CN101548162A - 紧凑的反射折射分光计 - Google Patents

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CN101548162A CNA2007800325707A CN200780032570A CN101548162A CN 101548162 A CN101548162 A CN 101548162A CN A2007800325707 A CNA2007800325707 A CN A2007800325707A CN 200780032570 A CN200780032570 A CN 200780032570A CN 101548162 A CN101548162 A CN 101548162A
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Abstract

本文描述了一种用于表征光学材料的光学表征系统。该系统通常包括衍射元件(104)、检测器(106)和光学元件(102)。光学元件(102)因此通常适于接收射束，该射束可以是材料的照射响应。光学元件(102)通常具有用于将射束折射地准直到衍射元件(104)上的折射面以及用于将经衍射的射束反射到检测器(106)上的反射面。光学元件(102)还适于与被放置在光学元件(102)同一侧的衍射元件(104)和检测器(106)协作，其中光学元件(102)的该侧与用于接收射束的接收侧相反。

Description

紧凑的反射折射分光计
发明的技术领域
本发明涉及光学检测领域。更具体地，本发明涉及例如使用光谱测量光学地表征材料的方法和系统。
发明背景
在如今很多应用中，例如生物工程应用或材料表征，光谱学被用作执行吸光度与荧光性和拉曼测量的常规工具。例如在生物感测应用、分子诊断学或药理学应用中，为了提高处理速度，经常并行地处理许多样本。所谓高吞吐量筛选的示例是具有从96到384甚至更多的大量储样器的多阱板的应用。
随着这些板中阱的数量的增加，以串行方式处理整个板变得太耗时，因而并行方式的处理变得必要。对若干样本同时进行光谱测量的最显而易见的方式是对每个样本提供其自己的分光计。即使如今可用的最小的分光计也将使这种设置相当地大且难以装配。还可通过使用超光谱成像同时研究各种样本，其中通常将一维图像转换成两维光谱图像。当两个样本之间存在最小距离时，这种设置导致超光谱成像器的视场填充不足并且必须针对整个样本行使超光谱成像器形成所需尺寸，从而使成像器较大。
在经典的Czerny-Turner配置中，通常将一个反射镜用于准直来自入口狭缝的光并将其导向反射光栅。在衍射之后，将第二个反射镜用于使光聚焦到检测器或出口狭缝。有时将两个反射镜组合成一个反射镜，其中该配置还被称为Ebert-Fastie配置。
美国专利6,862,092 B1描述了用于测量来自至少一个物体的光的光谱信息的系统和方法。该系统描述了透明体的使用，藉此光束进入透明体并且经由两次镜面反射将发散光束引导到衍射光学元件上。衍射光束随后在非球面镜面上反射并且被引导到检测器元件34，从而允许检测光谱信息。透明体通常具有复杂的、非标准的透镜形状。
发明概述
本发明的一个目的是提供用于光学表征材料的良好设备或方法。此外，本发明的另一目的是提供其组件以有助于对材料进行良好的光学表征。
通过根据本发明的方法和设备来实现上述目的。
本发明涉及用于表征材料的光学表征系统，该系统包括衍射元件、检测器和光学元件，该光学元件适于在其第一侧接收与要表征的材料相互作用后的射束，该光学元件具有用于将所接收的射束折射地准直到衍射元件上的折射面、并且该光学元件具有用于将衍射射束反射地聚焦在检测器上的反射面，衍射元件和检测器位于与所述第一侧相反的光学元件的同一侧。可将折射面和反射面定位在光学元件的同一侧。根据本发明的此类实施例的一个优点是可获得紧凑的光学表征系统。此外，根据本发明的此类实施例的另一优点是可获得用于光谱测量的紧凑系统。根据本发明的此类实施例的又一优点是可获得仅需要有限制造精力的系统。根据本发明的此类实施例的再一优点是来自入射在光学元件上的光并且直接到达检测器的杂散光的量是有限的，从而无需给光学组件的制造增加高制造费用。折射面和反射面可以是光学元件的同一曲面的不同部分。折射面可以是不包括反射材料的光学元件的曲面的一部分，并且反射面可以是例如通过涂敷反射材料被制成能够反射的光学元件的曲面的一部分。根据本发明的一个优点是光学元件可用于其中可将样本设置在离光学元件适当的位置处从而可获得有效且灵敏的系统的配置。因而获得了灵敏且易于制造、同时惊人地紧凑的系统。
光学元件可适于接收发散射束。
衍射元件和检测器可与光学组件接触。根据本发明的此类实施例的一个优点是可获得仅需要有限制造精力的系统。此外，根据本发明的此类实施例的另一优点是系统中光学反射的量较低，从而导致较少的损耗以及较少的杂散光。
可将衍射元件的接收面和检测器的接收面定位在同一平面中。根据本发明的此类实施例的一个优点是可获得刚性系统。根据本发明的此类实施例的另一优点是获得了相对容易的制造。还有一个优点是可更容易地制造组件的外形，因为仅需要在两个方向而不是三个方向上进行外形制造。
光学元件可以是反射折射元件。根据本发明的此类实施例的一个优点是可由单个光学元件完成准直和聚焦。根据本发明的此类实施例的另一优点是所需的光学元件的数量是有限的。此外，根据本发明的此类实施例的又一优点是光学元件是标准光学组件。可在聚焦之前执行准直。根据本发明的此类实施例的再一优点是与经典Czerny-Turner配置相比可减少所需的组件数量。
光学元件可以是部分涂敷的平凸球面透镜元件。此类实施例的一个优点是可通过部分地涂敷正常的多用途透镜来制造单个光学元件。该涂层可以是反射涂层。
折射面或反射面中的至少之一可在另一表面上具有镜像部分，即所述反射面相应于折射面。镜像部分可以是镜面对称部分。本发明的实施例的一个优点是可使用具有连续透镜表面的透镜。后者可允许使用常规透镜制造技术制造透镜，无需例如通过去除部分透镜体积来在实质上整形光学元件。该至少部分折射面可包括至少有效地用于折射的表面。
光学表征系统可适于使用具有连续光谱或准连续光谱的射束。根据本发明的此类实施例的一个优点是可执行光谱测量，从而导致关于材料的广谱信息得到表征。后者允许例如对要表征材料中的多个元素的表征/检测。
可在光学元件的表面上形成任一衍射元件。可将检测器邻近光学元件定位。根据本发明的此类实施例的一个优点是可获得坚固的和/或抗震的系统。根据本发明的此类实施例的又一个优点是可提高系统的精度，因为减少了所需的定位和准直的量。换言之，可减少需要注意的组件之间的准直的量。
入射射束在光学元件中的反射次数可以是两次或更少。如果与衍射元件的相互作用不被视为反射，则入射射束在光学元件中的反射次数可以是一次。后者导致高分辨率。
光学元件可适于使得入射射束在一定角度下入射在衍射元件上，并且其中检测器还适于检测镜面反射零阶射束。根据本发明的此类实施例的一个优点是对镜面反射零阶射束的检测允许将该零阶射束用于准直或用于所测量结果的后处理，诸如用于考虑射束的功率。
光学表征系统可以是多通道分光计。光学表征系统可以是适于并行地表征多个样本的多通道光学表征系统，例如以系统中的不同通道表征。
光学元件可以是在第一方向上至少部分地平移不变的第一平凸透镜。根据本发明的此类实施例的一个优点是可对紧凑系统执行多路复用，即可同时测量若干样本。
光学表征系统的衍射元件可以是例如分光计的多通道光学表征系统的不同通道所共用的衍射元件。
根据本发明的此类实施例的一个优点是用于光学表征系统的组件数量可以是有限的。
光学表征系统的检测器可以是例如分光计的多通道光学表征系统的不同通道所共用的检测器。根据本发明的此类实施例的一个优点是用于光学表征系统的组件数量可以是有限的。
光学表征系统可包括用于将样本定位于离光学元件一定距离的样本架(holder)，该距离在折射面的曲率半径的一倍和四倍之间。
光学表征系统还可包括针对每个通道的用于将该通道中的射束在第一平凸透镜平移不变的方向上聚焦或准直的第二平凸透镜。
光学元件可适于在该光学元件的第一侧接收射束，并且衍射元件和检测器被定位于所述光学元件的第二单侧，第二侧与第一侧相反。
本发明还涉及用于光学地表征材料的方法，该方法包括：用射束照射材料从而产生照射响应，其后在光学元件的第一侧将来自样本的照射响应折射成光学元件处的经准直照射响应，衍射经准直照射响应从而产生经衍射的照射响应，在光学元件处反射所衍射的照射响应从而产生经反射的照射响应，以及在光学元件的与所述衍射照射响应相同的一侧检测所述经反射的照射响应，该相同侧与所述光学元件的第一侧相反。
本发明还涉及适于在光学元件的第一侧接收射束并且适于与衍射元件和检测器一起使用的光学元件，该光学元件具有用于将所接收的射束折射地准直到衍射元件上的折射面并且该光学元件具有用于将所准直的由衍射元件衍射的经衍射射束反射到检测器上的反射面，所述光学元件适于使衍射元件和检测器被定位于该光学元件的同一侧。该光学元件可适于接收发散射束并提供上述更多功能。
光学元件可以是反射折射元件。
光学元件可以是部分涂敷的透镜元件。
折射面和反射面可以是光学元件的同一凸面的一部分。本发明的实施例的一个优点是可使用利用常规透镜制造技术制造的透镜。
光学元件可以是平凸元件。
光学元件可被调整成使得要被检测器检测的入射射束在光学元件中的反射次数是两次或更少。
光学元件在第一方向上可以是至少部分地平移不变的。
光学元件可以是平凸的柱面透镜。
折射面或反射面中的至少之一可在另一表面上具有镜像部分，即所述反射面相应于折射面。镜像部分可以是镜面对称部分。本发明的实施例的一个优点是可使用具有连续透镜表面的透镜。后者可允许使用常规透镜制造技术制造透镜，而无需例如通过去除部分透镜体积来实质上整形光学元件。该至少一部分折射面可包括至少有效地用于折射的表面。
本发明还涉及用于设计表征材料用的光学表征系统的基于计算机的方法，该系统包括衍射元件、检测器和光学元件，光学元件适于接收与要表征的材料相互作用后的射束，该光学元件具有用于将所接收的射束折射地准直到衍射元件上的折射面，并且该光学元件具有用于将所衍射的射束反射地聚焦在检测器上的反射面，该方法包括：针对光学元件相对于衍射元件的至少一个相对位置接收关于光学元件与衍射元件的参数，确定由光学元件聚焦的射束的聚焦曲线的位置，以及相对于检测器的检测器表面的位置评估所述聚焦曲线的所述位置，其中该检测器被定位于光学元件的与衍射元件相同的一侧。
本发明还涉及当在计算装置上执行时适于执行基于计算机的方法以进行设计的计算机程序产品。它还涉及存储这种计算机程序产品的机器可读数据存储设备以及在局域或广域远程通信网络上传输这种计算机程序产品。
在所附独立和从属权利要求中陈述了本发明的特定及优选方面。从属权利要求的特征可按照需要且不仅仅如权利要求书中所明确陈述地与独立权利要求的特征以及与其它附属权利要求的特征组合。
尽管本领域中的设备在不断地改进、改变和发展，但是相信本发明概念代表了包括偏离先前实践的实质上新颖且独创的进步，从而提供更有效、稳定和可靠的该类设备。
本发明的示教允许设计用于材料光学表征的经改进方法及装置，比如用于生物感测或材料表征。
本发明的以上及其他特性、特征和优点将在结合作为示例示出本发明原理的附图考虑以下详细描述中变得显而易见。给出本描述仅仅是出于示例的目的，而并不限制本发明的范围。以下引用的参考数字涉及附图。
附图简述
图1是根据本发明的第一方面的各实施例的光学表征系统的示意图。
图2a是根据本发明的第一方面的第一实施例的包括光栅的光学表征系统的一部分的X-Z横截面的示例性示图。
图2b是根据本发明的第一方面的第一实施例的包括光栅和平凸球面光学元件的光学表征系统的一部分的X-Y横截面的示例性示图。
图3是根据本发明的第一方面的第二实施例的包括浸没光栅的光学表征系统的一部分的X-Z横截面的示例性示图。
图4是根据本发明的第一方面的第三实施例的包括邻近光学元件的衍射元件和/或检测器的光学表征系统的一部分的X-Z横截面的示例性示图。
图5是根据本发明的第一方面的第四实施例的包括光学元件与衍射元件和/或检测器之间的附加透明板的光学表征系统的一部分的X-Z横截面的示例性示图。
图6是根据本发明的第一方面的第五实施例的包括光学元件与衍射元件和/或检测器之间的楔形板的光学表征系统的一部分的X-Z横截面的示例性示图。
图7a是根据本发明的第一方面的第六实施例的作为多通道光学表征系统的光学表征系统的一部分的X-Z横截面的示例性示图。
图7b是如图7a所示的X-Z横截面的示例性示图，藉此示出一个波长的辐射的光程。
图8是根据本发明的第一方面的第六实施例的作为多通道光学表征系统的光学表征系统的一部分的X-Y横截面的示例性示图。
图9是根据本发明的第一方面的第六实施例的作为多通道光学表征系统的光学表征系统的替换部分的X-Y横截面的示例性示图。
图10是如本发明第一方面所述的光学表征系统中的入射光束的模拟结果的示例性示图。
图11是可用于执行根据本发明又一方面的设计用方法的计算系统的示例性示图。
图12是可用于根据本发明又一方面的设计用方法的经折射射束、经衍射射束和经反射射束之间的不同角度的示意图。
图13是如在根据本发明又一方面的设计方法中确定的已确定聚焦曲线的示意图。
图14是用于确定聚焦曲线的可能初始位置条件的示意图，其可用于根据本发明又一方面的设计用方法中。
在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的元件。
说明性实施例的描述
将相关于特定实施例并参考特定附图描述本发明，但本发明不限于此，而仅限于所附权利要求。所描述的附图仅仅是示意性而不是限制性的。在附图中，出于说明目的，一些元件的大小可被放大并且不按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于实施本发明的实际还原。
此外，说明书和权利要求中的术语“第一”和“第二”等用于区别类似元件，而不一定用于描述先后或时间顺序。可以理解，在适当情况下如此使用的这些术语可互换，并且本文所述的本发明实施例能够以不同于本文所述或所示的其它顺序来操作。
而且，说明书和权利要求书中的术语“之下”等等用于描述性目的，而不一定用于描述相对位置。可以理解，在适当情况下如此使用的这些术语可互换，并且本文所述的本发明实施例能够以不同于本文所述或所示的其它方向来操作。
注意，权利要求书中所使用的术语“包括”不应当被解释为局限于其后所列出的手段，它并不排除其它元件或步骤。因而，它应当被解释为指定存在所引用的所述特征、整体、步骤或组件，但并不排除存在或附加一个或多个其它特征、整体、步骤或组件或者其组合。因而，“一种设备包括装置A和B”这样的表述的范围不应当限于设备仅由组件A和B组成。它是指相对于本发明，该设备仅有的相关组件是A和B。
提供以下术语仅仅是为了帮助理解本发明。这些定义不应当被理解为具有比由本领域普通技术人员所理解的小的范围。
例如光学系统中的术语“光学”和例如射束中的“照射”通常是指可见、红外或紫外辐射。然而，本发明不限于此，并且还涉及适于其它类型电磁辐射的光学系统和组件。术语“透明”通常涉及组件的结构材料的属性，其表示射束基本上不被该材料吸收，即优选地至少50％、较优选地至少80％、更优选地至少90％、还更优选地至少95％的射束透射穿过该组件。关于具有连续或准连续光谱的射束，其指包括有在电磁辐射光谱的波长范围内的、基本上代表该波长范围的波长的射束。该波长范围可跨越至少10nm、较优选地至少50nm、更优选地至少200nm、还更优选地至少500nm。
光学表征可包括从样本材料获得“光学响应”或“光学检测信号”。后者可获得射束在与流体样本相互作用之后的透射或反射部分，例如允许看到由流体样本或其中的特定分析物吸收引起的强度和/或光谱特性的改变。作为其替换或附加地，可响应于射束对样本流体的照射获得流体样本或其中任选地标记的特定分析物的诸如荧光响应之类的发光响应。通过向这些分析物提供例如辐射标签或荧光标签之类的标签，可对分析物进行标记以检测预定分析物的存在，但本发明不限于此。此类标签可直接或间接地附着到分析物。
样本材料的光学表征可包括对这样的固体、气体或流体样本的光学表征，或者对此类样本中存在的特定分析物的表征，例如蛋白质、抗体、核酸(例如DNR、RNA)、肽、少糖或多糖或糖、小分子、激素类、药剂、代谢物、细胞或细胞片段(cell fraction)、组织片段、特定化学成分等。后者可在原始样本流体中检测，或样本流体可能已被处理，诸如过滤、溶解到缓冲剂中、化学或生化改性、稀释等。样本材料可以是例如生物流体、环境流体、研究流体、包括固体样本材料的流体、固体材料等。
现在将通过对本发明若干实施例的详细描述来描述本发明。显然，根据本领域普通技术人员的知识能够配置本发明的其它实施例而不背离本发明的真实精神和技术示教，本发明仅受限于所附权利要求书的各条款。
在第一方面，本发明涉及用于表征材料的光学表征系统。通常这种表征系统例如可用于材料表征或用作生物传感器，但本发明不限于此。根据第一方面的光学表征系统包括用于接收射束的光学元件，藉此射束通常可与要研究的样本材料相互作用。光学元件中所接收的射束通常可以是在与样本材料相互作用之后获得的射束。.它可以是其中部分光谱至少部分地被吸收的射束，或者它可以是用原始射束激发样本材料之后获得的发光光束。光学表征系统通常还包括分别用于不同地衍射射束的不同光谱分量和用于检测射束的衍射元件和检测器。根据本发明的第一方面，光学元件通常具有用于将射束折射地准直到衍射元件上的折射面，以及用于将经衍射的射束反射到检测器上的反射面。因此通常将衍射元件和检测器定位于光学元件的同一侧。后者允许获得紧凑的光学系统，该光学系统允许获得光谱信息。这种表征系统的不同的标准和任选组件在图1中作为示例示出，其中图1示出根据本发明实施例的示例性光学表征系统100。
光学表征系统100通常包括适于接收射束的光学元件102、衍射元件104和检测器106。光学元件102通常可对射束基本透明。它可以是平凸光学元件。通常，这种光学元件102可由玻璃、硅石、诸如塑料之类的聚合物等制成，即允许获得足够透明度的任何合适材料。光学元件102通常可具有用于将射束折射地准直到衍射元件104上的折射面108，以及用于将所衍射的射束反射到检测器106上的反射面110。折射面108通常可通过利用光学元件102的例如平凸透镜元件的凸透镜元件来获得。此外，反射面110也可通过利用凸透镜元件来获得。折射面180和反射面110可以是光学元件的同一凸面的一部分。折射面或反射面可成形为使得其镜像部分与另一表面(例如分别为反射面或折射面)的至少一部分一致。这种镜像部分还可被称为镜面对称部分。折射面或反射面可以是光学元件关于光学元件的镜轴或镜面的镜像表面。光学元件可包括对称轴使得反射面与折射面关于对称轴对称。曲面透镜表面可以是球面的或者可以是任何其它合适的形状。它可以是例如专用的非球面曲面以便更好地将所有波长聚焦在检测器平面中。专用非球面形状可以例如通过使用光学建模软件来确定，比如可从Zemax开发公司(Zemax DevelopmentCorporation)购得的
Figure A200780032570D0013105946QIETU
、可从光学研究协会(Optical Research Associates)购得的、可从Lambda研究公司(Lambda Research Corporation)购得的
Figure A200780032570D0013110014QIETU
或者可从Breault研究机构(Breault Research Organisation)购得的高级系统分析程序ASAPTM。光学元件102可按任何合适的方式从仿型模(master form)研磨、模制或激光烧蚀、计算机数控车削或复制成特定形式。
如上所述，通常例如平凸透镜的凸透镜的部分曲面可用作折射面108。例如，光学元件102可以是平凸球面透镜元件，其中透镜元件的部分球面用作折射面108，或者它可以是平凸(部分地)柱面透镜元件，其中透镜元件的部分柱面用作折射面108。反射面110通常可通过用反射材料涂敷光学元件的一部分获得，比如用反射金属或用反射电介质涂层，例如薄膜叠层。通常平凸透镜元件的部分曲面可涂敷有反射材料。优选地针对射束的波长范围获得高反射系数，比如80％、优选地90％、更优选地95％的反射率。通常，在光学元件是平凸球面透镜或平凸柱面透镜的情况下，光学元件102的部分涂敷可以是对透镜元件的柱面或球面的部分涂敷。因而光学元件102可用作执行折射和反射两种动作的反射折射元件。例如在构想了多通道光学表征系统的情况下，光学元件102可以是在一个方向上至少部分地平移不变的光学元件102，比如平凸柱面透镜元件。在构想了多通道光学表征系统的情况下，光学元件102可由光学表征系统的多个或所有通道共用。本发明各实施例的一个优点是光学元件可由常规或标准光学组件制成，诸如例如平凸透镜元件的凸透镜，而无需对光学元件整形。后者对减少制造精力是有利的，并且允许提高精度和/或减少可产生的制造误差的量，因为它避免了这些附加的处理步骤。换言之，正常的多用途透镜可用作光学元件102。折射面108可允许准直照射照明并且将经准直的射束置于衍射元件104上。后者可允许获得其中在后续光学组件如折射面108、衍射元件104、反射面110和检测器106之间的距离与折射面或反射面的焦距一致的系统，从而产生精确的系统。
衍射元件104通常可以是光栅。这种光栅可以是刻划的(ruled)或者全息的。它可具有例如正弦形状的对称形状、例如锯齿形的闪耀形状或这两种形式之间的形状。它还可包括阶梯式的锯齿形。例如，光栅可在光学元件102的底部形成，或者它可以是独立组件。它可被反射层覆盖。例如，光栅可通过使用开槽刻划(groovingruling)、电子束光刻、紫外线光刻、聚焦离子束等制成。如果衍射元件104是独立元件，则可例如通过使用光学透明的粘合剂或以任何其它合适方式使其与光学元件102直接接触。这种光学透明的粘合剂可以是例如环氧树脂、胶水、硅化物等。优选地该粘合剂可以是折射率匹配材料，从而可获得从光学元件102到衍射元件104的最佳过渡。然而后者不是必要的，因为对于较小的折射率差异，寄生的菲涅耳反射通常是较小的。通常可将衍射元件104定位于光学元件102的平面之下，例如在平凸光学元件的平面之下。通常，衍射元件104可被调整成使得射束被充分地衍射以解析感兴趣的不同波长。例如，衍射元件104还可以是浸没光栅，这是指衬底是透明的并且光栅被定位于衬底的底部。在构想了多通道光学表征系统的情况下，衍射元件可由光学表征系统的多个或所有通道共用。
所使用的检测器106通常可适于检测来自流体样本的光学检测信号。后者例如可以是经透射射束、经反射射束、响应于射束的荧光信号的任一个。检测器106通常可适于检测照射强度。这种检测器106例如可以是光电检测器，比如光电二极管或像素化(pixelated)检测器。通常，根据本发明的第一方面，检测器可以是区域敏感检测器或像素化检测器，从而允许同时检测多个不同光学信号，例如允许同时检测不同光谱分量。光学表征系统100可包括多个检测器元件106或者光学检测器元件106的2D阵列。检测器106可集成到光学元件102中或者它可被设置为独立元件。例如通过使用光学透明的粘合剂或以任何其它合适方式可将其设置为与光学元件102直接接触。这种光学透明的粘合剂可以是例如环氧树脂、胶水、硅化物等。优选地该粘合剂可以是折射率匹配材料，从而可获得从光学元件102到检测器106的最佳过渡。然而后者不是必要的，因为对于较小的折射率差异，寄生的菲涅耳反射通常是较小的。在构想了多通道光学表征系统的情况下，检测器106可由光学表征系统的多个或所有通道共用。
通常，光学元件102被调整成引导从样本接收的射束使得衍射和检测在光学元件102的同一侧进行。衍射元件104和检测器106可被定位成靠在光学元件102的表面上。它们可被定位于同一平面中，或者衍射面和检测面相对于彼此成一角度。
光学表征系统100通常还可包括照射源112、用于将照射源112中产生的射束聚焦到样本材料的射束形成系统114、用于固定要表征样本的样本架116以及用于在从样本材料获得的射束入射到光学元件102上之前调节该射束的形状的孔径装置118。光学表征系统和样本架可适于将样本定位于离光学元件一定距离，该距离在折射面的曲率半径的一倍和四倍之间，即
1×ρ≤p≤4×ρ
其中ρ是光学元件的折射面的平均曲率半径。最佳地，样本的位置离光学元件的距离是光学元件的焦距。如果使用由玻璃制成的光学元件，则后者导致距离是光学元件的折射面的曲率半径的大约两倍。
照射源112通常可适于提供射束。射束例如可以是光束。照射源112可以是用于提供射束的任意合适的照射源，比如激光器或多个激光器、白光源、经过滤的白光源、LED或多个LED等。照射源112可包括一个或一行光学探测射束、或光学探测射束的2D阵列。射束可包括用于与样本材料相互作用和/或激发样本材料的任一或多个合适波长。通常，例如为了进行光谱测量，在射束中可存在一定范围的波长。换言之，射束可包括连续或准连续光谱。射束可通过使用射束形成系统114在样本材料上成像。射束形成系统114通常可包括光学元件。在构想了多通道光学表征系统的情况下，照射源112和射束形成系统114两者可由光学表征系统的多个或所有通道共用。
样本架116可以是用于固定样本材料的任何合适固定装置。它可按透射或反射的方式使用。透射样本架通常可由透明材料制成，以便基本上不吸收要检测的光学信号。样本架可适于固定固体样本或流体样本。例如它可调整成允许流体样本流过测量腔，从而例如在填充测量腔期间允许测量光学检测信号。通常样本架116可适于固定多个样本材料，从而允许多路复用，即同时测量不同的样本。在后一情形中，光学表征系统通常可以是多通道系统，其将在这些实施例之一中更详细地描述。
通常光学表征系统100还可包括用于在从样本材料获得的射束入射到光学元件102上之前调节该射束的形状的孔径装置118。这种孔径装置118通常可以是入口孔或入口狭缝。孔径装置118可以是物理狭缝，像不透明板中的开口，但是还可以是所研究样本的空间受限体。入口狭缝的形状和/或宽度是可选择的。优选地，入口狭缝可定位于光学元件102的折射面108的焦点处，从而允许通过折射面108准直射束。
光学表征系统还可包括估算单元，从而允许估算所检测的光学信号。这种估算单元120可包括诸如例如微处理器之类的处理装置和/或用于存储所获得的和/或经处理的估算信息的存储器组件。此外可存在典型的输入/输出装置。可使用适当的软件或用于执行估算步骤的专用硬件处理装置来控制估算单元120。
光学表征系统100还可包括用于监视照射样本架中的样本材料的照射属性的光学控制系统122。使用光学控制系统122可允许校正例如由样本引入的光学失配或影响、灯的不稳定性或者不同组件相对于彼此的漂移。这些照射属性可包括光束在通过样本材料之后的位置和/或传播方向、焦距、横向对准等。监视照射属性可通过检测部分照射响应信号来执行。例如，后者可在通过样本材料之后且在进入光学组件之前通过分解照射响应信号获得。光学控制信号通常可由作为光学控制系统122一部分的附加检测器来检测。例如，对部分照射响应的分解可由分束器124执行。作为其替换或附加，还可由例如旋转镜或分解器执行分解，其将照射响应信号以规则间隔偏转到附加检测器126从而产生光学控制信号。附加检测器126可以是用于估算光学检测信号束属性的任何合适的检测器。例如，它可以是适于提供关于焦点、一个方向上的对准或两个方向上的对准的信息的单个元件，即行检测器或二维检测器。检测器126可适于检测光学检测信号束及相应射束的形状。对照射的照射属性的监视可包括将照射的照射属性与参考值相比较、使用基准测量、与先前测量的结果相比较、与查找表相比较等。所获得的信息可用于对来自检测单元的数据进行后处理，以便例如改善测量结果中的误差。本系统和方法可按自动或自动化的方式使用/执行。可使用预定算法来执行监视和/或后处理。或者，所获得的信息可用于向光学表征设备提供反馈，藉此可调节特定组件或其位置。因而它可以是或不是反馈系统的一部分。
在一个实施例中，针对由光学表征系统100的不同组件之间的失配导致的测量误差进行补偿，其中这种失配导致例如探测光束和检测器106之间失配的失配，比如归因于横向失配的部分重叠。可被至少部分地补偿的替换失配误差可以是探测射束和衍射元件之间的失配，即藉此光落到紧接衍射元件处。因而它可用于检测横向失配，比如横向射束失配，但是还可用于例如检测射束在传感器表面上的倾斜入射。
现在将通过多个具体实施例和示例示出本发明的不同方面，但本发明不限于此。
在根据本发明第一方面的第一实施例中，光学表征系统100的配置示为在本实施例中是衍射光栅的衍射元件104、检测器106和光学元件102之间的示例性配置。在图2a中以X-Z横截面示出这种系统100，X-Z横截面是与衍射光栅的槽垂直的横截面。本实施例的光学元件102是部分涂敷的平凸透镜元件。光通常照射在未涂敷部分上并且通过光学元件102的曲面准直。通常，为了完成准直，光学表征系统的孔径118即入口狭缝通常可被定位于平凸透镜的焦点附近以便适于透镜的特定入射方向。这种孔径可根据样本的形状和/或大小隐含地呈现。射束在光学元件102中被折射面108折射。在光学元件102内，射束向定位于平凸透镜的表面之下的衍射元件104传播。射束在衍射元件104处衍射之后，射束重新进入光学元件102或者在光学元件102中前进并向光学元件的反射面110传播。该反射面用作镜面并将射束聚焦到检测器106上，检测器106通常被定位于平凸透镜的平面之下并与衍射元件104在光学元件102的同一侧。在图2b中，针对包括旋转对称(圆形)元件102的系统示出光学表征系统的与衍射槽平行的X-Y横截面，但是本实施例不限于此。于是影响组件的一些位置参数的光学元件102的曲率通常在X-Y和X-Z横截面上相等。针对入射照射与光学元件102的光轴的一定角度和球面光学元件102的一定半径，可计算出光学元件102的期望高度，并且可最佳地定位衍射元件104和检测器106。通常，为最佳地定位不同的元件，针对射束的一定入射角、光学元件102的一定曲率半径以及一定波长范围，移动光学元件的曲线原点，例如球面的中心点直至在检测器上实现最佳聚焦，其中如果光学元件是部分球面透镜表面则该透镜表面是该球面的一部分。通常由此可执行对曲线原点的两维扫描以便优化元件位置。另一方面，这些距离通常完全由光学元件102在XY平面内的曲率所限定，并且因而使用球面透镜在该平面内聚焦通常是不完美的，这是由径向焦点和切向焦点之间的差异引起的。整个光学表征系统配置的简单补偿了这个小缺点。通过使用具有局部变化且方向相关的曲率的非球面光学元件102，可以解决该聚焦问题。而且，XY平面内的非理想聚焦实际上并不是问题或缺点，因为射束在该平面内的扩散不能影响光学表征系统的分辨率。较宽阔的检测器106可简单地用于捕捉波束。
在根据第一方面的第二实施例中，提供例如根据第一实施例但不限于此的如上所述的光学表征系统，其中所使用的衍射元件104是浸没光栅204。通常可将光栅的波形侧定向为远离光学元件102。通常，在这种配置中，照射需要两次通过光栅衬底。可使光栅204的平坦侧与光学元件102光学接触。浸没光栅204可以是覆盖有反射层的透射光栅。图3示出根据第二实施例的光学表征系统100的一部分的示例性设置的X-Z横截面。
在根据第一方面的第三实施例中，提供例如根据第一和/或第二实施例但不限于此的如上所述的光学表征系统，其中衍射元件104或检测器106中的至少之一相对于光学元件102是独立组件，但是其中使用光学透明的粘合剂252使这些独立组件中的至少之一与光学元件102光学接触。该粘合剂252可以是环氧树脂、胶水、硅化物等。理想地，粘合剂252可与光学元件材料折射率匹配，但这不是必要的，因为对于较小的折射率差异，寄生的菲涅耳反射是较小的。图4示出根据本实施例的光学表征系统的示例性部分的X-Z横截面。或者，代替使用光学透明的粘合剂252，还可在中间使用非粘性透明流体并在光栅/检测器侧使用例如胶水的粘性非透明粘合剂。
在根据第一方面的第四实施例中，提供例如根据任何以上实施例但不限于此的如上所述的光学表征系统，藉此在光学元件102与衍射元件104或检测器106中的至少之一之间设置附加光学板302。这种板通常可以是透明板。它可由玻璃、硅石或诸如例如塑料的聚合物制成。当使用多用途透镜时后者尤其有利，因为透镜的高度可能不是用于引导射束的期望高度。通过在光学元件102与衍射元件104和检测器106中的至少之一之间定位附加透明板，可实现曲面108、110与检测器106及衍射元件104之间的有利距离。通常分光计的各个组件之间的光学接触是优选的，因为后者允许减少或避免额外反射从而减少或避免光的额外损耗以及非期望杂散光。使用这种透明板可导致不同组件的对准，这实质上是二维对准问题而不是通常更困难的三维对准问题。对于精选的板厚度，只有彼此相关的光栅、检测器和平凸透镜的位置保持对准，藉此可固定这些组件之间的距离。通过将所有组件定位成与板的表面紧密接触，还可大大减少制造和/或使用期间的组件倾斜并且对准可变成几乎真正二维的。当将衍射元件104和/或检测器106直接定位到平凸光学元件102的平面上时可获得相同的优点。图5示出根据本实施例的光学表征系统100的示例性部分的X-Z横截面。
在根据第一方面的第五实施例中，提供例如根据任何以上实施例但不限于此的如上所述的光学表征系统，其中在一方的光学元件102与另一方的衍射元件104和/或检测器106之间定位楔形板352。这种楔形板352通常可以是透明板。对于衍射元件104和检测器106两者，均可存在楔形板。通常平凸光学元件102的表面和衍射元件104或检测器106之间的角度可被包括在0°到30°的范围内，例如在0°和20°之间或0°和10°之间。更一般地，可相对于光学元件的表面以一定角度定位衍射元件104和/或检测器106。后者可避免寄生反射返回到系统中。相关于光学元件定位衍射元件104和/或检测器106的角度可以在0°到30°的范围内，例如在0°和20°之间、例如在0°和10°之间。可执行这种倾斜的方向可以相对于光学元件的平面的任何合适的方向上。检测器106和衍射元件104可相关于它们表面上的法线被轻微地旋转，例如在0°到30°的范围内，例如在0°和20°之间或0°和10°之间，以避免杂散光并优化分辨率。两板的角度可允许将更多参数引入系统中并且因而可导致检测器上的更好聚焦以及更好的分辨率。衍射元件104和检测器106之间由透明板引入的角度以及高度可以是不同的。在一些情况下，针对衍射元件104和检测器106，这两个楔形板可被由一共用的楔形板代替。还可将第四实施例所述的透明板与一个或多个透明楔形板352组合成单个板。此外，还可将楔形板352、透明板302和光学元件102组合成一个特定形式的光学设备。图6示出根据本实施例的光学表征系统100的示例性部分的X-Z横截面。
在根据第一方面的第六实施例中，本发明涉及例如任何以上实施例中但不限于此的如上所述的光学表征系统100，其中光学表征系统100是多通道系统，即其中可并行地研究多个样本的多通道光学表征系统。换言之，根据本实施例的光学表征系统100通常允许多路复用。这种多路复用可允许同时测量多个样本材料。通常，不同的组件将被调整成便于这种多通道系统。通常光学元件102将是至少部分地平移不变的。例如，它可以是平凸柱面透镜。例如它可以是至少部分地柱面的。换言之，根据X-Z方向即垂直于光栅线的横截面可偏离部分圆形的弧并且可以是非球面的，但是在例如平凸柱面透镜的平凸透镜的每个横截面中是相同的。在图7a中以X-Z横截面示出这种光学表征系统的示例性实施例的横截面。为进一步示出射束的光程，作为示例示出一个波长的射束的光程，其示出辐射波束如何通过光学组件。辐射波束因此被准直到衍射元件104，如射线1001所示，随后被衍射到反射元件，如射线1002所示，其后它被反射到检测器106，如射线1003所示。图8中也示出了这些光线。
至少部分地平移不变即在Y方向上平移不变的光学元件102，诸如例如平凸柱面光学元件102，通常不在X-Y平面内提供任何聚焦或准直。因此，在本实施例中，通常提供第二平凸或凸凸透镜402用于将射束聚焦在通道中。这种第二平凸透镜通常可以是平凸柱面透镜。第二透镜402可适于在其中光学元件102至少部分地平移不变的方向上聚焦射束。这种第二透镜402通常可被定位于光学元件102的折射面110之上，以便提供聚焦或准直。因为该第二透镜402的曲率位于X-Y平面内，所以在图7a或图7b中看不到它。图8示出这种多通道分光计在X-Y平面内的横截面。现在从非曲面侧俯视光学元件102且反射面110朝向观看者。将检测器106定位于衍射元件104的前面。在图8中，只有光学元件102和下面的透明板302在各个光学表征系统通道之间共享。对于每个通道，示出例如柱面透镜的独立的较小第二透镜402、独立的衍射元件104和可以是线性检测器阵列的独立检测器106。
图9示出与图8类似的配置的X-Y横截面，其中更多组件在各个通道之间共享。例如，衍射元件104可在光学表征系统100的多个或所有通道之间共享，或者检测器106可在光学表征系统100的多个或所有通道之间共享。在这种情况下检测器106可以是二维检测阵列。第二透镜402还可被制作为单个组件。组合多个组件减少了装配光学表征系统期间需要注意的对准的数量，从而一般产生更精确的系统或者较小的制造或对准精力。在图8和图9所示的实施例之间，通过共享或多或少组件的各种类似的实施例是可能的。在图9所示的实施例中，各个组件之间可能的对准的数量变得非常少并且与通道的数量无关。此外，光学表征系统100还可针对光学表征系统100中的不同通道共享照射源和射束形成系统。因而该系统可以是紧凑的多路复用光学表征系统。
在第二方面中，本发明涉及一种用于光学地表征材料的方法。光学表征可以是确定来自材料的发光或荧光或拉曼响应、确定材料的吸收特性等。通常，该方法包括用射束照射材料，从而允许射束与材料相互作用。所引起的照射响应可以是由原始射束激发产生的经衰减射束或发光射束，其通常可在光学元件中捕捉到。该方法还包括将照射响应折射为入射在衍射元件上的经准直的照射响应，其中照射响应被该衍射元件衍射。该方法还包括将经衍射的照射响应反射到检测器并且在衍射该照射响应的光学组件的同一侧检测经反射的射束。该方法尤其适于使用如本发明第一方面所述的光学表征系统来执行。该方法还可包括估算所检测的照射响应并向用户提供合适的输出。该方法可按自动化和/或自动的方式来执行。
在第三方面中，本发明涉及适于辅助材料光学表征的光学元件102。光学元件102通常适于接收射束，该射束通常可以是来自要表征材料的照射响应。光学元件还适于与衍射元件和检测器一起使用，其中该光学元件具有用于将射束折射地准直到衍射元件上的折射面并且该光学元件具有用于将经衍射的射束反射到检测器上的反射面。通常光学元件适于与定位于光学元件同一侧的衍射元件和检测器协作。光学元件还可适于在与定位有衍射元件和检测器元件的一侧的相反侧接收射束。后者可通过与光学元件的折射面在同一侧的光学元件反射面获得。因而光学元件通常可以是反射折射元件。反射面可通过部分地涂敷光学元件的曲面获得。在光学元件中发生的反射次数可以是两次或更少。针对第一方面所述的光学表征系统的光学元件102更详细地描述了本光学元件的其它特征和优点，因而其也适于本发明的本方面的光学元件。
作为例示，示出根据本发明各方面的各实施例进一步示出各特征和优点的数值示例。本示例中的光学元件102由硅石制成。图10示出波长在220nm和720nm之间的入射射束的模拟结果。通常使用光线跟踪模拟来进行模拟。未示出光学表征系统的入口狭缝，但是其可从入射多色波束的形状推断出。射束入射在光学元件102上，即在光学元件102的折射面108上。射束被引导通过光栅104上的附加硅石板，其中它被衍射成不同的单色。本示例的光栅包括600槽/mm。随后具有不同颜色的不同的子射束被反射面110反射到检测器106。本示例中的光栅被用作浸没光栅并且检测器在附加透明板之下较小距离处，且该中间距离用具有与透镜的折射率类似的折射率的物质填充。在本示例中，射束关于平凸光学元件102的平面的法线的入射角是9°。衍射元件104的中心点位于水平方向离球面透镜表面的曲率中心为半径的0.05倍的距离处。平凸球面透镜的平面在垂直方向位于离球面透镜表面的曲率中心为半径的0.52倍处且在曲率中心之上。该模拟示出根据本发明各实施例的一些原理。出于清楚的原因，在本示例中，射束使用的不是连续光谱而是由8个不同多色波长组成的光源。因而各个波长在检测器上的聚焦可更好地显现。在连续光谱的情况下，将在检测器上形成连续聚焦而不是8个分开的图像。
对于本领域的技术人员而言，用于实现光学元件的目的的其它装置以及使本发明具体化的光学表征系统及方法将是显而易见的。
可以理解，尽管本文针对根据本发明的设备讨论了优选实施例、具体结构和配置以及材料，但是可做出形式和细节上的各种改变或更改而不背离本发明的范围和精神。例如，尽管各个方面和实施例涉及用于光学地表征材料的设备和系统，但是本发明在又一方面中还涉及用于设计光学表征系统的方法。光学表征系统通常包括光学元件102，该光学元件102具有用于折射地准直射束的折射面和用于反射地聚焦经衍射的射束的反射面。光学表征系统通常还包括衍射元件104和检测器106，它们被定位于光学元件102的同一侧。通常，这种设计用方法是基于计算机的方法，其包括接收关于光学元件102和衍射元件104的参数。该方法通常还包括针对光学元件102相对于衍射元件104的至少一个位置，确定由光学元件102聚焦的射束的聚焦曲线606(在图13中作为示例示出)的位置。聚焦曲线606通常是包括针对波长范围内每个波长的所有聚焦点的曲线。该方法还包括估算所述聚焦曲线606相对于检测器元件106的检测器表面的位置的所述位置，其中检测器元件106被定位于光学元件102的与衍射元件104相同的一侧。
接收关于光学元件102和衍射元件104的参数通常可包括接收光学元件的所选曲率半径R、照射在衍射元件上的光的入射角θin以及衍射元件的栅距。光学元件102的曲率半径R通常可受到可用的现有组件的限制，但是本发明不限于此，并且光学元件还可根据要求以及通过所构想的光谱测定系统的最终大小来制造。半径R越大，系统的最终大小越大，但是针对特定输入狭缝宽度分辨率将越好。出于设计的目的，例如如果光学元件的曲面不是球面的一部分，则曲率半径可以是平均曲率半径。或者，在更复杂的情况下，例如可通过输入全部表面形状信息来考虑不同的曲率半径。衍射元件的栅距也可受到现有组件选择的限制，但这取决于位于600和2400槽/mm之间的目标波长范围，该范围与分别为1.67μm和0.4167μm之间的栅距相对应。当射束照射在衍射元件上时其与该衍射元件上的法线的角度θi将确定分光计的f值。典型值可以在-10度和30度之间。
针对光学元件102相对于衍射元件104的至少一个相对位置确定由光学元件102聚焦的射束的聚焦曲线606的位置可使用光学建模软件来进行。确定聚焦曲线606的位置可包括定位光学元件102，从而相对于衍射元件104定位其曲线原点604，在图11中衍射元件104被定位于602。取决于光学元件102的曲面的确切形状，可存在多个曲线原点。在后例中，可使用平均曲线原点或可考虑所有的曲线原点。为针对由光学元件102聚焦的射束确定聚焦曲线606的位置，通常可考虑后面的光程。通常来自入口狭缝且落到光学元件102上的光可被折射地准直并且可落到衍射元件104上。后者在图12中示出，其示出入射在衍射元件102上的射束关于衍射元件表面的法线的角度，该角度在此被称为θin。使用由下式给出的光栅等式来估算所衍射的射束的角度：
λ＝nd(sinθin-sinθout)
或者
θ out = a sin ( λ nd - sin θ in )
其中λ是光束的波长，n是光学元件的折射率并且d是衍射元件的栅距。在衍射之后，仍然准直的光束通常可从光学元件的曲面反射出并且可被聚焦。这种反射通常可以是镜面的，这是指光与局部表面上的法线的入射角和出射角是相等的，如图12所示。光束的聚焦通常可出现在离曲面f的距离上，其中f由曲率半径R以及光束与表面上的局部法线之间的角度，称为θm，确定。
f = R · cos θ m 2
对于波长范围内的每个波长，衍射方向和所得到的聚焦点是不同的。波长范围内全部波长的所有聚焦点形成被称为聚焦曲线606或焦点轨迹的曲线。图13示出聚焦曲线606的示例。
估算所述聚焦曲线相对于检测器106的检测器表面的位置的所述位置通常可包括将聚焦曲线606的位置与检测器106的检测器表面的合适位置相比较，其中检测器106被定位于光学元件102的与衍射元件104相同的一侧。后者可通过将所获得的结果与诸如例如聚焦曲线的位置与可能的、合适的或优选的检测器表面位置的差异的最小值之类的预定估算标准相比较，通过将所获得的结果与先前获得的结果相比较并选择具有最小位置差异的结果等来执行。
可随机地或根据预定算法来选择光学元件和衍射元件的适当相对位置。该优化的良好起点可以是图14所示的位置。
通常可针对光学元件相对于衍射元件104的许多相对位置来确定和估算聚焦曲线606。通过扫描光学元件的位置进而扫描曲线原点的位置，聚焦曲线的位置和形状改变并且可确定良好的或最佳的位置。估算标准可以是聚焦位置与优选的检测器位置重叠至少20％、优选地至少40％、更优选地至少60％。后者可以在由光学组件的一侧确定的平面内、由衍射元件确定的平面内等。在理想的情况下，聚焦曲线将是平的，并将与光学元件表面一致且与可用检测器一样宽。
通常该方法可按自动和/或自动化的方式来执行。它可使用预定算法或例如神经网络来执行。可使用光学建模软件来确定聚焦曲线位置，比如可从Zemax开发公司购得的可从光学研究协会购得的
Figure A200780032570D00234
可从Lambda研究公司购得的
Figure A200780032570D00235
或可从Breault研究机构购得的高级系统分析程序ASAPTM，或者可使用允许例如通过模拟确定聚焦曲线606的位置的任何其它合适的软件来确定聚焦曲线的位置。
上述设计方法可在诸如图11中所示的处理系统500中实现。图11示出处理系统500的一个配置，其包括耦合到存储器子系统505的至少一个可编程处理器503，存储器子系统505包括至少一种形式的存储器，例如RAM、ROM等等。应当注意，一个或多个处理器503可以是通用的或专用的处理器，并且可被包括在设备中，例如具有执行其它功能的其它组件的芯片。因而，本发明的一个或多个方面可在数字电子电路中或者在估算机硬件、固件、软件或它们的组合中实现。处理系统可包括具有至少一个磁盘驱动器和/或CD-ROM驱动器和/或DVD驱动器的存储子系统507。在一些实现中，可包括显示系统、键盘和指示设备作为用户接口子系统509的一部分以便向用户提供手动输入信息。还可包括用于输入和输出数据的端口。可包括更多的元件，比如网络连接、与各种设备的接口等等，但是并未在图11中示出。处理系统500的各个元件可按各种方式耦合，包括经由图11中为简单起见示为单条总线的总线子系统513耦合，但是本领域的技术人员将会理解其包括具有至少一条总线的系统。存储器子系统505的存储器有时可保存当在处理系统500上被执行时实施本文所述的方法实施例的步骤的一组指令的部分或全部(两种情况下均示为511)。因而，尽管诸如图11中所示的处理系统500是现有技术，但是包括实现用于设计光学表征系统的设计方法的各方面的指令的系统不是现有技术，因此图11未被标记为现有技术。
本发明还包括当在计算设备上被执行时提供根据本发明的任何方法的功能的计算机程序产品。这种计算机程序产品可被有形地具体化在携带用于由可编程处理器执行的机器可读代码的载体介质中。本发明因而涉及携带计算机程序产品的载体介质，其中当该计算机程序产品在计算装置上被执行时其提供用于执行任何上述方法的指令。术语“载体介质”是指参与向处理器提供指令以供执行的任何介质。这种介质可采用很多形式，包括但不限于非易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如光盘或磁盘，诸如作为海量存储器一部分的存储设备。普通形式的计算机可读介质包括CD-ROM、DVD、软磁盘或软盘、磁带、存储器芯片或盒式磁盘或者计算机可从其中读取的任何其它介质。各种形式的计算机可读介质可用于将一个或多个指令的一个或多个序列传送到处理器以供执行。计算机程序产品还可在诸如LAN、WAN或因特网之类的网络中经由载波传输。传输介质可采用声波或光波的形式，诸如在无线电波和红外数据通信期间产生的那些。传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，包括构成计算机内总线的电线。

Claims (25)

1.一种适于接收射束且适于与衍射元件(104)和检测器(106)一起使用的光学元件(102)，所述光学元件(102)在第一侧上具有用于将所接收的射束折射地准直到衍射元件(104)上的折射面(108)并且所述光学元件(102)具有用于将经准直的由所述衍射元件(104)衍射的经衍射射束反射到检测器(106)上的反射面(110)，所述光学元件(102)适于使所述衍射元件(104)和所述检测器(106)被定位于所述光学元件(102)的与所述第一侧相反的同一侧。
2.如权利要求1所述的光学元件(102)，其特征在于，所述光学元件(102)是反射折射元件。
3.如权利要求1到2中任一项所述的光学元件(102)，其特征在于，所述光学元件(102)是部分涂敷的透镜元件，所述涂层是反射性的。
4.如以上权利要求中任一项所述的光学元件(102)，其特征在于，所述折射面(108)和所述反射面(110)被定位于所述光学元件的同一侧。
5.如权利要求4所述的光学元件(102)，其特征在于，所述折射面(108)和所述反射面(110)是所述光学元件(102)的同一凸面的一部分。
6.如以上权利要求中任一项所述的光学元件(102)，其特征在于，所述折射面(108)或所述反射面(110)中的至少之一分别在所述反射面(110)或所述折射面(108)上具有镜像部分。
7.如权利要求1到6中任一项所述的光学元件(102)，其特征在于，所述光学元件(102)是平凸元件。
8.如权利要求1到7中任一项所述的光学元件(102)，其特征在于，所述光学元件(102)被调整成使得检测器要检测的入射射束在所述光学元件(102)中的反射次数是两次或更少。
9.如权利要求1到8中任一项所述的光学元件(100)，其特征在于，所述光学元件在第一方向上至少部分地平移不变。
10.一种用于表征材料的光学表征系统(100)，所述系统(100)包括衍射元件(104)、检测器(106)和如权利要求1到9中任一项所述的光学元件(102)。
11.如权利要求10所述的光学表征系统(100)，其特征在于，所述衍射元件(104)和所述检测器(106)与所述光学组件(102)接触。
12.如权利要求10到11中任一项所述的光学表征系统(100)，其特征在于，所述衍射元件(104)的接收侧和所述检测器(106)的接收侧被定位于同一平面内。
13.如权利要求10到12中任一项所述的光学表征系统(100)，其特征在于，所述光学表征系统(100)适于使用具有连续光谱或准连续光谱的射束。
14.如权利要求10到13中任一项所述的光学表征系统(100)，其特征在于，所述衍射元件(104)或检测器(106)中的任一个在所述光学元件(102)的表面上形成。
15.如权利要求10到14中任一项所述的光学表征系统(100)，其特征在于，所述光学元件(102)被调整成使得入射射束在一定角度下入射在所述衍射元件(104)上，并且其中所述检测器(106)还适于检测镜面反射零阶射束。
16.如权利要求10到15中任一项所述的光学表征系统(100)，其特征在于，所述光学表征系统(100)是适于并行地表征多个样本的多通道光学表征系统。
17.如权利要求16所述的光学表征系统(100)，其特征在于，所述光学表征系统(100)的所述衍射元件(104)是所述光学表征系统的不同通道共用的衍射元件(104)。
18.如权利要求16到17中任一项所述的光学表征系统(100)，其特征在于，所述光学表征系统(100)的所述检测器(106)是所述光学表征系统的不同通道共用的检测器(106)。
19.如作为权利要求8从属权利要求的权利要求16到18中任一项所述的光学表征系统(100)，其特征在于，所述光学表征系统(100)还包括针对每个通道的用于将所述通道中的射束在第一平凸透镜平移不变的方向上聚焦或准直的第二平凸透镜。
20.如权利要求15到18中任一项所述的光学表征系统(100)，其特征在于，所述光学表征系统(100)包括用于将所述样本定位于离所述光学元件一定距离的样本架，所述距离在所述折射面的曲率半径的一倍和四倍之间。
21.一种用于光学地表征材料的方法，所述方法包括：
-用射束照射材料从而产生照射响应
-其后，
-在所述光学元件(102)的第一侧上将来自所述样本的所述照射响应折射为光学元件(102)处的经准直的照射响应，
-衍射经准直的照射响应从而产生经衍射的照射响应
-在所述光学元件(102)处反射所述经衍射的照射响应从而产生经反射的照射响应，以及
-在所述光学元件(102)的所述经衍射的照射响应的同一侧检测所述经反射的照射响应，所述同一侧与所述光学元件(102)的所述第一侧相反。
22.一种用于设计用于表征材料的光学表征系统(100)的基于计算机的方法，所述系统(100)包括衍射元件(104)、检测器(106)和如权利要求1到9中任一项所述的光学元件(102)，所述方法包括：
-接收关于所述光学元件(102)和所述衍射元件(104)的参数
-针对所述光学元件(102)相对于所述衍射元件(104)的至少一个相对位置
-确定由所述光学元件(102)聚焦的射束的聚焦曲线(606)的位置，以及
-估算所述聚焦曲线(606)相对于所述检测器(106)的检测器表面的位置的所述位置，其中所述检测器(106)被定位于所述光学元件(102)的与所述衍射元件(104)相同的一侧。
23.一种计算机程序产品，当在计算装置(500)上执行时其适于执行设计用的如权利要求22所述的基于计算机的方法。
24.一种存储如权利要求23所述的计算机程序产品的机器可读数据存储设备。
25.在局域或广域远程通信网络上传输如权利要求23所述的计算机程序产品。
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