用於改善色散攝譜儀的光譜解析度的分光器的製作方法

2023-09-11 14:18:45 2

專利名稱：用於改善色散攝譜儀的光譜解析度的分光器的製作方法
技術領域：
本發明涉及光譜學領域，更具體地涉及用於改善光譜解析度(spectralresolution)的改進的設備和方法。
背景技術：
典型的光學攝譜儀(optical spectrograph)包括小的輸入孔,通常是縫(slit),也可以是圓形針孔或光纖，然而為簡便起見，下文中將稱為縫。會聚的光錐朝該縫投射，且該光的一部分穿過該縫。在典型的光學攝譜儀中，這一隙光被投射到一個透鏡上，該透鏡校直(collimate)這一隙光，以形成一束平行光線。在典型的光學攝譜儀中，色散元件(諸 如稜鏡、透射光柵或反射光柵)根據光的波長來將準直光束(collimated beam)偏轉不同的量。通常，相機透鏡使這些偏轉的準直光束聚焦到陣列探測器(諸如位於最終焦平面(focal plane)上的電荷耦合元件(CCD)探測器)上，該陣列探測器可記錄各個波長的光強度(light intensity)。在典型的光學攝譜儀中，校直透鏡(collimating lens)和相機透鏡用作轉像系統(image relay)，以形成穿過縫到達探測器(諸如CXD探測器)上的光的像，所述像可根據光的波長而被橫向移位。光學攝譜儀的解析度，即它檢測和測量窄光譜特徵(諸如吸收線和發射線)的能力，可依賴於多種特性。這樣的特性可包括色散元件，諸如稜鏡、透射光柵和反射光柵；相機透鏡的焦距；以及縫的寬度。對於特定的色散器和相機透鏡，可通過縮小輸入縫的寬度來增大攝譜儀的解析度，這使得光的每個像穿過該縫(取決於光的波長)併到達探測器，與該探測器的一個較小的區段對位，從而允許相鄰的光譜成分更容易被區分。通過縮小輸入縫的寬度，更少的光穿過該輸入縫，這會因信噪比的降低而降低任何測量的品質。在一些應用(例如天文攝譜儀、高速生物醫學攝譜儀、高解析度攝譜儀或拉曼攝譜儀)中，這個效率損失會是光學攝譜儀性能的限制因素。在光學攝譜儀領域中，如下的設備將是有益的該設備通過水平壓縮和豎直擴張輸入光束的光斑像(產生一隙光)來增加能夠通過該縫的光，同時基本維持光強度或通量密度(flux density)。本領域技術人員會理解，本說明書中使用的術語「水平」 「豎直」以及其他這樣的術語，例如「上方(above)」和「下方(below)」，被用來解釋本發明的各個實施方案，而不旨在限制本發明。分光器(optical slicer)可用於接收輸入光束並產生輸出光束，以生成隙光。使用透明的稜鏡和板對輸入光束進行分光可產生沿著光軸傾斜的一隙光，而且光束的分光可沿著45°稜鏡的斜邊而發生,這會導致焦點退化(focal point degradation),因為已分光的像的不同部分位於不同的焦位置(focal position)。這樣的分光器的性能可依賴於所使用的稜鏡的吸收係數和折射率(兩者均為波長依賴性的)。這些缺點會限制諸如寬帶裝置等分光器的使用。其他分光器，諸如瞳孔分光器(pupil slicer)，具有諸如不能從一個像的不同部分獲得高解析度光譜信息等缺陷。此外，這樣的分光器會尺度較大，且會導致多種系統的實施弱化或效率降低。現有的採用玻璃基設計的分光器往往使用拉格朗日常數變換器，以將光從拉曼光源引到光學攝譜儀。所述變換器包括八個不同的柱透鏡和球透鏡，以及兩摞十個精確定位的柱透鏡。所得到的裝置可具有沿著主光軸的大於58英寸的長度，具有此尺寸的裝置往往既難於維持對齊，又難於在嚴格受控的實驗室之外的任何環境中操縱或採用。在一些瞳孔分光器中，兩個縫像(slit image)可被生成在一個CXD探測器的不同部分上。該實施方式會具有如下缺點這些縫像在探測器上被間隔開，之間的空隙會向信號添加噪音，從而降低輸出數據的品質。此外，在這樣的分光器中，空隙會浪費珍貴的探測器 區域，從而限制可適於該探測器的光譜數量(或光譜數量級)。此外，當使用這樣的分光器時，探測器讀取可能不是最優的，因為光譜散布在探測器區域上。使用光纖束(optical fiber bundle)來允許輸入源的擴張像(常常是圓形的)形成窄條的那些分光器會導致輸出比(output ratio)退化大和總性能效率降低。現有的分光器裝置都遭受這個低效率和低輸出比的困擾，從而呈現了分光器的設計和實施的一個明確目標。

發明內容

在本發明的一方面，提供了一種用於生成輸出光斑(output spot)的分光器，包括像壓縮器，所述像壓縮器接收基本準直的輸入光束並壓縮該光束，其中所述輸入光束如果穿過聚焦透鏡則產生輸入光斑(input spot);像重整器(image reformatter),所述像重整器接收壓縮光束(compressed beam)以將該光束重整成所述壓縮光束的多個分光部分(sliced portion)，並且將這些部分基本彼此平行地豎直堆疊；以及像擴張器，所述像擴張器擴張重整光束(reformatted beam)以產生準直的輸出光束,所述輸出光束如果穿過所述聚焦透鏡則產生如下的輸出光斑，所述輸出光斑相對於所述輸入光斑在第一維度上被擴張且在第二維度上被壓縮。在本發明的一些實施方案中，所述壓縮光束可相對於所述輸入光束在豎直方向上被壓縮且在水平方向上基本相近，並且所述輸出光束可相對於所述重整光束在水平方向上被擴張且可具有與所述輸入光束基本相近的尺度。在其他實施方案中，所述分光器可具有分光因子(slicing factor)η。所述壓縮光束的分光部分的數量可等於η,並且所述輸出光束可相對於所述輸入光斑在豎直方向上以所述因子η被擴張且在水平方向上以所述因子η被壓縮。在優選實施方案中，η為從2至64的整數，更優選地從2至32。更優選地，η的值為 2、4、8、16 或 32。所述壓縮器可具有凸透鏡和凹透鏡，其中所述凸透鏡可接收所述輸入光束並產生會聚光束(converging beam),並且所述壓縮光束可由所述會聚光束穿過校直透鏡而產生。在替代實施方案中，所述像壓縮器可包括凹反射表面和凸反射表面，其中所述凹反射表面可接收所述輸入光束並可產生會聚光束，並且所述壓縮光束可由所述會聚光束反射離開(reflect off)所述凹反射表面而形成。所述像重整器可包括至少兩個反射表面，其中所述至少兩個反射表面中的一個反射表面可接收所述壓縮光束的一部分，並且可將該部分在所述至少兩個反射表面之間來回進行至少一次反射，並且其中每個分光部分可由所述壓縮光束的第二部分在所述至少一次反射中的每一次反射之後從所述至少兩個反射表面旁經過(pass by)而形成。所述像擴張器可包括凹透鏡和凸透鏡，其中所述凹透鏡可接收所述重整光束並可產生發散光束(diverging beam)，並且所述輸出光束可由所述發散光束穿過所述凸透鏡而產生。在替代實施方案中，所述像擴張器可包括凸反射表面和凹反射表面，其中所述凸反射表面可接收所述重整光束並可產生發散光束，並且所述輸出光束可由所述發散光束反射離開所述凹反射表面而形成。在本發明的一些實施方案中，所述輸出光斑可具有與所述輸入光斑基本相同的光強度值。在本發明的另一方面，提供了一種生成輸出光斑的方法，包括如下步驟壓縮準直的輸入光束，其中所述輸入光束如果穿過聚焦透鏡則產生輸入光斑；將壓縮光束重整成基本豎直堆疊且基本彼此平行的多個分光部分；以及擴張重整光束，以產生準直的輸出光束， 所述輸出光束當穿過所述聚焦透鏡時產生如下的輸出光斑，所述輸出光斑相對於所述輸入光斑在第一維度上被擴張且在第二維度上被壓縮。 在一些實施方案中，所述壓縮光束相對於所述輸入光束可在豎直方向上被壓縮且可在水平方向上基本相近，並且所述輸出光束相對於所述重整光束可在水平方向上被擴張且可具有與所述輸入光束基本相近的尺度。在一些實施方案中，分光部分的數量可等於分光因子η,並且所述輸出光斑可在豎直方向上以所述因子η被擴張且在水平方向上以所述因子η被壓縮。在本發明的又一方面，提供了一種具有分光因子η的分光器，所述分光器包括像壓縮器，所述像壓縮器接收基本準直的輸入光束並壓縮該光束，其中所述準直的光束如果穿過聚焦透鏡則產生輸入光斑；像重整器，所述像重整器接收壓縮光束以將該光束重整成所述壓縮光束的η個分光部分，並且將這些部分基本彼此平行地豎直堆疊；以及像擴張器，所述像擴張器擴張所述重整光束以產生準直的光束，所述準直的光束如果穿過所述聚焦透鏡則產生如下的輸出光斑，所述輸出光斑相對於所述輸入光斑在第一維度上以所述因子η被壓縮且在第二維度上以所述因子η被擴張。在本發明的另一方面,一個倍乘(multiplicative)分光器包括具有第一分光因子m的第一分光器以及具有第二分光因子η的第二分光器，所述第一分光器和所述第二分光器串聯放置，並且所述倍乘分光器具有分光因子m X η。


為了更好地理解此處描述的系統和方法的實施方案，並且更清楚地示出它們可如何實施，將以示例方式參照所附的附圖，其中圖IA示出了分光因子為2的分光器的方框圖；圖IB示出了分光因子為4的分光器的方框圖2示出了分光因子為2的分光器的一個實施方案的等軸測視圖；圖3示出了分光因子為2的分光器的一個替代實施方案的等軸測視圖；圖4示出了分光因子為4的分光器的一個替代實施方案的等軸測視圖；圖5A示出了分光因子為4的分光器的一個替代實施方案的等軸測視圖；圖5B-5G示出了圖5A的分光器的光學元件的實施方案的等軸測視圖和平面視圖；圖5H-5I示出了用於圖5A中示出的分光器的殼罩的一個實施方案的等軸測視圖；圖6A-6D不出了在分光器的一個實施方案中使用的壓縮器的替代實施方案的圖 示；以及圖7A-7C示出了在分光器的一個實施方案中使用的分光因子為4的重整器的替代實施方案的圖示。
具體實施例方式應理解，為了例示的簡便和清楚，在認為適合時，各個附圖中的附圖標記可重複，以指示相應的或類似的元件或步驟。此外，提出了諸多具體細節，以提供對此處描述的實施方案的徹底理解。然而，本領域技術人員會理解，此處描述的實施方案可在沒有這些具體細節的情況下實施。在其他情形中，未詳細描述公知的方法、過程和部件，以免模糊此處描述的實施方案。此外，本說明不應被視為以任何方式限制此處描述的實施方案的範圍，而是僅說明此處描述的各種實施方案的實現。參考圖1A，其示出了分光器100的一個圖示，該分光器包括像壓縮器170、像重整器172和像擴張器174。分光器100接收輸入光束102作為準直光束，輸入光束102可通過例如校直透鏡或曲面鏡(curved mirror)來產生。當輸入光束102被具有與用來產生輸入光束102的校直透鏡或曲面鏡基本相同的焦距的聚焦透鏡聚焦時，輸入光束102也產生輸入光斑180。分光器100的像壓縮器170接收輸入光束102並輸出豎直壓縮的光束114，豎直壓縮的光束114在豎直尺度上被變形地壓縮，且與輸入光束102相比具有較小的豎直尺度和較大的水平尺度。此外，豎直壓縮的光束114，如果穿過具有與用來產生輸入光束102的校直透鏡或曲面鏡基本相同的焦距的聚焦透鏡，則產生壓縮器光斑(compressor spot) 182,從而導致壓縮光束114聚焦，以投射一個相對於輸入光斑180在水平尺度上基本相近且在豎直尺度上被擴張的像。在一些實施方案中，由豎直壓縮的光束114投射的像可具有與輸入光束102相同的水平寬度；然而，豎直壓縮的光114的豎直高度可以以分光因子被壓縮。術語「分光因子」被用來描述由分光器的輸出光束產生的輸出光斑的水平壓縮和豎直擴張與該分光器的輸入光束產生的輸入光斑的水平尺度和豎直尺度的比值，所述輸出光斑和所述輸入光斑是當所述輸出光束和所述輸入光束分別被相同的聚焦透鏡聚焦時產生的。例如，對於分光因子為2的分光器,諸如圖IA表不的分光器,輸出分光器產生輸出光束156，該輸出光束，如果通過具有與產生輸入光束102的校直透鏡或凸面鏡(convexmirror)基本相等的焦距的聚焦透鏡聚焦，則生成輸出光斑186。通過相同的聚焦透鏡來聚焦輸入光束102將傾向於生成輸入光斑180。輸出光斑186的豎直尺度為輸入光斑180的二倍且水平尺度為輸入光斑180的一半。因此，由這個配置產生的分光器的分光因子是2。在替代的實施方案中，諸如在圖IB中示出的分光器100的圖示中，輸出光斑186可以類似地通過具有與用來生成輸入光束102的校直透鏡或曲面鏡基本相同的焦距的聚焦透鏡來聚焦輸出光束156而生成。通過相同的聚焦透鏡來聚焦輸入光束102則生成輸入光斑180。在該實施方案中，輸出光斑186的豎直尺度為輸入光斑180的4倍且水平尺度為輸入光斑180的1/4。因此，圖IB表不的分光器100的分光因子是4。分光因子η的其他值也是可行的。以與上面討論的基本相似的方式由所述輸出光束生成的輸出光斑的豎直尺度可以是由所述輸入光束生成的輸入光斑的豎直尺度的η倍，且該輸出光斑的水平尺度傾向於是該輸入光斑的水平尺度的I/n。回顧圖1A，在豎直方向上壓縮的光束114被像重整器172接收，像重整器172輸出重整光束136和138 ;這樣的重整光束136和138基本豎直堆疊且基本平行。重整光束136和138是豎直壓縮的光束114的分光部分。在所示的實施方案中，像重整器174輸出兩個 光束切片(beam slice),光束切片的數量在該實施方案等於分光器100的分光因子；然而，在一些實施方案中，像重整器172可產生數量多於或少於分光器100的分光因子的光束切片。每個重整光束136和138，如果穿過具有與用於產生輸入光束102的校直透鏡或曲面鏡相同的焦距的聚焦透鏡，則產生重整器光斑184。重整器光斑184與壓縮器光斑182具有基本相同的水平尺度和豎直尺度。由於重整光束136和138基本豎直堆疊且基本平行，所以由每個重整光束136和138生成的個體(individual)重整器光斑(它們組合形成重整器光斑184)被一個投射在另一個上，從而使重整器光斑814的光強度達到每個光束136和138個體生成的個體重整器光斑的二倍。雖然在圖IA示出的實施方案中，重整器光斑184的光強度是由每個重整光束生成的每個個體重整器光斑的光強度的二倍，但在其他實施方案中，重整器光斑184的光強度與由每個重整光束生成的每個個體重整器光斑的光強度之比對應於由像重整器174生成的分光部分的數量。例如，參見圖1B，分光器100被示為具有像重整器172，像重整器172產生重整光束136A、136B、138A和138B，每個重整光束基本平行且基本豎直堆疊。重整光束136AU36BU38A和138B是豎直壓縮的光束114的分光部分。以與上面討論的基本相似的方式由重整光束136A、136B、138A和138B生成的重整器光斑184的光強度是由每個重整光束136A、136B、138A和138B生成的每個個體重整器光斑的光強度的大約4倍。回顧圖1A，重整光束136和138被像擴張器174接收，像擴張器174以所述分光因子為倍數擴張重整光束136和138。在所示的實施方案中，重整光束136和138既在水平方向上又在豎直方向上(非變形地)以因子2被擴張，以產生輸出光束156,輸出光束156由分光光束(sliced beam) 158和160構成。分光光束158和160是重整光束136和138的擴張。輸出光束156具有與輸入光束102基本相近的尺度。將輸出光束156投射到具有與用來產生輸入光束102的校直透鏡或曲面鏡基本相同的焦距的透鏡上以聚焦，從而產生輸出光斑186。輸出光斑186產生輸入光斑180的像,該像可在水平方向上以所述分光因子被壓縮且在豎直方向上以所述分光因子被擴張，同時維持與輸入光斑180相近的光強度。在實施方案中，諸如在圖IA表的實施方案中，輸出光斑186在豎直方向上可以是輸入光斑180的二倍，且在水平方向上可被壓縮到輸入光斑180的二分之一。在其他實施方案中，諸如在圖IB示出的實施方案中，重整光束136A、136B、138A和138B被像擴張器174 (可以是變形水平光束擴張器)接收以產生輸出光束156，輸出光束156由輸出切片158A、158B、160A和160B構成，它們是重整光束136A、136B、138A和138B的擴張(在水平方向上擴張)。在一些實施方案中，輸出光束156具有與輸入光束102相近的尺度。對於圖IB表不的實施方案(其表不了分光因子為4的分光器)，當輸出光束156被投射到具有與用來產生輸入光束102的校直透鏡或曲面鏡基本相同的焦距的透鏡上時，輸出光束156被聚焦以產生輸出光斑186。輸出光斑186在豎直方向上可以是輸入光斑180的四倍，且在水平方向上可被壓縮到輸入光斑180的四分之一，同時維持與輸入光斑180相近的光強度。本領域技術人員會理解，分光器100的所得到的輸出光束156 (其中分光器100的分光因子為η)當被具有與用來產生輸入光束102的校直透鏡或曲面鏡基本相同的焦距的透鏡聚焦時產生輸出光斑，該輸出光斑與由輸入光束102穿過相同的聚焦透鏡而生成的輸入光斑相比，在豎直方向上是η倍且在水平方向上被壓縮到η分之一，同時維持與所述輸入 光斑相近的光強度。參見圖2，其示出了分光器100，分光器100包括像壓縮器170、像重整器172和像擴張器174。在圖2中，分光器100的分光因子為2。輸入光束102可以是基本準直的光束，其可由校直透鏡或曲面鏡產生。輸入光束102當被具有與用來產生輸入光束102的校直透鏡或曲面鏡基本相同的焦距的聚焦透鏡聚焦時產生輸入光斑。輸入光束102被像壓縮器170接收，像壓縮器170輸出豎直壓縮的光束114。像壓縮器170具有凸柱透鏡(convex cylindrical lens) 104,凸柱透鏡104接收輸入光束102並輸出豎直會聚的光束108。豎直會聚的光束108被凹柱透鏡(concave cylindricallens) 110接收，凹柱透鏡110將豎直會聚的光束108校直並輸出豎直壓縮的光束114。在其他實施方案中，凹透鏡/凸透鏡對可輸出豎直壓縮的光束114。在這樣的替代實施方案中，透鏡104可以是凹透鏡且透鏡108可以是凸透鏡。替代地，豎直壓縮的光束114如果穿過具有與用來產生輸入光束102的校直透鏡或曲面鏡基本相同的焦距的聚焦透鏡則產生壓縮器光斑，該壓縮器光斑與輸入光束102通過相同聚焦透鏡產生的輸入光斑相比，在水平方向上具有基本相近的尺度且在豎直方向上以分光因子為倍數被擴張。在所示的實施方案中，與由輸入光束102使用相同的聚焦透鏡產生的輸入光斑相比，所述分光因子是2。參見圖6A-6D，其示出了像壓縮器170的替代實施方案。參見圖6A，像壓縮器170具有柱透鏡602,柱透鏡602接收壓縮器輸入光束600,並且將壓縮器輸入光束600聚焦，以接下來投射到校直柱透鏡604上,從而產生相對於壓縮器輸入光束600被壓縮的輸出光束。在圖6A所示的實施方案中，校直柱透鏡604位於柱透鏡602的焦點之外，校直柱透鏡604輸出了壓縮器輸入光束600在豎直方向上被壓縮的倒像。參見圖6B,像壓縮器170具有光學兀件612,光學兀件612具有第一表面614,其在豎直方向上聚焦壓縮器輸入光束600 ;以及第二表面616,其基本校直由第一表面614產生的聚焦光束。從光學兀件612輸出的光束產生了與壓縮器輸入光束600相比在豎直方向上被壓縮的輸出光束。
參見圖6C，像壓縮器170具有變形稜鏡622和624，變形稜鏡622和624被定向為使得壓縮器輸入光束600在每個變形稜鏡622和624的輸出表面處被折射。該實施方案中的像壓縮器170的所得到的輸出光束產生了與壓縮器輸入光束600相比在豎直方向上被壓縮的光束。參見圖6D，像壓縮器170具有鏡632和634，壓縮器輸入光束600反射離開鏡634的凹表面，並被投射到鏡632的凸表面上，以產生與壓縮器輸入光束600相比在豎直方向上被壓縮的輸出光束。技術人員會理解，可實施此處描述的壓縮器的明顯變體以及這樣的壓縮器元件的明顯定向來產生與壓縮器輸入光束600相比在豎直方向上被壓縮的光束。回顧圖2，豎直壓縮的光束114被像重整器172接收，像重整器172輸出重整光束136和138，這樣的重整光束136和138基本平行且基本豎直堆疊。像重整器172包括並排的平面鏡(flat mirror) 116和118以及豎直堆疊的平面鏡128和130。

並排的平面鏡116和118可接收豎直壓縮的光束114，豎直壓縮的光束114的一部分被並排的平面鏡116接收，且豎直壓縮的光束114的另一部分被並排的平面鏡118接收，這將豎直壓縮的光束114分光，從而產生分光光束124和126。分光光束124和126從並排的平面鏡116和118反射到豎直堆疊的鏡128和130上，分光光束124被反射到豎直堆疊的鏡128上，且分光光束126被反射到豎直堆疊的鏡130上。分光光束124和126反射離開豎直堆疊的鏡128和130，以產生重整光束136和138。重整光束136和138與分光光束124和126相似，但基本豎直堆疊且基本平行。在一些實施方案中，豎直堆疊的鏡128和130是D形鏡(D-s haped mirror)，且可以是光學平面的，並被充分鋁化(或鏡面化)到它們的鄰邊的50微米以內；然而，技術人員會理解，其他反射性質也可達成基本相近的結果。如果重整光束136和138穿過具有與用來產生輸入光束102的校直透鏡或曲面鏡基本相同的焦距的聚焦透鏡，則產生重整器光斑。在所示的實施方案中，這個重整器光斑具有與輸入光束102穿過相同的聚焦透鏡產生的輸入光斑相同的水平尺度和四倍的豎直尺度，同時維持與該輸入光斑相近的光強度。參見圖7A-7C，示出了像重整器172的替代實施方案。參見圖7A，像重整器172具有多個鏡對，每個鏡對接收重整器輸入光束700的一部分，且每個鏡對被定位為產生重整光束720的一部分，重整光束720由光束部分720A、720B、720C和720D構成，每個光束部分基本平行且基本豎直堆疊，並且是重整器輸入光束700中的ー個分光部分。鏡對702和712可接收重整器輸入光束700的第一部分，所述第一部分反射離開鏡702並被鏡712接收，鏡712被布置為產生光束部分720D。鏡對704和714接收重整器輸入光束700的第二部分，所述第二部分反射離開鏡704並被鏡714接收，鏡714被布置為產生光束部分720C。鏡對706和716接收重整器輸入光束700的第三部分，所述第三部分反射離開鏡706並被鏡716接收，鏡716被布置為產生光束部分720B。鏡對708和718接收重整器輸入光束700的第四部分，所述第四部分反射離開鏡708並被鏡718接收，鏡718被布置為產生光束部分720A。技術人員會理解，添加額外的鏡對可增加重整光束720的光束部分的數量。參見圖7B，像重整器172包括反射表面730和732。在使用中，重整器輸入700被反射表面730接收，且可在反射表面732之間來回反射,反射光束的一部分反射離開反射表面732並從反射表面730旁經過以產生輸出光束720的ー個光束部分，直到每個光束部分720A、720B、720C和720D都被生成，每個光束部分相對於彼此基本平行且基本豎直堆疊，且每個光束部分是重整器輸入700的ー個分光部分。技術人員會理解，可通過如下的方式生成額外的光束部分調整反射表面730和732的位置，以在反射表面730和732之間產生額外的來回反射，每個反射繼續提供反射光束的一部分以從反射表面730旁經過，從而形成輸出光束730的ー個光束部分。參見圖7C，像重整器172可由兩級組成，第一級由反射表面740和742組成，且第ニ級由反射表面744和746組成。重整器輸入700的一部分從反射表面740旁經過以產生第一輸出光束750的光束部分750B，且輸入光束的第二部分可反射離開反射表面740到反射表面742上，以形成第一輸出光束750的光束部分750A(其傾向於從反射表面740旁經過)。每個光束部分750A和750B基本平行且基本豎直堆疊。然後光束750可局部被反射表面744接收，光束750的一部分從反射表面744旁經過以產生輸出光束720C和720D，光束750的剰餘部分反射離開反射表面744到反射表面746上。離開反射表面746的光束部分產生了輸出光束720的輸出光束部分720A和720B，輸出光束部分720A和720B可從反射表面744旁經過。光束部分720A、720B、720C和720D基本豎直堆疊且基本平行，且是重整 器輸入700的分光部分。技術人員會理解,通過添加額外的級,輸出光束可由額外的光束部分構成。例如，添加ー個額外的級可產生8個光束部分，而再添加ー個級可產生16個光束部分。回顧圖2，重整光束136和138被產生輸出光束156的像擴張器174接收，輸出光束156由分光光束158和160構成。像擴張器174具有凹透鏡142，凹透鏡142可接收重整光束136和138，且可均勻擴張重整光束136和138，從而產生擴張光束146。像擴張器174還可具有校直透鏡148，校直透鏡148接收擴張光束146並基本校直擴張光束146，從而產生輸出光束156。在一些實施方案中，凹透鏡142和校直透鏡148可以是柱透鏡，所述柱透鏡可在水平方向上擴張重整光束136和138，同時維持它們的豎直尺度。輸出光束156穿過具有與用來產生輸入光束102的校直透鏡或曲面鏡基本相同的焦距的聚焦透鏡以聚焦，從而產生輸出光斑。這個輸出光斑可投射輸入光斑(其由輸入光束102穿過相同的聚焦透鏡而生成)的像，該輸出光斑在水平方向上以所述分光因子被壓縮且在豎直方向上以所述分光因子被擴張，同時維持與由輸入光束102穿過相同的聚焦透鏡而生成的輸入光斑相近的光強度。在圖2不出的分光器100的實施方案中，與由輸入光束102穿過相同的聚焦透鏡而生成的輸入光斑相比，由輸出光束156生成的輸出光斑在豎直方向上為二倍且在水平方向上被壓縮到二分之一。參見圖6A-6D,技術人員會理解圖6A-6D不出的壓縮器的各個替代實施方案也可用作擴張器，如果這樣的實施方案是用與圖6A-6D中所示光束的相反方向投射的光束實施的。此外，技術人員會理解，可適當地實施或定位包括光學元件的其他設備來產生擴張光束156。參見圖3，其示出了分光器100的一個實施方案。分光器100具有像壓縮器170、像重整器172和像擴張器174。在圖3所示的實施方案中，分光器的分光因子為2。像壓縮器170 (其具有會聚透鏡302、反射表面304和306以及校直透鏡310)在會聚透鏡302處接收輸入光束以產生會聚光束，該會聚光束被反射表面304接收並反射到反射表面306。該會聚光束反射離開反射表面306，在此穿過校直透鏡310，校直透鏡310基本校直該光束，並且將準直光束引導到像重整器172。像重整器具有反射表面312和316，每個反射表面312和316分別連接到安裝支架314和318，以固定到分光器100的外殼320。反射表面312和316可以是D形鏡，且反射表面312可豎直定向，其中平邊是與重整器輸出的重整光束最接近的邊緣，且反射表面316被定向為彎邊朝下。由壓縮器170輸出的壓縮光束從反射表面312旁經過，且該壓縮光束的一部分從反射表面316旁經過，該壓縮光束的剰餘部分反射離開反射表面312朝反射表面316返回。該壓縮光束的第一光束部分從這兩個反射表面旁經過，從而形成由像重整器172輸出的重整光束的第一部分。該壓縮光束的剰餘部分朝反射表面316反射返回，並在反射表面316與312之間來回反射，毎次所反射的壓縮光束的一部分從反射表面312旁經過，從而形成重整光束的一個後續光束部分。重整光束的這些部分基本豎直堆疊且基本平行，且每個部分代表該壓縮光束的ー個分光部分。

圖3中所示的實施方案中的像重整器172形成了由兩個光束部分構成的重整光束，這兩個部分基本平行且基本豎直堆疊，且每個部分代表從像壓縮器170輸出的壓縮光束的一部分。該壓縮光束的第一部分反射離開反射表面312並朝反射表面316返回,這部分接下來反射離開反射表面316並從反射表面316旁經過，導致該重整光束具有兩個部分。技術人員會理解，通過增加在反射表面316與312之間來回反射的次數，可增加重整光束的部分的數量。在圖3中所示的實施方案中，像擴張器174接收來自像重整器172的重整光束，並且產生擴張的準直輸出光束，所述擴張的準直輸出光束具有與導入分光器100的輸入光束相近的尺度。在圖3所示的實施方案中，像擴張器174可由適當的透鏡和/或鏡組成，以適當地擴張和校直重整光束。所得到的輸出光束當穿過具有與用來產生準直輸入光束的校直透鏡或曲面鏡基本相同的焦距的聚焦透鏡時被聚焦，以產生輸出光斑。該輸出光斑產生輸入光斑的像(如果輸入光束穿過相同的聚焦透鏡則會產生該輸入光斑)，所述像在水平方向上以分光器100的分光因子被壓縮且在豎直方向上以分光器100的分光因子被擴張，同時維持與由輸入光束在穿過相同的聚焦透鏡時產生的輸入光斑相近的光強度。由圖3中所示的分光器100的輸出光束產生的輸出光斑在水平方向上被壓縮到二分之一且在豎直方向上被擴張到二倍，圖3中所示的分光器100是分光因子為2的分光器。參見圖4，分光器100被示為具有像壓縮器170、像重整器172和像擴張器174。在圖4所示的實施方案中，分光器100的分光因子為4。輸入光束102可以是基本準直的，其可由校直透鏡或曲面鏡產生。輸入光束102被像壓縮器170接收，可輸出壓縮光束452。像壓縮器170具有柱凹面鏡(cylindrical concave mirror) 402,柱凹面鏡402反射輸入光束102以生成豎直會聚的光束450。還參見圖5A和5B，柱凹面鏡402可被安裝到安裝支架502，以固定到分光器100的基板480。在一些實施方案中，柱凹面鏡402可具有103. 360mm的焦距，且可被定位為相對於入射光束的路徑水平傾斜7. 3度且豎直傾斜0. 0度；然而，技術人員會理解，可使用其他焦距和定位來產生豎直會聚的光束450。豎直會聚的光束450可被柱凸面鏡(cylindrical convexmirror) 404接收,柱凸面鏡404校直豎直會聚的光束450，從而輸出壓縮光束452。還參見圖5A和5C，柱凸面鏡404可被安裝到安裝支架504，以固定到分光器100的基板480。在一些實施方案中，柱凸面鏡404可具有-25. 84mm的焦距，且可被定位為相對於入射光束的路徑水平傾斜7. 3度且豎直傾斜0. 0度；然而，技術人員會理解，可使用其他焦距和定位來產生壓縮光束452。在一些實施方案中，壓縮光束452如果穿過具有與用來產生輸入光束102的校直透鏡或曲面鏡基本相同的焦距的聚焦透鏡則產生壓縮器光斑，所述壓縮器光斑與由輸入源102穿過相同焦距的聚焦透鏡產生的輸入光斑相比在豎直方向上以所述分光因子被擴張且具有相近的水平尺度。回顧圖4，壓縮光束452被像重整器172接收，像重整器172輸出重整光束456，重 整光束456由部分456A、456B、456C和456D構成，每個部分基本平行且基本豎直堆疊，且每個部分是壓縮光束452的ー個分光部分。還參見圖5A、 和5E，像重整器172可具有D形鏡406和410。D形鏡406可被安裝到安裝支架408，安裝支架408可被固定到支架420，支架420被固定到分光器100的基板480。D形鏡406可被豎直定向，使得在使用中平邊最接近重整光束456。當壓縮光束452首次抵達D形鏡406吋，D形鏡406可被定位為相對於壓縮光束452的入射路徑水平傾斜2. 5度且豎直向下傾斜2. 7度。D形鏡410可被安裝到安裝支架412，安裝支架412可被固定到支架422，支架422被固定到分光器100的基板480。D形鏡410可被水平定向，使得在使用中平邊最接近重整光束456。當壓縮光束452首次抵達D形鏡406吋，D形鏡410可被定位為相對於壓縮光束452的入射路徑水平傾斜2. 5度且豎直向上傾斜2. 7度。在一些實施方案中，D形鏡406和410可以是ThorlabsTM#BBDl-E02鏡。技術人員會理解，不同形狀的鏡或其他反射表面(包括凸形或凹形表面)可用於產生重整光束456，此外，可實施鏡或其他反射表面的替代定位來達成基本相近的結果。在使用中，壓縮光束452可越過(pass over)D形鏡410,且可到達D形鏡406的位置。在一些實施方案中，壓縮光束452的部分456A從D形鏡406旁經過，而壓縮光束452的剩餘部分在D形鏡406與D形鏡410之間來回反射，直到生成重整光束456 (由部分456A、456B、456C和456D構成)。隨著每次來回反射，反射光束的一部分從D形鏡406旁經過，以產生重整光束406的相應一部分。例如，在部分456A從D形鏡406旁經過之後，壓縮光束452的剰餘部分反射離開D形鏡406，從而生成被朝D形鏡410處引導的第一反射光束。D形鏡410將所述第一反射光束朝D形鏡406反射返回，該反射的一部分從D形鏡406旁經過，從而生成部分456B，該反射的剰餘部分被引導返回D形鏡410處。部分456B位於部分456A下方,並且基本平行於部分456A且基本豎直堆疊。該反射的剰餘部分在D形鏡406處被引導，從而生成後續反射部分，該後續反射部分被引導回到D形鏡410。該後續反射部分在所述第一反射部分的接觸位置下方的位置接觸D形鏡410。該後續反射部分反射離開D形鏡410，朝D形鏡406返回，一部分從D形鏡406旁經過，從而生成部分456C，該反射光束的剰餘部分接觸D形鏡406。部分456C位於部分456B下方，每個部分456A、456B和456C基本平行且基本豎直堆疊。
再一次，該反射的剰餘部分在D形鏡406處被引導，生成又ー個反射部分，被引導回到D形鏡410。這又ー個反射部分在前一反射部分的接觸位置下方的位置接觸D形鏡410。這又ー個反射部分反射離開D形鏡410並從D形鏡406旁經過，從而生成部分456D。部分456D位於部分456C下方，每個部分456A、456B、456C和456D基本平行且基本豎直堆疊，且每個部分是壓縮光束452的ー個分光部分。雖然圖4中所示的實施方案是生成四個光束部分的分光器，但技術人員會理解，通過增加在D形鏡406與410之間的來回反射的次數，可增加重整光束456的部分的數量。技術人員會理解，鏡402、404、414和416的焦距和尺寸可被適當地調整以適應這樣的修改。
回顧圖4，如果重整光束456穿過具有與用來產生輸入光束102的校直透鏡或曲面鏡基本相同的焦距的聚焦透鏡，則產生重整器光斑。所產生的重整器光斑產生輸入光束102的像，該像與由輸入光束102穿過相同的聚焦透鏡而產生的輸入光斑相比在豎直尺度上以分光因子被擴張且具有相近的水平尺度，同時維持與該輸入光斑相近的光強度。重整光束456可被像擴張器174接收，從而產生輸出光束156。像擴張器174具有柱凸面鏡414和柱凹面鏡416。柱凸面鏡414接收並反射重整光束456，從而產生水平發散的重整光束458，重整光束458在柱凹面鏡416處被引導。柱凹面鏡416接收水平發散的重整光束458並基本校直水平發散的重整光束458，從而產生輸出光束156。還參見圖5A，輸出光束156穿過輸出孔520，輸出孔520可位於柱凸面鏡414下方且穿過安裝支架514。所得到的輸出光束156如果穿過具有與用來產生輸入光束102的校直透鏡或曲面鏡基本相同的焦距的聚焦透鏡則被聚焦，以產生輸出光斑。該輸出光斑產生輸入光斑的像(如果輸入光束102穿過相同的聚焦透鏡則會產生該輸入光斑)，但是該像在水平方向上以分光器100的分光因子被壓縮且在豎直方向上以分光器100的分光因子被擴張，同時維持與該輸入光斑相近的光強度。還參見圖5A和5F，柱凸面鏡414可被固定到安裝支架514，以固定到分光器100的基板480。在一些實施方案中，安裝支架514可具有貫穿它的輸出孔520，其中在ー些實施方案中輸出孔520可位於柱凸面鏡414當固定到安裝支架514時的位置下方。在ー些實施方案中，柱凸面鏡414可具有-25. 84mm的焦距，且可被定位為相對於入射光束的路徑水平傾斜0. 0度且豎直向下傾斜6. 3度；然而，技術人員會理解，其他焦距和定位也可被用於產生水平發散的重整光束458。還參見圖5A和5G，柱凹面鏡414可被安裝到安裝支架516，以固定到分光器100的基板480。在一些實施方案中，基板480內可具有穴(indent)，該穴可容納安裝支架516的一部分，以使得凹面鏡416的一部分可安置在基板480的表面下方。在一些實施方案中，柱凹面鏡416可具有103. 360mm的焦距，且可被定位為相對於入射光束的路徑水平傾斜0. 0度且豎直向上傾斜6. 3度；然而，技術人員會理解，其他焦距和定位也可被於產生輸出光束156。參見圖5H,分光器100可被固定到基板480的殼罩486覆蓋，以保護分光器100的內部元件例如免受灰塵和其他顆粒。殼罩486可具有用於接收輸入光束的輸入孔482，還可具有用於從分光器100輸出輸出光束的輸出孔484。在此處描述的分光器的一些實施方案中，可串聯放置第二分光器，其中來自第一分光器的輸出光束156可以是進入第二分光器的輸入光束102。在這樣的實施方案中，已經發現分光因子可以是倍乘的，例如，通過串聯組合兩個分光因子為4的分光器，可傾向於得到為16的總分光因子。雖然本發明可用於任何傾向於使用光作為輸入的裝置，此處描述的分光器的用途的一個實例可以是在攝譜學領域中。一般的攝譜儀是這樣的裝置，其將光色散以使得光的強度值作為波長的函數可被記錄在探測器上。對於要求更高光譜解析度的讀數，需要與光譜解析度有直接關係的更窄的縫，而通常窄縫將導致一般的分光計裝置收到的光強度降低。將分光器放在一般的攝譜儀裝置的輸入前方可傾向於使得進入該一般的攝譜儀裝置的輸入在縫的區域上具有比沒有分光器的縫更高(以分光因子為倍數)的光強度值，從而傾向於提供更高的光譜解析度而不犧牲光信號強度。攝譜學的一個分支是幹涉攝譜學；幹涉攝譜學的限定特徵在於，所使用的色散元件不是光柵或稜鏡。而是，色散以其他方式達成，例如通過對兩個幹涉光束產生的圖案進行傅立葉變換。該分光器不僅增加了輸出的亮度，而且允許在幹涉條紋的對比度以及信噪比方面做出大改善。

分光器可被用在OCT的一個被稱為傅立葉域OCT(FD-OCT)的分支中，更具體地用在FD-OCT的一個被稱為譜域OCT(SD-OCT)的具體實施方式
中。SD-OCT儀器是ー種幹涉攝譜儀，其帶有用於記錄信號的色散攝譜儀。分光器可被包括在該色散攝譜儀的輸入處，在準直光束路徑中恰好在色散光束元件之前。幹涉攝譜學的屬於醫學成像的又ー個分支是光學相干斷層掃描(OCT)技術，這是ー種使用幹涉攝譜儀來產生像的技術。分光器會改善OCT裝置的處理量(throughput)以及條紋對比度；從而該分光器可改善OCT系統可行的深度滲透(depth penetration),從而加速成像並增加所拍攝的像的值。分光器可被包括在OCT裝置的輸入處。該分光器的又一個應用是在微型攝譜學領域中，尤其屬於拉曼攝譜學。當前的拉曼攝譜儀已被實施成微型化到手持規模。由於該分光器可被用來増加任何以光作為輸入源的系統的處理量，該分光器的一個微型化實施方案可結合微型化攝譜儀(例如拉曼攝譜儀)來使用，以增加光譜解析度、增加輸出信號強度以及減少掃描時間。分光器可被包括在拉曼攝譜儀的輸入處。已經針對具體實施方案描述了本發明。然而，本領域技術人員會明了，在不脫離此處描述的本發明的範圍的前提下，可做出許多變化和修改。
權利要求
1.一種用於生成輸出光斑的分光器，包括 像壓縮器，所述像壓縮器接收基本準直的輸入光束並壓縮該光束，其中所述輸入光束如果穿過聚焦透鏡則產生輸入光斑； 像重整器，所述像重整器接收壓縮光束以將該光束重整成所述壓縮光束的多個分光部分，並且將這些部分基本彼此平行地豎直堆疊；以及 像擴張器，所述像擴張器擴張重整光束以產生準直的輸出光束，所述輸出光束如果穿過所述聚焦透鏡則產生所述輸出光斑，所述輸出光斑相對於所述輸入光斑在第一維度上被擴張且在第二維度上被壓縮。
2.根據權利要求I所述的分光器，其中所述壓縮光束相對於所述輸入光束在豎直方向上被壓縮且在水平方向上基本相近。
3.根據權利要求2所述的分光器，其中所述輸出光束相對於所述重整光束在水平方向上被擴張且具有與所述輸入光束基本相近的尺度。
4.根據權利要求3所述的分光器，其中所述壓縮光束的分光部分的數量等於分光因子η。
5.根據權利要求4所述的分光器，其中所述輸出光斑在豎直方向上以所述因子η被擴張且在水平方向上以所述因子η被壓縮。
6.根據權利要求3所述的分光器，其中所述像壓縮器包括凸透鏡和凹透鏡，其中所述凸透鏡接收所述輸入光束並產生會聚光束，並且所述壓縮光束是由所述會聚光束穿過校直透鏡而產生的。
7.根據權利要求3所述的分光器，其中所述像壓縮器包括凹反射表面和凸反射表面，其中所述凹反射表面接收所述輸入光束並產生會聚光束，並且所述壓縮光束是由所述會聚光束反射離開所述凹反射表面而形成的。
8.根據權利要求3所述的分光器，其中所述像重整器包括至少兩個反射表面，其中所述至少兩個反射表面中的一個反射表面接收所述壓縮光束的一部分，並且將該部分在所述至少兩個反射表面之間來回進行至少一次反射，並且其中每個分光部分是由所述壓縮光束的第二部分在所述至少一次反射中的每一次反射之後從所述至少兩個反射表面旁經過而形成的。
9.根據權利要求3所述的分光器，其中所述像擴張器包括凹透鏡和凸透鏡，並且其中所述凹透鏡接收所述重整光束並產生發散光束，並且所述輸出光束是由所述發散光束穿過所述凸透鏡而產生的。
10.根據權利要求3所述的分光器，其中所述像擴張器包括凸反射表面和凹反射表面，並且其中所述凸反射表面接收所述重整光束並產生發散光束，並且所述輸出光束是由所述發散光束反射離開所述凹反射表面而形成的。
11.根據權利要求3所述的分光器，其中所述輸出光斑具有與所述輸入光斑基本相同的光強度。
12.—種攝譜儀，包括根據權利要求I到11中任一項所述的分光器，其中所述分光器位於所述攝譜儀的光學輸入縫的上遊，以引導所述輸出光斑穿過所述光學輸入縫。
13.—種生成輸出光斑的方法，包括 壓縮準直的輸入光束，其中所述輸入光束如果穿過聚焦透鏡則產生輸入光斑；將壓縮光束重整成基本豎直堆疊且基本彼此平行的多個分光部分；以及擴張重整光束，以產生準直的輸出光束，所述輸出光束當穿過所述聚焦透鏡時產生所述輸出光斑，所述輸出光斑相對於所述輸入光斑在第一維度上被擴張且在第二維度上被壓縮。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述壓縮光束相對於所述輸入光束在豎直方向上被壓縮且在水平方向上基本相近。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述輸出光束相對於所述重整光束在水平方向上被擴張且具有與所述輸入光束基本相近的尺度。
16.根據權利要求15所述的方法，其中分光部分的數量等於分光因子η。
17.根據權利要求16所述的方法，其中所述輸出光斑在豎直方向上以所述因子η被擴張且在水平方向上以所述因子η被壓縮。
全文摘要
用於生成輸出光斑的分光器，包括像壓縮器，所述像壓縮器接收基本準直的輸入光束並壓縮該光束，其中所述輸入光束如果穿過聚焦透鏡則產生輸入光斑；像重整器，所述像重整器接收壓縮光束以將該光束重整成所述壓縮光束的多個分光部分，並且將所述多個部分基本彼此平行地豎直堆疊；以及像擴張器，所述像擴張器擴張重整光束，以產生準直的輸出光束，所述輸出光束如果穿過所述聚焦透鏡則產生所述輸出光斑，所述輸出光斑相對於所述輸入光斑在第一維度上被擴張且在第二維度上被壓縮。
文檔編號G02B27/09GK102792210SQ201080054248
公開日2012年11月21日 申請日期2010年10月1日 優先權日2009年10月1日
發明者A·R·哈吉安, A·T·岑科, B·B·貝爾, J·T·米德 申請人:龍捲風醫療系統有限公司