一種數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)及其調(diào)控方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)及其調(diào)控方法。將寬光譜光源發(fā)出的光輻射信號耦合后輸入到分光數(shù)字選通子系統(tǒng)，對輸入的信號進行色散分光和數(shù)字化調(diào)制選通處理后，輸出光譜信號至光譜檢測子系統(tǒng)，對接收到的光譜信號進行實時監(jiān)測，并將光譜信號反饋至控制處理子系統(tǒng)；控制處理子系統(tǒng)將接收到的光譜信號與目標光輻射信號比對，依據(jù)兩者的差異實時補償控制分光數(shù)字選通子系統(tǒng)中數(shù)字化選通裝置的狀態(tài)，對光譜光源系統(tǒng)的輸出光輻射信號的光譜構(gòu)成與強度進行實時校準和調(diào)制。本發(fā)明提供的數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)，具有輸出光譜失真度小、數(shù)字化控制程度高、結(jié)構(gòu)緊湊、實時性好的特點。
【專利說明】一種數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)及其調(diào)控方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)及其調(diào)控方法，屬光學照明檢測【技術(shù)領域】。
【背景技術(shù)】
[0002]可控光譜光源作為一種能夠根據(jù)應用需求不同而產(chǎn)生特定光譜形狀和輻射強度輸出的光源模擬裝置，在生物與農(nóng)業(yè)科學、材料學、環(huán)境監(jiān)測、機器視覺、照明設計、國防軍事、航空航天等諸多領域有著廣泛的應用需求，因此研發(fā)一種高精度、可控化程度高的光譜光源系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。
[0003]傳統(tǒng)形式的光譜光源模擬器多采用鹵素燈作為源光，對其進行簡單調(diào)制輸出。雖然該技術(shù)較為成熟，但受限于光機結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)體積較大、結(jié)構(gòu)復雜、價格昂貴；且該類模擬器的光譜可調(diào)諧性低，增加了與真實目標光譜的匹配難度。
[0004]隨著科技的進步，尤其是新型固體照明元件一發(fā)光二極管(LED)的出現(xiàn)和應用，一種基于LED的可控光譜光源模擬器應運而生。其通過對LED種類和數(shù)量的組合優(yōu)化，實現(xiàn)系統(tǒng)輸出光譜光強的調(diào)制。雖然相比于傳統(tǒng)的鹵素燈光源，LED具有體積小、壽命長、反應速度快、發(fā)光效率高、穩(wěn)定性強等優(yōu)點。但在目前市場上，找齊譜段覆蓋范圍廣且峰值波長間隔較窄(<5nm)的LED單元卻較為困難。這在很大程度上制約了系統(tǒng)對高精度、高保真輸出譜線實現(xiàn)的便捷性。
[0005]伴隨著另一些新型光電子元器件的引入，如硅基液晶(LCOS)和數(shù)字微鏡器件(DMD)，一批數(shù)字可控化程度更高的光譜光源相繼出現(xiàn)。其主要通過分光器件與LC0S/DMD的配合，實現(xiàn)系統(tǒng)輸出光譜光強的數(shù)字選通。目前，該類光源模擬器的光譜分光多由平面光柵或棱鏡的色散實現(xiàn)。隨著相對孔徑的提高，與平面光柵相匹配的準直一會聚光學結(jié)構(gòu)的復雜度增加，導致系統(tǒng)輻射能量透過率下降；而棱鏡的線色散性不夠理想，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊性不強。在該類光源中，基于LCOS的光譜光源常受到材料工作壽命、制作工藝、溫漂等因素的困惱。相比之下，DMD因其對比度高、分辨率高、反應速度快、可控性和均勻性好、技術(shù)成熟、成品率高、成本低等優(yōu)點，在數(shù)字可控光譜光源中更具應用優(yōu)勢。
[0006]從國內(nèi)外相關(guān)工作的發(fā)展歷程來看，研制出一種輸出光譜保真度高、光譜和輻射可控性強，系統(tǒng)可重復性好、結(jié)構(gòu)緊湊簡單且成本較低，尤其是借助于先進的光電數(shù)字化設備的可控光譜光源系統(tǒng)，是該領域研究的熱點與趨勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高精度、可控化程度高的數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)及其控制方法。
[0008]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是提供一種數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)，它包括照明光源子系統(tǒng)、分光數(shù)字選通子系統(tǒng)、光譜混合輸出子系統(tǒng)、光譜監(jiān)測子系統(tǒng)和控制處理子系統(tǒng)；照明光源子系統(tǒng)發(fā)出的光輻射信號經(jīng)耦合進入分光數(shù)字選通子系統(tǒng)，再經(jīng)光譜混合輸出子系統(tǒng)輸出信號至光譜檢測子系統(tǒng)；光譜檢測子系統(tǒng)輸出反饋信號至控制處理子系統(tǒng)，控制處理子系統(tǒng)輸出信號至控制分光數(shù)字選通子系統(tǒng)；所述的照明光源子系統(tǒng)包括寬光譜光源、拋物面聚光鏡、科勒照明透鏡組和導光光纖束，寬光譜光源置于拋物面聚光鏡焦點處，寬光譜光源發(fā)出的光輻射經(jīng)科勒照明透鏡組和導光光纖束耦合進入分光數(shù)字選通子系統(tǒng)；所述的分光數(shù)字選通子系統(tǒng)包括狹縫光闌、凸面光柵、凹面反射鏡、數(shù)字化選通裝置及吸光器，狹縫光闌限制照明光源子系統(tǒng)中導光光纖束輸出端處的雜散光，凸面光柵與凹面反射鏡構(gòu)成同心對稱的Offner型分光結(jié)構(gòu)。
[0009]本發(fā)明技術(shù)方案中，導光光纖束的入射端為若干單根導光光纖組成的圓形端面，導光光纖束的出射端為相應導光光纖排列而成的線形端面。
[0010]本發(fā)明技術(shù)方案中，所述的數(shù)字化選通裝置優(yōu)選為數(shù)字微鏡器件或硅基液晶。
[0011]本發(fā)明技術(shù)方案還包括上述數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)的調(diào)控方法，包括如下步驟:
1、將寬光譜光源發(fā)出的光福射信號稱合后輸入到分光數(shù)字選通子系統(tǒng)；
2、分光數(shù)字選通子系統(tǒng)對輸入的信號進行色散分光和數(shù)字化調(diào)制選通處理后，輸出光譜信號至光譜檢測子系統(tǒng)；
3、光譜檢測子系統(tǒng)對接收到的光譜信號進行實時監(jiān)測，并將光譜信號反饋至控制處理子系統(tǒng)；
4、控制處理子系統(tǒng)對接收到的光譜信號的光譜構(gòu)成和強度與目標光輻射信號比對，依據(jù)兩者的差異實時補償控制分光數(shù)字選通子系統(tǒng)中數(shù)字化選通裝置的狀態(tài)，對光譜光源系統(tǒng)的輸出光輻射信號的光譜構(gòu)成與強度進行實時校準和調(diào)制。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是:
1、本發(fā)明技術(shù)方案提供的分光數(shù)字選通子系統(tǒng)，使用固有像差小、同心對稱的凸面光柵OfTner分光結(jié)構(gòu)對導光光纖束輸出端的光輻射進行色散，色散后的光譜勻排、光譜分辨率高，該結(jié)構(gòu)采用純反射式，無色差，適用于較寬譜段，利于系統(tǒng)的小型化；使用DMD與凸面光柵Offner分光結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)對光譜信號的數(shù)字化調(diào)制選通，可控性強、保真度高、響應速度快。
[0013]2、本發(fā)明技術(shù)方案中的照明光源子系統(tǒng)與分光數(shù)字選通子系統(tǒng)之間通過特殊端面的導光光纖束級聯(lián)，配合科勒照明透鏡組優(yōu)化利用源光信號，增強了系統(tǒng)模塊化的便捷性；
3、本發(fā)明提供的光譜光源系統(tǒng)可根據(jù)要求輸出特定光譜構(gòu)成與強度的光信號，系統(tǒng)輸出光譜失真度小、數(shù)字化控制程度高、結(jié)構(gòu)緊湊、實時性好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明提供的一種數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖；
圖2為本發(fā)明實施例提供的一種數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)中照明光源子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明實施例提供的一種數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)中分光數(shù)字選通子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明實施例提供的一種數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)中導光光纖束入射端面的示意圖；圖5為本發(fā)明實施例提供的種數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)中導光光纖束出射端面的示意圖。
[0015]圖中，11、拋物面鏡；12、寬光譜光源；13、科勒照明透鏡組；14、導光光纖束；21、狹縫光闌；22、凹面反射鏡；23、凸面光柵；24、凹面反射鏡；25、數(shù)字化選通裝置(數(shù)字微鏡器件)；26、吸光器。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明所述的一種數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)作進一步詳細說明。
[0017]實施例1
參見附圖1，它為本發(fā)明提供的數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖。該數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)，由照明光源子系統(tǒng)、分光數(shù)字選通子系統(tǒng)、光譜混合輸出子系統(tǒng)、光譜監(jiān)測子系統(tǒng)、控制處理子系統(tǒng)五個部分構(gòu)成。其工作原理為:照明光源子系統(tǒng)將源光一寬光譜光源發(fā)出的光輻射信號耦合進入分光數(shù)字選通子系統(tǒng)，并經(jīng)后者色散分光和數(shù)字化調(diào)制選通后進入光譜混合輸出子系統(tǒng)輸出，光譜檢測子系統(tǒng)實時監(jiān)測混合輸出的光譜信號并反饋給控制處理子系統(tǒng)，由后者對信號的光譜構(gòu)成與強度進行分析并與目標光輻射信號比對，根據(jù)兩者的差異實時補償控制分光數(shù)字選通子系統(tǒng)中數(shù)字化選通裝置(如數(shù)字微鏡器件，DMD)的狀態(tài)，從而實現(xiàn)對整個數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)輸出光輻射信號的光譜構(gòu)成與強度的實時校準和調(diào)制。
[0018]參見附圖2，它為本實施例中照明光源子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，包括拋物面聚光鏡
11、寬光譜光源12、科勒照明透鏡組13以及特殊端面的導光光纖束14。寬光譜光源12可根據(jù)不同的應用場景，做出相應的選擇，如鹵素燈、黑體、白光LED、復合光源等，在本實施例中采用波長范圍為300?800nm的白光LED作為寬光譜光源?？评照彰魍哥R組13將置于拋物面聚光鏡11焦點處的寬光譜光源12發(fā)出的光輻射均勻匯聚至導光光纖束14的入射端面，并經(jīng)導光光纖束14傳輸至分光數(shù)字選通子系統(tǒng)2中的狹縫光闌21處耦合匹配。
[0019]科勒照明透鏡組13由三片透鏡組成。第一片透鏡前表面距寬光譜光源12為14.9±0.1mm,前表面半徑-152.169mm,厚度 6.1 ±0.1mm,后表面半徑-20.561mm。第二片透鏡與第一片透鏡間距2.0±0.Imm,前表面半徑-367.106mm,厚度5.5±0.Imm,后表面半徑-32.995mm。第三片透鏡與第二片透鏡間距2.0±0.1mm,前表面半徑-98.298mm,厚度
5.5±0.1mm,后表面半徑-63.119mm,后表面距離導光光纖束14入射端面33.0mm。
[0020]參見附圖3，它為本實施例中分光數(shù)字選通子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，包括狹縫光闌21、凹面反射鏡22、凸面光柵23、凹面反射鏡24、數(shù)字微鏡器件25、吸光器26。狹縫光闌21限制照明光源子系統(tǒng)中導光光纖束14輸出端處的雜散光，凸面光柵23與凹面反射鏡22和24位于羅蘭圓上且構(gòu)成了同心對稱的Offner型分光結(jié)構(gòu)，并將導光光纖束14輸出的光輻射均勻色散至焦面處的數(shù)字微鏡器件25，通過對數(shù)字微鏡器件25上每個微小反射鏡朝向的數(shù)字化選通實現(xiàn)不同光譜構(gòu)成與強度的控制，無用的雜散光由吸光器26消除。在本實施例中，采用狹縫光闌21高度為14.1mm，寬度為13.68um。所述Offner型分光結(jié)構(gòu)中凸面光柵23 口徑為33mm，曲率半徑為152.7mm，線對數(shù)為2681p/mm，凹面反射鏡22和24的曲率半徑分別為299.68mm和299.67mm, 口徑分別為99.50mm和83.48_。分光結(jié)構(gòu)的譜段工作范圍為380-780nm，可根據(jù)需要進行相應設計修改。所述數(shù)字微鏡陣列25的分辨率為1024X768, —維為色散維方向，另一維為空間維方向，每個微鏡尺寸為13.68 μ mX 13.68 μ m，每個微鏡有-12°和+12°兩個偏向角，分別代表吸光和通光工作狀態(tài)。吸光工作狀態(tài)即將色散光反射至吸光器26吸收，通光工作狀態(tài)即將色散光反射至光譜混合輸出子系統(tǒng)選通。處于吸光和通光工作狀態(tài)的數(shù)字微鏡的個數(shù)決定了色散光幅度調(diào)制的強弱。所述吸光器26可通過發(fā)黑處理過的吸光元件實現(xiàn)。
[0021]參附圖4和5，它們分別為本實施例中導光光纖束入射端面和出射端面的示意圖；如圖4所示，入射端為若干單根導光光纖組成的圓形端面，與附圖2中科勒照明透鏡組13的出瞳耦合匹配；如圖5所示，出射端為相應導光光纖排列而成的線形端面，與附圖3中狹縫光闌21耦合匹配。
[0022]本實施例中，光譜混合輸出子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括凹面反射鏡、平面反射鏡、積分器以及透鏡，將分光數(shù)字選通子系統(tǒng)輸出的色散光經(jīng)凹面和平面反射鏡耦合至積分器，由透鏡出射，使數(shù)字化選通的色散光輻射混合輸出。其結(jié)構(gòu)設置和輸出光譜范圍由分光數(shù)字選通子系統(tǒng)匹配決定。積分器起到將色散的光信號在空間上混合的作用，可為積分球、積分棒等形式，在本實施例中采用積分棒。
[0023]光譜監(jiān)測子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括分束器、透鏡、光譜儀，實現(xiàn)對光譜混合輸出子系統(tǒng)輸出端光信號的監(jiān)測反饋。分束器為半透半反型，透鏡起到將光信號耦合進入光譜儀的作用，光譜儀的工作譜段范圍涵蓋光譜混合輸出子系統(tǒng)3的輸出光譜范圍。
[0024]控制處理子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括中央處理器和高速控制處理電路，通過對光譜監(jiān)測子系統(tǒng)中光譜儀反饋回的監(jiān)測信號進行分析，經(jīng)高速控制處理電路，實時優(yōu)化數(shù)字微鏡器件上每個微小反射鏡的朝向狀態(tài)，補償數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)的輸出光譜與目標譜線間的差異。在本實施例中，中央處理器為高性能的計算機，高速控制處理電路為基于FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)的PCB板，其控制處理速度與數(shù)字微鏡器件相匹配。
[0025]在本實施例中，整個數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)的工作譜段為380?780nm，但本發(fā)明的適用光譜范圍在原理上不僅限于此，可根據(jù)目標要求對照明光源子系統(tǒng)、分光數(shù)字選通子系統(tǒng)、光譜混合輸出子系統(tǒng)和光譜監(jiān)測子系統(tǒng)進行相應合理的設計實現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)，其特征在于:它包括照明光源子系統(tǒng)、分光數(shù)字選通子系統(tǒng)、光譜混合輸出子系統(tǒng)、光譜監(jiān)測子系統(tǒng)和控制處理子系統(tǒng)；照明光源子系統(tǒng)發(fā)出的光輻射信號經(jīng)耦合進入分光數(shù)字選通子系統(tǒng)，再經(jīng)光譜混合輸出子系統(tǒng)輸出信號至光譜檢測子系統(tǒng)；光譜檢測子系統(tǒng)輸出反饋信號至控制處理子系統(tǒng)，控制處理子系統(tǒng)輸出信號至控制分光數(shù)字選通子系統(tǒng)；所述的照明光源子系統(tǒng)包括寬光譜光源(12)、拋物面聚光鏡(11)、科勒照明透鏡組(13)和導光光纖束(14),寬光譜光源置于拋物面聚光鏡焦點處,寬光譜光源發(fā)出的光輻射經(jīng)科勒照明透鏡組和導光光纖束耦合進入分光數(shù)字選通子系統(tǒng)；所述的分光數(shù)字選通子系統(tǒng)包括狹縫光闌(21)、凸面光柵(23)、凹面反射鏡(22)、數(shù)字化選通裝置(25)以及吸光器(26)，狹縫光闌限制照明光源子系統(tǒng)中導光光纖束輸出端處的雜散光，凸面光柵與凹面反射鏡構(gòu)成同心對稱的Offner型分光結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)，其特征在于:導光光纖束(14)的入射端為若干單根導光光纖組成的圓形端面，導光光纖束的出射端為相應導光光纖排列而成的線形端面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)，其特征在于:所述的數(shù)字化選通裝置為數(shù)字微鏡器件，或硅基液晶。
4.一種如權(quán)利要求1所述的數(shù)字可控光譜光源系統(tǒng)的調(diào)控方法，其特征在于包括如下步驟: (1)將寬光譜光源發(fā)出的光輻射信號耦合后輸入到分光數(shù)字選通子系統(tǒng)； (2)分光數(shù)字選通子系統(tǒng)對輸入的信號進行色散分光和數(shù)字化調(diào)制選通處理后，輸出光譜信號至光譜檢測子系統(tǒng)； (3)光譜檢測子系統(tǒng)對接收到的光譜信號進行實時監(jiān)測，并將光譜信號反饋至控制處理子系統(tǒng)； (4)控制處理子系統(tǒng)對接收到的光譜信號的光譜構(gòu)成和強度與目標光輻射信號比對，依據(jù)兩者的差異實時補償控制分光數(shù)字選通子系統(tǒng)中數(shù)字化選通裝置的狀態(tài)，對光譜光源系統(tǒng)的輸出光輻射信號的光譜構(gòu)成與強度進行實時校準和調(diào)制。
【文檔編號】G01J3/10GK103698007SQ201310748532
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】馬鎖冬, 王巖, 陳新華, 陳宇恒, 季軼群, 周建康, 沈為民 申請人:蘇州大學