CN102792210B - 用于改善色散摄谱仪的光谱分辨率的分光器 - Google Patents

用于改善色散摄谱仪的光谱分辨率的分光器 Download PDF

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Abstract

用于生成输出光斑的分光器，包括：像压缩器，所述像压缩器接收基本准直的输入光束并压缩该光束，其中所述输入光束如果穿过聚焦透镜则产生输入光斑；像重整器，所述像重整器接收压缩光束以将该光束重整成所述压缩光束的多个分光部分，并且将所述多个部分基本彼此平行地竖直堆叠；以及像扩张器，所述像扩张器扩张重整光束，以产生准直的输出光束，所述输出光束如果穿过所述聚焦透镜则产生所述输出光斑，所述输出光斑相对于所述输入光斑在第一维度上被扩张且在第二维度上被压缩。

Description

用于改善色散摄谱仪的光谱分辨率的分光器
相关申请
本申请要求享有2009年10月1日提交的第61/245,762号美国临时申请和2010年6月1日提交的第61/350,264号美国临时申请的优先权，每个美国临时申请的内容以引用方式纳入本文。
技术领域
本发明涉及光谱学领域，更具体地涉及用于改善光谱分辨率(spectralresolution)的改进的设备和方法。
背景技术
典型的光学摄谱仪(opticalspectrograph)包括小的输入孔，通常是缝(slit)，也可以是圆形针孔或光纤，然而为简便起见，下文中将称为缝。会聚的光锥朝该缝投射，且该光的一部分穿过该缝。在典型的光学摄谱仪中，这一隙光被投射到一个透镜上，该透镜校直(collimate)这一隙光，以形成一束平行光线。在典型的光学摄谱仪中，色散元件(诸如棱镜、透射光栅或反射光栅)根据光的波长来将准直光束(collimatedbeam)偏转不同的量。通常，相机透镜使这些偏转的准直光束聚焦到阵列探测器(诸如位于最终焦平面(focalplane)上的电荷耦合元件(CCD)探测器)上，该阵列探测器可记录各个波长的光强度(lightintensity)。
在典型的光学摄谱仪中，校直透镜(collimatinglens)和相机透镜用作转像系统(imagerelay)，以形成穿过缝到达探测器(诸如CCD探测器)上的光的像，所述像可根据光的波长而被横向移位。光学摄谱仪的分辨率，即它检测和测量窄光谱特征(诸如吸收线和发射线)的能力，可依赖于多种特性。这样的特性可包括：色散元件，诸如棱镜、透射光栅和反射光栅；相机透镜的焦距；以及缝的宽度。对于特定的色散器和相机透镜，可通过缩小输入缝的宽度来增大摄谱仪的分辨率，这使得光的每个像穿过该缝(取决于光的波长)并到达探测器，与该探测器的一个较小的区段对位，从而允许相邻的光谱成分更容易被区分。
通过缩小输入缝的宽度，更少的光穿过该输入缝，这会因信噪比的降低而降低任何测量的品质。在一些应用(例如天文摄谱仪、高速生物医学摄谱仪、高分辨率摄谱仪或拉曼摄谱仪)中，这个效率损失会是光学摄谱仪性能的限制因素。在光学摄谱仪领域中，如下的设备将是有益的：该设备通过水平压缩和竖直扩张输入光束的光斑像(产生一隙光)来增加能够通过该缝的光，同时基本维持光强度或通量密度(fluxdensity)。
本领域技术人员会理解，本说明书中使用的术语“水平”“竖直”以及其他这样的术语，例如“上方(above)”和“下方(below)”，被用来解释本发明的各个实施方案，而不旨在限制本发明。
分光器(opticalslicer)可用于接收输入光束并产生输出光束，以生成隙光。使用透明的棱镜和板对输入光束进行分光可产生沿着光轴倾斜的一隙光，而且光束的分光可沿着45°棱镜的斜边而发生，这会导致焦点退化(focalpointdegradation)，因为已分光的像的不同部分位于不同的焦位置(focalposition)。这样的分光器的性能可依赖于所使用的棱镜的吸收系数和折射率(两者均为波长依赖性的)。这些缺点会限制诸如宽带装置等分光器的使用。
其他分光器，诸如瞳孔分光器(pupilslicer)，具有诸如不能从一个像的不同部分获得高分辨率光谱信息等缺陷。此外，这样的分光器会尺度较大，且会导致多种系统的实施弱化或效率降低。现有的采用玻璃基设计的分光器往往使用拉格朗日常数变换器，以将光从拉曼光源引到光学摄谱仪。所述变换器包括八个不同的柱透镜和球透镜，以及两摞十个精确定位的柱透镜。所得到的装置可具有沿着主光轴的大于58英寸的长度，具有此尺寸的装置往往既难于维持对齐，又难于在严格受控的实验室之外的任何环境中操纵或采用。
在一些瞳孔分光器中，两个缝像(slitimage)可被生成在一个CCD探测器的不同部分上。该实施方式会具有如下缺点：这些缝像在探测器上被间隔开，之间的空隙会向信号添加噪音，从而降低输出数据的品质。此外，在这样的分光器中，空隙会浪费珍贵的探测器区域，从而限制可适于该探测器的光谱数量(或光谱数量级)。此外，当使用这样的分光器时，探测器读取可能不是最优的，因为光谱散布在探测器区域上。
使用光纤束(opticalfiberbundle)来允许输入源的扩张像(常常是圆形的)形成窄条的那些分光器会导致输出比(outputratio)退化大和总性能效率降低。现有的分光器装置都遭受这个低效率和低输出比的困扰，从而呈现了分光器的设计和实施的一个明确目标。
发明内容
在本发明的一方面，提供了一种用于生成输出光斑(outputspot)的分光器，包括：像压缩器，所述像压缩器接收基本准直的输入光束并压缩该光束，其中所述输入光束如果穿过聚焦透镜则产生输入光斑(inputspot)；像重整器(imagereformatter)，所述像重整器接收压缩光束(compressedbeam)以将该光束重整成所述压缩光束的多个分光部分(slicedportion)，并且将这些部分基本彼此平行地竖直堆叠；以及像扩张器，所述像扩张器扩张重整光束(reformattedbeam)以产生准直的输出光束，所述输出光束如果穿过所述聚焦透镜则产生如下的输出光斑，所述输出光斑相对于所述输入光斑在第一维度上被扩张且在第二维度上被压缩。
在本发明的一些实施方案中，所述压缩光束可相对于所述输入光束在竖直方向上被压缩且在水平方向上基本相近，并且所述输出光束可相对于所述重整光束在水平方向上被扩张且可具有与所述输入光束基本相近的尺度。
在其他实施方案中，所述分光器可具有分光因子(slicingfactor)n。所述压缩光束的分光部分的数量可等于n，并且所述输出光束可相对于所述输入光斑在竖直方向上以所述因子n被扩张且在水平方向上以所述因子n被压缩。
在优选实施方案中，n为从2至64的整数，更优选地从2至32。更优选地，n的值为2、4、8、16或32。
所述压缩器可具有凸透镜和凹透镜，其中所述凸透镜可接收所述输入光束并产生会聚光束(convergingbeam)，并且所述压缩光束可由所述会聚光束穿过校直透镜而产生。在替代实施方案中，所述像压缩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输入光束并可产生会聚光束，并且所述压缩光束可由所述会聚光束反射离开(reflectoff)所述凹反射表面而形成。
所述像重整器可包括至少两个反射表面，其中所述至少两个反射表面中的一个反射表面可接收所述压缩光束的一部分，并且可将该部分在所述至少两个反射表面之间来回进行至少一次反射，并且其中每个分光部分可由所述压缩光束的第二部分在所述至少一次反射中的每一次反射之后从所述至少两个反射表面旁经过(passby)而形成。
所述像扩张器可包括凹透镜和凸透镜，其中所述凹透镜可接收所述重整光束并可产生发散光束(divergingbeam)，并且所述输出光束可由所述发散光束穿过所述凸透镜而产生。在替代实施方案中，所述像扩张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并可产生发散光束，并且所述输出光束可由所述发散光束反射离开所述凹反射表面而形成。
在本发明的一些实施方案中，所述输出光斑可具有与所述输入光斑基本相同的光强度值。
在本发明的另一方面，提供了一种生成输出光斑的方法，包括如下步骤：压缩准直的输入光束，其中所述输入光束如果穿过聚焦透镜则产生输入光斑；将压缩光束重整成基本竖直堆叠且基本彼此平行的多个分光部分；以及扩张重整光束，以产生准直的输出光束，所述输出光束当穿过所述聚焦透镜时产生如下的输出光斑，所述输出光斑相对于所述输入光斑在第一维度上被扩张且在第二维度上被压缩。
在一些实施方案中，所述压缩光束相对于所述输入光束可在竖直方向上被压缩且可在水平方向上基本相近，并且所述输出光束相对于所述重整光束可在水平方向上被扩张且可具有与所述输入光束基本相近的尺度。
在一些实施方案中，分光部分的数量可等于分光因子n，并且所述输出光斑可在竖直方向上以所述因子n被扩张且在水平方向上以所述因子n被压缩。
在本发明的又一方面，提供了一种具有分光因子n的分光器，所述分光器包括：像压缩器，所述像压缩器接收基本准直的输入光束并压缩该光束，其中所述准直的光束如果穿过聚焦透镜则产生输入光斑；像重整器，所述像重整器接收压缩光束以将该光束重整成所述压缩光束的n个分光部分，并且将这些部分基本彼此平行地竖直堆叠；以及像扩张器，所述像扩张器扩张所述重整光束以产生准直的光束，所述准直的光束如果穿过所述聚焦透镜则产生如下的输出光斑，所述输出光斑相对于所述输入光斑在第一维度上以所述因子n被压缩且在第二维度上以所述因子n被扩张。
在本发明的另一方面，一个倍乘(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n的第二分光器，所述第一分光器和所述第二分光器串联放置，并且所述倍乘分光器具有分光因子m×n。
附图说明
为了更好地理解此处描述的系统和方法的实施方案，并且更清楚地示出它们可如何实施，将以示例方式参照所附的附图，其中：
图1A示出了分光因子为2的分光器的方框图；
图1B示出了分光因子为4的分光器的方框图；
图2示出了分光因子为2的分光器的一个实施方案的等轴测视图；
图3示出了分光因子为2的分光器的一个替代实施方案的等轴测视图；
图4示出了分光因子为4的分光器的一个替代实施方案的等轴测视图；
图5A示出了分光因子为4的分光器的一个替代实施方案的等轴测视图；
图5B-5G示出了图5A的分光器的光学元件的实施方案的等轴测视图和平面视图；
图5H-5I示出了用于图5A中示出的分光器的壳罩的一个实施方案的等轴测视图；
图6A-6D示出了在分光器的一个实施方案中使用的压缩器的替代实施方案的图示；以及
图7A-7C示出了在分光器的一个实施方案中使用的分光因子为4的重整器的替代实施方案的图示。
具体实施方式
应理解，为了例示的简便和清楚，在认为适合时，各个附图中的附图标记可重复，以指示相应的或类似的元件或步骤。此外，提出了诸多具体细节，以提供对此处描述的实施方案的彻底理解。然而，本领域技术人员会理解，此处描述的实施方案可在没有这些具体细节的情况下实施。在其他情形中，未详细描述公知的方法、过程和部件，以免模糊此处描述的实施方案。此外，本说明不应被视为以任何方式限制此处描述的实施方案的范围，而是仅说明此处描述的各种实施方案的实现。
参考图1A，其示出了分光器100的一个图示，该分光器包括像压缩器170、像重整器172和像扩张器174。分光器100接收输入光束102作为准直光束，输入光束102可通过例如校直透镜或曲面镜(curvedmirror)来产生。当输入光束102被具有与用来产生输入光束102的校直透镜或曲面镜基本相同的焦距的聚焦透镜聚焦时，输入光束102也产生输入光斑180。
分光器100的像压缩器170接收输入光束102并输出竖直压缩的光束114，竖直压缩的光束114在竖直尺度上被变形地压缩，且与输入光束102相比具有较小的竖直尺度和较大的水平尺度。此外，竖直压缩的光束114，如果穿过具有与用来产生输入光束102的校直透镜或曲面镜基本相同的焦距的聚焦透镜，则产生压缩器光斑(compressorspot)182，从而导致压缩光束114聚焦，以投射一个相对于输入光斑180在水平尺度上基本相近且在竖直尺度上被扩张的像。
在一些实施方案中，由竖直压缩的光束114投射的像可具有与输入光束102相同的水平宽度；然而，竖直压缩的光114的竖直高度可以以分光因子被压缩。术语“分光因子”被用来描述由分光器的输出光束产生的输出光斑的水平压缩和竖直扩张与该分光器的输入光束产生的输入光斑的水平尺度和竖直尺度的比值，所述输出光斑和所述输入光斑是当所述输出光束和所述输入光束分别被相同的聚焦透镜聚焦时产生的。
例如，对于分光因子为2的分光器，诸如图1A表示的分光器，输出分光器产生输出光束156，该输出光束，如果通过具有与产生输入光束102的校直透镜或凸面镜(convexmirror)基本相等的焦距的聚焦透镜聚焦，则生成输出光斑186。通过相同的聚焦透镜来聚焦输入光束102将倾向于生成输入光斑180。输出光斑186的竖直尺度为输入光斑180的二倍且水平尺度为输入光斑180的一半。因此，由这个配置产生的分光器的分光因子是2。
在替代的实施方案中，诸如在图1B中示出的分光器100的图示中，输出光斑186可以类似地通过具有与用来生成输入光束102的校直透镜或曲面镜基本相同的焦距的聚焦透镜来聚焦输出光束156而生成。通过相同的聚焦透镜来聚焦输入光束102则生成输入光斑180。在该实施方案中，输出光斑186的竖直尺度为输入光斑180的4倍且水平尺度为输入光斑180的1/4。因此，图1B表示的分光器100的分光因子是4。
分光因子n的其他值也是可行的。以与上面讨论的基本相似的方式由所述输出光束生成的输出光斑的竖直尺度可以是由所述输入光束生成的输入光斑的竖直尺度的n倍，且该输出光斑的水平尺度倾向于是该输入光斑的水平尺度的1/n。
回顾图1A，在竖直方向上压缩的光束114被像重整器172接收，像重整器172输出重整光束136和138；这样的重整光束136和138基本竖直堆叠且基本平行。重整光束136和138是竖直压缩的光束114的分光部分。在所示的实施方案中，像重整器174输出两个光束切片(beamslice)，光束切片的数量在该实施方案等于分光器100的分光因子；然而，在一些实施方案中，像重整器172可产生数量多于或少于分光器100的分光因子的光束切片。
每个重整光束136和138，如果穿过具有与用于产生输入光束102的校直透镜或曲面镜相同的焦距的聚焦透镜，则产生重整器光斑184。重整器光斑184与压缩器光斑182具有基本相同的水平尺度和竖直尺度。由于重整光束136和138基本竖直堆叠且基本平行，所以由每个重整光束136和138生成的个体(individual)重整器光斑(它们组合形成重整器光斑184)被一个投射在另一个上，从而使重整器光斑814的光强度达到每个光束136和138个体生成的个体重整器光斑的二倍。
虽然在图1A示出的实施方案中，重整器光斑184的光强度是由每个重整光束生成的每个个体重整器光斑的光强度的二倍，但在其他实施方案中，重整器光斑184的光强度与由每个重整光束生成的每个个体重整器光斑的光强度之比对应于由像重整器174生成的分光部分的数量。例如，参见图1B，分光器100被示为具有像重整器172，像重整器172产生重整光束136A、136B、138A和138B，每个重整光束基本平行且基本竖直堆叠。重整光束136A、136B、138A和138B是竖直压缩的光束114的分光部分。以与上面讨论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的光强度是由每个重整光束136A、136B、138A和138B生成的每个个体重整器光斑的光强度的大约4倍。
回顾图1A，重整光束136和138被像扩张器174接收，像扩张器174以所述分光因子为倍数扩张重整光束136和138。在所示的实施方案中，重整光束136和138既在水平方向上又在竖直方向上(非变形地)以因子2被扩张，以产生输出光束156，输出光束156由分光光束(slicedbeam)158和160构成。分光光束158和160是重整光束136和138的扩张。输出光束156具有与输入光束102基本相近的尺度。将输出光束156投射到具有与用来产生输入光束102的校直透镜或曲面镜基本相同的焦距的透镜上以聚焦，从而产生输出光斑186。输出光斑186产生输入光斑180的像，该像可在水平方向上以所述分光因子被压缩且在竖直方向上以所述分光因子被扩张，同时维持与输入光斑180相近的光强度。在实施方案中，诸如在图1A表示的实施方案中，输出光斑186在竖直方向上可以是输入光斑180的二倍，且在水平方向上可被压缩到输入光斑180的二分之一。
在其他实施方案中，诸如在图1B示出的实施方案中，重整光束136A、136B、138A和138B被像扩张器174(可以是变形水平光束扩张器)接收以产生输出光束156，输出光束156由输出切片158A、158B、160A和160B构成，它们是重整光束136A、136B、138A和138B的扩张(在水平方向上扩张)。在一些实施方案中，输出光束156具有与输入光束102相近的尺度。对于图1B表示的实施方案(其表示了分光因子为4的分光器)，当输出光束156被投射到具有与用来产生输入光束102的校直透镜或曲面镜基本相同的焦距的透镜上时，输出光束156被聚焦以产生输出光斑186。输出光斑186在竖直方向上可以是输入光斑180的四倍，且在水平方向上可被压缩到输入光斑180的四分之一，同时维持与输入光斑180相近的光强度。
本领域技术人员会理解，分光器100的所得到的输出光束156(其中分光器100的分光因子为n)当被具有与用来产生输入光束102的校直透镜或曲面镜基本相同的焦距的透镜聚焦时产生输出光斑，该输出光斑与由输入光束102穿过相同的聚焦透镜而生成的输入光斑相比，在竖直方向上是n倍且在水平方向上被压缩到n分之一，同时维持与所述输入光斑相近的光强度。
参见图2，其示出了分光器100，分光器100包括像压缩器170、像重整器172和像扩张器174。在图2中，分光器100的分光因子为2。输入光束102可以是基本准直的光束，其可由校直透镜或曲面镜产生。输入光束102当被具有与用来产生输入光束102的校直透镜或曲面镜基本相同的焦距的聚焦透镜聚焦时产生输入光斑。
输入光束102被像压缩器170接收，像压缩器170输出竖直压缩的光束114。像压缩器170具有凸柱透镜(convexcylindricallens)104，凸柱透镜104接收输入光束102并输出竖直会聚的光束108。竖直会聚的光束108被凹柱透镜(concavecylindricallens)110接收，凹柱透镜110将竖直会聚的光束108校直并输出竖直压缩的光束114。在其他实施方案中，凹透镜/凸透镜对可输出竖直压缩的光束114。在这样的替代实施方案中，透镜104可以是凹透镜且透镜108可以是凸透镜。
替代地，竖直压缩的光束114如果穿过具有与用来产生输入光束102的校直透镜或曲面镜基本相同的焦距的聚焦透镜则产生压缩器光斑，该压缩器光斑与输入光束102通过相同聚焦透镜产生的输入光斑相比，在水平方向上具有基本相近的尺度且在竖直方向上以分光因子为倍数被扩张。在所示的实施方案中，与由输入光束102使用相同的聚焦透镜产生的输入光斑相比，所述分光因子是2。
参见图6A-6D，其示出了像压缩器170的替代实施方案。参见图6A，像压缩器170具有柱透镜602，柱透镜602接收压缩器输入光束600，并且将压缩器输入光束600聚焦，以接下来投射到校直柱透镜604上，从而产生相对于压缩器输入光束600被压缩的输出光束。在图6A所示的实施方案中，校直柱透镜604位于柱透镜602的焦点之外，校直柱透镜604输出了压缩器输入光束600在竖直方向上被压缩的倒像。
参见图6B，像压缩器170具有光学元件612，光学元件612具有：第一表面614，其在竖直方向上聚焦压缩器输入光束600；以及第二表面616，其基本校直由第一表面614产生的聚焦光束。从光学元件612输出的光束产生了与压缩器输入光束600相比在竖直方向上被压缩的输出光束。
参见图6C，像压缩器170具有变形棱镜622和624，变形棱镜622和624被定向为使得压缩器输入光束600在每个变形棱镜622和624的输出表面处被折射。该实施方案中的像压缩器170的所得到的输出光束产生了与压缩器输入光束600相比在竖直方向上被压缩的光束。
参见图6D，像压缩器170具有镜632和634，压缩器输入光束600反射离开镜634的凹表面，并被投射到镜632的凸表面上，以产生与压缩器输入光束600相比在竖直方向上被压缩的输出光束。
技术人员会理解，可实施此处描述的压缩器的明显变体以及这样的压缩器元件的明显定向来产生与压缩器输入光束600相比在竖直方向上被压缩的光束。
回顾图2，竖直压缩的光束114被像重整器172接收，像重整器172输出重整光束136和138，这样的重整光束136和138基本平行且基本竖直堆叠。像重整器172包括并排的平面镜(flatmirror)116和118以及竖直堆叠的平面镜128和130。
并排的平面镜116和118可接收竖直压缩的光束114，竖直压缩的光束114的一部分被并排的平面镜116接收，且竖直压缩的光束114的另一部分被并排的平面镜118接收，这将竖直压缩的光束114分光，从而产生分光光束124和126。分光光束124和126从并排的平面镜116和118反射到竖直堆叠的镜128和130上，分光光束124被反射到竖直堆叠的镜128上，且分光光束126被反射到竖直堆叠的镜130上。
分光光束124和126反射离开竖直堆叠的镜128和130，以产生重整光束136和138。重整光束136和138与分光光束124和126相似，但基本竖直堆叠且基本平行。在一些实施方案中，竖直堆叠的镜128和130是D形镜(D-shapedmirror)，且可以是光学平面的，并被充分铝化(或镜面化)到它们的邻边的50微米以内；然而，技术人员会理解，其他反射性质也可达成基本相近的结果。
如果重整光束136和138穿过具有与用来产生输入光束102的校直透镜或曲面镜基本相同的焦距的聚焦透镜，则产生重整器光斑。在所示的实施方案中，这个重整器光斑具有与输入光束102穿过相同的聚焦透镜产生的输入光斑相同的水平尺度和四倍的竖直尺度，同时维持与该输入光斑相近的光强度。
参见图7A-7C，示出了像重整器172的替代实施方案。参见图7A，像重整器172具有多个镜对，每个镜对接收重整器输入光束700的一部分，且每个镜对被定位为产生重整光束720的一部分，重整光束720由光束部分720A、720B、720C和720D构成，每个光束部分基本平行且基本竖直堆叠，并且是重整器输入光束700中的一个分光部分。镜对702和712可接收重整器输入光束700的第一部分，所述第一部分反射离开镜702并被镜712接收，镜712被布置为产生光束部分720D。镜对704和714接收重整器输入光束700的第二部分，所述第二部分反射离开镜704并被镜714接收，镜714被布置为产生光束部分720C。镜对706和716接收重整器输入光束700的第三部分，所述第三部分反射离开镜706并被镜716接收，镜716被布置为产生光束部分720B。镜对708和718接收重整器输入光束700的第四部分，所述第四部分反射离开镜708并被镜718接收，镜718被布置为产生光束部分720A。技术人员会理解，添加额外的镜对可增加重整光束720的光束部分的数量。
参见图7B，像重整器172包括反射表面730和732。在使用中，重整器输入700被反射表面730接收，且可在反射表面732之间来回反射，反射光束的一部分反射离开反射表面732并从反射表面730旁经过以产生输出光束720的一个光束部分，直到每个光束部分720A、720B、720C和720D都被生成，每个光束部分相对于彼此基本平行且基本竖直堆叠，且每个光束部分是重整器输入700的一个分光部分。技术人员会理解，可通过如下的方式生成额外的光束部分：调整反射表面730和732的位置，以在反射表面730和732之间产生额外的来回反射，每个反射继续提供反射光束的一部分以从反射表面730旁经过，从而形成输出光束730的一个光束部分。
参见图7C，像重整器172可由两级组成，第一级由反射表面740和742组成，且第二级由反射表面744和746组成。重整器输入700的一部分从反射表面740旁经过以产生第一输出光束750的光束部分750B，且输入光束的第二部分可反射离开反射表面740到反射表面742上，以形成第一输出光束750的光束部分750A(其倾向于从反射表面740旁经过)。每个光束部分750A和750B基本平行且基本竖直堆叠。然后光束750可局部被反射表面744接收，光束750的一部分从反射表面744旁经过以产生输出光束720C和720D，光束750的剩余部分反射离开反射表面744到反射表面746上。离开反射表面746的光束部分产生了输出光束720的输出光束部分720A和720B，输出光束部分720A和720B可从反射表面744旁经过。光束部分720A、720B、720C和720D基本竖直堆叠且基本平行，且是重整器输入700的分光部分。技术人员会理解，通过添加额外的级，输出光束可由额外的光束部分构成。例如，添加一个额外的级可产生8个光束部分，而再添加一个级可产生16个光束部分。
回顾图2，重整光束136和138被产生输出光束156的像扩张器174接收，输出光束156由分光光束158和160构成。像扩张器174具有凹透镜142，凹透镜142可接收重整光束136和138，且可均匀扩张重整光束136和138，从而产生扩张光束146。像扩张器174还可具有校直透镜148，校直透镜148接收扩张光束146并基本校直扩张光束146，从而产生输出光束156。在一些实施方案中，凹透镜142和校直透镜148可以是柱透镜，所述柱透镜可在水平方向上扩张重整光束136和138，同时维持它们的竖直尺度。
输出光束156穿过具有与用来产生输入光束102的校直透镜或曲面镜基本相同的焦距的聚焦透镜以聚焦，从而产生输出光斑。这个输出光斑可投射输入光斑(其由输入光束102穿过相同的聚焦透镜而生成)的像，该输出光斑在水平方向上以所述分光因子被压缩且在竖直方向上以所述分光因子被扩张，同时维持与由输入光束102穿过相同的聚焦透镜而生成的输入光斑相近的光强度。在图2示出的分光器100的实施方案中，与由输入光束102穿过相同的聚焦透镜而生成的输入光斑相比，由输出光束156生成的输出光斑在竖直方向上为二倍且在水平方向上被压缩到二分之一。
参见图6A-6D，技术人员会理解图6A-6D示出的压缩器的各个替代实施方案也可用作扩张器，如果这样的实施方案是用与图6A-6D中所示光束的相反方向投射的光束实施的。此外，技术人员会理解，可适当地实施或定位包括光学元件的其他设备来产生扩张光束156。
参见图3，其示出了分光器100的一个实施方案。分光器100具有像压缩器170、像重整器172和像扩张器174。在图3所示的实施方案中，分光器的分光因子为2。像压缩器170(其具有会聚透镜302、反射表面304和306以及校直透镜310)在会聚透镜302处接收输入光束以产生会聚光束，该会聚光束被反射表面304接收并反射到反射表面306。该会聚光束反射离开反射表面306，在此穿过校直透镜310，校直透镜310基本校直该光束，并且将准直光束引导到像重整器172。
像重整器具有反射表面312和316，每个反射表面312和316分别连接到安装支架314和318，以固定到分光器100的外壳320。反射表面312和316可以是D形镜，且反射表面312可竖直定向，其中平边是与重整器输出的重整光束最接近的边缘，且反射表面316被定向为弯边朝下。
由压缩器170输出的压缩光束从反射表面312旁经过，且该压缩光束的一部分从反射表面316旁经过，该压缩光束的剩余部分反射离开反射表面312朝反射表面316返回。该压缩光束的第一光束部分从这两个反射表面旁经过，从而形成由像重整器172输出的重整光束的第一部分。该压缩光束的剩余部分朝反射表面316反射返回，并在反射表面316与312之间来回反射，每次所反射的压缩光束的一部分从反射表面312旁经过，从而形成重整光束的一个后续光束部分。重整光束的这些部分基本竖直堆叠且基本平行，且每个部分代表该压缩光束的一个分光部分。
图3中所示的实施方案中的像重整器172形成了由两个光束部分构成的重整光束，这两个部分基本平行且基本竖直堆叠，且每个部分代表从像压缩器170输出的压缩光束的一部分。该压缩光束的第一部分反射离开反射表面312并朝反射表面316返回，这部分接下来反射离开反射表面316并从反射表面316旁经过，导致该重整光束具有两个部分。技术人员会理解，通过增加在反射表面316与312之间来回反射的次数，可增加重整光束的部分的数量。
在图3中所示的实施方案中，像扩张器174接收来自像重整器172的重整光束，并且产生扩张的准直输出光束，所述扩张的准直输出光束具有与导入分光器100的输入光束相近的尺度。在图3所示的实施方案中，像扩张器174可由适当的透镜和/或镜组成，以适当地扩张和校直重整光束。
所得到的输出光束当穿过具有与用来产生准直输入光束的校直透镜或曲面镜基本相同的焦距的聚焦透镜时被聚焦，以产生输出光斑。该输出光斑产生输入光斑的像(如果输入光束穿过相同的聚焦透镜则会产生该输入光斑)，所述像在水平方向上以分光器100的分光因子被压缩且在竖直方向上以分光器100的分光因子被扩张，同时维持与由输入光束在穿过相同的聚焦透镜时产生的输入光斑相近的光强度。由图3中所示的分光器100的输出光束产生的输出光斑在水平方向上被压缩到二分之一且在竖直方向上被扩张到二倍，图3中所示的分光器100是分光因子为2的分光器。
参见图4，分光器100被示为具有像压缩器170、像重整器172和像扩张器174。在图4所示的实施方案中，分光器100的分光因子为4。输入光束102可以是基本准直的，其可由校直透镜或曲面镜产生。
输入光束102被像压缩器170接收，可输出压缩光束452。像压缩器170具有柱凹面镜(cylindricalconcavemirror)402，柱凹面镜402反射输入光束102以生成竖直会聚的光束450。
还参见图5A和5B，柱凹面镜402可被安装到安装支架502，以固定到分光器100的基板480。在一些实施方案中，柱凹面镜402可具有103.360mm的焦距，且可被定位为相对于入射光束的路径水平倾斜7.3度且竖直倾斜0.0度；然而，技术人员会理解，可使用其他焦距和定位来产生竖直会聚的光束450。
竖直会聚的光束450可被柱凸面镜(cylindricalconvexmirror)404接收，柱凸面镜404校直竖直会聚的光束450，从而输出压缩光束452。还参见图5A和5C，柱凸面镜404可被安装到安装支架504，以固定到分光器100的基板480。在一些实施方案中，柱凸面镜404可具有-25.84mm的焦距，且可被定位为相对于入射光束的路径水平倾斜7.3度且竖直倾斜0.0度；然而，技术人员会理解，可使用其他焦距和定位来产生压缩光束452。
在一些实施方案中，压缩光束452如果穿过具有与用来产生输入光束102的校直透镜或曲面镜基本相同的焦距的聚焦透镜则产生压缩器光斑，所述压缩器光斑与由输入源102穿过相同焦距的聚焦透镜产生的输入光斑相比在竖直方向上以所述分光因子被扩张且具有相近的水平尺度。
回顾图4，压缩光束452被像重整器172接收，像重整器172输出重整光束456，重整光束456由部分456A、456B、456C和456D构成，每个部分基本平行且基本竖直堆叠，且每个部分是压缩光束452的一个分光部分。
还参见图5A、5D和5E，像重整器172可具有D形镜406和410。D形镜406可被安装到安装支架408，安装支架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形镜406可被竖直定向，使得在使用中平边最接近重整光束456。当压缩光束452首次抵达D形镜406时，D形镜406可被定位为相对于压缩光束452的入射路径水平倾斜2.5度且竖直向下倾斜2.7度。
D形镜410可被安装到安装支架412，安装支架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形镜410可被水平定向，使得在使用中平边最接近重整光束456。当压缩光束452首次抵达D形镜406时，D形镜410可被定位为相对于压缩光束452的入射路径水平倾斜2.5度且竖直向上倾斜2.7度。在一些实施方案中，D形镜406和410可以是ThorlabsTM#BBD1-E02镜。技术人员会理解，不同形状的镜或其他反射表面(包括凸形或凹形表面)可用于产生重整光束456，此外，可实施镜或其他反射表面的替代定位来达成基本相近的结果。
在使用中，压缩光束452可越过(passover)D形镜410，且可到达D形镜406的位置。在一些实施方案中，压缩光束452的部分456A从D形镜406旁经过，而压缩光束452的剩余部分在D形镜406与D形镜410之间来回反射，直到生成重整光束456(由部分456A、456B、456C和456D构成)。随着每次来回反射，反射光束的一部分从D形镜406旁经过，以产生重整光束406的相应一部分。例如，在部分456A从D形镜406旁经过之后，压缩光束452的剩余部分反射离开D形镜406，从而生成被朝D形镜410处引导的第一反射光束。
D形镜410将所述第一反射光束朝D形镜406反射返回，该反射的一部分从D形镜406旁经过，从而生成部分456B，该反射的剩余部分被引导返回D形镜410处。部分456B位于部分456A下方，并且基本平行于部分456A且基本竖直堆叠。
该反射的剩余部分在D形镜406处被引导，从而生成后续反射部分，该后续反射部分被引导回到D形镜410。该后续反射部分在所述第一反射部分的接触位置下方的位置接触D形镜410。该后续反射部分反射离开D形镜410，朝D形镜406返回，一部分从D形镜406旁经过，从而生成部分456C，该反射光束的剩余部分接触D形镜406。部分456C位于部分456B下方，每个部分456A、456B和456C基本平行且基本竖直堆叠。
再一次，该反射的剩余部分在D形镜406处被引导，生成又一个反射部分，被引导回到D形镜410。这又一个反射部分在前一反射部分的接触位置下方的位置接触D形镜410。这又一个反射部分反射离开D形镜410并从D形镜406旁经过，从而生成部分456D。部分456D位于部分456C下方，每个部分456A、456B、456C和456D基本平行且基本竖直堆叠，且每个部分是压缩光束452的一个分光部分。
虽然图4中所示的实施方案是生成四个光束部分的分光器，但技术人员会理解，通过增加在D形镜406与410之间的来回反射的次数，可增加重整光束456的部分的数量。技术人员会理解，镜402、404、414和416的焦距和尺寸可被适当地调整以适应这样的修改。
回顾图4，如果重整光束456穿过具有与用来产生输入光束102的校直透镜或曲面镜基本相同的焦距的聚焦透镜，则产生重整器光斑。所产生的重整器光斑产生输入光束102的像，该像与由输入光束102穿过相同的聚焦透镜而产生的输入光斑相比在竖直尺度上以分光因子被扩张且具有相近的水平尺度，同时维持与该输入光斑相近的光强度。
重整光束456可被像扩张器174接收，从而产生输出光束156。像扩张器174具有柱凸面镜414和柱凹面镜416。柱凸面镜414接收并反射重整光束456，从而产生水平发散的重整光束458，重整光束458在柱凹面镜416处被引导。柱凹面镜416接收水平发散的重整光束458并基本校直水平发散的重整光束458，从而产生输出光束156。还参见图5A，输出光束156穿过输出孔520，输出孔520可位于柱凸面镜414下方且穿过安装支架514。
所得到的输出光束156如果穿过具有与用来产生输入光束102的校直透镜或曲面镜基本相同的焦距的聚焦透镜则被聚焦，以产生输出光斑。该输出光斑产生输入光斑的像(如果输入光束102穿过相同的聚焦透镜则会产生该输入光斑)，但是该像在水平方向上以分光器100的分光因子被压缩且在竖直方向上以分光器100的分光因子被扩张，同时维持与该输入光斑相近的光强度。
还参见图5A和5F，柱凸面镜414可被固定到安装支架514，以固定到分光器100的基板480。在一些实施方案中，安装支架514可具有贯穿它的输出孔520，其中在一些实施方案中输出孔520可位于柱凸面镜414当固定到安装支架514时的位置下方。在一些实施方案中，柱凸面镜414可具有-25.84mm的焦距，且可被定位为相对于入射光束的路径水平倾斜0.0度且竖直向下倾斜6.3度；然而，技术人员会理解，其他焦距和定位也可被用于产生水平发散的重整光束458。
还参见图5A和5G，柱凹面镜414可被安装到安装支架516，以固定到分光器100的基板480。在一些实施方案中，基板480内可具有穴(indent)，该穴可容纳安装支架516的一部分，以使得凹面镜416的一部分可安置在基板480的表面下方。在一些实施方案中，柱凹面镜416可具有103.360mm的焦距，且可被定位为相对于入射光束的路径水平倾斜0.0度且竖直向上倾斜6.3度；然而，技术人员会理解，其他焦距和定位也可被于产生输出光束156。
参见图5H，分光器100可被固定到基板480的壳罩486覆盖，以保护分光器100的内部元件例如免受灰尘和其他颗粒。壳罩486可具有用于接收输入光束的输入孔482，还可具有用于从分光器100输出输出光束的输出孔484。
在此处描述的分光器的一些实施方案中，可串联放置第二分光器，其中来自第一分光器的输出光束156可以是进入第二分光器的输入光束102。在这样的实施方案中，已经发现分光因子可以是倍乘的，例如，通过串联组合两个分光因子为4的分光器，可倾向于得到为16的总分光因子。
虽然本发明可用于任何倾向于使用光作为输入的装置，此处描述的分光器的用途的一个实例可以是在摄谱学领域中。一般的摄谱仪是这样的装置，其将光色散以使得光的强度值作为波长的函数可被记录在探测器上。对于要求更高光谱分辨率的读数，需要与光谱分辨率有直接关系的更窄的缝，而通常窄缝将导致一般的分光计装置收到的光强度降低。将分光器放在一般的摄谱仪装置的输入前方可倾向于使得进入该一般的摄谱仪装置的输入在缝的区域上具有比没有分光器的缝更高(以分光因子为倍数)的光强度值，从而倾向于提供更高的光谱分辨率而不牺牲光信号强度。
摄谱学的一个分支是干涉摄谱学；干涉摄谱学的限定特征在于，所使用的色散元件不是光栅或棱镜。而是，色散以其他方式达成，例如通过对两个干涉光束产生的图案进行傅里叶变换。该分光器不仅增加了输出的亮度，而且允许在干涉条纹的对比度以及信噪比方面做出大改善。
分光器可被用在OCT的一个被称为傅里叶域OCT(FD-OCT)的分支中，更具体地用在FD-OCT的一个被称为谱域OCT(SD-OCT)的具体实施方式中。SD-OCT仪器是一种干涉摄谱仪，其带有用于记录信号的色散摄谱仪。分光器可被包括在该色散摄谱仪的输入处，在准直光束路径中恰好在色散光束元件之前。
干涉摄谱学的属于医学成像的又一个分支是光学相干断层扫描(OCT)技术，这是一种使用干涉摄谱仪来产生像的技术。分光器会改善OCT装置的处理量(throughput)以及条纹对比度；从而该分光器可改善OCT系统可行的深度渗透(depthpenetration)，从而加速成像并增加所拍摄的像的值。分光器可被包括在OCT装置的输入处。
该分光器的又一个应用是在微型摄谱学领域中，尤其属于拉曼摄谱学。当前的拉曼摄谱仪已被实施成微型化到手持规模。由于该分光器可被用来增加任何以光作为输入源的系统的处理量，该分光器的一个微型化实施方案可结合微型化摄谱仪(例如拉曼摄谱仪)来使用，以增加光谱分辨率、增加输出信号强度以及减少扫描时间。分光器可被包括在拉曼摄谱仪的输入处。
已经针对具体实施方案描述了本发明。然而，本领域技术人员会明了，在不脱离此处描述的本发明的范围的前提下，可做出许多变化和修改。

Claims (17)

1.一种用于生成输出光斑的分光器，包括：
像压缩器，所述像压缩器接收基本准直的输入光束，并压缩该光束、输出压缩光束；
像重整器，所述像重整器接收所述压缩光束以将该压缩光束重整成重整光束，所述重整光束包括所述压缩光束的多个分光部分，所述多个分光部分基本竖直堆叠且基本彼此平行；以及
像扩张器，所述像扩张器扩张所述重整光束以产生准直的输出光束；
其中通过用聚焦透镜再聚焦所述输出光束产生的输出光斑相对于通过用所述聚焦透镜再聚焦所述输入光束产生的输入光斑在第一维度上被扩张且在第二维度上被压缩。
2.根据权利要求1所述的分光器，其中所述压缩光束相对于所述输入光束在竖直方向上被压缩且在水平方向上基本相近。
3.根据权利要求2所述的分光器，其中所述输出光束相对于所述重整光束在水平方向上被扩张，且所述输出光束具有与所述输入光束基本相近的尺度。
4.根据权利要求3所述的分光器，其中所述压缩光束的分光部分的数量等于分光因子n。
5.根据权利要求4所述的分光器，其中所述输出光斑在竖直方向上以所述因子n被扩张且在水平方向上以所述因子n被压缩。
6.根据权利要求3所述的分光器，其中所述像压缩器包括凸透镜和凹透镜，其中所述凸透镜接收所述输入光束并产生会聚光束，并且所述压缩光束是由所述会聚光束穿过所述凹透镜而形成的。
7.根据权利要求3所述的分光器，其中所述像压缩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输入光束并产生会聚光束，并且所述压缩光束是由所述会聚光束反射离开所述凸反射表面而形成的。
8.根据权利要求3所述的分光器，其中所述像重整器包括至少两个反射表面，其中所述至少两个反射表面中的一个反射表面接收所述压缩光束的一部分，并且将该部分在所述至少两个反射表面之间来回进行至少一次反射，并且其中每个分光部分是由所述压缩光束的第二部分在所述至少一次反射中的每一次反射之后从所述至少两个反射表面旁经过而形成的。
9.根据权利要求3所述的分光器，其中所述像扩张器包括凹透镜和凸透镜，并且其中所述凹透镜接收所述重整光束并产生发散光束，并且所述输出光束是由所述发散光束穿过所述凸透镜而产生的。
10.根据权利要求3所述的分光器，其中所述像扩张器包括凸反射表面和凹反射表面，并且其中所述凸反射表面接收所述重整光束并产生发散光束，并且所述输出光束是由所述发散光束反射离开所述凹反射表面而形成的。
11.根据权利要求3所述的分光器，其中所述输出光斑具有与所述输入光斑的光强度基本相同的光强度。
12.一种摄谱仪，包括根据权利要求1到11中任一项所述的分光器，其中所述分光器位于所述摄谱仪的光学输入缝的上游，以引导所述输出光斑穿过所述光学输入缝。
13.一种生成输出光斑的方法，包括：
压缩准直的输入光束，以产生压缩光束；
将所述压缩光束重整成重整光束，所述重整光束包括所述压缩光束的多个分光部分，所述多个分光部分基本竖直堆叠且基本彼此平行；以及
扩张所述重整光束，以产生准直的输出光束；
其中通过用聚焦透镜再聚焦所述输出光束产生的输出光斑相对于通过用所述聚焦透镜再聚焦所述输入光束产生的输入光斑在第一维度上被扩张且在第二维度上被压缩。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述压缩光束相对于所述输入光束在竖直方向上被压缩且在水平方向上基本相近。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述输出光束相对于所述重整光束在水平方向上被扩张，且所述输出光束具有与所述输入光束基本相近的尺度。
16.根据权利要求15所述的方法，其中分光部分的数量等于分光因子n。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述输出光斑在竖直方向上以所述因子n被扩张且在水平方向上以所述因子n被压缩。
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