用于最终使用者食品分析的低成本光谱测定系统

摘要

本发明公开了一种紧凑型光谱仪，其适合于在诸如蜂窝电话等移动设备中使用。在优选实施方式中，该光谱仪包括滤光器、至少一个傅立叶变换聚焦元件、微透镜阵列和检测器，但是不使用任何色散元件。本发明还公开了将该光谱仪用作最终使用者设备以供特别是通过与可由设备的所有使用者访问的可更新数据库进行对比来进行对食品质量的现场确定的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及低成本光谱测定系统。特别地，其涉及不使用光栅 但具有足够的灵敏度和分辨率以对个人消费者所拥有的物质(包括复 杂混合物)特别是食物进行光谱分析——特别是经由分布式网络进行 上述分析的系统。

背景技术

食品安全是消费者存在已久的问题。即使特定商品在其运输到 销售点时或者即使在最终使用者获得它时是新鲜的，也不能保证其在 实际使用时的新鲜度和安全性。因此，使最终使用者能够在正要食用 之前对食物进行污染物检查的方法对消费者将会是非常有益的。非侵 入性方法，即，不涉及移除或破坏被测试食品的一部分的方法将会是 理想的，原因在于这样的方法将会提供易用性，并从而提供较高的使 用可能性。

用于确定食品安全性的光谱方法满足非侵入性和原则上易于使 用的要求。在最终使用者对此类方法的使用可以变得平常之前，有两 个主要障碍需要克服。第一是提供适当的光谱仪的必要性。图1示出 了本领域中已知的典型光谱仪10的设计。光105通过狭缝100进入， 从第一反光镜101反射到诸如光栅(103)等色散元件上，该色散元 件将光导向到第二反光镜102上。因为光根据其波长而由元件103所 色散，所以光谱仪的传感器104的每个像素将受到特定波长的照射。 使用这种设计的光谱仪是复杂的，要求精确对准，难以装配，并且在 其微型化的能力方面受到限制。

相比之下，适合于日常消费者使用的光谱仪必须小型、耐用、 易于使用，并且能够提供可对被测试食品的组分做出有意义的结论的 足够质量和分辨率的光谱。第二个障碍是食品及其污染物一般不是单 一物质，而是本身往往具有复杂光谱的物质的复杂混合物。因此，为 了使这样的最终使用者系统有用，其必须包含用于对所获得的往往是 复杂的光谱进行实时分析的装置。

开发这样的光谱系统对最终使用者确定食品安全性而言将是一 个福音，而同时它的用处远超过如此有限的用途。例如，其可用于环 境污染物检测、爆炸物或化学制剂或生物制剂远程检测或者患者状况 (例如，血氧水平或血糖水平)远程诊断或监测等不同的应用。

因此，已经有相当大的努力致力于开发紧凑型光谱测定系统来 满足这些需求。在此给出本领域中已知的紧凑型光谱测定系统的一些 示例。

第7262839号美国专利公开了一种紧凑型双折射干涉成像光谱 仪。该光谱仪包含用作可调滤光器的至少一个液晶盒或微机械法布里 -珀罗(Fabry-Perot)系统。在一些实施方式中，可以设计液晶盒以创 造出一系列带通区。调谐不同的波长跨过二维检测器的x-y像场，从 而能够收集波长分辨的或空间分辨的光谱数据。

第7420663号美国专利公开了一种集成到诸如移动电话等移动 通信设备中的便携式光谱感测设备。光谱仪使用与位于移动通信设备 中的相机相关联的传感器作为检测器，并且其与移动设备的连接允许 将由此获得的光谱信息上传到远程位置。所公开的光谱感测设备基于 诸如光栅或棱镜等色散元件，随之而来具有这样的设备的所有缺点。

第2010/0201979号美国专利申请公开了一种用于进行光谱-空 间映射的系统和方法。该文所公开的系统使用柱形光束体全息图 (cylindrical beam volume hologram，CVBH)来对光加以色散，以代 替诸如棱镜或光栅等色散元件。该设计具有不需要狭缝或光栅的优点， 但会遭受低光通量和小光谱范围的缺点。此外，CVBH元件的费用妨 碍了其在针对消费者的光谱仪中的使用。

第2010/0309454号美国专利申请公开了一种集成到无线通信设 备中的便携式光谱仪。该文所公开的光谱仪不仅依赖于色散元件，而 且系统本身还要求使用接附到无线通信设备的光纤线缆以将光传输 到光谱仪，因而进一步限制了易用性并增加了系统的成本。

因此，能够集成到诸如蜂窝电话等消费者设备，而同时足够耐 用且成本低廉从而对于最终使用者对可疑物品进行光谱测量而言有 实用性的紧凑型光谱仪系统，以及通过其能够对这样的光谱仪系统所 获得的光谱(特别是诸如食物等复杂混合物的光谱)进行分析并估计 污染的可能性的便利方法仍然是长期渴望而尚未满足的需求。

发明内容

本文所公开的紧凑型光谱仪系统和方法被设计用于满足这一长 期需求。公开了一种不具有色散元件或移动部件的低成本、耐用的光 谱仪，连同使用经由可持续更新的数据库的云计算来分析由光谱仪获 得的数据并将分析结果返回给使用者的方法。本文所公开的光谱仪系 统具有基本上笔直的光轴，并且在优选实施方式中除了检测器之外包 含不多于2-4个元件。元件之间所要求的对准精度相对于图1中所图 示类型的光谱仪的对准精度非常低。笔直的光轴和小的传感器尺寸能 够生产如下的光谱仪：该光谱仪足够小且足够经济以装配在诸如蜂窝 电话等设备中，且还具有足够的灵敏度和分辨率(典型地<10cm^-1) 以获得诸如食物等复杂混合物的有用光谱。

因此，本发明的一个目的是公开一种用于获得样品的光谱的紧 凑型光谱仪系统，该系统包括(a)用于检测从所述样品发出的光的 光学检测器；(b)位于所述样品与所述检测器之间的光学滤光器； 以及(c)第一傅立叶变换聚焦元件，其中所述紧凑型光谱仪系统不 含有任何色散光学元件。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述光学滤光器为不可调滤光器。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其中所述第一傅立叶变换聚焦元件安设在所述光 学滤光器与所述光学检测器之间，使得穿过所述光学滤光器的光由所 述至少一个聚焦元件色散到所述检测器的光敏感表面上。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其中所述光学滤光器的中心波长随着射到其上的 光的入射角而变化。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其中所述光学滤光器包含具有不同的中心波长的 多个子滤光器。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述光学滤光器包含基本上平行的多个条带，所述多个条带中的每个都 包含子滤光器。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述光学滤光器包含基本上为矩形的多个区域，所述多个区域中的每个 都包含子滤光器。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其中所述光学滤光器选自(a)法布里-珀罗滤光 器、(b)薄膜滤光器和(c)干涉滤光器。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其中所述第一傅立叶变换聚焦元件为平凸透镜， 该平凸透镜安设成使得其平坦面面向所述光学检测器并且其曲面面 向所述光学滤光器。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其进一步包括第二傅立叶变换聚焦元件。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述傅立叶变换聚焦元件为平凸柱面透镜，所述平凸柱面透镜安设成使 得每个透镜的平坦面面向所述光学检测器，每个透镜的曲面面向所述 光学滤光器，两个透镜的焦线沿着x-y平面内的不同轴线定向，并且 所述傅立叶变换聚焦元件的焦平面基本上重合。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述傅立叶变换聚焦元件的焦平面与所述光学检测器的光敏感表面基 本上重合。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述傅立叶变换聚焦元件的焦线垂直。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其进一步包括微透镜阵列。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述微透镜阵列位于所述第一傅立叶变换聚焦元件的焦平面内。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述检测器位于基本上垂直于光轴的平面处，使得微透镜在所述光学检 测器上形成所述光学滤光器的多个图像。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述光学滤光器包含具有不同的中心波长的多个子滤光器。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其进一 步包括第二傅立叶变换聚焦元件，其中所述微透镜阵列包含柱面透镜 阵列，并且位于两个所述聚焦元件中的第一个的焦平面处，并且所述 光学检测器位于两个所述聚焦元件中的第二个的焦平面处。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其进一步包括安设在所述样品与所述光学滤光器 之间的漫射器。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其中所述第一傅立叶变换聚焦元件为选自(a) 平凸透镜、(b)双凸透镜和(c)非球面透镜之中的透镜，并且进一 步地，其中所述光学滤光器位于所述第一傅立叶变换聚焦元件与所述 样品之间。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述光学滤光器包含具有不同的中心波长的多个子滤光器。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述多个子滤光器围绕中心点径向地安设。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述光学滤光器紧靠所述光学检测器。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其中所述光学检测器为二维图像传感器。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其进一步包括适于照射所述样品的光源。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述光源为激光器。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述光源为发光二极管。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其进一 步包括聚焦系统，该聚焦系统适于将来自所述光源的光聚焦在相对于 所述样品的预定位置。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述聚焦系统为自动聚焦系统。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述聚焦系统控制将所述光源所产生的光聚焦到所述样品上的透镜的 位置。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述聚焦系统控制将所述光源所产生的光聚焦到所述样品上的透镜的 光学性质。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述聚焦系统包含音圈马达。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述聚焦系统包含压电马达。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述聚焦系统包含微电机系统(MEMS)马达。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其中从所述样品发出的所述光包含在照射时由所 述样品散射的光。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述光谱选自(a)分子振动光谱、(b)分子旋转光谱和(c)电子光 谱。在所述紧凑型光谱仪系统的一些优选实施方式中，光谱为拉曼光 谱。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其进一 步包括第二光学滤光器。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中在 照射时从所述样品散射的所述光包含在照射时由所述样品反射的光。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其中从所述样品发出的所述光包含由从所述样品 发出的荧光所产生的光。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其进一步包括用于与通信网络通信的装置。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述通信网络为无线通信网络。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述紧凑型光谱仪系统封装在与所述通信网络相关联的移动通信设备 内。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述移动通信设备为蜂窝电话。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其进一 步包括与所述通信网络通信的光谱信息数据库。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述数据库可实时地持续更新。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其进一步包括本地数字处理器。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述本地数字处理器被编程用于执行选自(a)用于操作所述紧凑型光 谱仪系统的算法；(b)用于处理所述紧凑型光谱仪系统所获得的原 始光谱数据的算法；(c)用于将所述紧凑型光谱仪系统所获得的数 据与存储在数据库中的数据进行对比的算法；和(c)用于将所述紧 凑型光谱仪系统所获得的光谱数据传输至远程服务器的算法之中的 至少一个算法。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其进一步包括本地存储器。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述本地存储器选自(a)固定存储器和(b)易失性存储器。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其进一 步包括存储在所述本地存储器内的光谱信息的本地数据库。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其中所述紧凑型光谱仪系统并入到烤箱中。

本发明的进一步目的是公开这样的紧凑型光谱仪系统，其中所 述烤箱为微波炉。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其中所述紧凑型光谱仪系统并入到冰箱中。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其进一步包括用于确定所述光谱仪系统的位置的 GPS定位装置。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 紧凑型光谱仪系统，其中所述样品包括食品。

本发明的进一步目的是公开一种不使用色散光学器件而获得样 品的光谱的方法，其中所述方法包括：提供样品；使从所述样品发出 的光射到光学滤光器上，该光学滤光器的中心波长取决于射到其上的 光的入射角；使所述光传到第一傅立叶变换聚焦元件；将光强测量为 预定平面P₁中的位置的函数；以及将作为所述平面P₁中的位置的函 数的光强转换为光谱。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其中所述测量光强作 为预定平面P₁中的位置的函数的步骤包括将光强测量为与所述第一 傅立叶变换聚焦元件的焦平面基本上重合的平面中的位置的函数。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 方法，其中所述使从所述样品发出的光射到光学滤光器上的步骤先于 所述使所述光传到第一傅立叶变换聚焦元件的步骤，从而将穿过所述 光学滤光器的光根据其波长进行角度编码，以及由所述傅立叶变换聚 焦元件对所述光进行变换以对其空间编码。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 方法，其中所述使所述光传到第一傅立叶变换聚焦元件的步骤先于所 述使从所述样品发出的光射到光学滤光器上的步骤。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 方法，其进一步包括在所述预定平面P₁中放置图像传感器的步骤，该 图像传感器适于将射到所述图像传感器上的光强测量为位置的函数。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 方法，其中所述使所述光传到第一傅立叶变换聚焦元件的步骤包括使 所述光传到平凸透镜的步骤，该平凸透镜的曲面面向所述光学滤光器。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 方法，其中所述使从所述样品发出的光射到光学滤光器上的步骤包括 使从所述样品发出的光射到包含多个子滤光器的光学滤光器上的步 骤。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其进一步包括在预定 平面P₂中放置微透镜阵列，所述预定平面P₂定向成使得每个微透镜 都对形成于所述平面P₂处的光学傅立叶变换进行采样，从而在预定平 面P₃处创建所述光学滤光器的孔径的微像，并且从而根据到达所述微 透镜的特定子滤光器处的光的原点来分解所述光学傅立叶变换的采 样点。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其中所述预定平面P₂与所述第一傅立叶变换聚焦元件的焦平面基本上相同。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其进一步包括放置图 像传感器的步骤，该图像传感器适于将射到所述图像传感器上的光强 测量为所述预定平面P₃中的位置的函数。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其进一步包括沿着单 一轴线放置所述多个子滤光器并使所述经角度编码的光穿过第二傅 立叶变换聚焦元件，该第二傅立叶变换聚焦元件安设成使得由所述第 二傅立叶变换聚焦元件所产生的经空间编码的光相对于由所述第一 傅立叶变换聚焦元件所产生的经空间编码的光的定向成角度地编码， 并且使得所述第二傅立叶变换聚焦元件的焦平面与所述预定平面P₃基本上相同；其中所述在所述第一傅立叶变换聚焦元件与所述预定平 面P₃之间放置微透镜阵列的步骤进一步包括放置包含柱面微透镜的 微透镜阵列，所述柱面微透镜安设成使得穿过所述微透镜阵列的光沿 着与所述单一轴线平行的轴线被置于所述平面中。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其中所述使所述经角 度编码的光传到第一傅立叶变换聚焦元件的步骤包括使所述经角度 编码的光传到第一平凸柱面透镜的步骤，所述第一平凸柱面透镜的曲 面面向所述光学滤光器，并且所述使所述经角度编码的光穿过第二傅 立叶变换聚焦元件的步骤包括使所述经角度编码的光传到第二平凸 柱面透镜的步骤，该第二平凸柱面透镜的曲面面向所述光学滤光器。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其进一步包括将所述 微透镜阵列放置在所述第一傅立叶变换聚焦元件的焦平面中；以及将 所述光学检测器放置在所述第二傅立叶变换聚焦元件的焦平面中。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 方法，其进一步包括使所述光穿过漫射器。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 方法，其进一步包括用光源来照射所述样品。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其中所述照射所述样 品的步骤包括用选自激光器和发光二极管的光源来照射所述样品。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 方法，其中所述光谱选自(a)分子振动光谱、(b)分子旋转光谱和 (c)电子光谱。在所述方法的一些优选实施方式中，光谱为荧光光 谱。在所述方法的一些优选实施方式中，光谱为拉曼光谱。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 方法，其中所述光谱为荧光光谱。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其进一步包括从荧光 信号分离拉曼信号的步骤。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其进一步包括将从所 述光源发出的光聚焦到相对于所述样品的预定位置的步骤。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其中所述聚焦从所述 光源发出的光的步骤包括使用自动聚焦系统来聚焦从所述光源发出 的光的步骤。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其中所述使用自动聚 焦系统来聚焦从所述光源发出的光的步骤进一步包括实时地分析由 所述光谱仪获得的信号；以及相应地命令所述自动聚焦系统以便将所 述光聚焦到在样品处的最佳信号提取点。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 方法，其进一步包括通过与光谱信息数据库进行对比来分析所获得的 光谱。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其中所述分析步骤包 括选自(a)将所述光谱与光谱数据库中的光谱进行对比；(b)通过 使用主成分分析将所述光谱与光谱数据库中的光谱进行对比；(c) 通过使用偏最小二乘分析将所述光谱与光谱数据库中的光谱进行对 比；以及(d)通过使用神经网络算法将所述光谱与光谱数据库中的 光谱进行对比之中的至少一个步骤。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其进一步包括将所述 光谱添加到所述光谱数据库。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其进一步包括将所述 光谱传输到远程处理单元；使用所述远程处理单元来进行所述分析步 骤；以及将所述分析步骤的结果传输到使用者。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其中所述传输步骤通 过在无线网络上传输来进行。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其进一步包括对在所 述转换作为所述第一傅立叶变换聚焦元件的焦平面中的位置的函数 的光强的步骤中获得的所述光谱进行初步分析。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其中所述对所述光谱 进行初步分析的步骤使用本地处理单元来进行。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其中所述对所述光谱 进行初步分析的步骤远程地进行。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其中所述对所述光谱 进行初步分析的步骤进一步包括选自(a)对多个独立的测量求平均； (b)补偿光学像差和(c)使用降噪算法来降低检测器噪声之中的至 少一个步骤。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 方法，其进一步包括向预定远程位置传输获得所述光谱的位置的步骤。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 方法，所述向预定远程位置传输获得所述光谱的位置的步骤进一步包 括通过使用GPS来确定所述光谱所在的位置的步骤。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 方法，其中通过使用全都安设在移动通信设备内或移动通信设备上的 光学元件来进行以下的所述步骤：使从所述样品发出的光射到光学滤 光器上，该光学滤光器的中心波长取决于射到其上的光的入射角；使 所述光传到第一傅立叶变换聚焦元件；以及将光强测量为所述平面P₁中的位置的函数。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其中所述移动通信设 备为蜂窝电话。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 方法，其中通过使用全都安设在烤箱内或烤箱上的光学元件来进行以 下的所述步骤：使从所述样品发出的光射到光学滤光器上，该光学滤 光器的中心波长取决于射到其上的光的入射角；使所述光传到第一傅 立叶变换聚焦元件；以及将光强测量为所述平面P₁中的位置的函数。

本发明的进一步目的是公开这样的方法，其中所述烤箱为微波 炉。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 方法，其中通过使用全都安设在冰箱内或冰箱上的光学元件来进行以 下的所述步骤：使从所述样品发出的光射到光学滤光器上，该光学滤 光器的中心波长取决于射到其上的光的入射角；使所述光传到第一傅 立叶变换聚焦元件；以及将光强测量为所述平面P₁中的位置的函数。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 方法，其中所述样品包括食品。

本发明的进一步目的是公开如上述任何一项中所限定的这样的 方法，其中所述样品包括药物。

附图说明

现在将参考附图来描述本发明，其中：

图1呈现了根据本领域中已知的基于光栅的光谱仪的示意图；

图2呈现了本文所公开的紧凑型光谱仪系统的几个非限制性实 施方式的光学布局的示意图；

图3呈现了在根据本文所公开的紧凑型光谱仪系统的一个实施 方式的检测器上的光的色散的示意性图示；

图4呈现了用于在本文所公开的紧凑型光谱仪系统中使用的、 包含多个子滤光器的光学滤光器的几个实施方式的示意性图示；

图5呈现了本文所公开的本发明的非限制性实施方式中提取傅 立叶图像的示意性图示；

图6呈现了合并有本文所公开的本发明的紧凑型光谱仪的框图； 以及

图7呈现了本文所公开的本发明与通信网络的连接的一个实施 方式的框图。

具体实施方式

在下文描述中，将会描述本发明的各个方面。为了解释目的而 阐述了具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。对于本领域技术人 员将会显而易见的是，存在本发明的其他实施方式，这些实施方式在 不影响其本质属性的情况下在细节上有所不同。因此，本发明不受到 图中所图示的和说明书中所描述的内容限制，而是仅如所附的权利要 求中所指示的，仅由所述权利要求的最宽泛的解释来确定适当的保护 范围。

如本文关于光学组件所使用，术语“色散”用来描述被设计用 于在空间中根据光的波长来对光加以导向，从而将多色光束的不同波 长成分在空间上分开的组件。根据这一定义的“色散”光学元件的非 限制性示例包括衍射光栅和棱镜。该术语明确排除由于诸如色差等非 理想因素而使光色散的诸如透镜等元件，或者根据入射辐射的角度而 具有不同的透射分布的诸如干涉滤光器等元件。

现参考图2A，其图示了本文所公开的紧凑型光谱仪系统20的 一个非限制性实施方式。该系统包括光学滤光器200、第一傅立叶变 换聚焦元件201和检测器204。在本发明的优选实施方式中，第一傅 立叶变换聚焦元件201为平凸透镜，其定向成使得凸面面向光学滤光 器。检测器位于预定平面P₁中，该预定平面P₁在本发明的优选实施 方式中为第一傅立叶变换聚焦元件的焦平面。

光学滤光器200可为本领域中已知的任何类型。合适的光学滤 光器的非限制性示例包括法布里-珀罗(FP)共振器、级联FP共振器 和干涉滤光器。在图2A中所示的尽可能简单布置的典型实施方式中， 可以使用具有在通带之外的宽阻挡范围(至少200nm)的窄带通滤光 器(≤10cm^-1)。在优选实施方式中，滤光器的中心波长(CWL)随 着射在其上的光的入射角而变化。

检测器204可为本领域中已知的能够检测感兴趣的波长范围内 的光的任何合适的类型；根据获得的光谱的性质和被测试样品的特定 光谱特性，本文所公开的紧凑型光谱仪系统可在从UV到IR范围内 使用。如将在下文中解释，因为通过将光强测量为预定平面(例如， 第一傅立叶变换聚焦元件的焦平面)中的位置的函数来获得光谱，所 以在本发明的优选实施方式中使用能够将强度测量为位置的函数的 检测器(例如，阵列检测器或二维图像传感器)。

紧凑型光谱仪20的基本操作原理如下。光205射到光学滤光器 200上。假设光205在光学滤光器的区域(在本发明的典型实施方式 中，入口孔径具有1mm²数量级的面积)上大致为空间不变的，并且 假设光以足够宽的传播角范围射到滤光器上——这两者都是合理的 假设——则穿过滤光器的光在穿过光学滤光器之后被角度编码 (angularly encoded)。第一傅立叶变换聚焦元件(201)对经角度编 码的光(近似地)进行空间傅立叶变换，从而将其变换为空间编码光 谱。也就是说，传感器所记录的作为传感器上的位置(像素数)的函 数的光强与对应于该位置的光的波长下的强度相关。

现参考图3，其针对下述实施方式图示了光在检测器204上的 色散，在该实施方式中，检测器为位于平面P₁中的2-D图像传感器， 该平面P₁与第一傅立叶变换聚焦元件201的焦平面基本上重合，并且 第一傅立叶变换聚焦元件为具有径向对称性的透镜。如图中可见，不 同波长(λ₁、λ₂、λ₃、λ₄等)的光将会作为与波长成比例的不同半径 的一系列圆到达检测器。一般而言，波长与对应的圆的半径之间的关 系将不会为线性。

在其中从样品发出的光未充分漫射的实施方式中，在光学滤光 器的前面放置漫射器。现参考图2B，其图示了合并有漫射器的紧凑 型光谱仪系统20的典型实施方式。平行(或部分平行光)206射在漫 射器上，该漫射器继而产生漫射光205，该漫射光205继而射在光学 滤光器200上。

如图2A中所示那样，使用单一滤光器可能会限制可用于光谱 仪的光谱范围。例如，如果光的入射角大于30°，则由于大角度下的 透镜像差和检测器效率降低，系统将可能不会产生足够强度的信号。 对于30°的角度范围和～850nm的光学滤光器CWL，可用于光谱仪的 光谱范围将为～35nm。该范围对于诸如拉曼光谱法等许多应用而言是 不够的。在具有更大光谱范围的实施方式中，使用实际上包括多个子 滤光器的光学滤光器，其中每个子滤光器具有不同的CWL并从而覆 盖光学光谱的不同部分。

现参考图4A和图4B，其示出了包含多个子滤光器的光学滤光 器的两个非限制性实施方式。图4A示出了其中子滤光器(在所示实 施方式中是8个)沿着单一轴线布置的光学滤光器，而图4B示出了 其中子滤光器(在所示实施方式中是9个)在两个维度上平铺的光学 滤光器。

根据子滤光器的数目，可进入光谱仪的波长范围能达到几百纳 米。在使用多个子滤光器的情况下，形成于像平面处的近似傅立叶变 换(即，每个子滤光器一个)重叠，并且在检测器的任何特定像素处 获得的信号通常是由不同的傅立叶变换的混合所产生的。

为了将来源于不同的子滤光器的信号分开，在预定平面P₂中放 置微透镜阵列，该预定平面P₂位于第一傅立叶变换聚焦元件与检测器 之间。这样的微透镜阵列是本领域中所熟知的，例如，全光相机中的 微透镜阵列。在优选实施方式中，微透镜阵列平面P₂与第一傅立叶变 换聚焦元件的焦平面基本上重合，并且检测器平面P₃与包括由微透镜 阵列创建的光学滤光器的图像的平面基本上重合。现参考图2C，其 示意性地示出了合并有微透镜阵列203的紧凑型光谱仪20的实施方 式的光学布局，该微透镜阵列203安设成使得其处于第一傅立叶变换 聚焦元件201的焦平面内，并且使得检测器204位于包括由微透镜阵 列创建的光学滤光器的图像的平面内。

在这些实施方式中，每个微透镜因此起到“超级像素 (super-pixel)”的作用，该“超级像素”将射到其上的光分离成对 应于由多个子滤光器所产生的多个傅立叶变换的成分。每个微透镜在 检测器上创建出光学滤光器的孔径的图像。由此形成的“微像”代表 对于从透镜孔径(即，光学滤光器)的每个部分到由微透镜所覆盖的 “超级像素”的信号的贡献。现参考图5，其图示了由微透镜阵列将 信号分解成分离的傅立叶变换信号。每个微透镜对整体傅立叶图像进 行采样，继而根据在光学滤光器200处的信号原点来对每个样本进行 分解，从而能够提取每个子滤光器的傅立叶图像。

在图5中所图示的特定实施方式中，光学滤光器200包含沿着 单一轴线对准的多个子滤光器。从所述子滤光器中的三个子滤光器 (图中指示为2100、2200和2300)射到傅立叶变换聚焦元件上的光 导致三个不同的信号(相应地为210、220和230)，这三个不同的信 号由微透镜阵列色散(disperse)在检测器上。微透镜阵列安设成使得 光沿着与子滤光器所对准的轴线平行的轴线色散在检测器上。

现参考图2D，其图示了包括柱面微透镜阵列的紧凑型光谱仪系 统200的优选实施方式的光学布局。在这些实施方式中，在第一傅立 叶变换聚焦元件与微透镜阵列之间放置第二傅立叶变换聚焦元件202 (在优选实施方式中，两个傅立叶变换聚焦元件均为具有面向检测器 的凸面的平凸柱面透镜)。第二傅立叶变换聚焦元件202定向成使得 其焦线不与第一傅立叶变换聚焦元件的焦线对准。在优选实施方式中， 两个焦线是垂直的。第二傅立叶变换聚焦元件放置成使得检测器处于 其焦平面内。

表1提供了对典型实施方式中的紧凑型光谱仪系统的组件的特 性的总结。要注意的是，在优选实施方式中，傅立叶变换透镜和微透 镜的F数(f-number)是相同的。该实施方式的波长分辨率<10cm^-1。

表1

在本发明的一些实施方式中，在紧凑型光谱仪系统的前面放置 附加的滤光器，以便阻挡处于感兴趣的光谱范围之外的光(即，阻止 不需要的光到达检测器)。

现参考图2E，其图示了本文所公开的发明的另一实施方式的光 学布局。在该实施方式中，光学滤光器200位于紧靠检测器之处，并 且第一傅立叶变换聚焦元件201为径向对称的双凸透镜、平凸透镜或 非球面透镜；也就是说，在该实施方式中不使用柱面透镜。进入光谱 仪系统的漫射光205由第一傅立叶变换聚焦元件201进行傅立叶变换。 与先前描述的实施方式不同的是，在第一傅立叶变换聚焦元件之前没 有角度波长编码。

在该实施方式中，射到滤光器上的光在宽的角度范围内得到导 向，检测器上的每个光点对应于不同的入射角。如在先前的实施方式 中那样，光学滤光器被设计成使得其CWL取决于该入射角。因此， 图像上的每个同心环将仅包括到达光谱仪系统的光的光谱的狭窄部 分。

在其中由单一光学滤光器所覆盖的光谱范围不足够的实施方式 中，正如先前的实施方式那样，使用包含具有不同CWL的多个子滤 光器的光学滤光器。图4C和图4D中示出了这样的光学滤光器的设 计的两个非限制性实施方式。由于在这些实施方式中到达检测器的光 是轴向对称的，因此子滤光器围绕中心点安设。在图4C和图4D中 所图示的实施方式中，在滤光器200的中心处存在间隙。由于一般情 况下波长随入射角的变化在小入射角下较小，因此预期不使用图像的 中心部分不会显著影响光谱的质量。

图2E中所图示的实施方式涉及增加简单性与性能降低之间的 折中。图2E中所图示的实施方式的优点在于可以减少系统中的部件 的数目，其原因在于可以将光学滤光器制造在检测器之上或者至少安 装在检测器上。另一方面，在像平面上创建出的每个光点由许多光学 射线(相当于许多平面波)所组成，这些光学射线的入射角是不同的。 具体而言，每个光点由在一定角度范围内射到检测器上的射线束所组 成，其中该范围的中心是由连接透镜的中心与图像上的光点的直线和 连接透镜的中心与图像的中心的直线所创造出的角度。根据第一傅立 叶变换聚焦元件201的F数，反比于F数的该角度可以从零点几度变 化到几度。射线束中的每个射线将经历不同的滤光函数，因而降低光 谱分辨率。对于非关键性应用，光谱分辨率的降低将由系统的该实施 方式的减少的复杂度和成本来补偿。

在本发明的一些实施方式中，使用散射的环境光来进行样品测 量。在大多数情况下，散射的环境光将不会强到足以提供足够高质量 的光谱。因此，在本发明的优选实施方式中，紧凑型光谱仪系统合并 有光源。该光源可为本领域中已知的适合于所要进行的光谱测量的任 何类型(例如，激光器或发光二极管)。

由于其小尺寸和低复杂度，本文所公开的紧凑型光谱仪系统可 集成到诸如蜂窝电话等移动通信设备中。其可以封装在设备本身内， 或者可以安装在设备上并通过本领域中已知的用于提供功率和数据 链路的任何有线或无线装置与之相连接。如下文所详细描述，通过将 光谱仪系统并入到移动设备中，可将所获得的光谱上传到远程位置， 在那里进行分析，并将分析结果告知使用者。该光谱仪系统还可配备 GPS器件，以便可以报告正在测量的样品的位置。

由于其小尺寸和低成本，本文所公开的光谱仪系统还可集成到 诸如烤箱(特别是微波炉)、食品加工机、冰箱等厨房用具中。使用 者继而可以在食品存储和制备的过程期间实时地对成分的安全性做 出确定。

现参考图6，其图示了用于获得样品30的光谱的光谱仪的两个 非限制性实施方式，所述光谱仪合并有本文所公开的紧凑型光谱仪系 统。该光谱仪除了紧凑型光谱仪系统20之外还合并有光源60。在一 些实施方式中，光源可为激光器；在其他实施方式中，其可为发光二 极管(LED)。光源的一个或多个波长和强度将会取决于光谱仪将投 入到的特定用途。光谱仪还包括功率源(例如，电池或电源)40以及 处理与控制单元50。在图6A中所示的实施方式中，光谱仪附加地合 并有I/O光学器件70，而在图6B中所示的实施方式中包括光学滤光 器来替代先前实施方式的I/O光学器件——一个光学滤光器位于光源 与样品之间，而另一个光学滤光器位于样品与紧凑型光谱仪系统20 之间。本领域中技术人员将认识到，本文所公开的光谱仪可通过对光 源、检测器和相关联的光学器件的适当选择而适于随同多种多样的光 谱技术来使用。非限制性示例包括拉曼光谱法、荧光光谱法以及IR 或UV-VIS反射光谱法。如上文所述，因为紧凑型光谱仪系统20可 从荧光信号中分离出拉曼信号，所以在本发明的一些实施方式中，针 对这两种光谱法使用同一光谱仪。

如上文所述，使光谱技术适于确定食品安全性的第二个问题是 被测试物质的复杂性，因此复杂的分析是必要的。特别是，如果预期 的使用者为个人消费者，则光谱测定系统的使用必须不比“傻瓜式 (point and shoot)”更复杂，并且提供给使用者的分析对他或她来说 无需任何大量行动。

在本发明的一些实施方式中，光谱仪系统配备存储器和微处理 器，所述存储器具有存储于其中的光谱数据的数据库，而所述微处理 器具有编程于其中的分析软件。存储器可为易失性的，以便可将使用 者自己的测量并入到其中。在其他实施方式中，数据库和/或全部或部 分的分析软件远程地存储，并且光谱仪系统通过本领域中已知的任何 适当方法经由网络(例如，无线网络)与之通信。在其中数据库位于 远程的优选实施方式中，它可持续更新。通过这种方式，由光谱仪的 使用者进行的每个测量会提高由任何使用者进行的日后测量的质量 和可靠性。

在紧凑型光谱仪的典型使用方法中，使用者照射待获得其光谱 的样品。继而如上文所述地获得光谱。继而使用任何适当的分析方法 来分析光谱。可以使用的光谱分析技术的非限制性示例包括主成分分 析、偏最小二乘分析，以及使用神经网络算法来确定光谱成分。由此 对光谱进行分析以确定正在调查的复杂混合物的光谱是否含有与不 期望存在的物质、物质混合物或微生物的光谱相一致的成分，并且从 光谱中这些成分的强度来确定它们的浓度是否高达足以引起关注。此 类物质的非限制性示例包括毒素、过敏原、分解产物或有害微生物。 在本发明的优选实施方式中，如果认为样品有可能不适合食用，则给 使用者提供警告。

在本发明的优选实施方式中，其连接到通信网络，该通信网络 允许使用者分享在特定测量中获得的信息。位于“云”(即，分布式 网络)中的可更新的数据库不断接收由个人使用者进行的测量的结果 并实时地更新其自身，从而能够以更高的精度和置信度来进行每个相 继的测量，以及拓展有光谱特征可用的物质的数目。

现参考图7，其呈现了用于使用本文所公开的系统的本文所公 开的方法的通信环境的框图。包含光源、紧凑型光谱仪系统20和关 联的光学器件在内的探头具有与包含上文描述的一些或所有硬件和 软件的平台的逻辑连接。探头系统可包括用于向使用者提供信息的附 加组件。此类组件的非限制性示例包括：GPS，用以将食品采样与进 行采样的位置联系起来；相机，用于记录样品的视觉印象；以及传感 器，用于测量诸如温度和湿度等环境变量。

图7中所示的框图还示出了与上文讨论的本地数据库或远程数 据库的逻辑链接。在本发明的各实施方式中，原始强度数据到光谱的 转换可在本地(用随同光谱仪系统一起供应的处理器和软件)或远程 进行。一般而言，将会远程地进行针对较复杂分析的较大量计算。

在合并有远程数据分析的实施方式中，传送到远程系统的数据 可包括以下数据中的一项或多项，这些数据为：原始检测器数据；在 本地进行处理的预处理的检测器数据或后处理的检测器数据；或者从 原始检测器数据得来的光谱。这些示例并不旨在成为限制性的，而仅 仅是为了图示说明本发明的典型实施方式而给出。

在本发明的一些实施方式中，使用以下的信号处理方案。首先， 通过上文所述的光谱仪中的图像传感器来捕捉一幅图像或一系列图 像。通过本地处理单元来分析所述图像。这个阶段的分析可包括图像 平均、补偿光学单元像差、通过使用降噪算法来降低检测器噪声或者 将图像转换为原始光谱之中的任一项或全部。继而将原始光谱传输到 远程处理单元；在优选实施方式中，所述传输使用无线通信来进行。

继而，远程地分析原始光谱。首先，进行降噪。继而，在其中 要获得拉曼光谱的实施方式中，从任何荧光信号中分离拉曼信号。继 而将拉曼光谱和荧光光谱两者与现有的校准光谱进行对比。在进行校 准之后，使用用于光谱分解的任意适当的算法对光谱进行分析；此类 算法的非限制性示例包括主成分分析、偏最小二乘分析和使用神经网 络算法的光谱分析。这样的分析提供了对使用光谱仪测试的样品加以 表征所需的信息。继而，将分析的结果呈现给使用者。