專利名稱：光學(xué)檢測(cè)設(shè)備的制作方法
如同本專利所附權(quán)利要求1，2，14，15，16，18，19，29和30的導(dǎo)言中所公開(kāi)的，本發(fā)明涉及一種用于光譜學(xué)的衍射光學(xué)元件設(shè)備，其中，寬頻帶光由光源向光學(xué)元件發(fā)出，并由該元件傳送到至少一個(gè)檢測(cè)器上。
對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的闡述參考的是WO 9961941，US 4729658，WO0062267，WO 9634256，EP 0075171，GB 2219853，US 5369276和US 4391523。
WO 9961941涉及一種為矯正色差(色象差)以增加波長(zhǎng)范圍的兩層衍射光學(xué)元件設(shè)備。這樣，藍(lán)色和紅色的聚焦相同，而本發(fā)明實(shí)際上則在探索色散的辦法，辦法之一是把各種圖案放在同一個(gè)平面上來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。
US 4729658利用一種光柵作為衍射光學(xué)元件，不過(guò)這種元件不解決聚焦問(wèn)題。聚焦是借助透鏡產(chǎn)生的。已知該方案對(duì)一個(gè)光點(diǎn)只生成一個(gè)光譜，而本發(fā)明對(duì)每個(gè)光點(diǎn)可以給出幾個(gè)光譜。
WO 0062267的方案不給出任何光譜的分辨，也不解決色散聚焦問(wèn)題。因此不能生成多個(gè)光譜。
EP 0075171描述了一種具有諧波檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)光柵譜儀。這種方案是色散的、非-聚焦的，其中投射到檢測(cè)器的光譜的響應(yīng)由液晶快門裝置調(diào)制。這個(gè)方案既不能聚焦，也不能生成多個(gè)光譜。
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種設(shè)備，該設(shè)備不僅能用在與媒體，比方象氣體或流體，有關(guān)的光譜學(xué)上，而且還能夠用來(lái)分析媒體，諸如用，比方，玻璃或塑料，做成的物件，并且還適用于分析生物材料、廢品、醫(yī)學(xué)樣品、流體和制品、金屬和/或其合金以及一般的塑性材料或玻璃。有時(shí)，所說(shuō)的媒體可以包括，比方，一種泡沫流體。
本發(fā)明的一個(gè)任務(wù)是為光譜學(xué)構(gòu)造衍射光學(xué)元件。目的是從這種衍射光學(xué)元件得到的光譜象從標(biāo)準(zhǔn)光柵所得到的一樣，只是構(gòu)造的衍射光學(xué)元件還具有特定的特性，比方說(shuō)聚焦效應(yīng)。
按照本發(fā)明，這種設(shè)備的特性由本專利所附權(quán)利要求1，2，14，15，18，19，29和30特性條款所宣布。
在所附的相關(guān)從屬專利的權(quán)利要求和以下介紹中，將清晰描述該設(shè)備的相應(yīng)補(bǔ)充修改實(shí)施方案。
現(xiàn)在參考所附草圖來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更為詳細(xì)的介紹。


圖1表示的是衍射光學(xué)元件的原理。
圖2闡明的是衍射光學(xué)元件的反射。
圖3表示的是第一實(shí)施方案中光源和檢測(cè)器的位置。
圖4表示的是按照第二實(shí)施方案光源和檢測(cè)器相對(duì)光學(xué)元件的位置。
圖5a表示為獲得衍射光學(xué)元件的分布圖，反射函數(shù)在截?cái)嘀暗南辔弧?br> 圖5b表示沿該分布圖的距離。
圖6a表示的是衍射光學(xué)元件的分布圖，以及，圖6b表示沿該分布圖的距離。
圖7表示的是費(fèi)涅耳波帶片外面的部分。
圖8表示兩種波長(zhǎng)情況下衍射光學(xué)元件的分布圖。
圖9表示與衍射光學(xué)元件分布圖相關(guān)以及和圖3實(shí)施方案有關(guān)的兩-波長(zhǎng)的一般情況。
圖10闡明的是，基于光透射穿過(guò)費(fèi)涅耳波帶片，一個(gè)光譜的生成。
圖11表示對(duì)圖10所闡明實(shí)施方案的改進(jìn)。
圖12表示對(duì)圖11所描寫(xiě)實(shí)施方案的變更。
圖13表示對(duì)圖12所描述實(shí)施方案的進(jìn)一步發(fā)展。
圖14表示對(duì)圖12和13所描寫(xiě)實(shí)施方案的另一種變更。
圖15表示在利用反射性質(zhì)時(shí)對(duì)衍射光學(xué)元件的應(yīng)用。
圖16表示在利用光穿過(guò)元件的透射性質(zhì)時(shí)對(duì)衍射光學(xué)元件的應(yīng)用。
圖17表示當(dāng)元件或其協(xié)同的檢測(cè)器都是可移動(dòng)時(shí)對(duì)衍射光學(xué)元件的應(yīng)用。
圖18表示費(fèi)涅耳波帶片的波長(zhǎng)聚焦關(guān)系，該波帶片與偏離透鏡光軸的部分透鏡是相關(guān)的。
圖19表示費(fèi)涅耳波帶片在不同波長(zhǎng)下的強(qiáng)度分布。
圖20用放大的尺度表示反射面的特性。
圖21表示用作衍射光學(xué)元件的光柵的略圖。
圖22表示以凹面光柵形式的光學(xué)元件。
圖23表示利用所謂紅外光柵時(shí)得到的光譜。
圖24表示具有調(diào)制反射元件的衍射光學(xué)元件(見(jiàn)圖21)。
圖25表示偏離費(fèi)涅耳波帶片理想光軸的衍射光學(xué)元件，其中一或兩個(gè)參考元件在光軸附近。
圖26表示對(duì)不同波長(zhǎng)λ從參考元件得到的衍射圖案。
圖27表示具有參照標(biāo)準(zhǔn)的光譜(也見(jiàn)圖19)。
圖28a表示并列的不可見(jiàn)光譜(IV)。
圖28b表示可見(jiàn)光譜和與它接鄰的不可見(jiàn)光譜。
圖28c表示可見(jiàn)光譜和與它分立的不可見(jiàn)光譜。
圖28d表示分立的可見(jiàn)光譜。
圖28e表示相互部分重疊的不可見(jiàn)光譜。
圖28f表示相互部分重疊的可見(jiàn)光譜。
圖29表示相互偏離并與檢測(cè)器相關(guān)的可見(jiàn)光譜和不可見(jiàn)光譜。
圖30表示按照本發(fā)明，與透明或半透明媒體，如，一個(gè)物件，有關(guān)的設(shè)備。
圖31表示對(duì)圖30所示設(shè)備的一個(gè)部分進(jìn)行的最少修改。
圖32表示目的是為檢測(cè)媒體的一個(gè)實(shí)施方案中的設(shè)備，該媒體具有光吸收、光反射、發(fā)光性能或再發(fā)射的性能。
圖33表示對(duì)本發(fā)明中一種目的是為檢測(cè)透明或半透明媒體設(shè)備的修改，其中檢測(cè)是基于該媒體的光吸收、光反射、發(fā)光性能或再發(fā)射的性能而進(jìn)行的。
圖34表示該設(shè)備的一個(gè)實(shí)施方案，其中衍射光學(xué)元件、光源和光檢測(cè)器都是靜止不動(dòng)的。
圖35表示該設(shè)備的一個(gè)實(shí)施方案，其中衍射光學(xué)元件圍繞一個(gè)或兩個(gè)軸是可動(dòng)的，或者光源是可動(dòng)的。
圖36闡明一組光譜相對(duì)光檢測(cè)器兩種可能的運(yùn)動(dòng)方式。
圖37舉例表示使衍射光學(xué)元件傾斜的方法。
圖38表示使光源移動(dòng)的方法。
圖39a表示使光源移動(dòng)的另一種方法，以及，圖39b表示相對(duì)多個(gè)光譜使光檢測(cè)器移動(dòng)的方法。
圖40表示根據(jù)光朝向費(fèi)涅耳波帶片斷片進(jìn)行傳送時(shí)一個(gè)光譜的產(chǎn)生，這是對(duì)圖12的變更。
圖41表示對(duì)圖40的變更。
圖42和43用原理圖表示如何用機(jī)械方式或光學(xué)方式使費(fèi)涅耳波帶片斷片失效。
圖44用原理圖表示如何用光學(xué)方式使費(fèi)涅耳波帶片斷片失效。
圖45用第二個(gè)例子表示使衍射光學(xué)元件傾斜的工具。
圖46表示對(duì)圖45所表示工具的變更。
圖47表示使衍射光學(xué)元件失效的另一種工具。
圖48表示與這另一種工具有關(guān)的距離/強(qiáng)度圖。
圖1表示利用與衍射光學(xué)元件有關(guān)的兩種波長(zhǎng)的原理，本文此后用DOE表示衍射光學(xué)元件。DOE使點(diǎn)S1成像到D1(波長(zhǎng)λ1)，使點(diǎn)S2成像到D2(波長(zhǎng)λ2)。當(dāng)具有光源S和檢測(cè)器D時(shí)，對(duì)該DOE的掃描將在相應(yīng)的掃描角θ1和θ2使λ1，λ2相應(yīng)成像到檢測(cè)器上。問(wèn)題在于決定具有這些特性的DOE分布圖。SA表示掃描軸(即，DOE的傾斜角)。現(xiàn)在來(lái)考慮一下本發(fā)明的某些總觀點(diǎn)可能會(huì)是有益的。關(guān)于波前的定義可以考慮光源Sn的位置由矢量 定義，光源的像dn的位置由矢量 定義。
Sn(r)是來(lái)自光源的球面波前Sn(r)=Asn·ei.kn.rsn---(1)]]>其中，kn＝2π/λn以及rSn=x2Sn+y2Sn+z2Sn]]>和i=-1]]>而 是該DOE上的波前幅度。
Dn(r)是聚焦在檢測(cè)器上的球面波前，并由下式定義Dn(r)=Adn·e-i.knrdn---(2)]]>其中,rdn=x2dn+y2dn+z2dn,]]> 是在該DOE上的波前幅度。應(yīng)該注意到Sn(r)的波前強(qiáng)度為ISn=|Sn(r)|2=Sn(r)·Sn(r)*=Adn2.]]>類似地，Idn=Adn2.-----(3)]]>DOE的光反射函數(shù)由方程式(4)給出t(r)=A0·e-i.kn.2f(r)(4)]]>其中f(r)表示DOE分布圖函數(shù)，kn＝2π/λn，λn為入射波Sn的波長(zhǎng)。
這里，假設(shè)了由于在DOE上反射造成的相位延遲只單純?cè)黾恿斯饴返膸缀伍L(zhǎng)度。
由傅立葉光學(xué)，可以寫(xiě)出出射波＝Sn·t(r)(5)更周密地考慮有關(guān)衍射光學(xué)元件的理論也會(huì)是有益的?，F(xiàn)將單波長(zhǎng)情況作為討論的起始點(diǎn)。
源S1發(fā)射波長(zhǎng)λ1的光，成像到d1上。由給出的公式4和5，可以得到以下表示出射波＝D1＝S1·t(r)<＝>
t(r)=D1·S1*|S1|2⇔t(r)=Ad1As1·e-i.k1(rs1+rd1)=A0·e-i.k1.2f(r)]]>解此方程得到f(r)=mod[k1·(rs1+rd1),2π]2·k1.]]>這個(gè)式子表示出了整函數(shù)(模函數(shù))余項(xiàng)的特征，其中模[a，b]一般給出為f(r)=ab-||ab||]]>
現(xiàn)在可以來(lái)考慮圖3所示以下的系統(tǒng)幾何，其中SA和前面一樣表示掃描軸。圖3還和從圖5，6和7上看到的有關(guān)，對(duì)這些圖我們將會(huì)予以描述。圖5a和5b表示為獲得衍射光學(xué)元件的分布圖，在反射函數(shù)t(r)截?cái)嘀胺瓷浜瘮?shù)的相位，其中圖5a表示函數(shù) 圖5b表示沿DOE分布圖的距離。
圖6a表示費(fèi)涅耳波帶片中心部分的DOE分布圖。圖6b表示沿該分布圖的距離。按預(yù)期，這是經(jīng)過(guò)二次發(fā)射的結(jié)果。不過(guò)，已知費(fèi)涅耳波帶片中心部分是波長(zhǎng)和色散方向無(wú)關(guān)的，所以來(lái)自光源任何波長(zhǎng)的光都將聚焦在檢測(cè)器相同的位置上。如果把光源S和檢測(cè)器D向左移動(dòng)，見(jiàn)圖4，DOE分布圖就將會(huì)是偏離費(fèi)涅耳透鏡軸的那部分，如圖7所示，從而圖7表示了費(fèi)涅耳波帶片外面的部分。這樣的分布圖現(xiàn)在就與波長(zhǎng)有關(guān)了，并且來(lái)自光源具有波長(zhǎng)為λ1的波前成像到檢測(cè)器上，而其它波長(zhǎng)將聚焦在不同的位置上。這也適用于一般多個(gè)波長(zhǎng)的情況，所選擇的幾何如圖3所示。
現(xiàn)在來(lái)簡(jiǎn)要描述兩種波長(zhǎng)的情況，這里要求把S1(波長(zhǎng)λ1)和S2(λ2)同時(shí)分別成像到d1和d2上。這樣，DOE光反射函數(shù)將表示為t(r)=D1=S1*|S1|2+D2S2*|S2|2---(6)]]>這里，可以給出對(duì)如圖8所示特殊情況的考慮，其中rS1=rS1]]>以及rd2=rd2.]]>來(lái)自光源S的兩種波長(zhǎng)λ1和λ2成像到檢測(cè)器D上。圖8表示了這個(gè)情況的DOE分布圖。可以看出，它象是兩個(gè)費(fèi)涅耳波帶片之間的混合圖案類型。
從圖9可以看到另外一個(gè)例子，其計(jì)算顯然是基于圖3所示的幾何進(jìn)行的。這里給出的結(jié)果比較容易用兩個(gè)混合費(fèi)涅耳波帶片去解釋，而且分立的兩個(gè)費(fèi)涅耳波帶片的曲線有不同的半徑。但是，所有這些曲線都與掃描軸的方向相切(在X方向的軸)。
現(xiàn)在從圖10開(kāi)始來(lái)更詳細(xì)地描述本發(fā)明進(jìn)一步的觀點(diǎn)，圖10中光源發(fā)射的光通過(guò)衍射光學(xué)元件DOE，這里用參考數(shù)字1表示，射向檢測(cè)器。該檢測(cè)器能夠檢測(cè)產(chǎn)生的光譜2。
例如，圍繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)元件1，光譜2就將相對(duì)檢測(cè)器D而運(yùn)動(dòng)。
圖11表示改進(jìn)的衍射光學(xué)元件3。當(dāng)光朝元件3發(fā)射時(shí)，優(yōu)選從點(diǎn)源發(fā)射，光或者透射過(guò)元件3或者被其反射，在平行于元件3的平面上將產(chǎn)生光譜4，可以發(fā)現(xiàn)由于主要幾何的關(guān)系，光譜4整體上不成矩形。另一選擇是，還能夠產(chǎn)生平行于z軸的光譜5。這里將會(huì)覺(jué)察到，假如配備了檢測(cè)器6或檢測(cè)器7，光譜4或5在元件3進(jìn)行傾斜運(yùn)動(dòng)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)。利用這種辦法，檢測(cè)器6或7能夠檢測(cè)到該光譜的真正位置。
假如進(jìn)一步采用這個(gè)原理配備多個(gè)衍射光學(xué)元件8，9，10和11，如圖12所示，就會(huì)看到每個(gè)衍射光學(xué)元件將產(chǎn)生與其對(duì)應(yīng)的光譜12-15。檢測(cè)器16的檢測(cè)區(qū)域用參考數(shù)字17表示?？梢岳斫?，雖然只畫(huà)了一個(gè)檢測(cè)器16，但是在檢測(cè)區(qū)域17可以有兩個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器。
元件8-11只表示對(duì)于典型的軸偏離費(fèi)涅耳波帶片斷片的一種解釋，而且雖然在草圖上它們看來(lái)似乎相同，但是應(yīng)該知道，為了獲得本發(fā)明聲稱所要求的效應(yīng)，這些斷片必須是各不相同的。
如果元件8-11一致向x-軸傾斜，則光譜12-15將橫向檢測(cè)器視域17而運(yùn)動(dòng)。但是，如果元件8-11向y-軸傾斜，則光譜12-15將順著檢測(cè)器視域17一起運(yùn)動(dòng)，并相繼通過(guò)檢測(cè)器16。這樣，可以覺(jué)察到，為了使得對(duì)光譜12-15的檢測(cè)有效，就必須或者使檢測(cè)器16順視域17而運(yùn)動(dòng)，或者使元件8-11向y-軸傾斜，以便光譜對(duì)應(yīng)區(qū)域相繼通過(guò)檢測(cè)器16。如果，比方，利用的檢測(cè)器不止一個(gè)，則可提供一個(gè)象檢測(cè)器16′一樣的檢測(cè)器。
進(jìn)一步參考圖13將會(huì)看到，衍射光學(xué)元件18被分成多個(gè)較小的衍射光學(xué)元件19，為清楚起見(jiàn)，圖中只顯示了其中一小部分?？梢钥闯鲈诠庹丈湓?8時(shí)，有些衍射光學(xué)元件19形成光譜的某些部分，而其它元件形成光譜的其它部分。這樣，圖13可以看成是由多個(gè)元件合成的結(jié)果，象是圖12所示的多個(gè)元件8-11的型式。用這種辦法獲得的整體衍射光學(xué)元件18具有多個(gè)光學(xué)色散元件圖案19，優(yōu)選部分地相互合并，從圖13看出，各圖案對(duì)應(yīng)的中心顯然是相互二維偏離的，能夠產(chǎn)生多個(gè)光譜，其中至少有兩個(gè)光譜是分立的，不過(guò)是相互偏離和/或部分重疊的。從圖13看出，圖中所示的光譜20-23是分立的，而且相互偏離，不過(guò)沒(méi)有必要的重疊。
圖14表示使不同衍射光學(xué)元件合并成為一個(gè)合成元件的進(jìn)一步步驟，這個(gè)合成元件象圖14中參考數(shù)字24表示的衍射光學(xué)元件。在所闡明的實(shí)例中可以看出，這種元件受到光的照射時(shí)將會(huì)產(chǎn)生四個(gè)光譜25-28。從而光學(xué)元件24具有多個(gè)衍射，色散聚焦的圖案，優(yōu)選部分地相互合并，從圖12，也可以從圖14清楚看出，它們對(duì)應(yīng)的中心是相互二維偏離的，所以生成了這些多個(gè)光譜25-28，其中至少有兩個(gè)光譜是分立的，不過(guò)相互是偏離的。一個(gè)或更多的檢測(cè)器29，29′，29″可以相應(yīng)給出相隨的檢測(cè)視域30。當(dāng)使光學(xué)元件24至少相對(duì)第一軸y旋轉(zhuǎn)，元件24發(fā)生傾斜時(shí)，29，29′當(dāng)中至少有一個(gè)檢測(cè)器能檢測(cè)到不同光譜范圍的第一組，這里分別用參考數(shù)字25′，26′，27′，28′表示所對(duì)應(yīng)的分立光譜25-28。還可以設(shè)想，元件24也能繞與第一軸y正交的第二軸x旋轉(zhuǎn)，所以在發(fā)生傾斜時(shí)，29，29′當(dāng)中至少有一個(gè)檢測(cè)器能至少檢測(cè)到光譜25-28中對(duì)應(yīng)的一個(gè)光譜中不同光譜范圍的第二組，檢測(cè)視域30在z-軸方向保持不變，同時(shí)，光學(xué)元件24對(duì)x軸的傾斜使得這些光譜25-28朝向檢測(cè)視域22產(chǎn)生稍微的橫向位移，即，向z-軸方向。當(dāng)然，另一個(gè)辦法是不讓元件24繞第一軸y運(yùn)動(dòng)，而是使它保持靜止，代之的是讓檢測(cè)器或更多檢測(cè)器29，29′在x方向運(yùn)動(dòng)，即，向這些分立光譜的光譜頻帶25-28橫向運(yùn)動(dòng)。此外，也有可能借助檢測(cè)器29，29′的移動(dòng)，使或多或少的檢測(cè)器沿光譜頻帶25-28方向移動(dòng)來(lái)改變檢測(cè)視域。
進(jìn)一步可選擇的辦法是調(diào)節(jié)光源31在光譜頻帶方向的位置，從而來(lái)改變檢測(cè)器的位置或者檢測(cè)視域相對(duì)光譜25-28的位置。但是注意到，29，29′兩個(gè)檢測(cè)器以及光源31都是與電連接的，機(jī)械移動(dòng)它們的位置可能不方便，而另一方面，元件24不包含任何有源零件，所以比較容易移動(dòng)。
光源31最好通過(guò)固定的小光闌32(見(jiàn)圖38)發(fā)射光線，旋轉(zhuǎn)盤33至少配有一條狹縫34或者多個(gè)小孔，由于狹縫或小孔在圓盤上是弧形安置的，所以當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與它們橫過(guò)光闌32長(zhǎng)度方向的同時(shí)，光正好能夠通過(guò)狹縫或者小孔。
作為另一種選擇，圖39a中參考數(shù)字35表示的光源能夠通過(guò)可作機(jī)械運(yùn)動(dòng)的光纖36來(lái)發(fā)射光，該光纖借助，例如，使它尾部36′所依附的壓電元件37激發(fā)而運(yùn)動(dòng)。如圖29所示，可以選擇提供至少兩個(gè)檢測(cè)器，諸如圖29在光譜的光譜頻帶方向所示的檢測(cè)器38或39。對(duì)于從至少這兩個(gè)檢測(cè)器的輸出，可以利用時(shí)間復(fù)用進(jìn)行選擇收集。
還可以想象到，包含利用光纖或光導(dǎo)的原理也能夠應(yīng)用到檢測(cè)器上，如圖39b所示，其中檢測(cè)器122通過(guò)光導(dǎo)123對(duì)位于光導(dǎo)尾部123′聚焦面上的至少兩個(gè)光譜125進(jìn)行掃描，并且工具124，比方，壓電元件，在受到激發(fā)時(shí)使光導(dǎo)尾部123′或者橫過(guò)光譜或者沿著光譜隨意地運(yùn)動(dòng)。
前面曾經(jīng)指出，讓衍射光學(xué)元件做傾斜運(yùn)動(dòng)可能會(huì)有好處，因?yàn)檫@樣能使掃描有效的通過(guò)分立光譜所希望的部分。圖17較為詳細(xì)地描述了這一點(diǎn)，其中參考數(shù)字40代表衍射光學(xué)元件，參考數(shù)字41代表光源，前面介紹過(guò)，光源通過(guò)狹縫選擇性地發(fā)射出它的光。檢測(cè)器用參考數(shù)字42表示。衍射光學(xué)元件40優(yōu)選其傾斜中心處于尾部，如傾斜中心43表示。用這種方案，要求測(cè)量的波長(zhǎng)聚焦在曲線44上，以便在通過(guò)角度θ進(jìn)行掃描時(shí)它們能打中檢測(cè)器的中心。但是應(yīng)該注意到，這個(gè)平面上的光譜并不需要象在光柵譜儀上所見(jiàn)的連續(xù)譜，而是要含有預(yù)先定義的波長(zhǎng)，這些波長(zhǎng)不需要提高或者降低級(jí)次。對(duì)于這一點(diǎn)在，比如，圖14中也表示得很清楚。在圖17右上方可以清楚看到所測(cè)光譜的強(qiáng)度和掃描角度θ的函數(shù)關(guān)系。
如前面指出過(guò)的，可以想象到，衍射光學(xué)元件或基于光的反射或基于光的透射。光柵將對(duì)入射光線的或者幅度或者相位進(jìn)行調(diào)制。相位光柵給出的衍射效率最高。而且這種類型的衍射元件在小型圓盤底襯上容易以壓制或其它復(fù)制手段進(jìn)行大量復(fù)制，即，單個(gè)成本低。
首先介紹圖15中的情況。假定Pr(x)表示光柵元件分布圖，n是它的折射指數(shù)，常數(shù)k＝2π/λ，則由這種光柵產(chǎn)生的相位分布圖將為Φgrating＝-2k·Pr(x)。
入射視域(相對(duì)于光柵)的傾斜將產(chǎn)生下面的效應(yīng)Φtiltfield(x)＝-k·x·sin(α)Φtiltgrating(x)＝2k·x·sin(β)最后
ΦRe fleclivc(x)＝ΦGrating+ΦtiltField+ΦtiltGrating類似，對(duì)于圖16所表示的，可以得到以下表示Φgrating(x)＝k·(n-1)·Pr(x)入射視域(相對(duì)于光柵)的傾斜將產(chǎn)生下面的效應(yīng)ΦtiltField(x)＝k·x·sin(α)ΦtiltField(x)＝-k·x-sin(β)最后，得到如下表示ΦTransmission(x)＝ΦGrating+ΦtiltField+ΦtiltGrating要注意反射情況下的符號(hào)與透射情況的相反，因?yàn)檫@是向負(fù)z值方向傳播的。
如果結(jié)構(gòu)以分?jǐn)?shù)形式設(shè)立，其中n為1.5，則可得到表示如下ΦRefl.gratingΦTransm.grating=2·k·Pr(x)(n-1)·k·Pr(x)=2n-1≈4]]>從這里可以得到結(jié)論，同一個(gè)光柵分布圖Pr(x)產(chǎn)生的相位函數(shù)Φ(x)在反射光柵情況下比透射光柵情況下大4倍。透射光柵的傾斜角θ將用比θ小的角度使光譜移動(dòng)，而反射光柵的傾斜角θ將使光譜產(chǎn)生2θ角度移動(dòng)。所以波長(zhǎng)掃描要求透射光柵的傾斜比反射光柵的大兩倍。這樣，盡管基于透射的衍射光學(xué)元件的光柵當(dāng)然也可能會(huì)解決問(wèn)題，但是在本發(fā)明情況下，應(yīng)用反射光柵原理會(huì)有好處。
圖15和16中，入射光視域用字母IF表示，光學(xué)元件或光柵用DOE表示。
可以利用，比方，如圖37所示的結(jié)構(gòu)使衍射光學(xué)元件傾斜。由脈沖的或周期性變化的電壓U激發(fā)的線圈45操縱固定在可傾斜的板47上的錨釘46，這里用參考數(shù)字48表示的衍射光學(xué)元件依附在板47上。利用這種辦法可使衍射光學(xué)元件48繞傾斜中心49，49′傾斜。
當(dāng)然可以想象另一種解決圖37所示的結(jié)構(gòu)，比方，利用能引起傾斜運(yùn)動(dòng)的壓電元件，或者把衍射光學(xué)元件48附著在進(jìn)行振動(dòng)的電容器板上。
前面曾經(jīng)指出，為了產(chǎn)生衍射，利用偏離費(fèi)涅耳波帶片光軸的那部分費(fèi)涅耳波帶片可能會(huì)有好處。
圖18表示費(fèi)涅耳波帶片的波長(zhǎng)聚焦關(guān)系。其中只對(duì)費(fèi)涅耳波帶片偏離其光軸的那部分畫(huà)出了光線。這里，具有波長(zhǎng)1.7μm的聚焦平面(圖18中平面1)可以作為起始點(diǎn)。在這個(gè)平面中，1.7μm波長(zhǎng)的光聚焦在光軸上，而1.6μm波長(zhǎng)和1.8μm波長(zhǎng)的光稍有散焦并偏離光軸。由此可以得到結(jié)論，費(fèi)涅耳波帶片偏離光軸部分的作用好象是一種具有聚焦效應(yīng)的色散元件。
圖19表示當(dāng)利用費(fèi)涅耳波帶片偏離其光軸3mm的那部分時(shí)，不同波長(zhǎng)在平面1上的強(qiáng)度分布。檢測(cè)器在波長(zhǎng)范圍1.64μm-1.76μm內(nèi)的綜合能量在圖19中為常量。假如，比方，采用的是一種適合1.7μm的3mm×10mm的元件，則其它波長(zhǎng)的強(qiáng)度將不可避免地降低。圖19中破折線中標(biāo)出的正方形符號(hào)表示檢測(cè)器的尺寸可能大約為300×300μm2。這里給出的檢測(cè)器尺寸限制了分辨率為25毫微米。顯然，對(duì)于指定波長(zhǎng)1.7μm，檢測(cè)器尺寸越小，其分辨率越高。這里給出的數(shù)值只能理解為是闡明本發(fā)明諸多方面的實(shí)例而已。
在圖20和21中要對(duì)這種衍射元件進(jìn)行更詳細(xì)的描述，圖中給出的是通常的尺寸，但本發(fā)明并不限于此種尺寸。與衍射光學(xué)元件52相關(guān)的有兩個(gè)反射面50，51。這兩個(gè)反射面50，51分別對(duì)應(yīng)于參考標(biāo)志1.6μm和1.8μm，在所選擇實(shí)例中，其作用效果象鏡子一樣。計(jì)算它們的傾斜度時(shí)要考慮到能使這些平面反射的光聚焦到對(duì)于1.6μm和1.8μm光線的位置上。還可以想象，為了形成光柵56或光學(xué)元件，可以在凹面底襯53上進(jìn)行雕刻來(lái)提供衍射光學(xué)元件或光柵，其中底襯要使得狹縫57與檢測(cè)器(圖中未示)相配合，見(jiàn)圖22。在所選實(shí)例中，狹縫和光柵之間的距離為d＝50mm，因而凹面底襯的半徑就該是50mm。在這種結(jié)構(gòu)中省卻了中間的透鏡，而且圖20和21中所示的反射面50，51成了傾斜的凹面鏡。圖24表示的是與圖20和21描述有關(guān)的一種設(shè)計(jì)，可以看出，由參考波長(zhǎng)1.6μm和1.8μm反射面所成像的光譜給出了在該光譜某個(gè)部分的參考標(biāo)準(zhǔn)，所以檢測(cè)器可以毫無(wú)疑問(wèn)地判定出，例如，一個(gè)峰在該光譜中的位置?？梢钥吹?，這里應(yīng)用了在圖22方案中已省卻的透鏡58。對(duì)于1.6μm和1.8μm范圍內(nèi)的反射衍射光學(xué)元件以及一種給定的光柵或元件，一般獲得的光譜將如圖22所指出的方式產(chǎn)生。雖然有可能利用與衍射光學(xué)元件有關(guān)的反射面50，51，但對(duì)所選擇實(shí)例也有可能利用球面鏡或者一個(gè)費(fèi)涅耳波帶片的中心區(qū)來(lái)提供1.6μm和1.8μm的參考標(biāo)準(zhǔn)。為產(chǎn)生所希望的光譜，衍射光學(xué)元件相對(duì)理想費(fèi)涅耳波帶片的光軸應(yīng)是軸偏離的。從圖25可以更加清楚地看到這一點(diǎn)。圖25中，參考元件用參考數(shù)字59表示，軸偏離的衍射光學(xué)元件用參考數(shù)字60表示。假如參考元件59用的是球面鏡，則好處是這樣的鏡子可以消除色差。圖26表示了一種λ在1.2-2.0μm范圍內(nèi)作為參考標(biāo)準(zhǔn)的中心費(fèi)涅耳波帶片的衍射圖案，分辨率約為30毫微米。
總的參考強(qiáng)度將是所有這些貢獻(xiàn)之和，其峰的強(qiáng)度與λ＝1.7μm中心光線的強(qiáng)度相當(dāng)(見(jiàn)圖19)。這樣，圖19中的曲線變得與圖27中看到的相同，即，對(duì)于波長(zhǎng)1.6μm和1.8μm分別有明顯的標(biāo)志。如果把不同元件做成鑲嵌式的，則有可能使強(qiáng)度分布更加均勻。但是，這種方案的缺點(diǎn)是各波長(zhǎng)的分布更不對(duì)稱，就是說(shuō)，比如，對(duì)λ＝1.8μm而言，1.77μm和1.83μm的貢獻(xiàn)較小。為了降低強(qiáng)度，可以借助展開(kāi)，例如，1mm×10mm的衍射光學(xué)元件在x-軸方向的色散效應(yīng)，還可以利用費(fèi)涅耳波帶片在y-軸方向10mm部分所產(chǎn)生的幾何效應(yīng)，以便能夠把強(qiáng)度降低的程度計(jì)算出來(lái)。如果元件是最適合于，例如1.7μm，則在1.6μm和1.8μm的強(qiáng)度將減少50％。這一點(diǎn)可以從幾何上去計(jì)算檢測(cè)器在y方向所接受能量錐體的總量來(lái)得到驗(yàn)證，因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)在y方向的聚焦長(zhǎng)度不同。為減少這種變化，把三個(gè)各為1mm并具有不同設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的不同元件放在一個(gè)鑲嵌體中。這樣，在1.6μm和1.8μm的強(qiáng)度將只減少15％，從而在特別感興趣的波長(zhǎng)區(qū)給出的響應(yīng)相當(dāng)平坦。象上面描述的方案，光學(xué)元件至少能在第一平面中上傾斜，以便所包括的檢測(cè)器中至少有一個(gè)在元件傾斜時(shí)能相繼檢測(cè)到該光譜或一個(gè)合成光譜中的各光譜區(qū)。利用幾個(gè)不同的光學(xué)元件60，61可以獲得合成光譜。為了在所討論的波長(zhǎng)區(qū)域得到均勻程度最高的光譜，這樣做可能是有好處的。另外一個(gè)辦法是，該檢測(cè)器中至少有一個(gè)，例如圖24所示的檢測(cè)器62，能沿該光譜或合成光譜的光譜頻帶移動(dòng)。但是，如早先曾建議過(guò)的，最好還是利用一種可傾斜的光學(xué)元件，而不是去移動(dòng)檢測(cè)器。
在圖28和29中，IV表示不可見(jiàn)光譜，V表示可見(jiàn)光譜。對(duì)于本發(fā)明兩個(gè)可供選擇的初始實(shí)施方案，光譜可以處在一個(gè)可見(jiàn)和/或一個(gè)不可見(jiàn)光譜區(qū)域內(nèi)。這樣，光譜可以從下面的組合中進(jìn)行挑選分立的不可見(jiàn)光譜；分立的可見(jiàn)光譜；相鄰或部分重疊的不可見(jiàn)光譜；相鄰或部分重疊的可見(jiàn)光譜；分立的可見(jiàn)光譜與不可見(jiàn)光譜以及相鄰或部分重疊的不可見(jiàn)光譜與可見(jiàn)光譜。
關(guān)系到，例如，顏色的檢測(cè)時(shí)，最好是利用至少兩個(gè)重疊的可見(jiàn)光譜，如圖28f所示，以便能夠檢測(cè)出可見(jiàn)光譜V中合成的顏色。這可以，例如，利用兩個(gè)相互可調(diào)節(jié)的衍射光學(xué)元件予以提供。
關(guān)系到，例如，可見(jiàn)光譜，例如，顏色的檢測(cè)時(shí)，最好是利用幾個(gè)檢測(cè)器38，而對(duì)于不可見(jiàn)光譜，則可以利用較少的檢測(cè)器39，如圖29所示。
現(xiàn)在參考圖30-34來(lái)更詳細(xì)地描述有關(guān)本發(fā)明的實(shí)際方案。
圖30表示的是，光源63向反射元件64發(fā)射光，反射元件把光聚焦到光闌室66的一條狹縫65上，在所選的實(shí)例中，光在光闌室內(nèi)射到透鏡67，再射向色散光學(xué)元件68，從這里光被導(dǎo)向檢測(cè)器69。透鏡67和元件68可以任選一種色散的、聚焦的、衍射元件(DOE)去替代它們。狹縫65的尺寸最好要小，比方，不過(guò)并不限定，為0.3×3mm量級(jí)。還有可能用矩形的、多邊形的、園的或橢圓形的光闌去替代這個(gè)狹縫。具體采用的方案與圖12-15所示的實(shí)施方案有關(guān)。檢測(cè)器69的尺寸可以為，比方，0.3mm。光闌室66的實(shí)際尺寸為，比方，60×10mm，但這絕對(duì)不應(yīng)理解為是本發(fā)明規(guī)定的限制。為了能夠?qū)馍⑸溥M(jìn)行限制，光闌室66內(nèi)安放了光欄70，如圖31所示。
為了能夠使衍射光學(xué)元件繞傾斜軸71傾斜，在元件68的第二端點(diǎn)提供了一種壓電元件72，如圖31所示，當(dāng)元件72受到激發(fā)時(shí)，元件68將繞點(diǎn)71傾斜?？梢园岩环N透明的或半透明的媒體，例如，流體或物件73引入光源63，64和檢測(cè)器69之間的光路中。這樣，顯示出并由檢測(cè)器檢測(cè)到的一個(gè)或多個(gè)光譜將是該媒體73光吸收性質(zhì)的函數(shù)。
圖33描述的是一個(gè)變更的方案，其中光學(xué)元件用參考數(shù)字74表示，光源用參考數(shù)字75表示，光闌室用參考數(shù)字76表示，檢測(cè)器用參考數(shù)字77表示?？梢蕴峁┮环N外部光源75′作為光源75的另一種選擇，如破折線所示，該光源通過(guò)光闌室76的光闌75″達(dá)到和光源75同樣的地方。從光源75發(fā)射的光經(jīng)由衍射光學(xué)元件74通過(guò)光闌室76的狹縫78射向反射元件79，使得形成光譜的光線擊中檢測(cè)器77。這個(gè)情況下，可以在光學(xué)元件74和檢測(cè)器77之間的光路中引入透明的或半透明的媒體80，因而顯示出并被檢測(cè)器77檢測(cè)到的一個(gè)或多個(gè)光譜是該媒體80光吸收性質(zhì)的函數(shù)。在媒體不是透明的或半透明的，而基本上是如圖32所表示的光-反射的情況下，則一種光-反射媒體83，比方，流體或一種物件，可以引入光源81和光學(xué)元件68之間的光路中，其中光源81發(fā)射的光被反射體82以及光學(xué)元件68反射。這樣，媒體83將使得光經(jīng)由透鏡84和狹縫65向光學(xué)元件68反射。從而這里顯示的并被檢測(cè)器69檢測(cè)到的一個(gè)或多個(gè)光譜將是媒體83光吸收和/或光反射性質(zhì)的函數(shù)，并且是/或是該媒體發(fā)光或再發(fā)射性質(zhì)的函數(shù)。
從與圖30和33所示有關(guān)的實(shí)施方案可以理解，不僅可以檢測(cè)到光的吸收性質(zhì)，而且還可以檢測(cè)到光的反射性質(zhì)。
在圖30-33所示的方案中，可以想象到，其顯示的一個(gè)或多個(gè)光譜可以是媒體發(fā)光或再發(fā)射性質(zhì)的函數(shù)。根據(jù)到這種關(guān)系，特別要面對(duì)的是媒體可能是一種泡沫流體。
但是，媒體也有可能至少包括下列元材料中的一種氣體、生物材料、合成廢料、流體、醫(yī)學(xué)樣品和制品、食品、紙制品、木材制品、金屬和/或其合金、塑性材料、玻璃，或塑料物件或玻璃物件，比如，飲料包裝。
在圖33所示的事例中，面對(duì)的媒體也有可能是，比如，氣體，這樣，室76，比方，用這種氣體進(jìn)行充灌。這種情況下，將會(huì)特別對(duì)該氣體的吸收性質(zhì)感到興趣。
還有可能，并不移動(dòng)光源86和檢測(cè)器87之間光路上的衍射光學(xué)元件，如圖34所示的元件85，而是提供一個(gè)可傾斜的鏡88。鏡88的第一尾端安裝在樞軸點(diǎn)89上，而其第二端與，比如，一個(gè)壓電元件90連接，元件90受到激發(fā)時(shí)將使鏡88繞點(diǎn)89傾斜。當(dāng)然，有可能進(jìn)行些小的改進(jìn)，使光源86和檢測(cè)器87能夠切換位置而對(duì)獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)影響不大。所以可以想象到，傾斜鏡能夠位于光源86和衍射光學(xué)元件85之間的光路中，以及/或者位于衍射光學(xué)元件85和檢測(cè)器87之間的光路中。
圖35和36闡明了使光學(xué)元件91傾斜和有時(shí)選擇使它旋轉(zhuǎn)的原理。元件91按箭頭方向92傾斜將導(dǎo)致光譜95-98按方向92′運(yùn)動(dòng)，而元件按箭頭方向93旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致光譜95-98按方向93′運(yùn)動(dòng)。故可以理解，按方向92傾斜能夠使得對(duì)應(yīng)光譜95-98中預(yù)先確定的區(qū)域相繼通過(guò)檢測(cè)器94，而按箭頭方向93旋轉(zhuǎn)，當(dāng)在方向92的傾斜是繞傾斜軸99進(jìn)行時(shí)，將使95-98各光譜中對(duì)應(yīng)的其余區(qū)域通過(guò)檢測(cè)器。
圖40表示光源100朝向費(fèi)涅耳波帶片斷片形式的多個(gè)衍射光學(xué)元件101，102，103和104發(fā)射光。每個(gè)元件產(chǎn)生一個(gè)光譜，不過(guò)為簡(jiǎn)單清楚起見(jiàn)，只畫(huà)出了從元件104和101相應(yīng)產(chǎn)生的兩個(gè)光譜105和106?？梢钥闯?，光譜106位于光譜105的側(cè)面，而且還顯得比較模糊，這表明該光譜位于代表光檢測(cè)器的全黑視域109聚焦面之外。還可以發(fā)現(xiàn)，元件101，102和103表現(xiàn)得比元件104模糊，這是因?yàn)檫@三個(gè)元件一直由機(jī)械操縱或者不在可視范圍內(nèi)，光源100的光所產(chǎn)生光譜或者超出聚焦范圍，或者實(shí)質(zhì)上是一種不可見(jiàn)光譜。這意味著，實(shí)際上并不是利用所有元件繞，比如，y-軸傾斜來(lái)相繼研究每個(gè)光譜的，而是把元件101-104放到一種位置上，使得這些元件中的每一個(gè)相繼在聚焦面上產(chǎn)生一個(gè)光譜，同時(shí)其余的光譜處在聚焦面之外，由此，在聚焦面上的光譜可被檢測(cè)器109清晰可見(jiàn)，而其余的光譜保持原狀，以便它們對(duì)檢測(cè)器109所進(jìn)行的檢測(cè)不產(chǎn)生主要作用。
圖41表示光源100朝向費(fèi)涅耳波帶片斷片形式的多個(gè)衍射光學(xué)元件101，102，103和104發(fā)射光。每個(gè)元件產(chǎn)生一個(gè)光譜，不過(guò)為簡(jiǎn)單清楚起見(jiàn)，只畫(huà)出了從元件101和104相應(yīng)產(chǎn)生的兩個(gè)光譜107和108?？梢钥闯觯庾V108位于光譜107的后面，而且還顯得比較模糊，這表明該光譜位于代表光檢測(cè)器的全黑視域109聚焦面之外。還可以發(fā)現(xiàn)，元件102，103和104表現(xiàn)得比元件101模糊，這是因?yàn)檫@三個(gè)元件一直由機(jī)械操縱或者不在可視范圍內(nèi)，光源100的光所產(chǎn)生光譜或者超出聚焦范圍，或者實(shí)質(zhì)上是一種不可見(jiàn)光譜。這意味著，實(shí)際上并不是利用所有元件繞，比如，y-軸傾斜來(lái)相繼研究每個(gè)光譜的，而是把元件101-104放到一種位置上，使得這些元件中的每一個(gè)相繼在聚焦面上產(chǎn)生一個(gè)光譜，同時(shí)其余的光譜處在聚焦面之外，由此，在聚焦面上的光譜可被檢測(cè)器109清晰可見(jiàn)，而其余的光譜保持原狀，以便它們對(duì)檢測(cè)器109所進(jìn)行的檢測(cè)不產(chǎn)生主要作用。
圖42表示衍射光學(xué)元件110，111(對(duì)應(yīng)DOE1和DOE2)各位于密封的對(duì)應(yīng)的壓力室112，113上，對(duì)這兩個(gè)壓力室，比方，能夠間斷地提供相應(yīng)的負(fù)壓-ΔP1和-ΔP2，以便在向壓力室112提供負(fù)壓時(shí)，由，比如，元件110產(chǎn)生的光譜出現(xiàn)在聚焦范圍外，而壓力室113內(nèi)的壓力為標(biāo)稱壓力，使得元件111產(chǎn)生的光譜位于在對(duì)檢測(cè)器109的聚焦范圍內(nèi)，以便對(duì)其部分光譜進(jìn)行研究。
類似的原理也適用于圖43的實(shí)施方案，其中衍射光學(xué)元件(對(duì)應(yīng)為DOE1和DOE2)用參考數(shù)字114和115表示。在這種情況下，采用的不是壓力室，而是電動(dòng)工具116和117，由驅(qū)動(dòng)電壓V1和V2在不同時(shí)期向其供電，造成，例如，相應(yīng)的元件向下彎曲。工具116和117可以包括，比如，壓電元件或靜電元件，這樣，光學(xué)元件的上下彎曲取決于提供的驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)應(yīng)用靜電規(guī)則時(shí)，這種工具的一部分要固定在光學(xué)元件上，而另一部分固定在基底126上。
當(dāng)采用壓電元件時(shí)，要把它放在光學(xué)元件114，115和基底126之間。如果光學(xué)元件，比方，只在一個(gè)邊緣上受到支撐，而另一個(gè)邊緣由上述工具支持，則該光學(xué)元件實(shí)際上就能夠相對(duì)x或y-軸傾斜，這表明，有可能使得產(chǎn)生的光譜向其側(cè)向或縱向移動(dòng)。這對(duì)于測(cè)試縱向部分重疊的光譜中不同顏色的合并，或把光譜帶到檢測(cè)視域之外都是有效的。
圖44表示的衍射光學(xué)元件(對(duì)應(yīng)DOE1和DOE2)用參考數(shù)字118和119代表。在這個(gè)事例中，元件被參考數(shù)字120和121分別代表的光閥LV1和LV2所覆蓋。光閥在不同時(shí)刻受到激發(fā)(產(chǎn)生作用)，所以一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)元件能夠被光源照亮而產(chǎn)生光譜。
在那些可能有助于同時(shí)考慮IR光譜和顏色的事例中，利用幾個(gè)檢測(cè)器將會(huì)有好處。圖12和14給出了一個(gè)實(shí)例，其中在檢測(cè)視域17和30之外至少分別增加一個(gè)檢測(cè)器16″和29″。還可以想到，由于IR有關(guān)的光譜與通常有色光譜的聚焦是有差別的，這些檢測(cè)器的y位置是不同的。
在圖41中要是所有元件101-104同時(shí)給出類似的聚焦光譜，那么生成的不同光譜就會(huì)幾乎重疊在一起，實(shí)際上這種方案是利用把兩個(gè)或更多光譜合并起來(lái)以檢驗(yàn)媒體的，諸如一個(gè)物件的，多個(gè)可能的顏色合并，即，至少有兩個(gè)元件產(chǎn)生與其對(duì)應(yīng)的相互重疊，但相互偏離的光譜。
圖45舉例說(shuō)明一種用于移動(dòng)DOE 129的工具127，設(shè)備127具有束結(jié)構(gòu)(bean structure)127′或者是類似，例如，一種硅梁，這種硅梁通過(guò)終端128′接到電源線路128。電源線路128因發(fā)熱而使束產(chǎn)生彎曲。電源線路128可以隨意地用壓電元件或電磁元件代替。
圖46舉例說(shuō)明一種用電容元件131，131′移動(dòng)DOE 132的工具130，上述電容元件通過(guò)終端131″，131′″接收電源電壓，從而產(chǎn)生電容性的吸引或排斥，使束130′，比方，硅梁，運(yùn)動(dòng)。
在下面的描述和草圖中還表示了幾個(gè)別的利用機(jī)械操作元件使某些衍射光學(xué)元件(斷片或零件)激發(fā)或退激的方案。圖47表示了一個(gè)可供選擇的方案，其目的特別符合本發(fā)明的概念，它利用改變上部第一反射面和下部第二反射面之間的距離，接通和關(guān)閉二元全息照相的各個(gè)部件。已經(jīng)知道光學(xué)調(diào)制器每二次發(fā)射的原理，請(qǐng)參看，例如，US專利No.5,311,360，其中，改變反射梁的上面和下反射面之間的距離來(lái)使衍射光學(xué)元件的衍射效應(yīng)激發(fā)或退激。
可以想象到，二元衍射光學(xué)元件的上反射部分133能夠在玻璃板135上做成金屬的形式134，而二元形式衍射光學(xué)元件的下部?jī)H僅是一種反射面。對(duì)術(shù)語(yǔ)“二元”的理解是指一種調(diào)劑高度僅有兩級(jí)的元件。下反射面可以，比如，是一層薄金屬膜136，該膜可以按照λ/4間距裝配。利用，例如，施加一種電場(chǎng)，可以把膜拉向金屬134，從而使間距從nλ/2+λ/4＝＞ON(接通)改變?yōu)棣?2＝＞OFF(關(guān)閉)，其中n＝0，1，2，3...。
用這種辦法使衍射光學(xué)元件(也可帶有其斷片或部件)產(chǎn)生形變，使得元件實(shí)際上在，比如，0λ/16時(shí)僅是一個(gè)反射面。這樣，衍射效率要受到，比如，在膜136和板135之間電場(chǎng)引入的影響，并且，例如，電場(chǎng)可以步進(jìn)調(diào)節(jié)，從而相應(yīng)改變衍射效率。元件的衍射效率在nλ/2+λ/4時(shí)最大，在nλ/2時(shí)最小，n＝0，1，2，3...。從mλ/2到(m+1)λ2，周期為λ/2元件的衍射效率近似服從高斯曲線，最大值居中。好處是，在0λ和4λ/16之間標(biāo)稱間距可以一步步改變，每步為，例如，λ16。
從圖48可以清楚看出，衍射效率以周期大約為0.5λ循環(huán)變化。
權(quán)利要求
1.一種用于光譜學(xué)的衍射光學(xué)元件設(shè)備，其中，寬頻帶光由光源向光學(xué)元件發(fā)射，并從光學(xué)元件被傳送到至少一個(gè)檢測(cè)器上，其特征在于-這種衍射光學(xué)元件具有多個(gè)衍射色散聚焦圖案，它們形成一個(gè)圖案平面或者幾個(gè)互有影響，但互不重疊的圖案平面，其各自對(duì)應(yīng)的中心是二維相互偏離的，目的是產(chǎn)生多個(gè)光譜，該多個(gè)光譜中至少有兩個(gè)譜是分立的，但相互是偏離的，或是部分重疊的。
2.一種用于光譜學(xué)的衍射光學(xué)元件設(shè)備，其中，寬頻帶光由光源向光學(xué)元件發(fā)射，并從光學(xué)元件被傳送到至少一個(gè)檢測(cè)器上，其特征在于-這種衍射光學(xué)元件具有多個(gè)衍射色散聚焦圖案，它們形成一個(gè)圖案平面或者幾個(gè)互有影響，但互不重疊的圖案平面，其各自對(duì)應(yīng)的中心是二維相互偏離的，目的是產(chǎn)生多個(gè)光譜，該多個(gè)光譜中至少有兩個(gè)譜是分立的，但相互是偏離的，或是部分重疊的。
3.如權(quán)利要求1或2公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于該多個(gè)圖案中可以部分相互結(jié)合。
4.如權(quán)利要求1，2或3公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-該光學(xué)元件至少可以繞第一軸傾斜，以便當(dāng)元件傾斜時(shí)，至少所說(shuō)的一個(gè)檢測(cè)器能檢測(cè)到相應(yīng)的分立光譜中不同光譜區(qū)的第一組。
5.如權(quán)利要求4公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-該光學(xué)元件可以繞與第一軸正交的第二軸傾斜，以便當(dāng)元件傾斜時(shí)，至少有一個(gè)檢測(cè)器能在上述相應(yīng)分立光譜中至少檢測(cè)到不同光譜區(qū)的第二組。
6.如權(quán)利要求1，2或3公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-至少有一個(gè)檢測(cè)器能沿該分立光譜的光譜頻帶作橫向運(yùn)動(dòng)。
7.如權(quán)利要求6公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-至少有一個(gè)檢測(cè)器的位置可以沿光譜頻帶方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。
8.如權(quán)利要求1，2或3公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-光源的位置可以沿該光譜頻帶方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。
9.如權(quán)利要求8公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-光源發(fā)射的光穿過(guò)固定的光闌；以及-在該光闌前面安置一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，圓盤至少配有一條狹縫或者多個(gè)小孔，由于狹縫或小孔在圓盤上是弧形安置的，所以當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與它們橫過(guò)光闌長(zhǎng)度方向的同時(shí)，光正好能夠穿過(guò)狹縫或者小孔。
10.如權(quán)利要求8公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-光源經(jīng)由一種可作機(jī)械運(yùn)動(dòng)的光纖發(fā)射光，該光纖可借助，例如，使它尾部所依附的壓電元件激發(fā)而運(yùn)動(dòng)。
11.如前面一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-在該光譜的光譜頻帶方向上至少安排兩個(gè)檢測(cè)器。
12.如權(quán)利要求11公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-至少這兩個(gè)檢測(cè)器的輸出是利用時(shí)間復(fù)用進(jìn)行收集的。
13.如權(quán)利要求1，2或3公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-在光源和光學(xué)元件之間的光路上安置一種使光偏轉(zhuǎn)的元件，例如，傾斜的鏡面。
14.如權(quán)利要求1，2或3公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-在光學(xué)元件和檢測(cè)器之間的光路上安置一種使光偏轉(zhuǎn)的元件，例如，傾斜的鏡面。
15.一種用于光譜學(xué)的衍射光學(xué)元件設(shè)備，其中光源可以通過(guò)一條狹縫向光學(xué)元件發(fā)射寬頻帶光，且光從那里被傳送到至少一個(gè)檢測(cè)器上，其特征在于-光學(xué)元件包括一種與一種波長(zhǎng)有關(guān)并產(chǎn)生一個(gè)光譜的衍射光學(xué)元件，而光偏轉(zhuǎn)工具安置在光學(xué)元件的上面或者與光學(xué)元件相連接，以便在該光譜中產(chǎn)生一種波長(zhǎng)數(shù)值指示，來(lái)指出波長(zhǎng)的上下數(shù)值或其中一個(gè)數(shù)值。
16.一種用于光譜學(xué)的衍射光學(xué)元件設(shè)備，其中光源可以通過(guò)一條狹縫向光學(xué)元件發(fā)射寬頻帶光，且光從那里被傳送到至少一個(gè)檢測(cè)器上，其特征在于-光學(xué)元件至少包括兩種衍射光學(xué)元件部分，它們與各自對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)有關(guān)，并至少產(chǎn)生兩個(gè)分立的光譜或至少兩個(gè)相互部分重疊的光譜從而給出一個(gè)合成光譜，而光偏轉(zhuǎn)工具安置在光學(xué)元件上面或與之連接，以便在該光譜中產(chǎn)生一種波長(zhǎng)數(shù)值指示，來(lái)指出波長(zhǎng)的上下數(shù)值或其中一個(gè)數(shù)值。
17.如權(quán)利要求15或16公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于一光學(xué)元件至少可以繞第一軸傾斜，以便當(dāng)元件傾斜時(shí)，至少能使一個(gè)檢測(cè)器相繼檢測(cè)到該光譜中或合成光譜中不同的光譜區(qū)域。
18.如權(quán)利要求15或16公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-至少有一個(gè)檢測(cè)器的位置可以沿光譜或合成光譜的光譜頻帶的方向運(yùn)動(dòng)。
19.一種用于光譜學(xué)的衍射光學(xué)元件設(shè)備，其中光源發(fā)射的寬頻帶光朝向光學(xué)元件，并從那里被傳送到至少一個(gè)檢測(cè)器上，其特征在于-衍射光學(xué)元件具有多個(gè)衍射色散聚焦圖案，它們形成元件的斷片，其對(duì)應(yīng)的中心相互是二維偏離的，使得能產(chǎn)生多個(gè)光譜，其中至少有兩個(gè)光譜是分立的，但相互是偏離和/或部分重疊的；以及-至少有一個(gè)斷片依附在工具上，以便能有選擇的機(jī)械操作這個(gè)斷片，從而使它變形，使得產(chǎn)生的光譜或者是a)在一個(gè)檢測(cè)器的聚焦范圍之外，或者是b)在該檢測(cè)器的檢測(cè)范圍之外，或者是c)在第二個(gè)檢測(cè)器的聚焦范圍之內(nèi)。
20.一種用于光譜學(xué)的衍射光學(xué)元件設(shè)備，其中光源發(fā)射的寬頻帶光朝向光學(xué)元件，并從那里被傳送到至少一個(gè)檢測(cè)器上，其特征在于-衍射光學(xué)元件具有多個(gè)衍射色散聚焦圖案，它們形成元件的斷片，其對(duì)應(yīng)的中心相互是二維偏離的，使得能產(chǎn)生多個(gè)光譜，其中至少有兩個(gè)光譜是分立的，但相互是偏離和/或部分重疊的；以及-至少有一個(gè)斷片與工具有關(guān)聯(lián)，以便通過(guò)光控進(jìn)行選擇性的機(jī)械操作，來(lái)阻斷從該斷片的光反射。
21.如權(quán)利要求19或20公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-光源的位置可以沿光譜頻帶方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。
22.如權(quán)利要求21公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-光源發(fā)射的光穿過(guò)一條固定的光闌；以及-在該光闌前面安置一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，圓盤至少配有一條狹縫或者多個(gè)小孔，由于狹縫或小孔在圓盤上是弧形安置的，所以當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與它們橫過(guò)光闌長(zhǎng)度方向的同時(shí)，光正好能夠穿過(guò)狹縫或者小孔。
23.如權(quán)利要求19或20公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-光源經(jīng)由可作機(jī)械運(yùn)動(dòng)的光纖發(fā)射光，該光纖可借助，例如，使它尾部所依附的壓電元件激發(fā)而運(yùn)動(dòng)。
24.如前面一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-在該光譜的光譜頻帶方向(z方向)上至少安排兩個(gè)檢測(cè)器。
25.如前面一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-在該光譜的光譜頻帶的橫向方向(x方向)上至少安排兩個(gè)檢測(cè)器。
26.如前面一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-在y方向上至少安排兩個(gè)檢測(cè)器。
27.如權(quán)利要求24，25或26公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-至少這兩個(gè)檢測(cè)器的輸出是利用時(shí)間復(fù)用進(jìn)行收集的。
28.如權(quán)利要求20或21公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-在光源和光學(xué)元件之間的光路上安置一種使光偏轉(zhuǎn)的元件，例如，傾斜的鏡面。
29.如權(quán)利要求20或21公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-在光學(xué)元件和檢測(cè)器之間的光路上安置一種使光偏轉(zhuǎn)的元件，例如，傾斜的鏡面。
30.一種用于光譜學(xué)的衍射光學(xué)元件設(shè)備，其中光源發(fā)射的寬頻帶光可選地穿過(guò)一條狹縫，射向光學(xué)元件，并從那里被傳送到至少一個(gè)檢測(cè)器上，其特征在于-光學(xué)元件至少包括兩種衍射光學(xué)元件部分，它們與各自對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)有關(guān)，并產(chǎn)生至少兩個(gè)分立的光譜或至少兩個(gè)相互部分重疊的光譜從而給出一個(gè)合成光譜，其中至少一個(gè)元件部分依附在一種工具上，以便能有選擇的對(duì)該元件部分進(jìn)行機(jī)械操作，使這種元件部分產(chǎn)生變形，以便產(chǎn)生的光譜或者是a)在一個(gè)檢測(cè)器的聚焦范圍之外，或者是b)在該檢測(cè)器的檢測(cè)范圍之外，或者是c)在第二個(gè)檢測(cè)器的聚焦范圍之內(nèi)。
31.一種用于光譜學(xué)的衍射光學(xué)元件設(shè)備，其中光源發(fā)射的寬頻帶光可穿過(guò)一條狹縫，射向光學(xué)元件，并從那里被傳送到至少一個(gè)檢測(cè)器上，其特征在于-光學(xué)元件至少包括兩種衍射光學(xué)元件部分，它們與各自對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)有關(guān)，并產(chǎn)生至少兩個(gè)分立的光譜或至少兩個(gè)相互部分重疊的光譜從而給出一個(gè)合成光譜，其中至少有一個(gè)元件部分依附在工具上，通過(guò)光控對(duì)該元件部分進(jìn)行選擇性的機(jī)械操作，來(lái)阻斷該元件部分的光反射。
32.如前面一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-所說(shuō)的光譜位于不可見(jiàn)和/或可見(jiàn)光譜區(qū)域。
33.如前面一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于光譜是從包含下面光譜的組合中選擇出來(lái)的-分立的不可見(jiàn)光譜；-分立的可見(jiàn)光譜；-相鄰或部分重疊的不可見(jiàn)光譜；-相鄰或部分重疊的可見(jiàn)光譜；-分立的可見(jiàn)光譜與不可見(jiàn)光譜；-相鄰或部分重疊的可見(jiàn)光譜與不可見(jiàn)光譜。
34.如前面一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-在光源和光學(xué)元件之間和/或在光學(xué)元件和檢測(cè)器之間的光路上能夠置入一種透明的或半透明的媒體；以及-顯示的和檢測(cè)到的一個(gè)或多個(gè)光譜是該媒體下列有關(guān)性質(zhì)的函數(shù)光吸收，光反射，發(fā)光和再發(fā)射。
35.如權(quán)利要求1-33中一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-在光源和光學(xué)元件之間的光路上能夠置入一種光-反射媒體，該媒體反射的光朝向該光學(xué)元件；以及-顯示的和檢測(cè)到的一個(gè)或多個(gè)光譜是該媒體下列有關(guān)性質(zhì)的函數(shù)光吸收，光反射，發(fā)光和再發(fā)射。
36.如權(quán)利要求34或35公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-該透明或半透明媒體是一種流體或一個(gè)物件。
37.如權(quán)利要求34公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-該媒體是一種泡沫流體。
38.如權(quán)利要求34或35公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-該媒體至少包含下列元材料中的一種-氣體；-生物材料；-合成廢料-流體；-醫(yī)學(xué)樣品和制品；-食品；-紙制品；-木材制品；-金屬和/或其合金；-塑性材料；-玻璃；-木材；-塑料物件或玻璃物件，比如，飲料包裝。
39.如權(quán)利要求6，7，11-19和25-35中公開(kāi)的任意一種設(shè)備，其特征在于-安排檢測(cè)器通過(guò)可作機(jī)械運(yùn)動(dòng)的光纖去觀察至少兩個(gè)光譜，該光纖可借助，例如，使它尾部所依附的壓電元件激發(fā)而運(yùn)動(dòng)。
40.如權(quán)利要求1，4，15，16，17，19，20，30，31中公開(kāi)的任意一種設(shè)備，其特征在于-該光學(xué)元件安置在一種束結(jié)構(gòu)上；以及-為了能夠操縱該光學(xué)元件，利用電熱，壓電，電磁或電容工具來(lái)使該束結(jié)構(gòu)發(fā)生形變或彎曲。
41.如權(quán)利要求19，20，30或31公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)使得在操作該元件時(shí)可改變其衍射效率。
42.如權(quán)利要求41公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-衍射光學(xué)元件具有二元結(jié)構(gòu)。
43.如權(quán)利要求19，20，30，31，41或42公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-衍射光學(xué)元件包含具有第一圖案的基礎(chǔ)部分和具有反射或不同圖案面的可運(yùn)動(dòng)部分；-基礎(chǔ)部分和運(yùn)動(dòng)部分有標(biāo)稱間距；-元件的安排要使得在進(jìn)行操作時(shí)能夠改變這種標(biāo)稱間距，從而改變?cè)难苌湫省?br> 44.如權(quán)利要求43公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-標(biāo)稱間距為nλ/2+λ4，其中n＝0，1，2，3...。
45.如權(quán)利要求43公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-元件的衍射效率在nλ/2+λ4時(shí)最大，在mλ/2時(shí)最小，其中n＝0，1，2，3...。
46.如權(quán)利要求41，42，43，44或45公開(kāi)的設(shè)備，其特征在于-衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)使得在給它施加電場(chǎng)時(shí)可改變其衍射效率。
全文摘要
一種用在光譜學(xué)上的衍射光學(xué)元件設(shè)備，其中，光源(31)向光學(xué)元件(24)發(fā)出寬頻帶光，光從那里被傳送到至少一個(gè)檢測(cè)器(29；29′)上。這種光學(xué)元件具有多個(gè)衍射色散聚焦圖案，優(yōu)選的是能部分相互結(jié)合的；它們各自對(duì)應(yīng)的中心是二維相互偏離的，目的是產(chǎn)生多個(gè)光譜(25－28)，其中至少有兩個(gè)譜是分立的，但相互是偏離的，和/或是部分重疊的。在另一個(gè)實(shí)施方案中，光學(xué)元件或者包括一種與波長(zhǎng)有關(guān)并產(chǎn)生一個(gè)光譜的衍射光學(xué)元件(60)，或者至少包括兩種衍射光學(xué)元件(60，61)，它們各自對(duì)應(yīng)相關(guān)的波長(zhǎng)，并產(chǎn)生至少兩個(gè)相互部分重疊的光譜從而給出一個(gè)合成光譜。為了能夠在該光譜中產(chǎn)生出一種指示，可以至少指出上波長(zhǎng)數(shù)值和/或下波長(zhǎng)數(shù)值。提供的種種工具可以在該衍射光學(xué)元件上面，或者與該元件相連接。
文檔編號(hào)G01J3/30GK1488071SQ01822334
公開(kāi)日2004年4月7日 申請(qǐng)日期2001年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月30日
發(fā)明者I·R·約翰森, O·羅夫豪根, I R 約翰森, 蠔欄 申請(qǐng)人:光感環(huán)境技術(shù)公司