TW201606271A - 用於空間光束塑型的光學元件 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種空間光束塑型器結構及相應光學系統。空間光束塑型器結構包含光收集表面，該光收集表面經配置用於影響入射於該表面上的光以提供具至少一種光學特性之實質平滑光輪廓，該光收集表面具有呈多個表面區域形式的圖案，該等表面區域包含以交替方式排列之具至少兩種不同光學特性之區域，其中具不同光學特性之每兩個局部相鄰區域之間的介面區域具有至少兩種不同光學特性，以在介面區域內提供該等不同光學特性之實質平滑過渡。

Description

用於空間光束塑型的光學元件

本發明大體而言係光導向光學裝置領域，且係關於一種用於空間光束塑型的光學元件。本發明尤其適用於在不同光學通道之間分裂所收集之光，此可用於掃描光學顯微鏡中。

光束分光器係一些基本光學元件且用於空間光束塑型之各種光學組件中。典型光束分光器係用於將單個光束分成兩個光束以沿不同光學路徑傳播。

光束分光器通常用於在與多個偵測器關聯的多個光偵測通道之間以及空間分離照明與偵測通道之間分離所收集之照明。多個偵測器可用於掃描光學顯微鏡。後者通常係基於藉由使用一或更多個照射點照射樣本上的相繼區域來檢驗/成像樣本。常常是此類掃描光學裝置與偵測器之陣列一起使用，而非使用單個可移動偵測器。

本技術領域需要一種藉由間隔分離光敏區域之陣列(至少兩個)賦能空間分離的光分量之偵測的新穎技術。此技術允許提供由分立光敏區域之陣 列形成的連續偵測區域，同時避免與分立光敏區域之間存在實體間隔(所謂的「死區」)關聯的損失。

為了提高偵測效率(例如，藉由減少偵 測器陣列中的局部相鄰分立光敏區域(例如，單獨的光電二極體)之間的死區)，可與光束分光器組合使用額外類似的偵測器陣列。光束分光器將輸入光(自樣本所收集之光)分裂成第一空間分離光分量及第二空間分離光分量，並將該等光分量分別沿第一光學路徑及第二光學路徑導向第一偵測器陣列及第二偵測器陣列。調整第一偵測器陣列及第二偵測器陣列以使得一個偵測器陣列之光敏區域曝露於分裂光分量的一部分中，而該等分裂光分量之另一部分傳播及入射至另一偵測器陣列之死區上。因此，在兩個偵測器陣列之間分割所收集光的光束分光器之使用賦能減少每一陣列之偵測器之間的死區效應。然而，習知光束分光器將所收集光之強度分成兩個等份，並在不同方向上導向該等光。此類分光導致所收集強度的僅50%到達每一偵測器且因此降低了光偵測之效率。

本發明係用於兩個偵測器陣列(分立光 敏區域之陣列)之間的所收集光之上述分裂。本發明提供經配置為空間光束塑型器之新穎光學元件，該空間光束塑型器在分裂輸入光並沿不同光學路徑導向輸入光的同時消除或至少明顯減少與此類分裂關聯的損失。

為此目的，本發明之光學元件具有光收 集表面，該光收集表面配置有預定圖案。圖案包括多個區域，該等區域將兩個或更多個不同光學效應應用於入射至該表面上的光分量，同時提供各別區域之間且因此對該等光分量之不同效應之間的實質平滑與連續過渡。此類不同光學效應包括影響光傳播方向以及光之衰減、波長及/或偏振特性的彼等光學效應。 根據一個特定實例，本發明之光學元件能夠將入射照明空間分離成沿不同光學路徑傳播的不同光分量，以使得入射至光學元件之光收集表面之一或多個預定位置上的光被導向一個光傳播通道，而入射至該表面之其他一或多個預定位置上的光被導向另一光傳播通道。

光學元件中的圖案包括以交替方式排列 之具不同光學特性之特徵，例如，沿光學元件的光透射率變化。在光分量之空間分離之特定實例中，光學元件中的圖案可呈交替的相對反射區域及透射區域形式，其中藉由具有透射特性及反射特性兩者的邊界區域(介面區域)使每兩個局部相鄰反射區域與透射區域彼此介接。因此，穿過經圖案化光學元件的光通路導致：沿光學元件的光透射率之變化提供了相對於該等光學特性中的至少一者之實質連續/平滑光輪廓。大體而言，光學元件誘導與該等光學元件相互作用的光之光特性之變化，同時此變化對於不同特性中 之各者係連續的。在關於光強度之空間分裂或空間光束塑型之特定實例中，光學元件中的圖案經設計以沿光學路徑中之各者提供實質連續的強度輪廓。在將不同光分量導向至不同光學通道上的情況中，光學元件提供用於消除或至少實質上減少通道之間過渡區域中的邊界效應及損失。

因此，本發明之光學元件包括光收集表 面，該光收集表面包含在光收集表面內以交錯/交替次序排列之具不同光學特性之複數個區域(例如，反射區域及透射區域或具有不同折射率的區域)。考慮透射區域及反射區域之上述實例，入射至光學元件之一個區域上的光經透射穿過該區域且因此導向一個通道，而入射至相鄰區域上的光經反射導向另一光學通道。

因此，將本發明之光學元件配置為空間 光束塑型器且尤其適用於掃描成像系統(例如，掃描光學顯微鏡)中，並將在下文中關於此特定應用描述該光學元件。然而，應注意，本發明之光學元件可用於任何類型光學系統，且因此本發明不受限於此類光學元件之任何特定使用。

因此，根據本發明之一個寬泛態樣，提 供一種空間光束塑型器結構，該空間光束塑型器結構包含光收集表面，該光收集表面包含呈多個表面區域形式之圖案，該等區域包含以交替方式排列之具兩種 不同光學特性之區域，其中具不同光學特性之每兩個相鄰區域之間的介面區域具有該兩種不同光學特性之兩者，該光收集表面由此影響入射至該表面上的光以提供具該等光學特性之至少一者之實質連續光輪廓。

應理解，此連續輪廓實際上對應於沿介面區域的各別光學特性之高平滑性。

根據本發明之另一寬泛態樣，提供一種供成像系統中使用之光學偵測單元。偵測單元包含：兩個偵測器陣列，每一偵測器陣列呈間隔分離光敏表面之陣列形式；及上述空間光束塑型器結構，位於朝向偵測器陣列傳播之光的光學路徑中。偵測器陣列經排列以使得一個偵測器陣列之光敏區域與另一偵測器陣列之光敏區域之間的間隔對準，其中在兩個偵測器陣列之相應光敏區域之間具有某些重疊區域。空間光束塑型器經配置以使得具不同光學特性之局部相鄰區域之間的介面區域具有重疊區域之影像的幾何結構及形狀。空間光束塑型器經配置用於將由具一種光學特性之區域之陣列所收集的第一光分量導向至一個偵測器陣列之光敏區域上，且將由具另一光學特性之區域所收集的第二光分量導向至另一偵測器陣列之光敏區域。

因此，根據本發明之又一寬泛態樣，提供一種空間光束塑型器結構，該空間光束塑型器結構 包含具有呈多個區域形式之圖案的光收集表面，該圖案包含以交替方式排列之具兩種不同光學特性之區域，其中具不同光學特性之每兩個相鄰區域之間的介面區域具有該兩種不同光學特性之兩者，該光收集表面由此影響入射至該表面上的光以提供具該等光學特性中之至少一者之實質連續光輪廓。

可藉由某一波長範圍之光的不同透射及 /或反射特徵化具不同光學特性之區域。根據一些實施例，具不同光學特性之區域可實質上為該波長範圍之反射區域及透射區域。

介面區域可經圖案化以提供光學特性之 連續/平滑過渡。該過渡可界定不同光學特性之間的過渡梯度。另外或替代地，圖案可經配置以界定具不同光學特性之區域之間的類鋸齒形過渡線。根據一些實施例，介面區域內的該圖案之特徵可具有根據偵測單元之光敏表面之參數所選擇之預定幾何結構及形狀。此類預定幾何結構及形狀可較佳地經配置用於在至少兩個光路徑之間以交替方式導向光束，同時逐漸自一個光路徑切換至另一光路徑。

根據一些實施例，圖案可呈某種材料之 多個區域形式，該材料之多個區域經印刷在不同材料之光收集表面上。應注意，可藉由各種提供色彩變化、具有或不具有孔隙(例如，反射材料中的槽縫或孔)之材料、具有不同梯度折射率的漫射區域的技術 及各種其他技術在空間光束塑型器上提供圖案。亦應注意，本發明之空間光束塑型器不受限於一種或其他圖案化技術。

根據本發明之又一寬泛態樣，提供一種 供成像系統中使用之光學偵測單元，該光學偵測單元包含：兩個偵測器陣列，每一偵測器陣列呈間隔分離光敏表面之陣列形式；及空間光束塑型器結構，如上文所界定位於朝向偵測器陣列傳播之光的光學路徑中，其中偵測器陣列經排列以使得一個偵測器陣列之光敏區域與另一偵測器陣列之光敏區域之間的間隔對準，其中在兩個偵測器陣列之相應光敏區域之間具有某些重疊區域，該空間光束塑型器經配置用於將由具一種光學特性之區域所收集的第一光分量導向至一個偵測器陣列之光敏區域，且將由具另一光學特性之區域所收集的第二光分量導向至另一偵測器陣列之光敏區域，該介面區域被配置為偵測器陣列中的重疊區域之影像。

根據本發明之一實施例，提供一種供光 偵測使用之方法，該方法包含藉由分立間隔分離偵測區域偵測光，該方法之特徵在於最小化因偵測區域之間的間隔造成的能量損失，該方法包含：對待偵測之光應用空間分裂以將光分裂成第一光部分及第二光部分，該分裂包含使待偵測之光與具不同透射及反射特性之交替區域之圖案相互作用，以便朝向該等間隔 分離偵測區域之第一陣列透射該第一光部分之間隔分離光分量，且朝向該等間隔分離偵測區域之第二陣列反射該第二光部分之間隔分離光分量，同時在具不同透射及反射特性之局部相鄰區域之間的介面區域內提供透射及反射特性之漸變。

根據本發明之一實施例，提供漸變包含 圖案化該介面區域以提供至少一種光學特性之平滑過渡，且其中該過渡界定不同光學特性之間的過渡梯度。根據本發明之另一實施例，圖案化包含利用根據該等間隔分離偵測區域之該第一陣列及該等間隔分離偵測區域之第二陣列中的至少一者之參數所選擇之預定幾何結構及形狀來配置圖案之特徵。根據本發明之又一實施例，圖案化包含在具有透射特性的表面上印刷具反射特性之多個間隔分離區域。

10‧‧‧光學元件

12‧‧‧區域/反射區域

14‧‧‧區域/透射區域

16‧‧‧介面區域

22‧‧‧光分量強度輪廓

24‧‧‧光分量強度輪廓

82‧‧‧偵測器單元/偵測器陣列

82(n)‧‧‧主動區域

82(n+1)‧‧‧主動區域

82(n+2)‧‧‧主動區域

82(n-1)‧‧‧主動區域

83‧‧‧重疊區域

84‧‧‧偵測器單元/偵測器陣列

84(n)‧‧‧主動區域

84(n+1)‧‧‧主動區域

84(n+2)‧‧‧主動區域

84(n-1)‧‧‧主動區域

86‧‧‧額外光學元件

90‧‧‧光束分光器

92‧‧‧光學組件/光導向元件

100‧‧‧收集單元

120‧‧‧輸入光學信號

200‧‧‧照明單元

300‧‧‧偵測單元

500‧‧‧光學成像系統

P‧‧‧影像平面

R‧‧‧光

R'‧‧‧光

R1‧‧‧光分量

R2‧‧‧光分量

SL‧‧‧掃描線

為了理解本發明及領會可如何在實踐中實施本發明，現將參看隨附圖式並僅藉由非限制性實例之方式描述實施例，在該等圖式中：第1A圖至第1C圖圖示根據本發明之實施例的光學元件之三個實例；第2圖圖示根據本發明之光學元件對與該光學元件相互作用之光強度的效應；第3圖以方塊圖方式圖示使用本發明之光學元件之掃描成像系統； 第4圖舉例說明可使用本發明之光學成像系統；第5A圖與第5B圖圖示具有兩個偵測器陣列且使用根據本發明之光學元件的偵測單元之實例；及此類偵測單元中所使用之操作偵測方案；以及第6圖舉例說明用於校準使用根據本發明之光學元件的偵測單元之適宜校準技術。

本發明提供一種經配置為空間光束塑型器之新穎光學元件，以便藉由對該等光分量應用不同光學效應並同時賦能該等不同效應之間的實質連續與平滑過渡來分裂光分量。

參看第1A圖至第1C圖，該等圖式示意性圖示本發明之光學元件之三個實例。為了促進理解，相同元件符號用於標示所有實例中共用之元件。大體而言，光學元件具有以交替方式排列之具至少兩種不同光學特性之區域形式的圖案，且經配置以使得具不同光學特性之每兩個相鄰區域之間的介面區域(邊界區域)具有該兩種不同光學特性中之兩者。此用於影響入射至光學元件上的光，以便將該光分裂成兩個或更多個空間分離分量，同時提供至少一個分裂分量中的具至少一種光學特性之實質連續光輪廓。藉此，實際上消除與朝向間隔偵測區域的光之分裂關聯的損失。

第1A圖圖示光學元件10，該光學元件 包括由區域之陣列形成之圖案，該等區域包括具不同光學特性之區域，在本非限制性實例中展示具第一光學特性之四個此類區域12及具第二光學特性之四個區域14。舉例而言，藉由光(例如，特定光譜範圍之光)之不同透射呈現不同光學特性。更特定言之，區域12為反射性的而區域14為透射性的。大體而言，區域12及14可具有或可不具有相同幾何結構及/或尺寸。入射光與區域12及14之相互作用將此光分裂成多個光分量，該等光分量將沿不同(空間分離)光學路徑傳播。應理解，替代地或另外，光學元件中的圖案可對與其相互作用之光應用其他效應以將此光分裂成具有不同波長及/或不同偏振的分量。因此，通常，本發明之光學元件包括分別具有兩種不同光學特性的兩個群組或區域。然而，應注意，可使用具有三種不同光學特性的三個群組之區域或大體上任何數目之群組。

根據本發明，在每兩個相鄰區域12與14 之間(或大體而言，在此類相鄰區域之至少一些之間)提供介面區域(大體上以16指示)，其中每一介面區域16經配置以具有兩個不同相鄰區域之光學特性之兩者。在透射區域12及反射區域14之此特定實例中，介面區域16為部分透射性的及部分反射性的。因 此，使用介面區域16提供了不同光學特性之間的連續與平滑過渡，從而提供光學特性之漸變。

第1B圖與第1C圖圖示在介面區域16 之配置方面不同的光學元件10之實施方式之更特定實例。具不同光學特性之相鄰區域之間介面處的區域16經配置以提供影響入射至光學元件10上的光分量之不同光學特性之間的實質平滑過渡。考慮光學元件10包括反射區域12及透射區域14之實例，介面區域16經配置以使得沿該介面16之透射率逐漸減小而反射率逐漸增大或反之亦然。在第1B圖之實例中，透射/反射特性沿介面區域逐漸變化，而在第1C圖中，藉由使用經選擇以影響某一實體尺寸之光點(光束之橫截面維度)的幾何結構之陡峭介面(例如，鋸齒圖案)實施類似效應。

光學元件10可經配置為由實質透明材 料組成物(例如，玻璃)製成之板材，其中藉由反射塗層覆蓋間隔分離區域12，留下透射區域14位於該等區域之間的間隔內。在第1B圖之光學元件中，反射塗層之密度在區域12之周邊處逐漸變化，以提供與透射區域14之介面16處的平滑過渡。在第1C圖之光學元件中，區域12之周邊處的反射塗層具有某一界限分明之圖案(例如，界定複數個齒的類鋸齒形)，從而界定介面區域16。具反射特性之此類圖案提供的是：對有限實體尺寸之光點的整體效應與反射塗層之漸 變密度實質類似。因此，如圖式中舉例說明的，透射區域14與反射區域12之間的介面16提供了相鄰區域之效應之間的實質平滑過渡。

現參看第2圖，該圖圖示強度輪廓22及 24對應於自本發明之光學元件反射及透射穿過本發明之光學元件之光分量。如圖所示，兩個光分量之強度輪廓為連續的。此歸因於提供了介面區域16；缺少此區域，則光輪廓將不連續。自光學元件反射之光分量之強度22沿反射區域12為實質恆定的，且沿介面區域16逐漸減小並在到達區域14時消失。類似地，透射穿過元件之光分量之強度24沿透射區域14為實質恆定的，且沿介面區域16逐漸減小並在到達區域12時消失。

如上文所指示，本發明之光學元件尤其 適用於使用兩個或更多個偵測通道的成像系統中，該成像系統通常用於掃描系統中。參看第3圖，該圖以方塊圖方式圖示光學成像系統500，該光學成像系統包括：用於照射樣本之照明單元200(通常包括光源系統及可能的一或多個光引導元件)；及偵測單元300。偵測單元300包括光收集單元100，該光收集單元經配置以收集自樣本上的照射區域/光點返回(散射/反射/透射)的光。在本非限制性實例中，示意性圖示光收集之反射模式。舉例而言，照明通道/單元可經配置以藉由照明光點沿掃描線SL掃描樣本 之表面。光偵測單元300界定分別與至少兩個偵測器單元關聯的至少兩個偵測通道，每一偵測器單元呈光敏區域之陣列形式。在本實例中，圖示兩個偵測器陣列82及84，該等陣列界定位於不同平面內的兩個(大體而言，至少兩個)光敏表面。

光收集單元100包括本發明之空間光束 塑型元件10，且亦可包括用於光收集並將光成像在偵測器單元82及84之光敏表面上的其他光學元件。偵測器單元經配置為感測器陣列，例如以便避免對根據照明點之移動沿掃描線SL移動偵測器的需要。

第4圖圖示根據習知技術(亦即，不具有 本發明之光學元件)所配置之類似光偵測單元300中的光傳播方案。偵測單元300具有光學偵測器82與84之兩個偵測器陣列及光導向光學裝置。自樣本R'返回的光入射在習知光束分光器90上且被分裂成兩個空間分離分量R1與R2，即為反射分量與透射分量。藉由通常包括鏡面之光學組件92將該等兩個光分量R1與R2導向光學偵測器82與84之光敏表面(如圖所示)。偵測器單元82與84(該等偵測器單元之光敏表面)可位於相同或不同影像平面P處，或位於與其共軛之一或多個平面處，在此情況下可使用額外光學元件86(通常為成像透鏡)將光導向至偵測器單元。

舉例而言，考慮以下情況：可操作以使 用移動照明點掃描樣本之掃描成像系統掃描樣本之表面，同時收集自表面上的相繼照明點返回的光。為了減少移動元件之數目及增加偵測效率，可使用光偵測器(例如，光電二極體)之陣列(通常為一維陣列)。 如上文所描述，由於陣列內偵測器元件之間的間隔(死區)，使用光偵測器陣列之此類配置將遭受盲區/死區或較低解析度(影像資料損失)，此類盲區源自工程化及/或影像處理限制。此可藉由使用兩個偵測器陣列82與84來避免，該等偵測器陣列經配置以部分重疊，以使得一個偵測器陣列82之光敏區域與另一偵測器陣列84之兩個光敏表面之間的死區重疊，從而沿掃描線提供連續偵測。為此目的，使用光束分光器90在兩個偵測器陣列之間分裂所收集之光R'。然而，此類標準分裂導致每一偵測器陣列僅接收所收集光強度之至多50%。在許多光學應用中，尤其是在掃描顯微鏡中，所收集信號之強度係受限的(由於自樣本散射之結果)，且因此在偵測階段甚至減少更多可減小偵測之信號雜訊比(signal to noise ratio；SNR)及使得此方法不切實際。此外，在一些應用中，照明強度不得不受到限制，以便避免對樣本的損壞，此將亦導致弱偵測信號。

在與多個偵測器陣列關聯的光收集單元 100中提供本發明之空間光束塑型器元件10(如上文 所描述來配置)提高了光收集效率，同時解決了沿偵測器陣列的死區問題。就此而論，參看第5A圖與第5B圖，該等圖圖示使用具有本發明之光學元件10的收集單元100之偵測單元300之配置及操作方案。

收集單元100包括本發明之空間光束塑 型器10，該空間光束塑型器相對於所照射之樣本位於影像平面P處。在此實例中，收集單元100包括光導向元件(例如，鏡面)92，該光導向元件經配置以將所收集光R'導向至預定影像平面P，在該影像平面P處安置光學元件10以在兩個偵測器單元82與84之間分割所收集之光。偵測器單元82及84呈偵測器陣列形式且經排列以使得一個陣列中的偵測器之主動區域(光敏區域)覆蓋(例如，對準)另一偵測器陣列之被動區域(死區)，從而沿系統之掃描線一起偵測連續區段。光學元件10經配置以將一個群組之光分量導向(例如，自該光學元件反射)至一個偵測器陣列之主動區域，且將另一群組之光分量導向(例如，從中穿過透射)至另一偵測器陣列之主動區域。

第5B圖舉例說明供本發明之系統中使 用之兩個偵測器陣列中的偵測器(主動區域/光敏表面)之排列，其中提供沿平行於掃描線SL之軸的兩個偵測器陣列之主動區域之重疊排列。更特定言之，該圖圖示偵測器陣列82之四個間隔分離主動區域82(n-1)、82(n)、82(n+1)及82(n+2)與偵測 器陣列84之四個類似主動區域84(n-1)、84(n)、84(n+1)及84(n+2)。如圖所示，沿掃描線SL，使一個偵測器之主動區域以相對於另一偵測器之主動區域交錯方式排列，且兩個偵測器之相應主動區域沿掃描線軸部分地重疊。應理解，當所有區域被投影在共用軸上時，兩個偵測器陣列之相應區域為相鄰區域。藉此，提供沿掃描線(scan-line；SL)的照射區域之連續偵測。偵測器之相應主動區域之間的重疊用於減少邊界效應。

然而，如上文所描述，若與習知光束分 光器一起使用，則兩個偵測器陣列之主動區域之此類排列在每一偵測器陣列處將遭受不超過50%之強度。為此目的，本發明使用如上文所描述來配置之空間光束塑型器10(亦即，在兩個區域之間具有多種光學特性之介面區域，每一區域具有該等光學特性之一者)，其中介面區域具有對應於偵測器陣列之相應主動區域之間重疊區域的幾何結構及尺寸。換言之，光學元件10之介面區域(第1A圖至第1C圖中的16)與偵測器單元中的重疊區域83經較佳配置為彼此之影像。此配置提供的是：當樣本上的點/光點經照射及經由光學元件10成像在一個偵測器之主動區域上時，所收集光之全部強度到達該偵測器。當照射點位於樣本上的一點處時，該點處該樣本之影像/投影對應於偵測器單元之重疊區域83，由光學元件10之一 或多個介面區域16收集所偵測之光，原因在於介面區域內的光學特性之兩者皆將所收集光導向兩個偵測器陣列。因此，藉由重疊區域83內的任何偵測器所偵測之光強度沿重疊區域變化，而藉由該重疊區域內的兩個偵測器所偵測之強度對應於所收集之總強度。

應注意，可根據光學系統之收集點散佈 函數(Point Spread Function；PSF)及/或收集像素尺寸選擇沿介面區域的光學特性變化之圖案，亦即，圖案特徵具有比光學元件上的照射點投影小的尺寸。更特定言之，例如返回至第1C圖，鋸齒圖案之空間頻率或齒間之距離可經選擇以具有該圖案上的照射點投影之等級或較之更小(實際上所收集之光傳播穿過收集光學通道，直至到達光學元件)。

應進一步注意，如第5A圖至第5B圖中 所舉例說明之偵測單元300之上述配置賦能偵測器陣列之每一主動區域之獨立校準，以及每一主動區域之輸出之獨立處理。就此而論，應理解，不同光敏表面82(n)(例如，像素)通常不等於對光學信號的回應。為了提供精確偵測，應較佳地獨立處理偵測器陣列之光敏區域中各者之輸出資料。本發明之空間光束塑型器10在偵測單元之收集通道中的使用實際上用於產生虛擬偵測元件，該等虛擬偵測元件由非重疊區域(樣本上的僅藉由一個偵測器偵測所有所收集之光的區域)以及重疊區域(樣本上的藉由兩個相鄰偵測 器同時偵測所有所收集之光的區域中)組成。應進一步注意，相鄰虛擬偵測器在偵測路徑中可或可不實體相鄰。

現參看第6圖，該圖舉例說明與校準技術 相關的一些態樣，用於校準使用本發明之光學元件的偵測器單元中的兩個偵測器陣列。應注意，理想偵測器將提供對類似信號的類似回應，如例如第2圖中所示。然而，實際偵測器通常在回應函數方面改變，且因此輸出信號大體上並不相同。如下文中所描述，適當校準過程提供基線以便區分輸出值變化與待量測之輸入信號之相應指示。該圖圖示四個曲線圖A至D，其中曲線圖A對應於兩個偵測器陣列對沿相對於掃描線的縱向軸之預定強度之均勻輸入光學信號120的目標回應(所欲輸出)之橫截面；曲線圖B展示回應於均勻輸入光學信號120而由偵測器陣列之不同主動區域82(1)至82(6)及84(1)至84(6)產生之輸出信號之橫截面；曲線圖C展示針對偵測器陣列之每一主動區域計算之相對增益因數之曲線，以便獲得所欲輸出回應(亦即，曲線圖A中所描繪之信號120)；且曲線圖D展示來自不同主動區域之個別輸出信號之增益因數相乘後的所欲輸出影像。在該圖中，以任意單位描述所有垂直軸，而水平軸指示樣本上的掃描位置(亦即，縱向X軸)。如曲線圖A所示，相對於輸入光學信號之精確位置(亦即，樣本上的掃 描位置)及相對於偵測器之個別光敏區域，偵測器陣列之所欲回應通常係均勻的。為了實現此回應，校準技術涉及控制光學輸入信號(亦即，樣本輸入)且對應於控制輸入信號使用偵測器之輸出資料(校準信號)之處理，該輸出資料為沿掃描線之不同光敏區域所量測。在曲線圖B中，針對偵測器陣列82(1)至82(6)及84(1)至84(6)之不同光敏區域展示此校準信號之實例。如曲線圖中可見，虛擬偵測器中之各者之回應具有相對於掃描位置(輸入位置)之梯形，同時與曲線圖A之所欲回應具有各種偏差。光敏區域之梯形回應歸因於在光收集通道中提供空間光束塑型器提供了偵測器陣列之相應區域之間的平滑過渡。舉例而言，當兩個區域之間關於光強度輪廓的過渡為連續時，光學元件之第一區域(沿掃描線)將光導向(例如，反射入射至該區域上的光)至偵測器陣列82之光敏區域82(1)，且光學元件之第二區域將光導向(例如，透射入射至該區域上的光)至偵測器陣列84之光敏區域84(1)。

校準技術涉及增益因數之計算以便校準 偵測器陣列之「原始」輸出信號。曲線圖C展示沿掃描線相對於不同位置之此類增益因數之曲線，該等增益因數係根據曲線圖B之量測回應及曲線圖A中所示之所欲回應來計算。針對每一光敏區域單獨計算增益因數且該等增益因數對應於沿掃描線的不同位置，從 而賦能精確偵測，而與光敏區域之回應之間的細微變化無關。應注意，由於上文所描述之空間光束塑型器之使用，對於沿掃描線的任何點，所收集光之實質上所有強度到達偵測器單元，並可量測該強度。曲線圖D圖示使用上述校準技術處理後由偵測單元300產生之所欲均勻影像。此曲線圖展示出在偵測器陣列之不同光敏區域之回應中的非常細微變化。

因此，本發明提供新穎光學元件及光學偵測系統，該新穎光學元件經配置以在至少兩種光學特性之間提供平滑過渡，該光學偵測系統經配置以消除或至少明顯減少偵測通道之死區。熟習此項技術者將易於瞭解，可在不脫離隨附申請專利範圍中所定義並藉由隨附申請專利範圍所界定之範疇的情況下對上文所描述的本發明之實施例應用各種修改及變化。

22‧‧‧光分量強度輪廓

24‧‧‧光分量強度輪廓

Claims (19)

1. 一種空間光束塑型器結構，該空間光束塑型器結構包含一光收集表面，該光收集表面經配置用於影響入射至該表面上的光以提供具至少一種光學特性之一實質平滑光輪廓，該光收集表面具有呈多個表面區域形式的一圖案，該等表面區域包含以一交替方式排列之具至少兩種不同光學特性之區域，其中具該等不同光學特性之每兩個局部相鄰區域之間的一介面區域具有該至少兩種不同光學特性，以在該介面區域內提供該等不同光學特性之實質平滑過渡。
2. 如請求項1所述之空間光束塑型器結構，其中藉由某一波長範圍之光的不同透射表徵具不同光學特性之該等區域。
3. 如請求項1所述之空間光束塑型器結構，其中具不同光學特性之該等區域實質上為某一波長範圍之反射區域及透射區域。
4. 如請求項1所述之空間光束塑型器結構，其中該介面區域經圖案化以提供該至少一種光學特性之平滑過渡。
5. 如請求項4所述之空間光束塑型器結構，其中該過渡界定該等不同光學特性之間的一過 渡梯度。
6. 如請求項4所述之空間光束塑型器結構，其中該圖案經配置以界定具不同光學特性之該等區域之間的一類鋸齒形過渡線。
7. 如請求項4所述之空間光束塑型器結構，其中該介面區域內的該圖案之一特徵具有根據一偵測單元之一光敏表面之一參數所選擇之預定幾何結構及形狀。
8. 如請求項1所述之空間光束塑型器結構，其中該光收集表面上的該圖案呈具一種光學特性之多個間隔分離區域形式，具該光學特性之該等區域經印刷在具有另一光學特性的該表面上。
9. 一種供一成像系統中使用之光學偵測單元，該光學偵測單元包含：兩個偵測器陣列，每一偵測器陣列呈間隔分離光敏區域之一陣列形式；及如請求項1所述之該空間光束塑型器結構，該空間光束塑型器結構經調整位於朝向該等偵測器陣列傳播之光的一光學路徑中，其中該等偵測器陣列經排列以使得一個偵測器陣列之光敏區域與另一偵測器陣列之該等光敏區域之間的間隔對準，其中在該兩個偵測器陣列之相應光敏區域之間具有某些重疊區域， 該空間光束塑型器經配置用於將由具一種光學特性之該等區域所收集的第一光分量導向至一個偵測器陣列之該等光敏區域，且將由具另一光學特性之該等區域所收集的第二光分量導向至另一偵測器陣列之該等光敏區域，該介面區域被配置為該等偵測器陣列中的該重疊區域之一影像。
10. 如請求項9所述之光學偵測單元，其中藉由某一波長範圍之光的不同透射表徵不同光學特性之該等區域。
11. 如請求項9所述之光學偵測單元，其中具不同光學特性之該等區域實質上為某一波長範圍之反射區域及透射區域。
12. 如請求項9所述之光學偵測單元，其中該介面區域經圖案化以提供該至少一種光學特性之平滑過渡。
13. 如請求項9所述之光學偵測單元，其中該過渡界定該等不同光學特性之間的一過渡梯度。
14. 如請求項9所述之光學偵測單元，其中該介面區域內的該圖案之一特徵具有根據該偵測單元之一光敏表面之一參數所選擇之預定幾何結構及形狀。
15. 如請求項9所述之光學偵測單元，其中 該光收集表面上的該圖案呈具一種光學特性之多個間隔分離區域形式，具該光學特性之該等區域經印刷在具有另一光學特性的該表面上。
16. 一種供光偵測中使用之方法，該方法包含以下步驟：藉由分立間隔分離偵測區域偵測光，該方法之特徵在於最小化因該等偵測區域之間的該等間隔造成的能量損失，該方法包含以下步驟：對待偵測之光應用空間分裂，將該光分裂成第一光部分及第二光部分，該分裂之步驟包含以下步驟：使該待偵測之光與不同透射及反射特性之交替區域之一圖案相互作用，以便朝向該等間隔分離偵測區域之一第一陣列透射該第一光部分之間隔分離光分量，且朝向該等間隔分離偵測區域之該第二陣列反射該第二光部分之間隔分離光分量，同時在具該等不同透射及反射特性之局部相鄰區域之間的一介面區域內提供該等透射及反射特性之漸變。
17. 如請求項16所述之方法，其中該提供漸變之步驟包含以下步驟：圖案化該介面區域以提供該至少一種光學特性之平滑過渡；且其中該過渡界定該等不同光學特性之間的一過渡梯度。
18. 如請求項17所述之方法，其中該圖案化之步驟包含以下步驟：利用根據該等間隔分離偵 測區域之該第一陣列及該等間隔分離偵測區域之第二陣列中的至少一者之一參數所選擇之預定幾何結構及形狀配置該圖案之一特徵。
19. 如請求項17所述之方法，其中該圖案化之步驟包含以下步驟：在具有透射特性的一表面上印刷具反射特性之多個間隔分離區域。