用于光谱分析的光谱仪器和方法
【专利摘要】一种光谱仪器(38)包括：第一光学部件(48)，所述第一光学部件(48)用于对入射到所述第一光学部件(48)上的多色光束(46)进行空间光谱分离；物镜(50)，所述物镜(50)将多种不同光谱区(B1，B2，B3)的分离光束(46a，46b，46c)发送到不同的空间区域(52a，52b，52c)上；以及传感器(54)，所述传感器(54)在所述分离光束(46a，46b，46c)的光路中位于所述物镜(50)的下游，所述传感器(54)具有多个光敏传感器元件(54a，54b，54c)。所述传感器元件(54a，54b，54c)以下述的方式被布置在所述分离光束46a、46b、46c的光路中，即，使得每个所述传感器元件(54a，54b，54c)记录所述光束(46)的光谱扇区(A1，A2，A3)的强度，并且所述光谱扇区(A1，A2，A3)的中值(Mk1，Mk2，Mk3)彼此等距地位于k空间中，其中(k)表示波数。
【专利说明】用于光谱分析的光谱仪器和方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及一种光谱仪器(特别是用于光谱仪器的成像系统)、一种用于光学相干层析成像的系统并且还涉及一种光谱分析的方法。
【背景技术】
[0002]光学相干层析成像(简称0CT)用于对样本进行二维和三维(简称2D和3D)的结构检验。在所谓的谱域OCT(简称SD 0CT)或所谓的频域OCT(简称FD 0CT)中，对光谱为宽频带(即，多色)的光束进行光谱分析。为此，光谱仪器开始运行。所述光束被耦合到所述光谱仪器中，在所述光谱仪器中对所述光束进行光谱分离，并且光谱强度分布(光谱)1在具有多个传感元件的传感器的帮助下被记录。于是从该光谱强度分布I可以推断被检验的样本的空间结构并且可以确定所述样本的一维(简称1D)层析X线断层照片(所谓的A型扫描)。
[0003]为了确定A型扫描，所述光谱强度分布I应当随波数k分布(即，I = I(k))，从而在其中产生的周期性(所谓的调制频率)直接提供关于样本的空间结构的信息。如果所述光谱强度分布的强度值可用于彼此相差一固定的波数范围Ak(或Ak的多倍)的不同的波数k，那么所述调制频率可以从所述光谱强度分布容易地确定。这允许所述光谱随所述波数k线性地成像。
[0004]然而，在用于测量光谱强度分布的传统的光谱仪器中，所述光谱通常以下述的方式被成像到传感器上，即，使得针对彼此大体上相差一固定的波长范围Λ λ (或Λ λ的多倍)的不同的波长λ来记录强度值。也就是说，所述光谱强度分布随所述波长λ被线性地采样。因为所述波长λ和波数k以通过1? = 2π/λ的非线性方式被相互关联，因此所述光谱随k以非线性形式获得。为了确定所述调制频率，因此不得不通过适当的数据处理来从随k为线性的光谱I ( λ )确定随k为线性的光谱I (k)。该过程被称为重采样。所述重采样需要一定的计算时间，这使OCT信号的快速表示变得困难，特别是当大量数据被确定以用于光谱强度分布时。此外，所述重采样通常伴随着随测量深度的灵敏度的下降(即，信噪比(signal-to-noise rat1, SNR)中的质量损失,被称为SNR下降、SNR折中或灵敏度下降)。
[0005]关于光学相干层析成像(特别是与光学相干层析成像有关的光谱分析)的更广泛的信息，可以在以下文献中找到:
[0006]W.Drexlerj J.G.Fujimoto:Optical Coherence Tomography: Technology andApplicat1ns, Springer Verlagj Berlin Heidelberg New York2010 (光学相干层析成像:技术及应用，桕林海德尔堡纽约施普林格出版社，2010)；
[0007] V.M.Gelikonovj G.V.Gelikonovj P.A.Shi lyagin: Linear-WavenumberSpectrometer for High-Speed Spectral-Domain Optical Coherence Tomography, Opticsand Spectroscopy, 106，459-465，2009 (用于高速光谱-频域光学相干层析成像的线性波数光谱仪，光学和光谱学出版社，106，459-465，2009)；[0008]V.M.Gel ikonov, G.V.Gel ikonov, P.A.Shi lyagin:Linear wave-numberspectrometer for spectral domain optical coherence tomography, Proc.SPIE6847,68470N，2008(用于谱域的光学相干层析成像的线性波数光谱仪，Proc.SPIE6847，68470N，2008)；
[0009]Z.Hu, A.M.Rollins:Fourier domain optical coherence tomography with aIinear-1n-wavenumber spectrometer, Optics Letters, 32, 3525-3527, 2007 (具有线性波数光谱仪的傅立叶域光学相干层析成像技术，光学快报，32，3525-3527，2007)。
【发明内容】
[0010]本发明的实施例的目的是提出一种光谱仪器(特别是一种用于光谱仪器的成像系统)、一种用于光学相干层析成像的系统以及一种用于光谱分析的方法，所述光谱仪器、所述系统以及所述方法能够迅速确定高图像质量的断层照片。
[0011]根据有利的实施例，光谱仪器包括:第一光学部件，所述第一光学部件用于对入射到所述第一光学部件上的多色光束进行空间光谱分离；物镜，所述物镜将多种不同光谱区的分离光束发送到不同的空间区域上；以及传感器，所述传感器在所述光束的光路中位于所述物镜的下游，所述传感器具有多个光敏传感器元件，所述传感器元件被布置在所述分离光束的光路中，使得每个所述传感器元件记录所述光束的光谱扇区的强度，并且所述光谱扇区的中值彼此等距地位于k空间中，其中k表示波数。换句话说:在经过所述第一光学部件和所述物镜后，所述多色光束的光谱随所述波数k被线性地成像到所述传感器上。
[0012]因此，所述光谱仪器本身提供了随所述波数k呈线性的光谱强度分布。因此，没必要对从所述光谱仪器输出的原始数据进行后来的重采样。因此，所提出的光谱仪器使得用于OCT断层照片的提取所需的时间被减少。此外，由于所述重采样，分辨率随测量深度的损失可以被避免和/或被减少。
[0013]所述第一光学部件可以采用衍射部件的形式。具体地，衍射部件可以采用衍射光栅、透射光栅、反射光栅、立体光栅、浮雕光栅、振幅光栅、全息光栅和/或菲涅尔波带片的形式。所述衍射部件的衍射中心具体由狭缝，凹槽，板条，凸台和/或菲涅耳带构成。所述第一光学部件的衍射中心可以彼此不等距地(具体地，具有略微变化的相互的衍射中心间距)被布置。具体地，所述第一光学部件的衍射中心相对于彼此以下述的方式被布置和/或所述第一光学部件相对于所述入射光束以下述的方式被布置，即，使得所述第一光学部件呈现角色散d Θ /dk，在这种情况下，与进入所述第一光学部件的所述光束相关联的从所述第一光学部件出射的所述光束的衍射角Θ线性地取决于所述波数k。就衍射问题的程度而言，在下文中仅能明白第一衍射级。衍射中心可以呈现略微变化的光栅常数。
[0014]所述第一光学部件可以采用分散部件的形式。分散部件可以采用楔形结构和/或棱镜(具体地，色散棱镜和/或反射棱镜)的形式。所述棱镜的几何形状(例如，折射角α )、材料(例如，玻璃)和/或材料的光学特性(例如，折射率n (k)和/或色散dn/dk)可以以下述的方式选择和/或所述棱镜可以相对于所述入射光以下述的方式被设置，使得所述第一光学部件呈现角色散d Θ /dk，在这种情况下，与进入所述第一光学部件的所述光束相关联的从所述第一光学部件出射的所述光束的衍射角Θ线性地取决于所述波数k。
[0015]所述第一光学部件可以采用光栅棱镜(所谓的棱栅)的形式。所述光栅棱镜可以采用模块单元的形式，所述模块单元由色散部件(例如，棱镜)和衍射部件(例如，衍射光栅)组成。所述模块单元可以被设计成使得所述色散部件和衍射部件被设置为相对于彼此不可调节。为此，多个衍射中心(例如，通过适当的涂层，气相沉积，浮雕，刻痕或类似物)可被应用到棱镜的表面上。所述棱镜的几何形状(例如，折射角α)，材料(例如，玻璃)和/或材料的光学性质(例如，折射率n(k)和/或色散dn/dk)可以以下述的方式被选择和/或应用到所述棱镜上的衍射光栅的衍射中心可相对于彼此以下述的方式被布置和/或所述光栅棱镜可相对于所述入射光以下述的方式被设置，即，使得所述光栅棱镜根据与所述光栅棱镜的光栅的光栅角色散和所述光栅棱镜的棱镜的棱镜角色散组合的角色散d Θ /dk对所述光束进行分离，在这种情况下，与进入所述第一光学部件的所述光束相关联的从所述第一光学部件出射的所述光束的衍射角Θ线性地取决于所述波数k。
[0016]所述物镜可以呈现这样的特性:使从物体侧上的第一光学部件发出的所述分离光束的准直射线束在经过所述物镜之后被聚焦在所述图像侧上的焦点上，在所述准直射线束相对于所述物镜的光轴以增大的入射角入射到所述物镜的情况下，所述焦点与所述物镜的光轴的侧向间距随所述入射角的增大而线性地增大。
[0017]所述物镜可以是旋转对称的设计。具体地，所述物镜可以是相对于其光轴的圆柱形对称的设计。具体地，所述物镜采用平场扫描透镜，f-θ物镜或远心f-θ物镜(具体地为图像侧上为远心的f-θ物镜)。所述物镜可呈现位于物镜的外部的入射光孔。所述物镜可以相对于所述第一光学部件以下述的方式被布置，即，使得所述分离光束从第一光学部件发出所在的位置处的所述第一光学部件(具体地，而且所述第一光学部件上的点)位于所述物镜的入射光孔的中心。
[0018]替代性地或附加地，所述物镜呈现失真变形和/或横向的成像性能。所述物镜可适合于以下述的方式 将由所述第一光学部件分离的所述光束进行发送，即，使得多种不同光谱区的在所述k空间中彼此等距的中值被聚焦到不同的焦点上，所述焦点的中心彼此等距地位于构造空间中。
[0019]为此，通过适当选择物镜内使用的用于折射元件的玻璃(尤其是其材料和/或形状)，所述物镜可以呈现这样的失真变形和/或横向的成像特性，使得产生依赖于服从非线性函数的波长的外部轴向间距。具体地，该效果可以通过相对于所述由所述第一光学部件分离的光束的光路调节所述物镜的位置和/或定向以下述的方式来被使用，使得所述分离光束由所述物镜以下述的方式被发送，即，使得所述不同光谱区的在所述k空间中彼此等距离的中值被聚焦到不同的焦点上，所述不同的焦点的中心在构造的空间中位于彼此等距离的位置。
[0020]“横向的”意味着沿垂直于所述物镜的光轴定向的轴。“彩色的”意味着取决于波长入。“外部轴向”意味着沿所述横向方向距所述光轴具有非零间距。
[0021]所述物镜可以相对于所述第一光学部件以下述的方式被布置，即，使得所述分离光束基本上或仅在所述物镜的光轴所在的平面的上方经过所述物镜。附加地或替代性地，所述物镜可以相对于所述第一光学部件以下述的方式被布置，即，使得所述物镜的光轴相对于所述分离光束的波列的传播方向是倾斜的，所述波列代表了多色光束在k空间中的整个光谱的中值。
[0022]所述光谱仪器可包括第二光学部件，所述第二光学部件采用分散部件或衍射部件的形式，所述第二光学部件与所述物镜组合以形成模块单元，使得所述物镜和所述第二光学部件相对于彼此被不可调节地布置。具体地，所述第二光学部件可以采用物镜附件的形式。所述第二光学部件可在所述光束的光路中被布置所述物镜的上游。替代性地，所述第二光学部件可在所述光束的光路中被布置所述物镜的下游。
[0023]上文描述的第一光学部件、物镜、传感器、传感器元件、模块单元的其中之一和/或所述光谱仪器的所有的其他部件可以照此以位置可调节的方式在为例如轨道、滑动工作台、连杆、镜支柱、平移台或旋转台提供的调节装置的帮助下在所述光谱仪器的底座上形成。具体地，所述第一光学部件、所述物镜、所述传感器、所述传感器元件和/或位于彼此之间的模块单元的相互位置和/或定向以手动方式被调节。另一方面，模块单元的部件已预先被固接到彼此之上，使得其相对位置和/或定向是不可调节的。
[0024]所述传感器的传感器元件的光敏表面的中心可以被彼此等距地布置。替代性地，所述传感器的传感器元件的光敏表面的中心可在空间上根据所述焦点或所述焦点的中心来布置，所述物镜将所述图像侧上的多色光束的多种不同光谱区的在所述k空间中彼此等距的中值聚焦在所述焦点或所述焦点的中心上。特别地，所述传感器可采用电荷耦合器件(CCD)线性传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)线性传感器的形式，其中传感器元件的光敏表面的中心位于一条直线上。所述传感器兀件的光敏表面可以被设计成相同的大小或不同的大小。
[0025]一种用于光谱仪器的成像系统包括上述的第一光学部件中的一个、上述的物镜中的一个和/或上述的模块单元中的一个。
[0026]一种用于光学相干层析成像的系统包括上述的光谱仪器中的一个。所述系统进一步包括光源和分离光束，所述光源用于产生可用的相干多色光，所述分离光束被设定将所述相干多色光耦合到参考臂和样本臂中，以对从所述参考臂和从所述样本臂反向散射的光进行叠加。从而形成多色光束并且将所述多色光束耦合到所述光谱仪器中以进行光谱分析。
[0027]—种用于光谱分析的方法包括以下步骤:
[0028]-对入射到第一光学部件上的多色光束进行空间光谱分离，
[0029]-借助物镜将多个光谱区的分离光束发送到多个不同的空间区域上，以及
[0030]-借助在所述光束的光路中被布置在所述物镜的下游的具有多个光敏传感器元件的传感器来记录所述分离光束的强度，使得每个所述传感器元件记录所述光束的光谱扇区的强度，并且所述光谱扇区的中值彼此等距地位于所述k空间中，其中k表示波数。
[0031 ] 就用于光谱分析的方法或方法的各个步骤在本说明书中被描述的方面而言，所述方法或所述方法的各个步骤能由适当配置的装置来执行。类似的标记应用于执行方法步骤的装置的操作模式的说明。为此，本发明的装置特性和方法特性是相同的。具体地，可通过计算机来实现所述方法或所述方法的各个步骤，根据本发明的适当的程序在所述计算机上被执行。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]在下文中根据附图对本发明进行进一步说明，在附图中:
[0033]图1示出了根据一个实施例的用于光学相干层析成像的系统的一般示意图；[0034]图2示出了光谱仪器的示意图；
[0035]图3a_3e示出了不同光谱区的中值分布的示意图；
[0036]图4a和4b示出了随波长λ是线性的并且随波数k是非线性的光谱的示图；
[0037]图5a和5b示出了随波数k是线性的并且随波长λ是非线性的光谱的示图；
[0038]图6示出了根据第一实施例的光谱仪器的示意图；
[0039]图7示出了根据第二实施例的光谱仪器的示意图；
[0040]图8示出了根据第三实施例的光谱仪器的示意图；
[0041]图9示出了根据第四实施例的光谱仪的器示意图；
[0042]图1Oa和1b分别示出了根据第五实施例和第六实施例的光谱仪器的示意图；以及
[0043]图11示出了根据第七实施例的光谱仪器的示意图。
【具体实施方式】
[0044]用于光学相干层析成像的系统通常在图1中由10来表示。在示例性情况下，所述系统10用于检验以人眼的形式示出的物体12。所述光学相干层析成像以SD OCT或FD OCT为基础。
[0045]所述系统10包括用于发射相干的多色光束16的光源14。所述光源14发射在频率空间内是宽频带的连续的相干光。从所述光源14发射的光束被引导到分束器18上。所述分束器18是干涉仪20的组成部分并且根据预定分束比(例如50:50)使所述光束16输出的入射光分离。一条射线束22在参考臂24内行进；另一条射线束26在样本臂28内行进。
[0046]被分出到所述参考臂24中的射线束22照射到反射镜30上，所述反射镜30使所述射线束22反射回所述分束器18上。聚焦光学系统32和可控扫描部件34被设置在样品臂28内。所述可控扫描部件34已被设定成使从所述分束器18进入的射线束26的路线经过所述聚焦光学系统32到达所述物体12。关于这一点，来自所述分束器18的射线束26进入所述聚焦光学系统32时的入射角在所述扫描部件34的帮助下被调节。在图1中示出的示例中，所述扫描部件34因为这个目的而被设计为被以可旋转的方式支撑的反射镜。所述反射镜的旋转轴可相互垂直。所述反射镜的旋转角例如在根据检流计的原理运行的元件的帮助下被设定。所述聚焦光学系统32使所述射线束26聚焦到所述物体12上或所述物体12中。
[0047]从物体12反向散射到所述样本臂28中的射线束26在所述分束器18处与从所述反射镜30反射回至所述参考臂24中的射线束22共线地叠加，以便形成多色光束36。参考臂24和样品臂28中的光程长度大体上同样长，使得所述光束36呈现从参考臂24和样本臂28反向散射的射线束22和26之间的干涉。光谱仪器或光谱仪38记录所述多色光束36的光谱强度分布。
[0048]作为替代，所述干涉仪20还可借助于光纤部件而不是图1中示出的自由空间设置被部分地或全部地实现。具体地，所述分束器18可采用光纤分束器的形式并且射线16、22、
26、36可借助于光纤引导。
[0049]所述光谱仪器38在图2中更详细地示出。如图2所示，来自所述分束器18的光束36借助于光纤40被耦合到所述光谱仪器38中。所述光纤经由光纤耦合器42终止于准直仪44。所述准直仪44可以包括数个透镜并且已被设定为使从所述光纤40以分散的方式出射的光束36收敛，以使所述光束36被成形为准直多色光束46并且使所述多色光束46照射到第一光学部件48上。为了所述准直仪44和所述第一光学部件48之间的紧凑的结构设计，附加的偏转镜(未示出)可被布置在所述光束46的光路中，所述偏转镜已被设定为使准直的光束46的路线到达所述第一光学部件48。
[0050]所述第一光学部件48已被设定为使照射到所述第一光学部件48上的多色光束46在空间上分离为其光谱构成。按照典型的方式表示了使分离的多色光束46的光谱区不同的三个准直光束46a、46b、46c。物镜50使所述光束46a、46b、46c收敛并且将所述光束46a、46b、46c引导至不同的空间区域52a、52b、52c上。所述物镜50可包括多个透镜。所述物镜50呈现出入射光孔(未不出)，所述入射光孔被布置在所述分离光束46a、46b、46c的光路中，所述分离光束46a、46b、46c位于所述物镜50的全部折射面的上游。所述物镜50可相对于所述第一光学部件48以下述方式被布置，即，使得:所述第一光学部件48上所述分离光束46a、46b、46c出射的点位于所述物镜50的入射光孔的中心。
[0051]具有多个光敏传感器兀件54a、54b、54c的传感器54在所述分离光束46a、46b、46c的光路中位于所述物镜50的下游。在此示出的示例中，所述传感器54采用呈现多像素(例如，4096像素)的互补金属氧化物半导体(CMOS)摄像机或电荷耦合器件(CXD)摄像机(或线性摄像机)。因此，所述传感器元件54a、54b、54c表示所述摄像机54的单独的像素。该传感器兀件54a、54b、54c以下述的方式被设置在所述分离光束46a、46b、46c的光路中，即，使得:每个所述传感器元件54a、54b、54c记录所述光束46的光谱的不同的光谱扇区4、A2、A3的强度。由所述传感器元件54a、54b、54c记录的总体的强度值产生呈输出信号56的形式的光谱强度分布。 [0052]由所述光谱仪器38产生的输出信号56被传送到控制设备60上；参见图1。基于记录的光谱强度分布，所述控制设备60可确定所述物体12的断层照片。所述控制设备60以下述方式控制所述扫描部件34，即，使得:能够提取ID断层照片、2D断层照片和/或3D断层照片。所述确定的断层照片被呈现在呈现单元62上并且可被存储在存储器64中。
[0053]所述准直多色光束46由大体上平行传播的许多波列组成。在波列的情况下，为了简单起见，可假定为平面谐波。所述光束46的每个波列由一个波矢量k被精确地表征。所述波矢量k的方向/定向表示所述波列的传播方向。所述矢量k的数值k(称为波数k)是波列内的两个前导波的空间间距的量度。所述波列的空间周期反映在波长λ上。认为，λ=(2n)/k。
[0054]所述光束46的光谱66在图3a中被示意性地示出。按照典型的方式，k空间(k-space)中的光谱66由三个光谱区匕、B2、B3组成。通过“k空间”，直线或轴线被理解为是所述波数k按照量级在其上有序地成直线。每个所述区U2、B3由中值Mkp Mk2、Mk3表征。然而，替代性地，对于以下的实施方式(例如，那些使用4096像素的实施方式)，例如，具有相应数目的中值的不同光谱区也可以被定义。在下文中，中值Mk2同时表示k空间中的整个光谱66的中值。
[0055]所述k空间中的中值Mki (i = I，2，3)由以下确定:如果光谱区Bi (或光谱扇区Ai)内出现的波数匕到1^按照数学序列的大小被排序(其中Iii表示区域&(或扇区Ai)内的波数的数量)，那么中值11^在~为奇数的情况下指的是第(ni+1/2)位置处的值；在η为偶数的情况下，所述中值Mki指的是源自第叫/2位置和第(叫+1/2)位置中的值的均值。对于光谱区Bi (扇区Ai)内的波数Ic1到kni的连续分布或准连续分布，替代性地，所述中值可由源自h和kni的均值构成，其中Ic1表示光谱区Bi (扇区Ai)内出现的最小波数并且kni表示光谱区Bi (扇区Ai)内出现的最大波数。在λ空间中的中值的确定应用了相应的标记。
[0056]在所述光束46照射到所述第一光学部件48上之前，由与所述中值MVMk2、Mk3相对应的波数k1、k2、k3表征的波列大致沿相同路径67移动(在图2中以虚线的方式表示)。所述路径67的方向由所述波矢量k1、k2、k3的方向来确定。因此，所有的三个波列经过图2中绘出的直线X，所述直线X与所述光束46在相同的位置X1 = x2 = X3处相交；参见图3b。
[0057]在经过所述第一光学部件48之后，已经对所述光谱66进行了光谱分离(例如，根据一定的角色散)。所述第一光学部件48根据所述波数k来改变所述波矢量kp k2、k3的方向而不改变其数值(即，所述波数Hk3本身)。这意味着与所述中值MkpMk2Jk3相对应的波列大体上正沿着不同路径68a、68b、68c移动(同样在图2中用虚线表示)。所述路径68a、68b、68c的方向由波矢量kp k2、k3的各自的方向来确定。因此，所述三个波列经过图2中绘出的直线y，所述直线y与所 述路径68a、68b、68c在不同的位置y” y2、y3处相交；参见图3c。
[0058]所述路径68a、68b、68c还可在进一步的过程中被所述物镜50影响/按路线发送(具体地，被偏转)，使得对应于所述中值Mkp Mk2、Mk3的波列经过图2中绘出的直线z，所述直线z与由所述物镜50按路线发送的路径68a、68b、68c在不同的位置zpz2、z3处相交；参见图3d。
[0059]借助于沿着所述路径68a、68b、68c发送所述波列到所述传感器元件54a、54b、54c上的路线，所述光谱66被成像到所述传感器54上。所述传感器元件54a、54b、54c各自记录所述光谱区K、B2、B3或(更通常地)所述光谱区B1、B2、B3的扇区A1、A2、A3中的一个；参见图3e。应注意，所述光谱区V B2、B3的中值Mkp Mk2、Mk3可与所述光谱扇区A” A2、A3的中值Mk1、Mk2、Mk3相符，而不一定必须与所述光谱扇区A1、A2、A3的中值Mk1、Mk2、Mk3相符。
[0060]在传统的光谱仪器38中，所述传感器54的各个传感器兀件54a、54b、54c以下述的方式被布置在所述分离光束46、46a、46b、46c的光路中，即，使得:所述传感器兀件54a、54b、54c记录所述光谱扇区ApA2、A3，所述光谱扇EApAyA3在所述λ空间中的中值Μλ:、Μλ 2、Μλ 3位于彼此等距的位置或至少非线性地位于所述k空间中。
[0061]这种状态在图4a和4b中更准确地示出。纵轴示出了连续编号的传感器元件54a、54b、54c，在这里所示的示例中从I开始并且以4096(通过示例的方式)结束。图4a中的横轴示出了由所述传感器元件54a、54b、54c记录的不同的光谱扇区A1'A2、A3的中值Μλ ρM λ 2、M λ 3的波长λ ,所述波长λ以微米(μ m)为单位。在图4a中不出的曲线70不出了随所述波长λ近似为线性的前进(为了对比，另外绘出了直线71)。因此，所述光谱66随所述波长λ近似线性地被成像到所述传感器54上。
[0062]另一方面，由于所述波数k和所述波长λ之间的非线性关系k = 2 π / λ，这表示:在传统的光谱仪器38的情况下，所述多色光束46的光谱66随所述波数k被非线性地成像到所述传感器54上。这由图4b中的示意图清楚地表明，这可以借助于上述公式由图4a中的示意图的数据计算，并且其中，横轴示出了由所述传感器元件54a、54b、54c记录的不同光谱扇gA1、A2、A3的中值Mk1、Mk2、Mk3的波数k，所述波数k以l/μπι为单位(为了对比，另外绘出了直线71)。
[0063]在根据本发明的光谱仪器38的情况下，所述传感器54的传感器元件54a、54b、54c以下述的方式被设置在所述分离光束46a、46b、46c的光路中，使得:由所述传感器兀件54a、54b、54c记录的光束46的光谱66的光谱扇区A1' A2, A3的中值Mk1' Mk2, Mk3在所述k空间中位于彼此等距的位置。
[0064]这种状态在图5b中再次被示出。纵轴再次呈现了连续编号的从I到4096的传感器兀件54a、54b、54c。横轴不出了由所述传感器兀件54a、54b、54c记录的不同的光谱扇区八1、4、4的中值1&1、1&2、1&3的波数1^所述波数1^以I/μ m为单位。以典型的方式示出了在从6.9/ μ m到9.3/ μ m的范围内，曲线72示出了随所述波数k的线性前进。因此，所述多色光束46的光谱66随所述波数k被线性地成像到所述传感器54上。图5a示出了由图5b导致的随所述波长λ的计算的前进，所述计算的前进是非线性的(为了对比，另外绘出了直线71)。
[0065]图6到11中示出了根据本发明的光谱仪器38的多种实施例。仅为了更清楚起见，在这些情况中的一 些情况下，仅示出了两个光束46a和46c，而没有示出典型的第三光束46b。光束46a (46b或46c)表示由对应于所述光谱区B1 (B2或B3)的中值Mk1 (Mk2或Mk3)的波数Mk2或匕)表征的波列。认为，Mk^MkZMky
[0066]在图6中示出的第一实施例中，所述第一光学部件48采用衍射光栅的形式。所述衍射光栅48的衍射中心相对于彼此以下述的方式被设置、并且所述衍射光栅48相对于所述入射光束46以下述的方式被定向，即，使得所述第一光学部件48呈现一角色散d Θ /dk,在此情况下，与进入所述第一光学部件48的所述光束46相关联的从所述第一光学部件48出射的所述光束46a、46c的衍射角Θ线性地取决于所述波数k，即，d Θ/dk =常数。因此，认为^/Χ= Θ3Λ3，其中Q1是所述光束46a偏转的衍射角，并且θ3是所述光束46c偏转的衍射角。
[0067]在图7中示出的第二实施例中，所述第一光学部件48采用光栅棱镜的形式，并且包括棱镜74以及具有多个衍射中心的衍射光栅76，所述衍射光栅76已被应用到所述棱镜74的入射面77a上。替代性地，所述衍射光栅76还可被应用到所述棱镜74的出射面77b上。所述棱镜74的折射角α、材料和材料的折射率n (k)以下述的方式被选择、所述衍射光栅76的衍射中心相对于彼此以下述的方式被设置、并且所述光栅棱镜48相对于所述入射光46以下述的方式被定向，即，使得所述光栅棱镜48根据组合所述棱镜76的棱镜角色散和所述光栅74的光栅角色散的角色散d Θ /dk使所述光束46分离，在这种情况下，与进入所述光栅棱镜48的所述光束46相关联的从所述光栅棱镜48出射的所述光束46a、46c的偏转角Θ线性地取决于所述波数k，即，d0/dk=常数。因此，这里也认为θι7χ= θ3/k3，其中Q1是所述光束46a偏转的衍射角，并且Θ 3是所述光束46c偏转的衍射角。
[0068]图6和图7中示出的第一实施例和第二实施例的物镜50具有下述的特性，使得在所述物体侧上从所述第一光学部件48发射的分离光束46的大体上准直的射线束46a或46c以下述的方式在经过所述物镜50之后被聚焦在所述图像侧上的焦点78a、78c上，即，在所述射线束46a、46c相对于所述光轴80以增大的入射角S1J3入射到所述物镜50的情况下，所述焦点78a、78c与所述物镜50的光轴80的侧向间距Da、Dc随所述入射角δ ” δ 3的增大而线性地增大。为此，所述物镜采用例如f-θ物镜的形式。
[0069]图8、9、10a、10b和11中示出了第三实施例、第四实施例、第五实施例、第六实施例和第七实施例。在这些实施例中，所述第一光学部件48例如采用具有在空间上彼此等距离设置的衍射中心的传统的衍射光栅的形式或采用传统的色散棱镜的形式。所述第一光学部件48呈现一角色散d Θ /dk,在这种情况下，与进入所述第一光学部件48的所述光束46相关联的从所述第一光学部件48出射的所述光束46a、46c的衍射角Θ非线性地取决于所述波数k，即，d0/dk关常数。
[0070]在所述第三实施例、所述第四实施例、所述第五实施例、所述第六实施例和所述第七实施例中，所述物镜50呈现这样的成像特性:使得由所述第一光学部件48分离的光束46a.46b.46c由所述物镜50以下述的方式被发送，即，使得所述不同光谱区B1'B2、B3的在所述k空间中彼此等距离的中值Mk1Jk2Jk3被聚焦到不同的焦点78a、78b、78c上，所述不同的焦点78a、78b、78c的中心在构造空间中位于彼此等距离的位置；例如，参见图9、1a和1b0所以所述物镜50沿着图2中示出的直线z的路线将所述光束46a、46b、46c发送到位置Zl、Z2, Z3，所述直线z与由物镜50发送的分离光束46a、46b、46c的光路相交，所述光束46a、46b、46c位于彼此等距离的位置；参见图3d。为此，所述物镜50呈现这样的特性:使得光束46a、46b、46c的路线取决于其波数k。
[0071]图8和9中示出了所述第三实施例和所述第四实施例。在这些情况下，通过适当的选择在所述物镜50内用于使元件折射的玻璃，所述物镜50呈现横向彩色成像特性。这些横向彩色成像特性取决于服从非线性函数的波长的外部轴向间距的结果。通过按照下述的方式相对于所述分离光束46a、46b、46c的光路调节所述物镜50的位置和/或方向来使用这一效果，所述方式即，使得所述分离光束46a、46b、46c由所述物镜50以使得所述不同光谱区B1、B2、B3的在所述k空间中彼此等距离的中值Mk1、Mk2、Mk3被聚焦到不同的焦点78a、78b,78c上的方式发送，所述不同的焦点78a、78b、78c的中心在构造的空间中位于彼此等距离的位置。通过使所述物镜50偏心和/或倾斜来影响所述调节。
[0072]图8中的第三实施例中可以看到所述物镜50的偏心。所述物镜50相对于所述第一光学部件48以下述的方式布置:即，使得所述分离光束46a、46c基本上在平面82的上方经过所述物镜50，所述物镜50的光轴80位于所述平面82中。
[0073]图9中的第四实施例中可以看到所述物镜50的倾斜。所述物镜50相对于所述第一光学部件48以下述的方式布置:即，使得所述物镜50的光轴80相对所述分离光束46b的波列的传播方向k2倾斜,所述波列表不所述多色光束46的光谱66在所述k空间中的中值Mk2。图9中示出的所述光轴80和所述传播方向k2之间的角度82因此不等于零。
[0074]图1Oa和图1Ob中分别示出了所述第五实施例和第六实施例。在这些情况下，所述光谱仪器38包括采用棱镜形式的第二光学部件82'，所述第二光学部件82'与所述物镜50相组合，以便以这样的形式形成模块单元84，使得所述物镜50和第二光学部件82'相对于彼此被不可调节地布置。替代性地，所述第二光学部件82'可以采用楔形的光学元件的形式。所述第二光学部件82'和所述物镜的组合呈现下述的特性:即，使得所述分离光束46a、46b、46c以经过所述模块单元84使得所述光束46的光谱66的不同光谱区BpB2、B3的在所述k空间中彼此等距离的中值MkpMk2'Mk3被聚焦到不同的焦点78a、78b、78c上的路线被发送，所述不同的焦点78a、78b、78c的中心在构造的空间中位于彼此等距离的位置。
[0075]在图1Oa中，所述第二光学部件82'在所述光束46a、46b、46c的光路中被布置在所述物镜50的上游。在这种情况下，所述第二光学部件82'采用物镜附件的形式。在图1Ob中，另一方面，所述第二光学部件82'在所述光束46a、46b、46c的光路中被布置在所述物镜50的下游。
[0076]在例如轨道，滑动工作台，连杆，镜支柱，平移台或旋转台提供的调节装置86的帮助下，所述第一光学部件48、所述物镜50、所述传感器54、所述传感器元件54a、54b、54c以及由84表示的模块单元和/或所述光谱仪器38的所有其他部件40、42、44可以按照位置可调节的方式形成在所述光谱仪器38的底座88上。具体地，所述第一光学部件48、所述物镜50、所述传感器54,所述传感器兀件54a、54b、54c和/或位于彼此之间的模块单兀84的相互位置和/或定向是可调节的，尤其是可手动地进行调节。另一方面，组件74和76以及所述模块单元48和84的50和82，分别已预先被固接到彼此之上，使得其相对位置和/或定向是不可调节的。
[0077]在图6到1b中示出的第一实施例到第六实施例中，所述传感器54的传感器元件54a、54b、54c的光敏表面被设计为同样的大小。此外，所述光敏表面的中心在构造空间中被布置为彼此等间距。
[0078]图11中示出了所述光谱仪器38的第七实施例。在这种情况下，所述物镜50采用传统物镜的形式。所述物镜50呈现这样的成像特性:即，使得被所述第一光学部件48分离的光束46a、46b、46c由所述物镜50以按照使得不同光谱区B1' B2, B3的在所述k空间中彼此等距离的中值Mk1HMk3被聚焦到不同的焦点78a、78b、78c上的路线发送，所述不同的焦点78a、78b、78c的中心相对于彼此以非等距离的方式位于构造的空间中。另一方面，在该实施例中，所述传感器54的光敏元件54a、54b、54c的光敏表面的中心根据所述焦点78a、78b,78c来布置，所述物镜50使图像侧上的不同光谱区BpByB3的在所述k空间中彼此等距离的中值11^、1\&2、]\&3聚焦到所述焦点78a、78b、78c上。在这点上,所述传感器元件54a、54b,54c的光敏表面的中心相对于彼此以非等距离的方式位于构造的空间中。所述传感器元件54a、54b、54c的光敏表面是可变大的。
【权利要求】
1.光谱仪器，包括: 第一光学部件，所述第一光学部件被配置成对入射到所述第一光学部件上的多色光束进行空间光谱分离； 物镜，所述物镜被配置成将多种不同光谱区的分离光束发送到不同的空间区域上；以及 传感器，所述传感器在所述分离光束的光路中位于所述物镜的下游，所述传感器具有多个光敏传感器兀件， 所述传感器元件被布置在所述分离光束的光路中，每个所述传感器元件被配置成记录所述光束的光谱扇区的强度，并且所述光谱扇区的中值彼此等距地位于k空间中，其中k表示波数。
2.根据权利要求1所述的光谱仪器，其中，所述物镜被配置成对由所述第一光学部件分离的光束进行发送，并使得多种不同光谱区的在所述k空间中彼此等距的中值被聚焦到不同的焦点上，所述焦点的中心彼此等距地位于构造空间中。
3.根据权利要求1或2所述的光谱仪器，其中，所述物镜是旋转对称的和/或呈现横向彩色成像特性。
4.根据权利 要求2或3所述的光谱仪器，其中，所述物镜相对于所述第一光学部件被布置为使得所述分离光束基本在所述物镜的光轴所在的平面的上方经过所述物镜。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的光谱仪器，其中，所述物镜相对于所述第一光学部件被布置为使得所述物镜的光轴相对于所述分离光束的波列的传播方向是倾斜的，所述波列代表了光束在k空间中的整个光谱的中值。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的光谱仪器，其中，所述光谱仪器包括第二光学部件，所述第二光学部件包括棱镜或衍射部件，所述第二光学部件与所述物镜组合以形成模块单元，所述物镜和所述第二光学部件相对于彼此以不可调节的方式布置在所述模块单元中。
7.根据权利要求6所述的光谱仪器，其中，所述第二光学部件在所述光束的光路中被布置在所述物镜的上游。
8.根据权利要求6所述的光谱仪器，其中，所述第二光学部件在所述光束的光路中被布置在所述物镜的下游。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的光谱仪器，其中，所述第一光学部件采用衍射部件的形式，所述衍射部件的衍射中心相对于彼此以非等距的方式布置，并使得所述第一光学部件在偏转角线性地依赖于所述波数k的情况下根据角色散对所述光束进行分离。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的光谱仪器，其中，所述第一光学部件采用光栅棱镜的形式，在所述偏转角线性地依赖于所述波数k的情况下，所述光栅棱镜根据与所述光栅棱镜的光栅的光栅角色散以及所述光栅棱镜的棱镜的棱镜角色散相组合的角色散对所述光束进行分离。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的光谱仪器，其中，所述物镜被配置成使从物体侧发出的所述分离光束的基本准直射线束在经过所述物镜之后被聚焦在所述图像侧上的焦点上，在所述射线束相对于所述物镜的光轴以增大的入射角入射到所述物镜的情况下，所述焦点与所述物镜的光轴的侧向间距随所述入射角的增大而线性地增大。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪器，其中，所述传感器的传感器元件的光敏表面的中心被彼此等距地布置。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪器，其中，所述传感器的传感器元件的光敏表面的中心在空间上根据所述焦点的中心来布置，所述物镜将所述图像侧上的多种不同光谱区的在所述k空间中彼此等距的中值聚焦在所述焦点上。
14.用于光学相干层析成像(OCT)的系统，包括: 根据权利要求1-13中任一项所述的光谱仪器， 光源，所述光源被配置成提供相干多色光， 分束器，所述分束器被配置成:将所述相干多色光耦合到参考臂和样本臂中，以对从所述参考臂和从所述样本臂反向散射的光进行叠加，从而形成多色光束并且将所述多色光束耦合到所述光谱仪器中以进行光谱分析。
15.用于光谱分析的方法，包括以下步骤: 对入射到第一光学部件上的多色光束进行空间光谱分离， 借助物镜将多个光谱区的分离光束发送到多个不同的空间区域上，以及 借助在所述光束的光路中被布置在所述物镜的下游的具有多个光敏传感器元件的传感器来记录所述分离光束的一个或多个强度，每个所述传感器元件被配置成记录所述光束的光谱扇区的强度，并 且所述光谱扇区的中值彼此等距地位于所述k空间中，其中k表示波数。
【文档编号】G01J3/28GK104040308SQ201180076109
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2011年12月28日 优先权日:2011年12月28日
【发明者】克劳迪娅·格舍博特, 托比亚斯·热格洛茨, 奥勒·马索, 亨宁·威斯维, 克劳斯·沃格勒 申请人:威孚莱有限公司