СПЕКТРОМЕТР, СОДЕРЖАЩИЙ ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ МОДУЛЯТОР СВЕТА
SPECTROMETER, HAVING SPATIAL LIGHT MODULATOR

[0001] Настоящее изобретение относится к спектрометру, содержащему пространственный модулятор света (SLM), например, цифровое микрозеркальное устройство (DMD).
[0002] Спектрометры используются при анализе изменений интенсивности оптического излучения в зависимости от длины волны от ультрафиолетовой до инфракрасной областей спектра. Как правило, в этих спектрометрах используется дисперсионный элемент, такой как призма или дифракционная решетка, для рассеивания падающего оптического излучения по длине волны в предпочтительной плоскости дисперсии. Предусмотрено входное устройство, содержащее входную полевую диафрагму, как правило, входную щель, действующую в качестве полосового ограничителя для оптического излучения, которое должно падать на дисперсионный элемент. Эта полевая диафрагма по существу определяет оптическое разрешение и пропускную способность спектрометра.
[0003] Как хорошо известно, дисперсионный элемент может перемещаться, как правило, вращаться вокруг оси, перпендикулярной к плоскости дисперсии, для прохождения отдельных длин волн исследуемой области длины волны рассеянного оптического излучения последовательно над выходным устройством, которое может быть детектором, выходной щелью или другим коллектором оптического излучения. Это устанавливает существенные требования по точности к механической системе, используемой для осуществления перемещения дисперсионного элемента, часто являющегося тяжелым, и известно, что такие системы подвержены внешним механическим воздействиям и износу.
[0004] Одним известным решением данной проблемы является предоставление спектрометра, имеющего неподвижный дисперсионный элемент и содержащего матрицу детекторов из элементов с отдельной адресацией вместо одного детектора, как правило, используемого в сочетании с подвижным дисперсионным элементом. Работа неподвижного дисперсионного элемента заключается в рассеивании исследуемой области длины волны, которая распределена по длине волны, через элементы матрицы детекторов в плоскости дисперсии. Однако обнаружение сигнала требует сложной и относительно дорогостоящей электроники и сами матрицы детекторов являются относительно дорогостоящими, в частности матрицы детекторов, подходящие для обнаружения длин волн в инфракрасной области.
[0005] Кроме того, спектрометры, которые содержат SLM, известные, например, из документа US5504575, который принадлежит компании Texas Instruments Incorporated, предназначены для решения проблем, связанных как с механическим перемещением дисперсионного элемента, так и использованием матрицы детекторов. В соответствии с известным SLM спектрометром предусмотрено входное устройство, посредством которого освещается неподвижная призма, решетка или элемент для волновой дисперсии другого типа, как правило, имеющий предпочтительную плоскость дисперсии. SLM, такой как DMD, магнитооптический модулятор или жидкокристаллическое устройство, предусмотрен для приема распределенной по длине волны по его активной поверхности всей исследуемой области длины волны, рассеянной в предпочтительной плоскости дисперсии посредством дисперсионного элемента. Путем активации (или деактивации) небольших частей (например, ячеек) его активной поверхности SLM функционирует для выборочного направления части длины волны принятой исследуемой области длины волны к выходному устройству. Посредством соответствующей активации и деактивации отдельных ячеек или групп ячеек (как правило, групп ячеек в направлении, перпендикулярном плоскости дисперсии, т.е. столбцов) на выходное устройство могут быть предоставлены различные узкие диапазоны длин волн принятой исследуемой области длины волны. Таким образом, вся исследуемая область длины волны может проходить последовательно через выходное устройство и может быть использован один детекторный элемент.
[0006] Проблема, связанная с известным SLM спектрометром, заключается в том, что SLM элемент должен быть существенно больше, чтобы вся исследуемая область длины волны в рассеянном спектре падала на его активную поверхность без снижения разрешения или световой отдачи. В частности, при использовании DMD устройства в качестве SLM, существует тенденция к введению меньших, менее дорогих устройств, при этом в результате данной тенденции происходит вывод из эксплуатации более больших или, по меньшей мере, более дорогих устройств. Использование нескольких SLM элементов, расположенных так, чтобы вместе принимать всю исследуемую область длины волны, также требует значительных затрат.
[0007] Целью настоящего изобретения является, по меньшей мере, уменьшение вышеуказанной проблемы, связанной с SLM спектрометром. Соответственно, первый аспект настоящего изобретения предусматривает спектрометр, содержащий входное устройство для оптического излучения; дисперсионный элемент для рассеивания падающего оптического излучения от входного устройства по длине волны; выходное устройство и пространственный модулятор света (SLM), такой как DMD, расположенный для приема области длины волны оптического излучения, которая рассеивается посредством дисперсионного элемента, и функционирующий для выборочного направления частей длины волны принятой области длины волны для приема на выходном устройстве; при этом входное устройство приспособлено для предоставления нескольких входных полевых диафрагм, посредством которых дисперсионный элемент освещается при использовании, и каждая из которых расположена для создания различных, возможно перекрывающихся, областей длины волны на SLM. Количество и расположение входных полевых диафрагм может быть выбрано так, что их объединенные вместе различные области длины волны обеспечивают исследуемую область длины волны на SLM, которая больше, чем любая из отдельных областей длины волны. Путем использования нескольких входных полевых диафрагм можно объединить несколько различных областей спектра в одном SLM и, таким образом, получить небольшой SLM, функционирующий, как больший SLM. Таким образом, расширенный спектр длины волны на выходном устройстве может быть создан посредством подходящей комбинации отдельных областей длины волны без необходимости в увеличении физического размера SLM.
[0008] В одном варианте осуществления предусмотрено несколько источников оптического излучения, каждый из которых предусмотрен для освещения дисперсионного элемента через соответствующую другую входную апертуру, действующую как входная полевая диафрагма. Каждый из нескольких источников предназначен для создания оптического излучения, имеющего диапазон длины волны по существу такой же, что и у области длины волны в SLM, созданного его соответствующей апертурой. Таким образом, спектрометр может быть изготовленным более энергосберегающим, поскольку, по существу, вся энергия, созданная источником, предоставляется на SLM.
[0009] Эти и другие преимущества изобретения станут более понятны при рассмотрении следующего описания примерных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых: на фиг. 1 изображена функциональная блок-схема SLM спектрометра согласно настоящему изобретению; на фиг. 2 изображен вариант осуществления SLM спектрометра, изображенного в целом на фиг. 1, с мультиплексированием с временным разделением; на фиг. 3 изображен вариант осуществления SLM спектрометра, изображенного в целом на фиг. 1, с мультиплексированием с пространственным разделением; и на фиг. 4 изображен второй вариант осуществления SLM спектрометра, изображенного в целом на фиг. 1, с мультиплексированием с временным разделением.
[0010] Со ссылкой теперь на фиг. 1, спектрометр согласно настоящему изобретению 2 содержит входное устройство 4, имеющее несколько входных полевых диафрагм, посредством каждой из которых один дисперсионный элемент 6 может быть освещен оптическим излучением 8. Оптическое излучение 8 необязательно создается посредством источника 10 оптического излучения или может излучаться из рассматриваемого материала образца в зависимости от предполагаемого использования спектрометра 2. Входное устройство 4 может, в качестве примера и без ограничения, содержать несколько отдельных входных апертур, одну подвижную входную апертуру или LCD экран, или другое второе SLM устройство, элементы которого поддаются управлению с целью моделирования физических входных апертур, как будет описано более подробно ниже.
[0011] Дисперсионный элемент 6, который может, в качестве примера и без ограничения, быть призмой, пропускающей или отражательной дифракционной решеткой, предусмотрен для рассеивания по длине волны падающего оптического излучения, которое проходит к нему посредством входных полевых диафрагм входного устройства 4. Пространственный модулятор (SLM) 12 света расположен для приема, по меньшей мере, части рассеянного оптического излучения, распределенного по длине волны по активной поверхности 14. SLM 12 является известной конструкцией, которая представляет собой либо отражательное, либо пропускающее устройство, с активной поверхностью 14, содержащей массив из отдельно регулируемых элементов, расположенных столбцами так, что различные столбцы массива будут принимать длину волны или узкий диапазон длин волн, которые были рассеяны под разными углами посредством дисперсионного элемента 6.
[0012] Выходное устройство 16, которое может быть, в качестве примера и без ограничения, выходным отверстием, концом оптоволоконного кабеля, детектором или другим светособирателем, предусмотрено для приема оптического излучения, направляющегося к нему посредством соответствующего функционирования элементов активной поверхности 14 SLM 12. Контроллер 18 предназначен для управления известным образом работой SLM 12 и необязательно входного устройства 4 и источника 10 излучения.
[0013] Спектрометр 2 был описан выше при помощи элементов функциональной блок-схемы, и следует понимать, что любой один или несколько этих элементов могут содержать один или несколько отдельных блоков, функционально соединенных для обеспечения описанной функциональности. Дополнительно, также следует понимать, что другие оптические компоненты, такие как зеркала, фокусировочная и/или коллимирующая оптика, могут быть включены в спектрометр 2, но они не являются существенными для понимания настоящего изобретения и поэтому не указаны в вышеприведенном общем описании спектрометра 2 согласно настоящему изобретению.
[0014] Со ссылкой теперь на фиг. 2, изображен вариант 20 осуществления спектрометра 2 по фиг. 1 согласно настоящему изобретению, сконфигурированный для операции мультиплексирования с временным разделением. Вогнутая фокусирующая отражательная дифракционная решетка 22 для получения изображения в плоском поле при использовании освещается посредством входного устройства 24 с несколькими апертурами, которое образовано из нескольких (показаны две) входных полевых диафрагм, в данном случае физических входных щелей С, D. Дифракционная решетка 22 генерирует изображение щелей С, D, которое рассеивается по составляющей длины волны через SLM в виде DMD 26, активная поверхность 14 (обращенная к решетке 22) которого содержит, как хорошо известно в уровне техники, антенную систему зеркал, которые взаимодействуют для образования столбцов, описанных выше со ссылкой на фиг. 1.
C
D
[0015] DMD 26 выполнено с возможностью выборочного направления частей области длины падающей волны к оптоволоконному выходному устройству 28. Предусмотрен источник 10 оптического излучения, который в данном варианте осуществления содержит несколько (показаны два) оптических источников S, S с отдельным подводом энергии, каждый из которых связан с соответствующей одной из нескольких входных щелей С, D и который, в одном варианте осуществления, может быть предназначен для создания оптического излучения только в области длины волны, по существу соответствующей области, рассеянной по DMD 26. В других вариантах осуществления источник 10 может содержать один широкополосный источник излучения для освещения всех входных полевых диафрагм.
C
D
[0016] Контроллер (не показан, но см. элемент 18 на фиг. 1) предусмотрен для выборочного включения каждого источника S, S, по очереди, как будет описано более подробно ниже.
[0017] Особенностью решетки является рассеивание оптического излучения по длине волны в предпочтительной плоскости. Угол рассеивания β для данной длины волны λ пропорционален его углу падения α на решетку (углы измерены относительно нормали решетки n) согласно хорошо известной «формуле решетки»: sin(α)+sin(β)=rλ/d (1), где r - порядковый номер рассеивания, и d - расстояние между канавками. Это означает, что для любой данной длины волны угол рассеивания β для конкретного порядка r будет зависеть от угла падения α.
[0018] Фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 представлены таким образом, что этой предпочтительной плоскостью является плоскость X-Y системы координат X-Y-Z, изображенной на фигурах. Следующее описание относится к углам и смещениям в этой предпочтительной плоскости или спроецированных на эту плоскость. Для упрощения описания, сначала линию, перпендикулярную к поверхности решетки в центре решетки, определяют как нормаль решетки n, расположенную в предпочтительной плоскости. Затем при помощи выбранной нормали решетки углы, отходящие от нормали решетки n, определяют в качестве углов вращения относительно точки Р, находящейся на пересечении нормали решетки и поверхности решетки.
C
D
MIN
MAX
[0019] Рассматривая теперь спектрометр 20 по фиг. 2 более подробно, в показанном варианте осуществления каждый из источников S, S оптического излучения приспособлен для создания оптического излучения в том же диапазоне длины волны, проходящем между минимальной длиной волны λ и максимальной длиной волны λ. Весь этот диапазон длины волны в данном варианте осуществления образует исследуемую область длины волны Δλ, которая должна быть использована при исследованиях с использованием спектрометра 20.
C
C
D
C
C
MAX
CMAX
CMAX
MIN
CMIN
CMIN
D
D
D
C
MAX
DMAX
MIN
DMIN
[0020] Каждый источник, например S, приспособлен для полного освещения своей соответствующей входной щели, например С. Предпочтительно каждый источник S, S может, например, состоять из линейной матрицы из LED, проходящих по длине щели в направлении, перпендикулярном к предпочтительной плоскости. Свет из соответствующей входной щели, например С, следует по световому пути L для падения на поверхность дисперсионного элемента, в данном случае - вогнутой дифракционной решетки 22, под углом падения α, под которым он должен быть преломлен в зависимости от длины волны в направлении DMD 26 и освещать, по существу, весь соответствующий столбец. Свет с максимальной длиной волны λ будет рассеиваться под углом β вдоль светового пути L, в то время как свет с минимальной длиной волны λ будет рассеиваться под углом β вдоль светового пути L. Аналогично свет из соответствующей входной щели S будет следовать по световому пути L (показан штриховой линией на фиг. 2) для падения на поверхность решетки 22 под углом падения α, который отличается от угла падения α для света из щели С. Исходя из уравнения (1можно увидеть, что свет с той же длиной волны из щели D, таким образом, будет рассеиваться под другим углом β, так что свет с максимальной длиной волны λ будет рассеиваться с прохождением по световому пути L, в то время как свет с минимальной длиной волны λ будет рассеиваться с прохождением по световому пути L (как показано штриховой линией на фиг. 2).
C1
C2
D1
D2
C
D
[0021] DMD 26 расположен в предпочтительной плоскости для приема на своей активной поверхности 14 диапазона длины волны λ-λ в пределах общего спектра, который рассеивается из света, проходящего через входную щель С, и диапазона длины волны λ-λ в пределах общего спектра, который рассеивается из света, проходящего через входную щель D. Поскольку углы падения α, α света из соответствующих щелей С, D отличаются, то, как было описано выше, диапазон длины волны, связанный с каждой щелью С, D, которая падает в DMD 26, будет разным.
C1
C2
D1
D2
D2
MIN
C1
MAX
[0022] В случае использования DMD 26 и решетки 22 с относительно неизменяемой геометрией положения входных щелей С, D могут быть выбраны для обеспечения углов падения таким образом, что (рассматривая уравнение (1)) диапазоны длин волн λ-λ и λ-λ объединяются для предоставления исследуемой области длины волны Δλ. В данном варианте осуществления расположение входных щелей С, D, решетки 22 и DMD 26 является таким, чтобы обеспечить отношение λ=λ и λ=λ.
C
D
C
C1
C2
C
[0023] Предпочтительно в одной конфигурации варианта осуществления настоящего изобретения согласно фиг. 2 каждый источник S, S предназначен для предоставления выходного устройства, имеющего составляющие длины волны только с соответствующими диапазонами длин волн, которые должны быть приняты на активной поверхности DMD 26. Таким образом, например, источник S генерирует длины волн только в диапазоне λ-λ. Это может быть достигнуто посредством подходящего выбора LED в качестве источника S и имеет преимущество, заключающееся в том, что отсутствуют потери энергии при генерировании длин волн, которые не используются в спектрометре 20 и которые могут вызывать нежелательные сигналы фона.
C
D
C1
C2
D1
D2
[0024] В данном варианте осуществления спектрометра 20, который в общем обозначен позицией 2 на фиг. 1, контроллер 18 (не показан на фиг. 2) приспособлен для включения каждого источника S, S отдельно и без перекрытия для освещения DMD 26 посредством решетки 22 отдельно через каждую входную щель С, D для предоставления уплотненного сигнала с временным разделением в DMD 26. Кроме того, контроллер 18 дополнительно приспособлен для управления работой активной поверхности 14 DMD 22 для сканирования диапазонов длин волн λ-λ и λ-λ по очереди над оптоволоконным выходным устройством 28 путем, в данном варианте осуществления, управления зеркальными элементами поверхности 14 по столбцам через ряды DMD 22.
[0025] В альтернативной конфигурации варианта осуществления согласно фиг. 2 оптический источник 10 может быть одним широкополосным источником, который при использовании непрерывно снабжается энергией, и каждая полевая диафрагма С, D входной щели может быть выборочно закрыта таким образом, что решетка 22 освещается посредством только одной входной щели за раз.
C
D
[0026] В дополнительной конфигурации варианта осуществления согласно фиг. 2 контроллер 18 приспособлен для управления источниками S, S одновременно с различными рабочими частотами для освещения DMD 26 посредством решетки 22 одновременно через каждую входную щель С, D для предоставления уплотненного сигнала с частотным разделением в DMD 26.
[0027] Со ссылкой теперь на фиг. 3, изображен вариант 30 осуществления спектрометра 2 по фиг. 1 согласно настоящему изобретению, сконфигурированный для операции мультиплексирования с пространственным разделением. Для упрощения понимания спектрометр 30 на фиг. 3 изображен в целом с таким же геометрическим расположением вогнутой фокусировочной отражательной решетки 32 и SLM в форме DMD 34, как и спектрометр 20 на фиг. 2.
[0028] Отличие от фиг. 2 заключается в конфигурации входного устройства 36 с несколькими апертурами. Это входное устройство 36 выполнено из нескольких (две показаны) входных полевых диафрагм, в данном случае физических входных щелей, таких как Е, F, которые смещены друг от друга не только в предпочтительной плоскости, но также в плоскости, определяющей длину щели, перпендикулярной к предпочтительной плоскости, и каждая щель имеет меньшую длину, чему требуется для освещения по существу всего столбца активной поверхности 14 DMD 34.
E
F
E
F
E
F
E1
E2
F1
F2,
[0029] Как и входные щели С, D варианта осуществления спектрометра 20 на фиг. 2, каждая из входных щелей Е, F данного варианта осуществления при освещении соответствующими источниками S, S обеспечивает соответствующие световые пути L, L, которые имеют различные углы падения α, α на решетку 32. Исходя из вышеуказанного описания относительно фиг. 2, следует понимать, что это приведет к различным соответствующим диапазонам длин волн λ-λ и λ-λ соответственно рассеянным по столбцам активной поверхности 14 (не показаны) DMD 34.
E
F
[0030] В отличие от входных щелей С, D варианта осуществления спектрометра 20 на фиг. 2, входные щели Е, F данного варианта осуществления смещены друг от друга так, что свет, проходящий через соответствующую щель и отраженный под тем же углом дифракции β освещает разные, предпочтительно не перекрывающиеся, участки R, R, предпочтительно отдельно управляемые участки, одного столбца DMD 34.
E
F
E1
E2
F1
F2
E
F
[0031] В данном варианте осуществления спектрометра 30, который в общем обозначен позицией 2 на фиг. 1, контроллер 18 (не показан на фиг. 3) приспособлен для подачи питания на каждый источник S, S одновременно, тем самым осуществляется освещение DMD 34 посредством решетки 32 через каждую входную щель Е, F одновременно для предоставления уплотненного сигнала с пространственным разнесением в DMD 34. Кроме того, контроллер 18 дополнительно приспособлен для управления работой активной поверхности DMD 34 для сканирования диапазонов длин волн λ-λ и λ-λ по очереди над выходной апертурой 38. Следует понимать, что источники S, S могут быть включены по отдельности и без перекрывания для освещения каждой области столбца DMD 34 по очереди без отхода от сущности заявляемого изобретения.
E
F
[0032] Предпочтительно в данном варианте осуществления источники S, S света могут содержать широкополосные лазеры, такие как SLED.
[0033] Со ссылкой теперь на фиг. 4 изображен вариант 40 осуществления спектрометра 2 по фиг. 1, сконфигурированный для операции мультиплексирования с временным разделением аналогичной операции, описанной со ссылкой на вариант осуществления по фиг. 2. В данном варианте 40 осуществления дисперсионный элемент 42 пропускающей дифракционной решетки расположен для освещения посредством входного устройства с несколькими полевыми диафрагмами в виде первого DMD устройства 44. Второй DMD 50 расположен для приема по его активной поверхности 14 (обращенной к дисперсионному элементу 42) оптического излучения, которое рассеяно по длине волны посредством дисперсионного элемента 42 и управляется, в данном случае при помощи контроллера 18, для выборочного направления частей длины волны падающего оптического излучения к выходному отверстию, в данном случае в виде оптического волокна 52. Таким образом, вся область длины волны оптического излучения, падающего на второй DMD 50, может проходить через выходное отверстие 52.
[0034] Первое DMD устройство 44 снабжено активной поверхностью 46, которая содержит антенную систему из отдельно управляемых микрозеркал, изображенных в виде элемента 48. Контроллер 18 в данном случае сконфигурирован для управления работой отдельных микрозеркальных элементов 48 по столбцам для переключения между положением, в котором все зеркала конкретного столбца отражают свет в направлении дифракционного элемента 42, и положением, в котором те же зеркала не отражают свет в направлении дифракционного элемента 42. Таким образом, отдельные столбцы микрозеркал могут быть выполнены для образования нескольких входных полевых диафрагм С′, D′, которые могут имитировать работу физических входных щелей С, D по фиг. 2.
C′
MAX
C′MAX
C′MIN
C′MIN
D′
MAX
D′MIX
D′MIX
[0035] Оптическое излучение от источника, в данном случае оптического волокна 54, предназначено для освещения активной поверхности 46 первого DMD 44. Соответствующим образом включенный столбец, например С, из микрозеркальных элементов направляет падающее оптическое излучение для следования по световому пути L через коллимирующую линзу 56, например, для падения на дисперсионный элемент 42 пропускающей дифракционной решетки. Работа дисперсионного элемента 42 заключается в рассеивании оптического излучения, переданного через него, в зависимости от длины волны в направлении второго DMD 50. Аналогично спектрометру 20 по фиг. 2 свет с максимальной длиной волны λ будет рассеиваться для следования по световому пути L, например, через фокусирующую линзу 58, в то время как свет с минимальной длиной волны L будет рассеиваться для следования по световому пути L. Аналогично, при соответствующем включении столбец D′ из микрозеркал будет отражать падающее оптическое излучение из оптического волокна 54 для следования по световому пути L через коллимирующую линзу 56, например, для падения на дисперсионный элемент 42 пропускающей дифракционной решетки под углом падения, отличающимся от угла, соответствующего свету, отраженному любым другим столбцом (например, столбцом С′). Поскольку углы падения оптического излучения, отраженного от столбцов D′ и С′, различны, то согласно уравнению (1) их углы рассеивания будут разными. Свет с максимальной длиной волны λ будет рассеиваться для следования по световому пути L, например, через фокусирующую линзу 58, в то время как свет с минимальной длиной волны λmin будет рассеиваться для следования по световому пути L.
C′1
C′2
D′1
D′2
D′2
MIN
C′1
МАХ
[0036] Как и в спектрометре 20 по фиг. 2, в данном варианте осуществления спектрометра 40 со вторым DMD 50 и решеткой 42 с относительно неизменяемой геометрией положение первого DMD 44 и, следовательно, тех входных полевых диафрагм С′, D′, может быть выбрано для обеспечения углов падения таким образом, что (рассматривая уравнение (1)) диапазоны длин волн λ-λ и λ-λ объединяются для предоставления исследуемой области длины волны АХ. В данном варианте осуществления расположение первого DMD 44, решетки 42 и второго DMD 50 является таким, чтобы обеспечить отношение λ=λ и λ=λ.
[0037] В других вариантах осуществления с использованием первого DMD 44 для предоставления нескольких входных полевых диафрагм контроллер 18 может быть соответственно приспособлен для активации различных столбцов из микрозеркал с различными частотами и/или для активации различных групп микрозеркал в различных столбцах для имитации входных апертур, которые смещены друг от друга не только по активной поверхности 46 (т.е. различные столбцы), но которые также смещены друг от друга в направлении, перпендикулярном к предпочтительной плоскости (т.е. вдоль столбца). Таким образом, операция мультиплексирования с временным, частотным и/или пространственным разнесением может быть обеспечена посредством одного универсального спектрометра.