CN220473796U - 一种宽带光源光谱调谐的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种宽带光源光谱调谐的系统。涉及宽带光源光谱改进领域，所述系统包括：宽带光源、聚焦准直器件组、反射式衍射光栅、空间光调制器和光谱仪；所述宽带光源发出的光束经过所述聚焦准直器件组变成平行光束之后，以预设的入射角入射至所述反射式衍射光栅，经过所述反射式衍射光栅出射的色散光汇聚到所述空间光调制器；采用正方向的调制光对所述空间光调制器的出射光进行调制并输入至所述光谱仪。本实用新型可以将光谱范围在强度一定的可见光光源进行调制。

Description

一种宽带光源光谱调谐的系统

技术领域

本实用新型涉及宽带光源光谱改进领域，尤其涉及一种宽带光源光谱调谐的系统。

背景技术

在工业、农业和科学研究中，人工光源有着重要应用。一般情况下，这些光源有各自的特征光谱，其光谱分布是不变的。但在一些应用中，往往需要改变光源对应的光谱，例如在环境科学及遥感应用中，需改变光源光谱分布，以模拟太阳、大气、夜晚星空等自然光源的光谱。改变光源光谱分布的传统方法是采用多种光源和滤光片组合，如用于卫星环境模拟实验的太阳模拟器，以氙灯与滤光片组合，在紫外、可见、近红外波段模拟太阳。

近年来，可编程光源光谱调谐技术替代了传统的利用光源与滤光片组合改变光源光谱分布方法。光谱调谐技术的基本原理是将光源通过平场单色仪分光，利用空间光调制器编程改变各单色光强度后，组合重构，输出满足不同应用目标的特定光谱。光谱可调谐光源可以模拟各类自然光源的光谱，用于环境科学及遥感科学研究；可以提供特定光谱，满足医学、生物学、细胞学等方面的需要；可以在某一波长以上或以下产生截止光谱，用于光谱学方面的研究。此外，在光度学、色度学和辐射度学研究领域，基于标准探测器的光谱可编程光源可构成新型自校准标准光源，对提高地基、空基、天基太阳、大气定量光谱遥感仪器定标精度有重要意义。

光源的光谱调谐装置主要采用基于声光可调谐滤波器，光纤布拉格光栅或长周期光纤光栅。声光可调谐滤波器(AOTF，Acousto-OpticTunableFilter)对于所有入射波长都是同一个入射角度，所以白光光源入射角度调好一次固定，就可以通过控制驱动器所加的超声波频率滤出所使用的波长，也可以通过控制多个通道，实现多通道波长输出，由于是基于声光原理，可以通过外加调制信号对所有通道的光进行开关调制和强度调制。声光可调谐滤波器(AOTF)的波长带宽分辨率一般不会特别高，一般情况下是一个纳米到几个纳米的波长带宽，会根据器件以及使用波长的不同而不同。这些技术主要用于光放大器或ASE光源的增益均衡，而不能直接用于宽带氙灯的光谱调制技术中。针对氙灯光源，传统方法采用Mach-Zehnder干涉仪或光学晶格适配器进行光谱调谐处理，但存在结构复杂，光谱范围窄，易受外部干扰影响，成本高的问题。

实用新型内容

在下文中给出了关于本实用新型的简要概述，以便提供关于本实用新型的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本实用新型的穷举性概述。它并不是意图确定本实用新型的关键或重要部分，也不是意图限定本实用新型的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本实用新型为了解决上述问题，提出了一种宽带光源光谱调谐的系统，实现宽带氙灯以及普通光源的光谱调谐。

本实用新型提供一种宽带光源光谱调谐的系统，包括：

宽带光源、聚焦准直器件组、反射式衍射光栅、空间光调制器和光谱仪；

所述宽带光源发出的光束经过所述聚焦准直器件组变成平行光束之后，以预设的入射角入射至所述反射式衍射光栅，经过所述反射式衍射光栅出射的色散光汇聚到所述空间光调制器；

采用正方向的调制光对所述空间光调制器的出射光进行调制并输入至所述光谱仪。

优选地，所述聚焦准直器件组包括沿光束传播方向依次设置的双胶合透镜、第一离轴抛物面镜和光学狭缝，所述宽带光源设置在所述双胶合透镜的焦点处，所述宽带光源发出的光束经过所述双胶合透镜聚焦成为平行光，再经过所述第一离轴抛物面镜的反射改变传播方向，经过所述光学狭缝出射。

优选地，所述的系统，还包括：第二离轴抛物面镜，所述第二离轴抛物面镜设置在所述空间光调制器与所述光谱仪之间的光路上，经过所述空间光调制器出射的光束入射至所述第二离轴抛物面镜，经过所述第二离轴抛物面镜汇聚至所述光谱仪。

优选地，所述的系统，还包括：凸透镜，所述凸透镜设置在所述第二离轴抛物面镜的焦点前预设距离，经过所述第二离轴抛物面镜出射的光束经过所述凸透镜聚焦后输入到所述光谱仪中。

优选地，所述反射式衍射光栅的光栅密度为300道/mm。

优选地，所述双胶合透镜的焦距为30mm，镜面大小为1英寸。

优选地，所述第一离轴抛物面镜的焦距为30mm，镜面大小为1英寸。

优选地，所述第二离轴抛物面镜的焦距为30mm，镜面大小为1英寸。

优选地，所述凸透镜焦距为30mm，镜面大小为1英寸。

优选地，所述预设距离为15mm。

本实用新型的宽带光源光谱调谐系统，光路可折叠，封装性强，能够剔除杂散环境光的影响，保证了光谱调谐过程中光谱响应的准确性。本实用新型可以将光谱范围在可见光的光源进行强度调制，可以模拟出任意光源的光谱，调制光源的差异在10²量级，本实用新型的宽带光源光谱调谐系统更容易耦合其他设备。

通过以下结合附图对本实用新型的最佳实施例的详细说明，本实用新型的这些以及其他优点将更加明显。

附图说明

本实用新型可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本实用新型的优选实施例和解释本实用新型的原理和优点。在附图中：

图1是示出本实用新型实施例的宽带光源光谱调谐系统的结构示意图；

图2是示出本实用新型实施例的宽带光源光谱调谐系统的光束传输的示意图。

附图中：EQ：宽带光源；L1：双胶合透镜；OAP1：第一离轴抛物面镜；SL：光学狭缝；G：反射式衍射光栅；DMD：空间光调制器；OAP2：第二离轴抛物面镜；L2：凸透镜；SP：光谱仪。

本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本实用新型实施例的理解。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本实用新型的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的装置结构，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

如图1所示，本实用新型的实施例提供了一种宽带光源光谱调谐的系统，包括：

宽带光源EQ、聚焦准直器件组、反射式衍射光栅G、空间光调制器DMD和光谱仪SP；

所述宽带光源EQ发出的光束经过所述聚焦准直器件组变成平行光束之后，以预设的入射角入射至所述反射式衍射光栅G，经过所述反射式衍射光栅G出射的色散光汇聚到所述空间光调制器DMD；

采用正方向的调制光对所述空间光调制器DMD的出射光进行调制并输入至所述光谱仪SP。

优选地，所述聚焦准直器件组包括沿光束传播方向依次设置的双胶合透镜L1、第一离轴抛物面镜OAP1和光学狭缝SL，所述宽带光源EQ设置在所述双胶合透镜L1的焦点处，所述宽带光源EQ发出的光束经过所述双胶合透镜L1聚焦成为平行光，再经过所述第一离轴抛物面镜OAP1的反射改变传播方向，经过所述光学狭缝SL出射。

优选地，所述的系统，还包括：第二离轴抛物面镜OAP2，所述第二离轴抛物面镜OAP2设置在所述空间光调制器DMD与所述光谱仪SP之间的光路上，经过所述空间光调制器DMD出射的光束入射至所述第二离轴抛物面镜OAP2，经过所述第二离轴抛物面镜OAP2汇聚至所述光谱仪SP。

如图2所示，本实用新型中，两个离轴抛物面镜起到的作用是聚焦和改变传播方向，可以使得带光源光谱调谐的系统的光路可折叠。

优选地，所述的系统，还包括：凸透镜L2，所述凸透镜L2设置在所述第二离轴抛物面镜OAP2的焦点前预设距离，经过所述第二离轴抛物面镜OAP2出射的光束经过所述凸透镜L2聚焦后输入到所述光谱仪中。

优选地，所述反射式衍射光栅G的光栅密度为300道/mm。

优选地，所述双胶合透镜L1的焦距为30mm，镜面大小为1英寸。

优选地，所述第一离轴抛物面镜OAP1的焦距为30mm，镜面大小为1英寸。

优选地，所述第二离轴抛物面镜OAP2的焦距为30mm，镜面大小为1英寸。

优选地，所述凸透镜L2焦距为30mm，镜面大小为1英寸。

优选地，所述预设距离为15mm。

本实用新型实施例的光路如图1所示，宽带光源EQ经过双胶合透镜L1汇聚，经过第一离轴抛物面镜OAP1改变传播方向后入射到光学狭缝SL中，光学狭缝SL出射光入射到反射式衍射光栅G上进行分光，色散光照射到到空间光调制器DMD像面上，采用正方向的调制光对空间光调制器DMD的出射光进行调制，用第二离轴抛物面镜OAP2汇聚到凸透镜L2后，输入到光谱仪SP中。

本方法实施例的宽带光源光谱调谐系统，光谱范围广，可以用来调谐光谱范围在可见光光源，通过使用不同波段的DMD，也可以将近红外波段的光源光谱进行调谐；且稳定性好，结合了空间光调制器，实现对宽光谱(例如氙灯)光源的光谱调谐。

本实用新型实施例中，宽带光源EQ可以采用氙灯光源，波长范围为400-700nm，双胶合透镜L1的镜面大小可以为1英寸(25.4mm)，焦距为30mm，光学狭缝SL的缝宽可以为300μm，反射式衍射光栅的线数可以为300line/mm，光谱仪可以为光纤光谱仪(Ocean Optic)。

本实用新型实施例首先将宽带光源EQ通过双胶合透镜L1聚焦，再由第一离轴抛物面镜OAP1准直，透过光学狭缝SL(缝宽为300um)，再经过反射式衍射光栅G，色散光投到空间光调制器DMD镜面上；

通过第二离轴抛物面镜OAP2收集的光送入光谱仪SP中，获得此时光谱；

其中，通过在空间光调制器DMD镜面上加载不同的灰度图片，可以获得对应的光谱。

本实用新型实施例的可以实现对宽光谱(氙灯)光源光谱的调谐，调谐的光谱范围宽，通过改变DMD镜面的灰度，实现在可见光和近红外波段的光谱调谐。特别地采用了离轴抛物镜，降低了系统复杂度，同时在光学系统采用Czerney-Turner(切尼-特纳)光路结构形式，即以两面凹面反射镜分别作为准直镜和成像镜，以平面反射光栅作为色散元件，这种光路结构的好处有两种：一是平面光栅设计难度低，复制较为容易，衍射效率高，另一方面是由于Czerny-Turner结构可调节和布置的结构参数较多，可以通过增加如滤光片轮等光学元件避免二次和多次衍射，便于采用光电阵列探测器接收光谱。本实用新型提供的系统可调试性强，保证了测试过程中光谱响应测试的准确性。准直镜和聚焦镜采用离轴抛物镜，能够消除系统中球差的影响。为了减小彗差的影响，两片离轴抛物镜采用相同的光学结构(即具有相同的曲率半径)，采用等光程消彗差的方法来减小彗差。

需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

尽管根据有限数量的实施例描述了本实用新型，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本实用新型的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本实用新型的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本实用新型的范围，对本实用新型所做的公开是说明性的，而非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种宽带光源光谱调谐的系统，其特征在于，包括：

宽带光源、聚焦准直器件组、反射式衍射光栅、空间光调制器和光谱仪；

所述宽带光源发出的光束经过所述聚焦准直器件组变成平行光束之后，以预设的入射角入射至所述反射式衍射光栅，经过所述反射式衍射光栅出射的色散光汇聚到所述空间光调制器；

采用正方向的调制光对所述空间光调制器的出射光进行调制并输入至所述光谱仪。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述聚焦准直器件组包括沿光束传播方向依次设置的双胶合透镜、第一离轴抛物面镜和光学狭缝，所述宽带光源设置在所述双胶合透镜的焦点处，所述宽带光源发出的光束经过所述双胶合透镜聚焦成为平行光，再经过所述第一离轴抛物面镜的反射改变传播方向，经过所述光学狭缝出射。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，还包括：第二离轴抛物面镜，所述第二离轴抛物面镜设置在所述空间光调制器与所述光谱仪之间的光路上，经过所述空间光调制器出射的光束入射至所述第二离轴抛物面镜，经过所述第二离轴抛物面镜汇聚至所述光谱仪。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：凸透镜，所述凸透镜设置在所述第二离轴抛物面镜的焦点前预设距离，经过所述第二离轴抛物面镜出射的光束经过所述凸透镜聚焦后输入到所述光谱仪中。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反射式衍射光栅的光栅密度为300道/mm。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述双胶合透镜的焦距为30mm，镜面大小为1英寸。

7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一离轴抛物面镜的焦距为30mm，镜面大小为1英寸。

8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二离轴抛物面镜的焦距为30mm，镜面大小为1英寸。

9.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述凸透镜焦距为30mm，镜面大小为1英寸。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述预设距离为15mm。