光谱学装置、光谱学方法以及生物信号测量装置与流程

本申请要求2017年11月21日在韩国知识产权局递交的韩国专利申请no.10-2017-0155911的优先权，其全部内容通过引用合并于本文。

符合示例实施例的装置和方法涉及用于测量材料发射或吸收的光谱的光谱学技术。

背景技术：

光谱仪用于通过测量从材料发射的光谱或吸收到材料中的光谱，来对所述材料进行定性分析、定量分析、状态分析。这样的光谱仪可以以非侵入方式从生物体测量与血糖、胆固醇等有关的生物信号。当光谱仪安装在可穿戴设备、移动设备等中时，因为光谱仪可以以非侵入方式测量各种生物信号，光谱仪可以用于移动医疗保健领域。因此，可能需要以小尺寸制造光谱仪。

技术实现要素：

一个或多个示例实施例提供了一种可以在实现小尺寸的同时增加光谱分辨率的光谱学装置和光谱学方法以及生物信号测量装置。

根据示例实施例的一个方面，提供了一种光谱学装置，包括：色散元件，被配置为将入射光划分为具有不同出射角的多个光；以及滤波器阵列，被配置为用比色散元件的光谱分辨率更高的光谱分辨率对所述多个光进行划分，并将划分后的多个光提供给检测器。

光谱学装置还可以包括准直透镜，其被配置为使入射光准直并传送到色散元件。

色散元件可以包括透射型衍射光栅，该透射型衍射光栅被配置为将入射光划分为具有不同出射角的多个光。

色散元件可以包括棱镜，所述棱镜被配置为将入射光划分为具有不同出射角的多个光。

色散元件可以包括反射型衍射光栅，该反射型衍射光栅被配置为反射入射光并将入射光划分为具有不同出射角的多个光。

反射型衍射光栅可以形成在相对于滤波器阵列的光入射表面倾斜的反射面上。

入射光可以包括拉曼散射光，且光谱学装置还可以包括拒波滤波器，该拒波滤波器被配置为从入射光中去除除了拉曼散射光之外的分量以输出滤波后的光并且将所述滤波后的光传送到滤波器阵列。

入射光可以包括拉曼散射光，且光谱学装置还可以包括抛物面聚光器，该抛物面聚光器被配置为将入射光准直到反射型衍射光栅。

反射型衍射光栅可以形成在弯曲的反射表面上，该反射表面朝向滤波器阵列的光入射表面凹入弯曲。

光谱学装置还可以包括聚焦透镜，该聚焦透镜被配置为使从色散元件输出的多个光聚焦，并将聚焦的多个光传送到滤波器阵列。

色散元件可以包括干涉滤波器。

滤波器阵列可以包括滤波器，所述滤波器是根据滤波器的波长通带同心布置的。

包括透射型滤波器或反射型滤波器的滤波器阵列可以是根据所述透射型滤波器或所述反射型滤波器的波长通带而被集成到检测器中。

根据另一示例实施例的方面，提供了一种光谱学方法，包括：将入射光初级划分为具有不同出射角的多个光；以及用比初级划分的光谱分辨率更高的光谱分辨率来对所述多个光进行次级划分。

光谱学方法还可以包括：在初次划分之前使入射光准直。

初级划分可以包括通过透射型衍射光栅或棱镜来对入射光进行初级划分。

初级划分可以包括通过反射型衍射光栅对入射光进行初级划分。

初级划分可以包括通过干涉滤波器对入射光进行初级划分。

次级划分可以包括通过滤波器来对经初级划分的光进行次级划分，其中所述滤波器是根据滤波器的波长通带同心布置的。

光谱学方法还可以包括在次级划分之前使经过初级划分的光聚焦。

根据另一示例实施例的一个方面，提供了一种生物信号测量装置，包括：光源，被配置为将光发射到物体上；光谱学装置，被配置为对从物体经过拉曼散射之后入射到光谱学装置上的光进行初级划分，并用比初级划分光的光谱分辨率更高的光谱分辨率来对所述光进行次级划分；以及检测器，被配置为检测已被光谱学装置次级划分的光。

所述光谱学装置可以包括：色散元件，被配置为用初级划分的光谱分辨率对从物体入射的光进行初级划分；以及滤波器阵列，被配置为用比初级划分光的光谱分辨率更高的光谱分辨率对已被色散元件划分的光进行次级划分。

色散元件可以包括反射型衍射光栅，该反射型衍射光栅形成在相对于滤波器阵列的光入射表面倾斜的反射面上。

入射光可以包括拉曼散射光，且光谱学装置还包括拒波滤波器，该拒波滤波器被配置为从入射光中去除除了拉曼散射光之外的分量以输出滤波后的光并且将所述滤波后的光传送到滤波器阵列。

生物信号测量装置还可以包括抛物面聚光器，该抛物面聚光器被配置为将入射光准直到反射型衍射光栅。

从光源发射的光可以是单色光或红外光。

附图说明

以上和/或其他方面将通过参考附图描述特定示例实施例而变得更清楚，附图中：

图1a示出了根据示例实施例的光谱学装置；

图1b是示出了根据示例实施例的透射型衍射光栅；

图2示出了由图1a所示的由滤波器对已被初级划分的光进行次级划分的示例；

图3是根据示例实施例的滤波器阵列的部分分解透视图；

图4是根据示例实施例的滤波器的截面图；

图5是根据另一示例实施例的滤波器的截面图；

图6是根据示例实施例的色散元件；

图7a示出了根据另一实施例的光谱学装置；

图7b示出了根据示例实施例的反射型衍射光栅；

图8示出了根据另一示例实施例的光谱学装置；

图9示出了根据另一示例实施例的光谱学装置；

图10是根据示例实施例的干涉滤波器的截面图；

图11是解释图10所示的干涉滤波器的操作的图；

图12示出了根据图9的根据波长范围的滤波器布置的示例；

图13示出了根据示例实施例的生物信号测量装置；

图14是示出了与图13所示的生物信号测量装置相对应的控制框图；

图15是示出了与图13所示的生物信号测量装置相对应的另一控制框图；以及

图16示出了根据另一示例实施例的生物信号测量装置。

贯穿附图和具体实施方式，除非明确说明，否则应理解相同的附图参考数字是指相同的元件、特征以及结构。为了清楚性、便于说明和方便起见，可能夸大这些部件的相对尺寸和描述。

具体实施方式

以下将参考附图详细描述示例实施例。

在以下描述中，即使在不同的附图中，类似的附图标记也用于表示类似的元件。在描述时限定的诸如具体构造和元件的事物用于帮助全面理解示例实施例。然而，显而易见的是可以在没有这些具体限定的事物的情况下实践示例实施例。此外，由于公知的功能或构造可能以不必要的细节混淆描述，所以不对其进行详细描述。

应当理解，虽然术语第一、第二等可以在本文用于描述各种元件，但是这些元件不应该受这些术语的限制。这些术语仅用来将元件彼此区分。除非明确指出，否则任何对单数形式的引用可以包括复数。

此外，除非另有明确说明，否则诸如“包括”或“包含”的表述将被理解为意味着包含所阐述的元件，但不排除任何其他元件。此外，诸如“部件”、“单元”或“模块”等的术语应被理解为执行至少一个功能或操作并可以被实现为硬件、软件或其组合的单元。

位于元件列表之前的诸如“以下项中的至少一个”的表述修饰整个元件列表，且不修饰列表中的单独元件。

图1a示出了根据示例实施例的光谱学装置。图1b是示出了根据示例实施例的透射型衍射光栅。图2示出了由图1a所示的由滤波器对已被初级划分的光进行次级划分的示例。图3是根据示例实施例的滤波器阵列的部分分解透视图。图4是根据示例实施例的滤波器的截面图。图5是根据另一示例实施例的滤波器的截面图。

参照图1a至图5，光谱学装置100可以包括色散元件110、滤波器阵列120、检测器130、准直透镜140和聚焦透镜150。

色散元件110对入射光进行初级划分或分离。具体地，色散元件110根据入射光的波长将入射光划分为沿不同方向行进的多个光束，或将入射光划分/分离为具有不同出射角。此外，色散元件110根据入射光的波长布置所划分的入射光。滤波器阵列120用高于色散元件110的光谱分辨率对已被色散元件110划分的光进行次级划分，并将所述划分后的光提供给检测器130。也就是说，滤波器阵列120可以将色散元件110根据光波长已划分的光细分，并且可以将细分的光提供给检测器130。

检测器130位于距色散元件110的焦距处，以实现较小尺寸的光谱学装置100。焦距可以是指从色散元件110到检测器130的距离。例如，所述距离可以被设置为具有35mm或更短的短焦距。因此，即使当降低色散元件110的光谱分辨率时，光谱学装置100可以保持较高的分辨率同时具有较小的设备尺寸，这是由于滤波器阵列120可以提供比色散元件110的光谱分辨率更高的光谱分辨率，并且可以占据相对较小的空间。因此，光谱学装置100在保持小尺寸的同时可以以较高分辨率测量入射光。此外，由于入射光被色散元件110根据入射光波长分离为具有不同方向，并且接着行进到滤波器阵列120的各个光谱区域，即使当滤波器阵列120的光谱分辨率增加时，相较于不设置色散元件110的情况，也可以减少光损耗。

在该示例实施例中，色散元件110可以包括衍射光栅，衍射光栅根据波长划分并衍射光谱。衍射光栅可以按照波长的顺序来布置光分量。衍射光栅可以是透射型衍射光栅110a，其可以如图1b所示地分离并透射准直的入射光。

准直透镜140可以设置在色散元件110的前面，使得光在到达色散元件110之前穿过准直透镜140。准直透镜140可以使入射光准直并且可以将准直光传送到透射型衍射光栅。也就是说，准直透镜140将入射光转换成平行光，并将平行光传送到色散元件110。准直透镜140可以形成为简单的球面透镜或非球面透镜。

例如，色散元件110可以实现为包括以等间隔布置的多个狭缝的透射型衍射光栅。在透射型衍射光栅形成有多个狭缝的情况下，可以执行以下操作。

根据惠更斯原理，入射在透射型衍射光栅上的光被衍射并色散成圆柱状。如果通过相邻狭缝的光线之间的光程差等于入射光的波长的整数倍，则发生相长干涉且输出光变得更亮。然而，如果光程差不等于波长的任何整数倍，则输出光发生消光。发生相长干涉的条件可以根据光波长而变化，使得具有不同波长的光可以由透射型衍射光栅根据波长进行划分。

入射光被色散元件110划分，并穿过聚焦透镜150以被传送到滤波器阵列120。聚焦透镜150使所述光聚焦在滤波器阵列120的滤波表面上。聚焦透镜150可以是焦距为35mm或更短的短焦距透镜，由此进一步实现光谱学装置100的小尺寸。

滤波器阵列120可以包括滤波器121并且可以根据波长范围被集成到检测器130中。在所述光的穿过透射型衍射光栅的分量按照波长的顺序布置并且被传送到滤波器阵列120的情况下，可以按照由透射型衍射光栅分离的光的分量的相同波长顺序来布置滤波器121。滤波器121可以根据波长范围布置成一行。滤波器121可以布置成多行，每行具有相同的波长范围。

滤波器121可以根据光波长将透射型衍射光栅已划分的光细分成更窄的光束。例如，滤波器121可以接收光谱分辨率为10nm的光，并且可以划分所述光以具有2nm的光谱分辨率。例如，如图2所示，滤波器阵列120可以包括滤波器121a、121b、121c、121d和121e，其接收在860nm至870nm范围内波长为λ1、λ2、λ3、λ4和λ5的光。滤波器121a、121b、121c、121d和121e可以将接收光划分为光谱分辨率为2nm的光谱。在这种情况下，滤波器121a、121b、121c、121d和121e可以将波长在860nm至870nm范围内的接收光分成波长为860nm至862nm(λ1)、波长为862nm至864nm(λ2)、波长为864nm至866nm(λ3)、波长为866nm至868nm(λ4)以及波长为868nm至870nm(λ5)。

如上述示例所描述地，滤波器121可以接收由透射型衍射光栅以10nm的光谱分辨率划分的其他波长的光，并也可以用2nm的光谱分辨率来划分接收的光。然而，光谱分辨率不限于此，并且滤波器121可以用高于或低于2nm的光谱分辨率来划分光。

例如，滤波器121可以是透射型滤波器。每个透射型滤波器适于透射特定波长范围的光。透射型滤波器可以是透射型干涉滤波器122。如图4所示，可以将透射型干涉滤波器122形成为附着在透明膜122a的两侧的半透明反射膜122b。

透射型干涉滤波器122可以选择性地透射特定波长范围内的光，并可以阻挡其他波长的光。透射型干涉滤波器122的透射波长范围可以取决于透射型干涉滤波器122的光学厚度，其中通过将折射率乘以透明膜122a的厚度d来获得所述光学厚度。透明膜122a的光学厚度可以设定为要透射的波长的一半。透射型干涉滤波器122可以布置在检测器130上，其中针对每个波长不同地设置透明膜122a的光学厚度。透射型干涉滤波器122可以具有交替布置的高折射薄膜和低折射薄膜。

在另一示例中，包括反射型滤波器的滤波器阵列120可以根据波长范围被集成到检测器中。反射型滤波器可以是反射型干涉滤波器123。如图5所示，反射型干涉滤波器123可以形成有层叠在金属反射镜(metallicmirror)123a上的透明膜123b和金属半透膜123c。反射型干涉滤波器123可以仅反射特定波长范围的光，并且可以根据透明膜123b的光学厚度来透射其他波长的光。

检测器130可以检测被滤波器阵列120划分成多个波长范围的光，并且可以将检测到的光转换为电信号。检测器130可以是任何一种类型的光电二极管、电荷耦合器件(ccd)、互补金属氧化物半导体(cmos)等的元件阵列，并且可以形成检测器像素131。例如，滤波器121可以形成为与检测器像素131一一对应。在另一示例中，一个滤波器121可以形成为与多个相邻的检测器像素131相对应。

检测器像素131可以检测已经穿过各滤波器121的光。此外，检测器像素131可以将检测到的光转换为电信号，并且可以将该电信号提供给信号处理器。信号处理器处理由检测器像素131提供的电信号。信号处理器可以基于每个波长范围的滤波器121的位置数据来识别与滤波器121对应的检测器像素131所位于的数据地址，可以将识别号分配给数据地址，并且可以通过将识别号与滤波器121的位置号进行匹配来生成地址图。可以将地址图存储在存储器中。

信号处理器可以通过使用存储在存储器中的地址图来获得已经通过每个滤波器121的光量。在滤波器121是透射型滤波器的情况下，信号处理器可以获得已经通过每个滤波器121的光量，作为针对每个波长的光量。在滤波器121是反射型滤波器的情况下，信号处理器可以通过基于已经穿过每个滤波器121的光量来计算从每个滤波器121反射的光量，来获得光量。

例如，可以通过基于已经穿过每个滤波器121的光量来计算从每个滤波器121反射的光量，并通过使用联立方程λ2+λ3+λ4+…λn＝q1，λ1+λ3+λ4+…λn＝q2，…，且λ1+λ2+λ3…λn-1＝qn(其中λ表示波长，且q表示光量)，来获得针对每个波长的光量。

在另一示例中，如图6所示，色散元件110’可以包括棱镜。棱镜可以根据入射光的波长将由准直透镜140准直的入射光划分为具有不同出射角，并且可以布置划分后的光。棱镜是具有两个或更多个能够折射光的光学表面的透明体，其中至少一对表面形成为非平行形状。棱镜可以形成为三角形形状。当光穿过棱镜时，由于折射率根据波长而变化，所以光被色散，使得可以获得光谱。

被棱镜分开的光可以穿过聚焦透镜150以被传送到滤波器阵列120。被棱镜分开的光可以通过聚焦透镜150聚焦在滤波器阵列120的滤波表面上。聚焦透镜150是可以进一步支持光谱学装置100的小尺寸的短焦距透镜，但不限于此。聚焦透镜150的焦距可以是35mm或更小。

如上所述，包括滤波器121的滤波器阵列120可以根据波长范围被集成到检测器130中。在穿过棱镜的光的分量按照波长的顺序布置并且被传送到滤波器阵列120的情况下，可以按照与被棱镜划分的光的分量的波长顺序相同的顺序来布置滤波器121。滤波器121可以根据波长范围布置成一行。滤波器121可以布置成多行，每行具有相同的波长范围。滤波器121可以根据波长将被棱镜划分的光细分成更窄的光束。滤波器121可以是透射型滤波器或反射型滤波器。

如上所述，光谱学装置100可以包括透射型衍射光栅或棱镜作为色散元件110’；检测器130位于距色散元件110和110’相对较短的焦距处，以支持检测器130的小尺寸；以及将光划分成具有比色散元件110和110’的光谱分辨率更高的光谱分辨率的滤波器阵列120集成到检测器130中。因此，光谱仪装置100在保持小尺寸的同时可以以较高分辨率测量入射光，且可以使光损耗最小化。

可以如下描述由根据示例实施例的光谱学装置100执行的光谱学方法。

光谱学装置100可以对入射光进行初级划分。在这种情况下，色散元件110的透射型衍射光栅或色散元件110’的棱镜可以对入射光进行初级划分。因此，在通过色散元件110和110’之后，可以根据波长对入射光进行划分和布置。在对入射光进行初级划分之前，准直透镜140可以使入射光准直。

在使用红外光谱法来测量生物信号的情况下，入射光可以包括发射到物体上并从其反射的光。在使用拉曼光谱法来测量生物信号的情况下，入射光可以包括在单色光被发射到物体上并且从其进行拉曼散射之后获得的光。该物体可以是诸如人皮肤或动物等活体。

然后，光谱学装置100可以对已被初级划分的光进行次级划分，以具有比初级划分光的光谱分辨率更高的光谱分辨率。在这种情况下，初级划分后的光可以被滤波器阵列120进行次级划分。滤波器阵列120可以将被色散元件110和110’初级划分的光细分为更窄的光束。

在对光进行次级划分之前，可以通过聚焦透镜150聚焦被初级划分后的光。因此，被初级划分后的光可以通过聚焦透镜150聚焦在滤波器阵列120的滤波表面上，并且可以由滤波器阵列120进行次级划分，以被提供给检测器130。检测器130可以检测由滤波器阵列120根据波长划分的光，并且可以将检测到的光转换为电信号。信号处理器可以从检测器130接收电信号，并可以获得针对每个波长的光量。

图7a是示出了根据另一示例实施例的光谱学装置的图。图7b示出了反射型衍射光栅。

参照图7a，光谱学装置200可以包括色散元件210和滤波器阵列220。

如图7b所示，色散元件210包括在划分光的同时反射光的反射型衍射光栅210a。反射型衍射光栅210a形成在相对于光入射表面倾斜的反射面上。也就是说，反射型衍射光栅210a可以包括以等间隔彼此平行形成的多个凹槽，从而可以通过每个凹槽中的衍射光的干涉来获得光谱。因此，反射型衍射光栅210a可以根据波长以不同的角度划分入射光，并且可以将划分后的光反射到滤波器阵列220。

在入射光包括在单色光被发射到物体上并且被拉曼散射之后获得的光的情况下，抛物面聚光器240可以将包括拉曼散射光的入射光准直到反射型衍射光栅210a。抛物面聚光器240的顶点部分朝向物体设置，并且可以具有用于入射光进入的孔。抛物面聚光器240具有反射型内表面以及朝向反射型衍射光栅210a设置的开口部分，使得当入射光进入抛物面聚光器240并从反射型内表面反射时，入射光可以被准直到反射型衍射光栅210a。

此外，拒波滤波器250可以从包括拉曼散射光的入射光中去除除了拉曼散射光之外的分量并且可以将所述光传送到滤波器阵列220。例如，在激光束被发射到物体上并被拉曼散射的情况下，激光束与拉曼散射光混合，并且穿过反射型衍射光栅210a而前进到滤波器阵列220。在这种情况下，拒波滤波器250可以阻挡反射型衍射光栅210a和滤波器阵列220之间的激光束，使得具有高强度的激光束不会被引入到滤波器阵列220中。拒波滤波器250适于去除激光波长。

包括上述滤波器121的滤波器阵列220可以根据波长范围被集成到检测器230中。检测器230也可以以与上述示例中描述的检测器130基本相同的方式进行配置。在光的分量经由反射型衍射光栅210a按照波长顺序布置并且被传送到滤波器阵列120的情况下，可以按照与被反射型衍射光栅210a分开的光的分量的波长顺序相同的顺序来布置滤波器121。滤波器121可以根据波长范围布置成一行。滤波器121可以布置成多行，每行具有相同的波长范围。与反射型衍射光栅210a，滤波器121可以根据波长将由反射型衍射光栅210a划分的光细分成更小的部分。滤波器121可以是透射型滤波器或反射型滤波器。

如上所述，根据本示例实施例的光谱学装置200包括反射型衍射光栅210a作为色散元件210，以根据入射光的波长以不同出射角使入射光色散；检测器230位于距色散元件210相对较短的焦距处，以支持光谱仪装置200的小尺寸；以及将光划分为具有比色散元件210的光谱分辨率更高的光谱分辨率的滤波器阵列220集成到检测器230中。因此，光谱仪装置200在保持小尺寸的同时可以以较高分辨率测量入射光，且可以使光损耗最小化。

可以如下描述由根据示例实施例的光谱学装置200执行的光谱学方法。

光谱学装置200可以通过使用色散元件210的反射型衍射光栅来对入射光进行初级划分。在这种情况下，在通过色散元件210时可以根据波长对入射光进行划分和布置。在对入射光进行初级划分之前，准直透镜240可以将入射光准直到色散元件210。

然后，光谱学装置200可以对已被初级划分的光进行次级划分，以具有比初级划分光的光谱分辨率更高的光谱分辨率。在这种情况下，初级划分后的光可以被滤波器阵列220进行次级划分。滤波器阵列220可以将被色散元件210初级划分的光细分为更窄的光束。

在使用拉曼光谱法来测量生物信号的情况下，光谱学装置200可以在对光进行次级划分之前通过使用拒波滤波器250从被初级划分的光中去除除了拉曼散射光之外的激光束。可以通过滤波器阵列220对去除了激光束的拉曼散射光进行次级划分，并将其提供给检测器230。检测器230可以检测由滤波器阵列220根据波长划分的光，并且可以将检测到的光转换为电信号。信号处理器可以从检测器230接收电信号，并可以获得针对每个波长的光量。

图8是根据另一示例实施例的光谱学装置的框图。

参照图8，光谱学装置300包括色散元件310和滤波器阵列320。

色散元件310包括形成在弯曲的反射表面上的反射型衍射光栅，其中该反射表面朝向滤波器阵列320的光入射表面凹入弯曲。反射型衍射光栅可以形成有以等间隔彼此平行形成的多个凹槽，从而可以通过每个凹槽中的衍射光的干涉来获得光谱。因此，反射型衍射光栅可以根据入射光的波长将入射光划分为沿不同方向行进的多个光束，并且可以将划分后的光反射到滤波器阵列320。

例如，反射型衍射光栅可以形成在透镜340的外表面上。透镜340可以形成为半球形状。反射型衍射光栅可以设置在透镜340的顶点处。透镜340可以包括透光材料。透镜340将通过狭缝350入射的光传送到反射型衍射光栅，并将所述光聚焦到滤波器阵列320。

反射型衍射光栅可以包括形成在透镜340的外表面上的衍射层310a以及形成在衍射层310a的外表面上的反射层311b。衍射层310a可以具有通过纳米压印等形成的多个光栅槽。反射层310b可以包括铝、金等。

包括上述滤波器121的滤波器阵列320可以根据波长被集成到检测器330中。检测器330可以以与上述检测器130基本相同的方式进行配置。在已穿过反射型衍射光栅的光的分量按照波长顺序布置并且被传送到滤波器阵列320的情况下，可以按照与被反射型衍射光栅分开的光的分量的波长顺序相同的顺序来布置滤波器121。滤波器121可以根据波长范围布置成一行。滤波器121可以布置成多行，每行具有相同的波长范围。滤波器121可以根据波长将由反射型衍射光栅划分后的光细分成更窄的光束。滤波器121可以是透射型滤波器或反射型滤波器。

如上所述，根据本示例实施例的光谱学装置300可以包括反射型衍射光栅作为色散元件310，以根据波长以不同出射角使入射光色散；检测器330位于距色散元件310相对较短的焦距处，以实现光谱仪装置300的小尺寸；以及将光划分为具有比色散元件310的光谱分辨率更高的光谱分辨率的滤波器阵列320集成到检测器330中。因此，光谱仪装置300在保持小尺寸的同时可以以较高分辨率测量入射光，且可以使光损耗最小化。

可以如下描述由根据示例实施例的光谱学装置300执行的光谱学方法。

光谱学装置300可以通过使用色散元件310的反射型衍射光栅来对入射光进行初级划分。在这种情况下，入射光通过狭缝350入射到色散元件310中，并且在通过色散元件310之后，可以根据波长对入射光进行划分和布置。在这种情况下，透镜340可以入射通过狭缝350的光传送到色散元件310，并可以将被色散元件310划分后的光聚焦到滤波器阵列320上。

然后，光谱学装置300可以对已被初级划分的光进行次级划分，以具有比初级划分光的光谱分辨率更高的光谱分辨率。滤波器阵列320可以将被色散元件310初级划分后的光细分为更窄的光束。检测器330可以检测由滤波器阵列320根据波长划分的光，并可以将检测的光转换为电信号。信号处理器可以从检测器330接收电信号，并可以获得针对每个波长的光量。

图9是示出了根据另一示例实施例的光谱学装置的图。图10是根据示例实施例的干涉滤波器的示例的截面视图。图11是解释图10所示的干涉滤波器的操作的图。图12示出了根据图9的根据波长范围布置滤波器的示例。

参照图9至图12，光谱学装置400包括色散元件410和滤波器阵列420。

散元件410可以包括干涉滤波器。一旦入射光作为漫射光入射，干涉滤波器对漫射光进行同心划分和布置。例如，干涉滤波器可以包括以规则间隔设置的半透明反射膜410b，半透明反射膜之间具有空腔410a。

穿过空腔410a的光的光路长度可以根据入射到干涉滤波器中的漫射光的角度而变化。可以通过将光传播通过介质的路径长度乘以介质的折射率，来获得光路长度。穿过空腔410a的扩散光的光路长度对应于通过将穿过空腔410a的漫射光的路径长度乘以空腔410a的折射率而获得的值。

如图10和11所示，在入射到干涉滤波器的漫射光中，如果光以具有如下效果的角度入射：入射光的光路长度为波长的一半，则所述光透射通过干涉滤波器。因此，干涉滤波器可以根据波长同心地划分和布置漫射光。干涉滤波器可以包括代替空腔410a的透明膜。

被干涉滤波器分开的光可以穿过聚焦透镜440以被传送到滤波器阵列420。在穿过干涉滤波器之后被划分的光可以通过聚焦透镜440聚焦在滤波器阵列420的滤波表面上。聚焦透镜440可以是焦距为35mm或更短的短焦距透镜，由此进一步实现光谱学装置400的小尺寸。另外，聚焦透镜440可以形成为各种形状，只要聚焦透镜440可以执行上述功能即可。

滤波器阵列420可以包括根据波长范围同心布置的滤波器421(例如，根据波长的通带)。这里，可以根据波长范围按照与由干涉滤波器划分的光的分量的波长顺序相同的顺序来同心地布置滤波器421。

滤波器421可以被形成为与检测器430的检测器像素一一对应。检测器430的检测器像素也可以以与上述示例中描述的检测器130的检测器像素131相同的方式进行配置。在另一示例中，一个滤波器421可以形成为与多个相邻的检测器像素相对应。与干涉滤波器相比，滤波器421可以根据波长将被干涉滤波器分开的光细分成更小的部分。滤波器421可以是透射型滤波器或反射型滤波器，并且可以被集成到检测器430中。

例如，滤波器421可以接收由光谱分辨率为10nm的干涉滤波器划分的光，并且可以以2nm的光谱分辨率划分所述光。在滤波器阵列420的滤波器421中的滤波器421a、421b、421c、421d和421e在由干涉滤波器划分光之后接收在860nm到870nm范围内的波长为λ1、λ2、λ3、λ4和λ5的光的情况下，滤波器421a、421b、421c、421d和421e可以将接收的光划分为860nm到862nm的波长λ1、862nm到864nm的波长λ2、864nm到866nm的波长λ3、866nm到868nm的波长λ4和868nm到870nm的波长λ5。

如上述示例所描述地，在由干涉滤波器以10nm的光谱分辨率划分光之后接收具有其他波长的光的滤波器421也可以用2nm的光谱分辨率来划分接收的光。然而，光谱分辨率不限于此，并且滤波器421可以用高于或低于2nm的光谱分辨率来划分光。

如上所述，根据第四示例实施例的光谱学装置400包括色散元件410的干涉滤波器，以根据波长以不同角度使入射光色散；检测器430位于距色散元件410相对较短的焦距(例如，35mm或更短)处，以支持光谱仪装置400的小尺寸；以及将用比色散元件410的光谱分辨率更高的光谱分辨率来划分光的滤波器阵列420集成到检测器430中。因此，光谱仪装置400在保持小尺寸的同时可以以较高分辨率测量入射光，且可以使光损耗最小化。

可以如下描述由根据第四示例实施例的光谱学装置400执行的光谱学方法。

光谱学装置400可以通过使用色散元件410的干涉滤波器来对入射光进行初级划分。具体地，光作为漫射光入射到色散元件410上，并在穿过色散元件410时可以根据波长对入射光进行同心划分和布置。

然后，光谱学装置400可以用高于初级划分的光谱分辨率的光谱分辨率来通过使用滤波器阵列420对已被初级划分的光进行次级划分。具体地，光谱学装置400可以通过使用根据波长同心布置的滤波器421来对已被初级划分的光进行次级划分。滤波器421可以根据波长将被色散元件410初级划分的光细分为比初级划分更小的部分。

在对光进行次级划分之前，聚焦透镜440可以聚焦被初级划分的光。因此，被初级划分的光可以通过聚焦透镜440聚焦在滤波器阵列420的滤波表面上，并且可以由滤波器阵列420进行次级划分，以将其提供给检测器430。检测器430可以检测由滤波器阵列420根据波长划分的光，并且可以将检测到的光转换为电信号。信号处理器可以从检测器430接收电信号，并可以获得针对每个波长的光量。

图13是示出了根据第一示例实施例的生物信号测量装置的图。图14是示出了图13所示的生物信号测量装置的示例的控制框图。

参照图13和14，根据第一示例实施例的生物信号测量装置1000包括将单色光发射到物体obj上并产生拉曼散射的光源1100。

光源110可以包括输出单色激光束的激光光源。由光源1100发射的光可以通过至少一个光学元件被引向物体obj的所需位置。光源1100可以根据信号处理器1200的控制信号将光发射到物体obj上。

光源1100可以通过使用拉曼光谱法来测量生物信号。拉曼光谱法是通过向物体发射激光束来分析生物信号(例如，血糖水平)并且通过分析从物体辐射的光的波长来获得拉曼位移的方法。

具体而言，拉曼光谱学使用光的散射，特别是在光入射到物体中并与物体中的原子或分子碰撞后产生的非弹性散射。这种散射不仅是由原子或分子表面反射的光产生的，而是由被吸收到原子或分子中后辐射的光产生的，且散射光的波长比入射光的波长更长。散射光与入射光之间的波长差可以近似等于或小于200nm。通过分析散射光的光谱，可以识别各种物理性质，例如，分子振动和物体中的分子的结构等。

生物信号测量装置1000可以包括根据上述第一至第四示例实施例的光谱学装置100、200、300和400中的任何一个。光谱学装置100、200、300和400可以对从物体obj经过拉曼散射之后入射的光进行初级划分，然后可以用高于初级划分的光谱分辨率来对所述光进行次级划分。

例如，在生物信号测量装置1000包括根据第二示例实施例的光谱学装置200的情况下，色散元件210包括在划分光的同时反射入射光的反射型衍射光栅。反射型衍射光栅设置成相对于滤波器阵列220的光入射表面倾斜或歪斜。反射型衍射光栅可以根据波长以不同的角度划分入射光，并且可以将划分的光反射到滤波器阵列220。抛物面聚光器240可以将包括拉曼散射光在内的入射光准直到反射型衍射光栅。此外，拒波滤波器250可以阻挡包括拉曼散射光的入射光中的除了拉曼散射光之外的激光束，并且可以将所述光传送到滤波器阵列220。

滤波器阵列220可以用高于反射型衍射光栅的光谱分辨率对已被反射型衍射光栅划分的光进行次级划分，并可以将被次级划分的光提供给检测器230。

检测器230可以检测由滤波器阵列220次级划分的光。检测器230可以检测由滤波器阵列220划分为波长的光，可以将检测到的光转换为电信号，并且可以将电信号提供给信号处理器1200。

信号处理器1200可以通过使用从检测器230接收的拉曼光信号来重建拉曼光谱，可以通过分析重构后的拉曼光谱来区分体内分量，并且可以获得关于每个分量的浓度等的信息。例如，体内分量可以包括血糖、甘油三酯、胆固醇、卡路里、蛋白质、尿酸等，但不限于此。

如图15所示，生物信号测量装置100还可以包括显示器1300和通信接口1400。显示器1300和通信接口1400可以安装在生物信号测量装置1000中。

在信号处理器1200控制下，显示器1300可以输出各种类型的信息。在这种情况下，显示器1300可以显示由信号处理器1200测量的生物信号信息、与生物信号信息相关的健康状态信息、警告或提醒信息等，并且可以以各种视觉显示方法向用户显示信息。

显示器1300可以包括能够触摸输入的触摸模块。在这种情况下，显示器1300可以输出用户界面，通过所述用户界面显示器1300可以接收从用户输入的命令，并且可以将接收的命令发送给信号处理器1200。另外，生物信号测量装置100可以包括用于从用户接收控制命令并将接收到的命令发送到信号处理器1200的单独的操纵器。操纵器可以包括用于输入开启/关闭生物信号测量装置1000的电源的命令的电源按钮等。

通信接口1400可以根据信号处理器1200的控制信号通过使用通信技术连接到通信网络，并且可以连接到与同一通信网络相连的外部设备，以发送并接收必要数据。信号处理器1200可以控制通信接口1400与外部设备连接，并且可以结合所连接的外部设备处理各种操作。在这种情况下，信号处理器1200可以根据所连接的外部设备的生物信号处理能力的程度来向外部设备提供必要的生物信号信息等。

通信技术可以包括蓝牙通信、蓝牙低能量(ble)通信、近场通信(nfc)、wlan(wifi)通信、zigbee通信、红外数据协会(irda)通信、wi-fi直连(wfd)通信、超宽带(uwb)通信、ant+通信、wifi通信、3g通信、4g通信、5g通信等，但不限于此。

例如，通信接口1400可以通过通信与外部设备连接，并且可以向外部设备发送诸如测量的生物信号等的信息。此外，通信接口1400可以从外部设备接收用于校准生物信号测量装置的参考信息，例如参考血糖值等，并且可以将接收到的参考信息发送到信号处理器1200。

在这种情况下，外部设备可以是智能手机、智能平板电脑、台式计算机、膝上型计算机和其他信息处理设备，并且可以是具有比生物信号测量装置1000相对更高的计算性能的设备。然而，外部设备不限于此。

以这种方式，生物信号测量装置1000可以以小尺寸制造并且可以测量生物信号；以及外部设备可以使用测量的生物信号来管理各种类型的信息，例如，包括用户的生物信号测量历史、基于测量历史的健康状态分析、改变历史信息等的统计信息，并且可以以各种方式提供所述信息，例如图表等。

图16是示出了根据第二实施例的生物信号测量装置的图。

参照图16，根据第二实施例的生物信号测量装置2000包括将红外光发射到物体obj上的光源2100。光源2100可以是发射红外光的发光二极管(led)或卤素灯。由光源2100发射的光可以通过至少一个光学元件被引向物体obj的所需位置。光源2100可以根据信号处理器1200的控制信号将光发射到物体obj上。

光源2100可以支持通过红外光谱法测量生物信号。红外光谱法是通过向物体发射红外光，分析从皮肤由于漫反射而辐射的光并通过计算皮肤内的血糖分子吸收的光量，来预测血糖水平的方法。红外光谱法可以使用波长范围在750nm至2000nm中的近红外光谱以及波长范围在2500nm至10000nm中的中红外光谱。

生物信号测量装置2000可以包括根据上述第一、第三和第四实施例的光谱学装置100、300和400中的任何一个。光谱学装置100、300和400可以对从物体反射后入射的光进行初级划分。

例如，在生物信号测量装置2000包括根据第一实施例的光谱学装置100的情况下，色散元件110和110’可以是在划分由准直透镜140准直的入射光的同时透射光的透射型衍射光栅或棱镜。被透射型衍射光栅或棱镜分开的光可以穿过聚焦透镜150以被传送到滤波器阵列120。

滤波器阵列120可以用高于透射型衍射光栅或棱镜的光谱分辨率对已被透射型衍射光栅或棱镜划分的光进行次级划分，并可以将被次级划分的光传送给检测器130。

检测器130可以检测由滤波器阵列120次级分开的光。检测器130可以将由滤波器阵列120划分的光检测为多波长，可以将检测到的光转换为电信号，并且可以将电信号提供给信号处理器2200。

信号处理器2200可以通过使用从检测器130接收的信号来重建拉曼光谱，可以通过分析重构后的红外光谱来区分体内分量，并且可以获得关于每个分量的浓度等的信息。根据该实施例的生物信号测量装置2000还可以包括根据上述实施例的生物信号测量装置2000的显示器1300和通信接口1400。

此外，生物信号测量装置1000和2000可以嵌入在可穿戴设备；诸如智能手机、平板电脑、膝上型计算机等的移动设备；诸如台式计算机的终端、医疗设备等终端。此外，生物信号测量装置1000和2000可以以各种形式进行修改，例如独立硬件设备等。这样的生物信号测量装置1000和2000可以通过以非侵入方式测量各种生物信号来用于医疗保健领域。特别是，当嵌入在可穿戴设备、移动设备等中时，生物信号测量装置1000和2000可以用于移动医疗保健领域。

例如，生物信号测量装置1000和2000可以制造成具有主体和待穿戴在物体上的腕带的可穿戴设备的形式。这里，可穿戴设备可以是手表式可穿戴设备、手镯式可穿戴设备、腕带式可穿戴设备、戒指式可穿戴设备、眼镜式可穿戴设备、发带式可穿戴设备等，但是形状和尺寸不限于此。

光源1100和2100，光谱学装置100、200、300和400以及信号处理器1200和2200可以安装在生物信号测量装置1000和2000的主体中。当生物信号测量装置1000和2000被制造为手表式可穿戴设备时，光源1100和2100，光谱学装置100、200、300和400可以安装在与用户的手腕接触的主体的底部；以及信号处理器1200和2200可以安装在主体的内部基板中以与生物信号测量装置1000和2000以及光谱学装置100、200、300和400电连接。腕带可以由柔性材料制成以围绕用户的手腕弯曲，并且根据需要，用于向主体供电的电池可以安装在腕带中。

尽管不限于此，但是示例实施例可以实现为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质是可以存储能够随后由计算机系统读取的数据的任何数据存储设备。计算机可读记录介质的示例包括只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、cd-rom、磁带、软盘和光学数据存储设备。计算机可读记录介质还可以分布在网络连接的计算机系统上，使得以分布式方式存储并执行计算机可读代码。此外，示例实施例可以被写作在诸如载波的计算机可读传输介质上传送的并在执行程序的通用或专用数字计算机中被接收并执行的计算机程序。此外，清楚的是在示例实施例中，上述装置和设备中的一个或多个单元可以包括电路、处理器、微处理器等，且可以执行在计算机可读介质中存储的计算机程序。

上述示例实施例仅是示例性的，且不应理解为限制性的。本教义可以容易地应用于其他类型的装置。此外，示例实施例的描述是为了说明，而不是为了限制权利要求的范围，并且多种变型、修改和变化对于本领域技术人员而言将是显而易见的。