CN103930754A - 具有失真射束扩张的光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种光谱仪，包括光束重新格式化元件、射束扩展器、分散元件以及光接收元件。光束重新格式化元件将接收的光束重新格式化为重新格式化的光束，该重新格式化的光束沿第一轴线具有的第一维度大于接收的光束沿第一轴线的维度，并且该重新格式化的光束沿与第一轴线基本正交的第二轴线的第二维度小于接收的光束沿第二轴线的维度。射束扩展器沿第二轴线将重新格式化的光束失真地扩张为扩张的光束。分散元件沿第二轴线分散扩张的光束，生成分散的光束。光接收元件接收分散的光束。光接收元件可包括一个或多个光检测器以测量分散的光束的光谱强度。

Description

具有失真射束扩张的光谱仪

相关申请的交叉引用

本公开要求于2011年6月24日递交的美国临时专利申请第61/500,948号的优先权，通过引证将其全部内容结合于此。

技术领域

本公开此处涉及光学光谱仪。特别地，本公开涉及应用失真（anamorphic，变形）射束扩张的光谱仪。例如，在多个实施方式中本公开涉及包括集成的射束重新格式化器以及失真射束扩展器（扩束器）的光谱仪。

背景技术

光谱仪是一种根据波长（例如，落在可见光谱内的波长、色彩波长）变化来测量光或其他电磁辐射的强度的设备。光谱仪可以用在多种类型的应用中，包括，例如，通过分析由材料、物质或物体发射、反射或透射的光的光谱特性，来确定这些材料、物质或物体的物理属性。在基础水平，光谱仪可以包括：输入孔，光能够通过该孔送入设备内；分散元件，该分散元件根据波长而通过不同角度使光束弯曲；照相机子系统，该照相机子系统将这些角度转化为沿检测器的位置。

其中，光谱仪的基础性能参数是：（1）它的带通（bandpass），即，它能够检测的波长范围；（2）它的光谱分辨率，即，能够被识别的最小的光谱特征或细节的大小；以及（3）它的通过量（throughput），即，最终由光谱感应器测得的进入设备的光的百分率。

对于很多应用来说，带通、光谱分辨率以及设备通过量全部是重要的。更高的光谱分辨率能够给出目标光谱更清楚的视图，允许更详细的分析，而更高的通过量能够提供更强的能够测量的信号，提升了数据的质量（通常量化为“信噪比”）。

现在的传统的光谱仪中的很多（即便不是大多数光谱仪）体现了在这些参数间的折衷。例如，特定的光谱设备的光谱分辨率常常受到沿分散方向测量的光输入孔的图像的大小限制。为了获得更高的分辨率，许多光谱仪利用“狭缝”，比如，以矩形孔的形式，该矩形孔沿分散方向窄而在垂直维度（dimension，尺寸）上相对更高。窄的狭缝能够在检测器上生成窄单频（monochromatic，单色的）图像，并且因此生成更清楚的光谱特征的视图。但是，例如，如果起始光源大于狭缝宽度，窄的狭缝也可能阻挡输入光的大部分。因此典型地，这样的光谱仪为了达到更高分辨率而牺牲了通过量，结果降低了数据质量。例如，在利用诸如纤维光缆或其他输入的交变光源的情况下也可出现同样的困难。

发明内容

本公开此处呈现了一种用于提高光谱仪的光谱分辨率的新的途径。作为其他改进中的一个，根据本公开的系统以及设备能够将较大输入孔（例如，其可允许输入源的最大通过量）与一系列镜子、透镜和/或其他元件结合使用，该一系列镜子、透镜和/或其他元件被构造成用于沿分散方向压缩或以其他方式重新格式化输入源图像，并且可选地在与分散方向大体上正交的方向上扩张或压缩输入源图像。这可以使得重新成形的图像在一些方面具有这样的特性，即，好像它已被定向穿过了狭缝，但有极少或没有通过量损失，例如，避免或减少了比如在利用孔/狭缝组合的光谱仪中常见的损失。

根据光学不变性（optical invariance）定律（也被称作集光率（etendue，展度，光学扩展量）定律），在图像的大小与相应的准直射束（collimatedbeam）的大小之间存在逆相关。因此，光束的正交轴线的集光率可以独立于彼此地操作，以实现图像的期望的重新成形。在多个方面中，本公开利用失真射束扩展器，该失真射束扩展器适于将沿一个轴线的光束扩张，同时保持沿另一（例如，正交）轴线的射束维度不变。在其他方面，本公开利用了失真射束扩展器和/或压缩器以扩张和/或压缩沿两正交轴线的光束。

射束扩张典型地导致更大的射束（其可在扩张轴线上需要更多空间）。因此，在多个方面，本空开利用射束重新格式化来实现沿失真扩张轴线更窄的射束，而不影响图像大小。这样可允许在可受失真扩张轴线限制的空间内具有更大的扩张系数。

为了清晰的目的，在此处本公开中，某些时候将光谱仪描述成定向为使得光在“水平”方向上光谱传播，或分散。在这样的情况下，术语“水平”旨在表示“平行于分散轴线或沿着分散轴线”，并且术语“竖直的”旨在表示“垂直于分散轴线或横断于分散轴线”。这样选择术语仅为了清晰，并且不应当被认为是暗示本发明仅能在任何特定的几何形状、空间或重力定向下工作或可以更好的工作，或是以下的权利要求或公开被限制于特定的几何形状或定向。在本公开中，术语“失真扩张/压缩”可以用于描述光束在一个维度上的扩张/压缩，同时另一个维度扩张/压缩不同的量或完全未扩张/压缩。光束的失真扩张/压缩因此可以用于改变光束的横截面区域的纵横比。

在多种实施方式中，根据本公开的系统和/或设备可以以多种组合包括以下元件中的一些或全部：

·一个或多个输入孔（例如，光纤、针孔、狭缝、多个光纤或其他输入光源）；

·一个或多个准直器（例如，透镜、镜子或其他用于使光束变窄、聚焦或定向的设备）；

·一个或多个射束重新格式化器，被构造成利用平面的或其他镜子，或其他反射的或折射的表面或设备，以将射束横截面形状（包括从输入孔接收的特定射束）细分并且重新布置（通俗地说，以“分开”）于大体上沿第一轴线（例如，“竖直地”）对准的线性布置中；

·一个或多个失真射束扩展器，用于展开（并且可选地重新准直）射束，包括水平地（即，在第二方向上，大体上正交于第一轴线）重新格式化射束；

·一个或多个单轴线射束扩展器和/或压缩器，用于扩张和/或压缩（并且可选地重新准直）沿第一（“竖直”）方向的射束；

·两个以上所列元件的组合（即，水平射束扩展器和竖直射束扩展器和/或压缩器的组合），用于提供大体上平行的射束，所述射束在相对于原始输入射束的两个大体上正交的方向上被压缩和/或扩张；

·以上描述的每个水平的和/或竖直的扩张器和/或压缩器也可用于重新准直射束，在此情况下可能不需要附加的准直器；

·一个或多个分散元件（例如，光栅、棱镜或其他）；

·一个或多个聚焦元件（例如，照相机透镜、镜子或其他）；和/或

·一个或多个光接收元件，比如光敏检测器（例如，单像素、线、阵列或其他）或镜子阵列。

本公开可提供具有提高的有效光谱分辨率同时具有相对高通过量效率的光谱仪。

在多个方面，本公开提供的光谱仪包括以下任意一个或多个：至少一个射束重新格式化器，被构造成用于将光或其他射束沿第一轴线重新格式化和/或重新定向；至少一个射束扩展器，被构造成用于将光或其他射束沿第二轴线（其可以基本上正交于第一轴线）扩张；至少一个分散元件；以及至少一个光接收元件，用于接收光或其他辐射，例如，以便测量、传感、反射、检测、分析或以其他方式接收光强度或其他辐射强度。在一些实例中，光接收元件可以是用于测量光强度或其他辐射强度的检测器。

在一些方面，本公开提供了一种射束重新格式化器，该射束重新格式化器被构造成用于通过以下方式重新格式化或重新定向光或其他射束：将射束的一个或多个部分重新定向为准直复合射束，该准直复合射束沿第一轴线具有的宽度大于原始射束沿第一轴线的宽度，并且沿与第一轴线基本正交于的第二轴线的宽度小于原始射束沿第二轴线的宽度。

在相同的方面或其他的方面，本公开提供一种射束扩展器，该射束扩展器被构造成用于通过反射或折射将光或其他射束沿第二轴线失真地扩张，使得产生的源图像沿相同轴线被压缩。

在相同的方面或其他的方面，本公开提供一种包括以上所述的射束扩展器和/或射束重新格式化器的光谱仪。

在多个方面，根据本公开的光谱仪可以包括以下的任意一个或多个：至少一个输入光或射束源；至少一个入口或输入孔；至少一个准直器；以及至少一个聚焦元件。

在又一个方面和实施方式中，本公开提供了一种光谱仪，该光谱仪可以包括：至少一个光束重新格式化元件，被构造成用于将接收的光束重新格式化为重新格式化后的光束，该重新格式化的光束沿第一轴线具有的第一维度比接收的光束沿第一轴线的维度大，并且沿与第一轴线基本正交的第二轴线的第二维度小于接收的光束沿第二轴线的维度；至少一个射束扩展器，被构造成用于沿第二轴线将重新格式化的光束扩张为扩张的光束；至少一个分散元件，被构造成用于沿第二轴线分散扩张的光束，生成分散的光束；以及至少一个光接收元件，被构造成用于接收分散的光束。

在一些实例中，光接收元件可包括至少一个光检测器，该光检测器被构造成用于测量分散的光束的光谱强度。

在一些实例中，光谱仪可以包括至少一个光源，该光源被构造成用于生成接收的光束。

在一些实例中，光谱仪可以包括至少一个输入孔，该输入孔被构造成用于接收输入光，接收的光束由输入光生成。

在一些实例中，光谱仪可以包括至少一个准直元件，该准直元件被构造成用于从输入光生成准直光束。

在一些实例中，至少一个准直元件可以包括至少一个第一准直器以及至少一个第二准直器，第一准直器用于使输入光基本上仅沿第一轴线准直，第二准直器用于使输入光基本上仅沿第二轴线准直。

在一些实例中，光谱仪可以包括至少一个聚焦元件，该聚焦元件被构造成用于将分散的光束聚焦在光接收元件的光接收部分上。

在一些实例中，至少一个光束重新格式化元件可以包括射束重新格式化器，该射束重新格式化器被构造成用于将接收的光束的一个或多个部分重新定向以生成包括一个或多个重新定向射束部分的复合光束，其中复合光束沿第一轴线具有的第一维度大于接收的光束沿第一轴线的维度，并且其中复合光束沿第二轴线具有的第二维度小于接收的光束沿第二轴线的维度，复合光束为重新格式化的光束。

在一些实例中，复合光束可以包括一个或多个未重新定向的射束部分。

在一些实例中，至少一个光束重新格式化元件可以包括至少一个射束扩展器。

在一些实例中，光谱仪可以包括至少一个光束重新格式化元件、至少一个射束扩展器以及至少一个分散元件，这些元件可以体现在包括一个或多个光学元件的重新格式化、扩张和分散元件中。

在一些实例中，射束扩展器的一个或多个光学元件可以包括至少一个弯曲反射器。

在一些实例中，光谱仪可以包括第二射束扩展器，该第二射束扩展器被构造成用于将接收的光束沿第一轴线扩张。

在一些实例中，光谱仪可以包括压缩器元件，该压缩器元件被构造成用于将接收的光束沿第一轴线压缩。

在一些实例中，光谱仪可以包括至少一个反射光学元件，所述反射光学元件被构造成用于将光学路径适配在光束重新格式化元件、射束扩展器、分散元件以及光接收元件中的任意两个之间。

在一些实例中，重新格式化元件以及射束扩展器中的至少一个可以包括至少一个反射光学元件，该反射光学元件被构造成用于将光学路径适配在重新格式化元件以及射束扩展器中的至少一个内。

在一些实例中，射束扩展器可以包括至少一个反射光学元件，该反射光学元件被构造成用于将光学路径适配在射束扩展器的重新准直构件与发散构件之间。

在又一个方面和实施方式中，本公开提供了一种光谱仪，该光谱仪可以包括：至少一个射束扩展器，被构造成用于将接收的光束沿第一轴线扩张，生成失真扩张光束；至少一个光束重新格式化元件，被构造成用于将扩张的光束重新格式化为重新格式化的光束，该重新格式化的光束具有沿与第一轴线基本正交的第二轴线的第一维度，重新格式化的光束的第一维度大于扩张的光束沿第二轴线的维度，重新格式化的光束沿第一轴线的第二维度小于扩张的光束沿第一轴线的维度；至少一个分散元件，被构造成用于将重新格式化的光束沿第一轴线分散，生成分散的光束；以及至少一个光接收元件，被构造成用于接收分散的光束。

在一些实例中，光接收元件可以包括至少一个光检测器，该光检测器被构造成用于测量分散的光束的光谱强度。

在又一个方面和实施方式中，本发明提供了一种射束重新格式化器，包括：至少一个光学元件，被构造成用于将接收的光束的一个或多个部分重新定向以生成包括一个或多个重新定向射束部分的重新格式化的光束；其中重新格式化的光束沿第一轴线具有的第一维度小于接收的光束沿第一轴线的维度。

在一些实例中，重新格式化的光束进一步包括至少一个未重新定向射束部分。

在一些实例中，重新格式化的光束沿与第一轴线基本正交的第二轴线可以具有第二维度，重新格式化的光束的第二维度大于接收的光束沿第二轴线的维度。

在又一个方面和实施方式中，本公开提供了一种光谱仪，该光谱仪可以包括：至少一个射束重新格式化器，被构造成用于将接收的光束的一个或多个部分重新定向以生成包括一个或多个重新定向射束部分的重新格式化的光束；其中重新格式化的光束沿第一轴线具有的第一维度小于接收的光束沿第一轴线的维度；至少一个分散元件，被构造成用于将重新格式化的光束沿第一轴线或沿与第一轴线基本正交的第二轴线分散，生成分散的光束；以及至少一个光接收元件，被构造成用于接收分散的光束。

在一些实例中，光接收元件可包括至少一个光检测器，该光检测器被构造成用于测量分散的光束的光谱强度。

在一些实例中，重新格式化的光束进一步可以包括至少一个未重新定向射束部分。

在一些实例中，重新格式化的光束沿第二轴线可以具有第二维度，重新格式化的光束的第二维度大于接收的光束沿第二轴线的维度。

附图说明

图1-图4示出了包括此处本公开的多个方面的多种实施方式的光谱仪设备的概要性透视图。

具体实施方式

图1示出了根据本公开的失真扩张光谱仪10的示例性实施方式的概要性透视图。在所示的实施方式中，光谱仪10包括光或射束入口孔100、准直器102、射束重新格式化器202、射束扩展器204、分散元件118、聚焦元件120以及光接收元件121（比如检测器）。

光束（或其他电磁辐射，根据所需）可以被定向为穿过入口孔100，在这个实例中入口孔示出为圆形孔的形式。可替代地，孔100可被构造为一个或多个矩形狭缝、圆形的或成形为其他形状的光纤，或适用于将要描述的应用的任何其他类型和形状的装置。

在离开孔100后，光或其他射束可以，例如，发散为在101处所示的圆锥形发散射束，以被接收在准直器102内。可提供例如一个或多个合适形状的弯曲的独立或复合透镜或镜子、小透镜（lenslets）或其他适当构造的光学构件形式的准直器102。

准直器102可以定向发散射束101，使得发散光束101以平行准直射束103的形式被定向到射束重新格式化器202以及射束扩展器204（两者共同地作为射束重新格式化器和扩张器200）中。射束重新格式化器和扩张器200的功能可以用于使得在孔100处接收的射束输入的基本上全部或大部分在两个相互正交的方向上扩张，使得它大约均匀地在其整个扩张横截面上扩张。

在所示的示例性实施方式中，射束重新格式化器和扩张器200可以包括作为分离的构件的射束重新格式化器202以及射束扩展器204。在一些实例中，射束重新格式化器202以及射束扩展器204中的一个或多个构件可以在射束重新格式化器和扩张器200中组合。在所示的实例中，光是在被接收到射束扩展器204内之前被接收到射束重新格式化器202内的，但是在其他实例中，光可以在被接收到射束重新格式化器202之前被接收到射束扩展器204内。

射束重新格式化器202可以被构造成用于，通过将准直射束103分裂或重新定向为多个邻近的平行射束部分（比如在图1中所示的部分109、111、113），而有效地将准直射束103重新定方位、重新构造和/或重新布置，以形成复合射束（即，由单独的重新定向平行射束部分构成的射束，这些部分可以共同地被称作单个复合射束），该复合射束沿一个轴线（在所示实例中，竖直轴线）比沿横断（例如，水平的）轴线更宽。

在所示的示例性实施方式中，射束重新格式化器202包括多个平面镜子104、105、106、107。镜子104、105可以例如沿平面的或直的边缘104a、105a彼此间隔，这样准直射束103的部分113可以在镜子104、105之间穿过。镜子104、105（在这个实例中，与镜子106、107组合）的角度可以被设定为使得准直射束103的其余部分109、111可以重新定方位、重新构造、重新布置，或以其他方式重新定向为在竖直方向上可以彼此对齐或者彼此平行的部分，如所示。贯穿本公开，术语“重新格式化”可以用于大体上表示，通过分裂和可选地操纵光束的部分而重新定方位、重新构造、重新布置或以其他方式重新定向光束的过程。

将会被相关领域中的技术人员理解的是，一旦已通晓了本公开，射束重新格式化器202的镜子104、105、106、107和/或其他元件均可被构造成用于提供并且重新定向准直射束103的尽可能多的部分109、111、113，如对于特定的光谱仪10将投入其中的应用所适合的或以其他方式需要的。例如，尽管图1的实例示出了准直射束103被分为三个射束部分109、111、113，但是准直射束可以被分为更多或更少的射束部分。在一些实例中，射束部分109、111、113可以一起对应于整个准直射束103，而没有任何重叠。在其他实例中，准直射束103的一个或多个部分可以从射束部分109、111、113中省略，和/或准直射束103的一个或多个部分可以重叠在射束部分109、111、113之中。

在所示的实例中，准直射束103被重新格式化为三个堆叠的平行射束部分109、111、113，使得当射束部分109、111、113到达发散元件114时，射束部分109、111、113可以有效地形成单个复合射束，该复合射束沿第一轴线（例如，竖直方向）具有比跨越横断或正交轴线（例如，水平方向）更大的维度。在一些实例中，准直射束103的这种重新格式化可以生成与通过使光束穿过狭缝而实现的光束相似的射束形状，但是与使光束穿过狭缝的情况不同的是，重新格式化的射束可以保持原始的准直射束103的横截面光束面积。通过对输入的准直射束103的这种重新格式化，射束重新格式化器202能够使用通过输入孔100接收的光束（其可以与由任何传统孔提供的输入光束相似）中的大部分（并且在很多情况下基本上全部），这转而可以提高光谱仪10的通过量和/或效率。

在所示的示例性实施方式中，准直射束103由平面镜子104、105、106、107接收和反射。准直射束103的左部分108可以被镜子104反射，然后被镜子106反射，生成射束部分109。相似地，准直射束103的右部分110可以被镜子105反射，然后被镜子107反射，生成射束部分111。原始准直射束103的中央部分112可以穿过镜子104、105之间的空间，生成射束部分113。尽管描述了一种实例镜子构造，但是可以利用其他镜子几何形状，具有更少或更多的镜子和/或不同的反射顺序和/或反射角度。

在所示的实例中，射束部分109、111以及113可以每个均具有与原始准直射束103大约相同的竖直（或第一轴向）维度，但是在水平维度上或沿第二基本正交方向更窄（例如，在所示的实例性实施方式中，每个射束部分109、111、113都可以是准直射束103宽度的大约三分之一）。镜子104和106的角度和位置可设定为使得射束部分109可以被定向成直接地位于射束部分113下方并且基本上平行于该射束部分113；相似地，镜子105和107的角度和位置可设定为使得射束部分111可以被定向成直接地位于射束部分113上方并且基本上平行于该射束部分113；以及镜子104、105、106、107的角度和位置可设定为使得射束部分109、111、113全部彼此竖直地对齐，并且被定方位成平行于竖直方向。

在所示实例中，全部三个射束部分109、111、113仍然承载入口孔100的图像，因此如果具有与准直器102的透镜相同焦距的透镜放置在这些射束部分109、111、113的任意一个中的话，结果将会是具有与孔100所接收的光相同的大小和纵横比的光聚焦斑点，但是具有大约三分之一的光强度。由于这个相同的原因，由入口孔100接收的输入光的空间编码可以不被射束重新格式化器202干扰，并且可以保留在这三个射束部分109、111、113的每个中。

射束重新格式化器202，其有效地将准直射束103重新格式化（例如，分裂并且重新定向）为例如，由射束部分109、111、113形成的高的、窄的复合射束，也可以将复合射束定向于发散元件114内。射束重新格式化器202因此可以提供重新格式化的射束，与接收的准直射束103相比，该重新格式化的射束在一个方向（例如，竖直地）上大而在正交方向（例如，水平地）上小。在一些例子中，射束重新格式化器202可用于实现在水平方向上比接收的准直射束103窄的重新格式化的射束。此外，重新格式化的射束在竖直上可以高于接收的准直射束103，以保持接收的光的总量。

发散元件114可以将复合射束109、111、113展开为沿与构造复合射束的轴线或方向大体上正交的轴线或平面的发散射束115。在所示实例中，发散元件114包括一个或多个负柱面透镜（negative cylindrical lense），该负柱面透镜可以使得竖直定方位的复合射束水平地发散，但是基本上不是竖直地发散；也就是说，在与准直射束103的维度已通过射束重新格式化器202放大所沿的方向基本正交的方向上发散。例如通过将发散射束115定向到第二、一维的（one-dimensional）准直器116（比如正柱面透镜（positive cylindrical lense））内，发散射束115可以被重新准直为扩张的光束117。发散元件114以及第二准直器可以共同地称为射束扩展器204，或水平的或一维的失真射束扩展器。

射束扩展器204可以在例如与由射束重新格式化器202实施的窄化相同的方向上（即，水平地）使光束失真地扩张。射束扩展器204可以水平实现地光束扩张，同时不影响光束的竖直维度。射束扩展器204可使用任意合适的构件或构件的组合而实现并且实施，所述构件比如两个或多个正柱面透镜、两个或多个柱形镜子、具有柱形弯曲前后表面的一个单独的折射光学元件、一个或多个失真棱镜、或可以在一个正交方向上但不能在两个正交方向上实现射束扩张的任何其他光学构造。在一些实例中，射束扩展器204可以包括一个或多个环形（toroidal，螺线管形）元件，该环形元件可以允许在两个正交方向上扩张（例如，在两个正交方向上的不均匀扩张）、在一个方向上扩张而在第二正交方向上压缩，或光束的一些其他失真扩张。

由于光学不变性定律（也被称作集光率守恒），发散射束115的水平扩张可以导致形成的图像的水平压缩。例如，如果发散射束115水平扩张20倍，然后通过具有与准直器102相同焦距的透镜聚焦，则沿水平轴线形成的输入孔100的图像将比发散射束115未被水平扩张的情况窄20倍。对于给定的输入孔大小来说，输入孔图像的这种窄化可以允许光谱仪10实现提高的光谱分辨率。此外，更宽的射束可以照亮分散元件118（例如，分散光栅）上的更多的槽或线，这将会提高可实现的光谱分辨率上的傅里叶（Fourier）限制。

重新准直的所述117可以被定向到分散元件118（比如传输光栅）内。替代地，也可以使用任何其他合适的光谱分散元件，比如，例如反射光栅、棱镜，或棱栅。分散元件118可以将进入的重新准直的射束117展开为光谱分散射束119簇，其中，由于折射定律和/或衍射定律，每个波长都以不同的角度传播。分散的射束119可以被定向于照相机镜头或其他聚焦装置120内，并且聚焦在光接收元件121内。

光接收元件121可以包括用于传感、检测、测量、分析、反射或以其他方式接收分散的光束的任何适合的装置。在一些实例中，光接收元件121可以包括检测器，该检测器可以包括任意合适的装置，例如包括一个或多个阵列传感器（比如电荷耦合器件（CCD））、线传感器（比如光电二极管阵列）、单色器，和/或随输入角度或线性位置的变化而测量光强度的任何其他装置。在一些实例中，光接收元件121可以包括镜子阵列，例如，该镜子阵列可以用于反射光的沿不同方向和/或具有不同光强度的不同波长分量以生成具有定制的或特制的光谱成分的反射光束。

在根据本公开构造的设备所提供的很多优点中，可以是，通过使准直的射束仅在一个维度上（例如，在水平方向上）扩张，平行于光谱仪的分散轴线，在例如射束扩展器204提供的方式下，光谱分辨率可以提高，同时使得光学构件和物理空间的大小上的任何增加都最小化，特别地是在其他维度上（例如，在竖直方向上）。此外，水平扩张因数可以通过使用重新格式化光学元件来增加，该重新格式化光学元件可以放置在位于射束扩展器204（例如包括此处所描述的重新格式化器202）之前的光束路径中。由重新格式化器202产生的复合射束（例如，由重新格式化的射束部分109、111、113形成）可以在第一（例如，水平）方向上比准直射束103窄，使得复合射束能够水平扩张更大的倍数但没有超过接收分散单元118（例如，光栅）的大小和/或聚焦装置120（例如CCD照相机镜头）的大小，这可以允许甚至更多的光谱分辨率的优点。

图2-4示出了根据本公开的光谱仪10的另一个示例性实施方式。如在图2-4中所示的，光谱仪10a可以包括与以上结合图1的光谱仪10描述的那些元件相似的元件，并且在图2-4中，相似的附图标记表示相似的元件。在所示的实例中，光谱仪10a的发散元件114以及第二准直器116可以实施为柱形镜子形式的而不是透镜，例如，但是功能上与结合图1的光谱仪10描述的发散元件114以及准直器116相似。在图2-4的实例中，光谱仪10a可以包括反射器123（比如平面折叠镜子），以提供相对长的光学路径，同时将光学路径适配在更小的物理空间内。在一些实例中，光谱仪10a可以包括一个或多个反射光学元件以将光学路径适配在准直器102、射束重新格式化器202、射束扩展器204、分散元件118以及光接收元件121中的任意两个（或多个）之间。在一些实例中，一个或多个反射光学元件可包括在准直器102、射束重新格式化器202、射束扩展器204和/或分散元件118内，以将光学路径适配在准直器102、射束重新格式化元件202、射束扩展器204和/或分散元件118中的更小物理空间内。在图示的实例中，反射器123可以被定位在第二准直器116与发散元件118之间的光学路径内。这对于给光谱仪10a提供更小的占地面积（footprint）或设置在更小的空间内可以是有用的。

除以上所述的多种可选的子系统构造（例如利用平面镜、水平扩张器、分散器以及光接收元件）之外，在多种应用中还可以利用其他多种变型，这可以多种额外优点。

在一些实例中，一个或多个水平射束扩展器204可以被定位在一个或多个射束重新格式化器202的上游（即，在其之前，以使得光碰撞光学元件）而不是下游。在一些情况下，这样的设置可能需要更大的重新格式化元件，比如镜子，但是在多种情况下可以是有用的。例如，如果准直射束103具有非常小的直径，那么为了达到想要的射束重新格式化，获取、准确地定位和/或准确地对齐平面的镜子104-107可能会是困难的和/或昂贵的。在这样的情况下，在重新格式化光束的上游扩张光束可以导致更大的光束被重新格式化，这可简化平面镜的获取、定位和/或对齐。

在多种实施方式中，例如通过使用特殊形状的曲面镜子（或其他适合地构造的聚焦光学元件）取代平面镜子104-107，光束的水平扩张以及竖直重新格式化可以同时地完成（例如，使用相同的光学元件）。这个选择可有助于减小光谱仪10、10a的总大小并且有助于提高效率。在一些情况下，这样的变型可以产生更大的光学复杂性和/或构件成本。

在一些实例中，一个或多个竖直压缩器或扩张器可包含于光谱仪10、10a内以改变射束的竖直大小，在多种应用中这种改变可以是有用的。例如，如果光接收元件121的光敏区域在竖直方向上较短，则在光学路径中定位在光接收元件121上游的竖直射束扩展器可以竖直地扩张射束，使得聚焦图像的更大部分可以落在光接收元件121的光敏区域上和/或在光接收元件的光敏区域被检测到。根据需要，竖直压缩器或扩张器可以定位在光学路径中的任何适当的位置中，例如，射束重新格式化器202的上游或下游、水平射束扩展器204的上游或下游、和/或分散元件118的上游或下游。

在多种实例中，准直器102可以包括多个准直器，例如准直器102可以包括在距孔100不同距离处的分离的水平准直器和竖直准直器，使得发散射束101可以被定向为具有不同的水平维度和/或竖直维度的平行准直射束103的形式。这种选择在一个需要的方向上提供了更宽的准直射束103，而无需也增加射束（以及随后光谱仪10、10a的物理空间）在另一个方向上的大小。通过从准直器102在水平方向上提供更宽的准直射束103，这种选择还可以有助于减少光谱仪10、10a中的光学构件的总数量，并且因此可消除对水平扩张器204的需要。

在一些实例中，射束入口孔100可以是延伸的狭缝或其他孔，具有多个空间不同的光源，例如两个或多个光纤（例如，每个都从不同的源头传输光）或通过成像系统投射在孔100上的图像的一部分。不同的光源可以被构造成使得来自光源的光束是不同的并且当光束由孔100接收时在竖直方向上是对齐的（例如，在孔100是狭缝的情况下沿狭缝轴线对齐）。光束在与分散方向正交的竖直方向上的空间分布可在所有重新格式化、扩张以及分散的阶段被保持，使得光接收元件121（其可以是检测器）可以分辨不同的光束并且因此可以同时地接收和/或测量两个或多个独立的光谱，每个都对应于入口孔100上的特定位置处或位置范围处的光源。

在一些实例中，分开的射束部分（比如图1中的射束部分109、111以及113）可以基本上彼此不平行，并且可以因此落在光接收元件121上的不同位置上（或多个不同的光接收元件上）。例如在光接收元件121包括光检测器的情况下这可以是有用的，用于避免检测器像素的饱和和/或使射束部分更有效地通过中间孔（比如照相机透镜或分散元件的接收孔）。

光谱仪10、10a的任意一个或多个元件可以使用此处描述的一个或多个构件实施，并且除此处描述的那些之外的其他置换或变型可以被应用在多种特定应用中。光谱仪10、10a的任意一个或多个元件可以体现在一个或多个相同或共享的共有元件中。例如，射束重新格式化器202和射束扩展器204可以体现在相同或共享的共有光学元件中。相似地，射束重新格式化器202、射束扩展器204以及分散元件118可以体现在相同或共享的共有光学元件中。

在一些实例中，根据应用，光谱仪可以包括重新格式化器202但没有射束扩展器204。与以上描述的相似，重新格式化器202可以将接收的光束重新格式化，使得重新格式化的射束沿第一轴线（例如，水平的）窄于原始接收的光束。这样的光谱仪可以包括分散元件118。与以上描述的相似，分散元件118可以将重新格式化的光束沿第一轴线（例如，水平的）或沿与第一轴线基本正交的第二轴线（例如，竖直的）分散。这样的光谱仪还可以包括光接收元件121，与以上描述的相似。根据应用，也可实施以上描述的变型（例如，包括压缩器以及反射器123）。

以上描述的本公开的实施方式旨在仅为实例。在不背离本公开的预期的范围的前提下，可对本公开做出替换、修改以及变型。特别地，从上述实施方式中的一个或多个中选择的特征可以被组合以产生未详细描述的可替代实施方式。在公开范围内的全部数值以及子范围也被公开。此处描述的主题旨在覆盖并且包括在技术上的所有合适的更改。通过引证将所有提及的参考文献整体结合于此。

Claims (26)

1.一种光谱仪，包括：

至少一个光束重新格式化元件，被构造成用于将接收的光束重新格式化为重新格式化的光束，所述重新格式化的光束沿第一轴线具有的第一维度大于所述接收的光束沿所述第一轴线的维度，并且所述重新格式化的光束沿与所述第一轴线基本正交的第二轴线具有的第二维度小于所述接收的光束沿所述第二轴线的维度；

至少一个射束扩展器，被构造成用于沿所述第二轴线将所述重新格式化的光束扩张为扩张的光束；

至少一个分散元件，被构造成用于沿所述第二轴线分散所述扩张的光束，生成分散的光束；以及

至少一个光接收元件，被构造成用于接收所述分散的光束。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述光接收元件包括至少一个光检测器，所述至少一个光检测器被构造成用于测量所述分散的光束的光谱强度。

3.根据权利要求1所述的光谱仪，进一步包括至少一个光源，所述至少一个光源被构造成用于产生所述接收的光束。

4.根据权利要求1所述的光谱仪，进一步包括至少一个输入孔，所述至少一个输入孔被构造成用于接收输入光，所述接收的光束从所述输入光中产生。

5.根据权利要求1所述的光谱仪，进一步包括至少一个准直元件，所述至少一个准直元件被构造成用于从输入光中产生准直光束。

6.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述至少一个准直元件包括至少一个第一准直器以及至少一个第二准直器，所述至少一个第一准直器用于使输入光基本上仅沿所述第一轴线准直，所述至少一个第二准直器用于使输入光基本上仅沿所述第二轴线准直。

7.根据权利要求1所述的光谱仪，进一步包括至少一个聚焦元件，所述至少一个聚焦元件被构造成用于将所述分散的光束聚焦在所述光接收元件的光接收部分上。

8.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述至少一个光束重新格式化元件包括射束重新格式化器，所述射束重新格式化器被构造成用于将所述接收的光束的一个或多个部分重新定向以产生复合光束，所述复合光束包括一个或多个重新定向射束部分，其中所述复合光束沿所述第一轴线具有的第一维度大于所述接收的光束沿所述第一轴线的维度，并且其中所述复合光束沿所述第二轴线具有的第二维度小于所述接收的光束沿所述第二轴线的维度，所述复合光束是所述重新格式化的光束。

9.根据权利要求7所述的光谱仪，其中，所述复合光束进一步包括一个或多个未重新定向射束部分。

10.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述至少一个光束重新格式化元件包括至少一个射束扩展器。

11.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述至少一个光束重新格式化元件、所述至少一个射束扩展器以及所述至少一个分散元件体现在包括一个或多个光学元件的重新格式化、扩张和分散元件中。

12.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述射束扩展器的一个或多个光学元件包括至少一个弯曲反射器。

13.根据权利要求1所述的光谱仪，进一步包括第二射束扩展器，所述第二射束扩展器被构造成用于沿所述第一轴线扩张接收的光束。

14.根据权利要求1所述的光谱仪，进一步包括压缩器元件，所述压缩器元件被构造成用于沿所述第一轴线压缩接收的光束。

15.根据权利要求1所述的光谱仪，进一步包括至少一个反射光学元件，所述至少一个反射光学元件被构造成用于使光学路径适配在所述光束重新格式化元件、所述射束扩展器、所述分散元件以及所述光接收元件中的任意两个之间。

16.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述重新格式化元件以及所述射束扩展器中的至少一个包括至少一个反射光学元件，所述至少一个反射光学元件被构造成用于使光学路径适配在所述重新格式化元件以及所述射束扩展器中的所述至少一个内。

17.根据权利要求15所述的光谱仪，其中，所述射束扩展器包括所述至少一个反射光学元件，所述至少一个反射光学元件被构造成用于使所述光学路径适配在所述射束扩展器的重新准直构件与发散构件之间。

18.一种光谱仪，包括：

至少一个射束扩展器，被构造成用于沿第一轴线扩张接收的光束，生成失真扩张的光束；

至少一个光束重新格式化元件，被构造成用于将所述扩张的光束重新格式化为重新格式化的光束，所述重新格式化的光束沿与所述第一轴线基本正交的第二轴线具有第一维度，所述重新格式化的光束的所述第一维度大于所述扩张的光束沿所述第二轴线的维度，并且所述重新格式化的光束沿所述第一轴线的第二维度小于所述扩张的光束沿所述第一轴线的维度；

至少一个分散元件，被构造成用于沿所述第一轴线分散所述重新格式化的光束，生成分散的光束；以及

至少一个光接收元件，被构造成用于接收所述分散的光束。

19.根据权利要求18所述的光谱仪，其中，所述光接收元件包括至少一个光检测器，所述至少一个光检测器被构造成用于测量所述分散的光束的光谱强度。

20.一种射束重新格式化器，包括：

至少一个光学元件，被构造成用于将接收的光束的一个或多个部分重新定向以产生包括一个或多个重新定向射束部分的重新格式化的光束；

其中，所述重新格式化的光束沿第一轴线具有的第一维度小于所述接收的光束沿所述第一轴线的维度。

21.根据权利要求20所述的射束重新格式化器，其中，所述重新格式化的光束进一步包括至少一个未重新定向射束部分。

22.根据权利要求20所述的射束重新格式化器，其中，所述重新格式化的光束沿与所述第一轴线基本正交的第二轴线具有第二维度，所述重新格式化的光束的所述第二维度大于所述接收的光束沿所述第二轴线的维度。

23.一种光谱仪，包括：

至少一个射束重新格式化器，被构造成用于将接收的光束的一个或多个部分重新定向以产生包括一个或多个重新定向射束部分的重新格式化的光束；

其中，所述重新格式化的光束沿第一轴线具有的第一维度小于所述接收的光束沿所述第一轴线的维度；

至少一个分散元件，被构造成用于沿所述第一轴线或沿与所述第一轴线基本正交的第二轴线分散所述重新格式化的光束，生成分散的光束；以及

至少一个光接收元件，被构造成用于接收所述分散的光束。

24.根据权利要求23所述的光谱仪，其中，所述光接收元件包括至少一个光检测器，所述至少一个光检测器被构造成用于测量所述分散的光束的光谱强度。

25.根据权利要求23所述的光谱仪，其中，所述重新格式化的光束进一步包括至少一个未重新定向射束部分。

26.根据权利要求23所述的光谱仪，其中，所述重新格式化的光束沿所述第二轴线具有第二维度，所述重新格式化的光束的所述第二维度大于所述接收的光束沿所述第二轴线的维度。