CN112543862A - 多层光谱调制光谱仪 - Google Patents

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Abstract

一种系统包括第一光谱调制器、第二光谱调制器、光导、光电探测器和电子控制设备。第一光谱调制器接收样本光，并根据第一光谱响应图案调制样本光以产生第一调制光。第二光谱调制器经由光导接收来自第一光谱调制器的第一调制光，根据第二光谱响应图案调制第一调制光以产生第二调制光，并将第二调制光透射到光电探测器。光电探测器测量入射到光电探测器上的第二调制光的强度，并生成与第二调制光的强度对应的一个或多个信号。电子控制设备基于该一个或多个信号确定样本光的光谱分布。

Description

多层光谱调制光谱仪
技术领域
本公开涉及光谱仪。
背景技术
光谱仪是一种用于测量样本光光谱的仪器(例如，用于确定紫外光、可见光和/或红外光的谱成分)。在某些情况下，光谱仪可以根据波长或频率来确定光的强度。
光谱仪可以用于各种不同的应用。例如，光谱仪可以用于进行环境分析、工业监控、颜色测量和药理学研究。
光谱可以用不同的方法测量，诸如通过直接测量或间接测量。作为一种示例，被配置用于直接测量的光谱仪可以在空间上分离不同波长的光(例如，使用波长色散设备，诸如衍射光栅或棱镜)，并且单独测量每个波长的光的功率分布(例如，相对于特定波长“直接”测量光谱)。
作为另一个示例，被配置用于间接测量的光谱仪可以根据一系列已知的光谱调制图案调制光，并获得调制光的测量值。每个测量值提供由多个波长和根据不同权重携带的信息，并且可以用于重建原始光的光谱(例如，使用多路复用技术)。
发明内容
本公开描述了多层光谱调制光谱仪的实施方式。在示例实施方式中，光谱仪包括经由光导光学耦合的两个光谱调制器。光谱仪接收样本光，根据第一已知光谱响应图案(例如，根据第一传递函数)使用第一光谱调制器调制样本光，并根据第二已知光谱响应图案(例如，根据第二传递函数)使用第二光谱调制器调制得到的光。使用一个或多个光电探测器测量两次调制的光。获得几个附加的测量值(例如，通过使用光谱响应图案的不同组合来调制光)，以及用于重建原始光的光谱的测量值(例如，使用多路复用技术)。
在某些情况下，该光谱仪的实施方式可以提供各种好处。例如，使用直接测量技术测量光谱的光谱仪通常需要一个或多个波长色散设备(例如，衍射光栅或棱镜)以在空间上分离光的波长。然而，这种设备通常相对较大。相反，在本公开中描述的多层光谱调制光谱仪的实施方式不需要使用波长色散设备，因此可以更容易地小型化。在某些情况下，光谱仪可以足够小，使得其可以用于便携式或移动设备(例如，智能电话、平板电脑、手持仪器或其他这样的设备)。
作为另一个示例，使用间接测量技术(例如，使用单层光谱调制器)测量光谱的光谱仪通常需要大量不同的光谱调制器(例如，大量不同的滤光器)。相反，在本公开中描述的多层光谱调制光谱仪的实施方式可以使用更少数量的光谱调制器来构建，同时仍然提供相似或改进的分析性能。因此，多层光谱调制光谱仪可以使用更便宜的方式、使用更少的组件和/或使用不太复杂的制造过程来构建。
作为另一个示例，多层光谱调制光谱仪的实施方式可以在不使用复杂光学器件的情况下构建。因此，光谱仪可以以更具成本效益的方式生产。
在一个方面，一种系统包括第一光谱调制器、第二光谱调制器、光学耦合第一光谱调制器和第二光谱调制器的光导、光电探测器和通信耦合到光电探测器的电子控制设备。第一光谱调制器可操作用于接收样本光，并根据第一光谱响应图案调制样本光以产生第一调制光。第二光谱调制器可操作用于经由光导接收来自第一光谱调制器的第一调制光，根据第二光谱响应图案调制第一调制光以产生第二调制光，并将第二调制光透射到光电探测器。光电探测器可操作用于测量入射到光电探测器上的第二调制光的强度，并生成与第二调制光的强度对应的一个或多个信号。电子控制设备可操作用于基于一个或多个信号确定样本光的光谱分布。
该方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。
在一些实施方式中，第一光谱调制器可以包括多个第一滤光器，每个第一滤光器具有与其他第一滤光器中的每一个的光谱响应图案不同的相应光谱响应图案。对于每个第一滤光器，第一光谱调制器可以包括相应的第一光调节设备，该第一光调节设备可操作用于调节样本光进入或离开第一滤光器的透射。第一光调节设备可以包括液晶空间光调制器(spatial light modulator，SLM)。第一光谱调制器可操作来通过选择性地致动(actuate)第一光谱调制器的一个或多个第一光调节设备，根据第一光谱响应图案调制样本光。第二光谱调制器可以包括多个第二滤光器，每个第二滤光器具有与其他第二滤光器中的每一个的光谱响应图案不同的相应光谱响应图案。对于每个第二滤光器，第二光谱调制器可以包括相应的第二光调节设备，该第二光调节设备可操作用于调节样本光进入或离开第二滤光器的透射。第二光调节设备可以包括液晶空间光调制器(SLM)。第二光谱调制器可操作用于通过选择性地致动第二光谱调制器的一个或多个第二光调节设备，根据第二光谱响应图案调制第一调制光。
在一些实施方式中，第一光谱调制器可以包括多个光通道。第一光谱调制器的每个光通道可以包括多个第一滤光器和多个第一光调节设备，每个第一滤光器具有与该光通道的其他第一滤光器中的每一个的光谱响应图案不同的相应光谱响应图案，第一光调节设备可操作用于调节光进入或离开第一滤光器的透射。第一光谱调制器可操作用于通过选择性地致动第一光谱调制器的光通道中的一个或多个的第一光调节设备中的一个或多个，根据第一光谱响应图案调制样本光。光导可以包括多个光通道。光导的每个光通道可以包括相应的光导，该相应的光导可操作用于从第一光谱调制器的对应光通道接收第一调制光，并混合第一调制光。第二光谱调制器可以包括多个光通道。第二光谱调制器的每个光通道可以包括相应的第二滤光器，每个第二滤光器具有与其他第二滤光器中的每一个的光谱响应图案不同的相应光谱响应图案。对于每个光通道，第二光谱调制器还可以包括相应的第二光调节设备，该第二光调节设备可操作用于调节光进入或离开第二光谱调制器的透射。第二光谱调制器可操作用于通过选择性地致动第二光谱调制器的第二光调节设备中的一个或多个，根据第二光谱响应图案调制第一调制光。光电探测器可以包括多个光通道。光电探测器的每个光通道可以包括相应的光电探测器元件，该相应的光电探测器元件可操作用于测量从第二光谱调制器的对应光通道接收的第二调制光的强度。光电探测器可以包括单个光电探测器元件，该单个光电探测器元件可操作用于测量从第二光谱调制器的任何光通道接收的第二调制光的强度。
在一些实施方式中，该系统还可以包括漫射器(diffuser)，该漫射器可操作用于漫射样本光并将漫射的样本光透射到第一光谱调制器。
在附图和下面的描述中阐述了一个或多个实施方式的细节。从说明书和附图以及权利要求书中，其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是示例光谱仪的示意图。
图2是另一示例光谱仪的示意图。
图3是另一示例光谱仪的示意图。
图4是用于估计样本光的光谱的示例过程的流程图。
图5A-图5B是两个示例滤光器阵列的光谱响应的曲线图。
图6A-图6C是示例光源的实际光谱与对应的被激励的重建光谱的关系的曲线图。
图7是示例计算机系统的示意图。
具体实施方式
本公开描述了多层光谱调制光谱仪的实施方式。在示例实施方式中，光谱仪包括经由光导光学耦合的两个光谱调制器。光谱仪接收样本光，根据第一已知光谱响应图案(例如，根据第一传递函数)使用第一光谱调制器调制样本光，并根据第二已知光谱响应图案(例如，根据第二传递函数)使用第二光谱调制器调制得到的光。使用一个或多个光电探测器测量两次调制的光。获得几个附加的测量值(例如，通过使用光谱响应图案的不同组合来调制光)，以及用于重建原始光的光谱的测量值(例如，使用多路复用技术)。在某些情况下，原始光的光谱可以使用最小二乘算法来重建。
在某些情况下，光谱调制器包括一个或多个不同的滤光器，每个滤光器具有不同的光谱响应图案。此外，光谱调制器可以通过使用诸如液晶空间光调制器的光调节设备来调节光进入和/或离开滤光器的通路(passage)(例如，选择性地阻挡或允许光进入和/或离开滤光器的透射)。因此，可以选择性地控制光调节设备，以根据一个或多个不同的滤光器单独地或组合地调制光，从而能够根据几种不同的光谱响应图案来调制光。收集对不同调制光的多个测量值(例如，使用一个或多个光电探测器)，并且这些测量值用于重建原始光谱。此外，在某些情况下，光电探测器可以包括多个通道。光电检测器的每个通道可以被单独的滤光器覆盖，并被不同地加权(例如，通过增益/积分时间设置或加权因子)。
如图1所示，光谱仪100包括漫射器102、第一光谱调制器104a、第二光谱调制器104b、光导106、光电探测器108和电子控制设备110。
在光谱仪100的示例使用中，光谱仪100接收样本光112，并引导样本光112通过漫射器102。漫射器102漫射样本光112，使得样本光112的方向依赖性降低。例如，漫射器102可以根据特定的入射角或入射角范围接收样本光112，并且散射样本光112，使得其根据多个透射角或比入射角范围更宽的透射角范围离开漫射器102。这对于例如在不同的入射光角度上保持更恒定的输出光分布是有用的(例如，提高光谱仪100测量值的一致性)。示例漫射器102包括具有一种或多种半透明材料的光学设备，诸如磨砂玻璃、聚四氟乙烯(例如TEFLONTM)、全息图、蛋白石玻璃和灰色玻璃等。
漫射光被引导向第一光谱调制器104a，其根据第一光谱响应图案调制光。第一光谱调制器104a可以包括多个不同的通道，以不同的方式调制光。例如，在图1所示的示例中，第一光谱调制器104包括五个通道114a-114e，分别对应于第二光谱调制器104b的五个通道124a-124e。每个通道114a-114e与其他通道114a-114e光学隔离，使得来自该通道的光不会进入另一通道。
每个通道114a-114e包括一组滤光器116和对应的一组光调节设备118。例如，在图1所示的示例中，每个通道114a-114e包括三个不同的滤光器116和三个对应的光调节设备118。光调节设备118对光进行空间调制，并调节光进入或离开滤光器116的通路。例如，光调节设备118中的每一个可以被单独控制，以选择性地阻挡或允许光进入或离开对应滤光器116的透射。在一些情况下，可以操作光调节设备118，使得光透射通过通道中的单个滤光器116(例如，通过光学阻挡除一个滤光器之外的所有滤光器)。在一些情况下，可以操作光调节设备118，使得光透射通过通道中的多个滤光器116(例如，通过光学阻挡滤光器中的一些，或者不阻挡任何滤光器)。在一些情况下，光调节设备118可以允许光通过一个或多个滤光器116的部分透射(例如，不同地“加权”滤光器)。在一些情况下，光调节设备118是液晶空间光调制器。在一些情况下，使用电子控制设备110来控制光调节设备118。
对于每个通道114a-114e，该通道的每个滤光器116被配置为根据与该通道的其他滤光器116中的每一个的光谱响应不同的光谱响应图案来透射光。例如，在图1所示的示例中，每个通道114a-114e包括三个不同的滤光器116，每个滤光器被配置为与该通道的其他滤光器中的每一个不同地透射光。
在一些情况下，滤光器116可以被配置为衰减某些波长的光，同时允许其他波长的光的透射。例如，一组中的每个滤光器116可以是不同的“色彩”滤光器。作为示例，如图1所示，一组滤光器116可以包括由数字“1”指示的红色滤光器(例如，选择性地透射对应于红色的波长光的滤光器)、由数字“2”指示的绿色滤光器(例如，选择性地透射对应于绿色的波长光的滤光器)和由数字“3”指示的蓝色滤光器(例如，选择性地透射对应于蓝色的波长光的滤光器)。
可以控制光调节设备以118使用这些滤光器中的一个或多个单独地或组合地滤光(例如，根据红色滤光器、蓝色滤光器、绿色滤光器或其任意组合选择性地滤光)。此外，可以控制光调节设备118以相对于一个或多个所选择的滤光器对光赋予(impart)空间调制。因此，取决于所选择的滤光器，可以针对特定波长或波长范围对光进行空间调制。
尽管在图1中示出了示例色彩滤光器，但是这些滤光器仅仅是说明性的示例。在实践中，可以使用其他类型的滤光器以替代或补充所示的那些滤光器。
在一些情况下，通道114a-114e中的每一个包括一组相似的滤光器116。例如，在图1所示的示例中，每个通道114a-114e包括一组相似的滤光器116(例如，红色滤光器、绿色滤光器和蓝色滤光器)。在一些情况下，通道114a-114e中的一些或全部可以包括与其他通道中的每一个不同的一组滤光器116。
来自第一光谱调制器104a的调制光被透射到光导106中。光导106可以包括多个通道，每个通道被配置为接收来自第一光谱调制器104a的对应通道的光。例如，在图1所示的示例中，光导106包括五个通道120a-120e，每个通道被配置为接收来自第一光谱调制器104a的通道114a-114e中的对应一个通道的光。光导106混合调制光，并将光透射到第二光谱调制器104b。
第二光谱调制器104b根据第二光谱响应图案调制光。第二光谱调制器104b可以包括多个不同的通道，以按照不同的方式调制光。例如，在图1所示的示例中，第二光谱调制器104b包括五个通道124a-124e，每个通道具有相应的滤光器126和光调节设备128。每个通道124a-124e被配置为接收来自光导106的通道120a-120e中的对应一个通道的光，并根据不同的相应滤光器126调制光。
滤光器126中的每一个被配置为根据与其他滤光器126中的每一个的光谱响应不同的光谱响应图案来透射光。例如，在图1所示的示例中，第二光谱调制器104b包括五个不同的滤光器126，每个滤光器126被配置为与其他滤光器126中的每一个不同地透射光。
以关于滤光器116所描述的类似方式，滤光器126可以被配置为衰减某些波长的光，同时允许其他波长的光的透射。类似地，一组中的每个滤光器126可以是不同的“色彩”滤光器。例如，如图1所示，滤光器126可以包括红色滤光器(由字母“A”指示)、橙色滤光器(由字母“B”指示)、绿色滤光器(由字母“C”指示)、黄色滤光器(由字母“D”指示)和蓝色滤光器(由字母“E”指示)。
类似地，可以控制光调节设备128以使用这些滤光器中的一个或多个单独地或组合地滤光。此外，可以控制光调节设备128以相对于一个或多个所选择的滤光器对光赋予空间调制。因此，取决于所选择的滤光器，可以针对特定波长或波长范围对光进行空间调制。在一些情况下，可以使用电子控制设备110来控制光调节设备128。
类似地，虽然描述了示例色彩滤光器，但是这些滤光器仅仅是说明性的示例。在实践中，可以使用其他类型的滤光器以替代或补充所示的那些滤光器。
第一光谱调制器104a和第二光谱调制器104b可以被联合控制(例如，使用电子控制设备110)以通过滤光器116和滤光器126的不同组合透射光，使得光根据不同的光谱调制图案被调制。例如，在图1所示的示例中，通过选择性地通过第一光谱调制器104a的通道114a中的滤光器“1”和第二光谱调制器104b的通道124a中的滤光器“A”来透射调制光，同时阻挡光通过其他滤光器的透射(例如，通过选择性地操作光调节设备118和128)，可以根据滤光器“1”和“A”来调制光。作为另一个示例，通过选择性地通过第一光谱调制器104a的通道114b中的滤光器“3”和第二光谱调制器104b的通道124b中的滤光器“B”来透射调制光，同时阻挡光通过其他滤光器的透射(例如，通过选择性地操作光调节设备118和128)，可以根据滤光器“3”和“B”来调制光。类似地，可以根据滤光器116和126的其他组合来调制光。
在一些情况下，可以根据第一光谱调制器104a的多个不同滤光器共同地调制光。作为另一个示例，通过选择性地通过第一光谱调制器104a的通道114d中的滤光器“2”和“3”以及第二光谱调制器104b的通道124d中的滤光器“D”来透射调制光，同时阻挡光通过其他滤光器的透射(例如，通过选择性地操作光调节设备118和128)，可以根据滤光器“2”、“3”和“D”来调制光。
在一些情况下，可以根据第二光谱调制器104b的多个不同的滤光器共同地调制光。作为另一个示例，通过选择性地通过第一光谱调制器104a的通道114a和114c中的滤光器“1”、第二光谱调制器104b的通道124a中的滤光器“A”和第二光谱调制器104b的通道124c中的滤光器“C”来透射调制光，同时阻挡光通过其他滤光器的透射(例如，通过选择性地操作光调节设备118和128)，可以根据滤光器“1”、“A”和“C”来调制光。
类似地，在一些情况下，可以根据第一光谱调制器104a的多个不同滤光器和第二光谱调制器104b的多个不同滤光器共同地调制光。
在一些情况下，光调节设备118和128可以允许光通过一个或多个滤光器116和126的部分透射(例如，不同地“加权”滤光器)。
在一些情况下，光调节设备118和128也可以单独调制光通过滤光器116和/或126中的一个或多个的透射。例如，光调节设备可以是液晶空间光调制器，其使用由液晶层引入的法拉第(Faraday)旋转来控制偏振光的透射。这些设备可以包括后偏振器、具有导电膜的液晶旋转器(该导电膜能够将电场施加到液晶旋转器上)和前偏振器。可以通过改变所施加的电场(例如，使用电子控制设备110)来对光进行空间调制。
调制光从第二光谱调制器104b透射到光电探测器108。光电探测器108测量调制光(例如，光的强度)，并将测量值传输到电子控制设备110。示例光电探测器包括光电发射或光电器件、半导体器件、光伏器件、热器件或光化学器件，它们可操作用于将光子转换成电流。
光谱仪100可以根据多个不同的光谱响应图案连续地调制光，并获得根据每个光谱响应图案的、光的测量值。此外，电子控制设备110可以检索关于滤光器116和126以及光调节设备118和128中的每一个的光谱响应图案的信息(例如，基于滤光器和光调节设备的制造商规格和/或先前进行的滤光器和光调节设备的光谱响应分析的信息)。基于测量值和关于滤光器和光调节设备的信息，电子控制设备110可以重建原始光的光谱(例如，使用多路复用技术)。例如，每个测量值提供由多个已知波长和根据不同的已知权重携带的信息(例如，基于关于滤光器116和126以及光调节设备118和128中每一个的光谱响应图案的信息来确定)。因此，电子控制设备110可以使用来自这些测量值中的每一个和已知属性的信息来形成感测矩阵。电子控制设备110可以使用感测矩阵，例如使用最小二乘算法、傅立叶变换或哈达玛变换来重建样本光112的原始光谱。下面更详细地描述示例计算技术。
尽管图1所示的光谱仪100包括第一光谱调制器104a和第二光谱调制器104b，其中第一光谱调制器104a对于每个通道具有一组三个滤光器，并且第二光谱调制器104b具有五个通道和对应的滤光器，但这仅仅是说明性的示例。在实践中，光谱仪100可以包括用于第一光谱调制器104a的每个通道的任意数量(例如，一个、两个、三个、四个或更多)的滤光器以及用于第二光谱调制器104b的任意数量(例如，一个、两个、三个、四个或更多)的通道和对应的滤光器。
在图1所示的示例中，光谱仪100包括单个光电探测器108，用于测量跨多个不同通道的调制光(例如，从第二光谱调制器104b的通道124a-124e透射的调制光)。然而，情况不必如此。例如，在一些实施方式中，可以使用多个不同的光电探测器(例如，光电探测器阵列)来测量调制光。
作为示例，图2示出了另一种光谱仪200。通常，光谱仪200类似于100所示的光谱仪。例如，光谱仪200包括漫射器102、第一光谱调制器104a、光导106和电子控制设备110，它们中的每一个都可以类似于图1所示的那些。
然而，在图2的这个示例中，光谱仪包括不同的第二光谱调制器250。第二光谱调制器250根据与第一光谱调制器104a的光谱响应图案不同的第二光谱响应图案来调制光。第二光谱调制器250可以包括多个不同的通道，以按照不同的方式调制光。例如，在图2所示的示例中，第二光谱调制器104b包括五个通道204a-204e，每个通道具有相应的滤光器126。滤光器126可以类似于关于图1描述的那些。此外，每个通道204a-204e被配置为接收来自光导106的通道的对应一个通道的光，并且根据不同的相应滤光器126来调制光。
此外，第二光谱调制器250包括光电探测器202a-202e的阵列，每个光电探测器被配置为测量来自通道204a-204e的对应一个通道的调制光(例如，光的强度)，并将测量值传输到电子控制设备110。示例光电探测器包括光电发射或光电器件、半导体器件、光伏器件、热器件或光化学器件，其可操作用于将光子转换成电流。
这种配置可以提供各种好处。例如，因为光谱仪200包括彼此光学隔离的几个不同的光电探测器202a-202e，所以光谱仪200可以同时测量根据多个不同调制图案调制的光。例如，光电探测器202a-202e中的一些或全部可以共同操作以测量已经由不同的相应调制图案调制的光(例如，根据由第一光谱调制104a和第二光谱调制器250的不同通道赋予的光谱调制图案)。例如，这有利于增加光谱仪200的效率。
此外，来自光电探测器202a-202e中的每一个的测量值可以相对于来自其他光电探测器202a-202e中的每一个的测量值被不同地加权。例如，光电探测器202a-202e中的每一个可以根据特定增益(例如，由于入射光而由光电探测器生成的电流的信号增益)和/或根据特定积分时间(例如，对应于光电探测器202a-202e测量光以获得特定光强测量值的长度)来操作。可以为光电探测器202a-202e中的每一个选择性地控制这些参数(例如，使用电子控制设备110)。这有利于例如提高光谱仪200的有效性(例如，通过提供附加的可调因子或权重来提供关于光谱的附加信息，并提高光谱估计的准确性)。
尽管图2中所示的光谱仪200包括第一光谱调制器104a和第二光谱调制器250，其中，第一光谱调制器104a对于每个通道具有一组三个滤光器，并且第二光谱调制器250具有五个通道和对应的滤光器，但这仅仅是说明性的示例。在实践中，光谱仪200可以包括用于第一光谱调制器104a的每个通道的任意数量(例如，一个、两个、三个、四个或更多)的滤光器，以及对于第二光谱调制器250的任意数量(例如，一个、两个、三个、四个或更多)的通道和对应的滤光器。
在图1和图2所示的示例中，光谱仪100和200中的每一个都包括第一光谱调制器104和光导106，每个都具有多个不同的通道(例如，用于不同地调制和对每一个通道滤光)。然而，情况不必如此。例如，在一些实施方式中，第一光谱调制器和光导可以各自包括单个通道。
作为示例，图3示出了另一光谱仪300。光谱仪300包括漫射器102、第一光谱调制器300a、第二光谱调制器300b、光导302和电子控制设备110。通常，漫射器102和电子控制设备110可以类似于关于图1和图2描述的那些。
然而，在该示例中，第一光谱调制器300a仅包括单个通道，具有单组滤光器304和对应的光调节设备306(例如，与具有五个不同通道的第一光谱调制器104a相反，如图1和图2所示)。此外，光导302仅包括用于从第一光谱调制器300a接收调制光并将光透射到第二光谱调制器300b的单个通道(例如，与具有五个不同通道的光导106相反，如图1和图2所示)。
在光谱仪300的示例使用中，光谱仪100接收样本光112，并引导样本光112通过漫射器102。漫射器102漫射样本光112，使得样本光112的方向依赖性降低(例如，以类似于关于图1所述的方式)。
漫射后的光被引导向第一光谱调制器300a，其根据第一光谱响应图案调制光。第一光谱调制器300a包括单个通道以调制光，并且包括单组滤光器304和对应的光调节设备306。滤光器304和光调节设备306可以与关于图1描述的滤光器116和光调节设备118类似地操作。例如，光调节设备306可以对光进行空间调制，并调节光进入或离开滤光器304的通路。此外，滤光器304中的每一个可以被配置为根据与其他滤光器304中的每一个的光谱响应不同的光谱响应图案透射光，并且每个滤光器可以被配置为衰减特定波长的光，同时允许透射其他波长的光。因此，取决于所选择的滤光器，光可以针对特定波长或波长范围进行空间调制。
虽然在图3中示出了示例滤光器，但这些仅仅是说明性的示例。在实践中，可以使用其他类型的滤光器，以替代或补充所示的那些滤光器。
来自第一光谱调制器300a的调制光被透射到光导302中。光导302混合调制光(例如，混合从滤光器304中的一个或多个接收的光)，并将光透射到第二光谱调制器300b。
第二光谱调制器300b根据第二光谱响应图案调制光。第二光谱调制器300b可以类似于关于图2所描述的第二光谱调制器250。例如，第二光谱调制器300可以包括多个不同的通道，以按照不同的方式调制光。作为示例，在图3所示的示例中，第二光谱调制器300b包括五个通道308a-308e，每个通道具有相应的滤光器310。滤光器310可以类似于关于图1所描述的滤光器126。此外，每个通道308a-308e被配置为接收从光导302透射的光的一部分，并根据不同的相应滤光器310来调制光。
此外，以类似于关于图2所描述的方式，第二光谱调制器300b包括光电探测器312a-312e的阵列，每个光电探测器被配置为测量来自通道308a-308e中对应一个通道的调制光(例如，光的强度)，并将测量值传输到电子控制设备110。示例光电探测器包括光电发射或光电器件、半导体器件、光伏器件、热器件或光化学器件，其可操作用于将光子转换成电流。类似地，来自光电探测器312a-312e中的每一个的测量值可以相对于来自其他光电探测器312a-312e中的每一个的测量值被不同地加权。例如，光电探测器312a-312e中的每一个可以根据特定的增益和/或根据特定的积分时间来操作。
这种配置可以提供各种好处。例如，在这种配置中，光谱仪300可以使用光谱调制器300b选择性地调制和过滤光，而无需使用在第一光谱调制器300a和/或光导302中的多个不同的通道。这可以降低光谱仪300的复杂性和/或生产成本(例如，通过去除用于构建光谱仪300的组件的数量)。
尽管图3所示的光谱仪300包括具有三个滤光器的第一光谱调制器300a和具有五个通道和对应滤光器的第二光谱调制器300b，但这仅仅是说明性的示例。在实践中，光谱仪200可以包括用于第一光谱调制器300a的任意数量的滤光器(例如，一个、两个、三个、四个或更多)，以及用于第二光谱调制器300b的任意数量的通道和对应的滤光器(例如，一个、两个、三个、四个或更多)。
参考以下符号，下面描述示例光谱估计技术：
λ：波长；λ∈λmin，λmax
N：由光谱仪获得的测量值的数量
m：第一光谱调制器的通道的数量
n：第二光谱调制器的通道的数量
Δλ：波长离散化的步骤；Δλ＝(λmax-λmin)/(N-1)
x(λ)：研究中样本的实际光谱(功率分布与波长λ的关系)
P：光的功率
Figure BDA0002926874140000121
第一光谱调制器的滤光器阵列的各个滤光器的光谱响应
Figure BDA0002926874140000122
由第一光谱调制器中使用的液晶阵列的各个像素控制的透射加权因子。
Figure BDA0002926874140000123
第二光谱调制器的滤光器阵列的各个滤光器的光谱响应；
Figure BDA0002926874140000124
第二光谱调制器的每个滤光器通道的加权因子。
当具有未知光谱x(λ)的光入射到光电探测器上时，将测量光的复用强度P，其是每个波长的强度之和，
Figure BDA0002926874140000131
光谱x(λ)由光谱调制后测量的P来重建。光电探测器(或光电探测器阵列的多路复用)的最终读数可由以下等式计算
Figure BDA0002926874140000132
其中，对于n通道滤光器阵列，传递函数H(λ)可由滤光器光谱响应和对应的透射(或加权因子)定义如下：
Figure BDA0002926874140000133
其中，Fi(λ)和Ti分别是滤光器的第i通道的滤光器光谱响应和加权因子。
对于图2所示的光电探测器阵列，探测器的每个通道的测量值将由相应滤光器下的每个光电探测器的增益或积分时间来加权，或者由直接应用于探测器的每个通道的测量结果的加权因子阵列来加权。接收的最终功率将是光电探测器的每个通道接收的所有功率之和：
Figure BDA0002926874140000134
第一光谱调制器的传递函数H1(λ)和第二光谱调制器的传递函数H2(λ)可以从等式(3)推导出。最终光谱调制函数H可以如下表示(假设光谱不会被光导修改)：
H(λ)＝H1(λ)·H2(λ) (5)
例如，在图1中，对于第一光谱调制器具有三个滤光器通道，并且对于第二光谱调制器具有五个滤光器通道。此外，第二光谱调制器的每个通道将具有一组独立的滤光器(例如，在第一光谱调制器的通道中)和光导中的对应通道。因此，第一光谱调制将具有不同的透射设置以输出到第二光谱调制器的每个通道。这有助于以更任意的方式调制光，从而提高重建精度。
对于两个光谱调制器，可以用随机选择的透射/加权向量测量光N次。传递函数可以是N×N矩阵H′，并且来自光电探测器/光电探测器阵列的光测量值可以是N×1矩阵P′。
Figure BDA0002926874140000141
存在如下矩阵关系：
Figure BDA0002926874140000142
光谱的重建变成了线性系统问题，如等式(7)所示。诸如最小二乘法的各种算法可以用于根据H′的预设参数和测量的P′来重建x(λ)。
在某些情况下，在定义了对于测量的波长范围和分辨率之后，可以通过随机选择的透射向量来测量两个光谱调制器的光谱响应。重建可以基于测量的光谱调制函数矩阵和由光电探测器接收的测量光来进行。重建光谱后，重建误差可通过以下公式计算
Figure BDA0002926874140000143
如果计算的重建误差被接受，重建光谱可以作为结果输出。否则，可以将另一组透射向量应用于光谱调制器，并且可以进行另一次测量。
作为示例，图4中示出了用于估计样本光的光谱的过程400。过程400可以例如使用图1-图3所示的光谱仪100、200和/或300中的一个或多个来执行。
在过程400中，为光谱分析定义波长范围和测量分辨率(步骤402)。例如，可以在特定的波长范围(例如，波长在X和Y之间)上估计光谱，并且可以根据特定的光谱分辨率(例如，光谱分辨率为Z)来估计光谱。
利用为每个调制器随机选择的透射向量来表征两个光谱调制器的组合光谱响应(步骤404)。例如，可以随机选择透射向量
Figure BDA0002926874140000144
和
Figure BDA0002926874140000145
以便基于等式(3)和等式(5)产生不同的传递函数组合。例如，可以使用关于图1-图3描述的第一光谱调制器和第二光谱调制器来调制样本光。作为示例，参考图1，可以(例如，随机地)选择滤光器116和通道124a-124e的不同组合。
收集调制光的测量值(步骤406)。例如，可以使用关于图1-图3描述的光电探测器或光电探测器阵列来测量调制光。
执行迭代技术来重建光谱(步骤408)。例如，可以使用上述技术中的一种或多种来重建光谱。
为重建计算误差度量(步骤410)。例如，可以使用上述技术中的一种或多种来计算误差度量。
如果误差度量是可接受的(例如，如果误差度量小于特定阈值)，则输出重建的光谱(步骤412)。在一些情况下，重建的光谱可以被存储用于进一步的将来参考和/或处理。在一些情况下，可以将重建的光谱呈现给用户以供查看(例如，使用合适的用户界面)。
如果误差度量是不可接受的(例如，如果误差度量大于特定阈值)，则可以重复步骤402、404、406和410，直到误差度量是可接受的。
示例实验数据示出在图4A、图4B和图5A-图5C中。
图5A和图5B分别示出了两个滤光器阵列的光谱响应(例如，对应于图1-图3所示的第一光谱调制器和第二光谱调制器中使用的示例滤光器)。在该示例中，图5A示出了第一光谱调制器的三个滤光器的光谱响应，其透射可以由光晶体(light crystal)光调节设备调制。此外，在该示例中，图5B示出了第二光谱调制器的五个滤光器的光谱响应，其透射可以由具有选择性增益和/或积分时间的光晶体光调节设备或检测器来调制。
图6A-图6C示出了分别基于本文描述的系统和技术的、针对图5A和图5B所示的滤光器的三种发光二极管(light emitting diode，LED)光源光谱重建。三种光源示出了在不同的色温下的不同光谱。实线指示用作输入光源(例如，样本光)的原始光谱。将一系列随机选择的透射向量应用于光谱调制器，以获得光谱调制函数矩阵。因此，在光电探测器处接收的光可以基于等式(2)来模拟。使用最小二乘法、使用模拟的光强度测量值和光谱调制函数矩阵来重建光谱(由虚线表示)。如图6A-图6C所示，所有三个重建光谱示出与原始光谱基本一致，证明了本文描述的系统和技术在重建光谱中的有效性。
示例系统
本说明书中描述的主题和操作的一些实施方式可以在数字电子电路系统中，或者在计算机软件、固件或硬件中，包括本说明书中公开的结构及其结构等同物，或者在它们中的一个或多个的组合中实施。例如，在一些实施方式中，光谱仪100、200和/或300的一个或多个组件(例如，电子控制设备110)可以使用数字电子电路系统、或计算机软件、固件或硬件、或它们中的一个或多个的组合来实施。在另一个示例中，图4中所示的过程可以使用数字电子电路系统来实施，或者在计算机软件、固件或硬件，或者在它们中的一个或多个的组合中实施。
本说明书中描述的一些实施方式可以实施为数字电子电路系统、计算机软件、固件或硬件的一个或多个群组或模块，或者它们中的一个或多个的组合。虽然可以使用不同的模块，但是每个模块不必是不同的，并且多个模块可以在相同的数字电子电路系统、计算机软件、固件或硬件或其组合上实施。
在本说明书中描述的一些实施方式可以被实施为一个或多个计算机程序，即，编码在计算机存储介质上的计算机程序指令的一个或多个模块，用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。计算机存储介质可以是或可以被包括在计算机可读存储设备、计算机可读存储基板、随机或串行存取存储器阵列或设备、或它们中的一个或多个的组合中。此外，虽然计算机存储介质不是传播信号，但是计算机存储介质可以是被编码在人工生成的传播信号中的计算机程序指令的源或目的地。计算机存储介质也可以是或被包括在一个或多个分离的物理组件或介质(例如，多个CD、磁盘或其他存储设备)中。
术语“数据处理装置”涵盖用于处理数据的所有种类的装置、设备和机器，包括例如可编程处理器、计算机、片上系统、或前述的多个或其组合。该装置可以包括专用逻辑电路系统，例如，FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。除了硬件之外，该装置还可以包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、跨平台运行时环境、虚拟机或它们中的一个或多个的组合的代码。该装置和执行环境可以实现各种不同的计算模型基础设施，诸如网络服务、分布式计算和网格计算基础设施。
计算机程序(也称为程序、软件、软件应用程序、脚本或代码)可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言、声明或过程语言。计算机程序可以，但不是必须，对应于文件系统中的文件。程序可以存储在保存其他程序或数据的文件的一部分中(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)，存储在专用于所讨论的程序的单个文件中，或者存储在多个协同文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码的部分的文件)。计算机程序可以被部署为在一台计算机上或位于一个站点或分布在多个站点并通过通信网络互连的多台计算机上执行。
本说明书中描述的一些过程和逻辑流可以由一个或多个可编程处理器执行，该处理器执行一个或多个计算机程序，以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行动作。过程和逻辑流也可以由专用逻辑电路系统来执行，并且装置也可以被实施为专用逻辑电路系统，例如，FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。
举例来说，适合于执行计算机程序的处理器包括通用微处理器和专用微处理器，以及任何类型的数字计算机的处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机包括用于根据指令执行动作的处理器以及用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。计算机还可以包括或可操作地耦合到一个或多个用于存储数据的大容量存储设备，例如磁盘、磁光盘或光盘，以从该一个或多个大容量存储设备接收数据或向该一个或多个大容量存储设备传送数据，或者两者兼有。然而，计算机不需要这样的设备。适于存储计算机程序指令和数据的设备包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，包括例如半导体存储器设备(例如，EPROM、EEPROM、闪存设备等)、磁盘(例如，内部硬盘、可移动磁盘等)、磁光盘以及CD-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路系统来补充或并入专用逻辑电路系统。
为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施操作，该计算机具有用于向用户显示信息的显示设备(例如，监视器或另一种类型的显示设备)以及键盘和指示设备(pointing device)(例如，鼠标、轨迹球、平板电脑、触敏屏幕或另一种类型的指示设备)，用户可以通过该指示设备向计算机提供输入。也可以使用其他类型的设备来提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感官反馈，例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；并且可以以任何形式接收来自用户的输入，包括声音、语音或触觉输入。此外，计算机可以通过向用户使用的设备发送文档和从用户使用的设备接收文档来与用户交互；例如，通过响应于从网络浏览器接收的请求，将网页发送到用户客户端设备上的网络浏览器。
计算机系统可以包括单个计算设备或多个计算机，这些计算机彼此近距离操作或者通常远离操作，并且一般通过通信网络进行交互。通信网络的示例包括局域网(“LAN”)和广域网(“WAN”)、内部网络(例如，因特网)、包括卫星链路的网络以及对等网络(例如，adhoc对等网络)。客户端和服务器的关系可以通过在各自的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生。
图7示出了示例计算机系统700，其包括处理器710、存储器720、存储设备730和输入/输出设备740。组件710、720、730和740中的每一个可以例如通过系统总线750互连。在一些实施方式中，计算机系统700可以用于控制光谱仪的操作。例如，图1、图2和/或图3所示的电子控制设备110可以包括计算机系统700，以控制光谱仪的一个或多个组件的操作和/或处理测量数据。处理器710能够处理在系统700内执行的指令。在一些实施方式中，处理器710是单线程处理器、多线程处理器或另一种类型的处理器。处理器710能够处理存储在存储器720或存储设备730上的指令。存储器720和存储设备730可以存储系统700内的信息。
输入/输出设备740为系统700提供输入/输出操作。在一些实施方式中，输入/输出设备740可以包括网络接口设备(例如，以太网卡)、串行通信设备(例如，RS-232端口)和/或无线接口设备(例如，802.11卡、3G无线调制解调器、4G无线调制解调器、5G无线调制解调器等)中的一个或多个。在一些实施方式中，输入/输出设备可以包括被配置为接收输入数据并将输出数据发送到其他输入/输出设备(例如，键盘、打印机和显示设备760)的驱动器设备。在一些实施方式中，可以使用移动计算设备、移动通信设备和其他设备。
虽然本说明书包含许多细节，但是这些细节不应被解释为对所要求保护的范围的限制，而是特定于特定示例的特征的描述。本说明书中在分离的实施方式的上下文中描述的某些特征也可以被组合。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独地或者以任何合适的子组合方式实施。
已经描述了许多实施例。然而，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，其他实施例在权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种系统，包括：
第一光谱调制器；
第二光谱调制器；
光导，光学耦合所述第一光谱调制器和所述第二光谱调制器；
光电探测器；和
电子控制设备，与所述光电探测器通信耦合，
其中，所述第一光谱调制器可操作用于：
接收样本光，和
根据第一光谱响应图案调制所述样本光以产生第一调制光；
其中，所述第二光谱调制器可操作用于：
经由所述光导从所述第一光谱调制器接收所述第一调制光，
根据第二光谱响应图案调制所述第一调制光以产生第二调制光，和
将所述第二调制光透射到所述光电探测器；
其中，所述光电探测器可操作用于：
测量入射到所述光电探测器上的所述第二调制光的强度，和
生成与所述第二调制光的强度对应的一个或多个信号，
其中，所述电子控制设备可操作用于基于所述一个或多个信号确定所述样本光的光谱分布。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一光谱调制器包括多个第一滤光器，每个第一滤光器具有与其他第一滤光器中的每一个的光谱响应图案不同的相应光谱响应图案。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，对于每个第一滤光器，所述第一光谱调制器包括相应的第一光调节设备，所述相应的第一光调节设备可操作用于调节样本光进入或离开所述第一滤光器的透射。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一光调节设备包括液晶空间光调制器(SLM)。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一光谱调制器可操作用于通过选择性地致动所述第一光谱调制器的第一光调节设备中的一个或多个，根据所述第一光谱响应图案调制所述样本光。
6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第二光谱调制器包括多个第二滤光器，每个第二滤光器具有与其他第二滤光器中的每一个的光谱响应图案不同的相应光谱响应图案。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，对于每个第二滤光器，所述第二光谱调制器包括相应的第二光调节设备，所述相应的第二光调节设备可操作用于调节样本光进入或离开所述第二滤光器的透射。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第二光调节设备包括液晶空间光调制器(SLM)。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第二光谱调制器可操作用于通过选择性地致动所述第二光谱调制器的第二光调节设备中的一个或多个，根据所述第二光谱响应图案来调制所述第一调制光。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一光谱调制器包括多个光通道，其中，所述第一光谱调制器的每个光通道包括：
多个第一滤光器，每个第一滤光器具有与所述光通道的其他第一滤光器中的每一个的光谱响应图案不同的相应光谱响应图案，和
多个第一光调节设备，可操作用于调节光进入或离开所述第一滤光器的透射。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第一光谱调制器可操作用于通过选择性地致动所述第一光谱调制器的光通道中的一个或多个的所述第一光调节设备中的一个或多个，根据所述第一光谱响应图案调制所述样本光。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述光导包括多个光通道，其中，所述光导的每个光通道包括相应的光导，所述相应的光导可操作用于接收来自所述第一光谱调制器的对应光通道的第一调制光，并混合所述第一调制光。
13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第二光谱调制器包括多个光通道，其中，所述第二光谱调制器的每个光通道包括相应的第二滤光器，每个第二滤光器具有与其他第二滤光器中的每一个的光谱响应图案不同的相应光谱响应图案。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，对于每个光通道，所述第二光谱调制器还包括相应的第二光调节设备，所述相应的第二光调节设备可操作用于调节光进入或离开所述第二光谱调制器的透射。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述第二光谱调制器可操作用于通过选择性地致动所述第二光谱调制器的第二光调节设备中的一个或多个，根据所述第二光谱响应图案来调制所述第一调制光。
16.根据权利要求13所述的系统，其中，所述光电探测器包括多个光通道，其中，所述光电探测器的每个光通道包括相应的光电探测器元件，所述相应的光电探测器元件可操作用于测量从所述第二光谱调制器的对应光通道接收的第二调制光的强度。
17.根据权利要求13所述的系统，其中，所述光电探测器包括单个光电探测器元件，所述单个光电探测器元件可操作用于测量从所述第二光谱调制器的任何光通道接收的第二调制光的强度。
18.根据权利要求1所述的系统，还包括漫射器，所述漫射器可操作用于漫射所述样本光并将漫射的样本光透射到所述第一光谱调制器。
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