使用球面反射鏡同時獲得密集光斑圖案的多通道池的制作方法【專利摘要】一種用于設(shè)計多通道光學(xué)池的技術(shù)基于模擬為具有多個真實(shí)球面的反射鏡（即，定義為“厚透鏡”）進(jìn)行的直接射線追蹤的評估利用迭代的基于人工智能的優(yōu)化過程，以識別具體池構(gòu)型，這些構(gòu)型導(dǎo)致產(chǎn)生布滿各反射鏡的表面的大部分的多個光斑圖案，而無顯著光斑重疊。這種技術(shù)允許使用相對簡單、低成本的球面反射鏡，同時提供期望的密集光斑圖案?！緦＠f明】使用球面反射鏡同時獲得密集光斑圖案的多通道池[0001]相關(guān)申請的交叉引用[0002]本申請要求2011年3月24日提交的第61/467，171號美國臨時申請的權(quán)益，該臨時申請通過引用結(jié)合在此?！?br>技術(shù)領(lǐng)域：
】[0003]本發(fā)明涉及一種光學(xué)多通道池(MPC)構(gòu)型，并更具體地，涉及一種使用直接射線追蹤技術(shù)配置的以產(chǎn)生光斑圖案的安排，這些光斑圖案布滿各反射鏡表面的大部分，而無明顯的光束光斑重疊。[0004]發(fā)明背景[0005]一種用于檢測環(huán)境中少量氣體的已知成功系統(tǒng)是通過使用吸收光譜學(xué)。通過這種技術(shù)，特定氣體高度吸收的具有選定波長的光束穿過該氣體的一個樣品，其中設(shè)計了儀表來檢測該特定氣體。該光束的吸收率被用作該光束中的該氣體濃度水平的指標(biāo)。為了通過光譜吸收提高檢測低濃度水平氣體的靈敏度，有必要讓該光束穿過該氣體樣品的一個較長的通路。換言之，由于吸收的增多，當(dāng)穿過一個樣品的光束的長度增大時，該儀表檢測到非常小的氣體水平的靈敏度也增強(qiáng)。[0006]容易理解的是，如果將一個光束穿過一個很長的含有一個氣體樣品的管道，這些要求這個長度的管道的儀表將會非常笨重并因此不便攜帶。為了克服這個問題，其他人設(shè)計的系統(tǒng)中，光束在相對的反射鏡之間反復(fù)反射，由此以可以將該儀表的尺寸實(shí)質(zhì)性減小的方式擴(kuò)展該光束暴露在一個氣體樣品中的長度。[0007]這種類型的典型吸收池被稱為“多通道池”并包括一個狹長圓柱，在該圓柱中，多個反射鏡在相對端放置，并通過這些反射鏡之一中的一個孔將光引到這些池中。由于來自各光斑的散射光可以反射到重疊光斑的光束方向中，從而造成干擾標(biāo)準(zhǔn)具條紋圖案，這些多通道池必要地避免讓反射鏡反射光斑位置重疊。這些池還普遍使用凹面鏡面在每次反射時將光束重聚焦，從而防止激光束在該長光程上發(fā)散。[0008]圖1展示了一個示例性現(xiàn)有技術(shù)多通道池安排1，包括一對反射鏡2、3，這些反射鏡被隔開一預(yù)定間距d以形成一個光學(xué)腔。在該示例中反射鏡2、3各自具有相同的曲率半徑，并采取具有一個焦點(diǎn)的球面反射鏡的形式。為了產(chǎn)生一個光斑圖案，將一個入射激光束在一個離軸取向上(即相對于安排I的光軸OA的離軸)引入該腔。參照圖1，示出了由一個激光源5提供的并通過在反射鏡3中形成的孔4引入該系統(tǒng)的入射激光束I。然后入射激光束I在反射鏡2和3之間多次反射，最終如圖所示通過孔4射出，并進(jìn)入一個檢測器6。因?yàn)樵撦敵黾す馐c該輸入光束穿過相同的孔徑，所以該具體的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施例被描述為一個“重入”構(gòu)型。[0009]在圖1中還示出了由這些反射形成的一個示例性光斑圖案。明顯地，通過增加反射次數(shù)(因此增加光斑數(shù)量)，光程長度才增加。對許多安排，例如如上所述的微量氣體感測中，在一個較小的物理尺寸內(nèi)(也就是，大多趨向于厘米級別的一個間隔d)利用一個較長的光程長度(以米計量，有時候是幾十個反射鏡)是優(yōu)選的。在提高光斑密度提供這個期望的結(jié)果的同時，防止這些光斑重疊也同樣重要(否則會產(chǎn)生不想要的干擾效果、條紋圖案等)。因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)構(gòu)型通常利用球面構(gòu)件，這些構(gòu)件產(chǎn)生的光斑圖案的形式要么是一個單圓圖案要么是一個單橢圓圖案，這些池被限制在發(fā)生重疊之前可以形成的光斑數(shù)目以內(nèi)。[0010]現(xiàn)有技術(shù)中已知有多種多通道池構(gòu)型，這些構(gòu)型不使一個相對密集的圖案中的光斑重疊。這些構(gòu)型通常采用的形式要么是單純的散光池要么是基于柱面鏡的多通道池，而不是使用慣用的球面反射鏡。必須對用于單純的散光池的反射鏡進(jìn)行加工成容差極高以實(shí)現(xiàn)正確散光量(由此增加整個系統(tǒng)的成本)，而不匹配的反射鏡需要旋轉(zhuǎn)這些反射鏡之一來提供期望的重入條件(即，為最高穩(wěn)定性將輸入和輸出光束位置進(jìn)行匹配，如下文中討論的美國專利5，291，265中所描述的)。該散光池在D.赫里奧特(D.Herriott)等人的文章“球面反射鏡干涉儀中的離軸路徑(Off-axispathsinsphericalmirrorinterferometers)”中首次描述，出現(xiàn)在1964年《應(yīng)用光學(xué)》第三卷，523頁及以后。使用這些散光構(gòu)型的一個重要問題是，具有準(zhǔn)確焦距的高度精確容差反射鏡實(shí)現(xiàn)一個穩(wěn)定、可預(yù)測的重入圖案的成本較高。這些精確容差地面反射鏡的一個替代方案是使用一個球面反射鏡，該球面反射鏡沿著一個軸具有的壓縮應(yīng)力將該反射鏡彎曲并實(shí)現(xiàn)一個散光鏡；然而，這個構(gòu)型并不穩(wěn)定。重航空器研究(有限)公司(AerodyneResearch,Inc.)對使用自由容差散光鏡的這種池的發(fā)展做了改進(jìn)，如在1994年3月I日頒發(fā)給P.L.Kebabian的美國專利5，291，265所披露的，利用制造的一對反射鏡使得其曲率半徑比值實(shí)際上大于模擬計算的值。這個改進(jìn)允許這些反射鏡圍繞其軸旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)重入條件，使得可以使用較低容差的反射鏡。這些池產(chǎn)生一個僅布滿該反射鏡上的一個鉆石狀區(qū)域的利薩如曲線圖案，浪費(fèi)了環(huán)繞這些圓形反射鏡的外圍的空間。[0011]這些基于柱面鏡的多通道池(其中至少一個反射鏡是圓柱形的)提供了相同的光斑散光構(gòu)型，且成本較低。然而，這些圓柱形圖案并不在垂直和水平方向上為每次反射鏡反射都重聚焦，并且因此很難對準(zhǔn)及實(shí)現(xiàn)非常高反射次數(shù)應(yīng)用要求的圖案密度。在標(biāo)題為“近重入密集圖案的光學(xué)多通道池(NearReentrantDensePatternOpticalMultipassCell)”的2007年12月11日頒發(fā)給J.A.西爾弗(J.A.Silver)的美國專利7,307,716中描述了一種使用柱面鏡的新近類型散光池。柱面鏡通常是精度表面質(zhì)量(λ)較差的地面，這會造成光束的散射，導(dǎo)致相比于以優(yōu)于λ/4并經(jīng)常λ/8的地面的成品球面反射鏡的散色現(xiàn)象增加。如同上面引用的Kebabian構(gòu)型,此種基于圓柱形的設(shè)計還會產(chǎn)生一個利薩如曲線圖案(這浪費(fèi)了反射鏡表面上的空間)。[0012]一種更新類型的多通道池利用一個基于特別設(shè)計的球面鏡的安排，利用一個“分離的球面鏡”作為一個終端，如在C.羅伯特的“用于長光程的簡單、穩(wěn)定并緊湊的多反射光學(xué)池(Simple,stableandcompactmultipIe-reflectionopticalcellforverylongopticalpaths)”中描述的，出現(xiàn)在2007年8月《應(yīng)用光學(xué)》，第46卷，第22期，5408頁及以后。由于穿過該光斑圖案的光束并不在對稱的表面上反射(導(dǎo)致該光束主要沿著一個方向偏移)，在提供光斑密度增長時(而結(jié)果光程長度也增大)，這種類型的池導(dǎo)致該光斑圖案螺旋進(jìn)入中心并表現(xiàn)出一些光束質(zhì)量問題。當(dāng)該光束以這種方式?jīng)]有反作用效果地偏移時，在反射鏡上產(chǎn)生大量光斑會更困難。[0013]這些以及其他現(xiàn)有技術(shù)安排的大部分在實(shí)施之前執(zhí)行矩陣射線追蹤技術(shù)來模擬光斑圖案。常見地，一個具有薄透鏡近軸近似法的標(biāo)準(zhǔn)ABCD矩陣允許快速模擬，表現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)球面赫里奧特池的光斑位置的良好逼近，尤其是光斑在一個反射鏡的相同近似Z平面內(nèi)(例如，一個單環(huán)光斑圖案)的這些。已經(jīng)開發(fā)了使用AB⑶EF矩陣將移位的和傾斜的表面計算在內(nèi)但保留近軸和薄透鏡近似法的更復(fù)雜的追蹤器。[0014]然而繼續(xù)依賴這些近似法，不同的現(xiàn)有技術(shù)在射線追蹤結(jié)果中引入了大量的誤差，尤其是經(jīng)歷長路徑和多次反射之后。例如，在角度為5°時，近軸近似法Θ^sine的誤差是0.1%，其中，這些誤差并不計算在這些基于矩陣的計算里。[0015]發(fā)明概述[0016]本發(fā)明解決了本領(lǐng)域中余下的需要，涉及一種光學(xué)多通道池(MPC)構(gòu)型，并更具體地，涉及一種用于設(shè)計不使用薄透鏡和近軸近似法的MPC的新穎技術(shù)。相反，本發(fā)明利用一個迭代的基于人工智能的優(yōu)化(該優(yōu)化通過用模擬成具有真實(shí)球面(即，定義為“厚透鏡”)的反射鏡進(jìn)行直接射線追蹤)來識別導(dǎo)致產(chǎn)生布滿各反射鏡表面大部分(并沒有顯著光斑重疊)的光斑圖案的具體池構(gòu)型(在下文中稱為“復(fù)雜的、不重疊的光斑圖案”或簡單地稱為“復(fù)雜的”以便討論)。如將在以下討論中變得明顯的，本發(fā)明的多種構(gòu)型產(chǎn)生多種圓形的密集光斑(與散光和圓柱形池相關(guān)聯(lián)的鉆石形圖案相反)，將整個圓形反射鏡布滿光斑。[0017]根據(jù)本發(fā)明，將一個入射激光束模擬為一組射線(呈幾何圖案布置以限定光束寬度邊界)，并且當(dāng)各射線穿過這一對反射鏡之間時，在三維(向量)中對其獨(dú)立地進(jìn)行追蹤?；谠摶谙蛄康纳渚€追蹤器的迭代計算機(jī)模擬被用于建立新穎的復(fù)雜光斑圖案?？刂贫喾N因素(或者單一的，或者與其他參數(shù)的組合)來創(chuàng)建這些布滿該反射鏡表面大部分而沒有顯著重疊的新的、復(fù)雜的光斑圖案。具體地，使用人工智能(Al)基因算法來選擇并測試參數(shù)的多種組合以識別這些產(chǎn)生期望的高密度復(fù)雜光斑圖案的安排。這個過程執(zhí)行了一種可靠的蒙特卡羅(MonteCarlo)優(yōu)化分析類型，這種分析類型經(jīng)歷該多通道池構(gòu)型的不同部件的不同級別的最大化方面。多種參數(shù)被用作“基因”，而不同隨機(jī)組合的多種混合產(chǎn)生不同程度的適應(yīng)性，其中最強(qiáng)的組合存活以進(jìn)行下次迭代。.[0018]根據(jù)本發(fā)明，在尋找可接受解決方案的過程中可以修改的一套輸入?yún)?shù)包括以下內(nèi)容:該輸入激光束在該反射鏡表面的位置(X(i，yci)(—個反射鏡上的入射孔)，該輸入光束相對于該系統(tǒng)的光軸的取向角度θχ，ey，將形成該池的相對反射鏡分離的距離山以及該光束在離開該池之前制造的通道數(shù)N。[0019]雖然一個重要的設(shè)計目標(biāo)是獲得一個密集的光斑圖案(S卩，將相鄰光斑之間的間隔最小化)，在評估具體安排時其他可能考慮到的標(biāo)準(zhǔn)包括以下各項中的一項或多項:確保這些射線保持在該球面反射鏡表面的“界限以內(nèi)”;創(chuàng)建一個足夠長的光程長度；出射孔相對于入射孔的位置；以及出射孔相對于該“最后”光斑的多個相鄰光斑的位置(確保為該出射光束形成一個尺寸足夠的孔的物理過程不會距離該反射鏡上另一個光斑的距離太近)。[0020]簡單平凹球面玻璃基板可以用作反射鏡是本發(fā)明的安排的一個優(yōu)勢，相對于要求使用特別設(shè)計的散光鏡、柱面鏡、分離鏡等的現(xiàn)有技術(shù)密集光斑圖案構(gòu)型，在生產(chǎn)費(fèi)用上提供了顯著的節(jié)約。然而，要理解的是如果期望的話，本發(fā)明的直接射線追蹤迭代優(yōu)化方法還可以用于其他反射鏡設(shè)計，以降低反射鏡表面面積的浪費(fèi)。[0021]在一個示例性實(shí)施例中，本發(fā)明包括一個多通道光學(xué)池，該光學(xué)池包括一個形成該多通道光學(xué)池的一個第一終端的第一鏡元，并包括一個為一個入射光束形成一個入口的入射孔和一個形成該多通道光學(xué)池的一個第二終端的第二鏡兀，該第二鏡兀相對于該第一鏡元放置以使入射光束在該第一鏡元和該第二鏡元之間多次反射，從而產(chǎn)生該光束照射到該第一和第二鏡元的反射表面的位置的光斑圖案，其中，使用一個迭代的基于人工智能的優(yōu)化通過多個形成該入射光束的分離射線的直接追蹤對一個或多個池參數(shù)進(jìn)行配置，從而利用該第一和第二鏡兀的實(shí)際曲率值建立一個復(fù)雜的、密集的光斑圖案。[0022]在另一個實(shí)施例中，本發(fā)明披露了一種在多通道光學(xué)池內(nèi)部產(chǎn)生密集光斑圖案的方法，包括以下步驟:a)將一個第一鏡兀安置為該多通道光學(xué)池的一個第一終端,該第一鏡元具有一個第一定義的曲率山)將一個第二鏡元安置在該多通道光學(xué)池的一個第二終端，該第二鏡元具有一個第二定義的曲率，其中，該第一和第二鏡元被隔開一個距離d;c)將一個輸入光束定義為多個單獨(dú)的射線；d)當(dāng)每個射線隨著該第一和第二鏡元的實(shí)際曲率變化而與該第一和第二鏡元相互作用時，對每個單獨(dú)射線的反射進(jìn)行追蹤；以及e)使用人工智能優(yōu)化來模擬改變以下各項中的一項或多項:該入射孔在該第一鏡元上的位置、該入射光束相對于該第一鏡兀的一個光軸的取向、該第一鏡兀與該第二鏡之間的間隔距離、該第一和第二鏡元之一上的一個出射孔的位置，從而產(chǎn)生一個密集的光斑圖案。在該方法實(shí)施例中，還可以優(yōu)化入射光束的形狀來產(chǎn)生一個預(yù)定形狀的輸出光束(比如一個球形輸出光束)。[0023]在其他替代性實(shí)施例中，本發(fā)明的技術(shù)可以用于采用三個或更多個反射鏡的多通道池構(gòu)型，當(dāng)各射線在穿過該池并與各反射鏡互相作用時單獨(dú)地在路徑中對其進(jìn)行追蹤，從而應(yīng)用相同的直接射線追蹤迭代優(yōu)化技術(shù)。另外，使用安排而不是反射鏡中的一個孔來將光束注入池中的多通道池安排可以利用本發(fā)明的技術(shù)(將經(jīng)優(yōu)化以找到合適構(gòu)型的參數(shù)做適當(dāng)調(diào)整)。[0024]本發(fā)明的其他以及更多的方面以及優(yōu)勢將在以下討論的過程中并且通過參照相關(guān)附圖變得明顯。[0025]附圖簡要說明[0026]現(xiàn)在參看以下各圖，[0027]圖1是一個示例性現(xiàn)有技術(shù)多通道池的圖；[0028]圖2描繪了將一個光束模擬為安置成用于描繪該光束的外圍的大致輪廓的多個單獨(dú)射線；[0029]圖3展示了與一個球形表面相互作用時該多個單獨(dú)射線所走的不同路徑；[0030]圖4展示了使用本發(fā)明的直接射線追蹤過程開發(fā)的一個示例性光斑圖案；[0031]圖5是計算機(jī)生成的圖4的光斑圖案的射線追蹤器圖；[0032]圖6是在與圖4的設(shè)計相關(guān)聯(lián)的參數(shù)基礎(chǔ)上配置的一個實(shí)際多通道池的圖片；[0033]圖7展示了使用本發(fā)明的技術(shù)開發(fā)的另一個示例性光斑圖案，在這種情況下在一個多通道池中的反射鏡之間產(chǎn)生了459個通道；[0034]圖8是圖7的實(shí)施例的圖片；[0035]圖9展示了圖7的光斑圖案的修改，通過在該多通道池的輸入處包括一個模匹配透鏡而創(chuàng)建；以及[0036]圖10是計算機(jī)生成的根據(jù)本發(fā)明形成的又一個多通道池構(gòu)型的射線軌跡，在這種情況下創(chuàng)建了呈現(xiàn)為兩個重疊的“C”的光斑圖案。[0037]詳細(xì)說明[0038]如上所述，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于使用近軸和薄透鏡近似法，現(xiàn)有技術(shù)基于矩陣的射線追蹤方法在經(jīng)歷長路徑和多次反射之后可能含有重大誤差，除非該光斑圖案從具有非常大的曲率半徑的表面上反射離開。例如，在角度為5°時，近軸近似法Θ^sinΘ的誤差是0.1%，其中，彎曲更強(qiáng)的表面產(chǎn)生的反射更斜。在過去，已經(jīng)通過基于方程的解決方案的直接射線追蹤以及調(diào)整最終構(gòu)型以與此更準(zhǔn)確的射線追蹤匹配而得到了一些修正。然而，近軸和薄透鏡近似法也同樣為這個過程保留。這些近似法的出現(xiàn)以及缺乏與實(shí)際池設(shè)計匹配的基于方程的設(shè)計被認(rèn)為限制了發(fā)展其他(否則可以提供可行的MPC安排)光斑圖案的能力。具體地，對球差效應(yīng)的考慮不足(這在基于矩陣的方法中不容易模擬)被認(rèn)為是對這些設(shè)計工作的主要限制。[0039]本發(fā)明介紹了一種不同的技術(shù)的使用，這種技術(shù)導(dǎo)致許多不同光斑圖案的識別，這些光斑圖案提供比之前想到可能的更密集的安排(由于之前使用球面反射鏡通常追求的具有高光斑密度的唯一構(gòu)型是圓形或橢圓形)。具體地，與現(xiàn)有技術(shù)的薄透鏡近似法相比，根據(jù)本發(fā)明使用了三維向量射線追蹤技術(shù)，以便當(dāng)這些射線與真實(shí)的球形表面(被認(rèn)為是“厚透鏡”)相互作用時直接計算構(gòu)成一個入射激光束的射線所用的路徑。[0040]具體地，如圖2所示，用多個射線R-1到R-N模擬一個入射激光束I，其中，各射線R-1的起點(diǎn)初始地位于一個圓形輪廓I上以限定入射激光束I的光束形狀。圖3是射線R的該起點(diǎn)的側(cè)視圖，并進(jìn)一步示出了射線R-1到R-N朝向一個真實(shí)球形表面S的初始方向。為了方便說明已經(jīng)將曲率擴(kuò)大，但已清晰地展示了各射線所走的路徑。這表明現(xiàn)有技術(shù)使用的忽視這些不同路徑的“薄透鏡”近似法漏掉了影響發(fā)展多通道池設(shè)計的總體過程的潛在因素。相反地，因此，本發(fā)明的方法使用該真實(shí)的球形設(shè)計信息來追蹤每一個射線在一對球面反射鏡表面之間來回反射的進(jìn)展，由此限定具有少量重疊或沒有重疊的密集、復(fù)雜光斑圖案的多種不同池構(gòu)型。[0041]參照圖2和圖3，這些射線R具有一個初始方向，該初始方向可以通過模擬一個具有一個光束波長的復(fù)雜的光束參數(shù)來計算，并可以呈現(xiàn)與實(shí)際實(shí)施中使用的特定激光相等的發(fā)散度。如圖3所示，沿著以三維向量路徑追蹤各射線的初始位置直到其與球面S相交處，而根據(jù)到該球面的角度計算各射線的反射。當(dāng)這些射線各自反射離開相對的球面反射鏡(未示出)時，繼續(xù)該追蹤過程。具體過程使用線面交點(diǎn)來模擬光線相交和反射。而圖2和圖3所示的示例性安排使用被安置為限定該光束的外圍的多個射線，要理解的是，只要外圍明確限定，可以使用其他射線位置幾何圖形。例如，可以在該設(shè)計的內(nèi)部安置額外的射線，并且使用相同的方法對其路徑進(jìn)行追蹤。確實(shí)，此外可以進(jìn)一步使用本發(fā)明的技術(shù)來定義一個輸入光束的一個“優(yōu)化”形狀，該形狀將形成該輸出光束的一個優(yōu)選幾何圖形(例如，形成一個球形輸出光束)。[0042]本發(fā)明的過程利用實(shí)際球形表面(也就是一個“厚透鏡”)，而不是使用現(xiàn)有技術(shù)的薄透鏡近似法，其中，通過在所有可以調(diào)整的不同參數(shù)中查找，(例如一個入射孔在一個第一反射鏡上的位置(χο，％)、該入射光束的離軸取向、反射鏡之間的間隔、期望的通道數(shù)N、球面反射鏡的直徑及其焦距f)，發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù)慣用的基于球面反射鏡的多通道池相比，多種不同的光斑圖案大體上增加填充因數(shù)。[0043]具體地，可以利用一個適應(yīng)性函數(shù)來確定一個可接受的MPC設(shè)計，然后可以相對于上面定義的不同參數(shù)對該函數(shù)進(jìn)行迭代。以下是一種可接受的適應(yīng)性函數(shù)的形式:[0044](N*d)2+id2+hd2，[0045]其中，d是反射鏡之間的距離，N是通道數(shù)，id是最小內(nèi)光斑間隔而hd是光斑與入射孔或出射孔任意一個之間的最小間隔。忽略了產(chǎn)生超出反射鏡的表面的“邊界”(反射鏡通光孔徑)的射線的解決方案，并且可以被設(shè)為零或負(fù)適應(yīng)性。[0046]圖4展示了使用本發(fā)明的直接射線追蹤迭代過程發(fā)現(xiàn)的一個示例性光斑圖案，其中，圖4中的圖是使用一對球面反射鏡時(入射激光束在反射鏡之間制造200個通道)產(chǎn)生的模擬圖案。參照圖4，入射孔11和出射孔13均構(gòu)成該構(gòu)型的一部分，從而導(dǎo)致一個非重入安排。這種類型的(包括多個單獨(dú)的橢圓區(qū)域)圖案與現(xiàn)有技術(shù)安排相關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)單圓或橢圓形圖案有很大不同。其中，所產(chǎn)生的圖案包括五個單獨(dú)的光斑區(qū)域1、I1、II1、IV和V，因此大大地增大了在該反射鏡表面上形成的光斑數(shù)量(并且其結(jié)果是光斑密度增大)。[0047]還可以通過在射線追蹤過程中向這些多通道池參數(shù)的一個或多個引入小微擾來分析最終光斑位置的靈敏度。這個具體過程將輔助理解該非重入圖案是怎樣影響輸出光束的位置和角度的穩(wěn)定性的。[0048]圖5是圖4的安排的一個商用射線追蹤器圖，驗(yàn)證了結(jié)果為產(chǎn)生這五個單獨(dú)的光斑區(qū)域。圖5具體地以包括一個第一球面反射鏡12和一個第二球面反射鏡14的一個多通道池10的形式展示了該實(shí)現(xiàn)方式。過去，使用提供了一個(帶近軸和薄透鏡函數(shù)的)非常簡單的方程式的基于重入條件的球形多通道池來產(chǎn)生一個多通道圓形或橢圓形構(gòu)型。然而，根據(jù)本發(fā)明，各射線在該池內(nèi)行進(jìn)時單獨(dú)地被追蹤時，該輸入光束的每一個射線經(jīng)歷了一個稍有不同的反射角(由于實(shí)際球面反射鏡表面)的事實(shí)被考慮在內(nèi)。這類復(fù)雜的過程會因?yàn)樘珡?fù)雜而不能用于允許根據(jù)一個公式(如在現(xiàn)有技術(shù)中)計算該多通道池設(shè)計參數(shù)的任何表達(dá)式。[0049]圖6是根據(jù)本發(fā)明形成的一個多通道池的圖片，展示了一個與圖4和圖5的安排類似的光斑圖案的產(chǎn)生。該具體安排的物理長度大約為3.51cm(反射鏡之間的距離d)，但是產(chǎn)生的光路長度為3.7米(共107次反射)。[0050]這些根據(jù)本發(fā)明形成的多通道池具體地非常實(shí)用于焦距f較小的應(yīng)用。小的焦距產(chǎn)生的凹面鏡曲率較強(qiáng)，提供了相對大的球差。迄今為止，使用現(xiàn)有技術(shù)的“薄透鏡”近似法時，忽略了這個球差，從而允許使用簡單的設(shè)計方程式，但是不可能模擬出與本文中描述的這些類似的復(fù)雜的圖案。[0051]本發(fā)明關(guān)注的模擬過程的參數(shù)包括以下內(nèi)容:⑴(各反射鏡上)最小光斑間隔一即，不產(chǎn)生重疊的最小間隔；(2)“在邊界內(nèi)”一對所有射線必須“到達(dá)”反射鏡表面上的約束；(3)總光路長度(定義為“最終距離”)；(4)清除反射鏡內(nèi)射線不能反射的任何預(yù)定義的間隙；(5)反射鏡上對于輸入光束的入射孔位置X，y；(6)反射鏡上對于輸出光束的出射孔位置x，y；(7)輸入光束(相對于該池的光軸)的角度；(8)輸出光束(相對于該池的光軸)的角度；(9)反射鏡之間的距離；(10)反射鏡的焦距；以及(11)反射鏡的直徑。[0052]在執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)化時，被迭代以尋找可接受解決方案的輸入包括以下各項中的一項或多項:(a)輸入光束在第一反射鏡的輸入位置(x，y);(2)入射光束的角度(相對于系統(tǒng)的光軸測量);⑶反射鏡之間的距離d；以及(4)通道數(shù)N。[0053]期望被優(yōu)化的輸出包括以下內(nèi)容:(a)最小光斑尺寸；(b)確保所有光斑位于該反射鏡表面的邊界內(nèi)；(c)光程長度；(d)光束的輸出位置；(e)出射角度；(f)入射和出射孔徑之間的間隔；以及(g)“最后光斑”相對于出射孔的位置(例如以確保有足夠制造要求的空間)。[0054]基于人工智能的優(yōu)化(可以通過基因算法實(shí)施)被用于決策制定過程，即通過改變一個或多個所識別的輸入?yún)?shù)以優(yōu)化該多通道池的最終設(shè)計來根據(jù)本發(fā)明開發(fā)一個可接受的光斑圖案?；蛩惴ㄊ腔谧匀恢杏^察到的進(jìn)化論(如選擇、雜交和變異)的通用搜索算法。在限定范圍內(nèi)特定“基因”值通常被初始化為任意值?！叭旧w”由基因集合制成，并此后用一個適應(yīng)性函數(shù)進(jìn)行評估以確定解決方案的質(zhì)量。[0055]如上所述，通過改變這些輸入?yún)?shù)中的一個或多個并且使用基于Al的優(yōu)化，產(chǎn)生高密度構(gòu)型時識別了大量迥然不同的光斑圖案。圖7和圖8展示了一個示例性高填充密度多通道池的模擬圖案，該池用本發(fā)明的直接射線追蹤和Al優(yōu)化程序形成。具體地，圖7是一個用于一個包括459個通道的多通道池的模擬結(jié)果圖，所關(guān)聯(lián)的多通道池的圖片在圖8中示出。通過在該安排的輸入中加入一個模匹配透鏡，可以改變光斑圖案的尺寸，如圖9所示。該具體實(shí)施例導(dǎo)致使用直徑為1.5英寸、間距為12.6cm的平凹球面反射鏡產(chǎn)生一個57.6米的光程長度。[0056]圖10是用本發(fā)明的技術(shù)形成的又一個多通道池構(gòu)型的由計算機(jī)生成的射線追蹤，其中，復(fù)雜的光斑圖案以兩個重疊的C出現(xiàn)，在反射鏡表面再產(chǎn)生一個密集的光斑圖案。[0057]如上面所提到的，本發(fā)明的直接射線追蹤技術(shù)還可以用于更復(fù)雜的反射鏡構(gòu)型。例如，可以期望兩個反射鏡的焦距不同的一個非對稱池。焦距的不同則僅僅變成另一個參數(shù)，在這些射線在反射鏡之間反射時添加到射線追蹤模擬過程。也就是，計算機(jī)追蹤算法可以簡單地改變一個反射鏡的曲率半徑并使用相同的基于Al的迭代優(yōu)化過程找到不同的池構(gòu)型解決方案?？梢酝ㄟ^在計算機(jī)追蹤算法中簡單地調(diào)整反射鏡特征來解決偏移和傾斜(和不同的反射率)。還可以利用不同的輸入波長和對形成該光束的射線的數(shù)量進(jìn)行的調(diào)難iF.0[0058]另外，本發(fā)明的技術(shù)可以用于輸入光束被注入一個沒有孔的池中的多通道池構(gòu)型。在此情況下，因此，“孔位置”變量明顯地被從該優(yōu)化過程中除掉并代替為定義反射鏡附近的“注入位置”的信息。腔增強(qiáng)光譜學(xué)和集成腔輸出光譜學(xué)(ICOS)二者都是將光束注入由具有高反射率外殼(通常>99%)的反射鏡制成的腔中的應(yīng)用，允許許多橫模立即在該腔內(nèi)射出，其中，該光束基本不重入。[0059]本發(fā)明的直接射線追蹤迭代優(yōu)化技術(shù)還可以用來分析利用兩個以上反射鏡的其他可能的多通道池構(gòu)型。雖然任何利用一對以上反射鏡的安排的設(shè)計都會更復(fù)雜并要求直接追蹤更多獨(dú)立射線，可以將本發(fā)明的教導(dǎo)進(jìn)行擴(kuò)展以發(fā)現(xiàn)使用三個或更多個反射鏡的多通道池構(gòu)型。[0060]多種光學(xué)應(yīng)用被認(rèn)為獲益于根據(jù)本發(fā)明形成的高光斑密度多通道池可以實(shí)現(xiàn)的增加的互作用長度。例如，上述的安排可以與其他光譜法結(jié)合，比如光聲光譜學(xué)和法拉第旋光光譜學(xué)(FRS)。在光聲光譜學(xué)中中，來自吸收的調(diào)制光的調(diào)制的能量產(chǎn)生可以設(shè)置成音頻并在此后用麥克風(fēng)檢測的壓力波。在FRS中，沿著光束路徑的極化旋轉(zhuǎn)的量取決于路徑長度。因此，本發(fā)明的密集多通道池設(shè)計允許在小體積內(nèi)產(chǎn)生極長的路徑長度。[0061]在腔增強(qiáng)法(比如離軸集成腔輸出光譜學(xué))中，氣體池使用超高反射率的反射鏡并允許光束的反射次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)多通道池。由于注入并非通過孔完成，通常以稍微不同的方式實(shí)施這些池，并且在每一個射線重入之前，這些光斑通常大量重疊以在反射鏡上放置盡量多的獨(dú)立光斑位置。然而，由于這些圖案被假設(shè)為基于球面反射鏡的二反射鏡池的唯一圖案，注入二球面反射鏡離軸構(gòu)型中的光斑圖案是圓形的。為這些離軸腔的光斑設(shè)置間隔以盡量避免重入解決方案。這些池還獲益于散光光斑圖案，但制造成本通常太高而不能提供準(zhǔn)確的散光反射鏡特征和超高反射率的介質(zhì)膜，因此這些實(shí)施類型大多都使用簡單的球面反射鏡。本發(fā)明可以通過將光斑布滿反射鏡來為這種使用球面反射鏡的離軸腔提供新的圖案，避免比標(biāo)準(zhǔn)圓形圖案反射次數(shù)多的重入條件。[0062]本發(fā)明的多通道池的其他修改包括通過使用可以輕易修改光程方向的光耦合(例如，基于光纖的耦合修改和改變端口位置相對容易)來“切換”入射和出射孔的身份的能力?？梢栽谳斎胄盘柭窂街屑尤腩~外光學(xué)器件(比如上面提到的透鏡)來改變輸入光束的特性，并且因此改變產(chǎn)生的光斑圖案。在該池內(nèi)，其他環(huán)境因素(例如溫度和壓力)可以使用附裝的傳感器和控制方法來控制。[0063]在不背離本發(fā)明精神和范圍的基礎(chǔ)上，可以對本發(fā)明的系統(tǒng)和方法進(jìn)行各種修改和變動，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是明顯的。因此，假若本發(fā)明的修改和改變在所附權(quán)利要求書及其等價物的范圍內(nèi)，本發(fā)明旨在覆蓋本發(fā)明的修改和改變?！緳?quán)利要求】1.一種多通道光學(xué)池，包括一個第一鏡兀，該第一境兀形成該多通道光學(xué)池的一個第一終端；以及至少一個第二鏡元，該第二境元形成該多通道光學(xué)池的一個第二終端，將該第二鏡元相對于該第一鏡元放置以使一個注入該多通道光學(xué)池中的入射光束將會在該第一鏡元與該第二鏡元之間進(jìn)行多次反射，從而產(chǎn)生該光束照射到該第一和第二鏡元的反射表面的位置的光斑圖案，其中，使用通過多個形成該入射光束的分離射線的直接追蹤的優(yōu)化對一個或多個池參數(shù)進(jìn)行配置，從而利用該第一和第二鏡元的實(shí)際曲率值建立一個復(fù)雜的、密集的光斑圖案。2.如權(quán)利要求1所述的多通道光學(xué)池，其中，這些池參數(shù)選自由以下內(nèi)容組成的組:該入射光束相對于該第一鏡兀的一個光軸的取向、該第一鏡兀與該第二鏡之間的間隔距離、該第一和第二鏡元之一上的一個出射孔的位置。3.如權(quán)利要求1所述的多通道光學(xué)池，其中，該入射光束被注射穿過在該第一鏡元中形成的一個入射孔，而這些優(yōu)化的池參數(shù)進(jìn)一步包括該入射孔在該第一鏡元上的位置。4.如權(quán)利要求1所述的多通道光學(xué)池，其中，該第一和第二鏡元包括多個凹面球面元件。5.如權(quán)利要求4所述的多通道光學(xué)池，其中，該第一鏡元的曲率與該第二鏡元的曲率基本上相同，從而形成一個對稱的多通道光學(xué)池。6.如權(quán)利要求3所述的多通道光學(xué)池，其中，該第一鏡元的曲率與該第二鏡元的曲率不同，從而形成一個不對稱的多通道光學(xué)池。7.如權(quán)利要求3所述的多通道光`學(xué)池，其中，將這些元件的構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化以產(chǎn)生一個密集的光斑圖案，該圖案限定的通道數(shù)比一個重入球面反射鏡多通道光學(xué)池使用的更多。8.如權(quán)利要求1所述的多通道光學(xué)池，其中，該第一和第二鏡元包括多個散光鏡元。9.如權(quán)利要求1所述的多通道光學(xué)池，其中，該至少一個鏡元包括一個柱面鏡元。10.如權(quán)利要求1所述的多通道光學(xué)池，其中，該第一鏡元包括一個分離的球面鏡元。11.如權(quán)利要求1所述的多通道光學(xué)池，其中，該至少一個第二鏡元包括多個鏡元，與該第一鏡元對齊以形成一個多通道池，其中，當(dāng)該光束在該池內(nèi)行進(jìn)時反射離開各鏡元。12.如權(quán)利要求1所述的多通道光學(xué)池，其中，使用一個迭代的基于人工智能的優(yōu)化過程將這些池參數(shù)進(jìn)行修改以發(fā)現(xiàn)一個復(fù)雜的光斑圖案。13.如權(quán)利要求12所述的多通道光學(xué)池，其中，該迭代的基于人工智能的優(yōu)化過程利用一個基因算法優(yōu)化過程來發(fā)現(xiàn)該復(fù)雜的光斑圖案。14.如權(quán)利要求3所述的多通道光學(xué)池，其中，對多個附加池參數(shù)進(jìn)行分析以創(chuàng)建一個構(gòu)型包括該入射孔與在一個鏡元內(nèi)形成的一個出射孔之間的一個最小間隔、一個光斑與該出射孔之間的一個最小間距、以及一個反射鏡通光孔徑。15.如權(quán)利要求1所述的多通道光學(xué)池，其中，該多通道光學(xué)池進(jìn)一步包括一個用于將一個輸入光束注入該多通道光學(xué)池中及將一個輸出光束從該多通道光學(xué)池中抽出的光耦合安排。16.如權(quán)利要求15所述的多通道光學(xué)池，其中，該光耦合安排包括一個基于光纖的耦合安排。17.如權(quán)利要求15所述的多通道光學(xué)池，其中，該耦合安排被耦合到該池的兩個終端，從而提供要在任一終端注入的一個輸入光束。18.如權(quán)利要求17所述的多通道光學(xué)池，其中，該安排進(jìn)一步包括一個用于改變一個輸入光束的注入位置的開關(guān)。19.如權(quán)利要求1所述的多通道光學(xué)池，其中，該多通道光學(xué)池被用于一個應(yīng)用，該應(yīng)用選自以下內(nèi)容組成的組:充滿氣體的吸收池、光聲光譜學(xué)、法拉第旋轉(zhuǎn)光譜學(xué)、腔增強(qiáng)光譜學(xué)、離軸集成腔輸出光譜學(xué)以及激光增益介質(zhì)。20.一種在多通道光學(xué)池內(nèi)部產(chǎn)生密集光斑圖案的方法，該方法包括以下步驟:a)將一個第一鏡元安置為該多通道光學(xué)池的一個第一終端，該第一鏡元具有一個第一定義的曲率；b)將一個第二鏡元安置為該多通道光學(xué)池的一個第二終端，該第二鏡元具有一個第二定義的曲率，其中，該第一和第二鏡元被隔開一個距離d；c)將一個輸入光束定義為多個單獨(dú)的射線；d)當(dāng)每個單獨(dú)的射線隨著該第一和第二鏡元的實(shí)際曲率變化而與該第一和第二鏡元相互作用時，對每個單獨(dú)射線的反射進(jìn)行追蹤；以及e)使用人工智能優(yōu)化來模擬改變以下各項中的一項或多項:該入射孔在該第一鏡元上的位置、該入射光束相對于該第一鏡兀的一個光軸的取向、該第一鏡兀與該第二鏡之間的間隔距離、該第一和第二鏡元之一上的一個出射孔的位置，從而產(chǎn)生一個密集的光斑圖案。21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，步驟e)進(jìn)一步包括以下各項中的一項或多項的優(yōu)化:最小光斑尺寸、反射鏡通光孔徑、光程長度、光束出射位置、出射角、入射孔與出射孔之間的間隔、光斑相對于出射孔的位置。22.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，在執(zhí)行步驟a)和b)時，提供了多個球面反射鏡。23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，在執(zhí)行步驟e)時，該優(yōu)化產(chǎn)生了一個構(gòu)型，其中光斑圖案比與一個重入球面反射鏡多通道光學(xué)池相關(guān)聯(lián)的光斑圖案更密集。24.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，在執(zhí)行步驟e)時，在該優(yōu)化過程中使用了一個基因算法。25.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，在執(zhí)行步驟e)時，將與將一個入射光束成形相關(guān)聯(lián)的一個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以產(chǎn)生一個預(yù)定形狀的輸出光束。26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，該輸出光束優(yōu)選地為球形，并執(zhí)行該優(yōu)化以確定適合產(chǎn)生一個球面輸出光束的輸入光束形狀?！疚臋n編號】G01N21/01GK103430010SQ201280013008【公開日】2013年12月4日申請日期:2012年3月23日優(yōu)先權(quán)日:2011年3月24日【發(fā)明者】斯蒂芬·蘇,大衛(wèi)·托馬茲申請人:激光傳感公司