具有可控光谱带宽和分辨率的光谱滤波器制造技术

公开了一种基于法布里‑珀罗腔的光谱陷波滤波器，其中，该滤波器可操作用于在控制输出光的光谱定位和光谱范围的同时提供其光谱内容沿至少一个方向在空间上分散的输出光信号。在一些实施例中，光谱滤波器与检测器阵列集成，以实现紧凑的高分辨率光谱仪，该紧凑的高分辨率光谱仪能够以高灵敏度快速获取样本的吸收光谱。

Spectral filter with controllable spectral bandwidth and resolution

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有可控光谱带宽和分辨率的光谱滤波器相关应用本申请要求2017年5月26日提交的第62/511，504号美国临时申请(律师案卷：CIT-7790-P)和2017年12月11日提交的第62/597，223号美国临时申请(律师案卷：CIT-7790-P2)的权益，以上申请中的每一篇都通过引用并入本文。专利
本专利技术涉及光谱滤波器，更具体地说，涉及适用于超光谱检测器和成像系统的可调谐光谱滤波器。专利技术背景光谱“陷波”滤波器是用于接收光信号的光学装置，其特征在于相对宽的光谱范围，并且选择性地仅通过光信号内相对较窄范围的波长。换句话说，陷波滤波器的“透射窗口”之外的波长以某种方式被反射或阻挡，而透射窗口内的波长透射通过装置。特别感兴趣的是可调谐光谱滤波器，其中透射窗口的中心波长可以在光谱范围内被调谐。这种装置的可调谐性使得许多光学系统得以简化，并引入了调谐完整光学系统的机会。例如，当可调谐光谱滤波器可操作地与宽带光源耦合时，可以实现窄线宽、波长捷变源(anarrowlinewidth,wavelength-agilesource)。以类似的方式，高波长选择性检测器由可调谐光谱滤波器和宽带检测器的组合产生。可调谐光谱滤波器已经在各种应用中(例如电信、医疗诊断(例如，光谱学、光学相干断层扫描(OCT)等)、荧光显微术、光谱或超光谱成像以及环境感测等)得到广泛应用。虽然基于各种不同的光学装置，例如液晶元件、光纤布拉格光栅、声光调制器和表面声波(SAW)装置，已经开发出可调谐光谱滤波器，但是最常用的可能是可调谐法布里-珀罗(FP)腔。传统的可调谐FP腔包括一对平行的高反射率反射镜，它们紧密地被间隔，以在它们之间产生光学谐振腔。反射镜之间的间隔被称为FP腔的腔长，其决定了哪些波长通过该腔以及哪些波长被该腔反射。当光谐振腔的腔长L等于整数N个半波长时(即，当L＝Nλ/2时)，具有波长λ的光将在光学谐振腔内的反射镜之间来回谐振，并且以低损耗传输通过该腔。与此同时，以其他波长为特征的光将被FP腔反射。因此，通过改变腔长，可以调节经过腔的光的波长。不幸的是，现有技术的可调谐光谱滤波器通常速度慢、调谐范围有限、不能在宽波长范围内工作、光谱分辨率差和/或在许多光学系统中实现复杂。概述本公开的教导使得光学系统能够在宽光谱范围内具有高光谱分辨率，而没有现有技术的一些成本和缺点。根据本公开的系统包括基于法布里-珀罗腔的可调谐滤波器，所述可调谐滤波器提供其光谱内容沿着至少一个方向在空间上分散的光输出。本专利技术的实施例特别适用于超光谱成像系统、超光谱检测系统和高分辨率光谱仪。像现有技术一样，本公开教导了一种法布里-珀罗(FP)腔，其包括对第一光信号具有高反射性并形成高精细光学谐振腔的第一平面反射镜和第二平面反射镜，其中，所述反射镜之间的间隔(即FP腔的腔长)是可控的。从而，FP腔可以用作具有非常窄的透射窗口的光谱陷波滤波器，该非常窄的透射窗口可以在宽波长范围内进行光谱调谐。与现有技术形成鲜明对比的是，根据本公开的实施例包括一个平面反射镜，该平面反射镜可以至少沿第一方向相对于另一平面反射镜倾斜，以实现沿该方向具有线性梯度的腔长。因此，在沿着第一方向的每个点处，FP腔具有不同的腔长，并且在该点处通过不同的波长。通过控制反射镜之间角度的大小，在FP腔的宽度上透射的波长范围被控制。这使得能够控制沿线的光谱分辨率。在一些实施例中，反射镜之间的间隔也被控制，使得能够控制穿过FP腔的光的绝对波长和光谱范围。本专利技术的说明性实施例是包括光谱滤波器和线性检测器阵列的超光谱检测系统。光谱滤波器具有色散操作状态，在该色散操作状态下，它可操作用于接收宽带光信号并将输出光信号提供给检测器阵列，其中输出光信号的光谱内容沿着从光谱滤波器的第一侧到光谱滤波器的第二侧(即，沿着其宽度)的线分布，并且其中该线与检测器阵列的元件对准。从而，该阵列的每个检测器接收光谱滤波器的输出信号的光谱范围内的不同波长信号。光谱滤波器是可调谐FP滤波器，其包括第一平面反射镜和第二平面反射镜，每个平面反射镜对以第一光谱范围为特征的输入光信号具有高反射性。当光谱滤波器处于其静止状态时，第一反射镜和第二反射镜限定具有均匀腔长的光学谐振腔。光谱滤波器还包括第一垂直致动器和第二垂直致动器，该第一垂直致动器和第二垂直致动器分别可操作地耦合到第二反射镜的第一侧和第二侧。每个垂直致动器在其腔的相应侧处控制反射镜之间的间隔。从而，垂直致动器协同控制第二反射镜相对于第一反射镜的倾斜以及倾斜的第二反射镜和第一反射镜之间的垂直间隔。在一些实施例中，仅控制第二反射镜的倾斜，并且仅一个垂直致动器是必需的。在一些实施例中，旋转致动器(例如，旋转梳状驱动致动器)可操作地与第二反射镜耦合，以控制其相对于第一反射镜的倾斜。在这些实施例中的一些中，垂直致动器整体上控制倾斜的第二反射镜的垂直定位。在一些实施例中，第二反射镜的倾斜沿着与第一方向正交的第二方向(例如光学谐振腔的深度)是可控的。从而，输出光信号的光谱内容分布在二维区域上。本专利技术的实施例是一种包括光谱滤波器的设备，该光谱滤波器可操作用于接收以第一光谱范围为特征的第一光信号并提供沿第一方向在光谱上分散的第二光信号，其中，第二光信号以第一光谱范围内的第二光谱范围为特征，并且其中，光谱滤波器包括：第一反射镜，该第一反射镜是平面的并且对于第一光信号是部分透射的；第二反射镜，所述第二反射镜是平面的并且对于所述第一光信号是部分透射的，其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜限定光学谐振腔，所述光学谐振腔具有沿着所述第一方向可控的腔长；以及第一致动器，其被配置为控制在第一位置处第一反射镜和第二反射镜之间的第一间隔，其中，第一反射镜相对于第二反射镜沿着第一方向的第一角度基于第一间隔；其中，第二光谱范围具有基于第一角度的第一光谱宽度。本专利技术的另一个实施例是一种包括光谱滤波器的设备，该光谱滤波器用于接收以第一光谱范围为特征的第一光信号，并提供沿第一方向在光谱上分散的第二光信号，其中，第二光信号以在第一光谱范围内的第二光谱范围为特征，并且其中，光谱滤波器包括：第一反射镜，该第一反射镜是平面的并且对第一光信号部分反射；第二反射镜，所述第二反射镜是平面的并且对于第一光信号部分反射，其中，所述第二反射镜相对于所述第一反射镜是可移动的，并且其中，当所述光谱滤波器处于其静止状态时，所述第二反射镜与所述第一反射镜平行；以及第一致动器，其被配置为控制在第一反射镜和第二反射镜之间沿着第一方向的第一角度，其中，第二光谱范围具有基于第一角度的第一光谱宽度。本专利技术的又一实施例是一种方法，该方法包括：(1)在光谱滤波器处接收以第一光谱范围为特征的第一光信号，其中，光谱滤波器包括：(i)第一反射镜，其是平面的并且对于第一光信号是部分透射的；以及(ii)第二反射镜，该第二反射镜是平面的并且对于第一光信号是部分透射的，其中，第二反射镜具有相对于第一反射镜的沿第一方向的第一角度，并且其中，第一角度是可控的；其中，所述第一反射镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种包括光谱滤波器的设备，所述光谱滤波器可操作用于接收以第一光谱范围为特征的第一光信号，并提供沿第一方向在光谱上分散的第二光信号，其中，所述第二光信号以在所述第一光谱范围内的第二光谱范围为特征，并且其中，所述光谱滤波器包括：/n第一反射镜，所述第一反射镜是平面的并且对于所述第一光信号部分透射；/n第二反射镜，所述第二反射镜是平面的并且对于所述第一光信号部分透射，其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜限定光学谐振腔，所述光学谐振腔具有沿着所述第一方向可控的腔长；和/n第一致动器，所述第一致动器被配置为控制在第一位置处在所述第一反射镜和第二反射镜之间的第一间隔，其中，所述第一反射镜沿着所述第一方向相对于所述第二反射镜的第一角度基于所述第一间隔；/n其中，所述第二光谱范围具有基于所述第一角度的第一光谱宽度。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170526 US 62/511,504;20171211 US 62/597,2231.一种包括光谱滤波器的设备，所述光谱滤波器可操作用于接收以第一光谱范围为特征的第一光信号，并提供沿第一方向在光谱上分散的第二光信号，其中，所述第二光信号以在所述第一光谱范围内的第二光谱范围为特征，并且其中，所述光谱滤波器包括：
第一反射镜，所述第一反射镜是平面的并且对于所述第一光信号部分透射；
第二反射镜，所述第二反射镜是平面的并且对于所述第一光信号部分透射，其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜限定光学谐振腔，所述光学谐振腔具有沿着所述第一方向可控的腔长；和
第一致动器，所述第一致动器被配置为控制在第一位置处在所述第一反射镜和第二反射镜之间的第一间隔，其中，所述第一反射镜沿着所述第一方向相对于所述第二反射镜的第一角度基于所述第一间隔；
其中，所述第二光谱范围具有基于所述第一角度的第一光谱宽度。


2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光谱滤波器可操作用于提供所述第二光信号，使得所述第二光信号沿着与所述第一方向正交的第二方向也在光谱上分散，所述第二光信号的特征在于沿着所述第二方向的第三光谱范围，并且其中，所述光谱滤波器还包括第二致动器，所述第二致动器被配置为控制所述第一反射镜沿着所述第二方向相对于所述第二反射镜的第二角度，并且进一步地，其中，所述第三光谱范围具有基于所述第二角度的第二光谱宽度。


3.根据权利要求1所述的设备，还包括第二致动器，所述第二致动器被配置为控制在第二位置处在所述第一反射镜和第二反射镜之间的第二间隔，其中，所述第二间隔限定所述第二光谱范围的最小波长和最大波长之一。


4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二反射镜是布拉格反射镜，所述布拉格反射镜包括多层第一材料，其中，所述多层第一材料中的每对相邻层由气隙间隔开。


5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二光谱范围包括中红外光谱范围的至少一部分。


6.根据权利要求1所述的设备，还包括多个检测器，所述多个检测器被配置成从所述光谱滤波器接收所述第二光信号，其中，所述光谱滤波器和多个检测器被布置成使得所述多个检测器中的每个检测器接收以在所述第二光谱范围内的不同波长为特征的多个波长信号中的不同波长信号。


7.根据权利要求6所述的设备，还包括：
光源，所述光源用于提供所述第一光信号；和
样本腔室，所述样本腔室用于容纳样本；
其中，所述光源、所述光谱滤波器和所述样本腔室被设计尺寸且被布置成使得所述多个检测器在所述多个波长信号已经通过所述样本腔室之后接收所述多个波长信号。


8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述样本腔室位于所述第一反射镜和所述第二反射镜之间。


9.一种包括光谱滤波器的设备，所述光谱滤波器可操作用于接收以第一光谱范围为特征的第一光信号，并提供沿第一方向在光谱上分散的第二光信号，其中，所述第二光信号以在所述第一光谱范围内的第二光谱范围为特征，并且其中，所述光谱滤波器包括：
第一反射镜，所述第一反射镜是平面的并且对于所述第一光信号部分反射；
第二反射镜，所述第二反射镜是平面的并且对于所述第一光信号部分反射，其中，所述第二反射镜相对于所述第一反射镜是可移动的，并且其中，当所述光谱滤波器处于其静止状态时，所述第二反射镜与所述第一反射镜平行；和
第一致动器，所述第一致动器被配置为沿着第一方向控制在所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的第一角度，其中，所述第二光谱范围具有基于所述第一角度的第一光谱宽度。


10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述光谱滤波器还包括第二致动器，所述第二致动器被配置为控制所述第二光谱范围的最小波长和最大波长中的一个。


11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述第一致动器被配置为控制在第一位置处在所述第一反射镜和第二反射镜之间的第一间隔，所述第一角度基于所述第一间隔，并且其中，所述第二致动器被配置为控制在第二位置处在所述第一反射镜和第二反射镜之间的第二间隔，所述第二光谱范围的所述最小波长和最大波长中的所述一个基于所述第二间隔。


12.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第二反射镜是布拉格反射镜，所述布拉格反射镜包括多层第一材料，其中，所述多层第一材料中的每对相邻层由气隙间隔开。


13.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第二光谱范围包括中红外光谱范围的至少一部分。


14.根据权利要求9所述的设备，还包括多个检测器，所述多个检测器被配置成从所述光谱滤波器接收所述第二光信号，其中，所述光谱滤波器和多个检测器被布置成使得所述多个检测器中的每个检测器接收以在所述第二光谱范围内的不同波长为特征的多个波长信号中的不同波长信号。


15.根据权利要求14所述的设备，还包括：
光源，所述光源用于提供所述第一光信号；和
样本腔室，所述样本腔室用于容纳样本；
其中，所述光源、所述光谱滤波器和所述样本腔室被设计尺寸且被布置成使得所述多个检测器在所述多个波长信号已经通过所述样本腔室之后接收所述多个波长信号。


16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述样本腔室位于所述第一反射镜和所述第二反射镜之间。


17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述第一光信号沿着第二方向传播，并且其中，当所述光谱滤波器处于其静止状态时，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的每一者相对于所述第二方向以第二角度定向，并且进一步地，其中，所述第二角度不等于90°。


18.一种方法，所述方法包括：
(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿克塞尔·谢勒，全泰允，
申请(专利权)人：加州理工学院，
类型：发明
国别省市：美国;US