CN109964104A - 具有反射楔形结构的紧凑型光谱仪 - Google Patents
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Abstract
描述了使用静态傅立叶变换干涉仪(SFTI)立方体结构来提供紧凑型光谱仪的系统和方法，诸如适用于移动和便携式电子设备。实施例中的SFTI立方体(120)包括整体的双镜面楔形分束器结构，其中镜面楔形表面提供两个反射镜，其与正交方向略微倾斜，使得合成光束彼此交叉并形成干涉图案。采用SFTI立方体(120)有助于获得高度紧凑的光谱仪配置，其具有宽波长范围、高分辨率、高效和低成本。
Description
技术领域
本发明涉及光学光谱仪技术，特别涉及适用于移动和便携式电子设备的、具有反射楔形结构的紧凑型光谱仪装置。
背景技术
光谱仪用于分离和测量光的光谱分量。例如，光谱仪可以分离白光，并测量各个窄带颜色(即光谱)。这种光谱仪有助于发挥光谱学的能力，例如可用于化学分析以识别化学组成。因此，光谱仪已经被广泛应用，例如食品安全和质量控制、医疗保健和医学、材料科学、天文学等。
光谱仪已经从相对较大的独立装置(例如，单元尺寸175mm×110mm×44mm、具有运行波长范围200-1100nm、并提供0.05-20nm的分辨率)演变为更紧凑、迷你的光谱仪装置(例如，单元尺寸12mm×20mm×10mm、具有运行波长范围340-780nm，并提供15nm的分辨率)。最近，光谱仪已被实现为智能手机的外部附件(例如，可附接附件的尺寸为55mm×20mm×20mm、具有运行波长范围为380-750nm、并且提供10nm的分辨率)。所有这些尺寸的光谱仪通常具有一个或多个缺点，例如尺寸相对较大、稳定性低、分辨率低、波长范围窄等。
到现在为止，与主机智能手机的尺寸相比，用于实现智能手机光谱仪外部附件的装置还很大，而且需要精密和复杂的准直器、光栅和/或滤光器装置。现有的基于智能手机的光谱仪除了尺寸大外，通常分辨率还低，测量的波长范围也窄，例如美国专利号7,420,663、8,861,086和9,185,200的基于智能手机的光谱仪，和2011年3月2日在PLOS OneJournal e17150中所述的基于智能手机的光谱仪都采用了复杂的光栅结构。上述美国专利号9,185,200的基于智能手机的光谱仪和上述PLOS One Journal中所述的基于智能手机的光谱仪还采用了复杂的准直系统。在另一种采用光栅的装置中，美国专利号8,654,347的基于智能手机的光谱仪采用了一个复杂的法布里-珀罗滤波器装置。另外，在美国专利号8,086,266的基于蜂窝电话的光谱仪中，另一种基于传统迈克尔逊干涉仪的配置包括移动和分离的机械部件和复杂的微机电系统，这些系统需要从电话提供额外的电力。上述光谱仪装置在其设计中需要移动和/或分离的机械部件，这极大地影响了光谱测量的准确性(例如，在操作期间，外部振动会影响反射器运动的稳定性，这限制了在强烈振动条件下使用这些光谱仪的能力)。除了低振动稳定性之外，可用于智能手机平台的、使用光栅或滤波器配置的现有光谱仪受限于大尺寸、低分辨率、低效和/或窄波长范围。
发明内容
本发明涉及的系统和方法提供包含SFTI立方体结构的静态傅立叶变换干涉仪(static Fourier transform interferometer，SFTI)紧凑型光谱仪。本发明实施方式中的SFTI紧凑型光谱仪采用的SFTI立方体结构消除或避免了对现有光谱仪常见的光栅、准直器和滤光器结构的需要。此外，根据本发明的构思，SFTI立方体有助于实现高度紧凑的光谱仪结构，其具有宽波长范围、高分辨率、高效和低成本的优点。
本发明实施方式中的SFTI紧凑型光谱仪的SFTI立方体包括双楔形分束器结构。SFTI立方体可以包括设置在分束器的两个输出表面上的镜面楔形表面。SFTI立方体的镜面楔形表面提供了两个反射镜，其与相应的正交立方体面略微倾斜(这里称为从正交方向倾斜)，使得合成的光束彼此交叉并形成干涉图案。
SFTI立方体可以是一个整体结构，例如可以包括光学玻璃。例如，提供双镜面楔形表面的楔形可以形成在立方体结构的整体材料中(例如，从光学玻璃立方体上移除一个或多个楔形，其中楔形的剩余表面是镜面)。另外或可替代地，具有双楔形镜面表面的楔形物可以形成在立方体结构的一部分整体材料上(例如，一个或多个光学玻璃楔形物添加到光学玻璃立方体上，其中添加的楔形表面是镜面的)。根据实施例，可以利用在整体材料中形成楔形表面和在整体材料上形成楔形表面的组合来提供SFTI紧凑型光谱仪的SFTI立方体的双镜面楔形表面。
无论楔形表面的特定实施方式如何，根据本发明的构思，本发明SFTI立方体的整体实施方式有助于获得紧凑且高度稳定的光谱仪装置。例如，根据本发明整体结构的SFTI立方体除了尺寸紧凑外，还消除了可活动的光学部件(如活动镜)以及单独的反射镜结构，从而解决了振动稳定性问题。另外，SFTI结构确保了在视场中零光程差(zero opticalpath difference，ZOPD)的位置，使得能够观察宽带光源的干涉条纹，这对于优异的光谱检测性能是必不可少的。
前面已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解随后对本发明的详细描述。在下文中，将描述本发明的附加特征和优点，其形成本发明权利要求的主题。本领域技术人员应该理解，所公开的构思和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于作为实现本发明相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应该认识到，这种等同结构不脱离所附权利要求所阐述的本发明精神和范围。在结合附图考虑时，从以下描述将更好地理解被认为是本发明特征的新颖特征、其组织和运行方法、以及其他目的和优点。然而，应该清楚地理解，提供的每个附图仅仅是为了说明和描述的目的，而不是作为对本发明限制的定义。
附图说明
为了更全面地理解本发明，现参考以下结合附图的描述，其中：
图1显示根据本发明实施例的包括SFTI立方体结构的静态傅里叶变换干涉仪(SFTI)紧凑型光谱仪的功能框图。
图2A-2C显示根据本发明实施例的SFTI紧凑型光谱仪的外部附件配置。
图2D显示根据本发明实施例的SFTI紧凑型光谱仪的嵌入式配置。
图3显示根据本发明实施例的SFTI紧凑型光谱仪的独立单元配置。
图4显示根据本发明实施例的基于处理器的应用的功能框图，该应用被配置以提供使用SFTI立方体拍摄干涉图并将干涉图变换为光谱数据。
图5A-5F显示有关根据本发明实施例的SFTI立方体的细节。
图6显示用于模拟根据本发明实施例的SFTI紧凑型光谱仪运行的实验SFTI立方体实施。
图7A-7E和8A-8E显示图6的SFTI立方体实施的实验结果。
具体实施方式
图1显示根据本发明实施例的静态傅立叶变换干涉仪(SFTI)紧凑型光谱仪装置的功能框图，其包括SFTI立方体结构。图1所示实施例的SFTI紧凑型光谱仪100包括光源110、SFTI立方体120、透镜130和140、光检测器150和干涉图变换处理逻辑160，它们可协同运行以提供具有宽波长范围、高分辨率、高效和低成本的高度紧凑型光谱仪配置。
在SFTI紧凑型光谱仪100实施例的运行中，光源转换器110将入射光101(例如从一个样本发射和/或反射的光，图中未显示，将对其进行光谱分析)引导至SFTI立方体120。在根据实施例运行时，光源转换器110将入射光转换为点光源或平行光源。实施例的光源转换器110可以对入射光101进行点光源转换，并提供给SFTI立方体120。用于将入射光转换为点光源的光源转换器的示例包括透镜、狭缝、针孔和光纤连接器。用于将入射光转换为平行光源的光源转换器的示例包括准直器。
实施例的SFTI立方体120提供一个双楔形分束器结构，其包括设置在分束器两个输出表面的镜面楔形表面。SFTI立方体120优选地是一个整体结构，诸如包括光学玻璃(例如BK7光学玻璃)或其他合适的光学材料(例如熔融石英(fused quartz,fused silica)、光学级塑料等)的一个整体结构。从以下描述将可以更好地理解，SFTI立方体120的镜面楔形表面提供两个反射镜，这些反射镜从正交方向略微倾斜，使得合成的光束彼此交叉并形成干涉图案。因此，SFTI立方体120将干涉图案形式的光输出到SFTI紧凑型光谱仪100的下游部件。
实施例中的透镜130和140将由SFTI立方体120输出的干涉图案光聚焦在光检测器150的成像表面上。应当理解，尽管在SFTI紧凑型光谱仪100的所述实施例中示出了两个透镜，但可以使用更多或更少数量的透镜。例如，从以下讨论将可以更好地理解，其中SFTI紧凑型光谱仪是以一个外部附件装置提供的(例如可附接到诸如数码相机、智能手机、个人数字助理(PDA)、平板设备、笔记本计算机等设备上)，用于与具有一个或多个透镜(如透镜140)的图像拍摄设备(如主设备数字相机)协同运行，配置一个额外透镜(如透镜130)以优化从SFTI立方体120输出的光，以便由光检测器150捕获。或者，如果包括图像拍摄设备(如内部数字相机)的单元中提供SFTI紧凑型光谱仪，那么可以将透镜130和140组合成单个透镜，其被配置为优化从SFTI立方体120输出的光，以便由光检测器150捕获。
光检测器150包括光传感器阵列，其可捕获从SFTI立方体120输出的干涉图案光，以提供干涉图(如干涉图102)。光检测器150可以包括互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器、电荷耦合器件(CCD)图像传感器、或适合于根据本发明构思的拍摄干涉图的其他传感器阵列技术。应当理解，光检测器150可以以各种配置提供，例如可以配置用于拍摄彩色图像，用于拍摄黑白图像，用于拍摄不可见光(例如红外光、近红外光和/或紫外光)图像。另外或可替代地，光检测器150可以包括SFTI紧凑型光谱仪100的外部附件配置的主设备的传感器阵列(如外部附件的数码相机、智能手机、PDA、平板设备、笔记本计算机等的数码相机传感器)、专用传感器阵列(例如，包括图像拍摄设备的SFTI紧凑型光谱仪的嵌入式传感器阵列)等。在既具有彩色光传感器又具有单色光传感器的实施例中(例如，主机智能手机配置，如华为P10，既具有彩色相机又具有单色相机)，优选实施例采用单色光源作为光谱仪检测器，因为没有拜耳滤光片(RGB彩色滤光片阵列)，单色光源通常具有更高效、更高的空间分辨率和更准确的光强度检测。
干涉图变换处理逻辑160包括将光检测器150提供的干涉图变换成相应的光谱数据(如光谱数据103)的逻辑。干涉图变换处理逻辑160可以包括存储在计算机可读存储器(如随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、闪存、磁存储器、光存储器等)中的代码(如软件、固件、应用代码、计算机指令集、小应用程序、智能设备应用程序等)，并由基于通用处理器的主机系统(如智能手机、PDA、平板设备、数码相机、笔记本电脑、服务器等)的一个或多个处理器(如中央处理单元CPU、图形处理单元GPU、微处理器MPU等)执行。另外或替代地，干涉图变换处理逻辑160可以包括硬件逻辑电路(如由专用集成电路ASIC、现场可编程门阵列FPGA等提供的逻辑电路)。不管具体如何实施，本发明实施例的干涉图变换处理逻辑160被配置为将干涉图变换为相应的光谱数据。例如，干涉图变换处理逻辑160可以实施傅立叶变换计算，以将原始干涉图数据变换为观察到的入射光的实际光谱的数据表示，例如用于分析包含与样本物质或混合物相关的吸收或发射特征的光。
从前述内容应当理解，图1的SFTI紧凑型光谱仪100可以实施为各种配置。例如，如图2A-2C所示，符合图1所示实施例的SFTI紧凑型光谱仪可以被实施为一个外部附件配置。如图2D所示，符合图1所示实施例的SFTI紧凑型光谱仪可以实施为一个嵌入式配置。如图3所示，符合图1所示实施例的SFTI紧凑型光谱仪可以实施为一个独立单元。
图2A和2B的外部附件配置显示了与主机设备的图像拍摄设备(如数码相机)协同运行的实施示例。在图2A的SFTI紧凑型光谱仪200A和图2B的SFTI紧凑型光谱仪200B的实施例中，光源转换器110、SFTI立方体120和透镜130设置在外围单元210里，外围单元210被配置以外接于智能手机220上，与其内部数码相机(如包括透镜140和光检测器150)邻接。图2B的SFTI紧凑型光谱仪200B包括反射镜201，其设置在外围单元210中，并在光源转换器110和SFTI立方体120之间的光路径上，以便旋转SFTI紧凑型光谱仪捕获的入射光方向(例如用于SFTI紧凑型光谱仪200B的智能手机宽边采样，而不是SFTI紧凑型光谱仪200A的智能手机边缘端采样)。SFTI紧凑型光谱仪200A、200B的透镜130被配置以与智能手机220的透镜140协同运行，以优化从SFTI立方体120输出的光，以便由智能手机220的光检测器150捕获。可以控制智能手机220以使光检测器150拍摄通过外围单元210组件的光的图像(如使用内部数码相机拍摄)，从而捕获从SFTI立方体120输出的干涉图案光以提供干涉图。SFTI紧凑型光谱仪200A、200B的干涉图变换处理逻辑160可以包括由智能手机220的处理器执行的代码，以根据本发明概念将干涉图变换成相应的光谱数据。得到的光谱数据可以存储在智能手机220的存储器中，在智能手机220的显示器上显示(如作为光谱图)给用户，和/或传送到一个或多个外部设备(如计算机工作站、服务器等)用于存储、显示和/或进一步处理等。
图2C的外部附件配置显示了这样一个实施例子：光源转换器110(以及反射镜201，或者没有，这取决于SFTI紧凑型光谱仪捕获的入射光的期望方向)、SFTI立方体120、透镜130，和光检测器150都设置在外围单元210中。因此，该实施例的SFTI紧凑型光谱仪200C的外围单元210包括可拍摄干涉图的图像拍摄设备(如内部数字相机)。在运行时，可以控制光检测器150(如通过智能手机220)以拍摄通过外围单元210组件的光的图像(如拍摄照片)，从而捕获从SFTI立方体120输出的干涉图案光，用于提供干涉图。可以理解，在图2C的SFTI紧凑型光谱仪200C的实施例中，未使用智能手机220的内部数字相机，在不使用图1所示透镜140的情况下，透镜130可以被配置以优化从SFTI立方体120输出的光以被光检测器150捕获。根据一些实施例，在不使用透镜(如透镜130和透镜140)的情况下，光检测器150也可以用于拍摄干涉图，虽然图像质量可能不是优化的，光检测器150应尽可能靠近SFTI立方体120。图2C所示实施例的SFTI紧凑型光谱仪200C的外围单元210虽然外接到智能手机220，但并不邻接于其内部数码相机。相反，SFTI紧凑型光谱仪200C的外围单元210显示为邻接到智能手机220的数据接口203(如微型通用串行总线USB端口，LIGHTNING端口等)。相应地，SFTI紧凑型光谱仪200C的外围单元210包括数据接口202，用于将外围单元210内的组件与智能手机220的组件相互连接，例如用于干涉图数据的通信，控制各种组件用于SFTI紧凑型光谱仪运行等。数据接口202和203可以将光检测器150提供的干涉图数据传递到干涉图变换处理逻辑160。SFTI紧凑型光谱仪200C的干涉图变换处理逻辑160可以包括由智能手机220处理器执行的代码，以将干涉图变换成相应光谱数据。得到的光谱数据可以存储在智能手机220的存储器中，在智能手机220的显示器上显示(如作为光谱图)给用户，和/或传送到一个或多个外部设备(如计算机工作站、服务器等)用于存储、显示和/或进一步处理。
根据本发明实施例，包括SFTI立方体的外部附件配置，如图2A-2C的那些，提供了一种高分辨率的SFTI紧凑型光谱仪的紧凑实施方式。例如，图2A和2B的外部附件配置可以体现为8mm×10mm×20mm的尺寸，其中使用智能手机主机而形成的SFTI紧凑型光谱仪可以提供<2nm@400nm、<3nm@600nm、<5nm@1000nm的光谱分辨率。
外部附件配置也可以是不同于所示示例的尺寸。例如，包括本发明实施例的SFTI立方体的外部附件配置可以作为一个附件嵌入到智能手机外壳中。
图2D显示SFTI紧凑型光谱仪嵌入到一个主机设备如移动或便携式设备中的实施例。特别地，图2D的嵌入式配置显示的实施示例是SFTI紧凑型光谱仪嵌入在智能手机220内。在图2D的SFTI紧凑型光谱仪200D的实施例中，光源转换器110(以及反射镜201，或者没有，这取决于SFTI紧凑型光谱仪捕获的入射光的期望方向)、SFTI立方体120、光检测器150和干涉图变换处理逻辑160都置于智能手机220中。尽管未在所述示例中示出，但是透镜(如透镜130和/或透镜140)可以配置在SFTI立方体120和光检测器150之间，以优化从SFTI立方体120输出的光，以便由智能手机220的光检测器150捕获。应当理解，上述各种SFTI紧凑型光谱仪组件(如光源检测器150、干涉图变换处理逻辑160的处理器等)可以是智能手机用于其他用途和/或由智能手机其他应用(如相机应用)使用的组件。光源转换器110、反射镜201、SFTI立方体120、光检测器150和干涉图变换处理逻辑160中的每个，都可以以上述类似方式，在SFTI紧凑型光谱仪200D的嵌入式实施例中运行。因此，实施例的SFTI紧凑型光谱仪200D可以包括处理器和存储器，其中干涉图变换处理逻辑160可以包括由处理器执行的代码，以根据本发明的构思将干涉图变换成相应的光谱数据。得到的光谱数据可以存储在存储器中，在智能手机220的显示器(图中未示出)上显示(如作为光谱图)给用户，和/或传送到一个或多个外部设备(如计算机工作站、服务器等)用于存储、显示和/或进一步处理。
应当理解，尽管已经描述了有关被物理附接到主机设备(如图2A-2C的智能手机220)或嵌入到主机设备(如图2D)中的外围单元210的实施例，但本发明不限于物理连接到主机设备。例如，数据接口202和203可以包括无线接口(如提供蓝牙、WiFi、红外等数据通信链路)，以促进外围单元210组件与主机设备(如智能手机220)之间的通信。在该实施例中，外围单元210的组件可以关于主机设备被远程使用，以捕获由一个样本发射和/或反射的入射光，而该样本将要被执行光谱学分析。
图3的独立单元配置显示这样一种示例实施，其中SFTI紧凑型光谱仪被配置在一个包括图像拍摄设备(如内部数字相机)的单元中，因此可以不用主机设备的图像拍摄设备。在图3的SFTI紧凑型光谱仪300的实施例中，光源转换器110(以及反射镜201，或者没有，这取决于SFTI紧凑型光谱仪所捕获的入射光的期望方向)、SFTI立方体120、透镜130、光检测器150和干涉图变换处理逻辑160配置在独立单元310中。光源转换器110、反射镜201、SFTI立方体120、透镜130、光检测器150和干涉图变换处理逻辑160中的每个都可以以上述类似方式，在SFTI紧凑型光谱仪300的独立单元中运行。因此，SFTI紧凑型光谱仪300可包括处理器和存储器，其中干涉图变换处理逻辑160可以包括由处理器执行的代码，以根据本发明的构思将干涉图变换成相应的光谱数据。得到的光谱数据可以存储在存储器中，在连接到独立单元310的显示器(图中未显示)上显示(如作为光谱图)给用户，和/或传送到一个或多个外部设备(如计算机工作站、服务器等)用于存储、显示和/或进一步处理。
基于处理器的应用程序(如软件、固件、应用程序代码、计算机指令集、小应用程序、智能设备应用程序等)的功能框图可以包括干涉图变换处理逻辑160，如图4所示。图4的应用程序400可以由智能手机220的处理器执行，以通过使用SFTI立方体拍摄干涉图，并将干涉图转换成光谱数据。然而，应当理解，应用程序400或其部分可以附加地或替代地，在附加的或替代的基于处理器的平台(如计算机工作站、服务器等)上执行。
在所述实施例的应用程序400的方框401处，加载应用程序并可以执行一个或多个校准。在运行时，可以使用一个或多个已知波长的激光器来校准SFTI紧凑型光谱仪。例如，可以使用两个或更多个激光器来向SFTI光谱仪提供已知波长的入射光，并拍摄激光器的干涉图照片。使用已知波长光拍摄的干涉图，可以生成SFTI紧凑型光谱仪的校准文件并存储，稍后用于对光谱仪运行的校正。关于SFTI紧凑型光谱仪的正常使用，这种校准可以非同步进行，例如在制造时，在现场部署时等。
在所示实施例的应用程序400中，提供了一个主屏幕向用户呈现SFTI紧凑型光谱仪的操作选项。例如，在方框402，呈现一个菜单，例如允许用户控制光传感器，以使用SFTI立方体捕获入射光，以提供干涉图并生成相应的光谱(例如方框403-407)，以访问先前拍摄的干涉图用于查看/分析和/或生成相应的光谱(如方框408-410)，以访问先前生成的频谱用于查看/分析(如方框411和412)，以及退出该应用程序(如方框413)。
在所述实施例的应用程序400运行时，用户可以在方框402处选择菜单项以启动操作，从而控制光传感器以使用SFTI立方体捕获入射光，以提供干涉图并生成相应的光谱。例如，选择相应菜单项可以使处理进行到方框403，其中访问数字相机(如包括光检测器150)并准备操作。此后，处理进行到方框404，控制数码相机拍摄照片，通过SFTI立方体的作用(如包括光源转换器110和SFTI立方体120的外围单元与数码相机邻接)，捕获干涉图(如干涉图102)。在图4所示的应用400的方框405处，从拍摄的干涉图计算(如执行傅里叶变换计算)相应光谱(如光谱103)。然后，处理进行到方框406，绘制光谱，如用于呈现和/或报告(例如，用于观看/分析)。所应用程序400进一步运行以在方框407处保存所计算的光谱，如供以后使用。在完成控制光传感器并使用SFTI立方体捕获入射光而提供干涉图并产生相应的光谱的操作之后，应用程序400可以返回菜单以进一步选择应用程序的运行。
在所述实施例的应用程序400运行时，用户可以在方框402处进一步选择菜单项来访问先前拍摄的干涉图，以查看/分析和/或生成相应的光谱。例如，选择相应菜单项可以使处理进行到方框408，访问先前拍摄的干涉图数字照片(如由数字相机拍摄并保存到存储器的干涉图)。然后，处理进行到方框409，加载干涉图用于查看/分析。运行时，用户可以选择在方框410处计算干涉图的相应光谱(如用户可能希望仅查看或分析干涉图本身或者可能希望使用干涉图执行光谱学分析)。如果用户选择计算干涉图的相应光谱，那么处理进行到方框405以进行如上所述的运行。否则，应用程序400可以返回菜单以进一步选择应用程序的运行。
在所述实施例的应用程序400运行时，用户还可以在方框402处选择菜单项来访问先前生成的光谱以查看/分析。例如，选择相应菜单项可以使得处理前进到方框411，访问先前计算的光谱(如从由数字相机拍摄并保存到存储器的干涉图计算的光谱)。然后，处理进行到方框412，加载光谱用于观看/分析。在完成访问先前生成的光谱用于查看/分析的操作之后，应用程序400可以返回菜单以进一步选择应用程序的运行。
在所述实施例的应用程序400运行时，用户还可以在方框402处选择菜单项以退出该应用程序。例如，选择相应菜单项可以使处理进行到方框413，退出应用程序400的执行。
已经描述了本发明SFTI紧凑型光谱仪的示例性实施例，以下提供其使用的SFTI立方体配置的具体细节，以便进一步帮助理解本发明。如前所述，SFTI立方体(如图2A-2C和图3的SFTI立方体120)是一个整体结构的双楔形分束器，其包括设置在分束器的两个输出表面处的镜面楔形表面。这种整体SFTI立方体结构可以由一个宽带分束器立方体和两个相同的小角度楔形物制成，其中两个相同的小角度楔形物固定(如使用Norland光学粘合剂)到分束器立方体的正交表面。根据本发明实施例，分束器立方体和楔形物由相同材料(如BK7光学玻璃)制成。根据本发明实施例，位于分束器输出表面处的两个楔形物的表面被涂覆有镜面涂层。在一个替代实施例中，通过从一个宽带分束器立方体上切除或以其他方式移除(如烧蚀(ablating))两个小角度楔形物，就可以制造出一个整体的SFTI立方体结构，其中两个楔形物的表面被涂覆有镜面涂层。
SFTI立方体的两个楔形物被布置成使得所得到的分束器立方体的楔形表面相反倾斜或从正交方向倾斜，使得一个楔形表面的虚像和另一个楔形表面交叉，如图5A-5C的示例性实施方式所示。SFTI立方体520A(图5A)、520B(图5B)和520C(图5C)，可以对应于图1、图2A-2D和/或图3的任何或所有SFTI立方体120，包括光学玻璃立方体521，其具有配置其中的宽带分束器522和两个楔形，如图5A中的楔形523a和524a、图5B中的523b和524b、以及图5C中的523c和524c。在图5A的示例中可以看出，楔形523a的镜面525a和楔形524a的镜面526a各自从正交方向上倾斜相应角度α1和α2(在此称为楔角)，即镜面525a在YZ平面内沿Y轴倾斜，而镜面526a在XZ平面内沿X轴倾斜。类似地，楔形523b的镜面525b和楔形524b的镜面526b各自从正交方向上倾斜相应的楔角α1和α2，即镜面525b在YZ平面内沿Y轴倾斜，而镜面526b在XZ平面中沿Z轴倾斜。同样地，楔形523c的镜面525c和楔形524c的镜面526c各自从正交方向上倾斜相应的楔角α1和α2，即镜面525c在YZ平面中沿Z轴倾斜，而镜面526c在XZ平面中沿Z轴倾斜。通过从一个宽带分束器立方体切掉或以其他方式移除一个或两个楔形，可以制作出上述整体SFTI立方体结构。另外或替代地，通过在一个宽带分束器立方体上附加一个或两个楔形，也可以制作出上述整体SFTI立方体结构。图5D-5F所述实施例显示，通过将两个相同小角度楔形粘附(如粘合)到分束器立方体的正交表面上，而形成SFTI立方体结构。
根据本发明的一些实施例，楔角α1和α2可以是相同的角度α(即，α1＝α2＝α)，由此SFTI立方体具有对称的楔角配置。应当理解，尽管一些实施例的配置可以是双楔形使用相同的楔角(即对称楔角)，但本发明实施例还可以使用不同的楔角的双楔形(即，α1≠α2)，由此SFTI立方体具有非对称的楔角配置。例如，SFTI立方体结构可以采用不对称的楔角配置，其中两个楔角是不同的，从而降低制造SFTI立方体时所需的高精度要求和工作量。然而，优选实施例还是使用对称楔角来简化SFTI紧凑型光谱仪(如用于简化干涉图变换逻辑)。例如，使用对称楔角，ZOPD位置位于视场中间，这可以确保干涉仪获得宽带光源的干涉条纹的能力。在SFTI立方体运行时，入射光在分束器表面上被分成两个光束，其中这两个光束被两个楔形镜反射并最终到达图像平面。在ZOPD位置，两个光束的光路径是相同的。对于具有低空间相干性的宽带光源，例如LED和自然光，只有少数干涉条纹且仅出现在ZOPD周围。因此，确保ZOPD处于视场中，对于获得宽带光源的全光谱是有用的。
前述示例性配置将两个反射镜布置成略微以相反方向倾斜，使得所得到的光束彼此交叉并形成干涉图案，其中宽带光源的条纹落在视场中。在图5A所示的例子中，两个楔形表面的法线轴是在分束器立方体后侧表面的同一平面内，使得所产生的干涉图案是垂直线条纹。在图5B所示的例子中，一个楔形表面的法线轴在分束器立方体后侧表面的同一平面内，另一个楔形表面的法线轴和分束器立方体的该后侧表面相对倾斜，使得所产生的干涉图案是45度线条纹。
应当理解，前述整体SFTI立方体被配置以形成干涉图案而无需外部反射镜或任何活动部件。这种配置是紧凑的(如6mm×6mm×6mm尺寸)，并且是稳定的，因此与高度便携装置(如移动设备或智能手机外部单元配置)兼容。
已经描述了本发明SFTI立方体的示例性实施例，以下提供其使用的楔角α的具体细节，以便进一步帮助理解本发明的构思。SFTI立方体使用的特定楔角可以从一个合适楔角范围(如αMIN≤α≤αMAX)中选择，例如可以根据诸如光传感器的分辨率、干涉图变换处理逻辑的能力、期望的光谱分辨率等因素而变化。例如，可以选择楔角的最大值αMAX，以使其不会大到增加干扰而复杂化，以至于将干涉图变换为相应光谱的处理需求实际上超出了可用处理器资源的能力。可以选择楔角的最小值αMIN，以使其不会小到减少干涉，以至于在变换时干涉图不支持期望的光谱分辨率。作为一个示例，一个合适的楔角可以被确定为0.5-3度，其中光传感器提供1微米分辨率(例如普通智能手机数码相机配置)，干涉图变换处理逻辑使用相对低功率的32位处理器(例如常见的智能手机MPU配置)执行傅里叶变换计算，并且期望的光谱分辨率是<2nm@400nm，<3nm@600nm，<5nm@1000nm。本发明的SFTI立方体使用的合适的楔角可以如下确定。
在楔角α1和α2是相同的角度α时(即α1＝α2＝α的对称楔角配置)，αMIN≤α1＝α2≤αMAX。在楔角α1和α2是不同的楔角时(即α1≠α2的非对称楔角配置)，两个楔角α1和α2的平均值应在αMIN和αMAX之间(αMIN≤(α1+α2)/2≤αMAX)。应当理解，前述两种配置都可以使用αMIN≤(α1+α2)/2≤αMAX作为楔角选择规则。
在确定SFTI紧凑型光谱仪的SFTI立方体使用的楔角范围(如αMIN-αMAX)时，可以按照以下所述来确定最大楔角αMAX。根据本发明实施例，最大楔角值αMAX应满足以下条件：来自最小波长的光的条纹周期大于检测器(如光检测器150)使用像素尺寸的两倍。αMAX可以估算为：
例如，当λMIN＝350nm，n＝1.539(BK7)，dMIN＝2×1um(像素尺寸的两倍)，αMAX可以估计为3.25°。但是，更精确的αMAX计算需要考虑其他因素。例如，考虑点光源位置、立方体尺寸和CMOS尺寸，可以通过求解以下方程来进行更精确的αMAX计算：
其中s是从点光源到SFTI立方体入口表面的距离，D是SFTI立方体的边长，d是光检测器的长度，N是光检测器的像素数。例如，当λMIN＝350nm，s＝2mm，D＝6mm，d＝5.12mm，N＝5120，n＝1.509，αMAX可以计算为2.94°。
在根据本发明实施例确定最大楔角值αMAX时，来自最小波长的光的条纹周期应该大于衍射极限。即：
例如，在华为P10Plus光检测器的情况下，F/D＝2.2,d′MIN＜dMIN，因此可以忽略衍射极限。但是，应当理解，当使用较小孔径来拍摄干涉图的照片时，可能导致d′MIN＞2um，因此αMAX将小于2.94°。此外，当输入光不是理想点光源，也不是理想准直光束，或光学成像质量不好时，干涉条纹图案可能会模糊，导致dMIN＞2um，因此αMAX将小于2.94°。
在确定SFTI紧凑型光谱仪的SFTI立方体使用的楔角范围(如αMIN-αMAX)时，可以按照以下所述来确定最小楔角αMIN。根据本发明实施例，最小楔角值αMIN应满足以下条件：产生足够光程差以给出期望的光谱分辨率。因此，αMIN可以计算为：
例如，当λMAX＝532nm，n＝1.509(BK7)，D＝6mm，Δλ＝2nm,则αMIN可以计算为0.45°。应该理解，对于不要求高光谱分辨率的一些应用而言，αMIN可以小于公式(4)所计算的值(如小于前述示例的0.45°)。但是，在实践中，αMIN值受限于制造精度。为确保零光程差位于视场内，αMIN应为制造提供足够的公差ΔD，如下所示：
例如，当ΔD＝0.1mm，D＝6mm，则αMIN可以计算为0.48°。如果制造精度较高且对光谱分辨率没有特殊要求，则αMIN可小于0.48°。
在SFTI紧凑型光谱仪中SFTI立方体的模拟中，获得本发明SFTI立方体的实验结果。在实验中，华为P10Plus CMOS彩色相机传感器和单色摄像机传感器被用作光传感器，并与本发明实施例的SFTI立方体关联放置，如图6所示。华为P10Plus CMOS彩色相机传感器提供2976×3968像素，单色相机传感器提供3840×5120像素。使用的SFTI立方体是6mm×6mm×6mm，由BK7光学玻璃组成，并具有0.5度的楔角。对于其中一系列实验，使用的光源是点光源宽带白光(500nm-700nm)，对于另一系列实验，使用的是532nm和639nm激光。点光源到立方体距离为6毫米。
图7A-7D和8A-8D显示上述实验的观察结果。特别地，图7A-7D显示白光源的观察结果，图8A-8D显示激光光源的观察结果。特别地，图7A和7B显示使用彩色光检测器(如彩色相机)而拍摄的白光所产生的干涉图，图7C显示使用黑白光检测器(如黑白相机)而拍摄的白光所产生的干涉图。图7D显示由图7B的干涉图所计算的光谱，图7E显示由图7C的干涉图所计算的光谱。类似地，图8A显示使用彩色光检测器而拍摄的639nm激光所产生的干涉图，图8B显示使用彩色光检测器而拍摄的532nm激光所产生的干涉图，图8C显示使用黑白光检测器而拍摄的639nm光所获得的干涉图，图8D显示根据图8B的干涉图所计算的光谱，图8E显示根据图8C的干涉图所计算的光谱。实验证明，本发明的SFTI立方体可以在光检测器的中间实现零光程差(ZOPD)，如图7A-7C的框701a-701c中的条纹所示。实验还证明，本发明的SFTI紧凑型光谱仪可以实现高分辨率，如图8D光谱图中在532nm处的～2nm分辨率所示。
尽管已经详细描述了本发明及其优点，但应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明精神和范围的情况下，可以作出各种改变、替换和变更。此外，本申请范围并不限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，可以利用目前存在或以后开发的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤，执行基本相同功能或根据本发明可以获得与本文所述相应实施例基本相同的结果。因此，所附权利要求旨在在其范围内包括这种过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。
Claims (44)
1.一种用于生成干涉图的系统，所述系统包括：
整体式分束器立方体构件，其具有至少两个反射楔形表面，其中所述楔形表面是所述分束器立方体构件的整体结构的一部分，其中所述至少两个反射楔形表面的第一和第二反射楔形表面分别以楔角α1和α2从正交方向倾斜，使得由所述分束器立方体构件的分束器提供的光束互相交叉并形成干涉图案；
光源转换器，其置于所述分束器立方体构件的光输入路径中。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述楔角α1和α2各自是从一个楔角范围αMIN≤(α1+α2)/2≤αMAX中选择的，所述楔角范围确定为适合于静态傅里叶变换干涉仪(SFTI)紧凑型光谱仪。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述楔角α1和α2是相同的楔角α，使得所述至少两个反射楔形表面各自倾斜所述相同的楔角α。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述楔角α1和α2是不同的楔角，使得所述至少两个反射楔形表面各自倾斜不同的楔角。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述正交方向的选择，使得所述干涉图的干涉条纹在光检测器的视场中垂直对齐，所述光检测器置于所述分束器立方体构件的光输出路径上。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述正交方向的选择，使得所述干涉图的干涉条纹在光检测器的视场中水平对齐，所述光检测器置于所述分束器立方体构件的光输出路径上。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述正交方向的选择，使得所述干涉图的干涉条纹在光检测器的视场中斜线对齐，所述光检测器置于所述分束器立方体构件的光学输出路径上。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述分束器立方体构件和所述光源转换器被配置在外部附件的形式中，其中所述外部附件被配置以与基于主处理器的系统协同运作，形成静态傅里叶变换干涉仪(SFTI)紧凑型光谱仪。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述基于主处理器的系统选自以下：数码相机、智能手机、个人数字助理(PDA)、平板设备和个人计算机。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述外部附件被配置以连接到所述基于主处理器的系统，与所述基于主处理器的系统的光检测器邻接。
11.根据权利要求10所述的系统，还包括：
透镜，其配置在所述分束器立方体构件的光输出路径上，其中所述透镜被置于所述分束器立方体构件和所述基于主处理器的系统的光检测器之间。
12.根据权利要求8所述的系统，还包括：
光检测器，其被置于所述分束器立方体构件的光输出路径上，其中所述光检测器被配置在所述外部附件的形式中；
数据接口，其被耦接到所述光检测器上，其中所述数据接口被配置在所述外部附件的形式中，其中所述外部附件被配置以经由所述数据接口将所述干涉图传送到所述基于主处理器的系统。
13.根据权利要求1所述的系统，还包括：
光检测器，其被置于所述分束器立方体构件的光输出路径上；
干涉图变换处理逻辑，其被耦接到所述光检测器上。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述分束器立方体构件、所述光源转换器、所述光检测器和所述干涉图变换处理逻辑置于一个独立单元中。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述分束器立方体构件、所述光源转换器、所述光检测器和所述干涉图变换处理逻辑以嵌入方式置于移动电子设备中。
16.一种生成干涉图的方法，所述系统包括：
提供整体式分束器立方体构件，其具有至少两个反射楔形表面，其中所述楔形表面是所述分束器立方体构件的整体结构的一部分，其中所述至少两个反射楔形表面的第一和第二反射楔形表面分别以楔角α1和α2从正交方向倾斜，使得由所述分束器立方体构件的分束器提供的光束互相交叉并形成干涉图案；
使入射光穿过置于所述分束器立方体构件的光输入路径上的光源转换器，以从所述分束器立方体构件产生干涉图的光输出。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述楔角α1和α2是相同的楔角α，使得所述至少两个反射楔形表面都倾斜所述相同的楔角α。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括：
捕获所述分束器立方体构件的干涉图的光输出。
19.根据权利要求18所述的方法，其中捕获所述干涉图的光输出包括：
控制光检测器以拍摄干涉图像。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述光检测器包括彩色成像装置。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述光检测器包括单色成像装置。
22.根据权利要求19所述的方法，其中由所述第一和第二反射楔形表面提供的光束到达所述光检测器的预定像素在所述视场中具有零光程差，从而确保可以获得宽带光源的干涉条纹。
23.根据权利要求16所述的方法，其中所述干涉图的光的干涉条纹在光检测器的视场中垂直对齐，所述光检测器用于捕获所述干涉图的光输出。
24.根据权利要求16所述的方法，其中所述干涉图的光的干涉条纹在光检测器的视场中水平对齐，所述光检测器用于捕获所述干涉图的光输出。
25.根据权利要求16所述的方法，其中所述干涉图的干涉条纹在光检测器的视场中斜线对齐，所述光检测器用于捕获所述干涉图的光输出。
26.根据权利要求18所述的方法，其中所述分束器立方体构件、所述光源转换器和所述光检测器以嵌入方式置于移动电子设备中。
27.根据权利要求16所述的方法，还包括：
将包括所述分束器立方体构件和所述光源转换器的外部附件连接到基于主处理器的系统，形成静态傅立叶变换干涉仪(SFTI)紧凑型光谱仪。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述基于主处理器的系统选自：数码相机、智能手机、个人数字助理(PDA)、平板设备和个人计算机。
29.根据权利要求27所述的方法，其中所述外部附件与所述基于主处理器的系统的连接包括：将所述分束器立方体构件设置成与所述基于主处理器的系统的光检测器邻接。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括：
用于输出干涉图的光的透镜，所述透镜置于所述分束器立方体构件和所述光检测器之间的光路上。
31.根据权利要求27所述的方法，其中所述外部附件还包括光检测器和数据接口，其中所述外部附件与所述基于主处理器的系统的连接包括：将所述外部附件通过所述外部附件的所述数据接口连接到所述基于主处理器的数据接口。
32.一种静态傅里叶变换干涉仪(SFTI)紧凑型光谱仪系统，所述系统包括：
分束器立方体构件，其具有至少两个反射楔形表面；
光源转换器，其被置于所述分束器立方体构件的光输入路径上；
光检测器，其被置于所述分束器立方体构件的光输出路径上，其中所述光检测器被配置为捕获由所述分束器立方体构件输出并穿过透镜的干涉图的光，并提供干涉图像；
干涉图变换处理逻辑，其被配置以将所述干涉图像变换为相应的光谱数据。
33.根据权利要求32所述的系统，其中所述分束器立方体构件是一个整体结构。
34.根据权利要求32所述的系统，其中所述至少两个反射楔形表面的第一和第二反射楔形表面分别以楔角α1和α2从正交方向倾斜，使得由所述光束的分束器提供的光束彼此交叉，并形成干涉图案。
35.根据权利要求34所述的系统，其中楔角α1和α2是相同的楔角α，使得所述至少两个反射楔形表面都倾斜所述相同的楔角α。
36.根据权利要求32所述的系统，其中所述干涉图像的干涉条纹在所述光检测器的视场中垂直对齐。
37.根据权利要求32所述的系统，其中所述干涉图像的干涉条纹在所述光检测器的视场中水平对齐。
38.根据权利要求32所述的系统，其中所述干涉图像的干涉条纹在所述光检测器的视场中斜线对齐。
39.根据权利要求32所述的系统，其中所述分束器立方体构件和所述光源转换器被置于外部附件的形式中，其中所述干涉图变换处理逻辑被置于基于主处理器的系统中，所述外部附件被配置以与所述基于主处理器的系统协同运行并形成SFTI紧凑型光谱仪。
40.根据权利要求39所述的系统，其中所述基于主处理器的系统选自：数码相机、智能手机、个人数字助理(PDA)、平板设备和个人计算机。
41.根据权利要求39所述的系统，其中所述光检测器被配置在所述基于主处理器的系统中，其中所述外部附件被配置以连接到所述基于主处理器的系统，与所述基于主处理器的所述光检测器邻接。
42.根据权利要求41所述的系统，还包括：
透镜，其置于所述分束器立方体构件的光输出路径上，其中所述透镜置于所述分束器立方体构件和所述光检测器之间的光路上。
43.根据权利要求39所述的系统，其中所述光检测器被配置在所述外部附件的形式中，其中所述外部附件被配置以经由数据接口连接到所述基于主机处理器的系统。
44.根据权利要求32所述的系统，其中所述分束器立方体构件、所述光源转换器、所述光检测器和所述干涉图变换处理逻辑以嵌入形式配置在移动电子设备中。
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