信号采集光谱仪的制作方法

1.本技术涉及光检测技术领域，尤其涉及一种光谱仪，更具体地，但不限于涉及一种紧凑型光谱仪。


背景技术：

2.光谱仪是一种用于测量光等电磁辐射的特性的设备。例如，光谱仪可用于测量在一个或多个波长下通过样本反射或透射的光的强度。与所述样本相互作用的光的所述测量特性与所述样本的特性相关，因此可以确定所述样本的特性。光谱仪可用于表征光致发光材料的发射光谱或材料的拉曼散射图样。
3.由于物理限制，标准光谱仪有特定最小尺寸要求的限制。标准光谱系统包括光源或能量源、用于将光或能量分离成频谱分量的色散元件(如衍射光栅)、光电探测器、以及色散元件和光电探测器之间的光学光子路径。光栅的优点在于，通过调整光栅间距，可以获得宽范围的色散电平。然而，由于光栅把光作为角度的函数进行分发，光栅本质上需要相当复杂的几何形状和相对较大的占地面积，以便在探测器上分发光。因此，基于光栅的光谱仪不适用于需要紧凑、耐用性和低成本的应用场景。
4.为了将光划分为频谱分量，滤波器是替代衍射光栅的一种更紧凑的方案。滤波器的常见示例是带通滤波器、长通滤波器和短通滤波器。线性可变滤波器具有光学特性，该光学特性在光谱上随滤波器物理表面上的位置的函数而变化。线性可变滤波器可以通过在滤波器表面长度方向上改变滤波器的多个薄膜层厚度来制造。随着层厚度的增加，滤波器的光谱特性会转移到更长的波长。
5.此外，封装在外壳中的标准光谱系统通常需要在设备外壳中进行两次钻孔。一次钻孔提供了一个孔，用于将光从来自光源的光导到样本，第二次钻孔提供了一个孔，用于接收从样本到光电探测器的光。这种设计模型不适用于包含在移动设备中，制造商的目的是减少移动设备外壳中的孔的数量。
6.最小化的另一个困难是高效地收集样本中的光。在具有色散元件的光谱仪中，所有光子必须以平行方向进入设备，以确保高解析度。这种平行方向是通过窄缝实现的，窄缝通常宽度为数十微米，以限制光子的方向性。实际上，该窄缝降低了进入设备的光子总数量，从而降低了信号的强度。解析度越高，强度越低。因此，信号强度较低。


技术实现要素：

7.因此，需要一种紧凑型光谱仪，可以高效地将光从样本发送到光探测器，且强度损失最小。此外，需要一种紧凑型光谱仪，以高解析度测量多个波长的光。此外，需要一种紧凑型光谱仪，可以包括在具有单个孔的外壳中。
8.本发明的一个目的是提供一种紧凑型光谱仪，能够满足最小体积要求、以高解析度分析光学输入。本发明的另一个目的是提供一种紧凑型光谱仪，能够将大部分输入光发送到光探测器，以便提供强光谱信号。本发明的另一个目的是提供一种紧凑型光谱仪，可以
包括在只有单个孔的外壳中。本发明的另一个目的是提供一种紧凑型光谱仪，可以包括在智能手机等移动电子设备中。
9.上述和其它目的通过独立权利要求请求保护的特征实现。其它实现方式从从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。
10.根据第一方面，公开了一种光谱仪，用于测量从样本反射或发射的多个光频谱分量。所述光谱仪包括具有入射面和出射面的光波导。所述光波导用于通过所述入射面允许来自光源的光进入，并通过所述出射面分发所述允许进入的光，来自光源的光进入光波导的方向和射出光波导的方向不平行。线性可变滤波器包括带通滤波器阵列，线性可变滤光器设置在靠近所述出射面的位置，用于滤波所述分发的光。多个光电探测器设置在靠近所述线性可变滤光器的位置，用于接收所述经滤波的光。一个优点是，所述光波导将光从所述入射面导到所述出射面，所述光电探测器接收所述经滤波的光，从而能够分析所述经滤波的光。本发明的另一个优点是，所述出射面的表面积比所述入射面的表面积更大，以便扩散光，从而能够通过所述线性可变滤光器更精确地对光进行滤波。本发明的另一个优点是所述光谱仪的不同元件配置紧凑。
11.结合第一方面，在所述光谱仪的一种实现方式中，处理电路连接到所述多个光电探测器，用于获取频谱信息。所述频谱信息包括基于来自所述多个光电探测器的光电检测信号的关于所述接收到的光的频率分量的绝对强度或相对强度的信息。一个优点是，所述处理电路能够分析通过所述光谱仪透射的光。
12.结合第一方面，在所述光谱仪的另一种可能实现方式中，所述获取频谱信息包括：集成所述光电检测信号。一个优点是，集成所述光电检测信号可以分析来自样本的光的频率分量的整个波长光谱。
13.结合第一方面，在所述光谱仪的另一种可能实现方式中，所述获取频谱信息包括：反卷积所述光电检测信号。一个优点是，反卷积能够逆转成像仪器中可能发生的光学失真。
14.结合第一方面，在所述光谱仪的另一种可能实现方式中，所述所述线性可变滤波器包括至少四个带通滤波器。一个优点是，所述光谱仪可用于分析发射四个以上频率分量的光源。
15.结合第一方面，在所述光谱仪的另一种可能实现方式中，每个所述带通滤波器的带宽小于20纳米。一个优点是，所述光谱仪可用于区分相似波长的频率分量。
16.结合第一方面，在所述光谱仪的另一种可能实现方式中，所述光波导用于沿着偏离所述分发光的平均方向不超过10度的所述出射面的方向分发所述允许进入的光。一个优点是，以最小角度分发光可以确保输出的光足够强，能够被所述光电探测器检测到。此外，因为进行层滤波依赖于入射角，以最小角度分发光可以确保输出光被遮光滤波器和线性可变滤波器正确地滤波。
17.在所述光谱仪的另一种可能实现方式中，所述出射面的表面积大于所述入射面的表面积。一个优点是，所述出射面的表面积大于所述入射面的表面积有利于光扩散，从而能够通过线性可变滤波器更精确地对光进行滤波。
18.结合第一方面，在所述光谱仪的另一种可能实现方式中，所述出射面垂直于所述入射面。一个优点是，所述光谱仪的配置紧凑。
19.结合第一方面，在所述光谱仪的另一种可能实现方式中，光控制元件用于传输从
所述出射面发射的频率分量的第一子集，并将频率分量的第二子集反射回所述出射面光回收元件用于通过修改的频率分量集将所述频率分量的第二子集重导回所述出射面。一个优点是，通过所述光控制元件和所述光回收元件的作用将光进行反射，使得大部分进入光波导的光以窄角度穿过出射面，从而增加了所述光电探测器检测光的能力。
20.结合第一方面，在所述光谱仪的另一种可能实现方式中，遮光滤波器配置在所述光控制元件和所述光电探测器之间。一个优点是，所述遮光滤波器可以选择性地透射特定波长范围内的光，同时吸收其余波长。所述遮光滤波器可以滤波特定范围的光，例如拉曼光谱系统中的弹性反射光。
21.结合第一方面，在所述光谱仪的另一种可能实现方式中，所述光控制元件为增光膜。一个优点是，所述增光膜允许光以高达30度的角度范围穿过所述光控制元件。所述增光膜控制离开出射面的光的角度，使得几乎所有进入入射面的光都被透射到图像传感器，从而能够使用高强度信号进行测量。
22.结合第一方面，在所述光谱仪的另一种可能实现方式中，所述光波导、所述光控制元件、所述光回收元件、所述线性可变滤光器和所述图像传感器彼此平行设置。一个优点是，平行设置使所述光谱仪构造紧凑。
23.结合第一方面，在所述光谱仪的另一种可能实现方式中，所述光波导、所述光控制元件、所述光回收元件、所述线性可变滤光器和所述光电探测器彼此平行设置。一个优点是，平行设置使所述光谱仪构造紧凑。
24.结合第一方面，在所述光谱仪的另一种可能实现方式中，所述光谱仪还包括第二光波导，用于将来自所述光源的光透射到样本。一个优点是，在所述光谱仪中包括第二光波导使所述光谱仪构造紧凑。
25.可选地，所述光波导、所述光控制元件、所述光滤波器和所述图像传感器设置在外壳中。所述第二光波导平行于所述光波导设置在所述外壳中，位于靠近所述光波导的位置。外壳包括孔，既用于将来自所述第二光波导的光透射到所述样本，也用于接收从所述样本反射到所述光波导的光频谱分量。一个优点是，这样设置使得所述外壳中的单个孔既用作到所述样本的光导管，也用作从所述样本到所述图像传感器的光导管。另一个优点是，所述光谱仪可以包括在智能手机等移动设备中，智能手机的外壳只有单个孔。
26.结合第一方面，在所述光谱仪的另一种可能实现方式中，所述光谱仪配置在智能手机或平板设备内。一个优点是，所述光谱仪可以配置在便携式电子设备中，所述光谱仪的使用更灵活。
27.结合第一方面，在所述光谱仪的另一种可能实现方式中，所述光谱仪为拉曼光谱仪、荧光光谱仪和吸收光谱仪中的至少一种。一个优点是，将所述光谱仪用于这些光谱方法，使得所述光谱仪可以广泛用于各种实际应用。
28.根据本发明的第二方面，公开了一种测量来自光源的光的多个频率分量的方法，包括：将光输入具有入射面和出射面的光波导；通过所述出射面分发允许进入的光，所述输入光的方向与所述分发光的方向不同；通过设置在靠近所述出射面位置的线性可变滤波器滤波所述分发的光，所述所述线性可变滤波器(112、212)包括带通滤波器阵列；通过设置在靠近所述线性可变滤波器位置的多个光电探测器接收所述经滤波的光。
29.本发明的一个优点是所述光谱仪的不同元件配置紧凑。本发明的另一个优点是，
所述光波导将光从所述入射面导到所述出射面，所述光电探测器接收所述经滤波的光，从而能够分析所述经滤波的光。
30.结合第二方面，在所述方法的一种实现方式中，所述方法还包括：获取频谱信息，其中所述频谱信息和基于来自所述多个光电探测器的光电检测信号的所述接收到的光的频率分量的绝对强度或相对强度有关。一个优点是，检测可用于识别样本的频率分量的特性。
31.结合第二方面，在所述方法的一种实现方式中，所述方法还包括：沿着偏离所述分发光的平均方向不超过10度的所述出射面的方向分发所述允许进入的光。一个优点是，以最小角度分发光可以确保输出的光足够强，能够被所述光电探测器检测到。此外，因为进行层滤波依赖于入射角，以最小角度分发光可以确保输出光被遮光滤波器和线性可变滤波器正确地滤波。
32.结合第二方面，在所述方法的一种实现方式中，所述方法还包括：在相对于所述输入光的方向的垂直方向分发所述允许进入光。一个优点是，所述光谱仪的配置紧凑。
33.结合第二方面，在所述方法的另一种实现方式中，所述方法还包括：通过光控制元件透射从所述出射面发射的频率分量的第一子集；使用所述光控制元件将光学空间频率的第二子集反射回所述出射面；使用光回收元件通过修改的光学空间频率集将所述光学空间频率的第二子集重导回所述出射面。一个优点是，通过所述光控制元件和所述光回收元件的作用将光进行反射，使得大部分进入光波导的光以窄角度穿过出射面，从而增加了所述光电探测器检测光的能力。
34.可选地，所述光回收元件为增光膜。一个优点是，所述增光膜允许光以高达30度的角度范围穿过所述光控制元件。所述增光膜控制离开输出面的光的角度，使得几乎所有进入输入面的光都被透射到图像传感器，从而能够使用高强度信号进行测量。
35.结合第二方面，在所述方法的另一种实现方式中，所述方法还包括：通过第二光波导将光透射到样本；通过所述样本(116、216)反射来自样本的光到所述入射面，或通过所述样本透射光到所述入射面。一个优点是，在所述光谱仪中包括用于透射来自光源的光的第二光波导使所述光谱仪构造紧凑。
36.结合第二方面，在所述方法的另一种实现方式中，所述光谱仪为拉曼光谱仪、荧光光谱仪和吸收光谱仪中的至少一种。一个优点是，将所述光谱仪用于这些光谱方法，使得所述光谱仪可以广泛用于各种实际应用。
37.所公开的实施例的一个优点是，公开了一种紧凑型光谱仪，能够满足最小体积要求、以高吞吐量分析光学输入。所公开的实施例的另一个优点是，公开了一种紧凑型光谱仪，能够将大部分输入到所述光谱仪中的光传输到光探测器，以便提供强信号扫描。所公开的实施例的另一个优点是，允许以高解析度检测进入所述光谱仪的多个频谱分量。一些公开的实施例的另一个优点是，公开了一种紧凑型光谱仪，可以包括在只有单个孔的外壳中。一些公开的实施例的另一个优点是，公开了一种紧凑型光谱仪，可以包括在智能手机等移动电子设备中。
38.除非另有定义，本文所使用的所有技术和/或科学术语的含义与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同。尽管与本文所述的方法和材料类似或等效的方法和材料可以用于本发明实施例的实施或测试，但下文描述示例性方法和/或材料。在有冲突的情况
下，以包括定义的专利说明书为准。此外，材料、方法和示例仅为说明性的，并非是限制性的。
附图说明
39.本文仅通过示例结合附图描述了本发明的一些实施例。具体结合附图详细说明，需要强调的是，所示细节通过示例示出并出于对本发明实施例的说明性探讨。这样，根据附图说明，如何实施本发明实施例对本领域技术人员而言是显而易见的。
40.其中：
41.图1为本发明实施例提供的光谱仪和样本的示意图；
42.图2为本发明实施例提供的图1所示光谱仪的示意性俯视图；
43.图3为本发明实施例提供的图1所示光谱仪的、在图2的a-a轴处所取的横截面的示意图；
44.图4a和图4b示出了本发明实施例提供的适合与图1所示光谱仪一起使用的增光膜；
45.图5为本发明实施例提供的光谱仪和样本的实施例二的示意图；
46.图6为本发明实施例提供的图6所示光谱仪的示意性俯视图；
47.图7为本发明实施例提供的图6所示光谱仪的、在图6的a-a轴处所取的横截面的示意图；
48.图8a和图8b示出了本发明实施例提供的分别在移动电话中包括图1和图5所示光谱仪的系统。
具体实施方式
49.本发明一些实施例涉及一种光谱仪，更具体地，但不限于涉及一种紧凑型光谱仪。所述紧凑型光谱仪测量解析度高，入射光利用率高，可集成到移动设备中。
50.在详细描述本发明的至少一个实施例之前，应当理解，本发明的应用不一定限于以下描述和/或附图和/或示例中所示的部件和/或方法的具体构造和设置。本发明存在其它实施例，或者本发明能够以各种方式实施或执行。
51.参见图1至图3，光谱仪100设置在外壳116中。光谱仪100包括光源102。光源102可以是激光、led、黑体辐射源、基于电离的光源、阳光或外部光源等。在一个实施例中，光源102是通常用于拉曼光谱的激光器，例如，532纳米、638纳米、785纳米或1064纳米的激光器。这些波长仅仅是一种示例，可以选择具有任何波长的激光器，例如红外、可见光或紫外线光谱中的任何波长的激光器。
52.图1示出了外壳116中的光源102。在其它实施例中，光源102可以位于外壳116之外，或在外壳116中位于不同的方向。
53.光从光源102沿着路径p1透射，并通过源光波导104透射到孔118。源光波导104在本发明中也可以称为“第二光波导”。如在本发明中使用的，光波导是适合于光透射的波导。用于光透射的波导通常是介质波导，在介质波导中，具有高介电常数和高折射率的介电材料的周围是具有低介电常数的材料。光波导可以由玻璃、石英或各种类型的透明聚合物制成，如聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，pmma)或硅酮。光波导通过
全内反射引导光波。
54.一个优点是，通过引导来自光源102的光穿过光波导104，光谱仪100可以设计得比光源102紧邻孔118的情况更紧凑。这是因为光波导104可以比光源102薄。
55.在离开源光波导104时，光穿过外壳116中的孔118，并照亮样本106。样本可以是液体、气体或固体，且可以包含在任何合适的、用于将样本保持在相对于光源的位置的结构(例如光析槽)中。光的至少一部分反射离开样本106，重新进入外壳116，并沿着路径p2通过入射面105进入反射光波导108。反射光波导108在本发明中也可以称为“光波导”或“第一光波导”。
56.如图1所示，反射光波导108设置在外壳116中靠近并平行于源光波导104的位置。反射光波导108可以设置在相对于源光波导104的任何其它方向上。此外，光可以通过样本106透射，而不是从样本106反射，例如，从位于样本106上的、与反射光波导108相对的一侧的光源透射。此外，在一些实施例中，光谱仪100根本不需要与样本一起使用。在此实施例中，光谱仪100用于分析房间中的阳光或人造光等环境中的频谱分量。在此实施例中，光谱仪可用于对相机进行白平衡。
57.在光进入反射光波导108后，光根据全内反射原理限制在反射光波导108中的某些路径。全内反射是当传播的波相对于表面法线、以大于特定临界角的角度到达介质边界时发生的一种现象。如果边界另一侧的折射率较低，入射角大于临界角，则波无法穿过，被完全反射。临界角是发生全内反射的入射角。
58.进入光波导108的光的至少一部分通过光波导108的出射面107离开光波导108并进入光路径p3。在所示的实施例中，出射面107的表面积大于入射面105的表面积。在所示的实施例中，光路径p3基本垂直于光路径p2。光波导108可以用于仅根据全内反射原理沿着该光路径引导光。如本文进一步描述的，其它元件可以位于光波导108旁边，以增加以基本垂直的角度离开光波导108的光的百分比。
59.在离开光波导的光路径p3上，遮光滤波器110设置在光波导108旁边的位置。遮光滤波器110可用于遮住(不允许穿过)未修改的激发光源。例如，在拉曼光谱或荧光光谱的情况下，光源102可以为激光器。所得到的光谱从样本反射后，可以在激光器初始波长
±
5纳米的范围内。在这种情况下，遮光滤波器110可以为高通滤波器，允许来自激光线的所有 5纳米范围内的波长穿过，并遮住所有其它波长。另外或可替换地，遮光滤波器110可以为带通滤波器，允许来自激光线的所有波长
±
5纳米范围内的波长穿过，并遮住所有其它波长。遮光滤波器的光密度可以为od6或更高，即，对于被遮住的波长，透射光是6个或小于6个数量级(10e
–
6)的入射光。
60.然后，穿过遮光滤波器110的光穿过线性可变滤波器112。线性变量滤波器112也可以称为空间相关可变滤波器。线性可变滤波器112为带通滤波器阵列。每个带通滤波器的带宽可以为5纳米、10纳米、15纳米或20纳米等。单个带通滤波器可以重叠。带通滤波器覆盖光的频率分量范围，例如100纳米或200纳米。在一个实施例中，100个带通滤波器中每个带通滤波器的带宽为5纳米，覆盖200纳米的范围。
61.在一个实施例中，光谱仪100用于具有532纳米激光的激发光源102的拉曼光谱。线性可变滤波器112用于允许550至650纳米波长的频率分量穿过。在另一个实施例中，光谱仪100用于具有785纳米激光器的激发光源102的拉曼光谱。线性可变滤波器用于允许800至
1000纳米波长的频率分量穿过。
62.在所示实施例中，光波导108出射面的表面积大于光波导108入射面的表面积。一个优点是，这种配置使得线性可变滤波器支持更大的表面积。
63.光电探测器114检测穿过线性可变滤波器112中每个带通滤波器的光的强度。光电探测器可以包括本领域技术人员已知或可能已知的任何光电检测材料，例如光电材料、半导体、光化学材料、光折变材料、石墨烯或硅。
64.可选地，光电探测器114包括一个或多个背照式传感器。一个优点是，在此实施例中，光电探测器可以捕获到大部分入射光。
65.光电探测器114的尺寸和配置可以根据光谱仪100所需的解析度定制。本领域技术人员应该知悉，光谱仪100的解析度是各种因子的函数，这些因子包括光谱仪100的动态范围(即，可以由光谱仪100测量的强度范围)、待检测的最小可检测光样本、所需的光谱解析度(即，区分不同波长的不同频率分量的能力)以及每个光电探测器114的带宽。动态范围和最小可检测光样本决定所需的像素大小，而光谱解析度和带宽决定所需的像素数。在本文中，光电检测材料的每个单位称为像素。在需要更高解析力或在更高动态范围内测量光的能力的实施例中，可以相应地增加像素的大小和像素数。
66.光电探测器114连接到一个或多个处理器115，该处理器具有分析测量强度并根据测量强度确定样本106的频谱信息的处理电路。频谱信息包括基于来自多个光电探测器的光电检测信号的关于接收到的光的光学空间频率的绝对强度或相对强度的信息。光学空间频率也可以称为频率分量。所述处理电路可以包括硬件和软件。所述硬件可以包括模拟电路或数字电路，或模拟电路和数字电路两者。数字电路可以包括专用集成电路(application-specific integrated circuit，asic)、现场可编程阵列(field-programmable array，fpga)、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)或通用处理器等组件。在一个实施例中，处理电路包括一个或多个处理器115以及与一个或多个处理器115连接的非易失性存储器。非易失性存储器可携带可执行程序代码，当一个或多个处理器115执行可执行程序代码时，使光谱仪100执行本文描述的操作或方法。
67.在一些实施例中，获取频谱信息包括：集成光电检测信号。例如，由线性可变滤波器112中每个带通滤波器接收的光电检测信号可以集成到单个光谱分析中。
68.在一些实施例中，允许进入光电探测器114的光不均匀地分发在反射光波导108的出射面上。例如，某些位置的强度可以比峰值强度下降50％。处理器115可用于在获取频谱信息时检测和补偿这种强度变化。
69.在一些实施例中，获取频谱信息包括：与处理器115反卷积光电检测信号。在光学和成像中，反卷积指逆转成像仪器中发生的光学失真的过程，从而生成更清晰的图像。反卷积可以由处理器115以数字方式完成。处理器可以用于使用本领域技术人员已知的任何算法，例如范西泰特(van cittert)算法或任何用于计算点扩展函数的算法来执行反卷积。
70.检测到的频率分量可以包括4、5、6、7或以上的频率分量。频率分量可以为小于50纳米、小于20纳米或更小的波长间隔的频率分量。在这方面，光谱仪100与rgb图像传感器相比具有明显优势，rgb图像传感器通常用于仅解析三个频谱分量：红、绿和蓝，它们间隔超过50纳米。
71.如图2和图3所示，光谱仪100设计为紧凑配置。在一个示例性实施例中，光谱仪100
占用7mm(长)x3mm(宽)x2mm(高)的空间。孔118占用3mm宽度中的1mm。光电探测器的高度可以为约500微米(micron)。这些尺寸仅仅是一种示例，不应构成限定。具体地，光谱仪100的长度可以根据需要基于像素大小要求调整，如上所述。
72.光波导104、108、遮光滤波器110、线性可变滤波器112和光电探测器114可以使用本领域技术人员已知的任何机构，包括但不限于粘合剂，固定在外壳116中。可选地，光波导104、108、遮光滤波器110和线性可变滤波器112之间固定在一起，没有任何气隙，光电探测器114单独配置在外壳116中。遮光滤波器110和线性可变滤波器112等各种部件可以用注射成型塑料制造，这样做的一个优点是这种塑料相对便宜。
73.外壳116可以大于光谱仪，且可以包括外壳116中的其它装置。在一个实施例中，如图8a所示，外壳116可以是移动电话130的一部分。孔118可以是通常配置在移动电话130中的孔，例如用于相机或闪光灯的孔。
74.参见图4a和图4b，光谱仪100还可以包括光回收元件121和光控制元件122。光回收元件121和光控制元件122一起工作，用于限制光离开光波导108的角度范围，从而增加发射到光电探测器上的光的强度。
75.图4b所示的光控制元件122用作增光膜123，与液晶显示器使用的类似。增光膜123准直从光波导108发射的光，从而提高穿过遮光滤波器110的光的亮度和解析度。提高的亮度使光电探测器114的像素能够检测进入光波导108的大部分光。一个优点是，提高的亮度也提高了光电探测器114的解析度，因此使像素大小相对较小。
76.增光膜123包括由典型棱镜142、144、146、148组成的棱镜阵列，如图4b所示。每个棱镜，例如棱镜142，具有第一面150和第二面152。棱镜142、144、146、148可以形成在主体部分154上，主体部分154具有形成棱镜的第一表面156和基本上平整或平面并与第一表面相对的第二表面158。
77.可选地，棱镜是规则的右棱镜。使用右棱镜，顶角大约是90度，但也可以在大约70度到120度、或大约80度到100度的范围内。棱镜的各个面不需要相同，棱镜可以相对于彼此倾斜。此外，膜的厚度160和棱镜的高度162之间的关系不受限定，但最佳使用具有明确定义的棱镜面的较薄的膜。
78.光控制元件122还可以包括替代或补充增光膜123的其它准直装置，例如微透镜、孔或光管(图4a中未示出)。目前已知的增光膜123允许光仅在大约30至35的视角锥内(即，分发光在平均方向上的一组角度)离开。为了产生较窄的视角锥，例如大约10度的视角锥，需要将一个或多个其它准直装置包括在光控制元件122中。
79.本领域技术人员应该知悉，光的频率分量的允许穿过带通滤波器的角度决定了滤波器允许穿过的光的波长。因此，可以选择光控制元件122中使用的准直装置，以便考虑使用与线性可变滤波器112的带通滤波器的所需带宽。
80.在使用光控制元件122时，以大于视角锥角度的角度指向光控制元件122的光被反射回光波导108。例如，如果在没有任何光控制元件的情况下，在平均方向上光分布为
–
60度至 60度。在光控制元件122的作用后，在平均方向上光分布为
–
20度至 20度。相反，原来应该在
–
60度至
–
20度和 20度至 60度的角度之间发射的光被反射回波导108。在本发明中，该反射光也可以称为从光波导108的出射面107发射的频率分量的第一子集。
81.光谱仪100还可以包括光回收元件121。光回收元件121包括在光谱仪100中，以便
将穿过光控制元件122的光重导到光电探测器114。光回收元件121包括粘附到光波导108一个或多个面的高反射层，例如铝层或多层介电涂层。在图4a的示意图中，光回收元件121相对于光控制元件122位于光波导108的对面。然而，光回收元件121可以位于光波导108的任何面，除了输入表面(相对孔118)或输出表面(与遮光滤波器110、线性可变滤波器112和光电检测器114相对)之外。光回收元件121可以平行于光波导108设置，或者可以以相对于光波导108的角度设置。
82.光回收元件121以修改的角度将已经从光控制元件122重新进入光波导108的背反射后的光重导回光控制元件122。作为说明性的目的，假设光波导108的临界角为30度，且光控制元件122允许平均方向上
±
10度范围内的光穿过。因此，光控制元件将
±
10度和
±
30度之间的所有入射光背反射到光波导108。如果没有光回收元件121，相当一部分背反射后的光可以在与出射面方向不同的方向上离开光波导108。光回收元件121以修改的角度将背反射后的光重导回光波导108。至少一部分重导光在
±
10度的角度内，因此可以穿过光控制元件122。在本发明中，重导后的光也可以称为频率分量的第二子集。通过修改的频率分量集，频率分量的第二子集被重导回出射面107。可以重复该过程，直到基本上所有进入光波导108的光都穿过光控制元件122。
83.图5至图7示出了光谱仪200的实施例二。光谱仪200包括多个与光谱仪100相同的元件，因此类似的元件的编号相同，除了附图标记以“2”而不是“1”开头。
84.在光谱仪200中，光束沿着路径p4从光源202(图5中未示出)进入光波导208。光以均匀的方式沿着路径p5离开光波导208，被引导到样本206。其中，路径p5基本上垂直于路径p4。至少一部分光从样本206反射或被样本206散射，并沿着路径p6穿过入射面205返回到光波导208。路径p6在方向上基本上与路径p5相反。然后，反射后的光继续穿过出射面207进入遮光滤波器210、线性可变滤波器212和光电探测器214，并由处理器215以结合光谱仪100描述的方式进行分析。可选地，孔阵列224用于执行空间滤波和增强解析度。
85.与光谱仪100相比，光谱仪200的一个显著区别是，相同的光波导用于将光从光源202透射到样本206，以及用于将光从样本206引导到线性可变滤波器212和遮光滤波器214。一个优点是，仅使用一个光波导而不是两个光波导，因此光谱仪200构造紧凑。
86.在一个示例性实施例中，如图6和图7所示，光谱仪200在外壳216中，外壳216的尺寸为15mm(长)x10mm(宽)x2mm(深)。样本206在10mm长度上进行评估。评估的样本206长度不需要是光波导208的整个长度。因此，即使在图6和图7所示的实施例中，可以定义出射面207的表面积大于入射面205的表面积。
87.图8a和8b示出了移动电话130、230中的光谱仪100、200。每个移动电话的外壳117、217也可以用作光谱仪100、200的外壳116、216。作为说明性的目的，光谱仪100位于图8a的方向，光谱仪200位于图8b的方向。然而，光谱仪100、200中的每个光谱仪可以设置在移动电话130、230中的不同位置。光谱仪100、200也可以集成到其它便携式电子设备中，例如平板电脑或智能手表。
88.已出于说明的目的提供本发明的各种实施例的描述，而并不旨在详尽的或限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，本领域技术人员可以清楚理解许多修改和变化。相比于市场上可找到的技术，选择此处使用的术语可最好地解释本实施例的原理、实际应用或技术进步，或使本领域其他技术人员理解此处公开的实施例。
89.预期在从本技术开始走向成熟的专利的生命周期中，将会开发出许多相关光波导、遮光滤波器、光控制元件、线性可变滤波器、光探测器、计算设备和处理器，且这些术语光波导、遮光滤波器、光控制元件、线性可变滤波器、光探测器、计算设备和处理器的范围旨在包括所有这类先验新技术。
90.本文所使用的术语“约”是指
±
10％。
91.术语“包括”、“具有”以及其变化形式表示“包括但不限于”。这个术语包括了术语“由
……
组成”以及“主要由
……
组成”。
92.短语“主要由
……
组成”意指组成物或方法可以包括额外成分和/或步骤，但前提是所述额外成分和/或步骤不会实质上改变所要求的组成物或方法的基本和新颖特性。
93.除非上下文中另有明确说明，此处使用的单数形式“一个”和“所述”包括复数含义。例如，术语“化合物”或“至少一个化合物”可以包含多个化合物，包含其混合物。
94.此处使用的词“示例性的”表示“作为一个例子、示例或说明”。任何“示例性的”实施例并不一定理解为优先于或优越于其它实施例，和/或并不排除其它实施例特点的结合。
95.此处使用的词语“可选地”表示“在一些实施例中提供且在其它实施例中没有提供”。本发明的任何特定实施例都可以包括多个“可选的”特征，除非这些特征有冲突。
96.在本技术中，本发明的各种实施例可以范围格式呈现。应理解，范围格式的描述仅为了方便和简洁起见，并且不应该被解释为对本发明范围的固定限制。因此，对范围的描述应被认为是已经具体地公开所有可能的子范围以及所述范围内的个别数值。例如，对于例如从1到6的范围的描述应被视为已具体公开了从1到3、从1到4、从1到5、从2到4、从2到6、从3到6等的子范围以及该范围内的单个数字例如1、2、3、4、5和6。不论范围有多广，这都适用。
97.当此处指出一个数字范围时，表示包括了在指出的这个范围内的任意所列举的数字(分数或整数)。短语“在第一个所指示的数和第二个所指示的数范围内”以及“从第一个所指示的数到第二个所指示的数范围内”和在这里互换使用，表示包括第一个和第二个所指示的数以及二者之间所有的分数和整数。
98.应了解，为简洁起见在单独实施例的上下文中描述的本发明的某些特征还可以组合提供于单个实施例中。相反地，为简洁起见在单个实施例的上下文中描述的本发明的各个特征也可以单独地或以任何合适的子组合或作为本发明的任何其它实施例提供。在各个实施例的上下文中描述的某些特征未视为那些实施例的基本特征，除非没有这些元素所述实施例无效。
99.尽管已结合本发明的具体实施例描述本发明，但显然，对于所属领域的技术人员来说，许多替代方案、修改以及变化将是显而易见的。因此，预期涵盖落入所附权利要求书的精神和广泛范围内的所有此类替代方案、修改以及变化。
100.本说明书中所提及的所有公开、专利和专利申请都在本文中以全文引用的方式并入本说明书中，程度如同每一单独的公开、专利或专利申请被专门并且单独地指示以引用的方式并入本文中一般。此外，本技术中对任何参考文件的引用或鉴别不应理解为承认该参考文件是作为本发明的现有技术可获得的。在使用章节标题的程度上，它们不应被解释为必定限制性的。