CN111465829B - 光谱仪设备及系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种光谱仪系统(110)和一种光谱仪设备(112)，其适合于研究或监控目的，特别是在红外(IR)光谱区域中，并且适于检测热、火焰、火或烟。本文中，光谱仪设备(112)包括：光学元件(122)，其被设计用于接收来自对象(116)的入射光(114)并将入射光(114)传输到长度可变滤波器(118)，其中，光学元件(122)包括光学聚光器设备(124)，其中，光学聚光器设备(124)沿反方向(126)操作，其中，光学聚光器设备(124)具有适于反射入射光的单个侧壁(128)，其中，单个侧壁(128)被设计为圆形侧壁；长度可变滤波器(118)，其被指定用于将入射光(114)分离成组成波长信号的光谱；以及包括多个像素化传感器(144)的检测器阵列(120)，其中，每个像素化传感器(144)适于接收组成波长信号之一的至少一部分，其中，每个组成波长信号与每个组成波长的强度有关。光谱仪设备(112)允许捕获来自对象(116)的入射光(114)并将入射光(114)以特别高的聚光效率传输到长度可变滤波器(118)。除了光谱仪设备(112)之外，光谱仪系统(110)还包括评估单元(150)，评估单元(150)被指定用于通过评估由光谱仪设备(112)提供的检测器信号(204、204'、204”)来确定与对象(116)的光谱有关的信息。

Description

光谱仪设备及系统

技术领域

本发明涉及光谱仪设备、包括光谱仪设备的光谱仪系统、以及光谱仪设备和光谱仪系统的各种用途。这样的设备和系统通常可以用于研究或监控目的，特别是在红外(IR)光谱区域中，尤其是在近红外(NIR)和中红外(MidIR)光谱区域中，以及用于检测热、火焰、火或烟。但是，其他种类的应用也是可能的。

背景技术

已知用于红外(IR)光谱区域中，特别是近红外(NIR)光谱区域中进行研究的各种光谱仪设备和系统。特别地，已经提出了包括线性可变滤波器(LVF)和检测器阵列的组合的光谱仪设备。在本文中，LVF被指定为将从对象捕获的光分离为组成(constituent)波长信号的光谱，而检测器阵列包括多个像素，其中，多个像素中的每个像素被设置为接收可为每个组成波长提供功率读数(reading)的多个组成波长信号中的至少一部分。通常，为了实现入射光可以以垂直于LVF的接收表面的方式冲击到LVF，为此使用了挡板，但是，这通常会导致低的光通量(throughput)和差的信号噪声比。

US 2014/131578A1公开了一种便携式光谱仪设备，该设备包括用于对准样本的照明源以及用于以第一焦比捕获与样本相互作用的光以及用于以低于第一焦比的第二焦比向LVF传递光的锥形光管(TLP)。优选地，TLP的一端是有透镜的，并且凹进带有阶梯状内壁的保护罩中。此外，TLP和LVF之间的间隙被最小化，以进一步提高分辨率和鲁棒性。这里要强调的是，本文公开的TLP也可以用术语“光学聚光器设备”来表示，其中，光学聚光器设备以相反的方向操作以散布所捕获的光并减小所捕获的光的角展度(angular spread)，其中，光学聚光器设备包括圆锥形状。

但是，如例如S.Madala和R.F.Boehm在2016年J.Photonics for Energy 6(4)，047002题为“Effect of reflection losses on stationary dielectric-filled non-imaging concentrators”(“反射损耗对固定电介质填充的非成像聚光器的影响”)描述的那样，包括圆锥形状的光学聚光器设备具有低的聚光效率。正如S.Madala等人进一步描述的那样，菲涅耳反射和全内反射(TIR)损耗对折射型非成像太阳能聚光器的性能参数的影响会影响性能参数，从而影响能量收集。为此，S.Madala等人进行了射线追踪分析，以便说明菲涅耳反射和TIR损耗对包括锥形聚光器(V型槽聚光器)、复合抛物线聚光器(CPC)、复合椭圆形聚光器(CEC)和复合双曲线聚光器(CHC)的四种不同类型的固定电介质填充的非成像聚光器的影响。根据他们的发现，电介质填充材料的折射率(RI)确定了固态非成像聚光器的接收角。较大的折射率会产生较大的接收角，因此会产生较大的能量收集，但是，它们也会增加菲涅耳反射损耗。

Lun J.和R.Winston在2015年SPIE会议记录9572题为“Asymmetric design forcompound elliptical concentrators(CEC)and its geometric flux implications”(复合椭圆形聚光器(CEC)的非对称设计及其几何通量的影响)中提供了关于非对称复合椭圆形聚光器(CEC)作为进一步的非成像光学元件的理论论文。本文中，他们提出，理解理想聚光器的常规方式是基于基于均一的接收角来最大化聚光比(concentration ratio)。尽管在CEC的情况下不存在这样的角度，但热力学定律仍然成立，并且通过使用串(string)方法解决了该一般性问题，已经想到了聚光器以其允许的最大聚光比进行处理。结果，获得了使用几何通量场或流线法的理想聚光器组。

US 5,615,673A公开了一种复合抛物线聚光器(CPC)，其用于光学收集从感兴趣区域返回的拉曼散射光。本文中，CPC是一种非成像光学元件，常规配置中用于将在整个半球上辐射的光转换成狭窄的圆锥体，该圆锥体可以由包括光纤和透镜的常规光学器件收集。

US 2016/151009 A1公开了一种用于检测气体的传感器，尤其是用于检测CO₂的传感器，其中，数值孔径转换器(NA转换器)布置在波长滤波器和辐射源之间的路径中。本文中，NA转换器被创建为具有复合抛物线聚光器或复合椭圆形聚光器的形状的反射性或不透明材料中的开口。可替代地，可以使用对应于NA转换器的NA滤波器，除了NA滤波器通过吸收高角度射线而不是通过转换来限制射线的角展度。

本发明解决的问题

因此，本发明解决的问题是提供一种光谱仪设备和一种光谱仪系统，该光谱仪设备和光谱仪系统特别适合于在红外(IR)光谱区域尤其是在近红外(NIR)光谱区域中进行研究，并且至少基本上避免了这种类型的已知设备和系统的缺点。

特别地，期望具有改进的简单而成本有效并且仍然可靠的光谱仪设备，其具有光学元件，该光学元件被设计用于捕获来自对象的光并将所捕获的光传输至如目前可用的具有更高聚光效率的线性可变滤波器。

发明内容

该问题通过具有独立权利要求所述的特征的本发明解决了。在从属权利要求中和/或在下面的说明书和详细的实施例中提出了可以单独地或组合地实现的本发明的有利的改进方案。

如本文所用，表述“具有”、“包括”和“包含”及其语法变体以非排他性方式使用。因此，表述“A具有B”以及表述“A包括B”或“A包含B”都可以指除B之外A还包含一种或多种其他组件和/或成分的事实，以及指除B之外A中不存在其他组件、成分或要素的情况。

在本发明的第一方面，公开了一种光谱仪设备。相应地，该光谱仪设备包括：

-被设计用于接收来自对象的入射光并将入射光传输至长度可变滤波器的光学元件，其中，该光学元件包括光学聚光器设备，其中该光学聚光器设备在反方向操作，其中该光学聚光器设备具有适于反射入射光的单个侧壁，其中，该单个侧壁被设计为圆形侧壁；

-长度可变滤波器，其被指定用于将入射光分离成组成波长信号的光谱；以及

-包括多个像素化传感器的检测器阵列，其中，每个像素化传感器适于接收组成波长信号中的一个的至少一部分，其中，每个组成波长信号与每个组成波长的强度有关。

通常，“对象”可以是选自有生命对象和无生命对象的任意对象。因此，作为示例，至少一个对象可以包括一个或多个物品和/或物品的一个或多个部分，其中，至少一个物品或其至少一部分可以包括可以提供适合研究的光谱的至少一个分量。替代地或附加地，该对象可以是或可以包括一个或多个有生命对象和/或其一个或多个部分，诸如人类(例如，用户)和/或动物的一个或多个身体部位。

如本文所用，术语“光”通常是指电磁辐射的分区(partition)，其通常被称为“光谱范围”并且包括可见光谱范围、紫外线光谱范围和红外光谱范围中的一个或多个。本文中，术语“紫外线光谱范围”通常是指具有1nm至380nm优选地100nm至380nm的波长的电磁辐射。此外，本文件之日，部分根据有效版本中的标准ISO-21348，术语“可见光谱范围”通常是指380nm至760nm的光谱范围。术语“红外光谱范围”(IR)通常是指760nm至1000μm的电磁辐射，其中，760nm至1.5μm的范围通常称为“近红外光谱范围”(NIR)，而1.5μm至15μm的范围通常称为“中红外光谱范围”(MidIR)，15μm至1000μm的范围通常称为“远红外光谱范围”(FIR)。优选地，用于本发明的典型目的的光是红外(IR)光谱范围内的光，更优选地，在近红外(NIR)和中红外光谱范围(MidIR)内的光，尤其是具有1μm至5μm优选1μm至3μm的波长的光。

从对象发出的光可以起源于对象本身，但也可以可选地具有不同的起源，并从该起源传播到对象，然后传播朝向光谱仪设备。后一种情况尤其会受到所使用的至少一个照明源的影响。因此，从对象传播到光谱仪设备的光可以是可以被对象和/或连接到对象的反射设备反射的光。替代地或附加地，光可以至少部分地透射通过对象。

照明源可以以各种方式体现。因此，照明源可以例如是壳体中的光谱仪设备的一部分。然而，替代地或附加地，至少一个照明源也可以布置在壳体外部，例如作为单独的光源。照明源可以与对象分开布置，并从远处照射对象。如上所述，照明源也可以替代地或附加地与对象连接或作为对象的一部分，从而例如从对象发出的电磁辐射也可以直接由照明源生成。举例来说，至少一个照明源可以布置在对象上和/或对象内，并直接生成电磁辐射。

照明源可以优选地包括一种已知可以在红外(IR)光谱范围内特别是在近红外(NIR)光谱范围内提供足够的发射的照明源，尤其是白炽灯。替代地或附加地，照明源可以选自以下照明源中的至少一个：火焰源；热源；激光器，特别是激光二极管，尽管也可以使用其他类型的激光器；发光二极管；有机光源，特别是有机发光二极管；霓虹灯；结构化的光源。替代地或附加地，可以使用其他照明源。本文中，特别优选的是，当由对象和/或照明源发出的光表现出与检测器阵列的光谱灵敏度密切相关的光谱范围时，特别是以确保可以由相应的照明源照射的检测器阵列可以提供具有高强度的检测器信号的方式，从而使得能够以足够的信噪比并且同时以高分辨率来评估检测器信号。

如通常所使用的，术语“光谱”是指光谱范围的分区，特别是红外(IR)光谱范围，尤其是近红外(NIR)光谱范围的分区。本文中，光谱的每个部分由光信号构成，该光信号由信号波长和对应的信号强度定义。此外，术语“光谱仪设备”涉及能够相对于光谱的对应波长或其分区(诸如波长间隔)记录信号强度的设备，其中，信号强度可以优选地被提供作为可用于进一步评估的电信号。在根据本发明的光谱仪设备中，长度可变滤波器用于将入射光分离成组成波长信号的光谱，其各自强度通过采用如下更详细描述的检测器阵列来确定。另外，应用了被设计用于接收来自对象的入射光并将入射光传输至长度可变滤波器的光学元件。因此，如本文中进一步使用的，“光谱仪系统”可以指这样一种装置，其除了光谱仪设备之外还包括评估单元，该评估单元被指定用于通过评估由如本文所公开的光谱仪设备提供的检测器信号来确定与对象的光谱有关的信息。

因此，根据本发明，光谱仪设备包括长度可变滤波器，其被指定用于将入射光分离成组成波长信号的光谱。如通常使用的那样，术语“长度可变滤波器”是指包括多个滤波器(优选地多个干涉滤波器)的光学滤波器，其可以特别地以连续布置滤波器来提供。本文中，每个滤波器可以对滤波器上的每个空间位置在长度可变滤波器的接收表面上优选地沿单个维度(通常用术语“长度”表示)连续地形成具有可变中心波长的带通。在一个优选的示例中，可变中心波长可以是滤波器上空间位置的线性函数，在这种情况下，长度可变滤波器通常被称为“线性可变滤波器”或简称为“LVF”。然而，其他种类的函数可以适用于可变中心波长和滤波器上的空间位置之间的关系。本文中，滤波器可以位于透明基板上，该透明基板可以特别地包括至少一种材料，该材料可以在红外(IR)光谱范围内，特别是在如下面更详细描述的近红外(NIR)光谱范围内表现出高度的光学透明性，由此可以沿着滤波器的长度，实现滤波器的变化的光谱特性，尤其是连续变化的光谱特性。特别地，长度可变滤波器可以是楔形滤波器，其可以适于在透明基板上承载至少一个响应涂层，其中，该响应涂层可以表现出空间可变特性，特别是空间可变的厚度。然而，可以包括其他材料或可以表现出进一步的空间可变特性的其他种类的长度可变滤波器也是可行的。在入射光束的法向入射角(normal angle of incidence)处，长度可变滤波器所包括的每个滤波器可以具有带通宽度，该带通宽度可以等于特定滤波器的中心波长的一部分，通常为百分之几。举例来说，对于波长范围为1400至1700nm并且带通宽度为1％的长度可变滤波器，法向入射角处的带通宽度可能在14nm至17nm之间变化。但是，其他示例也是可行的。

由于长度可变滤波器的这种特定设置，只有具有可以在带通宽度指示的公差内等于分配给滤波器上特定空间位置的中心波长的波长的入射光才能够在该特定空间位置处穿过长度可变滤波器。因此，可以为长度可变滤波器上的每个空间位置定义可以等于带通宽度的中心波长±1/2的“透射波长”。换句话说，在透射波长处可能没有穿过长度可变滤波器的所有光可以被长度可变滤波器的接收表面吸收或大部分被反射。结果，长度可变滤波器具有可以使其能够将入射光分离成光谱的变化透射率。

因此，可以在长度可变滤波器上的特定空间位置处穿过长度可变滤波器的光随后可以冲击在检测器阵列上。换句话说，检测器阵列可以优选地以如下方式来放置：光首先冲击到长度可变滤波器上，而只有可以穿过长度可变滤波器上特定空间位置的那部分光之后能够冲击检测器阵列上的对应空间位置。结果，因此长度可变滤波器可以用于将入射光通过其相关联波长分离到至少一个对应的空间位置中，而检测器阵列所包括的特定光学传感器因此可以用于测量入射光的强度，该入射光由于其特定的波长可能能够穿过对应空间位置处的长度可变滤波器，并且因此会冲击为确定特定波长处的入射光的强度而设置的特定光学传感器。在特别优选的实施例中，检测器阵列可以因此包括光学传感器序列，该光学传感器序列可以以一系列光学传感器的形式一个接一个地放置，其中，光学传感器序列可以沿长度可变滤波器的长度相对于干涉滤波器的连续布置以平行的方式放置。

在另一优选实施例中，检测器阵列可以优选地通过透明间隙与长度可变滤波器分离。本文中，例如透明间隙可以通过使用具有两个相对侧的延伸透明体来获得，其中，可以构成长度可变滤波器的多个干涉滤波器可以设置在第一侧，而构成检测器阵列的一系列光学传感器可以放置在与第一侧相对的第二侧上。结果，通过为透明间隙选择合适的宽度，可以实现关于长度可变滤波器的检测器阵列的更精确的调整。

因此，检测器阵列可以包括一系列光学传感器，这些光学传感器可以优选地沿着长度可变滤波器的长度以单线布置为一维矩阵、或以一个以上线(特别是两、三或四条平行线)布置成二维矩阵形式，特别是为了尽可能多地接收入射光的大部分强度。因此，一个方向上的像素数N可能比另一方向上的像素数M高，以使得可以获得一维1×N矩阵或矩形二维M×N矩阵，其中，M<10且N≥10，优选地N≥20，更优选地N≥50。此外，本文中使用的矩阵也可以交错布置。本文中，尤其是为了易于制造一系列光学传感器，其中使用的每个光学传感器可以具有相同的或在公差水平内相似的光学灵敏度。替代地，在一系列光学传感器中使用的每个光学传感器可以表现出变化的光学灵敏度，该变化的光学灵敏度可以根据长度可变滤波器的变化的透射率特性而变化，例如通过提供沿着一系列光学传感器随着波长的光学灵敏度的增加变化或减小变化。然而，其他种类的布置也是可行的。

特别地，为了获得光谱仪设备的高分辨率，每个光学传感器可以因此适于仅在小空间角度上接收入射光。这种布置特别反映了长度可变滤波器的设置，该长度可变滤波器被设计为取决于入射光沿滤波器的长度冲击的空间位置来生成所需的光谱。根据本发明，该特定布置是通过检测器阵列实现的，该检测器阵列因此包括多个像素化传感器，其中，每个像素化传感器适于接收如通过长度可变滤波器所提供的组成波长信号中的一个的至少一部分。如上所述，每个组成波长信号由此与每个组成波长的强度有关。如通常所使用的，术语“像素化光学传感器”或简称为“像素化传感器”是指包括单独像素传感器的阵列的光学传感器，其中，每个单独像素传感器具有至少一个光敏区域，该光敏区域适于取决于入射光的强度生成电信号，其中，尤其可以将该电信号提供给外部评估单元以进行进一步评估。本文中，由每个单独像素传感器包括的光敏区域尤其可以是单个均匀光敏区域，其被配置为用于接收冲击在单独像素传感器上的入射光。然而，也可以想到像素化传感器的其他布置。

像素化传感器被设计为生成与冲击到单独像素化传感器上的入射光的强度相关联的信号，优选为电信号。该信号可以是模拟和/或数字信号。因此，可以同时或以时间上连续的方式生成用于相邻像素化传感器的电信号。举例来说，在行扫描或线扫描期间，有可能生成电信号序列，这些电信号对应于布置成线的一系列单独像素传感器。另外，单独像素传感器优选地可以是有源像素传感器，其可以适于在向外部评估单元提供电信号之前放大电信号。为此目的，像素化传感器可以包括一个或多个信号处理设备，诸如一个或多个用于处理和/或预处理电信号的滤波器和/或模数转换器。

像素化传感器可以选自任何已知的像素传感器，特别是选自像素化有机相机元件(优选地，像素化有机相机芯片)，或选自像素化无机相机元件(优选地，像素化无机相机芯片)，更优选地选自如今已广泛用于各种相机中的CCD芯片或CMOS芯片。作为替代，像素化传感器可以是或包括光电导体，特别是无机光电导体，尤其是PbS、PbSe、Ge、InGaAs、ext.InGaAs、InSb或HgCdTe。作为另一替代方案，其可以包括热电、辐射热计或热电堆检测器元件。因此，这里可以使用具有1×N像素或M×N像素的矩阵的相机芯片，其中，M＜10且N≥10，优选地N≥20，更优选地N≥50。进一步地，可以使用单色相机元件，优选地是单色相机芯片，其中，可以针对每个像素传感器不同地选择单色相机元件，特别是根据沿着一系列光学传感器的变化波长。

作为另一替代方案，像素化传感器可以基于FiP传感器，该FiP传感器尤其在WO2012/110924 A1、WO 2014/097181 A1或WO 2016/120392 A1中公开。本文中，术语“FiP传感器”是指这样的传感器，其中，在给定相同的照明总功率的情况下，根据所谓的“FiP效应”，传感器信号取决于光敏区域的照明的几何形状，尤其取决于光敏区域上的照明的光束横截面，也称为“光斑尺寸”。结果，光敏区域的电特性取决于入射光对光敏区域的照明程度的可观察特性特别实现了包括相同的总功率但在光敏区域上生成不同光斑尺寸的两个入射光束对于光敏区域的电特性提供不同的值，并且因此彼此可区分。优选地，每个FiP传感器的光敏区域可以包括光导材料，特别是选自PbS、PbSe或HgCdTe的光导材料，或固体染料敏化太阳能电池(sDSC)。此外，WO 2014/198625 A1公开了采用FiP传感器的M×N矩阵的检测器阵列的特定实施例。替代地，其他种类的像素化传感器也是可行的。

因此，检测器阵列可以适于提供多个电信号，这些电信号可以由检测器阵列所包括的像素化传感器的光敏区域生成。随后可以将由光谱仪设备的检测器阵列提供的电信号转发给外部评估单元，尤其是可以转发给由如下面更详细地描述的对应光谱仪系统包括的评估单元。在本文中，术语“评估单元”是指被指定用于确定与特别是通过使用如本文所述的光谱仪设备已记录光谱的对象的光谱有关的信息的装置，其中，该信息可通过评估由光谱仪设备的检测器阵列提供的检测器信号来获得。该信息可以例如以电子方式、视觉方式、听觉方式或它们的任意组合来提供。此外，该信息可以存储在优选地光谱仪系统的光谱仪设备的数据存储设备中，或者可以存储在单独的存储设备中，和/或可以通过至少一个接口(诸如无线接口和/或有线绑定接口)来提供。

根据本发明，光谱仪设备还包括光学元件，该光学元件被指定用于接收来自对象的入射光并且同时将入射光传输至长度可变滤波器，其中，该光学元件包括以反方向操作的光学聚光器设备。如通常使用的那样，术语“光学聚光器”是指具有输入端、与输入端相对的输出端以及位于输入端和输出端之间的光导结构的非成像光学元件，其中，输入端也被称为“入射光瞳(entrance pupil)”或“入射孔(entrance aperture)”，输出端也可以被表示为术语“出射光瞳(exit pupil)”或“出射孔(exit aperture)”中的一个，其中，聚光器在操作的法线(normal)方向上适合于以较大的角展度(angular spread)捕获输入端处的光，将捕获的光聚集在光导结构内，并在输出端处发射所聚集的光。因此，举例来说，光学聚光器可以用于集中光伏中，以便在可能的大入射角下允许高的太阳能集中。

与此相反，在反方向上使用的光学聚光器设备中，光学聚光器的先前的输出端现在用作接收入射光的输入端，而在反方向上的光导结构优选地用于散布入射光，而先前的输入端现在用作发射散布光的输出端。在本发明的优选实施例中，反向操作的光学聚光器设备的入射光瞳优选地包括小于90°的入射角，更优选地小于70°，尤其是小于50°。此外，在该优选实施例中，反向操作的光学聚光器设备的出射光瞳优选地包括不大于30°的出射角，更优选地不大于15°，尤其是不大于10°。因此，与入射光相比，可以同时减小输出端处的发射光束的角展度。结果，以反方向施加光学聚光器设备允许捕获由对象发射或反射或穿过对象的入射光，使得在反向操作的光学聚光器设备的输出端处发射的光呈现出减小的角展度，其中，减小的角展度可优选地被限制在至多±20°的角度范围，优选地至多±10°，最优选地至多±5°。

因此，可以以下面的方式选择和布置以反方向操作的光学聚光器设备：所发射的光束可以在受限的角度范围内并且因此主要垂直于长度可变滤波器的接收表面的方向上(即，以相对于长度可变滤波器的接收表面垂直的方式)冲击在长度可变滤波器上。如上面已经指出的，由长度可变滤波器包括的每个干涉滤波器在这样的法向光入射角下可以具有仅可以等于特定干涉滤波器的中心波长的一部分的带通宽度。结果，入射光可以以相当高的聚光效率进入长度可变滤波器。

进一步根据本发明，反向操作的光学聚光器设备包括适于反射入射光的单个侧壁。特别地，该特征可以允许提高光谱仪设备的效率，这与已知的反向操作的光学聚光器设备形成对比，其使用非反射的可吸收表面以在所有可能情况下避免光束可以在长度可变滤波器上不被配置用于接收具有光束所包括的特定波长的光束的空间位置处到达长度可变滤波器。与此相反，作为该另外的优选实施例的结果，反向操作的光学聚光器设备可以允许一些光束被反射并且仍然被引导至长度可变滤波器。

进一步根据本发明，由反向操作的光学聚光器设备包括的单个侧壁被设计为圆形侧壁。在此，单个圆形侧壁可以特别地形成为壳表面，该壳表面可以具体地适于连接入射光瞳处的入射孔和出射光瞳处的出射孔作为光导结构。结果，单个圆形侧壁可以在三维空间中呈现形状，其中该形状没有任何角。更特别地，圆形侧壁可以有利地包括非圆锥形轮廓，该非圆锥形轮廓可以具体地选自抛物线轮廓或椭圆形轮廓。如本文所使用的，轮廓是指形成垂直于反向操作的光学聚光器设备的纵轴的单个侧壁的横截面，其可以特别地分别为或包括抛物线形状或椭圆形状。在特别适合于进一步提高光谱仪设备的聚光效率的特别优选的实施例中，反向操作的光学聚光器设备一方面可以在入射光瞳处具有圆形的小入射孔，以便能够捕获尽可能多的光，另一方面，在出射光瞳处具有细长且圆形的出射孔，特别是椭圆形出射孔，特别是为了允许经由长度可变滤波器引导尽可能多的光到检测器阵列上，检测器阵列最好可以呈矩形。然而，在反方向操作的光学聚光器设备的入射孔和/或出射孔的其他形状。由于单个圆形侧壁限制了反向操作的光学聚光器设备并构成其表面，因此，更多的光束被引导，使得它们可以在长度可变滤波器上的所需空间位置到达长度可变滤波器，从而可以进一步提高如本文所述的光谱仪设备的效率，这尤其与US 2014/131578 A1形成对比。如下更详细所示，这种反向操作的光学聚光器设备可以通过减少将入射光传输到长度可变滤波器时的反射量来提高光谱仪设备的效率，特别是可以避免单个圆形侧壁具有任何角，从而可以实现光学聚光器的更高的传输效率。

以前已经提出了在法线方向上操作的各种形状的光学聚光器设备。在本文中，光学聚光器设备可以具有圆锥形状或者使得它们可以被称为“复合抛物线聚光器”或“CPC”或“复合椭圆形聚光器”或“CEC”的非圆锥形状，而其他形状(特别地，“复合双曲线聚光器”或“CHC”)可能不太适合于本发明的目的。根据现有技术，圆锥形光学聚光器通常可以由两个彼此线性地打开的平面镜段限定。此外，复合抛物线聚光器可以由两个抛物线镜段限定，该两个抛物线镜段可以包括两个不同的焦点，每个焦点都位于一个抛物线镜段上。因此，两个抛物线镜段的表面可以关于通过复合抛物线聚光器的轴的反射来对称地布置。类似地，复合椭圆形聚光器可以因此由两个椭圆镜段限定，其中，两个椭圆镜段的表面可以相对于通过复合椭圆形聚光器的轴的反射来对称地布置。

因此，在反方向上操作的光学聚光器设备(更具体地，可以位于光学元件的输入端和输出端之间的光导结构)可以包括圆锥形状或优选地是非圆锥形状。本文中，可以更容易地制造具有圆锥形状的光学聚光器设备。然而，由于非圆锥形状，光束可以被引导通过聚光器，使得可以提高反向操作的光学聚光器设备的输出端处的效率。该效果尤其是基于反向操作的光学聚光器设备的非圆锥形状，该形状特别是与圆锥形反向操作的光学聚光器设备相反，允许以光束的形式引导入射光穿过非圆锥形状的反向操作的光学聚光器设备，使得较少的光可以被反向操作的光学聚光器设备的单个侧壁吸收。结果，更多的光束可以在长度可变滤波器上的空间位置处到达长度可变滤波器，该空间位置被配置用于接收具有光束所包括的特定波长的光束。另外，非圆锥形状的传输函数相对于进入反向操作的光学聚光器设备的入射角显示出更陡峭开启(onset)的光透射，从而对复合抛物线聚光器表现出从无光透射到全光透射的完全二元过渡的理论最大值。因此，对于给定的光通量，这种传输函数的陡度可能有利于使光谱采样的面积最小化，从而为采样点提供清晰的定义并支持使来自采样点的响应均匀化。

更具体地，关于根据现有技术的光学元件的术语“圆锥形状”是指光学元件的形状，其可以由根据Schoenflies表示法的对称组C2v或更高组(诸如C2v、C4v或C∞)来描述，特别是截锥或锥体，其中，如上所述考虑了制造公差。与此相反，关于根据本发明的光学元件的术语“非圆锥形状”是指光学元件的形状，该光学元件的形状可以根据Schoenflies表示法用小于C2v的对称组(诸如如上所述的Cs、C2或C1)来描述，但是再次考虑制造公差。换句话说，优选地，位于根据本发明的光学元件的输入端和输出端之间的光导结构可以包括这样的形状，该形状可以呈现出在光学元件的输入端和输出端之间的一半距离处的直径，该直径对于圆锥形状可以对应于光学元件的输入端的第一直径和光学元件的输出端的第二直径的算术平均值，而它对于非圆锥形状可以偏离第一直径和第二直径的算术平均值至少10％，优选至少5％，最优选至少2％，特别是至少1％。

因此，在特定的实施例中，以相反的方向操作的光学聚光器设备的非圆锥形状可以优选地选自抛物线形状或椭圆形状。因此，光学聚光器设备尤其可以选自复合抛物线聚光器和复合椭圆形聚光器。然而，具有非圆锥形状的其他种类的光学聚光器设备也是可行的。

特别地，光学元件的抛物线形状，特别是位于光学元件的输入端和输出端之间的光导结构的抛物线形状，不考虑制造公差，可以由等式(1)描述如下：

y＝y₀+ax², (1)

其中，术语x是指沿光学元件的光轴的值，特别是在反向操作的光学聚光器设备的光导结构的光轴的值，而术语y是指垂直于该光轴的值，其中，术语y₀和a提供了用于相对于该光学元件调整抛物线形状的机会。

类似地，光学元件的椭圆形状，尤其是位于光学元件的输入端和输出端之间的光导结构的椭圆形状，不考虑制造公差，可以通过等式(2)描述如下：

其中，术语x是指沿光学元件的光轴的值，特别是在反向操作的光学聚光器设备的光导结构的光轴的值，而术语y是指垂直于光轴的值，其中，术语a和b再次是指椭圆形状的半轴，它们提供了用于相对于光学元件调整抛物线形状的机会。

反向操作的光学聚光器设备可以是或可以包括完全或部分光学透明的材料的整体，或者作为优选替代，可以是或可以包括可以具体完全和/或均匀地填充有气态和/或流体和/或固态的光学透明材料并且包括可以呈现期望的圆锥形状或非圆锥形状的单个侧壁的中空体。在本文中，可以在红外(IR)光谱范围内特别是在近红外(NIR)和中红外(MidIR)光谱范围内显示出高度的光学透明性并且可以是为光学聚光器设备的整体选择的至少一种材料优选地选自氟化钙(CaF₂)、熔融石英、锗、氟化镁(MgF)、溴化钾(KBr)、蓝宝石、硅、钠氯化物(NaCl)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、硼硅酸盐冠玻璃、透明导电氧化物(TCO)和透明有机聚合物，其中，具有高反射率的硅和锗是特别优选的，因为它们能够支撑可能发生在整体的单个侧壁上的全反射。替代地，可被选择用于填充具有显示出期望的圆锥形状或非圆锥形状的单个圆形侧壁的中空体的气态光学透明材料可以从环境空气、氮气或二氧化碳中选择，而用于该目的的流体光学透明材料可以选自浸油或加拿大香脂，即由香脂枞树的树脂制成的松节油，尤其是由香脂冷杉中制成的松节油。作为另一替代方案，在中空体中可以存在真空。

在另一优选实施例中，光学元件可以被布置为使得捕获的光沿着相对于光谱仪设备的光轴非对称的光路被传输到长度可变滤波器。如本文所用，术语“光轴”是指假想对称线，光谱仪设备的除光学元件之外的其他元件，特别是长度可变滤波器和检测器阵列沿着该假想对称线关于光谱仪系统所包括的对称光学元件的反射或旋转可以是不变的。因此，可以通过使用至少一个光学元件来实现将所捕获的光传输到长度可变滤波器，其中，光学元件相对于光谱仪设备的光轴的至少一种特性(特别是光学元件的形状或布置中的至少一种)可能会导致光路相对于光谱仪设备的光轴表现出非对称的路线。

关于主体或其至少一个元件，术语“对称”或“对称的”通常用于指具有一定形状的主体或其至少一个元件的几何特性，其对于通常表示为“几何变换”的至少一个操作的应用而言是不变的，几何变换尤其可以包括反射、旋转、平移和/或其组合的。然而，在当前情况下，优选的几何变换可以是反射和旋转。特别地，如果线和/或镜面分别可以将主体或其元件的形状划分成相互呈现镜像的两个分区，则可以认为该主体或其元件相对于线和/或镜面具有反射对称性。举例来说，在主体包括两个相同的相对于反射轴被布置为它们可以被视为彼此的镜像的镜段的情况下，该主体可以被认为是对称的。类似地，如果主体可以围绕固定点或镜面分别以不改变主体或其元件的形状的方式旋转，则可以认为该主体相对于至少一个固定点和/或包括该主体或其元件的旋转轴的镜面具有旋转对称性。与此相反，术语“非对称”或“非对称的”可以表示所考虑的主体的至少一种几何特性可能不会恒定于可应用于该主体的至少一种几何变换。

更具体地，以下对称组之一可以适用于光学元件。如通常使用的，术语“对称组”通过指示哪种几何变换可以适用于主体或其元件来描述主体或其元件的特定对称性。为此，特别地，可以通过使用所谓的“Schoenfliess表示法”来表示特定的对称组。本文中，以下定义的下列术语可以优选地应用于主体或其元件的形状：

-C_∞，指的是截锥(truncated cone)的对称性，其中，截锥的形状在相对于包括截锥的旋转轴的镜面旋转任意角度的情况下得以保持；

-C4v，指的是方形棱锥体(square pyramid trunk)，其中，方形棱锥体的形状仅在相对于包括方形棱锥体的旋转轴的镜面旋转360°/4＝90°的角度的情况下得以保持；

-C2v，指的是与方形棱锥体分开的矩形棱锥体，其中，矩形棱锥体的形状仅在相对于包括矩形棱锥体的旋转轴的镜面旋转360°/2＝180°的角度的情况下得以保持；

-Cs，仅指反射对称性，其中，主体或其元件的形状仅通过镜面上的反射得以保持；

-C2，仅指双重对称性，其中，主体或其元件的形状仅在相对于主体或其元件的特定旋转轴旋转360°/2＝180°的角度的情况下得以保持；或者

-C1，指的是不存在任何对称元素。

有关Schoenflies-表示法的进一步信息，例如可参考Morton Hamermesh在1989年纽约米尼奥拉多佛出版社的“Group Theory and its application to physicalproblems(组论及其对物理问题的应用)”第2章“对称组”第32-67页。

特别地，对于本发明，光学元件因此可以被表示为具有非对称形状，在这种情况下，光学元件的形状可以表现出较少的对称元件，如根据Schoenfliess表示法由对称组C2v所描述的那样，尤其是具有对称组Cs、C2或C1中的至少一个。然而，在这方面，可以强调的是，出于光学元件的对称性的考虑，仅光学元件的那些分区可能是相关的，这些分区可能会影响入射光的光路，特别是位于光学元件的输入端和输出端之间的光导结构。特别地，因此可以不考虑光学元件的其他形状，诸如外部形状。另外，为了确定光学元件的对称性，要考虑制造公差。

在反向操作的光学聚光器设备可以相对于光谱仪设备的光轴以非对称的方式布置的实施例中，对于在检测器阵列的一侧上可检测的小波长和在检测器阵列的相对侧上可检测的较长波长，不再期望光谱仪设备的响应相等。然而，该观察对于光谱仪设备可能表现出特别的优势，特别是当白炽灯可以用作照明源时。通常使用的术语“白炽灯”是指具有诸如电线丝之类的可加热元件的电灯，其可以被加热到可以发射光(特别是红外光)的温度。由于可以因此将白炽灯视为红外光谱范围内的热发射器，因此白炽灯的发射功率随着波长的增加而降低。另外，通常可用于红外光谱范围内吸收的已知材料通常表现出随着波长增加吸收增加的趋势。此外，如上所述，由于长度可变滤波器(特别是线性可变滤波器)的带通宽度通常在长度可变滤波器的光谱范围内可以假设为恒定值，例如1％，与带通宽度成反比的长度可变滤波器的分辨率也随着波长的增加而降低。此外，长度可变滤波器的分辨率通常取决于长度可变滤波器的中心波长。结合所有提到的效果，似乎在对称光谱仪设备中，光谱仪设备的响应随波长的增加而降低。

然而，根据本发明的另一优选实施例，使用具有非对称设计的反向操作的光学聚光器设备，或者，替代地或附加地，相对于光谱仪设备的光轴以非对称的方式布置的反向操作的光学聚光器设备，可以允许调节光束的路径的长度，该光束可以从入口行进到反向操作的光学聚光器设备、穿过反向操作的光学聚光器设备到反向操作的光学聚光器设备的出口。结果，与具有较短波长的光束相比，反向操作的光学聚光器设备的非对称(无论是在设置中还是在布置中)可以允许为具有较长波长的光束提供较短的路径，并且附加地或替代地，光束冲击线性可变滤波器更接近法向入射，从而可以进一步提高效率。结果，另一优选实施例可以有助于提供一种光谱仪设备，该光谱仪设备尤其可以适于在更长的波长下实现更高的效率。此外，尽管看起来似乎可以因此减小在较短波长下的效率，特别是由于与具有较长波长的光束相比，具有较短波长的光束具有较长的路径，但是这种效果在这种布置中通常被上述白炽灯的较高发射功率和较短波长处的较低带通宽度所抵消。因此，这种布置可以用于为光谱仪设备配备功效，与已知的光谱仪设备相比，该功效可以在根据本发明的光谱仪设备的波长范围上(特别是在红外光谱范围内)更均匀地分布。

在根据本发明的非对称布置的该另一优选实施例中，光学元件(尤其反向操作的光学聚光器设备)可以因此相对于垂直于如上所述的长度可变滤波器的接收表面的平面倾斜。如通常所使用的，术语“倾斜”是指光学聚光器设备的对称轴相对于垂直于长度可变滤波器的接收表面的平面的垂直倾向。由于光学元件的倾斜布置，反向操作的光学聚光器设备的入口轴和出口光瞳轴可以是以下之一：相对于彼此移位和平行、相对于彼此移位但不平行、或者相对于彼此不移位且不平行。更优选地，光学聚光器设备可以相对于与长度可变滤波器的接收表面垂直的该平面倾斜，使得光束可以在长度可变滤波器上被指定用于接收入射光的特定波长的空间位置处垂直于长度可变滤波器的接收表面冲击长度可变滤波器。作为替代，光学聚光器设备可以相对于该平面以进一步的方式倾斜，使得另外光束可以冲击在长度可变滤波器上被指定用于接收另外特定波长的另外空间位置，其中，另外特定波长超过了入射光束的波长，即呈现比入射光更长的波长，其可以被引导以冲击长度可变滤波器的表面。

因此，入射光束可以以比其固有波长更长的波长穿过长度可变滤波器，但是由于长度可变滤波器与检测器阵列之间的相对布置(长度可变滤波器与检测器阵列可能被如本文其他地方更详细描述的间隙分开)，入射光束仍然可以冲击被设置用于确定入射光在入射光束的特定波长处的强度的特定光学传感器。结果，不仅在长度可变滤波器上被指定用于此目的的空间位置上垂直于长度可变滤波器的接收表面冲击长度可变滤波器的光束，而且在被指定用于接收比入射光束的波长更长的波长的另外空间位置冲击长度可变滤波器的光束，均仍然冲击被设计用于接收入射光束的特定波长的特定光学传感器，这可能会有助于特定单独像素传感器的光敏区域生成电信号。因此，以这种方式可以进一步提高光谱仪设备的效率。

另外，根据本发明的光谱仪设备还可以包括至少一个传输设备，其可以特别地布置在反向操作的光学聚光器设备和长度可变滤波器之间。因此，最优选地，从对象发出的光束可以首先行进穿过反向操作的光学聚光器设备，然后在传输设备处或穿过传输设备，直到它随后可以穿过长度可变滤波器，直到它最终可以冲击到检测器阵列。因此，如本文中所使用的，术语“传输设备”可以是指可以被配置为将从反向操作的光学聚光器设备射出的光束传输到检测器阵列的光学组件。因此，在特定的实施例中，可以将传输设备设计成在光束可以被引导至长度可变滤波器之前对其进行整形。

特别地，传输设备可以选自光学透镜、曲面镜、光栅和衍射光学元件。更特别地，光学透镜可以特别地选自双凸透镜、平凸透镜、双凹透镜、平凹透镜、非球面透镜、圆柱透镜和弯月形透镜。因此，传输元件可以包括至少部分透明(优选地在如上所述的长度可变滤波器的整个波长范围上)的材料。为此，也可以使用在这方面提到的相同或相似的光学透明材料。但是，另外的光学元件也是可行的。

在本发明的另一方面，公开了一种光谱仪系统。因此，光谱仪系统包括

-上面和/或下面更详细描述的光谱仪设备；以及

-评估单元，被指定用于通过评估光谱仪设备提供的检测器信号来确定与对象的光谱有关的信息。

本文中，如上所列出的光谱仪系统的组件可以是单独的组件。可替代地，光谱仪系统的两个或更多个组件可以被集成为单个整体组件。此外，评估单元可以形成为独立于光谱仪设备的单独评估单元，但是优选地可以连接到检测器阵列，特别是以便接收由光谱仪设备生成的检测器信号。可替代地，至少一个评估单元可以完全或部分地集成到至少一个光谱仪设备中。

根据本发明，光谱仪系统包括光谱仪设备和评估单元。关于光谱仪设备，可以参考本文档中其他地方的描述。如本文中进一步使用的，术语“评估单元”通常是指被设计为生成期望的信息项(即，与对象的光谱有关的至少一个信息项)的任意设备。作为示例，评估单元可以是或可以包括一个或多个集成电路，诸如一个或多个专用集成电路(ASIC)，和/或一个或多个数据处理设备，例如一个或多个计算机、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)，优选地一个或多个微型计算机和/或微控制器。可以包括附加组件，例如一个或多个预处理设备和/或数据获取设备，例如用于接收和/或预处理检测器信号的一个或多个设备，例如一个或多个AD转换器和/或一个或多个滤波器。如本文所使用的，检测器信号由光谱仪设备提供，特别是由光谱仪设备的检测器阵列提供。此外，评估单元可以包括一个或多个数据存储设备。此外，评估单元可以包括一个或多个接口，例如一个或多个无线接口和/或一个或多个有线绑定接口。

至少一个评估单元可以适于执行至少一个计算机程序，例如执行或支持生成信息项的步骤的至少一个计算机程序。作为示例，可以实现一种或多种算法，该算法通过使用传感器信号作为输入变量可以执行到对象位置的预定变换。为此目的，评估单元尤其可以包括至少一个数据处理设备，特别是电子数据处理设备，其可以被设计为通过评估检测器信号来生成信息项。因此，评估单元被设计为将检测器信号用作输入变量，并通过处理这些输入变量来生成与对象的光谱有关的信息项。该处理可以并行、随后或甚至以组合的方式进行。评估单元可以使用任意过程来生成这些信息项，例如通过计算和/或使用至少一个存储的和/或已知的关系。除了检测器信号之外，一个或多个其他参数和/或信息项还可以影响所述关系，例如关于光谱仪设备包括的光学元件、长度可变滤波器和检测器阵列的相对布置的至少一个信息项。关系可以凭经验、分析或半凭经验确定或可确定。特别优选地，关系包括至少一个校准曲线、至少一组校准曲线、至少一个函数或所提到的可能性的组合。一个或多个校准曲线可以例如以一组值及其相关联函数值的形式存储在例如数据存储设备和/或表格中。然而，替代地或附加地，至少一个校准曲线也可以例如以参数化形式和/或作为函数方程式存储。可以使用用于将检测器信号处理成信息项的单独关系。可替代地，用于处理检测器信号的至少一种组合关系是可行的。可以想到各种可能性并且将其组合。

举例来说，评估单元可以在编程方面被设计用于确定信息项。评估单元尤其可以包括至少一个计算机，例如至少一个微型计算机。此外，评估单元可以包括一个或多个易失性或非易失性数据存储器。作为数据处理设备特别是至少一个计算机的替代或补充，评估单元可以包括一个或多个其他电子组件，这些组件被设计用于确定信息项，例如电子表格，尤其是至少一个查询表和/或至少一个专用集成电路(ASIC)。

此外，评估单元还可以被设计为完全或部分地控制或驱动光谱仪设备或其一部分，例如通过评估单元被设计为控制至少一个照明源和/或控制光谱仪的光学元件和/或控制检测器的至少一个调制设备。评估单元尤其可以被设计为执行至少一个测量周期，在该测量周期中采集多个检测器信号，尤其是沿着检测器阵列的长度和/或在不同的照明调制频率下相继布置的单独像素化传感器的检测器信号。本文中，特别是通过使用行扫描和/或线扫描，可以顺序地执行检测器信号的获取。然而，其他实施例也是可能的，例如其中特别地选择的单独像素传感器被同时记录的实施例。

因此，在特定实施例中，检测器可具有至少一个用于调制照明的调制设备，优选地用于周期性调制，尤其是周期性光束中断设备。如通常使用的那样，照明的调制包括这样的过程，其中，照明的总功率优选地周期性地变化，特别是具有一个或多个调制频率。特别地，可以在照明的总功率的最大值和最小值之间进行周期性调制。最小值可以是0，但也可以是>0，使得举例来说就不必进行完全调制。可以例如在对象和检测器阵列之间的光束路径中进行调制，例如通过将调制设备布置在所述光束路径中。然而，替代地或附加地，例如通过布置在所述光束路径中的调制设备，也可以在用于照射对象的可选照明源和该对象之间的光束路径中进行调制。这些可能性的组合也是可以想到的。举例来说，调制设备可以包括光束斩波器或某种其他类型的周期性光束中断设备，例如包括至少一个中断器叶片或中断器轮，其优选地以恒定速度旋转并且因此可以周期性地中断照明。然而，替代地或附加地，也可以使用一种或多种不同类型的调制设备，例如基于电光效应和/或声光效应的调制设备。再次可替代地或附加地，可选的照明源本身也可以被设计为生成调制的照明，例如通过所述照明源本身具有调制的强度和/或总功率(例如，周期性地调制的总功率)、和/或通过所述照明源被体现为脉冲照明源(例如，脉冲激光器)。因此，例如，调制设备也可以全部或部分地集成到照明源中。可以想到各种可能性。因此，检测器阵列可以被设计为在具有不同调制频率的不同调制的情况下检测至少两个检测器信号。可以将评估设备设计为从两个或多个检测器信号生成与光谱有关的信息。举例来说，检测器可以被设计为以0.05Hz至1MHz(诸如0.1Hz至10kHz)的频率对对象的照明进行调制。

在本发明的另一方面，公开了根据本发明的光谱仪设备和光谱仪系统的用途。其中，提出了将光谱仪设备和光谱仪系统用于确定与对象的光谱有关的信息的用途。这里，光谱仪设备和光谱仪系统可以优选地用于选自以下用途：红外检测应用；热检测应用；温度计应用；热搜寻应用；火焰检测应用；火灾检测应用；烟雾检测应用；温度感测应用；以及光谱学应用。此外，根据本发明的光谱仪设备和光谱仪系统可以优选地用于监控废气、监控燃烧过程、监控污染、监控工业过程、监控化学过程、监控食品加工过程、评估水质、和/或评估空气质量。此外，根据本发明的光谱仪设备和光谱仪系统可以用于质量控制、温度控制、运动控制、废气控制、气体感测、气体分析、运动感测和/或化学感测。进一步的应用是可行的。

与现有技术相比，上述光谱仪设备、光谱仪系统和所提出的用途具有相当大的优点。因此，通常，可以提供用于准确确定与对象的光谱有关的信息的简单且仍然有效的光谱仪设备和光谱仪系统。其中，例如，可以快速有效地获取覆盖红外光谱范围的一个分区的对象的红外光谱。与本领域中已知的设备相比，本文提出的光谱仪设备和光谱仪系统提供了高度的简便性，特别是在光谱仪设备的光学设置方面。在此，由光谱仪设备包括的特定光学元件、长度可变滤波器和检测器阵列的组合可能是有利的，因为包括具有单个圆形侧壁并在反方向操作的光学聚光器设备的特定光学元件尤其是适于减少入射光传输到长度可变滤波器时的反射量，特别是通过没有任何角的单个圆形侧壁的形状，从而可以实现目前可获得的更高的聚光效率。这种高度的简便性与高分辨率测量的可能性相结合，特别适合用于在红外(IR)光谱区域，特别是在近红外(NIR)和中红外(MidIR)光谱区域中感测、检测和/或监控应用，尤其用于感测或检测热、火焰、火或烟、以及监控废气、燃烧过程、污染、工业过程、化学过程、食品加工过程、水质或空气质量。进一步的应用是可能的。

总结，在本发明的上下文中，以下实施例被认为是特别优选的：

实施例1：一种光谱仪设备，包括：

-被设计用于接收来自对象的入射光并将入射光传输至长度可变滤波器的光学元件，其中，光学元件包括光学聚光器设备，其中，光学聚光器设备在反方向操作，其中，光学聚光器设备具有适于反射入射光的单个侧壁，其中，单个侧壁被设计为圆形侧壁；

-长度可变滤波器，其被指定用于将入射光分离成组成波长信号的光谱；以及

-包括多个像素化传感器的检测器阵列，其中，每个像素化传感器适于接收组成波长信号之一的至少一部分，其中，每个组成波长信号与每个组成波长的强度有关。

实施例2：根据前述实施例所述的光谱仪设备，其中，光学聚光器设备在反方向上操作以散布入射光，并且同时减小光束的角展度。

实施例3：根据前述实施例中的任一项所述的光谱仪设备，其中，光学聚光器设备的单个圆形侧壁包括垂直于光学聚光器设备的纵轴的轮廓，其中，轮廓优选地选自抛物线形轮廓或椭圆形轮廓。

实施例4：根据前述实施例中的任一项所述的光谱仪设备，其中，在反方向操作的光学聚光器设备包括入射光瞳和出射光瞳。

实施例5：根据前述实施例所述的光谱仪设备，其中，单个圆形侧壁构成壳表面，该壳表面适于连接入射光瞳处的入射孔和出射光瞳处的出射孔作为光导结构。

实施例6：根据前述实施例所述的光谱仪设备，其中，在反方向操作的光学聚光器设备还包括位于入射光瞳和出射光瞳之间的光导结构，其中，入射光瞳适于捕获光，其中，光导结构适于聚集所捕获的光，并且其中，出射光瞳适于发射所聚集的光。

实施例7：根据前述两个实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，在反方向操作的光学聚光器设备的入射光瞳具有小于90°的输入角，优选小于70°，特别是小于50°，并且其中，在反方向操作的光学聚光器设备的出射光瞳包括不大于30°的输出角，优选地不大于15°，特别是不大于10°。

实施例8：根据前述三个实施例中的任一项所述的光谱仪设备，其中，在反方向操作的光学聚光器设备在入射光瞳处具有圆形的入射孔，并且在出射光瞳处具有细长且圆形的出射孔。

实施例9：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，光学聚光器设备是或包括光学透明材料的整体。

实施例10：根据前述实施例所述的光谱仪设备，其中，光学透明材料选自：氟化钙(CaF₂)、熔融石英、锗、氟化镁(MgF)、溴化钾(KBr)、蓝宝石、硅、氯化钠(NaCl)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、硼硅酸盐冠玻璃、透明导电氧化物(TCO)和透明有机聚合物。

实施例11：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，光学聚光器设备是或包括中空体。

实施例12：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，在中空体内存在真空。

实施例13：根据前述实施例所述的光谱仪设备，其中，中空体填充有气态和/或流体光学透明材料。

实施例14：根据前述实施例所述的光谱仪设备，其中，中空体完全和/或均匀地填充有气态和/或流体光学透明材料。

实施例15：根据前述两个实施例中的任一项所述的光谱仪设备，其中，气态光学透明材料选自环境空气、氮气或二氧化碳。

实施方案16：根据前述三个实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，流体光学透明材料选自浸油或加拿大香脂。

实施例17：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，光学聚光器设备包括圆锥形状或非圆锥形状。

实施例18：根据前述实施例所述的光谱仪设备，其中，光学聚光器设备的非圆锥形状包括选自抛物线形状或椭圆形状的形状。

实施例19：根据前述实施例所述的光谱仪设备，其中，光学聚光器设备选自复合抛物线聚光器和复合椭圆形聚光器。

实施例20：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，光学聚光器设备相对于光谱仪设备的光轴具有非对称设计。

实施例21：根据前述实施例所述的光谱仪设备，其中，在以反方向操作的光学聚光器设备包括入射光瞳和出射光瞳，其中，由入射光瞳限定的入口平面和由出射光瞳限定的出口平面不平行。

实施例22：根据前述两个实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，聚光器设备包括反对称并且仅双重(two-fold)的旋转轴。

实施例23：根据前述三个实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，聚光器设备不表现出旋转对称性。

实施例24：根据前述四个实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，聚光器设备仅包括单个镜面或不包括镜面。

实施例25：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，光学聚光器设备相对于光谱仪设备的光轴非对称地布置。

实施例26：根据前述实施例所述的光谱仪设备，其中，光学聚光器设备相对于长度可变滤波器非对称地布置。

实施例27：根据前述实施例所述的光谱仪设备，其中，以反方向操作的光学聚光器设备和长度可变滤波器的相应布置仅包括单个镜面或不包括镜面。

实施例28：根据前述两个实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，以反方向操作的光学聚光器设备和长度可变滤波器的相应布置不表现出旋转对称性。

实施例29：根据前述三个实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，光学聚光器设备相对于垂直于长度可变滤波器的接收表面的平面倾斜。

实施例30：根据前述实施例所述的光谱仪设备，其中，光学聚光器设备相对于垂直于长度可变滤波器的接收表面的平面倾斜，使得传输到长度可变滤波器的冲击光在长度可变滤波器上被设计用于接收入射光的波长的空间位置处垂直于长度可变滤波器的接收表面冲击在长度可变滤波器，和/或在长度可变滤波器上被设计用于接收超过入射光的波长的另一波长的另一空间位置处冲击。

实施例31：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，检测器阵列通过透明间隙与长度可变滤波器分离。

实施例32：根据前述实施例所述的光谱仪设备，其中，透明间隙可通过具有两个相对侧的延伸的透明体获得，其中，构成长度可变滤波器的多个干涉滤波器设置在第一侧，而构成检测器阵列的一系列像素化传感器放置在与第一侧相对的第二侧上。

实施例33：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，像素化传感器选自以下各项中的至少一项：像素化有机相机元件，优选为像素化有机相机芯片；光电导体阵列，特别是无机光电导体阵列，尤其是PbS、PbSe、Ge、InGaAs、ext.InGaAs、InSb或HgCdTe光电导体阵列；热电、辐射热计或热电堆阵列；像素化无机相机元件，优选地像素化无机相机芯片，更优选地CCD芯片或CMOS芯片；单色相机元件，优选地单色相机芯片；FiP传感器。

实施例34：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，入射光包括760nm至1000μm(红外光谱范围)的电磁辐射。

实施例35：根据前述实施例所述的光谱仪设备，其中，入射光包括1μm至5μm的电磁辐射。

实施例36：根据前述实施例所述的光谱仪设备，其中，入射光包括1μm至3μm的电磁辐射。

实施例37：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪设备，还包括适于照明对象的照明源。

实施例38：根据前述实施例所述的光谱仪设备，其中，照明源被集成或附接到光谱仪设备。

实施例39：根据前述两个实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，照明源选自：至少部分地连接到对象和/或至少部分地与对象相同的照明源；以及被设计成用初级辐射至少部分地照明对象的照明源。

实施例40：根据前述实施例所述的检测器，其中，光束是通过初级辐射在对象上的反射和/或通过由初级辐射激发的对象自身的光发射而生成的。

实施例41：根据前述实施例所述的检测器，其中，检测器阵列的光谱灵敏度被照明源的光谱范围覆盖。

实施例42：根据前述四个实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，照明源选自以下至少之一：白炽灯；火焰源；热源；激光，特别是激光二极管；发光二极管；有机光源，特别是有机发光二极管；霓虹灯；结构化的光源。

实施例43：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪设备，还包括传输设备。

实施例44：根据前述实施例所述的光谱仪设备，其中，传输设备构成或包括会聚光学元件，其中，会聚元件相对于入射光的波长范围的至少一个分区至少部分地光学透明。

实施例45：根据前述实施例所述的光谱仪设备，其中，会聚光学元件选自：会聚光学透镜、会聚衍射光学元件和会聚曲面镜。

实施例46：根据前述三个实施例中任一项所述的光谱仪设备，其中，传输设备位于光学聚光器设备与长度可变滤波器之间。

实施例47：一种光谱仪系统，包括

-根据前述实施例中任一项所述的光谱仪设备；以及

-评估单元，被设计用于通过评估光谱仪设备提供的检测器信号来确定与对象的光谱有关的信息。

实施例48：根据前述实施例所述的光谱仪系统，其中，评估设备被设计为根据像素化传感器在检测器阵列中的位置、入射光的波长和像素化传感器的信号之间的至少一个预定关系来生成与对象的光谱有关的信息。

实施例49：根据前述实施例所述的光谱仪系统，其中，通过执行至少一个电流-电压测量和/或至少一个电压-电流测量来生成检测器信号。

实施例50：根据与所述光谱仪系统有关的前述实施例中任一项所述的光谱仪系统，还包括适于照明对象的照明源。

实施例51：根据前述实施例所述的光谱仪系统，其中，照明源选自以下至少之一：白炽灯；火焰源；热源；激光，特别是激光二极管；发光二极管；有机光源，特别是有机发光二极管；霓虹灯；结构化的光源。

实施例52：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪设备或光谱仪系统在以下中的用途：红外检测应用；热检测应用；温度计应用；寻跟踪应用；火焰检测应用；火灾检测应用；烟雾检测应用；温度感测应用；光谱学应用；废气监控应用；燃烧过程监控应用；污染监控应用；工业过程监控应用；化学过程监控应用；食品加工过程监控应用；水质监控应用；空气质量监控应用；质量控制应用；温度控制应用；运动控制应用；排气控制应用；气体感测应用；气体分析应用；运动感测应用；化学感测应用。

附图说明

从下面结合从属权利要求的优选示例性实施例的描述中，本发明的其他可选细节和特征是显而易见的。在这种情况下，特定特征可以单独实施或与特征组合实施。本发明不限于示例性实施例。在附图中示意性地示出了示例性实施例。在各个附图中，相同的附图标记表示相同的元件或具有相同功能的元件或者在功能方面彼此对应的元件。

具体而言，在附图中：

图1示出了包括根据本发明的光谱仪设备的光谱仪系统的示例性实施例；

图2A和2B示出了通过光学聚光器设备的优选非圆锥形状的示例性实施例的横截面；

图3示出了通过光学聚光器设备的示例性实施例的另一横截面；

图4A和图4B示出了使用非对称布置的光学聚光器设备的光谱仪设备的另一示例性实施例；以及

图5A和5B分别示出了在光学聚光器设备的对称布置(图5A)和非对称布置(图5B)的光透射的变化。

具体实施方式

图1以高度示意性的方式示出了包括根据本发明的光谱仪设备112的光谱仪系统110的示例性实施例。如通常使用的那样，光谱仪设备112是能够在被表示为光谱的波长范围或其分区内相对于入射光114的对应波长或波长间隔来记录入射光114的信号强度的装置。根据本发明，光谱仪设备112尤其可以适于记录红外(IR)光谱区域中的光谱，优选地近红外(NIR)和中红外(MidIR)光谱范围内的光谱，特别是其中入射光的波长可以为1μm至5μm，优选为1μm至3μm，并且因此可用于检测热、火焰、火或烟，其中，进一步的应用可以是可行的。本文中，入射光114可以由对象116生成和/或反射，对象可以是有生命对象和无生命对象，诸如包括一个或多个物品和/或物品的一个或多个部分，其中，至少一个物品或其至少一部分可以包括至少一个组件，该至少一个组件可以提供适合于在IR中特别是在NIR光谱区域中进行研究的光谱。

如图1中示意性描绘的示例性光谱仪设备112包括线性可变滤波器118，作为长度可变滤波器的优选示例。本文中，线性可变滤波器118被指定用于将入射光114分离成组成波长信号的光谱，检测器阵列120被设计用于确定接收到的波长信号的相应强度，并且光学元件122被指定用于从对象116接收入射光114并将入射光114传输到线性可变滤波器118。

根据本发明，光学元件122包括光学聚光器设备124，其中，光学聚光器设备在反方向126操作，其中，反向操作的光学聚光器设备124包括单个圆形侧壁128。反向操作的光学聚光器设备124包括输入端130、光导结构132和输出端134。因此，可能被对象116发射或反射或者可能已经穿过对象116的入射光114在被设计用于接收入射光114的输入端130处进入反向操作的光学聚光器设备124。此后，由输入端130捕获的入射光114穿过光导结构132，该光导结构132优选地被设计用于散布入射光114。最后，以这种方式散布的入射光114由输出端134发射，该输出端134被指定用于此目的。因此，与入射光114的角展度相比，可以同时减小在输出端134处发射的光束的角展度。结果，反向操作的光学聚光器设备124允许修改由对象116所提供的入射光114，使得在反向操作的光学聚光器设备124的输出端134处发射的光表现出减小的角展度。

因此，由反向操作的光学聚光器设备124的输出端134提供的光束的主要份额以平行的方式冲击线性可变滤波器118，尤其是以垂直方式垂直于线性可变滤波器118的接收表面136。如在该示例性实施例中所使用的，线性可变滤波器118是或包括具有多个干涉滤波器的光学滤波器，这些干涉滤波器优选地以连续布置的干涉滤波器来设置。本文中，每个干涉滤波器可以在线性可变滤波器118的接收表面136上的每个空间位置138形成具有可变中心波长的带通，使得可变中心波长可以是空间位置138的线性函数。如图1中所示的示例，线性可变滤波器118可以因此优选地沿着单个维度连续地布置，单个维度通常为线性可变滤波器118的“长度”。通过示例，线性可变滤波器118可以是楔形滤波器，其可以在透明基板142上承载至少一个响应涂层140，其中，响应涂层140可以表现出空间可变的特性，特别是空间可变的厚度(这里未示出)。本文中，透明基板142可以包括至少一种在IR光谱范围内表现出高度光学透明性的材料，该材料可以优选地选自：氟化钙(CaF₂)、熔融二氧化硅、锗、氟化镁(MgF)、溴化钾(KBr)、蓝宝石、硅、氯化钠(NaCl)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、硼硅酸盐冠玻璃、透明导电氧化物(TCO)、以及透明有机聚合物，其中，CaF₂、熔融石英、MgF、KBr、蓝宝石、NaCl、ZnSe、ZnS、硼硅酸盐冠玻璃、透明导电氧化物和所选的透明有机聚合物尤其适用于NIR光谱范围。然而，线性可变滤波器118的其他实施例也是可行的。然而，对于本发明的目的，其他种类的长度可变滤波器也是可行的。

线性可变滤波器118被指定用于将入射光114分离成组成波长信号的光谱。为此，入射光114可以优选地在与入射光114的波长有关的特定空间位置138处穿过线性可变滤波器118。在入射光114已经在与入射光114的波长有关的特定空间位置138处穿过线性可变滤波器118之后，其随后冲击检测器阵列120，尤其是检测器阵列120所包括的多个像素化传感器144之一。因此，每个像素化传感器144接收由入射光114提供的组成波长信号之一的至少一部分，在入射光114如上所述穿过线性可变滤波器118之后。此外，每个像素化传感器144适于提供与每个组成波长的强度有关的检测器信号。换句话说，光谱仪设备112因此被指定为基于组成波长信号生成多个检测器信号，其中，每个检测器信号与光谱的每个组成波长的强度有关。

如图1进一步所示，检测器阵列120可以优选地通过透明间隙146与线性可变滤波器118分开，其中，例如，可以通过使用透明基板142来获得透明间隙146。结果，通过为透明间隙146选择合适的宽度，可以实现检测器阵列120相对于线性可变滤波器118的更精确的调整。如下面更详细地指示的，调整透明间隙146可以允许进一步提高光谱仪设备112的效率。

如图1中示意性地描绘的，多个检测器信号可以经由信号导线148被发送到评估单元150，评估单元150除了光谱仪设备110之外还可以由光谱仪系统110包括。本文中，评估单元150通常被指定用于通过评估由光谱仪设备112的检测器阵列120提供的多个检测器信号来确定与对象116的光谱有关的信息。为此，评估单元150可以包括一个或多个电子设备。设备和/或一个或多个软件组件，以便评估多个检测器信号，这些信号由信号评估单元152象征性地表示。本文中，评估单元150可适于通过比较一个以上的检测器信号确定与对象116的光谱相关的至少一个信息项。

由光谱仪设备112的光学元件122接收的入射光114可以由发光对象116生成。替代地或附加地，入射光114可以由单独的照明源154生成，该照明源可以包括环境光源和/或人造光源，特别是白炽灯156，其可以被指定用于照明对象116使得由照明源154生成的光的至少一部分能够通过对象116(此处未示出)和/或使得对象116能够反射由照明源154生成的光的至少一部分，使得入射光114可以被配置为被光学元件122接收。本文中，照明源154可以是或包括连续发射的光源和/或调制的光源。如图1中进一步描绘的，照明源154可以由至少一个照明控制单元158控制，如果需要，该照明控制单元158可以适于提供调制光。本文中，照明控制单元158可以另外将与照明有关的信息提供给信号评估单元152和/或由信号评估单元152控制，这由图1中的照明控制单元158和信号评估单元152之间的连接来象征性地指示。替代地或附加地，可以在照明源154与对象116之间和/或在对象116与光学元件122之间的光束路径中实现对对象116的照明的控制。可以想到其他可能性。

通常，评估单元150可以是数据处理设备160的一部分和/或可以包括一个或多个数据处理设备160。评估单元150可以完全或部分集成到至少包括光谱仪设备112的壳体162中和/或可以完全或部分地实施为单独的设备，该单独的设备可以以无线或有线绑定方式电连接到光谱仪设备112。评估单元150可以进一步包括一个或多个附加组件，诸如一个或多个电子硬件组件和/或一个或多个软件组件，诸如一个或多个测量单元和/或一个或多个评估单元和/或一个或多个控制单元(此处未示出)。

如在图1的示例性实施例中进一步示出的，光谱仪设备112包括光学元件122、线性可变滤波器118和检测器阵列120，在该特定实施例中，它们沿着光谱仪设备112的光轴164布置。具体地，光轴164可以是光学元件122、线性可变滤波器118和检测器阵列120中至少一个的设置的对称轴和/或旋转轴。特别地，光轴164可以因此平行于垂直于线性可变滤波器118的接收表面136的平面。此外，光学元件122、线性可变滤波器118和检测器阵列120可以优选地位于至少包括光谱仪设备112的壳体162内。

在另一实施例中，可以在光学元件122和线性可变滤波器118之间另外放置至少一个传输设备(这里未示出)，特别是折射透镜。但是，由于在图1的特定实施例中以包括圆锥形状128的反向操作的光学聚光器设备124的形式实现了光学元件122，使用传输设备(特别是折射透镜)似乎非必要，因为光学元件122的这种实施方式能够同时承担传输设备(特别是折射透镜)的功能，尤其关于提供平行光束的主要份额的方面，该平行光束可以以垂直方式垂直于线性可变滤波器118的接收表面136冲击到线性可变滤波器118。

图2A和2B示出了反向操作的光学聚光器设备124的单个圆形侧壁128的优选形状的两个示例性实施例的横截面。图2A示意性地示出了复合抛物线聚光器166，其中，光学聚光器设备124的单个侧壁128的圆形形状包括抛物线形状168，而图2B示意性地示出了复合椭圆形聚光器170，其中，光学聚光器设备124的单个侧壁128的圆形形状包括椭圆形形状172。但是，反向操作的光学聚光器设备124的单个侧壁128也可以采取另一形状，该另一形状可以是单个圆形形状。

本文中，可以以在IR光谱范围内具有高透光率的透明光学材料的整体(这里未示出)的形式提供反向操作的光学聚光器设备124，以增强光学聚光器设备124的反射率。特别地，可以以至少部分光学透明材料的整体的形式提供反向操作的光学聚光器设备124，该材料在IR光谱范围内具有高度的光学透明性，该材料可以优选地选自：氟化钙(CaF₂)、熔融石英、锗、氟化镁(MgF)、溴化钾(KBr)、蓝宝石、硅、氯化钠(NaCl)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、硼硅酸盐冠玻璃、透明导电氧化物(TCO)和透明有机聚合物，其中，CaF₂、熔融石英、MgF、KBr、蓝宝石、NaCl、ZnSe、ZnS、硼硅酸盐冠玻璃、透明导电氧化物和所选择的透明有机聚合物尤其可以适用于NIR光谱范围，其中，具有高折射率的硅和锗是特别优选的，因为它们能够支持可能在整体的侧壁上发生的全反射。

然而，如图2A和2B进一步所示，作为替代，反向操作的光学聚光器设备124可以以具有单个侧壁128的中空体174的形式提供，单个侧壁128可以以构成所需的形状的方式布置，特别是图2A的抛物线形状168或图2B的椭圆形状172。再次，反向操作的光学聚光器设备124的单个侧壁128可以采取不同的形状165，只要这种不同的形状产生期望的单个侧壁128。为此，具有单个侧壁128的中空体174可以包括真空，或者可以优选地完全和/或均匀地填充有气态和/或流体光学透明材料，特别是选自环境空气、氮气、二氧化碳、浸油或加拿大香脂，以适用于作为在反方向126上操作的光学聚光器设备124。

在已知的聚光器设备中，构成反向操作的光学聚光器设备124的中空体174的侧壁可以被设计为适于吸收入射光114的这样的波长的侧壁，入射光114可以高度偏离路径，该路径最终可以引导入射光以主要平行的方式冲击到线性可变滤波器118。然而，如上所述，中空体174的这种侧壁可能降低光谱仪设备112的效率，因为阻止了入射光114的吸收份额穿过线性可变滤波器118并最终到达检测器阵列120，并且因此不会对检测器信号有贡献。

因此，根据本发明，如图1、2A和2B所示，构成反向操作的光学聚光器设备124的中空体174的单个侧壁128可以被指定为可以适于反射入射光114的单个反射侧壁128。结果，通过允许附加光束186通过在单个反射侧壁128上的反射被引导到线性可变滤波器118然后到检测器阵列120，单个反射侧壁128因此能够提高光谱仪设备112的效率，其中它们还可以对检测器信号作出贡献。因此，提供可限定实现反向操作的光学聚光器设备124的中空体174的单个反射侧壁128因此可以尤其通过减小信噪比进一步提高光谱仪设备112的效率。

此外，图3示出了根据本发明的优选的反向操作的光学聚光器设备124的示例性实施例的横截面。在此，单个反射侧壁128由中空体174产生，中空体174如上所述可以包括真空或可以优选地完全和/或均匀地填充有气态和/或流体光学透明材料，特别是选自环境空气、氮气、二氧化碳、浸油或加拿大香脂。在此，单个反射侧壁128形成边界，该边界可以适于限制反向操作的光学聚光器设备124并构成其表面。特别地，单个圆形侧壁128可以构成壳表面176，该壳表面可以具体地适于连接在入射光瞳180处的入射孔178和出射光瞳184处的出射孔182。更具体地，单个圆形侧壁128可以优选地包括非圆锥轮廓，具体地，选自抛物线轮廓或椭圆形轮廓。因此，如图3中示例性地示出的，单个圆形侧壁128的壳表面176以三维空间中的形状呈现为单个圆形侧壁128的形状没有任何角。

在如图3中示意性描绘的特别优选的实施例中，反向操作的光学聚光器设备124的入射光瞳180处的入射孔178可以为了能够捕获尽可能多的光而优选地包括小的圆形开口，圆形开口具有d_x、d_y的尺寸，其中商d_y/d_x可取值为0.75至1.25，优选0.9至1.1，特别是0.95至1.05。另一方面，为了允许经由长度可变滤波器118将尽可能多的光引导到在该实施例中呈矩形的检测器阵列120上，反向操作的光学聚光器设备124的入射光瞳184处的出射孔182可以包括细长且圆形的开口，特别是具有D_x、D_y的尺寸的椭圆形开口，其中，商D_y/D_x可以取值为1.5至20，优选地为2至10，特别地为2.5至6。然而，特别是根据检测器阵列120的形式，以反方向操作的光学聚光器设备124的入射孔178和/或出射孔182的其他形状也是可行的。

此外，图4示意性地示出了根据本发明的光谱仪设备112的另一示例性实施例。与图1的光谱仪设备112的示例性实施例相反，该实施例采取光学元件122、线性可变滤波器118和检测器阵列120沿着光谱仪设备112的光轴164对称布置，如图4A所示的光谱仪设备112的光学元件122采取非对称布置200。

另外，可以特别是光学透镜、曲面镜、光栅或衍射光学元件的传输设备(在此未示出)可以布置在反向操作的光学聚光器设备124和长度线性可变滤波器118之间。优选地，光学透镜尤其可以选自：双凸透镜、平凸透镜、双凹透镜、平凹透镜、非球面透镜、圆柱透镜和弯月形透镜。但是，其他种类的传输设备也可能可行。

因此，根据本发明以在反方向126布置的并且具有单个圆形反射侧壁128的光学聚光器设备124的形式提供的光学元件122的对称轴202相对于光谱仪设备112的光轴164倾斜角度α，如上所述，光轴164平行于垂直于线性可变滤波器118的接收表面136的平面。在此，角度α是根据入射光114选择的，传输到线性可变滤波器118的入射光114不仅在线性可变滤波器118上被设计用于接收入射光118的波长的空间位置138处垂直于线性可变滤波器118的接收表面136冲击在线性可变滤波器118，此外，还会在线性可变滤波器118上被设计用于接收超过入射光114的波长的另一波长的另一空间位置138'处冲击。

因此，光束186可以以比其固有波长更长的波长穿过线性可变滤波器118，但是由于线性可变滤波器118与检测器阵列120之间的相对布置被如在本文的其他地方更详细地描述的透明间隙146隔开，光束186仍然可以冲击特定的像素化传感器144，该像素化传感器144被提供用于确定在入射光束114的特定波长下的入射光的强度。在线性可变滤波器118上被指定用于此目的的空间位置138处垂直于线性可变滤波器118的接收表面136冲击线性可变滤波器118的光束186，并且在被指定用于接收比入射光144的波长更长的波长的另一空间位置138'上冲击线性可变滤波器118的光束186'也仍然冲击相同的特定像素化传感器144，该特定像素化传感器144被设计用于接收入射光114的特定波长。结果，光束186'也可以因此对由特定的单个像素化传感器144产生的电信号做出贡献，从而可以进一步提高光谱仪设备112的效率。

如图4B中示意性地示出的，如图4A所示的光谱仪设备112内的光学元件122的非对称布置200可以提供附加的优点。如本文中所说明，具有三个不同波长的三个不同光束186、186'、186”中的每一个可在检测器阵列120的对应像素化传感器144中生成检测器信号204、204'、204”，其在限定的公差等级内具有相同强度而与其波长无关。当使用白炽灯156作为照明源158时甚至可以实现该优点，该照明源可以被认为是IR光谱范围内的热发射器并且因此表现出随着波长增加而降低的发射功率。但是，光学元件122的非对称布置200可能会抵消这种影响，其中，与具有较长波长的光束186”相比，可以提供更长的路径用于具有较短波长的光束186。

另外，以这种方式可以抵消可能影响像素化传感器144处的光束186、186'、186”的强度的其他影响。特别地，已知的IR吸收材料表现出随着波长增加而吸收增加的趋势。此外，由于线性可变滤波器118的带通宽度通常在线性可变滤波器118的光谱范围上呈现恒定值，例如1％，因此与带通宽度成反比的线性可变滤波器118的分辨率也随着波长的增加而减小。此外，线性可变滤波器118的分辨率通常取决于线性可变滤波器的中心波长。然而，光学元件122的非对称布置200可以促进光谱仪设备112更能接受更长的波长，而白炽灯158的较高发射功率和较短波长下的较低带通宽度可以导致光谱仪设备112的效率在其波长范围内分布更均匀。

由于反向操作的光学聚光器设备的单个圆形侧壁128被设计为单个反射侧壁，因此可以进一步提高光谱仪设备112的效率。如图4B中示意性地示出，单个反射侧壁128可以允许附加光束186*通过在单个反射侧壁上的反射被引导到线性可变滤波器118，并且随后被引导到检测器阵列120，在此它们可以另外有助于检测器信号。

图5A和图5B各自示意性地示出了透射率的变化，其可以由透射峰206的相对强度I/I₀限定，其是在入射光114穿过光谱仪设备112的线性可变滤波器118的透射之后，如通过相应的模拟所确定的，作为相应透射峰206的波长λ[nm]的函数。在这里，已经选择了例如如图1、2A和2B所示的相对于光谱仪设备112的光轴164的光学聚光器设备124的对称布置208，以确定图5A的透射峰206，然而，如图4A和4B所示的光学聚光器设备124的非对称布置200已经用于获得如图5B所示的透射峰206。

由于光学聚光器设备124的非对称布置200，可以观察到透射峰206的相对强度I/I₀的最大值和它们的角度α的焦点朝向更长的波长的偏移。此外，与图5A的对称布置208中在半高处的峰宽210'相比，在图5B的非对称布置200中，透射峰206看起来具有较小的峰宽210，特别是在半高处的较小的峰宽210，因此，导致非对称布置200的带通宽度减小。通过示例的方式，可以将半高处的峰宽210以及因此的带通宽度对于具有最长波长的透射峰212减小约5％。此外，因此，可以估计可以用相应的光谱仪设备112完全采集的光谱，从如图5A所使用的对称布置208中的1270nm至2340nm的第一光谱范围214稍微增加到如图5B中所使用的非对称布置200中的1230nm至2390nm的第二范围216。

总而言之，与光学聚光器设备124的非对称布置200相比，在非对称布置208中，透射率向更长的波长更强地增加，并且向较小的波长也更强地减小，因此，有利于光谱仪设备112对于更长的波长表现出更高的接收。然而，如上所述，通过使用具有较高发射功率的白炽灯158可以容易地抵消这种效果，由此最终可以以这种方式提供具有可以在其波长范围上更均匀地分布的效率的光谱仪设备112。

附图标记清单

110 光谱仪系统

112 光谱仪设备

114 入射光

116 对象

118 线性可变滤波器，作为长度可变滤波器的优选示例

120 检测器阵列

122 光学元件

124 反向操作的光学聚光器设备

126 反方向

128 单个圆形侧壁

130 输入端

132 引导结构

134 输出端

136 接收表面

138、138’ 空间位置

140 响应涂层

142 透明基板

144 像素化传感器

146 透明间隙

148 信号导线

150 评估单元

152 信号评估单元

154 照明源

156 白炽灯

158 照明控制单元

160 数据处理设备

162 壳体

164 光轴

166 复合抛物线聚光器

168 抛物线形状

170 复合椭圆形聚光器

172 椭圆形状

174 中空体

176 壳表面

178 入射孔

180 入射光瞳

182 出射孔

184 出射光瞳

186、186'、186”、186* 光束

200 非对称布置

202 对称轴

204、204'、204” 检测器信号

206 透射峰

208 对称布置

210、210' 峰宽度(半高处)

212 具有最长波长的透射峰

214 第一光谱范围

216 第二光谱范围

Claims (13)

1.一种光谱仪设备(112)，包括：

光学元件(122)，其被设计用于接收来自对象(116)的入射光(114)并将所述入射光(114)传输到长度可变滤波器(118)，其中，所述光学元件(122)包括光学聚光器设备(124)，其中，所述光学聚光器设备(124)在反方向(126)操作，其中，所述光学聚光器设备(124)适于反射入射光；

所述长度可变滤波器(118)，其被设计用于将所述入射光(114)分离成组成波长信号的光谱，其中，所述长度可变滤波器(118)是包括多个干涉滤波器的光学滤波器，所述多个干涉滤波器以连续布置来提供；以及

包括多个像素化传感器(144)的检测器阵列(120)，其中，每个所述像素化传感器(144)适于接收所述组成波长信号之一的至少一部分，其中，每个所述组成波长信号与每个组成波长的强度有关，

其中，所述光学聚光器设备(124)具有单个侧壁(128)，其中，所述单个侧壁(128)被设计为圆形侧壁，其中，所述单个圆形侧壁(128)构成壳表面(176)，所述壳表面(176)适于连接在入射光瞳(180)处的入射孔(178)和在出射光瞳(184)处的出射孔(182)作为光导结构(132)，

其中，所述光学聚光器设备(124)相对于所述长度可变滤波器(118)以非对称的方式布置。

2.根据权利要求1所述的设备(112)，其中，在反方向(126)操作的所述光学聚光器设备(124)包括在输入端(130)处的入射光瞳(180)以及在出口处的出射光瞳(184)，其中，光导结构(132)位于所述输入端(130)和输出端(134)之间。

3.根据权利要求2所述的设备(112)，其中，所述入射光瞳(180)包括小于90°的输入角，并且其中，所述出射光瞳(184)包括不大于30°的输出角。

4.根据权利要求2所述的设备(112)，其中，在反方向(126)操作的所述光学聚光器设备(124)在所述入射光瞳(180)处具有圆形的入射孔(178)，并且在所述出射光瞳(184)处具有细长且圆形的出射孔(182)。

5.根据权利要求1所述的设备(112)，其中，所述光学聚光器设备(124)包括圆锥形状或非圆锥形状之一。

6.根据权利要求5所述的设备(112)，其中，所述光学聚光器设备(124)的所述非圆锥形状包括选自抛物线形状(168)或椭圆形状(172)的形状。

7.根据权利要求1所述的设备(112)，其中，所述光学聚光器设备(124)相对于垂直于所述长度可变滤波器(118)的接收表面(136)的平面而倾斜。

8.根据权利要求1所述的设备(112)，其中，所述检测器阵列(120)通过透明间隙(146)与所述长度可变滤波器(118)分开。

9.根据权利要求1所述的设备(112)，进一步包括：适于照明所述对象(116)的照明源(154)。

10.根据权利要求9所述的设备(112)，其中，所述照明源(154)包括白炽灯(156)。

11.一种光谱仪系统(110)，包括

根据权利要求1至10中的任一项所述的光谱仪设备(112)；以及

评估单元(150)，其被指定用于通过评估由所述光谱仪设备(112)提供的检测器信号(204，204'，204”)来确定与对象(116)的光谱有关的信息。

12.根据权利要求11所述的系统(110)，还包括：适于照明所述对象(116)的照明源(154)。

13.根据涉及光谱仪设备(112)的权利要求1至10中的任一项所述的光谱仪设备(112)或者根据涉及光谱仪系统(110)的权利要求11至12中的任一项所述的光谱仪系统(110)的用途，出于使用目的，选自：红外检测应用；热检测应用；温度计应用；热跟踪应用；火焰检测应用；火灾检测应用；烟雾检测应用；温度感测应用；光谱学应用；废气监控应用；燃烧过程监控应用；污染监控应用；工业过程监控应用；化学过程监控应用；食品加工过程监控应用；水质监控应用；空气质量监控应用；质量控制应用；温度控制应用；运动控制应用；排气控制应用；气体感测应用；气体分析应用；运动感测应用；化学感测应用。