高通量紧凑型静态傅里叶变换光谱仪

摘要

描述了提供一种高通量点源光耦合结构(120)的系统和方法，该结构实施了根据一个或多个聚光器(122)配置规则配置的聚光器(122)。高通量点源光耦合结构(120)的实施例利用双折射板配置(341，342)与聚光器(122)和点源(121)相结合，以提供一种光耦合器结构(120)用于双折射‑静态‑傅立叶变换干涉仪实施。根据一些例子，双折射板(341，342)配置的第一和第二双折射板(341，342)的光轴不在同一平面上。实施例的高通量点源光耦合结构(120)的聚光器(122)相对于点源(121)和/或相机镜头(131)以确定的(例如，间隔、关系等)关系提供，相机镜头是用于捕获由光耦合结构(120)产生的干涉图案。高通量点源光耦合结构(120)可作为具有图像捕获能力的基于处理器的移动设备(130)的外部附件提供。

说明书

相关申请

本申请要求2020年4月1日提交的题为“高通量紧凑型静态傅立叶变换光谱仪”的美国临时专利申请63/003,323的优先权，其公开内容通过引用全部纳入本文。

技术领域

本发明总体上涉及光学光谱仪，特别涉及高通量紧凑型静态傅立叶变换光谱仪配置，例如可以适用于移动和便携式电子设备。

背景技术

光谱仪是一种用于测量电磁波谱特定部分的光的特性的仪器。例如，光谱仪可以分离白光并测量各个窄带的颜色(即光谱)。例如，光谱仪测量的变量可以包括光谱强度和/或光的辐照度。由光谱仪进行的这种光测量通常用于识别材料。

光谱仪由于体积庞大且成本高昂，传统上很难在实验室以外的现场工作中使用。因此，尽管光谱仪是非常有用的分析仪器，但是一般公众对其采用的程度有限，通常只限于在实验室工作中使用。

然而，近年来，光谱仪的配置已开始向小型化发展。光谱仪已从2010年推出的大型台式设备(例如550mmx420mmx270mm的单位尺寸，工作波长范围为325-1000nm，分辨率为4nm)，发展到2012年提供的相对较大的独立设备(例如尺寸为175mmx110mmx44mm，工作波长范围为200-1100nm，分辨率为0.05-20nm)和紧凑型独立设备(例如尺寸为40mmx42mmx24mm，工作波长范围为350-800nm，分辨率为1-10nm)，再到2013年提供的更紧凑的迷你光谱仪配置(例如单位尺寸为12mmx20mmx10mm，工作波长范围为340-780nm，分辨率为15nm)。最近在2016年，光谱仪已被实现为智能手机的外部附件(例如，可连接附件尺寸为55mmx20mmx20mm，工作波长范围为380-750nm，分辨率为10nm)。所有这些形状因子的光谱仪普遍存在一个或多个缺点，如尺寸相对较大、稳定性低、分辨率低、光谱范围窄或有限、通量和灵敏度低等。

例如，用于实现智能手机光谱仪外部附件的配置，与主机智能手机的尺寸相比，一般都非常大，并且需要精密且复杂的准直器、光栅和/或滤波装置。现有的基于智能手机的光谱仪，除了尺寸上笨重之外，通常还提供低分辨率和窄的测量波长范围。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以及在2011年3月2日的PLOSOne期刊e17150中描述的基于智能手机的光谱仪都安装了复杂的光栅结构。上述美国专利号9,185,200的基于智能手机的光谱仪和上述PLOSOne期刊中描述的基于智能手机的光谱仪，除了安装光栅之外，还安装了复杂的准直系统。在实现光栅的另一种配置中，美国专利号8,654,347的基于智能手机的光谱仪安装了复杂的法布里-珀罗滤波器配置。可在智能手机平台上使用的这种光栅或滤波器配置的现有光谱仪存在尺寸大、分辨率低、通量/灵敏度低和/或光谱范围窄或有限的问题。

美国专利号8,086,266的基于智能手机的光谱仪中，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以及复杂的微机电系统，这需要由智能手机提供额外的电力。在其设计中需要移动和/或分离的机械部件的配置会极大地影响光谱测量的精度(例如，在操作过程中，外部振动会影响反射镜运动的稳定性，从而限制在强振动条件下使用这些光谱仪的能力)。这样的光谱仪配置存在振动稳定性低、体积大的问题。

美国专利公开号20170131146、美国专利号6,222,627和9,316,539以及中国专利号102297722的光谱仪配置使用的双折射晶体配置不适合用于当前许多智能手机的大视场(例如60°至120°)，和/或提供了失真/非对称的干涉图案，这些图案与使用傅里叶变换处理获得频谱不兼容。例如，美国专利公开号20170131146的双折射晶体配置使用萨瓦特板式干涉仪实施方案(即，两个双折射板，每个板的光轴与各自的板呈45°角)向微透镜阵列提供准直光，导致要安装相对大且复杂的准直器，其需要一个小角度的入射，并提供一个小的视场(例如5°)。美国专利号6,222,627的双折射晶体配置使用Wollaston棱镜干涉仪实现方式(即，两个具有垂直光轴的直角双折射棱镜)向成像透镜和检测器提供准直光，导致要安装相对较大的准直器，其需要垂直入射光源，并提供小视场(例如1°至3°)。中国专利102297722的双折射晶体配置使用沃拉斯顿棱镜和萨瓦特板式干涉仪实施的组合，存在两者的缺点。美国专利号9,316,539使用双折射板实施方案，其中聚焦透镜提供的前端光学器件依靠漫射光源实现最佳操作，并提供相对较小的视场，或以非常低的灵敏度提供较大的视场(例如，大多数光被漫散射/散射，无法被小孔径相机收集)。

美国专利公开号20200025611提供了一种分束器立方体光谱仪配置。美国专利公开号20200025611的分束器干涉仪的实施方式有利于主机智能手机使用通常低成本的材料进行相对简单的数据分析处理，尽管可能会产生较低的通量。

如前所述可知，此前用于实现智能手机光谱仪外部附件的配置存在各种缺点。特别是，许多配置无法充分利用功能强大的智能手机摄像头的相关方面。此外，由于灵敏度、光谱分辨率、光谱范围、尺寸等方面的限制，许多配置无法满足各种应用的需求。

发明内容

本发明提供一种高通量点源光耦合结构的系统和方法，该结构实施了根据一个或多个聚光器配置规则配置的聚光器，例如用于基于移动设备的光谱仪配置。高通量点源光耦合结构的实施例利用双折射板配置与聚光器和点源相结合，以提供一种光耦合器结构，用于实施双折射-静态-傅立叶变换干涉仪，例如针对较小尺寸的高分辨率光谱仪，以提供高的光收集效率、宽入射角、宽光谱范围等。

实施例的高通量点源光耦合结构的双折射板配置可以包括一个或多个由双折射材料形成的双折射板。本发明实施例可以利用包括至少两个双折射板的双折射板配置。根据一些例子，第一双折射板的主截面与双折射板配置的第二双折射板的主截面垂直。此外，根据一些例子，双折射板配置的第二双折射板的光轴平行于或垂直于第二双折射板的平面。例如，根据一些实施例，双折射板配置的第一双折射板的光轴相对于第一双折射板的平面可以在-90°至+90°的范围内。一些例子的双折射板配置的第一双折射板的光轴可以相对于第一双折射板的平面旋转-45°或+45°。一些例子的双折射板配置的第一双折射板的光轴可以平行于或垂直于第一双折射板的平面，同时垂直于第二双折射板的光轴。

实施例的高通量点源光耦合结构的聚光器，相对于点源和相机镜头(用于捕获由光耦合结构产生的干涉图案)以确定的(例如，间隔、关系等)关系提供。例如，可相对于高通量点源光耦合结构实施方案的聚光器配置实施一个或一个以上聚光器配置规则。例如，确定实施例的高通量点源光耦合结构的聚光器配置的聚光镜配置规则可以提供关于聚光器和相机镜头的焦距、聚光器和相机镜头的数值孔径、聚光器和相机镜头之间的距离、聚光器和点光源之间的距离等的定义关系。

根据实施例，利用双折射板配置结合聚光器和点光源的光耦合结构提供了高通量的高光收集效率，有利于提高光谱仪实施的灵敏度和宽光谱范围。实施例的高通量点源光耦合结构的双折射板配置为双折射干涉仪产生宽的入射角，从而有助于提高分辨率。实施例的高通量点源光耦合结构与点源输入和小孔径成像系统兼容。特别是，实施例的高通量点源光耦合结构非常适合用于宽视场(FOV)和小孔径相机，例如移动设备相机配置的相机。此外，高通量点源光耦合结构的实施例的移动设备相机镜头和聚光器的短焦距有助于紧凑型光谱仪的实现。因此，可以提供高通量点源光耦合结构，该结构足够小，以与现有的成像设备(例如，数码相机)一起使用，例如集成到便携式设备中的那些成像设备，并且其重量轻且足够方便用户携带。这样的便携式光谱仪实施例可以促进光谱仪的广泛应用和市场从工业和实验室拓宽到普通消费者，便于在食品安全、珠宝检测、科研、医学、保健、艺术和设计等领域的使用。

根据本发明概念实施的高通量点源光耦合结构可以作为具有图像捕获能力的基于处理器的移动设备(例如，智能手机、平板电脑、个人数字助理(PDA)、笔记本电脑等)的外部附件提供。例如，当与主机移动设备的成像系统和由移动设备的处理器执行的干涉图变换处理逻辑相结合时，可使用包括高通量点源光耦合结构的实施例的外部光谱仪附件来提供基于双折射-静态-傅立叶变换干涉仪的光谱仪。根据实施例的这种基于双折射-静态-傅立叶变换干涉仪的光谱仪实现了高通量/灵敏度(例如，与以前的基于智能手机的解决方案相比，对弱入射光的灵敏度提高了20倍)、高分辨率(例如，与以前的基于智能手机的解决方案相比，提高了5-10倍)、宽光谱范围(例如，与以前的基于智能手机的解决方案相比，从380nm-750nm扩展到400nm-1100nm范围)和超紧凑的(例如，与以前的基于智能手机的解决方案相比，尺寸减小到1/5)。

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下面对本发明的详细描述。下面将描述构成本发明权利要求主题的本发明的其他特征和优点。本领域技术人员应该理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本发明的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，这样的等效构造并不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的精神和范围。当结合附图考虑时，从以下描述可以更好地理解被认为是本发明特点的新颖特征(无论是其组织和操作方法)以及其他目的和优点。然而，应该明确理解的是，每个附图只是为了说明和描述的目的而提供的，并不打算作为本发明的限制的定义。

附图说明

为了更完整地理解本发明，现在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高通量点源光耦合结构的光谱仪的功能框图；

图2显示关于本发明实施例的高通量点源光耦合结构的聚光器配置的细节；

图3显示关于本发明实施例的高通量点源光耦合结构的双折射模块配置的细节；

图4A-4C显示根据本发明实施例的双折射模块的双折射板配置；

图5A和图5B显示各种双折射板配置可能导致的干涉图案；

图6A和6B显示各种光耦合结构实施的实验结果。

具体实施方式

图1显示了根据本发明的概念，使用高通量点源光耦合结构来实现的光谱仪的功能框图。光谱仪100被显示包括高通量点源光耦合结构120和移动设备130，其被配置为协同操作以测量一部分电磁光谱上的光(例如，提供的入射光111)的特性。例如，高通量点源光耦合结构120可以包括一个可移除单元，该可移除单元被配置成附接到(例如，使用一个或多个夹子、粘合剂、移动设备的外壳、一个或多个紧固件等)移动设备，与该移动设备的图像捕获系统的镜头并置。从下面的公开中将更好地理解，高通量点源光耦合结构120和移动设备130的实施例可以提供具有宽光谱范围、高分辨率、高通量和相对较低成本的非常紧凑的光谱仪配置。

例如，移动设备130可以包括智能电话(例如，苹果IPHONE、三星GALAXY、华为PSMART等)、平板电脑(例如，苹果IPAD、三星GALAXYTAB、微软SURFACE等)、个人数字助理PDA(例如，惠普IPAQ、PalmTUNGSTEN等)、具有图像捕获功能的笔记本电脑(例如，基于IntelCORE、AMDRYZEN等处理器系列的便携式个人电脑)等。根据实施例，结合有电容器的高通量点源光耦合结构120的光耦合结构可以被配置为与点源输入和许多移动设备的小孔径成像系统(例如，智能电话和平板相机配置)兼容。此外，聚光镜的短焦距(例如，焦距在2mm-6mm范围内)可以与短焦距相机镜头(例如，许多智能手机和平板电脑相机配置的相机镜头)配合使用，从而实现紧凑的尺寸实施例的光谱仪100的结构。

在实施例的光谱仪100的运行中，高通量点源光耦合结构120将入射光111转换并引导至移动设备130的图像捕获装置。例如，通过点源121的入射光111可以由聚光器122、偏振器123、光学件124和偏振器125操作，以形成一个干涉图案，用于移动设备130进行光谱处理。实施例的移动设备130可以包括各种形式的基于处理器的具有图像捕获能力的系统。例如，图像捕获能力可以由一个或多个图像捕获装置提供，例如集成在其中或连接到其上的数字照相机系统。如图示例子中所示，移动设备130的图像捕获装置可以包括相机镜头131和相机传感器，用于捕获由从高通量点源光耦合结构120的光输出所提供的干涉图案(例如，干涉图案141)。移动设备130可以利用干涉图变换处理逻辑133将高通量点源光耦合结构120提供的干涉图案变换成相应的光谱数据(例如，光谱数据143)。

在根据实施例的运行中，光谱仪100可用于生成数据，该数据表示要对其进行光谱分析的样本(未示出)发射和/或反射的观察到的入射光的光谱，例如用于分析包含与样本材料、物质、混合物等相关的吸收或发射特征的光。因此，入射光111可以包括入射在高通量点源光耦合结构120上的光，该光由这种样本发射和/或反射。

提供一种光入口，以将入射光111的至少一部分引入到高通量点源光耦合结构120中。例如，点源121可以包括针孔、狭缝、光纤连接器和/或其他针点光入口结构，用于将部分入射光111作为点光源引入到高通量点源光耦合结构120中。根据本发明的实施例，点光源121将入射光111转换成点光源。

实施例的聚光器122提供了一种光学元件(例如，由光学玻璃、光学塑料、晶体等组成的透镜、透镜组、棱镜、凹面镜等)，该光学元件被配置成将来自点源的发散光束聚集成汇聚光束。根据本发明的实施例，高通量点源光耦合结构120被配置成使聚光器122将点源121聚焦并成像在相机镜头131上。例如，高通量点源光耦合结构120利用聚光器122来促进高效的通量。根据实施例，聚光器122包括高数值孔径(NA)聚光器(例如，具有0.4-0.8范围内的NA，其中NA＝n*sin(arctan(a/2f)，a是透镜孔径，n是透镜的折射率)，因为它可以促进入射光的广角接受度和高光收集效率，以实现高通量和提高分辨率。

根据本发明的实施例，聚光器122可以相对于点源121和/或相机镜头131以确定的关系提供。例如，聚光器122和点源121之间和/或聚光器122和相机镜头131之间可以定义间隔、关系等关系。

可以关于实施例的高通量点源光耦合结构120的聚光器122的配置来实施一个或多个聚光器配置规则。确定聚光器122的配置的聚光器配置规则可以提供关于焦距、数值孔径、距离等的定义关系。例如，确定聚光器122的配置的聚光器配置规则提供了与聚光器和相机镜头之间距离以及聚光器和点光源之间距离有关的定义关系、与聚光镜和相机镜头的数值孔径的有关的定义关系、以及与聚光镜和相机镜头的焦距有关的定义关系。

图2显示根据本发明实施例的聚光器配置规则的聚光器122的配置实施方式。例如，图2所示的高通量点源光耦合结构120的聚光器122的配置可以受一个或多个定义关系的聚光器配置规则的约束，例如可以包括定义数值孔径关系的聚光器配置规则，定义焦距关系的聚光镜配置规则，定义距离关系的聚光镜配置规则等。

定义数值孔径关系聚光镜配置规则可以建立聚光镜122的数值孔径与相机镜头131的数值孔径之间的关系。例如，定义数值孔径关系聚光镜配置规则可以建立聚光镜122的数值孔径(NA

定义焦距关系聚光镜配置规则可以建立聚光镜122的焦距和相机镜头131的焦距之间的关系。例如，定义焦距关系聚光镜配置规则可以建立聚光镜的焦距(f

根据光谱仪100的实施例，高通量点源光耦合结构120与移动设备130的图像捕获装置协作运行，以提供用于测量入射光111特性的干涉仪实施方式。因此，在图2所示的例子中，移动设备130的相机镜头131提供光源的图像平面(示为图像平面231)，相应地相机传感器132的传感器平面提供干涉图案的图像平面(示为图像平面232)。在图2所示的聚光镜配置例子中，从相机镜头131的中心到相机传感器132的传感器平面(例如，光谱仪100的干涉仪干涉图案的图像平面)的距离为d

根据一些示例，从相机镜头131的中心到相机传感器132的传感器平面的距离(d

第一定义距离关系的聚光镜配置规则可以建立聚光器122和相机镜头131之间的距离关系。例如，可以至少部分地选择从聚光镜122的中心到相机镜头131的中心的距离(d

第二定义距离关系聚光器配置规则可以建立聚光器122与点源121之间的距离关系。例如，第二定义距离关系聚光镜配置规则可以建立从聚光器122中心到点源121的距离(d

其中a

根据本发明实施例的聚光器配置规则来实施聚光器122的高通量点源光耦合结构120提供了一种光耦合结构，该光耦合结构提供了高的光收集效率，以增强灵敏度和提高分辨率。此外，根据实施例的定义距离关系聚光器配置规则，设置在高通量点源光耦合结构120内的聚光器122的配置有助于紧凑型光谱仪的实现。

高通量点源光耦合结构的实施例利用光学构件配置与点源121和聚光器122相结合，以提供相对于光耦合器结构通过的光的光程差，以促进静态傅立叶变换干涉仪的实现。再次参考图1，根据本发明的一些实施例，高通量点源光耦合结构120被示出为包括静态傅立叶变换干涉仪实施的偏振器123、光学构件124和偏振器125。根据一些实施例，包括一个或多个双折射板的光学构件可以与点源121和聚光器122结合使用，以提供用于双折射-静态-傅立叶变换干涉仪实施的光耦合器结构。

图3显示了在一些实施例的双折射干涉仪实施中使用双折射板配置。本发明实施例的使用高通量点源光耦合结构120的双折射板配置实施的双折射干涉仪被配置成允许大入射角，以促进高分辨率光谱仪的实现。例如，根据本发明概念的双折射板配置允许大的入射角，有利于大的光程差变化，以提供高分辨率的光谱仪。特别是，一些实施例的双折射板配置被设计成在短距离内(例如，在与聚光器122的短焦距对应的距离内)获得大的光程差，从而在紧凑尺寸的实现方式(例如紧凑型移动设备光谱仪的实现)中提供高分辨率。另外，实施例的双折射板配置有利于生成对称的干涉图案(例如，图1和3中表示的示例干涉图案141)，例如可以实现快速傅里叶变换(例如，通过移动设备130的干涉图变换处理逻辑)。

在提供双折射干涉仪的实施例中，双折射模块的一个或多个双折射板(例如，具有平行主表面的平面构件)可以位于聚光器122和相机镜头131之间，以提供关于光线(例如被双折射板材料的非立方晶体结构分离的寻常光线(o光)和非常光线(e光))的光程差，以产生干涉图案(例如，干涉图案141)。例如，提供的关于双折射模块的o光和e光的光程差可以随入射角而变化。例如，高通量点源光耦合结构120的实施例的双折射板131和132可以由各种双折射材料形成，诸如具有非立方晶体结构的单轴或双轴晶体、具有拉伸构型的分子的塑料等等。

如图3所示，实施例的光学构件124可以包括多个双折射板，例如双折射板341和双折射板342。双折射板可以相互靠近(例如，相邻或靠近)地放置，其主截面相互垂直或基本垂直。例如，图3所示的例子中的光学构件124包括双折射板341，该双折射板341设置在双折射板342附近并且被配置成使双折射板341的主截面垂直于或基本垂直于双折射板342的主截面。根据一些实施例，双折射板341的后主表面可以与双折射板342的前主表面相邻并接触。根据另一个实施例，可以在双折射板341的后主表面可以和双折射板342的前主表面之间提供大约1mm以内的间隙(例如，空气间隙、用光学玻璃、光学塑料、光学粘合剂等填充的空间)。

在图3的示例中，实施例的光学构件124的双折射板设置在偏振器123与偏振器125之间，以提供高通量点源光耦合结构120的双折射模块340。例如，偏振器123可以被设置在光学构件124的双折射板的前主表面附近并与之接触，或者可以在双折射板的前主表面之间提供大约1mm以内的间隙(例如，空气间隙、用光学玻璃、光学塑料、光学粘合剂等填充的空间)。类似地，偏振器125可以设置在光学部件124的双折射板的后主表面并与其接触，或者可以在双折射板的后主表面之间设置大约1mm以内的间隙(例如，空气间隙、用光学玻璃、光学塑料、光学粘合剂等填充的空间)。例如，偏振器123和125可以各自包括偏振片或薄膜，其表面垂直于或基本垂直于高通量点源光耦合结构120的光路(例如，点源121和相机镜头131之间的路径)。根据本发明的一些实施例，偏振器123和125提供45°偏振(例如，45°左或45°右偏振)。

根据一些例子，光学构件124的双折射板的光轴彼此以预定的关系配置。例如，本发明实施例可以实现其中双折射板341和342的光轴不在同一平面内的配置。根据一些实施例，高通量点源光耦合结构的第二双折射板的光轴与该板的平面平行或垂直(例如，Φ2＝π/2或Φ2＝0)。例如，双折射板342(例如，高通量点源光耦合结构的光路中的第二双折射板)的光轴可以与双折射板的平面平行或垂直，而双折射板341的光轴与双折射板的平面旋转45°。根据一些实施例，图4A例子的双折射板341的光轴(Φ1)与双折射板341的平面旋转了45°(Φ1＝π/4)，而该例子的双折射板342的光轴(Φ2)与双折射板342的平面平行(Φ2＝π/2)。相反，根据一些实施例，图4B例子的双折射板341的光轴(Φ1)与双折射板341的平面旋转了45°(Φ1＝π/4)，而该例子的双折射板342的光轴被示为与双折射板342的平面垂直(Φ2＝0)。在图4C的例子中，根据一些实施例，本例的双折射板341的光轴(Φ1)与双折射板341的平面平行(Φ1＝π/2)，而本例的双折射板342的光轴与双折射板342的平面平行(Φ2＝π/2)。

根据本发明的实施例，双折射板341和342的光轴不在同一平面内的配置可用于提供与移动设备的成像系统经常提供的大视场(例如60°至120°)相适应的实施方式，和/或容纳来自聚光器的大入射角，用于大的光程差变化，便于光谱仪100进行高分辨率光谱分析。例如，使用其中第一双折射板的光轴(Φ1)相对于平板341旋转45°(Φ1＝π/4)，并且第二双折射板的光轴(Φ2)平行于平板342的平面(Φ2＝π/2)的配置，对60°的视场产生关于其中线对称的干涉图样，如图5A的模拟干涉图案541所示。这样的对称干涉图案有助于进行傅立叶变换处理，利用快速傅里叶变换获得光谱。相反，相对于60°的视场，使用传统的萨瓦特板干涉仪配置(即两个双折射板，每个板的光轴与各自的板成45°)会导致干涉图案关于其中线不对称，如图5B的模拟干涉图案542所示。这样的非对称干涉图案会明显变形，并且会妨碍使用傅立叶变换来获得频谱。

再次参考图1，在实施例的光谱仪100的运行中，射入高通量点源光耦合结构的点源121的入射光111(例如，由样本发射和/或从样本反射的光)被引入到该光耦合结构的光路中，进行运作以形成干涉图案，以供移动设备130进行光谱处理。聚光器122运作将点源121提供的光线聚焦并成像在相机镜头131上。设置在聚光器122和相机镜头131之间的高通量点源光耦合结构120的光路中的光学构件124运作以针对通过高通量点源光耦合结构的光线提供不同的光程(例如，将光分离为o光和e光并产生相对于这些光线的光程差)。相机镜头131提供由聚光器122聚焦的点源121的图像平面，并将光(例如，o光和e光)聚焦在与相机传感器132的传感器平面相对应的干涉平面上。相应地，相机传感器132将干涉图案141捕获为数字图像，并将该数字图像提供给干涉图变换处理逻辑133以获得频谱。

实施例的干涉图变换处理逻辑133包括被配置为将由高通量点源光耦合结构120提供的干涉图案变换成对应的光谱数据(例如，光谱数据143)的逻辑。例如，干涉图变换处理逻辑133可以包括存储在计算机可读存储器(例如，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(例如，软件、固件、应用程序代码、计算机指令集、小程序、智能设备应用程序等)，并由基于主机处理器的系统(例如，移动设备130)的一个或多个处理器(例如，中央处理器(CPU)、图形处理单元(GPU)、微处理器(MPU)等)执行。另外或备选地，干涉图变换处理逻辑133可以包括硬件逻辑电路(例如，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)。无论具体的实施方式如何，本发明实施例的干涉图变换处理逻辑133被配置成从向其提供的捕获的干涉图案(例如干涉图案141)生成干涉图(例如干涉图142)，并将干涉图变换为相应的频谱数据(例如，频谱数据143)。例如，干涉图变换处理逻辑133可以将聚焦在相机传感器132上的干涉图案141的走过不同光程的光(例如，o光和e光)的信号组合起来，以产生干涉图142。干涉图变换处理逻辑133可以实施傅立叶变换计算，以将从干涉图案导出的原始干涉图数据变换成表示观察到的入射光的实际光谱的数据(例如，光谱数据143)，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。

如上所述，根据聚光器配置规则配置的聚光器122与双折射模块340(包括双折射板341和342，其光轴配置为不在同一平面内)相结合实施的高通量点源光耦合结构120的实施例，可提供高集光效率(例如，高达100％)、高分辨率(例如，<2nm@400nm，<3nm@600nm和<8nm@900nm)、和宽光谱范围(例如400nm至1100nm)，在紧凑的外形尺寸中(例如，移动设备附件的厚度在10毫米以内)。如图6A和6B的曲线图中所示的实验结果，包括根据上述概念配置的高通量点源光耦合结构120的光谱仪100的实施例提供了高通量和宽入射角，有利于增强灵敏度、宽光谱范围和高分辨率。

在图6A和6B表示的实验中，使用华为P10PLUS智能手机作为光谱仪实施的主机移动设备。该主机移动设备提供了一个成像系统，该成像系统包括一个提供3840x5120像素的CMOS相机传感器、一个焦距为3.95mm的相机镜头和一个2.19mm的相机光圈。进行实验时，使用0.25ms的曝光时间，ISO设置为50，使用卤素灯。实验中使用的光耦合结构包括一个点光源，该点光源包括一个光纤连接器，该光纤具有400nm纤芯和0.39NA。图6A显示了当使用包括根据上述例子配置的聚光器和双折射板的高通量点源光耦合结构时，由移动设备照相机传感器检测到的光的波长和强度的曲线图。相反，图6B显示了当使用包括根据上述例子配置的双折射板但没有聚光器的光耦合结构时，由移动设备照相机传感器检测到的光的波长和强度的曲线图。从图6A和6B的曲线图的比较中可以看出，当使用包括聚光器和双折射板的高通量点源光耦合结构时，最大强度从0.04增加到0.8。可以理解，包括根据本发明概念配置的聚光器和双折射板的高通量点源光耦合结构提高了通量(例如，在该示例中为20倍)，并且大大提高了光谱仪的灵敏度。还可以理解，包括根据本发明概念配置的聚光器和双折射板的高通量点源光耦合结构提供了宽光谱范围(在该示例中为400nm至1100nm)。

尽管已经详细描述了本发明及其优点，但是应当理解，在不脱离所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在此进行各种改变、替换和变更。而且，本申请的范围并不旨在局限说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员从本发明公开内容中很容易理解的那样，根据本发明，可以利用目前存在或以后开发的与本文所述相应实施例具有基本相同功能或达到基本相同结果的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求书旨在在其范围内包括这样的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。

此外，本申请的范围并不打算局限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。