CN104508439B - 高效率多通道光谱仪 - Google Patents
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Abstract
多通道成像光谱仪(100)及其使用方法。所述多通道成像光谱仪的一个示例包括单个入口狭缝(120)、双程反射三元组(110)和至少一对衍射光栅(150、160)。所述光谱仪配置为接收和校准来自入口狭缝的输入光束，使用分束器将校准光束分成两个光谱子波段，以及将每个子波段引导至所述一对衍射光栅中的一个。所述衍射光栅每个配置为将校准光束的接收部分色散成其组成颜色，并且重新引导色散输出通过所述反射三元组成像到位于与所述入口狭缝对准的焦平面(180)处的图像传感器中。
Description
背景技术
在宽范围的光谱波段中形成高分辨率图像的成像光谱仪被应用于科研、军事和遥感应用中。成像光谱仪用于提供图像以及图像的在所关注的选定波长波段中的光谱分析。光谱仪可以对通过一个或多个狭缝(slit)落在组装于光谱仪光学系统的焦平面处的一个或多个图像传感器上的电磁辐射进行成像。在诸如双程光谱仪(double-passspectrometer)之类的一些光谱仪中，狭缝和图像传感器可以彼此相邻地安置于焦平面处。
广泛用于遥感应用的光谱仪的一个示例是欧浮纳光谱仪(Offnerspectrometer)。欧浮纳光谱仪结构具有同心结构，该同心结构包括狭缝、两个凹面镜和设置在位于所述两个凹面镜之间的凸面镜上的衍射光栅。在小视场上，欧浮纳光谱仪用少量光学元件提供非常低的失真(distortion)。但是，随着视场增大，结构的尺寸变得非常大。此外，需要多个光谱仪来覆盖宽波长范围或分开的多个光谱区域，每个光谱仪配置为覆盖单独的光谱波段。因此，这些系统通常由于多个光谱仪光学系统(spectrometer optics)和多个图像传感器而具有大的尺寸、重量和功率要求。
通过引用将其整体并入本文的美国专利No.5260767描述了使用双程反射三元组(double pass reflective triplet)结构的纯反射(all-reflective)成像光谱仪的示例。该光谱仪包括用作其物镜的三反射镜(three-mirror)消像散透镜(anastigmat)和带有色散元件的用于提供光谱仪校准器和成像器的反射三元组(reflective triplet)。通过引用将其整体并入本文的美国专利No.6122051描述了单波段多狭缝光谱仪，其使用二维检测器阵列来实现若干目标的同时光谱分析。在通过引用将其整体并入本文的美国专利No.7382498中描述了双波段双狭缝成像光谱仪的示例。根据美国专利No.7382498，双通道光谱仪具有共享物镜和在公共像平面处的一对狭缝。每个狭缝接收共享物镜的输出光束的一部分，并且被优化以便透射不同的波长。共享双程反射三元组接收狭缝的这些输出光束。反射三元组的输出入射到分束器上，分束器向第一色散元件发送第一波长的已校准的第一反射三元组输出，并且向第二色散元件发送第二波长的已校准的第二反射三元组输出。各色散元件的输出被引导回到分束器和反射三元组，抵达位于公共像平面的两个不同位置处的成像检测器。
发明内容
一些方面和实施例涉及提供一种具有线性色散的在宽光谱波段上具有高信噪比的成像光谱仪。
根据一实施例，一种多通道成像光谱仪包括：双程反射三元组光学子系统，其配置为接收和校准入射电磁辐射，并且提供校准输出光束；至少一个入口狭缝，其配置为将所述入射电磁辐射引导至所述反射三元组；至少一个分束器，其配置为从所述反射三元组接收所述校准输出光束，并且将所述校准输出光束分离成多个光谱通道；以及至少两个色散元件，每个色散元件配置为接收并且在光谱上色散所述多个光谱通道中的相应光谱通道，色散元件的数目提供对应数目的色散输出，其中所述反射三元组还配置为将所述多个色散输出聚焦到与所述至少一个入口狭缝共同定位(co-located)的至少一个焦平面上，以便从所述多个色散输出产生图像，并且其中所述色散元件的数目超过所述焦平面的数目。
在一示例中，所述反射三元组包括：正光功率的第一反射物镜，其配置为接收来自入口狭缝的所述入射电磁辐射，并且将所述第一和第二色散输出聚焦到所述焦平面；负光功率的第二反射物镜，其光学耦合到所述第一反射物镜；以及正光功率的第三反射物镜，其光学耦合到所述第二反射物镜和所述至少一个分束器。所述多通道成像光谱仪还可以包括：图像传感器，其位于所述至少一个焦平面处并且光学耦合到所述双程反射三元组。
在所述多通道成像光谱仪的一个示例中，所述多个光谱通道包括至少三个光谱通道，所述至少一个分束器包括：第一分束器，其光学耦合到所述反射三元组，并且配置为将所述校准输出光束分离成第一光谱通道和剩余波长范围；以及第二分束器，其光学耦合到所述第一分束器，并且配置为将所述剩余波长范围分离成第二光谱通道和第三光谱通道，其中所述至少两个色散元件包括：配置为接收且在光谱上色散所述第一光谱通道的第一色散元件；配置为接收且在光谱上色散所述第二光谱通道的第二色散元件；以及配置为接收且在光谱上色散所述第三光谱通道的第三色散元件。在一示例中，所述第一、第二和第三色散元件是衍射光栅(diffraction grating)。在另一示例中，所述至少一个入口狭缝包括第一入口狭缝和第二入口狭缝，所述至少一个焦平面包括与所述第一入口狭缝对准的第一焦平面和与所述第二入口狭缝对准的第二焦平面。在另一示例中，所述多通道成像光谱仪还包括：第三分束器，其光学耦合到所述第二分束器，并且配置为接收和分离所述第三光谱通道以便提供第四光谱通道；以及第四色散元件，其配置为接收且在光谱上色散所述第四光谱通道。
根据所述多通道成像光谱仪的另一示例，所述至少一个入口狭缝包括：第一入口狭缝，其配置为将第一波长范围的入射电磁辐射引导至所述反射三元组；以及第二入口狭缝，其配置为将第二波长范围的入射电磁辐射引导至所述反射三元组。在一示例中，所述多个光谱通道包括四个光谱通道，所述至少一个分束器包括三个分束器，其光学耦合在一起并且配置为将所述校准输出光束分离成所述四个光谱通道，所述至少两个色散元件包括四个衍射光栅，每个衍射光栅配置为接收且在光谱上色散所述四个光谱通道中的一个，所述至少一个焦平面包括与所述第一入口狭缝对准的第一焦平面和与所述第二入口狭缝对准的第二焦平面。在另一示例中，所述至少一个入口狭缝还包括第三入口狭缝和第四入口狭缝中的至少一个。在又一示例中，所述多个光谱通道包括三个光谱通道，所述至少一个分束器包括：第一分束器，其光学耦合到所述反射三元组并且配置为将所述校准输出光束分成第一光谱通道和剩余波长范围；以及第二分束器，其光学耦合到所述第一分束器并且配置为将所述剩余波长范围分成第二光谱通道和第三光谱通道，所述至少两个色散元件包括配置为接收且在光谱上色散所述第一光谱通道的第一色散元件、配置为接收且在光谱上色散所述第二光谱通道的第二色散元件、以及配置为接收且在光谱上色散所述第三光谱通道的第三色散元件，所述至少一个焦平面包括与所述第一入口狭缝对准的第一焦平面和与所述第二入口狭缝对准的第二焦平面。
根据另一实施例，一种多通道成像光谱仪包括：双程反射三元组，其配置为接收和校准关注光谱波段中的入射电磁辐射，并且提供校准输出光束；单个入口狭缝，其配置为将入射电磁辐射引导至所述反射三元组；分束器，其配置为接收来自所述反射三元组的校准输出光束，并且将所述校准输出光束至少分离成第一子波段和第二子波段；第一色散元件，其配置为接收且在光谱上色散所述第一子波段以提供第一色散输出；以及第二色散元件，其配置为接收且在光谱上色散所述第二子波段以提供第二色散输出，所述反射三元组还配置为将所述第一和第二色散输出聚焦到与所述入口狭缝共同定位的焦平面上以便从所述第一和第二色散输出产生图像。
在一示例中，所述反射三元组包括：正光功率的第一反射物镜，其配置为接收来自所述入口狭缝的所述入射电磁辐射，并且将所述第一和第二色散输出聚焦到所述焦平面上；负光功率的第二反射物镜，其光学耦合到所述第一反射物镜；以及正光功率的第三反射物镜，其光学耦合到所述第二反射物镜和所述分束器。所述多通道成像光谱仪还可包括：图像传感器，其位于所述焦平面处，并且光学耦合到所述双程反射三元组。在一示例中，所述图像传感器是单焦平面阵列检测器，其具有对所述第一色散输出灵敏的第一活性区域和对所述第二色散输出灵敏的第二活性区域。所述第一和第二活性区域可以通过防护带(guardband)在空间上彼此分隔开。在一示例中，所关注的光谱波段包括大约0.4μm到2.5μm的波长范围。所述多通道成像光谱仪还可包括折叠反射镜(fold mirror)，其光学上位于所述分束器和所述第二色散元件之间，并且配置为将所述第二子波段从所述分束器引导至所述第二色散元件。在一示例中，所述第一和第二色散元件是第一和第二衍射光栅，其每个具有单个闪耀角(blaze angle)。
根据另一实施例，一种光谱学方法包括如下操作：将关注光谱波段中的电磁辐射通过入口狭缝引导至反射光学系统；使用所述反射光学系统校准所述电磁辐射以提供校准输出束；将所述校准输出束在光谱上分离成第一子波段和第二子波段；使用第一反射色散元件在光谱上色散所述第一子波段以提供第一色散输出；使用第二反射色散元件在光谱上色散所述第二子波段以提供第二色散输出；以及使用所述反射光学系统将所述第一和第二色散输出经所述反射光学系统聚焦到与所述入口狭缝共同定位的焦平面上，以从所述第一和第二色散输出产生位于所述焦平面处的图像。
在一示例中，将所述校准输出束在光谱上分离成所述第一子波段和所述第二子波段是利用分束器实现的，所述方法还可包括使用所述分束器来重新组合所述第一和第二色散输出。在另一示例中，所述方法还包括将所述第一和第二色散输出成像到位于所述焦平面处的图像传感器以产生所述图像。
下面将详细描述另一些方面、实施例、以及这些示范性方面和实施例的优点。这里公开的实施例可以按照任何与这里公开的原理中的至少一个一致的方式与其他实施例相组合，并且对“实施例”、“一些实施例”、“替选实施例”、“各实施例”、“一实施例”等的提及不一定相互排除，旨在表明所描述的特定特征、结构或特性可包括在至少一个实施例中。这里出现的这些术语不一定全部都指的是同一实施例。
附图说明
下面参照附图论述至少一个实施例的各方面，附图未按比例绘制。附图被包括以提供对各方面和实施例的示范和进一步理解，并且被包括在本说明书中构成本说明书的一部分，但是无意作为对本发明的限制的定义。在附图中，示于各图中的每个相同或几乎相同的部件由相似的数字表示。为了清楚起见，可能没有在每幅图中标注每个部件。在附图中：
图1A是根据本发明一些方面的成像光谱仪的一个示例的光线轨迹；
图1B是仅示出图1A的成像光谱仪的第一通道的光线轨迹；
图1C是仅示出图1A的成像光谱仪的第二通道的光线轨迹；
图2是根据本发明一些方面的用于与图1的成像光谱仪结合使用的成像检测器的一个示例的图；
图3是光栅衍射效率作为波长(以纳米计)的函数的图；
图4是信噪比(SNR)作为波长(以纳米计)的函数的图；
图5A是根据本发明一些方面的三通道成像光谱仪的一示例的光线轨迹；
图5B是仅示出图5A的成像光谱仪的第三通道的光线轨迹；以及
图6是根据本发明一些方面的四通道成像光谱仪的一个示例的光线轨迹。
具体实施方式
一些方面和一些实施例涉及紧凑型多波段成像光谱仪，并且涉及使用单个这样的光谱仪来覆盖多个光谱区域。特别地，一些方面和实施例提供一种双波段成像光谱仪，其使用单个入口狭缝、单个图像传感器(例如焦平面阵列成像检测器)和具有诸如多个衍射光栅或棱镜之类的多个色散元件的共享光学器件，如下面进一步论述的那样。各实施例可以提供对成像光谱仪领域长期需要的解决方案，即实现非常高的信噪比而无需在一个系统中使用多个光谱仪。
提供具有高信噪比的成像光谱仪的传统方案已经包括使用棱镜作为色散元件。棱镜具有非线性色散，需要多得多的焦平面像素和更大的光谱仪视场从而以指定光谱分辨率覆盖给定光谱波段。用于多波段检测的其它方案已经包括使用具有多入口狭缝的多波段光谱仪以便在空间上分离不同的光谱波段。如上所述，例如，一种方案包括美国专利No.7382498所描述的双波段双狭缝光谱仪。但是，这种方案需要第二狭缝、在相应的狭缝上以便通过选定波长区域并且阻止由另一狭缝通过的波长区域的阻挡滤光片、以及较大的光谱仪视场，以便容纳从狭缝到狭缝、图像传感器到每个狭缝的间隔,以及可选的第二图像传感器。
相反，一些方面和实施例涉及紧凑型多波段成像光谱仪，其中不同的衍射光栅用于在图像传感器上偏移(offset)不同的光谱区域。在一实施例中，单个入口狭缝可以用于提供来自所有光谱波段的光谱的空间共同配准(co-registration)，并且避免波段间失准(mis-registration)。但是，在另一些实施例中，可以使用多个入口狭缝，如下面进一步论述的那样。本文公开的成像光谱仪的实施例与可比的单光栅光谱仪相比可以提供显著更高的信噪比，并且与使用两个光谱仪来实现双波段成像的系统相比小得多且光谱对准好得多。此外，成像光谱仪的实施例可以保持反射三元组结构的视场方面的好处。因此，成像光谱仪的实施例与相同焦距比数(F-number)的传统欧浮纳或戴森(Dyson)结构相比可以提供更好的性能，并且可以具有与基于棱镜的设计相当的吞吐量(throughput)，但是具有衍射光栅的线性色散。此外，与基于棱镜的设计相比，为了覆盖相同光谱区域，成像光谱仪可以具有小得多的视场要求。
可以理解，本文所公开的方法和装置的实施例不限于应用下文中阐述的或附图所示的部件的构造和布置的细节。方法和装置可以在其它实施例中实施，并且能以多种方式实践或执行。本文提供特定实现方式的示例仅用于示范，无意用于限制。此外，本文使用的措辞和术语是用于说明，不应视为限制。本文对“含有”、“包括”、“具有”、“包含”、“涉及”及其变型的使用意在涵盖其后所列项目和其等价物，以及附加项目。对“或”的提及可以解释为包括性的，以便使用“或”描述的任何术语可以指示所述术语中的单个、超过一个和全部中的任何一种。
参考图1A，其示出成像光谱仪100的一个示例的光线轨迹。光谱仪100包括用于执行光谱仪的校准、色散和成像功能的光学元件，如下面进一步描述的那样。根据一实施例，单个紧凑型多波段成像光谱仪系统100提供对多个光谱波段的覆盖。在一示例中，多个光谱波段包括可见波段和红外波段，诸如VNIR-SWIR(例如0.5到2.5μm)、MWIR(例如3.3到3.5μm)、以及LWIR(例如7.7到8.2μm)波段，以及任选的至少一部分可见波段(例如0.39到0.75μm)。根据一实施例，成像光谱仪100包括双程反射三元组110，并且使用单个入口狭缝120，其透射电磁辐射130到三元组光学系统。前端光学系统(foreoptics，未示出)可以用于聚焦和引导电磁辐射130通过入口狭缝120。在电磁辐射130通过反射三元组110之后，其入射在二色分束器140上，二色分束器140将一部分光谱反射到第一反射色散元件150，并且将剩余光谱透射到第二反射色散元件160。色散元件150、160将入射的电磁辐射色散成其组成颜色或波长。在一示例中，色散元件150、160是衍射光栅。在另一示例中，色散元件150、160是棱镜。折叠反射镜170可以用于将电磁辐射重定向到第二反射色散元件160以实现紧凑结构。电磁辐射由分束器140重新组合，返回通过反射三元组110，并且被成像到与入口狭缝120共同定位的焦平面180上。
根据一实施例，成像光谱仪100使用反射三元组110作为其物镜。反射三元组110的示例公开于美国专利No.7382498中。在图1所示的例子中，反射三元组110包括具有正光功率的第一反射镜112、具有负光功率的第二反射镜114、以及具有正光功率的第三反射镜116。反射三元组110的三反射镜用作光谱仪100的校准光学结构。第一反射镜112、第二反射镜114和第三反射镜116的光功率之和可以大约为0，由此满足零佩兹伐和(zero-Petzvalsum)或平场(flat field)条件。
反射三元组110的三个反射镜112、114和116校准经由入口狭缝120接收的进入电磁辐射，并且提供二色分束器140处的已校准的反射三元组输出光束132。如上所述，分束器140将已校准的反射三元组输出光束132分离成具有第一波长的第一反射三元组输出光束142和具有第二波长的第二反射三元组输出光束144。本文使用时，术语“波长”和“通道”可以指的是单个离散波长或波长范围。第一色散元件150接收第一波长的第一反射三元组输出光束142，并且产生第一色散输出152。类似地，第二色散元件160接收第二波长的第二反射三元组输出光束144，并且产生第二色散输出162。如上所述，分束器140接收且重新组合来自各色散元件的第一和第二色散输出152、162，并且引导色散电磁辐射146返回通过双程反射三元组110以便入射在焦平面180上。因此，由于电磁辐射通过反射三元组110传输，在去往色散元件150、160的途中被校准，然后在返回路径上通过反射三元组回传，并且成像在焦平面180上，所以光谱仪100的反射三元组110被称为“双程”光学部件。
图1B是示出成像光谱仪100的第一通道的光学路径的光线轨迹。在图1B中，光束132a对应于图1A的已校准的反射三元组输出光束132的第一波长范围，光束146a对应于图1A的色散电磁辐射146的第一波长范围。图1C是示出成像光谱仪100的第二通道的光学路径的光线轨迹。在图1C中，光束132b对应于图1A的已校准的反射三元组输出光束132的第二波长范围，光束146b对应于图1A的色散电磁辐射146的第二波长范围。
根据一实施例，图像传感器或成像检测器位于焦平面180处。通过使用多个色散元件，多个光谱波段可以成像到位于焦平面180处的单个图像传感器上。图像传感器可以是全色成像检测器。在一示例中，检测器包括单个焦平面阵列，其包括一个或多个光检测器和相关联的读出集成电路。焦平面阵列包括两部分，即检测器和读出集成电路(ROIC)。检测器包括接收光并且生成电流的光敏材料。ROIC是在曝光期间捕获电流并且然后将信号传输到其他电子器件(例如用于存储)的电子电路。焦平面阵列可以包括检测器材料和/或ROIC的任何组合以支持关注的特定光谱波段。
参考图2，在一实施例中，单个焦平面阵列图像传感器200收集来自每个光栅的电磁辐射。图像传感器200可以位于第一轴上并且沿第一轴伸长，第一轴平行于狭缝120延伸。在所示例子中，焦平面阵列200包括对第一波长的电磁辐射(接收自第一色散元件150)灵敏的第一活性区域210和对第二波长的电磁辐射(接收自第二色散元件160)灵敏的第二活性区域220。第一和第二活性区域210、220可以通过小的“防护带”230彼此分隔开。活性区域和防护带可以布置在焦平面阵列封装240上或其内。在一实施例中，第一和第二色散元件150、160被对准以便它们各自的色散区域在焦平面阵列图像传感器200上通过防护带230分隔开。
出于光谱学目的，如图2所示，图像传感器200可以大体上是矩形的，具有沿与狭缝120平行的轴排列的空间维度250和光谱维度260。图像传感器200可以在空间维度250上伸长。图像传感器200的第一和第二活性区域210和220每个可包括沿空间和光谱维度250、260布置成阵列的多个光检测器元件。防护带可以包括多个非活性检测器。活性区域可针对选定波长来配置并且可选地被优化。例如，第一活性区域210可以对在大约0.4μm到1.4μm范围的波长(λ1-λ1n)灵敏，第二活性区域220可以对在大约1.4μm到2.5μm范围的波长(λ2-λ2n)灵敏。图像传感器200的结构和配置可以根据不同实施例而改变。例如，在一实施例中，图像传感器200可以基于汞镉碲化物。在另一些示例中，图像传感器200可以基于其它材料，诸如但不局限于铟、锑化物、硅、铟镓砷化物等。图像传感器200的大小可以取决于许多因素，例如各个检测器(或像素)的大小、像素密度等。
根据一实施例，光谱仪100配置为在光谱波段VNIR-SWIR上操作(如上面的示例中那样，大约0.4到2.5μm)。这是被频繁感测的光谱区域。单个入口狭缝120可以接受VNIR-SWIR电磁辐射而无需拒绝其它颜色。如上所述，所有的电磁辐射可以通过单组校准反射三元组光学系统110，然后通过二色分束器140分成组分光谱区域(子波段)。在一实施例中，二色分束器140的中心位于大约1.4μm处，其是大气强吸收波段。在一实施例中，电磁辐射(142、144)的每个子波段被传输到单闪耀反射衍射光栅(150、160)。每个光栅的选定效率峰值可以接近相应光栅的每个闪耀的峰值。
在传统的单光栅光谱仪系统中，当扩展超过一个倍频程(octave)时，光栅效率显著下降。相反，根据色散元件150和160是衍射光栅的一实施例，在VNIR-SWIR光谱区域，每个光栅的效率可以几乎是单个双闪耀光栅的效率(平均起来)的2倍。在一示例中，每个衍射光栅可以具有比单个双闪耀光栅更高的峰值效率，例如大约95％对69％，并且在子波段上从效率峰值的衰减大大降低。该效率与使用两个单独的光谱仪来覆盖VNIR/SWIR光谱区域的系统相当。
例如，参考图3，其示出使用各种光栅配置的光谱仪的相对吞吐量(效率)的图。在图3中，轨迹310表示单光栅系统的效率，轨迹320表示具有带双闪耀角的单个光栅的系统的效率。如参考图3所见，单光栅系统在窄光谱范围上具有相对高的效率，但是在其它波长处具有相对差的效率。双闪耀角系统在宽光谱范围上具有更平均的效率，但是总体相对效率低。轨迹330和335表示根据一实施例的两光栅光谱仪系统的效率。如上所述，两光栅的“交叠”区域(或分束器中的分束处)可以位于大约1.4μm处，其是大气强吸收区域(在图3中由波段340表示)，因此光谱学一般不使用。如上所述，因为每个光栅的效率可以单独调谐和优化，所以在宽光谱范围上总体效率可以较高。例如，在一实施例中，因为每个光栅可以针对其子波段单独优化，所以平均光栅效率可以增加大约80-120％。因此，效率可以在每个光栅的波长范围上“展开”，而不局限于较窄波段，就如同单光栅系统的情况(如轨迹310所示)那样。
此外，增加效率和单独调谐光栅的能力可以导致显著更大的信噪比。例如，使用一些实施例的两光栅结构，所得光谱可以具有比传统单光栅光谱仪高40-60％的信噪比。此外，每个光栅的色散可以被选择以优化全波段上的光谱分辨率。
参考图4，其示出根据一实施例的双光栅结构和传统单(双闪耀)光栅光谱仪的信噪比(SNR)作为以纳米(nm)计的波长的函数的图。下表1包含图4所示的对应数据。如上所述，对于双光栅光谱仪，双光栅在1.4μm处分开。在图4中，数据点410对应于双光栅光谱仪的示例，数据点420对应于传统单光栅(双闪耀)光谱仪。
表1
表1和图4给出的数据示出在VNIR-SWIR光谱区域上，平均信噪比可比传统单光栅光谱仪得到改善，平均大约160％。
根据一实施例，光谱仪100的各个参数是可调谐的。例如，由分束器140反射和透射到不同光栅的波长范围间的“分束处”的光谱位置可以被优化。每个子波段中的波长的数目以及在色散元件是衍射光栅的例子中每个光栅的光栅效率的光谱峰值也可被调谐。此外，每个光栅的闪耀角可以被调谐以对选定光谱波段中的信噪比进行加权。因为每个独立光栅(例如150和160)可以单独调谐和优化，所以所述调谐能力的程度可以远大于单光栅系统。
因此，一些方面和实施例可以提供紧凑的、可调谐的、高效率的两个或更多通道的成像光谱仪，所述成像光谱仪与传统成像光谱仪系统相比可以提供许多好处和优点。如上所述，双光栅光谱仪的实施例与传统单光栅光谱仪系统相比可以提供大大增加的信噪比。在另一些示例中，双光栅光谱仪可以提供与可比的单光栅光谱仪相同或相似的信噪比，但是具有大大减小的地面采样距离(GSD)或更快的数据帧速。此外，由于对于多个通道使用单个入口狭缝的能力，光谱仪的实施例可具有比诸如美国专利No.7382498所公开的光谱仪之类的其它多通道光谱仪或必须容纳具有非线性色散的棱镜色散器的系统小得多的视场(但是覆盖相同的光谱区域)。在一些示例中，由于其非线性色散，基于棱镜的光谱仪与双光栅光谱仪的实施例相比，可能沿图像传感器的光谱维度需要大约50-100％更多的图像传感器像素，其在硬件和数据速率方面是高代价的，并且需要更大的视场。
因此，一些方面和实施例与传统光谱仪相比可以提供显著的成本节省和其它设计优点，包括用于双波段设备的仅一个狭缝而不是两个或更多狭缝的制造，以及更大的有用视场区域，导致更小的总视场。例如，双狭缝设计可能需要100％以上更多的有效视场以容纳狭缝到狭缝的间隔和狭缝到图像传感器的间隔，如果为每个狭缝和通道使用单独的图像传感器，则甚至更多。此外，双狭缝设计可能需要狭缝基板上的涂层，以便每个狭缝接受其设计光谱波段的波长，并且拒绝其它光谱波段的波长。相反，对于根据一些实施例的单狭缝双光栅光谱仪而言，所述狭缝适应所有波长，因此在一些示例中消除了对涂层的需要。
虽然上面论述的示例主要涉及包括两个色散元件150、160的两通道光谱仪，但是光谱仪的实施例可以扩展到N个色散元件(N是正整数)以便提供多波段(或多通道)光谱。例如，参考图5A，其示出三通道成像光谱仪500的一个示例的光线轨迹，三通道成像光谱仪500包括第二分束器510和第三色散元件530。例如，如同色散元件150、160那样，第三色散元件530可以是衍射光栅或棱镜。第二分束器510将通过第一分束器140的电磁辐射520分成被引导至第二色散元件160的第二通道512和被引导至第三色散元件530的第三通道514。如上所述，色散元件150、160和530分别色散在它们各自的通道或波长中的电磁辐射以产生第一、第二和第三色散输出。如上所述，色散输出在返回路径上由分束器510和140重新组合，并且色散电磁辐射被引导为返回通过双程反射三元组110入射在焦平面180上。图5B仅示出第三通道的对应光线轨迹。
图5A和5B所示的例子不包括折叠反射镜；但是受益于本公开，本领域技术人员将理解，一个或多个折叠反射镜可以用于将任何电磁辐射重新引导至色散元件150、160和530以适应分束器140、510和色散元件的各种布置和定位。
虽然如上所述一些实施例使用单个入口狭缝，但是光谱仪的另一些实施例可以集成到具有两个或更多入口狭缝的双波段或多波段系统中，诸如美国专利No.7382498所公开的系统。在这样的实施例中，每个入口狭缝可以将电磁辐射引导至两个或更多个衍射光栅。
参考图6，其示出四通道成像光谱仪600的一个示例的光线轨迹，四通道成像光谱仪600包括两个狭缝、四个色散元件(例如衍射光栅)和两个成像检测器(例如焦平面阵列)。在这个示例中，反射三元组110在成像光谱仪600的所有四个通道之间共享。入射电磁辐射通过入口狭缝610、615中的一个透射到反射三元组110。如上所述，反射三元组110校准经由入口狭缝610、615接收到的入射电磁辐射，并且提供第一二色分束器622处的已校准的反射三元组输出光束。第一二色分束器622将反射三元组输出光束分成两部分，每个部分被引导至下一个分束器。例如，由第一分束器622反射的第一波长范围的电磁辐射被引导至第二分束器624，第二分束器624将该电磁辐射分成入射在第一反射色散元件632上的第一通道和入射在第二反射色散元件634上的第二通道。类似地，通过第一分束器622的第二波长范围的电磁辐射被引导至第三分束器626，第三分束器626将电磁辐射分成入射在第三反射色散元件636上的第三通道和入射在第四反射色散元件638上的第四通道。色散元件632、634、636和638色散它们各自的通道中的电磁辐射以产生色散输出，如上所述，色散输出由分束器622、624和626重新组合，并且被重新引导返回通过反射三元组110以入射在与入口狭缝610、615共面定位的图像传感器640、645上，如图6所示。从而，可以提供紧凑的、高效率的多通道成像光谱仪。
如上述实施例中那样，色散元件632、634、636和638例如可以是衍射光栅或棱镜。此外，虽然图6所示的示例不包括折叠反射镜，但是受益于本公开，本领域技术人员将理解，可以使用一个或多个折叠反射镜镜以将任何电磁辐射重新引导至色散元件632、634、636和638，以便适应于分束器622、624和636以及色散元件的各种布置和定位。
在一些实施例中，光谱仪100或500可以具有超过单个图像传感器200上的成像的宽视场。因此，在另一实施例中，光谱仪100、500可以与“间隙填充物”像平面组合件的实施例相结合以提供非常宽的视场上的超高信噪比，“间隙填充物”像平面组合件的实施例公开于共同待决、共同拥有的美国专利申请No.13/191782中，其提交于2011年7月27日，题为“LOW DISTORTION SPECTROMETER”，并且通过引用整体合并于此。例如在一实施例中，美国专利申请No.13/191782中详细描述的像平面组合件可以容置于光谱仪的狭缝120/焦平面180处。
根据另一实施例，光谱仪100的入口狭缝120可以配置为看起来具有根据波长而不同的尺寸。例如，狭缝120可以看起来对于VNIR-SWIR光谱波段具有大约20μm的长度，并且可以看起来对于LWIR光谱波段具有大约40μm的长度。宽度的该表观变化可以通过在狭缝基板上使用涂层来实现，或者通过谨慎选择用于狭缝基板的电介质材料来实现。
上面已经描述了至少一个实施例的若干方面，将理解，本领域技术人员容易做出各种修改、变化和改进。这些修改、变化和改进旨在是本公开的一部分，并且旨在落入本发明的范围内。因此，前述描述和附图仅是示例方式的，本发明的范围应当根据对所附权利要求及其等同物的适当解释来确定。
Claims (15)
1.一种多通道成像光谱仪，包括：
双程反射三元组光学子系统，其配置为接收和校准入射电磁辐射，并且提供校准了的输出光束；
单个入口狭缝，其配置为将所述入射电磁辐射引导至所述反射三元组；
第一分束器，其配置为接收来自所述反射三元组的校准了的输出光束，并且将所述校准了的输出光束分成第一光谱通道和剩余波长范围；
第二分束器，其光学耦合到所述第一分束器，并且配置为接收来自所述第一分束器的所述剩余波长范围以及将所述剩余波长范围分成第二光谱通道和第三光谱通道；
第一、第二和第三色散元件，其分别配置为接收并且在光谱上色散所述第一、第二和第三光谱通道以提供相应的第一、第二和第三色散输出，其中所述第一和第二分束器还配置为将所述第一、第二和第三色散输出重新组合成组合色散输出，所述反射三元组还配置为将所述组合色散输出聚焦到与所述入口狭缝共同定位的单个焦平面上；以及
第一图像传感器，位于所述焦平面处并且配置为从所述组合色散输出产生图像。
2.根据权利要求1所述的多通道成像光谱仪，其中所述反射三元组包括：
正光功率的第一反射物镜，其配置为接收来自所述入口狭缝的入射电磁辐射，并且将所述组合色散输出聚焦到所述焦平面上；
负光功率的第二反射物镜，其光学耦合到所述第一反射物镜；以及
正光功率的第三反射物镜，其光学耦合到所述第二反射物镜和所述第一分束器。
3.根据权利要求1所述的多通道成像光谱仪，其中所述第一、第二和第三色散元件是衍射光栅。
4.根据权利要求1所述的多通道成像光谱仪，还包括：
第三分束器，其光学耦合到所述第二分束器，并且配置为接收和分离所述第三光谱通道以提供第四光谱通道；以及
第四色散元件，其配置为接收并且在光谱上色散所述第四光谱通道以提供第四色散输出，
其中，所述第一、第二和第三分束器还配置为重新组合所述第一、第二、第三和第四色散输出以提供所述组合色散输出。
5.一种多通道成像光谱仪，包括：
双程反射三元组，其配置为接收和校准入射电磁辐射，并且提供校准了的输出光束，所述入射电磁辐射包括第一光谱子波段中的波长和第二光谱子波段中的波长；
单个入口狭缝，其配置为将所述入射电磁辐射引导至所述反射三元组；
分束器，其配置为接收来自所述反射三元组的所述校准了的输出光束，并且将所述校准了的输出光束分成所述第一光谱子波段和所述第二光谱子波段；
第一色散元件，其配置为接收并且在光谱上色散所述第一光谱子波段以提供第一色散输出；
第二色散元件，其配置为接收并且在光谱上色散所述第二光谱子波段以提供第二色散输出，所述分束器还配置为重新组合所述第一和第二色散输出以提供组合色散输出，所述反射三元组还配置为将所述组合色散输出聚焦到与所述入口狭缝共同定位的单个焦平面上；以及
单个图像传感器，位于所述焦平面处，并且配置为接收来自所述双程反射三元组的所述组合色散输出以及从所述组合色散输出产生图像。
6.根据权利要求5所述的多通道成像光谱仪，其中所述反射三元组包括：
正光功率的第一反射物镜，其配置为接收来自所述入口狭缝的入射电磁辐射，并且将所述组合色散输出聚焦到所述焦平面上；
负光功率的第二反射物镜，其光学耦合到所述第一反射物镜；以及
正光功率的第三反射物镜，其光学耦合到所述第二反射物镜和所述分束器。
7.根据权利要求5所述的多通道成像光谱仪，其中所述图像传感器是单个焦平面阵列检测器，所述单个焦平面阵列检测器具有对所述第一色散输出灵敏的第一活性区域和对所述第二色散输出灵敏的第二活性区域。
8.根据权利要求7所述的多通道成像光谱仪，其中所述第一和第二活性区域通过防护带彼此空间上分隔开。
9.根据权利要求7所述的多通道成像光谱仪，其中所述入射电磁辐射包括0.4μm到2.5μm的波长范围。
10.根据权利要求9所述的多通道成像光谱仪，其中所述分束器是以1.4μm为中心的二色分束器。
11.根据权利要求5所述的多通道成像光谱仪，还包括折叠反射镜，其光学上位于所述分束器与所述第二色散元件之间，并且配置为将所述第二光谱子波段从所述分束器引导至所述第二色散元件。
12.根据权利要求5所述的多通道成像光谱仪，其中所述第一和第二色散元件是第一和第二衍射光栅，其每个具有单个闪耀角。
13.根据权利要求12所述的多通道成像光谱仪，其中所述第一衍射光栅的闪耀角被调谐以对所述第一光谱子波段中的信噪比进行加权，所述第二衍射光栅的闪耀角被调谐以对所述第二光谱子波段中的信噪比进行加权。
14.一种光谱成像方法，包括：
引导电磁辐射通过单个入口狭缝到达反射光学系统，所述电磁辐射包括第一子波段中的波长和第二子波段中的波长；
使用所述反射光学系统校准通过所述入口狭缝接收到的所述电磁辐射以提供校准了的输出光束；
使用二色分束器将所述校准了的输出光束光谱上分成所述第一子波段和所述第二子波段；
使用第一反射色散元件在光谱上色散所述第一子波段以提供第一色散输出；
使用第二反射色散元件在光谱上色散所述第二子波段以提供第二色散输出；
使用所述二色分束器重新组合所述第一和第二色散输出以提供组合色散输出；
通过所述反射光学系统将所述组合色散输出聚焦到与所述入口狭缝共同定位的单个焦平面上；以及
使用单个图像传感器对所述组合色散输出进行成像以在所述焦平面处从所述第一和第二色散输出产生图像。
15.根据权利要求14所述的光谱成像方法，其中所述第一和第二反射色散元件是第一和第二衍射光栅，其每个具有单个闪耀角，所述光谱成像方法还包括：
选择所述第一反射色散元件，所述第一反射色散元件的闪耀角被调谐以对所述第一子波段中的信噪比进行加权；以及
选择所述第二反射色散元件，所述第二反射色散元件的闪耀角被调谐以对所述第二子波段中的信噪比进行加权。
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