CN110337580A - 反射空间外差光谱仪的整体式组件 - Google Patents

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Abstract

提出了新型整体式循环反射空间外差光谱仪(CRSHS)。根据本发明的整体式CRSHS具有单个框架，其中平面反射镜、屋脊型反射镜和对称光栅被固定。本发明仅包含固定零件；平面反射镜、屋脊型反射镜和对称光栅不相对于框架移动。与本领域中已知的常规CRSHS相比，本发明实现更小且更轻的CRSHS，对于维护需要更少的时间和技能，并且是更好的经济选择。所公开的发明可以包括固定的场加宽光学元件或光纤馈送组件。

Description

反射空间外差光谱仪的整体式组件
联邦基金的声明
本文所描述的发明是在NASA合同NNN12AA01C下的工作的执行中做出的，并服从于立约人在其中已选择保留所有权的公法96-517(35 USC 202)的规定。
发明领域
本公开涉及干涉光谱仪；且更具体地涉及反射空间外差光谱仪(reflectivespatial heterodyne spectrometer)。
发明背景
观测发射线和吸收线的强度和谱线轮廓(line profile)是用于广泛多样的应用(例如天文目标的研究)的稳定技术。在发射或吸收光谱中的原子、分子和离子跃迁揭示了关于组成、同位素比率、温度、速度以及进入或离开系统的能量的总量的重要信息。低分辨率光谱学允许对基本参数(如组成、分布、强度和能量分布)的研究。相反，高分辨率光谱学可以揭示关于源的物理特性的附加信息，例如速度、温度、压力、同位素特征(isotopicsignatures)等。
高分辨率光谱学比低分辨率光谱学携带更多的信息，然而增加的信息的成本必须与其他限制因素相平衡。在太阳系中，诊断的(diagnostic)发射线源通常很微弱，被埋藏在太阳的反射连续体之下，并从遥感角度有角度地延伸，使它们的角度尺寸常常超过用于观测它的仪器的视场(FOV)。测得的多普勒频移通常≤50km/s(50千米/秒)，且温度很少超过1000K。对于太阳连续体强度迅速下降，而低于的发射线在太阳的光谱中完全占主要地位。原子荧光、离子荧光和分子荧光、亚稳发射体(metastableemitter)和碰撞受激发射在可见光和极端的紫外(EUV)区域中的可观测特征方面占主要地位。这些目标发射中的很多发射的微弱性(faintness)和角度范围以及远程探测器和小型航天器的体积限制限制了结合高光谱分辨率能力的机会，并且需要高吞吐量、紧凑型(对于空间探测器应用以及现场商业应用)和高分辨率光谱传感器。
天文目标覆盖巨大范围的尺寸和环境，其向光谱观测者提出挑战。当前的光谱技术在以宽FOV和高吞吐量处理高分辨率(R)观测方面不足。大多数现有的传统仪器设计由于转到更宽的FOV而失去它们的灵敏度。这种类型的灵敏度折衷对点源或非常小的源提出较少的挑战，但它限制了对扩展源(extended source)的光谱研究。例如，可以用具有～500(约500)的R的仪器来检测以600km/s的相对速度移动的星系的速度。相反，彗星的速度分布覆盖1-100km/s的范围，其需要高达100,000的R以检测相应的多普勒频移。
不幸的是，目前在使用中的高R仪器并没有被优化成在宽FOV下实现高R。使用最多的高R仪器是经典光栅光谱仪，其在许多基于地面的望远镜处具有大约R～15,000(对于扩展和低能量天文和行星科学目标，R相对较低)。具有R>30,000的能力的光谱仪物理上非常大，并且与大孔径望远镜耦合以克服孔的小角度尺寸，这又大大地限制它们对时间观测的分配时间。
干涉仪(例如，傅立叶变换光谱仪(FTS)或法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪)由于它们在同一R下的更高的光学扩展量(étendue)和更小的整体物理尺寸而提供优于光栅光谱仪的显著优点。然而，它们往往在可见光和更短的UC波长下具有越来越有挑战性的光学公差问题。在真空UV中，特别是低于透射晶体的数量急剧减少到三个氟化物晶体(a trio of fluoride crystal)。因此，反射设计(其中限制主要受制于反射镜涂层)已经成为获得更宽的光谱范围的更有效的方法。
尽管反射空间外差光谱仪(RSHS)技术确实提供优于前面提到的干涉仪的一些有前景的优点，但RSHS仪器具有其自身的缺点。传统RSHS系统的尺寸、组装结构和设计由于它们的体积、质量和对准公差而是抑制RSHS对于在科学、医学、商业或军事部门中的广泛应用的发展的主要缺点。因此，存在开发改进的RSHS组装设计以更好地利用该技术的潜力的需要。
发明概述
根据本发明，本公开提供了整体式循环反射空间外差光谱仪(CRSHS)的实施例。
在一些实施例中，本发明涉及整体式CRSHS，其包括：
对称光栅，所述对称光栅被配置成将具有波长λ的入射光束分成在不同的、成角度地偏移的方向上行进的两个衍射光束；
平面反射镜(flat mirror)，其相对于对称光栅成第一角度布置；以及
屋脊型反射镜(roof mirror)，其相对于对称光栅成第二角度布置；
其中，平面反射镜和屋脊型反射镜被布置成使得所述平面反射镜和所述屋脊型反射镜在循环公共路径配置中反射衍射光束，使得所述衍射光束再次衍射离开对称光栅以产生定域条纹图案(fringe pattern)；并且
其中，平面反射镜、屋脊型反射镜和对称光栅被布置成始终满足外差条件，当存在外差波长λ0时所述外差条件被满足，其中，两个衍射光束在法向角(normal angle)上离开反射空间外差光谱仪，并且不产生定域条纹图案；以及
支撑结构，其中，对称光栅、平面反射镜和屋脊型反射镜各自直接且牢固地固定(affix)到所述支撑结构。
在一些这样的实施例中，支撑结构是具有限定内部体积的主体，并且其中，对称光栅、平面反射镜和屋脊型反射镜固定到所述主体的所述内部体积内的至少一个内壁。
在其它这样的实施例中，所述主体具有至少一个开口，该开口被布置成使得入射光束通过该开口进入并以法向入射(normal incidence)来射到(hit)对称光栅上。
在还有些其他实施例中，主体具有至少两个内壁。
在另一些实施例中，屋脊型反射镜和平面反射镜分开不大于70cm的距离。
在又一些实施例中，屋脊型反射镜和平面反射镜分开不大于25cm的距离。
在一些这样的实施例中，屋脊型反射镜和平面反射镜分开不大于10cm的距离。
在其他这样的实施例中，平面反射镜、屋脊型反射镜和对称光栅通过粘合物质固定到支撑结构。
在还有些其他实施例中，支撑结构由BK7玻璃或熔融石英制成。
在另一些实施例中，入射光束在被对称光栅衍射之前行进穿过至少一根光纤。
在又一些实施例中，至少一根光纤传输来自望远镜或显微镜的光。
在一些这样的实施例中，所述望远镜是牛顿望远镜或卡塞格林(Cassegrain)望远镜。
在其他实施例中，本发明涉及场加宽(field-widened)整体式CRSHS，其包括：
对称光栅，所述对称光栅被配置成将具有波长λ的入射光束分成在不同的、成角度地偏移的方向上行进的两个衍射光束；
平面反射镜，其相对于对称光栅成第一角度布置；以及
屋脊型反射镜，其相对于对称光栅成第二角度布置；以及
至少一个光学元件；
其中，平面反射镜和屋脊型反射镜被布置成使得所述平面反射镜和所述屋脊型反射镜在循环公共路径配置中反射衍射光束，使得所述衍射光束再次衍射离开对称光栅以产生定域条纹图案；
其中，平面反射镜、屋脊型反射镜、对称光栅和至少一个光学元件被布置成始终满足外差条件，当存在外差波长λ0时所述外差条件被满足，其中，两个衍射光束在法向角上离开反射空间外差光谱仪，并且不产生定域条纹图案；并且
其中，至少一个光学元件增加吞吐量并加宽视场，同时维持条纹定域平面；以及
支撑结构，其中，对称光栅、平面反射镜、屋脊型反射镜和至少一个光学元件各自直接且牢固地固定到所述支撑结构。
在一些这样的实施例中，支撑结构是具有限定内部体积的主体，并且其中，对称光栅、平面反射镜、屋脊型反射镜和至少一个光学元件固定到所述主体的所述内部体积内的至少一个内壁。
在其它这样的实施例中，所述主体具有至少一个开口，该开口被布置成使得入射光束通过该开口进入并以法向入射来射到对称光栅上。
在还有些其他实施例中，主体具有至少两个内壁。
在另一些实施例中，屋脊型反射镜和平面反射镜分开不大于70cm的距离。
在又一些实施例中，屋脊型反射镜和平面反射镜分开不大于25cm的距离。
在一些这样的实施例中，屋脊型反射镜和平面反射镜分开不大于10cm的距离。
在其他这样的实施例中，平面反射镜、屋脊型反射镜、对称光栅和至少一个光学元件通过粘合物质固定到支撑结构。
在还有些其他实施例中，支撑结构由BK7玻璃或熔融石英制成。
在另一些实施例中，入射光束在被对称光栅衍射之前行进穿过至少一根光纤。
在又一些实施例中，至少一根光纤传输来自望远镜或显微镜的光。
在一些这样的实施例中，所述望远镜是牛顿望远镜或卡塞格林望远镜。
在其他这样的实施例中，至少一个光学元件选自由棱镜、透镜、反射镜或透射光栅组成的组。
在还有些其他实施例中，至少一个光学元件包括两个楔形棱镜。
附图简述
参考下面的附图和数据将更充分理解该描述，这些附图和数据作为本公开的示例性实施例被呈现，并且不应当被解释为本发明的范围的完整叙述，其中：
图1A-1C提供了整体式CRSHS配置的示意图。图1A示出了在外差波长(无条纹图案)处的光束路径，而图1B提供了光束路径示意图的俯视图。图1C示出了在其他波长处的光束路径，除了所产生的条纹图案之外，还示出了相对于对称光栅和衍射光束的条纹定域平面。
图2提供了根据本发明的一些实施例的整体式CRSHS配置的另一示意图，其中支撑结构具有开口，该开口被设置成使得入射光束通过该开口进入并以法向入射来射到对称光栅上。
图3A提供了本发明实施例的模拟ZEMAX光线追踪模型(raytracing model)的图像，其中对于波长589nm设置角度。
图3B提供了由图3A中的模型得到的来自Na空心阴极灯(Na D波长)的模拟条纹图案的图像。
图3C提供了由图3A中的本发明的实施例(在图3B和3C中被模拟)得到的来自Na空心阴极灯(Na D波长)的所产生的条纹图案的图像。
图4A和图4B提供了根据本发明的示例性实施例形成的整体式CRSHS的图像。
图4C提供了根据本发明的另一示例性实施例形成的整体式CRSHS的图像。
图4D提供了根据本发明的又一示例性实施例形成的整体式CRSHS的图像。
图5提供了根据本发明的实施例的场加宽整体式CRSHS的示意图。
图6提供了根据本发明的示例性实施例的场加宽整体式CRSHS的图像。
图7A和图7B提供了根据本发明的示例性实施例形成的场加宽整体式CRSHS的图像。
图8A和图8B提供了根据本发明的另一示例性实施例形成的场加宽整体式CRSHS的图像。
图9提供了根据本发明的又一示例性实施例的场加宽整体式CRSHS的图像。
图10提供了根据本发明的示例性实施例的场加宽整体式CRSHS的图像。
图11提供了根据本发明的另一示例性实施例的场加宽整体式CRSHS的图像。
发明详述
转到附图，提供了整体式CRSHS光谱仪、它们的使用方法以及它们的制造方法。在各种实施例中，整体式CRSHS组件保持外差条件，使得对于外差波长或调谐波长，没有条纹形式的数据。然而，对于在带通范围内但除了外差波长以外的波长，可以产生可见的定域条纹图案。在一些这样的实施例中，在光谱仪内的光栅可以是全息的(holographic)、对称的、非闪耀的(non-blazed)、正弦形的或三角形的。在一些其他实施例中，整体式CRSHS光谱仪可以包括场加宽元件(诸如，例如，两个楔形棱镜)；也可以使用其他光学元件，例如反射镜、透射光栅或透镜。在还有些其他实施例中，整体式CRSHS可以包括耦合的光纤系统。
SHS和CRSHS的技术概念
最初的SHS配置是在迈克尔逊(Michelson)干涉仪配置中的迈克尔逊设计SHS(MSHS)，其中在每个干涉仪臂中的反射镜由光栅代替。MSHS设计最终导致用于大气和星际发射线特征的观测的一系列基于地面和空间的仪器，并且已知技术中的大部分SHS项目和分析仍然是MSHS格式。MSHS仪器的缺点是它们的两个臂的非公共路径设计和透射元件的使用，这限制了它们在较短波长(例如UV)中的可用性。
然而，本领域中已知的常规RSHS是可以在高光谱分辨率下观测目标原子和分子气体谱线的全反射式双光束循环干涉仪(all-reflective two-beam cyclicalinterferometer)。它包括适应于固态阵列检测器的目标波长区域(UV至IR)的光栅和反射光学器件(平面反射镜和屋脊型反射镜)，固态阵列检测器产生光学干涉条纹(波数相关的2D菲索(Fizeau)条纹图案)，光学干涉条纹的傅立叶变换产生高分辨率光谱。在其高光学吞吐量(光学扩展量)和宽视场(FOV)的情况下，它对弱源或扩散源(例如彗星的彗发(cometcoma)和地球大气气体)具有高灵敏度。RSHS具有更高的光机械(optomechanical)公差和更简单的光机械设计的益处，并且循环RSHS(CRSHS)使用公共路径配置，相对于热机械效应更稳定。被设计成试图避免阻挡入射光的离轴望远镜或定星镜(siderostat)对于与CRSHS耦合常常是优选的。
与MSHS设计(其中分束器(beam splitter)对于入射光是需要的)不同，对于CRSHS设计，分束器不是必需的，因为如图1和图2所示，光栅104本身按照法向入射的光栅方程[sinβin+sinβout]cosΦ＝mλG将入射准直光束(collimated beam)112衍射成±m级，其中λ是波长，βin和βout是入射角和出射角，Φ是入射光束与垂直于衍射平面的光栅法线(gratingnormal)之间的角，并且G是沟槽密度(groove density)。入射光束112以法向入射来射到光栅104上，并分成两个反对称衍射级(m＝±1)114。两个级都以相反的角度对准经过光路115，会聚回到光栅104上，并在离开系统之前第二次衍射。通过对反射镜之一使用直角“屋脊型”反射镜108，入射和出射光束被分离到在入射光路下方(或上方)的平行平面内。对于被称为外差波长的调谐波长λ0，光学器件以如下方式被对准，这种方式使两个级114都在法向角上离开光栅104：如图1A所示，它们的波前相对于彼此平行地离开，因此不产生条纹。这种情况被称为“外差条件”。在所有其他波长(λ＝λ0±Δλ)处，存在被引入到合并波前的色散旋转(dispersive rotation)，其导致具有取决于Δλ的频率的2D菲索条纹110(如图1C所示)的形成。图1B提供了光束路径和平行平面的俯视图。
如图1C所示，数据条纹图案110在被称为条纹定域平面(FLP)116的位置处形成，并被成像到2D成像检测器上。FLP 116通过跟随来自干涉仪(整体式CRSHS 100)的发散出射光束114来被限定，并且是在z轴上位于光栅104后面的距离z0处的虚拟平面。FLP 116是成像检测器假定出射光束114相交的地方，并且FLP聚焦的深度是成像检测器在保持可接受的条纹对比度的同时能够成像的距离。
在小角度近似中，FLP 116的位置可以被估计为：
其中L是在CRSHS内部的平均光路，并且β0(图1A所示)是对于外差波长的第一衍射角(CRSHS被调谐到该外差波长)。在小角度近似中，来自两个m＝±1级的波长σ＝1/λ处在检测器上的所记录的干涉图案被定义为：
fx≈-4δσsin β0
fy≈2σφ
其中I(σ)是输入光的光谱强度，φ是在干涉仪反射镜和衍射平面之间的交叉角，并且σ限定带通边界。I(x，y，z0，σ)的二维傅立叶变换恢复以Δλ为单位的原始功率谱。CRSHS的对准涉及转移反射镜(transfer mirror)(106和108)中的一个或两个的旋转以设定角度，使得所选择的波长满足外差条件(λ0)。
高分辨率光谱仪主要是具有小视场的光栅光谱仪，其中灵敏度和光谱分辨率随着狭缝(slit)尺寸的增加而下降。它们需要耦合到具有竞争性和有限的分配时间的大孔径望远镜，这限制了它们对扩展目标(例如彗星、行星大气和大星系结构)的时间观测的贡献。因为相较于经典光谱仪，CRSHS可以安装在明显更小的体积中并且不需要大孔径望远镜来操作，所以它们可以为从地面和空间平台对扩展源的高分辨率宽视场(FOV)研究提供现代、廉价且易使用的方法。
然而，记住上面定义的FLP 116的位置z0(图1C)是波长λ的函数很重要。因此，通过改变外差波长λ0，z0应当沿着z轴移动。为了保持条纹对比度，可能需要调整输出FLP成像光学器件或沿z轴重新定位摄像机，以便准确地适应新的FLP位置。
整体式组件的实施例
如上面所陈述的，除了常规调谐和校准维护要求之外，常规循环反射SHS(CRSHS)仪器的主要缺点是系统的尺寸和组装结构。CRSHS的核心包含平面反射镜106、屋脊型反射镜108和对称光栅104。通常，这些元件中的每一个都对反射镜和光栅固定器(holder)使用商用或定制机械支架(例如，在实验室工作台或桌面上)来单独地安装。干涉仪的性能具有严格的公差，因此固定器是可调节的，使得干涉仪可以在其组装后被对准。固定夹具(holding fixture)必须非常牢固且不易弯，这使调节光学支架变得复杂。这种干涉仪的重量主要由夹具(例如，铝或钢夹具)支配(dominate)，夹具是将光学部件保持在适当位置上所必需的。如果商用支架没有针对刚度被优化，干涉仪设置将对不需要的振动更加敏感。此外，SHS干涉仪的全体光学元件类型由于所需的支架系统而往往相对较重，并且具有非常耗时的调整过程。
因此，许多实施例涉及整体式CRSHS 100设计(如在图4-11中所例示的)，其提供了许多重要的益处，例如在尺寸和重量方面的显著减小、更简单的维护以及减少的制造和维护成本(对于商业应用尤其重要)。在有更多的移动零件的情况下，对在每个接口之间的应力、磨耗(wear)、磨损(galling)、疲劳等需要更多的关注，且仪器的分析可能更加困难。在设计中的更多零件意味着要制造更多的零件，同时仍然满足严格的公差限制，并且制造难度、成本、以及时间可能成为相当大的问题。也不能轻松地进行维护，因为复杂的设计通常需要具有更高专业知识和培训的人(也导致增加的费用)，并可能导致所需的额外的时间和更多的出错可能性。本公开提供了新型整体式CRSHS 100设计的实施例，其可以克服传统CRSHS设置的缺点，同时提供与具有整体式组件相关联的益处。本发明的一些实施例将显著简化CRSHS仪器的生产、组装和对准，通过避免干涉仪中用于每个元件的单独光学支架和固定器来提供更快、更灵活和更有成本效益的选择。
在现有技术中，整体式SHS组件是基于MSHS，而不是CRSHS。由于不使用任何折射光学器件来保持主光学元件，整体式CRSHS组件100演示起来难得多。在整体式MSHS中，实心填充玻璃间隔物通常用于保持并填充在分束器和每个臂中的两个光栅之间的间隙。但是对于整体式CRSHS 100，光路115在空气或真空中，而不是实心玻璃中。此外，CRSHS具有公共路径配置，这意味着对于入射光束112的路径115，对组件的任何调整或附加部件不仅影响CRSHS的一个臂，而且影响CRSHS的两个臂。整体式MSHS组件通常需要额外的支撑部件，其如果被应用于CRSHS则将以不希望的方式干扰光束112或光学配置115。因此，不可能仅仅通过修改已知的整体式MSHS设计来产生整体式CRSHS设计100。
根据本发明的一些实施例，可以通过采用新型“中空”整体式结构100来克服上面提到的挑战并为CRSHS创建整体式形状要素(form factor)，其中CRSHS元件(屋脊型反射镜108、平面反射镜106和对称光栅104)直接且牢固地固定到支撑结构102。平面反射镜106和屋脊型反射镜108各自相对于对称光栅104成角度布置。在一些实施例中，CRSHS元件通过机械工具(例如螺钉、胶水或其他粘合物质)固定到支撑结构102。根据本发明的实施例，整体式CRSHS 100不需要单独的光学支架或固定器来将元件保持在适当的位置上(不同于传统的CRSHS)，因为它被设计成没有移动零件。
在图1和图2中提供的示意图说明了支撑结构102如何在不影响公共路径配置的情况下将平面反射镜106、屋脊型反射镜108和对称光栅104固定在适当的位置上。光束112可以以法向入射来射到对称光栅104上。然后，对称光栅104将入射光束112分成具有反对称衍射级(m＝±1)的两个衍射光束114，这两个衍射光束以相反的角度对准在公共路径配置中经过光路115，并且在再次衍射离开对称光栅104之前被屋脊型反射镜108和平面反射镜106反射。然后，两个衍射光束114离开整体式CRSHS 100。在一些实施例中，支撑结构102是具有限定内部体积的主体，并且对称光栅104、平面反射镜106和屋脊型反射镜108固定到所述主体的所述内部体积内的至少一个内壁。在一些这样的实施例中，所述主体具有至少一个开口118，该开口118被设置成使得入射光束112通过开口118进入并以法向入射来射到对称光栅104上。在另一些实施例中，主体具有至少两个内壁。图4A-4D提供了本发明的一些示例性实施例的图像。
根据本发明的实施例设计的整体式CRSHS组件100能够保持外差条件，成功地产生可见的定域条纹图案110。例如，图3A示出了用于本发明的实施例的模拟ZEMAX光线追踪模型，其中对于波长589nm设置角度。图3B示出了由Na空心阴极灯(Na D波长)得到的模拟条纹图案，而图3C是实际产生的条纹图案的图像。尽管没有在图3A的图像上示出支撑结构102，但是根据本发明的实施例的整体式CRSHS组件100被利用；光学器件不是被单独地安装。
图4A-4D展示了一些示例性实施例。在这些所提供的示例中，支撑结构102是具有限定的内部体积的主体，并且对称光栅104、平面反射镜106和屋脊型反射镜108都牢固且直接地固定到所述主体的所述内部体积内的至少一个内壁。在这些实施例中，主体还具有开口118，开口118被布置成使得入射光束112通过开口118进入，并以法向入射来射到对称光栅104上。在这些所提供的实施例中的主体还具有至少两个内壁。图4A和4B所示的示例性实施例被调谐到589nm的波长λ，并且具有在平面反射镜106和屋脊型反射镜108之间的大约70cm的距离。
在本发明的示例性实施例中，支撑结构102由一种材料形成。使支撑结构102由一种材料形成对接合(bonding)和振动问题是有益的。此外，如果温度变化，支撑结构102将以相同的速率膨胀，并且对外差波长的扰乱可以被最小化。在一些示例性实施例中，通过改变支撑结构102的配置，可以根据应用和环境条件来将温度变化的影响控制在期望的量内。在一些示例性实施例中，碳纤维、铝、BK7玻璃、熔融石英玻璃或其他合适的材料可以用于支撑结构102。在另一些示例性实施例中，整体式设计将允许更高的光机械、振动和温度公差，同时消除对单独地安装CRSHS元件的需要。
在本发明的一些实施例中，光栅104(虽然总是对称的)也可以具有不同的属性。在一些实施例中，对称光栅104是全息的。在其他实施例中，对称光栅104是非闪耀的。在另一些实施例中，对称光栅104可以是正弦形的或三角形的。一些示例性实施例使用全息正弦形对称光栅104。
根据本发明的一些实施例，通过将CRSHS锁定在整体式设计100中(在图4-11中示出)，CRSHS的鲁棒性大大增强，同时与传统的CRSHS设置相比，CRSHS可以被制造得更轻且更小。新型整体式CRSHS组件100的示例性实施例除了使温度和振动变化稳定之外，还将显著减小系统尺寸。例如，图4C提供了一个示例性实施例的图像，其中屋脊型反射镜108和平面反射镜106分开仅约70mm的距离。整体式CRSHS 100的示例性实施例将没有需要一起被对准的单独零件，它不需要技术人员来操作或维护，并且它的鲁棒整体式设计将保持它的对准，需要很少甚至没有(little-to-no)维护。
场加宽CRSHS的实施例
FOV对CRSHS很重要，因为它增加了仪器的光学扩展量——光学系统接受并收集光的能力(其中Aeff是收集面积)。假定源是扩展的且孔填充的(aperture-filling)，CRSHS的FOV可以提供大型望远镜对光栅光谱仪所起到的相同的作用。光学扩展量的测量广泛用于表示光学仪器的灵敏度。到目前为止，还没有证实在RSHS系统中使用FOV外部的光线来增加FOV的尺寸的解决方案，限制了针对商业、地球科学和行星科学应用的CRSHS使用。尽管在现有技术中有场加宽MSHS的方法，但是场加宽CRSHS要复杂得多。
场加宽通常涉及将至少一个光学元件添加到SHS组件中，目的是使来自FOV外部的光束看起来在FOV限制内，加宽了仪器的FOV。仪器的吞吐量将增加(输入光学系统尺寸没有显著增加)，导致更高的灵敏度，其提供更快且更好的数据收集，同时保留传统SHS的优点。简而言之，场加宽(如果成功地完成)将实现对于需要最小体积和重量载荷的应用(例如，空间探索、便携式商业应用)非常有用的更小、更轻的SHS。
如前所述，CRSHS是循环系统并使用屋脊型反射镜108、平面反射镜和一个光栅，而MSHS是非公共路径系统并使用一个分束器和两个光栅。因此，在CRSHS中插入光学元件困难得多，因为它将影响CRSHS的两个臂——在光栅或任一反射镜中的任何移动、膨胀或变化将由于反射设置和循环公共路径配置而同时影响两个衍射光束。然而，为了有正常运转的循环RSHS，必须满足外差条件——必须有导致零路径和相位差的外差波长(如前所述)。此外，场加宽RSHS系统的另一个重大挑战是衍射光束必须仍然合并到一个FLP位置(如图1所示)。换句话说，一个光学元件(例如棱镜、反射镜、透镜或透射光栅)或光学元件的组合可以用于弯曲或压缩来自FOV外部的离轴光束，使得它们出现在FOV内部，同时保持使用输出光学器件来在摄像机上记录数据的FLP位置。为了使循环RSHS工作，外差条件和FLP条件都必须始终被满足，但确保这些条件被满足并不是容易的任务。任何附加的元件或部件都将在两个衍射光束的路径中；通常，一个臂可以被顺利地改变，但是另一个臂将看到相反的效果。
新型发明的一些实施例采用可加宽FOV同时满足所需条件，成功地产生定域条纹的设计。图5显示了场加宽CRSHS的一个模拟实施例。在图中，两个楔形棱镜(光学元件124)被插入到光束路径115中，而不破坏循环配置。图6-11示出了具有根据本发明的整体式组件100的一些示例性实施例。在这些示例性实施例中，整体式CRSHS 100采用两个楔形棱镜(每个反射镜(平面反射镜106和屋脊型反射镜108)和对称光栅104之间放置一个棱镜124)。棱镜124不阻碍到对称光栅104的入射光束112的路径，并且保持根据本发明的实施例的“中空”整体式组件100。尽管示例性实施例使用两个棱镜，但是也可以使用其他光学元件124，例如反射镜、透射光栅或透镜。图6中的实施例显示了在保持整体式CRSHS 100的同时，在支撑结构102中具有几个开口的可能性。在图7和图8所示的示例性实施例之间的一个差异是，图8示出了支撑结构102不覆盖对称光栅104、光学元件124、平面反射镜106和屋脊型反射镜108的背面的实施例。图8还展示了在屋脊型反射镜108和平面反射镜106分开大约6英寸或15.24cm的距离的情况下可以构造的示例性实施例。图9示出了具有在屋脊型反射镜108和平面反射镜106之间约70mm的距离的示例性实施例，而图10示出了具有在开口118和对称光栅104之间的约70mm的距离的示例性实施例。
类似于图4A-4D中的图像，图7-11还示出了实施例，其中屋脊型反射镜108、平面反射镜106、光学元件124和对称光栅104都固定到至少一个内壁(“底板”)上，而没有机械固定器或支架。对于一些其他实施例，也可能有与所有部件接触的另一个这样的内壁，这些部件充当“天花板”，同时保持整体式CRSHS 100的中空结构，图11中示出了该实施例的一个示例。如同前面提到的本发明的一些实施例一样，至少一个光学元件124可以通过粘合物质固定到面板。
下面的表1提供了关于根据本发明的实施例的对场加宽整体式CRSHS 100可能的配置的示例的信息：
光纤馈送CRSHS的实施例
在CRSHS仪器中的当前技术水平使用自由空间光学器件来将从目标收集的目标光输入到CRSHS仪器。耦合到CRSHS的自由空间光学器件主要确定仪器的尺寸、体积和配置，并将它锁定到入射光束的f#(f#＝入射孔径尺寸/到焦点的距离)。利用自由空间光学器件，来自聚光系统(在大多数情况下是望远镜，但也是显微镜或其他形式的输入光学器件)的目标光束聚焦在焦平面上(FOV光阑(stop))上。光然后行进到准直光学器件以在进入干涉仪之前被准直。根据光束的f#，如果一个准直光学器件不能将光束准直到期望光束宽度并且所需的距离与可用的空间和配置不匹配，则将使用一个以上准直光学器件。自由空间输入光学器件的该常规使用可能由于它对来自聚光系统(通常是望远镜或显微镜)的RSHS的位置和定向施加的限制而是CRSHS仪器的主要缺点；CRSHS仪器的形状要素及其尺寸和体积受到限制，使CRSHS对环境和用户需求以及CRSHS仪器在目标光束路径中有任何障碍物的情况下耦合到望远镜或显微镜的能力变得死板(inflexible)。例如，卡塞格林望远镜或牛顿望远镜是最常用的望远镜，但是支撑结构的阴影可能是一个问题。
根据本发明的一些实施例，一种解决方案是用耦合的光纤系统交换CRSHS仪器的自由输入光学器件。这可以通过将入射光束聚焦到一根或更多根光纤中并将在光纤的另一端上的光束准直到CRSHS系统中来完成。在一些实施例中，光纤馈送CRSHS系统解决了两个主要问题：(1)该系统将SHS仪器的形状要素从望远镜或显微镜去耦，使得使用变得灵活并拓宽可能的应用；以及(2)通过使用单模光纤，可以去除遮蔽光的结构的特征(例来自如牛顿望远镜和卡塞格林望远镜的十字叉(spider)图案)。根据本发明的一些实施例，光纤馈送整体式CRSHS对于窄带通可以被制造得更加紧凑。光纤可以用于滤出不需要的带通波长，其将消除噪声并提高CRSHS的灵敏度而不必使用额外的滤波器，同时保持R和FOV。在一些示例性实施例中，输入光纤在任何方向上折叠入射光束，以适应CRSHS位置和安装布局。光纤还可以在实施例中用于划分FOV并使用所有部分或者仅选择FOV的少数(handful)部分来在较小的检测器尺寸的情况下被使用。选择模式不需要固定，并且可以为了更高的效率和生产率而用机器控制。
根据本发明一些实施例的光纤耦合的整体式CRSHS设计可以提供更轻的基本上对准的干涉仪，其在设置期间和在操作中对振动不太敏感。光纤耦合满足光学接触所需的精度和准确度，同时劳动密集度低得多。自由空间光学器件耦合必须手动设置，但是在一些实施例中，光纤耦合可以实现机器自动化。这种生产技术将更便宜且更不耗时。具有光纤馈送整体式CRSHS的这种实施例将适合于各种应用，例如在科学、商业或军事部门中的卫星仪器、医疗设备、海洋学等。使用光纤作为输入光学器件也意味着CRSHS可以容易被拆卸而不必冒对整个系统进行对准的风险。在本发明的另一个示例性实施例中，可接受的FOV可以耦合到一个单光纤系统以传送到CRSHS开口。
本领域中的技术人员将认识到，根据本发明的附加实施例被视为在前述一般公开的范围内，并且前述非限制性示例不以任何方式意图放弃。
总结
迄今为止，由于与反射系统以及满足外差和条纹定域平面(FLP)条件相关联的独特挑战，还没有报道或成功地演示整体式循环反射空间外差光谱仪(CRSHS)，更不用说装配有场加宽光学部件或光纤输入的整体式CRSHS。本发明提供了可以对于非常宽范围的波长和应用推广的新颖的方法。
CRSHS的整体式组件将允许更高的光机械、振动和温度公差，同时消除对CRSHS元件的单独安装和复杂维护的需要。整体式CRSHS将没有任何移动零件，意味着制造起来将更容易、更便宜和更快。通过在循环路径内插入一个或更多个光学元件，可以进一步增强本发明中的整体式CRSHS，使得CRSHS臂可以使用FOV外部的光线。该场加宽增加了CRSHS的FOV并且增加了吞吐量而不影响外差条件或FLP位置。此外，光纤输入可以与整体式CRSHS一起使用，对各种应用和环境实现输入光学器件在有障碍物情况下的耦合以及仪器的更容易去耦。
前面提到的创新将实现比在现有技术中已知的常规CRSHS更鲁棒、更紧凑、更小、更轻的整体式CRSHS。新型组件将提高吞吐量和灵敏度，同时保留基本CRSHS的优点，为各种新的商业和科学应用开辟了可能性。
等同原则
在描述了几个实施例后，本领域中的技术人员将认识到，可以使用各种修改、替代结构和等同物而不偏离本发明的精神。另外，为了避免不必要地使本发明模糊，没有描述许多众所周知的过程和元件。因此，上述描述不应被视为限制本发明的范围。
本领域中的技术人员将认识到，本发明的各种优选实施例的前述示例和描述仅仅是作为整体说明本发明，并且在本发明的精神和范围内可以对本发明的部件或步骤做出变化。因此，本发明不限于本文描述的具体实施例，而是由所附权利要求的范围限定。

Claims (26)

1.一种整体式循环反射空间外差光谱仪，包括：
对称光栅，所述对称光栅被配置成将具有波长λ的入射光束分成在不同的、成角度地偏移的方向上行进的两个衍射光束；
平面反射镜，其相对于所述对称光栅成第一角度布置；以及
屋脊型反射镜，其相对于所述对称光栅成第二角度布置；
其中，所述平面反射镜和所述屋脊型反射镜被布置成使得所述平面反射镜和所述屋脊型反射镜在循环公共路径配置中反射所述衍射光束，使得所述衍射光束再次衍射离开所述对称光栅以产生定域条纹图案；并且
其中，所述平面反射镜、所述屋脊型反射镜和所述对称光栅被布置成始终满足外差条件，当存在外差波长λ0时所述外差条件被满足，其中所述两个衍射光束在法向角上离开所述反射空间外差光谱仪，并且不产生定域条纹图案；以及
支撑结构，其中，所述对称光栅、所述平面反射镜和所述屋脊型反射镜各自直接且牢固地固定到所述支撑结构。
2.根据权利要求1所述的整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述支撑结构是具有限定内部体积的主体，并且其中，所述对称光栅、所述平面反射镜和所述屋脊型反射镜固定到所述主体的所述内部体积内的至少一个内壁。
3.根据权利要求2所述的整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述主体具有至少一个开口，所述开口被布置成使得所述入射光束通过所述开口进入并以法向入射来射到所述对称光栅上。
4.根据权利要求2所述的整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述主体具有至少两个内壁。
5.根据权利要求1所述的整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述屋脊型反射镜和所述平面反射镜分开不大于70cm的距离。
6.根据权利要求5所述的整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述屋脊型反射镜和所述平面反射镜分开不大于25cm的距离。
7.根据权利要求1所述的整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述平面反射镜、所述屋脊型反射镜和所述对称光栅通过粘合物质固定到所述支撑结构。
8.根据权利要求1所述的整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述支撑结构由BK7玻璃或熔融石英制成。
9.根据权利要求1所述的整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述入射光束在被所述对称光栅衍射之前行进穿过至少一根光纤。
10.根据权利要求9所述的整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述至少一根光纤传输来自望远镜或显微镜的光。
11.根据权利要求10所述的整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述望远镜是牛顿望远镜或卡塞格林望远镜。
12.一种场加宽整体式循环反射空间外差光谱仪，包括：
对称光栅，所述对称光栅被配置成将具有波长λ的入射光束分成在不同的、成角度地偏移的方向上行进的两个衍射光束；
平面反射镜，其相对于所述对称光栅成第一角度布置；
屋脊型反射镜，其相对于所述对称光栅成第二角度布置；以及
至少一个光学元件；
其中，所述平面反射镜和所述屋脊型反射镜被布置成使得所述平面反射镜和所述屋脊型反射镜在循环公共路径配置中反射所述衍射光束，使得所述衍射光束再次衍射离开所述对称光栅以产生定域条纹图案；
其中，所述平面反射镜、所述屋脊型反射镜、所述对称光栅和所述至少一个光学元件被布置成始终满足外差条件，当存在外差波长λ0时所述外差条件被满足，其中所述两个衍射光束在法向角上离开所述反射空间外差光谱仪，并且不产生定域条纹图案；并且
其中，所述至少一个光学元件增加吞吐量并加宽视场，同时维持条纹定域平面；以及
支撑结构，其中，所述对称光栅、所述平面反射镜、所述屋脊型反射镜和所述至少一个光学元件各自直接且牢固地固定到所述支撑结构。
13.根据权利要求12所述的场加宽整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述支撑结构是具有限定内部体积的主体，并且其中，所述对称光栅、所述平面反射镜、所述屋脊型反射镜和所述至少一个光学元件固定到所述主体的所述内部体积内的至少一个内壁。
14.根据权利要求13所述的场加宽整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述主体具有至少一个开口，所述开口被布置成使得所述入射光束通过所述开口进入并以法向入射来射到所述对称光栅上。
15.根据权利要求13所述的场加宽整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述主体具有至少两个内壁。
16.根据权利要求12所述的场加宽整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述屋脊型反射镜和所述平面反射镜分开不大于70cm的距离。
17.根据权利要求16所述的场加宽整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述屋脊型反射镜和所述平面反射镜分开不大于25cm的距离。
18.根据权利要求12所述的场加宽整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述平面反射镜、所述屋脊型反射镜、所述对称光栅和所述至少一个光学元件通过粘合物质固定到所述支撑结构。
19.根据权利要求12所述的场加宽整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述支撑结构由BK7玻璃或熔融石英制成。
20.根据权利要求12所述的场加宽整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述入射光束在被所述对称光栅衍射之前行进穿过至少一根光纤。
21.根据权利要求20所述的场加宽整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述至少一根光纤传输来自望远镜或显微镜的光。
22.根据权利要求21所述的场加宽整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述望远镜是牛顿望远镜或卡塞格林望远镜。
23.根据权利要求12所述的场加宽整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述至少一个光学元件选自由棱镜、透镜、反射镜或透射光栅组成的组。
24.根据权利要求23所述的场加宽整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述至少一个光学元件包括两个楔形棱镜。
25.根据权利要求6所述的整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述屋脊型反射镜和所述平面反射镜分开不大于10cm的距离。
26.根据权利要求17所述的场加宽整体式循环反射空间外差光谱仪，其中，所述屋脊型反射镜和所述平面反射镜分开不大于10cm的距离。
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