專利名稱：一種光可調(diào)諧濾波裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子及激光技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種光可調(diào)諧濾波裝置和方法。
背景技術(shù)：
在激光技術(shù)中，有時(shí)需要對(duì)入射光源進(jìn)行選擇，透射出單一波長的光，因此出現(xiàn)了一種針對(duì)光的可調(diào)諧濾波技術(shù)，它提供了一種可靠、穩(wěn)定與快速的對(duì)光的波長進(jìn)行調(diào)諧的方法。目前，常用的光可調(diào)諧濾波裝置是聲光可調(diào)諧濾波器(即Acousto-optic TunableFilter，簡稱為A0TF)。聲光可調(diào)諧濾波器能夠在一定波段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧濾波，然而，其工作波段的范圍一般較窄，不同型號(hào)的聲光可調(diào)諧濾波器分別對(duì)應(yīng)于不同的工作波段(例 如工作波段為400nnT700nm或者1200nnTl400nm等)，因此目前的聲光可調(diào)諧濾波器難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的大范圍波長(例如白光激光器發(fā)出的激光的波段是400nnT2400nm)可調(diào)諧濾波。當(dāng)所需要的調(diào)諧范圍超出，某型聲光可調(diào)諧濾波器的工作波段時(shí)，就需要更換其它型號(hào)的聲光可調(diào)諧濾波器，更換聲光可調(diào)諧濾波器吋，會(huì)帶來光路的穩(wěn)定性及其他問題，常常需要重新對(duì)光路進(jìn)行調(diào)試，導(dǎo)致整個(gè)過程占用時(shí)間較長。另ー方面，聲光可調(diào)諧濾波器的口徑通常較小，一般只能對(duì)光纖中的白光進(jìn)行調(diào)諧，這導(dǎo)致它的應(yīng)用范圍受到了極大地限制。因此，當(dāng)前迫切需要ー種能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的大范圍波長可調(diào)諧濾波、口徑較大的光可調(diào)諧濾波裝置和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的大范圍波長可調(diào)諧濾波、口徑較大的可調(diào)諧濾波裝置和方法。根據(jù)本發(fā)明的ー個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種光可調(diào)諧濾波裝置，包括沿著光路依次設(shè)置的用于分光的三棱鏡和光選擇器，所述光選擇器的通光區(qū)域的位置和大小可調(diào)，所述光選擇器用于從經(jīng)過三棱鏡投射到光選擇器的光譜中選擇出所需要波長的光。其中，所述光選擇器是液晶空間光調(diào)制器，所述液晶空間光調(diào)制器中寫入黑白圖像，所述黑白圖像中白色區(qū)域?qū)?yīng)于所述所需要波長的光在所述液晶空間光調(diào)制器上所投射的區(qū)域，所述黑白圖像中其余部分均為黑色區(qū)域。其中，所述三棱鏡和所述液晶空間光調(diào)制器之間設(shè)置起偏器。其中，所述起偏器和所述液晶空間光調(diào)制器之間設(shè)置左旋45°轉(zhuǎn)子，所述液晶空間光調(diào)制器之后設(shè)置右旋45°轉(zhuǎn)子。其中，所述起偏器和所述液晶空間光調(diào)制器之間設(shè)置使光左旋45°的二分之一波片，所述液晶空間光調(diào)制器之后設(shè)置使光右旋45°的二分之一波片。其中，入射的線偏光與所述二分之一波片的光軸夾角為22. 5°。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種基于上述光可調(diào)諧濾波裝置的光可調(diào)諧濾波方法，包括下列步驟
I)確定所需要波長的光在所述光選擇器上所投射的區(qū)域的位置；2)將光選擇器的通光區(qū)域設(shè)置為步驟I)所確定的所述所需要波長的光在所述光選擇器上所投射的區(qū)域；3)使入射光通過所述三棱鏡和所述光選擇器，得到所述所需要波長的光。其中，所述光選擇器是液晶空間光調(diào)制器，所述步驟2)包括下列子步驟21)生成黑白圖像，所述黑白圖像中白色區(qū)域?qū)?yīng)于所述所需要波長的光在所述液晶空間光調(diào)制器上所投射的區(qū)域，所述黑白圖像的其余部分均為黑色區(qū)域；22)將所述黑白圖像寫入液晶空間光調(diào)制器中。其中，所述步驟I)中根據(jù)入射的白光的口徑a取其邊緣處的光線al、a2，基于所需要的波長，分別計(jì)算光線al、a2在經(jīng)過三棱鏡的折射后在所述光選擇器上所投射的位置 hi、h2，根據(jù)hi、h2得出所需要波長的光在光選擇器所投射的區(qū)域的邊緣HI、H2。其中，所述步驟I)中，計(jì)算光線在經(jīng)過三棱鏡的折射后在所述光選擇器上所投射的位置的方法如下根據(jù)所需要的波長，得到相應(yīng)的光折射率n，進(jìn)而根據(jù)已知的入射光的角度、三棱鏡的各個(gè)內(nèi)角的角度，計(jì)算出相應(yīng)的出射光的角度，最后得出該出射光在所述光選擇器上所投射的位置h。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果I、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的大范圍波長可調(diào)諧濾波，穩(wěn)定性好，易于操作，占用時(shí)間少。
2、本發(fā)明能夠?qū)^大口徑的白光進(jìn)行可調(diào)諧濾波，極大地拓展了可調(diào)諧濾波的應(yīng)用范圍。3、本發(fā)明機(jī)構(gòu)簡單成本低。


圖I示出了本發(fā)明ー個(gè)實(shí)施例的光可調(diào)諧濾波裝置的光路圖；圖2不出了三棱鏡折射原理圖；圖3示出了口徑為a的入射光經(jīng)過三棱鏡后的分光示意圖；圖4示出了本發(fā)明ー個(gè)實(shí)施例中對(duì)口徑為a的入射光進(jìn)行第一波長調(diào)諧濾波的示意圖；圖5示出了本發(fā)明ー個(gè)實(shí)施例中對(duì)口徑為a的入射光進(jìn)行第二波長調(diào)諧濾波的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面，結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步地描述。圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的光可調(diào)諧濾波裝置的光路，依次包括三棱鏡I、起偏器2、左旋45°轉(zhuǎn)子3、液晶空間光調(diào)制器4和右旋45°轉(zhuǎn)子5。其中，三棱鏡I用于對(duì)入射光束進(jìn)行分光。由于不同顔色的光在介質(zhì)(如玻璃)中的折射率不同，所以折射角不同，因此，白光經(jīng)過三棱鏡折射后會(huì)分解成紅橙黃綠青藍(lán)紫等光，實(shí)質(zhì)上就是將不同波長的光從空間上彼此分開。起偏器2可米用偏振分光棱鏡(B卩Polarization CubeBeamsplitter，縮寫為PBS)或偏振片，用于使光的偏振態(tài)為垂直(圖I中以0°表示)。左旋45°轉(zhuǎn)子3旋轉(zhuǎn)光的偏振態(tài)至45° ,這樣光的偏振態(tài)與液晶分子長軸成45° ,使液晶空間光調(diào)制器的振幅調(diào)制達(dá)到最大。液晶空間光調(diào)制器4用于濾除不需要的波段的光。具體地，可在液晶空間光調(diào)制器4中導(dǎo)入黑白圖像，其中投射到黑白圖像白色區(qū)域的光可通過液晶空間光調(diào)制器4，而投射到黒白圖像黑色區(qū)域的光則被屏蔽，由于前級(jí)的三棱鏡I的分光作用，不同波長的光已在空間上彼此分開，因此，根據(jù)所需的波長調(diào)整黑白圖像的黒白區(qū)域，就能夠控制不同波長的光通過液晶空間光調(diào)制器，從而達(dá)到可調(diào)諧濾波的效果。光經(jīng)過液晶空間光調(diào)制器后，偏振態(tài)被旋轉(zhuǎn)90°，再經(jīng)過右旋45°轉(zhuǎn)子5后，出射的光偏振態(tài)為水平(圖I中以90°表示)。另外，根據(jù)本發(fā)明的另ー實(shí)施例，上述左旋45°轉(zhuǎn)子和右旋45°轉(zhuǎn)子也可以用兩個(gè)二分之一波片代替，入射的線偏光與二分之一波片的光軸夾角為22. 5°，同樣能夠起到使光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°的效果。如前文所述，基于上述實(shí)施例的光可調(diào)諧濾波裝置對(duì)光波長進(jìn)行調(diào)諧，需要首先得出波長與液晶空間光調(diào)制器4中通光區(qū)域(即黑白圖像的白色區(qū)域)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在ー個(gè)實(shí)施例中，所述對(duì)應(yīng)關(guān)系可按下述原理計(jì)算得出。
圖2示出了三棱鏡的折射示意圖。如圖2所示，在四邊形AB⑶中，由于BC、DC是法線Z ABC、Z ADC都是直角。四邊形的四個(gè)內(nèi)角和是360°，因此Z BAD+Z B⑶=180°，Z BAD是棱鏡的頂角，是已知角，ZBCD=180。- Z BAD。同時(shí)又有Z DBC+Z BDC+Z BCD=180。，Z BDC= Z BAD- Z DBCZ DBC 就是圖 2 中 Θ，Z BDC= Z BAD- Z Θ (I)0由菲涅爾折射定律，sin a =nsin θ , (2)η為光在棱鏡中的折射率，α是光線的入射角也是已知的，由上式可以求出Θ。由(I)式也可算出Z BDC。nsin Z BDC=Sin δ (3)δ = Z WDN由(3)可算出δ。!g(/0 = —I-h=tg(y ) XDP (4)其中2 41^是棱鏡的底角，角度已知，2 41^=2 01，21011=90°，ZNDM=90° -δμ = Z PDM- Z NDM= Z AMQ-90+ δ (5)將(5)代入(4)即可求得h。在已知需要調(diào)諧至的特定波長時(shí)，根據(jù)該特定波長可得到相應(yīng)的光折射率n，進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)的h值，根據(jù)h值即可確定該特定波長的光在液晶空間光調(diào)制器上所投射的區(qū)域，在導(dǎo)入黑白圖像時(shí)，使該黑白圖像的白色區(qū)域?qū)?yīng)于該特定波長的光所投射的區(qū)域，黑白圖像的其余部分則為黑色區(qū)域。這樣就能夠控制所述特定波長的光的通過液晶空間光調(diào)制器，而其它波長的光則被濾除，從而達(dá)到可調(diào)諧濾波的效果。
圖3示出了口徑為a的白光入射三棱鏡后的分光示意圖?？梢钥闯?，不同波長的光入射，棱鏡對(duì)不同的光折射率不同，使得各波長的光被分開。本領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解，理論上只要液晶空間光調(diào)制器離棱鏡的距離足夠遠(yuǎn)，就能夠在液晶空間光調(diào)制器的位置處把所有波長的光分開。如果要讓圖3中實(shí)線所代表的第一波長的光通過，將液晶空間光調(diào)制器上與第一波長對(duì)應(yīng)的區(qū)域的像素點(diǎn)寫入灰度均設(shè)置為白色，其它區(qū)域的像素點(diǎn)寫入灰度均設(shè)置為黒色，就能夠達(dá)到只讓第一波長的光透過的效果，如圖4所示。如果要讓圖3中虛線所代表的第二波長的光通過，那么將液晶空間光調(diào)制器上與第二波長對(duì)應(yīng)的區(qū)域的像素點(diǎn)寫入灰度均設(shè)置為白色，其它區(qū)域的像素點(diǎn)寫入灰度均設(shè)置為黒色，就能夠達(dá)到只讓第二波長的光透過的效果，如圖5所示。在實(shí)際應(yīng)用中，確定液晶空間光調(diào)制器與三棱鏡的位置后，可根據(jù)入射的白光的口徑a取其邊緣處的光線al、a2，如圖4、5所示，基于需要調(diào)諧至的特定波長，對(duì)光線al、a2分別根據(jù)前述公式(I) (5)計(jì)算h值，記為hl、h2，這樣根據(jù)hl、h2即可得出上述口徑為a入射的特定波長的光在液晶空間光調(diào)制器所投射的區(qū)域的邊緣H1、H2，在導(dǎo)入黑白圖像時(shí)，使白色區(qū)域?qū)?yīng)于所述特定波長的光在液晶空間光調(diào)制器所投射的區(qū)域(即H1、H2之間的區(qū)域)，而(黒白圖像的)其余部分則為黑色區(qū)域，就能夠達(dá)到口徑為a的光的可調(diào)諧濾波的效果。上述實(shí)施例中，液晶空間光調(diào)制器是作為一種光選擇器來使所需區(qū)域的光通過，同時(shí)屏蔽其余區(qū)域的光。實(shí)際上，液晶空間光調(diào)制器也可以采用其它類型的光選擇器，用于從經(jīng)過三棱鏡投射到光選擇器的光譜中選擇出所需要波長的光。例如，光選擇器也可以采用機(jī)械方式(如馬達(dá))控制位置和大小的快門。在采用其它類型的光選擇器吋，同樣可以先確定所需調(diào)諧至的特定波長的光在所述光選擇器上所投射的區(qū)域的位置，然后調(diào)整光選擇器的通光區(qū)域的位置和大小，使得通光區(qū)域與所述特定波長的光在所述光選擇器上所投射的區(qū)域重合。最后，上述的實(shí)施例僅用來說明本發(fā)明，它不應(yīng)該理解為是對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍進(jìn)行任何限制。而且，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以明白，在不脫離上述實(shí)施例精神和原理下，對(duì)上述實(shí)施例所進(jìn)行的各種等效變化、變型以及在文中沒有描述的各種改進(jìn)均在本專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán)利要求
1.一種光可調(diào)諧濾波裝置，包括沿著光路依次設(shè)置的用于分光的三棱鏡和光選擇器，所述光選擇器的通光區(qū)域的位置和大小可調(diào)，所述光選擇器用于從經(jīng)過三棱鏡投射到光選擇器的光譜中選擇出所需要波長的光。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光可調(diào)諧濾波裝置，其特征在于，所述光選擇器是液晶空間光調(diào)制器，所述液晶空間光調(diào)制器中寫入黑白圖像，所述黑白圖像中白色區(qū)域?qū)?yīng)于所述所需要波長的光在所述液晶空間光調(diào)制器上所投射的區(qū)域，所述黑白圖像中其余部分均為黒色區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光可調(diào)諧濾波裝置，其特征在于，所述三棱鏡和所述液晶空間光調(diào)制器之間設(shè)置起偏器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光可調(diào)諧濾波裝置，其特征在干，所述起偏器和所述液晶空間光調(diào)制器之間設(shè)置左旋45°轉(zhuǎn)子，所述液晶空間光調(diào)制器之后設(shè)置右旋45°轉(zhuǎn)子。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光可調(diào)諧濾波裝置，其特征在于，所述起偏器和所述液晶空間光調(diào)制器之間設(shè)置使光左旋45°的二分之一波片，所述液晶空間光調(diào)制器之后設(shè)置使光右旋45°的二分之一波片。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光可調(diào)諧濾波裝置，其特征在于，入射的線偏光與所述二分之一波片的光軸夾角為22.5°。
7.ー種基于權(quán)利要求I所述的光可調(diào)諧濾波裝置的光可調(diào)諧濾波方法，包括下列步驟 1)確定所需要波長的光在所述光選擇器上所投射的區(qū)域的位置； 2)將光選擇器的通光區(qū)域設(shè)置為步驟I)所確定的所述所需要波長的光在所述光選擇器上所投射的區(qū)域； 3)使入射光通過所述三棱鏡和所述光選擇器，得到所述所需要波長的光。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光可調(diào)諧濾波方法，其特征在于，所述光選擇器是液晶空間光調(diào)制器，所述步驟2)包括下列子步驟 21)生成黑白圖像，所述黑白圖像中白色區(qū)域?qū)?yīng)于所述所需要波長的光在所述液晶空間光調(diào)制器上所投射的區(qū)域，所述黑白圖像的其余部分均為黑色區(qū)域； 22)將所述黑白圖像寫入液晶空間光調(diào)制器中。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光可調(diào)諧濾波裝置，其特征在于，所述步驟I)中根據(jù)入射的白光的口徑a取其邊緣處的光線al、a2，基于所需要的波長，分別計(jì)算光線al、a2在經(jīng)過三棱鏡的折射后在所述光選擇器上所投射的位置hi、h2，根據(jù)hi、h2得出所需要波長的光在光選擇器所投射的區(qū)域的邊緣HI、H2。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光可調(diào)諧濾波裝置，其特征在于，所述步驟I)中，計(jì)算光線在經(jīng)過三棱鏡的折射后在所述光選擇器上所投射的位置的方法如下根據(jù)所需要的波長，得到相應(yīng)的光折射率n，進(jìn)而根據(jù)已知的入射光的角度、三棱鏡的各個(gè)內(nèi)角的角度，計(jì)算出相應(yīng)的出射光的角度，最后得出該出射光在所述光選擇器上所投射的位置h。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光可調(diào)諧濾波裝置，包括沿著光路依次設(shè)置的用于分光的三棱鏡和光選擇器，所述光選擇器的通光區(qū)域的位置和大小可調(diào)，所述光選擇器用于從經(jīng)過三棱鏡投射到光選擇器的光譜中選擇出所需要波長的光。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的大范圍波長可調(diào)諧濾波，穩(wěn)定性好，易于操作，占用時(shí)間少；能夠?qū)^大口徑的白光進(jìn)行可調(diào)諧濾波，極大地拓展了可調(diào)諧濾波的應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)G02F1/13GK102722024SQ20121021728
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月27日
發(fā)明者唐熊忻, 樊仲維, 邱基斯 申請(qǐng)人:北京國科世紀(jì)激光技術(shù)有限公司