本申请要求提交于2014年1月3日、名称是“SpectroscopicDevicesandSystems”的美国临时申请序列号61/923,422(代理人案号45151-702.102)；以及提交于2014年4月28日、名称为“SpectroscopicDevicesandSystems”的美国临时申请序列号61/985,447(代理人案号45151-702.103)的优先权；通过引用其全部内容而将其中每一个并入本文。
援引并入
本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用而并入本文，程度犹如具体地和个别地指出要通过引用而并入每一个别出版物、专利或专利申请。
技术领域
本发明涉及小型、低成本的光谱测定系统。例如，其涉及具有足够的灵敏度和分辨率以对物质(包括复杂混合物，例如食物)进行光谱分析的手持系统。
背景技术：
光谱仪用于许多目的。例如，光谱仪用于对工业过程、卫星成像以及实验室研究中的缺点的检测。然而这些仪器对于消费者市场而言通常过大并且过于昂贵。
光谱仪检测来自样品的辐射并且处理产生的信号，以获得并呈现与样品有关的信息，所述信息包括与样品有关的光谱信息、物理信息以及化学信息。这些仪器一般包括用以将从样品接收到的辐射的波长分离的一些类型的光谱选择性元件，以及用以将辐射聚焦或集中到成像阵列上的第一阶段光学器件，诸如透镜。
先前的光谱仪在至少一些方面可能不太理想。具有高分辨率的先前的光谱仪在许多便携式应用的使用中可能比理想情况更大。另外，先前的光谱仪的成本可能比理想情况更高。先前的光谱仪可能有些笨重、难以运送，而光学器件在至少一些情况下可能需要比理想情况更多的校准。
尽管已经提出具有减小了的尺寸的先前的光谱仪，但具有减小了的尺寸和光学路径长度的先前的光谱仪可能具有不太理想的分辨率、灵敏度以及比理想情况更低的准确度。
技术实现要素：
在一方面，一种用于测量物体的光谱的装置包括光谱仪和移动通信设备。所述移动通信设备可以包括处理器和无线通信电路以耦合至所述光谱仪并且与远程服务器相通信，所述处理器包括用以将物体的光谱数据传输至远程服务器并且响应于来自所述远程服务器的所述光谱数据而接收物体数据的指令。
在许多实施方式中，所述物体数据包括以下各项中的一项或多项：所述物体的标识、在多种分类中所述物体的分类、所述物体的一个或多个成分或者所述物体的食品类别。
在许多实施方式中，所述处理器包括用于用户标记具有元数据的光谱数据，并且将具有所述元数据的所述光谱数据传输至远程服务器的指令，所述元数据包括以下各项中的一项或多项：所述物体的标识、所述物体的分类、所述光谱数据的日期或所述物体的位置，并且将具有元数据的光谱数据传输至远程服务器。
在许多实施方式中，所述光谱仪包括具有测量光束的手持光谱仪，所述测量光束能够在所述移动通信设备利用无线通信可操作地耦合至所述手持光谱仪时，利用用户手动操纵而被引导至物体处。
在许多实施方式中，所述移动通信设备包括耦合至所述处理器的用户界面，以便所述用户向所述光谱仪输入命令。所述用户界面可以包括利用无线通信电路而耦合至所述光谱仪的触摸屏显示器，其中所述处理器可以包括用以响应于光谱仪用户输入而激活所述用户界面的屏幕的指令。所述光谱仪用户输入可以包括一个或多个按钮。
在许多实施方式中，所述处理器包括用于用户响应于所述移动通信设备上的用户输入而控制所述光谱仪的指令。
在许多实施方式中，所述手持光谱仪包括被布置成利用用户的手来支撑的光学头、控制板、数字信号处理电路和无线通信电路。
在许多实施方式中，所述光谱数据包括经压缩的光谱数据，并且所述处理器包括用以将所述经压缩的光谱数据传输至所述远程服务器的指令。
在许多实施方式中，所述光谱数据包括经压缩的光谱数据，并且所述处理器包括用以将所述经压缩的光谱数据中继至所述远程服务器并且响应于被中继的经压缩的光谱数据而接收所述物体数据的指令。
在许多实施方式中，所述处理器包括用以将控制指令传输至所述远程服务器并且从所述远程服务器接收控制指令的指令。所述远程服务器可以包括基于云的服务器。所述远程服务器可以包括数据库以及体现将所述光谱数据与所述数据库进行比较的算法的指令的有形介质。
在许多实施方式中，所述远程服务器包括用于以下的指令：接收经压缩的加密光谱仪数据，由所述经压缩的加密光谱仪数据生成光谱，生成所述光谱与光谱信息的数据库之间的比较，以及将所述比较的一个或多个结果输出至所述移动通信设备。
在许多实施方式中，所述处理器包括用以提供多个用户可导航屏幕的指令，多个用户可导航用户界面屏幕配置包括以下各项中的一项或多项：主屏幕、用户数据屏幕、用户工具屏幕、扫描屏幕、物体数据库屏幕或结果屏幕。
在许多实施方式中，所述处理器包括用以从所述远程服务器接收所述物体的标识并且向所述用户显示所述标识的指令。
在许多实施方式中，所述处理器包括用以从所述远程服务器接收多个可能的标识并向所述用户显示所述多个可能的标识以及允许所述用户选择所述多个可能的标识中的一个标识并将所选择的一个标识传输至所述远程服务器的指令。
在许多实施方式中，所述处理器包括用以响应于用户品尝所述物体而接收用户输入并且将所述用户输入传输至所述远程服务器的指令。
在许多实施方式中，所述处理器包括用以向所述用户显示所述远程服务器的光谱数据库的多个物体类的图形描绘的指令。
在许多实施方式中，所述处理器包括用以从所述远程服务器接收用户已经扫描新的物体类的通知并且显示所述通知的指令。
在许多实施方式中，所述处理器包括用以在所述通信设备上显示所述通信设备正在等待来自所述光谱仪的、对所述物体的扫描的消息的指令。
在许多实施方式中，所述处理器包括用以在所述移动通信设备上显示一个或多个光谱仪控制的指令。
在许多实施方式中，所述处理器包括用以显示用于所述用户操作光谱仪的一个或多个用户可选应用的指令。
在另一方面，一种用于测量物体的光谱的装置包括处理器，该处理器包括体现应用的指令的有形介质。所述应用可被配置用于将移动通信设备耦合至光谱仪以便接收光谱数据以及将所述光谱数据传输至远程服务器并从所述远程服务器接收光谱数据。
在另一方面，一种装置包括处理器，该处理器包括用以从远程光谱仪接收光谱数据并且将光谱数据的数据库与所述光谱数据进行比较以便响应于所述光谱数据而鉴别物体的指令。
在另一方面，一种测量物体的光谱的方法包括提供光谱仪以及提供移动通信设备。所述移动通信设备可以包括处理器和无线通信电路，以将所述移动通信设备耦合至所述光谱仪并且与远程服务器相通信。所述处理器可以包括用以将物体的光谱数据传输至远程服务器并且响应于来自所述远程服务器的所述光谱数据而接收物体数据的指令。
在许多实施方式中，所述光谱仪包括唯一标识，并且所述移动通信设备包括用以利用无线通信从所述光谱仪接收所述唯一标识并且将所述唯一标识传输至具有所述光谱数据的所述远程服务器的指令。
在另一方面，一种装置包括移动通信设备，该移动通信设备包括具有用以接收来自光谱仪的光谱数据以及所述光谱仪的唯一标识的指令的处理器。
在另一方面，一种装置包括远程服务器，该远程服务器包括用以接收来自光谱仪的光谱数据以及所述光谱仪的唯一标识的指令。
在许多实施方式中，所述远程服务器包括集中式的基于云的服务器，该集中式的基于云的服务器被配置用于从数百万光谱仪接收光谱数据并且响应于经校准的光谱数据而将物体数据传输至所述数百万光谱仪。
在许多实施方式中，所述远程服务器配置用于接收以下各项中的一项或多项：所述光谱数据、利用所述移动设备测量的环境温度、所述物体的温度、所述光谱仪的唯一标识或者来自耦合至所述光谱仪的所述移动通信设备的经压缩的光谱数据。所述远程服务器还可被配置用于响应于以下各项中的一项或多项而确定经校准的光谱：利用所述移动设备测量的所述环境温度、所述物体的所述温度、所述光谱仪的所述唯一标识或者来自耦合至所述光谱仪的所述移动通信设备的经压缩的光谱数据。所述远程服务器还可被配置用于响应于所述经校准的光谱而确定所述物体数据，并且将所述物体数据输出至所述移动通信设备。
在许多实施方式中，所述远程服务器包括用以从耦合至多个光谱仪的多个移动通信设备接收光谱仪数据和移动通信设备数据的指令。所述远程服务器还可以包括用以将来自耦合至所述多个光谱仪的所述多个移动通信设备的所述光谱仪数据和所述移动通信设备数据存储在所述远程服务器的数据库上的指令。所述远程服务器还可以包括用以在所述多个移动通信设备之间共享所述数据库中的所述光谱仪数据和所述移动通信设备数据的指令。
在许多实施方式中，所述处理器包括用以在所述移动通信设备上显示以下各项的指令：所述物体的类型、示出类似物体的光谱数据的图、基于所述类似物体的光谱数据的所述类似物体的状态指示。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以确定未采摘水果的固体可溶物含量的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以响应于氮、磷酸盐或碳酸钾中的一种或多种的光谱特征而利用对未采摘植物或该植物附近的土壤的近红外光谱进行非破坏性测量来确定所述未采摘植物的施肥状态的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以确定对植物的不同部分的即时现场光谱分析以便提供对所述植物的应力的早期检测以及检测疾病的发展的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以监测现场许多点处的土壤的施肥、浇水或盐度中的一个或多个以及所述现场的测量位置数据的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以响应于水的光谱特征而确定植物叶子的水含量并且向所述用户显示所述水含量以便向所述用户提供所述植物的浇水状态的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以确定土壤的水分和施肥状态并且向所述用户显示所述水分和施肥状态的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以响应于药丸的药物或所述药丸的包衣中的一个或多个的光谱特征而鉴别所述药丸的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以响应于大麻的花序的一个或多个光谱特征而确定所述大麻的活性组分水平的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以确定包括脂肪、碳水化合物或水中的一种或多种的养分以及包括卡路里值的估计的主要养分估计的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以响应于油的氧化或酸度水平中的一个或多个而确定食用油质量评估并且向所述用户显示所述食用油质量评估的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以响应于酶促过程或水含量中的一个或多个的光谱数据而确定水果成熟度的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以响应于食品产品中的一种或多种有害物质的光谱数据而确定食品安全的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以响应于宠物食品的肉类以及主要养分的光谱数据而确定宠物食品质量的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以响应于宝石的光谱数据而确定所述宝石的真伪的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以响应于光谱数据而确定宝石的分类，并且响应于所述分类而对所述宝石进行归类的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以响应于所述物体的光谱数据而鉴别一种或多种药品的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以响应于所述物体的光谱数据而确定酒精饮料的真伪的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以响应于作为所述物体的独创性证据的所述物体的红外光谱而将所述物体鉴别为真品的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以响应于在人体或动物体的多个位置处的皮下脂肪组织的所测量的厚度而确定体脂的指令，其中响应于通过所述多个位置处的皮肤而测量的光谱来确定所述所测量的厚度。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以响应于通过皮肤或者在样品容器中测量的血液的光谱数据而确定受试者的血红蛋白水平的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以响应于利用放置在容器中的血液而测量的血液样品的光谱数据来测试血液并且确定血液成分的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以响应于所述光谱数据而分析尿液并确定钠、钾或肌酸酐中的一个或多个的量的指令。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以分析皮肤以确定以下各项中的一项或多项的存在的指令：病变、伤口、痣、斑、组织缺氧、深层组织损伤或黑色素瘤。
在另一方面，一种用于测量受试者的钠摄入量的装置包括：传感器，该传感器用以测量所述受试者的尿液提供的钠、钾或肌酸酐中的一种或多种；以及处理器，该处理器包括用以响应于所述尿液提供的钠、钾或肌酸酐中的所述一种或多种而确定口服钠摄入的量。
在许多实施方式中，所述传感器包括光谱仪或电化学传感器中的一种或多种。在许多实施方式中，所述传感器包括放置在小便器或马桶中的一个或多个中的嵌入式传感器。
在许多实施方式中，所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以响应于肌酸酐的量而确定所述尿液提供的肌酸酐的量以及所述口服钠摄入的量的指令。所述处理器或所述远程服务器的处理器还可以包括用以响应于钾的量而确定所述尿液提供的钾的量以及所述口服钠摄入的量的指令。
在许多实施方式中，所述口服钠摄入的量包括归一化的量，并且所述处理器或所述远程服务器的处理器中的一个或多个包括用以通过将所述钠的量除以所述尿液提供的肌酸酐的量或所述尿液提供的钾的量中的一个或多个而确定所述归一化的量的指令。
在另一方面，一种用于测量样品的光谱的光学光谱仪包括多个光源、光学漫射器、一个或多个光电检测器以及电路。所述多个光源布置在支架上，并且所述光学漫射器位于距所述多个光源某一距离处。所述一个或多个光电检测器从利用来自所述多个光源的光进行照明的所述样品接收复用光学信号。所述电路耦合至所述一个或多个光电检测器以接收所述复用光学信号。
在许多实施方式中，所述光谱仪还包括位于距所述多个光源第二距离处的第二光学漫射器，所述第二距离大于所述距离。所述多个光源中的每个光源可以安装在所述支架上，所述多个光源按阵列布置，并且所述第一漫射器和所述第二漫射器可被布置成对所述样品提供基本一致的照明图案。所述支架可以包括印刷电路板，并且所述多个光源中的每个光源可以包括发光二极管。
在许多实施方式中，所述光谱仪还包括用以支撑距所述光源固定距离的所述第一漫射器和所述第二漫射器的外壳，并且所述外壳的内表面包括多个吸光结构以抑制光从所述外壳的所述内表面反射。所述多个吸光结构可以包括多个挡板或多个螺纹中的一个或多个。所述外壳的所述内表面可以限定内径，其中所述第一漫射器与所述第二漫射器之间的分隔距离可以包括不大于利用所述内表面而限定的直径，并且其中针对来自所述多个光源中的每个光源的光，所述第一漫射器可以在所述第二漫射器上提供基本一致的照明图案。
在许多实施方式中，所述第一漫射器与所述第二漫射器分隔一段大于所述第一距离的分隔距离，以便在多个位置中的每个位置处利用来自所述多个光源中的每个光源的类似光量对所述第二漫射器进行照明。所述第二距离可以是所述第一距离的至少约两倍。在所述多个位置中的每个位置处的所述类似光量可以包括一致的照明图案，所述照明图案包括跨所述第二漫射器而具有不超过均值的约10％的能量曲线变化的能量曲线。
在许多实施方式中，所述光谱仪还包括驱动电路，该驱动电路被配置用于以对应于所述光源的可标识频率来驱动所述光源中的每个光源，并且所述处理器包括用以基于所述可标识频率的强度来确定来自所述多个光源中的所述每个光源的光强的指令。
在许多实施方式中，所述复用光学信号包括时分复用光学信号，并且所述电路被配置成按序列利用所述多个光源中的每个光源对所述样品进行照明并且响应于利用针对所述序列中所述多个光源的每个光源的所述一个或多个检测器而测量的光能来确定所述光谱。
在许多实施方式中，所述一个或多个光电检测器包括用以测量具有多个波长的光的多个光电检测器，并且所述多个光电检测器包括用以测量可见光的第一光电检测器以及用以测量红外光的第二光电检测器。
在许多实施方式中，所述光谱仪还包括位于距所述多个光电检测器某一距离处的透镜，所述多个光电探测器位置接近以便限定所述多个光电探测器的视野，并且其中所述视野与所述多个光源的照明图案重叠。
在许多实施方式中，所述光谱仪还包括与所述多个光源分开的第三漫射器，该第三漫射器处于比所述第一距离和所述第二距离更大的距离处以便利用来自所述多个光源中的每个光源的光而提供基本一致的照明。所述光谱仪还可以包括位于所述第一漫射器与所述第二漫射器之间以及所述第二漫射器与所述第三漫射器之间的外壳的内表面上的多个吸光结构，以便抑制所述外壳的所述内表面的反射。
在许多实施方式中，所述光谱仪还包括位于所述第一漫射器与所述第二漫射器之间的一个或多个透镜，以便将光能朝向所述第二漫射器引导。
在许多实施方式中，所述光谱仪还包括位于所述第一多个光源与所述第一漫射器之间的第一透光盖板以及位于远离所述第二漫射器的第一侧面的所述第二漫射器的第二侧面上的第二透光盖板。所述第一侧面可以定向为朝向所述多个光源并且外壳围绕所述第一透光盖板和所述第二透光盖板延伸，以便利用外壳以及所述第一透光盖板和所述第二透光盖板来围住所述第一漫射器和所述第二漫射器。
在许多实施方式中，所述光谱仪的所述多个光源包括至少约十个(10个)发光二极管。
在许多实施方式中，所述第一波长范围落在约400nm至约1100nm的波长范围内。在许多实施方式中，所述第二波长范围落在约400nm至约1100nm的波长范围内。所述第二波长范围可以与所述第一波长范围重叠所述第二波长范围的至少2％。所述第二波长范围可以与所述第一波长范围重叠所述第二波长范围的约1％至5％的量。
在许多实施方式中，所述第一滤光器元件和所述第二滤光器元件被包括在按阵列布置的多个滤光器元件内。
在许多实施方式中，所述设备还包括被配置成基于光敏检测器的输出而检测尿液中的钠水平的至少一个处理设备。在许多实施方式中，所述设备还包括被配置成基于光敏检测器的输出而检测尿液中的尿素水平的至少一个处理设备。在许多实施方式中，所述设备还包括被配置成基于光敏检测器的输出而检测食品中存在的碳水化合物的量的至少一个处理设备。在许多实施方式中，所述设备还包括被配置成基于光敏检测器的输出而确认包括预期药物组成的要分析的材料的至少一个处理设备。在许多实施方式中，所述设备还包括被配置成基于光敏检测器的输出而确认包括预期酒精饮料组成的要分析的材料的至少一个处理设备。在许多实施方式中，所述设备包括被配置成基于光敏检测器的输出而检测饮料中存在的甲醇或γ-羟基丁酸的量的至少一个处理设备。
在许多实施方式中，所述第一波长范围与所述第二波长范围之间的重叠能够被配置用于对跨所述第一滤光器元件和所示第二滤光器元件的输出的增益提供算法校正。
在许多实施方式中，所述第一滤光器元件、所述第二滤光器元件以及所述第一滤光器元件和所述第二滤光器元件的支架阵列中的一个或多个可以包括被配置用于吸收光的黑色涂层。
在许多实施方式中，由所述第一滤光器接收的光导致所述光敏检测器上的非同心环图案。
在许多实施方式中，关联于第一滤光器的第一波长范围与关联于第二滤光器的第二波长范围部分重叠。
在许多实施方式中，所述设备还被配置成使得当由所述光谱设备的至少五倍光谱分辨率分离的两个不同波长穿过所述滤光器阵列时，来自至少两个滤光器的光射在所述光敏检测器的至少一个公共像素上。
在许多实施方式中，所述设备还包括被配置成基于所述光敏检测器的输出而检测尿液中的钠水平的至少一个处理设备。在许多实施方式中，所述设备还包括被配置成基于所述光敏检测器的输出而检测尿液中的尿素水平的至少一个处理设备。在许多实施方式中，所述设备还包括被配置成基于所述光敏检测器的输出而检测食品中存在的碳水化合物的量的至少一个处理设备。在许多实施方式中，所述设备还包括被配置成基于所述光敏检测器的输出而确认包括预期药物组成的要分析的材料的至少一个处理设备。在许多实施方式中，所述设备还包括被配置成基于所述光敏检测器的输出而确认包括预期酒精饮料组成的要分析的材料的至少一个处理设备。在许多实施方式中，所述设备还包括被配置成基于所述光敏检测器的输出而检测饮料中存在的甲醇或γ-羟基丁酸的量的至少一个处理设备。
在另一方面，一种用于从要分析的材料收集光谱的光谱设备包括第一辐射体、第二辐射体和辐射漫射单元。所述第一辐射体被配置用于发射在第一波长范围内的辐射，而所述第二辐射体被配置用于发射在第二波长范围内的辐射，其中所述第二波长范围不同于所述第一波长范围。所述辐射漫射单元被配置用于接收从所述第一辐射体发射的辐射以及从所述第二辐射体发射的辐射作为输入，并且提供用于在分析所述材料中使用的输出照明辐射。所述辐射漫射单元包括第一漫射器元件、第二漫射器元件以及安设于所述第一漫射器元件与所述第二漫射器元件之间的至少一个透镜。
在许多实施方式中，所述第一漫射器元件放置在所述透镜的孔径平面上，使得所述第一漫射器元件在该第一漫射器元件的每个方向上的输出是一致的。
在许多实施方式中，所述第一辐射体包括发光二极管。在许多实施方式中，所述第二辐射体包括发光二极管。在许多实施方式中，所述第一辐射体和所述第二辐射体中的至少一个包括激光器。在许多实施方式中，所述设备还包括第三辐射体和第四辐射体。
在许多实施方式中，对由所述第一辐射体和所述第二辐射体发射的辐射进行时分复用。
在许多实施方式中，对由所述第一辐射体和所述第二辐射体发射的辐射进行频率调制。
在许多实施方式中，在不同的频率处对由所述第一辐射体和所述第二辐射体每个发射的辐射进行幅度调制。
在许多实施方式中，所述设备还包括光敏检测器，由于所述材料与由所述辐射漫射单元提供的所述照明辐射之间的交互，所述光敏检测器对从所述材料采集的光中的一个或多个光谱成分敏感。
在许多实施方式中，所述至少一个附加传感器与所述光谱仪一起位于所述便携式设备上。
在许多实施方式中，所述显示单元与所述光谱仪一起位于所述便携式设备上。
在许多实施方式中，由所述至少一个处理设备分析所述光谱仪的输出以及所述至少一个附加传感器的输出二者。
在许多实施方式中，所述至少一个附加传感器包括以下各项中的一项或多项：相机、温度传感器、电容传感器、电阻传感器、电导传感器、电感传感器、高度计、全球定位系统单元、浊度传感器、pH传感器、加速度计、振动传感器、生物计量传感器、化学传感器、颜色传感器、时钟、环境光传感器、麦克风、透度计、硬度计、条形码阅读器、流量计、速度计、磁力计以及另一光谱仪。
在许多实施方式中，所述系统还包括显示器。
在许多实施方式中，所述第一用户可选界面元素和所述第二用户可选界面元素中的至少一个包括分析标识符，所述分析标识符包括于多个可用分析功能中。所述分析标识符可以包括图像。所述分析标识符可以包括文本。
在许多实施方式中，基于所述光谱仪提供的所述输出的至少一个特征而自动执行所述第一类型分析与第二类型分析之间的选择。所述至少一个特征可以指示出包括酒的材料。所述至少一个特征可以指示出包括奶酪的材料。所述至少一个特征可以指示出包括多种食品类型的材料。
在许多实施方式中，所述第一类型分析与第二类型分析之间的选择可以基于用户输入。
在许多实施方式中，所述系统还包括被配置用于获取表示所述环境的图像数据的图像捕捉设备。所述图像捕捉设备可以包括相机，其中所述至少一个处理设备还被配置用于：接收由所述图像捕捉设备获取的所述图像数据；以及在对所述第一类型分析或所述第二类型分析的选择中使用所述图像数据的至少一部分。
在许多实施方式中，所述至少一个处理设备被配置成基于所述图像数据而识别来自所述环境中的所述至少一种材料的特征，并且基于所识别的特征而在所述第一类型分析与所述第二类型分析之间进行选择。所识别的特征可以是，至少一种材料包括酒、奶酪或其他食品类型中的一种或多种。
在许多实施方式中，对所述第一类型分析和第二类型分析的选择还可基于预定的层次结构。
在许多实施方式中，所述设备还包括显示器。
在许多实施方式中，所述设备被配置用于与载具组件集成。所述载具组件可以包括所述载具的燃料系统组件。所述载具组件可以包括所述载具的燃料箱、燃料管线或燃料喷射器中的至少一个。
在许多实施方式中，所述农产品包括谷物、大米、咖啡、香料、油籽或饲料中的至少一种。在许多实施方式中，所述农产品包括牛奶，并且所述至少一个特征包括所述牛奶的确定脂肪含量。
在许多实施方式中，所述设备还包括被配置用于提供能够从其中确定所述农产品的另一特征的输出的至少一个传感器。
在许多实施方式中，所述至少一个处理设备被配置用于向所述显示器提供基于所述至少一个特征和所述另一个特征而确定的信息。所述另一特征可以包括硬度水平。
在许多实施方式中，所述设备还可以包括显示器。
在许多实施方式中，所述设备被配置用于检测酒精饮料中的甲醇。在许多实施方式中，所述设备被配置用于检测乳制品中的三聚氰胺。
在许多实施方式中，所述数据接口被配置用于发送和接收来自因特网的通信。
在许多实施方式中，所获取的光谱包括吸收光谱、荧光光谱和拉曼光谱中的至少一种。
在许多实施方式中，所述分析结果包括以下各项中的一项或多项：材料的标识、材料的新鲜度、材料的图像、材料的文本描述。
在许多实施方式中，所述系统被配置用于在用户设备上提供用户界面，所述用户界面包括分析请求数据输入。所述数据接口可被配置用于接收所述分析请求作为由所述用户提供至所述分析请求数据输入的数据。
在许多实施方式中，所述至少一个处理设备还被配置用于从所述用户的设备接收偏好更新，其中所述偏好更新是经由所述数据接口而接收的并且包括表示至少一个所获取的光谱以及用户偏好的至少一个指标的数据，并且利用所述至少一个所获取的光谱以及用户偏好的至少一个指标来更新所述数据库。
在另一方面，一种基于服务器的光谱系统包括被配置用于从材料收集数据的传感器、被配置用于将所收集到的数据传输至基于云的服务器的通信设备、被配置用于分析从所述通信设备传输的所述数据的基于云的服务器以及被配置用于从所述基于云的服务器接收分析结果并且将所述分析结果呈现给用户的设备。
在许多实施方式中，所述传感器包括光学光谱系统，其中所述光学光谱系统包括光学光谱仪、照明光源以及处理设备。所述系统被配置用于产生对应于所述材料的一个或多个化学性质或物理性质的光谱。
在许多实施方式中，所述光学光谱仪具有小于2cmx2cmx2cm的尺寸。
在许多实施方式中，所述通信设备使用无线通信从所述传感器接收所收集的数据。
在许多实施方式中，所述基于云的服务器包括光谱数据库。所述光谱数据库可以是可更新的。所述基于云的服务器可以包括用于数据分析的一个或多个算法。所述基于云的服务器可以支持不止一个传感器或不止一个用户。所述不止一个传感器可被配置和校准用于支持相同的数据库。
在许多实施方式中，所述照明光源包括一个或多个发光二极管。在许多实施方式中，所述照明光源是宽带的。在许多实施方式中，所述照明光源包括一个或多个激光器。
在许多实施方式中，所述系统包括允许用户执行具体操作的一个或多个应用。
在许多实施方式中，所述系统被配置用于向所述用户提供开发应用的方法。在许多实施方式中，所述用于开发应用的方法包括用于创建新数据库的方法。
在许多实施方式中，光谱设备还可以包括具有某种形状的一个或多个透镜元件，使得每个透镜元件的输出被配置成具有大于最优的点扩散函数大小，从而增加所述一个或多个透镜元件的景深。
在许多实施方式中，光谱设备还可以包括具有非球面形状剖面的一个或多个透镜元件，该透镜元件被配置用于使每个透镜元件的输出发生畸变，以使得所述透镜元件关于入射光束的角度的输出具有减小的非线性度。
附图说明
图1示出了根据实施方式的紧凑型光谱仪的等距视图。
图2示出了根据实施方式的光谱仪系统的示意图。
图3示出了根据实施方式的图1的紧凑型光谱仪的示意图。
图4示出了根据实施方式的光学布局的示意图。
图5示出了根据实施方式的光谱仪头的示意图。
图6示出了根据实施方式的图5的光谱仪头的横截面A的示意图。
图7示出了根据实施方式的图5的光谱仪头的横截面B的示意图。
图8示出了根据实施方式的光谱仪模块的等距视图。
图9示出了根据实施方式的光谱仪模块内的透镜阵列。
图10示出了根据实施方式的光谱仪头的备选实施方式的示意图。
图11示出了根据实施方式的光谱仪头的备选实施方式的示意图。
图12示出了图11的光谱仪头的横截面的示意图。
图13示出了根据实施方式的按行和按列布置的图11的光谱仪头的LED阵列。
图14示出了根据实施方式的图11的光谱仪头的辐射漫射单元的示意图。
图15A和图15B示出了根据实施方式的针对图13的辐射漫射单元的设计选项的示例。
图16示出了根据实施方式的光谱仪中的数据流的示意图。
图17示出了根据实施方式的手持设备中的数据流的示意图。
图18示出了根据实施方式的基于云的存储系统中的数据流的示意图。
图19示出了根据实施方式的用户界面(UI)的流程的示意图。
图20图示了用户可以如何通过图19的UI的不同组件来进行导航的示例。
图21A示出了与图19的UI的组件相对应的示例性移动应用UI屏幕。
图21B和图21C示出了与图19的UI的组件相对应的示例性移动应用UI屏幕。
图22A-图22F示出了根据实施方式的用于手持设备的处理器提供图19的用户界面的方法。
图23示出了根据实施方式的用于使用光谱仪系统进行尿液分析的方法。
图24示出了根据实施方式的适于合并的李子和奶酪的示例性光谱。
图25示出了根据实施方式的适于合并的、包括各种脂肪水平的奶酪的示例性光谱。
图26示出了根据实施方式的适于合并的、包括各种糖水平的李子的示例性光谱。
图27示出了根据实施方式的适于合并的、包括各种肌酸酐水平的水溶液的示例性光谱。
图28示出了根据实施方式的适于合并的、包括各种钠水平的水溶液的示例性光谱。
图29示出了根据实施方式的适于合并的、包括各种钾水平的水溶液的示例性光谱。
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。
通过参考阐述说明性实施方式的以下详细描述和附图，将会对本发明的特征和优点获得更好的理解，其中说明性实施方式中利用了本发明的实施方式的原理。
如本文所使用，类似的特征指代类似的元件。
如本文所使用，“光”包括电磁辐射，所述电磁辐射的波长在电磁光谱的紫外部分、可见部分或红外部分的一个或多个中。
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。该术语还排除本文所描述的滤光器和滤光器矩阵。
如本文所使用，术语“存储”包括存储物体的结构，诸如货箱或建筑物。
紧凑型光谱仪系统的概述
图2示出了根据实施方式的光谱仪系统的示意图。在许多实施方式中，光谱仪系统100包括如本文描述的光谱仪102以及与基于云的服务器或存储系统118进行无线通信116的手持设备110。光谱仪102可以获取如本文描述的数据。手持光谱仪102可以包括耦合至光谱仪头120的处理器106和通信电路104，光谱仪头120具有如本文描述的光谱仪组件。光谱仪可以利用通信电路104将数据传输至手持设备110，通信电路104具有无线链路，诸如无线串行通信链路，例如BluetoothTM。手持设备可以从光谱仪102接收数据，并且将数据传输至基于云的存储系统118。数据可以由基于云的服务器118进行处理和分析，并被传输回手持设备110以显示给用户。
处理器106可包括体现指令的有形介质，诸如体现计算机程序的指令的计算机可读存储器。备选地或组合地，处理器可包括诸如门阵列逻辑等逻辑以便执行一个或多个逻辑步骤。
除了由光谱仪模块160测量的光谱信息之外，传感器模块130可以基于非光谱信息而实现对样品材料的鉴别。这样的双信息系统可以增强对材料的检测或鉴别的准确性。
在一些实施方式中，使用散射的环境光来进行样品的测量。
在许多实施方式中，光谱仪系统包括光源或照明源。光源可以是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)。在一些实施方式中，光源发射350nm至1100nm的光。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。在一些实施方式中，光源发射0.1mW至500mW的光。
在一些实施方式中，光谱仪不包括单色仪。
使用具有基于滤光器的光学器件的次级发射照明的光谱仪
现在参考图4，其图示了本文所公开的紧凑型光谱仪系统100的非限制性实施方式。系统包括光谱仪102，光谱仪102包括诸如光谱仪模块160等各种模块。如图所示，光谱仪模块160可以包括漫射器164、滤光器矩阵170、透镜阵列174和检测器190。
在许多实施方式中，光谱仪系统包括滤光器矩阵170的多个光学滤光器。光学滤光器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。例如，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(≤10nm)。滤光器的中心波长(CWL)可以随着射在其上的光的入射角而变化。
在许多实施方式中，中央带的中心波长可变化10nm或更多，使得穿过滤光器的波长的有效范围大于该滤光器的带宽。在许多实施方式中，中心波长比滤光器的带宽变化更大量。例如，带通滤光器可具有不多于10nm的带宽，而中央带的波长可以跨传感器的视野变化多于10nm。
在许多实施方式中，光谱仪系统包括滤光器矩阵。滤光器矩阵可以包括一个或多个滤光器，例如多个滤光器。使用单个滤光器可能会限制可用于光谱仪的光谱范围。滤光器可以是仅允许透射具有预定入射角、偏振、波长和/或其他性质的光信号的元件。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，系统可能不会产生足够强度的信号。例如，对于30°的角度范围和～850nm的光学滤光器中心波长(CWL)，可用于光谱仪的光谱范围可以是大约35nm。由于该范围对于一些基于光谱法的应用而言可能是不够的，所以具有更大光谱范围的实施方式可以包括由多个子滤光器组成的光学滤光器矩阵。每个子滤光器可以具有不同的CWL，从而覆盖光学光谱的不同部分。例如，子滤光器能够以许多方式中的一种或多种方式来配置并且平铺在两个维度上。
根据子滤光器的数目，可进入光谱仪的波长范围可达到几百纳米。在包括多个子滤光器的实施方式中，形成于像平面处的近似傅里叶变换(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可能是由不同的傅里叶变换的混合所产生的。
在一些实施方式中，按特定顺序来布置滤光器矩阵，以抑制从不同滤光器出来的光在检测器上的串扰，并且使杂散光的影响最小化。例如，如果矩阵由3x4滤光器组成，则存在2个滤光器位于矩阵内部并且存在10个滤光器位于矩阵的外围。处于内部的2个滤光器可被选择作为处于波长范围边缘的那些滤光器。因为不受特定理论的约束，所选择的内部滤光器可能经历最多的空间串扰，但在光谱上对串扰最不敏感。
在许多实施方式中，光谱仪模块包括透镜阵列174。该透镜阵列可以包括多个透镜。可以确定多个透镜中的透镜数目以使得滤光器阵列中的每个滤光器与透镜阵列中的透镜相对应。备选地或组合地，可以确定透镜的数目以使得通过支架阵列的每个通道与透镜阵列中的透镜相对应。备选地或组合地，可以选择透镜的数目以使得图像传感器的多个区域中的每个区域与光学通道以及透镜阵列中的多个对应透镜和滤光器阵列中的滤光器相对应。
在许多实施方式中，光谱仪系统包括检测器190，该检测器可以包括传感器的阵列。在许多实施方式中，检测器能够检测处于感兴趣的波长范围之中的光。根据获得的光谱的性质和被测试样品的特定光谱性质，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。检测器可以对以下各项中的一项或多项敏感：光的紫外波长、光的可见波长或者光的红外波长。在一些实施方式中，使用能够测量作为位置的函数的强度的检测器(例如，阵列检测器或二维图像传感器)。
在一些实施方式中，光谱仪不包括柱形光束体全息图(CVBH)。
检测器可位于预定平面中。预定平面可以是透镜阵列的焦平面。不同波长(X1、X2、X3、X4等)的光可以到达检测器，作为具有与波长成比例的不同半径的一系列基本上同心的圆。波长和对应圆的半径之间的关系可以不是线性的。
在一些实施方式中，检测器接收非连续光谱，例如可能与色散元件产生的光谱不同的光谱。非连续光谱可以是光谱的缺失部分。例如，非连续光谱可以具有至少部分地空间失序的光谱的波长。在一些实施方式中，第一短波长与靠近较长波长的检测器相接触，而第二短波长与相比于较长波长而言更远离第一短波长的距离处的检测器相接触。
检测器可以包括多个检测器元件，举例而言，诸如像素。可以配置每个检测器元件以便接收宽光谱范围的信号。在第一多个检测器元件和第二多个检测器元件上接收到的光谱范围可以至少从约10nm延伸至约400nm。在许多实施方式中，在第一多个检测器元件和第二多个检测器元件上接收到的光谱范围可以至少从约10nm延伸至约700nm。在许多实施方式中，在第一多个检测器元件和第二多个检测器元件上接收到的光谱范围可以至少从约10nm延伸至约1600nm。在许多实施方式中，在第一多个检测器元件和第二多个检测器元件上接收到的光谱范围可以至少从约400nm延伸至约1600nm。在许多实施方式中，在第一多个检测器元件和第二多个检测器元件上接收到的光谱范围可以至少从约700nm延伸至约1600nm。
在许多实施方式中，光谱仪系统包括漫射器。在其中从样品发出的光未充分漫射的实施方式中，可以在光谱仪的其他元件前面放置漫射器。漫射器可以被放置在光发射与检测器和/或滤光器之间的光路径中。准直光(或部分准直光)可以射在漫射器上，漫射器继而产生漫射光，漫射光继而射在光谱仪的其他方面上，例如，射在光学滤光器上。
在许多实施方式中，透镜阵列、滤光器矩阵和检测器不以公共光轴为中心。在许多实施方式中，透镜阵列、滤光器矩阵和检测器在公共光轴上对准。
在许多实施方式中，紧凑型光谱仪的操作原理包括以下属性中的一个或多个。光射在漫射器上并且至少一小部分光透射通过该漫射器。光接着以宽的传播角范围射在滤光器矩阵上，并且穿过子滤光器的光的光谱得到角度编码。经角度编码的光继而穿过透镜阵列(例如，傅里叶变换聚焦元件)，该透镜阵列对经角度编码的光(近似地)进行空间傅里叶变换，从而将其变换为空间编码光谱。最终，光到达检测器。检测器元件相对于阵列中的透镜的光轴的位置与光的波长相对应，而像素位置处的光的波长可以基于像素相对于阵列中的透镜的光轴的位置来确定。诸如像素等检测器元件所记录的作为传感器上的位置(例如，像素编号或坐标参考位置)的函数的光强与该位置的光的分辨波长相对应。
在一些实施方式中，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)。
在其中由光学滤光器所覆盖的光谱范围不足够的实施方式中，可以使用附加的、具有不同CLW的子滤光器。
在一些实施方式中，光阀允许包含或者排除来自光谱仪102的一部分的光。例如，光阀可以用于排除特定子滤光器。光阀还可以用于排除单个透镜。
图5示出了根据实施方式的光谱仪头的示意图。在许多实施方式中，光谱仪102包括光谱仪头120。光谱仪头包括以下各项中的一项或多项：光谱仪模块160、温度传感器模块130和照明模块140。当每个模块存在时，可以用模块窗口来覆盖每个模块。例如，光谱仪模块160可以包括光谱仪窗口162，温度传感器模块130可以包括传感器窗口132，而照明模块140可以包括照明窗口142。
在许多实施方式中，照明模块和光谱仪模块被配置成在样品处具有重叠的视野。重叠的视野能够以许多方式中的一种或多种来提供。例如，照明源的光轴、温度传感器和矩阵阵列能够以基本上平行的配置延伸。或者，一个或多个光轴可以朝向另一模块的另一光轴。
图6示出了根据实施方式的图3的光谱仪头的横截面A的示意图。为了减少由温度波动而产生的噪声和/或光谱移位，包括温度传感器模块130的光谱仪头102可以用于测量并记录测量期间的温度。在一些实施方式中，温度传感器元件可以响应于从样品发射的红外辐射而测量该样品的温度，并且将该温度测量结果传输至处理器。准确的和/或精确的温度测量结果可以用于标准化或修改产生的光谱。例如，可以基于光谱获得时的温度而测量给定样品的不同光谱。在一些实施方式中，光谱可以与元数据存储在一起，所述元数据与测量光谱时的温度有关。在许多实施方式中，温度传感器模块130包括温度传感器窗口132。温度传感器窗口可以密封传感器模块。温度传感器窗口132可以由对可见光基本上非透射而透射红外光谱中的光的材料制成。在一些实施方式中，温度传感器窗口132例如包括锗。在一些实施方式中，温度传感器窗口约为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1.0mm厚。
在许多实施方式中，光谱仪头包括照明模块140。照明模块可以利用光来照射样品。在一些实施方式中，照明模块包括照明窗口142。照明窗口可以密封照明模块。照明窗口对产生于照明模块中的光可以是基本上透射的。例如，照明窗口可包括玻璃。照明模块可包括光源148。在一些实施方式中，光源可包括一个或多个发光二极管(LED)。在一些实施方式中，光源包括蓝色LED。在一些实施方式中，光源包括红色LED或绿色LED或红外LED。
光源148可安装在安装固定装置150上。在一些实施方式中，安装固定装置包括陶瓷封装。例如，灯具可以是安装在陶瓷封装上的倒装LED芯片。安装固定装置150可附接至柔性印刷电路板(PCB)152，该柔性印刷电路板152可以可选地安装在加强板154上以减少照明模块的移动。照明模块的柔性PCB和温度传感器模块的PCT可包括同一柔性PCB的不同部分，其还可包括光谱仪PCB的多个部分。
照明模块还可包括诸如抛物面聚光器144或聚光透镜等聚光器，以便聚集光。在一些实施方式中，抛物面聚光器144是反射镜。在一些实施方式中，抛物面聚光器144包括不锈钢。在一些实施方式中，抛物面聚光器144包括镀金不锈钢。在一些实施方式中，聚光器可将光聚集成圆锥。例如，光可被聚集成视野为约30-45、25-50或20-55度的圆锥。
在一些实施方式中，照明模块被配置用于发射光，而光谱仪模块被配置用于沿着光学路径来接收光，光学路径与光谱仪头的入射面基本上垂直地延伸。在一些实施方式中，模块可被配置成使得光可以从一个模块传输至一个物体(诸如样品108)并且反射或散射至接收所述光的另一模块。
图7示出了根据实施方式的图3和图4的光谱仪头的横截面B的示意图。在许多实施方式中，光谱仪头102包括光谱仪模块160。光谱仪模块可以由光谱仪窗口162密封。在一些实施方式中，光谱仪窗口162关于波长而选择性透光以便分析光谱样品。例如，光谱仪窗口162可以是IR通滤光器。在一些实施方式中，窗口162可以是玻璃。光谱仪模块可包括一个或多个漫射器。例如，光谱仪模块可包括安设在光谱仪窗口162下方的第一漫射器164。第一漫射器164可以分散射入的光。例如，第一漫射器可以是余弦漫射器。可选地，光谱仪模块包括光滤光器188。光滤光器188可以是厚的IR通滤光器。例如，滤光器188可以吸收低于阈值波长的光。在一些实施方式中，滤光器188吸收具有低于约1000nm、950nm、900nm、850nm、800nm、750nm、700nm、650nm或600nm的波长的光。在一些实施方式中，光谱仪模块包括第二漫射器166。第二漫射器可以在滤光器矩阵170的输入处生成朗伯光分布。滤光器组装件可由玻璃板168密封。备选地或组合地，滤光器组装件还可由滤光器框架182支撑，滤光器框架182可以将滤光器组装件附接至光谱仪外壳180。光谱仪外壳180可以使光谱仪窗口162保持在合适的位置并进一步为模块提供机械稳定性。
第一滤光器和第二滤光器能够以许多方式中的一种或多种来布置以向滤光器提供基本上一致的光分布。基本上一致的光分布可以关于平均能量而一致到约25％之内，例如一致到约10％之内。在许多实施方式中，第一漫射器可以按照基本上一致的能量分布曲线而在空间上将入射光能分布在第二漫射器上。在一些实施方式中，第一漫射器使光关于角分布而言基本上是均匀的。第二漫射器还使基本上一致的能量分布曲线的光能漫射成基本上一致的角分布曲线，使得传输至每个滤光器的光可以既关于空间分布曲线又关于入射到每个滤光器上的光能的角分布曲线而言都是基本上均匀的。例如，传输至每个滤光器上的光能的角分布曲线可以一致到约+/-25％之内，例如，基本上一致到约+/-10％。
在许多实施方式中，光谱仪模块包括滤光器矩阵170。滤光器矩阵可包括一个或多个滤光器。在许多实施方式中，滤光器阵列包括多个滤光器。
在一些实施方式中，滤光器矩阵170中的每个滤光器被配置用于透射分布于中心波长附近的波长范围。本领域普通技术人员将会理解，针对基本上垂直于滤光器的表面而透射的光束，上述波长范围可被定义为透射波长的分布的半峰全宽(以下称“FWHM”)。波长范围可由中心波长和光谱宽度来限定。中心波长可以是通过滤光器的光的平均波长，而滤光器的带光谱宽度可以是通过滤光器而透射的光的最大波长与最小波长之间的差值。在一些实施方式中，多个滤光器中的每个滤光器被配置用于透射与多个滤光器中的其他滤光器不同的波长范围。在一些实施方式中，上述波长范围与多个滤光器中的所述其他滤光器的范围重叠，并且其中所述每个滤光器包括与多个滤光器中的所述其他滤光器不同的中心波长。
在许多实施方式中，每个滤光器限定光谱仪的光学通道。光学通道可以从滤光器延伸，通过孔径和阵列的透镜而到达传感器阵列中的区域。多个平行的光学通道可以提供增大的分辨率和减小的光学路径长度。
光谱仪模块可以包括孔径阵列172。孔径阵列可以防止滤光器之间的串扰。孔径阵列包括形成于不透光材料中的多个孔径。在一些实施方式中，多个孔径的尺寸被设计成限定阵列中每个透镜的通光透镜孔径，其中每个透镜的通光透镜孔径受限于阵列中的一个滤光器。在一些实施方式中，每个透镜的通光透镜孔径受限于阵列中的一个滤光器。
在许多实施方式中，光谱仪模块包括透镜阵列174。该透镜阵列可以包括多个透镜。透镜的数目可以确定为使得滤光器阵列中的每个滤光器与透镜阵列中的透镜相对应。备选地或组合地，透镜的数目可以确定为使得通过支架阵列的每个通道与透镜阵列中的透镜相对应。备选地或组合地，透镜的数目可以选择为使得图像传感器的多个区域中的每个区域与光学通道和透镜阵列中的对应透镜以及滤光器阵列中的滤光器相对应。
在许多实施方式中，透镜阵列中的每个透镜包括一个或多个非球面，使得透镜阵列中的每个透镜包括非球面透镜。在许多实施方式中，透镜阵列中的每个透镜包括两个非球面。备选地或组合地，透镜阵列中的一个或多个单独的透镜可以具有两个弯曲的光学表面，其中两个光学表面基本上都是凸面。备选地或组合地，透镜阵列中的透镜可以包括一个或多个衍射光学表面。
支架阵列176可在透镜阵列174与限位器底座178之间延伸。支架阵列176可以服务于一个或多个目的，举例而言，诸如1)提供透镜阵列170中的每个透镜与图像传感器190的多个区域中的每个区域之间的正确的间隔距离，和/或2)防止杂散光进入或离开每个通道。在一些实施方式中，将支架阵列176中的每个支架的高度校准为其所支撑的透镜阵列174内的透镜的焦距。在一些实施方式中，支架阵列176由诸如基本上不透明的塑料等不允许光穿过的材料来构建。在一些实施方式中，支架阵列176是黑色的，或者包括黑色涂层，以进一步减少通道之间的串扰。光谱仪模块还可包括用以支撑支架阵列的限位器底座178。例如，在许多实施方式中，支架阵列包括吸光材料和/或漫射材料以减少杂散光。
在许多实施方式中，支架阵列176包括多个通道，其具有通过其而延伸的滤光器和透镜的光学通道。在一些实施方式中，支架阵列包括从透镜阵列延伸至检测器(即，CCD或CMOS阵列)的单一的一件材料。
透镜阵列可以直接附接至孔径阵列172，或者可由至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、14、16、18、20、30、40或50微米的空气间隙而分隔开。透镜阵列可直接位于支架阵列178的顶部上。备选地或组合地，透镜阵列可以定位为使得每个透镜与单一支架限位器或单一光学隔离器基本上对准，以便隔离光学通道并且抑制串扰。在一些实施方式中，将透镜阵列定位在距图像传感器约等于透镜焦距的距离处，以使得来自每个透镜的光基本上聚焦在图像传感器上。
在一些实施方式中，光谱仪模块包括图像传感器190。图像传感器可以是光检测器。例如，图像传感器可例如是CCD或2DCMOS或其他传感器。检测器可包括多个区域，多个区域中的每个区域包括多个传感器。例如，检测器可以由多个区域组成，其中每个区域是2DCMOS的像素的集合。检测器或图像传感器190可以定位为使得多个区域中的每个区域直接位于支架阵列176的不同通道下方。在许多实施方式中，建立从滤光器阵列170中的单一滤光器到孔径阵列172中的单一孔径、到透镜阵列174中的单一透镜、到支架阵列176中的单一限位器通道、到图像传感器190的多个区域中的单一区域的隔离光路径。类似地，可以针对滤光器阵列170中的每个滤光器建立平行的光路径，以使得存在与滤光器阵列170中的滤光器相同数目的平行(非交叉)光路径。
图像传感器190可安装在柔性印刷电路板(PCB)184上。PCB184可附接至加强板186。在一些实施方式中，加强板包括金属加强板以防止光谱仪模块相对于光谱仪头120的运动。
图8示出了根据实施方式的光谱仪模块160的等距视图。光谱仪模块160包括如本文所述的许多组件。在许多实施方式中，支架阵列176可定位在传感器顶部的封装上。在许多实施方式中，支架阵列可定位在传感器阵列的裸芯片的顶部上方，以使得存在空气间隙。空气间隙可小于10、9、8、7、6、5、4、3、2或1微米。
图9示出了根据实施方式的光谱仪模块160内的透镜阵列174。该等距视图示出了根据实施方式的、形成于孔径阵列172的不透光材料中的孔径194。在许多实施方式中，支架阵列176中的每个通道与滤光器阵列170中的滤光器、透镜阵列174中的透镜以及孔径阵列中的孔径194对准，以便形成抑制了串扰的多个光路径。
在一些实施方式中，板146的嵌入在玻璃中的磷光体可以是近红外(NIR)磷光体，近红外(NIR)磷光体能够发射在约700nm至约1100nm的范围中的红外辐射或NIR辐射。
在一些实施方式中，光滤光器188被配置用于阻挡入射光中包括的可见辐射的至少一部分。
在一些实施方式中，第一滤光器的第一波长范围和第二滤光器的第二波长范围落在约400nm至约1100nm的波长范围内。在一些实施方式中，第二波长范围与第一波长范围重叠第二波长范围的至少2％。在一些实施方式中，第二波长范围与第一波长范围重叠第二波长范围的约1％至约5％的量。滤光器的波长范围中的重叠可被配置用于提供跨不同通道的，例如跨第一滤光器元件和第二滤光器元件的输出的，增益的算法校正。
在一些实施方式中，限位器和图像传感器可被配置成具有相匹配的热膨胀系数(CTE)。例如，限位器和图像传感器可被配置成具有相匹配的、约为710-6K-1的CTE。为了使其中限位器和图像传感器具有不同CTE的所述限位器与所述图像传感器之间的CTE相匹配，可以在所述限位器与所述图像传感器之间应用诸如VectraE130等液晶聚合物。
使用多个照明源的光谱仪
图11示出了光谱仪头102的备选实施方式的示意图。光谱仪头102包括照明模块140、光谱仪模块160、控制板105和处理器106。如本文所述，光谱仪头102还包括温度传感器模块130，该温度传感器模块130被配置用于响应于从样品发射的红外辐射而测量并记录样品温度。除了温度传感器模块130之外，光谱仪头102还可以包括单独的温度传感器230，用于测量照明模块140中的光源的温度。
图12示出了图11的光谱仪头的横截面的示意图(样品温度传感器130和光源温度传感器230未示出)。光谱仪头包括照明模块140和光谱仪模块160。
照明模块140包括至少两个光源，诸如发光二极管(LED)210。照明模块可以包括至少约10个LED。照明模块140还包括辐射漫射单元213，该辐射漫射单元213被配置用于接收从LED阵列210发射的辐射并且提供用于在分析样品材料中使用的照明辐射作为输出。辐射漫射单元可以包括以下各项中的一项或多项：第一漫射器215、第二漫射器220以及安设在第一漫射器与第二漫射器之间的一个透镜225。辐射漫射单元还可以包括附加的漫射器和透镜。辐射漫射单元可以包括外壳214，以距光源固定距离支撑第一漫射器和第二漫射器。外壳214的内表面可以包括多个吸光结构216，以抑制从该外壳的内表面的光反射。例如，如图12所示，多个吸光结构可以包括多个挡板或多个螺纹中的一个或多个。可以提供盖玻璃230以机械地支撑和保护每个漫射器。备选地或与LED组合地，至少两个光源可以包括一个或多个激光器。
LED阵列210可被配置用于生成由多个波长组成的照明光。每个LED可被配置用于发射在特定波长范围内的辐射，其中多个LED的波长范围可以是不同的。LED可以具有不同的特定功率、峰值波长和带宽，使得LED阵列生成跨感兴趣的光谱的照明。单个阵列中可以存在几个LED至几十个LED。
在一些实施方式中，LED阵列放置于印刷电路板(PCB)152上。为了减小驱动电子器件的PCB和LED的大小、成本和复杂度并且减小互连线的数目，LED可以优选地按行和按列布置，如图13所示。同一行上的所有阳极可以连接在一起，而同一列上的所有阴极可以连接在一起(反之亦然)。例如，当晶体管将驱动电压连接到阳极的第四行而另一晶体管将阴极的第四列连接至地时，可以打开阵列中心的LED。在这种状态下，不打开其他LED，这是因为其阳极与电源断开连接或者其阴极与地断开连接。优选地，根据电压组来布置LED，以简化电流控制并改进光谱同质性(具有类似波长的LED紧密放置在一起)。虽然本文提供了双极型晶体管作为示例，但电路还可以使用其他类型的开关(例如，场效应晶体管)。
可以通过本领域技术人员已知的各种方式来调节LED电流。在一些实施方式中，可以对阵列的每个阳极行和/或每个阴极列串行使用电流控制调节器(CCR)组件。在一些实施方式中，可以使用电流控制回路来代替CCR，从而提供更大的灵活性以及对实际电极电流的更多反馈。或者，电流可以由施加的阳极电压确定，但是这种方法应该谨慎使用，因为LED的电流电压特性可能显著变化。
可选的电压调整二极管在减小共享同一阳极行的LED的LED驱动电压之间的差中可以是有用的，这样它们可以在无需电流控制电路的情况下直接由电压源驱动。可选的电压调整二极管还可以帮助改进驱动电路的稳定性和简易性。可以根据LED的期望跨行压降，以相反的趋势来选择这些电压调节二极管，使得沿着共用行的总压降变化较小。
参考图12，定位在LED阵列之上的辐射漫射单元213被配置用于使由位于不同空间位置处并且具有不同角度特性的LED中的每一个发射的照明相混合，使得样品的照明光谱跨该样品的测量区域将尽可能一致。一致的光谱意味着在不同波长处的功率关系不取决于样品上的位置。然而，绝对功率可以有所变化。这种一致性是高度优选的，以便优化反射光谱测量的准确性。
优选地由盖玻璃230机械地支持并保护的第一漫射器215可以放置于LED阵列210上方。因为LED通常将在其照明分布上有所不同，所以漫射器可被配置用于使不同LED的束图案均化。无视任何LED的束形状，穿过第一漫射器215的光可被配置成具有朗伯束分布，使得在从第一漫射器215的每个方向上发射的光谱都是一致的。理想地，当从无穷远处观察时，不同波长处的照明之间的比率不取决于到第一漫射器215的平面的方向。这样的方向由图14中所示的虚线示意性地指示出，参考朝向透镜225的第一表面的第一漫射器215的输出处的射线方向。
第一漫射器215优选地放置于透镜225的孔径平面处。因此，平行射线可以通过透镜而聚焦至透镜焦平面上的同一位置，其中第二漫射器220(优选地由盖玻璃230支持并保护)放置于该位置上。由于第一漫射器215的输出处的所有照明方向具有相同的光谱，因此在第二漫射器220的输入平面处的光谱可以是一致的(尽管绝对功率可以变化)。第二漫射器220可继而使来自其平面的每个位置的束分布均化，以使得输出光谱在位置和方向上都是一致的，从而导致跨样品的一致光谱照明，而不管样品距设备的距离为多少(当样品靠近设备时，其受光谱的空间变化的影响更多，而当样品远离设备时，其受光谱角变化的影响更多)。
在设计被配置用于改进光谱均匀性的辐射漫射单元213时，可以平衡大小和功率以便实现所需的光谱均匀性。例如，如图15A所示，辐射漫射单元213可被复制(添加附加漫射器和透镜)，或者如图15B所示，辐射漫射单元213可被配置成具有第一漫射器与第二漫射器之间的较长长度，以便在平衡功率的同时实现增加的一致性。或者，如果均匀性不那么重要，则光学器件中的一些元件可被省略(例如，第一漫射器或透镜)，或简化(例如，较弱的漫射器、较简单的透镜)。
返回参考图12，光谱仪模块160包括对感兴趣的光谱范围敏感的一个或多个光电二极管263。例如，双Si-InGaAs光电二极管可以用于测量在约400nm至约1750nm的范围内的样品反射光谱。双光电二极管结构由一个位于另一个上方而定位的两个不同光电二极管组成，使得它们从样品中基本上相同的位置处收集照明。
如图12所示，一个或多个光电二极管263优选地放置于透镜225的焦平面上。透镜225可以高效地收集从样品中的期望区域到光电二极管表面的光。备选地，可以使用本领域已知的其他光收集方法，诸如复合抛物面聚光器。
可以使用跨阻放大器来检测光电二极管电流。对于双光电二极管架构的实施方式，可以使用电阻器首先将光电流从电流转换至电压，所述电阻器一方面具有提供高增益以减小噪声的电阻率，另一方面具有足够宽的带宽且没有饱和。运算放大器可以在光伏模式放大中连接至光电二极管，以使噪声最小化。分压器可以向运算放大器(OpAmp)提供小的偏置，以补偿在OpAmp输入处的可能偏置电流和偏置电压。附加的放大可以优选地利用电压放大器。
在图12中所示的光谱仪头的实施方式中，每个光电二极管263响应于通常来自许多LED(或波长)的照明。为了鉴别来自每个LED的光的相对贡献，可以对LED电流进行调制，继而可以对所检测到的光电二极管的光电流进行解调。
在一些实施方式中，可以通过时分复用(TDM)来实现调制/解调。在TDM中，每个LED在专用时隙中“接通”，而同步到该时隙而采样的光电流表示相对应的LED及其波长的贡献。在“开启”时刻之间的“关闭”时刻处测量黑电平和环境光。
FDM相对于TDM来说可以是优选的，因为对于相同的平均功率，FDM可以提供比TDM更低的峰值电流，因此改善LED的效率。较高的效率允许较低的LED温度，较低的LED温度转而提供较好的LED光谱稳定性。FDM的另一优点是，FDM具有比TDM更低的电磁干扰(由于可以使用较慢的电流斜率)，并且可以具有比TDM更小的放大通道带宽需求。
在一些实施方式中，调制/解调可以通过各自在不同频率处的幅度调制来实现。
当LED阵列使用共享电极架构时，单个LED可以在相对应的行和列连接(例如，阳极接至电源而阴极接至GND)时“开启”。然而，当不止一行和一列“接通”时，共享所连接的行和列的所有LED将“接通”。这可能会使调制/解调方案复杂化。为了解决这种复杂，可以使用TDM，其中在每个“开启”时隙处启用单个行和单个列。备选地，可以使用组合的TDM和FDM，其中利用TDM选择单个行，并且在列上应用FDM(反之亦然)。备选地，可以使用2级FDM，其中在不同频率处对每个行和每个列进行调制。可以使用匹配滤光器或光谱分析来对LED进行解耦，同时特别注意避免使基频的谐波重叠。
光谱仪系统
在一些实施方式中，本文描述的光谱仪系统包括数字处理设备或其使用。在进一步的实施方式中，数字处理设备包括执行设备功能的一个或多个硬件中央处理单元(CPU)。在更进一步的实施方式中，数字处理设备还包括被配置用于执行可执行指令的操作系统。在一些实施方式中，数字处理设备可选地连接至计算机网络。在进一步的实施方式中，数字处理设备可选地连接至因特网，以使得其访问万维网。在更进一步的实施方式中，数字处理设备可选地连接至云计算基础设施。在其他实施方式中，数字处理设备可选地连接至内联网。在其他实施方式中，数字处理设备可选地连接至数据存储设备。
在一些实施方式中，设备包括存储和/或存储器设备。存储和/或存储器设备是用于暂时地或永久地存储数据或程序的一个或多个物理装置。在一些实施方式中，设备是易失性存储器并且需要电力来维持所存储的信息。在一些实施方式中，设备是非易失性存储器并且在数字处理设备未通电时保留所存储的信息。在进一步的实施方式中，非易失性存储器包括闪速存储器。在一些实施方式中，非易失性存储器包括动态随机存取存储器(DRAM)。在一些实施方式中，非易失性存储器包括铁电随机存取存储器(FRAM)。在一些实施方式中，非易失性存储器包括相变随机存取存储器(PRAM)。在其他实施方式中，设备是存储设备，以非限制性示例的方式，存储设备包括CD-ROM、DVD、闪速存储器设备、磁盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器和基于云计算的存储。在进一步的实施方式中，存储和/或存储器设备是诸如本文所公开的那些设备的组合。
在一些实施方式中，数字处理设备包括显示器，用以向用户发送视觉信息。在一些实施方式中，显示器是阴极射线管(CRT)。在一些实施方式中，显示器是液晶显示器(LCD)。在进一步的实施方式中，显示器是薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)。在一些实施方式中，显示器是有机发光二极管(OLED)显示器。在各个进一步的实施方式中，OLED显示器是无源矩阵OLED(PMOLED)或有源矩阵OLED(AMOLED)显示器。在一些实施方式中，显示器是等离子体显示器。在其他实施方式中，显示器是视频投影仪。在更进一步的实施方式中，显示器是诸如本文所公开的那些设备的组合。
在一些实施方式中，数字处理设备包括输入设备，用以从用户接收信息。在一些实施方式中，输入设备是键盘。在一些实施方式中，输入设备是定点设备，以非限制性示例的方式，包括鼠标、追踪球、追踪板、操纵杆、游戏控制器或触控笔。在一些实施方式中，输入设备是触摸屏幕或多点触控屏幕。在其他实施方式中，输入设备是麦克风，用以捕捉语音或其他声音输入。在其他实施方式中，输入设备是摄像机，用以捕捉运动或视觉输入。在更进一步的实施方式中，输入设备是诸如本文所公开的那些设备的组合。
在一些实施方式中，本文公开的光谱仪系统包括利用程序进行编码的一个或多个非暂时性计算机可读存储介质，所述程序包括由可选地联网的数字处理设备的操作系统可执行的指令。在进一步的实施方式中，计算机可读存储介质是数字处理设备的有形组件。在更进一步的实施方式中，计算机可读存储介质可选地从数字处理设备可移除。在一些实施方式中，以非限制性示例的方式，计算机可读存储介质包括CD-ROM、DVD、闪速存储器设备、固态存储器、磁盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器、云计算系统和服务等。在一些情况下，程序和指令永久地、基本上永久地、半永久地或非暂时性地编码在介质上。
在一些实施方式中，本文公开的光谱仪系统包括至少一个计算机程序或其使用。计算机程序包括在数字处理设备的CPU中可执行的、被编写用于执行指定任务的指令序列。计算机可读指令可被实现为执行特定任务或实现特定抽象数据类型的程序模块，诸如函数、对象、应用编程接口(API)、数据结构等。鉴于本文所提供的公开内容，本领域技术人员将认识到，计算机程序能够以各种语言的各种版本编写。
在各种环境中，可以根据需要而组合或分配计算机可读指令的功能性。在一些实施方式中，计算机程序包括一个指令序列。在一些实施方式中，计算机程序包括多个指令序列。在一些实施方式中，计算机程序由一个位置提供。在其他实施方式中，计算机程序由多个位置提供。在各个实施方式中，计算机程序包括一个或多个软件模块。在各个实施方式中，计算机程序部分地或整体地包括一个或多个网络应用、一个或多个移动应用、一个或多个独立应用、一个或多个网络浏览器插件、扩展、加载项或附加项，或者它们的组合。
在一些实施方式中，计算机程序包括被提供给移动数字处理设备的移动应用。在一些实施方式中，移动应用在其制造时被提供给移动数字处理设备。在其他实施方式中，移动应用经由本文描述的计算机网络被提供给移动数字处理设备。
鉴于本文提供的公开内容，使用本领域已知的硬件、语言和开发环境，通过本领域技术人员已知的技术来创建移动应用。本领域技术人员将认识到，移动应用是用若干语言编写的。以非限制性示例的方式，合适的编程语言包括C、C++、C#、Objective-C、JavaTM、Javascript、Pascal、ObjectPascal、PythonTM、Ruby、VB.NET、WML以及具有或不具有CSS的XHTML/HTML，或者它们的组合。
本领域技术人员将认识到，若干商业论坛可用于分发移动应用，以非限制性示例的方式，包括AppStore、AndroidTMMarket、AppWorld、AppStoreforPalmdevices、AppCatalogforwebOS、MarketplaceforMobile、OviStorefordevices、Apps以及DSiShop。
在一些实施方式中，本文公开的光谱仪系统包括软件、服务器和/或数据库模块或其使用。鉴于本文提供的公开内容，使用本领域已知的机器、软件和语言，通过本领域技术人员已知的技术来创建软件模块。本文公开的软件模块是以多种方式实现的。在各个实施方式中，软件模块包括一个文件、一个代码段、一个编程对象、一个编程结构，或者它们的组合。在进一步的各个实施方式中，软件模块包括多个文件、多个代码段、多个编程对象、多个编程结构，或者它们的组合。在各个实施方式中，以非限制性示例的方式，一个或多个软件模块包括网络应用、移动应用和独立应用。在一些实施方式中，软件模块处于一个计算机程序或应用中。在其他实施方式中，软件模块处于不止一个计算机程序或应用中。在一些实施方式中，软件模块托管在一个机器上。在其他实施方式中，软件模块托管在不止一个机器上。在进一步的实施方式中，软件模块托管在云计算平台上。在一些实施方式中，软件模块托管在一个位置的一个或多个机器上。在其他实施方式中，软件模块托管在不止一个位置的一个或多个机器上。
在一些实施方式中，本文公开的光谱仪系统包括一个或多个数据库或其使用。鉴于本文提供的公开内容，本领域技术人员会认识到，许多数据库适于存储和获取如本文所描述的信息。在各个实施方式中，以非限制性示例的方式，合适的数据库包括关系型数据库、非关系型数据库、面向对象数据库、对象数据库、实体-关系模型数据库、关联数据库以及XML数据库。在一些实施方式中，数据库是基于互联网的。在进一步的实施方式中，数据库是基于网络的。在更进一步的实施方式中，数据库是基于云计算的。在其他实施方式中，数据库是基于一个或多个本地计算机存储设备的。
在许多实施方式中，系统中的光谱仪、手持设备和基于云的服务器中的一个或多个可以包括配置用于调节数据采集、传送、分析、存储和/或显示的各个方面的计算机系统。该计算机系统通常包括中央处理单元(本文中亦称为“处理器”)、存储器和通信接口(本文中亦称为“通信电路”)。处理器可以执行可以体现在程序或软件中的机器可读指令序列。指令可以存储在存储器位置中。光谱仪系统中的每个设备可以经由通信接口而与该系统的一个或多个其他设备进行通信。
图16示出了根据实施方式的光谱仪102中的数据流的示意图。光谱仪头120被配置用于当用户利用光谱仪102扫描材料时获取该材料的原始强度数据。除了原始光谱数据，如果光谱仪102包括诸如本文描述的温度传感器模块等传感器模块，则还可以获得非光谱数据。由光谱仪头120生成的原始数据400可被传输至控制板105的处理器106。处理器106可以包括有形介质，该有形介质包括计算机程序的指令；例如，处理器可以包括可被配置用于压缩原始数据的数字信号处理单元。经压缩的原始数据信号405可继而被传输至通信电路104，通信电路104可以包括数据加密/传输组件，诸如BluetoothTM。一旦加密，经压缩的加密原始数据信号410就可以经由蓝牙而被传输至手持设备110。
由于原始强度数据通常将太大而无法经由蓝牙实时传输，因此对原始数据的压缩可能是必要的。可以使用根据光学系统的物理性质而定制的数据压缩算法来执行压缩，所述物理性质创建了到达光谱仪模块的光检测器上的光的空间分布。本文描述的光学系统生成的数据通常包含对称性，对称性允许将原始数据显著压缩成更紧凑的数据结构。
基于云的系统或服务器118可以由光谱仪系统的一个或多个光谱仪和手持设备远程访问，例如经由无线互联网连接进行访问。在许多实施方式中，云服务器可由系统的不止一个用户/手持设备同时访问。在一些实施方式中，高达百万量级的手持设备可以同时连接至云服务器。
光谱仪系统100内的多个光谱仪102可以彼此不同，例如，由于制造中的变化而彼此不同。多个光谱仪之间的这种不同可能在针对由每个光谱仪获得的同一材料的光谱数据中产生显著变化。为了确保由多个用户贡献给通用数据库119的数据是可比较的，系统可以包括用于在将数据添加至通用数据库之前对由每个光谱仪生成的数据进行校准的方法。例如，在制造期间，可以通过测量每个光谱仪响应于不同种类的输入而如何表现来表征每个光谱仪的特定光学响应。输入可以包括利用光谱仪测量的一组校准图案(光谱)，并且相对应的光谱仪响应功能可以利用校准数据来确定并输出。这种特定于光谱仪的光学响应数据可以作为特定光谱仪的校准数据而通常被保存并存储在基于云的服务器中。校准数据可被存储为标记有针对特定光谱仪的标识符，以使得当服务器接收来自光谱仪的原始数据时，服务器可以鉴别并定位针对特定光谱仪的适当的校准数据。服务器可继而在由接收自光谱仪的原始数据产生光谱数据的过程中应用特定于光谱仪的校准数据。这样的校准过程可以补偿设备与设备之间的变化，从而提供一种用于使系统的多个用户在针对使用不同光谱仪获得的同一材料的数据之间进行有意义的比较的方式。
在许多实施方式中，基于云的服务器118为光谱仪系统100的用户提供共享在特定测量中获得的信息的方式。位于云服务器中的数据库119可以不断接收由个体用户进行的测量的结果并且实时地或以规律的间隔更新其自身。基于用户贡献的数据库119的更新可以快速扩大光谱特征对其可用的物质的数目。因此，由用户进行的每个测量可以对增加由光谱仪系统的任何用户在将来进行的测量的准确性和可靠性作出贡献。
可以使用任何适当的分析方法来分析样品材料的光谱。云服务器119、手持设备110或光谱仪102的处理器可以包括用于光谱分析的一个或多个算法。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。
在其中获得拉曼光谱的实施方式中，可以从任何荧光信号中分离拉曼信号。可以将拉曼光谱和荧光光谱两者与现有的校准光谱进行比较。在进行校准之后，可以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。
在一些实施方式中，分析不是同时发生的。在一些实施方式中，分析是实时的。
在一些实施方式中，光谱仪系统可以在本地执行对原始数据的分析。光谱仪系统可以包括具有存储于其中的光谱数据数据库的存储器、以及具有利用指令进行编程的分析软件的处理器。存储器可以是易失性的或非易失性的，以便将用户自己的测量结果存储在存储器中。备选地，可以利用位于光谱仪附近，例如，在同一房间中的计算机来提供光谱数据的数据库。备选地或组合地，光谱仪可以在将原始数据传输至诸如本文描述的云服务器118等远程服务器之前，部分地分析原始数据，其中对于较复杂的分析，可以执行较繁重的计算。
用户界面
光谱仪系统100通常具有用户界面(UI)，该用户界面提供了使用户与光谱仪系统交互的手段。通常在光谱仪系统的手持设备110的显示器上提供UI，手持设备包括处理器，处理器包括用于向显示器提供UI，例如，以移动应用的形式提供UI的指令。可以在屏幕上提供显示器。屏幕可以包括液晶显示器(LCD)屏幕、LED屏幕和/或触摸屏。UI通常经由手持设备110的显示器而被呈现给用户，并且被配置用于经由手持设备110提供的输入方法而接收来自用户的输入。
本领域普通技术人员将认识到，可对如图19所示的UI流程作出的变化和调适，其包括但不限于去除或添加一个或多个组件、按不同顺序布置的一个或多个组件和/或包括其他组件的子组件的一个或多个组件。如本文描述的处理器中的一个或多个可以包括体现用以提供用户界面的一个或多个组件或用以实现计算机界面或其组合的方法的指令的有形介质。
通常，当用户打开提供UI的应用时，用户被引导至组件“主屏幕”310。在“主屏幕”310组件中，呈现给用户的主要动作可以是经由“扫描”350组件来扫描样品材料的邀请。图21A示出了与UI的“主屏幕”310组件相对应的示例性移动应用UI屏幕。“主屏幕”310还是组件“我”320、“我的工具”330和“通用”340的进入点。“我”320提供了对私人用户信息的访问。“我的工具”330提供了对用于扫描和分析材料的个性化工具的访问。“通用”340提供了对如本文所描述的由云服务器118操作的通用数据库119中的信息的访问。
“我的工具”330可以提供对用于扫描和分析材料的个性化工具的快速访问，该访问可以直接发起而无需通过“扫描”350组件。用户可以直接建立并保存特定分析(例如，如果用户对使用光谱仪来确定奶酪中的脂肪百分比感兴趣，则他/她可以通过鉴别感兴趣的用于分析的材料和参数来建立这样的分析)。备选地或组合地，一旦用户已经使用光谱仪执行扫描，则该用户可被给予存储最爱工具/分析的选项。备选地或组合地，系统可以自动地存储常用工具/分析以便在“我的工具”下访问。“查找”322可以为用户提供在所存储的工具中搜索期望的分析工具的方式。“我的工具”还可被配置用于通知用户关于系统中可用的新工具。如本文进一步详细描述地，一旦用户从组件“查找”332选择期望的分析方法，则该用户可被邀请通过UI组件“扫描”350来发起扫描。然而，由于已经选择了分析方法，因此“扫描”350可被配置用于跳过一些中间步骤(例如，对材料的鉴别)，并直接进行到通过组件“问题的特定答案”386来显示用户查询的答案。
现在参考图19来描述用于利用光谱仪系统来扫描材料的示例性工作流程。用户可以通过按下光谱仪上或者呈现UI的移动应用上的按钮而从与UI组件“主屏幕”310相对应的屏幕(诸如图21A中所示的一个屏幕)发起扫描。当发起扫描时，UI将用户引导至与组件“扫描”350相对应的屏幕，该屏幕可以命令光谱仪开始测量、压缩和加密原始数据和/或将经压缩和加密的数据传输至手持设备的UI。
当UI接收到数据时，该UI可以发起“这是什么？”(WIT)352组件，该组件可以包括系统的主要分类算法。例如，主要分类算法可例如基于材料的光谱，通过将该光谱与存储在用户的个人数据库(存储在“我的材料”组件下)和/或通用数据库119中的已知材料的光谱进行比较，来试图确定所述材料的同一性。该算法可能产生三个不同的结果：对“通用”数据库中的类似光谱的标识，对“我的材料”数据库中的类似光谱的标识，或者未能在任一数据库中找到任何相匹配的光谱。由“这是什么？”352组件运行算法的结果可以经由“结果”354组件呈现给用户，其中如本文针对每个可能的结果的描述，用户可以查看初步鉴别结果并且具有一系列可选选项以供进一步动作。
有时，组件“确认”362可能不产生用户的正面确认。如果所测量的材料的同一性实际上与系统认为是“相匹配的”一种或多种材料不相匹配，则可以提示用户通过组件“基本贡献”368来提供关于所测量的材料的基本信息。一旦已经提供材料的基本同一性，则可以可选地要求用户通过组件“贡献特定于材料/族的更多数据”378来贡献附加数据。例如，用户可以贡献诸如材料的物理特性等元数据或图像数据。从这里，用户可被引导至“材料页面”380，在该页面中，他们可以查看关于感兴趣材料的信息，以及/或者用户可以经由组件“人<-->材料”382而参加与系统的其他用户的社交会话/交互。
当用户通过“扫描”350组件而生成光谱数据或者通过“基本贡献”368和/或“贡献更多数据”378组件而贡献非光谱数据时，数据可以被添加至通用数据库119。可以将数据自动地添加至通用数据库119，同时给予用户将贡献保持“私有”的选项(系统的其他用户不可访问)。由特定用户生成或贡献的任何数据还可被添加至存储在“我的材料”组件中的材料的用户的个人数据库。用户的个人数据库中的数据可被配置成保持私有或者要与系统的其他用户共享。备选地，个人数据库中的一些数据可被保持私有，而一些数据可以与其他用户共享。
UI还可以提供由用户支持应用开发的手段，以便鼓励用户参与开发和改进系统数据库、算法和/或用户界面。
UI还可以为研究人员提供选项(“研究人员模式”)，其中研究人员具有生成其自己的数据库，继而下载数据库的原始数据以供其自己在光谱仪系统的基础架构之外使用的能力。这样的选项可以为研究人员提供处理数据中的最大灵活性。
如本文所述，图22A-图22F示出了使手持设备的处理器提供光谱仪系统的用户界面300的方法500。
参考图22A，如本文所述，在步骤510中，初始化UI，例如，由启动提供UI的移动应用的用户初始化UI，并且向用户呈现“主屏幕”310组件。“主屏幕”310组件可以为用户呈现选择“我”、“我的工具”、“通用”或“扫描”中之一的选项。
如本文所述，在步骤520中，从步骤510中选择“我”，并且用户被引导至UI的“我”320组件。“我”320可以提供对“我的简档”322、“我的状态/特权/奖励”324和“我的材料”326中的一个或多个的访问。如本文所述，在步骤522中，执行“我的简档”322组件。如本文所述，在步骤524中，执行“我的状态/特权/奖励”324组件。如本文所述，在步骤526中，执行“我的材料”326组件。“我的材料”326可以提供对“比较”327、“记录”328或“跟踪”329中的一个或多个的访问。如本文所述，在步骤527中，执行UI的“比较”327组件。如本文所述，在步骤528中，执行UI的“记录”328组件。如本文所述，在步骤529中，执行UI中的“跟踪”329组件。
现在参考图22B，如本文所述，在步骤530中，从步骤510中选择“我的工具”，并且用户被引导至UI的“我的工具”530组件。如本文所述，在步骤532中，用户通过UI组件“查找”332选择分析方法。如本文所述，在步骤550中，使用步骤532中选择的分析方法来执行UI的“扫描”350组件。如本文所述，在步骤586中，执行UI的“问题的具体答案”386组件，其中为用户呈现可行见解。
现在参考图22C，如本文所述，在步骤540中，从步骤510中选择“通用”，并且用户被引导至UI的“通用”340组件。如本文所述，在步骤542中，执行“发展中的分支”342组件。如本文所述，在步骤544中，执行“成熟的分支”344组件。如本文所述，在步骤546中，执行“未探索的分支”346组件。
现在参考图22D，如本文所述，在步骤550中，从步骤510中选择“扫描”，并且用户被导引至UI的“扫描”350组件。如本文所述，在步骤552中，执行“这是什么？”352组件。如本文所述，在步骤554中，执行“结果”354组件。“结果”354可以提供对“通用中类似”356、“我的材料中类似”355或“WIT未识别”360中的一个或多个的访问。如本文所述，在步骤556中，执行“通用中类似”356组件，其中可以为用户提供在“通用”340与“确认”362之间进行选择的选项。如本文所述，在步骤555中，可以执行“我的材料中类似”355组件。在步骤555中，可以为用户提供在“我的材料”326或“确认”362之间进行选择的选项。如本文所述，在步骤560中，执行UI的“WIT未识别”360组件。
现在参考图22E，在步骤562中，执行UI的“确认”362组件。在步骤562中，可以为用户提供选择“比较”327、“更深层次的结果”364或“基本贡献”368中的一个或多个的选项。如本文所述，在步骤527中，执行UI的“比较”327组件。如本文所述，在后续步骤528中，执行UI的“记录”328组件。如本文所述，在步骤564中，执行UI的“更深层次的结果”364组件。在步骤564中，用户可以在“材料页面”380或“可行见解”384之间进行选择。如本文所述，在步骤584中，执行UI的“可行见解”384组件。如本文所述，在后续步骤586中，执行UI的“问题的具体答案”386组件。如本文所述，在步骤580中，执行UI的“材料页面”380组件。如本文所述，在后续步骤582中，执行UI的“人<-->材料”382组件。如本文所述，在568中，执行UI的“基本贡献”368组件。如本文所述，在后续步骤578中，执行UI的“贡献特定于材料/族的更多数据”378组件。如本文所述，在步骤578之后，用户可被引导至步骤582。
现在参考图22F，在步骤560中，执行UI的“WIT未识别”360组件。在步骤560中，用户可被引导至UI组件“已知但未鉴别的材料”370、“已知分支”372或“未探索领域”374中的一个。如本文所述，在步骤370中，执行UI的“已知但未鉴别的材料”370组件。如本文所述，在步骤372中，执行UI的“已知分支”372组件。如本文所述，在步骤370或372之后，用户可被引导至步骤578中的组件“贡献更多数据”378。如本文所述，在步骤574中，执行UI的“未探索区域”374组件。如本文所述，在后续步骤576中，执行UI的“新项目”376组件。
尽管上述步骤示出了根据实施方式的提供UI300的方法500，但本领域普通技术人员将会认识到基于本文描述的教导的许多变化。可以按不同的顺序完成步骤。可以添加或删除步骤。一些步骤可以包括其他步骤中的子步骤。用户可以根据需要经常重复许多步骤。
紧凑型光谱仪系统的应用
本文公开的光谱仪系统可被集成到跨许多行业的各种设备和产品中。为了便于在各种应用中使用该系统，光谱仪系统100可以包括处理器，该处理器包括用于针对各种应用而执行各种类型的分析的指令。本文描述了这些应用的一些示例，但决不是详尽的。
本文公开的光谱仪系统可以用于药剂应用。例如，光谱仪系统可以用于鉴别药丸。利用口袋大小的光谱仪来扫描药物可以展现每种药物具有的唯一光谱特征。药丸可以放置在密闭且经调整的洞穴中以增强从其反射的信号，并且可以执行对药丸的分析。药丸的光谱特征可以提供鉴别药丸的准确并且可靠的方式，因此有助于防止类似药物之间的混淆和/或伪造药物的使用。光谱仪系统的药剂应用的另一示例是对大麻中的活性组分水平的鉴别。大麻的活性组分(例如，四氢大麻酚(THC)、大麻二酚(CBD))可以对湿(未采摘)花序及其干燥形式的光谱范围施加独特的特征。利用手持光谱仪扫描花序可以提供对花序中的活性组分含量的快速并且准确的估计。
本文公开的光谱仪系统还可以用于宝石学应用。例如，光谱仪可以用于对宝石的鉴定。宝石具有不同于外观上相似的伪造品的光谱。利用光谱仪扫描宝石可以通过将所测量的宝石的光谱与预加载在数据库中的已知同一性和质量的宝石的光谱进行比较，来验证宝石的真伪并且提供其宣称的质量。光谱仪可以用于根据其质量而对多个宝石进行分类。由于杂质和处理可能会影响宝石的光谱特征，因此可以通过分析宝石的光谱来确定宝石的质量。利用口袋大小的光谱仪扫描多个宝石可以支持根据其光谱来对宝石进行快速又严谨的分类。
本文公开的光谱仪系统还可以用于燃料质量监测。例如，光谱仪可以用于确定燃料的类型、污染物水平、辛烷水平、十六烷水平或其他物质组成。针对此类应用的光谱仪系统可被配置用于与载具组件集成。载具组件可以是燃料系统组件，诸如载具的燃料箱、燃料管线或燃料喷射器。
实验数据
图24示出了根据实施方式的适于合并的李子和奶酪的示例性光谱。各种奶酪的光谱710和各种李子的光谱720示出为具有特定于材料类型的典型特征。典型特征例如包括光谱的一般形状、某一波长范围内的光谱中的峰和谷的数目以及光谱的所述峰和谷的相对应波长或波长范围。基于这样的典型特征，本文所述的光谱仪系统可以通过将所测量的光谱数据与存储在如本文所述的通用数据库中的各种材料的光谱数据进行比较，来确定采样材料的一般同一性(例如，“奶酪”、“李子”)。虽然图24示出了在约830nm至约980nm的波长范围内的李子和奶酪的光谱，但是可在包括不同材料的光谱的典型特征之间的一个或多个差的任何波长范围内分析所述光谱。
图25示出了根据实施方式的适于合并的、包括各种脂肪水平的奶酪的示例性光谱。所述光谱在约840nm至约970nm的波长范围中共享一般典型特征，所述典型特征使得能够将其鉴别为奶酪的光谱710，但在其特征中也具有差异，该差异对应于所测量的奶酪的脂肪水平的差异。在图25所示的光谱中，在箭头712指示的方向上，光谱倾向于从具有相对较低的脂肪含量到具有相对较高的脂肪含量。例如，相比于具有较低脂肪水平的奶酪的光谱的次峰716，具有较高脂肪水平的奶酪的光谱倾向于具有更明显的次峰714。相比于低脂肪奶酪的次峰716，高脂肪奶酪的次峰714还倾向于向右偏移(即，偏移至更高波长)；在图25中，高脂肪奶酪的次峰714的中心在920nm附近，而低脂肪奶酪的次峰716的中心在900nm附近。
图26示出了根据实施方式的适于合并的、包括各种糖水平的李子的示例性光谱。所述光谱在约860nm至约980nm的波长范围中共享一般典型特征，所述典型特征使得能够将其鉴别为李子的光谱720，但在其特征中也具有差异，该差异对应于所测量的李子的糖水平的差异。在图26所示的光谱中，在箭头722指示的方向上，光谱倾向于从具有相对较低的糖含量到具有相对较高的糖含量。例如，相比于具有较低糖水平的李子的光谱，具有较高糖水平的李子的光谱倾向于向右偏移(即，偏移至更高波长)约5-7nm。
如图25和图26所示，在相同的一般材料类型的光谱中的一个或多个光谱特征的差异可以提供关于材料的不同水平的子成分(例如，脂肪、糖)的信息。本文所述的光谱仪系统可以通过将所测量的光谱数据与存储在通用数据库中的特定材料类型的光谱数据进行比较来鉴别这样的差异，并且为用户提供关于所测量的材料的组成的信息。
图27-图29示出了根据实施方式的适于合并到尿液分析方法中的水溶液中的各种尿液成分的示例性光谱。例如，光谱仪系统可以用于检测尿液样品中的肌酸酐、钠和钾水平，并且可以关于肌酸酐水平而使钠和钾水平归一化，以便提供对用户盐摄入的有意义的测量。本文参考图23进一步详细描述了用于使用光谱仪系统进行尿液分析的这种方法。
图27示出了根据实施方式的适于合并的、包括各种肌酸酐水平的水溶液的示例性光谱。所述光谱在约1620nm至约1730nm的波长范围中共享一般典型特征，所述典型特征使得能够将其鉴别为包含肌酸酐的溶液的光谱730，但在其特征中也具有差异，该差异对应于所测量的肌酸酐的相对水平的差异。在图27所示的光谱中，在箭头732指示的方向上，光谱倾向于从具有相对较低的肌酸酐水平到具有相对较高的肌酸酐水平。例如，相比于具有较低肌酸酐水平的溶液的光谱的对应峰735(其中心在约1703nm处)，具有较高肌酸酐水平的溶液的光谱倾向于具有中心也在约1703nm处的较高峰734。而且，相比于具有较低肌酸酐水平的溶液的光谱的对应谷737(中心在约1677nm处)，具有较高肌酸酐水平的溶液的光谱倾向于具有中心也在约1677nm处的较低谷736。
图28示出了根据实施方式的适于合并的、包括各种钠水平的水溶液的示例性光谱。所述光谱在约1350nm至约1550nm的波长范围中共享一般典型特征，所述典型特征使得能够将其鉴别为含钠溶液的光谱740，但在其特征中也具有差异，该差异对应于所测钠的相对水平的差异。在图28所示的光谱中，在箭头742的方向上，光谱倾向于从具有相对较低的钠水平到具有相对较高的钠水平。例如，相比于具有较低钠水平的溶液的光谱的对应峰745(中心在约1390nm处)和747(中心在约1444nm处)，具有较高钠水平的溶液的光谱倾向于具有较高峰744(中心在约1388nm处)和746(中心在约1450nm处)。另外，相比于具有较低钠水平的溶液的光谱的对应谷749(中心在约1415nm处)，具有较高钠水平的溶液的光谱倾向于具有较低谷748(中心在约1415nm处)。
图29示出了根据实施方式的适于合并的、包括各种钾水平的水溶液的示例性光谱。所述光谱在约820nm至约980nm的波长范围中共享一般典型特征，使得能够将其鉴别为包含钾的溶液的光谱750，但在其特征中也具有差异，该差异对应于所测量的钠的相对水平的差异。在图29所示的光谱中，在箭头752指示的方向上，光谱倾向于从具有相对较低的钾水平到具有相对较高的钾水平。例如，相比于具有较低钾水平的溶液的光谱的对应峰755(中心在约942nm处)，具有较高钾水平的溶液的光谱倾向于具有较高峰754(中心在约942nm处)。而且，相比于具有较低钾水平的溶液的光谱的对应谷757(中心在约968nm处)，具有较高钾水平的溶液的光谱倾向于具有较低谷756(中心在约968nm处)。
如图27-图29所示，具有类似的一般组成(例如，肌酸酐、钠、钾)的溶液的光谱之中的一个或多个光谱特征的差异可以提供用于获得对每个成分的水平的相对测量的手段。本文所描述的光谱仪系统可以通过将所测量的光谱数据和存储在通用数据库中的特定材料成分的光谱数据进行比较来鉴别这样的差异，并且为用户提供关于所测量的样品的组成的信息。
已经使用根据实施方式的光谱仪系统和设备获取了图24和图25所示的奶酪的光谱。如图24和图26所示的李子的光谱以及图27-图29所示的水溶液中的肌酸酐、钠和钾的光谱示出了根据本文所述的实施方式的适于合并的光谱，并且本领域普通技术人员可以在无需过多实验的情况下对光谱仪进行配置以进行合适的光谱测量。例如，为了提供如本文所述的对肌酸酐水平的测量，光谱仪设备可被配置成包括本文公开的各种光学结构的组合。一个这样的示例性配置可以包括如本文所述的基于滤光器的光学器件结构，该光学器件结构与本文所述的多个照明源相结合。另一示例性配置可以包括修改本文公开的基于滤光器的光学器件结构，以支持其对落在光学系统的检测波长范围内的肌酸酐的较低强度信号的检测。备选地或组合地，可以将物质添加到尿液样品中以增加样品的在由本文描述的光学系统检测到的波长范围处的信号强度。
在许多实施方式中，光谱仪系统的处理器可被配置成具有用于执行特定步骤以便为用户提供可行见解或信息的指令。例如，对于如本文描述的尿液分析方法，处理器可被配置用于比较钠与肌酸酐的比例，以便使呈现给用户的结果归一化。
尽管具体实施方式包含许多特性，但这些不应当理解为限制本公开内容的范围，而是应当理解为阐述本公开内容的不同示例和方面。应当理解，本公开内容的范围包括以上未详细讨论的其他实施方式。可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下，在对本文提供的本公开内容的方法和装置的布置、操作和细节方面做出对于本领域技术人员将会显而易见的各种其他修改、变化和变型。
虽然本文已示出和描述了本公开内容的优选实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，此类实施方式仅以示例的方式提供。在不偏离本公开内容的范围的情况下，许多变型、变化和替换对于本领域技术人员将会是显而易见的。应当理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以采用本文描述的本公开内容的实施方式的各种备选方案。因此，本发明的范围将仅由所附权利要求及其等同物限定。