DE202012005809U1 - Optical filter unit with adjustable spectral transmission - Google Patents

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Abstract

Optische Filtereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus zwei drehbaren optischen Filtern besteht, deren Gesamttransmission (spektrale Breite, Intensität und zentrale Wellenlänge) durch Drehung der Filter angepasst werden kann.Optical filter unit, characterized in that it consists of two rotatable optical filters whose total transmission (spectral width, intensity and central wavelength) can be adjusted by rotating the filter.

Description

Für verschiedene Anwendungen ist es notwendig, Licht spektral zu filtern: für die Beleuchtung mit Licht geringer spektraler Bandbreite oder für die Detektion von Licht geringer spektraler Bandbreite.For different applications, it is necessary to spectrally filter light: for illumination with light of low spectral bandwidth or for detection of light of low spectral bandwidth.

Aktuell wird bei Lichtquellen üblicherweise auf die spektrale Filterung durch Gittermonochromatoren zurückgegriffen. Da für die Filterung von Licht großer spektraler Bandbreite sowohl Eintritts- als auch Austrittsspalt des Monochromators für eine Verringerung der spektralen Bandbreite verkleinert werden müssen, nimmt die Intensität des transmittierten Lichts quadratisch mit der spektralen Bandbreite des transmittierten Lichts ab. Daher wird bei Filterung mit geringer spektraler Bandbreite nur eine sehr geringe Lichtleistung transmittiert. Ebenso ist es damit nicht möglich, auf einfache Weise Bilder oder Faserbündel spektral zu filtern. Andere Verfahren bieten keine verstellbare spektrale Bandbreite (AOMs, optische Filter mit Gradienten in der Transmissionscharakteristik, drehbare optische Filter). Mit drehbaren optischen Filtern kann Licht mit fester spektraler Bandbreite gefiltert werden, wobei die Einstellung der zentralen gefilterten Wellenlänge durch den Einfallswinkel des Lichts auf den Filter bestimmt ist.Currently, in light sources, spectral filtering by grating monochromators is commonly used. Since, for the filtering of light of high spectral bandwidth, both the entrance and exit slits of the monochromator must be reduced in order to reduce the spectral bandwidth, the intensity of the transmitted light decreases quadratically with the spectral bandwidth of the transmitted light. Therefore, only a very low light output is transmitted when filtering with low spectral bandwidth. Likewise, it is not possible to spectrally filter images or fiber bundles in a simple manner. Other methods do not provide adjustable spectral bandwidth (AOMs, optical filters with gradients in transmission characteristic, rotatable optical filters). With rotatable optical filters, light with fixed spectral bandwidth can be filtered, the adjustment of the central filtered wavelength being determined by the angle of incidence of the light on the filter.

Die hier beschriebene Filtereinheit erlaubt die Einstellung der zentralen gefilterten Wellenlänge und – gleichzeitig – der spektralen Bandbreite, wobei die Intensität des transmittierten Lichts nur linear mit der spektralen Bandbreite abnimmt. Die genaue Transmissionseffizienz hängt dabei von den verwendeten optischen Filtern ab. Ein Strahlversatz, wie er beim Durchgang durch optische Filter bei nicht senkrechtem Einfall entsteht, kann kompensiert werden. Die spektrale Filterung von Bildern oder Faserbündeln ist möglich.The filter unit described here allows the adjustment of the central filtered wavelength and - at the same time - the spectral bandwidth, the intensity of the transmitted light decreasing only linearly with the spectral bandwidth. The exact transmission efficiency depends on the optical filters used. A beam offset, as it occurs when passing through optical filters in non-normal incidence, can be compensated. The spectral filtering of images or fiber bundles is possible.

Die erfindungsgemäße spektrale Filterung wird anhand der und beschrieben. Zwei optische Filter ( , und ) sind drehbar hintereinander angeordnet. Paralleles oder nahezu paralleles Licht großer spektraler Breite ( , ) wird durch den Filter 1 ( , ) gefiltert, so dass nur ein Teil des Lichts transmittiert wird (beispielhafte Transmissionskurve in , ). Nach dem Durchgang durch den Filter 2 ( , ) wird ein anderer Teil des Lichts spektral gefiltert (beispielhafte Transmissionskurve in , ), so dass nun insgesamt nur im Überschneidungsbereich der Transmissionskurven (Überschneidungsbereich in , ) der beiden Filter Licht durch das Gesamtsystem transmittiert wird. Durch die freie Drehbarkeit der beiden Filter können unterschiedliche Anstellwinkel zum Lichteinfall gewählt werden (resultierende Transmission in , und ). Dadurch ist gewährleistet, dass die spektrale Breite des jeweiligen Überschneidungsbereichs der Transmission (Überschneidungsbereiche der Transmission in , und , spektrale Breite in , und ) und die zentrale Wellenlänge ( , und ) im Rahmen des mittels schrägen Lichteinfalls durchstimmbaren Bereichs frei eingestellt werden können. Damit kann also Licht mit einstellbarer spektraler Bandbreite und zentraler Wellenlänge gefiltert werden. Bei ausreichend steilen Flanken der Filtertransmissionskurven und hoher Filtertransmission verringert sich die transmittierte Intensität nur linear mit der spektralen Bandbreite. Weitere drehbare oder feste Filter können für eine verbesserte Unterdrückung unerwünschten Lichts eingefügt werden.The inventive spectral filtering is based on the and described. Two optical filters ( . and ) are arranged rotatably one behind the other. Parallel or nearly parallel light of large spectral width ( . ) is passed through the filter 1 ( . ), so that only part of the light is transmitted (exemplary transmission curve in FIG . ). After passing through the filter 2 ( . ) another part of the light is spectrally filtered (exemplary transmission curve in . ), so that now only in the overlap area of the transmission curves (overlap area in . ) of the two filters light is transmitted through the entire system. Due to the free rotation of the two filters different angles of incidence to the light can be selected (resulting transmission in . and ). This ensures that the spectral width of the respective overlap region of the transmission (overlap regions of the transmission in . and , spectral width in . and ) and the central wavelength ( . and ) can be freely adjusted within the range tunable by oblique incidence of light. Thus, light with adjustable spectral bandwidth and central wavelength can be filtered. With sufficiently steep flanks of the filter transmission curves and high filter transmission, the transmitted intensity decreases only linearly with the spectral bandwidth. Other rotatable or fixed filters can be added for improved unwanted-light rejection.

Ist die Transmission der Filter und damit des Gesamtsystems a priori unbekannt, so kann das gesamte transmittierte Licht, oder nur ein Teil davon, über einen Strahlteiler ( , ) in einem Detektor, nämlich einem Spektrometer und/oder Leistungsmessgerät ( , ), vermessen werden und das Filtersystem durch Drehung der Filter auf den gewünschten Wert (zentrale Wellenlänge, spektrale Bandbreite bzw. Intensität) hin angepasst werden. Durch den Strahlteiler kann dies während der Nutzung des Filtersystems, also während einer Messung, erfolgen.If the transmission of the filters and thus of the overall system is a priori unknown, the entire transmitted light, or only a part thereof, can be transmitted via a beam splitter ( . ) in a detector, namely a spectrometer and / or power meter ( . ), and the filter system can be adjusted by turning the filters to the desired value (central wavelength, spectral bandwidth or intensity). Through the beam splitter, this can be done during the use of the filter system, ie during a measurement.

Beim Durchgang von Licht durch optische Elemente (hier Filter 1 und 2) mit Grenzflächen, die nicht senkrecht zum einfallenden Licht liegen, und deren Brechungsindex sich von dem von Luft unterscheidet, wird Licht durch Brechung von der ursprünglichen Richtung abweichen (Strahlversatz). Dieses Problem wird beim beschriebenen Filtersystem verstärkt, wenn beide Filter in gleiche Richtung verdreht werden: Der Strahlversatz ( , ) wird beim Durchgang durch jeden der beiden Filter größer. Werden beide Filter aber gegenläufig verdreht, so kompensiert sich der Strahlversatz teilweise ( , ). Eine vollständige Kompensation wäre bei gleichartigen Filtern allerdings nur bei gleichem Winkel möglich, was aber keine einstellbare spektrale Bandbreite erlauben würde. Genügt die partielle Kompensation des Strahlversatzes nicht, so kann noch ein drittes drehbares optisches Element (eine Planparallelplatte oder ein weiterer Filter in , ) in den Strahlengang eingefügt werden, durch das der Strahlversatz vollständig kompensiert wird ( , ).When light passes through optical elements (here filters 1 and 2) with interfaces which are not perpendicular to the incident light and whose refractive index differs from that of air, refraction will cause light to deviate from the original direction (beam offset). This problem is reinforced in the described filter system when both filters are rotated in the same direction: the beam offset ( . ) becomes larger as it passes through each of the two filters. If both filters are twisted in opposite directions, the beam offset is partially compensated ( . ). However, complete compensation would only be possible with the same type of filters if the same angle was used, but this would not allow an adjustable spectral bandwidth. If the partial compensation of the beam offset is not sufficient, then a third rotatable optical element (a plane parallel plate or another filter in . ) are inserted into the beam path, by which the beam offset is completely compensated ( . ).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Optischer Filter 1Optical filter 1
22
Optischer Filter 2Optical filter 2
33
Lichtbündellight beam
44
Strahlteiler (optional)Beam splitter (optional)
55
Detektor (Spektrometer und/oder Leistungsmessgerät) (optional)Detector (spectrometer and / or power meter) (optional)
66
Transmission von Filter 1Transmission of filter 1
77
Transmission von Filter 2Transmission of filter 2
88th
Aus (6) und (7) resultierende gesamte Transmissionskurve (schraffiert)Out ( 6 ) and ( 7 ) resulting total transmission curve (hatched)
99
Spektrale Breite der Transmissionskurve (8)Spectral width of the transmission curve ( 8th )
1010
Zentrale Wellenlänge der Transmissionskurve (8)Central wavelength of the transmission curve ( 8th )
1111
Transmission von Filter 1 bei einem Drehwinkel verschieden von (6)Transmission of filter 1 at a rotation angle different from ( 6 )
1212
Transmission von Filter 2 bei einem Drehwinkel verschieden von (7)Transmission of filter 2 at a rotation angle different from ( 7 )
1313
Aus (11) und (12) resultierende gesamte Transmissionskurve (schraffiert)Out ( 11 ) and ( 12 ) resulting total transmission curve (hatched)
1414
Spektrale Breite der Transmissionskurve (13)Spectral width of the transmission curve ( 13 )
1515
Zentrale Wellenlänge der Transmissionskurve (13)Central wavelength of the transmission curve ( 13 )
1616
Strahlversatz nach Transmission durch optischen Filter 1 (1) und 2 (2) und zusätzliches optisches Element (12)Beam offset after transmission through optical filter 1 ( 1 ) and 2 ( 2 ) and additional optical element ( 12 )
1717
Zusätzliches optisches ElementAdditional optical element

Claims (10)

Optische Filtereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus zwei drehbaren optischen Filtern besteht, deren Gesamttransmission (spektrale Breite, Intensität und zentrale Wellenlänge) durch Drehung der Filter angepasst werden kann.Optical filter unit, characterized in that it consists of two rotatable optical filters whose total transmission (spectral width, intensity and central wavelength) can be adjusted by rotation of the filters. Optische Filtereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Kombination von Filtern Langpass/Kurzpass, Langpass/Bandpass, Bandpass/Kurzpass oder Bandpass/Bandpass oder einer dieser Kombinationen plus zusätzliche Filter besteht.Optical filter unit according to claim 1, characterized in that it consists of a combination of filters longpass / shortpass, longpass / bandpass, bandpass / shortpass or bandpass / bandpass or one of these combinations plus additional filters. Optische Filtereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie den Strahlversatz, der beim Durchgang des Lichts durch die schrägen optischen Filter entsteht, durch gegenläufige Drehung der optischen Filter weitgehend oder vollständig oder durch ein weiteres drehbares optisches Element weitgehend oder vollständig kompensiert.Optical filter unit according to one of the preceding claims, characterized in that it largely or completely compensates for the beam offset, which occurs during passage of the light through the oblique optical filter by opposite rotation of the optical filter or by a further rotatable optical element. Beleuchtungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass Licht großer spektraler Breite mit einer optischen Filtereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche optisch gefiltert wird.Lighting system, characterized in that light of large spectral width is optically filtered with an optical filter unit according to one of the preceding claims. Beleuchtungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des transmittierten Lichts detektiert wird (Spektrometer und/oder Leistungsmessgerät) und die Drehung der Filter der optischen Filtereinheit entsprechend angepasst werden kann.Lighting system according to claim 4, characterized in that a part of the transmitted light is detected (spectrometer and / or power meter) and the rotation of the filters of the optical filter unit can be adjusted accordingly. Detektionssystem, dadurch gekennzeichnet, dass es das zu detektierende Licht mit einer optischen Filtereinheit nach Anspruch 1 bis 3 spektral filtert. Detection system, characterized in that it spectrally filters the light to be detected with an optical filter unit according to claim 1 to 3. Detektionssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht aus einer Einzelfaser (Lichtleiter) stammt und vor der optischen Filtereinheit parallel gerichtet wurde.Detection system according to claim 6, characterized in that the light originates from a single fiber (optical fiber) and has been directed in parallel in front of the optical filter unit. Detektionssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es parallel gerichtetes Licht aus einem Faserbündel spektral filtert, wobei die Ortsauflösung der einzelnen Fasern nach Durchgang durch das optische Filtersystem erhalten bleibt.Detection system according to claim 6, characterized in that it filters spectrally parallel light from a fiber bundle, wherein the spatial resolution of the individual fibers is maintained after passing through the optical filter system. Detektionssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass parallel gerichtetes Licht, ausgehend von einem Gegenstand oder von einem Bild, spektral gefiltert wird, und bei dem durch eine weitere Optik ein Abbild des Gegenstandes oder Bildes erzeugt werden kann.Detection system according to Claim 6, characterized in that light directed in parallel, starting from an object or from an image, is spectrally filtered, and in which an image of the object or image can be generated by means of a further optical system. Detektionssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Mikroskop eingebaut ist und zur spektralen Filterung des Mikroskopbildes benutzt wird.Detection system according to claim 9, characterized in that it is installed in a microscope and is used for spectral filtering of the microscope image.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107305296A (en) * 2016-04-18 2017-10-31 Ii-Vi有限公司 A kind of voltage controls plasma tunable optical filter

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