CN113302463A - 具有多个光学路径的仪器 - Google Patents

Abstract

具有多路径单片式的光学组件(1)的仪器，其由所述组件的两个相对面之间为透明材料的部分组成。组件的两个面中的一个由第一折射表面(S₁)形成，且另一面包括并置的若干第二折射表面(S₂)。组件的每个光学路径由所述第二折射表面中的一个与所述第一折射表面的相应部分组合而形成。一个这样的组件适合于在所述仪器内成为具有多个光学路径的检测模块的部分，所述多个光学路径与由所述光学路径共享的矩阵光电检测器平行地布置。所述检测模块能够足够紧凑以集成到低温恒温器冷屏蔽物中，从而改进其冷却，且能够与物镜组合以形成具有多个光学路径的仪器。

Description

具有多个光学路径的仪器

本发明涉及一种包含有多路径单片式组件的具有多个光学路径的仪器，所述多路径单片式组件允许将入射光束划分为在各种方向中偏转的多个出射光束。

许多成像和光谱分析应用需要具有平行地位于单个光学入瞳(entrance pupil)和单个图像传感器之间的多个光学路径。此配置可由对所使用光学系统的大小、使用容易度、其生产期间的组装节省和/或单价的约束来推动。的确，光学系统于是可以是整体式的、紧凑的，且容易朝向待成像和/或进行光谱分析的场景导引。

此配置需要在单个图像传感器的表面上再现具有横向偏移的单个图像部分。如今，众所周知，此些图像偏移可以若干方式产生，确切地说，通过如文献WO 2016/092236中所描述布置反射镜来产生。但此分束器基于反射镜的布置需要增加光学系统的尺寸。另一方法在于，在光学系统的光瞳中使用基于棱镜的分束器。这因而需要将分束器放置在光束以平面波到达的位置处，即，在系统的入瞳附近或焦外系统的出口处。在这些条件下，产生分束功能的组件必须针对每个光学系统专门设计，因为入瞳的直径取决于此光学系统的焦距，否则光学系统会由于添加焦外系统而变得庞大。在其中球面波束通过此分束器组件的情况下，光电检测器上产生的图像无法聚焦，因为含有这些图像中的每一个的表面与光电检测器的表面形成某一角度，且此角度在各图像之间不同。确切地说，由球面波(且因此，非平面波)照明的棱镜产生场曲率像差。这致使每个图像在其显著部分上的锐度降级。最后，另一解决方案将是，在球面波束的路径中使用彼此侧向偏移的透镜。以此方式，每个透镜的光功率可允许使最佳焦点平面更接近，且朝向光电检测器的表面中的单独区域定向已经通过不同透镜的光束。但为了获得足够的横向图像偏移，具有非零光功率的透镜的使用需要显著改变光学系统的物镜的焦距以维持光学系统的相同的总焦距。这另外还需要增加光学系统的产生球面波束的部分(即，物镜)的长度。这导致更大的体积，且需要具有较大直径的光学系统。因而，光学系统不再满足许多应用的紧凑性要求。

在这些情形中，本发明的一个目标在于提出一种不具有前述缺点或减轻这些缺点的新的分束器。更确切地说，本发明旨在提供太长的焦距值和在所有光学路径共享的光电检测器的表面处二者重要的场曲率之间的较好折衷。

本发明的另一目标是，提出一种具有多个光学路径和由其所有路径共享的单个图像传感器的仪器，其是紧凑的且容易操纵和校准。

为了达到这些目标或其它目标中的至少一个，本发明的一方面提出一种具有多个光学路径的仪器，其具有由这些光学路径共享的视场，其中，光学路径平行地布置，每个光学路径在由光学路径共享的仪器的光学入口和同样由光学路径共享的矩阵光电检测器之间，其中，此矩阵光电检测器的一部分专用于与任何其它光学路径分开的每个光学路径。以此方式，由仪器在矩阵光电检测器上同时形成场景的若干图像：针对每个光学路径单独地形成一个图像。本发明仪器包括多路径单片式的光学组件，光学组件由材料为对所使用辐射透明的部分组成，其中，此部分包含在组件的两个面之间，每个面朝向与另一面相对的一侧转动，使得入射在两个面中的一个上的辐射通过在这两侧之间的部分且经由另一面退出。换句话说，本发明组件具有传输板配置。组件的两个面中的第一面由具有光轴的第一折射表面形成。组件的另一面(被称作第二面)本身包括在此第二面中并置而不重叠的若干第二折射表面。每个第二折射表面因而具有与每个其它第二折射表面分开的另一光轴，其中，这些第二折射表面中的至少一个的光轴相对于第一折射表面的光轴偏移。此外，第二折射表面分布在组件的第二面中使得通过第一折射表面的光线经由第二折射表面中的至多一个从组件退出，其中，每个第二折射表面因此与第一折射表面的相应部分形成与每个其它第二折射表面分开的用于传输的光学路径。多路径单片式的光学组件被布置成使得此组件的每个光学传输路径专用于仪器的其中一个光学路径。

所述仪器进一步包括物镜和多路径检测模块，其中，物镜包括由检测模块的所有光学路径共享的至少一个透镜，所述检测模块包括光学组件和矩阵光电检测器，且耦合到物镜使得光学组件位于物镜的出瞳(exit pupil)中，且使得仪器的视场中所含的场景针对每个光学路径经由光学组件的物镜成像到矩阵光电检测器上。

在符合本发明的仪器中，单片式的光学组件的第一折射表面的侧部可以是辐射光束到达的侧部，且此组件的第二折射表面的侧部可以是所有光学路径的相应辐射光束的退出侧。然而，在也符合本发明的其它仪器中，第二折射表面的侧部可相反地是辐射光束的到达侧，且第一折射表面的侧部因而是所有光学路径的辐射光束的退出侧。

根据本发明的第一特征，单片式的光学组件的第一折射表面和每个第二折射表面的相应曲率值在第一折射表面和第二折射表面中的每一个的至少一个相应点处为非零的，使得第一折射表面和第二折射表面中的每一个单独地修改通过其中的辐射光束在对应于非零曲率的点处的会聚。

并且，根据本发明的第二特征，第二折射表面光轴相对于第一折射表面的光轴偏移的单片式的光学组件的每个光学路径产生非零棱镜偏转功率，所述非零棱镜偏转功率对于由此光学路径在组件的两侧之间传输的辐射光束是有效的。并且，在组件的至少两个光学路径之间，棱镜偏转功率的值和定向中的至少一个是不同的。

以此方式，本发明仪器中使用的多路径单片式的光学组件(下文中为简洁起见称为“光学组件”)可用作分束器。确切地说，入射在此光学组件的第一面或第二面上且对于所有光学路径来说为共同的光束可具有球面波，即，波阵面为球面部分的辐射光束。

如果光学组件的第二折射表面中的一个具有等同于其中一个光学路径的第一折射表面的曲率的曲率，则组件具有对于此光学路径为零的光功率，但其仍可具有对于此同一光学路径不为零的棱镜偏转功率。

优选地，光学组件的第一折射表面和每个第二折射表面的相应曲率值可使得此组件针对每个光学路径分别具有非零光功率，其对于由此光学路径在组件的两侧之间传输的辐射光束是有效的。

以本领域技术人员已知的方式，光学组件的光功率对辐射光束的会聚或发散具有修改效应，其在组件的入口和出口之间是有效的。光功率是由与每个光线所通过的折射表面的曲率值相关联的光折射效应产生。

光功率的原理不同于光学组件的棱镜偏转功率的原理。棱镜偏转功率是修改辐射光束的倾斜的效应，也在组件的入口和出口之间有效。棱镜偏转功率也是由光折射效应产生，但这是在与并非彼此平行的折射表面的中平面组合的情况下。

在本发明仪器的光学组件中，对于相对于第一折射表面的光轴横向偏移的光学路径中的至少一个，所述光学路径的第二折射表面的中平面可与针对其对于同一光学路径有效的部分中的第一折射表面确定的中平面形成非零角度。棱镜偏转功率因而是由中分面之间的此角度差产生，且相关光学路径中的组件的非零光功率值是由此路径内部第一折射表面和第二折射表面之间的曲率差产生。

光学组件可因此针对相对于第一折射表面的光轴偏移的每个光学路径组合非零光功率和非零棱镜偏转功率。利用此组合，针对每个光学路径达到对于并入有组件的成像系统不太长的焦距值和在由所有光学路径共享的图像平面中不太重要的场曲率之间的折衷。由于此最后特征，光学组件可在仪器的多路径检测模块中与由所有光学路径共享的矩阵光电检测器组合。检测模块可因而是紧凑的，同时还具有若干光学路径。

此外，此些检测模块可与各种物镜组合，从而形成例如具有不同焦距值的一系列物镜。为此，检测模块可与物镜中的每一个可互换地组装，每次使得来自本发明的光学组件位于物镜的出瞳中。

通常对于本发明，光学组件的第一折射表面和每个第二折射表面中的至少一个可以是菲涅耳(Fresnel)表面。或者，此可以是不含跳线和角线的表面，即，连续的且具有连续导数的表面。此外，光学组件的第一折射表面和/或第二折射表面中的至少一个可以是非球面的。在这些非球面形状的情况下，由于从其中第二折射表面光轴相对于第一折射表面的光轴横向偏移的每个光学路径退出的辐射光束的倾斜而导致的光学像差和/或偏心像差能够特别地减小。

通常，光学组件的第一折射表面和第二折射表面中的至少一个可具有自由表面类型，即，无任何旋转对称轴且无任何对称中心。此表面称为自由表面，且在名称

下已知。

或者，光学组件的每个第一和/或第二折射表面可以是圆对称的，确切地说，为球面部分，或为锥形表面的一部分。

优选地，光学组件的第一折射表面和每个第二折射表面可具有位于组件的相同侧上的相应曲率中心。举例来说，当相应曲率中心在组件的第一折射表面的侧部上时，此第一折射表面针对入射在此第一折射表面上的辐射光束具有发散透镜效应，且每个第二折射表面具有会聚透镜效应。此外，第一折射表面和每个第二折射表面的相应曲率值可选择为使得组件在其每个光学路径中产生会聚透镜效应。

因为光学组件是单片式的，所以其在多路径光学仪器内的组装可快速且简单。确切地说，可通过第二折射表面中的一个或多个的形状的特定调整来实现对于所涉及光学路径为相同的聚焦。以此方式，可降低光学仪器的单价。

此外，光学组件可具有减小的尺寸，确切地说小厚度，使得其可具有较低发热容量。因此，其可容易地冷却，以供(尤其)在热红外范围内敏感的检测仪器中使用。

最后，本发明仪器中使用的光学组件可通过菱形机械加工方法、通过模制或通过光刻基于其材料和其折射表面的形状来制造。

在本发明的各种实施例中，可单独地或以若干个的组合的形式使用以下额外特征中的至少一个：

-光学组件的每个第二折射表面的光轴可平行于其第一折射表面的光轴；

-第二折射表面的相应光轴相对于第一折射表面的光轴对称偏移的光学组件的两个光学路径可具有相等的光功率且具有棱镜偏转功率，两个光学路径的棱镜偏转功率的绝对值相等但相对于第一折射表面的光轴对称地定向；

-光学组件的第二折射表面可并置于组件的第二面中以形成2×2、2×3、3×3、3×4或4×4矩阵；

-形成光学组件的材料可以是有机的，确切地说，基于聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、环烯烃共聚物、聚乙烯亚胺、聚醚、聚酰胺-12，或基于熔融二氧化硅，此时所使用辐射包括波长介于0.36μm(微米)和2μm之间的光谱分量；

-形成光学组件的材料可以是碱卤，也被称为“碱金属化物”，例如溴化钾，此时所使用辐射包括波长介于0.36μm和14μm之间的光谱分量；

-形成光学组件的材料可基于例如锗、硅、硫化锌、硒化锌、砷化镓等非铁材料，或为基于硫族化物的玻璃，乃至基于聚乙烯，此时所使用辐射包含波长介于0.36μm和14μm之间的光谱分量；

-光学组件的第一折射表面的曲率半径的绝对值可介于30mm(毫米)和600mm之间，且组件的每个第二折射表面的曲率半径的绝对值可介于5mm和300mm之间；

-其中，第二折射表面的光轴相对于第一折射表面的光轴偏移的光学组件的每个光学路径的棱镜偏转功率的绝对值可介于1°和40°之间；

-光学组件的每个第二折射表面的面积介于7mm²和900mm²之间；以及

-光学组件可进一步包括至少一个光谱滤波器，其被布置成用于对由其中一个光学路径传输的光线进行滤波。有利的是，此光谱滤波器可放置在所涉及光学路径的第二折射表面上。优选地，第二折射表面中的至少两个可承载各自的光谱滤波器，每个第二折射表面一个滤波器，其中，这些滤波器具有在这些第二折射表面中的两个之间不同的光谱滤波特征。

确切地说，来自本发明的仪器可形成多光谱图像捕获单元，或光谱仪的一部分，或三维成像系统的一部分。

有利的是，物镜和检测模块能够以可移除方式彼此耦合，使得物镜可被另一个替代，以(尤其)改变仪器的总焦距。

当仪器将位于仪器的视场中的单个对象的若干图像形成到矩阵光电检测器上时，源自此对象的一个点的辐射可具有波阵面，所述波阵面在光学组件的第一面和第二面中的朝向物镜转动的面附近弯曲。

所述仪器可进一步包括角场限制器，其被布置成用于根据通过光学组件的光线相对于第一折射表面的光轴的倾斜对光线进行滤波，使得入射在光学组件上的光线的倾斜选择性地小于由角场限制器设定的倾斜阈值。替代地或以组合方式，所述仪器可包括至少一组分隔壁，其布置于光学组件和矩阵光电检测器之间以隔离由不同光学路径传输的辐射。

对于一些应用同样有利的是，可另外在仪器中使用具有开口的掩模，其中，此掩模在每个光学路径具有一个开口以限制此光学路径的横向区段，和/或掩蔽光学组件的不可用于仪器的成像功能的区域，和/或消除由尚未通过光学组件的有用区域的辐射形成的寄生图像，和/或设定仪器的光学路径的相应光瞳。光学组件的有用区域应理解成表示第二折射表面，排除可在光学组件的第二面中在此第二面中相邻的第二折射表面之间存在的分隔区域。这些分隔区域因此是仪器的成像功能的不可用区域，且同样可在光学组件的第二面中在所述组第二折射表面周围存在周边区域。当光学组件位于物镜的出瞳中时，此掩模的每个开口具有针对所涉及光学路径的开口隔膜功能。

对于本发明仪器的一些应用，除矩阵光电检测器的相应部分和光学组件的相应路径之外，其每个光学路径中还可包括至少一个滤波器。此滤波器可确定仪器的所涉及光学路径的光谱传输带，其不同于仪器的其它光学路径中的至少一个的光谱传输带。接着，在此情况下，与其相应光学路径中的不同滤波器相关联的第二折射表面中的两个可具有不同的曲率，以补偿纵向色差，纵向色差在各自由两个滤波器中的一个单独传输的两个辐射波长之间是有效的。

再次根据本发明的应用，本发明仪器可进一步包括低温恒温器和冷却机器的组合。在低温恒温器内部，矩阵光电检测器布置于通常称为冷台(cold table)或冷凝管(coldfinger)的支撑件上，所述支撑件热耦合到冷却机器。此外，单片式多路径光学组件可由称为冷屏蔽物(cold screen)的屏蔽物侧向环绕，所述屏蔽物同样与矩阵光电检测器的支撑件热接触。此冷屏蔽物可充当组件和/或所使用的每个滤波器和/或掩模和/或分隔壁的安装支撑件，其还可形成角场限制器。

本发明的其它细节和优点将在参考附图提供的非限制性实施例实例的以下描述中呈现，附图中：

图1a和图1b是从可以在根据本发明的仪器中使用的光学组件的两个相对侧的两个透视图；

图2是可以在根据本发明的仪器中使用的另一光学组件的平面图；

图3a和图3b是符合本发明且各自并入有符合图2的光学组件的两个仪器的横截面视图；以及

图4是图3a和图3b的仪器的一部分的详细截面视图。

为了清晰起见，这些图中表示的元件的尺寸不对应于实际尺寸或实际尺寸比率。此外，不同图中指示的相同参考表示相同或具有相同功能的元件。

参考图1a和图1b，用于本发明的光学组件1可由锗制成，以对于波长介于2μm和14μm之间的电磁辐射是透明的。组件1具有两个相对面，其可由周边肋部2连接。为了说明，来自图1a和图1b的组件1具有正方形周边。图1a上直接可见的组件1的第一面由折射表面S₁形成，所述折射表面可例如为球面或非球面的。A₁表示折射表面S₁的光轴。图1b上直接可见的组件1的第二面可由四个折射表面S₂形成，所述四个折射表面并置于2×2矩阵中且可各自为球面或非球面的，再次作为一实例。A₂表示每个折射表面S₂的相应光轴。每个光轴A₂可平行于光轴A₁，且相对光轴A₁侧向偏移。当表面S₁和S₂中的每一个也是球面部分(球面中心位于相应光轴A₁或A₂上)时，每个折射表面S₂具有中平面，所述中平面不平行于与通过此表面S₂的辐射光束相同的辐射光束所通过的折射表面S₁的部分的中平面。出于此原因，每个折射表面S₂和折射表面S₁的相应部分一起产生通过其中的辐射光束的棱镜偏转功率。因此，此棱镜偏转功率是由不同的两个折射表面的平均倾斜产生。对于所展示的组件1，折射表面S₁为凹形且大体上球面，且每个折射表面S₂为凸形且大体上球面。因而，由折射表面S₂中的一个与折射表面S₁的相应部分形成的每个光学路径的棱镜偏转具有使平行于折射表面S₂的光轴A₂入射的平面波束的平均传播方向与此光轴分离的效应。

如果对于图1a和图1b的组件1，折射表面S₁和折射表面S₂中的一个具有相同曲率，则辐射光束的会聚或发散在辐射光束通过这两个表面时不变。相反，如果折射表面S₁和折射表面S₂具有不同曲率，则辐射光束的会聚或发散在辐射光束通过两个表面时改变。换句话说，由这两个折射表面形成的光学路径具有非零光功率值。确切地说，当相应折射表面S₂的曲率半径小于折射表面S₁的曲率半径时，组件1的每个光学路径的光功率为正，对应于会聚透镜效应，这些曲率半径是按绝对值考虑的。

在图2中展示的组件1的实施方案变型具有圆形的肋部2，与直线边缘段B分开。折射表面S₁和S₂各自具有圆形的周边限制。此外，折射表面S₂相对于折射表面S₁具有沿着x和y方向的不同位置：沿着y方向邻近的两个折射表面S₂相切，且沿着x方向邻近的两个折射表面S₂分离，且所有折射表面S₂相对于光轴A₁对称地分布。

作为实例，可使用以下尺寸：

-平行于x-y平面的肋部2的外半径R₀：约8.4mm；

-平行于x-y平面的折射表面S₁的周边限制的半径R₁：约6.75mm；

-平行于x-y平面的每个折射表面S₂的周边限制的半径R₂：约2.5mm；

-沿着x方向邻近的两个折射表面S₂的光轴A₂之间的距离D：约6.25mm；

-沿着y方向邻近的两个折射表面S₂的光轴A₂之间的距离∶约5.0mm；

-假定为近似球面和凹形的折射表面S₁的曲率半径：约160mm；

-假定为近似球面和凸形的每个折射表面S₂的曲率半径：约83mm；

-平行于光轴A₁在折射表面S₁的周边和每个折射表面S₂的中心之间测得的组件1的厚度：约0.50mm；以及

-直缘段B和光轴A₁之间的距离W：约5.95mm。

从这些尺寸开始，本领域技术人员知晓如何通过近似值计算或通过光线追踪方法确定组件1的每个光学路径的棱镜偏转功率和光功率的值。这些值对于上文指示的特定尺寸为非零的。

根据图3a，光学仪器100包括检测模块10和物镜20，其以未展示的方式例如借助于安装环或任何其它连接装置彼此组装在一起。

物镜20可以是具有39.5mm的焦距的逆焦式宽视场模型，如图3a中所展示。然而，物镜20可与其它模型互换，比如具有158mm的焦距的窄视场再成像型物镜20'，如图3b中所展示。本领域技术人员能够确定图3a中展示的物镜20的透镜21、22和23或图3b中展示的物镜20'的透镜21'-26'的数值数据，且对于既定与检测模块10交替使用的任何其它物镜模型的透镜，情况是类似的。E₂₀标示物镜20或20'的光学入口。

图3a和图3b中展示的检测模块10沿着由物镜20或20'传输的辐射的传播方向依次包括：窗11、宽带光谱滤波器12、图2的光学组件1、窄带光谱滤波器13a、13b等，以及矩阵光电检测器14。检测模块10和每个物镜20或20'被设计成使得，当它们组装在一起使得仪器100可操作时，光学组件1位于物镜20或20'的出瞳中。此外，物镜20的透镜21-23或物镜20'的透镜21'-26'具有相应光轴，所述相应光轴与光学组件1的折射表面S₁的光轴A₁重合，且该轴优选地通过矩阵光电检测器14的感光表面的几何中心。

在检测模块10内，光学组件1可定位成使得其折射表面S₁朝向物镜20或20'转动，且折射表面S₂确定仪器100的光学路径。物镜20的透镜21-23或物镜20'的透镜21'-26'、窗11、宽带光谱滤波器12和矩阵光电检测器14对于四个光学路径是共同的。矩阵光电检测器14的感光表面垂直于光轴A₁，且位于光学组件1后方约21.5mm处，使得矩阵光电检测器14的感光表面的部分14a专用于光学路径1a，且其感光表面的与部分14a不相交的另一部分14b专用于光学路径1b。仍属于矩阵光电检测器14的感光表面的互不相交且与部分14a和14b不相交的两个其它部分专用于两个其它光学路径(未图示)。滤波器13a选择性地布置在光学路径1a上，且滤波器13b在光学路径1b上，且所述两个其它光学路径具有两个其它窄带光谱滤波器(未图示)，每个光学路径一个。窄带光谱滤波器13a、13b等可有利地以2×2矩阵组装在容易安装于检测模块10中的单个刚性组件内。确切地说，滤波器13a、13b等可单独地固持在共享支架中，或使用粘合剂对接接合以形成整体板，或通过光刻和薄层沉积制造于充当这些滤波器的共同衬底的板上。举例来说，每个光谱滤波器13a、13b等可具有约0.5mm的厚度。但在取决于仪器100的应用可能更合适的替代实施例中，每个光谱滤波器13a、13b等可通过被其折射表面S₂中的一个承载而固定到组件1。

以此方式，四个光学路径1a、1b等在矩阵光电检测器14的感光表面的相应部分14a、14b等上同时形成仪器100的视场内的单个内容的图像。一起形成具有四个光谱分量(每个光学路径一个)的多光谱图像的这些图像在矩阵光电检测器14的单个操作序列期间同时捕获。由于光学组件1的使用，四个图像同时清晰。在参考图2列举的数值的情况下，当使用具有39.5mm焦距的逆焦式宽视场物镜20时，仪器100具有25mm的总焦距，且当使用具有158mm焦距的再成像型窄视场物镜20'时，总焦距为100mm。窗11的前面和矩阵光电检测器14的感光表面之间的距离为约26.37mm。光学组件1的折射表面S₂的形状可在不同光学路径之间根据此光学路径的滤波器13a、13b等的窄光谱带以不同方式调整。确切地说，此额外调整可以辐射波长补偿透镜21-23或21'-26'和组件1的材料的折射率的值的变化。图3a和图3b各自进一步展示平面波辐射光束，其通过光学入口E₂₀进入到仪器100中且同时聚焦在光电检测器14的部分14a、14b等上。

仪器(比如100)可设计成用于在可见光谱域、以首字母缩写NIR已知的近红外光谱或短波红外(SWIR)域中的一个中操作。在这些情况下，可能不需要提供针对检测模块10的冷却。

或者，仪器100可设计成在由中波红外线(MWIR)或长波红外线(LWIR)指定的光谱域中的一个中操作。在这些其它情况中，可能必须提供用于检测模块10的冷却系统。图4展示既定被冷却的此检测模块10的可能配置。矩阵光电检测器14例如通过粘合剂固定到支撑件16(通常以本领域技术人员的术语称为冷台或冷凝管)上，以在光电检测器14和支撑件16之间产生良好的热接触。支撑件16是由导热材料制成且耦合到冷却机器(未图示)。侧壁17环绕检测模块10的光学部分，即，组件1、单独地专用于每个光学路径1a、1b等的光谱滤波器(确切地说，滤波器13a、13b等)，以及模块10的例如光学路径之间的隔膜、掩模、分隔壁等其它任选组件。侧壁17的后端与冷台16热接触以与冷台16同时冷却。出于此原因，侧壁17通常称为冷屏蔽物。此外，刚刚描述的既定被冷却的组合件可包含在构成低温恒温器的空罩壳中。低温恒温器的侧壁18不与刚刚描述的既定被冷却的部分热接触，且通过窗11紧密密封在物镜20的侧部上。窗11由对于仪器100的操作光谱域为透明的材料制成。

为了减小可能使由光学路径1a、1b等形成于光电检测器14上的图像的质量降级的寄生辐射和/或寄生图像，检测模块10可进一步包括以下辅助元件中的至少一个：

-角场限制器15，其可沿着仪器100中的辐射的传播方向刚好放置在光学组件1的上游。此角场限制器可具有与光轴A₁同轴的管段或锥形筒管的形状。其可以由冷屏蔽物17的从光学组件1向上游的延伸部形成；

-具有开口的掩模15'，其例如在光学组件1和窄带光谱滤波器13a、13b等之间，用于遮挡光学组件1的在两个邻近折射表面S₂的中间的部分以及可能地肋部2的暴露部分。掩模15'可具有针对每个光学路径1a、1b等的不同开口，其与专用于每个其它光学路径的开口分开。在光学组件1位于物镜20或20'的出瞳中的条件下，且当具有开口的掩模15'在光学组件1附近时，其开口中的每一个确定用于仪器100的相应光学路径的光瞳；以及

-分隔壁19的矩阵，其中，每个壁19纵向布置在光学组件1和矩阵光电检测器14之间，或一端上的窄带光谱滤波器13a、13b等和另一端上的光电检测器14之间，在沿着光学组件1的第二折射表面S₂的矩阵的方向中的任一个邻近的两个光学路径1a、1b等之间存在一个分隔壁。

应了解，本发明可通过相对于上文详细描述的实施例调整其次级特征来再现。确切地说，折射表面S₂的数目和给定的所有数值仅出于说明的目的而示出。

最后，除比如刚刚参考图3a、图3b和图4描述的多光谱图像捕获单元外的其它光学仪器可再现本发明。确切地说，此不同仪器可尤其在多路径光谱仪中使用。举例来说，例如由符合本发明的光学组件1确定的光谱仪的每个光学路径可专用于相应光谱间隔以从此光谱间隔朝向适合于所述间隔的衍射网导引辐射。

本发明还可用于三维成像系统。此系统可具有类似于来自图3a或图3b的仪器100的结构的结构，三维成像的操作不需要窄带光谱滤波器13a、13b等。此外，所述仪器针对位于物镜前方有限分隔距离间隔内的待成像场景要素而聚焦。所有光学路径接着同时收集来自仪器的入口光场中所含的单个场景要素的光线。但对于仪器的不同光学路径有效的光瞳彼此横向地偏移。出于此原因，由光学路径分别形成的来自同一场景要素的图像各自位于光电检测器的感光表面的对应于相关光学路径的部分内，在感光表面的此部分的取决于场景要素的距离的区域中。通过比较由所有光学路径形成的这些要素的相应位置，有可能获得场景要素相对于仪器的分隔距离的估计值。符合本发明的仪器因此允许的三维成像功能是立体图像获取类型。

Claims (11)

1.具有多个光学路径的仪器(100)，其具有由所述光学路径共享的视场，其中，所述光学路径平行地布置，每个光学路径在由所述光学路径共享的仪器的光学入口(E₂₀)和同样由所述光学路径共享的矩阵光电检测器(14)之间，其中，所述矩阵光电检测器的一部分(14a、14b、…)专用于与任何其它光学路径分开的每个光学路径，其中，

所述仪器(100)包括多路径单片式的光学组件(1)，光学组件由材料为对所使用辐射透明的部分组成，所述部分包含在组件的两个面之间，每个面朝向与另一面相对的一侧转动，使得入射在所述两个面中的一个上的辐射通过在两侧之间的部分且经由另一面退出，

组件(1)的两个面中的第一面由具有光轴(A₁)的第一折射表面(S₁)形成，

组件(1)的另一面被称作第二面，第二面包括在所述第二面中并置而不重叠的若干第二折射表面(S₂)，每个第二折射表面具有与每个其它第二折射表面分开的另一光轴(A₂)，其中，所述第二折射表面中的至少一个的光轴相对于所述第一折射表面(S₁)的光轴(A₁)偏移，

所述第二折射表面(S₂)分布在组件(1)的第二面中使得通过所述第一折射表面(S₁)的光线经由所述第二折射表面中的至多一个从组件退出，每个第二折射表面因此与所述第一折射表面的相应部分形成与每个其它第二折射表面分开的用于传输的光学路径，

组件(1)的第一折射表面(S₁)和每个第二折射表面(S₂)的相应曲率值在所述第一折射表面和第二折射表面中的每一个的至少一个相应点处为非零的，使得所述第一折射表面和第二折射表面中的每一个单独地修改通过所述第一折射表面或第二折射表面的辐射光束在对应于非零曲率的点处的会聚，

所述第二折射表面(S₂)的光轴(A₂)相对于所述第一折射表面(S₁)的光轴(A₁)偏移的光学组件(1)的每个光学路径产生非零棱镜偏转功率，所述非零棱镜偏转功率对于由所述光学路径在组件的两侧之间传输的辐射光束同样有效，且在组件的至少两个光学路径之间，所述棱镜偏转功率的值和定向中的至少一个是不同的，

多路径单片式的光学组件(1)被布置成使得所述组件的每个光学传输路径专用于所述仪器(100)的其中一个光学路径，

所述仪器(100)进一步包括物镜(20)和具有多个光学路径(1a、1b、…)的检测模块(10)，所述物镜包括由所述检测模块的所有光学路径共享的至少一个透镜(21-23)，所述检测模块包括所述光学组件(1)和所述矩阵光电检测器(14)，且耦合到所述物镜使得所述光学组件位于所述物镜的出瞳中，且使得所述仪器的视场中所含的场景针对每个光学路径经由所述光学组件的物镜成像到所述矩阵光电检测器上。

2.根据权利要求1所述的仪器(100)，其特征在于，单片式的光学组件(1)的第一折射表面(S₁)和每个第二折射表面(S₂)的相应曲率值使得所述组件针对每个光学路径分别具有非零光功率，所述非零光功率对于由所述光学路径在组件的两侧之间传输的辐射光束是有效的。

3.根据权利要求1或2所述的仪器(100)，其特征在于，单片式的光学组件(1)的第一折射表面(S₁)和第二折射表面(S₂)中的至少一个具有自由表面类型，即，无任何旋转对称轴且无任何对称中心。

4.根据前述权利要求中任一项所述的仪器(100)，其特征在于，所述第二折射表面(S₂)的相应光轴(A₂)相对于所述第一折射表面(S₁)的光轴(A₁)对称偏移的光学组件(1)的其中两个光学路径具有相等的光功率且具有棱镜偏转功率，两个光学路径的棱镜偏转功率的绝对值相等但相对于所述第一折射表面的所述光轴对称地定向。

5.根据前述权利要求中任一项所述的仪器(100)，其特征在于，单片式的光学组件(1)的第二折射表面(S₂)并置于所述组件的第二面中以形成2×2、2×3、3×3、3×4或4×4矩阵。

6.根据前述权利要求中任一项所述的仪器(100)，其进一步包括以下元件中的至少一个：

-角场限制器(15)，其被布置成用于根据通过单片式的光学组件(1)的光线相对于所述组件的第一折射表面(S₁)的光轴(A₁)的倾斜对所述光线进行滤波，使得入射在所述光学组件上的光线的倾斜选择性地小于由所述角场限制器设定的倾斜阈值；

-至少一组分隔壁(19)，其布置于单片式的光学组件(1)和所述矩阵光电检测器(14)之间以隔离由不同光学路径(1a、1b、…)传输的辐射；以及

-具有开口的掩模(15')，所述掩模在每个光学路径(1a、1b、…)具有一个开口以限制所述光学路径的横向区段，和/或掩蔽单片式的光学组件(1)的不可用于所述仪器(100)的成像功能的区域，和/或消除由尚未通过单片式的光学组件的有用区域的辐射形成的寄生图像，和/或设定所述仪器的光学路径的相应光瞳。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的仪器(100)，其特征在于，单片式的光学组件(1)的第二折射表面(S₂)中的至少两个承载各自的光谱滤波器，每个第二折射表面一个滤波器，这些滤波器具有在所述第二折射表面中的两个之间不同的光谱滤波特征。

8.根据权利要求1到6中任一项所述的仪器(100)，其特征在于，除所述矩阵光电检测器(14)的相应部分(14a、14b、…)和单片式的光学组件(1)的相应路径之外，所述仪器的每个光学路径还包括至少一个滤波器(13a、13b、…)，所述滤波器确定所述仪器的光学路径的光谱传输带，所述光谱传输带不同于所述仪器的其它光学路径中的至少一个的光谱传输带。

9.根据权利要求8所述的仪器(100)，其特征在于，与相应光学路径中的不同滤波器(13a、13b、…)相关联的第二折射表面(S₂)中的两个具有不同曲率以补偿纵向色差，纵向色差在各自由所述滤波器中的一个单独传输的两个辐射波长之间是有效的。

10.根据前述权利要求中任一项所述的仪器(100)，其进一步包括低温恒温器和冷却机器的组合，且其中，在所述低温恒温器内部，所述矩阵光电检测器(14)布置于热耦合到所述冷却机器的支撑件(16)上，且其中，多路径单片式的光学组件(1)由同样与所述矩阵光电检测器的支撑件热接触的屏蔽物(17)侧向环绕。

11.根据前述权利要求中任一项所述的仪器(100)，其形成多光谱图像捕获单元，或光谱仪的一部分，或三维成像系统的一部分。

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