光谱测定系统和方法、光谱设备和系统的制作方法
【专利说明】光谱测定系统和方法、光谱设备和系统
相关申请的交叉引用
[0001 ] 本申请要求提交于2013年8月2日、名称是“Spectrometer System”的美国临时申请序列号61/861，893(代理人案号45151-702.101);提交于2014年I月3日、名称是“Spectroscopic Devices and Systems”的美国临时申请序列号61/923,422(代理人案号45151-702.102);以及提交于2014年4月28 日、名称是 “Spectroscopic Devices andSystems”的美国临时申请序列号61/985,447(代理人案号45151-702.103)的优先权;通过援引其全部内容而将每一个并入本文。
援引并入
[0002]本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用而并入本文，程度犹如具体地和个别地指出要通过引用而并入每一个别出版物、专利或专利申请。
技术领域
[0003]本发明涉及小型、低成本的光谱测定系统。例如，其涉及具有足够的灵敏度和分辨率以对物质(包括复杂混合物，例如食物)进行光谱分析的手持系统。
【背景技术】
[0004]光谱仪用于许多目的。例如，光谱仪用于对工业过程、卫星成像以及实验室研究中缺陷的检测。然而这些仪器对于消费者市场而言通常过大并且过于昂贵。
[0005]光谱仪检测来自样品的辐射并且处理产生的信号，以获得并呈现与样品有关的信息，所述信息包括与样品有关的光谱信息、物理信息以及化学信息。这些仪器一般包括用以将从样品接收到的辐射的波长分离的一些类型的光谱选择性元件，以及用以将辐射聚焦或集中到成像阵列上的第一阶段光学器件，诸如透镜。
[0006]先前的光谱仪在至少一些方面可能不太理想。具有高分辨率的先前的光谱仪在许多便携式应用的使用中可能比理想情况更大。另外，先前的光谱仪的成本可能比理想情况更高。先前的光谱仪可能有些笨重、难以运送，而光学器件在至少一些情况下可能需要比理想情况更多的校准。
[0007]尽管已经提出具有减小了的尺寸的先前的光谱仪，但具有减小了的尺寸和光学路径长度的先前的光谱仪可能具有不太理想的分辨率、灵敏度以及比理想情况更低的准确度。
[0008]鉴于上述，克服了先前光谱仪的至少一些上述缺点的改进光谱仪将是有益的。理想地，这样的光谱仪将是紧凑的、与诸如蜂窝电话等消费者设备相集成的、足够耐用且成本低廉，从而对于最终使用者对物品进行光谱测量而言有实用性的、便利的以及便于使用的。
【发明内容】
[0009]本公开内容的实施方式提供了一种改进的光谱仪，诸如低成本的、耐用的、适于与消费者设备和云计算相结合的光谱仪。在许多实施方式中，所述光谱仪包括多个隔离的光学通道，所述多个隔离的光学通道光学通道包括多个隔离的光学路径。所述隔离的光学路径具有减小光学路径之间的串扰并且允许光谱仪具有减小的长度和增加的分辨率的优点。在许多实施方式中，所述隔离的光学路径包括允许设备的长度大幅减小的隔离的平行光学路径。在许多实施方式中，每个隔离的光学路径从滤光器阵列中的滤光器延伸，通过透镜阵列中的透镜，通过支架阵列中的通道而到达传感器阵列中的区域。所述传感器阵列中的每个区域包括多个传感器元件，其中所述传感器元件的位置基于在该位置处接收到的光的角度、所述透镜的焦距和所述滤光器的中心波长而与接收到的光的波长相对应。在许多实施方式中，漫射器沿着光学路径在所述滤光器阵列之前定位以便提供所述阵列的滤光器之间的光能的至少恒定的角分布。在许多实施方式中，第二漫射器沿着所述漫射器与距该漫射器足够距离处的滤光器之间的光学路径而定位，以便接收跨所述第二漫射器的基本一致分布的光能，以便进一步使所述光均匀分布并且提供传输至所述滤光器阵列的光能的恒定角分布O
[0010]在许多实施方式中，所述光谱仪系统提供基本上笔直的光轴和短光路径。所述笔直的光轴和短光路径能够生产如下的光谱仪:该光谱仪足够小且足够经济以装配在诸如蜂窝电话等设备中，且还具有足够的灵敏度和分辨率(例如<10nm)以获得复杂混合物的有用光谱。
[0011]在许多实施方式中，一种用于获得样品的光谱的紧凑型光谱仪系统包括(a)用于检测从所述样品发出的光的光学检测器；(b)位于所述样品与所述检测器之间的光学滤光器；以及(C)第一傅里叶变换聚焦元件，其中所述紧凑型光谱仪系统不含有任何色散光学元件。
[0012]在一方面，本文提供了一种光谱仪，所述光谱仪包括:从滤光器阵列延伸至传感器阵列的多个隔离的光学路径。在许多实施方式中，所述光谱仪还包括:所述传感器阵列中的多个区域;所述滤光器阵列中的多个滤光器;透镜阵列中的多个透镜；以及在所述传感器阵列中的所述多个区域和所述透镜阵列中的所述多个透镜之间延伸的支架阵列，所述支架阵列包括利用不透光材料限定的多个光传输通道，其中所述多个隔离的光学路径从所述多个透镜延伸，通过所述多个通道而到达所述多个区域以便隔离所述多个通道。
[0013]在另一方面，本文提供了一种光谱仪，包括:漫射器;包括多个区域的监测器，所述多个区域中的每个区域包括多个传感器;包括多个透镜的透镜阵列，所述透镜阵列中的每个透镜与所述多个区域中的一个区域相对应；以及与所述透镜阵列相对应的滤光器阵列，所述滤光器阵列包括多个滤光器，其中所述多个滤光器中的每个滤光器被配置用于透射与所述多个滤光器中的其他滤光器不同的波长范围。
[0014]在许多实施方式中，所述波长范围与所述多个滤光器中的所述其他滤光器的范围重叠，并且其中所述每个滤光器包括与所述多个滤光器中的所述其他滤光器不同的中心波长。
[0015]在许多实施方式中，所述多个滤光器包括多个干涉滤光器，所述多个干涉滤光器布置有所述多个透镜用以改变通过每个所述干涉滤光器中的每个干涉滤光器的光学路径长度，以便确定所述多个区域中的每个区域的光谱。
[0016]所述滤光器阵列可以包括具有厚度和第一侧面以及第二侧面的基底，所述第一侧面定向为朝向所述漫射器，所述第二侧面定向为朝向所述透镜阵列和检测器，其中所述滤光器阵列包括在定向为朝向所述透镜阵列的所述第二侧面上的多个涂层，用以抑制所述阵列中的透镜之间的串扰。
[0017]在许多实施方式中，在所述第二侧面上的所述多个涂层包括多个干涉滤光器，在所述第二侧面上的所述多个干涉滤光器中的每个干涉滤光器被配置用于将中心波长的光透射至所述多个透镜中的一个透镜。
[0018]所述滤光器阵列可以包括在所述滤光器阵列的所述第一侧面上的一个或多个涂层，例如，所述阵列的所述第一侧面包括用以平衡机械应力的涂层。备选地或组合地，所述滤光器阵列的所述第一侧面上的所述一个或多个涂层包括光学滤光器。例如，所述滤光器阵列的所述第一侧面上的所述光学滤光器包括IR通滤光器，用以选择性地通过红外光。
[0019]在许多实施方式中，所述基底的所述第一侧面不包括涂层。
[0020]所述光谱仪还可以包括在所述检测器与所述透镜阵列之间延伸的支架，所述支架的形状和大小被配置以便支撑所述透镜阵列并将所述透镜阵列定位在距所述检测器的焦距处，所述支架包括多个通道，用以将光从所述阵列中的所述多个透镜传到所述检测器的所述多个区域。
[0021]在许多实施方式中，所述支架包括位于所述多个通道中的所述每个通道的壁上的吸光材料以便抑制所述多个通道之间的串扰。
[0022]所述支架可以包括从所述检测器的上表面向所述透镜阵列的下表面延伸一段距离的轴，并且其中所述支架包括包括刚度以便将从所述上表面到所述下表面的距离固定在所述焦距。
[0023]所述图像传感器可以包括与所述支架相接触的裸芯片表面，用以将所述多个透镜中的每个透镜定位在距所述裸芯片表面的所述焦距处。
[0024]所述多个区域可以包括多个活动区域，并且其中所述多个通道与所述多个活动区域相对应，并且其中所述支架包括末端结构，该末端结构的大小和形状被配置为在远离所述多个活动区域的多个接触位置处接触所述裸芯片表面。
[0025]本文所描述的光谱仪可以包括孔径阵列，该孔径阵列包括形成于不透光材料中的多个孔径，所述多个孔径的尺寸被配置为限定所述阵列中每个透镜的通光透镜孔径，其中每个透镜的所述通光透镜孔径受限于所述阵列中的一个滤光器。
[0026]例如，每个透镜的所述通光透镜孔径可以受限于所述阵列中的一个滤光器。
[0027]在许多实施方式中，所述光谱仪还包括滤光器支架，用以将所述多个滤光器保持在所述漫射器与所述多个透镜之间的合适位置。
[0028]本文所描述的光谱仪可以包括放置在所述多个滤光器之上的透光板，用以密封所述多个滤光器。
[0029]在许多实施方式中，所述漫射器被配置用于从待分析的样品的材料接收入射光并传输漫射光，并且其中所传输的漫射光的角分布基本上是固定的并且基本上与来自所述样品的所述光的入射角无关。所述漫射器可以包括余弦漫射器，用以生成朗伯光分布。
[0030]所述光谱仪可以包括由IR透射材料组成的IR通滤光器，其中所述漫射器形成于所述IR透射材料的表面中。
[0031]在许多实施方式中，所述光谱仪还包括形成于与所述表面相对的所述IR透射材料的第二表面中的第二漫射器，其中所述第二漫射器将射入的光分散在该漫射器中。
[0032]所述光谱仪可以包括第二IR通滤光器和外壳，所述外壳覆盖所述漫射器、所述滤光器阵列和所述透镜阵列，其中所述外壳耦合至所述第二IR通滤光器和包括多个孔径的支架，并且其中所述漫射器、所述滤光器阵列和所述透镜阵列按顺序地布置在所述第二 IR通滤光器与包括所述多个孔径的所述支架之间，以便将所述支架、所述滤光器阵列和所述透镜阵列耦合至所述检测器的裸表面。
[0033]在本文所描述的光谱仪的许多实施方式中，所述光谱仪还包括处理器，该处理器包括使指令具体化的有形介质，所述指令用以响应于来自所述检测器的信号而确定光谱。
[0034]所述处理器可以包括指令，所述指令用以将来自所述区域中的每个区域的光谱拼接在一起，以便确定材料的目标部位的光谱。
[0035]所述光谱仪还可以包括:照明器，所述照明器包括，a)初级辐射体，用以发射在第一波长范围内的初级辐射，以及b)次级辐射体，用以发射在与所述第一波长范围不同的第二波长范围内的次级辐射。
[0036]所述初级辐射体可以包括以下各项中的一项或多项，这些项为:发光二极管或激光二极管，并且其中所述次级辐射体包括以下各项中的一项或多项，这些项为:磷光板、磷光体板、磷光体粉末、纳米晶体或纳米晶体粉末。
[0037]所述次级辐射体可以接触所述初级辐射体的封装以抑制所述次级辐射体的发热，并且其中所述封装包括散热片，用以将热量从所述次级辐射体导出。
[0038]在许多实施方式中，间隙在所述次级辐射体与所述初级辐射体的封装之间延伸以抑制所述次级辐射体的发热。
[0039]所述光谱仪可以包括温度传感器，所述温度传感器具有定向为与所述检测器的视野和照明器的视野相重叠的视野。
[0040]所述照明器可以包括被布置用于将光