CN108240972A - 光纤多路光谱复用装置及光探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤多路光谱复用装置及光探测系统，光纤多路光谱复用装置包括：多个光入传输元件，多个光入传输元件一一对应地传输多个探测位置的光信号；多个DLP芯片，多个DLP芯片一一对应地设置在多个光入传输元件的出射端，且每个DLP芯片与对应的光入传输元件的出射光的方向呈预定角度，以使每个DLP芯片中微镜的状态切换至第一状态时出射光由微镜反射至目标方向；汇聚模块，汇聚模块位于目标方向上，以将目标方向上的出射光汇聚至目标采样点。本发明实施例的光纤多路光谱复用装置采用DLP芯片作为光控器件，可以快速、准确地实现光路的切换，具有稳定、可靠的优点。

Description

光纤多路光谱复用装置及光探测系统

技术领域

本发明涉及光电检测技术领域，特别涉及一种光纤多路光谱复用装置及光探测系统。

背景技术

光谱仪采集光源的位置点的光谱信息，一般情况下，每个位置点配备一台光谱仪，多个位置点则需要配备多个光谱仪，但是，光谱仪作为精密测量设备，特别是红外光谱仪，价格昂贵。在工业控制上则采用光纤多路复用器，通过多路的快速切换来分时探测不同位置点的光谱信息。

在相关技术中，多路光谱复用装置实现多路之间的切换多采用转镜、振镜或转盘等精密光学或者机械器件，然而，这种装置在切换时对这些光学与机械器件的转速、稳定性都有着较高的要求，一旦这些器件出现问题，切换通道就会出现错误，不利于整机成本的控制。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种光纤多路光谱复用装置。该光纤多路光谱复用装置采用DLP(Dligital Light Processing，数字光处理)芯片作为光控器件，可以快速、准确地实现光路的切换，具有稳定、可靠的优点。

本发明的另一个目的在于提供一种光探测系统。

为了实现上述目的，本发明的第一方面的实施例公开了一种光纤多路光谱复用装置，包括：多个光入传输元件，所述多个光入传输元件一一对应地传输多个探测位置的光信号；多个DLP芯片，所述多个DLP芯片一一对应地设置在所述多个光入传输元件的出射端，且每个DLP芯片与对应的光入传输元件的出射光的方向呈预定角度，以使每个DLP芯片中微镜的状态切换至第一状态时所述出射光由所述微镜反射至目标方向；汇聚模块，所述汇聚模块位于所述目标方向上，以将所述目标方向上的出射光汇聚至目标采样点。

根据本发明实施例的光纤多路光谱复用装置，采用DLP芯片作为光控器件，可以快速、准确地实现光路的切换，具有稳定、可靠的优点。

另外，根据本发明上述实施例的光纤多路光谱复用装置还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，其中，所述预定角度为24°，所述第一状态为所述微镜旋转+12°的状态或者-12°的状态。

在一些示例中，还包括：控制器，所述控制器与所述多个DLP芯片相连，以分别对每个DLP芯片中微镜的状态进行切换。

在一些示例中，所述光入传输元件包括：入射光纤，所述入射光纤的入射端用于收集对应的探测位置的光信号；准直透镜，所述准直透镜位于所述入射光纤的出射端和对应的DLP芯片之间。

在一些示例中，所述汇聚模块为凸透镜或者凹面镜。

在一些示例中，所述汇聚模块包括：多个光纤耦合透镜，所述多个光纤耦合透镜的前端正对所述多个DLP芯片设置且与所述多个DLP芯片一一对应；多进一出光纤束，所述多进一出光纤束的多个进光侧一一对应地设置在所述多个光纤耦合透镜的后端。

在一些示例中，还包括：DLP芯片固定环，所述多个DLP芯片固定在所述DLP芯片固定环上。

在一些示例中，所述多个DLP芯片间隔地固定在所述DLP芯片固定环的周壁上。

在一些示例中，根据权利要求1-8任一项所述的光纤多路光谱复用装置，其特征在于，DLP芯片为可见光DLP芯片或者红外波段的DLP芯片。

在一些示例中，包括：可见光DLP芯片为DLP3000，波长位于420纳米-700纳米之间；红外波段的DLP芯片为DLP4500NIR，波长位于700纳米-2500纳米之间。

本发明第二方面的实施例公开了一种光探测系统，包括：光纤多路光谱复用装置，所述光纤多路光谱复用装置为根据上述任意一个实施例所述的光纤多路光谱复用装置；探测单元，所述探测单元设置在所述采样点处，以根据所述多个DLP芯片中微镜的状态探测所述多个探测位置中任意一个位置的光信号。

根据本发明实施例的光探测系统，将DLP芯片作为光控器件的光纤多路光谱复用装置与作为公共端的探测单元组合，实现不同探测点的光谱信号的切换，既降低了系统的成本和复杂性，又增强了系统的稳定性。

另外，根据本发明上述实施例的光探测系统还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述探测单元为光谱仪、单点探测器或探测器的组合。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述的和/或附加的方面和优点结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的光纤多路光谱复用装置的示意图；

图2是本发明实施例的DLP芯片中的微镜的三种状态的实例示意图；

图3(a)是本发明实施例的光纤多路光谱复用装置的三维示意图；

图3(b)是本发明实施例的光纤多路光谱复用装置的侧面示意图；

图3(c)是本发明实施例的光纤多路光谱复用装置的前面示意图；

图4是本发明提供的基于凸透镜的光纤多路光谱复用装置的实例示意图；

图5是本发明提供的基于凹面镜的光纤多路光谱复用装置的实例示意图；

图6是本发明提供的基于多进一出光纤束的光纤多路光谱复用装置的实例示意图；以及

图7是本发明实施例的光探测系统结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

以下结合附图描述根据本发明实施例的光纤多路光谱复用装置及光探测系统。

图1是根据本发明一个实施例的光纤多路光谱复用装置的示意图。如图1所示，根据本发明一个实施例的光纤多路光谱复用装置100，包括：多个光入传输元件110、多个DLP芯片120和汇聚模块130。

其中，多个光入传输元件110一一对应地传输多个探测位置的光信号。

多个DLP芯片120一一对应地设置在多个光入传输元件110的出射端，且每个DLP芯片120与对应的光入传输元件110的出射光的方向呈预定角度，以使每个DLP芯片120中微镜的状态切换至第一状态时出射光由微镜反射至目标方向，从而在不同出射光路间进行切换。其中，DLP芯片可以为可见光DLP芯片或者红外波段的DLP芯片，可见光DLP芯片为DLP3000，波长位于420纳米-700纳米之间，特别在材质分选领域，主要采用红外波段的DLP芯片，红外波段的DLP芯片为DLP4500NIR，波长位于700纳米-2500纳米之间。

为了将经过DLP芯片120的出射光汇聚到目标采样点上，在目标方向上安装汇聚模块130。

根据本发明实施例的光纤多路光谱复用装置，采用DLP芯片作为光控器件，可以快速、准确地实现光路的切换，具有稳定、可靠的优点。

其中，所述预定角度可以为24°，所述第一状态位可以为所述微镜旋转+12°的状态或者-12°的状态。具体而言，如图2所示，DLP芯片120的微镜有3个状态，分别是“on”态、“flat”态和“off”态，“on”态或者“off”态定义为第一状态。DLP芯片120未通电时，微镜处于“flat”状态，这时，DLP芯片120中的硅基底与DLP芯片120的微镜之间平行，基底法线为垂直目标方向，当微镜的控制器加载“1”时，这时候入射光线在微镜的反射下，应该反射至目标方向，反射光线方向应为垂直目标方向，为了将DLP芯片120出射光由微镜反射至目标方向，则需设定一个预定角度，即可以将入射光线方向与基底法线之间的夹角预设为24°，当微镜转为“on”态时，如图2左侧所示，微镜相对于“flat”状态由平行逆时针旋转12°，即为-12°，定义该状态为“开”，微镜的控制器加载“0”时，即微镜转为“off”态时，如图2右侧所示，微镜相对于“flat”状态由平行顺时针旋转12°，即为+12°，这时候入射光线在微镜的反射下，反射至另一个方向，使反射光线偏离目标方向，定义该状态为“关”。值得一提的是，DLP芯片120中微镜的“开”与“关”状态并非绝对的，而是人为定义的，根据实际使用方便来确定。如微镜在+12°时定义为“开”，则﹣12°即为“关”状态。但中间状态“flat”态只有在DLP芯片120断电时才会出现，为初始状态，通电后DLP芯片120只会出现两个状态。

进一步地，光纤多路光谱复用装置100还包括：控制器140，控制器140与多个DLP芯片120相连，以分别对每个DLP芯片120中微镜的状态进行切换。例如，如图3(a)的实施例中，以采集对称分布的光纤4路光谱复用装置为例，若需要分时进入目标采样点，在某一路DLP芯片中的微镜状态为“0”时，其他路的光纤所对应的DLP芯片中的微镜状态在控制器140的统一指令控制下，全部加载为“1”，这样保证其他路光纤的信号反射至另外一个方向耗散掉，无法到达目标采样点，确保某一时刻只有一路光纤的信号可以到达目标采样点，从而实现光纤多路光谱复用装置100的分时复用。

如图3(b)所示，光入传输元件110包括：入射光纤111和准直透镜112。其中，入射光纤111的入射端用于收集对应的探测位置的光信号，准直透镜112位于入射光纤111的出射端和对应的DLP芯片120之间。值得注意的是，若DLP芯片的有效反光区域的宽度约为4mm，各个光纤出射的光需经准直成为直径4mm左右的平行光束，按照DLP芯片要求的入射角入射到DLP芯片上。

结合图4所示，汇聚模块130为凸透镜131，且为大口径的凸透镜131，凸透镜131的直径可以为100mm，焦距可以为250mm。值得注意的是，不同波长的光经过凸透镜131会聚后容易产生色散，在透镜焦点处容易形成较大的弥散光斑，不利于光的采集，可以采用球面反射镜或抛物面反射镜对不同路的光进行反射会聚。由于反射会聚不存在色散的影响，因此在反射镜的焦点处形成的会聚光斑要小于凸透镜会聚所形成的弥散光斑，将目标采集点设置在反射镜的焦点处，可以有效提高耦合效率，并降低色散。

考虑到透镜对于不同波长光的色散作用，结合图5所示，汇聚模块130可以为凹面镜132，以减小色散的影响。

若要继续增加光路通道，则需要更大口径的凸透镜131或凹面镜132，这在一定程度上增加了实施的难度和镜片的加工成本，结合图6所示，汇聚模块130包括为多个光纤耦合透镜133和多进一出光纤束134的组合。多个光纤耦合透镜133的前端正对多个DLP芯片120设置且与多个DLP芯片120一一对应，多进一出光纤束134的多个进光侧一一对应地设置在多个光纤耦合透镜133的后端，可以将多个光纤耦合透镜133发射的光通过多进一出光纤束134汇聚到目标采样点。例如，入射光纤111收集来自探测位置的光信号后，在出射端经准直透镜112准直以后，以DLP芯片120要求的入射角入射在DLP芯片120中的微镜。当需要该路信号时，对应的DLP芯片120在控制器140的作用下，切换至“on”状态，该路信号经DLP芯片120反射至光纤耦合透镜133，耦合进入多进一出光纤束134其中的一个输入端。在某一个特定时刻，只有一路光纤的信号是打开的，经DLP芯片120的不停地快速开关切换，实现不同路光纤信号的分时复用。最终不同光纤输入端的信号都在光纤束的同一个公共输出端输出，然后传输至目标采样点，从而实现多路光谱分时复用。这种复用方式相对于采用透镜或反射镜的方式，结构较为简单，且复用光纤通道数可以比前面的方案多，至少可以做到19路光纤信号的分时复用。

如图3(c)所示，光纤多路光谱复用装置100还包括：DLP芯片固定环150，多个DLP芯片120固定在DLP芯片固定环150上，进一步地，多个DLP芯片120间隔地固定在DLP芯片固定环150的周壁上。

如图7所示，本发明第二方面的实施例公开了一种光探测系统700，该系统700包括：光纤多路光谱复用装置710和探测单元720。

其中，光纤多路光谱复用装置710为根据上述实施例任一项的光纤多路光谱复用装置100。探测单元720，设置在采样点处，以根据多个DLP芯片120中微镜的状态探测多个探测位置中任意一个位置的光信号，进一步地，探测单元为光谱仪、单点探测器或探测器的组合。

根据本发明实施例的光探测系统，将DLP芯片作为光控器件的光纤多路光谱复用装置与作为公共端的探测单元组合，实现不同探测点的光谱信号的切换，既降低了系统的成本和复杂性，又增强了系统的稳定性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种光纤多路光谱复用装置，其特征在于，包括：

多个光入传输元件，所述多个光入传输元件一一对应地传输多个探测位置的光信号；

多个DLP芯片，所述多个DLP芯片一一对应地设置在所述多个光入传输元件的出射端，且每个DLP芯片与对应的光入传输元件的出射光的方向呈预定角度，以使每个DLP芯片中微镜的状态切换至第一状态时所述出射光由所述微镜反射至目标方向；

汇聚模块，所述汇聚模块位于所述目标方向上，以将所述目标方向上的出射光汇聚至目标采样点。

2.根据权利要求1所述的光纤多路光谱复用装置，其特征在于，其中，

所述预定角度为24°，所述第一状态为所述微镜旋转+12°的状态或者-12°的状态。

3.根据权利要求1所述的光线多路光谱复用装置，其特征在于，还包括：

控制器，所述控制器与所述多个DLP芯片相连，以分别对每个DLP芯片中微镜的状态进行切换。

4.根据权利要求1所述的光纤多路光谱复用装置，其特征在于，所述光入传输元件包括：

入射光纤，所述入射光纤的入射端用于收集对应的探测位置的光信号；

准直透镜，所述准直透镜位于所述入射光纤的出射端和对应的DLP芯片之间。

5.根据权利要求1-4任一项所述的光纤多路光谱复用装置，其特征在于，所述汇聚模块为凸透镜或者凹面镜。

6.根据权利要求1-4任一项所述的光纤多路光谱复用装置，其特征在于，所述汇聚模块包括：

多个光纤耦合透镜，所述多个光纤耦合透镜的前端正对所述多个DLP芯片设置且与所述多个DLP芯片一一对应；

多进一出光纤束，所述多进一出光纤束的多个进光侧一一对应地设置在所述多个光纤耦合透镜的后端。

7.根据权利要求1所述的光纤多路光谱复用装置，其特征在于，还包括：

DLP芯片固定环，所述多个DLP芯片固定在所述DLP芯片固定环上。

8.根据权利要求7所述的光纤多路光谱复用装置，其特征在于，所述多个DLP芯片间隔地固定在所述DLP芯片固定环的周壁上。

9.根据权利要求1-8任一项所述的光纤多路光谱复用装置，其特征在于，DLP芯片为可见光DLP芯片或者红外波段的DLP芯片。

10.根据权利要求9所述的光纤多路光谱复用装置，其特征在于，包括：

可见光DLP芯片为DLP3000，波长位于420纳米-700纳米之间；

红外波段的DLP芯片为DLP4500NIR，波长位于700纳米-2500纳米之间。

11.一种光探测系统，其特征在于，包括：

光纤多路光谱复用装置，所述光纤多路光谱复用装置为根据权利要求1-8任一项所述的光纤多路光谱复用装置；

探测单元，所述探测单元设置在所述采样点处，以根据所述多个DLP芯片中微镜的状态探测所述多个探测位置中任意一个位置的光信号。

12.根据权利要求11所述的光探测系统，其特征在于，所述探测单元为光谱仪、单点探测器或探测器的组合。