CN113272636A - 一种用于测试可调滤光片的光谱响应速度的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于测试可调滤光片的光谱响应速度的系统，包括依次设置的准直光源、分光元件、聚焦透镜和光斑位置成像记录装置，可调滤光片被设置在所述准直光源和分光元件之间并且被配置为在测试中在一定波长范围内连续调谐，分光元件将经过可调滤光片的不同波长段的光束形成对应不同波长段的衍射光束或折射光束，聚焦透镜将进行聚焦，光斑位置成像记录装置记录对应不同波长段的所述衍射光束或折射光束所成像的位置变化信息。还公开一种测试方法，通过分光元件产生不同衍射角或折射角，从而在空间接收端具有相应波长的光斑位置分布，将光谱维度的变化信息转换到空间维度从而获得可调滤光片波长响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及光谱测试技术领域，并且特别涉及一种用于测试可调滤光片的光谱响应速度的系统及方法。
背景技术
可调滤光片的输出波长的变化速度达微秒级别，可见光至红外光波段可根据需要任意选择想要输出的波长，且输出波长的单色性较好，半波宽小于10nm。由于其不同波长输出存在时间差，要确定一定波长范围的总响应时间需要经过特殊的测试。目前对于波长的快速改变部分的测试常采用的是光谱仪，时间精度只能达到豪秒级别，所以对于更高速波长输出变化的滤光元件，需要更高时间精度的测试方法。
发明内容
为了解决现有技术中的高速波长输出变化滤光元件需要对波长输出变化的高精度时间测试的技术问题，本发明提出了一种用于测试可调滤光片的光谱响应速度的系统及方法，解决了现有技术中的高速波长输出变化滤光元件需要对波长输出变化的高精度时间测试的技术问题。
根据本发明的一方面，提出了一种用于测试可调滤光片的光谱响应速度的系统，包括依次设置的准直光源、分光元件、聚焦透镜和光斑位置成像记录装置，所述可调滤光片被设置在所述准直光源和所述分光元件之间并且被配置为在测试中在一定波长范围内连续调谐，所述分光元件用于将连续调谐过程中经过可调滤光片的不同波长段的光束形成对应不同波长段的衍射光束或折射光束，所述聚焦透镜用于对将要入射到光斑位置成像记录装置的所述衍射光束或折射光束进行聚焦，所述光斑位置成像记录装置用于记录对应不同波长段的所述衍射光束或折射光束所成像的位置变化信息。
进一步的，所述准直光源包括依次设置的发光源、狭缝和准直透镜。
进一步的，所述分光元件采用衍射型光栅、或者折射型三棱镜。
进一步的，所述光斑成像记录装置采用高速相机或者卷帘快门相机。
一种用于测试可调滤光片的光谱响应速度的方法，采用上述系统，包括以下步骤：
S1：使来自准直光源的光照射到可调滤光片上；
S2：在一定波长范围内连续调谐所述可调滤光片；
S3：记录在所述连续调谐过程中，所述成像记录装置中的光斑位置的移动距离；
以及
S4：基于所述位移距离所需时间从而获得所述可调滤光片的响应速度。
进一步的，在所述光斑成像记录装置包括高速相机的情况下，所述步骤S4具体包括：记录对应光斑位置P1的光斑位置图像为第F1帧，对应光斑位置P2的光斑位置图像为第F2帧，波长λ1到波长λ2的响应时间则为Δt＝(F2-F1)/M，其中M为光斑位置成像记录装置的帧率。
进一步的，在所述光斑成像记录装置包括卷帘快门相机的情况下，所述步骤S4具体包括：先建立一坐标系，横坐标表示波长，纵坐标表示时间，根据图像算法将光斑位置P1和P2的信息定位在坐标系内，再换算出波长λ1到波长λ2的响应时间Δt。
本发明主要通过分光元件，其不同光谱经过此类元件拥有不同衍射角或折射角，从而在空间接收端具有相应波长的光斑位置分布，将光谱维度的变化信息转换到空间维度；光谱维度到空间维度的转换，可调滤光片的高速光谱输出将使光斑高速移动，相机端记录光斑初始和结束时位置所需时间，从而获得可调滤光片波长响应速度。
附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
图1是根据本发明的一个实施例的光路示意图；
图2是根据本发明的一个具体实施例的光栅结构示意图；
图3是根据本发明的一个具体实施例的光栅衍射的仿真结构示意图；
图4是根据本发明的一个具体实施例的高速相机成像示意图；
图5是根据本发明的一个具体实施例的卷帘快门相机成像原理示意图；
图6是根据本发明的一个具体实施例的卷帘快门相机成像示意图。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考附图，该附图形成详细描述的一部分，并且通过其中可实践本发明的说明性具体实施例来示出。对此，参考描述的图的取向来使用方向术语，例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”等。因为实施例的部件可被定位于若干不同取向中，为了图示的目的使用方向术语并且方向术语绝非限制。应当理解的是，可以利用其他实施例或可以做出逻辑改变，而不背离本发明的范围。因此以下详细描述不应当在限制的意义上被采用，并且本发明的范围由所附权利要求来限定。
图1是根据本发明的一个实施例的光路示意图。
如图1所示，一种用于测试可调滤光片的光谱响应速度的系统，包括准直光源、分光元件5、聚焦透镜6和光斑位置成像记录装置7，待测试的可调滤光片4放置准直光源和分光元件5之间，准直光源照射可调滤光片4，可调滤光片4在一定波长范围连续调谐，经过可调滤光片4出射的光束入射到分光元件5上，产生对应波长段的衍射光束或者折射光束；之后再通过聚焦透镜6以光斑形态成像在光斑位置成像记录装置7。
在具体实施例中，根据光斑位置成像记录装置7记录的一定波长变化范围内的时间信息和光斑位置移动信息，基于此时间信息和光斑移动位置信息获得所述可调滤光片的响应速度。
利用分光元件5的不同波光的光经过分光元件拥有不同衍射或折射角的原理，可调滤光片4调谐出不同波长的光形成不同的光斑位置分布，可调滤光片的高速光谱输出也将使光斑高速移动，光斑位置成像记录装置7记录光斑初始和结束时位置所需时间，从而获得可调滤光片光谱响应速度。
在具体实施例中，所述光斑成像记录装置采用高速相机或者卷帘快门相机，高速相机的帧率可以达到每秒几千帧几万帧甚至几十万帧，可大大提高时间精度；1080P 30帧卷帘快门相机，逐行的曝光时间差为30us，也可大大提高时间精度。
在具体实施例中，准直光源包括光源1、狭缝2和准直透镜3，在光源1经过狭缝2和准直透镜3后形成平行光束照射可调滤光片4，确保入射到可调滤光片的光源的强度和光源的稳定。
在具体实施例中，分光元件5采用衍射型光栅，经过可调滤光片4的不同波长段的光束通过衍射型光栅产生对应波长段的衍射光束，再通过聚焦透镜6进入光斑位置成像记录装置7，光斑位置成像记录装置7接收光束以光斑成像并记录可调滤光片4在不同波长段内光斑移动的位置图像信息。
分光元件5的选择不局限于此，分光元件5起到分光作用，可以为衍射型光学元件如光栅或者折射型几何光学元件如三棱镜，光栅也可以为反射式或者透射式，普通光栅或者闪耀光栅，可根据具体需求选择。
在具体实施例中，分光元件5采用反射型闪耀光栅，如图2所示。准直光源以闪耀角入射，在闪耀方向上聚焦透镜6将不同波段的衍射光线聚焦在光斑位置成像记录装置7上。该反射型闪耀光栅的闪耀角为θ，光栅常数d，n为光栅斜面法线方向，N为光栅面法线方向，
和
为相对于光栅面法线的入射角和反射角，i和i′是相对于光栅斜面法线的入射角和反射角，闪耀光栅衍射光缝分布强度I具体为：
其中
可以推出当光栅参数选择固定，波长λ不同，光栅衍射光缝分布强度I不同，也就会成像在不同的位置。
如图3所示，为一刻线数M＝600，闪耀角θ＝8.6°，光栅常数d＝10u的闪耀光栅的衍射仿真结果，可以看出，利用光栅的色散性质，不同波长λ1和λ2在图像探测器中不同的位置成像，波长λ1＝400nm和λ2＝900nm的衍射仿真结果，可以看出当光栅参数选择固定，波长λ不同，光栅衍射光缝分布强度I不同，也就会成像在不同的位置。因此，可调滤光片4调谐出不同波长的光形成不同的光斑位置分布，可调滤光片的高速光谱输出也将使光斑高速移动，光斑位置成像记录装置7记录光斑初始和结束时位置所需时间，从而获得可调滤光片光谱响应速度。
采用上述装置的一种用于测试可调滤光片的光谱响应速度的方法，包括以下步骤：
S1：使来自准直光源的光照射到可调滤光片上；
S2：在一定波长范围内连续调谐所述可调滤光片；
S3：记录在所述连续调谐过程中，所述成像记录装置中的光斑位置的移动距离；
以及
S4：基于所述位移距离所需时间从而获得所述可调滤光片的响应速度。
在具体实施例中，S4中当光路中光斑位置成像记录装置采用高速相机时，高速相机记录可调滤光片在一定波长范围内对应的光斑移动距离，根据移动距离对应的总时间，获得可调滤光片在对应光谱范围内的响应速度；移动距离对应的总时间可根据相机的sensor时间特性计算。
在具体实施例中，如图4所示，可调滤光片启动时间t1，高速相机开始记录波长λ1对应光斑位置P1,波长移动到λ2，对应的可调滤光片停止时间t2，高速相机记录波长λ2对应光斑位置P2,经过对高速相机的图像分析，找出对应光斑位置P1的第F1帧和对应光斑位置P2的第F2帧，高速相机的速度为M帧/秒,从可调滤光片启动到停止，一共拍摄到F2-F1帧，波长λ1到波长λ2的响应时间则为Δt＝(F2-F1)/M。高速相机的帧率可以达到每秒几千帧几万帧甚至几十万帧，可大大提高时间精度。
在具体实施例中，S4中当光路中光斑位置成像记录装置采用卷帘快门相机的CMOS传感器，每个单独的行能够在完成前一帧的读出后开始下一帧的曝光，故帧中的每一行将暴露相同的时间量，但在不同行在不同的时间点开始曝光，允许两帧的重叠曝光。如图5所示，帧M的第一行开始曝光时间和第二行的开始曝光时间不一样，这样的情况造成不同行有不同的曝光采样时间点，光斑移动中的影响会产生畸变，根据这种畸变可以把可调滤光片的响应时间转换成空间记录下来。
在具体实施例中，可调滤光片启动时间t1，卷帘快门式CMOS传感器开始记录波长λ1对应光斑位置P1，波长移动到λ2，对应的可调滤光片停止时间t2，卷帘快门式CMOS传感器记录波长λ2对应光斑位置P2，如图6所示，波长空间以图6中的横坐标表示，采样时间以图6中的纵坐标表示，根据数据在坐标系中定位光斑位置P1和P2，即可换算出波长λ1到波长λ2的响应时间则为Δt。
在具体实施例中，改变卷帘快门式CMOS传感器的不同驱动参数，可以调整测量时间量程。假设卷帘快门式CMOS传感器的像素为W*H，帧率为M,单帧所用时间1/M，逐行曝光时间差则为1/(M*H)，如1080P 30帧卷帘快门式CMOS传感器，逐行的曝光时间差为1/30*1080＝30us，即可大大提高时间精度。
通过本发明的系统和方法，利用衍射或折射光学元件将可调滤光片时间维度的滤光效果呈现在空间维度上，利用成像芯片或传感器将不同波段空间位置记录下来，通过空间位置差对应的时间差，从而获得可调滤光片一段波长范围的响应速度，并且利用高速相机或者卷帘式快门相机，也可以大大提高时间精度。
显然，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出对本发明的实施例的各种修改和改变。以该方式，如果这些修改和改变处于本发明的权利要求及其等同形式的范围内，则本发明还旨在涵盖这些修改和改变。词语“包括”不排除未在权利要求中列出的其它元件或步骤的存在。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于获利。权利要求中的任何附图标记不应当被认为限制范围。
Claims (7)
1.一种用于测试可调滤光片的光谱响应速度的系统，其特征在于，包括依次设置的准直光源、分光元件、聚焦透镜和光斑位置成像记录装置，所述可调滤光片被设置在所述准直光源和所述分光元件之间并且被配置为在测试中在一定波长范围内连续调谐，所述分光元件用于将连续调谐过程中经过可调滤光片的不同波长段的光束形成对应不同波长段的衍射光束或折射光束，所述聚焦透镜用于对将要入射到光斑位置成像记录装置的所述衍射光束或折射光束进行聚焦，所述光斑位置成像记录装置用于记录对应不同波长段的所述衍射光束或折射光束所成像的位置变化信息。
2.根据权利要求1所述的一种用于测试可调滤光片的光谱响应速度的系统，其特征在于，所述准直光源包括依次设置的发光源、狭缝和准直透镜。
3.根据权利要求1所述的一种用于测试可调滤光片的光谱响应速度的系统，其特征在于，所述分光元件采用衍射型光栅、或者折射型三棱镜。
4.根据权利要求1所述的一种用于测试可调滤光片的光谱响应速度的系统，其特征在于，所述光斑成像记录装置采用高速相机或者卷帘快门相机。
5.一种用于测试可调滤光片的光谱响应速度的方法，其特征在于，采用权利要求1-4中任一项所述的系统，包括以下步骤：
S1：使来自准直光源的光照射到可调滤光片上；
S2：在一定波长范围内连续调谐所述可调滤光片；
S3：记录在所述连续调谐过程中，所述成像记录装置中的光斑位置的移动距离；以及
S4：基于所述位移距离所需时间从而获得所述可调滤光片的响应速度。
6.根据权利要求5所述的一种测试可调滤光片光谱响应速度的方法，其特征在于，在所述光斑成像记录装置包括高速相机的情况下，所述步骤S4具体包括：记录对应光斑位置P1的光斑位置图像为第F1帧，对应光斑位置P2的光斑位置图像为第F2帧，波长λ1到波长λ2的响应时间则为Δt＝(F2-F1)/M，其中M为光斑位置成像记录装置的帧率。
7.根据权利要求5所述的一种测试可调滤光片光谱响应速度的方法，其特征在于，在所述光斑成像记录装置包括卷帘快门相机的情况下，所述步骤S4具体包括：先建立一坐标系，横坐标表示波长，纵坐标表示时间，根据图像算法将光斑位置P1和P2的信息定位在坐标系内，再换算出波长λ1到波长λ2的响应时间Δt。
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