CN113557415A - 紧凑型高光谱中红外光谱仪 - Google Patents
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Abstract
提出了一种用于在中红外光谱范围内操作的红外光谱仪，其中该光谱仪包括基于布拉格反射镜的光谱滤波器，该光谱滤波器可操作以用于提供询问信号，该询问信号的光谱内容在滤波器光圈处沿着第一方向色散。滤波器光圈通过样品由热成像摄像机成像，以创建基于询问信号和样品的吸收特性的聚焦图像。因此，根据本公开的实施例可以比在现有技术中已知的红外光谱仪更小、更不复杂和更不昂贵。
Description
相关申请
本申请要求于2019年2月6日提交的美国临时申请号62/801,762(律师卷宗：CIT-8189-P)的利益，该临时申请通过引用被并入本文。如果在本申请与通过引用被并入的一个或更多个案例之间存在可能影响在本案例中的权利要求的解释的语言上的任何矛盾或不一致，则在本案例中的权利要求应被解释为与在本案例中的语言一致。
发明领域
本发明总体上涉及光谱术，且更具体地涉及用于在中红外光谱中使用的高光谱光谱仪。
发明背景
红外光谱术使通过用在光谱范围内的光(或可选地，辐射)询问材料并确定样品材料的吸收光谱来分析样品的化学成分成为可能。红外光谱术广泛地用在许多应用中，例如医学诊断、石油勘探、环境监测和药物测试。
每种化学物质和化合物具有独特的吸收光谱，其表现为特定的一组波长，在这些波长处光可测量地被吸收。因此，为样品的材料识别的“吸收峰”提供化学“指纹”，该化学“指纹”使样品的化学成分能够被确定。中红外(MIR)光谱范围(即从大约5微米到25微米的波长范围)对于光谱术是特别有吸引力的，因为它通常包括大多数化学物质的大量吸收峰；因此，MIR光谱范围对于大多数分子常常被称为“指纹区”。
现有技术的光谱仪一般基于傅里叶变换红外(FTIR)光谱术。不幸的是，FTIR光谱术需要具有长光路和光学部件(例如反射镜和分束器)的庞大的、高度复杂的干涉仪，光学部件的对准必须精确地被保持。因此，这样的系统是庞大的、复杂的并且制造和在它们的使用寿命期间维护起来是昂贵的。
尽管已经尝试将FTIR光谱系统小型化来用于在MIR光谱范围内操作，但是这样的系统仍然需要许多精确地控制的结构的制造和对准。此外，它们要求样品被定位得非常靠近传感器表面。因此，现有技术的小型化FTIR光谱系统不太适合于在许多应用中使用，例如护理点健康监测、污染调查和药学测试。
此外，在MIR光谱范围内的操作由于下面的事实而导致额外的挑战：适合于在MIR波长处可操作的光学部件中使用的材料组是有限的并且这样的材料常常是过分昂贵的。
因此，迄今为止，用于在MIR光谱范围内操作的传统红外光谱仪仍然是相当庞大的和复杂的，并且一般因窄带宽或波长分辨率而蒙受损害，该分辨率太粗糙而不能有效地识别许多化学物质和化合物。
对能够执行样品的高质量化学和/或分子分析的小的低成本光谱仪的需要到目前为止在现有技术中仍然未得到满足。
概述
根据本公开的针对红外光谱仪的方面在本领域中取得了进步，该红外光谱仪包括热成像摄像机和具有滤波器光圈的光谱滤波器，在该滤波器光圈处源信号的一部分作为包含多个波长信号的询问信号被提供。摄像机通过样品对滤波器光圈成像，并将滤波器光圈的图像聚焦在包括多个检测器元件的焦平面阵列处。样品的吸收特性根据来自摄像机的输出信号确定，并用于估计样品的化学成分。本发明的实施例特别适合于用在高光谱成像光谱仪、高光谱检测光谱仪和高分辨率光谱仪中。
像现有技术一样，根据本公开的光谱仪采用包括法布里-珀罗(FP)腔的光谱滤波器，该光谱滤波器具有一对基于布拉格反射器的反射镜，其中，在反射镜之间的间隔沿着第一方向线性地变化以产生沿着该方向线性地变化的腔长度。源信号由光谱滤波器滤波以实现询问信号，该询问信号的光谱内容包括在光谱滤波器的滤波器光圈处沿着第一方向色散的波长信号。该询问信号穿过样品传播，且然后样品的吸收特性被确定。
与现有技术的光谱仪对比，根据本公开的实施例采用包括聚焦透镜和焦平面阵列的紧凑型热成像摄像机来通过样品对滤波器光圈成像，并将滤波器光圈的图像聚焦到其焦平面阵列上。因而得到的图像包括如被样品中的吸收影响的多个波长信号，并且每个波长信号在焦平面阵列的不同检测器元件处被检测。通过使用紧凑型热成像器通过样品对滤波器光圈成像，根据本公开的光谱仪可以比现有技术的光谱仪更紧凑且更低成本。此外，通过定位滤波器光圈使得它的图像聚焦在检测器元件处，在询问信号中的光的发散度减小，从而减小围绕每个波长信号的中心波长的光谱范围。此外，红外成像摄像机的读出速率快到足以使一秒或更少的光谱获取时间成为可能。
一个说明性实施例是用于分析样品的中红外光谱仪，其中光谱仪包括：黑体辐射源，其用于提供包括多个波长信号的源信号；光谱滤波器，其对源信号进行滤波以提供询问信号，使得波长信号在滤波器光圈处沿着第一方向色散；以及热成像摄像机，其包括成像透镜和焦平面阵列，焦平面阵列包括多个检测器元件。摄像机通过样品对滤波器光圈成像以形成聚焦在检测器元件上的图像，使得每个检测器元件接收不同的波长信号。然后，检测器元件作为输出信号被读出，该输出信号由处理器使用来估计样品的化学成分。
光谱滤波器是基于布拉格反射镜的法布里-珀罗腔，其反射镜包括硅和空气的交替层。反射镜沿着与焦平面阵列的行方向对齐的第一轴分隔开线性地增加的距离。在一些实施例中，第一轴与焦平面阵列的行方向稍微不对齐以使更精细的光谱分辨率成为可能。在一些实施例中，反射镜包括不同高折射率和/或低折射率材料(例如其他半导体(例如锗、砷化镓等)和诸如此类)的交替层。
此外，光谱滤波器被配置成使得询问信号的光谱范围被限制，使得只有一个波长信号在沿着第一轴的每个位置处通过。在一些实施例中，光谱滤波器将询问信号的光谱范围限制到比检测器元件的操作范围更窄的光谱范围。
在一些实施例中，操作光谱范围是不同于MIR光谱范围的例如长波长红外光谱范围、近红外光谱范围、可见光谱范围或不同的光谱范围。
在一些实施例中，光谱滤波器被配置成在提供询问信号时减小在源信号中的波长信号的色散角；因此，在检测器元件处接收的波长信号中的至少一些包括围绕它们的中心波长的较窄的波长范围。此外，波长信号的发散度也由于光谱滤波器被定位成使得其图像聚焦在检测器阵列上的事实而减小。
根据本公开的实施例是用于分析样品(110)的光谱仪(100)，该光谱仪包括：源(102)，其提供具有第一光谱范围(SR1)的源信号(112)，该第一光谱范围包括多个波长信号(λ1-λn)，其中多个波长信号中的每个波长信号由不同的波长表征；光谱滤波器(104)，其在第一表面(116-1)处接收源信号，并且在被包括在第二表面(116-2)中的滤波器光圈(118)处提供源信号的至少一部分作为询问信号(114)，其中询问信号具有第二光谱范围(SR2)，第二光谱范围包括该多个波长信号，以及其中该多个波长信号在滤波器光圈处沿着第一方向色散；以及摄像机(106)，其包括透镜(124)和多个检测器元件(130)，其中摄像机操作来基于入射在多个检测器元件上的光提供输出信号(132)；其中摄像机和光谱滤波器被布置成使得摄像机通过样品对滤波器光圈成像，并形成聚焦在多个检测器元件上的滤波器光圈的图像(118’)，使得每个检测器元件接收图像的不同图像部分。
根据本公开的另一实施例是用于分析样品(110)的光谱仪(100)，该光谱仪包括：源(102)，其提供具有第一光谱范围(SR1)的源信号(112)，该第一光谱范围包括多个波长信号(λ1-λn)，其中多个波长信号中的每个波长信号由不同的波长表征；光谱滤波器(104)，其在第一表面(116-1)处接收源信号，并且在被包括在第二表面(116-2)中的滤波器光圈(118)处提供源信号的至少一部分作为询问信号(114)，询问信号具有第二光谱范围(SR2)，该第二光谱范围包括多个波长信号，其中多个波长信号在滤波器光圈处沿着第一方向色散；以及摄像机(106)，其包括多个检测器元件(130)和具有限定物距(128)的焦距(f1)的透镜(124)，其中摄像机操作来基于入射在多个检测器元件上的光提供输出信号(132)；其中摄像机和光谱滤波器被布置成使得滤波器光圈位于物距处，以及其中样品在透镜和光谱滤波器之间。
根据本公开的又一实施例是一种用于分析样品(110)的方法，该方法包括：在光谱滤波器(104)的滤波器光圈(118)处提供询问信号(114)，其中询问信号包括在滤波器光圈处沿着第一方向色散的多个波长信号(λ1-λn)；通过样品对光谱滤波器成像以形成聚焦在包括多个检测器元件(130)的焦平面阵列(122)处的图像(118’)，其中图像基于询问信号和样品的吸收光谱，以及其中每个检测器元件接收图像的不同图像部分，并且提供基于该检测器元件接收的图像部分的强度的检测器输出；以及提供包括多个检测器输出的输出信号(132)。
附图简述
图1描绘了根据本公开的MIR光谱仪的说明性实施例的示意图。
图2描绘了根据说明性实施例的用于执行中红外光谱术的方法的操作。
图3描绘了根据本公开的光谱滤波器的横截面视图的示意图。
图4A描绘了光谱滤波器104的模拟透射光谱。
图4B描绘了根据本公开的作为横越光谱滤波器的宽度的位置的函数的所测量的透射光谱。
图5描绘了光谱仪100的示意图，其示出当三个代表性波长信号从源102传播到FPA122时，这三个代表性波长信号的光学配置。
图6描绘了根据本公开的光谱滤波器的一部分的横截面的示意图。
图7描绘了作为入射角的函数的波长偏移的曲线图。曲线图700示出了对于等于4.5微米的腔长度，与零度入射角相比，入射角(θiSi)的谐振频率位置偏移。
图8A描绘了根据本公开的光谱滤波器在腔长度和入射角的范围内的透射比。
图8B描绘了光谱滤波器104在沿着x方向的三个不同位置处的总透射比。
图9A-9H描绘了对于不同的样品材料的如由传统FTIR系统和根据本公开的光谱仪测量的透射光谱的比较。
详细描述
图1描绘了根据本公开的MIR光谱仪的说明性实施例的示意图。光谱仪100包括源102、光谱滤波器104、摄像机106和处理器108，其中源102、光谱滤波器104和摄像机106沿着穿过样品110的光轴A1被对准。
图2描绘了根据说明性实施例的用于执行MIR光谱术的方法的操作。在本文继续参考图1以及参考图3-4A-B描述方法200。方法200以操作201开始，其中光谱滤波器104从源102接收源信号112。
源102是提供源信号112的传统宽带黑体光源。在所描绘的示例中，源信号112具有连续光谱范围，其具有从λmin延伸至λmax、中心波长为λc1的光谱宽度SR1。在所描绘的示例中，SR1从大约2微米的λmin延伸至大约20微米的λmax。
在操作202，光谱滤波器104基于源信号112提供询问信号114。
光谱滤波器104是具有外表面116-1和116-2的基于布拉格反射镜的法布里-珀罗(FP)腔滤波器，其中表面116-2的一部分限定滤波器光圈118。光谱滤波器104被配置为在表面116-1处接收源信号112，并使源信号的一部分作为询问信号114通过，到达滤波器光圈118，使得询问信号包括在滤波器光圈处沿着x方向色散的波长信号λ1到λn。为了本说明书(包括所附权利要求)的目的，术语“波长信号”被定义为光信号，其光谱内容由中心波长及围绕它的窄光谱范围表征。
如对本领域中的技术人员明显的，光谱仪的尺寸由在光谱仪内的光所需的传播长度指定。典型的现有技术光谱仪需要长传播长度，这限制了它们的小型化。此外，长传播长度需要精确地对准的光学元件，例如反射镜和分束器，这增加了它们的复杂性和制造成本。此外，这些光学部件必须在系统的整个使用寿命期间保持周密地对准，这也增加了操作费用。
然而，与传统光谱仪相比，通过将光谱滤波器104配置为基于FP腔的光谱滤波器，根据本公开的实施例具有对小型化的更大潜力以及降低的复杂性。这些优点部分地起因于下面的事实：FP腔是光学谐振腔，其中在腔的谐振频率处的光被来回反射多次，从而使在光中的光子的路径长度乘以它们在腔内进行的往返飞行的次数。
图3描绘了根据本公开的光谱滤波器的横截面视图的示意图。光谱滤波器104包括被小的、不均匀的间隔分开的实质上相同的反射镜302-1和302-2，该间隔限定光学腔304(在下文中被称为“腔304”)。
反射镜302-1和302-2(被统称为反射镜302)中的每一个是多层布拉格反射器，其被设计成在询问信号114的光谱范围SR2的程度上实现高反射率(>99.9999％)。反射镜302中的每个反射镜包括布置在基板306的表面上的至少一个布拉格层对312，其中布拉格层对312包括一个高折射率(HR)层308和一个低折射率(LR)层310。
HR层308包括具有相对较高的折射率的材料，并且具有如在其材料内测量的实质上等于在光谱范围SR2的目标波长λt的四分之一(即kλt/4，其中k＝1、3、5、…)的奇数倍的厚度。以类似的方式，LR层310包括相对较低折射率材料，并且具有在其材料内的实质上等于目标波长λt的四分之一的奇数倍的厚度。应该注意，目标波长是设计选择的问题，并且被选择为使光谱滤波器104的操作成为可能；因此，实际上λt可以是在光谱范围SR2内的任何波长。然而优选地，目标波长λt具有等于或几乎等于该光谱范围的中心波长的值。在所描绘的示例中，λt被选择为大约9微米。
在所描绘的示例中，基板306是传统单晶硅基板，并且每个反射镜包括两个布拉格层对，每个布拉格层对具有一个HR层308和一个LR层310。HR层308是使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)而沉积的非晶硅层，使得非晶硅具有大约2.8的折射率和大约803nm的厚度。LR层310是具有大约2.25微米的厚度的空气层。应当注意，为反射镜302提供的材料和设计参数仅仅是示例性的，以及光谱滤波器104的反射镜的无数替代设计在本公开的范围内。然而，包括由硅和空气的交替层制成的布拉格反射镜的实施例被给予优于现有技术的显著优点，因为硅层的制造是众所周知和良好理解的过程，并且可以以低成本完成。此外，硅的机械和光学特性非常适合于它们在反射镜302中的使用。
在任何点处的反射镜302之间的间隔(即腔304的腔长度)指定什么波长在该点处穿过光谱滤波器104以及什么波长被光谱滤波器反射。当在反射镜之间的间距(即腔长度L)等于半波长的整数m倍时(即，当L＝mλ/2时)，具有波长λ的光在光学谐振腔内部的反射镜之间来回谐振。因此，具有波长λ的光以低损耗透射穿过腔，而用其他波长表征的光被FP腔反射。因此，腔长度指定选择性地通过FP腔的光的波长。
反射镜302-1和302-2沿着x方向与彼此成非零角度Φ布置，使得腔304的腔长度沿着x方向线性地变化。因此，在每个位置x处，反射镜302-1和302-2分隔开腔长度L(x)，其从在位置xm处的Lmin增加到在位置xn处的Lmax。在所描绘的示例中，Lmin为大约3.28微米，以及Lmax为大约7.05微米。在一些实施例中，腔长度沿着x方向线性地减小。在一些实施例中，在反射镜302之间的间距和/或角度是可控制的。
光谱滤波器104的线性地增加的腔长度使它能够在每个位置x处接收源信号112作为多光谱输入光信号，并选择性地使在光谱范围SR2内的窄透射峰(即一个波长信号)通过。换句话说，在沿着x方向的每个位置处，光谱滤波器104选择性地使不同波长的信号λi通过，其中m≤i≤n，使得它的光谱内容沿着x方向从在位置xm处的λ1色散到在位置xn处的λn。所描绘的示例中，λ1为大约7.5微米，λn为大约12微米。
图4A描绘了光谱滤波器104的模拟透射光谱。曲线图400显示，对于等于目标波长λt的一半的腔长度(即在所描绘的例子中的4.5微米的腔长度)，对应于λt的单个窄波长信号通过光谱滤波器。
图4B描绘了根据本公开的作为横越光谱滤波器的宽度的位置的函数的所测量的透射光谱。曲线图402显示，在位置x处，单波长信号通过光谱滤波器104。然而应当注意，使用具有毫米标度的光圈的FTIR光谱仪来获取在曲线图402中所示的透射光谱。因此，由于在每次测量中在毫米光圈区域内的腔厚度变化，在所测量的光谱中的峰被人为地加宽。
在一些实施例中，反射镜302沿着y方向与彼此成第二角度布置，使得腔304的腔长度也具有沿着y方向的线性梯度。在这样的实施例中，光谱滤波器被配置成沿着x和y方向中的每一个色散询问信号114的光谱内容。
现在返回到方法200，在操作203，摄像机106通过样品110和样品支架120对滤波器光圈118成像以在焦平面阵列(FPA)122上形成图像118’。
摄像机106是包括FPA 122、透镜124和摄像机光圈126的热成像摄像机。在一些实施例中，摄像机106是操作来对滤波器光圈118成像的不同摄像机。
FPA 122包括实质上相同的检测器元件130-1到130-n(被统称为检测器元件130)的二维阵列，其中的每个检测器元件适合于检测在光谱范围SR2内的光。在所描绘的示例中，检测器元件130中的每个是被配置为使在从大约7.5微米到大约13.5微米的波长范围内的光的检测成为可能的测辐射热计。
本公开的一个方面是，在从大约7.5微米到大约13.5微米的波长范围内的操作对应于在红外光谱范围内的大气透明窗口(atmospheric transparency window)和透射通带。因此，只有对应于通过光谱滤波器104的特定波长的光到达它的相应检测器元件130。因此，根据本公开的实施例不需要额外的光学滤波器，例如在现有技术红外光谱仪中所需的光学滤波器，这使这样的实施例能够具有较低的复杂性和/或成本。
在一些实施例中，FPA 122包括不同的合适的光检测器。适合于在FPA122中使用的替代光检测器包括但不限于半导体检测器、碲化汞镉检测器和诸如此类。
透镜124是适合于在光谱范围SR2上操作的成像透镜。透镜124被配置成在FPA 122上形成光谱滤波器104的滤波器光圈的图像118’。透镜124具有焦距f1和物距128，物距128限定在光谱滤波器104和透镜122之间的间隔，其使透镜能够在FPA 122上形成光谱滤波器的聚焦图像。如对本领域中的技术人员明显的，在阅读本说明书之后，透镜124可以包括使它能够在FPA 122上形成光谱滤波器106的聚焦图像的任何透镜设计或配置(例如多元件、复合物、望远镜、衍射、折射等)。
在所描绘的示例中，透镜124的焦距f1为大约6.35cm。通过采用具有短焦距的透镜，光谱仪100可以被制造得紧凑，而不需要包括额外的光学部件，例如分束器、反射镜和用于光束准直的激光器。因此，根据本公开的光谱仪可以比现有技术的光谱仪明显更小并且具有更低的复杂性。例如，在所描绘的示例中，光谱仪100具有沿着y方向的仅大约10cm的总长度而不需要从源102到FPA 122的光路被折叠。
摄像机光圈126是可选地被包括在摄像机106中以起摄像机“光阑”的作用的通光光圈，摄像机“光阑”减小在一些或所有检测器元件130处接收的光的发散角。
光谱仪100被布置成使得滤波器光圈118位于物距128处，该物距128由透镜124的焦距f1限定，因为它通过样品110和样品架SH对滤波器光圈成像。因此，摄像机106将滤波器光圈聚焦在FPA 122上以形成图像118’。在一些实施例中，光谱仪100被布置成使得在光谱滤波器104内的不同平面位于焦距f1处。
应当注意，尽管检测器元件130可以检测具有从大约7.5微米到大约13.5微米范围内的任何波长的光，但是在大于12微米的波长处存在一个或更多个更高阶谐振峰，这可能在光谱仪100中引起干涉。因此，光谱滤波器104的光谱范围SR2在12微米的最大波长信号λn处被定上限，从而将光谱仪100的测量范围限制到12微米处或之下。
图像118’是询问信号114的被色散的光谱内容和样品110的吸收特性的卷积。因此，图像118’包括吸收峰，其位置、幅度和拐点提供指示样品110的化学成分的“光谱指纹”。
图像118’包括分别对应于波长信号λ1到λn的图像部分132-1到132-n。
在操作204，检测器元件130由摄像机106读出，并作为包括检测器输出134-1到134-n的输出信号132被提供到处理器108。
因为询问信号114的光谱内容在滤波器光圈118处沿着x方向色散，检测器元件130-1至130-n分别检测图像部分132-1至132-n，并提供检测器输出134-1至134-n。检测器输出134-1到134-n中的每个的幅度基于入射在它的相应检测器元件上的波长信号(即图像部分)的强度。如下面所讨论的，围绕每个波长信号的中心波长的波长范围是光谱仪100的光学设计、检测器元件130的尺寸、在相邻检测器元件之间的间距以及在波长信号中包括的光的入射角的函数。
本公开的另一方面是，因为微测辐射热计阵列的读出速率可以快至9Hz，所以根据本公开的实施例可以在小于一秒内获得样品的分子吸收光谱而没有对一般在现有技术中必需的扫描光学器件的需要。
在操作205，处理器108基于输出信号132来生成样品110的化学成分的估计。
处理器108是包括可操作以用于接收输出信号132、执行指令、存储和检索数据以及估计样品110的材料成分连同其他功能的电路的传统处理器。
应该注意，一般，方法200前面是校准例程，其中通过用空样品支架SH执行操作201到205中的至少一些来确定光谱仪100的光学传递函数。这样的校准为处理器108提供了基线，输出信号132可以与该基线进行比较以形成样品110的化学成分的估计。
如本领域中的技术人员将认识到的，在阅读本说明书之后，光谱滤波器104的透射比可能受到光从源102被接收时的角度的影响；因此，照射到每个检测器元件130上的光的波长可以基于腔长度和从光谱滤波器接收的光的入射角。
然而，本公开的一个方面是入射在至少一些检测器元件130上的波长的范围(即，围绕至少一些波长信号的中心波长的波长范围)可以通过以下项来减小：
i.将滤波器光圈118的图像聚焦在FPA 122的检测器元件上；或者
ii.提供光谱滤波器104，使得它被配置为减小波长信号的发散角；或者
iii.i和ii的组合。
因为滤波器光圈118聚焦在FPA 122的检测器元件130上，所以每个检测器元件接收对应于腔304的不同部分的不同波长信号，其中腔的每个部分具有不同的腔长度。此外，检测器元件130被配置成使得它们非常小；因此，横越腔部分(每个检测器元件从该腔部分接收光)的腔长度的变化实质上是不显著的，并且为了本文提供的讨论的目的而被忽略。
应当注意，到达检测器元件130的光子的传播方向的角展度(即发散角)是源102的尺寸、透镜124的尺寸以及在透镜和光谱滤波器104之间的距离的函数。当在源信号112内的光线入射在光谱滤波器104上时，它传播时的角度(相对于光轴A1)减小了基于在表面116-1处的折射率差的因子。通过形成光谱滤波器使得它包括具有高折射率材料的布拉格反射镜，穿过光谱滤波器的光被高度折射。因此，当被包括在光中的波长信号从源信号112转变为询问信号114时，它们变得更加准直，从而减小了它们的发散角。
图5描绘了光谱仪100的示意图，其示出当三个代表性波长信号从源102传播到FPA122时它们的光学配置。图5示出了在FPA 122的最外面的检测器元件(即检测器元件130-1和130-n)处接收的波长信号λ1和λn以及在FPA 122的中心检测器元件(即检测器元件130-c)处接收的中心波长信号(即波长信号λc)的路径和形状。
在源信号112中，波导信号λ1到λn都具有相同的发散角。换句话说，θd1-1、θd1-c、θd1-n都具有相同的值。在所描绘的示例中，该值为大约5.4°，这对于在波长信号λ1和λn中的每个波长信号内的最外面的光线LRmin和LRmax产生分别7.5°和12.9°的入射角。
图6描绘了根据本公开的光谱滤波器的一部分的横截面的示意图。截面600是反射镜302-1的区域，在源信号112的波长信号λ1中的光线LRmax入射在该区域处。
如在图6中所指示的，借助于在空气和基板的材料306(即硅)之间的折射率的大变化，根据斯内尔定律，光线在空气中传播时的角度θi空气(相对于光轴A1)在表面116-1处减小了基于折射率差的因子，减小到在基板306内的(θiSi)。
在所描绘的示例中，空气具有1.0的折射率，基板306的硅具有大约3.4的折射率，并且HR层308中的每一个具有2.8的折射率。如上面所讨论的，当LRmin和LRmax在表面116-1处被接收时，它们在表面116-1处的入射角(θi空气)(即分别7.5°和12.9°)。然而，当在穿过光谱滤波器104之后在FPA 122处被接收时，这些入射角分别减小到2.67°和4.57°。对于4.5微米的示例性腔长度，与0°的入射角相比，在4.57°的角度(θiSi)下入射在检测器元件130上的光线产生大约0.174微米的波长偏移。
图7描绘了作为入射角的函数的波长偏移的曲线图。曲线图700示出了对于等于4.5微米的腔长度，与垂直于光谱滤波器104接收的光相比，入射角(θiSi)(光在该入射角下在基板306中传播)的谐振频率位置偏移。
然而应该注意，围绕在每个检测器元件处接收的波长信号的中心波长的光谱范围是使波长信号通过的腔长度和它最外面的光线在检测器元件上的入射角的函数。
图8A 描绘了根据本公开的光谱滤波器在腔长度和入射角的范围内的透射比。曲线图800包括表示在波长信号的色散角内的极端外部光线的透射比的轨迹802和804。
从曲线图800可以看到，光谱滤波器104的透射比的发散度在腔304的每一端处最大，而它在腔的中心处的发散度非常小，因为穿过该点的光线实质上与透镜126的中心对准。在光谱腔104的最末端处的较大发散出现，因为对于相同的发散角，光偏心地穿过光谱滤波器，导致较大的入射角。
图8B描绘了光谱滤波器104在沿着x方向的三个不同位置处的总透射比。从沿着x方向的在位于腔304的任一端xm和xn处以及腔的中心xc处的位置处的所有发散角的积分中获得在曲线图806中所示的光谱。在所描绘的示例中，腔长度L(xm)、L(xc)和L(xn)分别等于3.7、4.7和5.7微米。
图9A-9H描绘了如由传统FTIR系统和根据本公开的光谱仪测量的不同的样品材料的透射光谱的比较。
曲线图900A-D分别示出了使用传统FTIR系统测量的葡萄糖、对乙酰氨基酚、聚苯乙烯和低密度聚乙烯的透射光谱。
曲线图900E-H分别示出了使用类似于光谱仪100的光谱仪测量的葡萄糖、对乙酰氨基酚、聚苯乙烯和低密度聚乙烯的透射光谱。
如曲线图900A-H所示的，光谱仪100的性能比得上更昂贵、更复杂和更大的FTIR系统的性能。此外，使用光谱仪100进行的每一次测量结果都在小于一秒内得到，比使用传统FTIR系统可实现的明显更快。
应当理解，本公开教导了说明性实施例的仅仅一个示例，以及本发明的许多变形可以容易由本领域中的技术人员在阅读本公开之后设计，并且本发明的范围将由所附的权利要求确定。
Claims (20)
1.一种用于分析样品(110)的光谱仪(100)，所述光谱仪包括：
源(102)，其提供具有第一光谱范围(SR1)的源信号(112)，所述第一光谱范围包括多个波长信号(λ1-λn)，其中，所述多个波长信号中的每个波长信号由不同的波长表征；
光谱滤波器(104)，其在第一表面(116-1)处接收所述源信号，并且在被包括在第二表面(116-2)中的滤波器光圈(118)处提供所述源信号的至少一部分作为询问信号(114)，其中，所述询问信号具有第二光谱范围(SR2)，所述第二光谱范围包括所述多个波长信号，以及其中，所述多个波长信号在所述滤波器光圈处沿着第一方向色散；以及
摄像机(106)，其包括透镜(124)和多个检测器元件(130)，其中所述摄像机操作来基于入射在所述多个检测器元件上的光提供输出信号(136)；
其中，所述摄像机和所述光谱滤波器被布置成使得所述摄像机通过所述样品对所述滤波器光圈成像，并形成聚焦在所述多个检测器元件上的所述滤波器光圈的图像(118’)，使得每个检测器元件接收所述图像的不同图像部分(132)。
2.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述光谱滤波器包括共同限定光学腔(304)的第一反射镜(302-1)和第二反射镜(302-2)，所述光学腔具有沿着所述第一方向线性地变化的腔长度(L(x))，以及其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的每一个是包括至少一个布拉格层对的多层布拉格反射器，所述布拉格层对包括具有第一折射率的第一材料的第一层(308)和具有低于所述第一折射率的第二折射率的第二材料的第二层(310)。
3.根据权利要求2所述的光谱仪，其中，所述第一材料包括选自由硅和锗组成的组的材料，以及所述第二材料是空气。
4.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述透镜具有限定第一物距(128)的第一焦距，以及其中，所述光谱滤波器和所述摄像机被布置成使得所述滤波器光圈位于所述第一物距处。
5.根据权利要求1所述的光谱仪，还包括用于基于所述输出信号来估计所述样品的化学成分的处理器(108)。
6.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述多个检测器元件中的每个检测器元件包括操作来检测在所述第二光谱范围内的光的测辐射热计。
7.根据权利要求6所述的光谱仪，其中，每个测辐射热计由大于所述第二光谱范围的操作光谱范围表征。
8.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述多个波长信号中的第一波长信号由在所述第一表面处的第一色散角(θd1)表征，以及其中，所述第一波长信号由在所述滤波器光圈处的第二色散角(θd2)表征，所述第二色散角小于所述第一色散角。
9.一种用于分析样品(110)的光谱仪(100)，所述光谱仪包括：
源(102)，其提供具有第一光谱范围(SR1)的源信号(112)，所述第一光谱范围包括多个波长信号(λ1-λn)，其中，所述多个波长信号中的每个波长信号由不同的波长表征；
光谱滤波器(104)，其在第一表面(116-1)处接收所述源信号，并且在被包括在第二表面(116-2)中的滤波器光圈(118)处提供所述源信号的至少一部分作为询问信号(114)，所述询问信号具有第二光谱范围(SR2)，所述第二光谱范围包括所述多个波长信号，其中，所述多个波长信号在所述滤波器光圈处沿着第一方向色散；以及
摄像机(106)，其包括多个检测器元件(130)和具有限定物距(128)的焦距(f1)的透镜(124)，其中，所述摄像机操作来基于入射在所述多个检测器元件上的光提供输出信号(136)；
其中，所述摄像机和所述光谱滤波器被布置成使得所述滤波器光圈位于所述物距处，以及其中，所述样品在所述透镜和所述光谱滤波器之间。
10.根据权利要求9所述的光谱仪，其中，所述光谱滤波器包括：
第一反射镜(302-1)，其包括第一布拉格反射器，所述第一布拉格反射器包括至少一个布拉格层对(312)，所述至少一个布拉格层对具有包括第一材料的第一层(308)和包括空气的第二层(310)，其中，所述第一材料具有大于空气的折射率的折射率；以及
第二反射镜(302-1)，其包括第二布拉格反射器，所述第二布拉格反射器包括具有所述第一层和所述第二层的至少一个布拉格层对，其中，所述第二反射镜包括所述滤波器光圈；
其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜被布置成使得它们沿着所述第一方向限定第一角度(Φ)，以及其中，所述第一角度是非零角度，以及
其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜分开沿着所述第一方向线性地变化的腔长度(L(x))。
11.根据权利要求9所述的光谱仪，其中，所述多个波长信号中的第一波长信号(λ1)由在所述第一表面处的第一色散角(θd1)表征，以及其中，所述第一波长信号由在所述多个检测器元件中的第一检测器元件(130-1)处的第二色散角(θd2)表征，所述第二色散角小于所述第一色散角。
12.根据权利要求9所述的光谱仪，还包括用于基于所述输出信号来估计样品的化学成分的处理器(108)。
13.根据权利要求9所述的光谱仪，其中，所述摄像机和所述光谱滤波器被布置成使得所述摄像机通过所述样品对所述滤波器光圈成像，并且将所述滤波器光圈的图像(118’)聚焦在所述多个检测器元件上，使得每个检测器元件接收所述图像的不同图像部分(132)。
14.一种用于分析样品(110)的方法，所述方法包括：
在光谱滤波器(104)的滤波器光圈(118)处提供询问信号(114)，其中，所述询问信号包括在所述滤波器光圈处沿着第一方向色散的多个波长信号(λ1-λn)；
通过所述样品对所述光谱滤波器成像以形成聚焦在包括多个检测器元件(130)的焦平面阵列(122)处的图像(118’)，其中，所述图像基于所述询问信号和所述样品的吸收光谱，以及其中，每个检测器元件接收所述图像的不同图像部分(132)，并且提供基于该检测器元件接收的所述图像部分的强度的检测器输出(134)；以及
提供包括所述多个检测器的输出的输出信号(136)。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括基于所述输出信号来估计所述样品的化学成分。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括提供所述光谱滤波器，使得所述光谱滤波器包括共同限定光学腔(304)的第一反射镜(302-1)和第二反射镜(302-2)，所述光学腔具有沿着所述第一方向线性地变化的腔长度(L(x))，以及其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的每一个是包括至少一个布拉格层对的多层布拉格反射器，所述布拉格层对包括具有第一折射率的第一材料的第一层(308)和具有低于所述第一折射率的第二折射率的第二材料的第二层(310)。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，提供所述光谱滤波器，使得所述第一材料包括选自由硅和锗组成的组的材料，以及所述第二材料是空气。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括：
提供用于通过所述样品对所述光谱滤波器成像的摄像机(106)，其中，所述摄像机包括透镜(124)和所述多个检测器元件，以及其中，所述透镜具有限定物距(128)的焦距(f1)；以及
定位所述光谱滤波器，使得所述滤波器光圈位于所述物距处。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述多个检测器元件中的每个检测器元件包括测辐射热计，所述测辐射热计由大于所述第二光谱范围并且包括所述第二光谱范围的操作光谱范围表征。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括：
提供将源信号(112)传输到所述光谱滤波器的源(102)，其中，所述源信号包括所述多个波长信号，并且其中，所述多个波长信号中的第一波长信号由所述第一波长信号在所述光谱滤波器处被接收时的第一色散角(θd1)表征；
其中，所述询问信号在所述滤波器光圈处被提供，使得所述第一波长信号具有小于所述第一色散角的第二色散角(θd2)。
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