CN107111146B - 混合图像-光瞳光学重定格式器 - Google Patents

Abstract

公开了可选地与光谱仪一起使用的混合图形‑光瞳光学重定格式器和方法，在光瞳空间中执行光束分割且在图像空间中堆叠由光瞳光束分割所生成的输入源的副本。光学重定格式器包括：准直器，接收输入光且产生准直光束；第一光学元件，接收准直光束、使准直光束的多个部分重新定向返回朝向准直器作为重新成像光束且允许准直光束的多个部分传递通过；第二光学元件，接收重新成像光束且使重新成像光束重新定向返回朝向准直器和第一光学元件；形成包括准直光束的、未由第一光学元件重新定向朝向准直器的多个部分的输出光束。此外，公开了使光谱仪系统的输入光重定格式的重定格式器的使用，以及将重定格式器用作光谱仪设备的一部分。

Description

混合图像-光瞳光学重定格式器

相关申请

本申请要求享有2015年1月21日提交的美国临时申请No.62/105,928的优先权，该美国临时申请的内容通过引用纳入本文。

技术领域

本发明涉及光学重定格式器(reformatter)领域，且更具体地涉及改善的重定格式器装置和方法，用于改善光学系统的性能，诸如改善光谱仪(spectrometer)的光谱分辨率。

背景技术

光学重定格式器倾向于被实施为用于接收输入图像和光束，且产生更好地适于通过光学系统(诸如光学摄谱仪(spectrograph)或检测器或检测器阵列)测量或通过光处理系统进一步处理的重新成形的输出图像和光束。具体地，光学重定格式器可用于制备且配置从光源(诸如光纤、光纤束、望远镜、图像中继或诸如输入缝的物理孔径)的输出传递到光学摄谱仪的光。

作为背景技术，常规的光学摄谱仪包括一个小输入孔径，其通常是缝。该输入孔径可以替代地是圆形针孔、光纤或其他输入装置；然而，为了简洁起见，该输入孔径将在下文中被称为缝。输入光可以是被投射朝向该缝的会聚光束或发散光束，或可以是被放置成使得一部分光传递通过该缝的一些其他光源。在典型的光学摄谱仪中，传递通过该缝的光被投射到使光准直以形成一束大体上平行的光射线的透镜或镜子上。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)根据光的波长使准直光束弯曲不同的量，从而产生光谱色散光束。常常，摄像机透镜或镜子使这些光谱色散光束聚焦在位于最终焦平面处的阵列检测器(诸如电荷耦合器件(CCD)检测器)或一些其他单个元件或多元件检测器上，并且所述检测器可以测量聚焦光谱并且记录各种波长的光强度。

在典型的光学摄谱仪中，准直透镜(或镜子)和摄像机透镜(或镜子)用作图像中继，以产生传递通过检测器(诸如CCD检测器)上的缝的光的图像，其中根据光的波长，所述图像被横向移位。光学摄谱仪的光谱分辨率(对其检测和测量窄的光谱特征(诸如吸收线或发射线)的能力的定量描述)可能取决于摄谱仪的各种特性。这样的特性可以包括：色散元件，例如棱镜、透射光栅或反射光栅；准直透镜(或镜子)和摄像机透镜(或镜子)的焦距；以及该缝沿着色散轴线的宽度。对于特定的色散器和摄像机透镜，可以通过使输入缝的宽度变窄来增加摄谱仪的分辨率，其导致传递通过该缝(取决于光的波长)且传递到检测器上的光的每个图像对向较小截面的检测器，这允许使邻近的光谱元件彼此更容易区分开。

通过使输入缝的宽度变窄，较少的光传递通过该缝，其可以减少任何测量的质量，这是由于信噪比的降低。在一些应用(诸如，天文光谱学、高速生物医学光谱学、高分辨光谱学或拉曼光谱学)中，此效率损失可能是光学摄谱仪性能的限制因素。在光谱学领域中，通过沿着色散轴线(即，水平地)压缩输入光束的图像来增加可以传递通过缝的光的量同时大体上维持光强度或通量密度的设备将是有利的，即使以牺牲沿着竖直轴线(即，竖直地)扩展为代价沿着色散轴线压缩点图像。

技术人员将理解，贯穿本说明书所使用的术语“水平的”、“竖直的”以及其他这样的术语，诸如，“上方”和“下方”，被用来解释本发明的各个实施方案，且这样的术语不意在限制本发明。

技术人员还将理解，虽然术语部件通常用于指具体物品，诸如透镜或镜子，且术语元件通常用于指共享共同功能目的的一组部件，但是也可以具有由单个部件或起多个元件作用的单个部件组成的元件。例如，在具有多个反射表面或折射表面的光学部件(诸如具有反射涂层的透镜)的情况下，该透镜可以具有一个元件的功能，且该反射涂层可以具有一个不同元件的功能。类似地，曲面镜既可以使光束重新定向，又可以改变光束的发散度，从而提供相同部件中的多个元件的功能。

技术人员还将理解，通过使准直光束聚焦所产生的聚焦图像可以被称为点或点图像，且光源不需要是聚焦的点图像以便被准直。图像指在透镜或镜子的焦平面处的光场空间分布，其中波阵面凹度(wavefront concavity)改变方向，而图像空间指波阵面大体上是非平面的光场中的任何空间。光瞳(pupil)指光场的横向横截面，其中波阵面大体上是平面的，因此光瞳-空间指波阵面大体上是平面的任何位置。

光学重定格式器可用于接收输入光束和/或输入图像，且产生与光谱仪输入缝更好地匹配的输出光束和/或输出图像。光学分割器(optical slicer)是一种类型的光学重定格式器，其中光束或图像的部分被划分且被重新定向或重新定位。

包括透明棱镜和板来分割输入光束的光学分割器可能具有缺陷，因为它可以在沿着光学轴线倾斜的缝处产生重定格式图像，此外，光束的分割可以沿着45°棱镜的斜边发生，这可能导致焦点退化，这是由于分割的图像的不同部段位于不同的焦点位置处。这样的分割器的性能可能也取决于所使用的棱镜材料的吸收系数和折射率(二者都为波长相关的)。这些缺陷会限制这样的分割器在宽带光学设备中的使用。

还存在完全在图像空间中操作的其他图像分割器(诸如Bowen-Walraven分割器或光纤点到线转换器)的其他光学切割器。一些这样的图像分割器一般不保留空间图像信息，因此不能够独立地从源图像的不同部分解析光谱信息。这些重定格式器也具有以商业可行的方式实施的挑战、可能尺寸上很大且可能导致各种系统的减少的或低效率的实施。这些分割器常常产生缝图像的多个副本，这会导致检测器上的空间浪费，这是由于最终焦平面处的分割之间的间隙，所述间隙会向信号添加噪声，因此降低输出数据的质量、限制能够容纳在检测器上的光谱的数目(或光谱级)，且因为光谱被散布到较大的检测器面积之上所以降低检测器读出的效率。使用光纤束来允许将输入源的延伸的(常常是圆形的)图像形成为窄的缝图像的光学分割器也会导致输出焦比(f-ratio)的退化和总性能效率低下。现有的分割器设备几乎一律受到此降低的效率和输出焦比的影响，这是分割器设计和实施的明显限制。此外，由于个体纤维之间的间隙和由个体纤维包层占据的空间，光纤束倾向于对于光采集效率低下。

最近，公开了新的光瞳重定格式器设计以及使用光瞳重定格式器来改善摄谱仪的光谱分辨率。这些基于分割器的重定格式器完全在光瞳空间中操作，分割且然后变形地(anamorphically)扩展准直光束。当需要保存空间图像信息时，诸如用推扫式高光谱成像(push-broom hyperspectral imaging)、多光纤输入等，此方法是有用的，但是较大的输入源可能使光瞳光束发散度有问题，且光学系统复杂度随着产生的分割的数目增加而增加。

本发明与现有的重定格式器设计的不同之处在于，它部分地在光瞳空间中操作且部分地在图像空间中操作。因此，贯穿本申请，它被称为混合图像-光瞳光学重定格式器，且本发明的实施方案可以被描述为混合分割器或混合重定格式器，其部分地在光瞳空间中操作且部分地在图像空间中操作。此方法优于传统的光学分割器，包括在需要更大数目的分割的情况下，因为如本发明所公开的使重定格式器部分地在光瞳空间中操作且部分地在图像空间中操作倾向于由通过限制光束展开的准直器的往复光束路径表征。在本发明的实施方案中，可以以较少的部件、减少的光束发散度损失和较不苛刻的对准公差来实现较大的分割因数，且分割的数目倾向于相对独立于光学复杂度，其中分割的优选数目大致等于输入光束宽度与输出光束宽度的比率。本设计的实施方案还倾向于比传统的光学分割器更容易地处理更大的输入点尺寸和/或更快的输入光束(小焦比)。

本发明中的光瞳光束倾向于变得更窄而不是变得更高，且在本发明的实施方案中公开的光瞳分割倾向于重叠。这与光瞳光束既变得更窄又变得更高且光瞳分割一般不重叠的大多数光瞳重定格式器相反。此外，许多其他光学重定格式器使用“显式的”扩展作为重定格式的一部分，而在本发明公开的一些实施方案中，扩展是“隐式的”。

发明内容

在本发明的一个方面，提供了一种用于生成输出光束的光学重定格式器，包括：一个准直器，接收输入光且产生第一准直光束；第一光学元件，使所述第一准直光束的一个或多个部分重新定向朝向所述准直器，以产生一个或多个重新成像光束，且允许所述第一准直光束的一个或多个部分传递通过所述第一光学元件，以形成所述输出光束的一部分；以及第二光学元件，使所述重新成像光束中的一些或全部重新定向朝向所述准直器，以产生附加的准直光束，使得所述附加的准直光束的多个部分也形成所述输出光束的部分。

在本发明的一些实施方案中，所述第一准直光束的、形成所述输出光束的一部分的一个或多个部分可以传递通过所述第一光学元件而没有任何进一步的重新定向。在其他实施方案中，所述输入光可以是光纤、图像中继或物理孔径的输出。

所述准直器可以是单透镜、复合透镜、单个镜子或使发散光束准直且使准直光束聚焦的另外的光学元件。此外，所述第一准直光束和所述附加的准直光束可以是大体上准直的或完全准直的。此外，所述第一光学元件和所述第二光学元件可以各自包括一个或多个镜子。

在一些实施方案中，所述第一准直光束的、被重新定向朝向所述准直器的一个或多个部分可以位于所述第一准直光束的末端(extremities)处。在其他实施方案中，所述第一准直光束的、被重新定向朝向所述准直器的一个或多个部分可以被重新定向成与所述第一准直光束不平行；或所述第一准直光束的、被重新定向朝向所述准直器的一个或多个部分可以被重新定向成彼此不平行。

所述重新成像光束可以在与所述输入光不重合的位置处产生聚焦图像，且所述第二光学元件可以被定位成使所述一个或多个重新成像光束重新定向而不阻挡所述输入光和和所述准直器之间的光学路径。所述第二光学元件也可以被定位在所述重新成像光束产生聚焦图像的位置处。

在另一些实施方案中，所述附加的准直光束的一个或多个部分可以由所述第一光学元件重新定向朝向所述准直器，以产生附加的重新成像光束；且所述附加的重新成像光束可以由所述第二光学元件重新定向朝向所述准直器，以产生另一些附加的准直光束，使得所述另一些附加的准直光束的一个或多个部分也传递通过所述第一光学元件，以形成所述输出光束的一部分。在又一些实施方案中，所述附加的准直光束和所述附加的重新成像光束的这样的重新定向本质上可以是迭代的和重复的。

在一些实施方案中，从所述输入光接收的大体上所有的光能量都可以包含在所述输出光束中。此外，所述第一准直光束和形成所述输出光束的所述附加的准直光束的多个部分可以大体上重叠且在大体上相同的方向上传播。所述输出光束也可以在维度上比所述第一准直光束更窄。

所述光学重定格式器还可以包括一个附加的光学元件，用于使所述输出光束在传递通过所述第一光学元件之后重新定向。替代地或附加地，所述光学重定格式器还可以包括一个聚焦元件，用于将所述输出光束聚焦到光谱仪的输入上。在一些实施方案中，所述聚焦元件可以是棒状透镜、圆柱形透镜、圆柱形镜子或一个或多个圆柱形或环形透镜或镜子。

在本发明的另一个方面，所述光学重定格式器还可以：一个光学元件，用于沿着第一维度扩展所述输出光束，以产生扩展光束；一个色散元件，用于沿着所述第一维度使所述扩展光束光谱色散，以产生光谱色散光束；一个聚焦元件，用于使所述光谱色散光束聚焦，以产生聚焦光谱；以及一个检测器，用于接收和测量所述聚焦光谱。

在本发明的又一个方面，提供了一种生成输出光束的方法，包括：通过准直器使输入光准直，以产生第一准直光束；使所述第一准直光束的一个或多个部分重新定向返回通过所述准直器，以产生一个或多个重新成像光束；使所述重新成像光束中的一些或全部重新定向通过所述准直器，以产生附加的准直光束；以及，由所述第一准直光束的、未被重新定向返回通过所述准直器的多个部分和所述附加的准直光束形成输出光束。

在一些实施方案中，所述附加的准直光束的多个部分也可以被重新定向返回通过所述准直器，以产生附加的重新成像光束，且所述附加的重新成像光束中的一些或全部可以被重新定向通过所述准直器，以产生另一些准直光束，使得输出光束可以包括所述另一些附加的准直光束的多个部分。在另一些实施方案中，所述重新定向是迭代的。

重新定向的光束和光束部分可以被重新定向，以产生由在大体上相同的方向上传播且具有所述输入光中的大体上所有的光能量的大体上重叠的光束和光束部分所形成的输出光束。重新定向的光束和光束部分可以还被重新定向，以产生在第一维度上比所述第一准直光束更窄的输出光束。在一些实施方案中，该方法还可以包括使所述输出光束聚焦到光谱仪的输入上。在一些实施方案中，可以沿着第一维度扩展所述输出光束，以产生扩展光束；可以沿着所述第一维度使所述扩展光束光谱色散，以产生光谱色散光束；可以使所述光谱色散光束聚焦，以产生聚焦光谱，以及可以测量所述聚焦光谱。

附图说明

为了更好地理解本文描述的系统和方法的实施方案，以及更清楚地示出如何实施它们，将以实施例的方式参考附图，其中：

图1A示出了混合图像-光瞳光学重定格式器的一个实施方案的等距视图。

图1B示出了在与光学光谱仪一起使用或作为光学光谱仪的一部分时，图1A的混合图像-光瞳光学重定格式器的实施方案的等距视图。

图2例示了在混合图像-光瞳光学重定格式器的一个实施方案中准直光束的分割和重新定向，被示出为重定格式器在光瞳镜处的横截面。

图3示出了在诸如在图1A和图1B中示出的混合图像-光瞳光学重定格式器的实施方案的操作中可以在各个点处存在的光瞳光束和聚焦图像的形状。

具体实施方式

应理解，已经提供了许多具体细节以便透彻理解本文描述的示例性实施方案。然而，本领域普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本文描述的实施方案。在其他情况下，未详细描述众所周知的方法、程序和部件，以免模糊本文描述的实施方案。此外，此描述不应被认为以任何方式限制本文描述的实施方案的范围，而是仅描述本文描述的各个实施方案的实施方式。

在下面的描述和附图中，仅为了方便和清楚而使用对“顶”、“底”、“左”、“右”、“水平的”，“竖直的”等的参考。它们决不意味着限制多种光学部件和结构的可能取向，而是用来描述和例示在本申请中公开的设计中的某些元件的相对取向。在本申请中使用术语“准直”应包括完全地准直和大体上准直。

在下面的描述和附图中，使用光学元件(诸如镜子和透镜)来例示本发明。可以使用不同的光学元件或通过使用以透射代替反射或以反射代替透射的设计来实现相同的结果，以实现对光信号的期望的作用。

参考图1A，示出了混合图像-光瞳光学重定格式器的一个实施方案。作为参考，该混合图像-光瞳光学重定格式器被描绘为图1B中的色散光谱仪系统的一部分。图1B的系统可以全部包含在单个物理壳体内，或可以被拆分在几个物理壳体之间，所述几个物理壳体具有适当的光学耦合。图1A和图1B中的方向在本文中被描述为：“水平的”为其中取向大体上平行于色散器的色散轴线，以及，“竖直的”为其中取向大体上垂直于色散器的色散轴线，然而技术人员将理解该系统可以以其他取向配置。

在图1A的实施方案中，光源110a产生光束112，其被示出为发散光束，该发散光束通过准直元件113准直成第一大体上准直的光束114。光源110a可以是光纤、多光纤束、图像中继、物理孔径或一些其他源的输出。几种类型的光学元件可以被用来形成准直元件113，包括例如单透镜、双合透镜、复合透镜、单个镜子或复合镜子或使发散光束准直的其他光学元件(以及基于光学可逆性原理使准直光束聚焦的其他光学元件)。

在示出的实施方案中，准直光束114到达光学元件115，光学元件115被示出为包括通过反射来使光束114的多个部分重新定向的一对镜子115a和115b。在其他实施方案中，光学元件115可以包括使光束114的多个部分重新定向的其他光学部件。因为这些镜子对准直光瞳光束操作，所以也被称为光瞳镜，它们可以被配置为具有入射在光束轮廓上的笔直边缘，且可以例如是两个竖直的D形镜子，然而本领域技术人员将理解可以使用其他光学元件和光学元件配置。在所描绘的实施方案中，镜子115a和115b是平面的且分开一个小间隙，使得准直光束114的一部分在该间隙之间传递，形成准直输出光束116的一部分。技术人员将理解，术语“传递(passes或pass)”可以指移动穿过、移动通过，移动经过或其他类似运动。光束114的一部分从镜子115a反射且被重新定向朝向准直元件113。当准直光束传递回来通过准直元件113时，准直元件113将重新定向的准直光束转换成重新成像光束，该重新成像光束会聚且达到图像110a附近(即不与图像110a重合)的焦点。此焦点可以位于光学元件111上，该光学元件111被示出为包括一对反射镜，但是可以包括用于重新定向光束的其他光学部件。此重新聚焦的图像倾向于与输入源110a的尺寸相同，且倾向于具有较低的光强度。在示出的实施方案中，镜子115a被竖直倾斜(即，使竖直轴线围绕水平轴线倾斜)，使得反射的光束部分不平行于光束114。反射的光束部分传递通过准直器的此角度改变导致重新聚焦的点图像110b从图像110a竖直地移位，落在位于图像110a上方的平面镜111a上。类似地，光束114的另一部分从镜子115b反射，传递回来通过光学元件113，且达到图像110a附近的焦点。然而，镜子115b被倾斜，使得反射的和重新聚焦的点图像110c在图像110b的相反方向上从图像110a竖直地移位，落在位于图像110a下方的平面镜111b上。镜子111也可以被称为图像镜，因为它们倾向于对聚焦图像操作。这些图像镜可以例如是两个水平的D形镜子，然而本领域技术人员将理解，可以使用其他光学元件和光学元件配置。在一些实施方案中，所述图像镜中的一个可以位于源图像正上方的源图像焦平面中，而另一图像镜可以位于源图像正下方的源图像焦平面中，使得源图像通过在图像镜之间传递来进入分割器。在其他实施方案中，所述镜子或单个镜子可以是放置在输入源前面的单向镜，使得它允许光从输入源进入，同时仍然反射重新成像的光束。

图像110b和110c从它们相应的镜子反射回来朝向光学元件113，在光学元件113处它们被重新准直成与光束114类似且大体上重合但略微倾斜和横向偏移的附加的准直光束。在示出的实施方案中，镜子111a被水平倾斜，使得重新定向的重新成像的光束以与发散光束112不同的水平角度被定向朝向准直器113，从而所产生的附加准直光束相对于由镜子115b所产生的重新定向的准直光束部分朝向光学元件115的中心偏移。类似地，镜子111b被水平倾斜，使得从重新定向的重新成像光束所产生的附加准直光束相对于由镜子115a所产生的重新定向的准直光束部分朝向光学元件115的中心偏移。这些附加的准直光束遇到镜子115a和115b，且每个附加的准直光束的一部分传递通过光瞳镜之间的间隙且被添加到输出光束116，而其他部分被反射回来通过光学元件113以在镜子111a和111b上形成点图像110d和110e。根据镜子115a、115b、111a和1111b的间隔和角倾斜，多次反射和多个点图像110的数目可以是二、三、四、五或任何更大的数目，且点图像、多次反射以及传递通过光瞳镜之间的光束部分的数目可以相等，也可以不相等。在其他实施方案中，光学元件115和111可以每个包括单个镜子，且可以仅存在来自每个光学元件的单次反射和仅存在所产生的单个附加的点图像。在一些实施方案中，对于一些实施方式优选的，在最终反射时剩余的光束部分完全传递经过镜子115a和115b而没有任何部分被反射。在替代的实施方案中，可以存在这样的反射：所述反射导致光学元件115反射所有的光，且不允许任何光形成输出光束116的一部分，直至所述光在之后被反射回来。此外，在替代的实施方案中，光学元件111可以仅使重新成像的光束的一些或重新成像的光束的一些部分而非全部重新成像的光束重新定向，如图所示。

因此，准直光束116也可以包括多个大体上类似且空间上重合的光束或光束部分，每个光束或光束部分对应于点图像110中的一个，且那些光束和光束部分一起形成光学重定格式器的输出光束。形成所述输出光束的光束部分中的每个可以具有高而窄的轮廓，在高度上类似于第一准直光束且在宽度上较窄，且每个具有略微不同的竖直倾斜。所述竖直倾斜倾向于在输出光束中产生略微的竖直发散度。在一些实施方案中，对于一些实施方式优选的，重定格式器输出光束116包括输入光中所包含的大体上所有的光强度(光能量)，由于重定格式器中的光学部件的反射效率或透射效率，因此仅具有少量损失。在一些实施方案中，一个附加的光学元件可以使输出光束116重新定向，以便改变该光学系统的布局或更方便地或有效地与下游光学元件耦合。

图2进一步例示了在混合图像-光瞳重定格式器的一个实施方案中准直光束和附加的光束部分的分割和重新定向，如在光瞳镜处示出的。图2a示出了由对应于图1中的镜子115a和115b的光瞳镜201和202所接收的第一准直光束203。图2b示出了当中间部分已经传递通过所述光瞳镜之间的间隙以形成输出光束的一部分时，光束的左部分(204)和右部分(205)被重新定向回到准直器(未示出)。图2c示出了在光束部分204被重新成像、通过对应的图像镜(未示出)重新定向且通过准直器(未示出)重新准直之后由光束部分204所产生的附加的准直光束206。注意，在示出的实施方案中，光束206已经翻转且朝向光瞳镜201和202的中间偏移，且相对于光束204向下偏移。光束206的一部分将传递通过所述光瞳镜之间的间隙以便也形成输出光束的一部分，而光束206的另一部分将被镜子202反射。类似地，图2d示出了在光束205被重新成像、通过对应的图像镜(未示出)重新定向且通过准直器(未示出)重新准直之后由光束205所产生的附加的准直光束207。光束207的一部分将在光瞳镜201和202之间传递通过，加入所述输出光束，而光束207的另一部分将被镜子201反射。图2e示出了光束208，光束206的一部分被光瞳镜反射，而光束206的剩余部分传递通过所述光瞳镜之间的间隙。最后，图2f示出了光束部分208在通过图像镜(未示出)重新成像和重新定向且通过准直器(未示出)重新准直之后由光束部分208产生的光束209。此过程可以继续，直到所有的光已经偏移到所述镜子之间的间隙中且传递通过以形成所述输出光束的一部分。可以看出，在对于一些应用优选的一个实施方案中，迭代次数将等于第一准直光束的宽度除以所述光瞳镜的分隔距离。

回到图1B，示出了一个示例性实施方案，其中使用具有一个或多个曲面透镜或镜子的可选图像中继来将光源(诸如光纤输出)重新成像到重定格式器的光源焦平面110a上。这在使用光纤回馈源时可能是有利的，因为通过图像中继，光纤包层或包壳或套圈将不会倾向于干扰图像镜，且分割器部段内的焦比可以从离开光纤的焦比更改，例如降低焦比以减少准直透镜中的像差。在图1B的图像中继中，输入孔径101发射具有宽带光谱轮廓的发散光束102。技术人员将理解，输入孔径101可以例如使用光纤、针孔或光源来实施，然而其他输入源也是合适的。发散光束102通过光学元件103重新聚焦，该光学元件103在图1B的实施方案中被描绘为单透镜。可以使用多种类型的光学元件(例如，双合消色差透镜、复合透镜、单个凹面镜或复合的镜子系统)来实施光学元件103。光学元件103将光束聚焦成会聚光束104，该会聚光束104形成输入孔径101的图像110a。

图1B还示出了如何将重定格式器的输出定向朝向光谱仪的输入，或如何将重定格式器直接纳入到光谱仪中。技术人员将理解，存在多种方式来将重定格式器输出光束发送到系统的色散光谱仪部段。在示出的实施方案中，准直的重定格式器输出光束116传递通过聚焦元件117，聚焦元件117可以是棒状透镜、圆柱形透镜、圆柱形镜子或将倾向于沿着水平轴线而非沿着竖直轴线聚焦光束部分的任何其他光学元件。在示出的实施方案中，光束部分中的光因此倾向于在中间焦平面118处聚焦成高而窄的缝状图像(相对于可能已经具有圆形外观的输入孔径101)。物理缝或光挡板可以放置在焦平面118处，以限制光传递通过、阻挡散射光、使缝图像更窄(以降低光强度为代价)，或所有的水平聚焦的光可以被允许传递通过此焦平面。光谱仪也可以放置使得其输入孔径在焦平面118处。

继续对用作如图1B中示出的色散光谱仪的一部分的混合图像-光瞳光学分割器的描述，当传递通过焦平面118时，多个光束部分形成光束120，该光束120倾向于看起来像发散光束，例如f/5竖直地且f/5水平地。此发散光束通过光学元件121准直以产生准直光束122，该准直光束已经相对于输出光束116在色散方向上扩展。也可以使用使光束发散和重新准直的扩展器元件(例如凸透镜和凹透镜，或凸面镜和凹面镜)代替部件117和121来实施所述扩展，所述部件117和121导致光束会聚通过焦点之后形成大体上被重新准直的分散光束。光瞳光束的此扩展有助于使由那个光束产生的重新聚焦的图像变窄。扩展的准直光束122从平面折叠镜123反射到色散元件124，该色散元件124可以是衍射光栅、棱镜、棱栅或任何其他光谱色散元件。色散器124产生包括多个单色准直光束的光谱色散光束125，其中每个光束的水平角度取决于其波长。聚焦元件126(包括例如简单透镜或复合透镜或简单的镜子或复合镜子或其组合)将这些色散的光束聚焦到检测器系统128上的焦平面检测器127上，该焦平面检测器127可以是CCD设备、CMOS设备、InGaAs传感器、线性光电二极管阵列、感光胶片、单像素光电二极管或光电倍增管或任何其他光检测仪器。检测器系统128中的每个传感器元件的测量强度提供对传递通过孔径101的原始光束的光谱分布的测量。从焦平面118到检测器系统128的光学序列类似于许多其他色散光谱仪设计，然而，与其他色散光谱仪设计不同，通过元件101至117实施的混合图像-光瞳光学分割器的光束重定格式方法使输入源101在焦平面118处重新形成高而窄的图像，以提供较高的光谱分辨率而不会在窄缝处损失光。

技术人员将理解，在一些情况下，利用具有附加光学重定格式的色散光谱仪、沿一个或多个轴线具有附加的光束扩展和/或压缩的色散光谱仪或一些其他色散光谱仪设计可能是有利的。

图3例示了可以存在于图1A和图1B的实施方案中的多个点处的光瞳光束和聚焦图像的形状。第一准直光瞳光束114被示出为具有相对均匀强度的圆形光束。重定格式的输出光束116被示出为具有对应于镜子115a和115b之间的间隙的宽度，以及由第一准直光束和附加的准直光束贡献的叠加的光束部分。将附加的准直光束的传递通过光学元件115的重叠D形部分组合，使得输出光束的某些部分具有比其他部分更大的光强度。还示出了扩展的输出光束122。图3还示出了输入源图像110a、准直元件113的焦点(其也是镜子111的源图像焦平面和位置)处的复制的源110a-e、以及在摄像机图像(127)的焦平面处的重新聚焦的摄像机图像。注意，复制的源的强度随着在第一光学元件和第二光学元件之间的每次传递通过而减小，因为附加的光束部分传递通过光学元件115以在每次传递通过时形成输出光束的一部分，且较少的光被反射回来。

在一些实施方案中，可以存在不同数目的光瞳镜(例如1个或3个而不是一对)、不同数目的图像镜、或甚至不等数目的光瞳镜和图像镜。一些实施方案还可以仅包括单个光瞳分割镜和单个图像镜，其倾向于仅提供两个分割。在这样的替代方案中，光将倾向于环绕图像镜传递而不是传递通过镜子之间的间隙。此外，在其他实施方案中，该设计可以被配置为使得并非所有反射光瞳光束的所有部分都稍后通过图像镜反射回到光瞳。

在光束在光瞳镜和图像镜之间仅被重新定向一次的情况下，该设计可以倾向于被描述为第一传递设计。随着传递次数增加(即迭代次数增加)，且准直光束中传递通过图像镜以在每次传递通过时形成输出光束的一部分的部分减少，输出光束相对于第一准直光束的变窄可以更大，这会是有利的，例如通过使得输出光束能够被扩展更大的倍数而不会变得大于第一准直光束。在一些系统中，迭代传递次数可能相当大。然而，随着传递次数增加，由于反射损失和透射损失，因此光强度将会减小。这两个因素之间的折衷将决定对于给定的实施方式而言最适当的传递次数。

在本发明中，准直光瞳光束倾向于被分割成单独的子光束，如传统的光学分割器，其倾向于对重新聚焦的点没有影响，但是那些分割镜的倾斜倾向于使重新聚焦的点图像竖直偏移，因此“堆叠”是在图像空间而不是在光瞳空间中完成的。这样，不同的准直分割全部都一个在另一个的顶上叠加在光瞳空间中而不是被竖直地堆叠。每个准直分割将倾向于具有不同的竖直角度，且整束分割光束将倾向于具有比任何单个光束更大的竖直发散度。在实践中，此竖直发散度类似于在输入传递通过缝之后表现出的水平发散度，使得下游的光学设备可以是圆形的或正方形的而不是高度矩形的。由叠加分割组成的高而瘦的光瞳然后可以被水平地聚焦以形成中间的虚拟缝图像，如果需要，所述虚拟缝图像可以被传递通过物理缝(以减少散射的光泄漏)，之后转到色散光谱仪后端。所述水平聚焦可以使用圆柱形透镜来实现，以产生虚拟缝图像，在所述虚拟缝图像中，原始图像点被“模糊”在一起以形成单个光柱。技术人员将理解，也可以以其他方式实现所述聚焦，诸如使用球面透镜，尽管这样的球面透镜可能需要不切实际的焦比来实施。

也可以将本发明中的重定格式的光瞳光束定向到专门设计用于处理这种类型的输入的色散光谱仪的输入，而不经历水平聚焦。也可以存在如下应用，其中本发明中的重定格式的输出(被准直或被聚焦)除了可以仅被用作色散光谱仪的输入之外也可以被用作其他光学设备的输入。

技术人员将理解，在一些实施方案中，在图1中描绘的某些光学元件可以被替换成经由不同的方法提供类似功能或将两个或更多个原始元件的功能组合的替代元件。例如，基于透镜的透射重新成像器(103)可以被替换成反射折射系统或全反射重新成像系统。也例如，准直器(113)可以用离轴抛物面镜而不是透镜来实施。还例如，光瞳镜(115a和115b)可以由如下单个镜子代替，所述单个镜子具有缝或孔切入到其中。还例如，准直器(113)和光瞳镜(115a和115b)可以组合成由具有如下透射透镜组成的单个元件，所述透射透镜具有一个被制造有不同角度且被部分地涂敷有反射涂层以充当一个镜子或多个镜子的表面。

虽然本发明可以与倾向于如先前所述的将光用作输入的任何设备一起使用，但是本文描述的光学分割器的使用的一个实施例可以是在光谱学领域中。一般的光谱仪是使光色散以使得作为波长的函数的光强度值可以被记录在检测器上的设备。对于要求较高的光谱分辨率的读数，较窄的缝倾向于需要与光谱分辨率有直接关系，且通常窄的缝将提供在一般的光谱仪设备的检测器或传感器焦平面处接收到的光强度的减少。与没有光学分割器的缝相比，将光学分割器定位在一般的光谱仪设备的输入前面(可能与某种形式的隐式光束扩展或显式光束扩展结合)会倾向于产生该一般的光谱仪设备缝的、在缝的区域上具有以分割因子为倍数增大的光强度值的输入，从而倾向于提供增大的光谱分辨率而不牺牲光信号强度。

光谱学的一个分支是干涉光谱学；干涉光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，以其他方式实现色散，诸如通过对由两个干涉光束生成的图案进行傅里叶变换。该分割器不仅增加了输出的亮度，而且允许干涉条纹的对比度以及信噪比的较大改善。

与医学成像有关的干涉光谱学的另一个子集是光学相干断层扫描(OCT)，该技术使用干涉光谱仪来制作图像。分割器将改善OCT设备的吞吐量以及条纹对比度；结果是，分割器可以改善用OCT系统可能实现的深度穿透、加快成像时间以及增加捕获的图像的值。光学分割器可以被包括在OCT设备的输入处。

光学分割器可以用在被称为傅立叶域OCT(FD-OCT)的OCT的一个子集中，且更具体地用在被称为光谱域OCT(SD-OCT)的具体实施FD-OCT中。SD-OCT器械是具有色散光谱仪的干涉光谱仪，以用于记录信号。光学分割器可以被包括在所述色散光谱仪的输入处，在准直光束路径中刚好在色散光束元件之前。

分割器的另一个应用是在微型光谱学领域中，特别是与拉曼光谱学有关。当前的拉曼光谱仪已经被实施为被微型化到手持规模。因为分割器可以被用来增加任何以光作为输入源的系统的吞吐量，分割器的一个微型化实施方案可以结合微型化光谱仪(例如拉曼光谱仪)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。光学分割器可以被包括在拉曼光谱学设备的输入处。

已经参考具体实施方案描述了本发明。然而，本领域技术人员将明了，在不脱离本文描述的本发明的范围的前提下，可以做出许多变体和改型。

Claims (25)

1.一种用于生成输出光束的光学重定格式器，包括：

一个准直器，所述准直器接收输入光且产生第一准直光束；

第一光学元件，所述第一光学元件

(i)使所述第一准直光束的一个或多个部分重新定向成与所述第一准直光束不平行且被所述准直器接收，所述准直器产生一个或多个重新成像光束；且

(ii)允许所述第一准直光束的一个或多个部分绕过所述第一光学元件，以形成所述输出光束的一部分；

第二光学元件，所述第二光学元件使所述重新成像光束中的一个或多个部分重新定向成被所述准直器接收，所述准直器产生附加的准直光束；

其中，所述附加的准直光束的一个或多个部分也形成所述输出光束的部分。

2.根据权利要求1所述的光学重定格式器，其中，所述输入光是一个或多个光纤、一个图像中继或一个物理孔径的输出。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的光学重定格式器，其中，所述准直器是单透镜、复合透镜、单个镜子或使发散光束准直且使准直光束聚焦的另外的光学元件。

4.根据权利要求1或2所述的光学重定格式器，其中，所述第一准直光束和所述附加的准直光束是大体上准直的或完全准直的。

5.根据权利要求1或2所述的光学重定格式器，其中，所述第一光学元件和所述第二光学元件中的每个包括一个或多个镜子。

6.根据权利要求1或2所述的光学重定格式器，其中，所述第一准直光束的、被重新定向成被所述准直器接收的一个或多个部分位于所述第一准直光束的末端处。

7.根据权利要求1或2所述的光学重定格式器，其中，所述第一准直光束的、被重新定向成被所述准直器接收的一个或多个部分被重新定向成彼此不平行。

8.根据权利要求1或2所述的光学重定格式器，其中，所述重新成像光束在与所述输入光不重合的位置处产生聚焦图像，且所述第二光学元件被定位成使所述重新成像光束的一个或多个部分重新定向而不阻挡所述输入光和和所述准直器之间的光学路径。

9.根据权利要求8所述的光学重定格式器，其中，所述第二光学元件被定位在所述重新成像光束产生聚焦图像的位置处。

10.根据权利要求1或2所述的光学重定格式器，其中，所述附加的准直光束的一个或多个部分由所述第一光学元件重新定向成被所述准直器接收，所述准直器产生附加的重新成像光束；且所述附加的重新成像光束的一个或多个部分由所述第二光学元件重新定向成被所述准直器接收，所述准直器产生另一些附加的准直光束；

其中，所述另一些附加的准直光束的一个或多个部分也绕过所述第一光学元件，以形成所述输出光束的一部分。

11.根据权利要求10所述的光学重定格式器，其中，所述附加的准直光束和所述附加的重新成像光束的重新定向是迭代的。

12.根据权利要求1或2所述的光学重定格式器，其中，从所述输入光接收的大体上所有的光能量都包含在所述输出光束中。

13.根据权利要求1或2所述的光学重定格式器，其中，所述第一准直光束和形成所述输出光束的附加的准直光束的多个部分大体上重叠且在大体上相同的方向上传播。

14.根据权利要求1或2所述的光学重定格式器，其中，所述输出光束在第一维度上比所述第一准直光束更窄。

15.根据权利要求1或2所述的光学重定格式器，还包括一个附加的光学元件，用于使所述输出光束在绕过所述第一光学元件之后重新定向。

16.根据权利要求1或2所述的光学重定格式器，还包括一个聚焦元件，用于将所述输出光束聚焦到光谱仪的输入上。

17.根据权利要求16所述的光学重定格式器，其中，所述聚焦元件是棒状透镜、圆柱形透镜、圆柱形镜子或一个或多个圆柱形或环形透镜或镜子。

18.一种光谱仪，包括：

根据权利要求1至17中任一项所述的光学重定格式器；

一个光学元件，用于沿着第一维度扩展所述输出光束，以产生扩展光束；

一个色散元件，用于沿着所述第一维度使所述扩展光束光谱色散，以产生光谱色散光束；

一个聚焦元件，用于使所述光谱色散光束聚焦，以产生聚焦光谱；以及

一个检测器，用于接收和测量所述聚焦光谱。

19.一种生成输出光束的方法，包括：

对准直器所接收的输入光准直，所述准直器产生第一准直光束；

使所述第一准直光束的一个或多个部分重新定向成与所述第一准直光束不平行且被所述准直器接收，所述准直器产生一个或多个重新成像光束；

使所述重新成像光束中的一些或全部重新定向成被所述准直器接收，所述准直器产生附加的准直光束；以及

由所述第一准直光束的、未被重新定向且未被所述准直器接收的一个或多个部分以及所述附加的准直光束形成输出光束。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述附加的准直光束的一个或多个部分也被重新定向成被所述准直器接收，所述准直器产生附加的重新成像光束，且所述附加的重新成像光束中的一些或全部被重新定向成被所述准直器接收，所述准直器产生另一些附加的准直光束；

其中，所述输出光束包括所述另一些附加的准直光束的一个或多个部分。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述重新定向是迭代的。

22.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，其中，重新定向的光束和光束部分被重新定向，以产生由在大体上相同的方向上传播且具有所述输入光中的大体上所有的光能量的、大体上重叠的光束和光束部分所形成的输出光束。

23.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，其中，重新定向的光束和光束部分被重新定向，以产生在第一维度上比所述第一准直光束更窄的输出光束。

24.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，还包括使所述输出光束聚焦到光谱仪的输入上。

25.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，还包括：

沿着第一维度扩展所述输出光束，以产生扩展光束；

沿着所述第一维度使扩展光束光谱色散，以产生光谱色散光束；

使光谱色散光束聚焦，以产生聚焦光谱，以及

测量所述聚焦光谱。

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