相關(guān)申請

本申請要求享有2015年1月21日提交的美國臨時申請no.62/105,928的優(yōu)先權(quán)，該美國臨時申請的內(nèi)容通過引用納入本文。

本發(fā)明涉及光學(xué)重定格式器(reformatter)領(lǐng)域，且更具體地涉及改善的重定格式器裝置和方法，用于改善光學(xué)系統(tǒng)的性能，諸如改善光譜儀(spectrometer)的光譜分辨率。

背景技術(shù)：

光學(xué)重定格式器傾向于被實施為用于接收輸入圖像和光束，且產(chǎn)生更好地適于通過光學(xué)系統(tǒng)(諸如光學(xué)攝譜儀(spectrograph)或檢測器或檢測器陣列)測量或通過光處理系統(tǒng)進(jìn)一步處理的重新成形的輸出圖像和光束。具體地，光學(xué)重定格式器可用于制備且配置從光源(諸如光纖、光纖束、望遠(yuǎn)鏡、圖像中繼或諸如輸入縫的物理孔徑)的輸出傳遞到光學(xué)攝譜儀的光。

作為背景技術(shù)，常規(guī)的光學(xué)攝譜儀包括一個小輸入孔徑，其通常是縫。該輸入孔徑可以替代地是圓形針孔、光纖或其他輸入裝置；然而，為了簡潔起見，該輸入孔徑將在下文中被稱為縫。輸入光可以是被投射朝向該縫的會聚光束或發(fā)散光束，或可以是被放置成使得一部分光傳遞通過該縫的一些其他光源。在典型的光學(xué)攝譜儀中，傳遞通過該縫的光被投射到使光準(zhǔn)直以形成一束大體上平行的光射線的透鏡或鏡子上。在典型的光學(xué)攝譜儀中，色散元件(諸如，棱鏡、透射光柵或反射光柵)根據(jù)光的波長使準(zhǔn)直光束彎曲不同的量，從而產(chǎn)生光譜色散光束。常常，攝像機透鏡或鏡子使這些光譜色散光束聚焦在位于最終焦平面處的陣列檢測器(諸如電荷耦合器件(ccd)檢測器)或一些其他單個元件或多元件檢測器上，并且所述檢測器可以測量聚焦光譜并且記錄各種波長的光強度。

在典型的光學(xué)攝譜儀中，準(zhǔn)直透鏡(或鏡子)和攝像機透鏡(或鏡子)用作圖像中繼，以產(chǎn)生傳遞通過檢測器(諸如ccd檢測器)上的縫的光的圖像，其中根據(jù)光的波長，所述圖像被橫向移位。光學(xué)攝譜儀的光譜分辨率(對其檢測和測量窄的光譜特征(諸如吸收線或發(fā)射線)的能力的定量描述)可能取決于攝譜儀的各種特性。這樣的特性可以包括：色散元件，例如棱鏡、透射光柵或反射光柵；準(zhǔn)直透鏡(或鏡子)和攝像機透鏡(或鏡子)的焦距；以及該縫沿著色散軸線的寬度。對于特定的色散器和攝像機透鏡，可以通過使輸入縫的寬度變窄來增加攝譜儀的分辨率，其導(dǎo)致傳遞通過該縫(取決于光的波長)且傳遞到檢測器上的光的每個圖像對向較小截面的檢測器，這允許使鄰近的光譜元件彼此更容易區(qū)分開。

通過使輸入縫的寬度變窄，較少的光傳遞通過該縫，其可以減少任何測量的質(zhì)量，這是由于信噪比的降低。在一些應(yīng)用(諸如，天文光譜學(xué)、高速生物醫(yī)學(xué)光譜學(xué)、高分辨光譜學(xué)或拉曼光譜學(xué))中，此效率損失可能是光學(xué)攝譜儀性能的限制因素。在光譜學(xué)領(lǐng)域中，通過沿著色散軸線(即，水平地)壓縮輸入光束的圖像來增加可以傳遞通過縫的光的量同時大體上維持光強度或通量密度的設(shè)備將是有利的，即使以犧牲沿著豎直軸線(即，豎直地)擴展為代價沿著色散軸線壓縮點圖像。

技術(shù)人員將理解，貫穿本說明書所使用的術(shù)語“水平的”、“豎直的”以及其他這樣的術(shù)語，諸如，“上方”和“下方”，被用來解釋本發(fā)明的各個實施方案，且這樣的術(shù)語不意在限制本發(fā)明。

技術(shù)人員還將理解，雖然術(shù)語部件通常用于指具體物品，諸如透鏡或鏡子，且術(shù)語元件通常用于指共享共同功能目的的一組部件，但是也可以具有由單個部件或起多個元件作用的單個部件組成的元件。例如，在具有多個反射表面或折射表面的光學(xué)部件(諸如具有反射涂層的透鏡)的情況下，該透鏡可以具有一個元件的功能，且該反射涂層可以具有一個不同元件的功能。類似地，曲面鏡既可以使光束重新定向，又可以改變光束的發(fā)散度，從而提供相同部件中的多個元件的功能。

技術(shù)人員還將理解，通過使準(zhǔn)直光束聚焦所產(chǎn)生的聚焦圖像可以被稱為點或點圖像，且光源不需要是聚焦的點圖像以便被準(zhǔn)直。圖像指在透鏡或鏡子的焦平面處的光場空間分布，其中波陣面凹度(wavefrontconcavity)改變方向，而圖像空間指波陣面大體上是非平面的光場中的任何空間。光瞳(pupil)指光場的橫向橫截面，其中波陣面大體上是平面的，因此光瞳-空間指波陣面大體上是平面的任何位置。

光學(xué)重定格式器可用于接收輸入光束和/或輸入圖像，且產(chǎn)生與光譜儀輸入縫更好地匹配的輸出光束和/或輸出圖像。光學(xué)分割器(opticalslicer)是一種類型的光學(xué)重定格式器，其中光束或圖像的部分被劃分且被重新定向或重新定位。

包括透明棱鏡和板來分割輸入光束的光學(xué)分割器可能具有缺陷，因為它可以在沿著光學(xué)軸線傾斜的縫處產(chǎn)生重定格式圖像，此外，光束的分割可以沿著45°棱鏡的斜邊發(fā)生，這可能導(dǎo)致焦點退化，這是由于分割的圖像的不同部段位于不同的焦點位置處。這樣的分割器的性能可能也取決于所使用的棱鏡材料的吸收系數(shù)和折射率(二者都為波長相關(guān)的)。這些缺陷會限制這樣的分割器在寬帶光學(xué)設(shè)備中的使用。

還存在完全在圖像空間中操作的其他圖像分割器(諸如bowen-walraven分割器或光纖點到線轉(zhuǎn)換器)的其他光學(xué)切割器。一些這樣的圖像分割器一般不保留空間圖像信息，因此不能夠獨立地從源圖像的不同部分解析光譜信息。這些重定格式器也具有以商業(yè)可行的方式實施的挑戰(zhàn)、可能尺寸上很大且可能導(dǎo)致各種系統(tǒng)的減少的或低效率的實施。這些分割器常常產(chǎn)生縫圖像的多個副本，這會導(dǎo)致檢測器上的空間浪費，這是由于最終焦平面處的分割之間的間隙，所述間隙會向信號添加噪聲，因此降低輸出數(shù)據(jù)的質(zhì)量、限制能夠容納在檢測器上的光譜的數(shù)目(或光譜級)，且因為光譜被散布到較大的檢測器面積之上所以降低檢測器讀出的效率。使用光纖束來允許將輸入源的延伸的(常常是圓形的)圖像形成為窄的縫圖像的光學(xué)分割器也會導(dǎo)致輸出焦比(f-ratio)的退化和總性能效率低下?，F(xiàn)有的分割器設(shè)備幾乎一律受到此降低的效率和輸出焦比的影響，這是分割器設(shè)計和實施的明顯限制。此外，由于個體纖維之間的間隙和由個體纖維包層占據(jù)的空間，光纖束傾向于對于光采集效率低下。

最近，公開了新的光瞳重定格式器設(shè)計以及使用光瞳重定格式器來改善攝譜儀的光譜分辨率。這些基于分割器的重定格式器完全在光瞳空間中操作，分割且然后變形地(anamorphically)擴展準(zhǔn)直光束。當(dāng)需要保存空間圖像信息時，諸如用推掃式高光譜成像(push-broomhyperspectralimaging)、多光纖輸入等，此方法是有用的，但是較大的輸入源可能使光瞳光束發(fā)散度有問題，且光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜度隨著產(chǎn)生的分割的數(shù)目增加而增加。

本發(fā)明與現(xiàn)有的重定格式器設(shè)計的不同之處在于，它部分地在光瞳空間中操作且部分地在圖像空間中操作。因此，貫穿本申請，它被稱為混合圖像-光瞳光學(xué)重定格式器，且本發(fā)明的實施方案可以被描述為混合分割器或混合重定格式器，其部分地在光瞳空間中操作且部分地在圖像空間中操作。此方法優(yōu)于傳統(tǒng)的光學(xué)分割器，包括在需要更大數(shù)目的分割的情況下，因為如本發(fā)明所公開的使重定格式器部分地在光瞳空間中操作且部分地在圖像空間中操作傾向于由通過限制光束展開的準(zhǔn)直器的往復(fù)光束路徑表征。在本發(fā)明的實施方案中，可以以較少的部件、減少的光束發(fā)散度損失和較不苛刻的對準(zhǔn)公差來實現(xiàn)較大的分割因數(shù)，且分割的數(shù)目傾向于相對獨立于光學(xué)復(fù)雜度，其中分割的優(yōu)選數(shù)目大致等于輸入光束寬度與輸出光束寬度的比率。本設(shè)計的實施方案還傾向于比傳統(tǒng)的光學(xué)分割器更容易地處理更大的輸入點尺寸和/或更快的輸入光束(小焦比)。

本發(fā)明中的光瞳光束傾向于變得更窄而不是變得更高，且在本發(fā)明的實施方案中公開的光瞳分割傾向于重疊。這與光瞳光束既變得更窄又變得更高且光瞳分割一般不重疊的大多數(shù)光瞳重定格式器相反。此外，許多其他光學(xué)重定格式器使用“顯式的”擴展作為重定格式的一部分，而在本發(fā)明公開的一些實施方案中，擴展是“隱式的”。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于生成輸出光束的光學(xué)重定格式器，包括：一個準(zhǔn)直器，接收輸入光且產(chǎn)生第一準(zhǔn)直光束；第一光學(xué)元件，使所述第一準(zhǔn)直光束的一個或多個部分重新定向朝向所述準(zhǔn)直器，以產(chǎn)生一個或多個重新成像光束，且允許所述第一準(zhǔn)直光束的一個或多個部分傳遞通過所述第一光學(xué)元件，以形成所述輸出光束的一部分；以及第二光學(xué)元件，使所述重新成像光束中的一些或全部重新定向朝向所述準(zhǔn)直器，以產(chǎn)生附加的準(zhǔn)直光束，使得所述附加的準(zhǔn)直光束的多個部分也形成所述輸出光束的部分。

在本發(fā)明的一些實施方案中，所述第一準(zhǔn)直光束的、形成所述輸出光束的一部分的一個或多個部分可以傳遞通過所述第一光學(xué)元件而沒有任何進(jìn)一步的重新定向。在其他實施方案中，所述輸入光可以是光纖、圖像中繼或物理孔徑的輸出。

所述準(zhǔn)直器可以是單透鏡、復(fù)合透鏡、單個鏡子或使發(fā)散光束準(zhǔn)直且使準(zhǔn)直光束聚焦的另外的光學(xué)元件。此外，所述第一準(zhǔn)直光束和所述附加的準(zhǔn)直光束可以是大體上準(zhǔn)直的或完全準(zhǔn)直的。此外，所述第一光學(xué)元件和所述第二光學(xué)元件可以各自包括一個或多個鏡子。

在一些實施方案中，所述第一準(zhǔn)直光束的、被重新定向朝向所述準(zhǔn)直器的一個或多個部分可以位于所述第一準(zhǔn)直光束的末端(extremities)處。在其他實施方案中，所述第一準(zhǔn)直光束的、被重新定向朝向所述準(zhǔn)直器的一個或多個部分可以被重新定向成與所述第一準(zhǔn)直光束不平行；或所述第一準(zhǔn)直光束的、被重新定向朝向所述準(zhǔn)直器的一個或多個部分可以被重新定向成彼此不平行。

所述重新成像光束可以在與所述輸入光不重合的位置處產(chǎn)生聚焦圖像，且所述第二光學(xué)元件可以被定位成使所述一個或多個重新成像光束重新定向而不阻擋所述輸入光和和所述準(zhǔn)直器之間的光學(xué)路徑。所述第二光學(xué)元件也可以被定位在所述重新成像光束產(chǎn)生聚焦圖像的位置處。

在另一些實施方案中，所述附加的準(zhǔn)直光束的一個或多個部分可以由所述第一光學(xué)元件重新定向朝向所述準(zhǔn)直器，以產(chǎn)生附加的重新成像光束；且所述附加的重新成像光束可以由所述第二光學(xué)元件重新定向朝向所述準(zhǔn)直器，以產(chǎn)生另一些附加的準(zhǔn)直光束，使得所述另一些附加的準(zhǔn)直光束的一個或多個部分也傳遞通過所述第一光學(xué)元件，以形成所述輸出光束的一部分。在又一些實施方案中，所述附加的準(zhǔn)直光束和所述附加的重新成像光束的這樣的重新定向本質(zhì)上可以是迭代的和重復(fù)的。

在一些實施方案中，從所述輸入光接收的大體上所有的光能量都可以包含在所述輸出光束中。此外，所述第一準(zhǔn)直光束和形成所述輸出光束的所述附加的準(zhǔn)直光束的多個部分可以大體上重疊且在大體上相同的方向上傳播。所述輸出光束也可以在維度上比所述第一準(zhǔn)直光束更窄。

所述光學(xué)重定格式器還可以包括一個附加的光學(xué)元件，用于使所述輸出光束在傳遞通過所述第一光學(xué)元件之后重新定向。替代地或附加地，所述光學(xué)重定格式器還可以包括一個聚焦元件，用于將所述輸出光束聚焦到光譜儀的輸入上。在一些實施方案中，所述聚焦元件可以是棒狀透鏡、圓柱形透鏡、圓柱形鏡子或一個或多個圓柱形或環(huán)形透鏡或鏡子。

在本發(fā)明的另一個方面，所述光學(xué)重定格式器還可以：一個光學(xué)元件，用于沿著第一維度擴展所述輸出光束，以產(chǎn)生擴展光束；一個色散元件，用于沿著所述第一維度使所述擴展光束光譜色散，以產(chǎn)生光譜色散光束；一個聚焦元件，用于使所述光譜色散光束聚焦，以產(chǎn)生聚焦光譜；以及一個檢測器，用于接收和測量所述聚焦光譜。

在本發(fā)明的又一個方面，提供了一種生成輸出光束的方法，包括：通過準(zhǔn)直器使輸入光準(zhǔn)直，以產(chǎn)生第一準(zhǔn)直光束；使所述第一準(zhǔn)直光束的一個或多個部分重新定向返回通過所述準(zhǔn)直器，以產(chǎn)生一個或多個重新成像光束；使所述重新成像光束中的一些或全部重新定向通過所述準(zhǔn)直器，以產(chǎn)生附加的準(zhǔn)直光束；以及，由所述第一準(zhǔn)直光束的、未被重新定向返回通過所述準(zhǔn)直器的多個部分和所述附加的準(zhǔn)直光束形成輸出光束。

在一些實施方案中，所述附加的準(zhǔn)直光束的多個部分也可以被重新定向返回通過所述準(zhǔn)直器，以產(chǎn)生附加的重新成像光束，且所述附加的重新成像光束中的一些或全部可以被重新定向通過所述準(zhǔn)直器，以產(chǎn)生另一些準(zhǔn)直光束，使得輸出光束可以包括所述另一些附加的準(zhǔn)直光束的多個部分。在另一些實施方案中，所述重新定向是迭代的。

重新定向的光束和光束部分可以被重新定向，以產(chǎn)生由在大體上相同的方向上傳播且具有所述輸入光中的大體上所有的光能量的大體上重疊的光束和光束部分所形成的輸出光束。重新定向的光束和光束部分可以還被重新定向，以產(chǎn)生在第一維度上比所述第一準(zhǔn)直光束更窄的輸出光束。在一些實施方案中，該方法還可以包括使所述輸出光束聚焦到光譜儀的輸入上。在一些實施方案中，可以沿著第一維度擴展所述輸出光束，以產(chǎn)生擴展光束；可以沿著所述第一維度使所述擴展光束光譜色散，以產(chǎn)生光譜色散光束；可以使所述光譜色散光束聚焦，以產(chǎn)生聚焦光譜，以及可以測量所述聚焦光譜。

附圖說明

為了更好地理解本文描述的系統(tǒng)和方法的實施方案，以及更清楚地示出如何實施它們，將以實施例的方式參考附圖，其中：

圖1a示出了混合圖像-光瞳光學(xué)重定格式器的一個實施方案的等距視圖。

圖1b示出了在與光學(xué)光譜儀一起使用或作為光學(xué)光譜儀的一部分時，圖1a的混合圖像-光瞳光學(xué)重定格式器的實施方案的等距視圖。

圖2例示了在混合圖像-光瞳光學(xué)重定格式器的一個實施方案中準(zhǔn)直光束的分割和重新定向，被示出為重定格式器在光瞳鏡處的橫截面。

圖3示出了在諸如在圖1a和圖1b中示出的混合圖像-光瞳光學(xué)重定格式器的實施方案的操作中可以在各個點處存在的光瞳光束和聚焦圖像的形狀。

具體實施方式

應(yīng)理解，已經(jīng)提供了許多具體細(xì)節(jié)以便透徹理解本文描述的示例性實施方案。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實踐本文描述的實施方案。在其他情況下，未詳細(xì)描述眾所周知的方法、程序和部件，以免模糊本文描述的實施方案。此外，此描述不應(yīng)被認(rèn)為以任何方式限制本文描述的實施方案的范圍，而是僅描述本文描述的各個實施方案的實施方式。

在下面的描述和附圖中，僅為了方便和清楚而使用對“頂”、“底”、“左”、“右”、“水平的”，“豎直的”等的參考。它們決不意味著限制多種光學(xué)部件和結(jié)構(gòu)的可能取向，而是用來描述和例示在本申請中公開的設(shè)計中的某些元件的相對取向。在本申請中使用術(shù)語“準(zhǔn)直”應(yīng)包括完全地準(zhǔn)直和大體上準(zhǔn)直。

在下面的描述和附圖中，使用光學(xué)元件(諸如鏡子和透鏡)來例示本發(fā)明?？梢允褂貌煌墓鈱W(xué)元件或通過使用以透射代替反射或以反射代替透射的設(shè)計來實現(xiàn)相同的結(jié)果，以實現(xiàn)對光信號的期望的作用。

參考圖1a，示出了混合圖像-光瞳光學(xué)重定格式器的一個實施方案。作為參考，該混合圖像-光瞳光學(xué)重定格式器被描繪為圖1b中的色散光譜儀系統(tǒng)的一部分。圖1b的系統(tǒng)可以全部包含在單個物理殼體內(nèi)，或可以被拆分在幾個物理殼體之間，所述幾個物理殼體具有適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)耦合。圖1a和圖1b中的方向在本文中被描述為：“水平的”為其中取向大體上平行于色散器的色散軸線，以及，“豎直的”為其中取向大體上垂直于色散器的色散軸線，然而技術(shù)人員將理解該系統(tǒng)可以以其他取向配置。

在圖1a的實施方案中，光源110a產(chǎn)生光束112，其被示出為發(fā)散光束，該發(fā)散光束通過準(zhǔn)直元件113準(zhǔn)直成第一大體上準(zhǔn)直的光束114。光源110a可以是光纖、多光纖束、圖像中繼、物理孔徑或一些其他源的輸出。幾種類型的光學(xué)元件可以被用來形成準(zhǔn)直元件113，包括例如單透鏡、雙合透鏡、復(fù)合透鏡、單個鏡子或復(fù)合鏡子或使發(fā)散光束準(zhǔn)直的其他光學(xué)元件(以及基于光學(xué)可逆性原理使準(zhǔn)直光束聚焦的其他光學(xué)元件)。

在示出的實施方案中，準(zhǔn)直光束114到達(dá)光學(xué)元件115，光學(xué)元件115被示出為包括通過反射來使光束114的多個部分重新定向的一對鏡子115a和115b。在其他實施方案中，光學(xué)元件115可以包括使光束114的多個部分重新定向的其他光學(xué)部件。因為這些鏡子對準(zhǔn)直光瞳光束操作，所以也被稱為光瞳鏡，它們可以被配置為具有入射在光束輪廓上的筆直邊緣，且可以例如是兩個豎直的d形鏡子，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解可以使用其他光學(xué)元件和光學(xué)元件配置。在所描繪的實施方案中，鏡子115a和115b是平面的且分開一個小間隙，使得準(zhǔn)直光束114的一部分在該間隙之間傳遞，形成準(zhǔn)直輸出光束116的一部分。技術(shù)人員將理解，術(shù)語“傳遞(passes或pass)”可以指移動穿過、移動通過，移動經(jīng)過或其他類似運動。光束114的一部分從鏡子115a反射且被重新定向朝向準(zhǔn)直元件113。當(dāng)準(zhǔn)直光束傳遞回來通過準(zhǔn)直元件113時，準(zhǔn)直元件113將重新定向的準(zhǔn)直光束轉(zhuǎn)換成重新成像光束，該重新成像光束會聚且達(dá)到圖像110a附近(即不與圖像110a重合)的焦點。此焦點可以位于光學(xué)元件111上，該光學(xué)元件111被示出為包括一對反射鏡，但是可以包括用于重新定向光束的其他光學(xué)部件。此重新聚焦的圖像傾向于與輸入源110a的尺寸相同，且傾向于具有較低的光強度。在示出的實施方案中，鏡子115a被豎直傾斜(即，使豎直軸線圍繞水平軸線傾斜)，使得反射的光束部分不平行于光束114。反射的光束部分傳遞通過準(zhǔn)直器的此角度改變導(dǎo)致重新聚焦的點圖像110b從圖像110a豎直地移位，落在位于圖像110a上方的平面鏡111a上。類似地，光束114的另一部分從鏡子115b反射，傳遞回來通過光學(xué)元件113，且達(dá)到圖像110a附近的焦點。然而，鏡子115b被傾斜，使得反射的和重新聚焦的點圖像110c在圖像110b的相反方向上從圖像110a豎直地移位，落在位于圖像110a下方的平面鏡111b上。鏡子111也可以被稱為圖像鏡，因為它們傾向于對聚焦圖像操作。這些圖像鏡可以例如是兩個水平的d形鏡子，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以使用其他光學(xué)元件和光學(xué)元件配置。在一些實施方案中，所述圖像鏡中的一個可以位于源圖像正上方的源圖像焦平面中，而另一圖像鏡可以位于源圖像正下方的源圖像焦平面中，使得源圖像通過在圖像鏡之間傳遞來進(jìn)入分割器。在其他實施方案中，所述鏡子或單個鏡子可以是放置在輸入源前面的單向鏡，使得它允許光從輸入源進(jìn)入，同時仍然反射重新成像的光束。

圖像110b和110c從它們相應(yīng)的鏡子反射回來朝向光學(xué)元件113，在光學(xué)元件113處它們被重新準(zhǔn)直成與光束114類似且大體上重合但略微傾斜和橫向偏移的附加的準(zhǔn)直光束。在示出的實施方案中，鏡子111a被水平傾斜，使得重新定向的重新成像的光束以與發(fā)散光束112不同的水平角度被定向朝向準(zhǔn)直器113，從而所產(chǎn)生的附加準(zhǔn)直光束相對于由鏡子115b所產(chǎn)生的重新定向的準(zhǔn)直光束部分朝向光學(xué)元件115的中心偏移。類似地，鏡子111b被水平傾斜，使得從重新定向的重新成像光束所產(chǎn)生的附加準(zhǔn)直光束相對于由鏡子115a所產(chǎn)生的重新定向的準(zhǔn)直光束部分朝向光學(xué)元件115的中心偏移。這些附加的準(zhǔn)直光束遇到鏡子115a和115b，且每個附加的準(zhǔn)直光束的一部分傳遞通過光瞳鏡之間的間隙且被添加到輸出光束116，而其他部分被反射回來通過光學(xué)元件113以在鏡子111a和111b上形成點圖像110d和110e。根據(jù)鏡子115a、115b、111a和1111b的間隔和角傾斜，多次反射和多個點圖像110的數(shù)目可以是二、三、四、五或任何更大的數(shù)目，且點圖像、多次反射以及傳遞通過光瞳鏡之間的光束部分的數(shù)目可以相等，也可以不相等。在其他實施方案中，光學(xué)元件115和111可以每個包括單個鏡子，且可以僅存在來自每個光學(xué)元件的單次反射和僅存在所產(chǎn)生的單個附加的點圖像。在一些實施方案中，對于一些實施方式優(yōu)選的，在最終反射時剩余的光束部分完全傳遞經(jīng)過鏡子115a和115b而沒有任何部分被反射。在替代的實施方案中，可以存在這樣的反射：所述反射導(dǎo)致光學(xué)元件115反射所有的光，且不允許任何光形成輸出光束116的一部分，直至所述光在之后被反射回來。此外，在替代的實施方案中，光學(xué)元件111可以僅使重新成像的光束的一些或重新成像的光束的一些部分而非全部重新成像的光束重新定向，如圖所示。

因此，準(zhǔn)直光束116也可以包括多個大體上類似且空間上重合的光束或光束部分，每個光束或光束部分對應(yīng)于點圖像110中的一個，且那些光束和光束部分一起形成光學(xué)重定格式器的輸出光束。形成所述輸出光束的光束部分中的每個可以具有高而窄的輪廓，在高度上類似于第一準(zhǔn)直光束且在寬度上較窄，且每個具有略微不同的豎直傾斜。所述豎直傾斜傾向于在輸出光束中產(chǎn)生略微的豎直發(fā)散度。在一些實施方案中，對于一些實施方式優(yōu)選的，重定格式器輸出光束116包括輸入光中所包含的大體上所有的光強度(光能量)，由于重定格式器中的光學(xué)部件的反射效率或透射效率，因此僅具有少量損失。在一些實施方案中，一個附加的光學(xué)元件可以使輸出光束116重新定向，以便改變該光學(xué)系統(tǒng)的布局或更方便地或有效地與下游光學(xué)元件耦合。

圖2進(jìn)一步例示了在混合圖像-光瞳重定格式器的一個實施方案中準(zhǔn)直光束和附加的光束部分的分割和重新定向，如在光瞳鏡處示出的。圖2a示出了由對應(yīng)于圖1中的鏡子115a和115b的光瞳鏡201和202所接收的第一準(zhǔn)直光束203。圖2b示出了當(dāng)中間部分已經(jīng)傳遞通過所述光瞳鏡之間的間隙以形成輸出光束的一部分時，光束的左部分(204)和右部分(205)被重新定向回到準(zhǔn)直器(未示出)。圖2c示出了在光束部分204被重新成像、通過對應(yīng)的圖像鏡(未示出)重新定向且通過準(zhǔn)直器(未示出)重新準(zhǔn)直之后由光束部分204所產(chǎn)生的附加的準(zhǔn)直光束206。注意，在示出的實施方案中，光束206已經(jīng)翻轉(zhuǎn)且朝向光瞳鏡201和202的中間偏移，且相對于光束204向下偏移。光束206的一部分將傳遞通過所述光瞳鏡之間的間隙以便也形成輸出光束的一部分，而光束206的另一部分將被鏡子202反射。類似地，圖2d示出了在光束205被重新成像、通過對應(yīng)的圖像鏡(未示出)重新定向且通過準(zhǔn)直器(未示出)重新準(zhǔn)直之后由光束205所產(chǎn)生的附加的準(zhǔn)直光束207。光束207的一部分將在光瞳鏡201和202之間傳遞通過，加入所述輸出光束，而光束207的另一部分將被鏡子201反射。圖2e示出了光束208，光束206的一部分被光瞳鏡反射，而光束206的剩余部分傳遞通過所述光瞳鏡之間的間隙。最后，圖2f示出了光束部分208在通過圖像鏡(未示出)重新成像和重新定向且通過準(zhǔn)直器(未示出)重新準(zhǔn)直之后由光束部分208產(chǎn)生的光束209。此過程可以繼續(xù)，直到所有的光已經(jīng)偏移到所述鏡子之間的間隙中且傳遞通過以形成所述輸出光束的一部分。可以看出，在對于一些應(yīng)用優(yōu)選的一個實施方案中，迭代次數(shù)將等于第一準(zhǔn)直光束的寬度除以所述光瞳鏡的分隔距離。

回到圖1b，示出了一個示例性實施方案，其中使用具有一個或多個曲面透鏡或鏡子的可選圖像中繼來將光源(諸如光纖輸出)重新成像到重定格式器的光源焦平面110a上。這在使用光纖回饋源時可能是有利的，因為通過圖像中繼，光纖包層或包殼或套圈將不會傾向于干擾圖像鏡，且分割器部段內(nèi)的焦比可以從離開光纖的焦比更改，例如降低焦比以減少準(zhǔn)直透鏡中的像差。在圖1b的圖像中繼中，輸入孔徑101發(fā)射具有寬帶光譜輪廓的發(fā)散光束102。技術(shù)人員將理解，輸入孔徑101可以例如使用光纖、針孔或光源來實施，然而其他輸入源也是合適的。發(fā)散光束102通過光學(xué)元件103重新聚焦，該光學(xué)元件103在圖1b的實施方案中被描繪為單透鏡?？梢允褂枚喾N類型的光學(xué)元件(例如，雙合消色差透鏡、復(fù)合透鏡、單個凹面鏡或復(fù)合的鏡子系統(tǒng))來實施光學(xué)元件103。光學(xué)元件103將光束聚焦成會聚光束104，該會聚光束104形成輸入孔徑101的圖像110a。

圖1b還示出了如何將重定格式器的輸出定向朝向光譜儀的輸入，或如何將重定格式器直接納入到光譜儀中。技術(shù)人員將理解，存在多種方式來將重定格式器輸出光束發(fā)送到系統(tǒng)的色散光譜儀部段。在示出的實施方案中，準(zhǔn)直的重定格式器輸出光束116傳遞通過聚焦元件117，聚焦元件117可以是棒狀透鏡、圓柱形透鏡、圓柱形鏡子或?qū)A向于沿著水平軸線而非沿著豎直軸線聚焦光束部分的任何其他光學(xué)元件。在示出的實施方案中，光束部分中的光因此傾向于在中間焦平面118處聚焦成高而窄的縫狀圖像(相對于可能已經(jīng)具有圓形外觀的輸入孔徑101)。物理縫或光擋板可以放置在焦平面118處，以限制光傳遞通過、阻擋散射光、使縫圖像更窄(以降低光強度為代價)，或所有的水平聚焦的光可以被允許傳遞通過此焦平面。光譜儀也可以放置使得其輸入孔徑在焦平面118處。

繼續(xù)對用作如圖1b中示出的色散光譜儀的一部分的混合圖像-光瞳光學(xué)分割器的描述，當(dāng)傳遞通過焦平面118時，多個光束部分形成光束120，該光束120傾向于看起來像發(fā)散光束，例如f/5豎直地且f/5水平地。此發(fā)散光束通過光學(xué)元件121準(zhǔn)直以產(chǎn)生準(zhǔn)直光束122，該準(zhǔn)直光束已經(jīng)相對于輸出光束116在色散方向上擴展。也可以使用使光束發(fā)散和重新準(zhǔn)直的擴展器元件(例如凸透鏡和凹透鏡，或凸面鏡和凹面鏡)代替部件117和121來實施所述擴展，所述部件117和121導(dǎo)致光束會聚通過焦點之后形成大體上被重新準(zhǔn)直的分散光束。光瞳光束的此擴展有助于使由那個光束產(chǎn)生的重新聚焦的圖像變窄。擴展的準(zhǔn)直光束122從平面折疊鏡123反射到色散元件124，該色散元件124可以是衍射光柵、棱鏡、棱柵或任何其他光譜色散元件。色散器124產(chǎn)生包括多個單色準(zhǔn)直光束的光譜色散光束125，其中每個光束的水平角度取決于其波長。聚焦元件126(包括例如簡單透鏡或復(fù)合透鏡或簡單的鏡子或復(fù)合鏡子或其組合)將這些色散的光束聚焦到檢測器系統(tǒng)128上的焦平面檢測器127上，該焦平面檢測器127可以是ccd設(shè)備、cmos設(shè)備、ingaas傳感器、線性光電二極管陣列、感光膠片、單像素光電二極管或光電倍增管或任何其他光檢測儀器。檢測器系統(tǒng)128中的每個傳感器元件的測量強度提供對傳遞通過孔徑101的原始光束的光譜分布的測量。從焦平面118到檢測器系統(tǒng)128的光學(xué)序列類似于許多其他色散光譜儀設(shè)計，然而，與其他色散光譜儀設(shè)計不同，通過元件101至117實施的混合圖像-光瞳光學(xué)分割器的光束重定格式方法使輸入源101在焦平面118處重新形成高而窄的圖像，以提供較高的光譜分辨率而不會在窄縫處損失光。

技術(shù)人員將理解，在一些情況下，利用具有附加光學(xué)重定格式的色散光譜儀、沿一個或多個軸線具有附加的光束擴展和/或壓縮的色散光譜儀或一些其他色散光譜儀設(shè)計可能是有利的。

圖3例示了可以存在于圖1a和圖1b的實施方案中的多個點處的光瞳光束和聚焦圖像的形狀。第一準(zhǔn)直光瞳光束114被示出為具有相對均勻強度的圓形光束。重定格式的輸出光束116被示出為具有對應(yīng)于鏡子115a和115b之間的間隙的寬度，以及由第一準(zhǔn)直光束和附加的準(zhǔn)直光束貢獻(xiàn)的疊加的光束部分。將附加的準(zhǔn)直光束的傳遞通過光學(xué)元件115的重疊d形部分組合，使得輸出光束的某些部分具有比其他部分更大的光強度。還示出了擴展的輸出光束122。圖3還示出了輸入源圖像110a、準(zhǔn)直元件113的焦點(其也是鏡子111的源圖像焦平面和位置)處的復(fù)制的源110a-e、以及在攝像機圖像(127)的焦平面處的重新聚焦的攝像機圖像。注意，復(fù)制的源的強度隨著在第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件之間的每次傳遞通過而減小，因為附加的光束部分傳遞通過光學(xué)元件115以在每次傳遞通過時形成輸出光束的一部分，且較少的光被反射回來。

在一些實施方案中，可以存在不同數(shù)目的光瞳鏡(例如1個或3個而不是一對)、不同數(shù)目的圖像鏡、或甚至不等數(shù)目的光瞳鏡和圖像鏡。一些實施方案還可以僅包括單個光瞳分割鏡和單個圖像鏡，其傾向于僅提供兩個分割。在這樣的替代方案中，光將傾向于環(huán)繞圖像鏡傳遞而不是傳遞通過鏡子之間的間隙。此外，在其他實施方案中，該設(shè)計可以被配置為使得并非所有反射光瞳光束的所有部分都稍后通過圖像鏡反射回到光瞳。

在光束在光瞳鏡和圖像鏡之間僅被重新定向一次的情況下，該設(shè)計可以傾向于被描述為第一傳遞設(shè)計。隨著傳遞次數(shù)增加(即迭代次數(shù)增加)，且準(zhǔn)直光束中傳遞通過圖像鏡以在每次傳遞通過時形成輸出光束的一部分的部分減少，輸出光束相對于第一準(zhǔn)直光束的變窄可以更大，這會是有利的，例如通過使得輸出光束能夠被擴展更大的倍數(shù)而不會變得大于第一準(zhǔn)直光束。在一些系統(tǒng)中，迭代傳遞次數(shù)可能相當(dāng)大。然而，隨著傳遞次數(shù)增加，由于反射損失和透射損失，因此光強度將會減小。這兩個因素之間的折衷將決定對于給定的實施方式而言最適當(dāng)?shù)膫鬟f次數(shù)。

在本發(fā)明中，準(zhǔn)直光瞳光束傾向于被分割成單獨的子光束，如傳統(tǒng)的光學(xué)分割器，其傾向于對重新聚焦的點沒有影響，但是那些分割鏡的傾斜傾向于使重新聚焦的點圖像豎直偏移，因此“堆疊”是在圖像空間而不是在光瞳空間中完成的。這樣，不同的準(zhǔn)直分割全部都一個在另一個的頂上疊加在光瞳空間中而不是被豎直地堆疊。每個準(zhǔn)直分割將傾向于具有不同的豎直角度，且整束分割光束將傾向于具有比任何單個光束更大的豎直發(fā)散度。在實踐中，此豎直發(fā)散度類似于在輸入傳遞通過縫之后表現(xiàn)出的水平發(fā)散度，使得下游的光學(xué)設(shè)備可以是圓形的或正方形的而不是高度矩形的。由疊加分割組成的高而瘦的光瞳然后可以被水平地聚焦以形成中間的虛擬縫圖像，如果需要，所述虛擬縫圖像可以被傳遞通過物理縫(以減少散射的光泄漏)，之后轉(zhuǎn)到色散光譜儀后端。所述水平聚焦可以使用圓柱形透鏡來實現(xiàn)，以產(chǎn)生虛擬縫圖像，在所述虛擬縫圖像中，原始圖像點被“模糊”在一起以形成單個光柱。技術(shù)人員將理解，也可以以其他方式實現(xiàn)所述聚焦，諸如使用球面透鏡，盡管這樣的球面透鏡可能需要不切實際的焦比來實施。

也可以將本發(fā)明中的重定格式的光瞳光束定向到專門設(shè)計用于處理這種類型的輸入的色散光譜儀的輸入，而不經(jīng)歷水平聚焦。也可以存在如下應(yīng)用，其中本發(fā)明中的重定格式的輸出(被準(zhǔn)直或被聚焦)除了可以僅被用作色散光譜儀的輸入之外也可以被用作其他光學(xué)設(shè)備的輸入。

技術(shù)人員將理解，在一些實施方案中，在圖1中描繪的某些光學(xué)元件可以被替換成經(jīng)由不同的方法提供類似功能或?qū)蓚€或更多個原始元件的功能組合的替代元件。例如，基于透鏡的透射重新成像器(103)可以被替換成反射折射系統(tǒng)或全反射重新成像系統(tǒng)。也例如，準(zhǔn)直器(113)可以用離軸拋物面鏡而不是透鏡來實施。還例如，光瞳鏡(115a和115b)可以由如下單個鏡子代替，所述單個鏡子具有縫或孔切入到其中。還例如，準(zhǔn)直器(113)和光瞳鏡(115a和115b)可以組合成由具有如下透射透鏡組成的單個元件，所述透射透鏡具有一個被制造有不同角度且被部分地涂敷有反射涂層以充當(dāng)一個鏡子或多個鏡子的表面。

雖然本發(fā)明可以與傾向于如先前所述的將光用作輸入的任何設(shè)備一起使用，但是本文描述的光學(xué)分割器的使用的一個實施例可以是在光譜學(xué)領(lǐng)域中。一般的光譜儀是使光色散以使得作為波長的函數(shù)的光強度值可以被記錄在檢測器上的設(shè)備。對于要求較高的光譜分辨率的讀數(shù)，較窄的縫傾向于需要與光譜分辨率有直接關(guān)系，且通常窄的縫將提供在一般的光譜儀設(shè)備的檢測器或傳感器焦平面處接收到的光強度的減少。與沒有光學(xué)分割器的縫相比，將光學(xué)分割器定位在一般的光譜儀設(shè)備的輸入前面(可能與某種形式的隱式光束擴展或顯式光束擴展結(jié)合)會傾向于產(chǎn)生該一般的光譜儀設(shè)備縫的、在縫的區(qū)域上具有以分割因子為倍數(shù)增大的光強度值的輸入，從而傾向于提供增大的光譜分辨率而不犧牲光信號強度。

光譜學(xué)的一個分支是干涉光譜學(xué)；干涉光譜學(xué)的限定特征在于，所使用的色散元件不是光柵或棱鏡。而是，以其他方式實現(xiàn)色散，諸如通過對由兩個干涉光束生成的圖案進(jìn)行傅里葉變換。該分割器不僅增加了輸出的亮度，而且允許干涉條紋的對比度以及信噪比的較大改善。

與醫(yī)學(xué)成像有關(guān)的干涉光譜學(xué)的另一個子集是光學(xué)相干斷層掃描(oct)，該技術(shù)使用干涉光譜儀來制作圖像。分割器將改善oct設(shè)備的吞吐量以及條紋對比度；結(jié)果是，分割器可以改善用oct系統(tǒng)可能實現(xiàn)的深度穿透、加快成像時間以及增加捕獲的圖像的值。光學(xué)分割器可以被包括在oct設(shè)備的輸入處。

光學(xué)分割器可以用在被稱為傅立葉域oct(fd-oct)的oct的一個子集中，且更具體地用在被稱為光譜域oct(sd-oct)的具體實施fd-oct中。sd-oct器械是具有色散光譜儀的干涉光譜儀，以用于記錄信號。光學(xué)分割器可以被包括在所述色散光譜儀的輸入處，在準(zhǔn)直光束路徑中剛好在色散光束元件之前。

分割器的另一個應(yīng)用是在微型光譜學(xué)領(lǐng)域中，特別是與拉曼光譜學(xué)有關(guān)。當(dāng)前的拉曼光譜儀已經(jīng)被實施為被微型化到手持規(guī)模。因為分割器可以被用來增加任何以光作為輸入源的系統(tǒng)的吞吐量，分割器的一個微型化實施方案可以結(jié)合微型化光譜儀(例如拉曼光譜儀)來使用，以增加光譜分辨率、增加輸出信號強度以及減少掃描時間。光學(xué)分割器可以被包括在拉曼光譜學(xué)設(shè)備的輸入處。

已經(jīng)參考具體實施方案描述了本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將明了，在不脫離本文描述的本發(fā)明的范圍的前提下，可以做出許多變體和改型。