CN113939750A - 具有滤光元件的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学系统，该光学系统具有：具有第一开口直径(D1)的入射光瞳(9)、出射光瞳(10)、以及反射式或透射式滤光元件(6)，该滤光元件与入射光瞳(9)间隔开并且被设计和布置成使得穿过入射光瞳(9)并从该入射光瞳发散地传播的光束以第二直径(D2)照射在滤光元件(6)上，第二直径(D2)对应于第一开口直径(D1)的n倍并且n是大于一的数字，结果是，与入射光瞳(9)相比，滤光元件(6)的每个点处的局部角谱小n倍，滤光元件(6)在每个点处选择性地仅将预定光谱范围反射或透射到出射光瞳(10)，并且其中，设置了光学成像单元(3)，该光学成像单元包括滤光元件(6)并且将入射光瞳(9)成像在出射光瞳(10)上。

Description

具有滤光元件的光学系统

技术领域

本发明涉及一种包括滤光元件的光学系统，该滤光元件特别适合作为窄带宽光谱滤光片以用于具有大光学扩展量的相机系统。

背景技术

举例而言，这种相机系统可以用于用主动照射来测量在车辆的周围环境中的物体的距离。

在这种情况下可以使用所谓的飞行时间技术，其中光源在其亮度方面在10-40MHz的范围中进行调制，并且由物体反射的光的相位角与调制相位相关地进行评估。该方法可以以点扫描方式和使用空间分辨相机两者来实施，其中每个单独的像素实现了这种相位评估。如果环境光强度太高，则难以使用该方法。目前，对应的相机传感器具有电子DC光抑制和带宽近似为50nm的二向色检测滤光片，这种相机传感器达到近似40m的有效范围。然而，对于自主驾驶汽车而言，需要在100m到200m左右的范围。该方法的另一缺点在于：由于与其他汽车的系统的交互作用，容易出错。

进一步，使用点投影和相机(三角测量)进行距离测量的实践是已知的，其中在相位元件的帮助下转换准直激光束，使得它将具有近似100×100个点的非对称2D点图案发射到要检测的像场。然后，这些点在图像中的绝对位置可以在相机传感器上进行评估，该相机传感器的光瞳是在距点照射光瞳的一定距离处。如果基线长度(照射光瞳与检测光瞳之间的距离)是已知的，则可以以这种方式针对每个点对被照射物体处的距离进行三角测量。该方法的一个优点是：从技术角度来看，它实现起来简单。而且，不必主动照亮整个像场，而是将照射强度仅分配给相对较少的点。这可以明显降低总功耗。然而，有效环境光抑制并且因此有效范围往往小于飞行时间技术的情况，因为时间信号滤波不是那么有效，并且最大可能的照射强度受到光极限的限制，因此这对于这两种方法而言非常相似。该方法已经被用作游戏控制台和蜂窝电话的标准，用于测量附近区域(几米)。该系统在汽车上使用时需要配备有两个相机，以便防止行驶中被其他这种系统干扰。在这种情况下，评估这些点在两个相机图像中彼此的相对位置。因此，该方法与源光瞳的坐标无关，并且还可以评估由其他汽车或道路使用者投射的图片元素。

然而，对于这些系统而言，主要困难是对环境光的抑制太少。必须进行更好的光谱滤光。然而，由于高的检测光学扩展量，这对于检测而言可能并不容易。

举例而言，如果旨在对带宽为1nm的900nm源进行滤光，则在垂直入射的情况下入射角必须位于±2.7°的范围内。

如果尝试用在光瞳平面中具有这种滤光片的物镜对相机进行改装，则像场被降低到近似5°，或针对40°的典型像场获得了50nm的滤光宽度，这对应于现有技术。

如果使滤光片靠近传感器平面，则角度范围对应于1/10.6的最大f数。此应用所寻求的典型f值在典型蜂窝电话物镜的范围内，约为1/1.5......1/2.4。

正是由于这些原因，在f值近似为1/1.5和像场为40-100°的相机系统中，没有可以实现1nm宽光谱滤光的位置。

发明内容

以此为出发点，本发明的目的是提供一种光学系统，该光学系统可以用于实现具有高光学扩展量的非常窄带宽的滤光。

在权利要求1中限定了本发明。在从属权利要求中详细说明了有利的发展。

特别地，数字n可以是大于2、大于5、大于10、大于20、大于30以及优选地小于1000或小于100的数字。

反射式或透射式滤光元件可以具有一件式或多件式的实施方式。如果反射式或透射式滤光元件具有多件式的实施方式，则多个零件可以布置在一个光学臂中或布置在例如两个光学臂中。如果它们布置在两个光学臂中，则滤光元件的至少一个反射式或透射式部分优选地布置在每个光学臂中。可以借助于偏振分裂和/或强度分裂来产生两个臂。为此，例如可以设置相应的分裂器板或相应的分裂器立方体。

如果反射式或透射式滤光元件包括多个零件，则各个零件可以通过气隙彼此间隔开。进一步，反射式滤光元件可以包括阶梯镜。举例而言，透射式滤光元件可以包括透射式法布里-珀罗(Fabry-Perot)元件。

反射式或透射式滤光元件可以包括平面反射侧或表面。进一步，反射式或透射式滤光元件可以具有弯曲的反射侧或表面。

光学成像单元可以被设计为使得在反射式或透射式滤光元件上实现中间成像或生成真实的中间图像。可以在入射光瞳与滤光元件之间或在滤光元件与出射光瞳之间生成真实的中间图像。优选地，中间图像到滤光元件比到入射光瞳或出射光瞳更近。例如，中间图像与滤光元件之间的距离可以小于在滤光元件与入射光瞳(如果在入射光瞳与滤光元件之间生成中间图像)或出射光瞳(如果在滤光元件与出射光瞳之间生成中间图像)之间距离的50％、40％、30％、20％、10％或5％。

光学成像单元可以仅包括该滤光元件作为成像元件。光学成像单元可以包括可能设置的偏转镜，由于这些偏转镜优选地具有平面实施方式，因此这些偏转镜仅引起偏转。虽然这种偏转镜不具有成像效果，这种光学成像单元在这种情况下仍被理解为光学成像单元，该光学成像单元(除了可能设置的偏转镜之外)仅包括滤光元件。

替代性地，这种光学成像单元可以包括至少一个另外的成像元件(例如，透镜、曲面镜、成像光栅)。

光学系统可以被设计为使得该入射光瞳与出射光瞳部分或完全地重叠。举例而言，完全的重叠可能需要借助于强度或偏振分裂。为此，例如可以设置相应的分裂器板或相应的分裂器立方体。

光学系统可以被设计为使得反射式滤光元件被设计为回射器并且因此将从入射光瞳发散地传播的光束反射回自身。然而，在入射在反射式滤光元件上的光束与由反射式滤光元件反射的光束之间也可能存在一定的角度。该角度优选地小于20°、15°、10°或5°。

光学成像单元可以被设计为使得它实现均匀化。特别地，可以在场中和/或在孔径中产生均匀化。

举例而言，根据本发明的光学系统可以是相机、光谱仪或可切换光源的形式。为此，根据本发明的光学系统可以包括本领域技术人员已知的其他元件，用于实现相机、光谱仪或可切换光源的相应功能。

例如，根据本发明的光学系统可以被设计为使得在例如至少30°、40°或50°的像场的情况下或在从30°到120°范围的像场的情况下针对预定波长(例如，来自VIS或NIR范围)存在1nm或更小的滤光宽度。

根据本发明的具有滤光元件的光学系统的基本原理可以如下所概述地表示。

例如，由介电层组成的常规光谱滤光片在其光谱分辨率方面基本取决于，首先，其层设计，其次，在具有特定角谱的光学布置中的使用。这两个设计要素都是独立的并限制了光谱分辨率，并且因此，滤光片只有在包括具有许多非常精确烧蚀的层的合适层设计、并且其次被适当地集成在光学系统中时才具有非常窄的带宽配置。

特别地，本发明涉及一种根据本发明的滤光元件的新颖设计，结合了集成在光学系统的光学结构中，使得可以低于光谱分辨率极限(下文称为常规分辨率极限)，在光学系统中具有常规布置的常规滤光元件的情况下，即使具有常规滤光元件的完美层设计，也不能够低于所述光谱分辨率极限。

为了推导出此常规分辨率极限，在下文做出假设：没有侧向构造的轴向构造滤光元件被光线以入射角α穿过。在这种情况下，轴向构造滤光元件被理解为特别是指在与其垂直地入射的光线方向上构造的滤光元件(如预期使用的)。

常规滤光元件的层数和具体的层间距与以下推导无关。由于该系统的对称性，常规滤光元件仅看到光波在其光栅矢量上的投影。具体来说，它仅看到复合变量G＝λ/cos(α)。因此，作为结果，原则上，仅轴向构造的常规滤光元件不能区分入射角α的余弦的变化和波长久的变化。因此，与层设计的质量无关，常规滤光元件不能实现针对宽入射角谱的非常窄的带宽滤光。例如，针对具有垂直入射的光线同时针对角度为20°的边缘光线，围绕0°平均入射角的例如±20°的入射角谱产生了针对800nm(G(0°)＝800nm)设计波长的完全透射，

G(0°)·cos(20°)＝752nm

规定了透射的位置。因此，针对此角谱，可以实现宽度仅近似为50nm的滤光。因此，现有技术规定了针对窄带边缘或带通滤光片的最大入射角，在应用过程中不得超过该最大入射角。

在现有技术中，滤光片是用入射光瞳中的近似平面层来实现的。针对小于20°的小角度α，余弦函数可以进行级数展开。

根据本发明，滤光元件被布置在入射光瞳的外部并且可以特别包括球面滤光层，这些球面滤光层的曲率中心在各自情况下位于光学定义的入射光瞳中。为此，滤光元件可以被配置为在入射光瞳上游的透射式元件(如图16所示)或在入射光瞳下游的回射式元件(如图1和图2所示)。此布置确保了所有穿过入射光瞳中心的物体主光线以正好垂直的方式被滤光层透射或入射在该滤光层上。然而，延伸通过光瞳场边缘的物体光线以一定角度穿过滤光层，并且因此将限制滤光元件的窄带宽特性。由于将光学扩展量维持在间隔开的滤光平面中，因此角谱Δα_Filter比光学入射光瞳中小正好n倍。由于对于小角度而言，余弦函数与角度的平方成比例，因此在新的间隔开的滤光片位置可以实现比光学入射光瞳附近窄n²倍的滤光。所图示的相关性可以被理解为远场近似，因此它适用于大于近似为2的倍数n。特别优选使用从2到20范围的倍数，因为这些倍数可以实现4......400倍的光谱分辨率增加。然而，针对极窄带光谱应用，n值也可以达到100及更高。

在根据本发明的光学系统中，滤光元件可以包括弯曲的滤光层。特别地，这些滤光层可以具有球面曲率。优选地，这些球面弯曲滤光层的曲率中心重合。特别优选地，这些球面弯曲滤光层的曲率中心到入射光瞳比到滤光元件更近(例如，相应曲率中心距入射光瞳的距离可以小于滤光层与入射光瞳之间距离的50％、40％、30％、20％、10％、5％、4％、3％、2％或1％)，并且这些球面弯曲滤光层的曲率中心尤其位于入射光瞳中。

特别地，滤光层在从入射光瞳到滤光元件的方向上相继布置。因此，滤光元件也可以说是在从入射光瞳到滤光元件的方向上被构造，或者滤光元件可以被称为轴向构造的滤光元件。

举例而言，滤光层可以是介电层、体积全息图的布拉格平面和/或反射层与透明间隔层。如果滤光层是体积全息图的布拉格平面，则该体积全息图的基材可以包括几乎任何几何形状，因为该体积全息图的布拉格平面对于光学效果而言很重要。

应理解，在不背离本发明的范围的情况下，上文指定的特征和下文将要解释的特征不仅可以以指定的组合使用，而且也可以以其他组合或单独使用。

附图说明

下文将基于示例性实施例并参考附图更详细地解释本发明，这些附图同样披露了对本发明必不可少的特征。这些示例性实施例仅是说明性的，不应被解释为限制性的。例如，对具有多个元件或部件的示例性实施例的描述不应被解释为是指所有这些元件或部件对于实现来说都是必要的。代替地，其他示例性实施例也可以包含替代的元件和部件、更少的元件或部件、或附加的元件或部件。除非另有说明，否则不同示例性实施例的元件或部件可以相互组合。针对示例性实施例之一描述的修改和变化也可以适用于其他示例性实施例。为避免重复，不同图中的相同元件或对应元件用相同的附图标记表示，不再重复说明。在附图中：

图1示出了根据本发明的光学系统的第一示例性实施例；

图2示出了根据本发明的光学系统的另一示例性实施例；

图3示出了根据本发明的光学系统的另一示例性实施例；

图4示出了根据本发明的光学系统的另一示例性实施例；

图5示出了根据本发明的光学系统的另一示例性实施例；

图6示出了根据本发明的光学系统的另一示例性实施例；

图7示出了根据本发明的光学系统的另一示例性实施例；

图8示出了根据本发明的光学系统的另一示例性实施例；

图9是图8中入射光瞳和出射光瞳的布置的平面视图；

图10示出了根据本发明的光学系统的另一示例性实施例；

图11示出了根据本发明的光学系统的另一示例性实施例；

图12示出了根据本发明的光学系统的另一示例性实施例；

图13示出了根据本发明的光学系统的另一示例性实施例；

图14示出了根据本发明的光学系统的另一示例性实施例；

图15示出了根据本发明的光学系统的另一示例性实施例，以及

图16示出了根据本发明的光学系统的另一示例性实施例。

具体实施方式

在图1所示的示例性实施例中，根据本发明的光学系统1包括相机2。

相机2包括相机光学单元8和传感器4(或检测器4)，其中相机光学单元8与光学系统1的光学成像单元3一起将物体G成像到传感器4上。

光学成像单元3包括第一部分光学单元5、反射式滤光元件6和偏转镜7。第二部分光学单元8也可以是光学成像单元3的一部分。

第一部分光学单元5用作具有第一直径D1的入射光阑或入射光瞳9。如图1示意性所示，40°的像场的光线穿过入射光瞳9，并且然后从该入射光瞳朝向滤光元件6的方向发散地传播。滤光元件6被布置和设计为使得来自40°的像场的光线照亮滤光元件6上具有第二直径D2的区域，所述第二直径对应于第一直径D1的n倍。在这里所假设的40°的像场的情况下以及在滤光元件6的±2°的接受角的情况下，n近似为10。因此，第二直径D2是第一直径D1的10倍。

如图1所示，滤光元件6可以具有弯曲形式。特别地，滤光元件例如可以是球面弯曲的，其中曲率半径可以对应于距第一部分光学单元5的距离。然而，滤光元件6也可以具有平面实施方式或任何弯曲形状。

滤光元件6实现了入射光瞳9在出射光瞳10上的光瞳成像，并且同时实现了窄光谱滤光。

由于维持了光学扩展量(＝立体角×截面)，与入射光瞳9相比，滤光元件6的表面的每个点处的局部角谱降低了n倍。因此，可以借助于滤光元件6实现所期望的窄光谱滤光。

光谱宽度与可容许角度范围(接受角)之间的转换因子取决于滤光元件6处的光线的偏转角(特别是取决于偏转角的一半的余弦)。如果偏转角为0°，则入射光束会反射回自身，使得针对900nm的辐射，所期望的1nm滤光宽度对应于±2.7°的角度范围。由于余弦函数的级数展开，因此可获得的光谱宽度以照射直径比n的平方降低。

相比之下，如果例如要实现20°的入射角(偏转角)，则针对900nm辐射的1nm滤光，可容许角谱(＝接受角)将为20°±0.08°。在这种情况下，滤光带宽仅以照射直径比n线性地降低。

由于这个原因，根据图1的结构是优选的，因为这实现了几乎0°的偏转角。

特别地，第二部分光学单元8的第三直径D3可以对应于第一直径D1。

特别地，可以在此区域中实现对由滤光元件6反射的光线进行成像的光学单元。

偏转镜7有利地导致能够防止由第二部分光学单元8造成的不需要的分隔。自然地，可以在第一部分光学单元5与滤光元件6之间提供至少一个偏转元件(未示出)，以便提高构建相机2的能力。

滤光元件6可以被设计为二向色层堆叠体。在这种情况下，优选地，滤光元件6的曲率半径对应于距入射光瞳9的距离，使得所有光线以几乎垂直的方式入射到滤光结构中。

滤光元件6也可以以类似于弯曲法布里-珀罗滤光片的方式由两个反射层/层堆叠体与透明间隔层形成。

举例而言，如果在900nm处进行规定的1nm滤光，则在滤光片6中需要近似900个分波来干涉，并且因此滤光片厚度对应于近似0.5mm。由于生产这种厚滤光片6是复杂的，因此可以优选地提供透明的等厚间隔层作为两个明显更薄的层堆叠体之间的基材。

反射式滤光元件6可以特别优选地被实施为光学体积全息图。应当选择此光栅中结构的最大折射率跳跃，使得获得了1000左右的有效有序光栅数。如果使用这种体积全息图材料，滤光元件6可以具有任何弯曲或平面实施方式。

用于体积全息图的聚合物材料的线性膨胀系数为10^-5/m左右。如果滤光片6用于变化很大的环境温度，则滤光波长可以以确定的方式变换。在这种情况下，应当特别优选地使用激光源，该激光源在光谱上适于滤光元件6的工作点，例如借助于温度控制，或者在光谱应用的情况下应当适当地校正测量值。

如果在入射光瞳9中或在入射光瞳9的上游或下游布置了附加光学成像元件(例如，比如透镜或成像镜)，则可以将真实中间图像成像到滤光元件6上或成像到滤光元件6的附近。特别地，滤光元件6的附近被理解为是指所成像的真实中间图像到滤光元件6的距离小于到入射光瞳9的距离。然后，有利的是，滤光元件6的曲率适于第一部分光学单元5和第二部分光学单元8的场曲率。

在其滤光层的下游，滤光元件6可以包括由强吸收性材料制成的折射率适应层，以便吸收穿过滤光片6的透射光和散射光并因此抑制其被传感器4检测到。

第二部分光学单元8可以被实施为根据现有技术的相机透镜。特别地，第二部分光学单元8被优化为使得它与滤光元件6和可选的第一部分光学单元5的成像性能一起实现尽可能清晰且平坦的像场。由于由滤光元件6反射的非常窄带的纵向波长范围，因此混合或衍射光学单元也适用于第一和/或第二部分光学单元5、8。

图2示出了在入射光瞳9中没有第一部分光学单元5的示例性实施例。示意性地绘制了第二部分光学单元8。

可以认定，根据本发明的光学系统1有利于实现具有大孔径/发光强度的大像场，但是由于滤光元件6的布置，仍然获得了非常窄带的检测并因此获得了良好的环境光抑制。

根据图2的实施例的缺点是由于实现光瞳成像的滤光元件6的成像效果而导致的成像像差。为此，根据图2的示例性实施例是一种实现起来非常简单但在图像清晰度方面可能有限的设计。

图3中图示了图2的示例性实施例的具有改进的图像性能的发展。在此示例性实施例中，第一部分光学单元5被形成为非球面，并且第三部分光学单元11(其同样是光学成像单元3的一部分)被附加地布置在第一部分光学单元5与滤光元件6之间，所述第三部分光学单元确保了中间图像被成像在滤光元件6上。举例而言，第三部分光学单元11可以被形成为平凸透镜11。第三部分光学单元11可以防止由成像滤光元件6引起的成像像差。在图3所示的示例性实施例中，平凸透镜11被对称地布置在到滤光元件6的向外路径中并且对称地布置在来自滤光元件6的返回路径中。这实现了由入射光瞳9中的弱非球面透镜5和第二透镜11(平凸透镜11)制成的相对简单的光学布置，借助于该光学布置可以实现衍射受限的性能，例如针对20mm左右的光瞳尺寸和40°的场角。由于成像滤光元件6被用于回射，可以借助于光瞳分裂来实现在入射光瞳9与出射光瞳10之间的分配。为此设置了两个偏转镜12和13。

替代性地，可以进行偏振分裂，如图4所示。所期望的偏振分裂是通过偏振分裂器立方体14和下游的四分之一波片15实现的。自然地，也可以实施强度分裂。在这种情况下，提供适当的光束分裂器立方体来代替偏振分裂器立方体14。于是，可以省去四分之一波片15。

如果进行偏振分裂或强度分裂，则优选地，出射光瞳10被精确地成像在入射光瞳9上以便优化图像质量。也可以通过分裂器板而不是分裂器立方体来实现分裂。为了改善光学成像单元3的校正，在光学成像单元3内以不可触及的方式实施光瞳位置可能是有利的。尤其是针对这种情况，偏振分裂或强度分裂是优选的，因为这可以不仅在光瞳中实现而且也在入射光瞳9与滤光元件6之间的路径上实现，例如在下文将描述的根据图10到图13的示例性实施例中，情况就是如此。

出于技术原因，将滤光元件6设计为平面部件可能是有利的。例如，所期望的场平面的平面化可以借助于附加场透镜16(其同样是光学成像单元3的一部分)来实现，如图5中示意性所示。在这种情况下，根据图5的示例性实施例是根据图3的示例性实施例的发展。

替代性地，非球面透镜5、平凸透镜11和场透镜16可以用适当设计的衍射光学透镜17代替，该衍射光学透镜进行所期望的场平面化。举例而言，可能尤其有利的是，该结构被用于安装空间非常关键的应用中。在此，这可以是例如智能手机，其总厚度不应大于例如7mm。在这种情况下，滤光元件6上的像场可以通过附加镜元件18、19折叠，如图6示意性所示。针对滤光元件6，在这种情况下，用于不同反射像场分量的多个光栅布置可以以嵌套方式暴露在体积全息图中。在这种情况下，不是用两个偏转镜12、13进行光瞳分配，而是使用偏振分裂器立方体14。

图7示出了对根据图6的光学系统1的修改，其中不再提供衍射光学透镜17，其结果是不再在滤光元件6上生成中间图像。由两个镜元件18、19形成的混合杆以与根据图6的示例性实施例中相同的方式被偏离中心布置，其结果是破坏了对称性，并且可以防止由滤光元件6引起的重像。

根据本发明的光学系统1还可以被实现为窄带源滤光片，如图8和图9示意性所示。在这种情况下，八个源Q1-Q8以示例性方式被布置在围绕出射光瞳10的入射光瞳9中。来自这些源Q1-Q8的光被反射式滤光元件6以滤光的方式被反射并且被成像到出射光瞳10中。所图示的源Q1-Q8可以是真实源(比如LED)或者是这种源的图像。

图8和图9中所示的入射光瞳9与出射光瞳10的空间布置应当被理解为是纯粹示例性的。例如，入射光瞳9不需要围绕出射光瞳10，而是可以被布置在出射光瞳10旁边。重要的是，以这种方式使具有穿过出射光瞳10的光的非常窄带的照射成为可能。举例而言，各个源Q1-Q8可以以相继或选择性方式接通和关断(即，不仅以窄带方式进行光谱滤光，而且还以技术上简单的方式一起进行镜像)。

根据本发明的光学系统1也可以被设计为光谱仪。举例而言，如果使用根据图3的光学构造和作为滤光元件6的全息体积光栅，则光栅中的布拉格平面在垂直于主入射光线的球面上延伸。如果滤光元件适用于近红外波长(例如900nm)，布拉格平面必须具有近似450nm/n₁的间距(n₁＝全息体积光栅材料的平均折射率，值近似为1.52)。然而，可从例如Akonia Holographics或Covestro公司获得的典型全息材料仅可以在可见光谱范围中写入。用这些例如500nm的写入波长，很难写入间距为450nm/n₁的球形布拉格平面。

因此，优选地使用辅助全息图来写入全息体积光栅，这明显简化了暴露构造并提供灵活的局部写入几何形状。

在这种情况下，应用于具有要写入的球面弯曲布拉格平面的反射式滤光元件6，则可以使用一个写入波长来写入具有任何相对较长使用波长的光栅。而且，作为根据图3的光学构造结果，真实的中间图像存在于滤光元件6上，所以可以为传感器4的每个相机像素写入不同的使用波长，并且因此可以例如实现1D光谱分辨的相机图像。

还可以写入更灵活的结构，如用于高光谱成像。为此，例如传感器4的具有不同使用波长的16个相机像素被互连以形成具有16个光谱带的图像传感器元件，并且因此可以实现具有16个光谱采样点的2D分辨相机图像，而无需机械光束偏转设备。

由于辅助全息图也可以特别优选地被配置为体积全息图，还可以将具有不同布拉格平面密度的多个体积光栅写入到每个点，其结果是反射式滤光元件6可以被实现为多带滤光片。

举例而言，如果在相机图像中检测到窄光谱吸收线，则每个第二像素可以检测在高于和低于吸收带各1nm范围的总和，并且第二像素可以检测吸收线上的2nm范围。然后，来自这两个像素的差异信号表示光谱线上的吸收水平，已经从该光谱线上去除了背景吸收。

举例而言，如果针对某些相机线区域根据哈达玛(Hadamard)序列写入多带滤光片，则可以以技术上简单的方式实现非常快速的哈达玛光谱仪。也就是说，哈达玛掩模的各种切换状态的时间复用在一维上被各种逐行代码的同时捕获所取代。替代性地，可以在滤光元件6的滤光平面中使用可切换全息图阵列，以便实现动态掩模。这允许实现低成本光谱仪，特别是与FLIR微测热辐射计阵列结合使用。与硅或砷化铟镓传感器相比，微测热辐射计阵列的在检测400nm与2000nm之间的光时明显较低的灵敏度可以通过来自哈达玛光谱的明显更高的发光强度来补偿。

来自Covestro公司的材料在其为透明的光谱区域(例如从400nm至2000nm)中适用于所有应用。

而且，在开发折射率可调制的玻璃方面存在可能的替代方案。这些无机材料保证了更高的温度稳定性、以及化学和机械稳定性。然而，目前在这些玻璃中可以引起的最大折射率差异仍然小于聚合物材料。然而，由于明显较低的折射率差异对于这里描述的应用而言是足够的，这种可写入玻璃是用于实现反射式滤光元件6的选项。

除了哈达玛光谱仪，FTIR光谱仪也可以通过根据本发明的图示教导来实现。如果局部地考虑体积光栅，则入射光源在布拉格结构处被反射回来。每个布拉格平面生成具有特定相位角的背向反射场强分量。在滤光元件6的一个点处反射回来的全场强矢量表现为背向散射场强矢量与其在滤光元件6的所有深度上的相对相位角的积分。背向散射光分量的光谱分布则表现为折射率分布在滤光元件的不同深度上的傅立叶变换。如果折射率在深度上具有正弦调制，则正好反射回一个波长。然后，调制周期的数量或滤光元件6的总厚度的数学窗函数确定了背向散射辐射的频率带宽。

如在光谱学中傅立叶变换IR光谱仪中技术实现的，傅立叶序列形成了与哈达玛序列非常相似的方法。如果滤光元件6的深度函数对应于彼此相距一定距离的两个薄的部分反射面，则这产生具有正弦调制光谱强度的宽带分布，作为背向反射波的光谱。此调制的周期与在两个部分反射面之间的距离成比例。作为结果，借助于根据图10实现的结构，可以在没有移动零件的情况下实现FTIR光谱学。

在根据图10的实施例中，滤光元件6被设计为具有部分反射的弯曲元件30和与其相距一定距离布置的阶梯镜31的双反射器，图10中元件30和31的图示是非常夸大的并且不按比例，以便能够表示阶梯镜31。在入射光瞳9与滤光元件6之间的路径上设置了用于强度或偏振分裂的光束分裂器板32。在这种情况下，在图10所示的示例性实施例中，第二部分光学单元8具有三个透镜33、34和35，并且出射光瞳10位于透镜34与35之间。

在图10所示的基本设计中，第一部分光学单元5被布置在入射光瞳9中，以便在滤光元件6上生成中间图像。然而，如果不期望在滤光元件6上生成中间图像，则也可以省去第一部分光学单元5。进一步，可以改变根据图10的基本设计，例如通过在入射光瞳9的上游和/或下游的附加透镜(例如在这种情况下可以省去第一部分光学单元5)，以便在滤光元件6上生成中间图像(如果寻求空间分辨且光谱分辨的布置)，或者使物场均匀化。除了如图10所示的产生一个臂的两个元件30和31的布置，这两个元件30和31可以被布置在两个不同的臂中，如图12和图13示意性所示。

可以单独针对每个检测器像素来限定延迟路径。同时，滤光元件6的光瞳成像必须以不受干扰的方式维持。如果在相邻像素的延迟长度之间仅应实现非常小的差异，则两个反射平面可以被布置成相对于彼此略微倾斜，因此在像场上线性地改变延迟路径。然而，如果应当实现延迟路径的相对明显的梯度，则需要以阶梯方式来实现这两个反射元件中的至少一个，同时不允许光瞳成像质量劣化。局部地对于一个像素，两个面具有球面弯曲形状，曲率中心处于光瞳中心。如果两个反射面均是以阶梯方式实现的，则滤光元件的宏观拱形可以更好地适于后续光学单元的场曲率。

在图10所示的光谱仪中，每个相机像素都看到具有特定延迟路径的近似双光束干涉。为了记录周围环境的光谱分辨图像，光谱仪需要在第二方向上扫描物体，以便也在第二方向上实现空间分辨率(并且后者是以光谱分辨的方式)。举例而言，这可以通过附加机械扫描装置(未示出)来实现。在悬浮成像光谱仪的情况下，扫描可以通过光谱仪的悬浮运动来实现。

如果使用此光谱仪来通过被动太阳照射在相对较大的测量距离上记录光谱图像，则可以借助于白色漫射板36(见图11)在图像边缘处同时记录太阳参考光谱。

图10和图11中所示的滤光元件6的背向散射特性并不完全对应于双光束干涉，而是对应于具有非常低质量因子的法布里-珀罗干涉仪的多光束干涉。然而，可以在评估期间考虑并补偿此特性。在后侧被部分镜像的前部元件30(例如，弯月透镜30)也具有影响总光谱特性的前侧反射。然而，如果弯月透镜30明显比到第二阶梯元件31(或阶梯镜31)的最大间隙宽度厚，则由此引起的非常快的光谱调制不能被分辨并且因此通过抵消减法(Offsetsubtraktion)来校正。

替代性地，也可以使用如图12所示的结构的变体。在此变体中，光束分裂器板32可以实施强度分裂或偏振分裂，利用该光束分裂器板使得产生了两个分裂干涉仪臂25、26。代替弯月透镜30，球面镜27被布置在第一干涉仪臂25中。阶梯镜31(示意性示出)被设置在第二干涉仪臂26中。在这种情况下，球面镜27和阶梯镜31形成了滤光元件6。自然地，臂25、26也可以以互换的方式布置。进一步，元件27和31两者在各自情况下都可以被实施为阶梯镜。

阶梯镜或阶梯元件31优选地在整个前侧被镜像，使得它可以由任何期望的材料(比如金属、塑料或玻璃)制成。这同样适用于球面镜27。

需要偏振光束分裂器和延迟为λ/4的光学延迟板来实现偏振分裂。为了实现最高达16μm的中红外范围中的波长的非常宽带光谱仪，可以使用具有线栅涂层的宽带偏振涂层，如现有技术中已知的。然而，高于2μm的波长则没有宽带延迟板，并且因此特别是针对光谱仪布置，强度分裂是优选的。如图12所示，这种具有镜像分开的臂的强度分裂则具有以下优点：双倍效率和更容易评估的未受干扰的双光束干涉。

由于没有使用具有受限IR透射率的体积全息图聚合物作为滤光元件6，而仅使用光学有效气隙，因此在适当选择其余部件的光学材料的情况下，可用光谱范围可以从UV范围(紫外线范围)延伸到MIR(中红外)。

同时用非常灵敏的相机光学单元(具有小于1.5的大f值)和非常灵敏的光谱仪原理(比如FTIR，其可以通过每个传感器元件记录近似一半的整个入射光谱亮度)能够实现高光谱分辨率的基本原理也有利于具有较低灵敏度的传感器元件。举例而言，如果透射光学元件具有相应的透射率(例如，由亚硒酸锌制造)，则可以使用微测热辐射计作为检测器，并且因此利用从600nm到约16μm的光谱范围。

如果应实现没有空间分辨率的低成本IR光谱仪(其用图像记录光谱)，则根据图13的结构是优选的。根据图13的结构针对使用具有受限像素分辨率的二维空间分辨传感器进行了优化。从周围环境入射的光可以借助于透镜5(在这种情况下在物体空间中在入射光瞳9的上游)通过照射而至少在角谱上被均匀化，该透镜已经近乎呈现为

类型、并且几乎用作所谓的“

透镜”，如图13所示。同样，借助于光学单元、例如借助于双透镜阵列(例如，在场和孔径中)(未示出)实现的任何其他类型的均匀化也是可能的。这些类型的均匀化是本领域技术人员已知的。

示意性示出的阶梯镜31在图示中在从上到下的方向上是阶梯状的并且朝垂直于附图平面的方向倾斜，使得在此方向上出现楔形气隙。楔形特性优选地被设定为使得像场边缘上的间隙宽度近似对应于第二方向上的阶梯高度，使得路径长度差异以二维方式分布在检测器4上。

在先前描述的光学系统中，滤光元件6总是反射式滤光元件6。然而，同样可以将滤光元件6设计为透射式滤光元件6。

图14中示出了这种具有透射式滤光元件6的光学系统1的示例性实施例，在这种情况下，在入射光瞳9与出射光瞳10之间具有示意性示出的会聚透镜37和38的第一部分光学单元5被设计为使得穿过入射光瞳9的发散传播的光束被会聚透镜37变成平行的并且成像到滤光元件6上，使得可以实现空间分辨且光谱分辨的光谱仪布置。在穿过透射式滤光元件6之后，光束被聚焦并穿过包括出射光瞳10的第二部分光学单元8，并且然后撞击检测器4。

由于第一部分光学单元5的所述实施例，法布里-珀罗滤光元件6中的延迟路径可以单独针对每个检测器像素来限定。

因此，根据图14的光谱仪布置或光谱仪也可以被称为根据图10的光谱仪的透射式滤光片变体。

如果不要求或不期望根据图14的光谱仪的空间分辨率，则光学均匀化元件39可以被定位在例如入射光瞳9的区域中，其结果是提供了一种具有透射式滤光元件6的透射式纯光谱分辨光谱仪。

图16示出了根据本发明的光学系统1的另一示例性实施例，在该实施例中提供了透射式滤光元件6。在根据图16的示例性实施例中，入射光瞳9和出射光瞳10完全地重叠(它们在这里描述的示例性实施例中是全等的)，其中入射光瞳9是虚拟入射光瞳。

透射式滤光元件6在此以弯曲方式实施(优选地具有球面曲率)并且以透射方式滤光。举例而言，透射式滤光元件6可以被实现为金属干涉滤光片。为此，薄金属层(例如具有1μm或更小的厚度，例如具有从10nm到200nm范围的厚度)可以与二向色间隔层以交替方式设置。举例而言，如果应当为可见光谱范围提供这种透射式滤光片，则可以使用银层。如果使用金层，则特别优选地将透射式滤光元件6设计用于红外范围或近红外光谱范围。

还可以提供具有金属干涉层的混合滤光片。也可以提供经纯二向色涂覆的滤光元件6。

透射式滤光元件6也可以被设计为体积全息图或包含至少一个体积全息图层。这些可以与反射式滤光元件6的体积全息图实施方式相同或相似。特别地，可以为透射式滤光元件6提供与透射式滤光元件6的球面曲率不同的曲率，该球面曲率优选地相对于入射光瞳9和/或出射光瞳10存在。透射式滤光元件6也可以具有平面实施方式。

Claims (22)

1.一种光学系统，包括

入射光瞳(9)，该入射光瞳具有第一开口直径(D1)，

出射光瞳(10)，以及

反射式或透射式滤光元件(6)，该反射式或透射式滤光元件与该入射光瞳(9)间隔开并且被设计和布置成使得穿过该入射光瞳(9)并从该入射光瞳发散地传播的光束以第二直径(D2)照射在该滤光元件(6)上，

其中该第二直径(D2)对应于该第一开口直径(D1)的n倍，其中n是大于一的数字，

结果是，与该入射光瞳(9)相比，该滤光元件(6)的每个点处的局部角谱小n倍，

其中，该滤光元件(6)在每个点处选择性地仅将预定光谱范围反射或透射到该出射光瞳(10)，

并且其中，设置了光学成像单元(3)，该光学成像单元包括该滤光元件(6)并且将该入射光瞳(9)成像在该出射光瞳(10)上。

2.如权利要求1所述的光学系统，其中，

该滤光元件(6)具有在从该入射光瞳(9)到该滤光元件(6)的方向上构造的实施方式。

3.如权利要求2所述的光学系统，其中，

该滤光元件(6)包括在从该入射光瞳(9)到该滤光元件(6)的方向上相继布置的并且在各自情况下弯曲的滤光层。

4.如权利要求3所述的光学系统，其中，

这些滤光层是球面弯曲的，并且它们的曲率中心在各自情况下到该入射光瞳(9)比到该滤光元件(6)更近。

5.如权利要求4所述的光学系统，其中，

这些滤光层的曲率中心重合并且位于该入射光瞳(9)中。

6.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，

除了可能设置的偏转镜之外，该光学成像单元仅包括该滤光元件(6)。

7.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，

该入射光瞳和出射光瞳(9，10)至少部分地重叠。

8.如权利要求7所述的光学系统，其中，这种至少部分的重叠是通过强度和/或偏振分裂器(32)实现的。

9.如权利要求8所述的光学系统，其中，该强度和/或偏振分裂器(32)被布置成使得该入射光瞳(9)和该出射光瞳(10)都不延伸通过该强度和/或偏振分裂器(32)。

10.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，设置了多个入射光瞳(9)，该多个入射光瞳通过该滤光元件(6)被成像到该出射光瞳(10)上。

11.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，

该滤光元件(6)包括体积光栅、二向色层堆叠体和/或反射层与透明间隔层。

12.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，

该反射式或透射式滤光元件(6)包括多个光栅布置，用于反射或透射不同的像场分量，以嵌套方式暴露在体积全息图中。

13.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，

该反射式或透射式滤光元件(6)包括具有多个球面弯曲布拉格平面的体积全息图。

14.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，

该反射式或透射式滤光元件(6)包括多个可切换的全息图。

15.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，扩展光源或扩展光源的真实图像位于该入射光瞳(9)中。

16.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，

用于折叠光束路径的至少一个镜元件(7)被布置在入射光瞳与出射光瞳(9，10)之间。

17.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，该光学成像单元(3)包括在该滤光元件(6)上游的至少一个附加光学元件(16)，该至少一个附加光学元件用于在该滤光元件(6)的上游或在该滤光元件上生成物体的真实的中间图像。

18.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，至少一个附加光学元件被布置在该滤光元件(6)的上游，以便在场和/或孔径方面实现完全或部分的均匀化。

19.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，为相机的形式。

20.如权利要求19所述的光学系统，其中，该相机是高光谱相机的形式。

21.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，为光谱仪的形式。

22.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，为可切换光源的形式。

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