[发明专利]用于最终使用者食品分析的低成本光谱测定系统

说明书

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。

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。