CN108107013A - 用于生物组织样品的非侵入式测量的紧凑光谱仪系统 - Google Patents

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Abstract

一种光谱仪，包括：照射部；接收部，被配置为检测从包括光学非均匀散射介质的对象所反射的辐射；硬件部，被配置为获得逆问题的解以重建光学非均匀散射介质的吸收光谱，其中，照射部包括至少一个发光二极管源，该至少一个发光二极管源的辐射光谱曲线被具有不同光谱透射曲线的至少两个光谱滤波器分割为至少两个光谱区域以形成与至少两个光谱源等价的辐射光谱，以及其中，硬件部基于关于照射部的辐射的光谱成分的信息、以来自光学非均匀散射介质的响应的形式获得的信号和接收部的光谱灵敏度曲线来请求逆问题的解。

Description

用于生物组织样品的非侵入式测量的紧凑光谱仪系统
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年11月25日向俄罗斯联邦知识产权局提交的第2016146355号俄罗斯专利申请的优先权，该俄罗斯专利申请的公开内容通过引用整体并入于此。
技术领域
示例性实施例涉及光学测量和光频谱学，特别是用于医疗设备和可穿戴医疗设备以分析来自人类的软生物组织——诸如皮肤、血液、生物体液等——的光学信号的散射和吸收的光谱依赖性。
背景技术
对软组织的物理特性和生物医学特性的各种非侵入式(例如，非破坏性)诊断方法被广泛使用。光频谱学方法是最具多功能性和大信息量的非侵入式诊断方法之一。
诸如皮肤、血液、器官粘膜等的人类生物组织被认为对于光辐射是光学非均匀介质。此外，人类软组织充满各种光吸收生物化学物质，诸如，水、血液、血红蛋白等。因此，当采用光辐射对组织进行照射时，已经进入组织的一部分辐射由于组织的解剖学和细胞学结构的不规则性而经历多次再反射。同时，光辐射被软组织中所包括的生物化学物质吸收。当在组织内多次再反射和吸收时，通常很小一部分辐射朝向外部发射。可以通过光接收器来检测此部分辐射。
人体的各种生物(或生物化学)物质展现出光辐射的吸收系数源自其光谱成分(spectral content)的显著依赖性，并且该依赖性被称为“吸收光谱”，该吸收光谱是物质的个体特性。采用具有预定功率和光谱成分的光辐射对生物组织进行辐照，并且进一步分析从该组织所返回的辐射的功率和光谱成分的改变，可以提供关于在生物组织中所包含的物质的吸收光谱和透射光谱的信息。另外，当通过使用算法来进行进一步的处理时，可以获得关于生物组织中各种光吸收生物化学物质的当前浓度的信息。
大部分用于分析透射穿过物质的辐射的光谱成分的现有设备是具有可观的尺寸和重量的固定的系统。然而，医疗装置发展的新近趋势需要设计个人便携式设备，以用于各种疾病的治疗和诊断和/或用于独立地对身体状况和生物化学状况的连续不间断监测，而无需医疗人员参与。
因此，期望的是设备的尺寸和重量使得设备是便携的并且可以由用户容易地携带。此外，关于对身体状况和生物化学状况的连续监测，期望的是设备与人的软生物组织持续接触并且执行对此组织的连续辐照和对所获得的结果的分析。例如，要与设备接触的生物组织是人类皮肤(例如，在具有预定厚度或更大厚度的区域中的，诸如腕部、耳垂等上的皮肤)。
发明内容
一个或多个示例性实施例提供了一种紧凑的非侵入式光谱仪系统，其提供了被检验的生物组织样品的连续的吸收光谱和/或透射光谱。
一个或多个示例性实施例还提供了一种具有期望的大小和功耗的紧凑的非侵入式光谱仪系统，其使得更加简单的、更加可靠的以及紧凑的光谱仪系统成为可能。
一个或多个示例性实施例还提供了一种针对被检验的人类生物组织样品的吸收光谱和透射光谱的重建重建(reconstruction)所设计的紧凑的非侵入式光谱仪系统。
一个或多个示例性实施例还提供了一种使用硬件组件和软件组件结合具有宽光谱特性的多个发光二极管源来实施的紧凑的非侵入式光谱仪系统，其中，使用多个特定的光谱滤波器以针对每个LED源获得具有窄光谱范围并且相对于彼此轻微移动的多个光谱曲线，并且通过对所获得的信号进行算法处理得到被检验的样品的吸收光谱和/或透射光谱的重建重建。
根据示例性实施例的方面，提供了一种光谱仪，包括：照射部，被配置为生成具有光谱成分的辐射；接收部，被配置为检测从包括光学非均匀散射介质的对象所反射的辐射，该接收部包括具有预定光谱灵敏度的至少一个光辐射接收器；硬件部，被配置为记录辐射，并且获得逆问题的解以重建对象中所包括的光学非均匀散射介质的吸收光谱，其中，照射部包括至少一个发光二极管源，该至少一个发光二极管源的辐射光谱曲线被具有不同光谱透射曲线的至少两个光谱滤波器分割为至少两个光谱区域，以形成与至少两个光谱源等价的辐射光谱，以及其中，硬件部被配置为基于关于照射部的辐射的光谱成分的信息、以来自光学非均匀散射介质的响应的形式获得的信号和接收部的光谱灵敏度曲线来请求(apply)逆问题的解。
照射部可以进一步包括多个红外发光二极管源。
照射部可以进一步包括重定向光学系统，该重定向光学系统被配置为将来自至少一个发光二极管源的辐射重定向到正被检验的对象的区域。
照射部可以进一步包括针对每个发光二极管源的一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件被配置为对辐射执行附加的对准。
照射部可以进一步包括针对每个发光二极管源的至少一个光谱滤波器，该至少一个光谱滤波器布置在至少一个发光二极管源的下游。
接收部可以包括附加的光学系统，该附加的光学系统被配置为将从对象所反射的辐射重定向到至少一个光辐射接收器。
接收部可以进一步包括至少一个光谱滤波器，该至少一个光谱滤波器布置在至少一个光辐射接收器的上游。
照射部可以进一步包括至少两个光谱滤波器，该至少两个光谱滤波器包括第一光谱滤波器和第二光谱滤波器，并且被配置为获得第一光谱滤波器的光谱曲线，该第一光谱滤波器的光谱曲线的最高点(peak)属于光学非均匀散射介质的工作光谱范围的下边界，其中，第二光谱滤波器的光谱曲线相对于第一光谱滤波器的光谱曲线移动以与第一光谱滤波器的光谱曲线部分重叠。
根据另一示例性实施例的方面，提供了一种光谱仪，包括：照射部，被配置为生成具有光谱成分的辐射；接收部，被配置为检测从包括光学非均匀散射介质的对象所反射的辐射，该接收部包括具有预定光谱灵敏度的至少一个光辐射接收器；硬件部，被配置为记录辐射，并且获得逆问题的解以重建对象中所包括的光学非均匀散射介质的吸收光谱，其中，照射部包括至少一个发光二极管源，该至少一个发光二极管源的辐射光谱曲线被具有不同光谱透射曲线的至少两个光谱滤波器分割为至少两个光谱区域，以形成与至少两个光谱源等价的辐射光谱，其中，硬件部被配置为基于关于照射部的光谱成分的信息、以来自光学非均匀散射介质的响应的形式获得的信号和接收部的光谱灵敏度曲线来请求逆问题的解，以及其中，光谱仪进一步包括参考部，其被配置为提供对来自照射部的辐射的功率的直接测量和对接收部的自动校准。
照射部可以进一步包括多个红外发光二极管源。
照射部可以进一步包括重定向光学系统，其被配置为将来自至少一个发光二极管源的辐射重定向到正被检验的对象的区域。
照射部可以进一步包括针对每个发光二极管源的一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件被配置为对辐射执行附加的对准。
照射部可以进一步包括针对每个发光二极管源的至少一个光谱滤波器，该至少一个光谱滤波器布置在至少一个发光二极管源的下游。
接收部可以包括附加的光学系统，其被配置为将从对象所反射的辐射重定向到至少一个光辐射接收器。
接收部可以进一步包括至少一个光谱滤波器，该至少一个光谱滤波器布置在至少一个光辐射接收器的上游。
照射部可以进一步包括至少两个光谱滤波器，该至少两个光谱滤波器包括第一光谱滤波器和第二光谱滤波器，并且被配置为获得第一光谱滤波器的光谱曲线，该第一光谱滤波器的光谱曲线的最高点属于光学非均匀散射介质的工作光谱范围的下边界，其中，第二光谱滤波器的光谱曲线相对于第一光谱滤波器的光谱曲线移动以与第一光谱滤波器的光谱曲线部分重叠。
根据又一示例性实施例的方面，提供了一种光谱仪，包括：照射部，包括至少一个发光二极管源，每个发光二级管源被配置为发射具有光谱成分的辐射；辐射接收器，被配置为检测从包括光学非均匀散射介质的对象所反射的辐射，该辐射接收器包括具有预定光谱灵敏度的至少一个光辐射接收器；处理器，被配置为基于关于由至少一个发光二极管源发射的辐射的光谱成分的信息、以来自光学非均匀散射介质的响应的形式获得的信号和辐射接收器的光谱灵敏度曲线，来对逆问题进行求解以重建对象中所包括的光学非均匀散射介质的吸收光谱。
照射部可以进一步包括至少两个光谱滤波器，其被配置为将至少一个发光二级管源的辐射光谱曲线分割为至少两个光谱区域。
至少两个光谱滤波器可以包括第一光谱滤波器和第二光谱滤波器，并且第二光谱滤波器的光谱曲线可以相对于第一光谱滤波器的光谱曲线移动以与第一光谱滤波器的光谱曲线部分重叠。
附图说明
通过参考附图描述特定示例性实施例，以上和/或其他方面将更加明显，在附图中：
图1示出了基于根据光谱范围分割辐射的光谱元件的光谱仪系统；
图2示出了基于多个发光二极管(LED)的光谱仪系统；
图3示出了根据示例性实施例的光谱仪系统的操作；
图4示出了根据示例性实施例的光谱仪的包括照射部和接收部的光学方案；
图5示出了根据示例性实施例的光谱仪的算法模块的示意图；
图6示出了根据示例性实施例的由光谱仪进行的被检验样品的重建的光谱的示例；
图7示出了根据示例性实施例的在辐射脉冲持续时间和功率的不同模式下LED源的光谱特性的示例；
图8示出了根据示例性实施例的光谱仪的包括照射部、接收部和参考部的光学方案；以及
图9示出了根据示例性实施例的光谱滤波器结合LED源的光谱特性的示例性曲线。
具体实施方式
由于本发明构思允许各种改变和多种示例性实施例，因此将在附图中示出并且在所撰写的说明书中详细地描述特定的示例性实施例。然而，这不意图将本公开限制于特定的实施模式，并且将意识到不背离本公开的精神和技术范围的所有修改、等价形式和/或替选方案被包含在本发明构思中。在说明书中，当认为现有技术的某些详细解释可能不必要地模糊本公开的实质时，对其进行省略。
图1示出了基于根据光谱范围分割辐射的光谱元件的光谱仪系统。图2示出了基于多个发光二极管(LED)的光谱仪系统。
图1和图2中所示的光谱仪系统基于以下原理：该原理基于对透射穿过光学介质的辐射的光谱成分的改变进行分析来确定非均匀光吸收介质的组成。
图1中所示的光谱仪系统是现有技术的基于钨灯(例如，具有钨灯丝的白炽灯)的光学频谱仪，如在第2014/0168636号美国专利申请中所公开地，并且包括：基于具有宽光谱范围的钨灯的至少一个辐射源，用于引导光朝向测试目标的引导和对准光学元件，以及具有光学系统、光检测器和用法布里-珀罗空腔(Fabry-Perot cavity)形式的按照光谱对光进行分割的元件的接收通道。
如图1所示，光谱仪1包括：光源设备2，发射光朝向测试目标A；分割设备3，具有用于分割由测试目标A所反射的测试目标光的校准器(etalon)5(例如，波长可变范围：380nm至780nm)；以及控制设备4，控制光谱仪1的整体操作。光源设备2包括光源单元21、光混合器22和透镜23，所有组件组合成一体。光源单元21具有发射白光的钨灯211、紫光LED 212以及反射从钨灯211和紫光LED 212所发射的光的反射器213。分割设备3包括具有凹面镜3A的设备主体30，该凹面镜3A用于对由测试目标A所反射的测试目标光进行反射，以使得测试目标光可以沿预定方向行进并且汇聚在校准器5上。设备主体30具有：校准器5(波长可变干涉滤波器)，对从凹面镜3A所接收的测试目标光进行分割；以及光接收单元31，接收在通过校准器5进行分割之后而具有各自波长的光。控制设备4包括光源控制单元41、测量控制单元42以及校正单元43。
光谱仪提供相当高的光谱分辨率，但是同时其具有若干缺点，具体地为：
1.使用钨灯决定了设备的大小相当地大，这不适合于可穿戴设备；
2.使用法布里-珀罗空腔作为光谱选择元件具有极其地低的效率。由于低的效率，此结构需要钨灯发射高功率的输入光，这对设备的大小及其电源施加了额外的需求，从而使得紧凑的设计几乎不可行；以及
3.另外，使用法布里-珀罗空腔对设备的光谱分辨率施加了实质的约束并且导致调整设备时的多方面的(manifold)复杂性，从而使得其装配以及随后运行中的改进复杂化。
图2中所示的光谱仪1是另一现有技术的基于使用发光二极管(LED)作为光辐射源的光学频谱仪，如在第WO 2010/082852号国际公布中所公开地，并且包括：多个LED 3、LED控制器电子器件4、用于将一部分辐射偏转到参考光检测器7的参考光纤2、检测器电子器件5、检测器光学元件8以及主光检测器6。还示出了检测器光学元件安装设备9以及允许光进出的窗口10。光谱分辨率在此由各自发射具有自己的光谱范围的辐射的很大数量的LED来提供，并且通过按照特定的序列各个地接通LED、随后对所获得的信号进行处理来实现系统的总效率。应当注意，使用有限数量的LED妨碍获得被检验的样品的连续的吸收光谱和/或透射光谱。
采用此结构的光谱仪光学元件，每个LED源仅提供被测量的样品的吸收曲线上的单个点。这意味整个被测量的吸收曲线将具有等于按照正被使用的LED的数量分割的、在其中进行测量的光谱范围的宽度的分辨率。
如上所述，现有技术的系统的缺点包括仅存在一种改进光谱分辨率的方式——具体地，通过增加LED源的数量——的事实，这导致不仅增加了设备的大小还增加了其功耗。增加的功耗使得紧凑的便携式设计不可行。
图3示意地示出了根据示例性实施例的紧凑的非侵入式光谱仪系统的操作。来自照射部20中所包括的一个或多个发光二极管(LED)源11的辐射穿过两个或更多个光谱滤波器23并且对包括软生物组织的样品12进行辐照。当在光学非均匀生物组织中多次再反射和部分吸收时，辐射以被散射的辐射13的形式从被检验的样品12发射。由于在被检验的样品12中对于各种光谱组成的不同吸收，被散射的辐射13的光谱成分与穿过光谱滤波器17的辐射的光谱成分不同。被散射的辐射13由辐射接收器14所接收，辐射接收器14被包括在接收部19中并且检测辐射13。从辐射接收器14所接收的信号进入在硬件部50中所包括的算法模块15。算法模块15还接收关于光谱滤波器17下游的辐射的光谱成分的数据。然后，通过对信号进行数学处理来以规范化的形式表示信号并且通过对逆问题进行求解，算法模块15重建被检验的样品的吸收光谱16。控制和信号处理单元51对LED源11、辐射接收器14和算法模块15执行监测和控制。包括算法模块15以及控制和信号处理单元51的硬件部50可以通过诸如微处理器的硬件处理器来实施和执行。
图4示出了根据示例性实施例的光谱仪的包括照射部和接收部的光学方案。
根据示例性实施例的紧凑的光谱仪系统将光学系统和软件组合在硬件组件和软件组件中，并且包括：
-照射部，生成具有响应于控制信号而变化的预定的光谱成分的辐射，并且包括至少一个LED源和至少两个光谱滤波器；
-接收部，检测从被分析的光学非均匀的、体散射介质返回的光学辐射，并且包括具有已知光谱灵敏度的至少一个光辐射接收器；
-硬件部，包括信号处理和控制单元以及算法模块，该硬件部提供逆问题的解以用于被检验的光学非均匀介质的吸收光谱的重建。
示例性实施例可以通过在光谱仪系统中组合包含软件的算法模块以及光学和机械设备来实施。
在根据示例性实施例的光谱仪系统中所包括的照射部使得能够在要被检验的样品的特定点处形成具有预定尺寸的、规则均匀照射的区域。
光谱仪系统的接收部被设计为检测来自照射部的、在穿过被检验的样品之后返回的光辐射。在图4中示出了照射部和接收部以及其布置和交互的示例性实施例。
参考图4，来自LED源111的辐射穿过意图用于辐射的附加的对准并且具有透镜元件112的形式的光学元件，然后穿过光谱滤波器113，该光谱滤波器113执行透射的辐射的光谱特性到期望形式的附加的转换，具体地，改变光谱特性的形状并且移动光谱特性的中央最高点。然后，辐射进入重定向光学系统，该重定向光学系统包括：包含反射材料的重定向元件114和汇聚柱体117的圆锥部，其一起形成了改变辐射方向以便提供要被检验的样品115的期望区域的均一照射的空气光导(air light guide)。在进入样品115处，辐射从样品/空气界面部分地反射，并且部分地进入样品115。从样品/空气界面反射的辐射通过使用接收部的以下特定结构而被从光谱仪的光学路径有效地移除：接收部的特定结构的第一元件是防止在样品/空气界面处被散射的辐射进入接收部的厚壁柱体。进入样品115的体而达到被检验区域119的辐射经历了来自样品115的结构异质性的多次再反射，并且作为再反射的结果，其沿相反方向从样品115被部分地发射。在沿相反方向被发射之后，辐射进入根据示例性实施例的光谱仪的接收部。在此，辐射穿过附加的光学系统并且然后进入以单一(sole)光检测器形式提供的辐射接收器118，该附加的光学系统被设计为使光辐射重定向并且包括对准透镜116和包括反射材料的汇聚柱体117。
图5示出了在根据示例性实施例的算法模块中处理所获得的信号的示意图。
在示例性实施例中，LED源以脉冲模式进行操作。因此，如上所述，使用不同的脉冲持续时间和功率以及接连地接通具有多个光谱滤波器的多个LED源，可以获取关于被检验的样品的光谱响应的线性无关数据集合。数据构成了线性无关方程(equation)系统。另外，为了增加线性无关方程的数量，多个检测器可以与具有不同的光谱透射最高点值的附加的光学滤波器一起使用。所有这些措施使得能够增加线性无关方程的数量，并且因此，提高吸收光谱和透射光谱的精度。
可以通过对矩阵形式的线性方程系统进行求解来获得重建的光谱，如在方程(1)中所表示地：
Az＝u，
其中，A是根据LED的光谱特性所确定的系数矩阵；u是自由项——在光检测器上所测量的数据——的矩阵；z是要重建的光谱。
在此问题中，矩阵A可能是病态的。因此，线性方程统(1)的解可能不正确。对其解的最精确和最可忍受的方法之一是吉洪诺夫正则化方法(Tikhonov’s method ofregularization)。
吉洪诺夫正则化方法涉及正则参数α的引入，其中，α>0。方程(2)被表示为：
(αE+ATA)zα＝ATu,(2),
其中，E是单位矩阵。
可以通过任何已知方法——例如，通过最小二乘法——来求解线性方程系统(2)。在示例性实施例中，可以使用QR分解。
因为LED和光检测器的光谱特性受其温度影响，所以为了提高吸收光谱和透射光谱的重建的精度，可以使用关于LED源和光检测器的当前温度的数据。当设置矩阵A时，可以考虑温度数据。
线性方程系统(2)提供了被检验的样品的重建的吸收光谱或透射光谱。重建的光谱随波长是连续的。在图6中示出了被检验的样品的重建的吸收光谱的示例以及其与原始吸收光谱的比较。
在示例性实施例中所使用的LED源和光谱滤波器的集合允许以下述方式获得相对于彼此移动的各个光谱曲线，如图9所示。参考图9，选择第一光谱滤波器1的光谱曲线使得其最高点落在被检验的光谱范围的下边界，并且光谱曲线的宽度足够与之后的光谱滤波器2的光谱曲线部分重叠。每个随后的光谱滤波器的光谱曲线相对于前一曲线移动，使得光谱曲线最高点相对于彼此移动，并且这样，基于其足够的宽度，光谱曲线彼此部分重叠。因为LED源的光谱特性3足够宽，所以用于单个LED源的多个光谱滤波器的集合使得能够获得连续移动的光谱曲线的集合。在两个LED源的光谱特性的边界，对滤波器的光谱曲线进行选择以便确保光谱曲线的连续移动。另外，发明的紧凑的非侵入式光谱仪系统的电子路径被设计为使得LED源的脉冲长度和辐射功率可以变化。其还进一步允许LED源由于其加热或冷却造成的光谱特性的移动。
采用对LED源的光谱特性、滤波器的光谱曲线以及光谱仪的电子路径的集合的此选择，LED源的光谱特性的整体被用于随后被检验的样品的吸收光谱的重建。在这种情况下，不是如在所描述的现有技术的系统中那样求解对吸收光谱进行测量的直接问题，而是求解根据来自被检验的样品的已知光谱响应对吸收光谱进行重建的逆问题。通过使该逆问题求解，根据示例性实施例的光谱仪系统未对光谱分辨率的量级施加约束，并且允许以最小数量的使用光谱曲线、以高精度地对被检验的样品的光谱吸收曲线进行重建，并且因此，使用最小数量的LED源。
另外，为了提高被检验的样品的吸收光谱的重建的精度并且为了考虑LED源的可能的退化过程，根据示例性实施例的紧凑的非侵入式光谱仪可以补充有参考部121，如图8所示。在示例性实施例中，参考部121包括紧邻LED源布置的单个光检测器，其意图对由LED源所发射的辐射的整体功率进行直接测量。
为了提高被检验的样品的吸收光谱的重建的精度，期望增加针对正在被检验的每个样品的独立测量的数量。实现其的最简单的方法之一是控制LED源的功率和脉冲持续时间。LED源的辐射的光谱成分被已知依赖于辐射的脉冲(例如，处于LED源的脉冲操作模式中)的持续时间和控制信号(例如，电流或电压)的量级，其与LED源的功率成比例。因此，根据由信号处理和控制单元针对LED源的持续时间和功率进行的控制，可以有效地变化LED源的光谱特性，以及针对单个被检验的样品并且针对单个LED源可以增加独立的测量的数量。当存在多个LED源时，多个LED源接连地被接通，并且针对多个LED源中的每个，在由不同的脉冲持续时间和不同的功率所表征的多个状态中进行测量。图7示出了在示例性实施例中可以使用的LED源的典型光谱特性以及其对辐射脉冲的持续时间及其功率的依赖性。
来自光检测器的所有信号被转发到对被检验的样品的吸收光谱和透射光谱进行重建的算法模块。
根据已知输出信号对原始信号进行重建或解释是逆问题求解的经典示例。在示例性实施例中，逆问题求解涉及：根据样品对具有预先已知光谱成分的辐射的已知响应来找到被检验的样品的吸收光谱曲线的真实形状。
根据示例性实施例，通过使用针对体散射、光学非均匀介质的吸收光谱或透射光谱的非侵入式测量的光谱仪的硬件组件和软件组件，以及光谱仪的光学系统和用于吸收光谱和/或透射光谱的重建的算法部的实施例得到了技术效果，该光谱仪具有紧凑的设计并且使得能够获得被检验的人类软生物组织的样品的连续的吸收光谱和/或透射光谱。
根据示例性实施例，由如在附图中示出的方框所表示的组件、元件、模块或单元中的至少一个可以被体现为各种数量的、执行以上描述的相应的功能的硬件、软件和/或固件结构。例如，这些组件、元件或单元中的至少一个可以使用直接的电路结构，诸如存储器、处理器、逻辑电路、查找表等，其可以通过一个或多个微处理器或其他控制装置的控制来执行相应的功能。另外，这些组件、元件或单元中的至少一个可以具体地通过模块、程序或代码部分来体现，其包含用于执行特定的逻辑功能并且由一个或多个微处理器或其他控制装置所执行的一个或多个可执行指令。另外，这些组件、元件或单元中的至少一个可以进一步包括诸如执行相应的功能的中央处理单元(CPU)的处理器、微处理器等，或者由其来实施。这些组件、元件或单元中的两个或更多个可以被组合到一个单个组件、元件或单元，其可以执行组合后的两个或更多个组件、元件或单元的所有操作或功能。另外，这些组件、元件或单元中的至少一个的至少部分功能可以由这些组件、元件或单元中的另一个来执行。此外，尽管在以上框图中未示出总线，但是可以通过总线来执行组件、元件或单元之间的通信。以上示例性实施例的功能方面可以实施为运行在一个或多个处理器上的算法。此外，由方框或处理步骤所表示的组件、元件或单元可以采用任何数量的、现有技术中的用于电子配置、信号处理和/或控制、数据处理等的技术。
在此所使用的“单元”或“模块”可以是诸如处理器或电路的硬件组件，和/或由诸如处理器的硬件组件所运行的软件组件。
虽然已经参考附图描述了一个或多个示例性实施例，但是本领域普通技术人员将理解的是，其中可以在形式上和细节上进行各种改变，而不背离如由所附权利要求限定的本发明构思的精神和范围。

Claims (19)

1.一种光谱仪，包括：
照射部，被配置为生成具有光谱成分的辐射；
接收部，被配置为检测从包括光学非均匀散射介质的对象所反射的辐射，所述接收部包括具有预定光谱灵敏度的至少一个光辐射接收器；
硬件部，被配置为记录辐射，并且获得逆问题的解以重建对象中所包括的光学非均匀散射介质的吸收光谱，
其中，所述照射部包括至少一个发光二极管源，所述至少一个发光二极管源的辐射光谱曲线被具有不同光谱透射曲线的至少两个光谱滤波器分割为至少两个光谱区域以形成与至少两个光谱源等价的辐射光谱，以及
其中，所述硬件部被配置为基于关于所述照射部的辐射的光谱成分的信息、以来自光学非均匀散射介质的响应的形式获得的信号和所述接收部的光谱灵敏度曲线来请求逆问题的解。
2.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述照射部进一步包括多个红外发光二极管源。
3.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述照射部进一步包括重定向光学系统，所述重定向光学系统被配置为将来自所述至少一个发光二极管源的辐射重定向到正被检验的对象的区域。
4.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述照射部进一步包括针对每个发光二极管源的一个或多个光学元件，所述一个或多个光学元件被配置为对辐射执行附加的对准。
5.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述照射部进一步包括针对每个发光二极管源的至少一个光谱滤波器，所述至少一个光谱滤波器布置在所述至少一个发光二极管源的下游。
6.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述接收部包括附加的光学系统，所述附加的光学系统被配置为将从对象所反射的辐射重定向到所述至少一个光辐射接收器。
7.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述接收部进一步包括至少一个光谱滤波器，所述至少一个光谱滤波器布置在所述至少一个光辐射接收器的上游。
8.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述照射部进一步包括至少两个光谱滤波器，所述至少两个光谱滤波器包括第一光谱滤波器和第二光谱滤波器，并且被配置为获得第一光谱滤波器的光谱曲线，所述第一光谱滤波器的光谱曲线的最高点属于光学非均匀散射介质的工作光谱范围的下边界，其中，第二光谱滤波器的光谱曲线相对于第一光谱滤波器的光谱曲线移动以与第一光谱滤波器的光谱曲线部分重叠。
9.一种光谱仪，包括：
照射部，被配置为生成具有光谱成分的辐射；
接收部，被配置为检测从包括光学非均匀散射介质的对象所反射的辐射，所述接收部包括具有预定光谱灵敏度的至少一个光辐射接收器；
硬件部，被配置为记录辐射，并且获得逆问题的解以重建对象中所包括的光学非均匀散射介质的吸收光谱，
其中，所述照射部包括至少一个发光二极管源，所述至少一个发光二极管源的辐射光谱曲线被具有不同光谱透射曲线的至少两个光谱滤波器分割为至少两个光谱区域以形成与至少两个光谱源等价的辐射光谱，
其中，所述硬件部被配置为基于关于所述照射部的辐射的光谱成分的信息、以来自光学非均匀散射介质的响应的形式获得的信号和所述接收部的光谱灵敏度曲线来请求逆问题的解，以及
其中，所述光谱仪进一步包括参考部，所述参考部被配置为提供对来自所述照射部的辐射的功率的直接测量和对所述接收部的自动校准。
10.根据权利要求9所述的光谱仪，其中，所述照射部进一步包括多个红外发光二极管源。
11.根据权利要求9所述的光谱仪，其中，所述照射部进一步包括重定向光学系统，所述重定向光学系统被配置为将来自所述至少一个发光二极管源的辐射重定向到正被检验的对象的区域。
12.根据权利要求9所述的光谱仪，其中，所述照射部进一步包括针对每个发光二极管源的一个或多个光学元件，所述一个或多个光学元件被配置为对辐射执行附加的对准。
13.根据权利要求9所述的光谱仪，其中，所述照射部进一步包括针对每个发光二极管源的至少一个光谱滤波器，所述至少一个光谱滤波器布置在所述至少一个发光二极管源的下游。
14.根据权利要求9所述的光谱仪，其中，所述接收部包括附加的光学系统，所述附加的光学系统被配置为将从对象所反射的辐射重定向到所述至少一个光辐射接收器。
15.根据权利要求9所述的光谱仪，其中，所述接收部进一步包括至少一个光谱滤波器，所述至少一个光谱滤波器布置在所述至少一个光辐射接收器的上游。
16.根据权利要求9所述的光谱仪，其中，所述照射部进一步包括至少两个光谱滤波器，所述至少两个光谱滤波器包括第一光谱滤波器和第二光谱滤波器，并且被配置为获得第一光谱滤波器的光谱曲线，所述第一光谱滤波器的光谱曲线的最高点属于光学非均匀散射介质的工作光谱范围的下边界，其中，第二光谱滤波器的光谱曲线相对于第一光谱滤波器的光谱曲线移动以与第一光谱滤波器的光谱曲线部分重叠。
17.一种光谱仪，包括：
至少一个发光二极管源，每个发光二级管源被配置为发射具有光谱成分的辐射；
辐射接收器，被配置为检测从包括光学非均匀散射介质的对象所反射的辐射，所述辐射接收器具有预定光谱灵敏度；
处理器，被配置为基于关于由所述至少一个发光二极管源发射的辐射的光谱成分的信息、以来自光学非均匀散射介质的响应的形式获得的信号和辐射接收器的光谱灵敏度曲线，来对逆问题进行求解以重建对象中所包括的光学非均匀散射介质的吸收光谱。
18.根据权利要求17所述的光谱仪，其中，进一步包括至少两个光谱滤波器，所述至少两个光谱滤波器被配置为将所述至少一个发光二级管源的辐射光谱曲线分割为至少两个光谱区域。
19.根据权利要求18所述的光谱仪，其中，所述至少两个光谱滤波器包括第一光谱滤波器和第二光谱滤波器，并且第二光谱滤波器的光谱曲线相对于第一光谱滤波器的光谱曲线移动以与第一光谱滤波器的光谱曲线部分重叠。
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