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光譜儀的制作方法

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光譜儀的制作方法與工藝

本發(fā)明涉及一種光譜儀,所述光譜儀包括至少一個(gè)光柵和至少一個(gè)棱鏡的組合。

技術(shù)背景

為了分析寬帶光,標(biāo)準(zhǔn)白光光譜儀結(jié)合了至少一個(gè)準(zhǔn)直光學(xué)單元、一個(gè)色散光學(xué)單元以及一個(gè)具有檢測(cè)器的聚焦光學(xué)單元,所述檢測(cè)器現(xiàn)在通常被配置為線掃描傳感器或矩陣圖像傳感器(見圖1)。所有光學(xué)單元在每一情況下依次由至少一個(gè)元件組成。通常使用透鏡作為準(zhǔn)直儀和聚焦元件,然而其他的實(shí)施例也是已知的。棱鏡和光柵可單獨(dú)使用及可組合使用以產(chǎn)生必要色散。

使用色散光學(xué)單元產(chǎn)生角色散D,即是相對(duì)于波長(zhǎng)改變光的擴(kuò)展方向。所述色散光學(xué)單元與聚焦光學(xué)單元結(jié)合使用,于是被分開的光(光譜)在檢測(cè)器上的不同位置顯示出來(lái)。所述檢測(cè)器能夠利用光強(qiáng)度與光電流之間的線性關(guān)系將所顯示的光譜上的強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。在許多當(dāng)前的應(yīng)用中,在例如PC、FPGA等的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行模擬信號(hào)的數(shù)字化、存儲(chǔ)和分析。

光譜儀的成像特性高度取決于光學(xué)元件的類型和布置。如果首先只考慮最簡(jiǎn)單的光學(xué)結(jié)構(gòu)和只考慮在所述光學(xué)結(jié)構(gòu)中的中心色散元件,可得出兩種光譜儀:棱鏡光譜儀和光柵光譜儀。在第一種情況下,棱鏡光譜儀的設(shè)計(jì)總是可透射的,而在第二種情況下,反射陣列也是可能的(見圖2)。

棱鏡光譜儀的角色散由棱鏡材料的折光指數(shù)n的波長(zhǎng)依存性造成。運(yùn)用斯涅耳定律(Snell’s Law)以及用棱鏡的入射角α、相關(guān)的反射角γ、棱鏡的反射角β、波長(zhǎng)λ和棱鏡角ε,在以下方給出棱鏡的光束偏轉(zhuǎn):

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通式1:棱鏡的偏轉(zhuǎn)公式

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通式2:棱鏡的色散公式

根據(jù)光柵公式以及用偏轉(zhuǎn)角β、衍射級(jí)μ和光柵常數(shù)g,光柵光譜儀的角色散為:

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通式3:光柵的色散公式

如果從色散特性方面分析通式2和通式3,波長(zhǎng)與偏轉(zhuǎn)之間的非線性關(guān)系很快變得明顯。當(dāng)使用光柵和根據(jù)所選擇的定義,色散(因此成像位置)與波長(zhǎng)之間的線性關(guān)系僅存在于非常窄的范圍內(nèi),β大約為0。由于輸入了多個(gè)非線性參數(shù),當(dāng)使用棱鏡時(shí)更難建立色散與波長(zhǎng)之間的線性關(guān)系。然而通過適當(dāng)?shù)亟M合光學(xué)部件,整個(gè)系統(tǒng)可產(chǎn)生近似線性的波長(zhǎng)(見例如專利文獻(xiàn)US 6,661,513,Granger,2003)。

然而,波長(zhǎng)的線性色散行為不是對(duì)每種應(yīng)用都是有利的。在一些測(cè)量技術(shù)中,例如彩色共焦測(cè)距和白光干涉,測(cè)得的變量或更確切地說(shuō)基礎(chǔ)信號(hào)的波長(zhǎng)就其本質(zhì)而言被非線性編碼。如果調(diào)節(jié)光譜儀的成像時(shí)不考慮這種關(guān)系,則在實(shí)際分析信號(hào)之前需要轉(zhuǎn)換信號(hào),這可以是相當(dāng)復(fù)雜的過程。該中間步驟具有兩個(gè)不可忽視的缺點(diǎn)。一方面需要額外的資源,而另一方面幾乎總是導(dǎo)致額外的誤差。即使有成功的和無(wú)誤差的重新調(diào)節(jié),仍有測(cè)量值方面的限制。白光干涉技術(shù)是這方面的一個(gè)顯著的例子。根據(jù)奈奎斯特判據(jù)(Nyquist criterion)(以及因此鄰近的檢測(cè)器元件的圓波數(shù)k的最大變化),通過這些技術(shù),最大可測(cè)量頻率已由成像限制。隨后的重新調(diào)節(jié)無(wú)論如何也不能改變這種情況。

一些發(fā)明嘗試通過使用額外的光學(xué)部件或通過光柵和棱鏡的組合,以類似于波長(zhǎng)線性化的方式來(lái)解決這問題。在JOSA A雜志,第7卷,第9期,第1779-1791頁(yè)(1990),W.A.Traub的文獻(xiàn)“Constant-dispersion grism spectrometer for channeled spectra”描述了早期的方案?;緲?gòu)思是通過光柵和棱鏡(棱柵)的組合并且利用不同色散行為來(lái)補(bǔ)償非線性。然而,該提案是基于棱鏡的材料色散,光柵的角度傳遞變化的影響,至少對(duì)于弱色散棱鏡是這樣。專利文獻(xiàn)US 6,816,258,Hutchin,2004描述了更近期的圓波數(shù)線性化的應(yīng)用。該發(fā)明使用了透射棱柵進(jìn)行線性化,其中所述光柵可與棱鏡的不同側(cè)(面)成一體。專利文獻(xiàn)US 7,929,134,Hu等人,2011是類似構(gòu)造的一個(gè)例子,但基于光柵和棱鏡在空間上分離。專利文獻(xiàn)US 2012024298,Saxer等人,2012描述了一種延伸方法,其目的同樣是使圓波數(shù)線性化。此外,該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成具有足夠的靈活性,使得可在應(yīng)用期間改變光譜儀的特性。

在Optics and Spectroscopy雜志,2009,第106卷,第3號(hào),第459-465頁(yè),Gelikonov等人的文獻(xiàn)“Linear-Wavenumber Spectrometer for High-Speed Spectral-Domain Optical Coherence Tomography”編制了實(shí)現(xiàn)k線性光譜儀(具有m個(gè)檢測(cè)器元件,100%/檢測(cè)器元件)的最大剩余線性偏差度的最低要求。作者表明由于除了別的東西以外,還使用了具有大量檢測(cè)器元件(像素)的檢測(cè)器,使工作的難度增加。最初,在上述應(yīng)用中使用256個(gè)元件。這個(gè)數(shù)字后來(lái)增加到512個(gè),現(xiàn)在1024個(gè)或2048個(gè)元件也不罕見。當(dāng)考慮到所使用的波長(zhǎng)范圍的位置和寬度時(shí),剩余非線性的要求很快再次變得關(guān)鍵。

然而,成像特性的分析只能作為對(duì)光譜儀的綜合評(píng)價(jià)的一部分。不被低估的額外的評(píng)價(jià)因素在許多應(yīng)用中起作用。但是,至少在工業(yè)應(yīng)用中,關(guān)于系統(tǒng)的價(jià)格的問題很快成為一個(gè)因素,其他因素僅在進(jìn)一步調(diào)查后才變得明顯。這樣的因素是光譜儀的效率,即是入射光的什么部分依然會(huì)被檢測(cè)器記錄。這對(duì)于確定光源的必要輸出或者如果光源的輸出不受影響時(shí)確定檢測(cè)器的敏感度發(fā)揮實(shí)質(zhì)性的作用。兩個(gè)部件均對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和價(jià)格有影響。另一個(gè)不被低估的因素是系統(tǒng)的空間要求。這問題必不可被低估,尤其是在使用幾個(gè)或多個(gè)光譜儀的情況下不可被低估。在標(biāo)準(zhǔn)布置中,k線性化所需要的光學(xué)配件元件大大增加了空間要求。一當(dāng)前的應(yīng)用(專利文獻(xiàn)US 8,102,537,Akishiba,2012)為了節(jié)省空間,甚至全面試行了光學(xué)k線性化,并通過重新調(diào)節(jié)光譜來(lái)進(jìn)行校正。這個(gè)系統(tǒng)顯然是針對(duì)工業(yè)用途而設(shè)計(jì)的,相當(dāng)顯著地強(qiáng)調(diào)光譜儀特性中的空間要求特性的重要性。

用于優(yōu)化光柵-棱鏡組合的標(biāo)準(zhǔn)方法,在第一步驟中設(shè)立或多或少簡(jiǎn)化了的部件公式。根據(jù)信息的可用性和考慮可用的計(jì)算機(jī)能力來(lái)選擇簡(jiǎn)化的程度。根據(jù)想要的部件的布置,從部件公式計(jì)算系統(tǒng)公式并且一起代入自由參數(shù)以進(jìn)行模擬或優(yōu)化。然后可從這程序的結(jié)果得到對(duì)應(yīng)于自由參數(shù)的最佳值。這些值整體上限定了目標(biāo)值的全局最小值,例如來(lái)自色散的k線性遞進(jìn)的剩余偏差的全局最小值。在大多數(shù)情況下,根本不能獲得或僅能困難地獲得該確定值。因此,仍需尋找實(shí)際可用并且具有盡可能接近確定的最佳參數(shù)的特性的部件,見Gelikonov等人;和在Optics Letters雜志,2007,第32卷,第24號(hào),第3525-3527頁(yè),Hu等人的文獻(xiàn)“Fourier domain optical coherence tomography with a linear-in-wave number spectrometer”。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方法的已知應(yīng)用進(jìn)行仔細(xì)研究后,可發(fā)現(xiàn)能透射的方案(據(jù)作者所知)一直在實(shí)行。雖然從來(lái)沒有排除使用反射光柵,具有反射光柵的k線性光譜儀是未知的。事實(shí)上,透射光柵的重要優(yōu)點(diǎn)在于入射光線和反射光線被自動(dòng)分開。結(jié)果,其他光學(xué)部件可易于在光束方向上定位在其上游和/或其下游。然而,必須要接受經(jīng)濟(jì)方面的缺點(diǎn)。一方面,透射光柵(至少在接近紅外線范圍內(nèi))是比較昂貴的,而另一方面,它們?cè)诩夹g(shù)參數(shù)方面僅有幾個(gè)變型是可用的。相反地,反射光柵更為經(jīng)濟(jì),還有廣泛的種類可用。然而,它們僅以利特羅(Littrow)模式或以近似于利特羅模式的模式運(yùn)作時(shí)才真正有效率。在反射光柵中,利特羅模式的特征在于入射光線和反射光線是重疊的。最初好像只有可能通過利特羅模式大幅度偏離或通過使用額外的分束器來(lái)分開光線。然而,這兩種方法對(duì)于光譜儀的效率顯然是不利的,且在實(shí)務(wù)中幾乎沒有任何重要性(見專利文獻(xiàn)US 6,661,513,Granger,2003;US 6,816,258,Hutchin,2004;US 7,929,134,Hu等人,2011)。

以下所述的本發(fā)明要解決的問題可大致上概括為已在上文描述的要求和附加限制的組合。需要找到一種方法可將光譜儀設(shè)計(jì)成結(jié)構(gòu)盡可能緊湊并且達(dá)到以下條件:首先,光學(xué)的k線性化應(yīng)該已經(jīng)發(fā)生和達(dá)到Gelikonov等人所編制的判據(jù)。為此,需要提供2048個(gè)檢測(cè)器像素。其二,應(yīng)當(dāng)使所需的光學(xué)元件的數(shù)目最小化。此外,應(yīng)當(dāng)使空間要求和調(diào)節(jié)工作最小化以及最后,還應(yīng)當(dāng)減小部件的成本。另外,整個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)成盡可能是抗熱效應(yīng)。

如果與已知的解決方案一起考慮它們整體的提出的需求,很快變得明顯的是一些需求(特別是高緊湊度和足夠的k線性化)顯然是互斥,或至少對(duì)彼此有不利影響。大量檢測(cè)器的敏感元件使這些問題惡化。為了解決所提出的問題,當(dāng)考慮到一些要點(diǎn)時(shí),有必要遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離已知的方法。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

上述的問題由具有權(quán)利要求1所述的特征的光譜儀解決。因此,光譜儀被配置和進(jìn)一步發(fā)展成在至少一個(gè)棱鏡中使用全反射,以獲得緊湊結(jié)構(gòu)的光譜儀。

從屬權(quán)利要求描述了光譜儀的有利的實(shí)施例。

在這些實(shí)施例中,可使用反射光柵作為光柵。

以全反射為特征的棱鏡的一側(cè)能將光柵的入射光線和反射光線分開。

在又一個(gè)有利的方式中,通過反射光柵與棱鏡之間的角度來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化光譜儀的特性。

在又一個(gè)有利的方式中,光譜儀的圓波數(shù)特性呈線性。

在另一個(gè)有利的配置中,光譜儀可補(bǔ)償波長(zhǎng)與彩色共焦測(cè)量系統(tǒng)的焦點(diǎn)之間的色散導(dǎo)致的非線性關(guān)系,使得物距的整體特性變?yōu)榫€性。

在又一個(gè)有利的方式中,光譜儀的波長(zhǎng)特性呈線性。

在一個(gè)確實(shí)的實(shí)施例中,可將棱鏡和光柵彼此相對(duì)定位成使得光線穿過所述棱鏡兩次。

為了獲得特別可靠和精確的測(cè)量,光柵被定位和定向成能夠以利特羅模式操作。

在又一個(gè)有利的方式中,所述光譜儀包括用于把光束聚焦到檢測(cè)器上的透鏡陣列,以調(diào)節(jié)k線性。

在又一個(gè)有利的方式中,在所述光譜儀中折疊光路,優(yōu)選地通過折疊式反射鏡折疊光路。

根據(jù)本發(fā)明的光譜儀的發(fā)展以標(biāo)準(zhǔn)方法作為起點(diǎn),即是從搜索能夠達(dá)到k線性的嚴(yán)格要求的有利的光柵-棱鏡組合開始。僅發(fā)現(xiàn)解決方案幾乎總是接近實(shí)際布置的全局最優(yōu)值,除了別的東西以外,所述實(shí)際布置的全局最優(yōu)值的特征在于光柵與棱鏡面之間的實(shí)際角度。如前面所述,通常會(huì)選擇具有透射光柵的結(jié)構(gòu)。根據(jù)光譜分束所需的光束導(dǎo)引,使有關(guān)的部件之間的光程大大增加。因此,只有使用額外的光學(xué)部件(例如折疊式反射鏡)才可減小幾何距離,并因而不利于問題的解決方案。本發(fā)明通過引入兩個(gè)重要的變化克服了上述挑戰(zhàn)。首先,以反射光柵取代透射光柵并將棱鏡定位成使光線透過所述棱鏡兩次。為此,使用在棱鏡的內(nèi)側(cè)上的全反射的精確限定的作用點(diǎn)將入射到光柵的光路和從光柵反射的光路分開。因此,所述反射光柵可定向成以利特羅模式操作并且使得效率不會(huì)損害到任何明顯程度。在根據(jù)本發(fā)明所述的形式的光柵之后棱鏡被光線第二次透過,因而棱鏡可定位成非常接近光柵,甚至與光柵接觸。其二,k線性的優(yōu)化包括需要以任何方式再聚焦的透鏡系統(tǒng)。這步驟是必須的,因?yàn)殡m然使用反射光柵-棱鏡陣列可形成非常有效和緊湊的光束導(dǎo)引,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)條件(Gelikonov等人),單獨(dú)使用反射光柵-棱鏡陣列并不能達(dá)到k線性要求。因此,選擇性地使用再聚焦透鏡的畸變效應(yīng),能吸收非主陣列施加的必要的線性化的那一部分。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)有用于以有利的方式發(fā)展和實(shí)行本發(fā)明的教導(dǎo)的各種選擇。為了這個(gè)目的,本文一方面參考從屬權(quán)利要求,而另一方面參照附圖參考以下本發(fā)明教導(dǎo)的示例性實(shí)施例的說(shuō)明。還通過附圖連同優(yōu)選的示例性實(shí)施例的說(shuō)明解釋一般優(yōu)選的實(shí)施例和教導(dǎo)的提升。附圖示出了:

圖1是標(biāo)準(zhǔn)的光譜儀的示意圖;

圖2是棱鏡和光柵的典型光路的示意圖;以及

圖3是根據(jù)本發(fā)明的光譜儀的示例性實(shí)施例的示意圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出了標(biāo)準(zhǔn)的光譜儀的布局的示意圖,所述光譜儀具有準(zhǔn)直光學(xué)單元、色散光學(xué)單元、和具有檢測(cè)器和光源的聚焦光學(xué)單元。

圖2示出了在棱鏡中的光路和具有入射光線和反射光線的相應(yīng)角關(guān)系的光柵的光路的示意圖。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的光譜儀的示例性實(shí)施例的示意圖。概括地說(shuō),平行的入射光束以限定的角度接觸第一棱鏡面,使得在棱鏡2中行進(jìn)了第一距離之后,在第二棱鏡面3上確實(shí)地以全反射反射所述光束。所述光束在棱鏡2中行進(jìn)了第二距離后,在第三側(cè)面離開并且落到反射光柵1上。在這里,光束的光線根據(jù)各自的波長(zhǎng)被折射并以不同于先前的反射角的角度再次落到棱鏡2的所述第三側(cè)面上。所述光線在棱鏡2中行進(jìn)了第三距離后于第二棱鏡面3再離開。這些光線然后通過最后的透鏡系統(tǒng),該系統(tǒng)根據(jù)光束的波長(zhǎng)將光束聚焦在檢測(cè)器上。整體而言,該光柵-棱鏡陣列最初提供的k線性化仍是不理想,并且只能與聚焦光學(xué)單元組合才可進(jìn)行適當(dāng)?shù)男U?/p>

就更高緊湊度而言,根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于個(gè)別部件之間的幾何距離,所述幾何距離比標(biāo)準(zhǔn)棱鏡和光柵組合(見例如專利文獻(xiàn)US 6,661,513,US 6,816,258,US 7,929,134等)的幾何距離短得多。除了別的東西以外,由于必要的光路在所述光柵-棱鏡組合中重疊導(dǎo)致這些距離縮短。所需距離縮短還對(duì)連續(xù)的元件的所需尺寸發(fā)揮正面影響??偟膩?lái)說(shuō),這意味著即使使用元件目錄,只需要較小的光學(xué)部件(例如透鏡)。購(gòu)買所述元件目錄通常更節(jié)省,因而減小了光譜儀的總成本。

除了前述的本發(fā)明的特性,通過適當(dāng)折疊光路可進(jìn)一步增加光譜儀的緊湊度或使光譜儀的形狀更適應(yīng)。作為例子,圖3包含折疊式反射鏡4作示范。

實(shí)際上,為了詳盡闡述和實(shí)行本發(fā)明,可假設(shè)一種已知的系統(tǒng),所述已知的系統(tǒng)在下文被用作比較的基礎(chǔ)。相關(guān)的光譜儀設(shè)計(jì)成具有2048個(gè)像素的成像,包括殼體在內(nèi)高度約9cm和底面積約340cm2。成像的圓波數(shù)呈線性。相關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)是基于在空間上分開的透射光柵和棱鏡組合,并已經(jīng)在尺寸方面被優(yōu)化。對(duì)于具有2048個(gè)像素的底面積減小至約130cm2的等效成像,根據(jù)上文所述的本發(fā)明的新發(fā)展系統(tǒng)的高度僅需約4cm。這相當(dāng)于減小至小于原體積的20%,其中由于底面積的不同形狀,必須仔細(xì)地說(shuō)明該比較。

雖然本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施的緊湊結(jié)構(gòu)的光譜儀的圓波數(shù)特性呈線性,但本發(fā)明不限于這應(yīng)用例子。本發(fā)明的另一種表達(dá)方式可以是波長(zhǎng)呈線性,而不是圓波數(shù)呈線性。原則上,這是可通過使用適合的光柵直接實(shí)現(xiàn),但隨后受上述的線性誤差和必要的入射角和反射角限制。為了減少線性誤差,根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的做法通常由易于被光線透過的光學(xué)配件,例如棱鏡構(gòu)成。使用根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu),即是在棱鏡中使用全反射和被光線多次透過,也可構(gòu)成更緊湊結(jié)構(gòu)的光譜儀。如上文已描述,常常出現(xiàn)部件種類和價(jià)格方面的優(yōu)點(diǎn)。

雖然光柵和棱鏡的組合通常求得圓波數(shù)或波長(zhǎng)呈線性,但并不是所有應(yīng)用都是可行的。一個(gè)已知的例子是彩色共焦測(cè)量系統(tǒng),所述彩色共焦測(cè)量系統(tǒng)的距離特性曲線無(wú)論波長(zhǎng)或圓波數(shù)都不是呈線性。通常在這樣的系統(tǒng)中使用具有近乎線性的波長(zhǎng)特性的光譜儀。為此,通常使用由反射光柵或透射光柵和成像光學(xué)元件的組合構(gòu)成的簡(jiǎn)單布置。但具有更好的光譜特性的情況下,進(jìn)一步處理的工作可大大減小。同時(shí),也往往增加成效的質(zhì)量,例如以減小測(cè)量值的線性誤差的方式來(lái)增加成效的質(zhì)量。

然而,彩色共焦系統(tǒng)的光譜儀為了相對(duì)于物距產(chǎn)生線性特性而需具有不同設(shè)計(jì)。雖然圓波數(shù)特性呈線性將大大優(yōu)于上述方法(波長(zhǎng)呈線性),它仍然不代表理想的配置。相反,需要考慮根據(jù)所使用的波長(zhǎng)范圍的測(cè)量頭的色散行為的非線性并通過適當(dāng)?shù)嘏渲霉庾V儀中的色散行為來(lái)補(bǔ)償所述非線性。據(jù)作者所知,在市場(chǎng)上沒有系統(tǒng)使用這種方法。原因大概在于為必要的配件部件的成本以及在于因而產(chǎn)生的較大的光譜儀。另一種可能性是成本效益比率在目前實(shí)在不能接受。這個(gè)比率可通過使用根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)而進(jìn)一步改善。

取決于光譜儀中色散校正的配置的復(fù)雜性,有助于使光柵和棱鏡的直接接觸分離或者更確切地說(shuō)光柵和棱鏡的集成分離。通過這樣做,可在光柵和棱鏡之間設(shè)置角度而不會(huì)損失在棱鏡中全反射的基本特性。在犧牲更多調(diào)節(jié)工作的情況下,額外的角度擴(kuò)大了用于優(yōu)化線性誤差的自由度。

除了前述的本發(fā)明的實(shí)施例,該方法可在任何迄今為止所使用的用簡(jiǎn)單光透射的光柵-棱鏡組合中使用。光譜儀的價(jià)格和大小經(jīng)常在工業(yè)應(yīng)用中起主要作用。雖然本發(fā)明不適合現(xiàn)有的系統(tǒng),本發(fā)明在工業(yè)用光譜儀的新發(fā)展方面提供了相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的光譜儀的進(jìn)一步有利實(shí)施例,出于避免重復(fù)的目的,此處引用說(shuō)明書的一般部分以及所附的權(quán)利要求。

最后,明確引用以下事實(shí),即以上描述的根據(jù)本發(fā)明的光譜儀的示例性實(shí)施例僅用于解釋所要求保護(hù)的教導(dǎo),但該教導(dǎo)不限于這些示例性實(shí)施例。

附圖編號(hào)列表

1 光柵,反射光柵

2 棱鏡

3 側(cè),第二棱鏡面

4 折疊式反射鏡

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