[发明专利]光学部件在折叠光路内的集成

说明书

一种装置包括：衬底，其透射至少多个波长的电磁能，并且具有第一端、第二端、第一主面、第二主面、至少一个边缘、长度、宽度和厚度；向衬底输出电磁能的至少一个第一输出光学器件；和第一输入光学器件，其被定向和设置为通过衬底的第一主面或第二主面中的至少一个将电磁能提供到衬底中。第一输出光学器件与第一输入光学器件横向间隔开。可以靠近第一主面和/或第二主面设置多个反射器和可选的吸收器，以使电磁能结构化和/或将电磁能从第一输入光学器件传送到第一输出光学器件。该装置可以是光谱仪或其他光学系统的一部分。

技术领域

本公开总体涉及光学传感器和分析仪器，例如光谱仪。

背景技术

背景技术的描述

光谱仪是能够识别包括入射电磁能(例如，光)的波长的分析仪器，并且提供表征入射电磁能的组成成分的光谱内容信息或数据。光谱仪可用于各种各样的设置和应用中。一种类型的传统光谱仪通常使用一个或更多个衍射光栅以在空间上分离包括入射电磁能的波长，这些波长然后由合适的传感器或检测器(例如，线性传感器或线性检测器)检测，电磁能在传感器或检测器上的空间分辨位置指示相应的波长。光谱分辨率部分地随衍射光栅与传感器或检测器之间的距离变化。这不利地意味着为了获得高光谱分辨率，光谱仪的物理尺寸必须较大。通常，部件可能过大和/或部件的数量可能被最小化，以降低对准复杂度。

光子晶体已被建议用于空间分辨入射光中的波长。光子晶体一般可以以至少三种方式使用。例如，用作光子带隙结构，将特定波长范围的光集中在或引导到缺陷中，因为波长范围在该结构中形成间隙(仅在缺陷中允许)。又例如，用作具有增强衍射性质的超级棱镜，允许从给定材料获得比本来能从该材料获得的更强的棱镜效应。又例如，用作散射结构，不必像光子带隙结构那么强，并且在其中利用周期性来有意地在系统的状态之间散射。

美国专利8,854,624总体描述基于光子晶体的光谱仪。美国专利8,854,624是使用光子晶体作为散射结构的一个示例，并且描述了从引导模式到自由空间传播模式的散射。基于光子晶体的光谱仪包括耦合到光波导外表面的光子晶体，以提取经由光子晶体传播通过波导的部分光能。光子晶体包括第一表面，该第一表面包括在介电材料上或具有介电材料的第一周期性特征阵列，第一阵列在至少两个维度上延伸，并且具有与包围光子晶体的介电材料的介电常数不同的有效介电常数。光子晶体的周期性特征由指定的晶格常数表征，其至少部分地确定将被提取的部分传播光能。

美国专利8,854,624说明并描述了作为平面或矩形波导的波导。为了实现传播(即，通过以大于波导临界角的角度进入波导中的电磁能的全内反射沿着波导的长度传输)，美国专利8854624教导通过波导的边缘向波导中注入光能。对于平面波导，与由两个较大尺寸(即，长度和宽度)表征的主面相比，边缘是由最小尺寸(即厚度)表征的波导最小面或最小边界。这种边缘注入通常被认为是必要的，这是因为对于平面光波导，主面提供全内反射，例如由于在这些主面上或主面处设置了覆层。

注入光谱仪等光学系统可能需要沿光路对输入电磁能进行管理，以控制电磁能束中存在的主传播方向和传播角度范围。

通常，这样的系统是通过将诸如反射镜或透镜之类的光学部件沿着光路设置在自由空间中来创建。这些复杂的组件需要多个分离元件的精确对准，昂贵且需要大量的空间。

发明内容