交错衍射光栅
阅读说明：本技术 交错衍射光栅 (Interleaved diffraction grating ) 是由 R·J·普廖雷 于 2020-01-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种交错衍射光栅系统和过程。该交错光栅系统包括具有独特光栅密度的交替带的光学色散光栅,其中独特光栅密度的数量大于或等于2。光学色散光栅可以是反射性的或透射性的,并且其可以通过机械刻划、全息术或对二元掩模进行反应离子蚀刻来制造。交错光栅为点光谱检测和高光谱成像提供了额外的用途。(The invention discloses an interleaved diffraction grating system and process. The interleaved grating system includes an optically dispersive grating having alternating bands of unique grating densities, wherein the number of unique grating densities is greater than or equal to 2. Optically dispersive gratings can be reflective or transmissive and they can be fabricated by mechanical scribing, holography, or reactive ion etching of binary masks. The staggered grating provides additional uses for point spectral detection and hyperspectral imaging.)
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年1月28日提交的美国临时专利申请第62/797,842号的权益。美国临时专利申请62/797,842的公开内容和全部教导通过引用并入本文。
技术领域
本申请针对衍射光学器件和光谱成像领域。更具体地，本发明涉及用于点检测和光谱成像的多功能衍射光栅。
背景技术
光学衍射光栅是一种具有周期性结构的光学部件，其将入射的光辐射(或光)分成作为角度函数的离散波长(或颜色)。光学衍射光栅使得单色仪能够从宽带光源或目标场景产生多种离散颜色的光。光学衍射光栅使得光谱仪能够量化来自宽带光源或目标场景的多种离散颜色的光的强度。光栅方程涉及光栅间距和衍射光的角度分布，λ：
d(sin θi-sin θm)＝mλ (等式1)
因此
其中d为光栅间距，θi为光辐射的入射角，θm为衍射角最大值，m为衍射级数。
针对光谱仪和单色仪的衍射角分布、波长范围和最终分辨率对光栅进行了优化。为了修改这些因素，具有不同光栅密度(或光栅周期)的衍射光栅可以通过物理替换或机械切换作为转台的一部分插入光谱仪或单色仪。因此，系统的测量灵活性通常要求在对光栅进行物理替换或机械切换后重新校准系统。光学系统中的其他部件，如透镜、狭缝和单通道(或多通道)检测器会影响最终的系统分辨率和光谱范围。对于更复杂的光学系统，如线扫描(或推扫)高光谱成像仪，测量的光谱范围是固定的。已知的系统和过程不能充分解决这些问题。
因此，本领域期望获得一种与现有技术相比显示出一种或多种改进的多功能衍射光栅。
发明内容
在一个实施例中，交错光栅包括至少第一光栅带和第二光栅带的交替带；其中至少第一和第二光栅带具有独特的光栅密度。
交错光栅可以是反射性的或透射性的，并且其可以通过机械刻划、全息术或对二元掩模进行反应离子蚀刻来制造。
在另一个实施例中，线扫描高光谱成像系统包括：第一透镜；狭缝；准直透镜；交错光栅；第二透镜；和二维检测器阵列；其中第一透镜配置成收集来自场景的光并聚焦到狭缝上，准直透镜配置成将来自狭缝的光准直到交错光栅上，并且第二透镜配置成将由交错光栅分散的光聚焦到二维检测器阵列上；其中交错光栅包括至少第一光栅带和第二光栅带的交替带，并且至少第一和第二光栅带具有独特的光栅密度。
在另一个实施例中，点检测光谱仪系统包括：第一透镜；狭缝；准直透镜；可变光栅；第二透镜；线性检测器阵列；和平移台；其中第一透镜配置成收集来自场景的光并聚焦到狭缝上，准直透镜配置成将来自狭缝的光准直到可变光栅上，并且第二透镜配置成将由可变光栅分散的光聚焦到线性检测器阵列上；其中可变光栅包括至少第一和第二光栅区域，并且至少第一和第二光栅区域具有独特的光栅密度；其中平移台配置成将第一或第二光栅区域移动到准直透镜和第二透镜之间的光路中。
在另一个实施例中，执行高光谱成像的方法包括：通过第一透镜将来自场景的光聚焦到狭缝上；通过准直透镜将来自狭缝的光准直到交错光栅上；通过第二透镜将由交错光栅分散的光聚焦到二维检测器阵列上；其中交错光栅包括至少第一光栅带和第二光栅带的交替带，并且至少第一和第二光栅带具有独特的光栅密度。
在另一个实施例中，执行光谱仪测量的方法包括：通过平移台将可变光栅的选定区域移动到准直透镜和第二透镜之间的光路中；通过第一透镜将来自场景的光聚焦到狭缝上；通过准直透镜将来自狭缝的光准直到可变光栅的选定区域上；通过第二透镜将由可变光栅分散的光聚焦到线性检测器阵列上；其中可变光栅包括至少第一和第二光栅区域，并且至少第一和第二光栅区域具有独特的光栅密度。
结合附图，根据以下更详细的描述，本发明的其他特征和优点将变得明显，这些附图以实例的方式示出了本发明的原理。
附图说明
图1A示出了交错光栅的示意图，其中每个带对应于特定的衍射图案，如图1B中衍射强度对波长的曲线图所示。
图2是线扫描高光谱成像系统的示意图，其中交错光栅的独特衍射图案与2D检测器阵列(或相机)的行对准。
图3是用于从交错光栅系统产生高光谱图像的过程流程图。
图4是可变光栅光谱仪系统的示意图，其中光栅可以平移穿过入射光束以引入独特的衍射图案。
图5是用于从可变光栅系统获得光谱的过程流程图。
在可能的情况下，相同的附图标记将在各图中用于表示相同的部件。
具体实施方式
根据本公开原理的说明性实施例的描述旨在结合附图阅读，附图被认为是整个书面描述的一部分。在本文公开的本公开的实施例的描述中，对方向或方位的任何引用仅仅是为了描述方便，而不是为了以任何方式限制本公开的范围。诸如“下部”、“上部”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“上面”、“下面”、“上”、“下”、“顶部”和“底部”等相关术语及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应被解释为是指当时描述的或讨论中的附图所示的方位。这些相关术语仅是为了描述方便，并不要求该装置在特定方位上构造或操作，除非明确如此指出。诸如“附接”、“固定”、“连接”、“耦接”、“互连”等术语指的是一种关系，其中结构通过插入结构直接或间接固定或附接至彼此，以及可移动或刚性的附接或关系，除非另有明确描述。此外，通过参考示例性实施例来说明本公开的特征和益处。因此，本公开明确地不应限于示出可能单独存在或以特征的其他组合存在的特征的一些可能的非限制性组合的示例性实施例；本公开的范围由所附权利要求限定。
本公开描述了目前预期的实践本公开的最佳模式。该描述不旨在理解为限制性的，而是通过参考附图提供仅出于说明目的而呈现的本公开的示例，以告知本领域普通技术人员本公开的优点和构造。在附图的各种视图中，相同的附图标记表示相同或相似的部分。
重要的是要注意，所公开的实施例仅仅是本文创新教导的许多有利用途的例子。总的来说，本申请的说明书中的陈述不一定限制任何各种要求保护的公开内容。此外，某些陈述可能适用于某些发明特征，但不适用于其他特征。一般来说，除非另有说明，单数元素可以是复数，反之亦然，不失一般性。
现在更详细地参考本公开的各种实施例，图1A中是代表性交错光栅(100)，其中浅灰色和深灰色带表示作为光栅上空间位置的函数的不同光栅密度。注意，在该示例实施例中，示出了光栅密度不同的两个交替带。通常，交错光栅包括具有独特光栅密度的两个或两个以上带的交替带。图1B是说明相应的浅灰色(102)和深灰色(103)光谱衍射强度对波长的代表性曲线图(101)。例如，如果带(102)具有宽度W1且该带中具有L1条光栅线，则带(102)具有光栅密度X＝L1/Wl，如果带(103)具有宽度W2且该带中具有L2条光栅线，则带(103)具有光栅密度Y＝L2/W2，其中X≠Y。
光学色散光栅可以是反射的或透射的，并且其可以通过机械刻划、全息术或对二元掩模进行反应离子蚀刻来制造。
现在参考图2，在一个实施例中，线扫描高光谱成像系统(200)测量目标场景(201)，其中待测定区域(202)产生透射、反射或发射的光。光被收集透镜(203)收集，并在被准直透镜(205)准直之前聚焦到光学狭缝(204)上。准直光在被聚焦透镜(206)聚焦到2D检测器阵列或相机(207)上之前，被交错光栅(100)沿着狭缝的尺寸经由2D图案衍射。在一个实施例中，处理器配置成执行算法以从2D检测器阵列或相机提取和处理数据。
现在参考图3，示出了利用交错光栅执行高光谱成像测量的过程流程图。步骤310：将来自目标场景的光聚焦到狭缝上。步骤320：将来自狭缝的光准直到交错光栅上。步骤330：将来自交错光栅的光聚焦到2D检测器阵列或相机上。步骤340：从2D检测器阵列或相机收集的数据中提取对应于交错光栅带的光谱。步骤350：连接N个相邻光谱行形成N-1个光谱(例如，行1和2、2和3、3和4，...N-l&N)。
现在参考图4，在一个实施例中，点检测光谱仪系统(400)测量目标场景(201)，其中待测定区域(202)产生透射光、反射光或发射光。光被收集透镜(203)收集，并在被准直透镜(205)准直之前聚焦到光学狭缝(204)上。准直光在被聚焦透镜(206)聚焦到线性检测器阵列(402)上之前经由可变光栅(401)衍射。具有期望衍射光栅密度的光栅的预期空间部分可以通过机械平移控制(403)插入光路中。
现在参考图5，示出了利用可变光栅执行光谱仪测量的过程流程图。步骤510：将可变光栅的用户选择部分机械地平移到接收光的位置。步骤520：将来自目标场景的光聚焦到狭缝上。步骤530：将来自狭缝的光准直到可变光栅上。步骤540：将来自可变光栅的光聚焦到线性检测器阵列上。在一个实施例中，可变光栅包括两个或两个以上具有独特光栅密度的光栅区域。
所公开的系统和过程的用途包括但不限于：光谱检测和线扫描高光谱成像。
虽然已经相对于所描述的几个实施例具体和详细描述了本公开，但是并不意味着本公开应当限于任何这样的细节或实施例或者任何特定的实施例，而是应当参考所附权利要求来解释，以便鉴于现有技术来提供对这样的权利要求的尽可能广泛的解释，并且因此有效地包含本公开的预期范围。
本文列举的所有实例和条件语言都是为了教示目的，以帮助读者理解本公开的原理和发明人为促进本领域所贡献的概念，并且应该解释为不限于这些具体列举的实例和条件。此外，本文叙述本公开的原理、方面和实施例及其具体实例的所有陈述旨在包括其结构和功能等同物。此外，这种等同物旨在包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物，即，无论结构如何，所开发的执行相同功能的任何元件。
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