高效率多通道光譜儀的制作方法
【專利摘要】多通道成像光譜儀(100)及其使用方法。所述多通道成像光譜儀的一個示例包括單個入口狹縫(120)、雙程反射三元組(110)和至少一對衍射光柵(150、160)。所述光譜儀配置為接收和校準來自入口狹縫的輸入光束，使用分束器將校準光束分成兩個光譜子波段，以及將每個子波段引導至所述一對衍射光柵中的一個。所述衍射光柵每個配置為將校準光束的接收部分色散成其組成顏色，并且重新引導色散輸出通過所述反射三元組成像到位于與所述入口狹縫對準的焦平面(180)處的圖像傳感器中。
【專利說明】高效率多通道光譜儀
【背景技術】
[0001] 在寬范圍的光譜波段中形成高分辨率圖像的成像光譜儀被應用于科研、軍事和 遙感應用中。成像光譜儀用于提供圖像以及圖像的在所關注的選定波長波段中的光譜 分析。光譜儀可以對通過一個或多個狹縫（slit)落在組裝于光譜儀光學系統的焦平面 處的一個或多個圖像傳感器上的電磁福射進行成像。在諸如雙程光譜儀（double-pass spectrometer)之類的一些光譜儀中，狹縫和圖像傳感器可以彼此相鄰地安置于焦平面處。
[0002] 廣泛用于遙感應用的光譜儀的一個示例是歐浮納光譜儀（Offner spectrometer)。歐浮納光譜儀結構具有同心結構，該同心結構包括狹縫、兩個凹面鏡和設 置在位于所述兩個凹面鏡之間的凸面鏡上的衍射光柵。在小視場上，歐浮納光譜儀用少量 光學元件提供非常低的失真（distortion)。但是，隨著視場增大，結構的尺寸變得非常大。 此外，需要多個光譜儀來覆蓋寬波長范圍或分開的多個光譜區域，每個光譜儀配置為覆蓋 單獨的光譜波段。因此，這些系統通常由于多個光譜儀光學系統（spectrometeroptics) 和多個圖像傳感器而具有大的尺寸、重量和功率要求。
[0003] 通過引用將其整體并入本文的美國專利No. 5260767描述了使用雙程反射三元組 (doublepassreflectivetriplet)結構的純反射（all-reflective)成像光譜儀的不 例。該光譜儀包括用作其物鏡的三反射鏡（three-mirror)消像散透鏡（anastigmat)和帶 有色散元件的用于提供光譜儀校準器和成像器的反射三元組（reflectivetriplet)。通 過引用將其整體并入本文的美國專利No. 6122051描述了單波段多狹縫光譜儀，其使用二 維檢測器陣列來實現若干目標的同時光譜分析。在通過引用將其整體并入本文的美國專利 No. 7382498中描述了雙波段雙狹縫成像光譜儀的示例。根據美國專利No. 7382498,雙通道 光譜儀具有共享物鏡和在公共像平面處的一對狹縫。每個狹縫接收共享物鏡的輸出光束的 一部分，并且被優化以便透射不同的波長。共享雙程反射三元組接收狹縫的這些輸出光束。 反射三元組的輸出入射到分束器上，分束器向第一色散元件發送第一波長的已校準的第一 反射三元組輸出，并且向第二色散元件發送第二波長的已校準的第二反射三元組輸出。各 色散元件的輸出被引導回到分束器和反射三元組，抵達位于公共像平面的兩個不同位置處 的成像檢測器。
【發明內容】
[0004] 一些方面和實施例涉及提供一種具有線性色散的在寬光譜波段上具有高信噪比 的成像光譜儀。
[0005] 根據一實施例，一種多通道成像光譜儀包括：雙程反射三元組光學子系統，其配置 為接收和校準入射電磁輻射，并且提供校準輸出光束；至少一個入口狹縫，其配置為將所述 入射電磁輻射引導至所述反射三元組；至少一個分束器，其配置為從所述反射三元組接收 所述校準輸出光束，并且將所述校準輸出光束分離成多個光譜通道；以及至少兩個色散元 件，每個色散元件配置為接收并且在光譜上色散所述多個光譜通道中的相應光譜通道，色 散元件的數目提供對應數目的色散輸出，其中所述反射三元組還配置為將所述多個色散輸 出聚焦到與所述至少一個入口狹縫共同定位（co-located)的至少一個焦平面上，以便從 所述多個色散輸出產生圖像，并且其中所述色散元件的數目超過所述焦平面的數目。
[0006] 在一示例中，所述反射三元組包括：正光功率的第一反射物鏡，其配置為接收來自 入口狹縫的所述入射電磁輻射，并且將所述第一和第二色散輸出聚焦到所述焦平面；負光 功率的第二反射物鏡，其光學耦合到所述第一反射物鏡；以及正光功率的第三反射物鏡，其 光學耦合到所述第二反射物鏡和所述至少一個分束器。所述多通道成像光譜儀還可以包 括：圖像傳感器，其位于所述至少一個焦平面處并且光學耦合到所述雙程反射三元組。
[0007] 在所述多通道成像光譜儀的一個示例中，所述多個光譜通道包括至少三個光譜通 道，所述至少一個分束器包括：第一分束器，其光學耦合到所述反射三元組，并且配置為將 所述校準輸出光束分離成第一光譜通道和剩余波長范圍；以及第二分束器，其光學耦合到 所述第一分束器，并且配置為將所述剩余波長范圍分離成第二光譜通道和第三光譜通道， 其中所述至少兩個色散元件包括：配置為接收且在光譜上色散所述第一光譜通道的第一色 散元件；配置為接收且在光譜上色散所述第二光譜通道的第二色散元件；以及配置為接收 且在光譜上色散所述第三光譜通道的第三色散元件。在一示例中，所述第一、第二和第三色 散元件是衍射光柵（diffractiongrating)。在另一示例中，所述至少一個入口狹縫包括第 一入口狹縫和第二入口狹縫，所述至少一個焦平面包括與所述第一入口狹縫對準的第一焦 平面和與所述第二入口狹縫對準的第二焦平面。在另一示例中，所述多通道成像光譜儀還 包括：第三分束器，其光學耦合到所述第二分束器，并且配置為接收和分離所述第三光譜通 道以便提供第四光譜通道；以及第四色散元件，其配置為接收且在光譜上色散所述第四光 譜通道。
[0008] 根據所述多通道成像光譜儀的另一示例，所述至少一個入口狹縫包括：第一入口 狹縫，其配置為將第一波長范圍的入射電磁輻射引導至所述反射三元組；以及第二入口狹 縫，其配置為將第二波長范圍的入射電磁輻射引導至所述反射三元組。在一示例中，所述多 個光譜通道包括四個光譜通道，所述至少一個分束器包括三個分束器，其光學耦合在一起 并且配置為將所述校準輸出光束分離成所述四個光譜通道，所述至少兩個色散元件包括四 個衍射光柵，每個衍射光柵配置為接收且在光譜上色散所述四個光譜通道中的一個，所述 至少一個焦平面包括與所述第一入口狹縫對準的第一焦平面和與所述第二入口狹縫對準 的第二焦平面。在另一示例中，所述至少一個入口狹縫還包括第三入口狹縫和第四入口狹 縫中的至少一個。在又一示例中，所述多個光譜通道包括三個光譜通道，所述至少一個分束 器包括：第一分束器，其光學耦合到所述反射三元組并且配置為將所述校準輸出光束分成 第一光譜通道和剩余波長范圍；以及第二分束器，其光學耦合到所述第一分束器并且配置 為將所述剩余波長范圍分成第二光譜通道和第三光譜通道，所述至少兩個色散元件包括配 置為接收且在光譜上色散所述第一光譜通道的第一色散元件、配置為接收且在光譜上色散 所述第二光譜通道的第二色散元件、以及配置為接收且在光譜上色散所述第三光譜通道的 第三色散元件，所述至少一個焦平面包括與所述第一入口狹縫對準的第一焦平面和與所述 第二入口狹縫對準的第二焦平面。
[0009] 根據另一實施例，一種多通道成像光譜儀包括：雙程反射三元組，其配置為接收和 校準關注光譜波段中的入射電磁輻射，并且提供校準輸出光束；單個入口狹縫，其配置為將 入射電磁輻射引導至所述反射三元組；分束器，其配置為接收來自所述反射三元組的校準 輸出光束，并且將所述校準輸出光束至少分離成第一子波段和第二子波段；第一色散元件， 其配置為接收且在光譜上色散所述第一子波段以提供第一色散輸出；以及第二色散元件， 其配置為接收且在光譜上色散所述第二子波段以提供第二色散輸出，所述反射三元組還配 置為將所述第一和第二色散輸出聚焦到與所述入口狹縫共同定位的焦平面上以便從所述 第一和第二色散輸出產生圖像。
[0010] 在一示例中，所述反射三元組包括：正光功率的第一反射物鏡，其配置為接收來 自所述入口狹縫的所述入射電磁輻射，并且將所述第一和第二色散輸出聚焦到所述焦平面 上；負光功率的第二反射物鏡，其光學耦合到所述第一反射物鏡；以及正光功率的第三反 射物鏡，其光學耦合到所述第二反射物鏡和所述分束器。所述多通道成像光譜儀還可包括： 圖像傳感器，其位于所述焦平面處，并且光學耦合到所述雙程反射三元組。在一示例中，所 述圖像傳感器是單焦平面陣列檢測器，其具有對所述第一色散輸出靈敏的第一活性區域 和對所述第二色散輸出靈敏的第二活性區域。所述第一和第二活性區域可以通過防護帶 (guardband)在空間上彼此分隔開。在一示例中，所關注的光譜波段包括大約0.4μπι到 2.5μπι的波長范圍。所述多通道成像光譜儀還可包括折疊反射鏡（foldmirror)，其光學 上位于所述分束器和所述第二色散元件之間，并且配置為將所述第二子波段從所述分束器 引導至所述第二色散元件。在一示例中，所述第一和第二色散元件是第一和第二衍射光柵， 其每個具有單個閃耀角（blazeangle)。
[0011] 根據另一實施例，一種光譜學方法包括如下操作：將關注光譜波段中的電磁輻射 通過入口狹縫引導至反射光學系統；使用所述反射光學系統校準所述電磁輻射以提供校準 輸出束；將所述校準輸出束在光譜上分離成第一子波段和第二子波段；使用第一反射色散 元件在光譜上色散所述第一子波段以提供第一色散輸出；使用第二反射色散元件在光譜上 色散所述第二子波段以提供第二色散輸出；以及使用所述反射光學系統將所述第一和第二 色散輸出經所述反射光學系統聚焦到與所述入口狹縫共同定位的焦平面上，以從所述第一 和第二色散輸出產生位于所述焦平面處的圖像。
[0012] 在一示例中，將所述校準輸出束在光譜上分離成所述第一子波段和所述第二子波 段是利用分束器實現的，所述方法還可包括使用所述分束器來重新組合所述第一和第二色 散輸出。在另一示例中，所述方法還包括將所述第一和第二色散輸出成像到位于所述焦平 面處的圖像傳感器以產生所述圖像。
[0013] 下面將詳細描述另一些方面、實施例、以及這些示范性方面和實施例的優點。這里 公開的實施例可以按照任何與這里公開的原理中的至少一個一致的方式與其他實施例相 組合，并且對"實施例"、"一些實施例"、"替選實施例"、"各實施例"、"一實施例"等的提及不 一定相互排除，旨在表明所描述的特定特征、結構或特性可包括在至少一個實施例中。這里 出現的這些術語不一定全部都指的是同一實施例。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 下面參照附圖論述至少一個實施例的各方面，附圖未按比例繪制。附圖被包括以 提供對各方面和實施例的示范和進一步理解，并且被包括在本說明書中構成本說明書的一 部分，但是無意作為對本發明的限制的定義。在附圖中，示于各圖中的每個相同或幾乎相同 的部件由相似的數字表示。為了清楚起見，可能沒有在每幅圖中標注每個部件。在附圖中：
[0015] 圖IA是根據本發明一些方面的成像光譜儀的一個示例的光線軌跡；
[0016] 圖IB是僅示出圖IA的成像光譜儀的第一通道的光線軌跡；
[0017] 圖IC是僅示出圖IA的成像光譜儀的第二通道的光線軌跡；
[0018] 圖2是根據本發明一些方面的用于與圖1的成像光譜儀結合使用的成像檢測器的 一個示例的圖；
[0019]圖3是光柵衍射效率作為波長（以納米計）的函數的圖；
[0020]圖4是信噪比（SNR)作為波長（以納米計）的函數的圖；
[0021] 圖5A是根據本發明一些方面的三通道成像光譜儀的一示例的光線軌跡；
[0022] 圖5B是僅示出圖5A的成像光譜儀的第三通道的光線軌跡；以及
[0023] 圖6是根據本發明一些方面的四通道成像光譜儀的一個示例的光線軌跡。
【具體實施方式】
[0024] 一些方面和一些實施例涉及緊湊型多波段成像光譜儀，并且涉及使用單個這樣的 光譜儀來覆蓋多個光譜區域。特別地，一些方面和實施例提供一種雙波段成像光譜儀，其使 用單個入口狹縫、單個圖像傳感器（例如焦平面陣列成像檢測器）和具有諸如多個衍射光 柵或棱鏡之類的多個色散元件的共享光學器件，如下面進一步論述的那樣。各實施例可以 提供對成像光譜儀領域長期需要的解決方案，即實現非常高的信噪比而無需在一個系統中 使用多個光譜儀。
[0025] 提供具有高信噪比的成像光譜儀的傳統方案已經包括使用棱鏡作為色散元件。 棱鏡具有非線性色散，需要多得多的焦平面像素和更大的光譜儀視場從而以指定光譜分 辨率覆蓋給定光譜波段。用于多波段檢測的其它方案已經包括使用具有多入口狹縫的多 波段光譜儀以便在空間上分離不同的光譜波段。如上所述，例如，一種方案包括美國專利 No. 7382498所描述的雙波段雙狹縫光譜儀。但是，這種方案需要第二狹縫、在相應的狹縫上 以便通過選定波長區域并且阻止由另一狹縫通過的波長區域的阻擋濾光片、以及較大的光 譜儀視場，以便容納從狹縫到狹縫、圖像傳感器到每個狹縫的間隔，以及可選的第二圖像 傳感器。
[0026] 相反，一些方面和實施例涉及緊湊型多波段成像光譜儀，其中不同的衍射光柵用 于在圖像傳感器上偏移（offset)不同的光譜區域。在一實施例中，單個入口狹縫可以用 于提供來自所有光譜波段的光譜的空間共同配準（co-registration)，并且避免波段間失 準（mis-registration)。但是，在另一些實施例中，可以使用多個入口狹縫，如下面進一步 論述的那樣。本文公開的成像光譜儀的實施例與可比的單光柵光譜儀相比可以提供顯著更 高的信噪比，并且與使用兩個光譜儀來實現雙波段成像的系統相比小得多且光譜對準好得 多。此外，成像光譜儀的實施例可以保持反射三元組結構的視場方面的好處。因此，成像光 譜儀的實施例與相同焦距比數（F-number)的傳統歐浮納或戴森（Dyson)結構相比可以提 供更好的性能，并且可以具有與基于棱鏡的設計相當的吞吐量（throughput)，但是具有衍 射光柵的線性色散。此外，與基于棱鏡的設計相比，為了覆蓋相同光譜區域，成像光譜儀可 以具有小得多的視場要求。
[0027] 可以理解，本文所公開的方法和裝置的實施例不限于應用下文中闡述的或附圖所 示的部件的構造和布置的細節。方法和裝置可以在其它實施例中實施，并且能以多種方式 實踐或執行。本文提供特定實現方式的示例僅用于示范，無意用于限制。此外，本文使用的 措辭和術語是用于說明，不應視為限制。本文對"含有"、"包括"、"具有"、"包含"、"涉及"及 其變型的使用意在涵蓋其后所列項目和其等價物，以及附加項目。對"或"的提及可以解釋 為包括性的，以便使用"或"描述的任何術語可以指示所述術語中的單個、超過一個和全部 中的任何一種。
[0028] 參考圖1A，其示出成像光譜儀100的一個示例的光線軌跡。光譜儀100包括用于 執行光譜儀的校準、色散和成像功能的光學元件，如下面進一步描述的那樣。根據一實施 例，單個緊湊型多波段成像光譜儀系統100提供對多個光譜波段的覆蓋。在一示例中，多個 光譜波段包括可見波段和紅外波段，諸如VNIR-SWIR(例如0. 5到2. 5μm)、MWIR(例如3. 3 到3. 5μm)、以及LWIR(例如7. 7到8. 2μm)波段，以及任選的至少一部分可見波段（例如 0. 39到0. 75μm)。根據一實施例，成像光譜儀100包括雙程反射三元組110,并且使用單 個入口狹縫120,其透射電磁輻射130到三元組光學系統。前端光學系統（foreoptics，未 示出）可以用于聚焦和引導電磁輻射130通過入口狹縫120。在電磁輻射130通過反射三 元組110之后，其入射在二色分束器140上，二色分束器140將一部分光譜反射到第一反射 色散元件150,并且將剩余光譜透射到第二反射色散元件160。色散元件150、160將入射的 電磁輻射色散成其組成顏色或波長。在一示例中，色散元件150、160是衍射光柵。在另一 示例中，色散元件150、160是棱鏡。折疊反射鏡170可以用于將電磁輻射重定向到第二反 射色散元件160以實現緊湊結構。電磁輻射由分束器140重新組合，返回通過反射三元組 110,并且被成像到與入口狹縫120共同定位的焦平面180上。
[0029] 根據一實施例，成像光譜儀100使用反射三元組110作為其物鏡。反射三元組 110的示例公開于美國專利No.7382498中。在圖1所示的例子中，反射三元組110包括具 有正光功率的第一反射鏡112、具有負光功率的第二反射鏡114、以及具有正光功率的第三 反射鏡116。反射三元組110的三反射鏡用作光譜儀100的校準光學結構。第一反射鏡 112、第二反射鏡114和第三反射鏡116的光功率之和可以大約為0,由此滿足零佩茲伐和 (zero-Petzvalsum)或平場（flatfield)條件。
[0030] 反射三元組110的三個反射鏡112、114和116校準經由入口狹縫120接收的進入 電磁輻射，并且提供二色分束器140處的已校準的反射三元組輸出光束132。如上所述，分 束器140將已校準的反射三元組輸出光束132分離成具有第一波長的第一反射三元組輸出 光束142和具有第二波長的第二反射三元組輸出光束144。本文使用時，術語"波長"和"通 道"可以指的是單個離散波長或波長范圍。第一色散元件150接收第一波長的第一反射三 元組輸出光束142,并且產生第一色散輸出152。類似地，第二色散元件160接收第二波長的 第二反射三元組輸出光束144,并且產生第二色散輸出162。如上所述，分束器140接收且 重新組合來自各色散元件的第一和第二色散輸出152、162,并且引導色散電磁輻射146返 回通過雙程反射三元組110以便入射在焦平面180上。因此，由于電磁輻射通過反射三元 組110傳輸，在去往色散元件150、160的途中被校準，然后在返回路徑上通過反射三元組回 傳，并且成像在焦平面180上，所以光譜儀100的反射三元組110被稱為"雙程"光學部件。
[0031] 圖IB是示出成像光譜儀100的第一通道的光學路徑的光線軌跡。在圖IB中，光 束132a對應于圖IA的已校準的反射三元組輸出光束132的第一波長范圍，光束146a對應 于圖IA的色散電磁輻射146的第一波長范圍。圖IC是示出成像光譜儀100的第二通道的 光學路徑的光線軌跡。在圖IC中，光束132b對應于圖IA的已校準的反射三元組輸出光束 132的第二波長范圍，光束146b對應于圖IA的色散電磁輻射146的第二波長范圍。
[0032] 根據一實施例，圖像傳感器或成像檢測器位于焦平面180處。通過使用多個色散 元件，多個光譜波段可以成像到位于焦平面180處的單個圖像傳感器上。圖像傳感器可以 是全色成像檢測器。在一示例中，檢測器包括單個焦平面陣列，其包括一個或多個光檢測器 和相關聯的讀出集成電路。焦平面陣列包括兩部分，即檢測器和讀出集成電路（ROIC)。檢 測器包括接收光并且生成電流的光敏材料。ROIC是在曝光期間捕獲電流并且然后將信號傳 輸到其他電子器件（例如用于存儲）的電子電路。焦平面陣列可以包括檢測器材料和/或 ROIC的任何組合以支持關注的特定光譜波段。
[0033] 參考圖2,在一實施例中，單個焦平面陣列圖像傳感器200收集來自每個光柵的電 磁輻射。圖像傳感器200可以位于第一軸上并且沿第一軸伸長，第一軸平行于狹縫120延 伸。在所示例子中，焦平面陣列200包括對第一波長的電磁輻射（接收自第一色散元件150) 靈敏的第一活性區域210和對第二波長的電磁輻射（接收自第二色散元件160)靈敏的第 二活性區域220。第一和第二活性區域210、220可以通過小的"防護帶"230彼此分隔開。 活性區域和防護帶可以布置在焦平面陣列封裝240上或其內。在一實施例中，第一和第二 色散元件150、160被對準以便它們各自的色散區域在焦平面陣列圖像傳感器200上通過防 護帶230分隔開。
[0034] 出于光譜學目的，如圖2所示，圖像傳感器200可以大體上是矩形的，具有沿與狹 縫120平行的軸排列的空間維度250和光譜維度260。圖像傳感器200可以在空間維度250 上伸長。圖像傳感器200的第一和第二活性區域210和220每個可包括沿空間和光譜維度 250、260布置成陣列的多個光檢測器元件。防護帶可以包括多個非活性檢測器。活性區域 可針對選定波長來配置并且可選地被優化。例如，第一活性區域210可以對在大約0. 4μπι 到1.4ym范圍的波長（λ「λln)靈敏，第二活性區域220可以對在大約1.4ym到2.5ym 范圍的波長（λ2-λ2η)靈敏。圖像傳感器200的結構和配置可以根據不同實施例而改變。 例如，在一實施例中，圖像傳感器200可以基于汞鎘碲化物。在另一些示例中，圖像傳感器 200可以基于其它材料，諸如但不局限于銦、銻化物、硅、銦鎵砷化物等。圖像傳感器200的 大小可以取決于許多因素，例如各個檢測器（或像素）的大小、像素密度等。
[0035] 根據一實施例，光譜儀100配置為在光譜波段VNIR-SWIR上操作（如上面的示例 中那樣，大約0.4到2.5μ--)。這是被頻繁感測的光譜區域。單個入口狹縫120可以接受 VNIR-SWIR電磁輻射而無需拒絕其它顏色。如上所述，所有的電磁輻射可以通過單組校準反 射三元組光學系統110,然后通過二色分束器140分成組分光譜區域（子波段）。在一實施 例中，二色分束器140的中心位于大約1. 4μπι處，其是大氣強吸收波段。在一實施例中，電 磁輻射（142、144)的每個子波段被傳輸到單閃耀反射衍射光柵（150、160)。每個光柵的選 定效率峰值可以接近相應光柵的每個閃耀的峰值。
[0036] 在傳統的單光柵光譜儀系統中，當擴展超過一個倍頻程（octave)時，光柵效率顯 著下降。相反，根據色散元件150和160是衍射光柵的一實施例，在VNIR-SWIR光譜區域， 每個光柵的效率可以幾乎是單個雙閃耀光柵的效率（平均起來）的2倍。在一示例中，每 個衍射光柵可以具有比單個雙閃耀光柵更高的峰值效率，例如大約95%對69%，并且在子 波段上從效率峰值的衰減大大降低。該效率與使用兩個單獨的光譜儀來覆蓋VNIR/SWIR光 譜區域的系統相當。
[0037] 例如，參考圖3,其示出使用各種光柵配置的光譜儀的相對吞吐量（效率）的圖。 在圖3中，軌跡310表示單光柵系統的效率，軌跡320表示具有帶雙閃耀角的單個光柵的系 統的效率。如參考圖3所見，單光柵系統在窄光譜范圍上具有相對高的效率，但是在其它波 長處具有相對差的效率。雙閃耀角系統在寬光譜范圍上具有更平均的效率，但是總體相對 效率低。軌跡330和335表示根據一實施例的兩光柵光譜儀系統的效率。如上所述，兩光 柵的"交疊"區域（或分束器中的分束處）可以位于大約1.4μπι處，其是大氣強吸收區域 (在圖3中由波段340表示），因此光譜學一般不使用。如上所述，因為每個光柵的效率可 以單獨調諧和優化，所以在寬光譜范圍上總體效率可以較高。例如，在一實施例中，因為每 個光柵可以針對其子波段單獨優化，所以平均光柵效率可以增加大約80-120%。因此，效 率可以在每個光柵的波長范圍上"展開"，而不局限于較窄波段，就如同單光柵系統的情況 (如軌跡310所示）那樣。
[0038]此外，增加效率和單獨調諧光柵的能力可以導致顯著更大的信噪比。例如，使用一 些實施例的兩光柵結構，所得光譜可以具有比傳統單光柵光譜儀高40-60 %的信噪比。此 夕卜，每個光柵的色散可以被選擇以優化全波段上的光譜分辨率。
[0039]參考圖4,其示出根據一實施例的雙光柵結構和傳統單（雙閃耀）光柵光譜儀的信 噪比（SNR)作為以納米（nm)計的波長的函數的圖。下表1包含圖4所示的對應數據。如 上所述，對于雙光柵光譜儀，雙光柵在1. 4μm處分開。在圖4中，數據點410對應于雙光柵 光譜儀的示例，數據點420對應于傳統單光柵（雙閃耀）光譜儀。
[0040]表1
[0041]
【權利要求】
1. 一種多通道成像光譜儀，包括： 雙程反射三元組光學子系統，其配置為接收和校準入射電磁輻射，并且提供校準了的 輸出光束； 至少一個入口狹縫，其配置為將所述入射電磁輻射引導至所述反射三元組； 至少一個分束器，其配置為接收來自所述反射三元組的校準了的輸出光束，并且將所 述校準了的輸出光束分成多個光譜通道；以及 至少兩個色散元件，其每個配置為接收并且在光譜上色散所述多個光譜通道中的相應 一個光譜通道，色散元件的數目提供對應數目的色散輸出； 其中所述反射三元組還配置為將所述多個色散輸出聚焦到與所述至少一個入口狹縫 共同定位的至少一個焦平面上以從所述多個色散輸出生成圖像，且 其中色散元件的數目超過焦平面的數目。
2. 根據權利要求1所述的多通道成像光譜儀，其中所述反射三元組包括： 正光功率的第一反射物鏡，其配置為接收來自所述入口狹縫的入射電磁輻射，并且將 第一和第二色散輸出聚焦到所述焦平面上； 負光功率的第二反射物鏡，其光學耦合到所述第一反射物鏡；以及 正光功率的第三反射物鏡，其光學耦合到所述第二反射物鏡和所述至少一個分束器。
3. 根據權利要求1所述的多通道成像光譜儀，還包括位于所述至少一個焦平面處并且 光學耦合到所述雙程反射三元組的圖像傳感器。
4. 根據權利要求1所述的多通道成像光譜儀，其中所述多個光譜通道包括至少三個 光譜通道，所述至少一個分束器包括第一分束器和第二分束器，所述第一分束器光學親合 到所述反射三元組，并且配置為將所述校準了的輸出光束分成第一光譜通道和剩余波長范 圍，所述第二分束器光學耦合到所述第一分束器，并且配置為將所述剩余波長范圍分成第 二光譜通道和第三光譜通道；且 其中所述至少兩個色散元件包括第一色散元件、第二色散元件和第三色散元件，所述 第一色散元件配置為接收并且在光譜上色散所述第一光譜通道，所述第二色散元件配置為 接收并且在光譜上色散所述第二光譜通道，所述第三色散元件配置為接收并且在光譜上色 散所述第三光譜通道。
5. 根據權利要求4所述的多通道成像光譜儀，其中所述第一、第二和第三色散元件是 衍射光柵。
6. 根據權利要求4所述的多通道成像光譜儀，其中所述至少一個入口狹縫包括第一入 口狹縫和第二入口狹縫，所述至少一個焦平面包括與所述第一入口狹縫對準的第一焦平面 和與所述第二入口狹縫對準的第二焦平面。
7. 根據權利要求6所述的多通道成像光譜儀，還包括： 第三分束器，其光學耦合到所述第二分束器，并且配置為接收和分離所述第三光譜通 道以提供第四光譜通道；以及 第四色散元件，其配置為接收并且在光譜上色散所述第四光譜通道。
8. 根據權利要求1所述的多通道成像光譜儀，其中所述至少一個入口狹縫包括第一入 口狹縫和第二入口狹縫，所述第一入口狹縫配置為將第一波長范圍的入射電磁輻射引導至 所述反射三元組，所述第二入口狹縫配置為將第二波長范圍的入射電磁輻射引導至所述反 射三元組。
9. 根據權利要求8所述的多通道成像光譜儀，其中所述多個光譜通道包括四個光譜通 道，所述至少一個分束器包括三個分束器，所述三個分束器光學耦合在一起并且配置為將 所述校準了的輸出光束分成四個光譜通道，所述至少兩個色散元件包括四個衍射光柵，每 個顏色光柵配置為接收并且在光譜上色散所述四個光譜通道中的一個，所述至少一個焦平 面包括與所述第一入口狹縫對準的第一焦平面和與所述第二入口狹縫對準的第二焦平面。
10. 根據權利要求8所述的多通道成像光譜儀，其中所述多個光譜通道包括三個光譜 通道； 其中所述至少一個分束器包括第一分束器和第二分束器，所述第一分束器光學親合到 所述反射三元組并且配置為將所述校準了的輸出光束分成第一光譜通道和剩余波長范圍， 所述第二分束器光學耦合到所述第一分束器并且配置為將所述剩余波長范圍分成第二光 譜通道和第三光譜通道； 其中所述至少兩個色散元件包括第一色散元件、第二色散元件和第三色散元件，所述 第一色散元件配置為接收并且在光譜上色散所述第一光譜通道，所述第二色散元件配置為 接收并且在光譜上色散所述第二光譜通道，所述第三色散元件配置為接收并且在光譜上色 散所述第三光譜通道；且 其中所述至少一個焦平面包括與所述第一入口狹縫對準的第一焦平面和與所述第二 入口狹縫對準的第二焦平面。
11. 一種多通道成像光譜儀，包括： 雙程反射三元組，其配置為接收和校準關注光譜波段中的入射電磁輻射，并且提供校 準了的輸出光束； 單個入口狹縫，其配置為將所述入射電磁輻射引導至所述反射三元組； 分束器，其配置為接收來自所述反射三元組的所述校準了的輸出光束，并且將所述校 準了的輸出光束分成至少第一子波段和第二子波段； 第一色散元件，其配置為接收并且在光譜上色散所述第一子波段以提供第一色散輸 出；以及 第二色散元件，其配置為接收并且在光譜上色散所述第二子波段以提供第二色散輸 出，所述反射三元組還配置為將所述第一和第二色散輸出聚焦到與所述入口狹縫共同定位 的焦平面上以從所述第一和第二色散輸出生成圖像。
12. 根據權利要求11所述的多通道成像光譜儀，其中所述反射三元組包括： 正光功率的第一反射物鏡，其配置為接收來自所述入口狹縫的入射電磁輻射，并且將 所述第一和第二色散輸出到所述焦平面上； 負光功率的第二反射物鏡，其光學耦合到所述第一反射物鏡；以及 正光功率的第三反射物鏡，其光學耦合到所述第二反射物鏡和所述分束器。
13. 根據權利要求11所述的多通道成像光譜儀，還包括位于所述焦平面處并且光學耦 合到所述雙程反射三元組的圖像傳感器。
14. 根據權利要求13所述的多通道成像光譜儀，其中所述圖像傳感器是單個焦平面陣 列檢測器，所述單個焦平面陣列檢測器具有對所述第一色散輸出靈敏的第一活性區域和對 所述第二色散輸出靈敏的第二活性區域。
15. 根據權利要求14所述的多通道成像光譜儀，其中所述第一和第二活性區域通過防 護帶彼此空間上分隔開。
16. 根據權利要求14所述的多通道成像光譜儀，其中所關注的光譜波段包括大約 0? 4 ym到2. 5 ym的波長范圍。
17. 根據權利要求11所述的多通道成像光譜儀，還包括折疊反射鏡，其光學上位于所 述分束器和所述第二色散元件之間，并且配置為將所述第二子波段從所述分束器引導至所 述第二色散元件。
18. 根據權利要求11所述的多通道成像光譜儀，其中所述第一和第二色散元件是第一 和第二衍射光柵，其每個具有單個閃耀角。
19. 一種光譜學方法，包括： 引導關注光譜波段中的電磁輻射通過入口狹縫到達反射光學系統； 使用所述反射光學系統校準所述電磁輻射以提供校準了的輸出光束； 將所述校準了的輸出光束光譜上分成第一子波段和第二子波段； 使用第一反射色散元件在光譜上色散所述第一子波段以提供第一色散輸出； 使用第二反射色散元件在光譜上色散所述第二子波段以提供第二色散輸出；以及 使用所述反射光學系統將所述第一和第二色散輸出經由所述反射光學系統聚焦到與 所述入口狹縫共同定位的焦平面上以從所述第一和第二色散輸出生成所述焦平面處的圖 像。
20. 根據權利要求19所述的光譜學方法，其中將所述校準了的輸出光束在光譜上分成 第一子波段和第二子波段的步驟是使用分束器來實現的，并且所述方法還包括使用所述分 束器來重新組合所述第一和第二色散輸出。
【文檔編號】G01J3/02GK104508439SQ201380039223
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年4月23日 優先權日:2012年7月26日
【發明者】伊恩·S·羅賓遜, 埃里克·M·莫斯昆, 萊西·G·庫克 申請人:雷神公司