CN108700461A - 紧凑型光谱仪 - Google Patents

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Abstract

一种紧凑型光谱仪，包括激发光源；该激发光源被配置为产生激发光，并被布置成照射样品上的点。色散元件包括至少一个可移动部件，并将响应于激发光而从样品发出的输出光在空间上分成多个不同的波长带。色散元件的一可移动部件使得输出光的多个不同波长带在检测器上扫描。检测器包括至少一个光传感器，其对输出光的波长带进行感测，并响应于所感测的输出光而产生输出电信号。

Description

紧凑型光谱仪
技术领域
本申请涉及光学光谱仪，并且涉及与这种光学光谱仪相关的***和方法。
背景技术
拉曼光谱可以提供有关分子振动的信息，因此可以作为物质的特定标志。拉曼光谱法可用于样品识别和量化，可用于食品安全、环境监测、珠宝鉴定、药物检测和生产过程控制等领域。
除拉曼光谱外，样品的荧光光谱也可以作为某些化学物质存在的敏感指标。荧光光谱可用于水中重金属的痕量检测、细菌检测和DNA分析以及其他应用。
发明内容
一些实施例涉及光谱仪装置。该装置包括激发光源，该激发光源被配置为产生激发光，该激发光具有源自单个源的至少第一波长带和不同的第二波长带。激发光源布置成用第一波长带和第二波长带同时照射样品上的点。色散元件包括至少一个可移动部件。色散元件将响应于激发光而从样品发出的输出光在空间上分成多个不同的波长带。色散元件的至少一个可移动部件使得输出光的多个不同波长带在检测器上扫描。检测器包括至少一个光传感器，其对输出光的波长带进行感测，并响应于所感测的输出光而产生输出电信号。
根据一些实施例，光谱仪***包括前一段中描述的部件以及电子电路。电子电路被配置为执行激发光源的一个或多个控制功率，控制至少一个可移动部件的移动以及对检测器的电输出信号进行信号处理。
一些实施例涉及包括光学组件的光谱仪装置。光学组件包括激发光源、色散元件和检测器。激发光源配置成产生激发光，其中激发光源布置成照射样品上的点。色散元件包括至少一个可移动部件。色散元件配置成将响应于激发光而从样品发出的输出光在空间上分成多个不同的波长带。色散元件的至少一个可移动部件配置成使得输出光的多个不同波长带在检测器上扫描。检测器包括至少一个光传感器，其配置成对输出光的波长带进行感测。光学组件具有用于输出光的三维(3D)几何路径，其在样品和检测器之间改变方向至少四次。
一些实施例涉及一种光谱仪装置，其包括光学组件，该光学组件包括透镜、第一反射镜、第二反射镜和检测器。透镜接收响应于激发光而从样品发出的输出光。透镜沿着光学组件中输出光几何路径的第一部分聚焦输出光。第一反射镜反射从透镜接收的输出光并弯曲输出光的几何路径，产生几何路径的第二部分，其中几何路径的第一部分和第二部分在第一平面中。第二反射镜反射从第一反射镜接收的输出光，以产生输出光的几何路径的第三部分。输出光的几何路径的第三部分在不同于第一平面的第二平面中行进。检测器配置为检测由第二反射镜反射的输出光。
根据一些实施例，用于紧凑型光谱仪的光学组件包括透镜、凹面准直镜、色散元件和凹面聚焦镜。透镜配置为接收从样品发出的输出光。凹面准直镜配置为将来自透镜的输出光引导到光栅。色散元件配置为将输出光的不同波长在空间上分成不同的方向。凹面聚焦镜配置为将来自光栅的输出光的一部分引导到检测器。
一些实施例涉及一种光谱仪装置，其包括至少一个光源、色散元件、检测器、处理器以及包围光源、色散元件、检测器和处理器的壳体。至少一个光源配置为产生激发光，该激发光照射样品上的点。至少一个光源还配置为产生校准光。色散元件包括至少一个可移动部件。色散元件将响应于激发光和校准光而从样品发出的输出光在空间上分成多个不同的波长带。至少一个可移动部件配置成在检测器上扫描输出光的多个不同波长带和校准光。检测器包括多个传感元件。多个感测元件中的至少一个第一元件配置为对校准光的波长带进行感测，并且响应于所感测的校准光而输出电校准信号。多个感测元件中的至少一个第二感测元件配置为对输出光进行感测，并响应于所感测的校准光而输出电输出信号。处理器配置为使用校准信号调整输出信号。
在下面的详细描述中，本申请的这些和其他方面将是显而易见的。然而在任何情况下，上述发明内容都不应被解释为对所要求保护的主题进行限制，该主题仅由所附权利要求限定。
附图说明
图1是根据一些实施例的光谱仪***的框图；
图2是适合用作结合图1描述的***的激发光源的光源的框图；
图3是示出根据一些实施例的光谱仪装置的概念图；
图4示出了根据叠加在532nm波长激光信号和1064nm波长激光信号上的一些实施例的合适激光线滤波器(LLF)的透射光谱；
图5示出了适用于光谱仪装置的一些实施例的双频带陷波滤波器的透射光谱；
图6A至6D示出了根据一些实施例的用于光谱仪装置的光学组件的各种视图；
图7是根据一些实施例的光谱仪装置的框架的照片；
图8是根据一些实施例的框架、光学组件的部分和包含在壳体中的电子电路的透视图；
图9A描绘了具有球形表面曲率的反射镜；
图9B描绘了具有非球面表面曲率的反射镜；
图10显示了氖灯泡的光谱；
图11示出了根据一些实施例的具有实时校准能力的光谱仪装置的光学部件；
图12更详细地示出了图11的校准灯的校准部件和几何光路；以及
图13示出了根据一些实施例的当光栅旋转时传感元件1和2的光电流随时间的变化。
这些附图不一定按比例绘制。图中使用相同的数字表示相同的部件。然而，应当理解，使用数字来指代给定附图中的部件并不旨在限制另一个图中标记有相同数字的部件。
具体实施方式
本文公开的实施例总体上涉及光学光谱仪，包括拉曼光谱仪和荧光光谱仪，以及涉及这些光谱仪的***和方法。
图1是根据一些实施例的光谱仪***100的框图。在各种实施例中，光谱仪***100可以基于单个或多个波长的光。可以使用单个或多个检测器。在一些实施例中，使用多个检测器来增强波长扫描范围、灵敏度和信噪比(SNR)。例如，光谱仪***100可包括拉曼光谱仪和/或荧光光谱仪。
***100包括光谱仪装置105，其具有由图1中的虚线包围的部件。装置105包括激发光源110，激发光源110配置为产生激发光160，其用于激发样品120。色散元件130包括至少一个可移动部件。色散元件130配置成将响应于激发光160而从样品120发出的输出光170在空间上分成多个不同的波长带。色散元件130的至少一个可移动部件在检测器140上扫描输出光的多个不同波长带180。检测器140包括至少一个光传感器，其对输出光的波长带180进行感测，并响应于输出光的波长带180而产生电检测器输出信号190。
光谱仪装置105包括电子电路150。根据一些实施例，电子电路150可包括控制器，其产生至少一个控制信号151、152来控制激发光源110的功率和/或色散元件130的至少一个可移动部件的移动。根据一些实施例，电子电路150可以包括信号处理器，其处理检测器输出信号190并生成包括关于样品的信息的处理信号152。例如，信号处理器可以执行检测器130的一个或多个输出信号的模数转换。电子设备150可以包括通信电路，该通信电路被配置为将处理后的数字信号发送到诸如智能手机的辅助装置199。在各种实施方式中，来自光谱仪设备的数字信号可以通过有线或无线信道153发送到辅助装置。在一些实施例中，电子电路150可以全部或部分用硬件实现。在一些示例性实施例中，电子电路150可以以固件、在微控制器或其他设备上运行的软件、或硬件、软件和固件的任何组合来实现。
由光谱仪装置105的电子电路150捕获的包括关于样品的信息的数据可以被传送到辅助装置199，辅助装置199包括被配置为分析数据和/或上传数据和/或分析结果到云或其他存储的分析器198。例如，分析器198可以将由光谱仪装置105捕获的样品光谱与一个或多个已知光谱进行比较，以识别样品中的物质。在一些实施例中，分析器198可以使用来自耦合到色散元件的角度传感器的输出来确定输出光的光谱特性，例如激励信号和输出信号之间的波长偏移量。
光谱仪***100的一个应用是食品安全应用。例如通过将某种食物的光谱与来自食品制造商的权威光谱进行比较，光谱仪***100可以验证食物是否安全和/或食物是否已经被改变。
在一些实施方案中，激发光源110可包括发射多个不同波长带的单个光源。布置光源使得激发光的多个波长带同时照射样品上相同的点。多个波长带可用于单独或同时产生输出光，例如拉曼信号或荧光信号。
图2是适合用作结合图1描述的***100的激发光源110的光源200的框图。光源200包括发射第一波长带的激发光的激光器220。光源包括光学元件230，光学元件230被配置为将激发光的第一波长带的一部分转换为激发光的第二波长带，其中第二波长带不同于第一波长带。在各种实施例中，光学元件230可以设置在激光器220的激光腔内或激光器220的激光腔外。光学元件230可以是二次谐波发生器，其配置为通过使激发光的第一波长带的频率加倍来产生激发光的第二波长。在一些实施例中，激光器220包括固态激光器，例如二极管泵浦固态(DPSS)激光器。泵浦激光器220的二极管210发射不同于第一波长带和第二波长带的第三波长带的光。在通过二极管210泵浦激光器220的配置中，光源200可以布置成使得二极管210发射的泵浦光也同时照射样品上的点。第一、第二和第三波长带的特征在于中心峰值波长，并且不同之处在于在第一、第二和第三波长带之间存在较低或基本为零的波长重叠。在一些配置中，第一波长带可以以约1064nm为中心，第二波长带可以以约532nm为中心，和/或第三波长带可以以约808nm为中心。通过在激发光的几何路径中使用适当的带通滤波器，可以选择任何一个或多个波长来照射样品。
来自样品的激发光和/或输出光遵循光可折叠的几何路径，使得光的几何路径的总长度(包括激发光和输出光)大于光谱仪设备壳体的长度。在一些实施例中，输出光的几何路径的长度大于光谱仪装置壳体的长度。例如，光谱仪装置的光的几何路径可包括三维(3D)折叠的几何路径。输出光的三维折叠几何路径可包括位于第一平面中并包括第一弯曲部的第一部分和位于不同的第二平面中并包括第二弯曲部的第二部分。
图3是示出根据一些实施例的光谱仪装置300的概念图。从光源301发出的光301'被引导到分束器303，分束器303设置在光源301和样品305之间的激发光的几何路径上。例如，分束器303可以包括二向色带通滤波器和/或45度陷波滤波器。分束器303反射激发光302'，同时使输出光303'以大于或小于激发光302'的波长通过。如前所述，光源301可以包括配置成以多个波长带发射光的激光器。例如，激光器可以是如前所述的二极管泵浦固态激光器。
在一些实施例中，可以存在激光线滤波器302，例如带通滤光器，设置在光源301和分束器303之间和/或分束器303和样品305之间。激光线滤波器302配置为使光源301发射的光的一个或多个波长带基本上通过，并且基本上阻挡其他波长，例如激发光的边带波长。如果没有阻挡，这些边带波长可能会干扰输出光的检测。根据一些实施例的合适激光线滤波器(LLF)的透射光谱401在图4中示出，叠加在532nm波长激光信号和1064nm波长激光信号上。
为了减少环境光的干扰，可以以频率Fm调制激发光源301。因此，可以使用锁定放大器或者使用包括例如傅里叶变换的信号处理从输出光信号中去除环境光。
响应于入射在样品305上的激发光304'，样品305发出输出光305'。例如，输出光305'可能是来自激发光304'的拉曼散射和/或激发光304'的吸收和荧光输出光305'的重新发射。输出光305'可以由准直透镜304准直，穿过分束器303到达光学陷波滤波器306。光学陷波滤波器306可用于使准直光学输出信号303'基本上通过，并基本上阻挡激发光301’，302'。图4中示出了合适的陷波滤波器的透射光谱402的示例，其指示在激发光波长532nm和1064nm处的实质阻挡以及在其他波长处的实质传输。图5示出了适用于光谱仪装置的一些实施例的双频带陷波滤波器的透射光谱。双频带陷波滤波器可用于阻挡多个波长带的激发光，同时传输输出光信号。
根据一些实施例，经滤光的输出光306'通过聚焦透镜307聚焦到狭缝308上，聚焦透镜307设置在滤波器306和狭缝308之间的输出光的几何路径上。从狭缝出射的输出光308'遇到凹面镜309，凹面镜309将光308'重定向到色散元件310上。例如，色散元件310可以包括衍射光栅311，例如反射式衍射光栅，其将输出光分成空间分离的波长带310'。在一些实施例中，衍射光栅311可以是可移动的，使得衍射光栅311的旋转在检测器320上扫描输出光的波长带314。当光栅311旋转时，检测器320在扫描输出光时以一定角度捕获输出光。与衍射光栅311的旋转轴相关联的角度传感器313用于监视光栅311的角度。因此，波长和光强度可以相关联以获得输出光的光谱。
可以使用安装到衍射光栅311并且配置成旋转衍射光栅311的光栅致动器312来实现旋转光栅310。光栅致动器312旋转衍射光栅311时，当衍射光栅311处于不同的位置角度，输出光的不同波长带落在检测器320上。例如，光栅致动器312可包括马达、形状记忆合金(SMA)致动器、肌肉线致动器、螺线管致动器和/或压电致动器中的一个或多个。例如，肌肉线致动器基于SMA线的温度相关长度。当在电线上施加电压时，可以获得最高约60度的旋转角度，或者在某些情况下甚至可以获得高于60度的旋转角度。
在一些实施例中，色散元件包括光栅角度传感器313，其配置成检测衍射光栅311的位置角度。例如，光栅角度传感器313可包括磁角度传感器、基于微机电***(MEMS)的陀螺仪、成像传感器阵列、光学位置感测检测器和电容传感器中的至少一个。例如，磁角度传感器通过测量安装在光栅上的永磁体的场方向来感测角度变化。
衍射光栅311的角度可用于确定波长带的光谱特性。例如，衍射光栅311的角度可用于指示激发光和输出光之间的波长偏移量。可以基于样品的拉曼波长偏移或荧光来检测样品中存在的物质。在一些实施方案中，可通过对围绕激发光中心频率的多个波长进行采样来获得样品的拉曼光谱。拉曼波长偏移可能与样品中的物质有关。怀疑存在于样品中的物质的荧光特性可以通过对与怀疑的物质的荧光响应相关的波长进行采样来获得。
在一些实施例中，光谱仪装置300可包括可移动的聚焦镜315，其配置成将色散元件310的波长带310'聚焦到检测器320上。可移动反射镜315包括聚焦反射镜元件316和反射镜致动器317，其中反射镜致动器317配置成将聚焦反射镜元件316旋转到不同的旋转反射镜角度。例如，反射镜致动器317可包括马达、形状记忆合金(SMA)致动器、螺线管致动器和/或压电致动器中的一个或多个。
在一些实施例中，可移动反射镜315包括反射镜角度传感器318，其配置成检测反射镜元件316的位置角度。例如，反射镜角度传感器318可包括磁角度传感器、基于微机电***(MEMS)的陀螺仪、成像传感器阵列、光学位置感测检测器和电容传感器中的至少一个。衍射光栅的角度可以与波长带的光谱特性相关联。例如，衍射光栅的角度可以与激发光和输出光之间的波长偏移量相关。
由衍射光栅角度传感器313和/或反射镜角度传感器318感测的衍射光栅311的角度和/或反射镜元件316的角度可用于确定波长带的光谱特性。例如，衍射光栅311的角度和/或反射镜316的角度可用于指示激发光和输出光之间的波长偏移量。
来自聚焦镜315的光315'的聚焦波长带被引导通过一个或多个狭缝323到达检测器320。在一些实施例中，检测器320包括多个光传感器321a、321b、321c、321n，并且在一些实施例中，仅使用单个传感器。在一些实施方案中，检测器320可包括成像传感器阵列。根据一些实施例，一个或多个光传感器包括InGaAs传感器。
每个传感器321a、321b、321c和321n都可以与具有特定通带的光学带通滤波器322相关联。每个滤光器322都可以具有与其他滤光器不同的通带，使得每个光传感器321a-n都对输出光的光谱的特定部分敏感。用于合适的带通滤波器的透射光谱403和404在图4中示出。在一些实施例中，具有透射光谱403的带通滤波器可以用于光学滤波器322中的一个，并且透射光谱404可以用于光学滤波器322中的另一个。透射光谱403显示为叠加在响应于532nm激发光的拉曼散射而产生的输出光上。透射光谱404显示为叠加在响应于1064nm激发光的拉曼散射而产生的输出光上。使用这些带通滤波器322，可以防止由更高阶衍射或反斯托克斯拉曼位移引起的串扰。
在图4所示的拉曼光谱中，由于532nm光引起的荧光，导致532nm激发光产生的信号基线不平坦。在由1064nm激发波长产生的光谱中，可以观察到更强的荧光信号。通过使用可切换的激光线路滤波器，例如其可以是机械可移动的滤波器或电可调滤波器，可以使用一个或两个波长带作为激励。
在使用532nm和1064nm激发波长的光谱仪中，532nm光比1064nm光更容易产生荧光。对于某些材料，荧光产生的效率是拉曼信号产生的数千倍。通过分析荧光光谱，可以获得关于待测样品的更多信息。因此，对于某些材料，光谱仪可用作荧光分光光度计。
与使用单个传感器的光谱仪相比，使用多传感器方案的光谱仪可以降低噪声水平。通过使用多个检测点，SNR的减少可以是检测器数量的平方根。另外，多传感器检测方案可以在硬件级别从拉曼信号中减去荧光信号，从而提供更准确和更有效的检测。通过使用多传感器检测，可以使用两种或更多种不同类型的光传感器，例如(两个或更多个电荷耦合器件(CCD)、半导体光电探测器、Si光电探测器、InGaAs光电探测器、Ge光电探测器、光电倍增管、固态光电倍增管(APD)和/或APD阵列。使用不同类型的光电探测器可以显著增加波长扫描范围和灵敏度。
一些实施例涉及一种光谱仪，其具有包括折叠几何光路的光学组件和配置成减小光谱仪尺寸的光学部件。本文公开的光学组件能够实现高光谱分辨率并且无需长焦距光学器件。根据本文公开的实施例，光谱仪的尺寸可以大大减小到比传统手持式光谱仪小得多的尺寸，使得所公开的光谱仪足够小，便于携带并且便于现场材料识别。
在一些传统的光学光谱仪中，几何光路在单个平面中折叠，使得所有光学部件都安装在同一平台上。这种配置的优点是光学对准的便利性。然而，缺点是光谱仪具有相对大的尺寸。本文公开的光谱仪包括光学组件，该光学组件包括三维折叠的几何光路，使得光学组件的所有部件都可以集成到更小的封装中。如本文所使用的，三维折叠几何光路意味着包括至少一个弯曲部的几何光路的一部分在第一平面中并且包括至少第二弯曲部的几何光路的第二部分在第二平面中，该第二平面不同于所述第一平面。如本文所用，“弯曲部”被定义为几何光路方向的变化，使得弯曲部之前的几何光路和弯曲部之后的几何光路限定一个平面。
这里描述的光谱仪能够实现更紧凑的***，使得在一些配置中，光谱仪装置从光源到检测器的光学组件可以用一只手的手掌握住。在一个实例中，容纳光学组件的外壳的最长尺寸基本上小于从光源到检测器的光的几何路径长度，例如，光度计的光学组件的最长尺寸可以保持小于从光源到检测器的几何光路总长度的1/2，并且在某些情况下小于1/3。因此，在一些实施例中，光谱仪的光学组件的尺寸小于150mm×40mm×50mm。
在光学***中，来自激光器的激发光可以响应于激发光而产生输出拉曼和/或荧光信号。然后通过一组光学部件，包括一个或多个透镜、一个或多个滤波器、一个或多个反射镜、至少一个衍射光栅和/或一个或多个狭缝，输出光由光电探测器收集。光学部件的选择和布置确保了高光谱分辨率和高光收集效率。从输入狭缝到输出狭缝，光谱仪实际上是1：1成像***。为了减小光学像差，可以在光学***中使用一对90度的离轴非球面镜。
如前所述，光谱仪使用诸如激光的光源。例如，具有窄谱线宽度的半导体激光器可以用作激发源。为了收集和分析产生的拉曼和/或荧光信号，光谱仪可以使用以下主要部件来形成具有相对高分辨率的光谱仪，例如小于约0.2nm。
在一些实施例中，光谱仪包括输入狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜、输出狭缝和光电探测器。光栅可以围绕其轴旋转较大角度，例如，大于约40度，或者大于约45度，或甚至大于约50度，以便覆盖宽的光谱范围。光检测器前面的光谱处理和滤波部件可包括例如准直透镜、激光线阻挡滤波器和/或聚焦透镜中的一个或多个。
现在参照图6A至6D，示出了用于光谱仪的光学组件600的若干视图，从各种角度示出了光学组件。
部件601至部件617附接到图7所示的框架700。框架700，光学组件600的部分和电子电路850包含在壳体801中，如图8所示。在光谱仪运行期间，电子电路850收集频谱数据并且可以通过蓝牙或其他无线或有线通信协议将数据发送到智能电话，如前所述。
现在回到图6A至6D，示出了根据一些实施例的光学组件600。光学组件600包括产生激发光的激发光源601，例如激光。反射镜602将激发光重定向到长通分束器603。在一些实施例中，长通分束器可以由陷波滤波器代替。分束器603引导激发光通过聚焦透镜604，聚焦透镜604将激发光聚焦到容纳在瓶子中的样品699上。
响应于激发光而从样品699发出的输出光由聚焦/准直透镜604准直，并通过分束器603。输出光与光学陷波滤波器605相互作用，光学陷波滤波器605使准直输出光基本上通过，并基本上阻挡激发光。陷波滤波器可具有约12.5mm的直径。聚焦/准直透镜可以具有例如约9mm的焦距和约9mm的直径。输出光由透镜606聚焦到狭缝607上。输入狭缝607可具有例如约3mm×约0.03mm的尺寸。从激光器601到反射镜607的几何光路在第一平面691中，如图6D所示。
输出光通过反射镜608至611重新定向通过多个弯曲部，直到输出光入射到光栅612上。反射镜608和609沿图6A至6D中所示的z轴将几何光路向下移动到较低水平，并进入第二平面692。在一个实施例中，反射镜607将光向下重定向90度，反射镜608将光重新定向另一个90度，使得离开反射镜608的几何光路在第二平面692中，尽管其他角度也是可能的。在所示实施例中，第二平面692大致平行于第一平面691。然后，透过狭缝607的光被凹面镜610准直，被反射镜611反射并被引导到光栅612上。在一些实施例中，光栅是全息反射光栅，其空间频率为约2400l/mm。反射镜610可以包括准直镜，并且可以例如是抛物面镜或非球面镜。如前所述，光栅可以是可旋转的，并且可以与检测光栅旋转位置的角度传感器相关联。输出光被光栅在空间上分成多个波长带，并且被引导到反射镜613，反射镜613将输出光重定向到聚焦镜614。聚焦镜可以是具有约50mm焦距的凹银镜。聚焦镜614将输出光重定向到反射镜615，通过狭缝616并到达检测器617。输出狭缝的尺寸可以是例如约3mm×约0.03mm。在一些实施例中，光电检测器可以是单元件硅检测器。
反射光栅612将不同波长的光衍射成不同的角度，使得每个波长都对应于一个角度。然后，沿着图6A到6D所示的z轴，衍射光束被反射镜613引导到上层的凹面镜614。在所示实施例中，从反射镜613到光电探测器617的几何光路保持在上层。在一些实施例中，上层可以与平面691相同，但是在一些实施例中，上层可以位于与平面691和692不同的第三平面693中。第三平面693可以基本上平行于或不平行于平面691和平面692。第二平面692可以基本上平行于或不平行于平面691和693。
凹面镜614将光束聚焦到输出狭缝616上。在光栅612的每个设定角度，只有非常窄的波长范围可以通过狭缝616并被光电探测器617接收。光栅旋转机构618旋转光栅612以将不同波长的光移动到光电检测器617上。当光栅612旋转时，不同波长的光到达光电探测器617，从而允许获得连续光谱。
光谱仪的分辨率高度依赖于***的成像质量。通常像差越低，可以获得的分辨率越高。为了确保低像差，两个凹面镜610和614的表面曲率应该是非球面而不是球面。如图9A和9B所示，当90度离轴镜的表面曲率是如图9A中那样的球面时，准直输入光不能由于称为球面像差的效应而主要聚焦到紧密点。如图9B所示应用非球面曲率是减少球面像差和实现高光谱分辨率的有效方式。
参考图6A至6D，一些实施例涉及能够进行拉曼和/或荧光分析的紧凑型光谱仪。光学组件限定激发光601和检测器617之间的几何光路。几何光路可以折叠，显示多个弯曲部。例如，如图6A至6D所示，光学组件使用部件602、603和608-615，其使得几何光路经历多个弯曲部。根据各种实施例的光学组件可以使用使得几何光路沿光路弯曲3-15次的部件。例如，在一些实施例中，光学组件可具有使得几何光路在样品和检测器之间弯曲至少约4次或甚至最高达约15次或更多次的部件。这些部件可能导致几何光路在样品和衍射光栅之间弯曲至少4次或最多约10次。光谱仪包括光学组件600，光学组件600具有透镜606以接收由样品699散射的光。透镜606沿光路的第一部分聚焦光。第一反射镜608反射从透镜606接收的光以弯曲几何光路并产生几何光路的第二部分，并且几何光路的第一部分和第二部分在第一平面691中。第二反射镜609反射从第一反射镜606接收的光以产生几何光路的第三部分，几何光路的第三部分在不同于第一平面691的第二平面692中行进。光谱仪包括检测器617，用于检测由第二反射镜609反射的光。
紧凑型光谱仪的光学组件600还包括光栅612，用于接收来自第二反射镜609的光并将从第二反射镜609接收的光在空间上分成具有不同角度的波长带，每个角度都对应于由光栅所接收的光的波长带。在一些实施例中，可以设置马达或其他致动器来旋转光栅612。光谱仪的光学组件600还包括凹面镜610，以准直并将来自光栅612的光引导到检测器617。在一些实施例中，凹面准直镜610可以是非球面的。在一些实施例中，凹面准直镜可以是抛物面的。检测器617可包括尺寸小于约3mm至约13mm的光电检测器。紧凑型光谱仪的光学组件还包括光源601，以产生光以引导到样品617上。
利用光学组件600的光谱仪的外壳的最长尺寸小于从光源到检测器的光的总几何路径长度的一半。包括光学组件600的光谱仪的外壳的最长尺寸可以小于从光源601到检测器617的光的总几何路径长度的约一半或甚至小于约三分之一。例如，光谱仪外壳的最长尺寸可小于约6英寸。壳体的总体积可小于约500cm3或小于约300cm3。壳体的长度可小于约150mm，壳体的宽度可小于约40mm，壳体的高度可小于约50mm。
一些实施例涉及能够进行实时校准的光谱仪，其中实时校准意味着输出光和校准光的测量可以同时或以较短的时间间隔进行。在使用光栅扫描方法的传统光谱仪中，通常波长与光栅的旋转角度相关。通过用光学编码器或其他旋转传感器监测旋转角度，可以获得未知光信号的波长。然而，校准通常由工厂在光谱仪寿命开始时和/或以周期性间隔进行，以校正光栅角度读数的长期漂移。这些传统光谱仪的校准是一个专门的程序，光谱仪在校准期间不能用于样品测量。
本文公开的实施例使用包括在光谱仪中的微型光源进行校准。来自微型光源的光和待测量的未知光信号由光栅同时扫描。
在传统的光谱仪中，校准数据作为查找表存储在存储器中。每次校准后都会更新查找表。如果未及时进行校准，则测量结果可能是错误的。相反，根据本文公开的方法，可以实时校正波长误差。
本文公开的实施例涉及一种能够进行实时校准的光学光谱仪，从而可以精确地获得拉曼和/或荧光信号的波长。如图11所示，包括实时校准能力的光谱仪装置1100包括具有已知发射光谱线的光源，例如氖灯泡、氩灯泡或多波长激光器作为校准光源。在一些实施例中，光谱仪包括光导，例如棱镜，以将来自校准光源的光引导到光谱仪中。
光谱仪的检测器可以包括两个光传感器，一个用于检测拉曼/荧光信号，一个用于检测校准光。
图10示出了氖灯泡的光谱作为实例。它具有25个峰值，其已知波长在580nm至750nm的范围内。使用这些峰值作为参考，可以高精度地校准光谱仪。图11示出了根据一些实施例的具有实时校准能力的光谱仪装置的部分。图11中所示光学组件1100与图6A至6D中所示的光学组件600具有许多相似性，类似的部件用相同的参考编号表示。光学组件1100与光学组件600的不同之处在于它包括配置成产生校准光的校准光源1118。例如，在一些实施例中，校准光源1118可以是氖灯泡、氩灯泡或多波长激光器。当使用多波长激光器时，激发光和校准光都可以由单个光源产生。多波长激光器可以配置为发射处于至少第一波长带和第二波长带的光，其中激发光包括从多波长激光器发射的处于第一波长带的光，并且校准光包括从多波长激光器发射的处于第二波长带的光。校准光通过光导1119到达光栅612并最终到达双元件检测器1117。
图12更详细地示出了校准光的校准分量和几何光路。参考图11和12，来自激发光源601的激发光依次与包括反射镜602和长通光束分离器603在内的部件相互作用，然后通过透镜604聚焦到包含在瓶子中的待测试样品699上。样品向光学组件散射或发射输出光，输出光可以包括例如拉曼、荧光，并且输出光由准直透镜604收集。
输出光由透镜604收集，透镜604用作输出光的准直透镜。在通过滤波器603和605之后，准直光束被透镜606聚焦到狭缝607上。随后，如前所述，反射镜608和609将几何光路向下移动到较低水平(沿z轴)。然后，透过狭缝607的光被凹面镜610准直，被反射镜611反射并被引导到光栅612上。
反射光栅612将不同波长的光衍射成不同的角度，使得每个波长都对应于一个角度。然后，衍射光束被反射镜613引导到凹面镜614。凹面镜614将光束聚焦到输出狭缝616上。在光栅612的每个设定角度，只有非常窄的波长范围可以通过狭缝616并被光电探测器1117接收。光栅旋转机构618旋转光栅612以将不同波长的光移动到光电检测器1117上。当光栅旋转时，不同波长的光到达光电探测器1117，从而允许获得输出光的连续光谱。
用于波长校准的校准光由灯泡1118发射并通过棱镜1119引导到输入狭缝607。校准光的几何路径在图12中最佳地示出。校准光和输出光都依次与部件607至616相互作用。校准光点与输入狭缝607处的输出光点之间存在间隙。通过由光栅和反射镜组成的色散***，两个光点成像到光电二极管检测器1117中的两个传感元件(传感元件1和传感元件2)上。两个传感元件之间的间隙等于输入狭缝607处的输出光和校准光点之间的间隙。在光栅的每个设定角度，两个传感元件接收相同波长的光，尽管它们来自不同的光源，其中一个来自氖灯泡，另一个来自被测样品。
图13的上部示出了当光栅旋转时传感元件2的光电流随时间的变化。图13的下部示出了当光栅旋转时传感元件1的光电流随时间的变化。在该示例中，由传感元件2感测的输出光来自钻石样品，而由感测元件1感测的校准光来自氖灯泡。根据一些实施例，通过使用两条校准光谱线作为参考来获得拉曼输出信号的波长w。如图13所示，传感元件1在时间t1接收波长为w1的校准光，在时间t2接收波长为w2的校准光。在t1和t2之间，传感元件2在时间t接收菱形的拉曼信号。菱形拉曼信号的波长w可以通过例如设置在光谱仪壳体801(参见图8)内的处理器，使用以下等式计算，
w＝w1+(w2-w1)/(t2-t1)*(t-t1) [等式1]
对于等式1，假设光栅的旋转速度在时间t1和t2之间基本上是均匀的。
类似地，如果使用连接到光栅的旋转电位计代替时间来监视光栅的旋转，则可以使用电位计的电阻读数来计算拉曼信号的波长。例如，如果电位计在w1、w和w2处的读数分别为R1、R和R2，则可以使用以下等式获得未知波长w，
w＝w1+(w2-w1)/(R2-R1)*(R-R1) [等式2]
本文描述的实施例涉及用于紧凑型光谱仪的实时波长校准机构。校准机构包括具有已知光谱线的光源，例如氖灯泡。根据一些实施方式，校准机构可以使用光导将校准光引导到光谱仪的输入狭缝。例如，光导可以包括棱镜、光纤、透镜、反射镜或这些部件的组合。
本文公开的实施例包括：
实施例1。一种光谱仪装置，包括：
激发光源，被配置为产生激发光，该激发光具有源自单个源的至少第一波长带和不同的第二波长带，所述激发光源被设置为用第一波长带和第二波长带同时照射样品上的点；
色散元件，包括至少一个可移动部件，所述色散元件被配置为将响应于所述激发光而从所述样品发出的输出光在空间上分成多个不同的波长带，所述至少一个可移动部件配置成在检测器上扫描输出光的多个不同波长带；以及
检测器，包括至少一个光传感器，被配置为对输出光的波长带进行感测，并响应于所感测的输出光而产生输出电信号。
实施例2。根据实施例1所述的装置，其特征在于输出光包括拉曼信号。
实施例3。根据实施例1至2其中任何一个所述的装置，其特征在于输出光包括荧光。
实施例4。根据实施例1至3其中任何一个所述的装置，其特征在于该装置的光路包括三维(3D)折叠的几何光路，该三维折叠的几何光路包括位于第一平面中并包括第一弯曲部的第一部分，以及位于不同的第二平面中并包括第二弯曲部的第二部分。
实施例5。根据实施例1至4其中任何一个所述的装置，其特征在于单个激发光源包括：
发射第一波长带的激发光的激光器；以及
光学元件，被配置为将激发光的第一波长带的一部分转换为激发光的第二波长带。
实施例6。根据实施例4所述的装置，其特征在于光学元件设置在激光器的激光腔内。
实施例7。根据实施例4所述的装置，其特征在于光学元件设置在激光器的激光腔外。
实施例8。根据实施例4所述的装置，其特征在于：
激光器包括固态激光器；以及
光学元件包括二次谐波发生器，被配置为使激发光的第一波长带的频率加倍。
实施例9。根据实施例8所述的装置，其特征在于：
激光器由二极管泵浦，二极管发射具有第三波长带的泵浦光；以及
激发光源被设置成使泵浦光照射光点。
实施例10。根据实施例9所述的装置，其特征在于第三波长带以约808nm为中心。
实施例11。根据实施例9所述的装置，其特征在于第一波长带以约1064nm为中心。
实施例12。根据实施例9所述的装置，其特征在于第二波长带以约532nm为中心。
实施例13。据实施例1至12其中任何一个所述的装置，其特征在于进一步包括设置在光源和样品之间的光路中的分束器。
实施例14。根据实施例13所述的装置，其特征在于进一步包括设置在光源和分束器之间或分束器和样品之间的激光线滤波器，激光线滤波器配置成使第一波长带和第二波长带基本上通过，并基本上阻挡其他波长带。
实施例15。根据实施例14所述的装置，其特征在于分束器包括二向色带通滤波器。
实施例16。根据实施例14所述的装置，其特征在于分束器包括45度陷波滤波器。
实施例17。根据实施例16所述的装置，其特征在于进一步包括光学滤波器，设置在样品和分束器之间的光路中，被配置为使输出光基本上通过，并基本上阻挡激发光。
实施例18。根据实施例17所述的装置，其特征在于进一步包括：
设置在光路中的狭缝；以及
透镜，设置在滤光器和狭缝之间的光路中，透镜配置成将拉曼信号聚焦到狭缝上。
实施例19。根据实施例18所述的装置，其特征在于进一步包括凹面准直镜，配置为接收来自色散元件的输出光。
实施例20。根据实施例18所述的装置，其特征在于进一步包括凹面镜，配置成将光引导到色散元件上。
实施例21。根据实施例19至20其中任何一个所述的装置，其特征在于进一步包括反射镜致动器，配置为旋转凹面镜。
实施例22。根据实施例21所述的装置，其特征在于反射镜致动器包括配置成旋转凹面镜的马达。
实施例23。根据实施例21所述的装置，其特征在于反射镜致动器包括形状记忆合金(SMA)致动器，其被配置为旋转凹面镜。
实施例24。根据实施例21所述的装置，其特征在于反射镜致动器包括螺线管致动器，其配置成旋转凹面镜。
实施例25。根据实施例21所述的装置，其特征在于反射镜致动器包括压电致动器，其配置成旋转凹面镜。
实施例26。根据实施例21所述的装置，其特征在于进一步包括反射镜角度传感器，被配置为检测反射镜的旋转角度。
实施例27。根据实施例26所述的装置，其特征在于反射镜角度传感器包括以下中的至少一个：
磁角度传感器；
基于MEMS的陀螺仪；
成像传感器阵列；
光学位置传感探测器；
电容传感器。
实施例28。根据实施例1至27其中任何一个所述的装置，其特征在于色散元件包括：
衍射光栅，被配置为对输出光的波长带进行衍射；以及
光栅致动器，安装在衍射光栅上并配置成旋转衍射光栅，其中光栅致动器旋转衍射光栅时，当衍射光栅处于不同的位置角度，输出光的不同波长带落在检测器上。
实施例29。根据实施例28所述的装置，其特征在于进一步包括光栅角度传感器，被配置为检测光栅的位置角度。
实施例30。根据实施例28所述的装置，其特征在于光栅致动器包括马达，其配置成旋转衍射光栅。
实施例31。根据实施例28所述的装置，其特征在于光栅致动器包括形状记忆合金SMA致动器，其配置成旋转衍射光栅。
实施例32。根据实施例28所述的装置，其特征在于光栅致动器包括螺线管致动器，其配置成旋转衍射光栅。
实施例33。根据实施例28所述的装置，其特征在于光栅致动器包括压电致动器，其配置成旋转衍射光栅。
实施例34。根据实施例28所述的装置，其特征在于进一步包括光栅角度传感器，被配置为检测光栅的位置角度。
实施例35。根据实施例1至34其中任何一个所述的装置，其特征在于至少一个光传感器仅包括一个光传感器。
实施例36。根据实施例1至35其中任何一个所述的装置，其特征在于所述至少一个光传感器包括InGaAs传感器。
实施例37。根据实施例1至37其中任何一个所述的装置，其特征在于检测器包括：
第一光传感器和第二光传感器；以及
与第一光传感器相关联的第一带通滤波器和与第二光传感器相关联的第二带通滤波器。
实施例38。根据实施例37所述的装置，其特征在于：
第一带通滤波器被配置为使响应于激发光第一波长带的输出光基本上通过，并且基本上阻挡响应于激发光第二波长带的输出光；第二带通滤波器被配置为使响应于激发光第二波长带的输出光基本上通过，并且基本上阻挡响应于激发光第一波长带的输出光。
实施例39。根据实施例1至38其中任何一个所述的装置，其特征在于进一步包括校准机制，配置为允许设备的实时校准。
实施例40。一种光谱仪***，包括：
一种光谱仪装置，包括：
激发光源，被配置为产生激发光，该激发光具有源自单个源的至少第一波长带和不同的第二波长带，所述激发光源被设置为用第一波长带和第二波长带同时照射样品上的点；
色散元件，包括至少一个可移动部件，所述色散元件被配置为将响应于所述激发光而从所述样品发出的输出光在空间上分成多个不同的波长带，所述至少一个可移动部件配置成在检测器上扫描输出光的多个不同波长带；以及检测器包括至少一个光传感器，配置成检测输出光的波长带，并响应输出光产生电输出信号；以及
电子电路，被配置为执行激发光源的一个或多个控制功率，控制至少一个可移动部件的移动以及对检测器的电输出信号进行信号处理。
实施例41。根据实施例40所述的***，其特征在于输出光由拉曼散射产生。
实施例42。根据实施例40至41其中任何一个所述的***，其特征在于输出光是荧光。
实施例43。根据实施例40至42其中任何一个所述的***，其特征在于进一步包括辅助装置，其中光谱仪装置包括配置成与辅助装置通信的通信电路。
实施例44。根据实施例43所述的***，其特征在于：
通信电路被配置为将从输出信号获得的信息传送到辅助装置；以及
辅助装置被配置为处理信息以获得处理后的信息。
实施例45。根据实施例44所述的***，其特征在于辅助装置被配置为使得输出信号信息和处理后的信息中的至少一个存储在存储器中。
实施例46。根据实施例44所述的***，其特征在于：
输出信号信息包括输出光的光谱；辅助装置被配置为通过将输出光的光谱与已知光谱进行比较来处理输出信号信息。
实施例47。一种光谱仪装置，包括：
光学组件，包括：
激发光源，配置成产生激发光，激发光源布置成照射样品上的点；
色散元件，包括至少一个可移动部件，所述色散元件被配置为将响应于所述激发光而从所述样品发出的输出光在空间上分成多个不同的波长带，所述至少一个可移动部件配置成在检测器上扫描输出光的多个不同波长带；
检测器包括至少一个光传感器，其配置成对输出光的波长带进行感测；以及
用于输出光的三维(3D)几何路径，其在样品和检测器之间改变方向至少四次。
实施例48。根据实施例47所述的***，其特征在于输出光由拉曼散射产生。
实施例49。根据实施例47至48其中任何一个所述的***，其特征在于输出光是荧光。
实施例50。根据实施例47至49其中任何一个所述的装置，其特征在于进一步包括壳体，光学组件设置在壳体的内腔中，其中内腔的长度小于光路总长度的约1/2。
实施例51。根据实施例47至49其中任何一个所述的装置，其特征在于进一步包括壳体，所述激发光源、色散元件、检测器和几何路径设置在壳体内腔内，其中内腔的长度小于光路总长度的约1/3。
实施例52。根据实施例47至49其中任何一个所述的装置，其特征在于进一步包括壳体，所述激发光源、色散元件、检测器和几何路径设置在壳体内腔内，其中壳体的总体积小于约500cm3。
实施例53。根据实施例47至49其中任何一个所述的装置，其特征在于进一步包括壳体，所述激发光源、色散元件、检测器和光路设置在壳体内腔内，其中壳体内部体积的总体积小于约300cm3。
实施例54。根据实施例47至49其中任何一个所述的装置，其特征在于进一步包括壳体，所述激发光源、色散元件、检测器和几何路径设置在壳体内腔内，其中壳体的长度小于约150mm，壳体的宽度小于约40mm，壳体的高度小于约50mm。
实施例55。根据实施例47至54其中任何一个所述的装置，其特征在于色散元件是反射光栅。
实施例56。根据实施例47至55其中任何一个所述的装置，其特征在于三维几何路径在样品衍射和光栅之间改变方向至少两次或至少三次。
实施例57。根据实施例47至55其中任何一个所述的装置，其特征在于三维几何路径在样品和衍射光栅之间改变方向至少三次或至少四次。
实施例58。据实施例47至57其中任何一个所述的装置，其特征在于进一步包括设置在样品和色散元件之间的准直镜。
实施例59。根据实施例58所述的装置，其特征在于准直镜是非球面镜。
实施例60。根据实施例58所述的装置，其特征在于准直镜是抛物面镜。
实施例61。据实施例47至60其中任何一个所述的装置，其特征在于进一步包括设置在色散元件和检测器之间的聚焦镜。
实施例62。根据实施例61所述的装置，其特征在于聚焦镜是非球面镜。
实施例63。一种紧凑型光谱仪***，包括：
透镜，被配置为接收响应于激发光而从样品发出的输出光，该镜头沿着输出光几何光路的第一部分聚焦输出光；
第一反射镜，反射从透镜接收的输出光以弯曲几何光路并产生几何光路的第二部分，并且几何光路的第一部分和第二部分在第一平面中；
第二反射镜，反射从第一反射镜接收的输出光以产生几何光路的第三部分，几何光路的第三部分在不同于第一平面的平面中行进；以及
检测器，配置为检测由第二反射镜反射的输出光。
实施例64。根据实施例63所述的装置，其特征在于进一步包括：
光栅，被配置为接收来自第二反射镜的光并将从第二反射镜接收的输出光分成不同的角度，每个角度对应于所接收的输出光的波长；以及
凹面镜，配置为准直并将来自光栅的输出光导向检测器。
实施例65。据实施例63至64其中任何一个所述的装置，其特征在于检测器的尺寸小于约3mm×1mm。
实施例66。根据实施例63至65其中任何一个所述的装置，其特征在于进一步包括激发光源，被配置为提供激发光，其中所述装置的几何光路的总长度是激发光的几何路径的长度与输出光的几何路径的长度之和。
实施例67。根据实施例66所述的装置，其特征在于构成该装置的外壳的最长尺寸小于几何路径总长度的一半。
实施例68。根据实施例66所述的装置，其特征在于构成该装置的外壳的最长尺寸小于几何路径总长度的三分之一。
实施例69。根据实施例63至68其中任何一个所述的装置，其特征在于构成该装置的外壳的最长尺寸小于六英寸。
实施例70。一种用于紧凑型光谱仪的光学组件，该光学组件包括：
透镜，配置为接收从样品发出的输出光；
凹面准直镜，配置为将来自透镜的输出光引导到光栅；
色散元件，配置为将输出光的不同波长在空间上分成不同的方向；以及
凹面聚焦镜，配置为将来自光栅的输出光的一部分引导到检测器。
实施例71。根据实施例70所述的光学组件，其特征在于凹面准直镜是非球面的。
实施例72。根据实施例70至71其中任何一个所述的光学组件，其特征在于色散元件包括：
光栅；以及
马达，配置为用于旋转光栅。
实施例73。根据实施例70至72其中任何一个所述的光学组件，其特征在于凹面准直镜是抛物面的。
实施例74。一种光谱仪装置，包括：
至少一个光源，被配置为产生激发光，该激发光照射样品上的点，所述至少一个光源还被配置为产生校准光；色散元件，包括至少一个可移动部件，所述色散元件被配置为将响应于所述激发光和所述校准光而从所述样品发出的输出光在空间上分成多个不同的波长带，所述至少一个可移动部件被配置为在检测器上扫描输出光和校准光的多个不同波长带；检测器，包括多个元件，至少一个第一元件，被配置为对校准光的波长带进行感测，并响应于校准光而输出电校准信号，以及至少一个第二元件，被配置为对输出光进行感测，并响应于校准光而输出电输出信号；
处理器，被配置为使用校准信号调整输出信号；以及壳体，包围至少一个光源、色散元件、检测器和处理器。
实施例75。根据实施例74所述的装置，其特征在于输出光由拉曼散射产生。
实施例76。根据实施例74至75其中任何一个所述的装置，其特征在于输出光为荧光。
实施例77。根据实施例74至76其中任何一个所述的装置，其特征在于至少一个光源包括：
激发光源，配置为产生激发光；校准光源，配置为产生校准光。
实施例78。根据实施例77所述的装置，其特征在于校准光源包括氖灯泡。
实施例79。根据实施例77所述的装置，其特征在于校准光源包括氩灯泡。
实施例80。根据实施例74至79其中任何一个所述的装置，其特征在于至少一个光源包括单个光源。
实施例81。根据实施例80所述的装置，其特征在于单个光源包括多波长激光器，该多波长激光器配置为发射处于至少第一波长带和第二波长带的光，其中激发光包括从多波长激光器发射的处于第一波长带的光，并且校准光包括从多波长激光器发射的处于第二波长带的光。
实施例82。根据实施例74至81其中任何一个所述的装置，其特征在于进一步包括至少一个光学元件，设置在所述至少一个光源和色散元件之间，所述光学元件被配置为将来自所述至少一个光源的校准光重定向到所述色散元件。
除非另有说明，否则在说明书和权利要求中使用的表示特征尺寸、数量和物理特性的所有数字都应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰。因此，除非有相反的指示，否则在前述说明书和所附权利要求中列出的数值参数是近似值，其可以根据本领域技术人员利用本文公开的教导寻求获得的所需性质发生变化。通过端点使用的数值范围包括该范围内的所有数字(例如1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任何范围。
对于本领域技术人员来说，这些实施例的各种修改和更改是显而易见的，并且应该理解，本公开的范围不限于这里阐述的说明性实施例。例如，除非另有说明，否则读者应该假设一个公开实施例的特征也可以应用于所有其他公开的实施例。

Claims (20)

1.一种光谱仪，包括：
激发光源，被配置为产生激发光，该激发光具有源自单个源的至少第一波长带和不同的第二波长带，所述激发光源被设置为用第一波长带和第二波长带同时照射样品上的点；
色散元件，包括至少一个可移动部件，所述色散元件被配置为将响应于所述激发光而从所述样品发出的输出光在空间上分成多个不同的波长带，所述至少一个可移动部件配置成在检测器上扫描输出光的多个不同波长带；以及
检测器，包括至少一个光传感器，所述至少一个光传感器被配置为对输出光的波长带进行感测，并响应于所感测的输出光而产生输出电信号。
2.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于该装置的光路包括三维(3D)折叠的几何光路，该三维折叠的几何光路包括位于第一平面中并包括第一弯曲部的第一部分，以及位于不同的第二平面中并包括第二弯曲部的第二部分。
3.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于：
激发光源包括固态激光器；以及
进一步包括二极管，其发射泵浦光以泵浦固态激光器，泵浦光具有第三波长带，其中激发光源被布置成使得泵浦光照射该点。
4.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于色散元件包括：
衍射光栅，被配置为对输出光的波长带进行衍射；以及
光栅致动器，安装在衍射光栅上并配置成旋转衍射光栅，其中，当光栅致动器旋转衍射光栅时，当衍射光栅处于不同的位置角度，输出光的不同波长带落在检测器上，以及光栅致动器包括形状记忆合金SMA致动器，其配置成旋转衍射光栅。
5.如权利要求4所述的光谱仪，其特征在于进一步包括磁光栅角度传感器，被配置为检测光栅的位置角度。
6.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于至少一个光传感器仅包括一个光传感器。
7.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于检测器包括：
第一光传感器和第二光传感器；以及
与第一光传感器相关联的第一带通滤波器和与第二光传感器相关联的第二带通滤波器。
8.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于进一步包括电子电路，其被配置为执行激发光源的一个或多个控制功率，控制至少一个可移动部件的移动以及对检测器的电输出信号进行信号处理。
9.如权利要求8所述的光谱仪，其特征在于进一步包括辅助装置，光谱仪装置包括配置成与辅助装置进行无线通信的通信电路，其中
通信电路被配置为将从输出信号获得的信息传送到辅助装置；以及
辅助装置被配置为处理信息以获得处理后的信息。
10.一种光谱仪，包括：
光学组件，包括：
激发光源，配置成产生激发光，激发光源布置成照射样品上的点；
色散元件，包括至少一个可移动部件，所述色散元件被配置为将响应于所述激发光而从所述样品发出的输出光在空间上分成多个不同的波长带，所述至少一个可移动部件配置成在检测器上扫描输出光的多个不同波长带；
检测器包括至少一个光传感器，其配置成对输出光的波长带进行感测；以及
用于输出光的三维(3D)几何路径，其在样品和检测器之间改变方向至少四次。
11.如权利要求10所述的光谱仪，其特征在于进一步包括壳体，光学组件设置在壳体的内腔中，其中内腔的长度小于光路总长度的约1/2。
12.如权利要求10所述的光谱仪，其特征在于进一步包括壳体，所述激发光源、色散元件、检测器和几何路径设置在壳体内腔内，其中壳体的总体积小于约500cm3。
13.如权利要求10所述的光谱仪，其特征在于进一步包括壳体，所述激发光源、色散元件、检测器和几何路径设置在壳体内腔内，其中壳体的长度小于约150mm，壳体的宽度小于约40mm，壳体的高度小于约50mm。
14.如权利要求10所述的光谱仪，其特征在于三维几何路径在样品衍射和光栅之间改变方向至少两次或至少三次。
15.如权利要求10所述的光谱仪，其特征在于进一步包括：
设置在样品和色散元件之间的准直镜，
设置在色散元件和检测器之间的聚焦镜，其中准直镜和聚焦镜中的至少一个是非球面镜。
16.一种光谱仪，包括：
至少一个光源，被配置为产生激发光，该激发光照射样品上的点，所述至少一个光源还被配置为产生校准光；
色散元件，包括至少一个可移动部件，所述色散元件被配置为将响应于所述激发光和所述校准光而从所述样品发出的输出光在空间上分成多个不同的波长带，所述至少一个可移动部件被配置为在检测器上扫描输出光的多个不同波长带和校准光；
检测器，包括多个元件，至少一个第一元件，被配置为对校准光的波长带进行感测，并响应于校准光而输出电校准信号，以及至少一个第二元件，被配置为对输出光进行感测，并响应于校准光而输出电输出信号；
处理器，被配置为使用校准信号调整输出信号；以及
壳体，包围至少一个光源、色散元件、检测器和处理器。
17.如权利要求16所述的光谱仪，其特征在于至少一个光源包括：
激发光源，配置为产生激发光；以及
校准光源，配置为产生校准光。
18.如权利要求16所述的光谱仪，其特征在于至少一个光源包括多波长激光器，该多波长激光器配置为发射处于至少第一波长带和第二波长带的光，其中激发光包括从多波长激光器发射的处于第一波长带的光，并且校准光包括从多波长激光器发射的处于第二波长带的光。
19.如权利要求16所述的光谱仪，其特征在于壳体的总体积小于约500cm3。
20.如权利要求16所述的光谱仪，其特征在于壳体的长度小于约150mm，壳体的宽度小于约40mm，壳体的高度小于约50mm。
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