CN110426124A - 用于芯片式光谱仪能够实现信号光耦合与对准监测的装置 - Google Patents

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刘智颖
姜馨
李明宇
付跃刚
王加科
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2823—Imaging spectrometer

Abstract

用于芯片式光谱仪能够实现信号光耦合与对准监测的装置属于光学成像技术领域。现有技术耦合效率低。本发明由准直镜、透射反射棱镜、耦合成像透镜依次共光轴排列构成信号光耦合光学系统，由耦合成像透镜、透射反射棱镜、监测成像透镜依次共光轴排列构成信号光对准监测光学系统；在信号光耦合光学系统中，光轴在透射反射棱镜的工作镜面处做90°角折转，所述工作镜面与光轴呈45°角，由所述工作镜面将来自准直镜的信号光反射给耦合成像透镜；在信号光对准监测光学系统中，由透射反射棱镜的工作镜面将来自耦合成像透镜的信号光透射给监测成像透镜；光电探测器的感光面位于监测成像透镜的像面处，光电探测器与显示器相连。

Description

用于芯片式光谱仪能够实现信号光耦合与对准监测的装置
技术领域
本发明涉及一种用于芯片式光谱仪能够实现信号光耦合与对准监测的装置，属于光学成像技术领域。
背景技术
在现有红外单色芯片式光谱仪的检测过程中，由光源发出的信号光经光轴发散角压缩，入射耦合光纤的入射端，耦合光纤的出射端与芯片式光谱仪的接收光栅接近，自耦合光纤出射的信号光其光轴与接收光栅法线呈某一角度，信号光以最大耦合效率入射接收光栅，完成信号光与芯片式光谱仪的耦合。
然而，在调整和固定耦合光纤出射端与芯片式光谱仪接收光栅二者相互位置关系的过程中，难免发生接触，可能会损坏接收光栅，另外，难以确认光纤出射端与接收光栅完全对准，也就是确认信号光光轴与接收光栅几何中心相交，以最大程度提高信号光耦合效率。
发明内容
为了能够在调整和固定耦合光纤出射端与芯片式光谱仪接收光栅二者相互位置关系的过程中，避免发生接触，以免损坏接收光栅，同时，能够容易地确认耦合光纤出射端与接收光栅完全对准，以最大程度提高信号光耦合效率，我们发明了一种用于芯片式光谱仪能够实现信号光耦合与对准监测的装置。
本发明之用于芯片式光谱仪能够实现信号光耦合与对准监测的装置其特征在于，如图1所示，由准直镜1、透射反射棱镜2、耦合成像透镜3依次共光轴排列构成信号光耦合光学系统，由耦合成像透镜3、透射反射棱镜2、监测成像透镜4依次共光轴排列构成信号光对准监测光学系统；在信号光耦合光学系统中，光轴在透射反射棱镜2的工作镜面处做90°角折转，所述工作镜面与光轴呈45°角，由所述工作镜面将来自准直镜1的信号光反射给耦合成像透镜3；信号光对准监测光学系统与信号光耦合光学系统共用透射反射棱镜2、耦合成像透镜3；在信号光对准监测光学系统中，由透射反射棱镜2的工作镜面将来自耦合成像透镜3的信号光透射给监测成像透镜4；光电探测器5的感光面位于监测成像透镜4的像面处，光电探测器5与显示器6相连。
本发明其技术效果在于，由光源发出的信号光经光轴发散角压缩，入射耦合光纤7的入射端，将耦合光纤1的出射端定位于准直镜1的物方焦点处，如图1所示，信号光自此先行耦合进入本发明之用于芯片式光谱仪能够实现信号光耦合与对准监测的装置中，经准直的信号光由透射反射棱镜2反射给耦合成像透镜3；将芯片式光谱仪的接收光栅8置于耦合成像透镜3的像面处，接收光栅8的法线与在接收光栅8上成像的信号光光轴成某一角度，如7°，如果接收光栅8与耦合成像透镜3对准，也就是耦合成像透镜3将信号光完全成像于接收光栅8上，像的中心也与接收光栅8的几何中心重合，信号光则以最大耦合效率入射接收光栅8，完成信号光与芯片式光谱仪的耦合；同时，不可避免会有少量信号光被接收光栅8向不同方向反射，其中，必定会有一小部分沿原光路逆向传播至透射反射棱镜2，由透射反射棱镜2透射给监测成像透镜4，并成像于光电探测器5，并由显示器6显像，并且该图像位于显示器6中心，且较清晰明亮；然而，由于接收光栅8的尺寸非常小，如20×20μm，由耦合成像透镜3所成之像难以一步完全落在接收光栅8中心，因此，可以一边观察显示器6，一边调整接收光栅8的位置，直到在显示器6上出现图像，继续微调接收光栅8的位置，使得图像移至显示器6中心。
可见，采用本发明，无需将耦合光纤7的出射端调整为与芯片式光谱仪的接收光栅8接近的状态，从而不会发生意外接触，从根本上避免损坏接收光栅8；同时，本发明中的信号光对准监测光学系统与光电探测器5、显示器6配合，实时显示信号光与芯片式光谱仪的耦合状态，最终实现高效率耦合。
在本发明中，信号光对准监测光学系统与信号光耦合光学系统共用透射反射棱镜2、耦合成像透镜3；准直镜1、耦合成像透镜3、监测成像透镜4也都是简单的球面透镜；整个装置仅由六个部分组成；这些特征使得本发明具有结构简单、成本低的特点。
附图说明
图1为本发明之用于芯片式光谱仪能够实现信号光耦合与对准监测的装置的结构及工作状态示意图，该图同时作为摘要附图。
具体实施方式
本发明之用于芯片式光谱仪能够实现信号光耦合与对准监测的装置其具体方案如下所述。
由准直镜1、透射反射棱镜2、耦合成像透镜3依次共光轴排列构成信号光耦合光学系统，由耦合成像透镜3、透射反射棱镜2、监测成像透镜4依次共光轴排列构成信号光对准监测光学系统。在信号光耦合光学系统中，光轴在透射反射棱镜2的工作镜面处做90°角折转，所述工作镜面与光轴呈45°角，由所述工作镜面将来自准直镜1的信号光反射给耦合成像透镜3。信号光对准监测光学系统与信号光耦合光学系统共用透射反射棱镜2、耦合成像透镜3，同时，为适应耦合光纤7数值孔径(NA)，信号光耦合光学系统的像方数值孔径与信号光对准监测光学系统的物方数值孔径相同。在信号光对准监测光学系统中，由透射反射棱镜2的工作镜面将来自耦合成像透镜3的信号光透射给监测成像透镜4。光电探测器5的感光面位于监测成像透镜4的像面处，光电探测器5与显示器6相连。
当耦合光纤7直径为6μm，NA为0.12，取放大倍率为-1倍，则信号光耦合光学系统的像方NA为0.12，信号光对准监测光学系统的物方NA也为0.12。
当芯片式光谱仪的接收光栅8的尺寸为20×20μm，成像于接收光栅8的信号光光斑直径调整在10μm以内，以使更多的信号光入射接收光栅8；信号光对准监测光学系统的物高设计为25μm，以使光电探测器5更易捕捉由信号光对准监测光学系统所成之像。
光栅耦合需满足布拉格条件：入射光矢量与光栅矢量叠加后的矢量方向刚好与波导的某一模式的传输方向上的分量相同，这样入射光方可通过光栅耦合进入波导。据此，当采用本发明实现信号光与芯片式光谱仪耦合时，接收光栅8的法线与在接收光栅8上成像的信号光光轴应当成某一角度，如7°。

Claims (2)

1.一种用于芯片式光谱仪能够实现信号光耦合与对准监测的装置，其特征在于，由准直镜(1)、透射反射棱镜(2)、耦合成像透镜(3)依次共光轴排列构成信号光耦合光学系统，由耦合成像透镜(3)、透射反射棱镜(2)、监测成像透镜(4)依次共光轴排列构成信号光对准监测光学系统；在信号光耦合光学系统中，光轴在透射反射棱镜(2)的工作镜面处做90°角折转，所述工作镜面与光轴呈45°角，由所述工作镜面将来自准直镜(1)的信号光反射给耦合成像透镜(3)；信号光对准监测光学系统与信号光耦合光学系统共用透射反射棱镜(2)、耦合成像透镜(3)；在信号光对准监测光学系统中，由透射反射棱镜(2)的工作镜面将来自耦合成像透镜(3)的信号光透射给监测成像透镜(4)；光电探测器5的感光面位于监测成像透镜(4)的像面处，光电探测器(5)与显示器(6)相连。
2.根据权利要求1所述的用于芯片式光谱仪能够实现信号光耦合与对准监测的装置，其特征在于，信号光耦合光学系统的像方数值孔径与信号光对准监测光学系统的物方数值孔径相同。
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