本公開涉及光學部件，并且特別涉及光學濾波器和分光計。

背景

光學濾波器用于選擇射入光的光譜帶或光譜分量。例如，高通濾波器選擇波長長于該濾波器的邊緣波長(edge wavelength)的光。相反，低通濾波器選擇波長短于臨界波長的光。帶通濾波器是不同類型的濾波器，其選擇波長接近濾波器的在該濾波器的帶寬范圍內(nèi)的中心波長的光?？烧{(diào)諧的帶通濾波器是光學濾波器，該可調(diào)諧的帶通濾波器的中心波長可被調(diào)整或調(diào)諧。

分光計測量射入光的光譜。掃描型分光計可使用一個或多個可調(diào)諧的帶通濾波器來選擇射入光的不同光譜分量。掃描型分光計通過掃描可調(diào)諧的帶通濾波器的中心波長運行，以便獲取光譜。可替換地，多色型分光計使用光學地耦合到檢測器陣列的波長分散元件，以便并行檢測光譜。然而，傳統(tǒng)的光學濾波器和分光計通常是大且笨重的，使得在便攜式設備和應用中使用它們成為挑戰(zhàn)。

鑒于前述內(nèi)容，可理解，可能存在與光學濾波器和分光計的當前解決方案和技術(shù)相關聯(lián)的重要問題和缺點。

概述

根據(jù)本公開，兩個或多個橫向可變帶通濾波器(two or more laterally variable bandpass filter)可以彼此相距固定距離被堆疊，以降低對碰撞光束準直的要求，或甚至完全緩解錐形光管或其他光準直元件的需要。當兩個橫向可變帶通濾波器堆疊在一起時，上游濾波器可起到用于下游濾波器的空間濾波器的作用。這發(fā)生是因為由上游濾波器傳輸?shù)膬A斜光束在碰撞在下游濾波器上時被橫向地位移。橫向的位移可導致傾斜光束的抑制，因為上游濾波器和下游濾波器的透射波長在上游濾波器和下游濾波器上的光束碰撞位置不重疊時可能不重疊，導致傾斜光束的抑制。由于該影響，光學濾波器的光譜選擇性對照到上游濾波器的射入光束的準直度的依賴性(dependence)可能降低。

根據(jù)本公開的方面，提供了光學濾波器，其包括上游橫向可變帶通光學濾波器和下游橫向可變帶通光學濾波器。下游橫向可變帶通光學濾波器被順序地布置在上游可變帶通光學濾波器的下游，并且沿著光束的光路被分離開距離L。上游橫向可變帶通光學濾波器和下游橫向可變帶通光學濾波器各具有帶通中心波長，該帶通中心波長沿著橫向于光路的共同的第一方向以互相配合的方式逐漸變化。光學濾波器的光譜選擇性對光束的準直度的依賴性低于下游橫向可變帶通光學濾波器的光譜選擇性對光束的準直度的相應的依賴性。

在一個示例性實施例中，上游濾波器和下游濾波器的中心波長在第一方向上單調(diào)增加，例如線性或非線性增加。上游濾波器和下游濾波器的中心波長可以但不必在沿著第一方向的x坐標上具有帶通中心波長的大體上相同的依賴關系。

根據(jù)本公開，還提供了光學分光計，該光學分光計包括以上的光學濾波器和在下游橫向可變帶通光學濾波器下游布置在光路中的光學傳感器。光學傳感器可包括光電檢測器陣列。為了更好的光譜選擇性，下游橫向可變帶通光學濾波器可與光電檢測器陣列接觸。

根據(jù)本公開的另一方面，還提供了用于獲取沿著光路傳播的光束的光譜的方法，該方法包括：用光學濾波器過濾光束，該光學濾波器包括上游橫向可變帶通光學濾波器和下游橫向可變帶通光學濾波器，其中該下游橫向可變帶通光學濾波器被順序地布置在上游可變帶通光學濾波器的下游，并且沿著光束的光路分離開距離L，其中上游橫向可變帶通光學濾波器和下游橫向可變帶通光學濾波器各具有帶通中心波長，該帶通中心波長沿著橫向于光路的共同的第一方向以互相配合的方式逐漸變化，并且其中光學濾波器的光譜選擇性對光束的準直度的依賴性低于下游橫向可變帶通光學濾波器的光譜選擇性對光束準直度的相應依賴性；以及在下游濾波器的下游沿著第一方向檢測光功率分布。

附圖簡述

現(xiàn)在將連同附圖一起描述示例性實施例，在附圖中：

圖1A圖示了傳統(tǒng)的線性可變?yōu)V波器；

圖1B圖示了基于圖1A的線性可變?yōu)V波器的傳統(tǒng)的光學分光計；

圖2A圖示了根據(jù)本公開的光學濾波器，包括一對橫向可變帶通濾波器；

圖2B圖示了圖2A的橫向可變帶通濾波器的中心波長依賴性；

圖2C是圖2A的光學濾波器的側(cè)部示意圖，圖示了通過光學濾波器進行空間濾波的原理；

圖3以顯示光學濾波器的接收角的側(cè)部橫截面視圖圖示了圖2A的光學濾波器；

圖4A到圖4E圖示了圖2A和圖3的光學濾波器的各種實施例的示意側(cè)視圖；

圖5A到圖5C圖示了本公開的光學濾波器的各種實施例的三維視圖；

圖6A圖示了分光計的示意橫截面?zhèn)纫晥D，該分光計包括光電檢測器陣列以及圖2A、圖3、圖4A到圖4E或圖5A到圖5C的光學濾波器；

圖6B圖示了密封的分光計的示意橫截面?zhèn)纫晥D，該密封的分光計包括圖2A、圖3、圖4D或圖5A到圖5C的光學濾波器；

圖7A到圖7D圖示了圖6A的分光計的各種實施例的部分橫截面?zhèn)纫晥D，示出了下游濾波器在光電檢測器陣列上的安裝構(gòu)型；

圖8A圖示了具有偏斜的二維(2D)檢測器陣列的分光計實施例的平面視圖；

圖8B圖示了在圖8A的2D檢測器陣列的不同行像素上的光功率密度分布；

圖8C圖示了本公開的多光譜分光計實施例的分解視圖；

圖9A和圖9B分別圖示了圖2A、圖3和圖4B的光學濾波器的光線跟蹤模型的三維視圖和側(cè)視圖；

圖10圖示了在不同的數(shù)值孔徑和在上游濾波器與下游濾波器之間不同的距離下的圖9A、圖9B的光線跟蹤模型的模擬光功率分布的疊加的視圖；

圖11A、圖11B和圖11C分別圖示了在1.0μm、1.3μm和1.6μm波長下的模擬檢測光譜；

圖12圖示了模擬的雙線光譜，顯示了圖2A、圖3A-圖3B和圖4B的模擬光學濾波器的分辨能力；

圖13圖示了具有圖2A的光學濾波器的模擬分光計的多波長光譜，其通過與具有錐形光管準直器和線性可變?yōu)V波器的模擬分光計的多波長光譜進行比較而示出；

圖14圖示了多波長光源的模擬光譜，其通過具有處于不同值的濾波器間距離L的圖2A的光學濾波器的分光計獲??；

圖15A和圖15B圖示了圖6A的分光計的平面視圖(圖15B)；

圖16圖示了用圖15A和圖15B的分光計測量的單色光譜；以及

圖17圖示了用圖15A、圖15B的分光計測量的摻雜玻璃樣本的光學透射光譜并且與用標準MicroNIR^TM分光計測量的摻雜玻璃樣本的透射光譜相比較。

詳細描述

雖然連同各種實施例和示例描述本教導，但是不旨在將本教導限于這樣的實施例。相反，本領域中的這些技術(shù)人員應認識到的是，本教導包含各種替換物和等價物。

如以上所討論的，傳統(tǒng)的光學濾波器和分光計是大且笨重的，這限制了它們在便攜式光傳感設備和應用中的適用性。線性可變?yōu)V波器已經(jīng)被用在分光計中來提供波長分離功能。參考圖1A，傳統(tǒng)的線性可變?yōu)V波器10可以用白光照射，該白光包括頂部白光束11、中部白光束12以及底部白光束13。頂部光束11、中部光束12以及底部光束13可在分別的頂部位置11A、中部位置12A以及底部位置13A處照到線性可變?yōu)V波器10上。線性可變?yōu)V波器10可具有通帶的沿著x軸線18線性變化的中心波長。例如，濾波器10可在頂部位置11A處通過短波長峰值11B；可在中部位置12A處通過中波長峰值12B；可在底部位置13A處通過長波長峰值13B。

參考圖1B并進一步參考圖1A，傳統(tǒng)的分光計19可包括線性可變?yōu)V波器10、布置在線性可變?yōu)V波器10的上游的錐形光管14、以及布置在線性可變?yōu)V波器10的下游的光電檢測器的線性陣列15。在操作中，非準直的射入光16可由光管14調(diào)整，以產(chǎn)生部分準直的光束17。線性可變?yōu)V波器10可如以上參考圖1A所解釋的傳輸不同波長的光。錐形光管14可降低射入光16的立體角，從而改進線性可變?yōu)V波器10的光譜選擇性。光電檢測器的線性陣列15可檢測不同波長的光的光功率水平(optical power level)，從而獲取射入光16的光譜(未顯示)。

因此，可能需要減小分光計19的尺寸。錐形光管14常?？赡苁欠止庥?9的最大元件?？赡苄枰獪手痹?，如錐形光管14，因為沒有它，線性可變?yōu)V波器的光譜選擇性降低。這可能發(fā)生是因為線性可變?yōu)V波器10包括薄的介電膜的堆疊(stack of thin dielectric film)。薄膜濾波器的波長選擇特性通?？梢匀Q于射入光的入射角，其可能使薄膜濾波器的光譜選擇性和波長準確度下降。

參考圖2A和圖2B，可如提供如下所描述的光學濾波器20(圖2A)。例如，光學濾波器20可包括在光束23的光路22中被分離開距離L的順序布置的上游橫向可變帶通光學濾波器21A和下游橫向可變帶通光學濾波器21B。如圖2B中所示，上游濾波器21A和下游濾波器21B各自可具有沿著由x軸線表示的共同的第一方向25以互相配合的方式改變的帶通中心波長λ_T。第一方向25可橫向于光路22。如圖2B中所示，通過非限制性示例的方式，圖2A的上游濾波器21A和下游濾波器21B兩者的帶通中心波長λ_T可具有各自單調(diào)的、線性依從關系24A、24B。上游濾波器21A和下游濾波器21B各自在x坐標上的中心波長依從關系λ_1T(x)和λ_2T(x)可以是相同的，或相對于彼此移動，例如λ_2T(x)＝λ_1T(x+x₀)，其中是常數(shù)；或可以是成比例的，例如λ_2T(x)＝cλ_1T(x)，其中c是常數(shù)，例如0.9<c<1.1。換句話說，術(shù)語“配合的方式”分別定義了上游濾波器21A和下游濾波器21B的中心波長依從關系λ_1T(x)和λ_2T(x)之間的預定的函數(shù)關系。

光學濾波器20的配置可使光學濾波器20的光譜選擇性對光束23的準直度的依賴性相比于下游濾波器21B的光譜選擇性對光束23的準直度的相應的依賴性能夠減少。光學濾波器20的這種性能改進可能由于空間濾波效應，該空間濾波效應可通過參考圖2C理解。在波長λ₀的單色光中，上游濾波器21A和下游濾波器21B可由對應于沿著x軸線的位置的具有“開口”26的狹縫大致表示，其中中心波長λ_T＝λ₀。換句話說，在“開口”26的外部，上游濾波器21A和下游濾波器21B對于波長為λ₀的單色光可以基本上是不透明的?！伴_口”26界定了接收錐或立體角27(2θ)，該接收錐或立體角27(2θ)取決于濾波器間的距離L。在立體角27外的任何光線可被阻擋，從而改進下游濾波器21B的光譜選擇性。

可通過參考以側(cè)部橫截面視圖示出光學濾波器20的圖3進一步解釋圖2A的光學濾波器20的操作。在圖3中，對于上游光學濾波器21A和下游光學濾波器21B兩者，第一方向25可以是水平的，并且中心波長λ_T可從左到右增加。在圖3的示例中，上游濾波器21A和下游濾波器21B的帶通中心波長λ_T可能線性依賴于x坐標:

λ_T＝λ₀+DΔ_x (1)

其中，λ₀表示在參考點x₀處的參考帶通中心波長，D表示比例系數(shù)，被稱為橫向可變?yōu)V波器的“斜率(slope)”，以及Δ_x表示從參考點x₀的偏移。斜率D可對應于圖2B中的線性依從關系24A和24B的斜率，該圖2B中的線性依從關系24A和24B可以但不必彼此相同。與線性依從關系24A和24B的相同斜率有偏差可能在一些應用中是有利的。

在圖3的示例中，上游濾波器21A和下游濾波器21B可彼此對齊，使得對應于下游濾波器21B的參考帶通中心波長λ₀的參考點x₀被直接布置在對應于上游濾波器21A的參考帶通中心波長λ₀的參考點x₀的下方。上游濾波器21A可起到用于下游濾波器21B的空間濾波器的作用，為下游濾波器21B界定接收角30。接收角30可由參考波長為λ₀的左邊界光線31L和右邊界光線31R限定，每個邊界光線與上游濾波器21A和下游濾波器21B的法線32成角度θ傳播并在同一參考點x₀處照到下游濾波器21B上。如下，接收角30可從上游濾波器21A的通帶33A得出。

在圖3中圖示的幾何圖形中，左邊界光線31L可在位置x₀-Δ_x處照到上游濾波器21A上。根據(jù)方程(1)，在該位置處的透射波長λ_L可以是λ_L＝λ₀-DΔ_x。因為左邊界光線31L的參考波長為λ₀，所以左邊界光線31L可以取決于上游濾波器21A的通帶33A的寬度而衰減；對于該示例，例如10dB帶寬當作2DΔ_x。因此，左邊界光線31L可衰減10dB。類似地，右邊界光線31R可在位置x₀+Δ_x處照到上游濾波器21A上。根據(jù)方程(1)，在該位置處的透射波長λ_R可以是λ_R＝λ₀+DΔ_x。右邊界光線31R也可衰減10dB。在接收角30內(nèi)的參考波長為λ₀的所有光線可衰減比10dB小的值；并且在接收角30外的參考波長為λ₀的所有光線可衰減比10dB大的值。換句話說，上游濾波器21A可起到空間濾波器的作用，以有效地限制待由下游濾波器21B分離成單個波長的射入光的數(shù)值孔徑(NA)。與單個下游濾波器21B的光譜選擇性對光束23的準直度的相應依賴性相比，這可能導致光學濾波器20的光譜選擇性對光束23的準直度的依賴性的降低。換句話說，如果上游濾波器21A不存在于光學濾波器20中，則光學濾波器20的光譜選擇性將更加依賴于光束23的準直度。通常，光束23可由樣本的散射或發(fā)光引起(未顯示)，使得光束23不準直。在不存在上游濾波器21A的情況下，光束23的準直的不足將導致整體的光譜選擇性的惡化，除非使用專用準直元件，如錐形光管。在此，術(shù)語“光譜選擇性”可包括如通帶寬度、雜散光抑制以及帶內(nèi)和帶外阻塞等的參數(shù)。

對于小角θ，可寫為

θ≈Δ_x/L (2)，或

L≈Δ_x/θ (3)

當上游濾波器21A和下游濾波器21B之間的空間被具有折射率n的透明介質(zhì)填充時，方程(3)變?yōu)?/p>

L/n≈Δ_x/θ (4)

方程(4)可定義濾波器間的距離L、濾波器間的間隙的折射率n、與上游濾波器21A的帶寬相關的沿著第一方向25的橫向距離Δ_x以及產(chǎn)生的接收半角θ之間的近似關系。更精確的關系可考慮由于非零入射角引起的波長偏移，該波長偏移通常導致帶通中心波長λ_T的藍移(blue shift)(即朝向較短的波長)。例如，在位置x₀+Δ_x處照到上游濾波器21A上的參考波長為λ₀的右邊界光線31R可以偏斜角度θ，該角度θ將上游濾波器21A的透射特性移動到較短的波長。如果該波長依賴性是原因，則通帶33A的肩部可移動到左邊，即較短的波長：

λ₁≈[(λ₀₊DΔ_x)(n_eff²-θ²)^1/2]/n_eff (5)

其中，n_eff表示上游濾波器21A的有效折射率。

雖然在圖2B中，上游橫向可變帶通濾波器21A和下游橫向可變帶通濾波器21B具有以上如方程(1)定義的線性可變帶通中心波長λ_T，但是上游濾波器21A和下游濾波器21B的中心波長λ_T可在第一方向25上單調(diào)非線性地(例如拋物線地或指數(shù)地)增加或減少。在沿著上游橫向可變?yōu)V波器21A和下游橫向可變?yōu)V波器21B的第一方向25的x坐標上的帶通中心波長λ_T的依從關系可以是相同的，或可以是不同的，以使光學濾波器20的接收角和/或波長響應能夠調(diào)整或改變。在一個實施例中，上游濾波器21A和下游濾波器21B的帶通中心波長λ_T可彼此對齊，使得連接對應于上游濾波器21A和下游濾波器21B的相同帶通中心波長λ_T的位置的線與下游濾波器21B的法線32形成小于45度的角。對于與法線32的非零角，接收錐30可能出現(xiàn)偏斜。因此，通過在第一方向25上相對于彼此偏移上游濾波器21A和下游濾波器21B，改變接收錐30的方向可以是可能的。此外，角可沿著第一方向(x軸線)25變化。

為了更好的整體吞吐量，使沿著第一方向25的對應于上游濾波器21A的帶寬的橫向距離Δ_x1比沿著第一方向25的對應于下游濾波器21B的帶寬的相應橫向距離Δ_x2大可能是優(yōu)選的。在一個實施例中，上游濾波器21A和下游濾波器21B可各自具有不大于相應帶通中心波長λ_T的10％的3dB通帶。

上游濾波器21A和/或下游濾波器21B可包括薄膜層堆疊，該薄膜層堆疊包括兩種、三種以及更多不同的材料，例如，高指數(shù)層和/或吸收層可用于降低上游濾波器21A和下游濾波器21B中的每個的整體厚度。此外，上游濾波器21A和/或下游濾波器21B可包括衍射光柵，例如亞波長光柵(sub-wavelength grating)、二色性聚合物(dichroic polymer)等。

參考圖4A，光學濾波器40A的上游濾波器21A和下游濾波器21B可包括薄膜鍥型干擾涂層41A和41B，該干擾涂層41A和41B沉積在背靠背聯(lián)結(jié)的各自的基片42A和42B上?；?2A和42B可起到上游薄膜鍥型干擾涂層41A和下游薄膜鍥型干擾涂層41B之間的具有折射率n的透明介質(zhì)的作用。轉(zhuǎn)向圖4B，單個共同的基片42可被用在光學濾波器40B中，上游薄膜鍥型干擾涂層41A和下游薄膜鍥型干擾涂層41B布置在共同基片42的相對側(cè)上。共同基片42可如圖4C中所示的為鍥型，使得光學濾波器40C的上游薄膜鍥型干擾涂層(濾波器)41A和下游薄膜鍥型干擾涂層(濾波器)41B以相對彼此一定的角度被布置。在這種情況下，距離L可沿著第一方向25變化。距離L的變化可幫助管理上游濾波器41A和下游濾波器41B之間的光譜斜率不匹配，以及上游濾波器41A和下游濾波器41B之間的光譜線寬差異。為此，折射率n也可在距離L恒定或變化的情況下沿著第一方向25變化。

圖4D圖示了光學濾波器40D的另一配置，其中上游薄膜鍥型干擾涂層41A和下游薄膜鍥型干擾涂層41B可彼此面對，被布置為處于間隔開的關系中。圖4E的光學濾波器40E圖示了另一實施例，包括薄膜鍥型干擾涂層41A和41B，兩者面向相同的方向，例如在該情況下面向光束23。

返回參考方程(4)并進一步參考圖2A和圖4A到圖4C，值L/n通?？纱笥?.2mm。在一個實施例中，值L/n可小于15mm，例如介于0.2mm和15mm之間。應認識到，距離L可對應于實際薄膜涂層(例如，圖4A到圖4C中的41A和41B)之間的距離，并且距離L可包括基片42、42A和/或42B的厚度，如果這些基片在薄膜涂層41A和41B之間的光路22中的話。通過非限制性圖示的方式，在圖4B的光學濾波器40B中，L可表示基片42的厚度，以及n可表示基片42的折射率。

現(xiàn)在參考圖5A，光學濾波器50A可類似于圖2A的光學濾波器20，并且可類似于圖4A到圖4E的光學濾波器40A到40E。然而，圖5A的光學濾波器50A還可包括布置在光路22中的孔洞51A。孔洞51A可具有在第一方向25上變化的寬度d?？锥?1A的變化寬度d的一個功能可以是調(diào)整碰撞在光學濾波器50A上的光能的量，這可用于補償上游濾波器21A/下游濾波器21B的輸出透射的幅度的波長依賴性，和/或光電檢測器陣列(未顯示)的光譜響應。

補償濾波器(未顯示)可用于濾波器的光譜響應和/或光電檢測器的光譜響應的更精確的控制。參考圖5B，光學濾波器50B可類似于圖2A的光學濾波器20，并且可類似于圖4A到圖4E的光學濾波器40A到40E。光譜響應平坦化濾波器(spectral response flattening filter)51B可被布置在光學濾波器50B的光路22中，以用于使光學濾波器50B的光譜響應平坦化。雖然光譜平坦化濾波器50B在圖5B中顯示為布置在上游濾波器21A上，但是光譜平坦化濾波器50B可布置在下游濾波器21B上和/或上游濾波器21A和下游濾波器21B之間的光路22中。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖5C，光學濾波器50C可類似于圖2A的光學濾波器20，并且可類似于圖4A到圖4E的光學濾波器40A到40E。然而，圖5C的光學濾波器50C還可包括在光路22中的附加的濾波器21C。附加的濾波器21C可具有以與上游濾波器21A和下游濾波器21B的帶通中心波長配合的方式變化的帶通中心波長。附加的濾波器21C也可包括高通或低通橫向可變的濾波器、如衍射光柵的分散元件、具有光譜和/或橫向可變的吸收的涂層等。附加的濾波器21C的功能可以是進一步定義射入光的輸入數(shù)值孔徑，和/或進一步改進光學濾波器20的分辨能力。超過三個橫向可變的帶通濾波器21A、21B、...21N可被用在光學濾波器50C中，其中N表示任何整數(shù)。

參考圖6A并進一步參考圖2A，光學分光計60A(圖6A)可包括圖2A的光學濾波器20和在下游濾波器21B下游布置在光路22中的光電檢測器陣列61。光電檢測器陣列61可具有沿著第一方向25布置的像素(pixel)62，以用于檢測例如由光源69發(fā)出的光束23的各個光譜分量的光功率水平。在廣泛意義上說，術(shù)語“光源”可指熒光樣本或散射樣本、實際的光源，例如用于吸收測量，等等。例如來自發(fā)光樣本和/或散射樣本的光束23通常可包括會聚或發(fā)散的光線。在此，術(shù)語“發(fā)散”可能不需要包括光束23的光線來自同一單個點。類似地，術(shù)語“會聚”可能不需要包括光束23的光線會聚到單個點。如以上參考圖2C和圖3所解釋的，包括上游帶通橫向可變光學濾波器21A和下游帶通橫向可變光學濾波器21B的光學濾波器20的雙濾波器結(jié)構(gòu)可導致光學分光計60A的光譜選擇性對光束23的準直度的依賴性減少。換句話說，如果僅使用下游濾波器21B，而沒有上游濾波器21A，則光學分光計的光譜選擇性可更加依賴于光束23的準直度，進而導致光譜選擇性的整體惡化。

光電檢測器陣列61可與下游濾波器21B直接接觸。光電檢測器陣列61可被灌封材料填充，以便形成封裝部63。封裝部63的一個功能可以是提供光電檢測器陣列61的電隔離和/或熱隔離，同時不遮蔽光學濾波器20的下游濾波器21B的通光孔洞64。封裝部63的另一功能可以是保護上游濾波器21A和下游濾波器21B的邊緣免于碰撞、潮濕等。

參考圖6B并進一步參照圖2A和圖6A，光學分光計60B(圖6B)可包括圖2A的光學濾波器20和在下游濾波器21B下游布置在光路22中的光電檢測器陣列61。光學分光計60B還可包括外殼66，該外殼66具有布置在光路22中的窗口67，以用于輸入光束23。在示出的實施例中，窗口67可包括上游濾波器21A，并且上游濾波器21A和下游濾波器21B分離開間隙65，例如空氣間隙。下游濾波器21B可直接安裝在光電檢測器陣列61上。在一個實施例中，例如小于2mm的小間隙可存在于下游濾波器21B和光電檢測器陣列61之間。

間隙65可允許光電檢測器陣列61從外殼66熱解耦，這轉(zhuǎn)而使光電檢測器陣列61能夠通過可選熱電冷卻器68深度冷卻。為了更好的可靠性和環(huán)境穩(wěn)定性，外殼66可被密閉地密封和/或被惰性氣體填充。為了將光束23聚焦在光電檢測器陣列61上，聚焦元件(未顯示)可在下游濾波器21B和光電檢測器陣列61之間設置在光路22中。除了光電檢測器陣列61之外，可使用傳感器。通過非限制性示例的方式，光電檢測器可在第一方向25上相對于光學濾波器20平移。

下游濾波器21B的安裝選項可包括將下游濾波器21B的薄膜結(jié)構(gòu)直接沉積在光電檢測器陣列61上。通過非限制性示例的方式，在圖7A和圖7B中，下游濾波器21B可沉積在光電檢測器陣列61的像素側(cè)61A。在一些實施例中，下游濾波器21B可以是鍥型薄膜濾波器，包括兩個阻塞濾波器部分71和在兩個阻塞濾波器部分71之間的帶通濾波器部分72。

具體地，在圖7B中，光吸收掩膜73可放置在各個像素62之間，以保護各個像素62免受雜散光。在圖7C中，圖示了可替換的安裝選項：下游濾波器21B可布置在光電檢測器陣列61的背側(cè)61B。當然，該安裝選項可能需要光電檢測器陣列61的基片61C對于光束23是透明的。有利地，背部安裝可允許驅(qū)動器電路芯片74為結(jié)合至光電檢測器陣列61的像素側(cè)61A的倒裝芯片。轉(zhuǎn)向圖7D，下游濾波器21B可通過提供例如蝕刻多個平行的槽76被分割，其中黑色的填充材料75被倒入槽76中，該槽76的位置可與光吸收掩膜73的條77配合。

參考圖8A并進一步參考圖6A和圖6B，分光計80A以部分平面圖示出。分光計80A可類似于圖6A的分光計60A和圖6B的分光計60B。然而，圖8A的分光計80A可包括二維(2D)光電檢測器陣列88，該二維光電檢測器陣列88具有多個單獨的光電檢測器像素82。2D光電檢測器陣列88可相對于光學濾波器20的像素82的行84旋轉(zhuǎn)或時針式旋轉(zhuǎn)(clock)銳角α，使得在單色照明時，光譜線83以相對于2D光電檢測器陣列88的像素82的行84的角α形成在光電檢測器陣列31上。參考圖8B并進一步參考圖8A，旋轉(zhuǎn)或時針式旋轉(zhuǎn)角α可引起2D光電檢測器陣列88的像素82的不同行84上的光功率密度分布85相對于彼此偏移。以這種方式，可獲取多個偏移光譜，而不是一個光譜，使光譜分辨率和波長準確度能夠增加。例如，通過去卷曲處理(de-convolute)和平均各個光功率密度分布85，也可改進信噪比。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖8C，分光計80C可以是圖8A的分光計80A的一個變型。圖8C的分光計80C也可包括2D光電檢測器陣列88。在圖8C中，2D光電檢測器陣列88可如圖8A中所示的偏斜或不偏斜。圖8C的分光計80C還可包括類似于圖2A的光學濾波器20的相應的上游濾波器21A和下游濾波器21B的上游濾波器81A和下游濾波器81B，即，具有沿著橫向于光束23的光路22的第一方向25以相互配合的方式逐漸變化的帶通中心波長。在圖8C中，上游濾波器81A和下游濾波器81B可各自包括多個節(jié)段89A-1、89A-2、89A-3(上游濾波器81A)...以及89B-1、89B-2、89B-3(下游濾波器81B)，該多個節(jié)段在垂直于第一方向25的第二方向87上并排布置。為了在專用波長區(qū)域中進行操作，上游濾波器81A的每個節(jié)段89A-1、89A-2、89A-3...對應于下游濾波器81B的節(jié)段89B-1、89B-2、89B-3中的一個。通過非限制性示例的方式，第一對節(jié)段89A-1和89B-1可被配置用于在1000nm到1200nm的波長范圍內(nèi)的操作，第二對節(jié)段89A-2和89B-2可被配置用于在1200nm到1400nm的波長范圍內(nèi)的操作，第三對節(jié)段89A-3和89B-3可被配置用于在1400nm到1600nm的波長范圍內(nèi)的操作等。波長范圍可以不需要是連續(xù)的。例如，多個節(jié)段可被提供用于其他波長區(qū)域，如可見波長或近紅外線(IR)、中IR、紫外(UV)線以及甚至軟X射線。因此，分光計80C可適用于多光譜感測和/或多光譜成像應用。如本領域中的這些技術(shù)人員所了解的，這些多光譜發(fā)送/成像應用可能需要合適的基片和涂層材料。

參考回到圖2A，用于獲取沿著光路22傳播的光束23的光譜的方法可包括用光學濾波器20過濾光束23，該光學濾波器20具有分離開距離L的上游橫向可變帶通光學濾波器21A和下游橫向可變帶通光學濾波器21B。如圖2B中所圖示的，上游濾波器21A和下游濾波器21B各自可具有沿著橫向于光路22的共同第一方向25以相互配合的方式(例如24A、24B)逐漸變化的帶通中心波長λ_T。由于上游濾波器21A和下游濾波器21B的順序的放置，光學濾波器的如帶寬、帶外抑制等的光譜選擇性對光束23準直度的依賴性可能低于單獨下游濾波器21B的光譜選擇性對光束23的準直度的相應依賴性。

在該方法的下一步驟中，光功率分布可在下游濾波器21B下游沿著第一方向25被檢測。例如，參考回到圖6A、圖6B和圖8A，光電檢測器陣列61(圖6A、圖6B)或2D光電檢測器陣列88(圖8A)可布置在下游濾波器21B的下游，并且可使用光電檢測器陣列61或88檢測光功率分布。再次參考圖6A和圖7A到圖7C，下游濾波器21B可直接布置(例如沉積)在光電檢測器陣列61上，該光電檢測器陣列61可充以灌封材料以便隔離光電檢測器陣列61，同時不遮蔽下游濾波器60A的通光孔洞64。

在一些實施例中，可執(zhí)行光線跟蹤模擬，以檢驗圖2A的光學濾波器20A和本公開的類似濾波器的性能。參考圖9A和圖9B，光線跟蹤模型90可依次包括Lambertian光源99、矩形孔洞96、上游橫向可變帶通濾波器91A、具有長度L的透明隔片92、下游橫向可變帶通濾波器91B以及光電檢測器97。光線跟蹤模型90的輸入?yún)?shù)被總結(jié)在以下的表格1中。例如，光線93以足夠的數(shù)量被跟蹤以獲取可重復的結(jié)果。每個光線93具有預定義的波長并攜帶預定義的光功率。光功率讀數(shù)被累積在光電檢測器97的沿著分散方向95對齊的儲存器(bin)中，該分散方向95對應于圖2A中的第一方向25。常量參數(shù)包括從Lambertian光源99到孔洞96的3mm的距離；6.6x 0.25mm的光電檢測器97的尺寸；以及光電檢測器97的儲存器或像素的等于838的數(shù)量。變化的參數(shù)包括上游橫向可變帶通濾波器91A和下游橫向可變帶通濾波器91B的帶寬(按％)和NA(按F/#)以及透明隔片92的厚度。Lambertian光源99發(fā)出0.95μm、1.05μm、1.15μm、1.25μm、1.35μm、1.45μm、1.55μm以及1.65μm的八個波長的光。

表格1

參考圖10，模擬結(jié)果以累積在圖9A、9B的光線跟蹤模型90的光電檢測器97的儲存器中的光功率分布的形式表示。頂部圖100對應于“參考模型”-具有用于光準直的錐形光管的商業(yè)可獲得的模擬的MicroNIR^TM分光計。圖表101到104分別對應于以上表格1的參考模型1到4。

轉(zhuǎn)向圖11A、圖11B和圖11C，可在1.0μm、1.3μm以及1.6μm的各個波長處模擬更詳細的光譜性能。應認識到，模型1到4說明了更加好的波長準確度和類似的光譜選擇性。轉(zhuǎn)向圖12，使用1.3μm、0.12μm間隔的雙光譜線證明模型1和3的分辨能力。應認識到，在圖10、圖11A到圖11C以及圖12中示出的結(jié)果中，模型1到4不具有錐形光管或其他光準直元件，但模型1到4已經(jīng)顯示出可接收的光譜帶寬。當錐形光管從參考模型排除時，參考模型的光譜選擇性變得不可接受地低。

以下的表格2總結(jié)了獲取的模型1-4的模擬性能。

表格2

圖6A的光學濾波器60A的性能可通過模擬檢驗。包含孔洞罩(aperture boot)、錐形光管、InGaAs二極管陣列的標準MicroNIR^TM分光計的性能也被模擬以提供參考。轉(zhuǎn)向圖13，標準MicroNIR^TM分光計性能可由以介于0.9μm和1.7μm之間的分隔開0.1μm的多波長信號的虛線光譜131表示。實線光譜132圖示了分光計60A的模擬性能，該分光計60A沒有任何準直或光整形光學器件。在光譜峰值之間的一些雜散光是由于涂層的原因，該涂層沒有為了使用的波長范圍進行優(yōu)化。用于兩個測量的照明條件是相同的。

參考圖14，通過使用處于從0.2mm到30mm范圍的不同值的濾波器間的距離L的圖2A的光學濾波器20進行模擬來獲取多波長光譜140A-140G。應認識到，隨著濾波器間的距離L增加，濾波器吞吐量降低，并且雜散光141的帶外抑制提高。這可能發(fā)生是因為，隨著濾波器間的距離L增加，光學濾波器(圖2C、圖3)的接收錐2θ減小。

轉(zhuǎn)向圖15A，分光計150可包括具有窗口152的殼體151。光學濾波器153可包括上游橫向可變?yōu)V波器(未顯示)，該上游橫向可變?yōu)V波器與下游橫向可變?yōu)V波器(未顯示)物理地分隔2.08mm。上游濾波器(未顯示在圖15A中)可具有1300nm和900nm到1700nm范圍的中心波長的1.3％的通帶。在光學濾波器153的頂部處的上游濾波器可具有2mm的寬度、8mm的長度以及1.1mm的厚度。下游濾波器可具有1300nm和900nm到1700nm范圍的中心波長的0.8％的通帶。下游濾波器可具有1.4mm的寬度、7.4mm的長度以及1.5mm的厚度。標準128像素的檢測器陣列(未顯示)放置在遠離下游濾波器80微米處。電子驅(qū)動器154用于驅(qū)動檢測器陣列。

在圖15B中也可見到光學濾波器153和電子驅(qū)動器154，如以實線155象征性所示，該圖15B是圖15A的放大的視圖。如圖15B中所示，可使用具有5mm的長度的比例尺156。

現(xiàn)在參考圖16，使用圖15A和圖15B的分光計150獲取發(fā)射光譜161和162。1064nm和1551nm波長的兩個激光源的發(fā)射轉(zhuǎn)而指向積分球上，以產(chǎn)生具有可切換的發(fā)射波長的lambertian照明源。光電檢測器陣列的積分時間(integration times)被調(diào)整，因此兩個光譜具有相同的峰值振幅，因為每個激光具有不同的功率輸出水平。沒有其他的光譜或空間濾波器用于這些測量。積分球具有25mm的接口，并且被放置在遠離上游濾波器35mm處。在光譜161和162兩者中，波長分辨率可被光電檢測器陣列的像素結(jié)構(gòu)限制。在1065nm處的起作用的3dB帶寬可估計為1.2％·1065nm＝12.8nm。在1550nm處的起作用的3dB帶寬可估計為0.82％·1550nm＝12.7nm。

轉(zhuǎn)向圖17，使用放置在鹵素燈前面的NIST可跟蹤的透射基準(NIST traceable transmission reference)(在這種情況下為Avian摻雜玻璃參考WCT2065-025)獲取透射光譜171和172。使用圖15A和圖15B的分光計150獲取第一光譜171(以實線示出)。使用由美國加利福尼亞州米爾皮塔斯市的JDS Uniphase公司制造的標準MicroNIR1700分光計獲取第二光譜172(以點線示出)。

在兩種情況下，暗態(tài)參考光譜通過阻斷光源被收集。白態(tài)參考光譜通過將摻雜的玻璃參考從光路移除而被收集?？梢?，第一光譜171與第二光譜172密切相關。第一光譜171利用放置在圖15A和圖15B的分光計150前面的1mm寬的孔洞被獲取。在沒有孔洞的情況下，分辨率稍微降低，但是積分(數(shù)據(jù)收集)時間減少到三分之一(decrease by a factor of three)。

在前述說明書中，已經(jīng)參考附圖描述了各種實施例。然而將明顯的是，可對其做出各種修改和改變，且額外的實施方式可實現(xiàn)而不偏離如在接下來的權(quán)利要求中闡述的本公開的更寬范圍。說明書和附圖相應地被認為是說明性的而不是限制性的意義。

在這點上應注意，如上所描述的根據(jù)本公開的光學濾波器和分光計在某種程度上可能涉及輸入數(shù)據(jù)的處理和輸出數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。這個輸入數(shù)據(jù)處理和輸出數(shù)據(jù)產(chǎn)生可在硬件或軟件中實現(xiàn)。例如，特定電子組件可在處理器、模塊或類似的相關電路中被采用，用于實施與提供如上所描述的根據(jù)本公開的光學濾波器和/或分光計相關聯(lián)的功能?？商鎿Q地，根據(jù)指令運行的一個或多個處理器可實施與如上所描述的本公開相關聯(lián)的功能。如果是這種情況，則這樣的指令可存儲在一個或多個處理器可讀存儲介質(zhì)(例如磁盤或其它存儲介質(zhì))上或經(jīng)由體現(xiàn)在一個或多個載波中的一個或多個信號傳輸?shù)揭粋€或多個處理器是在本公開的范圍內(nèi)的。

本公開在范圍上不限于本文中所描述的具體實施例。實際上，除了本文所描述的那些實施例和修改以外，從前述描述和附圖其它各種實施例和修改將對本領域中的普通技術(shù)人員是明顯的。因此，這樣的其它實施例和修改旨在落在本公開的范圍內(nèi)。此外，雖然在本文中在特定實現(xiàn)方式的情況下在特定的環(huán)境中為了特定的目的描述了本公開，但是本領域中的普通技術(shù)人員將認識到，它的有用性不限于此，以及本公開可有益地在任何數(shù)量的環(huán)境中為了任何數(shù)量的目的而實現(xiàn)。因此，以下所闡述的權(quán)利要求應該按照如本文所描述的本公開的整個范圍和精神來解釋。