述光栅上，以及第二凹面镜(7)，其将在光栅(5)处衍射的光(8)反射到位于第二凹面镜(7)的焦点处的出口(3)上。

Description

具有可控制的光谱的光源
技术领域
本发明涉及一种用于发光的设备，其包括：
-多个光源，
-控制装置，其驱动光源，
-叠加光学单元，其将光源发射的光叠加在出口中。
背景技术
这种设备例如从US 6075595已知。之前已知的设备包括以一维阵列线性地彼此并排地布置的多个光源(LED)，特别地各个光源之间具有预定的距离。单独的分散式凹面镜用作叠加光学单元，所述凹面镜是固定的并且根据在线性排列内的位置以与波长相关的方式将光源发出的光聚焦在出口上。光源由电子控制装置驱动。为此，控制装置为每个单独的光源产生脉冲信号，使得各个光源在时间上根据它们在阵列中的位置被驱动，使得在出口中随时间平均地产生具有期望的光谱的光。为了调整光谱，控制装置相应地改变光源的时间性驱动。不执行任何机械动作来调整光谱。用于产生具有期望的光谱的光的设备的重要要求在于，期望的光谱轮廓之外的光谱成分被充分地抑制。为了实现这一点，在之前已知的设备中，各个光源被布置在集中器中，所述集中器确保以狭窄地限定的发射角度发射。以这种方式减少由于散射而导致离开出口的光中的不期望的光谱成分的横向光发射。然而，不利的是，彼此并排地布置的光源之间的距离因此相对较大。这对可实现的光谱分辨率和可实现的光谱功率密度产生不利影响。而且，据发现产生的光的可实现的光谱纯度仍然不足以用于各种应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种与现有技术相比有所改进的设备。意图避免之前已知的设备的上述缺点。
该目的通过本发明由下述叠加光学单元来实现，所述叠加光学单元包括：
-第一凹面镜，光源布置在所述第一凹面镜的焦平面中，
-光栅，第一凹面镜将由光源发射的光反射到所述光栅上，以及
-第二凹面镜，其将在光栅处衍射的光反射到位于第二凹面镜的焦点处的出口上。
本发明提供具有以下性质的光谱可调式光源：
-光谱成分的高纯度(在不期望的光谱成分情况下的散射光很少)；
-在若干毫秒到若干秒范围内的快速可调性；
-高光谱功率密度。
本发明的核心是使用切尔尼-特纳类型的光谱仪的光学设置作为叠加光学单元。根据本发明，所述光谱仪是“反向地”运行的，即不是用于叠加在输入光束中的光谱成分的空间分离，而是用于将光源的光叠加在通过出口离开设备的光束中，所述光在不同的位置处、即空间上分开地发射。根据本发明，常规切尔尼-特纳光谱仪中使用的用于检测空间上分开的辐射成分的检测器被光源在第一凹面镜的焦平面中的布置所替换。发射的光中包含的光谱成分在此根据光源所处的空间位置来选择，并在出口中叠加。
本发明利用了下述事实：利用切尔尼-特纳式布置(根据具有相应的光阑配置和高品质光学部件的需求配置)，可形成散射光的大约四个数量级的非常高的抑制。
在一可能的配置中，光源发出的光、反射到光栅上的光、在光栅处衍射的光以及反射到出口上的光的光路中的两个或三个以上彼此交叉。这对应于光谱仪中的本身已知的“交叉切尔尼-特纳式”配置，其以非常紧凑的设计为特征。
在一优选配置中，光源以线性方式彼此并排地布置。光源也可以以矩阵形式彼此并排地以及彼此上下地设置。因此，可增加焦平面中的光源的有效空间密度。因此，可改善光谱可调性，同时增大相应波长范围内的辐射功率。
为了增大空间密度，即为了减小光源之间的距离，光源可分别具有光纤，所述光纤的纤维端部位于第一凹面镜的焦平面中。纤维端部可彼此并排地和/或彼此上下地布置成彼此之间具有由纤维直径限定的非常小的距离。
光源可分别包括一个或两个以上的发光二极管(LED)。对于根据本发明的设备的输出功率，LED的光谱功率密度对于各波长范围都是至关重要的。因此，彩色LED在蓝色和红色光谱范围内是有利的。然而，在绿色光谱范围内，目前的白色LED具有最高的光谱密度。在根据本发明的叠加光学单元的切尔尼-特纳式布置中的散射光的高度抑制尤其对于白色LED是有利的，其中，根据本发明仅使用光谱的一小部分。
借助于根据本发明的叠加光学单元，尽管LED的发射光谱可能非常不同，但是对于各光谱分量，围绕中心波长的光谱分布非常相似。例如，蓝色LED与绿色LED相比通常具有明显更窄的带宽。光谱宽度可通过叠加光学单元的设计(出口的缝宽度、光栅色散、每个光源的发光区域的尺寸等)来配置。
优选地，根据本发明的设备的控制装置设计成能够以具有可变的脉冲持续时间和/或脉冲频率的脉冲方式驱动单独地和/或同时地驱动多个光源。
为了调整光谱，各光源(LED)经由电子控制装置进行切换。在一变型例中，使用单个电源，并且相应地经由多路复用器激励一个LED或LED的子组。对各LED或各LED组进行足够快速地切换的、即时间上连续的脉冲激励使得可借助于时分多路复用来合成任意光谱。在一替代的变型例中，每个LED都具有可由控制装置驱动的专用电源，使得可合成任意的光谱而无需时间调制。作为另一替代方案，可提供多个电源，所述电源经由多路复用器分别供应限定的一组LED。由此可加速时分复用。
在根据本发明的设备的另一优选配置中，出口中的光耦入光纤中。借助于合适的光纤组件，借助于根据本发明的设备产生的光可例如分布在不同的测试设施中。通过合适的方式，光可以针对均匀照明进行优化，或者光可以通过合适的方式聚焦。
与现有技术相比，切尔尼-特纳式布置的根据本发明的作为叠加光学单元的应用显著改进光谱滤波。这使得白色LED能够用作光源，而出口中仍然能够获得具有高光谱纯度的光。根据本发明呈现出高纯度，例如如果距离最大发射40nm，则光谱亮度(具有2-3nm的光谱分辨率)小于最大值的0.01％。
附图说明
参照附图说明本发明的一示例性实施例，附图中：
图1：示意性地示出了根据本发明的设备的设置。
具体实施方式
示出的设备包括作为光源的LED阵列1，所述LED在图示平面中彼此并排地布置，LED无论如何都在发射光谱方面部分地彼此不相同。彩色LED用于蓝色和红色光谱范围。白色LED用于绿色光谱范围。也可以仅使用覆盖整个期望的光谱范围并具有高光谱密度的白色LED。
LED阵列1由电子控制装置2驱动。
设置叠加光学单元，其将由LED阵列1发射的光叠加在出口3中。叠加光学单元包括第一凹面镜4，LED阵列1位于所述第一凹面镜4的焦平面中。设置光栅5，第一凹面镜4将由LED阵列1发射的光6反射到所述光栅5上。第二凹面镜7将在光栅5处衍射的光8反射到位于第二凹面镜7的焦点处的出口3上，所述出口是出口缝。准直光学单元布置在出口的下游。
离开设备的光9的光谱可以借助于控制装置2通过LED阵列1的相应的驱动来控制。根据本发明，叠加光学单元的光学部件的布置对应于“反向地”操作的交叉式切尔尼-特纳光谱仪的布置。

Claims (10)

1.一种用于发光的设备，其包括：
-多个光源(1)，
-控制装置(2)，其驱动光源(1)，
-叠加光学单元，其将光源(1)发射的光叠加在出口(3)中，
其特征在于，
所述叠加光学单元包括：
-第一凹面镜(4)，光源(1)布置在所述第一凹面镜(4)的焦平面中，
-光栅(5)，第一凹面镜(4)将由光源(1)发射的光(6)反射到所述光栅(5)上，以及
-第二凹面镜(7)，其将在光栅(5)处衍射的光(8)反射到位于第二凹面镜(7)的焦点处的出口(3)上。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，光源发出的光、反射到光栅上的光、在光栅处衍射的光以及反射到出口上的光的光路中的两个或三个以上彼此交叉。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述光源以线性形式彼此并排地布置。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述光源以矩阵形式彼此并排地以及彼此上下地布置。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于，所述光源分别包括一个或两个以上的发光二极管。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的设备，其特征在于，所述光源分别具有光纤，所述光纤的纤维端部位于所述第一凹面镜的焦平面中。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的设备，其特征在于，控制装置设计成能够以具有可变的脉冲持续时间和/或脉冲频率的脉冲的方式单独地和/或同时地驱动多个光源。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的设备，其特征在于，一个或多个光源发出白色。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的设备，其特征在于，一个或多个光源发出彩色光。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的设备，其特征在于，出口中的光耦入光纤中。
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