CN116209873A - 光谱仪、测距系统以及用于操作光谱仪的方法 - Google Patents

Abstract

相关于以结构上简单的方式在给定紧凑结构大小的情况下实现高性能来设计并开发了一种具有透镜(1)、色散元件(2)和检测器(3)的光谱仪，其中引导到所述透镜(1)上的测量光(4)借助于所述透镜(1)被投射到所述色散元件(2)上，由所述色散元件(2)以光谱分散的方式反射回所述透镜(1)，并且借助于所述透镜(1)被引导到所述检测器(3)上，使得所述透镜(1)是具有用于影响成像的至少一个非球形表面(5)的单个透镜或个体透镜。此外，说明了对应的测距系统和用于操作光谱仪的对应方法。

Description

光谱仪、测距系统以及用于操作光谱仪的方法

本发明涉及一种具有透镜、色散元件和检测器的光谱仪，其中引导到所述透镜上的测量光借助于所述透镜被投射到色散元件上，由色散元件以光谱分散的方式反射回所述透镜，并且借助于所述透镜被引导到所述检测器上。

此外，本发明涉及具有这种光谱仪的测距系统，尤其是共焦色距(confocalchromatic distance)测量系统。

此外，本发明涉及一种用于操作此类光谱仪的方法，其中该光谱仪包括透镜、色散元件和检测器，其中引导到所述透镜上的测量光借助于所述透镜被投射到色散元件上，由色散元件以光谱分散的方式反射回所述透镜，并且借助于所述透镜被引导到所述检测器上。

例如，共焦色距测量系统的性能决定性地取决于其分辨率和使用它可以实现的测量速度。一种重要的方法是借助于适当的光学传感器进行一维共焦色距测量。因此，使用光学器件将白光投射到表面上。光学器件在此没有进行色度校正；相反，它们被设计成使得产生沿着测量轴的明确的纵向色度误差。这导致由样品反射的测量光的光谱中的最大值出现在可以与样品和测量头之间的距离明确相关联的波长处。作为相应测距系统或传感器的评估单元的是光谱仪，例如具有两个会聚透镜；色散元件；以及检测器，其中被引导到两个透镜中的第一透镜上的测量光借助于该透镜投射到色散元件上，由色散元件进行光谱分散，并借助于第二透镜被引导到检测器上。

对于某些使用领域，合乎需要的是显著减小这种光谱仪的尺寸，并由此最终减小相应测距系统或传感器的尺寸，而不需要接受相对于当前系统的性能损失。光谱仪的性能得自于灵敏度和光谱分辨率。

灵敏度要求是合理的，因为现在的距离计量要求更高的测量速率。然而，由于检测器的量子效率是有限的，因此要评估的测量信号必须具有最小的光强度。一方面，这可以通过增强照明光束来实现，但只有在具有相应寿命和稳健性的可用光学辐射源的情况下，这才可能在有限程度上实现。这里要遵循的另一办法是将光强度纳入考虑来进行优化，以便能够充分良好地评估更弱的信号。

本发明是基于详述光谱仪、测距系统和用于操作光谱仪的方法的目的，根据它们，使得以结构上简单的方式在给定紧凑尺寸的情况下实现高性能成为可能。

根据本发明，上述目的通过具有权利要求1的特征的光谱仪、具有权利要求11的特征的测距系统以及具有权利要求12的特征的用于操作光谱仪的方法来实现。

因此，根据权利要求1所述的光谱仪被设计和开发，使得透镜是具有用于影响成像的至少一个非球形表面的单个透镜或个体透镜。

根据权利要求12，所述方法被设计和进一步开发，使得具有至少一个非球形表面的单个透镜或个体透镜被用作所述透镜来影响成像。

根据本发明的一种方式，首先认识到，通过巧妙的透镜设计，以意料之外的简单方式实现了上述目的。根据本发明的另一方式，透镜被专门设计成具有至少一个非球形表面，以便于简单地影响成像。归因于透镜的至少一个非球形表面，实现具有仅单个透镜或个体透镜元件的紧凑型光谱仪是可能的，其中尽管设计紧凑且在结构上是简单设计，但使用仅单个透镜就可能实现高成像性能。有利地，根据本发明的光谱仪仅使用具有单个透镜、色散元件和检测器的极少数在光学上有影响的组件，这使得光谱仪的热行为易于管理。

因此，使用根据本发明的光谱仪、根据本发明的测距系统和根据本发明的方法，提供了一种光谱仪、测距系统以及方法，根据它们，能够以在结构上简单的方式在给定紧凑尺寸的情况下实现高性能。

在此，应注意，术语“单个透镜”或“个体透镜”应理解为意指个体透镜元件，使得在本文中，术语“单个透镜”或“个体透镜”不仅包括个体单片透镜，还包括例如，或者具有双合或三合布置或者具有彼此固定或胶合的两个自由曲面和/或非球面的多片式透镜元件。

在有利的示例性实施例中，非球形表面可包括优选地旋转对称的非球形表面、自由曲面或区域相关的衍射结构。取决于使用情况和个体要求，可以按灵活的方式选择合适的实施例，并且可以按简单的方式实现光谱仪的所需性能。

透镜可以非常有利地在透镜的分开区域中提供光学功能。透镜因此可以被用于不同的功能，而无需为不同的功能提供不同的个体透镜。这大大简化了光谱仪的设计。

在另一有利的示例性实施例中，准直和再聚焦的光学功能可以用于测量光。

具体而言，给定此类示例性实施例中，对成像的影响可以包括对成像误差的校正，其中优选地，可以对经光谱分散的测量光进行因波长而异的校正，以便使得能够优化准直和再聚焦这两个功能。由此利用光谱仪实现了特别高的波长优化性能。

对于给定较高线数的特别高性能和低功耗，色散元件可以具有优选地平坦的反射光栅。此类平面反射光栅可以容易地、可重复地、廉价地制造，并且对温度效应表现出可管理的线性响应。

在另一示例性实施例中，透镜可设计成折射、衍射或混合式——例如，自由形式支撑件上的衍射结构。透镜设计的选择可以根据具体的使用情况灵活地进行。

关于光谱仪的高性能，透镜可以通过坯料压制(blank pressing，优选地精密坯料压制)或注塑(优选地塑料注塑)来生产。具体而言，对于坯料压制或精密坯料压制，重复且高质量地生产出具有复杂自由曲面的透镜是可能的，即使是更大量生产。

在另一有利的示例性实施例中，测量光的入射孔径的布置可被选择成使得测量光倾斜入射在色散元件上，并从色散元件近似垂直地反射，使得开口在光谱方向上增大，这降低了在检测器上的在光谱方向上的成像比例。因此，在相同的光灵敏度下，光谱仪可以获得更高的光谱分辨率，或者相反，在相同光谱分辨率下可以捕获更多的光并且从而变得更光敏。

以结构上简单的方式，检测器可以取决于使用情况而灵活地将图像元件布置成行或矩阵。

根据本发明的光谱仪的示例性实施例可以具有以下有利特征：

原则上，根据本发明的光谱仪的示例性实施例，作为例如测距系统的基本子组件，可在最佳紧凑尺寸的条件下，针对分辨率和测量速度这两个参数进行优化。

由于其紧凑的设计，根据本发明的光谱仪原则上也可以被指定为紧凑型光谱仪。

本发明的光谱仪的一个示例性实施例可以具有类似于利特罗(Littrow)光谱仪的双通道布置。由此，示例性实施例可以包括以下组件：

a)在接收元件或检测器周围(顶部、底部、左侧、右侧)任意地布置的孔径或入口孔径。

b)具有至少一个非球形表面的透镜元件或透镜，它使得能够通过使用在不同的横向区域中的光学表面来对成像能力进行波长相关的校正。

c)平面或平坦的反射光栅。

d)接收元件或检测器，在其上聚焦入射光或测量光的光谱分量并且估计它们的强度。

e)优选地，支撑结构，其使得能够集成所有光学和电子元件。

由此，所使用的透镜元件或透镜可以这样设计：

a)它或它们被设计成折射、衍射或混合式。

b)它或它们可以通过复制工艺来生产。

c)非球形表面的形状明确地具有非球面或自由曲面或区域相关的衍射结构。

d)在复制工艺中，透镜元件或透镜可以被修整、或直接压制或注塑成型为长方体。

入口孔径的布置可优选地选择成使得其导致测量光的倾斜照射和从光栅的近似垂直出射，从而导致开口在光谱方向上的放大，这降低在接收元件上的在光谱方向上的成像比例。

透镜元件的中心平面可以在光栅和检测器之间距离的25％至75％的范围内。

因此，所使用的接收元件可以是行或矩阵元件，或者具有行、多行或矩阵。

支撑结构因此可以如下设计：使得其能够实现组件的准理想热补偿布置和固定。

为了评估根据本发明的光谱仪的示例性实施例的性能，进行了市场分析。由此计算质量准则Q，该准则根据以下关系描述给定最小可显示光谱范围的性能：

在此，NA代表入射光束的数值孔径。缝宽得自于入射光纤的入口孔径或纤芯直径，而光谱分辨率示出了仍然可以在图像传感器上分开地评估的光谱宽度。

值得注意的是，市场上可买到的被调查光谱仪要么结构形式太大，要么性能不足。在下表中，最后两个模型“MEO，双非球面”和“MEO，自由曲面”是本发明的示例性实施例。因此，示例性实施例“MEO，双非球面”大致对应于申请人当前光谱仪的质量准则，然而该光谱仪具有明显更大的尺寸。

存在以有利的方式设计和发展本发明的教导的各种可能性。就此，借助附图，一方面参考从属权利要求，另一方面参考本发明优选示例性实施例的以下解释。与基于附图解说本发明的优选示例性实施例相结合地，还解说了本教导的一般优选实施例和发展。附图中示出了：

图1是根据本发明的光谱仪的第一示例性实施例的设计的示意图，以及

图2是根据本发明的光谱仪的第二示例性实施例的设计的示意图。

图1以示意图示出了根据本发明的光谱仪的第一示例性实施例的设计，其中光谱仪包括透镜1、平面反射光栅形式的色散元件2和具有扫描线的检测器3。被引导到透镜1上的测量光4借助于透镜1投射到色散元件2上，由色散元件2以光谱分散的方式反射回透镜1，并借助于透镜1被引导到检测器3上。色散元件2位于距透镜1适当的预定距离处。关于以结构上简单的方式在给定紧凑的结构尺寸的情况下的高性能，透镜1是具有用于影响成像(特别是用于校正成像误差)的至少一个非球形表面5的单个透镜或个体透镜——在此是具有两个非球形表面5的双非球面。

原则上，图2所示的示例性实施例与图1所示的示例性实施例相对应，其中与图1中所示的示例性实施例相反，透镜1是具有自由曲面5(图2中的左侧)和非球形表面5(图2中的右侧，面向色散元件2)的单个透镜或个体透镜。

给定这两个示例性实施例，测量光4通过入射孔(此处未示出)被引导到透镜1上，为了简明起见，仅示出了测量光4的两个边缘光束6。

为了根据通常的概念对光进行光谱分散，它必须初始地以良好的准直方式被引导到色散元件上。由此产生的光谱拆分——角色散——然后通过聚焦光学器件转换成线检测器所在图像平面中的局部色散。

为了创建紧凑型光谱仪，现有技术是在光谱仪中折叠光束。色散元件特别适合于此目的，因为它在光学装置中居中。结构形式是棱镜、透射光栅和反射光栅。棱镜具有有限的角色散和不利的结构尺寸的缺点。在较高的线数下，反射光栅由与透射光栅相比非常低的功耗来表征。通常，在检测器元件上给定相同的局部拆分的情况下，高角色散使得聚焦焦距更短。然而，同时，如果不能缩小光谱仪的开口以保持灵敏度，则对成像系统的要求会增加。

根据本发明的光谱仪类似于利特罗光谱仪的原理。在具有透镜的一个实施例中，该透镜仅包括一个透镜，该透镜既是用于入射光束的准直光学器件，又是用于在检测器线上对光谱进行成像的聚焦光学器件。同样，平面光栅也被用作色散元件。此外，在利特罗光谱仪中，对于一个波长(优选地在所需光谱范围中居中)，入射角等于衍射角，使得在这种情况下，场角相关成像误差在光学上几乎理想可校正的中心波长周围对称地分布。然而，在现实中，光源和成像元件总是具有与设计相关的最小距离，一方面是由于入射光束和出射光束需要分开，另一方面也是由于需要局部拆分。如果光源和成像元件被水平地布置在彼此之上，则可以预期在分辨率上的微小损失。然而，由于光谱仪的局部拆分和开口相应较大，因此无法用简单的球面透镜控制由此产生的成像误差。为此目的，多透镜物镜的解决方案也是已知的；参见US 9964443B1。然而，决定性的缺点是与此相关联的成本、高调整努力以及预期的热补偿的更大难度。

然而，由于生产工艺的进一步发展，例如精密毛坯压制，现在甚至可以更大量地重复生产具有复杂自由曲面的透镜。本发明利用这一点生产了一种具有复杂光学表面轮廓——非球面、自由曲面、衍射结构的新型光谱仪。

所获得的测量光4以具有中心光束和边缘光束6的发散自由光束经由入射孔(此处未示出)投射到单个透镜1上；见图1和图2。它由透镜1准直，并投射到平面反射光栅的形式的色散元件2上。反射光栅将经光谱分散的光束反射回同一单个透镜1，该透镜又以波长分开的方式将光束引导到检测器3的扫描线上。本发明的特征在于，至少一个非球形表面5或旋转对称非球面——或者优选地自由曲面，它校正由于相对较大的场角而产生的成像误差。通过本发明，可以获得经光谱分散的光束的精确匹配、因波长而异的校正，因为在透镜1中，准直和再聚焦这两个功能在透镜1的不同区域中被优化。

因此，孔径的形状是无关的。在线像素是正方形的情形中，这理想地是圆形，诸如光波导的末端。另一方面，如果像素是矩形的，则垂直于线的狭缝孔径可以是有利的，以便优化光产额。

复杂自由曲面的生产可以通过例如精密坯料压制来实现。这是高度精确且同时经济的玻璃透镜成型工艺。与已知的塑料注塑透镜相比，玻璃透镜具有明显更低的温度效应、在材料中的更少干涉点和更高的长期稳定性。然而，通过塑料注塑成型进行生产仍是可以想象的。

只通过至少一个非球形表面(对于较低的分辨率要求，非球面也是足够的)来在光源和检测器线的空间节省布置的情况下实现分辨率优化校正是可能的，从而尽管设计紧凑，仍可以实现高成像性能。

通过透镜表面是自由成形，在可能的范围内调整图像比例是可能的，使得在线检测器上对源的缩小图像进行成像。因此，在相同的光灵敏度下，光谱仪可以获得更高的光谱分辨率，或者相反，在相同光谱分辨率下可以捕获更多的光并且从而变得更光敏。

平面光栅的优点是可以容易、可重复、且廉价地制造，并且在温度影响下具有可管理的线性行为。

总体而言，在该类型光谱仪的示例性实施例中，热行为在限制范围内是可管理的，因为

1.仅使用四个在光学上有影响的组件(孔径、透镜、光栅、线检测器)，

2.光学组件之间只有很短的距离，并且

3.没有使用由金属-玻璃组合制成的多部件透镜系统。

示例性实施例的组件的优点：

具有自由曲面的单透镜对双透镜或透镜系统：

开发具有自由曲面的单透镜的光谱仪的想法有多个方面：

1.给定至少相同的光学性能，结构形式更为紧凑(约为3倍(factor))是可能的。

2.双合透镜形式的两个球面透镜的组合将无法实现所需的成像性能，因为与自由曲面的光学器件相比，对随波长强烈变化的场角(高角色散)进行校正是不可能的。

3.由于材料应变和膨胀系数的影响仅具有单一效应且不会以不受控的方式相互影响，因此对个体透镜的光学特性的热影响明显比对透镜系统的热影响更容易控制。此外，透镜油灰和物镜外壳等潜在的有问题组件也不存在。

4.给定现有技术，精密压坯现在能够以合理的成本以高质量进行经济生产。

平面光栅对凹面光栅：

平面光栅的优点是可以大量采购这种产品。它价格低廉且可作为目录产品以各种变形形式在市场上销售。凹面光栅通常是定制产品，因为焦距、线宽和线布置对于合适的目录产品而言是太多的变量。此外，生产过程明显更加复杂，因为每一光栅必须单独地模制。

平面光栅的热行为同样不如凹面光栅的复杂。只有线距和线深可以改变。这两者都会导致可预测的行为，这可在设计中进行补偿或在必要时通过校准进行校正。相比之下，给定凹面光栅，焦距也会随温度变化，这通常会对线、多线或图像矩阵的成像质量产生负面影响。

现有技术中的分类：

本发明的光谱仪在技术上与利特罗光谱仪相似，同时必须展示出戴森(Dyson)光谱仪的特性。

利特罗光谱仪：

根据Wikipedia(维基百科)，利特罗光谱仪是只有一个聚焦光学器件的光谱仪，该聚焦光学器件同时充当入射光的准直器和来自色散元件的反射光的物镜。该布置是奥托·冯·利特罗(Otto von Littrow，1843-1864)设计的。此类布置被称为自准直布置。为此，色散元件必须将光按波长分开地反射回入射方向，这只能针对一个波长精确地实现。平面镜前方的反射光栅和棱镜或透射光栅都可以作为色散元件。反射光栅必须旋转，以便将要观察的衍射级逆着入射方向反射回来。具有正确选择的闪耀角的闪耀光栅特别适用于利特罗光谱仪。为了能够检测反射光，入口狭缝和检测器垂直于色散方向彼此偏移开。

尽管乍一看，根据本发明的光谱仪与利特罗光谱仪非常相似，其透镜用于双通道，但存在决定性的差异。在利特罗光谱仪中，使用了自准直原理，即进入到在向外路径上进行准直的透镜中的入射角等于从在返回路径上进行聚焦的透镜出来的出射角。入口狭缝和检测器的空间分开必须垂直于色散方向(两者在平面视图中在“彼此上方”)，以便不会引起成像的任何显著退化。给定所描述的发明，非球面或甚至更好的自由曲面的附加自由度使得负责准直和聚焦的透镜区域能够在限制范围内彼此独立地优化。因此，本发明没有使用自准直原理。

戴森光谱仪：

戴森光谱仪是带有凹面反射光栅的单透镜光谱仪，其显著特征是面向光栅的透镜表面的形状和位置与光栅曲率同心。入口孔径理想地位于光轴上，实际上尽可能靠近光轴。戴森光谱仪特别用于超光谱成像，因为光栅和透镜表面彼此同心，在可能的最大程度上补偿成像误差。

戴森光谱仪的特殊潜力是不仅能对光斑进行光谱分散，还能对线进行光谱分散。但是，此属性对于所述(posed)对象不是必需的。光谱仪的大空间范围——特别是在垂直平面上，这对于一维点而言是不必要的——甚至是不利的。另一缺点是成本高昂的——与本发明的平面光栅相比——凹面光栅，为了满足光栅和后透镜表面的同心度要求，凹面光栅还必须相对于透镜进行高精度定位。在此，两个不同光学元件的生产的公差与相互定位的公差成指数关系。

根据US7817274B2的紧凑型光谱仪：

从该文献中已知了以紧凑设计为目标的多个光谱仪布置。因此，图6(b)所示的实施例最接近本发明。这一实施例的核心是孔径和第一透镜之间的或者在聚焦透镜和检测器线之间的返回路径上的柱面透镜，因此与现有技术相比，该柱面透镜具有明显更低的结构高度。

这一实施例与本发明之间的本质区别在于，根据这一实施例，使用的不是自由曲面透镜，而是球形双合透镜。如US 787274B2的图6(b)所示，入口孔径和检测器线之间的垂直距离也非常小，以便不招致成像质量的太大降低。此外，透镜也非常靠近光栅前方，而本发明的透镜在光栅和检测器线之间的距离的25-75％范围内。

此外，在US 7817274B2中，在双合透镜对其进行准直之前，紧位于入口孔径后面的入射光束首先被柱面透镜“平坦化”。在撞击线之前，光谱线再次被同一透镜在高度上压缩。在此，本发明的不同之处在于，自由曲面透镜将焦距缩短到如下程度：使得结合所需的局部拆分，已经得到了具有平坦纵横比的系统。

关于根据本发明的光谱仪的、根据本发明的测距系统的以及根据本发明的方法的进一步有利实施例，参考说明书的一般部分和所附权利要求以避免重复。

最后，应明确指出的是，上述示例性实施例仅用于解释所要求保护的教导，而不是将所述教导限于所述示例性实施例。

附图标记列表

1 透镜

2 色散元件

3 检测器

4 测量光

5 非球形表面

6 边缘光束

Claims (12)

1.一种具有透镜(1)、色散元件(2)和检测器(3)的光谱仪，其中引导到所述透镜(1)上的测量光(4)借助于所述透镜(1)被投射到所述色散元件(2)上，由所述色散元件(2)以光谱分散的方式反射回所述透镜(1)，并且借助于所述透镜(1)被引导到所述检测器(3)上，

其特征在于，所述透镜(1)是具有用于影响成像的至少一个非球形表面(5)的单个透镜或个体透镜。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述非球形表面(5)具有优选地旋转对称的非球面、自由曲面或区域相关的衍射结构。

3.根据权利要求1或2所述的光谱仪，其特征在于，所述透镜(1)在所述透镜(1)的诸分开区域中提供光学功能。

4.根据权利要求3所述的光谱仪，其特征在于，所述光学功能是所述测量光(4)的准直和再聚焦。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光谱仪，其特征在于，所述成像的影响包括对成像误差的校正，优选地对经光谱分散的测量光(4)进行因波长而异的校正。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的光谱仪，其特征在于，所述色散元件(2)具有优选地平坦的反射光栅。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的光谱仪，其特征在于，所述透镜(1)是折射、衍射或混合设计。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的光谱仪，其特征在于，所述透镜(1)通过复制工艺生产，例如举例而言，坯料压制，优选地是精密坯料压制，或注塑，优选地是塑料注塑。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的光谱仪，其特征在于，用于所述测量光(4)的入射孔径的布置被选择成使得所述测量光(4)倾斜地入射在所述色散元件(2)上并从所述色散元件(2)近似垂直地被反射，从而产生在光谱方向上的开口的放大，这降低在所述检测器(3)上的在光谱方向上的成像比例。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的光谱仪，其特征在于，所述检测器(3)包括布置成行或矩阵的图像元件。

11.一种测距系统，尤其是共焦色距测量系统，包括根据权利要求1到10中的任一项所述的光谱仪。

12.一种用于操作光谱仪，尤其是根据权利要求1到10中的任一项所述的光谱仪，的方法，其中所述光谱仪具有透镜(1)、色散元件(2)和检测器(3)，其中引导到所述透镜(1)上的测量光(4)借助于所述透镜(1)被投射到所述色散元件(2)上，由所述色散元件(2)以光谱分散的方式反射回所述透镜(1)，并且借助于所述透镜(1)被引导到所述检测器(3)上，

其特征在于，具有至少一个非球形表面(5)的单个透镜或个体透镜被用作所述透镜(1)来影响成像。

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