CN209148150U - 一种带通可调的滤光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带通可调的滤光器，所述的滤光器包括计算机控制与分析系统和沿光路依序设置的宽带光源、光准直系统、起偏器、声光滤光系统及光谱检测系统，所述的计算机控制与分析系统分别与声光滤光系统和光谱检测系统连接，结合对应的方法，本实用新型方案解决了利用传统声光滤光器进行滤光过程中无法连续调节滤光带通的不足，通过控制射频源输出的射频信号频率值以及声光滤光器的入射光极角，可以实现滤光带通的连续调节，该带通可调滤光器稳定性好，操控简单，适合多种应用场合。

Description

一种带通可调的滤光器

技术领域

本实用新型属于光学滤光领域，具体涉及一种带通可调的滤光器。

背景技术

光学滤光器在光谱分析以及光学成像等领域都有着广泛的应用。光学滤光器因其原理不同包括色散型、吸收型等不同种类。其中，色散型滤光器包括光学三棱镜以及光栅等；吸收型滤光器有光学带通滤光片等。其中，利用三棱镜进行滤光时，宽带光经过三棱镜后，滤光信号光谱在空间连续分布，不易提取特定波长以及带宽的光谱成分；利用光栅进行滤光时，滤光装置相对复杂，光栅造价高，对工作环境要求较高，滤光过程耗时长，不方便维护，应用成本高；利用带通滤光片进行滤光时，滤光信号的带宽以及中心波长等参数固定，无法调节，灵活性差。另外，液晶可调滤光器作为一种新型可调滤光器，通过电信号控制，可以实现滤光信号中心波长的连续调谐，操作灵活，但是，其滤光信号带宽较宽，往往在10nm以上，光谱分辨率差，在光谱分析以及光谱成像等领域的应用受到限制。目前，利用声光滤光器的滤光技术可以实现nm量级的光谱分辨率，通过控制加载在声光滤光器上射频信号的频率可以实现滤光信号光中心波长的大范围快速调谐，操作方便灵活，在光谱分析、超光谱成像等领域得到了广泛的应用。相关领域，论文《一般相位匹配条件下声光可调谐滤波器系统的理论分析》和实用新型专利(一种与入射光的偏振态无关的可调谐光滤波器)提出了基于二氧化碲晶体的可调滤光装置及技术。基于声光技术的滤光装置为全电控制，通过改变加载到声光滤光器上射频信号的频率来控制滤光信号的中心波长，操作简单。但是目前声光滤光器在确定的滤光信号光中心波长处，其带通无法调节，使其应用灵活性受到限制。如果开发出一种在任意中心波长下，带通可调的滤光装置，将会推动声光滤光技术相关领域的更广泛应用。

发明内容

基于现有技术的情况，本实用新型的目的是克服上述不足，利用声光作用的角度敏感性，在声光滤光过程中，通过同时调节加载到声光滤光器上的射频信号频率以及声光滤光器的入射光极角，在保证声光滤光信号光中心波长不变的情况下，对其带通进行连续调节。

为了实现上述的技术目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种带通可调的滤光器，其包括计算机控制与分析系统和沿光路依序设置的宽带光源、光准直系统、起偏器、声光滤光系统及光谱检测系统，所述的计算机控制与分析系统分别与声光滤光系统和光谱检测系统连接；其中，宽带光源提供声光滤光过程所需宽带光，光准直系统接收来自宽带光源的宽带光后，经缩束及准直后形成平行光束，平行光束经起偏器后进入声光滤光系统进行声光滤光，经声光滤光系统出射的正一级衍射光束，即滤光光束，由光谱检测系统接收，光谱检测系统在计算机控制与分析系统的控制下对正一级衍射光束的光谱进行探测、分析和存储，声光滤光系统在计算机控制与分析系统的控制下实现滤光信号带通的连续调节，形成完整的光路-光信号连接。

进一步，所述的宽带光源为卤素灯。

进一步，所述的光准直系统由消色散的双胶合凸透镜和消色散的双胶合凹透镜组成。来自宽带光源的光束经光准直系统汇聚并准直后形成平行光束，平行光束进入起偏器进行偏振控制。

进一步，所述的起偏器为光学偏振片，来自光准直系统的平行光束经起偏器后变为线偏振光束。

进一步，所述的声光滤光系统位于起偏器的后方，由声光滤光器、射频源、角度精密控制转台以及挡光板组成。声光滤光器接收起偏器输出的线偏振光束并对其进行声光滤光，射频源与声光滤光器之间通过射频线连接；角度精密控制转台为铝合金材料加工，采用电控马达驱动，可实现的最小分辨率为5分，上下表面均有螺旋，上表面固定声光滤光器，下表面连接支架，将角度精密控制转台固定。角度精密控制转台通过USB连接线与计算机控制与分析系统连接。通过计算机控制与分析系统可以调节角度精密控制转台的旋转角度，精确控制声光滤光器相对来自起偏器线偏振光束的角度，调整声光作用过程的入射光极角。挡光板位于声光滤光器的后端，为表面经黑色阳极氧化处理的铝合金圆盘，接收经声光滤光器输出的零级非衍射光束，防止其影响对正一级衍射光束的接收。

进一步，所述的光谱检测系统为光纤光栅光谱仪，包含光纤探头、分光光栅以及高灵敏度光电二极管阵列，在可见光范围内的光谱分辨率为0.2nm，光纤探头接收来自声光滤光系统的正一级衍射光束并送入分光光栅进行分光，正一级衍射光束经分光后到达光电二极管阵列，光电二极管阵列将测量正一级衍射光束中不同波长信号光的强度，并将数据送入计算机控制与分析系统。

进一步，所述的计算机控制与分析系统由PC机构成，并通过USB连接线分别与射频源、角度精密控制转台以及光谱检测系统连接。PC机内置射频源控制用软件、角度精密控制转台控制用软件、光谱检测系统控制用软件以及数据计算及分析软件。PC机利用射频源控制用软件、角度精密控制转台控制用软件以及光谱检测系统控制用软件，分别对射频源、角度精密控制转台以及光谱检测系统进行参数调整与控制；PC机接收来自光谱检测系统的光谱数据，并通过数据计算与分析软件完成光谱数据的分析以及存储，完成带通可调的滤光过程。

具体的带通可调滤光方法上，基于上述的硬件设备以及控制软件，通过以下方式实现：由光准直系统接收来自宽带光源的光束，并对其进行缩束和准直；来自光准直系统的出射光束经起偏器后变为线偏振光；线偏振光进入声光滤光系统，声光滤光器对其进行声光滤光；调整起偏器的偏振方向，使经声光滤光器输出的负一级衍射光消光，只保留正一级衍射光束及零级非衍射光束；正一级衍射光束由光谱检测系统接收并测量其光谱信息；当声光滤光器的超声极角为θ_a，入射光极角为最佳入射光极角θ_opt，射频源输出射频信号的频率为F₀时，利用声光作用关系，计算经声光滤光器输出的正一级衍射光束的中心波长λ₀及其带通B₀；计算机控制与分析系统接收来自光谱检测系统的光谱信息对其进行分析和存储；计算机控制与分析系统利用射频源控制用软件以及角度精密控制转台控制用软件，同时控制射频源输出射频信号的频率F以及声光滤光器的入射光极角θ_i，以0.01MHz为步长增加F，F每增加0.01MHz，转动一次角度精密控制转台的角度，调整声光滤光器的入射光极角θ_i以保证正一级衍射光束的中心波长λ₀不变，当入射光极角θ_i随F变大而逐渐变大时，中心波长为λ₀的正一级衍射光的带通不断减小；当入射光极角θ_i随F变大而逐渐减小时，中心波长为λ₀的正一级衍射光的带通不断变大；因此，通过对射频信号的频率F以及入射光极角θ_i的调整和组合，可以保证在正一级衍射光束的中心波长λ₀不变的情况下，连续调节声光滤光器的带通。在其它任意中心波长λ处，利用上述方法，调整射频信号的频率F以及入射光极角θ_i的值和组合方式，均可实现声光滤光器带通的连续调节，并保证中心波长λ不变。

本方案基于其结构提出了一种带通可调的滤光器及滤光方法，该方法解决了利用传统声光滤光器进行滤光过程中无法连续调节滤光带通的不足，通过控制射频源输出的射频信号频率值以及声光滤光器的入射光极角，可以实现滤光带通的连续调节，该带通可调滤光器稳定性好，操控简单，适合多种应用场合。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型方案做进一步的阐述：

图1是本实用新型带通可调的滤光器的简要装置图；

图2是本实用新型带通可调的滤光器的带通调节流程图；

图1中的标号表示为：101、宽带光源；102、光准直系统；103、起偏器；104、声光滤光系统；105、光谱检测系统；106、计算机控制与分析系统。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型带通可调的滤光器，包括计算机控制与分析系统106和沿光路依序设置的宽带光源101、光准直系统102、起偏器103、声光滤光系统104及光谱检测系统105，所述的计算机控制与分析系统106分别与声光滤光系统104和光谱检测系统105连接；其中，宽带光源101提供声光滤光过程所需宽带光，光准直系统102接收来自宽带光源101的宽带光后，经缩束及准直后形成平行光束，平行光束经起偏器103后进入声光滤光系统104进行声光滤光，经声光滤光系统104出射的正一级衍射光束，即滤光光束，由光谱检测系统105接收，光谱检测系统105在计算机控制与分析系统106的控制下对正一级衍射光束的光谱进行探测、分析和存储，声光滤光系统104在计算机控制与分析系统106的控制下实现滤光信号带通的连续调节，形成完整的光路-光信号连接。

其中，所述的宽带光源101为卤素灯。

进一步，所述的光准直系统102由消色散的双胶合凸透镜和消色散的双胶合凹透镜组成；来自宽带光源的光束经光准直系统102汇聚并准直后形成平行光束，平行光束进入起偏器103进行偏振控制。

进一步，所述的起偏器103为光学偏振片，来自光准直系统102的平行光束经起偏器103后变为线偏振光束。

进一步，所述的声光滤光系统104位于起偏器103的后方，由声光滤光器、射频源、角度精密控制转台以及挡光板组成。声光滤光器接收起偏器输出的线偏振光束并对其进行声光滤光，射频源与声光滤光器之间通过射频线连接；角度精密控制转台为铝合金材料加工，采用电控马达驱动，可实现的最小分辨率为5分，上下表面均有螺旋，上表面固定声光滤光器，下表面连接支架，将角度精密控制转台固定。角度精密控制转台通过USB连接线与计算机控制与分析系统连接。通过计算机控制与分析系统可以调节角度精密控制转台的旋转角度，精确控制声光滤光器相对来自起偏器线偏振光束的角度，调整声光作用过程的入射光极角。挡光板位于声光滤光器的后端，为表面经黑色阳极氧化处理的铝合金圆盘，接收经声光滤光器输出的零级非衍射光束，防止其影响对正一级衍射光束的接收。

进一步，所述的光谱检测系统105为光纤光栅光谱仪，包含光纤探头、分光光栅以及高灵敏度光电二极管阵列，在可见光范围内的光谱分辨率为0.2nm，光纤探头接收来自声光滤光系统的正一级衍射光束并送入分光光栅进行分光，正一级衍射光束经分光后到达光电二极管阵列，光电二极管阵列将测量正一级衍射光束中不同波长信号光的强度，并将数据送入计算机控制与分析系统106。

进一步，所述的计算机控制与分析系统106由PC机构成，并通过USB连接线分别与射频源、角度精密控制转台以及光谱检测系统105连接。PC机内置射频源控制用软件、角度精密控制转台控制用软件、光谱检测系统105控制用软件以及数据计算及分析软件。PC机利用射频源控制用软件、角度精密控制转台控制用软件以及光谱检测系统控制用软件，分别对射频源、角度精密控制转台以及光谱检测系统进行参数调整与控制；PC机接收来自光谱检测系统的光谱数据，并通过数据计算与分析软件完成光谱数据的分析以及存储，完成带通可调的滤光过程。

为了更详细的描述本系统，结合图2对具体的带通可调滤光过程作如下说明：

步骤201：系统开，即整个带通可调的滤光器系统初始化，主要包括光谱检测系统105、声光滤光系统104以及计算机分析与控制系统106等。

步骤202：根据宽带光源101的位置以及发光情况，对光准直系统102进行参数设置和调节，对来自宽带光源101的光束进行准直；经光准直系统102准直的光束经起偏器103后进入声光滤光系统104，设置角度精密控制转台的角度和射频源输出的射频信号频率，对来自起偏器103的光束进行声光滤光。

步骤203：调整起偏器103的偏振方向，使经声光滤光器输出的负一级衍射光束消光，保证经声光滤光器后只有零级非衍射光束以及正一级衍射光束，利用挡光板接收零级非衍射光束。

步骤204：调节光谱检测系统中光纤探头的位置，对正一级衍射光束进行准确接收，调整光谱检测系统中光电二极管的增益，完成正一级衍射光束光谱的最佳测量，将测量的光谱数据通过USB连接线送至计算机控制与分析系统106。

步骤205：利用声光作用关系，计算当声光滤光器的超声极角为θ_a，入射光极角为最佳入射光极角θ_opt，射频源输出射频信号的频率为F₀时，经声光滤光器输出的正一级衍射光束的中心波长λ₀及其带通B₀；计算机控制与分析系统106利用射频源控制用软件以及角度精密控制转台控制用软件，同时控制射频源输出射频信号的频率F以及声光滤光器的入射光极角θ_i，以0.01MHz为步长增加F，F每增加0.01MHz，转动一次角度精密控制转台的角度，调整声光滤光器的入射光极角θ_i以保证声光滤光器正一级衍射光束的中心波长λ₀不变，当入射光极角θ_i随着F的增加逐渐变大时，中心波长为λ₀的正一级衍射光的带通B不断减小；当入射光极角θ_i随着F的增加逐渐减小时，中心波长为λ₀的正一级衍射光的带通B不断变大；通过对射频源输出的射频信号频率F以及入射光极角θ_i的调整和组合，在保证声光滤光器正一级衍射光束的中心波长λ₀不变的情况下，连续调节声光滤光器的带通B。同理，在任意中心波长λ处，可以通过对射频信号的频率F以及入射光极角θ_i的调整和组合，连续调节声光滤光器的带通B。

步骤206：对获得的带通可调滤光光谱进行存储，带通可调滤光过程结束，系统关闭。

该方法解决了利用传统声光滤光器进行滤光过程中无法连续调节滤光带通的不足，通过控制射频源输出的射频信号频率值以及声光滤光器的入射光极角，可以实现滤光带通的连续调节，该带通可调滤光器稳定性好，操控简单，适合多种应用场合。

以上所述为本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本实用新型的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种带通可调的滤光器，其特征在于：其包括计算机控制与分析系统和沿光路依序设置的宽带光源、光准直系统、起偏器、声光滤光系统及光谱检测系统，所述的计算机控制与分析系统分别与声光滤光系统和光谱检测系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种带通可调的滤光器，其特征在于：所述的宽带光源为卤素灯。

3.根据权利要求1所述的一种带通可调的滤光器，其特征在于：所述的光准直系统由消色散的双胶合凸透镜和消色散的双胶合凹透镜组成，其中，来自宽带光源的光束经光准直系统汇聚并准直后形成平行光束，平行光束进入起偏器进行偏振控制。

4.根据权利要求1所述的一种带通可调的滤光器，其特征在于：所述的起偏器为光学偏振片，来自光准直系统的平行光束经起偏器后变为线偏振光束。

5.根据权利要求1所述的一种带通可调的滤光器，其特征在于：所述的声光滤光系统位于起偏器的后方，由声光滤光器、射频源、角度精密控制转台以及挡光板组成，其中，声光滤光器接收起偏器输出的线偏振光束并对其进行声光滤光，射频源与声光滤光器之间通过射频线连接；角度精密控制转台为电控马达驱动，角度精密控制转台的上表面固定声光滤光器，下表面连接支架，将角度精密控制转台固定；角度精密控制转台通过USB连接线与计算机控制与分析系统连接，通过计算机控制与分析系统可以调节角度精密控制转台的旋转角度，精确控制声光滤光器相对来自起偏器线偏振光束的角度，调整声光作用过程的入射光极角；挡光板位于声光滤光器的后端，接收经声光滤光器输出的零级非衍射光束，防止其影响对正一级衍射光束的接收。

6.根据权利要求5所述的一种带通可调的滤光器，其特征在于：所述的角度精密控制转台为铝合金材料加工，角度精密控制转台可实现的最小分辨率为5分，其上下表面均有螺旋。

7.根据权利要求5所述的一种带通可调的滤光器，其特征在于：所述的挡光板为表面经黑色阳极氧化处理的铝合金圆盘。

8.根据权利要求1所述的一种带通可调的滤光器，其特征在于：所述的光谱检测系统为光纤光栅光谱仪，包含光纤探头、分光光栅以及高灵敏度光电二极管阵列，光纤探头接收来自声光滤光系统的正一级衍射光束并送入分光光栅进行分光，正一级衍射光束经分光后到达光电二极管阵列，光电二极管阵列将测量正一级衍射光束中不同波长信号光的强度，并将数据送入计算机控制与分析系统。

9.根据权利要求8所述的一种带通可调的滤光器，其特征在于：所述光纤光栅光谱仪在可见光范围内的光谱分辨率为0.2nm。

10.根据权利要求5所述的一种带通可调的滤光器，其特征在于：所述的计算机控制与分析系统由PC机构成，并通过USB连接线分别与射频源、角度精密控制转台以及光谱检测系统连接；PC机内置射频源控制用软件、角度精密控制转台控制用软件、光谱检测系统控制用软件以及数据计算及分析软件；PC机利用射频源控制用软件、角度精密控制转台控制用软件以及光谱检测系统控制用软件，分别对射频源、角度精密控制转台以及光谱检测系统进行参数调整与控制；PC机接收来自光谱检测系统的光谱数据，并通过数据计算与分析软件完成光谱数据的分析以及存储，完成带通可调的滤光过程。