CN112964361B - 可调谐滤波器、光谱探测装置及光谱信息获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可以提高被调谐波长的变化范围的可调谐滤波器、光谱探测装置及光谱信息获取方法。本发明提供的可调谐滤波器，用于对分光后的入射光进行调谐，包括：壳体，具有容纳腔，两端设置有用于让所述入射光通过的透明部分；透明液体，填充在所述壳体内的容纳腔内，折射率大于1，用于调整对所述入射光的波长变化范围；以及旋转滤光片，设置在所述容纳腔内，通过转轴固定在所述壳体上并由其带动旋转的，用于对分光后的入射光进行调谐得到调谐光，其中，所述旋转滤光片的旋转角度范围为0～70°，波长调谐公式为
m是干涉维次，n是滤光片间隔层的折射率，d是滤光片间隔层的物理厚度，n0是透明液体折射率，θ0是在透明液体中的入射角。
Description
技术领域
本发明涉及光谱分析领域，具体涉及一种可调谐滤波器、光谱探测装置及光谱信息获取方法。
背景技术
随着光通信的迅速发展，流量增加，对网络的动态监控和调整成为必需，光纤输入/输出的可调谐滤波器成为了一种很重要的光学器件，它可以监测光纤中有多少个不同波长的光在传输以及每种波长的光功率，还可以在光纤中切换不同的波长，以及滤除EDFA的噪声。
利用旋转方式改变入射光对窄带滤光片的入射角从而改变透射光的波长，实现在一定范围的光谱调谐。但在一定的旋转角度范围内，可调谐滤波器能够被调谐的波长的变化范围比较小。如果要求一个较大波长的变化范围利用这种方法进行分光时，可调谐滤波器需要采用多个并行分光通道来实现，每一个通道都是由至少一个旋转滤光片来实现的。
发明内容
因此，为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供了一种可以提高被调谐波长的变化范围的可调谐滤波器、光谱探测装置及光谱信息获取方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种可调谐滤波器，用于对分光后的入射光进行调谐，包括：壳体，具有容纳腔，两端设置有用于让所述入射光通过的透明部分；透明液体，填充在所述壳体内的容纳腔内，折射率大于1，用于调整对所述入射光的波长变化范围；以及旋转滤光片，设置在所述容纳腔内，通过转轴固定在所述壳体上并由其带动旋转的，用于对分光后的入射光进行调谐得到调谐光，其中，所述旋转滤光片的旋转角度范围为0～70°，波长调谐公式为
m是干涉维次，n是滤光片间隔层的折射率，d是滤光片间隔层的物理厚度，n0是透明液体折射率，θ0是在透明液体中的入射角。
在一个实施例中，所述透明液体为水或硅油。
本发明还提供了一种光谱探测装置，用于获取光谱信息，其特征在于，包括：
光学系统，接收从待检测对象发出的入射光，并对所述入射光进行准直；
偏振分光系统，对准直后的所述入射光进行偏振分光；
可调谐滤波器，对分光后的入射光进行调谐，得到调谐光；
汇聚镜头，对所述调谐光进行汇聚得到汇聚光；
阵列探测器，对所述汇聚光生成光电响应，对所述光电响应进行数据处理，获得所述光的光谱信息，
其中，所述可调谐滤波器为上述的可调谐滤波器。
在一个实施例中，所述阵列探测器上设置有像元，所述传感器上设置有膜层，使得所述阵列探测器的不同的像元具有一一对应的光谱透射率，让所述阵列传感器对于所研究的光谱范围内的光具有不同的光电响应曲线。
在一个实施例中，所述阵列探测器包括：光谱调制板，对光学系统传输后的光进行调制；阵列传感单元，对调制后的所述光进行响应，生成光电响应，对所述光电响应进行数据处理，获得所述光的光谱分布信息，其中，所述阵列探测单元的不同的像元对于所研究的光谱范围内的光具有不同的光电响应曲线。
在一个实施例中，所述像元上设置有透射率响应连续变化的膜层，使得不同像元具有一一对应的光谱透射率。
在一个实施例中，所述膜层采用镀膜的方式形成。
在一个实施例中，所述光谱调制板是采用离子注入、离子交换或者印刷中的任意一种方式形成的。
本发明还提供了一种光谱信息获取方法，包括：
采用光学系统接收从待检测对象发出的入射光，并对所述入射光进行准直；
采用偏振分光系统对准直后的所述入射光进行偏振分光；
通过可调谐滤波器对分光后的入射光进行调谐，使得到的调谐光的波长变化范围在80nm～120nm内；
采用汇聚镜头对调谐光进行汇聚，并使其照射在阵列探测器上，并让所述阵列探测器对所述光生成光电响应；
对所述光电响应进行数据处理，获得所述光的光谱信息。
与现有技术相比，本发明的优点在于：可以拓展单一通道的工作波段范围，根据需要将可调谐滤波器的波长变化范围设置合适的工作范围，从而使系统结构得到简化，性能得到提高，成本得到降低。
附图说明
图1是本发明的实施例中的光谱探测装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本申请实施例的光谱探测装置100用于获取光谱信息。光谱探测装置100包括：光学系统10、偏振分光系统20、可调谐滤波器30、汇聚镜头40及阵列探测器50。
光学系统10接收从待检测对象1发出的入射光，并对入射光进行准直。光学系统10可以是由透镜、反射镜或其组合等构成的准直镜头。
偏振分光系统20对准直后的入射光进行偏振分光。偏振分光系统20可以是偏振分光棱镜。偏振分光棱镜对入射光进行偏振分光后将一束光的水平偏振和垂直偏振分开得到两束光，P光(水平偏振光)与S光(垂直偏振光)的透过率之比大于1000，同时保证P光透过率在90％以上。偏振分光棱镜具有应力小、消光比高、成像质量好、光束偏转角小等特点。波长涵盖420-1600nm区域，可用于起偏、检偏以及光强调节等。
可调谐滤波器30对分光后的入射光进行调谐，得到调谐光。可调谐滤波器30包括壳体31、透明液体32和旋转滤光片33。
壳体31具有容纳腔，两端设置有用于让入射光通过的透明部分。壳体的两端可以全部为透明部分，也可以在与入射光的光路匹配的位置处设置为透明。
透明液体32填充在壳体内的容纳腔内，折射率大于1，用于调整对入射光的波长变化范围。不同液体可以调谐不同波长波段的入射光，通过更换液体可以调整入射光的波长变化范围。透明液体可以为水、硅油等，优选硅油。因为硅油的粘度随温度变化小，所以旋转滤波片的转动受到外界温度等的影响也小，能够适应更多的应用环境。
旋转滤光片33设置在容纳腔内，通过转轴固定在壳体上并由其带动旋转的，用于对分光后的入射光进行调谐得到调谐光。旋转滤光片的旋转角度范围为0～70°，波长调谐公式为
m是干涉维次，n是滤光片间隔层的折射率，d是滤光片间隔层的物理厚度，n0是透明液体折射率，θ0是在透明液体中的入射角。
窄带干涉滤光片的透射带中心波长λ0满足2ndcosθ＝mλ0，m＝1,2,···；nsinθ＝n0sinθ0，所以
m是干涉维次，n是滤光片间隔层的折射率，d是滤光片间隔层的物理厚度，n0是透明液体折射率，θ0是在透明液体中的入射角。根据
可知，随着θ0的增加，中心波长λ0减小，从而实现了中心波长的调节。θ0的变化范围是受限的，0≤θ0≤θ0m，θ0m＜π/2。对应的中心波长λ0的调节范围为
在θ0m确定的条件下，可以通过调节可调谐滤波器中的透明液体的折射率拓宽中心波长的范围。
汇聚镜头40对调谐光进行汇聚得到汇聚光。汇聚镜头40可以是凸透镜。
阵列探测器50对汇聚光生成光电响应，对光电响应进行数据处理，获得光的光谱信息。阵列探测器50包含采集汇聚光的像元以及处理单元等。
阵列探测器50可以在各个像元51上设置有涂层52，使得各个像元的光电响应满足一一对应的光谱响应关系；该传感器3也可以在光谱探测装置的窗口上设置涂层，从而使得与窗口下方的像元51连接的处理单元输出与一一对应的光谱响应对应的光谱信息。可以采用光学镀膜或光刻的方式在像元上生成膜层。
处理单元对光电响应进行数据处理，获得光的光谱信息。
在一个实施例中，可以在光谱探测装置的传感器入射光进入的窗口上采用光学镀膜的方式或其他方式涂覆上透射率响应连续变化的膜层，保证其后面的不同像元具有一一对应的光谱透射率。光谱透射率函数与像元本身的光谱响应函数的乘积决定了器件的光谱响应矩阵。
不同像元与不同波长的入射光具有一一对应的光谱透射率，且不同像元对于在所研究的光谱范围内的单色光具有不同的透射率曲线，因而不同像元对于在所研究的光谱范围内的单色光具有不同的光电响应曲线。
上述光谱探测装置中，可以拓展单一通道的工作波段范围，根据需要将可调谐滤波器的波长变化范围设置在合适的工作范围，从而使系统结构得到简化，性能得到提高，成本得到降低。
在另一个实施例中，转轴可以由电机带动连续旋转，或采用手动带动。
通过转轴带动滤光片旋转就可以改变滤光片和光束的夹角，从而改变透射光波长，结构简洁、稳定，且对结构强度要求低。
在另一个实施例中，阵列探测器包括：光谱调制板和阵列传感单元。
光谱调制板对光学系统传输后的光进行调制。光谱调制板透射率不恒为0。光谱调制板10的透射率(或反射率)随空间位置和光的波长按照规定的方式变化。光谱调制板调制的方式可以用镀膜的方式，但不局限于镀膜，还可以采用其他方式如采用离子注入、离子交换或者印刷等中的任意一种方式形成的。
当光谱调制板采用镀膜方式制备时，光谱调制板可以通过调整镀膜的厚度调制光谱调制板的透射率(或反射率)。
阵列传感单元对调制后的光进行响应，生成光电响应，对光电响应进行数据处理，获得光的光谱分布信息。阵列探测单元的不同的像元对于所研究的光谱范围内的光具有不同的光电响应曲线。阵列传感单元可以是常见的CMOS或CCD芯片。CMOS(或CCD)芯片设置有多个相互之间独立产生光电响应的像元。像元上也可设置有透射率响应连续变化的膜层，使得不同像元具有一一对应的光谱透射率。其中，光谱探测装置中上各个像元对接受到的光的光电响应输出为
N为像元数，I(λi)是待测光在波长λj处的强度分布。
光谱调制板和阵列传感器上的膜层均可以采用化学镀膜或物理镀膜等的方式的生成，阵列传感器中各个像元最终测得的光谱分布符合下述公式：
I(λj)＝[e(i,λj)]-1[e(i)]，
其中，e(i,λj)是第i个像元与入射波长为λj单位强度的单色光对应的光电响应，
[e(i,λj)]-1是[e(i,λj)]的逆矩阵，
e(i)是输出的光电响应。
上述光谱探测装置中，光谱分辨率仅与像元数有关，像元数越高，光谱分辨率也就越高。但是光谱分辨率与像元的体积、探测器的体积关系不大，因而，获取光谱的方式也不需要复杂的光学系统。本实施例的光谱探测装置结构简单，且光谱探测装置的体积可以根据需要设置，且没有任何运动部件，结构牢固紧凑，制作过程也很简单。而且，在工作时每个像元都可以接收所有波长的光，并生成光电响应，所以，在同一情况下，光谱探测装置可分析的光通量远高于现有设备可分析的光通量，利于对入射光中弱信号的检测分析。
本实施例还提供了一种光谱信息获取方法，包括以下步骤：
采用光学系统接收从待检测对象发出的入射光，并对入射光进行准直；
采用偏振分光系统对准直后的入射光进行偏振分光；
通过可调谐滤波器对分光后的入射光进行调谐，使得到的调谐光的波长变化范围在80nm～120nm内；
采用汇聚镜头对调谐光进行汇聚，并使其照射在阵列探测器上，并让阵列探测器对光生成光电响应；
对光电响应进行数据处理，获得光的光谱信息。
不同单色光经过调制板和传感器后，与光谱探测装置输出的响应的关系是一一对应的，以保证有唯一的解。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种可调谐滤波器，用于对分光后的入射光进行调谐，其特征在于，包括：
壳体，具有容纳腔，两端设置有用于让所述入射光通过的透明部分；
透明液体，填充在所述壳体内的容纳腔内，折射率大于1，用于调整对所述入射光的波长变化范围；以及
旋转滤光片，设置在所述容纳腔内，通过转轴固定在所述壳体上并由其带动旋转的，用于对分光后的入射光进行调谐得到调谐光，
其中，所述旋转滤光片为窄带干涉滤光片，所述旋转滤光片的旋转角度范围为0～70°，波长调谐公式为
m是干涉维次，n是滤光片间隔层的折射率，d是滤光片间隔层的物理厚度，n0是透明液体折射率，θ0m是在透明液体中的入射角的最大值。
2.根据权利要求1所述的可调谐滤波器，其特征在于，所述透明液体为水或硅油。
3.一种光谱探测装置，用于获取光谱信息，其特征在于，包括：
光学系统，接收从待检测对象发出的入射光，并对所述入射光进行准直；
偏振分光系统，对准直后的所述入射光进行偏振分光；
可调谐滤波器，对分光后的入射光进行调谐，得到调谐光；
汇聚镜头，对所述调谐光进行汇聚得到汇聚光；
阵列探测器，对所述汇聚光生成光电响应，对所述光电响应进行数据处理，获得所述光的光谱信息，
其中，所述可调谐滤波器为权利要求1～2中任意一项所述的可调谐滤波器。
4.根据权利要求3所述的光谱探测装置，其特征在于，所述阵列探测器上设置有像元，
所述阵列探测器上设置有膜层，使得所述阵列探测器的不同的像元具有一一对应的光谱透射率，让所述阵列探测器对于所研究的光谱范围内的光具有不同的光电响应曲线。
5.根据权利要求3所述的光谱探测装置，其特征在于，所述阵列探测器包括：
光谱调制板，对光学系统传输后的光进行调制；
阵列传感单元，对调制后的所述光进行响应，生成光电响应，对所述光电响应进行数据处理，获得所述光的光谱分布信息，
其中，所述阵列传感单元的不同的像元对于所研究的光谱范围内的光具有不同的光电响应曲线。
6.根据权利要求5所述的光谱探测装置，其特征在于，所述像元上设置有透射率响应连续变化的膜层，使得不同像元具有一一对应的光谱透射率。
7.根据权利要求6所述的光谱探测装置，其特征在于，所述膜层采用镀膜的方式形成。
8.根据权利要求5所述的光谱探测装置，其特征在于，所述光谱调制板是采用离子注入、离子交换或者印刷中的任意一种方式形成的。
9.一种光谱信息获取方法，其特征在于，包括：
采用光学系统接收从待检测对象发出的入射光，并对所述入射光进行准直；
采用偏振分光系统对准直后的所述入射光进行偏振分光；
通过可调谐滤波器对分光后的入射光进行调谐，使得到的调谐光的波长变化范围在80nm～120nm内，所述可调谐滤波器为权利要求1或2所述的可调谐滤波器；
采用汇聚镜头对调谐光进行汇聚，并使其照射在阵列探测器上，并让所述阵列探测器对所述光生成光电响应；
对所述光电响应进行数据处理，获得所述光的光谱信息，
其中，所述可调谐滤波器对分光后的入射光进行调谐的波长调谐公式为
m是干涉维次，n是滤光片间隔层的折射率，d是滤光片间隔层的物理厚度，n0是透明液体折射率，θ0m是在透明液体中的入射角的最大值。
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