[发明专利]具有可控光谱带宽和分辨率的光谱滤波器

说明书

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。

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。

发明领域

本发明涉及光谱滤波器，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。

发明背景

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(a narrow linewidth,wavelength-agile source)。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。本发明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。