[发明专利]用于测量光谱的装置

说明书

用于测量来自一个或多个样本的光谱的装置，该装置包括：参考波导、至少一个样本波导、光学系统以及成像装置，所述参考波导接收用于照射至少一个样本的光照辐射；所述样本波导接收从相应样本反射的样本辐射和透射过相应样本的样本辐射中的至少一个；所述光学系统基于辐射的频率对来自每个波导的辐射进行空间分布，并将来自光纤的辐射聚焦到像平面上；所述成像装置采集来自像平面的聚焦且空间分布的辐射的图像，使得图像包括来自每个波导的相应光谱。

技术领域

本发明涉及一种用于测量光谱的装置，并且在一个示例中涉及一种用于从多个样本收集反射或透射光谱的低成本光谱仪。

背景技术

本说明书中对任何现有出版物(或从中得出的信息)或任何已知事项的引用不是、也不应被视为认可或承认或任何形式的暗示现有出版物(或从中得出的信息)或已知事项构成本说明书所涉及的探索领域中的公知常识的一部分。

已知利用反射或透射光谱来测量诸如物理样本的物体的属性。特别是在环境监测中，通常执行这种测量来检查样本，例如水样或植物，以确定水质、植物健康等。当在可变环境光条件下进行测量时，通常需要收集多个光谱，包括来自所考虑的样本的透射/反射光谱以及环境光照条件的进一步光谱。在检查样本光谱时考虑环境光的变化很重要。

通常，当执行这样的测量时，这以两种方式的其中一种完成。在一种情况下，使用单个光谱仪，并在各个样本的测量之前、之后或各个样本的测量之间收集环境光的参考测量值。在另一个示例中，使用两个单独的光谱仪，其中一个收集环境光条件的测量值，另一个收集样本光谱。

在前一种情况下，由于参考和样本光谱不是同时收集的，这意味着在参考和样本光谱的收集之间可能存在环境光条件的变化，也就是说不一定能够准确地体现样本光谱。因此，对于操作员来说，监测环境条件是很重要的，通常要求操作员在环境条件改变时终止或重复测量，这是不方便的。

另外，例如由于固有的不准确性、时间依赖性漂移以及外部条件(例如温度)的变化，传感器会存在产生漂移的倾向。对于非同时测量，这可能导致测量之间出现固有差异，这意味着无法准确体现样本光谱。

当使用多个传感器时，这些传感器需要相对于彼此仔细校准以确保测量值是相似的。这样的校准不一定随时间恒定(例如由于传感器漂移)，并且可能再次导致正在进行的测量的不准确。此外，如果不同传感器之间的波长、背景信号或灵敏度存在任何差异(该差异将再次随时间漂移并且与温度有关)，则会导致计算的反射率值存在较大的系统误差。

在试图解决这些问题时，大多数现有解决方案专注于对传感器环境的仔细控制，例如利用温度控制传感器，以及另外制造高精度的传感器，从而最小化传感器漂移和校准问题。这导致设备复杂、昂贵且极其敏感，使其难以使用并且不适用于许多应用。

上述设置的进一步变化是提供单点光谱仪，并使用光纤开关在多个光纤输入之间快速切换。然而，这又导致不准确和大量成本。例如，通常无法获得足够快以减小传感器漂移的影响、并且还覆盖许多应用所关注的波长范围的光纤开关。基于机械开关的光纤开关可以在很低的速度下使用，但通常需要花费数千美元，而基于MEMS技术的开关可以达到非常高的速度，但插入损耗规格要差得多，并且波长范围要窄得多。这使得这种解决方案对于大多数应用来说是不实用的。

CN204214770公开了一种基于CMOS图像传感器的多信道光纤光谱仪。多信道光纤光谱仪的特征在于，其包括：CMOS图像感测模块、棱镜、狭缝模块、聚焦透镜模块、引导光纤和探针，其中，所述探针通过引导光纤与聚焦透镜模块连接；所述狭缝模块位于聚焦透镜模块的焦平面上；所述棱镜位于狭缝模块和CMOS图像感测模块之间；所述CMOS图像感测模块由CMOS阵列光伏转换芯片和数据传输板组成，并且通过外部USB传输线将图像数据输出至计算机；所述图像数据通过计算机软件转换为多信道光谱曲线，并且多信道光谱曲线通过显示数据线显示在显示器上。多信道光纤光谱仪不仅具有多信道、高速等特点，并且通过结合CMOS图像传感器的平面感知和较高的帧传输能力以及光学模块的集成制造技术，尺寸更小、成本更低，适合于规模化生产。