CN102460251B - 用于基于堆叠波导来变换光学输入场的纵横比的装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种由堆叠的板条形波导构成的装置，这些板条形波导的输出垂直地交错。在堆叠的波导的输入处，到每个板条的入口位于近似相同的竖直平面中。成像到输入上光斑将在没有实质性的亮度损失的情况下被变换成近似于在输出处的交错式矩形的集合，该交错式矩形可以充当光谱仪装置的便利输入。可以添加狭缝遮罩以在空间上对输出进行滤波，以便在光谱仪装置的与光谱仪色散平行的平面中保留期望的横贯宽度。

Description

用于基于堆叠波导来变换光学输入场的纵横比的装置
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2009年6月5日提交的、名称为“Apparatus For Transforming The Aspect Ratio Of An OpticalInput Field Based On Stacked Waveguides”的美国临时专利申请序列号No.61/184,660的优先权，该申请在此通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明涉及在没有实质性亮度损失的情况下将形状为标称的圆形的物体光学变换为具有非一纵横比的物体。当将输出的纵横比选择为高时，所得的形状尤其适合作为基于衍射光栅的光谱仪的输入。
背景技术
当出于收集来自物体的光的目的而使用光辐射的光束来照射物体时，照射光束的最佳形状通常是接近圆形。如果例如物体具有体积散射性质，并且期望观测背向散射的辐射，则对于具有有限视场的成像系统而言，用于采集最大部分的背向散射光的最佳几何形状是对中心位于圆形照射束中心上的区域进行成像。
如果期望使由物体散射或透射的光经历光谱分析，并且光谱仪是基于衍射的，则向具有高纵横比的光谱仪呈现标称的矩形输入是有利的，其中矩形的短轴在光谱仪的色散方向上。这种布置优化了光谱仪的分辨率。因而，如果对采集来自具有近似一的纵横比的区域的光以及向光谱仪提供标称的矩形形状的高纵横比输入这两者都是有利的，则期望找到一种将近似一的纵横比的光斑光学地转换成高纵横比输出的布置。当然除光谱仪之外，可以存在其中这种光学转换可以是有利的其他情形，并且对于这种转换器的有用性而言，并不限于光谱仪。
有时使用光纤束来实现从近似一的纵横比的光斑向高纵横比输出的转换，在该光纤束中，在采集光的一端将光纤排列为紧密捆扎的几何形状，而在相对端将光纤重新排列为线性配置。这样的布置通过光纤芯的面积对采集束的面积的适当比率而减少采集效率。此外，难于在较短长度中将在一端处的紧密捆扎配置重新布置为在另一端处的标称的线性配置，因而难于使得光纤束设备紧凑。
已经将变形棱镜对用于这类变换，其中标称的准直光束通过第一棱镜并且被偏转一定角度，此后其穿过相对于第一棱镜呈合适角度布置的第二棱镜。利用这种布置，难于获得大于5的纵横比改变，并且也难于降低在所有表面处和在所有偏振处的反射损耗，这是因为光束可以以大的角度入射。此外，这种方案要求准直光束，这使得该实施例较不紧凑。
用于执行纵横比变换的另一光学方案是如在J.R.Baskett和I.D.Liu的“Anamorphic Condensing Optics for a Slitless Spectrograph”，Applied Optics，9，p.49-52(1970)中描述的变形镜片系统。该镜片系统由以下镜片构成：球面镜片，随后是柱面镜片，随后是第二球面镜片，并且以第二柱面镜片结束。该系统较复杂，并且不适于高数值孔径应用，并且还消耗相当大的空间。
在又一方案中，在A.G.Garcia-Botella等人的“EllipticalConcentrators”，Applied Optics，45，p.7622-7627(2006)中提出了非成像椭圆聚光器。该聚光器的难处在于，输入辐射的角度分布并未得以保留，其中在两个平面中的角度发散与两个平面中的几何缩放反向缩放。在许多应用中，输入辐射对称地发散，并且期望输出辐射标称地保留该特性。
最后，可以设计一种提供波长色散和纵横比变换这两者的衍射元件。在A.Viswanath和K.Srinivasan的“Lensless anamorphic Fouriertransform hologram recorded with prism systems”，Applied Optics，36，p.5748-5755(1977)中描述了这种设计。利用这种设计难于同时获得高衍射效率、宽的视场和高的数值孔径。
发明内容
本发明处理了这些和其他一些限制，本发明公开了一种装置，借助该装置，光学输入的纵横比可以在没有大幅度的亮度折损的情况下以较大因子改变，而所获得的设计也是高度紧凑的。
在一个实施例中，具有长菱形的形状、每个具有不同的长度维度但是具有相似宽度和厚度的板条形波导被结合在一起，从而使得长边缘对准。长菱形的输入表面均相接。辐射在被射入板条之后由第一45°镜面反射，该镜面是长菱形的一个角度面。经反射的辐射在波导中传播并且然后遇到长菱形的第二角度面，该第二角度面也是以45°布置的第二镜面。光从长菱形的后续面出射，但是由于每个长菱形长度不同，所以出射位置被偏移。每个长菱形的所得输出大体上是矩形，并且每个这种矩形相对于其他矩形在与矩形的短边平行的平面中偏移，从而导致标称的矩形输出的交错式集合，该集合适合于射入光谱仪中。具体而言，所公开的本发明在光学输入的纵横比与光学输出的纵横比至少相差2倍时尤其有利。
还公开了用于波导纵横比转换设备的备选形状，其基于连续的弯曲而并非以45°布置的镜面。
可以将狭缝遮罩(mask)附接至长菱形的输出面，从而使得可以对每个矩形输出的一部分进行采样，因而，可以由该狭缝遮罩限定光谱仪的等同狭缝宽度，而在其他情形下该宽度将近似为长菱形的厚度。
附图说明
图1A是执行从输入到输出的纵横比转换的长菱形堆叠的立体图。图1B是长菱形组件的分解图。图1C示出了两个视图中的单个长菱形，并且限定具有重要功能性的表面以及结构的各层。
图2示出了基于连续弯曲而非镜面的波导纵横比变换器的备选形状。
图3A是可以附接到长菱形组件的狭缝遮罩的立体图。图3B示出了狭缝遮罩的输入侧，该输入侧将接收来自长菱形组件的输出，以及图3C示出了狭缝遮罩的相对侧，光将从该相对侧出射。
图4是借由附接块附接到狭缝遮罩的长菱形组件的立体图，该附接块与狭缝遮罩和长菱形组件这两者结合。
具体实施方式
参见图1A，呈现了一个优选实施方式的立体图。在该示例中，五个成形为长菱形的板条形波导10、20、30、40和50彼此附接。在图1B中呈现了分解图，其中限定了一个波导50的宽度W、厚度D以及长度L1。在该示例中，波导10、20、30、40和50均具有相同的宽度W以及厚度D。它们的长度均不同，并且被限定为L1，2...5。任何两个相接的波导之间的长度差异Ln-Ln-1近似等于W，从而使得每个波导从在其输出端处的较小的相邻件突出近似W。在其他一些示例中，任何板条形波导横贯的体积，这些四边形包括但不限于平行四边形或梯形。
在图1C中呈现了单个长菱形波导的两个视图。区域13、15、17、18、19和21是长菱形的在宽平面表面之间的边缘上的区域，该宽平面表面具有如在图1C的前视图中所示的菱形形状。待采集的光入射在长菱形的在区域13中的薄侧上，并且在该区域中的薄侧上沉积抗反射涂层是有利的。区域17是以45°标称布置的镜面，并且区域17显著地反射在板条形波导中传播的所有光。传播的光随后入射在镜面表面18上，镜面表面18将光反射至输出区域19。在区域19中沉积抗反射涂层是有利的。
波导11的引导材料被有利地选择为高折射率玻璃。在一个尤其优选的实施例中，引导材料11的折射率被选择为充分高，从而使得入射在镜面17和镜面18上的所有的光在这些表面处的空气界面的情形下是显著的全内反射。具有在折射率大于1.8的玻璃对于具有低光圈数(f-number)的系统而言是优良选择。在波导11的引导材料的任一侧上沉积相同的包覆层12，并且该包覆层12从具有折射率低于波导11的引导材料的诸如氧化硅之类的材料中选择。引导材料的备选选择基于待传播的辐射的波长。在可见光和近红外区域中可以使用诸如PMMA、聚苯乙烯、或聚碳酸酯之类的光学塑料。具有低掺杂的硅对于波长在1μm-6μm的区域中是有利的。总体原则在于选择对于待传播的波长而言具有较低吸收的材料。可以用作包覆层12的其他材料是诸如环氧树脂或硅树脂之类的粘合剂。如果在板条之间提供了空间，则空气包覆层也是可以的。
在长菱形的薄侧上的区域15和区域21也可以用折射率低于引导材料11的折射率的材料涂覆以提供包覆层，或者区域15和区域21可以保持未涂覆，在此情形下，空气界面提供包覆层。在本发明的一个尤其优选的实施例中，向区域13和区域15施加相同涂层，并且向区域19和区域21施加相同涂层。该涂层被设计成使得在波导的传播角度的期望范围内入射在区域15和区域21上的光经历全内反射，而入射在区域13上或者从区域19出射的光经历减少的反射，该涂层充当针对入射光或出射光的一系列角度之上的抗反射涂层。上述实施例的具体实现方式的示例是涂层由单种材料构成的情形。为了确定这种涂层的合适的厚度，首先注意到，近似为1/4波长的厚度的如下材料可以充当相对于表面法线在0°左右的一系列角度之上的抗反射涂层，该材料的折射率介于光从其入射的介质和光入射到其中的介质的折射率之间。继而还注意到，可以向1/4波长厚度的涂层添加1/2波长的整数倍的厚度，该涂层对于正常入射光而言将不增加从介质之间的界面处的反射。最后，还注意到，通常期望波导包覆层厚于1/4波长，因而，通过添加近似为1/2波长的整数倍的厚度，可以在区域15和区域21中获得良好的包覆层，而在区域13和区域19中可以获得良好的抗反射特性。合适的涂层的示例是施加到折射率大致为1.80的玻璃的近似为5/4倍波长厚度的氟化镁。当光以一系列角度在区域13中入射或以一系列角度在区域19中中出射时，可以调节用于抑制反射的单个层的理想厚度，该调节总体上在少于1/4波长厚度的范围内，因而，仍可以在区域13和区域15中使用相同涂层以及在区域19和区域21中使用相同涂层。因为区域13和区域15或区域19和区域21可以同时涂覆而不需使用遮罩，所以由此得到制造工艺的显著简化。
基于针对输入和输出的期望目标而选择板条的宽度、厚度和数目。如果输入具有近似为一的纵横比，并且板条的数目为n，则组件的厚度为nD，其应该近似等于宽度W。如果波导组件的输出将被输入至光谱仪，则厚度D可以被选择成使得针对特定光谱仪的色散而言获得期望的分辨率。例如，如果光谱仪具有0.04mm/nm的色散，并且期望的分辨率是2nm，则厚度D是0.08mm。
板条形波导可以通过直接结合工艺而彼此附接，该直接结合工艺诸如可以使用氧化硅表面或使用光学环氧树脂或硅树脂。
在图2中呈现了用于板条形波导的备选形状的立体图，其中两个波导63和65被示出为范例，可以理解在组件中可以运用多于两个的板条。在该情形中，光进入到输入面68并且从输出面69出射。光的传播方向根据波导中的弯曲67改变。可以使用镜面和弯曲的组合来实现期望的光的转弯。
存在其中从波导组件的输出的受限区域接收光可以是有利的情形。一个示例可以如下：其中使用具有比如下厚度大的厚度D的板条，即，当波导的输出被用作光谱仪的输入时对于获得期望分辨率而言是可接受的厚度。在该情形下，将各个板条形波导的标称的矩形输出的一些部分遮蔽掉以减少输入在光谱仪的色散平面中的尺度是有利的。在图3A中呈现了狭缝遮罩70的立体图。在图3B中呈现了狭缝遮罩的前侧，而相对侧在图3C中示出。示出为在图3B中的前侧上的狭缝80旨在遮蔽板条形波导组件的输出，该板条形波导组件将被放置为紧靠狭缝遮罩70，该遮罩图案与波导的输出对准。将狭缝遮罩70中的标称的矩形开口80的宽度选择为小于D。在图3C中呈现了在狭缝遮罩70反侧的次级遮罩90。次级遮罩90的目的在于吸收背传播辐射以便避免狭缝遮罩和检测器之间的多重反射。此外，狭缝图案限定了遮罩在一个维度的透射角，以便在维度中过填充任何后续的光谱仪光学器件。在其中创建狭缝遮罩中的开口的材料应该对辐射标称透明。该材料还应该被理想地选择为具有低反射率，这是因为狭缝在许多光谱仪中是检测器的对射表面，并且通常最好避免这些表面之间的多重反射。狭缝遮罩的基底材料是诸如玻璃之类的透明材料。在基底的两个表面上均沉积抗反射涂层是有利的。
在图4中展示了板条形波导10、20、30、40和50的组件到狭缝遮罩70的立体图。块100被附接到板条形波导组件和狭缝遮罩70这两者，以便于在这两者之间对准和在使用粘合剂进行部件的后续结合期间进行操纵。UV固化粘合剂便于将块100结合至狭缝遮罩70，在此情形下，块100由对于UV充分透明的、诸如玻璃之类的材料制造而成。如果期望板条的输出面不与狭缝遮罩70直接接触，则通过使用粘合剂有利地获得良好定义的小的间距，该粘合剂已利用具有良好控制的直径的微球体部分地填充。备选地，可以在块100和狭缝遮罩70之间使用已知厚度的条带。
呈现的板条形波导组件的输出是交错式图案。该图案当然可以绕其中心旋转从而使得各分段的中心竖直对准。如果使用许多板条，则可以获得对近似矩形形式的竖直对象的不断增加的良好近似。
如果波导是柔性的，则还可以构造近似单个矩形的输出。例如，如果波导65弯曲成S曲线配置以对准输出端69，则图2中呈现的设计可以具有这样的输出。
如果光谱仪的检测器阵列是2维的，则在光谱仪中有益地使用交错式输出。在该情形下，波长到各行检测器的指派可以是不同的，并且考虑到在与色散方向平行的方向中的偏移。此外，可以创建一个一维检测器阵列，该阵列的检测器具有类似于交错式图案的形状。由于光谱仪通常还具有恒定波长的轮廓的弧度，所以还可以在成形该检测器中计入该弧度。
光谱仪的恒定波长轮廓的弧度还可以通过将板条形波导组件的输出端成形为与该弧形近似来进行补偿。可以有利地通过模制来创建该形状。
虽然详细的描述包含许多细节，但是这些细节不应被解释为对本发明的范围的限制，而应当被解释为示出本发明的不同示例和方面。应该理解，本发明的范围包括上面未详细论述的其他一些实施例。在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以在本发明的布置和装置的细节中做出对本领域技术人员显而易见的各种其他修改、改变和变化。

Claims (16)

1.一种用于将一种形状的光学输入转换成不同形状的光学输出的装置，包括：
至少两个堆叠的板条波导，其中光沿所述波导的每个波导的一侧的一部分输入的位置不同于光从所述波导的每个波导的一侧输出的位置；
其中所述堆叠的板条波导的任何一个的体积是由在与四边形平面垂直的方向上平移四边形所贯穿的体积；
其中在每个波导之间存在有几何差异，从而使得光从所述波导的每个波导输出的位置在至少两个方向上相对于彼此移位，或者使得光从所述波导的每个波导输入的位置在至少两个方向上相对于彼此移位；
其中光输入到所述波导的位置的聚集区域近似对应于所述光学输入的形状；以及
其中光从所述波导输出的位置的聚集区域近似对应于所述光学输出的期望形状，其中所述光学输出的期望形状不同于所述光学输入的形状。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述四边形是平行四边形。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述四边形的平面中的相应邻边之间的角度中的两个基本上为45°。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述至少两个板条形波导均是长菱形，每个所述长菱形具有不同的长度。
5.根据权利要求1所述的装置，其中垂直于所述四边形的平面的至少一个侧部是镜面。
6.根据权利要求5所述的装置，其中在所述波导中传播的至少一些光在所述镜面处经历全内反射。
7.根据权利要求1所述的装置，其中光输入所述波导和光从所述波导输出的所述位置被涂覆为抗反射的。
8.根据权利要求7所述的装置，其中抗反射涂层基本沿每个波导的光输入和输出的所述侧的整个长度延伸，并且充当与光输入所述波导和光从所述波导输出的所述位置不同的区域中的波导包覆层。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述抗反射涂层具有基本上为输入光在所述抗反射涂层的折射率的1／4波长加上半波长的整数倍的厚度。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述波导的引导材料是具有折射率大于1.80的玻璃。
11.根据权利要求1所述的装置，其中光从所述波导输出的位置的聚集区域由遮罩进一步限制。
12.根据权利要求1所述的装置，其中来自所述波导的输出被弯曲以便对所述装置把光输入到的光谱仪中的恒定波长轮廓的弧度进行补偿。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述板条波导的一个或多个侧部包括弧度，其中所述弧度的形式在波导之间不同以便在光从所述波导的每个波导输出的位置相对于彼此产生位移，或者在从所述波导的每个波导输入的位置相对于彼此产生位移。
14.根据权利要求1所述的装置，其中所述光学输入的形状是标称的圆形，并且所述光学输出的期望形状是来自所述波导的标称的矩形输出的交错式集合。
15.根据权利要求1所述的装置，其中所述光学输入的纵横比与所述光学输出的纵横比的比率低于0.5。
16.根据权利要求1所述的装置，其中所述光学输入的纵横比与所述光学输出的纵横比的比率大于2.0。
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