专利名称：一种液晶可调谐滤波器及其构型方法
技术领域：
本发明涉及一种可调滤波器，具体是一种液晶可调谐滤波器及其构型方法。
背景技术：
波长可调滤波器主要有以下几种基于模式耦合的可调滤波器、基于半导体激光 器结构的可调滤波器、光纤布拉格光栅(FBGs)等。基于模式耦合的可调滤波器是基于声光、电光或磁光效应等各种模式耦合。入射 光首先经一个单模式处理，如横电(TE)模式，通过周期扰动，将其转换成另一模式，如横磁 (TM)模式。利用声、电或磁场可以产生取决于相关效应的周期扰动，在这些扰动下只有满 足波型耦合条件的极窄波长范围之内的光波能够通过，从而导致了高选择性的波长输出。 基于半导体激光器结构的可调滤波器是根据半导体激光器结构提供了光谱滤波功能，它决 定著结构内的纵向波型选择性。谐振频率受电流注入或温度变化的影响而发生改变，温度 调谐结构的速率很慢。光纤布拉格光栅大多数都是固定滤波器，但也可以用温度或机械伸 展方式进行轻度和慢速的调谐。除此以外，波导光栅与多频激光器一起也可组成一个滤波 器，级联马赫-曾德尔干涉计也可用作可调谐滤波器。特别的，国内处于研究和实验室水平 的可调谐波长滤波器的主要类型有声光可调谐波长滤波器、法布里-珀罗(Fabry-Perot) 型滤波器、和光纤光栅型滤波器。声光可调谐滤波器的原理是根据声光衍射原理制成的分 光器件，它由晶体和键合在其上的换能器构成，换能器将高频的RF驱动电信号(一般约为 几十兆赫至二百兆赫之间)转换为在晶体内的超声波振动，超声波产生了空间周期性的调 制，其作用象衍射光栅。当入射光照射到此光栅后将产生布喇格衍射，其衍射光的波长与高 频驱动电信号的频率有著一一对应的关系。因此，只要改变驱动信号的频率，即可改变衍 射光的波长，进而达到了分光的目的。法布里_珀罗滤波器是一种非常好的滤波器结构，由 两个高反射面之间形成的谐振腔构成，其工作原理是局部光束干涉，光束先分路，再自相干 涉，从而在频域内产生峰值和零值。光纤光栅是一种光纤折射率受到周期调制的光纤器件， 这种折射率的调制将使光纤内传输的光信号的不同模式进行耦合。随著光电子、光通信、光学成象和显示等高科技领域的不断高速发展，系统对光器 件的性能要求越来越趋于多样化。由于液晶技术的日趋成熟，目前世界很多公司和机构基 于液晶的技术平台正在开发研究动态可调的高科技新产品。从技术应用上分类，液晶光电 子器件主要可以分为波长无关的光功率控制器件、波长相关的光功率控制器件及偏振控制 器件三大类。通常意义上的液晶可调滤波器属于波长相关的光功率控制器件，集液晶、新材 料、电子、光学、光谱学、计算机和自动化控制等高新技术为一体，可以通过电脑在一定范围 内控制透过的波长，实现对入射光的滤波功能。液晶可调滤波器具有成本低、调谐范围大、 功耗低等优点。目前，液晶可调滤波器在国内只限于学术水平的探讨，其技术在国内基本处 于空白。液晶可调滤波器可以分为液晶法布里_玻罗(Fabry-Perot)滤波器、液晶利奥 (Lyot)滤波器、液晶埃文(Evan)滤波器、液晶索尔克(Sole)滤波器，其中最常用的基本构型是利奥构型、埃文分离元构型、和索尔克构型。液晶法布里-玻罗滤波器是利用液晶可调 F-P腔原理进行设计的TF结构，通过调节液晶的折射率来改变光程，从而达到调节干涉波 长的目的，这样的F-P腔能够实现将近80nm的调节范围。一个利奥构型的滤波器由许多级 组成，每一级中的光学双折射单元被放在两个线性偏振片之间，这个双折射单元可以是一 个液晶成份或液晶和固定波片的组合，优化的构型是双折射光学单元的光轴在45度和两 个偏振片平行或垂直，后一级中光学双折射单元的厚度(或光程)是前一级中光学双折射 单元厚度(或光程)的两倍，这样就可以通过多级级连后得到较窄的波长通带，然后通过改 变液晶的驱动电压得到动态调节的滤波性能(参看图1)。一个埃文分离元构型的滤波器事 实是把利奥构型的两个级组合进成一个级，去消除一个级需要把这级的光学双折射单元分 割为两半，然后放在另一级双折射单元的两侧并且光轴在士45°，中心双折射光学单元的 光轴平行或垂直于偏振片，每一级的两个偏振片是相互垂直的，因此所需要的级数和偏振 片是利奥构型所需的一半(参看图2)。液晶索尔克滤波器是根据多晶片索尔克原理设计的 液晶滤波器，在两个偏振片之间是一序列厚度(或光程)相同的光学双折射单元，这些双折 射单元可以是液晶成份或液晶和波片的组合，根据光学双折射单元和偏振片的排布，可分 为叠式(Folded)和扇式(Fan)两种。叠式索尔克构型的偏振片是正交的，根据进入偏振片 的偏振方向，奇数号光学双折射单元的光轴指向为0度，偶数号光学双折射单元的光轴指 向为负9度(参看图3)；扇式索尔克构型的两个偏振片的偏振方向是平行的，光学双折射 单元的光轴指向呈扇形依次排列(参看图4)。 衡量液晶滤波器的主要指标是透过带宽或峰的半高宽(FWHM)、透过率 (Transmission)、屏蔽率(Out of Band)、分辨率(Finesse)、自由光谱范围(FSR)或光谱可 调范围、视场(F0V)等。为了获得一个较窄的波长通带(或峰的半高宽)、宽的自由光谱范 围或光谱可调范围、以及高分辨率，利奥构型的液晶滤波器(参看图1)需要多级级连，因此 波长通带的透过率是低的。另外，偏离轴的入射会导致带通偏移，因此对光入射角或视场有 一定限制。埃文分离元构型液晶滤波器(参看图2)由于在中心元两侧分布着两个分离元， 与利奥构型相比，偏离轴的入射引起较小的带通偏移，从而提高了视场这一指标，并且由于 级数减半而使光的透过率增高。索尔克构型(参看图3和图4)与前两者相比，能够成就用 多级构型(利奥构型或分离元构型)才能获得的指标，例如窄的半高宽、宽的自由光谱范围 和高的分辨率等，并且由于用较少的偏振片而具有高透过率。例如，图5是一个利奥构型液 晶滤波器，其在400nm到750nm内的一个光透过谱如图6所示，而相应的索尔克构型的液晶 滤波器(参看图4)的一个光透过谱如图7所示。尽管索尔克构型有着显著的优点，但在波 长通带两侧仍有明显的边缘峰值(Side-lope)，因此影响了屏蔽率。如果想降低边缘峰值和 提高屏蔽率，双折射单元的光轴排布需要精细地去调整，但这种降低边缘峰值和提高屏蔽 率的办法会引起带宽的增加，从而降低了分辨率(参看图8)。自由光谱范围在一定意义上 决定了光谱可调范围，从而影响了液晶可调滤波器实际使用的波长范围。如果想得到一个 大的自由光谱范围，无论是利奥构型或分离元构型，还是索尔克构型，都需要减小光学双折 射单元的光程差或厚度，这必然使最终的结果通带变宽或峰的半高宽变大。去解决这一问 题，利奥构型或分离元构型需要更多的级，索尔克构型需要更多的双折射单元，这又引起了 透过率降低和影响了视场。一个权衡自由光谱范围和半高宽的重要指标是分辨率，例如想 得到一个256的分辨率，一个利奥构型的滤波器需要至少8个级联，一个分离元构型需要至少4个级联，一个索尔克构型需要至少255个双折射单元。总之，液晶可调滤波器的主要性 能指标相互影响，提高其中的一个或某些性能指标会降低或影响其它的性能，这也正是液 晶可调滤波器在研发、设计和生产中的难点，因此需要不断地有新的发明和突破。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有窄透过带宽、高屏蔽率、宽自由光谱 范围、高分辨率液晶可调谐滤波器以及该液晶可调谐滤波器在利奥构型的滤波器单元基础 上进行组合的方法。本发明所述的一种液晶可调谐滤波器，包括若干级级联的利奥构型滤波器单元， 利奥构型滤波器单元由两侧的偏振片和中间的双折射光学元件构成，其特征在于部分或全 部利奥构型滤波器单元以连续的两个级联或连续的三个级联进行合并组成合并单元。上述合并方式为叠式或扇式合并方式。上述连续的两个级联合并单元由两侧的偏振片和中间的三个或四个双折射光学 元件构成；连续的三个级联合并单元由两侧的偏振片和中间的七个或八个双折射光学元件 构成。上述的合并单元可以是连续的两个级联合并单元、连续的三个级联合并单元、或 连续的两个级联合并单元和连续的三个级联合并单元。上述的合并单元可以是叠式合并单元、扇式合并单元、或叠式合并单元和扇式合 并单元。上述的合并单元可以任何次序重新排序。上述双折射光学元件是液晶可调波片、固定波片或液晶可调波片和固定波片的组
口 o本发明所述的一种液晶可调谐滤波器的构型方法，包括若干级级联的利奥构型滤 波器单元，利奥构型滤波器单元由两侧的偏振片和中间的双折射光学元件构成，其特征在 于部分或全部利奥构型滤波器单元以连续的两个级联或连续的三个级联进行合并组成合 并单元。上述合并方式为叠式或扇式合并方式。上述连续的两个级联合并单元由两侧的偏振片和中间的三个或四个双折射光学 元件构成；连续的三个级联合并单元由两侧的偏振片和中间的七个或八个双折射光学元件 构成。上述的合并单元可以是连续的两个级联合并单元、连续的三个级联合并单元、或 连续的两个级联合并单元和连续的三个级联合并单元。上述的合并单元可以是叠式合并单元、扇式合并单元、或叠式合并单元和扇式合 并单元。上述的合并单元可以任何次序重新排序。上述双折射光学元件是液晶可调波片、固定波片或液晶可调波片和固定波片的组合.本发明的构型方法是把独立的利奥构型单元进行连续的两个级联或连续的三个 级联，同时进行叠式或扇式合并。由于可以进行两个级联或三个级联合并，这样被合并的连续级联在利奥构型中可以选在不同位置，根据被合并级联的位置不同，可以产生不同的构 型结构；同时根据叠式合并、扇式合并、或它们的组合，又可以产生更多的构型结构；在各 种具体的构型结构中，双折射光学元件是液晶可调波片、固定波片、或液晶和固定波片的组 合。根据这种构型方法产生不同的构型结构还可进行级间调制。本发明的构型方法和由此产生的各种不同的具体构型结构，不仅提高了单纯的利 奥构型的滤波器的透过率和大大减少了单纯的索尔克构型的滤波器所需的双折射光学元 件，还具有单纯的利奥构型或索尔克构型所不具备的功能，例如级间调制。根据本发明的这 种新构型方法和不同的具体构型结构所设计的液晶可调谐滤波器不仅能够获得窄的透过 带宽、宽的自由光谱范围、高的分辨率，还具有高度屏蔽率和透过率，因此解决了液晶可调 滤波器发展的主要瓶颈问题和全面提高了各项性能指标，从而满足了其应用领域对各项性 能指标的不同要求，进而推进液晶滤波器在各个不同高科技领域的应用。本发明的新型液晶可调谐滤波器，具有高通过率、窄的半高宽、屏蔽率高、光谱范 围可调、稳定性强、无需机械转动、具有实时可控等的优点，可广泛应用于荧光成像、显微 图像、吸收成像、荧光光谱、拉曼光谱、超光谱成像、生物、细胞、医学、医药、材料、光学、光电 子、天文学等各个领域，是国防、高校、科研院所、高科技公司、医院及政府检验机构应备的 高尖先进仪器。
图1是利奥滤波器四级级联构型，图2是埃文分离元构型，图3是叠式索尔克构型，图4是扇式索尔克构型，图5是利奥滤波器三级级联构型，图6是三级级联利奥滤波器透过光谱，图7是索尔克滤波器透过光谱，图8是优化后的索尔克滤波器透过光谱，图9是四级级联的利奥构型进行第一种合并后的构型结构，图10是四级级联的利奥构型进行第二种合并后的构型结构，图11是四级级联的利奥构型进行第三种合并后的构型结构，图12是利奥六级级联构型结构，图13是利奥六级级联构型结构进行第一种合并后的构型结构，图14是利奥六级级联构型结构进行第二种合并后的构型结构，图15是利奥六级级联构型结构进行第三种合并后的构型结构，图16是图14构型结构中第一级的一个调谐透过光谱，图17是图14构型结构中第二级的一个调谐透过光谱，图18是图14构型结构中第三级的一个调谐透过光谱，图19是图14构型结构的一个最终的调谐透过光谱。
具体实施例方式本发明的构型方法可以产生多种不同的具体构型结构，以下结合实例对本发明做 具体说明。对应于一个现有技术中的四级级联的利奥构型(参看图1)，本发明的构型方法可 以产生数种新的具体构型结构，我们在这里只列举三种具体构型结构(参看图9、图10、和 图11)。图9所示的构型结构是将前两个连续的利奥级联和后两个连续的利奥级联分别进 行合并，在每一个合并中都采用了四个双折射光学元件。图10和图11所示的构型结构是 将连续的三个利奥级联进行合并，在合并中都采用了七个双折射光学元件，所不同的是在 合并时所选择的三个连续级联的位置不同，图10是将前三个利奥级联进行合并，而图11是 将后三个利奥级联进行合并。此外，合并后各级的波片厚度以所合并的首级波片厚度相同， 比如图9采用的是第1、2级合并，第3、4级合并，则合并后第一级波片厚度与合并前第1级 相同，而合并后第二级波片厚度与合并前第3级相同。图10采用的是第1、2、3级合并，第 4级不变，则合并后第一级波片厚度与合并前第1级相同，而合并后第二级波片厚度与合并 前第4级相同。合并方式可以为叠式或扇式合并，比如图9中的前一级合并可以采用叠式 合并，也可以采用扇式合并；同样的，后一级合并也可以采用叠式合并或扇式合并，这样就 可以有多种的选择模式。另外，合并后的合并单元可以任何次序重新排序，比如图9所示的 合并后的第一级也可以放在合并后的第二级后边。相对应于一个六级级联的利奥构型(参看图12)，采用本发明的构型方法可以产 生多种具体构型结构，我们在这里也只例举三种具体构型结构(参看图13、图14、和图15)。 图13所示的构型结构是将图12中的前3个利奥级联和后3个利奥级联分别进行合并，在 每一个合并中都采用了七个双折射光学元件。图14所示的构型结构是将图12中的第1、2 利奥级联，第3、4利奥级联，第5、6利奥级联分别进行合并，在每一个合并中都采用了三个 双折射光学元件。图15则是第1利奥级联不合并，而将第2、3利奥级联及第4、5、6利奥级 联分别合并，在合并后的不同级采用了三个双折射光学元件和七个双折射光学元件。相对应于五级级联、七级级联、八级级联的利奥构型，用这种新构型方法都可以产 生多种不同的具体构型结构，特别是相对应于更多级级联的利奥构型，本发明用这种新构 型方法可以产生更多种的不同具体构型结构，我们在这里不能一一例举。根据这种新构型 方法和不同的构型结构能够设计各种不同具体结构的新型液晶可调谐滤波器。本发明这不仅提高了单纯的利奥构型的滤波器的透过率和大大减少了单纯的索尔 克构型的滤波器所需的双折射光学元件，还具有单纯的利奥构型或索尔克构型所不具备的功 能，例如级间调制。这种调制包括适当地增减双折射光学元件、适当地变动双折射光学元件、 或调谐液晶可调波片。通过调制各个级，优化它们之间的匹配关系，以得到最佳的结果。本发明的新型液晶可调谐滤波器解决了液晶可调滤波器发展中的主要瓶颈问题， 因此全面提高了各项性能指标，例如窄的透过带宽、宽的光谱范围、高的分辨率、高的屏蔽 率等。作为一个具体实例，根据图14具体构型结构所设计的新型液晶可调谐滤波器，通 过级内调谐和级间调谐，获得了窄的透过带宽、宽的光谱范围、高的分辨率、高的屏蔽率等 (参看图16、图17、图18、和图19)。图16、图17、和图18分别是第一级、第二级、和第三级 的一个调谐透过光谱，图19是经过级内调谐和级间调谐后滤波器获得的一个最终的调谐 透过光谱。
本发明提供了一种液晶可调谐滤波器的思路及实施方法，以上所述仅是本发明的 优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前 提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
权利要求
一种液晶可调谐滤波器，包括若干级级联的利奥构型滤波器单元，利奥构型滤波器单元由两侧的偏振片和中间的双折射光学元件构成，其特征在于部分或全部利奥构型滤波器单元以连续的两个级联或连续的三个级联进行合并组成合并单元。
2.根据权利要求1所述的液晶可调谐滤波器，其特征在于合并方式为叠式或扇式。
3.根据权利要求1或2所述的液晶可调谐滤波器，其特征在于连续的两个级联合并单 元由两侧的偏振片和中间的三个或四个双折射光学元件构成；连续的三个级联合并单元由 两侧的偏振片和中间的七个或八个双折射光学元件构成。
4.根据权利要求1或2所述的液晶可调谐滤波器，其特征在于合并单元是连续的两个 级联合并单元、连续的三个级联合并单元、或连续的两个级联合并单元和连续的三个级联 合并单元。
5.根据权利要求1或2所述的液晶可调谐滤波器，其特征在于合并单元是叠式合并单 元、扇式合并单元、或叠式合并单元和扇式合并单元。
6.根据权利要求1或2所述的液晶可调谐滤波器，其特征在于合并单元以任何次序重 新排序。
7.根据权利要求1或2所述的液晶可调谐滤波器，其特征在于双折射光学元件是液晶 可调波片、固定波片或液晶可调波片和固定波片的组合。
8.一种液晶可调谐滤波器的构型方法，包括若干级级联的利奥构型滤波器单元，利奥 构型滤波器单元由两侧的偏振片和中间的双折射光学元件构成，其特征在于部分或全部利 奥构型滤波器单元以连续的两个级联或连续的三个级联进行合并组成合并单元。
9.根据权利要求8所述的液晶可调谐滤波器的构型方法，其特征在于合并方式为叠式 或扇式。
10.根据权利要求8或9所述的液晶可调谐滤波器的构型方法，其特征在于连续的两个 级联合并单元由两侧的偏振片和中间的三个或四个双折射光学元件构成；连续的三个级联 合并单元由两侧的偏振片和中间的七个或八个双折射光学元件构成。
11.根据权利要求8或9所述的液晶可调谐滤波器的构型方法，其特征在于合并单元是 连续的两个级联合并单元、连续的三个级联合并单元、或连续的两个级联合并单元和连续 的三个级联合并单元。
12.根据权利要求8或9所述的液晶可调谐滤波器的构型方法，其特征在于合并单元是 叠式合并单元、扇式合并单元、或叠式合并单元和扇式合并单元。
13.根据权利要求8或9所述的液晶可调谐滤波器的构型方法，其特征在于合并单元以 任何次序重新排序。
14.根据权利要求8或9所述的液晶可调谐滤波器的构型方法，其特征在于双折射光学 元件是液晶可调波片、固定波片或液晶可调波片和固定波片的组合。
全文摘要
本发明公开了一种液晶可调谐滤波器及其构型方法，该滤波器包括若干级级联的利奥构型滤波器单元，利奥构型滤波器单元由两侧的偏振片和中间的双折射光学元件构成，其中部分或全部利奥构型滤波器单元以连续的两个级联或连续的三个级联进行合并组成合并单元。合并方式为叠式或扇式合并方式。双折射光学元件是液晶可调波片、固定波片或液晶可调波片和固定波片的组合。本发明的液晶可调谐滤波器，具有高通过率、窄的半高宽、屏蔽率高、光谱范围可调、稳定性强、无需机械转动、具有实时可控等的优点，其可广泛应用于成像、生物、医药、材料、光学、光电子、天文学等各个领域。
文档编号G02F1/133GK101799596SQ20101012310
公开日2010年8月11日 申请日期2010年3月12日 优先权日2010年3月12日
发明者唐守平 申请人:无锡市奥达光电子有限责任公司