[发明专利]具有失真射束扩张的光谱仪

说明书

相关申请的交叉引用

本公开要求于2011年6月24日递交的美国临时专利申请第61/500,948号的优先权，通过引证将其全部内容结合于此。

技术领域

本公开此处涉及光学光谱仪。特别地，本公开涉及应用失真（anamorphic，变形）射束扩张的光谱仪。例如，在多个实施方式中本公开涉及包括集成的射束重新格式化器以及失真射束扩展器（扩束器）的光谱仪。

背景技术

光谱仪是一种根据波长（例如，落在可见光谱内的波长、色彩波长）变化来测量光或其他电磁辐射的强度的设备。光谱仪可以用在多种类型的应用中，包括，例如，通过分析由材料、物质或物体发射、反射或透射的光的光谱特性，来确定这些材料、物质或物体的物理属性。在基础水平，光谱仪可以包括：输入孔，光能够通过该孔送入设备内；分散元件，该分散元件根据波长而通过不同角度使光束弯曲；照相机子系统，该照相机子系统将这些角度转化为沿检测器的位置。

其中，光谱仪的基础性能参数是：（1）它的带通（bandpass），即，它能够检测的波长范围；（2）它的光谱分辨率，即，能够被识别的最小的光谱特征或细节的大小；以及（3）它的通过量（throughput），即，最终由光谱感应器测得的进入设备的光的百分率。

对于很多应用来说，带通、光谱分辨率以及设备通过量全部是重要的。更高的光谱分辨率能够给出目标光谱更清楚的视图，允许更详细的分析，而更高的通过量能够提供更强的能够测量的信号，提升了数据的质量（通常量化为“信噪比”）。

现在的传统的光谱仪中的很多（即便不是大多数光谱仪）体现了在这些参数间的折衷。例如，特定的光谱设备的光谱分辨率常常受到沿分散方向测量的光输入孔的图像的大小限制。为了获得更高的分辨率，许多光谱仪利用“狭缝”，比如，以矩形孔的形式，该矩形孔沿分散方向窄而在垂直维度（dimension，尺寸）上相对更高。窄的狭缝能够在检测器上生成窄单频（monochromatic，单色的）图像，并且因此生成更清楚的光谱特征的视图。但是，例如，如果起始光源大于狭缝宽度，窄的狭缝也可能阻挡输入光的大部分。因此典型地，这样的光谱仪为了达到更高分辨率而牺牲了通过量，结果降低了数据质量。例如，在利用诸如纤维光缆或其他输入的交变光源的情况下也可出现同样的困难。

发明内容

本公开此处呈现了一种用于提高光谱仪的光谱分辨率的新的途径。作为其他改进中的一个，根据本公开的系统以及设备能够将较大输入孔（例如，其可允许输入源的最大通过量）与一系列镜子、透镜和/或其他元件结合使用，该一系列镜子、透镜和/或其他元件被构造成用于沿分散方向压缩或以其他方式重新格式化输入源图像，并且可选地在与分散方向大体上正交的方向上扩张或压缩输入源图像。这可以使得重新成形的图像在一些方面具有这样的特性，即，好像它已被定向穿过了狭缝，但有极少或没有通过量损失，例如，避免或减少了比如在利用孔/狭缝组合的光谱仪中常见的损失。

根据光学不变性（optical invariance）定律（也被称作集光率（etendue，展度，光学扩展量）定律），在图像的大小与相应的准直射束（collimated beam）的大小之间存在逆相关。因此，光束的正交轴线的集光率可以独立于彼此地操作，以实现图像的期望的重新成形。在多个方面中，本公开利用失真射束扩展器，该失真射束扩展器适于将沿一个轴线的光束扩张，同时保持沿另一（例如，正交）轴线的射束维度不变。在其他方面，本公开利用了失真射束扩展器和/或压缩器以扩张和/或压缩沿两正交轴线的光束。

射束扩张典型地导致更大的射束（其可在扩张轴线上需要更多空间）。因此，在多个方面，本空开利用射束重新格式化来实现沿失真扩张轴线更窄的射束，而不影响图像大小。这样可允许在可受失真扩张轴线限制的空间内具有更大的扩张系数。

为了清晰的目的，在此处本公开中，某些时候将光谱仪描述成定向为使得光在“水平”方向上光谱传播，或分散。在这样的情况下，术语“水平”旨在表示“平行于分散轴线或沿着分散轴线”，并且术语“竖直的”旨在表示“垂直于分散轴线或横断于分散轴线”。这样选择术语仅为了清晰，并且不应当被认为是暗示本发明仅能在任何特定的几何形状、空间或重力定向下工作或可以更好的工作，或是以下的权利要求或公开被限制于特定的几何形状或定向。在本公开中，术语“失真扩张/压缩”可以用于描述光束在一个维度上的扩张/压缩，同时另一个维度扩张/压缩不同的量或完全未扩张/压缩。光束的失真扩张/压缩因此可以用于改变光束的横截面区域的纵横比。