CN100430701C - 光学控制检测设备 - Google Patents

Abstract

一种用在光谱学上的衍射光学元件设备，其中，光源(31)向光学元件(24)发出宽频带光，光从那里被传送到至少一个检测器(29；29′)上。这种光学元件具有多个衍射色散聚焦图案，优选的是能部分相互结合的；它们各自对应的中心是二维相互偏离的，目的是产生多个光谱(25-28)，其中至少有两个谱是分立的，但相互是偏离的，和/或是部分重叠的。在另一个实施方案中，光学元件或者包括一种与波长有关并产生一个光谱的衍射光学元件(60)，或者至少包括两种衍射光学元件(60，61)，它们各自对应相关的波长，并产生至少两个相互部分重叠的光谱从而给出一个合成光谱。为了能够在该光谱中产生出一种指示，可以至少指出上波长数值和/或下波长数值。提供的种种工具可以在该衍射光学元件上面，或者与该元件相连接。

Description

光学控制检测设备

如同本专利所附权利要求1，2，14，15，16，18，19，29和30的导言中所公开的，本发明涉及一种用于光谱学的衍射光学元件设备，其中，宽频带光由光源向光学元件发出，并由该元件传送到至少一个检测器上。

对现有技术的阐述参考的是WO 9961941，US 4729658，WO0062267，WO 9634256，EP 0075171，GB 2219853，US 5369276和US 4391523。

WO 9961941涉及一种为矫正色差(色象差)以增加波长范围的两层衍射光学元件设备。这样，蓝色和红色的聚焦相同，而本发明实际上则在探索色方散的办法，办法之一是把各个图案放在同一个平面上来达到这个目的。

US 4729658利用一种光栅作为衍射光学元件，不过这种元件不解决聚焦问题。聚焦是借助透镜产生的。已知该方案对一个光点只生成一个光谱，而本发明对每个光点可以给出几个光谱。

WO 0062267的方案不给出任何光谱的分辨，也不解决色散聚焦问题。因此不能生成多个光谱。

EP 0075171描述了一种具有谐波检测的标准光栅谱仪。这种方案是色散的、非-聚焦的，其中投射到检测器的光谱的响应由液晶快门装置调制。这个方案既不能聚焦，也不能生成多个光谱。

本发明的一个目标是提供一种设备，该设备不仅能用在与媒体，比方象气体或流体，有关的光谱学上，而且还能够用来分析媒体，诸如用，比方，玻璃或塑料，做成的物件，并且还适用于分析生物材料、废品、医学样品、流体和制品、金属和/或其合金以及一般的塑性材料或玻璃材料。有时，所说的媒体可以包括，比方，一种泡沫流体。

本发明的一个任务是为光谱学构造衍射光学元件。目的是从这种衍射光学元件得到的光谱象从标准光栅所得到的一样，只是构造的衍射光学元件还具有特定的特性，比方说聚焦效应。

按照本发明，这种设备的特性由本专利所附权利要求1，2，14，15，16，18，19，29和30表示特性的条款所宣布。

在所附的相关从属专利的权利要求和以下介绍中，将清晰描述该设备的相应补充修改实施方案。

现在参考所附草图来对本发明进行更为详细的介绍。

图1表示的是衍射光学元件的原理。

图2阐明的是衍射光学元件的反射。

图3表示的是第一实施方案中光源和检测器的位置。

图4表示的是按照第二实施方案光源和检测器相对光学元件的位置。

图5a表示为获得衍射光学元件的分布图，反射函数在截断之前的相位。

图5b表示沿该分布图的距离。

图6a表示的是衍射光学元件的分布图，以及，图6b表示沿该分布图的距离。

图7表示的是费涅耳波带片外面的部分。

图8表示两波长情况下衍射光学元件的分布图。

图9表示与衍射光学元件分布图相关以及和图3实施方案有关的两-波长的一般情况。

图10阐明的是，基于光透射穿过费涅耳波带片，一个光谱的生成。

图11表示对图10所阐明实施方案的改进。

图12表示对图11所描写实施方案的变更。

图13表示对图12所描述实施方案的进一步发展。

图14表示对图12和13所描写实施方案的另一种变更。

图15表示在利用反射性质时对衍射光学元件的应用。

图16表示在利用光穿过元件的透射性质时对衍射光学元件的应用。

图17表示当元件或其协同的检测器都是可移动时对衍射光学元件的应用。

图18表示费涅耳波带片的波长聚焦关系，该波带片与偏离透镜光轴的部分透镜是相关的。

图19表示费涅耳波带片在不同波长下的强度分布。

图20用放大的尺度表示反射面的特性。

图21表示用作衍射光学元件的光栅的略图。

图22表示以凹面光栅形式的光学元件。

图23表示利用所谓红外光栅时得到的光谱。

图24表示具有调制反射元件的衍射光学元件(见图21)。

图25表示偏离费涅耳波带片理想光轴的衍射光学元件，其中一或两个参考元件在光轴附近。

图26表示对不同波长λ从参考元件得到的衍射图案。

图27表示具有参照标准的光谱(也见图19)。

图28a表示并列的不可见光谱(IV)。

图28b表示可见光谱和与它接邻的不可见光谱。

图28c表示可见光谱和与它分立的不可见光谱。

图28d表示分立的可见光谱。

图28e表示相互部分重叠的不可见光谱。

图28f表示相互部分重叠的可见光谱。

图29表示相互偏离并与检测器相关的可见光谱和不可见光谱。

图30表示按照本发明，与透明或半透明媒体，如，一个物件，有关的设备。

图31表示对图30所示设备的一个部分进行的最少修改。

图32表示目的是为检测媒体的一个实施方案中的设备，该媒体具有光吸收、光反射、发光性能或再发射的性能。

图33表示对本发明中一种目的是为检测透明或半透明媒体设备的修改，其中检测是基于该媒体的光吸收、光反射、发光性能或再发射的性能而进行的。

图34表示该设备的一个实施方案，其中衍射光学元件、光源和光检测器都是静止不动的。

图35表示该设备的一个实施方案，其中衍射光学元件围绕一个或两个轴是可动的，或者光源是可动的。

图36阐明一组光谱相对光检测器两种可能的运动方式。

图37举例表示使衍射光学元件倾斜的方法。

图38表示使光源移动的方法。

图39a表示使光源移动的另一种方法，以及，图39b表示相对多个光谱使光检测器移动的方法。

图40表示根据光朝向费涅耳波带片断片进行传送时一个光谱的产生，这是对图12的变更。

图41表示对图40的变更。

图42和43用原理图表示如何用机械方式或光学方式使费涅耳波带片断片失效。

图44用原理图表示如何用光学方式使费涅耳波带片断片失效。

图45用第二个例子表示使衍射光学元件倾斜的工具。

图46表示对图45所表示工具的变更。

图47表示使衍射光学元件失效的另一种工具。

图48表示与这另一种工具有关的距离/强度图。

图1表示利用与衍射光学元件有关的两种波长的原理，本文此后用DOE表示衍射光学元件。DOE使点S1成像到D1(波长λ1)，使点S2成像到D2(波长λ2)。当具有光源S和检测器D时，对该DOE的扫描将在相应的扫描角θ₁和θ₂使λ₁，λ₂相应成像到检测器上。问题在于决定具有这些特性的DOE分布图。SA表示扫描轴(即，DOE的倾斜角)。现在来考虑一下本发明的某些总观点可能会是有益的。关于波前的定义可以考虑光源S_n的位置由矢量 $r_{S_n\mathrm{source}}(X_{S_n},Y_{S_n},Z_{S_n})$ 定义，光源的像d_n的位置由矢量 $r_{d_n\det \mathrm{ector}}(X_{d_n},Y_{d_n},Z_{d_n})$ 定义。

S_n(r)是来自光源的球面波前：

$S_n\left(r\right)=A_{s_n}\·e^{i.k_n.r_{s_n}}---\left(1\right)$

其中，k_n＝2π/λ_n以及 $r_{\mathrm{Sn}}=\sqrt{{x^2}_{s_n}+{y^2}_{s_n}+{z^2}_{s_n}}$ 和 $i=\sqrt{-1}$

而

是该DOE上的波前幅度。

D_n(r)是聚焦在检测器上的球面波前，并由下式定义：

$D_n\left(r\right)=A_{d_n}\·e^{-i.k_n{r}_{d_n}}---\left(2\right)$

其中， $r_{\mathrm{dn}}=\sqrt{{x^2}_{d_n}+{y^2}_{d_n}+{z^2}_{d_n}},$ 是在该DOE上的波前幅度。

应该注意到S_n(r)的波前强度为

$I_{s_n}={\left|S_n\left(r\right)\right|}^2=S_n\left(r\right)\·S_n{\left(r\right)}^{*}=A_{d_n}^2.$ 类似地， $I_{d_n}={A_{d_n}}^2.---\left(3\right)$

DOE的光反射函数由方程式(4)给出

$t\left(r\right)=A_0\·e^{-i.k_n.2f\left(r\right)}---\left(4\right)$

其中f(r)表示DOE分布图函数，k_n＝2π/λ_n，λ_n为入射波S_n的波长。

这里，假设了由于在DOE上反射造成的相位延迟只单纯增加了光路的几何长度。

由傅立叶光学，可以写出：出射波＝S_n·t(r)(5)

更周密地考虑有关衍射光学元件的理论也会是有益的。现将单波长情况作为讨论的起始点。

源S₁发射波长λ₁的光，成像到d₁上。由给出的公式4和5，可以得到以下表示：

出射波＝D1＝S₁·t(r)<＝>

$t\left(r\right)=D_1\&CenterDot;\frac{S_1^{*}}{{\left|S_1\right|}^2}\&DoubleLeftRightArrow;t\left(r\right)=\frac{A_{d1}}{A_{S_1}}\&CenterDot;e^{-i.k_1(r_{s_1}+r_{d_1})}=A_0\&CenterDot;e^{-i.k_1.2f\left(r\right)}$

解此方程得到 $f\left(r\right)=\frac{\mathrm{mod}[k_1\&CenterDot;(r_{s_1}+r_{d_1}),2\mathrm{\&pi;}]}{2\&CenterDot;k_1}.$

这个式子表示出了整函数(模函数)余项的特征，其中模[a，b]一般给出为 $f\left(r\right)=\frac{a}{b}-\left|\right|\frac{a}{b}\left|\right|$

现在可以来考虑图3所示以下的系统几何，其中SA和前面一样表示扫描轴。图3还和从图5，6和7上看到的有关，对这些图我们将会予以描述。图5a和5b表示为获得衍射光学元件的分布图，在反射函数t(r)截断之前反射函数的相位，其中图5a表示函数

图5b表示沿DOE分布图的距离。

图6a表示费涅耳波带片中心部分的DOE分布图。图6b表示沿该分布图的距离。按预期，这是经过二次发射的结果。不过，已知费涅耳波带片中心部分是波长和色散方向无关的，所以来自光源任何波长的光都将聚焦在检测器相同的位置上。如果把光源S和检测器D向左移动，见图4，DOE分布图就将会是偏离费涅耳透镜轴的那部分，如图7所示，从而图7表示了费涅耳波带片外面的部分。这样的分布图现在就与波长有关了，并且来自光源具有波长为λ₁的波前成像到检测器上，而其它波长将聚焦在不同的位置上。这也适用于一般多个波长的情况，所选择的几何如图3所示。

现在来简要描述两种波长的情况，这里要求把S₁(波长λ₁)和S₂(λ₂)同时分别成像到d₁和d₂上。这样，DOE光反射函数将表示为：

$t\left(r\right)=D_1\frac{S_1^{*}}{{\left|S_1\right|}^2}+D_2\frac{S_2^{*}}{{\left|S_2\right|}^2}---\left(6\right)$

这里，可以给出对如图8所示特殊情况的考虑，其中 $r_{S_1}=r_{S_1}$ 以及 $r_{d_2}=r_{d_2}.$ 来自光源S的两种波长λ₁和λ₂成像到检测器D上。图8表示了这个情况的DOE分布图。可以看出，它象是两个费涅耳波带片之间的混合图案类型。

从图9可以看到另外一个例子，其计算显然是基于图3所示的几何进行的。这里给出的结果比较容易用两个混合费涅耳波带片去解释，而且分立的两个费涅耳波带片的曲线有不同的半径。但是，所有这些曲线都与扫描轴的方向相切(在X方向的轴)。

现在从图10开始来更详细地描述本发明进一步的观点，图10中光源发射的光通过衍射光学元件DOE，这里用参考数字1表示，射向检测器。该检测器能够检测产生的光谱2。

例如，围绕y轴转动元件1，光谱2就将相对检测器D而运动。

图11表示改进的衍射光学元件3。当光朝元件3发射时，优选从点源发射，光或者透射过元件3或者被其反射，在平行于元件3的平面上将产生光谱4，可以发现由于主要几何的关系，光谱4整体上不成矩形。另一选择是，还能够产生平行于z轴的光谱5。这里将会觉察到，假如配备了检测器6或检测器7，光谱4或5在元件3进行倾斜运动时将会产生移动。利用这种办法，检测器6或7能够检测到该光谱的真正位置。

假如进一步采用这个原理配备多个衍射光学元件8，9，10和11，如图12所示，就会看到每个衍射光学元件将产生与其对应的光谱12-15。检测器16的检测区域用参考数字17表示。可以理解，虽然只画了一个检测器16，但是在检测区域17可以有两个或多个检测器。

元件8-11只表示对于典型的轴偏离费涅耳波带片断片的一种解释，而且虽然在草图上它们看来似乎相同，但是应该知道，为了获得本发明声称所要求的效应，这些断片必须是各不相同的。

如果元件8-11一致向x-轴倾斜，则光谱12-15将横向检测器视域17而运动。但是，如果元件8-11向y-轴倾斜，则光谱12-15将顺着检测器视域17一起运动，并相继通过检测器16。这样，可以觉察到，为了使得对光谱12-15的检测有效，就必须或者使检测器16顺视域17而运动，或者使元件8-11向y-轴倾斜，以便光谱对应区域相继通过检测器16。如果，比方，利用的检测器不止一个，则可提供一个象检测器16′一样的检测器。

进一步参考图13将会看到，衍射光学元件18被分成多个较小的衍射光学元件19，为清楚起见，图中只显示了其中一小部分。可以看出在光照射元件18时，有些衍射光学元件19形成光谱的某些部分，而其它元件形成光谱的其它部分。这样，图13可以看成是由多个元件合成的结果，象是图12所示的多个元件8-11的型式。用这种办法获得的整体衍射光学元件18具有多个光学色散元件图案19，优选部分地相互合并，从图13看出，各图案对应的中心显然是相互二维偏离的，能够产生多个光谱，其中至少有两个光谱是分立的，不过是相互偏离和/或部分重叠的。从图13看出，图中所示的光谱20-23是分立的，而且相互偏离，不过没有必要的重叠。

图14表示使不同衍射光学元件合并成为一个合成元件的进一步步骤，这个合成元件象图14中参考数字24表示的衍射光学元件。在所阐明的实例中可以看出，这种元件受到光的照射时将会产生四个光谱25-28。从而光学元件24具有多个衍射，色散聚焦的图案，优选部分地相互合并，从图12，也可以从图14清楚看出，它们对应的中心是相互二维偏离的，所以生成了这些多个光谱25-28，其中至少有两个光谱是分立的，不过相互是偏离的。一个或更多的检测器29，29′，29″可以相应给出相随的检测视域30。当使光学元件24至少相对第一轴y旋转，元件24发生倾斜时，29，29′当中至少有一个检测器能检测到不同光谱范围的第一组，这里分别用参考数字25′，26′，27′，28′表示所对应的分立光谱25-28。还可以设想，元件24也能绕与第一轴y正交的第二轴x旋转，所以在发生倾斜时，29，29′当中至少有一个检测器能至少检测到光谱25-28中对应的一个光谱中不同光谱范围的第二组，检测视域30在z-轴方向保持不变，同时，光学元件24对x轴的倾斜使得这些光谱25-28朝向检测视域22产生稍微的横向位移，即，向z-轴方向。当然，另一个办法是不让元件24绕第一轴y运动，而是使它保持静止，代之的是让检测器或更多检测器29，29′在x方向运动，即，向这些分立光谱的光谱频带25-28横向运动。此外，也有可能借助检测器29，29′的移动，使或多或少的检测器沿光谱频带25-28方向移动来改变检测视域。

进一步可选择的办法是调节光源31在光谱频带方向的位置，从而来改变检测器的位置或者检测视域相对光谱25-28的位置。但是注意到，29，29′两个检测器以及光源31都是与电连接的，机械移动它们的位置可能不方便，而另一方面，元件24不包含任何有源零件，所以比较容易移动。

光源31最好通过固定的小光阑32(见图38)发射光线，旋转盘33至少配有一条狭缝34或者多个小孔，由于狭缝或小孔在圆盘上是弧形安置的，所以当圆盘转动时，与它们横过光阑32长度方向的同时，光正好能够通过狭缝或者小孔。

作为另一种选择，图39a中参考数字35表示的光源能够通过可作机械运动的光纤36来发射光，该光纤借助，例如，使它尾部36′所依附的压电元件37激发而运动。如图29所示，可以选择提供至少两个检测器，诸如图29在光谱的光谱频带方向所示的检测器38或39。对于从至少这两个检测器的输出，可以利用时间复用进行选择收集。

还可以想象到，包含利用光纤或光导的原理也能够应用到检测器上，如图39b所示，其中检测器122通过光导123对位于光导尾部123′聚焦面上的至少两个光谱125进行扫描，并且工具124，比方，压电元件，在受到激发时使光导尾部123′或者横过光谱或者沿着光谱随意地运动。

前面曾经指出，让衍射光学元件做倾斜运动可能会有好处，因为这样能使扫描有效的通过分立光谱所希望的部分。图17较为详细地描述了这一点，其中参考数字40代表衍射光学元件，参考数字41代表光源，前面介绍过，光源通过狭缝选择性地发射出它的光。检测器用参考数字42表示。衍射光学元件40优选其倾斜中心处于尾部，如倾斜中心43表示。用这种方案，要求测量的波长聚焦在曲线44上，以便在通过角度θ进行扫描时它们能打中检测器的中心。但是应该注意到，这个平面上的光谱并不需要象在光栅谱仪上所见的连续谱，而是要含有预先定义的波长，这些波长不需要提高或者降低级次。对于这一点在，比如，图14中也表示得很清楚。在图17右上方可以清楚看到所测光谱的强度和扫描角度θ的函数关系。

如前面指出过的，可以想象到，衍射光学元件或基于光的反射或基于光的透射。光栅将对入射光线的或者幅度或者相位进行调制。相位光栅给出的衍射效率最高。而且这种类型的衍射元件在小型圆盘底衬上容易以压制或其它复制手段进行大量复制，即，单个成本低。

首先介绍图15中的情况。假定Pr(x)表示光栅元件分布图，n是它的折射指数，常数k＝2π/λ，则由这种光栅产生的相位分布图将为Φ_grating＝-2k·Pr(x)。

入射视域(相对于光栅)的倾斜将产生下面的效应：

Φ_tiltfield(x)＝-k·x·sin(α)

Φ_tiltgrating(x)＝2k·x·sin(β)

最后：

Φ_Rcflective(x)＝Φ_Grating+Φ_tiltField+Φ_tiltGrating

类似，对于图16所表示的，可以得到以下表示：

Φ_grating(x)＝k·(n-1)·Pr(x)

入射视域(相对于光栅)的倾斜将产生下面的效应：

Φ_tiltField(x)＝k·x·sin(α)

Φ_tiltField(x)＝-k·x·sin(β)

最后，得到如下表示：

Φ_Transmission(x)＝Φ_Grating+Φ_tiltField+Φ_tiltGrating

要注意反射情况下的符号与透射情况的相反，因为这是向负z值方向传播的。

如果结构以分数形式设立，其中n为1.5，则可得到表示如下：

$\frac{{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{Rcfl}.\mathrm{grating}}}{{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{Transm}.\mathrm{grating}}}=\frac{2\&CenterDot;k\&CenterDot;\mathrm{Pr}\left(x\right)}{(n-1)\&CenterDot;k\&CenterDot;\mathrm{Pr}\left(x\right)}=\frac{2}{n-1}\&ap;4$

从这里可以得到结论，同一个光栅分布图Pr(x)产生的相位函数Φ(x)在反射光栅情况下比透射光栅情况下大4倍。透射光栅的倾斜角θ将用比θ小的角度使光谱移动，而反射光栅的倾斜角θ将使光谱产生2θ角度移动。所以波长扫描要求透射光栅的倾斜比反射光栅的大两倍。这样，尽管基于透射的衍射光学元件的光栅当然也可能会解决问题，但是在本发明情况下，应用反射光栅原理会有好处。

图15和16中，入射光视域用字母IF表示，光学元件或光栅用DOE表示。

可以利用，比方，如图37所示的结构使衍射光学元件倾斜。由脉冲的或周期性变化的电压U激发的线圈45操纵固定在可倾斜的板47上的锚钉46，这里用参考数字48表示的衍射光学元件依附在板47上。利用这种办法可使衍射光学元件48绕倾斜中心49，49′倾斜。

当然可以想象另一种解决图37所示的结构，比方，利用能引起倾斜运动的压电元件，或者把衍射光学元件48附着在进行振动的电容器板上。

前面曾经指出，为了产生衍射，利用偏离费涅耳波带片光轴的那部分费涅耳波带片可能会有好处。

图18表示费涅耳波带片的波长聚焦关系。其中只对费涅耳波带片偏离其光轴的那部分画出了光线。这里，具有波长1.7μm的聚焦平面(图18中平面1)可以作为起始点。在这个平面中，1.7μm波长的光聚焦在光轴上，而1.6μm波长和1.8μm波长的光稍有散焦并偏离光轴。由此可以得到结论，费涅耳波带片偏离光轴部分的作用好象是一种具有聚焦效应的色散元件。

图19表示当利用费涅耳波带片偏离其光轴3mm的那部分时，不同波长在平面1上的强度分布。检测器在波长范围1.64μm-1.76μm内的综合能量在图19中为常量。假如，比方，采用的是一种适合1.7μm的3mm×10mm的元件，则其它波长的强度将不可避免地降低。图19中破折线中标出的正方形符号表示检测器的尺寸可能大约为300×300μm²。这里给出的检测器尺寸限制了分辨率为25毫微米。显然，对于指定波长1.7μm，检测器尺寸越小，其分辨率越高。这里给出的数值只能理解为是阐明本发明诸多方面的实例而已。

在图20和21中要对这种衍射元件进行更详细的描述，图中给出的是通常的尺寸，但本发明并不限于此种尺寸。与衍射光学元件52相关的有两个反射面50，51。这两个反射面50，51分别对应于参考标志1.6μm和1.8μm，在所选择实例中，其作用效果象镜子一样。计算它们的倾斜度时要考虑到能使这些平面反射的光聚焦到对于1.6μm和1.8μm光线的位置上。还可以想象，为了形成光栅56或光学元件，可以在凹面底衬53上进行雕刻来提供衍射光学元件或光栅，其中底衬要使得狭缝57与检测器(图中未示)相配合，见图22。在所选实例中，狭缝和光栅之间的距离为d＝50mm，因而凹面底衬的半径就该是50mm。在这种结构中省却了中间的透镜，而且图20和21中所示的反射面50，51成了倾斜的凹面镜。图24表示的是与图20和21描述有关的一种设计，可以看出，由参考波长1.6μm和1.8μm反射面所成像的光谱给出了在该光谱某个部分的参考标准，所以检测器可以毫无疑问地判定出，例如，一个峰在该光谱中的位置。可以看到，这里应用了在图22方案中已省却的透镜58。对于1.6μm和1.8μm范围内的反射衍射光学元件以及一种给定的光栅或元件，一般获得的光谱将如图22所指出的方式产生。虽然有可能利用与衍射光学元件有关的反射面50，51，但对所选择实例也有可能利用球面镜或者一个费涅耳波带片的中心区来提供1.6μm和1.8μm的参考标准。为产生所希望的光谱，衍射光学元件相对理想费涅耳波带片的光轴应是轴偏离的。从图25可以更加清楚地看到这一点。图25中，参考元件用参考数字59表示，轴偏离的衍射光学元件用参考数字60表示。假如参考元件59用的是球面镜，则好处是这样的镜子可以消除色差。图26表示了一种λ在1.2-2.0μm范围内作为参考标准的中心费涅耳波带片的衍射图案，分辨率约为30毫微米。

总的参考强度将是所有这些贡献之和，其峰的强度与λ＝1.7μm中心光线的强度相当(见图19)。这样，图19中的曲线变得与图27中看到的相同，即，对于波长1.6μm和1.8μm分别有明显的标志。如果把不同元件做成镶嵌式的，则有可能使强度分布更加均匀。但是，这种方案的缺点是各波长的分布更不对称，就是说，比如，对λ＝1.8μm而言，1.77μm和1.83μm的贡献较小。为了降低强度，可以借助展开，例如，1mm×10mm的衍射光学元件在x-轴方向的色散效应，还可以利用费涅耳波带片在y-轴方向10mm部分所产生的几何效应，以便能够把强度降低的程度计算出来。如果元件是最适合于，例如1.7μm，则在1.6μm和1.8μm的强度将减少50％。这一点可以从几何上去计算检测器在y方向所接受能量锥体的总量来得到验证，因为不同波长在y方向的聚焦长度不同。为减少这种变化，把三个各为1mm并具有不同设计波长的不同元件放在一个镶嵌体中。这样，在1.6μm和1.8μm的强度将只减少15％，从而在特别感兴趣的波长区给出的响应相当平坦。象上面描述的方案，光学元件至少能在第一平面中上倾斜，以便所包括的检测器中至少有一个在元件倾斜时能相继检测到该光谱或一个合成光谱中的各光谱区。利用几个不同的光学元件60，61可以获得合成光谱。为了在所讨论的波长区域得到均匀程度最高的光谱，这样做可能是有好处的。另外一个办法是，该检测器中至少有一个，例如图24所示的检测器62，能沿该光谱或合成光谱的光谱频带移动。但是，如早先曾建议过的，最好还是利用一种可倾斜的光学元件，而不是去移动检测器。

在图28和29中，IV表示不可见光谱，V表示可见光谱。对于本发明两个可供选择的初始实施方案，光谱可以处在一个可见和/或一个不可见光谱区域内。这样，光谱可以从下面的组合中进行挑选：分立的不可见光谱；分立的可见光谱；相邻或部分重叠的不可见光谱；相邻或部分重叠的可见光谱；分立的可见光谱与不可见光谱以及相邻或部分重叠的不可见光谱与可见光谱。

关系到，例如，颜色的检测时，最好是利用至少两个重叠的可见光谱，如图28f所示，以便能够检测出可见光谱V中合成的颜色。这可以，例如，利用两个相互可调节的衍射光学元件予以提供。

关系到，例如，可见光谱，例如，颜色的检测时，最好是利用几个检测器38，而对于不可见光谱，则可以利用较少的检测器39，如图29所示。

现在参考图30-34来更详细地描述有关本发明的实际方案。

图30表示的是，光源63向反射元件64发射光，反射元件把光聚焦到光阑室66的一条狭缝65上，在所选的实例中，光在光阑室内射到透镜67，再射向色散光学元件68，从这里光被导向检测器69。透镜67和元件68可以任选一种色散的、聚焦的、衍射元件(DOE)去替代它们。狭缝65的尺寸最好要小，比方，不过并不限定，为0.3×3mm量级。还有可能用矩形的、多边形的、园的或椭圆形的光阑去替代这个狭缝。具体采用的方案与图12-15所示的实施方案有关。检测器69的尺寸可以为，比方，0.3mm。光阑室66的实际尺寸为，比方，60×10mm，但这绝对不应理解为是本发明规定的限制。为了能够对光散射进行限制，光阑室66内安放了光栏70，如图31所示。

为了能够使衍射光学元件绕倾斜轴71倾斜，在元件68的第二端点提供了一种压电元件72，如图31所示，当元件72受到激发时，元件68将绕点71倾斜。可以把一种透明的或半透明的媒体，例如，流体或物件73引入光源63，64和检测器69之间的光路中。这样，显示出并由检测器检测到的一个或多个光谱将是该媒体73光吸收性质的函数。

图33描述的是一个变更的方案，其中光学元件用参考数字74表示，光源用参考数字75表示，光阑室用参考数字76表示，检测器用参考数字77表示。可以提供一种外部光源75′作为光源75的另一种选择，如破折线所示，该光源通过光阑室76的光阑75″达到和光源75同样的地方。从光源75发射的光经由衍射光学元件74通过光阑室76的狭缝78射向反射元件79，使得形成光谱的光线击中检测器77。这个情况下，可以在光学元件74和检测器77之间的光路中引入透明的或半透明的媒体80，因而显示出并被检测器77检测到的一个或多个光谱是该媒体80光吸收性质的函数。在媒体不是透明的或半透明的，而基本上是如图32所表示的光-反射的情况下，则一种光-反射媒体83，比方，流体或一种物件，可以引入光源81和光学元件68之间的光路中，其中光源81发射的光被反射体82以及光学元件68反射。这样，媒体83将使得光经由透镜84和狭缝65向光学元件68反射。从而这里显示的并被检测器69检测到的一个或多个光谱将是媒体83光吸收和/或光反射性质的函数，并且是/或是该媒体发光或再发射性质的函数。

从与图30和33所示有关的实施方案可以理解，不仅可以检测到光的吸收性质，而且还可以检测到光的反射性质。

在图30-33所示的方案中，可以想象到，其显示的一个或多个光谱可以是媒体发光或再发射性质的函数。根据到这种关系，特别要面对的是媒体可能是一种泡沫流体。

但是，媒体也有可能至少包括下列元材料中的一种：

气体、生物材料、合成废料、流体、医学样品和制品、食品、纸制品、木材制品、金属和/或其合金、塑性材料、玻璃，或塑料物件或玻璃物件，比如，饮料包装。

在图33所示的事例中，面对的媒体也有可能是，比如，气体，这样，室76，比方，用这种气体进行充灌。这种情况下，将会特别对该气体的吸收性质感到兴趣。

还有可能，并不移动光源86和检测器87之间光路上的衍射光学元件，如图34所示的元件85，而是提供一个可倾斜的镜88。镜88的第一尾端安装在枢轴点89上，而其第二端与，比如，一个压电元件90连接，元件90受到激发时将使镜88绕点89倾斜。当然，有可能进行些小的改进，使光源86和检测器87能够切换位置而对获取的测量数据影响不太。所以可以想象到，倾斜镜能够位于光源86和衍射光学元件85之间的光路中，以及/或者位于衍射光学元件85和检测器87之间的光路中。

图35和36阐明了使光学元件91倾斜和有时选择使它旋转的原理。元件91按箭头方向92倾斜将导致光谱95-98按方向92′运动，而元件按箭头方向93旋转将导致光谱95-98按方向93′运动。故可以理解，按方向92倾斜能够使得对应光谱95-98中预先确定的区域相继通过检测器94，而按箭头方向93旋转，当在方向92的倾斜是绕倾斜轴99进行时，将使95-98各光谱中对应的其余区域通过检测器。

图40表示光源100朝向费涅耳波带片断片形式的多个衍射光学元件101，102，103和104发射光。每个元件产生一个光谱，不过为简单清楚起见，只画出了从元件104和101相应产生的两个光谱105和106。可以看出，光谱106位于光谱105的侧面，而且还显得比较模糊，这表明该光谱位于代表光检测器的全黑视域109聚焦面之外。还可以发现，元件101，102和103表现得比元件104模糊，这是因为这三个元件一直由机械操纵或者不在可视范围内，光源100的光所产生光谱或者超出聚焦范围，或者实质上是一种不可见光谱。这意味着，实际上并不是利用所有元件绕，比如，y-轴倾斜来相继研究每个光谱的，而是把元件101-104放到一种位置上，使得这些元件中的每一个相继在聚焦面上产生一个光谱，同时其余的光谱处在聚焦面之外，由此，在聚焦面上的光谱可被检测器109清晰可见，而其余的光谱保持原状，以便它们对检测器109所进行的检测不产生主要作用。

图41表示光源100朝向费涅耳波带片断片形式的多个衍射光学元件101，102，103和104发射光。每个元件产生一个光谱，不过为简单清楚起见，只画出了从元件101和104相应产生的两个光谱107和108。可以看出，光谱108位于光谱107的后面，而且还显得比较模糊，这表明该光谱位于代表光检测器的全黑视域109聚焦面之外。还可以发现，元件102，103和104表现得比元件101模糊，这是因为这三个元件一直由机械操纵或者不在可视范围内，光源100的光所产生光谱或者超出聚焦范围，或者实质上是一种不可见光谱。这意味着，实际上并不是利用所有元件绕，比如，y-轴倾斜来相继研究每个光谱的，而是把元件101-104放到一种位置上，使得这些元件中的每一个相继在聚焦面上产生一个光谱，同时其余的光谱处在聚焦面之外，由此，在聚焦面上的光谱可被检测器109清晰可见，而其余的光谱保持原状，以便它们对检测器109所进行的检测不产生主要作用。

图42表示衍射光学元件110，111(对应DOE1和DOE2)各位于密封的对应的压力室112，113上，对这两个压力室，比方，能够间断地提供相应的负压-ΔP1和-ΔP2，以便在向压力室112提供负压时，由，比如，元件110产生的光谱出现在聚焦范围外，而压力室113内的压力为标称压力，使得元件111产生的光谱位于在对检测器109的聚焦范围内，以便对其部分光谱进行研究。

类似的原理也适用于图43的实施方案，其中衍射光学元件(对应为DOE1和DOE2)用参考数字114和115表示。在这种情况下，采用的不是压力室，而是电动工具116和117，由驱动电压V1和V2在不同时期向其供电，造成，例如，相应的元件向下弯曲。工具116和117可以包括，比如，压电元件或静电元件，这样，光学元件的上下弯曲取决于提供的驱动电压。当应用静电规则时，这种工具的一部分要固定在光学元件上，而另一部分固定在基底126上。

当采用压电元件时，要把它放在光学元件114，115和基底126之间。如果光学元件，比方，只在一个边缘上受到支撑，而另一个边缘由上述工具支持，则该光学元件实际上就能够相对x或y-轴倾斜，这表明，有可能使得产生的光谱向其侧向或纵向移动。这对于测试纵向部分重叠的光谱中不同颜色的合并，或把光谱带到检测视域之外都是有效的。

图44表示的衍射光学元件(对应DOE1和DOE2)用参考数字118和119代表。在这个事例中，元件被参考数字120和121分别代表的光阀LV1和LV2所覆盖。光阀在不同时刻受到激发(产生作用)，所以一个时刻只有一个元件能够被光源照亮而产生光谱。

在那些可能有助于同时考虑IR光谱和颜色的事例中，利用几个检测器将会有好处。图12和14给出了一个实例，其中在检测视域17和30之外至少分别增加一个检测器16″和29″。还可以想到，由于IR有关的光谱与通常有色光谱的聚焦是有差别的，这些检测器的y位置是不同的。

在图41中要是所有元件101-104同时给出类似的聚焦光谱，那么生成的不同光谱就会几乎重叠在一起，实际上这种方案是利用把两个或更多光谱合并起来以检验媒体的，诸如一个物件的，多个可能的颜色合并，即，至少有两个元件产生与其对应的相互重叠，但相互偏离的光谱。

图45举例说明一种用于移动DOE 129的工具127，设备127具有束结构(bean structure)127′或者是类似，例如，一种硅梁，这种硅梁通过终端128′接到电源线路128。电源线路128因发热而使束产生弯曲。电源线路128可以随意地用压电元件或电磁元件代替。

图46举例说明一种用电容元件131，131′移动DOE 132的工具130，上述电容元件通过终端131″，131′″接收电源电压，从而产生电容性的吸引或排斥，使束130′，比方，硅梁，运动。

在下面的描述和草图中还表示了几个别的利用机械操作元件使某些衍射光学元件(断片或零件)激发或退激的方案。图47表示了一个可供选择的方案，其目的特别符合本发明的概念，它利用改变上部第一反射面和下部第二反射面之间的距离，接通和关闭二元全息照相的各个部件。已经知道光学调制器每二次发射的原理，请参看，例如，US专利No.5,311,360，其中，改变反射梁的上面和下反射面之间的距离来使衍射光学元件的衍射效应激发或退激。

可以想象到，二元衍射光学元件的上反射部分133能够在玻璃板135上做成金属的形式134，而二元形式衍射光学元件的下部仅仅是一种反射面。对术语“二元”的理解是指一种调剂高度仅有两级的元件。下反射面可以，比如，是一层薄金属膜136，该膜可以按照λ/4间距装配。利用，例如，施加一种电场，可以把膜拉向金属134，从而使间距从nλ/2+λ/4＝＞ON(接通)改变为λ/2＝＞OFF(关闭)，其中n＝0，1，2，3...。

用这种办法使衍射光学元件(也可带有其断片或部件)产生形变，使得元件实际上在，比如，0λ/16时仅是一个反射面。这样，衍射效率要受到，比如，在膜136和板135之间电场引入的影响，并且，例如，电场可以步进调节，从而相应改变衍射效率。元件的衍射效率在nλ/2+λ/4时最大，在nλ/2时最小，n＝0，1，2，3...。从mλ/2到(m+1)λ2，周期为λ/2元件的衍射效率近似服从高斯曲线，最大值居中。好处是，在0λ和4λ/16之间标称间距可以一步步改变，每步为，例如，λ16。

从图48可以清楚看出，衍射效率以周期大约为0.5λ循环变化。

Claims (38)

1.一种用于光谱学的衍射光学元件设备，所述设备包括：光源(S，31；41；63；75；81；86)、衍射光学元件(DOE，8-11，18；24；40；68；74；85；91；101-104；114；115；120；121；129；132)、以及至少一个检测器(D；7；16，16’，16”；29，29’，29”；42；69；77；87；94)，其中，所述衍射光学元件被布置成接收从该光源向该衍射光学元件发出的宽频带光并将所接收的宽频带光引向至少一个检测器，

其特征在于，

-这种衍射光学元件具有多个衍射色散聚焦图案(8-11；19；24；101-104)，这些衍射色散聚焦图案形成一个图案平面或者几个互有影响，但互不重叠的图案平面，各个所述图案的中心是二维相互偏离的，目的是产生多个光谱(12-15；20-23；25-28；95-98；105，106；107，108；125)，该多个光谱中至少有两个谱是分立的，但相互是偏离的或者是部分重叠的。

2.如权利要求1所述的设备，

其特征在于，

该多个图案部分地相互结合。

3.如权利要求1或2所述的设备，

所述设备被配置成产生位于不可见和/或可见光谱区域的光谱。

4.如权利要求1或2所述的设备，

所述设备被配置成产生选自以下组中的光谱：

-分立的不可见光谱；

-分立的可见光谱；

-相邻或部分重叠的不可见光谱；

-相邻或部分重叠的可见光谱；

-分立的可见光谱与不可见光谱；

-相邻或部分重叠的可见光谱与不可见光谱。

5.如权利要求1或2所述的设备，

其特征在于，

-该衍射光学元件(40；68；91)至少可以绕第一轴倾斜，以便当该衍射光学元件倾斜时，所述至少一个检测器能检测到对应的分立光谱中不同光谱区的第一组。

6.如权利要求5所述的设备，

其特征在于，

-该衍射光学元件(91)可以绕与第一轴正交的第二轴倾斜，以便当该衍射光学元件倾斜时，至少有一个检测器能在上述相应的分立光谱中至少检测到不同光谱区的第二组。

7.如权利要求1或2所述的设备，

其特征在于，

-所述至少一个检测器能横向于该分立光谱的光谱频带的方向运动。

8.如权利要求7所述的设备，

其特征在于，

-所述至少一个检测器(16’，16”；29’，29”)的位置可以在沿该光谱频带的一个方向进行调节。

9.如权利要求1或2所述的设备，

其特征在于，

-所述光源的位置可以在沿该光谱频带的一个方向进行调节。

10.如权利要求9所述的设备，

其特征在于，

-所述光源被配置成发射穿过固定的光阑(32)的光；以及

-在该光阑前面安置一个转动圆盘(33)，该圆盘至少配有一条狭缝或者多个小孔(34)，所述狭缝或小孔在圆盘上是弧形安置的，当圆盘转动时，并且所述狭缝或小孔移过光阑长度的同时，光正好能够穿过狭缝或者小孔。

11.如权利要求10所述的设备，

其特征在于，

-所述光源(35)被配置成经由一种可作机械运动的光纤(36)来发射光，该光纤可借助使它尾部所依附的压电元件(37)激发而运动。

12.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述光谱的光谱频带沿着单个平面的一个方向延伸，并且其中在该光谱的光谱频带的所述一个方向上安排至少两个检测器(16’，16”；29’，29”)。

13.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述光谱的光谱带沿着单个平面的一个方向延伸，并且其中沿横向于该光谱的光谱频带的所述一个方向安排至少两个检测器(16’，16”；29’，29”)。

14.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述光谱的光谱频带沿着一个方向延伸，并且其中沿垂直于该光谱的光谱频带平面的一个方向安排至少两个检测器(16’，16”；29’，29”)。

15.如权利要求12所述的设备，该设备包括利用时间复用方法收集所述至少两个检测器的输出的装置。

16.如权利要求1或2所述的设备，该设备包括一种使光偏转的元件，该使光偏转的元件被布置在光源和衍射光学元件之间的光路上。

17.如权利要求16所述的设备，该使光偏转的元件是可倾斜的镜面。

18.如权利要求1或2所述的设备，该设备包括一种使光偏转的元件(88)，该使光偏转的元件被布置在衍射光学元件(85)和检测器(87)之间的光路上。

19.如权利要求18所述的设备，该使光偏转的元件(88)是可倾斜的镜面。

20.如权利要求1所述的设备，

其特征在于，

-该多个衍射色散聚焦图案形成衍射光学元件的断片；并且

-这些断片中的至少一个被附加到受压力控制的压力腔或者电驱动的装置(112，113，116，117)的表面用于选择性地机械操纵所述断片以使所述断片变形，从而所产生的光谱a)被引到检测器的焦点之外或者b)位于该检测器的检测范围之外，或者c)位于一个第二检测器的焦点。

21.如权利要求1所述的设备，

其特征在于，

-该多个衍射色散聚焦图案形成衍射光学元件的断片；并且

-这些断片中的至少一个与受控制地阻断来自该断片的光反射的光阀装置(120，121)相关联。

22.如权利要求1所述的设备，其特征在于，

-所述衍射光学元件至少包括两种衍射光学元件部分，这些衍射光学元件部分与各自对应波长有关，并产生至少两个分立的光谱或至少两个相互部分重叠的光谱从而给出一个合成光谱，其中所述衍射光学元件部分中的至少一个元件部分被附加到使这种衍射元件部分变形的装置(112，113；116，117)上，以便产生的光谱或者是a)被引到一个检测器的聚焦范围之外，或者是b)在该检测器的检测范围之外，或者是c)在一个第二个检测器的聚焦范围之内。

23.如权利要求1所述的设备，

其特征在于，

-该衍射光学元件至少包括两种衍射光学元件部分，这些衍射光学元件部分与各自对应波长有关，并产生至少两个分立的光谱或至少两个相互部分重叠的光谱从而给出一个合成光谱，其中这些衍射光学元件部分中至少有一个元件部分被附加到受控制地阻断来自该衍射光学元件部分的光反射的光阀装置。

24.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于

-在光源和衍射光学元件之间和/或在衍射光学元件和检测器之间的光路上能够置入一种透明的或半透明的媒体；以及

-显示的和检测到的一个或多个光谱是该媒体下列有关性质的函数：光吸收，光反射，发光和再发射。

25.如权利要求1或2所述的设备，

其特征在于，

-在光源和衍射光学元件之间的光路上能够置入一种光-反射媒体，该媒体反射的光朝向该衍射光学元件；以及

-显示的和检测到的一个或多个光谱是该媒体下列有关性质的函数：光吸收，光反射，发光和再发射。

26.如权利要求24所述的设备，

其特征在于，

所述透明或者半透明的媒体是流体或者物件。

27.如权利要求24所述的设备，

其特征在于，

所述透明或者半透明的媒体是泡沫流体。

28.如权利要求24所述的设备，

其特征在于，

-该媒体选自下列各项中的至少一项：

-气体；

-生物材料；

-合成废料

-流体；

-医学样品和制品；

-食品；

-纸制品；

-木材制品；

-金属和/或金属合金；

-塑性材料；

-玻璃；

-木材；

-塑料物件或玻璃物件。

29.如权利要求28所述的设备，

其特征在于，

-塑料物件或玻璃物件是饮料包装。

30.如权利要求7所述设备，

其特征在于，

-安排检测器通过可作机械运动的光纤去观察至少两个光谱。

31.如权利要求30所述设备，

其特征在于，

-该光纤可借助使它尾部所依附的压电元件激发而运动。

32.如权利要求1所述的设备，

其特征在于，

-该衍射光学元件(129)安置在一种束结构(127，127’)上；以及

-为了能够操纵该衍射光学元件，利用电热，压电，电磁或电容工具(128；131，131’)来使该束结构发生形变或弯曲。

33.如权利要求20所述的设备，

其特征在于，

-衍射光学元件的设计使得在操作该衍射光学元件时可改变其衍射效率。

34.如权利要求33所述的设备，

其特征在于，

-所述衍射光学元件具有二元结构。

35.如权利要求20所述的设备，

其特征在于，

-衍射光学元件包含具有第一图案的基础部分和具有反射或不同图案面的可运动部分；

-基础部分和运动部分有标称间距；

-衍射光学元件的安排要使得在进行操作时能够改变这种标称间距，从而改变衍射光学元件的衍射效率。

36.如权利要求35所述的设备，

其特征在于，

-标称间距为nλ/2+λ/4，其中n＝0，1，2，3...。

37.如权利要求35所述的设备，

其特征在于，

-衍射光学元件的衍射效率在nλ/2+λ/4时最大，在nλ/2时最小，其中n＝0，1，2，3...。

38.如权利要求33所述的设备，

其特征在于，

-衍射光学元件的设计使得在给它施加电场时可改变其衍射效率。

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