光学可调谐偏振干涉滤波器的装置和方法

专利名称：光学可调谐偏振干涉滤波器的装置和方法
技术领域：
本发明涉及波长可调谐光学偏振干涉滤波器，更具体地讲，涉及一种制造可调谐滤波器的新方法以及基于这种方法发展的新光谱滤波器。
背景技术：
偏振是当横波偏振时展示的现象。光是一种在垂直于传播方向振动的横波。普通光是非偏振的，由在所有方向振动的横波组成。在非偏振光波里，在垂直于传播方向振动的横波在所有方向出现的概率相同。若振动的方向可知而且保持不变则光被说成是偏振的。
有不同的方法产生线性偏振光，例如使用所谓的偏振器。偏振器是一种其出射光为线性偏振光的装置。偏振器的特性是出射线性偏振光的振动方向，其称作偏振器的轴。由于大多数偏振器为透射式，因此一个经常遇到的术语是透射轴。一个偏振器只是对于在其透射轴方向偏振的入射光透明。于是两偏振器的组合是不透明的如果定方位这两偏振器使其透射轴相互垂直。若旋转第二个偏振器使其透射轴不再垂直于第一个偏振器，那么透射过的光逐渐增加一直到两偏振器相互平行。
当偏振光通过一称作光学旋转器或法拉第旋转器的介质或装置时，其平面能被转过一固定的角度。旋转(旋转角)的方向和大小取决于该介质或装置的特性和厚度。
滞相器或波片是一种装置其将一光波分解成在滞相器的两特殊正交方向上振动的两正交的线性偏振分量并使它们间产生一相位延迟。相位延迟是滞相器的特性，其称作滞相器的相位角(Δ)以及相位产生的特殊方向称作滞相器的参考轴。一个滞相器的参考轴在一包含它的系统里的角度称作滞相器的方位角()。最普通的滞相器产生90°和180°的相位延迟因此它们叫作四分之一波和半波滞相器。普通的双折射滞相器是双折射材料的平行平板其光轴平行于平板的表面。
偏振干涉滤波器或双折射滤波器是基于偏振光的干涉。这样的滤波器由双折射片和偏振器组成。双折射片的相位角Δ＝Δ(λ)是色散的，也就是说取决于入射光波的波长λ。参数相位角的色散形成了双折射滤波器的基础使得其透射光的强度按光波长λ的某一函数变化。原本的双折射滤波器是不可调谐的，其光波长的选择性是固定的。它们的调谐方法将在下面以及更详细地在近一步背景技术部分介绍。
一个(光谱)滤波器的光谱透射率或透射率是此滤波器的特性，定义为此滤波器相对于入射光强透射的作为光波长函数变化的光强度。在大多数情况下后者可被认为为常数以致于一个滤波器的光谱透射率或透射率就等同此滤波器透射的作为光波长函数变化的光强。
偏振干涉滤波器或双折射滤波器是一种滤波器透射率由设计者控制的主动滤波器。此种滤波器能够制造使具有很高的分辨率和系统精度。其另一优点是超高的成像质量因此其又称作成像质量滤波器非常适合用于成像设备。另外的优点包括可能的高入射角度和大孔径。双折射滤波器已经证明是天文研究有效的工具尤其在太阳物理研究中独特的价值。由于其超高的成像质量此种滤波器已经广泛地用于成像设备，例如显微镜和成像光谱仪。此种滤波器也用于单色仪中的调谐装置和可调谐激光。一些其他重要应用包括光学通讯和雷达，成像和投影，颜色图形分析和显示，遥感和太空航天装置。
双折射滤波器首先由Lyot(Lyot，B.(1933)Comptes Rendus1971593)发明。基本的Lyot滤波器(Yariv，A.和Yeh，P.(1984)晶体中的光波，第五章，John Wiley和Sons，纽约)由一组双折射晶体片夹在平行的偏振器之间组成。每一个双折射片的厚度是其前面一个的一倍并且所有的双折射片定方位在45°的方位角。另一种双折射滤波器是 滤波器 (1965)，J.Opt.Soc.Am.55621)。 滤波器是由一组置于一对偏振器之间并适当定方位的相同双折射片组成的光学系统。一个Lyot滤波器通常比一个等同的 滤波器需要较少的双折射片。然而， 滤波器不使用中间偏振器，因而可提供更高的透射率。Evans(Evans，John W.(1949)J.Opt.Soc.Am.39229)和Title和Rosenberg(Title，A.M.和Rosenberg，W.J.(1981)Opt.Eng.20815)已经综述和/或讨论了Lyot和 滤波器的理论和技术及其调谐方法。另外Gunning和Lotspeich等的文章(Gunning，W.J.(1981)Opt.Eng.20837；Lotspeich，J.F.，Stephens，R.R.和Henderson，D.M.(1981)Opt.Eng.20830)也是有趣的。
在Lyot和 类滤波器中使用的双折射片是由双折射材料例如石英和方解石做成的平行平板或薄片使得光轴平行于平板表面，或者用其它的双折射材料。晶体材料适合于需要高分辨率和低波前崎变的应用。其它的双折射材料包括，但不局限于，聚合物材料，例如聚乙烯醇和聚碳酸酯，和液体聚合物薄膜。这些材料吸引人，使得大孔径和/或低造价的滤波器，从而使得这种滤波器许多潜在的应用成为可能。原本的Lyot和 滤波器是不可调谐的。一个光学滤波器的用处将大为提高如果其波长的选择性可调谐。调谐一个双折射滤波器就是同时改变或移动此滤波器所有双折射片的相位角。一般地有三种基本的调谐双折射滤波器的方法，即直接法，旋转-元件法和光电调谐。直接法就是直接改变所调谐双折射片的物理厚度，例如使用成对的契形滞相片。尽管简单，但是这种方法并非最实用的方法因为光学路程的改变对成像系统不可取而且需要温度控制。
旋转-元件法使用全色滞相器，通常是双折射全色滞相器。这是一个实际使用非常有效的方法。一个使用此种方法的滤波器可制造使其具有很高的分辨率和系统精度。根据现有技术(参看下面)，通常为了调谐一个双折射片需要三个全色滞相器。在特殊情况下，需要的全色滞相器的数量能够减少，但至少需要一个全色滞相器。通常用于这种目的的全色滞相器是由两个或更多的双折射片组成的复合原件。于是，为了调谐一个双折射片一般平均需要几个双折射片或更多以致于一个组装好的可调谐的滤波器成为一个相当复杂的光学和机械系统尽管其原本的波长固定的结构仅含几个双折射片。由于此原因基于这种方法用双折射晶体材料制成的可调谐滤波器的制造成本甚高而且分辨率，系统精度和透射率的近一步提高严重受阻。另一方面，一个可调谐滤波器高的制造成本和复杂的结构也阻止其许多潜在的应用。一个使用全色滞相器的滤波器的另一缺点是全色滞相器对滤波器的工作波长范围的限制。对这样的滤波器，通常是全色滞相器的工作波长范围决定和严重限制了滤波器的工作波长范围。宽带全色滞相器的制造很难又很贵。
光电调谐没有运动部件而且调谐的速度可以非常高。快速可调谐的光学滤波器尤其是在讯号处理，颜色显示，空间平台，遥感和波长分隔多道传输的应用中吸引人。可调谐的双折射滤波器可使用光电晶体片或调制器制成(参看Gunning，W.J.(1981)Opt.Eng.20837；Lotspeich，J.F.，Stephens，R.R.和Henderson，D.M.(1981)Opt.Eng.20830)。有许多滤波器设计的版本它们是基于基本的Lyot和 滤波器结构或者类似于机械的调谐方法发展起来的。调谐可通过电动地改变光电双折射片的双折射率或者用光电等同物替换可转动的全色滞相器来实现。光电调谐的主要缺点是小的孔径和视界。另一个缺点是一个几级滤波器的透射率由于纵向电场的电级而大为减少或者如果代替地使用横向电场一个达几厘米的孔径所需的电压成为非常高。另一方面，光电调谐非常昂贵。
作为光电材料的替代物，液晶(LC)元件或者开关已经被使用于根据Lyot和 滤波器的结构或者机械调谐方法的基本结构制造可切换或可调谐的滤波器(参看，例如Tarry，H.A.(1975)Elect.Lett.1847；Scheffer等，美国专利，专利号4,019,808；Kaye，W.I.，美国专利，专利号4,394,069；Johnson等，美国专利，专利号5,132,826和5,231,521；Miller，P.美国专利，专利号5,689,317；Sharp等，美国专利，专利号6,091,462)。有各种不同的液晶装置(参看，例如Saleh，B.E.A.和Teich，M.C.“光电子学基础”，JohnWiley & Sons Inc，1991；Clark，N.A.等.(1983)Mol.Cryst.和Liq.Cryst.94213；和Anderson等(1987)Appl.Phys.Lett.51640)。例如它们包括，向列和类热准直向列液晶元件，铁电效应液晶(FLC)元件，表面稳定铁电效应液晶(SSFLC)元件，脂状A*(SmA*)液晶元件和畸变螺旋状铁电效应液晶(DHF)元件，和扭转-向列偏振旋转器。虽然也有不足之处例如在视角和对比度方面，液晶装置有一些吸引人的特性，包括，紧凑的尺寸，低成本，大孔径和低能耗以致于其不仅在显示技术而且在许多其它的应用中特别有用。
正如背景技术所证明，目前用于制造可调谐双折射光谱滤波器的方法需要既贵又复杂的结构和/或它们由于其缺点而受到限制。

发明内容
普通的光学旋转器或法拉第旋转器一般仅用于一事先确定的单一波长或一很窄的波长范围其展示旋转角与光波长强烈有关的色散效应。光学旋转器或法拉第旋转器的色散在大多数情况下是不愿意有的因为它取决于光的波长旋转光不同的角度。光旋转色散是众所周知的且传统上被认为在光学旋转器或法拉第旋转器的大多数应用中是一个不利的效应。由于这个原因，所以才努力发展全色的光学旋转器或法拉第旋转器。
本发明提供了一个全新的制造可调谐偏振干涉滤波器的概念，其比现有的方法简单且更有效。本发明的新概念是基于光旋转色散而发展起来的它使得不仅可以以比现有技术简单得多的方式制造可调谐的双折射滤波器，而且也可以发展新特征的光谱滤波器。
本发明的一特征就是意识到光旋转色散效应在制造和发展可调谐光谱滤波器的价值，其本身就是可调谐的。
根据此新概念，一个偏振旋转的色散当其与一个对方位敏感的偏振光学元件例如偏振器或滞相器适当组合时可以用于形成光的波长的选择性。不像相位延迟，光学旋转是一个与偏振元件的方位紧密相关的参数。由于此特点，与本发明一致的可调谐滤波器本身就是可调谐的而且其结构比现有技术中等同者简单或简单得多。滤波器的基本透射率由所用的偏振旋转器确定而且可由转动滤波器的相关偏振构件和/或如果可能的话改变滤波器的偏振旋转器的旋转角简单地达到其调谐。近一步地，能够发展可调谐和可切换的滤波器，包括新特征的光谱滤波器，机械驱动地，电驱动或电磁驱动地，或连续或非连续驱动地，取决于所选的构件。
本发明还提供基于新概念发展的可调谐双折射滤波器，其或是全新的或其结构比现有技术中的同类产品紧凑得都多。本发明的滤波器使用光学旋转器和/或法拉第旋转器或使用它们作为关键元件与另外的光学滞相器例如双折射滞相器和等同的液晶元件相组合，优选为全色或零级双折射滞相器，或者液晶偏振旋转器。本发明公开的光谱滤波器包括单级和多级的滤波器，无中间偏振器的滤波器，包括等同于 类的两片和三片滤波器和Loyt两级滤波器和一个方波带通滤波器。它们具有可机械调谐的基本特性而且可以近一步地电动调谐或切换或近一步地调节光谱透射峰带的带宽如果使用法拉第旋转器和/或合适的液晶元件这样的主动元件。本发明的使用法拉第旋转器的滤波器可近一步地具有单向装置的功能，在一个方向透射和可调谐地滤光，但却阻止反方向光通过。
本发明适合的偏振旋转器可以是任何色散的偏振旋转器例如普通的光学旋转器，即石英光学旋转器，和法拉第旋转器。适合的光学滞相器包括双折射波片，优选为全色或零级双折射滞相器，或它们的电驱动等同物，例如液晶电动旋转滞相器和液晶可变滞相器，或它们的等同物包括光电调制器，压电和电磁调制器。液晶电动旋转滞相器可以从SmA*元件，DHF液晶元件，SSFLC元件，平面准直脂状C*元件和三态反铁电效应液晶元件中选取。液晶可变滞相器可以是例如向列和类热准直向列液晶元件。本发明的光谱滤波器能够用于或者修改后用于反射模式。
通过下面的描述中并结合附图，可以更清楚本发明的原理，优点和特征。本发明包括不同的优选实施例，其描述以文中给出的其透射曲线为特征的并适合于不同应用的滤波器。另外，也给出与背景技术的同类滤波器的比较以及对它们特征和应用和对它们所用构件的选择的评论和建议。


图1显示了根据背景技术的一种偏振器-旋转的单级双折射可调谐滤波器，其由一双折射片和一全色四分之一波片成串接排列在偏振器间组成。
图2显示了根据背景技术的一种偏振器固定的单级双折射可调谐滤波器，其由一双折射片，一固定的全色四分之一波片和一可转动的半波片成串接排列在偏振器问组成。
图3显示了根据背景技术的一种调谐结构，其由两个全色四分之一波片和一个可转动的半波片组成可用于调谐位于一光学系统中任一位置的一个双折射片。
图4显示了根据背景技术的如John W.Bvans描述的一种两片调谐结构，其由两个全色四分之一波片组成。
图5显示了根据背景技术的如Carl F.Buhref描述的一种双调谐结构，其由一对互补的如图4所示的两片调谐结构组成可用于在一双折射滤波器中同时调谐两相同的双折射片。
图6，由图6a-6c组成，显示了根据本发明的用于制造可调谐滤波器的调谐器，其使用一个色散的偏振旋转在它分别与一偏振器(图6a)，一滞相器(图6b)，和一滞相器和另一偏振旋转器(图6c)相组合时形成原本就可调谐的光波长选择性。
图7显示了根据本发明的一种单级可调谐滤波器，含有一个优选为光学旋转器或法拉第旋转器的色散偏振旋转器夹在偏振器间。
图8显示了根据本发明的另一种单级可调谐滤波器，由一色散光学旋转器与一半波滞相器相组合在偏振器间组成。半波滞相器优选为全色或零级双折射滞相器或等同的液晶电动旋转滞相器。
图9显示了根据本发明的另一种单级可调谐滤波器，其由一色散光学旋转器与一主动偏振旋转器相组合在偏振器间组成。主动偏振旋转器优选为法拉第旋转器或扭转-向列液晶偏振旋转器。
图10显示了根据本发明的一种单级可调谐滤波器，其含有一对旋转角相等旋向相反的光学旋转器与一个可变滞相器在偏振器间相组合。可变滞相器优选为液晶可变滞相器或等同物。
图11显示了根据本发明的一种n-级(n＝2，3，4，...)可调谐滤波器其每级与图6的优选实施例一致含有一个夹在偏振器间的色散偏振旋转器。
图12，由图12a-12c组成，显示了根据本发明的按照图11的优选实施例在n＝2时制造的一个两级光谱滤波器与光波长λ关系的测试透射曲线I2(λ)当调谐角ψ＝0°，ψ＝15°(图12a)，ψ＝30°，ψ＝45°(图12b)，和ψ＝90°，ψ＝135°(图12c)。
图13，由图13a-13b组成，显示了根据本发明的按照图7和图11的优选实施例在n＝2，3时使用法拉第旋转器的单级，两级和三级单向滤波器与光波长λ关系的计算往返透射曲线I1r(λ)，I2r(λ)和I3r(λ)(图13a)与单向透射曲线I1(λ)，I2(λ)和I3(λ)(图13b)的比较。
图14显示了根据本发明的一种n-级(n＝2，3，4，...)可调谐滤波器其每级与图8的优选实施例一致含有一个色散偏振旋转器与一个半波滞相器在偏振器间相组合。
图15显示了根据本发明按照图14的优选实施例在n＝2时使用零级双折射滞相器的一个两级光谱滤波器当调谐角1＝0°，1＝30°和1＝60°时与光波长λ关系的计算透射曲线I2(λ)。
图16显示了根据本发明的一种n-级(n＝2，3，4，...)可调谐滤波器其每级与图9的优选实施例一致含有一个色散偏振旋转器和一个主动偏振旋转器在偏振器问相组合。
图17显示了根据本发明的一种n-级(n＝2，3，4，...)可调谐滤波器其每级与图10的优选实施例一致含有一对旋转角相等旋向相反的光学旋转器与一个可变滞相器在偏振器间相组合。
图18显示了根据本发明的一种无中间偏振器的滤波器，含有三个色散光学旋转器和两个相同的滞相器排列在偏振器间。此滤波器当使用两个四分之一波滞相器时等同于一个 类型的两片滤波器，而且可机械调谐，取决于所选的构件且可近一步地电调谐或切换或近一步地可调节带宽。
图19显示了根据本发明按照图18的优选实施例的一个光谱滤波器当相位角分别为Δ＝80°，Δ＝90°，Δ＝105.8°，Δ＝110°和Δ＝115°时与光波长λ关系的一组计算透射曲线I2(λ)。
图20显示了根据本发明按照图18的优选实施例使用零级双折射滞相器的一个光谱滤波器当调谐角为中＝0°，＝30°和＝60°时与光波长λ关系的一组计算透射曲线I2(λ)。
图21，由图21a-21b组成，显示了根据本发明按照图18的优选实施例使用法拉第旋转器的单向滤波器与光波长λ关系作为相位角Δ＝80°，Δ＝90°，Δ＝105.8°，Δ＝110°和Δ＝115°的函数的计算往返透射曲线I2r(λ)(图21a)与单向透射曲线I2(λ)(图21b)的比较。
图22显示了根据本发明的一种三调谐器滤波器的结构，其含有三个色散光学旋转器和两个四分之一波滞相器排列在偏振器间。此滤波器动作为一无中间偏振器Loyt两级滤波器且取决于所选的构件其可机械调谐，电调谐或单向电调谐。
图23，由图23a-23d组成，显示了根据本发明按照图22的优选实施例的一个滤波器当使用零级波片(实线)或全色四分之一波滞相器(点画线)调谐角为(1＝0°(图23a)，(1＝45°(图23b)，1＝90°(图23c)和1＝135°(图23d)时与光波长λ关系的一组计算透射曲线I3(λ)。
图24显示了根据本发明的另一种三调谐器滤波器的结构，其由图22的优选实施例在紧邻输出偏振器之前插入一半波滞相器形成。
图25显示了根据本发明的另一种三调谐器滤波器的结构，其含有四个色散光学旋转器和三个滞相器排列在偏振器间。选择适当的滞相器此滤波器等同于一个 类型的三片滤波器或一个Loyt两级滤波器而且可机械调谐，取决于所选的构件且近一步地可电调谐，切换或单向电调谐或者近一步地可调节光谱透射峰带的带宽。
图26显示了根据本发明按照图25的优选实施例的光谱滤波器在第一和第三滞相器的相位角分别为Δ＝60°，Δ＝70°，Δ＝80°，Δ＝90°和Δ＝100°时与光波长λ关系的计算透射曲线I3(λ)。
图27，由图27a-27c组成，显示了根据本发明按照图26的优选实施例的光谱滤波器当第一和第三滞相器为零级波片(实线)或全色四分之一波滞相器(点画线)时调谐角为＝0°(图27a)，＝30°(图27b)和＝60°(图27c)时与光波长λ关系的一组计算透射曲线I3(λ)。
图28，由图28a-28b组成，显示了根据本发明按照图25的优选实施例使用法拉第旋转器的单向滤波器与光波长λ关系作为第一和第三滞相器相位角Δ＝60°，Δ＝70.5°，Δ＝80°和Δ＝90°的函数的计算往返透射曲线I3r(λ)(图28a)与单向透射曲线I3(λ)(图28b)的比较。
图29显示了根据本发明的另一种三调谐器滤波器的结构，其含有四个色散光学旋转器和三个滞相器排列在偏振器问。此滤波器具有近似方波形的带通透射曲线而且可机械调谐，取决于所选的构件且近一步地可电调谐，切换或单向电调谐。
图30，由图30a-30c组成，显示了根据本发明按照图29的优选实施例的一个带通滤波器当使用相位角为Δ1＝44°和Δ2＝97°的全色滞相器(点画线)或相位角在463毫微米时为Δ1＝44°和Δ2＝97°的零级波片(实线)时调谐角为＝0°(图30a)，＝22.5°(图30b)，＝45°(图30c)，和＝67.5°(图30d)的与光波长λ关系的一组计算透射曲线I3(λ)。
图31，由图31a-31b组成，显示了根据本发明按照图29的优选实施例使用法拉第旋转器的一个单向带通滤波器与光波长λ关系的计算往返透射曲线I3r(λ)(图31a)与单向透射曲线I3(λ)(图31b)的比较。此滤波器假定具有第一和第三滞相器的相位角为Δ1＝44°和Δ2＝97°(实线)，和Δ1＝38.4°和Δ2＝108.2°(点画线)。
近一步背景技术为了方便理解本发明给出现有技术使用全色波片的调谐方法的近一步的背景技术。图1图解地显示背景技术中一种偏振器-旋转的可调谐单级滤波器的结构。图1的滤波器由一个输入偏振器11(方位角P1)，一个双折射片12，一个全色四分之一波片13和一个输出偏振器14(方位角P2)组成。一光束15入射到图1的滤波器且垂直入射，即平行于z轴，分别穿透过输入偏振器11和其后的元件。对下文中任一光学结构，其入射光束也将以垂直入射，即平行于图中的z轴，透射过此结构。双折射片12定方位使得其快轴相对于偏振器11，其透射轴假定平行于y轴，即P1＝0°，位于角度45°。四分之一波片13是在滤波器的波长范围消色差的且定方位平行于偏振器11。波片13通常是一由两个或更多的双折射片组成的复合原件，其成串接排列并适当定方位使得它们的组合等同于一个其相位角在该波长范围近似不变且方位角不变或近似不变的滞相器。根据Mueller矩阵或Jones矩阵表示法(参看R.M.A.Azzam和N.M.Bashara“偏振光测试学和偏振光”，North-Holland，纽约，1988)，图1滤波器且透射的光强能够被计算为I=I0cos2(P2-Δ2),···(1)]]>式中I0为偏振器11的入射光强，P2是偏振器14的相对于偏振器11的方位角以及Δ＝Δ(λ)是双折射片12的相位延迟或相位角。一双折射片的相位角Δ是一个与波长有关的参数按如下众所周知的等式描述Δ=2πd(ns-nf)λ,···(2)]]>式中λ是光波长，d(ns-nf)叫做路程差，d为双折射片的厚度，ns-nf是双折射片材料的双折射率，na是在λ的低折射率，而nf为高折射率。图1滤波器的透射率是由相位角Δ(λ)确定且透射率曲线可转动输出偏振器14从而改变方位角P2调谐。
在有些应用中不希望转动偏振器14，根据背景技术这可通过在偏振器14前引进一可转动的全色半波片而避免。图2图解地显示一个这样修改的结构，由图1的滤波器通过在偏振器前插入一可转动的全色半波片16形成。对图2的滤波器而言，输出偏振器l4可保持不动。当转动半波片l6以致于相对于输入偏振器11它的快轴位于角度γ时，偏振器14之后的光强将准确等于在双折射片12加了一相位角δΔ＝4γ时所产生的光强。四分之一波片13和半波片16形成一个两片调谐元件或调谐器17。
图1或对图2中被调谐的双折射片12的后面直接是一个偏振器(偏振器14)没有波片13或调谐器17。图3图解地显示一种更一般的结构适用于调谐一滤波器，例如 型滤波器，中的一个前后均无偏振器的双折射片。这是图2调谐结构的近一步发展在可转动的半波片16之后加入一个固定的四分之一波片18并使其光轴平行于四分之一波片13的光轴。波片13，16和18的组合运作为一个其光轴平行于双折射片12的可变相位延迟器19并将一等于波片16的方位角γ四倍的相位延迟加到双折射片12的相位角Δ(λ)上。一个根据现有技术使用三片调谐器的可调谐双折射滤波器随着其构件的数量的增加越来越复杂。
Evans(J.W.Evans“双折射滤波器”，J.Opt.Soc.Am.，39，1949，pp.229-242)描述了一个如图4所示的两片调谐器。此两片调谐器20由置放在被调谐的双折射片21之后的成串接排列的一个固定的四分之一波片22和一个可转动的四分之一波片23组成。四分之一波片22的快轴相对于双折射片21定方位在角度45°。四分之一波片22和23的组合等同于一个其后跟了一个光学旋转器的可变相位延迟器。当四分之一波片23相对于波片22位于角度γ时产生的相位延迟等于π+2γ。此两片调谐器的主要缺点是旋转器引入的座标轴的转动。基于Evans的两片调谐器Buhrer(Buhrer Carl F.，美国专利，专利号4,678,287)发展了用于同时和等量调谐两个折射片的双调谐器。他的双调谐器由一对互补的两片调谐器组成其物理转动大小相等旋向相反因而相互抵消。图5显示他的双调谐器24的一个结构其由置放在被调谐的双折射片21和28之间的成串接排列的两个固定的四分之一波片22和27和两个可转动的四分之一波片23和26组成。波片22和23相对于双折射片21定方位形成一个如上所述的两片调谐器20。而波片26和27相对于双折射片28定方位形成另一个两片调谐器25以致于调谐器20和25的物理转动相互面向，其大小相等但旋向相反因而相互抵消。
具体实施方案本发明的滤波器或光学系统的元件在光学上成串接连接。在图中，出现在一张图里的相同数字表示相同的元件。在多张图里出现的相同数字表示相同特征的元件。术语“偏振旋转器”在本说明书中定义为用作旋转偏振光的元件或装置。于是一个偏振旋转器可以是一光学旋转器或法拉第旋转器或其它，例如液晶偏振旋转器。术语“滞相器”是指任何能够改变光的相位角的元件或装置。一个滞相器引入的相位延迟或相位角(Δ)可以是与光波长有关的，例如如方程(2)所表示，或者在某一波长范围消色差的。除了偏振旋转器外，本发明的滤波器还使用滞相器，优选从双折射全色或零级滞相器或波片，和液晶滞相器包括液晶可变滞相器和液晶电动旋转滞相器或等同物中选取。滞相器材料包括，但不局限于，晶体材料，包括石英和方解石，聚合物材料，例如聚碳酸酯和聚乙烯醇，以及液晶材料。一个全色滞相器具有相位角Δ在某一波长范围等于或近似等于一事先确定的数值，其可用两个或更多的双折射片制造(参看，例如Pancharatnam，S.(1955)Proc.Indian Acad.Sci.41137；Beckers，J.M.(1971)Appl.Opt.10973)。一个零级滞相器的路程差通常在某一波长等于λ/4或λ/2，而不是(k+1/4)λ或(k+1/2)λ(k＝1，2，3，...)。注意一个相位角Δ＝π或Δ＝180°等同于一个半波(λ/2)路程差。一个液晶可变滞相器或等同物，例如电光调制器，光弹调制器和磁光调制器，具有相位角可电驱动改变，而一个液晶旋转滞相器的相位角固定，但其光轴的方位可电驱动旋转。一个滞相器可以是一复合原件。术语“复合滞相器”用于表示一由两个或更多的光学上成串接连接的滞相器或波片组成的装置其等同于一个滞相器。如同在本说明书中所使用术语滞相器被理介为包括所有这样的元件或装置或等同物。术语“偏振器”是任何产生或分析偏振光的元件或装置。本说明书描述的优选实施例优选使用在大多数滤波器的应用中愿意使用的线性偏振器。一个偏振器的方位角P指的是其透射轴的方位而一个滞相器的方位角()指的是这个滞相器的光轴的角度，两者都相对于一选定的参考轴。在包含了偏振元件的图中，一个偏振器或者滞相器的轴方位都由一粗体箭头表示。对于一其方位可在两交替状态切换的电动旋转滞相器，它的方位角由on和off给出。对于一其相位角可在两交替状态电动切换的滞相器，它的相位角由Δon和Δoff表示。
本发明提供了一个新的，使用光旋转色散制造可调谐光谱滤波器的概念。一个象光学旋转器或法拉第旋转器这样的偏振旋转器展示色散效应其旋转角取决于或很强地取决于光的波长，典型地随着波长减小而增加。一个其Mueller矩阵M或等同地Jones矩阵J为如下形式的元件或装置M=10000cos2ρsin2ρ00-sin2ρcos2ρ00001]]>或J=cosρsinρ-sinρcosρ···(3a,b)]]>定义为一光学旋转器(例如Azzam，R.M.A和Bashara，N.M.“偏振光测试学和偏振光”，North-Holland，纽约，1988)，式中ρ＝ρ(λ)是旋转角。一般的光学旋转器是一石英晶体或其它展示圆双折射率晶体材料的平行平板，例如银硫酸盐(AgGaS2)，晶体切割使得光轴垂直于平板表面。一个石英光学旋转器也是一石英片，其晶体切割方式不同于一石英晶体制造的波片的切割方式。一般来说，一个可买到的石英光学旋转器不比一同质量的石英波片更贵。传统上，一个光学旋转器能够用于旋转偏振光一固定角度。但是它一般仅用于一事先确定的波长或一很窄的波长范围。一个普通的光学旋转器是非消色差的，其旋转角ρ(λ)典型地与旋转器的厚度成正比且与光波长的平方成反比(例如参看，B.E.A.Saleh和M.C.Teich“光电子学基础”，John Wiley & Sons Inc，1991)。
某些展示法拉第效应的材料(例如参看，B.E.A.Saleh和M.C.Teich“光电子学基础”，John Wiley & Sons Inc，1991)也可作为偏振旋转器。法拉第旋转不同于光学旋转之处仅在于一法拉第旋转的方向是由电磁场的方向所决定与光传播的方向无关。于是，方程(3)可用于描述一法拉第旋转器如果不讨论光在反方向的传播。有许多展示法拉第效应适用于制造法拉第旋转器的玻璃和材料，法拉第旋转器的玻璃包括，但不局限于，铽-镓-柘榴石(TGG)，钇-铁-柘榴石(YIG)和铽-铝-柘榴石(TbAlG)。对于一法拉第旋转器，其旋转角ρf(λ)与旋转器的厚度d，电磁通强度B和一叫做Verdet常数V的量成正比，其与光波长强烈有关。对于不同的材料，Verdet常数V＝V(λ)取决于材料的固有性质具有不同的波长特性，但一般说来随着波长减小而迅速增加。法拉第旋转器的旋转角通过调节作用其上的电磁通强度可电驱动改变。
光学旋转器或法拉第旋转器的色散效应在大多数传统的应用中是不愿意有的。正是由于这个原因，所以才努力发展全色的光学旋转器其旋转角在某一波长范围近似与波长无关(Displaytech，Inc.，Longmont，CO.美国；Koester，C.J.(1959)，J.Opt.Soc.Am.，49405)。众所周知一个宽带法拉第隔离器是通过补偿其法拉第旋转器的色散而达到的(例如Electro-Optics Technology，Incorporation，Traverse City，MI.美国)。光学旋转色散，光学旋转器和法拉第旋转器的不希望有的特性，在本发明中被有利地用来发展和制造可调谐光谱滤波器。根据本发明的概念，一个偏振旋转的色散当其与一个对方位敏感的偏振光学元件例如偏振器或滞相器适当组合时可以转换成光的波长的选择性。转换成的波长选择性通过改变偏振元件的方位或变动偏振旋转本身就是可调谐的，因为光学旋转是一个与偏振元件的方位角紧密相关的参数。于是，根据本发明，使用色散的偏振旋转器与一偏振器或滞相器组合时可制造新型的调谐器或调谐元件。图6图解地显示了本发明的调谐器的结构，其根据本发明的概念转换一色散偏振旋转成光的波长选择性当它分别与一偏振器(图6a)，一滞相器(图6b)和一滞相器和另一偏振旋转器(图6c)相组合时。
图6a显示了本发明的一种调谐器，其由一色散的偏振旋转器31和一偏振器32组成，此偏振器假定是某滤波器的输出或输入偏振器其前或后均无偏振元件。偏振旋转器31具有旋转角ρ(λ)按光波长λ的某一函数变化，它位于偏振器32之前(如图6a)或之后，其方位角相对于一选定的参考轴，即y轴，为P。偏振旋转器31可以是一光学旋转器，例如石英光学旋转器，或法拉第旋转器或者其它等同物。因为偏振器是一个输出或输入偏振器，单个偏振旋转器就可旋转此偏振器(参看Ye，C.和Kernen，E.(1997)J.Opt.Soc.Am.A.14682)。于是，偏振旋转器31和偏振器32的组合等同于一个其方位角相对于参考轴为P+ρ(λ)(如图6a)或P-ρ(λ)的偏振器33。与通常可得到的普通偏振器不一样，由于其方位角P+ρ(λ)或P-ρ(λ)按光波长λ的某一函数变化，等同偏振器33在透光时展示波长的选择性。这种波长选择性通过旋转原始偏振器32改变其方位角P或者改变旋转角ρ(λ)可调节，如果其可变的话。一个如同等同偏振器33的元件或装置在本说明书中称作偏振器调谐器。
图6b的调谐器由一个偏振旋转器31ρ(λ)和一个在其后(如图6b)或前的滞相器34(Δ，)组成，此调谐器作为一构件装在一光学系统或滤波器中。滞相器34(Δ，)在考虑的波长范围相位角和方位角两者都优选为消色差的。滞相器34的方位角是相对于光学系统或滤波器选定的参考轴量度，其假定平行于y轴。滞相器34的候选物包括双折射滞相器和液晶滞相器例如液晶可变滞相器和液晶电动旋转滞相器。众所周知一般来说一个滞相器可被旋转如将其插入一对旋转角相等旋向相反的光学旋转器之间(参看例如Azzam，R.M.A.(1975)J.Opt.Soc.Am.68518)。于是，偏振旋转器31和滞相器34的组合等同于一个滞相器35和一个在其前(如图6b)或之后的光学旋转器36。如所标明，等同滞相器35有与滞相器34一样的相位角Δ，但是其方位角与波长有关，等于+ρ(λ)(如图6b)或-ρ(λ)，而等同光学旋转器36有旋转角等于ρ(λ)。等同滞相器35运作为一个纯滞相器。不过，与通常可得到的普通滞相器不一样，其光轴的方位角+ρ(λ)或-ρ(λ)与波长有关。当等同滞相器35在一滤波器中时，它的方位角+ρ(λ)或-ρ(λ)的改变，其可通过旋转原滞相器34改变角度和/或变化旋转角ρ(λ)来完成，将导致光学系统或滤波器中由参数ρ(λ)贡献的光谱透射率的调谐。这形成了此调谐器用于制造光谱滤波器的基础。一个在等同滞相器35后面的光学旋转器，例如等同光学旋转器36，将改变此滤波器的光谱透射率，但不会引进此滤波器的调谐机理的改变，因为它对绕光束轴的机械转动不敏感。一个如同等同滞相器35的元件或装置在本说明书中称作滞相器调谐器。
可使用一旋转角等于-ρ(λ)并插入在滞相器34之后(图6c)的第二色散偏振旋转器37修改图6b的调谐器。旋转器31和37有大小相等旋向相反的旋转角，即ρ(λ)和-ρ(λ)，以致于旋转器31，滞相器34和旋转器37的组合等同于滞相器或滞相器调谐器35，其相位角Δ与滞相器34的相位角相同且其与波长有关的方位角等于+ρ(λ)(如图6c)或-ρ(λ)。对于更一般的情况，色散偏振旋转器31和37可以有不同的旋转角，其在考虑的波长范围成一事先确定的和所述滤波器结构有关的比例。它们可以旋向相同或相反。在这种情况下，旋转器31和旋转器37以及滞相器34的组合可以等同于一个光学旋转器在之前或之后加一个如上所述的滞相器调谐器。
图6的调谐器能够被用来发展和制造本身就可调谐的单级和多级滤波器。使用设计参数适当选择的两个或更多本发明的调谐器并将其成串接顺序安置于偏振器之间还能发展无中间偏振器的滤波器。使用本发明的调谐器，原理上讲各种新的可调谐滤波器都是可能的，包括 类型滤波器和无中间偏振器的Loyt类型滤波器以及有特殊透射波形的滤波器。本发明的调谐器通过组装其构件滞相器和旋转器能够被制造成复合原件。也可考虑使用单件偏振旋转器和滞相器设计和制造滤波器，但根据本发明的调谐原理和调谐器。本发明近一步地提供根据本发明的新概念和调谐器发展的可调谐光谱滤波器。这些滤波器使用象光学旋转器和法拉第旋转器这样的偏振旋转器或使用偏振旋转器作为关键元件与另外的光学滞相器相组合，例如双折射滞相器或波片，和液晶滞相器或等同物或液晶偏振旋转器。所有的滤波器都有机械调谐的基本特征而且取决于所选的构件可以近一步地电动调谐或切换或调节光谱透射峰带的带宽。使用法拉第旋转器近一步地可以制造在一个方向透射和可调谐地滤光，但却阻止反方向光通过的单向装置。本发明的滤波器可分为三类，单级滤波器，多级滤波器和无中间偏振器的滤波器。使用本发明的调谐器制造可调谐滤波器将通过下面描述的优选实施例，其每一个都用单件偏振旋转器和滞相器的结构表示，更好地解释。
本发明的单级滤波器(图7-10)都是独立的以偏振器为边界的单元，在偏振器边界内的元件可以是一偏振旋转器(图6a的调谐器)，一光学旋转器与一半波滞相器(图6b的调谐器)或一主动旋转器(图6c的调谐器)相组合，或者一对旋转角大小相等旋向相反的偏振旋转器和一个置于其中的可变滞相器(图6c的调谐器)。图7图解地显示本发明的一种单级滤波器的光学结构，其由一个输入偏振器40(方位角P1＝0)，一个偏振旋转器41和一个输出偏振器42(方位角P2)组成。偏振旋转器41是色散的其旋转角ρ＝ρ(λ)由于色散而和波长有关。偏振旋转器41和输出偏振器42的组合形成一个图6a的偏振器调谐器。本说明书中一滤波器的光谱透射率或透射过的光强将用Mueller矩阵表示法计算，即从此滤波器输出偏振器出射光束的Stokes矢量的第一个元素。于是，图7滤波器的光谱透射率I1＝I1(λ)能够被表示和计算为I1=121cos2P2sin2P20-110000cos2ρsin2ρ00-sin2ρcosρ000011cos2P1sin2P10=cos2(P2-P1+ρ(λ)).···(4)]]>式中1cos2P2sin2P20-1=1cos2P2sin2P2σ.···(5)]]>方程(4)有和标准的Loyt单级滤波器的光谱透射率相同的形式。但是，图7的滤波器具有光谱透射率I1(λ)的波长选择性是由偏振旋转器41的旋转角ρ(λ)确定。通过机械地转动偏振器40和偏振器42中的一个相对于另一个或者转动两者改变角度P2-P1图7的滤波器能够被调谐。对于实际使用，转动偏振器42并让偏振器40静止是合乎需要的。图7的滤波器可近一步地通过改变旋转角ρ(λ)调谐若其可调节。
根据本发明，旋转器41优选为一光学旋转器(ρ(λ)＝ρo(λ))，例如石英光学旋转器，典型地为一个石英晶体平行平板，晶体切割使得光轴垂直于平板表面。图7的使用光学旋转器的单级滤波器可机械调谐其在几方面优于现有技术。因为一石英旋转器是一单件平板，尽管用不同于石英晶体波片的切割方式切割，因此滤波器的结构等同于一个不可调谐的Loyt单级滤波器的结构。如图1所示，要实现调谐Loyt单级滤波器必需使用一额外的全色四分之一波片。然而，与现有技术相比本发明的此滤波器本身就是可调谐的，不需全色波片，节约了用于制造全色波片的双折射片。图7的滤波器另一优点是它的比图1滤波器简单的结构以致于在同样条件下对于前者可望达到更高的透射率和系统精度。由于不需要全色波片，图7的优选实施例的另一重要有利之处是根据现有技术制造宽带滤波器的障碍被移走了。根据图7的优选实施例，其探作波长范围可如石英晶体的透射极限所允许那样宽的Loyt结构的滤波器(参见下文)是可期待的。近一步地，光学旋转器拥有对任何绕旋转器轴的机械转动不敏感的特征。于是，图7的滤波器另一优良特征是其非常简单的安装和调节。当安装此滤波器时，仅需对准偏振器。图7的使用光学旋转器的单级滤波器也能够在反射模式下工作，例如在反射显微镜里。在这种情况下，光通过滤波器两次，即走一个来回，先是透射然后例如被一反射镜或者一检样反射。当工作在反射模式时图7的滤波器运作为一个可调谐的 两片滤波器其透射率表示为I1＝cos4(P2-P1+ρo(λ)) (6)本发明将在下面描述的滤波器也能够或者能容易修改后在反射模式下工作。它们在反射模式时的光谱透射率能够通过分别平方它们在透射模式时的透射率简单地获得因此将被省略除非法拉第旋转器被使用时的透射率。
根据本发明，图7滤波器的偏振旋转器41还可以是一法拉第旋转器(ρ(λ)＝ρf(λ))。法拉第旋转器是由旋转角表示的，其由于色散效应与波长有关。有许多制造法拉第旋转器的电光玻璃。它们的Verdet常数V＝V(λ)展示不同的波长特性，取决于材料的固有性质和研究的波长范围，尽管一般有随着波长减小而迅速增加的趋势。取决于选取的材料，法拉第旋转角ρf(λ)能够展示类似于一个等同的石英光学旋转ρo(λ)那样的色散效应。图7的滤波器当使用一法拉第旋转器时的光谱透射率I1＝I1(λ)是由所用法拉第旋转器的旋转角ρf(λ)确定。图7的滤波器使用一法拉第旋转器时通过改变法拉第旋转器的旋转角ρf(λ)调谐并有ρf(λ)＝VdB，式中d为旋转器厚度，B是电磁通强度和V＝V(λ)是旋转器材料的Verdet常数。调谐为电驱动通过调节电磁通强度B改变旋转角ρf(λ)并且优选让偏振器40和42静止定方位相互平行或垂直。除了电调谐，滤波器也可相对于偏振器40转动输出偏振器42机械调谐。这个特性在旋转角ρf(λ)的变化范围不如所希望大时有用。它作为电调谐的补偿使得调节或选择电调谐的波长范围成为可能。
图7使用法拉笫旋转器的单级滤波器也不需全色波片。其波长范围可如所用电光材料或玻璃的透射极限所允许那样宽。典型的法拉第旋转器玻璃是TGG(铽-镓-柘榴石)晶体，其在500-1500毫微米的宽波长范围透明且其具有高的Verdet常数，低的损失和高抵抗损坏的特性。使用适合的法拉第旋转器和宽带偏振器图7的优选实施例能够用于制造宽带滤波器。对于图7使用法拉第旋转器的滤波器，通过调节电磁通强度B引进的相位移是与波长有关的。这不同于图7使用光学旋转器时的滤波器其通过转动偏振器引起的相位移对所有波长都是常数。
图7使用法拉第旋转器时的滤波器通过开或关电磁场还可近一步地电驱动切换。为此目的，偏振器42定方位优选使其平行(P2-P1＝0°)或垂直(P2-P1＝90°)于输入偏振器40。在这种情况下滤波器工作为一电开关其在两交替切换状态透射的光强如下描述 或者 对于图7的滤波器使用法拉第旋转器的另一个好处是它能够作为在一个方向透射具有同样可调谐的波长选择性，但却阻止反方向光通过的单向装置工作。根据本发明，当旋转器41是法拉第旋转器时图7的滤波器运作为单向装置优选使偏振器42相对于偏振器40准直在角度45°，即P2-P1＝45°。当P2-P1＝45°时，滤波器的往返透射透射率按下式给出I1＝cos2(45°+ρf(λ))cos2(45°-ρf(λ)). (9)
当使用法拉第旋转器时图7的单级滤波器的滤波器也能够在反射模式下工作如果偏振器40和42定方位相互平行或垂直，即P2-P1＝0°或P2-P1＝90°。当工作在反射模式时滤波器透射率为 根据图7的优选实施例制造高分辨率的光谱滤波器，需要光学旋转器或法拉第旋转器其旋转角比目前应用中的光学旋转器或法拉第旋转器要大得多。一个普通的光学旋转器或法拉第旋转器的旋转角通常不大于180°(零级)。例如，一个目前能得到的光学旋转器的旋转角在其标准波长等于90°或45°，而一个用在光学隔离器中的法拉第旋转器通常具有在隔离器的中心波长等于45°的旋转角。本发明的一指教是制造多级光学旋转器和法拉第旋转器以便根据本发明制造高分辨率的光谱滤波器。这样的多级旋转器的旋转角在可见波长范围或一感兴趣的波长范围比180°大或大得多。碲二氧化碳(TeO2)和银硫酸盐(AgGaS2)晶体有比石英晶体高得多的旋转能是制造多级光学旋转器的候选材料。对一个法拉第旋转器而言，要有大的旋转角应当选择展示高Verdet常数的材料和/或增加旋转器厚度和作用的电磁通强度。高Verdet常数的电磁晶体包括，例如TGG(铽-镓-柘榴石)晶体。
图8图解地显示本发明的另一种单级滤波器，其由一输入偏振器40(方位角P1＝0)，一光学旋转器43，一半波滞相器44和一输出偏振器42(方位角P2)组成。光学旋转器43是色散的，其旋转角ρ＝ρ0(λ)在滤波器的波长范围和波长有关。半波滞相器44优选在滤波器的波长范围消色差的且定方位使其光轴相对于偏振器40位于角度。滞相器44可以在旋转器43之后(如图8)或之前其与滞相器44的组合等同于一个如图6b所描述的调谐器。根据Mueller矩阵表示法计算，图8的滤波器的透射率I1＝I1(λ)被表示和计算为
图8的单级滤波器的光谱透射率由光学旋转器43的旋转角ρ＝ρ0(λ)确定而且滤波器的光谱透射率可通过相对于偏振器40转动半波滞相器44调谐。和图7的优选实施例不同，偏振器40和42在调谐图8的滤波器时都可保持静止。此特点应当是合乎增进成像性能要求的。通过转动半波滞相器44引入透射率I1(λ)的相位移是其转动过的角度的两倍。取决于选用的滞相器调谐可以是机械或者电动的。
根据本发明，半波滞相器44优选为全色或零级双折射滞相器或等同的液晶电动旋转滞相器。图8的滤波器使用一双折射滞相器时可机械调谐。根据本发明，一个零级半波滞相器能够被使用，其相位角在滤波器的波长范围内的某一优选比中心波长短的波长等于180°，取决于设计和要求，如果滤波器的波长范围不是很宽的话。这样的零级滞相器可以被认为是一全色半波滞相器的近似。在这种情况下，图8的滤波器的透射率将稍微不同于方程(11)所描述的透射率，取决于所选波长范围和所用滞相器的调谐角。使用零级滞相器作为滞相器44所引起的效应是稍许波形崎变和边带幅度改变。在颜色显示，成像和投影这样的应用中，这与获得的好处相比并不怎么重要。
根据本发明，当希望电调谐时优选使用等同的液晶电动旋转滞相器作为滞相器44。一个合适的液晶滞相器具有相位角Δ1c≈180°且其光轴的方位当使用一控制电压时可转动。它工作为一可转动的半波片的电驱动等同物。当控制电压关闭时，液晶滞相器定方位在其光轴相对于偏振器40位于角度off。当控制电压开启时，光轴被转过一个角度1c到方位on使得on＝off+1c。当偏振器40和42静止时电动旋转角度1c可以引进一相位移。取决于所用液晶滞相器角度1c的旋转可以是连续的或非连续的。光轴方位连续转动的液晶滞相器的候选者是SmA*元件和DHF液晶元件。例如，DHF液晶元件所取得的最大转动角度为±38°。光轴非连续转动的液晶滞相器的例子包括稳定二态SSFLC元件和平面准直脂状C*(SmC*)元件(两光轴方位)和三态反铁电效应液晶元件(三光轴方位)。当使用一液晶滞相器时图8的单级滤波器还可机械转动所用液晶滞相器或输出偏振器42改变角度off或P2调谐，如果这样希望的话。现有技术的一个连续可调谐的单级滤波器(参看例如Johnson，K.M和Sharp，G.D美国专利，专利号5,132,826)是基于图2的结构，它需要一个双折射片，一个全色四分之一波片和一液晶滞相器。与现有技术相比，然而图8的滤波器使用一个光学旋转器(也是双折射片)和一液晶滞相器，根本不需要全色波片。另外，图8的滤波器还可机械调谐而且它的安装和调节简单些。
根据图8的优选实施例制造光谱滤波器，合乎希望的是制造新型的液晶电动旋转半波滞相器，其光轴的方位角相对于光波长作为一个有规律的函数变化。原理上讲，方位角可以是任何函数，优选为在波长范围相对于波长单调减少或增加。这样的液晶滞相器能够用来替换图8的滞相器44和光学旋转器43。本发明的另一指教是制造液晶电动旋转滞相器，其光轴方位角作为光波长的一某一事先确定的函数变化，以便制造电动可调谐或切换的光谱滤波器(参看下面)而无需额外的偏振旋转器。
图9显示本发明的另一种单级滤波器，其使用安置在输入偏振器40(方位角P1＝0)和输出偏振器42(方位角P2)之间的一色散光学旋转器43与主动偏振旋转器45相组合。光学旋转器43能被认为是一被动旋转器其优选为石英旋转器，旋转角ρ＝ρ0(λ)在滤波器的波长范围和波长有关。主动偏振旋转器45有旋转角ρa可调，其在滤波器的波长范围可以是色散的或者近似为常数，它优选为法拉第旋转器(ρa＝ρf(λ))或适宜的液晶偏振旋转器，例如扭转-向列偏振旋转器(ρa＝ρ1c)。光学旋转器43可以在主动旋转器45之前(如图9)或之后其与主动旋转器45和输出偏振器42的组合等同于一个如图6a的偏振器调谐器。在图9中，光学旋转器43与主动旋转器45都假定当沿某光束方向观察时有相同的旋转方向。根据方程(4)，图9的单级滤波器的光谱透射率被给出为I1＝cos2(P2-P1+ρ0(λ)+ρn). (12)当主动偏振旋转器45是一法拉第旋转器时，图9滤波器的波谱曲线I1(λ)由旋转角ρ＝ρ0(λ)与ρa＝ρf(λ)之和确定。滤波器可由改变法拉第旋转角ρf(λ)调谐。例如，图9的滤波器可用作一个图7滤波器在使用法拉第旋转器且法拉第旋转角不够大时增加分辨率的补偿解决办法。使用法拉第旋转器时图9的滤波器可近一步地作为单向装置工作。为此目的，合乎希望的是选择一光学旋转器作为被动旋转器43，其旋转角ρ0(λ)类似或在理想情况下等于法拉第旋转角ρf(λ)。在这种情况下，输出偏振器42相对于偏振器40定方位在45°角以致于滤波器的往返透射率接近最小值，取决于旋转角ρ0(λ)和ρf(λ)的接近程度。也可优选使用一扭转-向列偏振旋转器作为主动旋转器45。扭转-向列元件是一薄层向列液晶放置于两平行玻璃平板之间并摩擦使得分子取向绕垂直于玻璃板的轴(扭转轴)螺旋状地旋转。当无电场施加在扭转轴方向时，元件旋转一线性偏振光等于扭转角的角度，通常为90°或45°。反过来，当一电场施加在扭转轴方向以致于分子失去它们的扭转特征，它不产生光学旋转。扭转-向列旋转器的输入晶体轴平行或垂直于输入偏振器40。扭转-向列旋转器工作为一个电开关，其旋转角或扭转角在一合适的电场作用下或当无电场时等于零或ρ1c。当扭转-向列旋转器时图9滤波器的光谱透射率被给出如 滤波器具有基本光谱曲线由光学旋转器43的旋转角ρ0(λ)确定而且可通过电动开或关液晶偏振旋转器非连续地调谐。另外，图9的滤波器还可机械调谐。旋转偏振器42改变角度P2-P1能够引入一相位移。这个特性用作电调谐的补偿，使得能够方便地调节或移动电调谐的波长范围。
目前有的扭转-向列偏振旋转器的旋转角在某一波长范围近似为常数。对于本发明揭示的滤波器应用，合乎希望的是制造旋转角色散的液晶旋转器，其旋转角相对于光波长为一有规律的函数且电驱动可变或可切换。原理上讲，旋转角可以是任何函数，在波长范围相对于波长优选单调减少或增加。使用这样的液晶偏振旋转器能够根据本发明制造纯的液晶滤波器。例如，一单件色散的电驱动可变或可切换的液晶旋转器能够替换图9的主动旋转器45和光学旋转器43。本发明的另一指教是制造或发展用于制造可调谐光谱滤波器的其旋转角色散且可变的液晶旋转器。
图10图解地显示本发明的另一种单级滤波器，其可电动切换和机械调谐。电动切换的滤波器在通讯领域特别有用。图10的滤波器由安置在输入偏振器40(方位角P1)和输出偏振器42(方位角P2)之间的一对色散的色散光学旋转器43和47和一个可变滞相器46组成使得可变滞相器46夹在旋转器43和47之间。旋转器43(ρ0(λ))和47(-ρ0(λ))有在滤波器波长范围大小相等旋向相反的旋转角。滞相器46优选为液晶可变元件，例如向列或相似热准直向列液晶元件，其相位角施加一控制电压电驱动可变。一个使用液晶装置的电动切换滤波器的可能的好处包括紧凑的尺寸，低成本，大孔径和低能耗。控制可变滞相器46使其相位角在两交替状态之间切换，在此两状态滞相器的相位角Δoff和Δon在滤波器波长范围分别等于或近似等于0°和180°。当相位角非零时滞相器46的光轴相对于偏振器40定方位在on。当切换滞相器46使得相位角为Δoff时，它作用为各向同性的介质(零相位角)以致于旋转器43和47相互补偿抵消。在另一状态Δon，滞相器46和旋转器43和47的组合等同于一个根据图6c的方位角等于ρ0(λ)+on的半波滞相器调谐器。于是，对于P2＝0°(如图10)图10的单级滤波器的光谱透射率I1＝I1(λ)能够写为 或者，当偏振器42转过90°时图10的滤波器能够在关的状态阻止光通过。对于P2＝90°滤波器的透射率为 通过接连在两切换状态Δoff和Δon下切换滞相器46图10的滤波器可电动切换而且它的光谱透射率可通过绕光束轴z机械旋转滞相器46改变角度on近一步调谐。对于此优选实施例，也可考虑使用光电调制器或等同物例如压电或电磁调制器作为滞相器46。滤波器的波长范围是由所用的液晶可变滞相器或调制器决定以致于它能够被运作为一相位角在0°和180°之间切换的且色散效应忽略不计的滞相器。
本发明近一步提供基于上面的单级滤波器发展的多级可调谐滤波器，其为以偏振器边界定义的独立单元。本发明的一个多级可调谐滤波器是同样结构但不同尺寸的单级滤波器的适当组合，其沿某一光束方向轴成串接排列使得一级的输出偏振器又用作下一级的输入偏振器。一般来说，不同结构的单级滤波器也可组合制造多级滤波器。
图11图解地显示本发明的一种n级(n＝2，3，4，...)滤波器，其由n+1个线性偏振器491，492，493，...，49n+1(方位角P1，P2，P3，...，Pn+1)，和n个色散偏振旋转器501，502，503，...，50n组成。它们成串接排列形成n个级，其每一级都与图7的结构一致，以致于旋转器50i夹在偏振器49i和49i+1(i＝1，2，3，...，n)之间。偏振旋转器501，502，503，...，50n优选为光学旋转器，其旋转角分别用ρ1(λ)，ρ2(λ)，ρ3(λ)，...，ρn(λ)表示。根据本发明，旋转角ρ1(λ)，ρ2(λ)，ρ3(λ)，...，ρn(λ)在滤波器的波长范围必需成整数比例，不管旋向优选为1∶2∶4∶8...∶2n+1的比例，即|ρ2(λ)|＝2|ρ1(λ)|，|ρ3(λ)|＝4|ρ1(λ)|，|ρ4(λ)|＝8|ρ1(λ)|，...，和|ρn(λ)|＝2n-1|ρ1(λ)|，如图11的优选实施例所假定。这意味着，不管旋向，旋转器501，502，503，...，50n的每一个都有两倍于其紧邻前一个的旋转角。在调谐前，偏振器492，493，...，49n+1定方位优选平行于偏振器491(P1＝0°)，即P2＝0°，P3＝0°，...，Pn＝0°。调谐时，转动偏振器492，493，...，49n+1，每一个相对于其前一个，以致于它们的方位角的比例与它们紧邻前的旋转角的比例相同，即(P2-P1)∶(P3-P2)∶(P4-P3)∶...∶(Pn+1-Pn)＝ρ1(λ)∶ρ2(λ)∶ρ3(λ)∶...∶ρn(λ)。每一级透射的光强可用方程(4)计算。于是对于P2-P1＝ψ，图11的滤波器的光谱透射率In-In(λ)能够获得为In＝cos2(ρ1(λ)+ψ)cos22(ρ1(λ)+ψ)cos24(ρ1(λ)+ψ)...cos22n-1(ρ1(λ)+ψ). (15a)方程(15a)描述一个Loyt结构的n级滤波器，其基本光谱透射曲线由所用旋转器的色散旋转角确定，其比例不管旋向为1∶2∶4∶8∶...∶2n-1。图11的滤波器可由同时旋转偏振器492，493，...，49n+1使得方位角的比例P2-P1，P3-P2，...，和Pn+1-Pn保持不变而调谐而且可近一步地通过改变旋转角ρ1(λ)，ρ2(λ)，ρ3(λ)，...，ρn(λ)使其比例保持不变调谐，如果旋转角可调的话。在调谐前，偏振器492，493，...，49n+1也可垂直于偏振器491(P1＝0°)，即P2＝90°，P3＝90°，...，Pn+1＝90°，旋转它们调谐使得它们的方位角P2-P1-90°，P3-P2，P4-P3，...，和Pn+1-Pn成与它们紧邻前的旋转角的比例相同的比例。滤波器的透射率In＝In(λ)在这种情况下为In＝sin2(ρ1(λ)+ψ)cos22(ρ1(λ)+ψ)cos24(ρ1(λ)+ψ)...cos22n-1(ρ1(λ)+ψ).(15b)图11的多级滤波器具有图7单级滤波器有的所有特点。与一个背景技术的Loyt型偏振器-旋转的可调谐n级滤波器相比，其实现调谐需要n个全色四分之一波片，图11的滤波器结结构简单不需全色波片，因而节约了n个全色波片。由于不用全色波片，图11的滤波器能够透射光到旋转器材料的透射极限而且使用宽带偏振器光谱范围能够容易地加宽。另外，图11的滤波器的安装简单，只需对准偏振器。对于背景技术偏振器-旋转的可调谐多级滤波器，一个很不利之处是每一级的输出偏振器的旋转需要同时旋转下一级和其随后级中的双折射片。这不方便且可能引起严重问题。图11的滤波器避免了此缺点因为光学旋转器对绕旋转器轴的转动不敏感。
滤波器的光谱透射率表示滤波器透射的作为波长λ函数的(相对)光强。一个滤波器与其透射率曲线一致地透射光。例如，一滤波器在透射峰带所在的波长处无损失地透射光而在透射率等于或近似等于零的波长处阻止光通过。
作为一例，图12显示根据图11在n＝2时的结构制造的一个两级滤波器在400到700毫微米的波长范围测试到的光谱透射率。此滤波器使用两个可买到的光学旋转器(CASIX公司，Chatsworth，美国)，其旋转角在波长1064毫微米时分别于45°和90°，和三个线性偏振器(HN38S，Meadowlark Optics，Longmont，美国)。偏振器的工作波长范围为400-700毫微米。两个旋转器的旋转角旋向相反以致于有ρ1(λ)∶ρ2(λ)＝(P2-P1)∶(P3-P2)＝1∶-2的比例。在图12a中，显示滤波器测到的在ψ＝0°和ψ＝15°(ψ＝P2-P1)时的光谱透射率并有ψ＝0°时的曲线与其根据理论计算的曲线拟合相比较。滤波器测到的在ψ＝30°，ψ＝45°，ψ＝90°和ψ＝135°时的光谱透射曲线被显示在图12b和图12c中。
对于图11的优选实施例，也可优选使用磁场施加于上的法拉第旋转器作为偏振旋转器501，502，503，...，50n。选择法拉第旋转器的厚度和施加于上的电磁场使得旋转角ρf1(λ)，ρf2(λ)，ρf3(λ)，...，ρfn(λ)不管旋向优选成1∶2∶4∶8∶...∶2n-1的比例。图11的多级滤波器在使用法拉第旋转器时的光谱透射曲线由所用法拉第旋转角确定，而且滤波器可由同时改变施加在旋转器上的电磁场以致于旋转角被同步地调节使其比例保持不变而电驱动调谐。滤波器可近一步地通过机械旋转偏振器492，493，...，49n+1，每一个相对于其紧邻前的偏振器，使得它们的方位角的比例保持不变调谐。这个特性使得电调谐的补偿成为可能。当不用机械调谐时，对准偏振器492，493，...，49n+1优选使其平行或垂直于输入偏振器491，即ψ＝0°或ψ＝90°。这使得滤波器的安装简单并在滤波器的许多应用中希望。图11的n-级滤波器在使用法拉第旋转器时的光谱透射率能够被写为 图11的滤波器在使用法拉第旋转器时也可工作在反射模式。例如，当ψ＝0°时滤波器在反射模式下的透射率是In＝cos4ρf1(λ)cos42ρf1(λ)cos44ρf1(λ)...cos42n-1ρf1(λ). (17)通过同时开和关闭施加在法拉第旋转器上的磁场图11的滤波器在使用法拉第旋转器时能近一步电驱动切换。当偏振器492，493，...，49n+1平行于输入偏振器491时(ψ＝0°)，滤波器工作为一在关闭时完全透射光的开关，其在两切换状态的透射率如下描述 为了滤波器在关闭状态阻止光通过，定方位偏振器492使其垂直于输入偏振器491，即ψ＝90°，而偏振器493，...，49n+1可以平行或垂直于它。滤波器在这种情况下的透射率为
图11的滤波器在使用法拉第旋转器时能近一步工作为单向装置。为此目的，定方位偏振器492优选使其相对于偏振器491成一45°角，即|ψ|＝45°。其它的偏振器定方位以致于偏振器493垂直于偏振器492，即P3-P2＝90°或P3-P2＝90°，随后的偏振器平行于偏振器493。这意味着，例如，相对于偏振器491在P2＝45°时将有P3＝P4＝P5...＝Pn＝Pn+1＝135°或在P1＝45°时将有P3＝P4＝P5...＝Pn＝Pn+1＝45°。图11的滤波器当工作为一单向装置时的往返透射率为Inr＝cos2(45°+ρf1(λ))cos2(45°-ρf1(λ))cos22(45°+ρf1(λ))×cos22(45°-ρf1(λ))cos44ρf1(λ)...cos42n-1ρf1(λ).(19)图13显示图7的单级法拉第滤波器和两个分别与图11的优选实施例在n＝2，3时一致的多级法拉第滤波器在500-650毫微米波长范围与光波长λ关系的计算往返透射曲线。往返透射曲线I1r(λ)，I2r(λ)和I3r(λ)(图13a)与单向透射曲线I1(λ)，I2(λ)和I3(λ)(图13b)相比较。在计算时，假定法拉第旋转器由TGG(铽-镓-柘榴石)晶体制成。如目前应用所需，法拉第旋转器Verdet常数的数据仅在少数几个波长处才有，例如对于TGG玻璃V＝0.75-0.46-0.12min/Oe.cm在500-633-1060毫微米(例如IMPEX-HIGH-TECH 1nc.Rheine，德国)。它们不能用于计算这里需要的光谱透射曲线足够的细节。由于此原因，根据有的数据近似曲线拟合了TGG玻璃的Verdet常数的波长函数。根据拟合的结果，假定模拟计算的Verdet常数，由此法拉第旋转ρf1(λ)，ρf2(λ)＝2ρf1(λ)和ρf3(λ)＝4ρf1(λ)，在波长范围与波长λ的平方成反比。此假定不影响计算结果的有效性和一般性，也将用于下面使用TGG玻璃的法拉第旋转器的计算。对于图13的曲线，另外还假定法拉第旋转ρf1(λ)在λ＝1336.8毫微米等于90°以致于曲线I1(λ)，I2(λ)和I3(λ)在570毫微米有主峰带最大值(图13b)。如计算，往返透射曲线I1r(λ)，I2r(λ)和I3r(λ)有最大值分别等于0.2499，0.0365和0.0084，即其表示为10*Log( )的最小衰减率为-6.0dB，-14.3dB和-20.8dB。对于图11的滤波器，当单级数量n增加时，往返透射率Inr(λ)(n＞3)的最大泄漏光强近一步减小。计算表明，I4r(λ)，I5r(λ)和I6r(λ)的最大值分别等于0.00210，0.00051和0.00013(最小衰减率-26.8dB，-32.9dB和-38.9dB)。
图14图解地显示本发明的另一种n级(n＝2，3，4，...)滤波器，其由一个输入偏振器491(P1＝0°)，n个色散光学旋转器511，512，513，...，51n(旋转角ρ01(λ)，ρ02(λ)，ρ03(λ)，...，ρ0n(λ))，n个半波滞相器521，522，523，...，52n和n个后继偏振器492，493，...，49n+1(方位角P2，P3，...，Pn+1)组成。它们成串接排列形成n个级，其每一级都与图8的结构一致含有一光学旋转器和一半波滞相器。光学旋转器511，512，513，...，51n优选为石英旋转器并有它们的旋转角不管旋向成1∶2∶4∶8∶...∶2n-1的比例，即|ρ01(λ)|∶|ρ02(λ)|∶|ρ03(λ)|∶...∶|ρ0n(λ)|＝1∶2∶4∶...∶2n-1。对于图14的优选实施例，偏振器492，493，...，49n+1定方位平行于偏振器491，即P2＝0°，P3＝0°，...Pn+1＝0°。半波滞相器521，522，523，...，52n在滤波器的波长范围优选为消色差的且绕光束轴可转动。它们分别位于旋转器511，512，513，...，51n之后(如图14)或之前而且定方位，每一个相对于其前的偏振器，使得它们的方位角1，2，3，...，n的比例与它们紧邻前的旋转角的比例相同，即1∶2∶3∶...n＝ρ01(λ)∶ρ02(λ)∶ρ03(λ)∶...∶ρ0n(λ)。图14的滤波器透射的光强In＝In(λ)可根据方程(11)计算并获得为In＝cos2(ρo1+21)cos22(ρo1+21)cos24(ρo1+21)...cos22n-1(ρo1+21). (20)图14的滤波器属于Loyt结构，其基本光谱透射曲线由光学旋转器的色散旋转角确定，其不管旋向为1∶2∶4∶8∶...∶2n-1的比例。此滤波器的单级被可以保持静止的中间偏振器分开。相对于偏振器491同时旋转滞相器521，522，523，...，52n使得它们的方位角的比例保持不变比滤波器可调谐。也可考虑通过旋转偏振器492，493，...，49n+1使得它们的方位角的比例与它们紧邻前的旋转角的比例相同且保持不变，每一个相对于其前的偏振器，调谐此滤波器。
取决于所用的滞相器，其优选从双折射滞相器和电动旋转液晶滞相器中选取，图14的滤波器的调谐能够是机械或者电动的。对于机械调谐，使用双折射滞相器包括全色或零级波片是合乎希望的。作为一例，图15给出与图14的优选实施例在n＝2时一致的使用两石英旋转器和两零级半波片的一个两级滤波器在1＝0°，1＝30°和1＝60°时在400-550毫微米的波长范围的计算调谐光谱透射率。石英旋转器的旋转角假定在波长范围与波长λ的平方成反比。此假定也将用于下面使用石英旋转器的计算。零级波片的相位角假定在λ＝463毫微米等于180°，其色散如方程(2)所表示。与一个背景技术的偏振器-固定的Loyt型n级滤波器相比，图14的滤波器比前者少需n个全色四分之一波片。
对于图14的滤波器，如果希望电调谐，优选使用等同的电动旋转液晶滞相器。定方位液晶滞相器使得它们在零电场时相对于偏振器491的方位角off1，off2，off3，...，offn的比例与旋转角的比例相同，即off1∶off2∶off3∶...∶offn＝ρ01(λ)∶ρ02(λ)∶ρ03(λ)∶...∶ρ0n(λ)。当它们被切换时，它们的光轴被旋转选择控制电压使得它们转过角度的比例也与旋转角的比例相同，即1c1∶1c2∶1c3∶...∶1cn＝ρ01(λ)∶ρ02(λ)∶ρ03(λ)∶...∶ρ0n(λ)。在使用电动旋转液晶滞相器时，图14的滤波器具有光谱曲线由光学旋转角确定，而且同时旋转液晶滞相器使得它们方位角的比例保持不变滤波器可电动调谐。取决于是否连续或非连续驱动的液晶滞相器被使用，调谐可以是连续或非连续的。图13的滤波器在使用电动旋转液晶滞相器时能够近一步通过同时转动液晶滞相器使它们方位角的比例保持不变机械调谐，如果这样希望的话。
图16图解地显示本发明的另一种n级滤波器，其由一个输入偏振器491(P1＝0°)，n个色散光学旋转器511，512，513，...，51n(旋转角ρ01(λ)∶ρ02(λ)∶ρ03(λ)∶...∶ρ0n(λ))，n个主动偏振旋转器531，532，533，...，53n(旋转角ρa1，ρa2，ρa3，...ρan)和n个后继偏振器492，493，...，49n+1(方位角P2，P3，...，Pn+1)组成。它们成串接排列形成n个级，其每一级都与图9的结构一致含有一个光学旋转器和一个主动偏振旋转器。光学旋转器511，512，513，...，51n优选为石英旋转器并有它们的旋转角不管旋向成1∶2∶4∶8∶...∶2n+1的比例，即|ρ01(λ)|∶|ρ02(λ)|∶|ρ03(λ)|...∶|ρ0n(λ)|＝1∶2∶4∶8∶...∶2n-1。主动偏振旋转器531，532，533，...，53n优选为法拉第旋转器或适宜的液晶偏振旋转器，例如扭转-向列偏振旋转器，且有它们的旋转角成与它们紧邻前的被动旋转角的比例相同的比例。对于图16的优选实施例，偏振器492，493，...，49n+1定方位使得偏振器方位角P2-P1，P3-P2，P4-P3，...，和Pn-Pn-1与光学旋转角的比例相同。图16的滤波器的光谱透射率能够根据方程(12)计算并获得为In＝cos2(ρo1(λ)+ρa1+ψ)cos22(ρo1(λ)+ρa1+ψ)cos24(ρo1(λ)+ρa1+ψ)...cos22n-1(ρo1(λ)+ρa1+ψ). (21)图16的滤波器属于Loyt结构且具有图9滤波器有的所有特点。图16的滤波器在使用法拉第旋转器时的光谱透射曲线ln(λ)由光学旋转角和法拉第旋转角确定。滤波器可由调节施加在法拉第旋转器上的电磁场同时改变法拉第旋转角使它们的比例保持不变而电动调谐。滤波器可近一步地工作为单向装置。为此目的，合乎希望的是选择被动光学旋转器使它们的旋转角分别类似或在理想情况下等于法拉第旋转角以致于滤波器的往返透射率接近最小值，取决于旋转角ρ01(λ)和ρf1(λ)的接近程度。相对于偏振器491，准直偏振器492，493，...，49n+1满足条件P2＝45°和P3＝P4＝...＝Pn＝Pn+1＝-45°。
对于图16的优选实施例，也可优选使用液晶偏振旋转器作为主动旋转器531，532，533，...，53n，例如扭转一向列液晶偏振旋转器。扭转一向列液晶旋转器在合适的电压施加于上时不产生旋转，而当其关闭时它们有旋转角分别等于ρ1c1，ρ1c2，ρ1c3，...，ρ1cn以致于ρ1c1∶ρ1c2∶ρ1c3∶...∶ρ1cn＝ρ01(λ)∶ρ02(λ)∶ρ03(λ)∶...∶ρ0n(λ)。对于P2-P1＝ψ，图16的滤波器在使用扭转-向列液晶偏振旋转器时的光谱透射率给出为 图16的滤波器在使用扭转-向列液晶偏振旋转器时的光谱透射曲线ln(λ)由被动光学旋转角确定。通过同时开或关液晶偏振旋转器，滤波器能够在两状态之间非连续驱动调谐。另外，通过同时旋转偏振器492，493，...，49n+1使它们方位角的比例保持不变或者使它们平行于偏振器491，滤波器还可机械调谐。
图17图解地显示本发明的另一种n级(n＝2，3，4，...)滤波器，其由n+1偏振器491，492，493，...，49n+1(P1，P2，P3，...，Pn+1)，n个可变滞相器551，552，553，...，55n和2n个光学旋转器511，512，5l3，...，51n(ρ01(λ)，ρ02(λ)，ρ03(λ)，...，ρ0n(λ))和541，542，543，...，54n(-ρ01(λ)，-ρ02(λ)，-ρ03(λ)，...，-ρ0n(λ))组成。它们成串接排列形成n个级，其每一级都与图10的结构一致。每一级中的光学旋转器51i和54i(i＝2，3，4...)有大小相等旋向相反的旋转角，即ρi(λ)＝-ρi(λ)。旋转角ρ01(λ)，ρ02(λ)，ρ03(λ)，...，ρ0n(λ)，不管旋向在滤波器的波长范围优选成1∶2∶4∶8∶...∶2n-1的比例。偏振器491，492，493，...，49n+1优选定方位平行于偏振器491，即P1＝0°，P2＝0°，P3＝0°，...，和Pn+1＝0°。滞相器551，552，553，...，55n相同，每一个优选为液晶可变滞相器，例如向列和类热准直向列液晶元件，其相位角当施加一控制电压时可变。控制可变滞相器使其相位角在两交替状态Δoff和Δon之间切换，在这两状态相位角在滤波器波长范围分别等于或近似等于0°和180°。滞相器551，552，553，...，55n定方位使得它们光轴的方位角(非零相位的开动状)V1，V2，V3，...，Vn的比例与旋转角的比例相同，即V1∶V2∶V3∶...∶Vn＝ρ01(λ)∶ρ02(λ)∶ρ03(λ)∶...∶ρ0n(λ)。通过同时控制滞相器551，552，553，...，55n使得它们的相位角在两交替状态Δoff和Δon之间同步切换，图17的滤波器可电动调谐。根据方程(14)，图17的n级滤波器的光谱透射率In＝In(λ)能够被写为 图17的滤波器可在关闭状态阻止光通过，当偏振器492垂直于输入偏振器491时，即P2-P1＝90°，而后继偏振器493，...，49n+1可以平行或垂直于它。对于P1＝0°，P2＝90°，P3＝0°，...，和Pn+1＝0°，滤波器的透射率成为 图17的滤波器工作为一通过同时电动切换液晶可变滞相器的开关。另外，通过机械旋转液晶滞相器同时改变它们方位角并使其比例保持不变，滤波器的光谱透射率(启动状)还可调谐。显然，液晶滞相器551，552，553，...，55n能够被等同的相位调制器所替换，例如光电，压电和电磁调制器。
本发明还提供基于图6的调谐器发展不使用中间偏振器的可调谐光谱滤波器。本发明的无损失滤波器或者说无中间偏振器滤波器的一共同特征是它们根本上都可机械调谐。当使用主动元件时，例如法拉第旋转器或液晶电动旋转或可变滞相器，它们可近一步地电动调谐或切换。当使用法拉第旋转器时，如果适宜地定方位滞相器，本发明的滤波器还可工作为一单向可调谐滤波器。另外，一使用法拉第旋转器的滤波器能够近一步地电动切换，如果滤波器的结构当其绕某一垂直于光束轴的轴旋转180°不变时。对一个有这样结构的滤波器，使用液晶可变滞相器使其工作为开关，它能近一步成为电动可切换。取决于选用的偏振旋转器和滞相器，于是本发明下面的一个滤波器结构能够产生几种滤波器，其按不同的调谐和/或切换机理运作。
在下面的优选实施例中，描述本发明的无中间偏振器滤波器的基本机构，它们被设计成具有宽的阻止波带并带有窄的透射峰带，其合乎传统滤波应用的要求。根据本发明，每一个无中间偏振器滤波器都能通过旋转输出偏振器90°使得其光谱透射率反转而工作为一槽口滤波器，其具有宽的透射波带并带有阻止不想要波长的窄沟槽并在诸如通讯和颜色显示这样的领域中特别有用。一个槽口滤波器的光谱透射率等于一减去它的原始滤波器的光谱透射率，即后者的反转，以致于槽口滤波器分别在原始滤波器阻止和透射的波长透射和阻止光。除了反转的透射率外，槽口滤波器具有其原始滤波器有的所有特点，并优选以和原始滤波器相同的方式选择构件。
图18图解地显示本发明的一种无中间偏振器的滤波器的结构，其使用两个图6c的优选实施例一致的滞相器调谐器。此滤波器由一个输入偏振器61(P1＝45°)，第一偏振旋转器62(-ρ(λ))，第一滞相器63(Δ，-()，第二偏振旋转器64(2ρ(λ))，第二滞相器65(Δ，)，第三偏振旋转器66(-ρ(λ))和一个输出偏振器67(P2＝45°)组成。它们沿某一光束轴成串接排列并使它们的轴方位如图18所示。偏振器61和67相互平行取向，其轴相对于一选取的参考轴，例如y-轴，位于一45°角。偏振旋转器62，64和66有它们的旋转角-ρ(λ)，2ρ(λ)和-ρ(λ)成1∶-2∶1的比例而且它们可以是光学旋转器，例如每一个为石英光学旋转器，或法拉第旋转器或等同物。旋转器62和66相同，它们旋转角的旋向与旋转器64的旋向相反。分别使用右旋和左旋石英能够制造两旋转角的旋向相反的光学旋转器。法拉第旋转的旋向由电磁场的方向决定，因而能够通过改变电磁场的方向来改变。滞相器63和65相同，它们的相位角Δ在滤波器的波长范围等于或近似等于一事先确定的优选从80°到115°中选取的数值，或者更一般地取值使得条件80°≤Δ≤115°满足。旋转器64等同于两个相同串接的偏振旋转器，每个有旋转角ρ(λ)。于是，旋转器62，64和66和滞相器63和65的组合等同于与图6c的优选实施例一致的两个滞相器调谐器68和69的串接，其有相同的相位角Δ且它们的方位角分别等于-(ρ(λ)+)和(ρ(λ)+)。根据Mueller矩阵表示法，图18的滤波器透射的相对光强I2＝I2(λ)能够被表示和计算为 由于旋转角ρ＝ρ(λ)的色散，方程(24)表示的透射率I2＝I2(λ)显示一与波长有关的图形。透射率I2(λ)可通过相对于输入偏振器61同时旋转滞相器63和65使得它们的轴绕y轴保持对称而调谐，即改变方程(24)中的角度，以及近一步地通过改变旋转器62，64和66的旋转角使得它们1∶-2∶1的比例保持不变而调谐，即改变方程(24)中的参数ρ(λ)。当输出偏振器67从图18所示方位转过90°时，即P2＝45°，滤波器成为一个槽口滤波器其光谱透射率I2notch(λ)等于1-I2(λ)式中I2(λ)由方程(24)描述。方程(24)中的透射率I2(λ)也是参数Δ的函数。对于Δ＝90°，根据方程(24)图18的滤波器透射的光强I2＝I2(λ)为I2＝sin42(ρ(λ)+).(25)方程(25)准确地描述了一个标准的 两片滤波器的透射率，其基本图形由旋转角ρ＝ρ(λ)和一等于角度的相位移确定。图19显示一组在400-550毫微米波长范围在＝0°分别当Δ＝80°，Δ＝90°，Δ＝105.8°，Δ＝110°和Δ＝115°时按照方程(24)计算的透射曲线I2(λ)。如所示，图18的滤波器的透射率I2(λ)当Δ＝90°时等同于一个标准的 两片滤波器的透射率。I2(λ)的主透射峰带的带宽当Δ值增加时变窄而且在两主透射峰带之间出现一个边带，其幅度随Δ值增加而增加。倘若Δ的值不很高，例如不大于大约115°，边带幅度将被控制在一技术上可接受的范围。例如当Δ＝105.8°时，边带的幅度与一个标准的Loyt两级滤波器的边带幅度一样大。灵活地选取Δ的值可提供等同于标准 两片滤波器的改进滤波器以便更好地满足不同应用的需要。对于图19给出的透射波谱曲线，旋转器62，64和65假定为旋转角在λ＝800毫微米时ρ(λ)＝90°的石英光学旋转器。如计算证实，通过同时旋转滞相器63和65改变方程角度或改变旋转器的旋转角使得旋转角的比例保持不变，曲线I2(λ)可调谐。
对于图18的优选实施例，偏振旋转器62，64和66优选从光学旋转器和法拉第旋转器中选取，适合于滞相器63和65的候选者包括双折射滞相器，液晶电动旋转滞相器和液晶可变滞相器。图18的滤波器可机械调谐而且可近一步地电调谐，电磁调谐和/或单向调谐，或电切换，取决于选用的偏振旋转器和滞相器。如果只是希望机械调谐，优选使用石英光学旋转器作为旋转器62，64和66和双折射滞相器作为滞相器63和65。通过同时旋转双折射滞相器使得它们的光轴相对参考轴保持对称，滤波器能够机械调谐。使用的双折射滞相器优选为相位角按照需要消色差的。根据现有技术制造的全色波片通常是四分之一波片和半波片。可以类似于Beckers(Beckers，J.M.(1971)Appl.Opt.10973)报道的方法用两个或更多的双折射片制造相位角不同于90°或180°的双折射全色波片。根据背景技术制造一(机械)可调谐的 两片滤波器至少需要四个全色波片(使用一个Carl F.Buhrer的双调谐器，其由四个全色四分之一波片组成)和两个双折射片。作为比较，图18的滤波器仅需要两个全色波片和三个双折射片(石英光学旋转器)。对某些应用，滤波器的波长范围不是很宽和/或对波谱波形或边带抑制的要求不是很高，使用零级波片代替全色滞相器是合乎希望的。图20显示图18的滤波器当使用两个相同的零级波片作为滞相器63和65并在＝0°，＝30°，和＝60°时的一组计算调谐透射曲线I2(λ)。图20的计算是在如图19的相同条件下完成的，零级波片假定有在λ＝503毫微米等于90°的相位角。如所示，在一中等宽的波长范围，I2(λ)使用零级波片产生的波形畸变可以忽略或在象颜色显示与成像和投影这样的应用中不影响它的实际使用。
当使用适宜的液晶电动旋转滞相器作为滞相器63和65时，仍使用石英光学旋转器作为旋转器62，64和66，图18的滤波器可电动调谐。液晶滞相器定方位使得它们的光轴关于参考轴对称。通过控制液晶滞相器使得它们的轴电动旋转，关于参考轴保持对称，滤波器可调谐而且可近一步地通过机械旋转液晶滞相器调谐。当适宜的液晶可变滞相器用作滞相器63和65并控制它们使得其相位角在两交替状态之间切换时，图18的滤波器可近一步电动切换。在一个切换状态，可变滞相器的相位角在滤波器的波长范围等于或近似等于零。而在另一个状态，它们的相位角等于或近似等于一事先确定的优选从80°到115°中选取的数值。在零相位角状态，可变滞相器作用为各向同性的介质以致于旋转器62，64和66相互补偿抵消，滤波器将完全透射光。而在非零相位角状态，滤波器具有如方程(24)所描述的光谱透射率。滤波器可通过同时切换可变滞相器电动调谐以及近一步地通过机械旋转它们使得它们的光轴绕参考轴保持对称而调谐。对于图18的滤波器当使用可变滞相器时，一额外的好处是通过电动改变可变滞相器的相位角(参考图19)，优选在大约从80°到115°的范围内，其透射峰带的带宽成为可调节的。
使用法拉第旋转器作为旋转器62，64和66，图18的滤波器将可电磁调谐。滤波器通过调节施加在法拉第旋转器上的磁通量改变法拉第旋转角使它们1∶-2∶1的比例保持不变而电动调谐。在这种情况下，滞相器63和65优选为全色或零级双折射滞相器，相对于参考轴分别定方位在和-。角度能够机械调节。滤波器能近一步地工作为单向装置，其在一个方向透射和可调谐地滤光，但却阻止反方向光通过。对这样的单向装置，滞相器63和65优选静止且分别定方位在＝22.5°和-＝-22.5°。在这种情况下，滤波器的往返透射率I2r＝I2r(λ)为 图21显示图18的滤波器当工作为单向装置时在500-650毫微米波长范围按照方程(26)计算的理论往返透射曲线I2r(λ)。滤波器的两滞相器假定是消色差的，相位角为Δ，而且三个法拉第旋转器假定由TGG玻璃制造使得法拉第旋转角假定在λ＝1453毫微米等于45°。在Δ＝90°，Δ＝99.8°，Δ＝105.8°，和Δ＝110°(图21a)时的往返透射率曲线I2r(λ)和与相应的单向透射曲线(图21b)相比较。当Δ＝99.8°，隔离率I2r(λ)达到其优化结果使得最大往返透射率等于0.029(最小衰减率-15.4dB)。
图22图解地显示本发明的另一种滤波器的结构，其等同于一个无中间偏振器的Loyt两级滤波器。此滤波器由一个输入偏振器71(P1＝0°)，第一偏振旋转器72(ρ(λ))，第一四分之一波滞相器73(Δ＝90°，1)，第二偏振旋转器74(ρ(λ))，第二四分之一波滞相器75(Δ＝90°，2)，第三偏振旋转器76(-ρ(λ))和一个输出偏振器77(P2)组成。它们沿某一光束轴成串接排列使它们的轴方位如所示。偏振旋转器72，74和76可以是光学旋转器或法拉第旋转器，并有它们的色散旋转角为ρ(λ)，ρ(λ)和-ρ(λ)在滤波器的波长范围成1∶1∶-1的比例。滞相器73和75优选为全色或零级双折射滞相器。旋转器74可以认为等同于旋转-ρ(λ)和2ρ(λ)的串联连接，而旋转器76等同于旋转-2ρ(λ)和ρ(λ)的串联连接。于是，旋转器72，74和76和滞相器73和75的组合等同于两个与图6c的优选实施例一致的滞相器调谐器78和79和一个图6a描述的偏振器调谐器80的串联连接。如所示，调谐器78和79有相同的相位角Δ＝90°且它们的方位角分别等于θ1＝1+ρ(λ)和θ2＝2+2ρ(λ)，而偏振器调谐器80有方位角等于P2+ρ(λ)。于是，图22的滤波器透射的光强I3＝I3(λ)被表示和计算为I3=121cos2(P2+ρ(λ))sin2(P2+ρ(λ))0-110000cos22θ2sin2θ2cos2θ2-sin2θ20sin2θ2cos2θ2sin22θ2cos2θ20sin2θ2-cos2θ2010000cos22θ1sin2θ1cos2θ1-sin2θ10sin2θ1cos2θ1sin22θ1cos2θ10sin2θ1-cos2θ101100]]>=12[1+cos2(P2+ρ(λ)-θ2)cos2θ1cos2(θ2-θ1)+sin2θ1sin2(P2+ρ(λ-θ2))].···(27)]]>相对于输入偏振器71，滞相器73和75和输出偏振器77定方位使得它们的方位角成1∶2∶P2＝1∶2∶1的比例，即2＝21和P2＝1，或者1∶(2-90°)∶(P2-90°)＝1∶2∶1的比例，即2＝90°+21和P2＝90°+1。当θ1＝ρ(λ)+1和θ2＝2ρ(λ)+21以及在2＝21和P2＝1时，方程(27)简化为 或者在2＝90°+21和P2＝90°+1时 方程(28a)和(28b)描述的透射率相同除了它们相互相对位移了π/2。方程(28a)和(28b)准确地描述了一个其基本图形由旋转角ρ＝ρ(λ)确定并带有相位移等于角度1的Loyt两级滤波器的透射率。
当使用双折射零级波片为滞相器73和75时，图22的滤波器的透射光谱将稍微不同于方程(28a)和(28b)所描述，取决于感兴趣的波长范围和使用的零级波片。作为一例，图23显示与图22的结构一致的一个滤波器在2＝21和P2＝1时在400-650毫微米波长范围的一组计算调谐透射曲线I3(λ)，其假定由两个零级波片和三个石英旋转器组成。透射曲线I3(λ)与使用全色四分之一波片在1＝0°(图23a)，1＝45°(图23b)，1＝90°(图23c)和1＝135°(图23d)时产生的曲线相比较。石英旋转器的旋转角成1∶1∶-1的比例并假定在λ＝1064毫微米时ρ(λ)＝90°以及假定零级波片有在λ＝496.3毫微米时等于90°的相位角。
当使用光学旋转器时，通过绕z轴同时旋转滞相器73(1)和75(2)和偏振器77(P2)使得1∶2∶P2＝1∶2∶1或1∶(2-90°)∶(P2-90°)＝1∶2∶1的比例保持不变，图22的滤波器可机械调谐。当偏振旋转器72，74，和76是法拉第旋转器时，通过改变法拉第旋转角ρf(λ)，ρf(λ)和-ρf(λ)使得它们1∶1∶-1的比例保持不变，图22的滤波器可电动调谐。当使用法拉第旋转器时，滞相器73和75和输出偏振器77优选静止，定方位在1，2＝21和P2＝1或2＝90°+21和P2＝90°+1。通过调节角度1，2和P2使得它们的比例保持不变，可产生机械调谐。当1＝45°，2＝90°和P2＝45°或2＝0°和P2＝-45°时，图22的滤波器近一步地工作为一个单向电动调谐滤波器。图22的滤波器的往返透射率为I3r＝cos2(ρf(λ)+45°)cos22(ρf(λ)+45°)cos22(ρf(λ)-45°)cos2(ρf(λ)-45°)(29a)若1＝45°，2＝90°和P2＝-45°，或者I3r＝sin2(ρf(λ)+45°)cos22(ρf(λ)+45°)cos22(ρf(λ)-45°)sin2(ρf(λ)-45°)(29b)若1＝45°，2＝0°和P2＝-45°。
当输出偏振器77从其原始方位P2＝1或P2＝90°+1旋转90°，图22的滤波器的透射率能反转。当2＝21和P2＝90°+1或2＝90°+21和P2＝1时，图22的滤波器成为一槽口滤波器其光谱透射率I3notch(λ)互补于原始透射率I3(λ)，即I3notch(λ)＝1-I3(λ)，式中I3(λ)由方程(28a)或(28b)描述。通过同时旋转滞相器73和75和输出偏振器77改变角度1，图22的滤波器或其槽口滤波器可调谐。
对于图22的优选实施例，当使用被动偏振旋转器时，为了调谐输出偏振器77必须旋转。可以修改图22的结构通过在偏振器77之前插入一可旋转的半波滞相器81形成如图24所示的偏振器-固定的可调谐滤波器。对于此优选实施例，输出偏振器77是静止的，优选定方位在P2＝0°(如图24)或P2＝90°。加入的滞相器81定方位使得其光轴相对于输入偏振器71在角度3以致于滞相器73，75和81的方位角在P2＝0°时成1∶2∶3＝2∶4∶1的比例或在P2＝90°时成1∶(2-90°)∶(3-90°)＝2∶4∶1的比例。对于此优选实施例，偏振旋转器72，74，和76优选为光学旋转器而滞相器73，75和81可以是全色或零级双折射滞相器或者等同的液晶滞相器。图24的滤波器有和方程(28)一样的透射率而且通过绕z轴朝相同方向相对于输入偏振器71同时旋转滞相器73，75和81改变角度1，2，和3使得它们的比例1∶2∶3＝2∶4∶1或1∶(2-90°)∶(3-90°)＝2∶4∶1保持不变滤波器可调谐。当使用双折射滞相器或者液晶电动旋转滞相器时，调谐是机械的或者电动的。液晶滞相器定方位使得它们在无电场时光轴的方位角相对于输入偏振器成1∶2∶3＝2∶4∶1或1∶(2-90°)∶(3-90°)＝2∶4∶1的比例而且可机械地和/或电驱动地旋转。
据本发明人所知，目前还没有报道过装置或光学结构，其工作为无需中间偏振器的Loyt两级滤波器。所谓的分裂-元件滤波器(Evans，J.W.(1949)J.Opt.Soc.Am，39229)，为一波长-固定的由三个相同的双折射片组成的滤波器，不准确象Loyt两级滤波器一样地透射光强。为了修改分裂-元件滤波器的透射率使其成为Loyt两级滤波器的透射率，全色的四分之一波相位移须加到每一个分裂元件和全色的半波相位移须加到中间的元件。于是，调谐一个分裂-元件滤波器，至少须要一个Buhrer的双调谐器(四个全色的四分之一波片)和一个或两个另外的全色波片。Sharp等(Sharp G.H.和Johnso K.M.，美国专利，专利号6,091,462)修改了Evans的分裂-元件滤波器，通过旋转其中一个分裂元件九十度。为了产生一个Loyt两级滤波器的透射率，修改后的分裂-元件滤波器在每一个分裂元件中须要九十度相位移，比原始结构少一个全色波片。甚至制造一个标准的Loyt两级滤波器，例如按照图2的结构，除了两个偏振器以外须要一个中间偏振器，两个双折射片和四个全色波片。然而，本发明在图22和图24的可调谐滤波器不使用中间偏振器而且仅须要三个双折射片(光学旋转器)和两个(图22)或三个(图24)全色波片。另外，本发明的优选实施例允许使用零级波片在中等波长范围(例如参考图23)制造无损失Loyt两级滤波器。近一步地，本发明的优选实施例分别使得新特征的使用法拉第旋转器的无损失Loyt两级滤波器(图22)成为可能，其可电磁调谐且能工作为单向装置，或者使用液晶滞相器的无损失Loyt两级滤波器(图24)成为可能，其可电动调谐。
图25图解地显示本发明的一种三调谐器滤波器的结构，其由一个输入偏振器82(P1＝0°)，第一偏振旋转器83(-ρ)，第一滞相器84(Δ1，1)，第二偏振旋转器85(2ρ)，第二滞相器86(Δ2，2)，第三偏振旋转器87(-2ρ)，第三滞相器88(Δ3，3)，第四偏振旋转器89(ρ)和一个输出偏振器90(P2)组成。它们沿某一光束轴，例如z轴，成串接排列使得它们相对于y轴的轴方位如图25所表示。输入偏振器82和输出偏振器90定方位相互垂直，在P1＝0°和P2＝90°如图25。旋转器83，85，87和89的色散旋转角ρ(λ)，-2ρ(λ)，2ρ(λ)和-ρ(λ)成1∶-2∶2∶-1的比例。第一和第三滞相器84和88相同，有相位角Δ1＝Δ3＝Δ，其等于或近似等于一事先确定的优选从60°至100°中选取的数值。滞相器84和88有它们的轴相对于y轴定方位在角度-，即1＝3＝-。滞相器86是一半波滞相器(Δ2＝180°或Δ2≈180°)，其轴相对于y轴准直在2＝+450°旋转器83，85，87和89和滞相器84，86和88的组合等同于三个与图6c的一致的滞相器调谐器91，92和93的串联连接。滞相器调谐器91和93相同，有相位角Δ且平行定方位有方位角θ＝-(ρ(λ)+)，而滞相器调谐器92由其相位角Δ2＝180°和方位角θ2＝ρ(λ)++45°＝-(θ-45°)表示。于是，图25的滤波器透射的光谱透射率I3＝I3(λ)被表示和计算为I3=121cos2P2sin2P20-110000cos4θsin2Δ2+cos2Δ2sin4θsin2Δ2-sin2θsinΔ0sin4θsin2Δ2cos2Δ2-cos4θsin2Δ2cos2θsinΔ0sin2θsinΔ-cos2θsinΔcosΔ]]>10000-cos4θsin4θ00sin4θcos4θ0000-110000cos4θsin2Δ2+cos2Δ2sin4θsin2Δ2-sin2θsinΔ0sin4θsin2Δ2cos2Δ2-cos4θsin2Δ2cos2θsinΔ0sin2θsinΔ-co2θsinΔcosΔ1cos2P1sin2P10]]>=12{1-cos4Δ2cos2(P2+P1+2θ)-sin4Δ2cos2(P2+P1+6θ)]]>-sin2Δ2cos2Δ2(cos2(P2-P1-4θ)+cos2(P2-P1+4θ))+sin2(P1-θ)sin2(P2-θ)sin2Δ}.···(30)]]>对于图25的优选实施例，即P1＝0°和P2＝90°，和θ＝-(ρ(λ))，根据方程(30)有
由于旋转角ρ＝ρ(λ)，图25的滤波器由方程(31a)表示的光谱透射率I3＝I3(λ)显示一与波长有关的图形。根据本发明，偏振器82和90也可定方位在P1＝45°和P2＝135°。当P1＝45°和P2＝135°时，根据方程(30)滤波器的透射率为 方程(31b)描述的透射率和方程(31a)描述的相同除了它们相互位移了π/4。方程(31a)或(31b)描述的透射率I3＝I3(λ)也是参数Δ的函数。在设计滤波器时，可灵活地选取滞相器84和88的相位角Δ的值使得优选满足条件60°≤Δ≤100°。例如当Δ＝90°时，方程(31a)和(31b)被简化使得I3为 方程(32a)或(32b)准确地描述了一个标准的Loyt类两级滤波器的透射率。当相位角Δ取值不同于90°时，图25滤波器的透射曲线I3(λ)将改变，如方程(31a)或(31b)所描述。图26显示一组在400-700毫微米波长范围在＝0°时按照方程(31a)计算的图25滤波器的透射曲线I3(λ)。在计算中，假定滞相器84，86和88是消色差的以及旋转器83，85，87和89是石英光学旋转器其在λ＝726.85毫微米有光学旋转ρ(λ)＝90°以致于I3(λ)在420毫微米和514毫微米有主峰带最大值。如所示，当Δ＝60°时透射率I3(λ)无边带，但有最宽的主峰带。当Δ值从60°增加时，主峰带的带宽变窄而且在主透射峰带之间出现两个边带。其幅度随Δ值增加而增加。当Δ＝75.52°时，透射率I3(λ)与 三片滤波器的透射率一致。在Δ＝90°，滤波器等同于一个Loyt两级滤波器，其透射率如方程(32a)所描述。随着Δ值近一步增加，主透射峰带近一步变窄，但边带幅度增加更快。图25的优选实施例提供了设计和制造边带可按愿望抑制的三调谐器滤波器的可能性。倘若Δ的值不是很高，例如不大于大约100°，边带幅度将被控制在一技术上可接受的范围。边带的幅度当Δ＝100°时上升到0.154并连续减小一直到当Δ＝60°时等于零。灵活地选取参数Δ以便设计和提供边带可按愿望抑制的可调谐滤波器使得更好地满足不同应用需要，其包括标准的 三片滤波器和无中间偏振器的Loyt类两级滤波器。通过绕z轴同步旋转滞相器84和88向一个方向并以同速旋转滞相器86向相反方向，相对于偏振器97，改变它们的方位角1＝3＝-和2＝+45°使其描述的关系保持不变，图25的滤波器可调谐。滤波器也可通过同时改变旋转器83，85，87和89的旋转角使比例1∶-2∶2∶-1保持不变而调谐。
当输出偏振器90定方位平行于输入偏振器82时，图25的滤波器成为一个槽口滤波器。在工作为一个槽口滤波器时，图25滤波器的光谱透射率I3notch(λ)等于1-I3(λ)式中I3(λ)在P2＝P1＝0°或P2＝P1＝45°时由方程(31a)或(31b)描述。图25的结构在其绕一垂直于光束的轴旋转180°时不变。对于此优选实施例，偏振旋转器83，85，87和89优选从光学旋转器，例如石英旋转器，和法拉第旋转器中选取。适合于滞相器84，86和88的候选者包括双折射全色或零级滞相器，液晶可变滞相器和液晶电动旋转滞相器。取决于选用的偏振旋转器和滞相器，图25的滤波器能够制造成为可机械调谐，电动调谐，电磁调谐和/或单向调谐，或电动切换。
当旋转器83，85，87和89是石英光学旋转器时，使用等同的双折射滞相器，优选为全色或零级的，或液晶电动旋转滞相器作为滞相器84，86和88是合乎希望的。通过以所描述的方式同时旋转双折射滞相器或液晶电动旋转滞相器，滤波器能够机构地和/或电动地调谐。当滤波器的波长范围不是很宽和/或对波谱波形或边带抑制的要求不是很高时，可以使用零级滞相器。图27显示在图26计算的滤波器当滞相器84和86被两个在λ＝457.7毫微米的零级四分之一波片替换时的一组调谐透射曲线I3(λ)。透射曲线I3(λ)与使用全色四分之一波片时在＝0°(图27a)，＝30°(图27b)，和＝60°(图27c)产生的曲线相比较。图27的计算是在如图26的相同条件下完成的。如所示，使用零级波片产生的主要效应是I3(λ)的主透射峰带的加宽以及分别在长和短波片区域边带幅度的增加。然而，波形畸变对某些应用应当不是危险的。
另外，当使用合适的液晶可变滞相器作为滞相器84，86和88时，图25的滤波器能够电动切换和机械调谐。液晶滞相器按要求定方位和控制使得相位角在两交替状态之间切换。在一个切换状态，所有液晶滞相器的相位角在滤波器的波长范围等于或近似等于零。而在另一个状态，替换滞相器86的液晶滞相器有相位角等于或近似等于180°，而替换滞相器84和88的液晶滞相器有相同的相位角Δ，取值使得60°≤Δ≤100°。在零相位角状态，液晶滞相器作用为各向同性的介质以致于旋转器83，85，87和89的旋转角相互补偿抵消。由于P1＝0°和P2＝90°或P1＝45°和P2-45°滤波器完全阻止光通过。而在非零相位角状态，滤波器具有如方程(32a)所描述和光谱透射率。滤波器可通过同时切换液晶滞相器电动切换以及近一步地通过机械旋转它们使得它们方位角关系保持不变而调谐。对于图25的滤波器，使用液晶可变滞相器的另一好处是通过电动改变第一和第三液晶滞相器的相位角(参考图26)，优选在大约从60°到100°的范围内，其透射峰带的带宽成为可调节的。
使用法拉第旋转器作为旋转器83，85，87和89，图25的滤波器将可电磁调谐。在法拉第旋转器上施加电磁场使得它们的旋转角等于ρf(λ)，-2ρf(λ)，2ρf(λ)和-ρf(λ)。通过调节磁通强度同时改变法拉第旋转角使得它们1∶-2∶2∶-1的比例保持不变，滤波器可电动调谐。在这种情况下，滞相器84，86和88优选为双折射全色或零级波片，如所要求定方位在1＝3＝-和2＝+45°。角度能够机械调节如果这样希望的话。对于单向装置选择，优选使得滞相器84，86和88分别定方位在l＝3＝-22.5°和2＝+45°＝67.5°。在P1＝0°和P2＝90°，图25滤波器使用法拉第旋转器时的往返透射率为 图28显示图25的滤波器当使用法拉第旋转器时在500-650毫微米波长范围按照方程(33)计算的理论往返透射曲线。滤波器的三个滞相器假定是消色差的使得第一和第三滞相器有相位角Δ，以及四个TGG玻璃的法拉第旋转器的法拉第旋转角假定在λ＝1453毫微米等于45°。在Δ＝600，Δ＝70.5°，Δ＝80°，Δ＝90°，和Δ＝100°(图28a)时的往返透射率曲线I3r(λ)和与相应按照方程(31a)计算的单向透射曲线I3(λ)(图28b)相比较。当Δ＝70.5°，隔离率I3r(λ)达到阻止反方向光的优化结果使得I3r(λ)的最大泄漏光强等于0.003(最小衰减率-25.1dB)。
与图22的优选实施例相比，图25的滤波器的输出偏振器可保持静止。为此的代价是比前者多需要一个调谐器。与图24的优选实施例相比，图25的滤波器在其透射波谱具有由设计者决定的可抑制或调节的边带方面是灵活的。此外，图25的结构允许工作为电动切换和机械调谐滤波器，正如图18的优选实施例使用合适的切换滞相器，例如液晶可变滞相器。此调谐特性对于图24的结构是不可行的。作为具有此调谐特性代价，图25的滤波器比图24的滤波器多需要一个偏振旋转器。图22和图25的结构都可用于制造单向滤波器其透射率准确等同于一个Loyt两级滤波器的透射率。图22的结构需要少的构件因而比图25在Δ＝90°时的结构简单些。不过，图25的结构灵活并且允许达到更好的衰减结果。
根据本发明，也可使用本发明的调谐器制造具有特殊波形的波谱滤波器。作为一例，本发明近一步提供一种三调谐器滤波器，具有一平顶带通透射函数。图29图解地显示此种三调谐器滤波器的结构，其由一个输入偏振器94(P1＝0°)，第一偏振旋转器95(3ρ)，第一滞相器96(Δ1，1)，第二偏振旋转器97(-4ρ)，第二滞相器98(Δ2，2)，第三偏振旋转器99(4ρ)，第三滞相器100(Δ3，3)，第四偏振旋转器101(-3ρ)和一个输出偏振器102(P2)组成。它们沿z轴成串接排列使得它们相对于y轴的轴方位如图29所示。输入偏振器94和输出偏振器102定方位相互垂直，例如在P1＝0°和P2＝90°。偏振旋转器95，97，99和101具有色散旋转角3ρ(λ)，-4ρ(λ)，4ρ(λ)和-3ρ(λ)在滤波器的波长范围成3∶-4∶4∶-3的比例。滞相器98有相位角Δ2优选消色差并定方位使其轴相对于y轴位于角度2＝-。滞相器96和100相同，有相位角Δ1＝Δ3，优选在相同的波长范围消色差。它们相互平行定方位使其轴相对于y轴位于滞相器98的另一边，相距三倍于的角度，即1＝3＝3，当沿光传播方向观察时。旋转器95，97，99和101和滞相器96，98和100的组合等同于三个与图6c的优选实施例一致的滞相器调谐器103，104和105的串联连接。滞相器调谐器103和105相同，有相位角Δ1且平行定方位有方位角θ1＝3(ρ(λ)+)，而滞相器调谐器104由其相位角Δ2和方位角θ2＝-(ρ(λ)+)表示。于是，图29的滤波器的透射波谱I3＝I3(λ)被表示和计算为I3=121-100-110000cos2Δ12+cos4θ1sin2Δ12sin4θ1sin2Δ12-sin2θ1sinΔ10sin4θ1sin2Δ12cos2Δ12-cos4θ1sin2Δ12cos2θ1sinΔ10sin2θ1sinΔ1-cos2θ1sinΔ1cosΔ1]]>10000cos2Δ22+cos4θ2sin2Δ22sin4θ2sin2Δ22-sin2θ2sinΔ20sin4θ2sin2Δ22cos2Δ22-cos4θ2sin2Δ22cos2θ2sinΔ20sin2θ2sinΔ2-cos2θ2sinΔ2cosΔ2]]>10000cos2Δ12+cos4θ1sin2Δ12sin4θ1sin2Δ12-sin2θ1sinΔ10sin4θ1sin2Δ12cos2Δ12-cos4θ1sin2Δ12cos2θ1sinΔ10sin2θ1sinΔ1-cos2θ1sinΔ1cosΔ11100]]>=12{1-L2(cos2Δ12+cos4θ1sin2Δ12)-L3sin2Δ12sin4θ1+L4sinΔ1sin2θ1},···(34)]]>式中L2=cos2Δ12cos2Δ22+sin2Δ12cos2Δ22cos4θ1+sin2Δ22cos2Δ12cos4θ2]]>+sin2Δ12sin2Δ22cos4(θ2-θ1)-sinΔ1sinΔ2sin2θ1sin2θ2,···(35a)]]>L3=cos2Δ12sin2Δ22sin4θ2+sin2Δ12sin2Δ22sin4(θ2-θ1)]]>+sin2Δ12cos2Δ22sin4θ1+sinΔ1sinΔ2sin2θ1cos2θ2,]]>L4=cos2Δ12sinΔ2sin2θ2-sin2Δ12sinΔ2sin2(2θ1-θ2)+sinΔ1cosΔ2sin2θ1.···(35c)]]>当θ1＝3(ρ(λ)+)和θ2＝-(ρ(λ)+)时，方程(34)能够被写为 根据本发明，偏振器94和102也可准直在P1＝45°和P2＝135°。当P1＝45°和P2＝135°时，图29的滤波器的透射率I3＝I3(λ)获得为
方程(36b)描述的透射率和方程(36a)描述的相同除了它们相互位移了π/4。由于方位角θ1＝3(ρ(λ)+)和θ2＝-(ρ(λ)+)的色散，图29滤波器的光谱透射率I3＝I3(λ)作为波长λ的某一函数变化。透射率图形I3(λ)也是设计参数Δ1和Δ2的函数，其应当事先确定。根据本发明，当相位角Δ1和Δ2取值使得条件30°≤Δ1≤50°和170°≤2Δ1+Δ2≤220°优选满足时，图29滤波器的光谱透射率I3＝I3(λ)有一个近似的方波。图30显示按照方程(36a)计算在＝0°，22.5°，45°和67.5°时的一组在400-500毫微米波长范围的调谐透射曲线I3(λ)。如优选所需，在计算中，滞相器96，98和100假定为消色差的且有相位角Δ1＝44°和相位角Δ2＝97°(2Δ1+Δ2＝185°)。对于旋转器95，97，99和101，假定为石英光学旋转器其在λ＝726.85毫微米有旋转角ρ(λ)＝90°以致于在＝0°曲线I3(λ)的透射波带以大约460毫微米为中心并有在半最大值(FWHM)处的全宽为大约29毫微米。I3(λ)的最大边带峰为大约0.036。通过改变Δ1和/或Δ2的值，曲线将相应改变使得最大跃变斜率减少或增加以及边带幅度增加或减少。图30的曲线I3(λ)与当滞相器96，98和100是相位角在463毫微米为Δ1＝44°或Δ2＝97°的零级波片时产生的曲线相比较。与当使用全色波片时产生的曲线相比，使用零级波片时的透射波形稍微畸变。然而，如计算证实，滤波器在一中等波长范围仍能很工作。
通过绕z轴同步旋转滞相器96和100向一个方向并旋转滞相器98向相反方向，相对于偏振器100，改变它们的方位角1＝3＝3和2＝-使其描述的关系保持不变，图29的滤波器可调谐。滤波器也可通过同时改变旋转器95，97，99和101的旋转角使3∶-4∶4∶-3的比例保持不变而调谐。对于图29的优选实施例，偏振旋转器95，97，99和101优选从光学旋转器，例如石英旋转器，和法拉第旋转器中选取。适合于滞相器96，98和100的候选者包括双折射全色或零级滞相器，液晶可变滞相器和液晶电动旋转滞相器。取决于选用的偏振旋转器和滞相器，图29的滤波器能够制造成为可机械调谐，电动调谐，电磁调谐和/或单向调谐，或电动切换。
当输出偏振器102定方位平行于输入偏振器94时，图29的滤波器成为一个槽口滤波器其光谱透射率I3notch(λ)等于1-I3(λ)式中13(λ)在P2＝P1＝0°或P2＝P1＝45°时由方程(36a)或方程(36b)描述。图29的结构在其绕一垂直于光束轴的轴旋转180°时不变。其最佳选取构件偏振旋转器和滞相器制造不同调谐机理的滤波器的方法完全与如上描述的关于图19和图25的优选实施例的最佳选取方法相同。对于图29的滤波器，优选使用石英光学旋转器和双折射滞相器或液晶电动旋转滞相器以致于图29的滤波器能够机械地和/或电动地调谐。使用液晶可变滞相器作为滞相器96，98和100并控制使用相位角在两交替状态之间切换，图29的滤波器能够电动切换。液晶滞相器的相位角在一个切换状态等于或近似等于零而在另一个状态取值使得在滤波器的波长范围条件30°≤Δ1≤50°和170°≤2Δ1+Δ2≤220°优选满足。在零相位角状态，液晶滞相器作用为各向同性的介质以致于旋转器95，97，99和101的旋转角相互补偿抵消，由于P1＝0°和P2＝90°或P1＝45°和P2＝135°滤波器完全阻止光通过。而在非零相位角状态，滤波器具有如方程(36a)所描述的光谱透射率。图29的滤波器可通过同时切换液晶滞相器电动切换以及近一步地通过机械旋转它们使得它们方位角关系保持不变而调谐。此外，当使用液晶可变滞相器时，通过电动改变液晶滞相器的相位角，优选在30°≤Δ1≤50°和170°≤2Δ1+Δ2≤220°的条件下，I3(λ)透射峰带的带宽可调节。使用等同的法拉第旋转器作为旋转器95，97，99和101，通过同时改变法拉第旋转角使得它们3∶-4∶4∶-3的比例保持不变，图29的滤波器可电磁调谐。为了工作为单向装置，优选使得滞相器96，98和100静止分别定方位在1＝3＝3＝67.5°和2＝-＝-22.5°，即角度＝22.5°。在P1＝0°和P2＝90°，图29的滤波器使用法拉第旋转器时的往返透射率为 图31显示图29的滤波器当使用法拉第旋转器时在500-650毫微米波长范围按照方程(37)计算的往返透射曲线I3(λ)。对此计算，滞相器假定为消色差有相位角Δ1和Δ2满足条件30°≤Δ1≤50°和170°≤2Δ1+Δ2≤220°，以及假定TGG玻璃的法拉第旋转器有法拉第旋转角在λ1437毫微米等于45°。在Δ1＝44°和Δ2＝97°和Δ1＝38.4°和Δ2＝108.2°(图31a)时的往返透射率曲线I3r(λ)和与它们相应的单向透射曲线(图31b)相比较。当Δ1＝38.4°和Δ2＝108.2°，隔离率I3r(λ)达到阻止反方向光的优化结果使得泄漏光强I3r(λ)的最大值等于0.0013(最小衰减率-28.9dB)。
Buhrer在他的一个专利(Buhrer Carl F.，美国专利，专利号4,678,287)中描述了一个使用他的双调谐器的可调谐带通光谱滤波器，其透射率有一近似方波形。此滤波器由三个双折射波片(两个成对的片和一个单片)和七个全色波片(一个半波片和六个四分之一波片)组成。与现有技术相比，图29的优选实施例仅需四个双折射片(光学旋转器)和三个全色滞相器。此外，图29的优选实施例允许当光谱范围不是很宽时使用零级波片。还有，本发明使得新特征的滤波器成为可能，包括使用法拉第旋转器的滤波器，其可电磁调谐且能工作为单向装置，或者使用液晶滞相器的滤波器，其可电动调谐和切换。
近一步的无损失滤波器和由多于三个本发明的调谐器组成的滤波器是可能的，它们将在后继的专利申请中描述。本发明可被补充或修改成其它特定形式和/或近一步的优选实施例而不偏离本发明的精神和基本特征。在本描述中给出的优选实施例在所有方面应当视为解脱性的和无限制的。对于在现有技术擅长者，变化将是明显的。
权利要求
1.一种用作制造在某一波长范围可调谐或可切换光谱滤波器构件的调谐器，包括单级和多级滤波器和无中间偏振器的滤波器，其特征在于，所述调谐器由沿某一光束轴成串接排列的元件组成，包括一色散偏振旋转器(31)，其旋转角ρ(λ)在所述波长范围作为光波长λ的某一函数变化；一对方位敏感的偏振光学元件，和用于转动所述偏振光学元件和/或者改变所述旋转角ρ(λ)的装置；以及其特征在于，所述偏振旋转器和所述偏振元件在所述光谱滤波器里沿所述光束轴成串接排列使得所述偏振元件定方位在某一事先确定与所述光谱滤波器结构有关的角度，并且所述调谐器通过转动所述偏振元件改变其在所述滤波器里的方位和/或者改变所述旋转角ρ(λ)工作。[Ex.FIGS.6a-c]
2.如权利要求1所述的调谐器，其特征在于，所述偏振旋转器优选为一色散的光学旋转器，典型为石英光学旋转器，或者一磁场施加于上的色散法拉第旋转器，其旋转角由改变所述磁场的磁通量可改变，以及所述偏振元件优选为一偏振器，典型为二向色性偏振器或双折射偏振器，或者是一光学滞相器，优选从全色或零级双折射滞相器，等同的液晶电动旋转滞相器包括FLC元件，SmA*元件，DHF液晶元件，SSFLC元件，平面准直脂状C*元件和三态反铁电效应液晶元件，和可变滞相器包括液晶可变滞相器例如向列元件或类热准直脂状液晶元件和相位调制器例如电光调制器，光弹调制器和磁光调制器中选取。
3.如权利要求1所述的调谐器，其特征在于，所述偏振元件是一偏振器(32)，其用作所述滤波器的输出或输入偏振器且相对于所述滤波器的参考轴有方位角P，所述偏振旋转器(31)和所述的偏振器(32)在所述光谱滤波器里沿所述光束轴成串接排列使得所述偏振旋转器在所述偏振器的前面或后面，以及所述调谐器是一个偏振器调谐器(33)，其等同于一个在所述波长范围方位角作为光波长λ的某一函数可变且等于P+ρ(λ)或P-ρ(λ)的偏振器，而且是通过改变所述方位角P和/或者所述旋转角ρ(λ)进而改变所述偏振器调谐器的方位角P+ρ(λ)或P-ρ(λ)而工作的。[Ex.FIG.6a]
4.如权利要求1所述的调谐器，其特征在于，所述偏振元件是一滞相器(34)，具有相位角Δ在所述波长范围等于或近似等于某一事先确定与所述光谱滤波器结构有关的数值，所述偏振旋转器(31)和滞相器(34)在所述光谱滤波器里沿所述光束轴排列使得所述滞相器的光轴在所述滤波器定方位在某一事先确定的和所述光谱滤波器结构有关的角度，以及所述的调谐器等同于一旋转角为ρ(λ)的等同光学旋转器(36)和一滞相器调谐器(35)的串联连接，其等同于一个在所述波长范围相位角等于Δ方位角等于+ρ(λ)或-ρ(λ)的滞相器，而且是由改变所述方位角和/或所述旋转角ρ(λ)进而改变所述滞相器调谐器的所述方位角+ρ(λ)或-ρ(λ)和/或改变所述相位角Δ而工作的。[Ex.FIG.6b]
5.如权利要求4所述的调谐器，其特征在于，所述调谐器近一步包括第二色散偏振旋转器(37)其旋转角-ρ(λ)作为光波长λ的某一函数在所述波长范围可变，放置在所述滞相器(34)相对旋转角为ρ(λ)的所述偏振旋转器(31)的反面，所述调谐器是一个滞相器调谐器(35)，等同于一个在所述波长范围相位角等于Δ光轴方位角等于+ρ(λ)或-ρ(λ)的滞相器，而且是由改变所述方位角和/或者同时改变所述旋转角ρ(λ)和-ρ(λ)进而改变所述偏振器调谐器的所述方位角+ρ(λ)或-ρ(λ)和/或改变所述相位角Δ而工作的。[Ex.FIG.6c]
6.一种某一波长范围的光谱滤波器，其特征在于，所述滤波器由沿某一光束轴按照权利要求3，4和5成串接排列的元件组成，包括一个输入偏振器；至少一个色散偏振旋转器，其旋转角在所述波长范围作为光波长的某一函数变化；至少一个对方位敏感的偏振光学元件；和用于绕所述光束轴转动所述偏振光学元件和/或者改变所述旋转角的装置；以及其特征在于，所述偏振光学元件或至少一个所述偏振光学元件是偏振器，所述偏振旋转器和所述偏振元件在所述输入偏振器后面沿所述光束轴排列形成与权利要求3，4和5一致的调谐器使得所述为偏振器的偏振光学元件用作所述滤波器的输出偏振器，而且所述滤波器具有由所述旋转角确定的光谱透射率以及可通过绕所述光束轴转动所述输出偏振器和/或其它的所述偏振光学元件和近一步地由改变所述旋转角调谐。[Ex.FIGS.7-11，14，16-18，22，24，25，29]
7.如权利要求6所述的光谱滤波器，其特征在于，所述偏振旋转器优选为色散光学旋转器，典型为石英光学旋转器，或者磁场施加于上的色散法拉第旋转器，其旋转角由改变所述磁场的磁通量可改变，以及所述偏振元件优选为偏振器，典型为二向色性或双折射偏振器，或者滞相器，优选从全色或零级双折射滞相器，等同的液晶电动旋转滞相器包括FLC元件，SmA*元件，DHF液晶元件，SSFLC元件，平面准直脂状C*元件和三态反铁电效应液晶元件，以及可变滞相器包括液晶可变滞相器例如向列元件或类热准直脂状液晶元件和相位调制器例如电光调制器，光弹调制器和磁光调制器中选取。
8.如权利要求6所述的光谱滤波器，其特征在于，所述滤波器是所述波长范围的一单级光谱滤波器由沿所述光束轴成串接排列的元件组成，包括一个输入偏振器(40)；一个色散偏振旋转器(41)，其旋转角在所述波长范围作为光波长的某一函数变化，优选从光学旋转器和法拉第旋转器中选取；一个输出偏振器(42)；和用于绕所述光束轴转动所述输出偏振器的装置；以及其特征还在于，所述偏振旋转器(41)置于所述输入和输出偏振器(40，42)之间使得所述偏振旋转器(41)和所述偏振器(42)的组合等同于一个与权利要求3一致的偏振器调谐器，并且所述滤波器具有由所述旋转角确定的光谱透射率以及通过绕所述光束轴转动所述输出偏振器和近一步地由改变所述旋转角可调谐。[Ex.FIGS.7-10]
9.如权利要求8所述的单级光谱滤波器，其特征在于，所述偏振旋转器(41)优选为色散光学旋转器，典型为石英光学旋转器，所述滤波器的光谱透射率通过绕所述光束轴相对于所述输入偏振器(40)转动所述输出偏振器(42)可调谐。[Ex.FIG.7]
10.如权利要求8所述的单级光谱滤波器，其特征在于，所述偏振旋转器(41)优选为磁场施加于上的色散法拉第旋转器，其旋转角由改变所述磁场的磁通量可改变，且所述滤波器近一步包括用于通过调节所述磁场的磁通量改变所述法拉第旋转器的旋转角的装置。[Ex.FIG.7]
11.如权利要求10所述的单级光谱滤波器，其特征在于，所述滤波器具有由所述法拉第旋转角确定的光谱透射率而且通过改变所述法拉第旋转角可调谐或者由在至少两个交替状态切换所述法拉第旋转角可切换，近一步地通过绕所述光束轴相对于所述输入偏振器(40)转动所述输出偏振器(42)可调谐，并且当所述输出偏振器相对于所述输入偏振器优选固定且定方位在45°时具有单向装置的功能，在一个方向透射和可调谐地滤光，但却阻止反方向光通过。[Ex.FIG.7]
12.如权利要求8所述的单级光谱滤波器，其特征在于，所述偏振旋转器优选为一色散光学旋转器(43)，典型为石英光学旋转器，以及所述滤波器近一步包括一可旋转的半波滞相器(44)其相位角在所述波长范围等于或近似等于180°，优选为一等同的全色或零级双折射滞相器或者液晶电动旋转滞相器，置于紧靠所述光学旋转器之后或之前。[Ex.FIG.8]
13.如权利要求12所述的单级光谱滤波器，其特征在于，所述光学旋转器(43)和滞相器(44)的组合等同于一个与权利要求4一致的调谐器，以及所述滤波器具有由所述光学旋转器的旋转角确定的光谱透射率并且可由绕所述光束轴转动所述半波滞相器，机械地或电动地，且近一步地可由相对于所述输入偏振器(40)转动所述输出偏振器(42)调谐。[Ex.FIG.8]
14.如权利要求8所述的单级光谱滤波器，其特征在于，所述偏振旋转器优选为一色散光学旋转器(43)，典型为石英光学旋转器，并且所述滤波器近一步包括一旋转角在所述波长范围可调的主动偏振旋转器(45)，置于紧靠所述被动偏振旋转器(43)之前或之后，以及改变所述主动偏振旋转器的旋转角的装置。[Ex.FIG.9]
15.如权利要求14所述的单级光谱滤波器，其特征在于，所述光学旋转器(43)，主动偏振旋转器(45)和偏振器(42)的组合等同于一个与权利要求2一致的偏振器调谐器，以及所述滤波器具有光谱透射率可由改变所述主动偏振旋转器的旋转角调谐或者切换，并且近一步地可由相对于所述输入偏振器(40)转动所述输出偏振器(42)调谐。[Ex.FIG.9]
16.如权利要求15所述的单级光谱滤波器，其特征在于，所述主动偏振旋转器(45)优选为一磁场施加于上的法拉第旋转器，其旋转角由改变所述磁场的磁通量而改变，或者是一旋转角经施加控制电压可连续或不连续改变的液晶偏振旋转器，典型为扭转-向列液晶偏振旋转器，置于紧靠所述被动偏振旋转器(43)之前定方位使其入射晶体光轴平行于所述输入偏振器(40)的透射轴。[Ex.FIG.9]
17.如权利要求8所述的单级光谱滤波器，其特征在于，所述输出偏振器(42)优选固定并定方位平行或垂直于所述输入偏振器(40)以及所述偏振旋转器是一个色散光学旋转器(43)，典型为石英光学旋转器，并且所述滤波器近一步包括第二色散光学旋转器(47)，选取使得所述的第二色散光学旋转器和所述原来的光学旋转器组成一对其旋转角在所述波长范围大小相等旋转方向相反的光学旋转器，一可变滞相器(46)，驱动使其工作为其相位角在两个交替状态可切换的滞相器以至于所述的滞相器的相位角在所述波长范围分别在所述的其中一个状态等于或近似等于零而在所述的另一状态等于或近似等于180°，以及用于驱动所述滞相器使得所述相位角在所述状态切换和绕所述光束轴转动所述滞相器的装置。[Ex.FIG.10]
18.如权利要求17所述的单级光谱滤波器，其特征在于，所述第二色散光学旋转器(47)和可变滞相器(46)在所述输入和输出偏振器(40，42)之间成串接排列且放置使得所述可变滞相器(46)面向所述原本光学旋转器(43)，以及所述滤波器具有由所述旋转角确定的光谱透射率，且有所述光学旋转器(43)，可变滞相器(46)和第二色散光学旋转器(47)的组合等同于一与权利要求5一致的滞相器调谐器，并且通过在所述切换状态切换所述滞相器可切换及近一步地通过绕所述光束轴相对于所述输入偏振器转动所述滞相器可调谐。[Ex.FIG.10]
19.如权利要求6所述的光谱滤波器，其特征在于，所述滤波器是一个所述波长范围的n-级(n＝2，3，4，...)光谱滤波器由沿所述光束轴成串接排列的元件组成，包括一个输入偏振器(491)；n-1个中间偏振器(492，493，...，49n)；n个色散偏振旋转器(501，502，...，50n)，其与波长有关的旋转角不管旋向在所述波长范围优选为1∶2∶4∶8∶...∶2n-1的比例，并优选从光学旋转器和法拉第旋转器中选取；一个输出偏振器(49n+1)；和用于绕所述光束轴转动所述输出偏振器和所述n-1个中间偏振器的装置；以及其特征在于，所述n-1个中间偏振器(492，493，...，49n)和所述n个偏振旋转器(501，502，...，50n)排列在所述输入和输出偏振器(491，49n+1)之间；沿所述光束轴形成n个成串接排列的级，每一级都与权利要求8一致含有一个在偏振器之间的偏振旋转器，以致于每一个所述中间偏振器(492，493，...，49n)既作为一级的输出偏振器又作为下一级的输入偏振器，以致于形成的n个级输出偏振器(492，493，...，49n，49n+1)如此定方位，每一个相对于其紧邻的前一个，使得它们的方位角的比例与紧邻所述n个级输出偏振器之前的n个色散偏振旋转器(501，502，...，50n)的旋转角的比例相同，而且所述滤波器具有由所述旋转角确定的光谱透射率可由绕所述光束同同时转动所述n个级输出偏振器并使它们方位角的所述比例保持不变或使得所述n个级输出偏振器平行或垂直于所述输入偏振器而调谐以及近一步地可由同时改变所述n个偏振旋转器的所述旋转角使它们的所述比例保持不变而调谐。[Ex.FIGS.11，14，16，17]
20.如权利要求19所述的光谱滤波器，其特征在于，所述n个偏振旋转器(501，502，...，50n)优选为色散光学旋转器，其与波长有关的旋转角在所述波长范围成所述整数比例，以及所述滤波器的光谱透射率可由绕所述光束轴同时转动所述n个级输出偏振器(492，493，...，49n+1)使其所述方位角的比例保持不变或使所述n个级输出偏振器平行或垂直于所述输入偏振器而调谐。[Ex.FIG.11]
21.如权利要求19所述的光谱滤波器，其特征在于，所述n个偏振旋转器(501，502，...，50n)优选为磁场分别施加于上的色散法拉第旋转器，其与波长有关的旋转角在所述波长范围成所述整数比例，以及所述滤波器近一步包括用于通过调节所述磁场的磁通量而改变所述法拉第旋转角的装置。[Ex.FIG.11]
22.如权利要求21所述的光谱滤波器，其特征在于，所述滤波器具有由所述法拉第旋转角确定的光谱透射率而且通过同时改变所述法拉第旋转角可调谐或者通过在至少两个交替状状态同时切换所述法拉第旋转角以致于所述法拉第旋转角的所述比例保持不变或者所述法拉第旋转角在所述波长范围等于或近似等于零可切换，近一步地可由绕所述光束轴相对于所述输入偏振器同时转动所述n个级输出偏振器使其所述方位角的比例保持不变或使所述n个级输出偏振器平行或垂直于所述输入偏振器而调谐，并且当所述n个级输出偏振器相对于所述输入偏振器优选固定且定方位以致于在位于所述n个法拉第旋转角中最小旋转角之后的级输出偏振器相对于其紧邻前输入偏振器优选位于45°而其它n-1个级输出偏振器平行或垂直于所述输入偏振器时具有单向装置的功能，在一个方向透射和可调地滤光，但却阻止反方向光通过。[Ex.FIG.11]
23.如权利要求19所述的光谱滤波器，其特征在于，所述n个偏振旋转器优选为色散光学旋转器(511，512，...，51n)，典型为石英光学旋转器，其与波长有关的旋转角在所述波长范围成所述整数比例，所述n个级输出偏振器(492，493，...，49n+1)定方位优选平行或垂直于所述输入偏振器，所述滤波器近一步地包括n个可旋转的半波滞相器(521，522，...，52n)，每一个有相位角在所述波长范围等于或近似等于180°，分别置于所述排列好的n个光学旋转器(511，512，...，51n)紧邻之后或之前以致于所述每一级都与权利要求12一致而且定方位使得所述的n个半波滞相器分别平行于它们紧邻之前的偏振器或者使得它们每个相对于其紧邻前偏振器的方位角成与所述排列好的n个光学旋转器的所述旋转角的整数比例相同的比例。[Ex.FIG.14]
24.如权利要求23所述的光谱滤波器，其特征在于，所述n个滞相器(521，522，...，52n)优选为全色或零级双折射滞相器或者等同的液晶电动旋转滞相器，每个相对于其紧邻前偏振器定方位以致于它们方位角的比例与所述排列好的n个光学旋转器(511，512，...，51n)的旋转角的整数比例相同，以及所述光谱滤波器的光谱透射率是由所述光学旋转器的所述旋转角确定并且可通过绕所述光束轴同时转动所述n个双折射滞相器或液晶滞相器，机械地和/或电动地，使得它们所述方位角的所述比例保持不变或者使得所述方位角为零而调谐，并且能近一步地由同时转动所述n个级输出偏振器使得它们每个相对于其紧邻前偏振器的方位角成与它们紧邻之前的光学旋转角的所述比例而调谐。[Ex.FIG.14]
25.如权利要求19所述的光谱滤波器，其特征在于，所述n个偏振旋转器优选为色散光学旋转器(511，512，...，51n)，典型为石英光学旋转器，其与波长有关的旋转角在所述波长范围成所述整数比例，所述n个级输出偏振器(492，493，...，49n+1)优选静止且定方位平行或垂直于所述输入偏振器，所述滤波器近一步包括n个旋转角在所述波长范围可调的主动偏振旋转器(531，532，...，53n)并分别置于所述n个被动偏振旋转器(511，512，...，51n)之前或之后以致于所述每一级与权利要求14一致而且所述排列好的n个主动偏振旋转器(531，532，...，53n)的旋转角在所述波长范围与置于它们紧邻之前或之后的n个光学旋转器旋转角的所述整数比例相同，以及改变所述n个主动偏振旋转器的旋转角的装置，而且所述滤波器具有光谱透射率可由同时改变所述主动旋转角使所述主动旋转角的所述比例在所述波长范围保持不变或者使其等于或近似等于零而调谐或切换，能近一步地由同时转动所述n个级输出偏振器(492，493，...，49n+1)使得它们每个相对于其紧邻前偏振器的方位角成与它们紧邻前的光学旋转角的所述比例而调谐。[Ex.FIG.16]
26.如权利要求25所述的光谱滤波器，其特征在于，所述n个主动偏振旋转器(531，532，...，53n)优选为磁场施加于上的法拉第旋转器，其旋转角由改变所述磁场的磁通量可改变，或者是旋转角经施加控制电压可连续或不连续改变的等同液晶偏振旋转器，分别置于所述n个光学旋转器(511，512，...，51n)之后或之前以致于所述排列好的n个法拉第旋转器或液晶旋转器当被切换开或关时具有它们旋转角的比例在所述波长范围与它们紧邻之后或之前的n个光学旋转器的旋转角的比例相同或者等于或近似等于零，而且所述光谱滤波器的光谱透射率是由同时改变所述法拉第旋转器或液晶偏振旋转器的所述旋转角使所述旋转角的所述比例在所述波长范围保持不变或者使其等于或近似等于零而调谐。[Ex.FIG.16]
27.如权利要求26所述的光谱滤波器，其特征在于，所述n个液晶偏振旋转器(531，532，...，53n)优选为扭转-向列液晶偏振旋转器，分别置于所述n个光学旋转器(511，512，...，51n)之前并定方位使每一所述扭转-向列旋转器的入射晶体光轴平行于其紧邻之前的偏振器的透射轴，当所述扭转-向列偏振旋转器切换开和关时所述扭转-向列偏振旋转器具有旋转角在所述波长范围分别等于或近似等于零或者其成与它们紧邻之后的n个光学旋转器旋转角的比例相同的比例，而且所述光谱滤波器的光谱透射率是由同时切换所述扭转-向列液晶偏振旋转器开和关而切换。[Ex.FIG.16]
28.如权利要求19所述的光谱滤波器，其特征在于，所述形成的n个级偏振旋转器(492，493，...，49n+1)优选固定并定方位平行或垂直于所述输入偏振器(491)，所述n个偏振旋转器优选为色散光学旋转器(511，512，...，51n)，典型为石英光学旋转器，其与波长有关的旋转角在所述波长范围成所述整数比例，并且所述滤波器近一步包括另外n个色散光学旋转器(541，542，...，54n)，选取使得所述的另外n个色散光学旋转器(541，542，...，54n)和所述的原本n个光学旋转器(511，512，...，51n)组成n对其每对有旋转角在所述波长范围大小相等旋转方向相反的光学旋转器，且置放使得所述n级的每一级含有一对大小相同旋转方向相反的光学旋转器，n个相同的可变滞相器(551，552，...，55n)，驱动使其工作为每一个有相位角可在两交替状态切换的滞相器，以至于所述的每一滞相器的相位角在所述波长范围分别在所述的其中一状态等于或近似等于零而在另一状态等于或近似等于180°，并置放使所述n级的每一级包含一个所述的滞相器，其置于这一级的两光学旋转器之间与权利要求17一致，以及用于切换所述n个滞相器和绕所述光束轴转动所述n个滞相器的装置。[Ex.FIG.17]。
29.如权利要求28所述的光谱滤波器，其特征在于，所述置放好的n个可变滞相器(551，552，...，55n)定方位平行于所述输入偏振器或使它们每个相对于其紧邻之前的偏振器的方位角的比例与它们紧邻之前的n个光学旋转器的旋转角的整数比例相同，以及所述波波器具有由所述旋转角确定的光谱透射率且可由在所述切换状态同时切换所述可变滞相器(551，552，...，55n)切换，并且近一步地可由绕所述光束轴同时转动所述n个滞相器使得所述方位角的比例在所述波长范围保持不变或者使所述n个滞相器的每一个平行或垂直于其紧邻之前偏振器而调谐。[Ex.FIG.17]
30.如权利要求6所述的光谱滤波器，其特征在于，所述滤波器是一个所述波长范围的根据权利要求5的无中间偏振器的两调谐光谱滤波器由沿所述光束轴成串接排列的元件组成，包括一个输入偏振器(61)；第一偏振旋转器(62)，其旋转角ρS1(λ)作为光波长λ的某一函数变化；第一滞相器(63)；第二偏振旋转器(64)，其旋转角ρS2(λ)作为光波长λ的某一函数变化；第二滞相器(65)；第三偏振旋转器(66)，其旋转角ρS3(λ)作为光波长λ的某一函数变化；一个输出偏振器(67)；和用于绕所述光束轴转动所述第一和第二滞相器的装置；以及其特征还在于，所述旋转角ρS1(λ)，ρS2(λ)和ρS3(λ)在所述波长范围成ρS1(λ)∶ρS2(λ)∶ρS3(λ)＝1∶-2∶1的比例，所述第一和第二滞相器(63，65)相同有相位角Δ在所述波长范围等于或近似等于一事先确定的优选从80°到115°中选取的数值，所述输入和输出偏振器定方位相互平行其透射轴相对于某一选定的参考轴位于45°，而且所述的第一偏振旋转器(62)，第一滞相器(63)，第二偏振旋转器(64)，第二滞相器(65)和第三偏振旋转器(66)按所援引顺序排列在所述输入和输出偏振器(61，67)之间使得所述滞相器(63，65)定方位使它们的光轴当沿所述光束轴观看时相对于所述参考轴对称，分别相距在角度和-。[Ex.FIG.18]
31.如权利要求30所述的光谱滤波器，其特征在于，所述旋转器(62，64，66)和滞相器(63，65)的组合等同于与权利要求5一致的相位角相同为Δ方位角相对于所述参考轴分别为-(ρS1(λ)+)和(ρS1(λ)+)的两滞相器调谐器的串联连接，而且所述滤波器具有其光谱透射率由所述旋转角确定并按方程(24)定义，由绕所述光束轴朝相反方向同时转动所述滞相器(63，65)使其光轴相对于所述参考轴保持对称可调谐或近一步地由同时改变所述旋转角ρS1(λ)，ρS2(λ)和ρS3(λ)使其所述比例1∶-2∶1在所述波长范围保持不变可调谐，其光谱透射率当所述滞相器(63，65)的相位角在所述波长范围等于或近似等于90°时等同于一个 类型的两片滤波器的光谱透射率，其光谱透射峰带的带宽可通过在所述波长范围优选从80°到115°的范围同时改变所述滞相器的所述相位角而改变，以及其光谱透射率当所述输出偏振器(67)从所述原始位置转90°而垂直于所述输入偏振器(61)时反转成为一槽口滤波器，其分别在所述原始滤波器阻光和透光的波长可调谐地透光和阻光。[Ex.FIG.18]
32.如权利要求30所述的光谱滤波器，其特征在于，所述第一，第二和第三偏振旋转器(62，64，66)优选为色散光学旋转器其所述旋转角ρS1(λ)，ρS2(λ)和ρS3(λ)在所述波长范围成所述1∶-2∶1的比例，所述滞相器(63，65)优选为等同的双折射滞相器或者液晶电动旋转滞相器，其光轴定方位相对于所述参考轴对称，而且所述滤波器具有光谱透射率可由绕所述光束轴朝相反方向同时转动所述双折射或者液晶电动旋转滞相器，机械地和/或电动地，使其光轴相对于所述参考轴保持对称或者使得所述双折射滞相器或者液晶电动旋转滞相器平行于所述输入偏振器(61)而调谐。[Ex.FIG.18]
33.如权利要求30所述的光谱滤波器，其特征在于，所述第一，第二和第三偏振旋转器(62，64，66)优选为磁场施加于上的法拉第旋转器其所述旋转角在所述波长范围成所述1∶-2∶1的比例，所述滞相器(63，65)优选为等同的双折射滞相器，使其光轴定方位当沿所述光束轴观看时相对于所述参考轴对称，分别相距在角度和-，并且所述滞相器近一步地包括用于通过调节所述磁场的磁通量而改变所述法拉第旋转角的装置。
34.如权利要求33所述的光谱滤波器，其特征在于，所述滤波器的光谱透射率可由同时改变所述法拉第旋转角或者在至少两个交替状态同时切换所述法拉第旋转角使所述法拉第旋转角的所述1∶-2∶1的比例在所述波长范围保持不变而调谐或切换，而且当所述双折射滞相器的相位角在所述波长范围优选等于或近似等于99.8°并且定方位使其光轴相对于所述参考轴优选在＝22.5°和＝-22.5°时所述滤波器具有单向装置的功能，在一个方向透射和可调谐地滤光，但却阻止反方向光通过。[Ex.FIG.18]
35.如权利要求30所述的光谱滤波器，其特征在于，所述第一，第二和第三偏振旋转器(62，64，66)优选为等同的色散光学旋转器，所述滞相器(63，65)优选为可变滞相器，定方位使其光轴相对于所述参考轴对称，每一个有相位角优选在80°到115°的范围可改变和/或在至少两个交替状态可变或可切换以致于所述可变滞相器的相位角在所述波长范围在所述的其中一个切换状态等于或近似等于零而在所述的其它切换状态等于或近似等于优选从80°到115°中选取的数值。[Ex.FIG.18]
36.如权利要求35所述的光谱滤波器，其特征在于，所述滤波器具有光谱透射峰带的带宽可由在所述波长范围优选从80°到115°的范围同时改变所述可变滞相器(63，65)的所述相位角而改变，且其光谱透射率可由绕所述光束轴朝相反方向同时转动所述可变滞相器使其光轴相对于所述参考轴保持对称而调谐以及可由同时切换所述可变滞相器(63，65)使其所述相位角在所述状态切换而切换。[Ex.FIG.18]
37.如权利要求6所述的光谱滤波器，其特征在于，所述滤波器是一个所述波长范围根据权利要求3和5的无中间偏振器的三调谐器光谱滤波器由沿所述光束轴成串接排列的元件组成，包括一个输入偏振器(71)；第一偏振旋转器(72)，其旋转角ρI1(λ)作为光波长λ的某一函数变化；第一四分之一波滞相器(73)；第二偏振旋转器(74)，其旋转角ρI2(λ)作为光波长λ的某一函数变化；第二四分之一波滞相器(75)；第三偏振旋转器(76)，其旋转角ρI3(λ)作为光波长λ的某一函数变化；一个输出偏振器(77)；和用于绕所述光束轴转动所述滞相器和输出偏振器的装置；以及其特征还在于，所述旋转角ρI1(λ)，ρI2(λ)和ρI3(λ)在所述波长范围成ρI1(λ)∶ρI2(λ)∶ρI3(λ)＝1∶1∶-1的比例，所述第一和第二四分之一波滞相器(73，75)优选为全色或零级滞相器其相位角在所述波长范围等于或近似等于90°，而且所述第一偏振旋转器(72)，第一四分之一波滞相器(73)，第二偏振旋转器(74)，第二四分之一波滞相器(75)和第三偏振旋转器(76)按所援引顺序排列在所述输入和输出偏振器(71，77)之间并定方位所述第一和第二四分之一波滞相器(73，75)和输出偏振器(77)使得相对于所述输入偏振器(71)所述第一和第二四分之一波滞相器(73，75)的方位角1和2和所述输出偏振器(77)的方全角P2成1∶2∶P2＝1∶2∶1或1∶(2-90°)∶(P2-90°)＝1∶2∶1的比例。[Ex.FIGS.22，24]
38.如权利要求37所述的光谱滤波器，其特征在于，所述旋转器(72，74，76)，滞相器(73，75)和输出偏振器(77)的组合等同于与权利要求5一致的两个相同滞相器调谐器(78，79)和一个与权利要求3一致的偏振器调谐器(80)的串联连接，所述滞相器调谐器相位角相同等于或近似等于90°且方位角等于-(ρI1(λ)+1)和(2ρI1(λ)+2)，以及所述偏振器调谐器的方位角等于ρI1(λ)+P2，而且所述滤波器具有其光谱透射率由所述旋转角确定等同于一个Loyt两级滤波器的光谱透射率，其可由绕所述光束轴同时转动所述第一和第二四分之一波滞相器(73，75)和输出偏振器(77)使所述1∶2∶P2＝1∶2∶1或1∶(2-90°)∶(P2-90°)＝1∶2∶1的比例保持不变或者使得所述第一和第二四分之一波滞相器(73，75)和输出偏振器(77)平行于或垂直于所述输入偏振器而调谐，以及其光谱透射率当所述输出偏振器(77)从其原始位置P2＝1或P2＝90°+1转90°使得相对于所述输入偏振器(71)所述第一和第二四分之一波滞相器(73，75)的方位角和所述输出偏振器(77)的方位角成1∶2∶(P2+90°)＝1∶2∶1或1∶(2-90°)∶P2＝1∶2∶1的比例时反转成为一槽口滤波器其分别在所述原始滤波器阻光和透光的波长可调谐地透光和阻光。[Ex.FIG.22]
39.如权利要求37所述的光谱滤波器，其特征在于，所述第一，第二和第三偏振旋转器(72，74，76)优选为色散光学旋转器其所述旋转角在所述波长范围成所述1∶1∶-1的比例，所述第一和第二四分之一波滞相器(73，75)优选为等同的双折射滞相器，定方位使其和输出偏振器(77)相对于所述输入偏振器(71)的方位角成1∶2∶P2＝1∶2∶1或1∶(2-90°)∶(P2-90°)＝1∶2∶1的所述比例，而且所述滞相器的光谱透射率可由绕所述光束轴同时转动所述双折射波滞相器(73，75)和输出偏振器(77)使得它们所述方位角的1∶2∶P2＝1∶2∶1或1∶(2-90°)∶(P2-90°)＝1∶2∶1的所述比例保持不变而调谐。[Ex.FIG.22]
40.如权利要求37所述的光谱滤波器，其特征在于，所述第一，第二和第三偏振旋转器(72，74，76)优选为磁场施加于上的法拉第旋转器其所述旋转角在所述波长范围成所述1∶1∶-1的比例，所述第一和第二四分之一波滞相器(73，75)优选为等同的双折射滞相器，定方位使其和输出偏振器(77)相对于所述输入偏振器(71)的方位角成1∶2∶P2＝1∶2∶1或1∶(2-90°)∶(P2-90°)＝1∶2∶1的所述比例，并且所述滤波器近一步地包括用于通过调节所述磁场的磁通量而电动改变所述法拉第旋转器的旋转角的装置。[Ex.FIG.22]
41.如权利要求37所述的光谱滤波器，其特征在于，所述滤波器具有其光谱透射率可由同时改变所述法拉第旋转角使其所述1∶1∶-1的比例保持不变调谐和近一步地可由绕所述光束轴同时转动所述双折射滞相器(73，75)和输出偏振器(77)使得它们的所述方位角的所述1∶2∶P2＝1∶2∶1或1∶(2-90°)∶(P2-90°)＝1∶2∶1的比例保持不变或者使得所述双折射滞相器(73，75)和输出偏振器(77)平行于或垂直于所述输入偏振器(71)而调谐，以及所述滤波器当所述双折射滞相器(73，75)和输出偏振器(77)静止且相对于所述输入偏振器(71)分别优选位于1＝45°，2＝90°和P2＝45°或1＝45°，2＝0°和P2＝-45°时具有单向装置的功能，在一个方向透射和可调谐地滤光，但却阻止反方向光通过。[Ex.FIG.22]
42.如权利要求37所述的光谱滤波器，其特征在于，所述第一，第二和第三偏振旋转器(72，74，76)优选为色散光学旋转器其所述旋转角在所述波长范围成所述1∶1∶-1的比例以及输出偏振器(77)优选静止且定方位平行或垂直于所述输入偏振器，而且所述滤波器近一步地包括一可旋转的半波滞相器(81)，其相位角在所述波长范围等于或近似等于180°且置于所述第三偏振旋转器(76)和输出偏振器(77)之间定方位使其相对于所述输入偏振器(71)位于3以致于所述第一和第二四分之一波滞相器(73，75)和所述半波滞相器(81)平行或垂直于所述输入偏振器或者使得它们的方位角1，2和3成1∶2∶3＝2∶4∶1或1∶(2-90°)∶(3-90°)＝2∶4∶1的比例。[Ex.FIG.24]
43.如权利要求42所述的光谱滤波器，其特征在于，所述滤波器具有其光谱透射率等同于一个Loyt两级滤波器的光谱透射率，可由绕所述光束轴同时转动所述四分之一波滞相器(73，75)和半波滞相器(81)使得它们的所述方位角的所述1∶2∶3＝2∶4∶1或1∶(2-90°)∶(3-90°)＝2∶4∶1的比例保持不变或者使得所述四分之一波滞相器(73，75)和半波滞相器(81)平行于或垂直于所述输入偏振器(71)而调谐，以及所述四分之一波滞相器(73，75)和半波滞相器(81)优选为等同的全色或零级双折射滞相器或者液晶电动旋转滞相器。[Ex.FIG.24]
44.如权利要求6所述的光谱滤波器，其特征在于，所述滤波器是一个所述波长范围根据权利要求5的无中间偏振器的三调谐器光谱滤波由沿所述光束轴成串接排列的元件组成，包括一个输入偏振器(82)；第一偏振旋转器(83)，其旋转角ρp1(λ)作为波长λ的某一函数变化；第一滞相器(84)；第二偏振旋转器(75)，其旋转角ρp2(λ)作为波长λ的某一函数变化；第二滞相器(86)；第三偏振旋转器(87)，其旋转角ρp3(λ)作为光波长λ的某一函数变化；第三滞相器(88)；第四偏振旋转器(89)，其旋转角ρp4(λ)作为光波长λ的某一函数变化；一个输出偏振器(90)；和用于绕所述光束轴转动所述第一，第二和第三滞相器的装置；以及其特征还在于，所述旋转角ρp1(λ)，ρp2(λ)，ρp3(λ)和ρp4(λ)在所述波长范围成ρp1(λ)∶ρp2(λ)∶ρp3(λ)∶ρp4(λ)＝1∶-2∶2∶-1的比例，所述第一和第三滞相器(84，88)相同其相位角Δ在所述波长范围等于或近似等于一事先确定的优选从60°到100°中选取的数值，所述第二滞相器(86)为半波滞相器其相位角在所述波长范围等于或近似等于180°，而且所述的第一偏振旋转器(83)，第一滞相器(84)，第二偏振旋转器(85)，第二滞相器(86)和第三偏振旋转器(87)，第三滞相器(88)和第四偏振旋转器(89)按所援引顺序排列在所述输入和输出偏振器(82，90)之间并定方位使得所述输入偏振器(82)平行于或相对于一选定的参考轴位于45°，所述输出偏振器(90)垂直于所述输入偏振器(82)，以及所述第一和第三滞相器(84，88)相互平行且使得它们的光轴和所述第二滞相器(86)的光轴当沿所述光束轴观看时在所述参考轴的两边，分别相距在角度-和+45°。[Ex.FIG.25]
45.如权利要求44所述的光谱滤波器，其特征在于，所述旋转器(83，85，87，89)和滞相器(84，86，88)的组合等同于与权利要求5一致的三个滞相器调谐器(91，92，93)的串联连结，所述第一和第三滞相器调谐器(91，93)相位角Δ相同且相互平行定方位于角度-(ρp1(λ)+)，而中间的滞相器调谐器(92)的相位角等于或近似等于180°且方位角等于ρp1(λ)++45°，而且所述滤波器具有其光谱透射率由所述旋转角确定并按方程(31a)或(31b)定义，其可由绕所述光束轴同时同速转动所述第一，第二和第三滞相器(84，86，88)使得所述第一和第三滞相器(84，88)同步在一个方向所述第二滞相器(86)在相反方向改变所述角度而调谐，近一步地可由同时改变所述旋转角ρp1(λ)，ρp2(λ)，ρp3(λ)和ρp4(λ)使其所述1∶-2∶2∶1的比例在所述波长范围保持不变调谐，其光谱透射率当所述第一和第三滞相器(84，88)的相位角所述事先确定的值在所述波长范围等于或近似等于75.52°或90°时等同于一个 类型的三片滤波器或一个Loyt两级滤波器的光谱透射率，其光谱透射峰带的带宽可由在所述波长范围优选在60°到100°的范围同时改变所述第一和第三滞相器(84，88)的所述相位角改变，以及其光谱透射率当所述输出偏振器(90)从所述原始位置转90°以致于平行于所述输入偏振器(82)时反转而成为一槽口滤波器其分别在所述原始滤波器阻光和透光的波长可调谐地透光和阻光。[Ex.FIG.25]
46.如权利要求44所述的光谱滤波器，其特征在于，所述第一，第二，第三和第四偏振旋转器(83，85，87，89)优选为色散光学旋转器其所述旋转角在所述波长范围成所述1∶-2∶2∶-1的比例，所述第一，第二和第三滞相器(84，86，88)优选为等同的双折射或液晶电动旋转滞相器。其光轴定方位相对于所述参考轴分别位于-，+45°和-(，以及所述滤波器具有其光谱透射率可由绕所述光束轴同时转动所述双折射或液晶电动旋转滞相器，机械地和/或电动地，改变所述角度使得它们方位角-，+45°和-的关系保持不变调谐。[Ex.FIG.25]
47.如权利要求44所述的光谱滤波器，其特征在于，所述第一，第二，第三和第四偏振旋转器(83，85，87，89)优选为磁场施加于上的法拉第旋转器其所述旋转角在所述波长范围成所述1∶-2∶2∶-1的比例，所述第一，第二和第三滞相器(84，86，88)优选为等同的双折射滞相器，其光轴定方位相对于所述参考轴分别位于-，+45°和-，以及所述滤波器近一步地包括用于通过调节所述磁场的磁通量而改变所述法拉第旋转角的装置。[Ex.FIG.25]
48.如权利要求44所述的光谱滤波器，其特征在于，所述滤波器具有其光谱透射率可由同时改变所述法拉第旋转角或者在至少两个交替状态切换所述法拉第旋转角使得所述法拉第旋转角的所述1∶-2∶2∶-1的比例在所述波长范围保持不变而调谐或切换，而且当所述双折射滞相器优选静止且相对于所述参考轴定方位其光轴分别优选位于-＝-22.5°，+45°＝-67.5°和-＝-22.5°以及位于-＝-22.5°的所述双折射滞相器的相位角在所述波长范围优选等于或近似等于70.5°时具有单向装置的功能，在一个方向透射和可调谐地滤光，但却阻反方向光通过。[Ex.FIG.25]
49.如权利要求44所述的光谱滤波器，其特征在于，所述第一，第二，第三和第四偏振旋转器(83，85，87，89)优选为等同的色散光学旋转器，所述第一和第三滞相器(84，88)优选为可变滞相器，其光轴定方位相互平行相对于所述参考轴位于-，其每一个的相位角优选在60°到100°的范围可变，所述第二滞相器(86)优选为双折射半波滞相器定方位相对于所述参考轴位于+45°，所述滤波器具有的光谱透射峰带的带宽可由同时改变可变滞相器的所述相位角Δ而改变，以及其光谱透射率可由绕所述光束轴同时同速转动所述可变滞相器和所述半波滞相器使得可变滞相器同步朝一方向而所述半波滞相器朝相反方向改变角度而调谐。[Ex.FIG.25]
50.如权利要求44所述的光谱滤波器，其特征在于，所述第一，第二，第三和第四偏振旋转器(83，85，87，89)优选为等同的色散光学旋转器，所述第一，第二和第三滞相器(84，86，88)优选为可变滞相器，相对于所述参考轴定方位使其光轴分别位于-，+45°和-，驱动使得它们的相位角在至少两个交替状态切换以致于在所述的其中一个切换状态所述可变滞相器的相位角在所述波长范围等于或近似等于零而在所述的其它切换状态所述位于-的可变滞相器的相位角优选在60°到100°的范围取值，所述位于+45°的可变滞相器的相位角等于或近拟等于180°。
51.如权利要求50所述的光谱滤波器，其特征在于，所述滤波器具有光谱透射率可由同时切换所述可变滞相器使得它们的所述相位角在所述切换状态切换而切换，其光谱透射峰带的带宽可由同时改变位于-的可变滞相器的相位角并使所述位于+45°的可变滞相器的相位角在所述波长范围等于或近拟等于180°而改变，以及其光谱透射率可由绕所述光束轴同时同速转动所述可变滞相器使得所述位于-的可变滞相器同步朝一个方向而所述位于+45°的滞相器朝相反方向改变角度而调谐。[Ex.FIG.25]
52.如权利要求6所述的光谱滤波器，其特征在于，所述滤波器是一个所述波长范围根据权利要求5的无中间偏振器的三调谐器光谱滤波器由沿所述光束轴成串接排列的元件组成，包括一个输入偏振器(94)；第一偏振旋转器(95)，其旋转角ρb1(λ)作为波长λ的某一函数变化；第一滞相器(96)；第二偏振旋转器(97)，其旋转角ρb2(λ)作为波长λ的某一函数变化；第二滞相器(98)；第三偏振旋转器(99)，其旋转角ρb3(λ)作为光波长λ的某一函数变化；第三滞相器(100)；第四偏振旋转器(101)，其旋转角ρb4(λ)作为光波长λ的某一函数变化；一个输出偏振器(102)；和用于绕所述光束轴转动所述滞相器(96，98，100)的装置；以及其特征在于，所述旋转角ρb1(λ)，ρb2(λ)，ρb3(λ)和ρb4(λ)在所述波长范围成ρb1(λ)∶ρb2(λ)；ρb3(λ)∶ρb4(λ)＝3∶-4∶4∶-3的比例，所述第一，第二和第三滞相器(96，98，100)具有相位角Δ1，Δ2和Δ3如此取值使得在所述波长范围优选满足条件30°≤Δ1＝Δ3≤50°和170°≤2Δ1+Δ2≤220°，而且所述的第一偏振旋转转器(95)，第一滞相器(96)，第二偏振旋转器(97)，第二滞相器(98)和第三偏振旋转器(99)，第三滞相器(100)和第四偏振旋转器(101)按所援引顺序排列在所述输入和输出偏振器(94，102)之间并定方位使得所述输入和输出偏振器(94，102)相互垂直以及所述第一，第二和第三滞相器(96，98，100)相对于所述输入偏振器(94)的方位角分别为3，-和3满足3∶-∶3＝3∶-1∶3的比例。[Ex.FIG.29]
53.如权利要求52所述的光谱滤波器，其特征在于，所述偏振旋转器(95，97，99，101)和滞相器(96，98，100)的组合等同于三个与权利要求5一致的滞相器调谐器(103，104，105)的串联连结，所述第一和第三滞相器调谐器(103，105)有相同相位角等于Δ1且相互平行位于角度3(ρb1(λ)+)，而中间的滞相器调谐器(104)有相位角等于Δ2方位角为-(ρb1(λ)+)，而且所述滤波器具有其光谱透射率由所述旋转角确定并按方程(36a)或(36b)定义，其可由绕所述光束轴同时转动所述第一，第二和第三滞相器(96，98，100)使得所述第一和第三滞相器(96，100)同步朝一方向而所述第二滞相器(98)朝相反方向改变它们的所述方位角使得所述3∶-1∶3的比例保持不变或使得所述第一，第二和第三滞相器(96，98，100)平行于所述输入偏振器而调谐，近一步地可由同时改变所述旋转角ρb1(λ)，ρb2(λ)，ρb3(λ)和ρb4(λ)使其所述3∶-4∶4∶-3的比例在所述波长范围保持不变而调谐，其光谱透射率当所述相位角Δ1，Δ2和Δ3在所述波长范围优选取值满足条件30°≤Δ1＝Δ3≤50°和170°≤2Δ1+Δ2≤220°时呈近似方波形，其光谱最大透射峰带的斜率和次级透射峰带可由同时改变所述相位角Δ1，Δ2和Δ3使得优选维持条件30°≤Δ1＝Δ3≤50°和170°≤2Δ1+Δ2≤220°而改变，以及其光谱透射率当所述输出偏振器(102)从原始位置转90°以致于平行于所述输入偏振器(94)时反转而成为一槽口滤波器其分别在所述原始滤波器阻光和透光的波长可调谐地透光和阻光。[Ex.FIG.29]
54.如权利要求52所述的光谱滤波器，其特征在于，所述第一，第二，第三和第四偏振旋转器(95，97，99，101)优选为色散光学旋转器其所述旋转角在所述波长范围成所述3∶-4∶4∶-3的比例，所述第一，第二和第三滞相器(96，98，100)优选为等同的双折射或液晶电动旋转滞相器，定方位使其相对于所述输入偏振器的方位角满足所述3∶-1∶3的比例，而且所述滞相器可由绕所述光束轴同时转动所述双折射或液晶电动旋转滞相器，机械地和/或电动地，使得它们的所述方位角的所述3∶-1∶3的比例保持不变或使得所述双折射或液晶电动旋转滞相器平行于所述输入偏振器(94)而调谐。[Ex.FIG.29]
55.如权利要求52所述的光谱滤波器，其特征在于，所述第一，第二，第三和第四偏振旋转器(95，97，99，101)优选为磁场施加于上的色散法拉第旋转器其所述旋转角在所述波长范围成所述3∶-4∶4∶-3的比例，所述第一，第二和第三滞相器(96，98，100)优选为等同的双折射滞相器，其光轴定方位使得它们相对于所述输入偏振器(94)的方位角满足所述3∶-1∶3的比例，并且所述滤波器进一步地包括用于通过调节所述磁场的磁通量而改变所述法拉第旋转器的旋转角的装置。[Ex.FIG.29]
56.如权利要求55所述的光谱滤波器，其特征在于，所述滤波器具有其光谱透射率可由同时改变所述法拉第旋转角或者在至少两个交替状态切换所述法拉第旋转角使得所述法拉第旋转角的所述3∶-4∶4∶-3的比例在所述波长范围保持不变而调谐或切换，而且当所述双折射滞相器静止且其光轴相对于所述输入偏振器(94)定方位分别优选位于3＝67.5°，-＝-22.5°和3＝67.5°以及所述相位角Δ1和Δ3在所述波长范围优选等于或近似等于38.4而所述相位角Δ2优选等于或近似等于108.2°时具有单向装置的功能，在一个方向透射和可调谐地滤光，但却阻止反方向光通过。[Ex.FIG.29]
57.如权利要求52所述的光谱滤波器，其特征在于，所述第一，第二，第三和第四偏振旋转器(95，97，99，101)优选为等同的色散光学旋转器，所述第一，第二和第三滞相器(96，98，100)优选为可变滞相器，其相对于所述输入偏振器定方位使得其光轴的方位角满足所述3∶-1∶3的比例并如此驱动使得它们的相位角在至少两个交替状态可切换以致于在所述的其中一个切换状态所述可变滞相器的相位角在所述波长范围等于或近似等于零而在所述的其它切换状态所述可变滞相器的相位角取值满足所述的相位角条件。[Ex.FIG.29]
58.如权利要求57所述的光谱滤波器，其特征在于，所述滤波器具有的光谱透射率可由同时切换所述可变滞相器使得它们的所述相位角在所述的切换状态切换而切换，具有的光谱最大透射峰带的斜率和次级透射峰带可由同时改变所述可变滞相器的所述相位角使所述条件保持满足而改变，以及其光谱透射率可由绕所述光束轴同时转动所述可变滞相器使得它们方位角的所述3∶-1∶3的比例保持不变而调谐。[Ex.FIG.29]
59.一种在某一波长范围波长可调谐地滤光的方法，包括步骤提供一个与权利要求6一致的光谱滤波器，其由一输入偏振器，至少一色散偏振旋转器和至少一对方位敏感的偏振光学元件组成，以及通过转动所述偏振光学元件和/或改变所述色散偏振旋转器的旋转角调谐所述光谱滤波器。[Ex.FIGS.7-11，14，16-18，22，24，25，29]
60.如权利要求59所述的滤光方法，其特征在于所述滤波器是一种与权利要求8一致的单级光谱滤波器，由一输入偏振器，一可旋转的输出偏振器，和一色散偏振旋转器组成，而且所述滤光方法包括相对于所述输入偏振器转动所述输出偏振器和/或改变所述色散偏振旋转器的旋转角调谐所述单级滤波器这样的步骤。[Ex.FIGS.7，8-10]
61.如权利要求60所述的滤光方法，其特征在于所述单级滤波器按权利要求12或14改进，近一步地包括一可旋转的半波滞相器或一主动偏振旋转器，而且所述滤光方法近一步地包括通过转动所述可旋转的半波滞相器或改变所述主动偏振旋转器的旋转角而调谐所述滤波器这样的步骤。[Ex.FIGS.8，9]
62.如权利要求60所述的滤光方法，其特征在于所述单级滤波器按权利要求17改进，近一步地包括一个第二色散偏振旋转器和一个可变滞相器其相位角可在两交替状态切换，而且所述滤光方法近一步地包括在所述切换状态切换所述可变滞相器而切换所述滤波器这样的步骤。[Ex.FIG.10]
63.如权利要求59所述的滤光方法，其特征在于所述滤波器是一种与权利要求19一致的n级(＝2，3，4，...)光谱滤波器，其由一个输入偏振器，n个可旋转的偏振器，和n个色散偏振旋转器组成，使得按权利要求19排列所述输入偏振器，n个可旋转的偏振器和n个色散偏振旋转器和定方位所述n个可旋转的偏振器，而且所述滤光方法包括同时转动所述n个可旋转的偏振器使其方位角的比例保持不变或者使得所述n个可旋转的偏振器平行或垂直于所述输入偏振器，或近一步地由同时改变所述n个偏振旋转器的所述旋转角使它们的所述旋转角的比例保持不变调谐所述n级滤波器这样的步骤。[Ex.FIGS.11，14，16，17]
64.如权利要求63所述的滤光方法，其特征在于所述n级滤波器按权利要求23或25改进，近一步地包括n个可旋转的半滤滞相器或n个主动偏振旋转器，而且所述滤光方法近一步地包括同时转动所述n个半波滞相器使其方位角的比例保持不变或使所述方位角等于零或同时改变所述n个主动偏振旋转器的旋转角使其旋转角的比例在所述波长范围保持不变或等于或近似等于零而调谐所述n级滤波器这样的步骤。[Ex.FIGS.14，16]
65.如权利要求63所述的滤光方法，其特征在于所述n级滤波器按权利要求28改进，近一步地包括n个色散偏振旋转器和n个相同的可变滞相器，其每一个的相位角可在两交替状态切换，而且所述滤光方法近一步地包括在所述切换状态同时切换所述n个可变滞相器和/或同时转动所述n个滞相器使其所述方位角的比例保持不变或使得所述n个滞相器的每一个平行于其紧邻前的偏振器而调谐所述n级滤波器这样的步骤。[Ex.FIG.17]
66.如权利要求59所述的滤光方法，其特征在于所述滤波器是一种与权利要求30，37，44或52一致的无中间偏振器的光谱滤波器，此无中间偏振器的光谱滤波器由一个输入偏振器，一个输出偏振器，至少三个色散偏振旋转器和至少两个滞相器组成，使得所述滞相器按权利要求30，37，44或52定方位，而且所述滤光方法近一步地包括同时转动所述滞相器[Ex.FIGS.18，24，25，29]或所述滞相器和输出偏振器[Ex.FIG.22]使其方位角的比例保持不变和/或同时改变所述偏振旋转器的旋转角使所述旋转角的比例在所述波长范围保持不变和/或优选通过在一事先确定的范围改变所述滞相器的相位角进而改变所述滤波器的光谱透射波形而调谐所述滤波器这样的步骤[Ex.FIGS.18，25，29]。[Ex.FIGS.18，22，24，25，29].
全文摘要
本发明提供一种作为制造在某一波长范围可调谐或可切换光谱滤波器构件的调谐器，包括单级和多级的滤波器和无中间偏振器的滤波器，其特征在于由沿某一光束轴成串接排列的元件组成，包括一个色散的偏振旋转器其旋转角ρ(λ)在所述波长范围作为光波长λ的函数变化，一个对方位敏感的偏振元件，和用于转动所述偏振光学元件或和/和者改变所述旋转角ρ(λ)的装置；由此所述偏振旋转器和所述偏振元件在所述光谱滤波器里沿所述光束轴成串接排列使得所述偏振元件定方位在某一事先确定的和所述光谱滤波器结构有关的方位角，所述调谐器通过转动所述偏振元件改变其在所述滤波器里的方位或/和改变所述旋转角ρ(λ)工作。本发明还与所述滤波器而且近一步与调谐所述滤波器的调谐方法有关。
文档编号G02F1/09GK1748172SQ200380109782
公开日2006年3月15日 申请日期2003年12月19日 优先权日2002年12月20日
发明者叶纯 申请人:叶纯