包括空间光调制器的光谱仪的制作方法
【专利说明】包括空间光调制器的光谱仪
[0001]本发明涉及一种光谱仪，该光谱仪包括一个空间光调制器(SLM)，如数字微镜装置(DMD) ο
[0002]光谱仪用于对光辐射从紫外到红外光谱区域的取决于波长的强度变化进行分析。典型地，色散元件(如棱镜或衍射光栅)用于这些光谱仪中以按照波长在优选色散平面中使入射光辐射色散。提供了一种输入端，该输入端包括入射场光阑，典型地如入射狭缝，充当一个带通限制器用于有待入射在色散元件上的光辐射。此场光阑本质上决定了光谱仪的光学分辨率和通量。
[0003]如众所周知，可以移动色散元件，典型地绕着一个垂直于色散平面的轴转动，以便通过输出端来扫描色散后的光辐射的相关波长区域中的单独波长，该输出端可以是检测器、出射狭缝或其他光辐射收集器。这使得对用于实现经常沉重的色散元件的移动的机械系统提出显著的精度要求，并且已知这种系统易受外部机械干扰和磨损的影响。
[0004]此问题的一种已知的解决方案是提供一种光谱仪，该光谱仪具有一个静止色散元件并且结合了可单独寻址的元件的检测器阵列来代替典型地与可移动色散元件结合使用的单个检测器。静止色散元件操作用于使相关波长区域色散，跨检测器阵列中的元件按照波长在色散平面中分布该波长区域。然而，信号检测要求复杂且相对昂贵的电子器件，并且检测器阵列本身就相对昂贵，特别是针对适用于检测红外区域中的波长的检测器阵列。
[0005]此外，从例如转让给美国德州仪器公司的US5504575 了解到包括SLM的光谱仪解决了色散元件的机械移动以及检测器阵列的使用的问题。根据已知的SLM光谱仪，提供了一种输入端，通过该输入端照亮通常具有优选色散平面的静止棱镜、光栅或是其他类型的波长色散元件。提供了一种SLM(如DMD、磁光调制器或液晶装置)用于接收(按照波长跨其活性表面分布)色散元件在优选色散平面中已经色散的整个相关波长区域。通过激活(或去激活)其活性表面的多个小部分(即，单元)，该SLM可操作用于选择性地将所接收到的相关波长区域中的波长部分引导至该输出端。通过适当地激活和去激活单独单元或单元组(典型地，在垂直于色散平面的方向上的单元组，即，列)，可以向该输出端提供所接收的相关波长区域的不同的窄波带。以此方式，可以跨该输出端按顺序扫描整个相关波长区域，并且可以使用单个检测器元件。
[0006]已知的SLM光谱仪的一个问题是该SLM元件必须足够大，从而使得在不折衷分辨率或光效率的情况下，在其活性表面上入射色散光谱中的整个相关波长区域。特别是当将DMD装置用作SLM时，存在引入更小、成本更低的装置的趋势，该趋势致使更大的、至少更昂贵的装置被淘汰。被安置以便一起接收整个相关波长区域的多个SLM元件的使用也是成本太尚。
[0007]本发明的目的是至少减轻上述与SLM光谱仪相关联的问题。相应地，本发明的第一个方面提供了一种光谱仪，该光谱仪包括:一个用于光辐射的输入端；一个用于按照波长使来自该输入端的入射光辐射色散的色散元件；一个输出端和一个空间光调制器(SLM)，如DMD，该输出端和该空间光调制器被安置成用于接收该色散元件所色散的一个光辐射波长区域并且可操作用于选择性地引导所接收到的波长区域的多个波长部分以便在该输出端处进行接收；其中，该输入端被配置成用于提供多个入射场光阑，通过这些入射场光阑中，在使用时照亮该色散元件并且这些入射场光阑中的每一个被安置成用于在该SLM处生成一个不同的、可能重叠的波长区域。入射场光阑的数量和位置可以被选择成使得它们相关联的不同波长区域一起在SLM处提供比单独波长区域中的任何波长区域更大的相关波长区域。通过使用多个入射场光阑，可以在同一 SLM多路复用多个不同光谱区域，并且由此使小SLM具有和更大的SLM相同的表现。因此，可以通过单独波长区域的合适的组合在输出端处生成扩展波长光谱，而不需要增加SLM的物理大小。
[0008]在一个实施例中，提供了多个光辐射源，每个光辐射源用于通过相关联的不同入射孔径(充当入射场光阑)照亮色散元件。该多个光辐射源中的每个源被配置成用于生成光辐射，该光辐射具有一个基本上为在SLM处通过其相关联的孔径生成的那个波长区域的波长范围。以此方式，可以使该光谱仪更加能量高效，因为基本上在SLM提供了源所产生的所有能量。
[0009]参考附图中的图，从以下示例性实施例的描述的考虑将更好地理解本发明的这些和其他优点，附图中:图1展示了根据本发明的SLM光谱仪的功能框图；图2展示了图1中概括展示的SLM光谱仪的时分多路复用实施例；图3展示了图1中概括展示的SLM光谱仪的空分多路复用实施例；图4展示了图1中概括展示的SLM光谱仪的第二时分多路复用实施例。
[0010]现在参考图1，根据本发明的光谱仪2包括一个具有多个入射场光阑的输入端4，光辐射8可以通过这些入射场光阑中的每一个照亮同一个色散元件6。取决于光谱仪2的预期用途，光辐射8可选地由光辐射源10生成或者可以从正在调查的样品材料放射出来。输入端4可以(例如但不限于)包括多个单独入射孔径、单个可移动入射孔径或一个IXD屏幕或其他第二 SLM装置，该装置的元件是可控制的以便模拟物理入射孔径，如将在下文中详细描述的。
[0011]提供色散元件6(其可以是例如但不限于棱镜、透射或反射衍射光栅)用于按照波长使经由输入4的入射场光阑传递至该色散元件的入射光辐射色散。空间光调制器(SLM) 12被定位成用于接收按照波长跨活性表面14分布的色散后的光辐射的至少一部分。SLM 12具有已知的结构，为或者反射或者透射装置，其中，活性表面14包括以列的方式安排的可单独控制元件阵列，从而使得该阵列中的不同列将接收色散元件6通过不同角度已经色散的波长或波长窄带。
[0012]提供输出端16(其可以是例如但不限于出射端口、光纤束端、检测器或其他光收集器)用于接收通过SLM 12的活性表面14的元件的适当操作被引导至该输出端处的光辐射。以一种已知的方式将控制器18配置成用于控制SLM 12、以及可选地输入端4和辐射源10的操作。
[0013]以上已经就功能块元件方面描述了光谱仪2，并且将认识到，这些元件中的任一个或多个可以包括一个或多个可操作地连接的单独单元用于提供所述功能性。此地，还将认识到，其他光学组件(如反射镜、聚焦和/或准直光学器件)可以包括在光谱仪2中，但对本发明的理解而言不是必不可少的，并且所以从根据本发明的光谱仪2的以上概述中予以省略。
[0014]现在参考图2，展示了根据本发明的图1的光谱仪2的实施例20被配置用于时分多路复用操作。平场成像类型的凹面聚焦反射衍射光栅22在使用时通过多孔径输入端24被照亮，该输入端由多个(展示了两个)入射场光阑形成，此处为物理入射狭缝C、D。衍射光栅22生成狭缝C、D的图像，该图像按照波长分量跨DMD 26形式的SLM被色散，如本领域众所周知的，其活性表面14(面向光栅22)包括可共同操作用于形成以上参考图1所描述的列的反射镜天线阵列。
[0015]DMD 26可操作用于选择性地将入射波长区域的波长部分引导至光纤输出端28。提供了光辐射源10，在本实施例中，该光辐射源包括多个(展示了两个)可单独激励的光源Sc、SD，这些光源中的每一个与该多个入射狭缝C、D中的一个相应入射狭缝相关联，并且在一个实施例中，可以被配置成用于仅生成在基本上与跨DMD 26色散的那个区域相对应的波长区域中的光辐射。在其他实施例中，源10可以包括用于照亮所有入射场光阑的单个宽带辐射源。