СПЕКТРОМЕТР С РЕГУЛИРУЕМЫМ ДЕФЛЕКТОРОМ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВЫРАВНИВАНИЕМ РАССЕЯННОГО СВЕТА НА ДЕТЕКТОРЕ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ
SPECTROMETER WITH ADJUSTABLE DEFLECTOR FOR CONTROL OF ALIGNMENT OF SCATTERED LIGHT ON DETECTOR FOR OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
Настоящая заявка испрашивает приоритет патентной заявки США №12/904681, поданной 14 октября 2010 года, все содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
В этом патентном документе описываются спектрометры с регулируемыми дефлекторами. Более подробно, в этом патентном документе рассматриваются спектрометры, выравнивание которых обеспечивается регулируемым дефлектором, предназначенные для потенциального применения в оптической когерентной томографии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Спектральные оптические когерентные томографы (SD-OCT) отображают области объекта путем разделения света от относительно широкополосного источника света на опорный свет и несущий изображение свет и обеспечения интерференции несущего изображения света, отражающегося от объекта, с опорным светом, отражающимся, например, от опорного зеркала. Затем этот интерферирующий или несущий изображение свет спектрально разлагается, и спектральные составляющие проецируются или передаются на датчики матрицы датчиков в детекторе. В спектральных оптических когерентных томографах объект отображается по существу одновременно в диапазоне глубин z на конкретном месте xy в поперечном направлении посредством преобразования Фурье спектральных составляющих интерферирующего света, обнаруживаемых индивидуальными датчиками. В более традиционных системах оптической когерентной томографии, например с разрешением по времени, отображение диапазона глубин z осуществляется выполнением сканирования по z, в результате чего значительно снижаются скорости обработки. При объединении спектрального оптического когерентного томографа с линейным (по x, y) сканером xy можно формировать двумерные или трехмерные изображения всей области или объема объекта с очень высокой скоростью и большим разрешением.
Однако формирование изображения с высокой скоростью и с высоким разрешением спектральными оптическими когерентными томографами обычно достигается путем очень точного контроля большинства параметров, в том числе ширины полосы источника света, разрешающей способности оптики и эффективности сбора света оптикой и скорости считывания детекторной матрицы.
Для удовлетворения этих требований в одном классе спектральных оптических когерентных томографов используются формирующие изображения спектрометры с большой числовой апертурой, с дифракционно-ограниченными характеристиками. В этих устройствах в качестве детектора часто используется линейная матрица датчиков, поскольку при этом могут обеспечиваться более высокие скорости считывания, чем в случае датчиков, расположенных в двумерных матрицах, и все же будет приемлемая скорость сканирования объема объекта. Типичная линейная матрица датчиков, пригодная для разрешения спектра промышленного широкополосного источника света с высокой точностью, может содержать до 1000 или больше пикселов в линейной компоновке. В настоящее время размер индивидуальных пикселов или датчиков лежит в диапазоне от 10 на 10 мкм до 20 на 20 мкм. Однако небольшой размер этих индивидуальных пикселов приводит к появлению трудных задач выравнивания несущего изображение пучка для реализации потенциального высокого разрешения спектральных оптических когерентных томографов.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Спектрометр устройств спектральной оптической когерентной томографии обычно принимает изображение или интерферирующий свет из одномодового оптического волокна. В спектрометре этот интерферирующий свет спектрально разлагается или рассеивается на спектральные составляющие и передается к индивидуальным датчикам детектора. Обнаруживаемые составляющие несущего изображение света подвергаются преобразованию Фурье и анализируются для построения изображения объекта.
Как описывалось выше, детекторы с линейными матрицами датчиков обладают способностью осуществлять отображение эффективно и с высокой скоростью. Для реализации потенциала этих линейных матричных детекторов элементом спектрального разложения спектрометра проецируется разложенный спектр на линию пикселов, которые имеют ширину 10-20 мкм. Такая характеристика может быть получена путем выравнивания оптических элементов спектрометра с достаточно высокой точностью. Порядок специфицированной точности углового выравнивания выражается миллирадианами (мрад) и может быть получен путем механического регулирования и поворота оптических столиков или элементов. С другой стороны, для точного поперечного выравнивания может потребоваться на порядок более высокая точность, поскольку поперечное смещение усиливается в соответствии с длиной оптического пути между элементом спектрального разложения и детектором.
Для получения этих высокоточных выравниваний в спектрометрах можно использовать регулируемые или подвижные оптические элементы, которые можно тонко настраивать во время сборки, чтобы получать требуемую точность поперечного выравнивания. В спектрометрах с этими регулируемыми элементах также обеспечивается возможность выполнения корректирующих регулировок во время регулярных, проводимых по расписанию технических обслуживаний. Однако регулируемые элементы могут легче смещаться и перемещаться из оптимальных правильных относительных положений после нахождения спектрометра в работе, поэтому часто требуется техническая помощь для тестирования и перенастройки. Во многих случаях спектрометр используют на удалении от высокотехнологичной обстановки, например, в медицине, где часто может не быть мгновенно доступной технической помощи для тестирования и восстановления выравнивания спектрометра в течение коротких или незапланированных временных интервалов, не говоря уже об излишнем простое и неудобствах, причиняемых такой требующей постоянного обслуживания системой.
С другой стороны, как описывается более подробно ниже, в конструкциях спектрометров, в которых делается попытка исключить эти проблемы путем использования неподвижных нерегулируемых столиков, возникает проблема неприемлемо низкой точности поперечных выравниваний. Это столкновение требований приводит к трудностям при оптимизации конструкции спектрометров.
В различных вариантах осуществления спектрометров, описываемых в этом патентном документе, успешно обеспечивается выравнивание с матрицей датчиков способом, которым можно эффективно решать эти конструктивные задачи. В частности, в различных вариантах осуществления спектрометров обеспечиваются регулируемое отклонение изображения и свет других видов, которые могут улучшать выравнивание с матрицей датчиков.
В некоторых вариантах осуществления спектрометр может включать в себя спектрально рассеивающий оптический элемент, сконфигурированный для спектрального рассеивания принимаемого света, рычажно-оптический регулируемый дефлектор для регулируемого отклонения спектрально рассеянного света, и детекторную матрицу для приема спектрально рассеянного и регулируемым образом отклоненного света. Принимаемый свет может включать в себя интерференционный пучок, составленный из отраженного, несущего изображение пучка и опорного пучка.
В некоторых реализациях спектрально рассеивающий оптический элемент может включать в себя призму, дифракционную решетку, оптический элемент с зависящим от длины волны показателем преломления, оптический элемент с зависящим от длины волны свойством пропускания или оптический элемент с зависящим от длины волны свойством отклонения. В некоторых реализациях детекторная матрица может включать в себя линейную матрицу датчиков, двумерную матрицу датчиков или детекторную камеру.
В некоторых реализациях рычажно-оптический регулируемый дефлектор может включать в себя оптический элемент со свойством регулируемого пропускания или свойством регулируемого отражения, при этом оптический дефлектор может регулироваться с помощью механической регулировки, оптически преобразуемой рычажной передачей в меньшую оптическую регулировку. В некоторых реализациях отношение угла механической регулировки к углу оптической регулировки может превышать 10, в других - 100. В некоторых реализациях отношение угла механической регулировки к углу оптической регулировки больше чем 5, но меньше чем 100. Регулируемый дефлектор может включать в себя по меньшей мере одну поворотную клиновидную оптическую пластинку.
В некоторых реализациях спектрометр представляет собой формирующий изображение спектрометр, включающий в себя коллиматор, преобразующий принимаемый свет в параллельные лучи света, и фокусирующую линзу, фокусирующую и отображающую спектрально рассеянный свет на детекторную матрицу.
В некоторых реализациях первый диапазон положений пучка на детекторе, связанный с диапазоном регулировки отклонения дефлектора, превышает второй диапазон положений пучка на детекторе, связанный с суммарной величиной допуска на положение компонентов спектрометра. В некоторых реализациях первый диапазон положений пучка на детекторе, связанный с диапазоном регулировки отклонения дефлектора, превышает эксплуатационный диапазон положений пучка на детекторе спектрометра. В некоторых реализациях эксплуатационное смещение пучка, обусловленное рычажно-оптическим регулируемым дефлектором, меньше, чем допуск на смещение детектора. В некоторых реализациях регулируемый дефлектор сконфигурирован для компенсации поперечного смещения спектрально рассеянного света без внесения углового смещения, большей, чем отношение размеров детектора.
В некоторых реализациях спектрометр сконфигурирован для обеспечения компенсации продольного смещения посредством повторной калибровки его датчиков с использованием света известной длины волны.
В некоторых реализациях устройство спектральной оптической когерентной томографии (SD-OCT) может включать в себя средство для разложения спектра, сконфигурированное для приема интерферирующего света и для создания полосы интерферирующего света путем разделения по сторонам спектральных составляющих интерферирующего света, матрицу датчиков для обнаружения различных спектральных составляющих полосы интерферирующего света различными датчиками и регулируемый контроллер выравнивания с рычажной передачей для управления выравниванием полосы света с матрицей датчиков. Контроллер выравнивания может включать в себя поворотную клиновидную призму.
В некоторых реализациях спектрометр может включать в себя спектральный рассеиватель для поперечного рассеивания спектральных составляющих несущего изображение света, матрицу датчиков для восприятия спектральных составляющих несущего изображение света и контроллер выравнивания с оптической рычажной передачей, способный компенсировать суммарное смещение положения пучка, обусловленное позиционным отклонением элементов спектрометра.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - схема спектрометра;
фиг. 2А - иллюстрация оптимально выровненного спектрально рассеянного света, спроецированного на линейную матрицу датчиков спектрометра;
фиг. 2В - иллюстрация спектрально рассеянного света с угловым и поперечным смещением;
фиг. 3А-С - иллюстрации смещений трех основных видов;
фиг. 4А-В - иллюстрации двух вариантов осуществлений спектрометров с выравниванием, управляемым регулируемым дефлектором;
фиг. 5А-В - схемы конкретных вариантов осуществлений спектрометра с выравниванием, управляемым регулируемым дефлектором; и
фиг. 6 - иллюстрация эволюции не выровненного в поперечном направлении спектра при повороте поворотного клина.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Реализации и варианты осуществления в этом патентном документе представляют собой усовершенствования, предназначенные для удовлетворения описанных выше конфликтующих потребностей в части высокоточного выравнивания и долговременной стабильности спектрометров.
Как рассматривалось выше, высокоточное выравнивание в спектрометрах может быть достигнуто установкой регулируемых оптических элементов на столики выравнивания. Однако, поскольку эти элементы являются регулируемыми, то даже в течение нормальной работы спектрометра эти регулируемые элементы могут начать перемещаться на некоторое расстояние, поворачиваться и искривляться относительно первоначального положения и установочных параметров, привнося смещение. Эти смещения пагубно влияют на точность спектрометра и отрицательно сказываются на долговременной стабильности спектрометра.
Стабильность спектрометров может быть повышена соединением или механической фиксацией оптических элементов в неподвижных держателях. С другой стороны, установка неподвижных держателей во время сборки спектрометра ограничивает точность выравнивания оптических элементов. Если оптический элемент устанавливают в спектрометр, по меньшей мере частично, вручную, что является типичным примером, его положение можно регулировать с точностью, сопоставимой с сотней микрометров. Когда спектрометр содержит несколько оптических элементов, суммарное смещение положения пучка или ошибка из-за неточности изготовления может достигать нескольких сотен микрометров, возможно до 1000 мкм. Поскольку физическая протяженность индивидуальных датчиков в детекторной матрице составляет около 10-20 мкм, смещение в сотни микрометров, обусловленное ошибками при сборке соединяемых оптических элементов, может значительно снижать эффективность спектрометра, возможно, даже неблагоприятно влиять на функциональные возможности самого спектрометра. Поэтому высокая долговременная стабильность спектрометра с соединенными элементами сопоставима по значимости с возрастающей проблемой смещения, возникающей во время сборки спектрометра.
На фиг. 1 изложенная выше проблема показана на примере типичного спектрометра 10. Спектрометр 10 принимает несущий изображение или интерферирующий свет 11 и может пропускать его через коллиматор или коллимирующую линзу 13, которая преобразует принимаемый свет в параллельные лучи. Коллимированные лучи могут достигать спектрально рассеивающего элемента 15, который поперечно расширяет спектральные составляющие лучей и направляет их к фокусирующей линзе 17, которая в свою очередь отображает или фокусирует их на детектор 19.
Спектрометры можно классифицировать на две категории, формирующие изображение и не формирующие изображение. Формирующий изображение спектрометр обычно принимает свет от точечного источника и отображает его в точку на детекторе. Таким точечным источником может быть наконечник или оптическое волокно. Не формирующий изображение спектрометр обычно принимает свет в виде щели и передает его в виде линии на детектор.
В рамках терминологии термин «несущий изображение свет», упомянутый выше, можно отнести к свету, принимаемому формирующим изображение или не формирующим изображение спектрометром, поскольку свет, называемый несущим изображение светом, характеризуется тем, что он несет изобразительную информацию относительно изображаемого объекта. Описываемые в этой заявке принципы проектирования могут быть реализованы в формирующих изображение и не формирующих изображение спектрометрах.
На фиг. 2А-В показано, что спектрально рассеиваемые лучи могут образовывать полосу света, в которой спектральные составляющие света распространяются с поперечным расширением. Поперечно расширенный спектр содержит лучи с длинами волн от λ(мин) до λ(макс), соответствующими ширине полосы источника света. Эта полоса света может быть спроецирована на матрицу датчиков. В показанном примере матрица представляет собой линейную матрицу 19 датчиков, которая собирает данные об изображении по существу одновременно для диапазона глубин z на месте xy нахождения объекта и поэтому обеспечивает качественную обработку и высокую скорость считывания.
Полоса света или поперечно расширенный спектр пересекает плоскость линейной матрицы датчиков на линии S с дифракционно-ограниченной шириной. На фиг. 2А показан спектрометр 10 с хорошим выравниванием, в котором поперечно расширенный спектр S (выравненный) выровнен с линейной матрицей 19 датчиков. Линейная матрица 19 датчиков может включать в себя N датчиков с s1 до sN. В типичных спектрометрах N может быть около 1000 или больше. Спектральные составляющие света должны раскладываться в M<N небольших интервалов длин волн, ширина Δλ которых определяется, среди прочего, пространственной шириной индивидуальных датчиков. Приведенные выше величины могут быть связаны с помощью приближенного соотношения МΔλ~[λ(макс)-λ(мин)].
На фиг. 2В показан типичный не выровненный спектрометр, в котором поперечно расширенный спектр пересекает плоскость линейной матрицы 19 датчиков как наклонная или повернутая линия S (не выровненная). В этом не выровненным спектрометре участок датчиков может воспринимать падающий, поперечно расширенный спектр, но значительный участок расширенного спектра полностью отсутствует на линейной матрице датчиков.
Некоторые из основных причин смещения включают в себя ограниченную точность процесса сборки. Часто установка оптических элементов включает в себя ручные этапы и операции. Диапазон положений пучка на матрице датчиков, обусловленный неточностью или ошибкой из-за неточности на ручных этапах установки, может быть порядка 100 мкм. Ошибки, обусловленные индивидуальными оптическими элементами спектрометра, могут накапливаться до суммарной ошибки порядка 1000 мкм.
Другим потенциальным источником смещения является изменение рабочих условий спектрометра. Изменения температуры могут приводить к изменениям положений оптических элементов. Механические напряжения, сдвиг и кручение корпуса всего устройства формирования изображения также могут вызывать относительное смещение или поворот оптических элементов.
На фиг. 3А-С показано существование смещений по меньшей мере трех видов. Типичное смещение из фиг. 2В может быть разложено на суперпозицию этих трех смещений.
На фиг. 3А показано угловое или поворотное смещение, характеризующееся углом α смещения между расширенным спектром S и линией линейной матрицы датчиков.
Такие угловые смещения можно минимизировать или исключать, если расширенный спектр S выравнивать относительно линейной матрицы датчиков так, чтобы даже крайние длины волн λ(мин) и λ(макс) попадали на датчики матрицы. В матрице датчиков находятся около 1000 индивидуальных датчиков или пикселов, это число пересчитывается в α меньше чем около 1/500 или 2 мрад. Точность 1-2 мрад углового выравнивания оптических элементов можно получать даже в случае, если спектрометр собирать и регулировать вручную.
На фиг. 3В показано продольное смещение, характеризующееся расширенным спектром S, имеющим хорошее угловое выравнивание относительно линейной матрицы датчиков, но длины волн спектральных составляющих сдвинуты от положения пучка на детекторе на расстояние (продольное) Δ вдоль линейной матрицы 19 датчиков. В данном случае термин «положение пучка на детекторе» отражает положение пучка на детекторе. Такое продольное смещение может быть обусловлено, например, оптическим элементом, случайно установленным в несколько сдвинутое положение. Этот сдвиг может быть причиной специфического спектра или составляющей λ (спец) длины волны, направленной к датчику, на расстоянии (продольном) λ вдоль линейной матрицы относительно датчика, номинально предназначенного для восприятия этой конкретной составляющей λ (спец) длины волны.
Такие продольные разъюстировки можно также минимизировать или исключить, например, в соответствии со следующими этапами, на которых: (а) свет с хорошо известной специфической длиной λ (спец) волны можно спроецировать на спектрометр; (b) индекс/метку/место нахождения датчика s (воспринимающего λ (спец)), которые представляют восприятие хорошо известной длины λ (спец) волны, можно зарегистрировать; (с) расстояние (продольное) Δ между датчиком s (воспринимающим λ (спец)), фактически воспринимающим специфическую длину λ (спец) волны, и датчиком s (предназначенным для λ (спец)), который номинально предназначен для восприятия этой длины λ (спец) волны, можно определить; и соответствие или таблицу преобразования между метками/местами нахождения индивидуальных датчиков s (инд) и длиной волны спектральных составляющих, обнаруживаемых ими, можно повторно прокалибровать в соответствии с этим измеренным (продольным) Δ вдоль всей матрицы 19 датчиков. В некоторых случаях для этой цели можно использовать спектральные лампы или другие источники света с известными атомными спектрами, в том числе ртутные, натриевые лампы или лампы с инертными газами.
На фиг. 3С показан расширенный спектр S с поперечным смещением, при этом расширенный спектр S или полоса света пересекает плоскость линейной матрицы 19 датчиков на расстоянии Δ (поперечном) от матрицы 19 датчиков. Поскольку протяженность линейной матрицы в поперечном направлении может быть порядка 10 мкм, а типичное расстояние, разделяющее спектрально рассеивающий элемент 15 и детектор 19, составляет порядка 0,1 м =100000 мкм, спектрально рассеивающий элемент 15 способен минимизировать или исключать поперечное смещение на Δ (поперечное), если он выравнивается с угловой точностью 10 мкм/100000 мкм =0,1 мрад.
Эта точность 0,1 мрад на порядок величины лучше, чем упомянутая ранее точность 1 мрад, при которой может исключаться угловое смещение. Такая точность 0,1 мрад обычно недоступна для спектрометров, сборка которых включает в себя ручные операции.
На фиг. 4А-В показаны различные варианты осуществления спектрометров, в которых может успешно обеспечиваться выравнивание с матрицей датчиков.
На фиг. 4А показан вариант осуществления спектрометра 100, который включает в себя спектрально рассеивающий оптический элемент 120, рычажно-оптический регулируемый дефлектор 140 и детектор или матрицу 160 датчиков.
Спектрально рассеивающий оптический элемент 120 может быть сконфигурирован для приема коллимированного, несущего изображение света и для спектрального рассеивания принимаемого, несущего изображение света. Несущий изображение свет или интерференционный пучок, составленный из отраженного, несущего изображения пучка и опорного пучка, может приниматься с расщепителя пучка спектрального оптического когерентного томографического (SD-OCT) устройства.
Хотя в этом патентном документе более подробно описываются применения, связанные со спектральными оптическими когерентными томографическими устройствами, спектрометры 100 также можно широко использовать в других оптических системах. Кроме того, спектрометр может быть формирующим изображение и не формирующим изображение.
Спектрально рассеивающий оптический элемент 120 может включать в себя призму, дифракционную решетку, оптический элемент с зависимым от длины волны свойством пропускания или оптический элемент с зависимым от длины волны свойством отклонения.
Детектор или матрица 160 датчиков может быть сконфигурирована для приема спектрально рассеянного и регулируемо отклоняемого света. Матрица 160 датчиков может включать в себя пикселы, детекторы с зарядовой связью (ДЗС) или матрицу датчиков любого другого вида, которые образуют электрические сигналы на основании обнаруживаемого света. Детектор 160 также может включать в себя двумерную матрицу датчиков и детекторную камеру.
Все оптические элементы спектрометра 100, включая матрицу 160 датчиков, могут быть соединены или закреплены на постоянной основе на неподвижных столиках. Такие соединенные конструкции гарантируют хорошую долговременную стабильность спектрометра и его характеристик. Как рассматривалось выше, даже если в спектрометрах с соединенными элементами может потребоваться направление спектра S на линейную матрицу 160 датчиков или выравнивание спектра S относительно нее вследствие механических вариаций сборочных единиц, выполнения процедур соединения и закрепления/фиксации, вносимых неточностей в процессе сборки, то можно перемещать положение пучка на детекторе больше чем на высоту или ширину пикселов линейной матрицы 160 датчиков. Как описывалось выше, возможность перемещения или смещения пучка на величину, в несколько раз превышающую ширину пиксела, значительно усложняет задачу сборки и калибровки. Суммарная ошибка и результирующее поперечное смещение на Δ (поперечное), которая накапливается в результате вариаций индивидуальных оптических элементов, может доходить до сотен микрометров, тогда как ширина индивидуальных пикселов обычно составляет только от 10 до 20 мкм, и в этом случае на первый план выдвигаются сложные задачи поперечного выравнивания спектрометра 100.
На фиг. 4А показано, что в спектрометре 100 эта конструктивная задача может быть решена включением рычажно-оптического регулируемого дефлектора 140, который может быть сконфигурирован для регулируемого отклонения спектрально рассеянного света.
Аспекты рычажно-оптического регулируемого дефлектора 140 включают в себя то, что (а) механические регулировки являются рычажными и (b) рычажная передача является оптической, а не механической.
(а) В изложенном контексте рычажная передача может относиться к дефлектору 140, преобразующему или понижающему диапазон механической регулировки в намного меньший диапазон регулировки угла отклонения пучка. Например, поворот на 360° механического регулировочного винта на держателе дефлектора 140 может быть преобразован или понижен до небольшого механического перемещения промежуточного механического столика, такого как поворот на несколько градусов медленно поворачивающейся платформы, через посредство механизма с высокими передаточными числами или другого средства. В таком случае с помощью этого промежуточного механического столика можно преобразовывать замедленное механическое перемещение в сравнимое оптическое перемещение, например, путем поворота зеркала на те же самые несколько градусов, чтобы соответственно изменять угол отклонения отклоняемого пучка.
В этих системах рычажная передача или понижение диапазона регулируется механически, большое механическое перемещение регулировочного столика преобразуется в меньшее механическое перемещение промежуточного механического столика и затем небольшое механическое перемещение промежуточного механического столика преобразуется в сравнительно небольшой диапазон оптической регулировки.
Однако при использовании механических понижающих систем, в которых применяется промежуточный механический столик, можно сталкиваться с необходимостью решать трудные задачи долговременной стабильности, поскольку понижающие винты, передаточные механизмы и рычаги могут недостаточно противостоять медленному перемещению и смещению и могут быть источником новых или дополнительных смещений.
(b) Рычажно-оптический регулируемый дефлектор 140 спектрометра 100 способен преобразовывать большие диапазоны механических регулировок в небольшие диапазоны оптических регулировок без использования понижающего/с рычажной передачей промежуточного механического столика. Исключением использования такого промежуточного механического рычажного столика можно исключить проблему медленного перемещения и смещения, что придаст спектрометру долговременную эксплуатационную стабильность и робастное выравнивание.
В некоторых вариантах осуществления отношение угла механической регулировки к оптически создаваемому изменению угла отклонения пучка может составлять 10 или больше. В других - 100 или больше, а в дальнейших других вариантах осуществления 1000 или больше.
В некоторых вариантах осуществления долговременная стабильность может быть оптимизирована путем ограничения отношения диапазона механических регулировок к диапазону оптических регулировок так, чтобы оно не превышало 1000, в других - 100 и еще в других 10.
Рычажно-оптический регулируемый дефлектор 140 может включать в себя оптический элемент со свойством регулируемого пропускания и оптический элемент со свойством регулируемого отражения.
На фиг. 4В показан другой вариант осуществления спектрометра 200. Спектрометр 200 может включать в себя спектральный рассеиватель 220, который включает в себя разлагающий спектр элемент 230 и рычажно-оптический контроллер 240 выравнивания. Спектральный рассеиватель 220 может направлять рассеянный спектр на детектор или матрицу 260 датчиков. Разлагающий спектр элемент 230 может быть аналогичен спектрально рассеивающему элементу 120, контроллер 240 выравнивания может быть аналогичен регулируемому дефлектору 140 и детектор/матрица 260 датчиков может быть аналогична матрице 160 датчиков.
На фиг. 4В показано, что разлагающий спектр элемент 230 и контроллер 240 выравнивания совместно могут образовывать выполненный за одно целое спектральный рассеиватель 220. Например, в некоторых вариантах осуществления контроллер 240 выравнивания может быть реализован между оптическими элементами спектрального рассеивателя 220.
На фиг. 5А показан конкретный вариант осуществления спектрометров из фиг. 4А-В. Спектрометр из фиг. 5А может быть формирующим изображение спектрометром, включающим в себя коллиматор 13, преобразующий несущий изображение свет в коллимированный свет, и фокусирующую линзу 17, фокусирующую и отображающую спектрально рассеянный свет на детектор/матрицу 160 датчиков.
В этой реализации рычажно-оптический регулируемый дефлектор 140 может включать в себя поворотный клин или призму 142. Поворотная клиновидная призма 142 может изменять или регулировать местоположение спектра S относительно линейной матрицы 160 датчиков и компенсировать или управлять поперечным смещением Δ (поперечной), создаваемой ошибкой из-за неточности изготовления или вариацией установки оптических элементов или возникающей вследствие изменения их рабочих условий.
Поворотный клин или клиновидная призма с небольшим наклоном/углом клина является примером рычажного или понижающего механизма, в котором не используется промежуточный понижающий механический столик, а вместо этого он преобразует большой диапазон механической регулировки непосредственно в небольшой диапазон оптической регулировки. Например, при большом механическом повороте на 360° поворотная клиновидная призма 142 может отклонять пропускаемый пучок на 1° или меньше, что зависит от угла клина, без использования промежуточного механического, замедляющего поворот столика.
На фиг. 5В показано, что в некоторых реализациях поворотный клин или клиновидную призму можно вводить на различных участках оптического пути, например, клин 142-1 между коллиматором 13 и спектрально рассеивающим элементом 120; или клин 142-2 между спектрально рассеивающим элементом 120 и фокусирующей линзой 17; или клин 142-3 между фокусирующей линзой 17 и детектором 160. В других реализациях могут быть введены два или даже все три клина 142-1, 142-2 и 142-3. Эти варианты осуществления, в которых поворотный клин расположен между элементами спектрального рассеивателя 220, можно рассматривать как реализации спектрометра 200 из фиг. 4В. Право располагать поворотный клин 142 на различных участках оптического пути позволяет оптимизировать конструкцию для удовлетворения требований в части протяженности и линейного перемещения спектра.
На фиг. 6 показано, что поворот клиновидной призмы 142 может приводить к круговому перемещению поперечно расширенного спектра S. Анализ оптической схемы показывает, что концевые точки спектра S, соответствующие минимальной длине λ(мин) волны и максимальной длине λ(макс), перемещаются по окружностям, обозначенным С(мин) и С(макс). Два внешних поперечных положения спектров S1 и S2 и соответственно окружности С(мин) и С(макс) могут быть асимметричными относительно линейной матрицы 160 датчиков.
Первый диапазон Δ (поперечный, дефлектора) положений пучка на детекторе указывает на максимальную величину или диапазон поперечного смешения, обусловленного и регулируемого поворотной клиновидной призмой 142 и в общем случае регулируемым дефлектором 140 или контроллером 240. В некоторых типичных реализациях этот первый диапазон Δ (поперечный, дефлектора) положений пучка на детекторе может превышать второй диапазон Δ (поперечный, суммарный) положений пучка на детекторе, поперечный диапазон положений пучка в плоскости детектора 160, связанный с суммарным пределом допусков на компоненты спектрометра 100 или 200.
Как рассматривалось ранее, Δ (поперечный, суммарный) может возникать по двум причинам. Одной из причин может быть вариация или ошибка из-за неточности положений индивидуальных элементов спектрометра, возникающая во время процесса сборки, который включает в себя ручные операции. Другой причиной может быть изменение рабочих параметров, таких как рабочая температура спектрометра, или механические деформации и амортизация.
Очевидно, что поворотом поворотного клина 142 из фиг. 5А или в общем случае регулировкой регулируемого дефлектора 140 из фиг. 4А-В можно отрегулировать дефлектор 140 для компенсации суммарного смещения, обусловленного вариациями или ошибкой из-за неточности сборки оптических элементов, и переместить спектр S обратно на линейную матрицу 160 датчиков, если только Δ (поперечное, дефлектора) больше, чем Δ (поперечное, суммарное).
Аналогичным образом, если Δ (поперечное, дефлектора) больше, чем Δ (поперечное, рабочее), то есть диапазона поперечных смещений, создаваемых при изменении рабочих параметров спектрометра 100 или 200, то регулировкой регулируемого дефлектора 140 можно компенсировать смещения, создаваемые этими изменениями рабочих параметров. Примеры таких изменений рабочих параметров включают в себя изменения рабочих температур, медленное изменение положений оптических элементов вследствие постоянной амортизации спектрометра, связанной с систематическим применением, и изменение условий эксплуатации, например, при изменении положения, перемещении или даже переустановки спектрометра.
Другое преимущество от применения регулируемого дефлектора 140 с оптическим рычагом заключается в том, что спектрометр 100 или 200 гарантированно остается выровненным и в рабочем положении в течение длительного периода, поскольку оптическое выравнивание тонкой клиновидной призмы 142 с небольшим углом клина не чувствительно к перемещению или наклону клина 142. Когда клиновидная призма 142 помещена на пути пучка по существу перпендикулярно к распространению оптического пучка, только поворот или угловое смещение клина 142 вокруг оптической оси влияет на положение спектра S относительно линейной матрицы 160 датчиков. Параметры регулируемого дефлектора 140 можно выбрать так, что он будет обеспечивать управление угловым смещением в пределах 0,1 мрад. При таком исполнении регулируемый дефлектор 140 может направлять поперечно расширенный спектр S на линейную матрицу 160 датчиков, и вместе с тем даже значительные угловые смещения дефлектора 140 не будут оказывать отрицательного влияния на угловое смещение, поскольку угловое смещение имеет допуск порядка 1 мрад. Поэтому после установки клиновидной призмы на регулируемый столик, такой как поворотная рамка, и фиксации ее поперечное смещение оптимизируется, при этом обеспечивается точная регулировка спектрометра 100 или 200 без нарушения или исключения долговременной стабильности спектрометра 100 или 200.
В некоторых реализациях спектрометров 100 и 200 также можно минимизировать оптическое искажение конструкции путем применения клиновидной призмы 142 с небольшим углом клина и небольшой толщины.
В некоторых реализациях спектрометров 100 и 200 эксплуатационное смещение пучка, обусловленное регулируемым дефлектором 140, может быть меньше, чем допуск на смещение детектора 160.
В некоторых реализациях спектрометров 100 и 200 регулируемый дефлектор может быть сконфигурирован для компенсации поперечного смещения спектрально рассеянного света без внесения углового смещения, превышающего отношение размеров детектора.
Хотя описание содержит большое количество специфических подробностей, они не должны толковаться как ограничения объема изобретения и возможных притязаний, а как характеристика признаков, специфических для конкретных вариантов осуществлений. Некоторые признаки, которые рассмотрены в этом описании в контексте отдельных вариантов осуществлений, в сочетании могут быть реализованы в одном варианте осуществления. И наоборот, различные признаки, которые рассмотрены в контексте одного варианта осуществления, могут быть реализованы во многих вариантах осуществления отдельно или в любой подходящей подкомбинации. Кроме того, хотя выше признаки могли быть описаны как включенные в определенные подкомбинации или даже как первоначально заявленные, в некоторых случаях один или несколько признаков из заявленной комбинации могут быть удалены из комбинации, а заявленная комбинация может быть направлена на подкомбинацию или вариацию подкомбинации.