CN1846114A - 多波长成像光谱仪的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的公开内容总体涉及一种多波长成像光谱仪的方法和装置。更具体地，在一种实施方案中，公开内容涉及一种使光子通过的光学滤波器。该滤波器包括第一滤波级和第二滤波级。第一滤波级可以包括第一延迟器元件(450)和第一液晶单元(455)。第一元件可以包括输入面和输出面。第一元件面的一个不基本上垂直于通过滤波器的光子的轨迹而定向。

Description

多波长成像光谱仪的方法和装置
相关申请
[0001]本申请要求2003年7月18日提交的美国临时申请60/488,246号的申请日优先权权益，其说明书全部内容在此引用。交叉引用与其同时提交的名称为Method and Apparatus for CompactBirefringent Interference Imaging Spectrometer(小型双折射干涉成像光谱仪的方法和装置)(Attorney Docket No.CHE01 009)，Method andApparatus for Compact Dispersive Imaging Spectrometer(小型分散成像光谱仪的方法和装置)(Attorney Docket No.CHE01 010)以及Method and Apparatus for Compact Resonant Cavity ImagingSpectrometer(小型共振腔成像光谱仪的方法和装置)(AttorneyDocket No.CHE01 012)的专利申请，每个交叉引用申请的说明书全部内容在此引用。
背景技术
[0002]光谱成像结合数字成像和分子光谱学技术，其可以包括Raman散射，荧光，光致发光，紫外线，可见和红外吸收光谱学。当应用于材料的化学分析时，光谱成像通常称作化学成像。执行光谱(也就是化学)成像的仪器典型地包括图像收集光学器件，焦平面阵列成像检测器和成像光谱仪。
[0003]通常，样品大小决定图像收集光学器件的选择。例如，显微镜典型地用于亚微到毫米空间尺寸样品的分析。对于较大的对象，在毫米到米尺寸的范围内，微距透镜光学器件是适当的。对于位于相对难以接近的环境中的样品，柔软性纤维镜或刚性管道镜可以使用。对于非常大型的对象，例如行星对象，望远镜是适当的图像收集光学器件。
[0004]对于由各种光学系统形成的图像的检测，典型地使用二维成像焦平面阵列(FPA)检测器。FPA检测器的选择由表征关注样品所使用的光谱技术来支配。例如，硅(Si)电荷耦合器件(CCD)检测器或CMOS检测器典型地与可见波长荧光和Raman光谱成像系统一起使用，而砷化铟镓(InGaAs)FPA检测器典型地与近红外光谱成像系统一起使用。
[0005]多种成像光谱仪已经为光谱成像系统而设计。实例包括，但不局限于，光栅光谱仪，滤光轮，Sagnac干涉仪，Michelson干涉仪和可调滤波器例如声光可调滤波器(AOTF)和液晶可调滤波器(LCTF)。
[0006]许多成像光谱仪，包括声光可调滤波器(AOTF)和液晶可调滤波器(LCTF)是对偏振敏感的，使一个直线偏光穿过而拒绝正交的直线偏光。AOTF是响应外加声场而提供电子可调光谱陷波通带的固态双折射晶体。LCTF也提供可以通过将液晶延迟器并入双折射干涉滤波器例如Lyot滤波器中来控制的陷波通带。常规系统通常体积大且不可移动。能够执行瞬间化学分析的手提式化学成像传感器将代表尺寸、重量和成本降低方面的进展。因此，存在对手提式、轻便且更高效的可调滤波器的需求。
发明内容
[0007]在一种实施方案中，公开内容涉及一种使光子穿过的光学滤波器。该滤波器包括第一滤波级和第二滤波级。第一滤波级可以包括第一延迟器元件和第一液晶单元。第一元件可以包括输入面和输出面。第一元件面的一个不基本上垂直于穿过滤波器的光子的轨迹而定向。
[0008]在另一种实施方案中，公开内容涉及一种具有第一液晶单元的光学滤波器，该第一液晶单元包括具有第一光子延迟值的第一区域和具有第二光子延迟值的第二区域。该光学滤波器也可以包括第二液晶单元，其包括具有所述第一光子延迟值的第一区域和具有所述第二光子延迟值的第二区域。第一和第二延迟值的每个可以由分别与所述第一和第二单元的第一和第二区域的每个通信的第一激发源和第二激发源确定。
附图说明
[0009]图1是常规行扫描Raman成像系统的略图；
[0010]图2是常规宽视野扫描Raman成像系统的示意图；
[0011]图3是三级常规Lyot液晶可调滤波器的略图；
[0012]图4A示意地说明电子控制双折射单元的均匀液晶单元；
[0013]图4B示意地说明电子控制双折射单元的楔形液晶单元；
[0014]图4C是根据公开内容一种实施方案的光学器件和光学级的示意图；
[0015]图5是根据公开内容另一种实施方案的光学级的示意图；
[0016]图6示意地说明根据公开内容另一种实施方案用于未成形Raman成像或其他化学成像应用的阶梯式LCTF器件；
[0017]图7是根据公开内容另一种实施方案用于Raman成像或其他化学成像应用的列柱式LCTF器件的示意图；
[0018]图8是根据公开内容一种实施方案用于Raman或其他化学成像应用的列柱式LCTF器件的示意图；
[0019]图9是根据公开内容另一种实施方案的未成形Raman成像或其他化学成像应用系统的示意图；
[0020]图10是使用可调Fabry-Perot的成像系统的示意图；
[0021]图11A-11C是根据本发明一种实施方案的手提式化学成像威胁评估器检测设备(CHITA)的示意图；
[0022]图12是根据公开内容一种实施方案的辅助照明源；
[0023]图13示意地说明实例检测设备的操作；
[0024]图14提供根据公开内容一种实施方案的实例封装选择；以及
[0025]图15显示通过PMMA的样品的分散Raman光谱仪检查。
具体实施方式
[0026]图1是一种类型的常规行扫描Raman成像系统，特别是使用“推扫式”扫描方案的分散扫描Raman成像系统的略图。样品105从源110照射，光能从样品反射地向回散射并在光学器件115处收集。样品的图像从图像中相邻平行线处的连续图像中累积。样品的图像对于每个这种行并且以光谱中多个特定波长的每个而获得。因此，光幅值的一行或一维集合在给定位置X1，Y1…Yn采样。光使用起可变波长带通滤波器作用的光谱仪120对特定波长而滤波。通过以“推扫式”顺序从一行前进到下一行，在绘图140图示的连续幅值转换成给定波长λ1的阵列160中的强度像素值。通过以不同的波长采样，独立的基本上单色图像160对每个波长值λ1～λn而收集。该技术的目的常规地是产生一组单色图像，其可以彼此比较以帮助识别图像中的特征，这些特征可以由与相邻特征和其他波长相比它们强度的对比来表征。
[0027]源110可以是激光器、荧光源或另一种源。反射散射的光子由光学物镜107接收并经由光学器件115指向光谱仪120。收集一行像素的图像的特定方案可以包括将图像聚焦在CCD等的线性光敏器件阵列上，或使用一个光敏器件扫描并采样。光谱仪120需要以某种方法可调以选择性地一次通过一个波长带通。在不同的结构中使用光栅或棱镜或双折射晶体方案进行波长选择是可能的。在从一个波长调谐到另一个波长以及在从一行前进到另一行(以任何顺序)时，对每个像素位置和每个波长收集幅值可能花费相当多的时间。
[0028]图2是常规二维Raman成像系统的示意图。该系统操作与图1的系统略微相同，也就是使用源210照射样品205，经由光学器件215收集反射的图像，经由可调光谱仪220选择性地通过带通波长并且在光敏阵列230处采样图像。但是，该实施方案在每个采样时期期间收集像素振幅的二维阵列。
[0029]光谱仪220有效地是成像或二维可调波长带通滤波器。通过重复地采样和调谐到一个波长或颜色然后另一个，样品的任何数目特定波长图像可以收集和比较。光谱仪或可调滤波器可以被安排以选择一个或多个特定带通波长或拒绝特定波长。通过两像素尺寸光谱图像225可以由CCD照相机230收集以产生可以对每个波长采样为像素数据图像260的几个光谱图像240。
[0030]有利的可调波长带通滤波器可以包括双折射晶体和偏光器，其可变地间隔和/或旋转地调节以选择特定波长并拒绝其他波长。液晶可调滤波器(LCTF)是为此目的的有利器件，因为它的双折射可以电子调谐。液晶滤波器可以是向列的或近晶的。
[0031]双折射材料对于沿着两个正交轴，有时称作快和慢轴偏振的光能具有不同的折射率。这具有与沿着另一个轴偏振的光相比较，延迟沿着一个轴偏振的光的效应。延迟的程度取决于因素，包括材料的折射率以及沿着光通过的路径和材料的厚度。与另一个轴相比在一个轴上偏振的光的传播时间的差异是时间差。当考虑不同的光波长时，给定时间差折合成对于任何给定波长的相角差，但是相角差是两个不同波长的不同角度。
[0032]在一个轴上偏振的光多于在另一个轴上偏振的光的延迟可以具有改变或重新对准光的偏振状态的效应。重新对准的程度同样地随着波长而不同。出于这些原因，偏振和双折射是波长带通滤波器的有用考虑。
[0033]进入或退出双折射晶体的光的偏振状态可以选择性地控制。如果平面偏振滤波器(或“偏光器”)被放置以随机地过滤偏振光，例如在晶体的输入侧，通过的光可以局限于或多或少对准到双折射轴的一个或另一个的光能。如果光对准到一个轴，那么将偏光器旋转90度使得偏光器专有地对准到另一个双折射轴。偏振滤波器可以在双折射晶体的输入和输出侧上使用，以选择施加到晶体的输入信号的特性或者选择性地仅通过与对准到输出偏光器的一样多的输出。
[0034]假设光最初例如由输入偏光器偏振到给定定向角，那么与偏光器的定向角成45度定向双折射晶体将偏振光分成相等的矢量分量，一个对准到晶体的快和慢轴的每个。慢轴上的分量相对于快轴上分量的延迟然后以取决于波长的旋转角改变光的偏振状态。如果输出偏光器以对于给定波长的适当角度对准，那么该波长传输而其他波长不传输。
[0035]通过操纵偏光器和双折射晶体的排列，可以控制光能到与每一级双折射晶体的快轴和慢轴对准的矢量分量的分配。每一级晶体的双折射相对应另一个延迟两个矢量分量的一个，引起该晶体的快和慢轴上分量之间的相位差。两个分量之间的相位延迟对应于光信号的偏振取向的变化，也就是两个分量的矢量和对准的角度相对于参考角的变化。偏振状态或矢量和角度的该变换对波长特定。
[0036]存在这些方面的光和偏光器以及双折射晶体可以用作波长带通滤波器的不同方法。在包含偏光器的方案中，通过双折射晶体的特定波长可以经历特定旋转角度的偏振变化。其他波长以不同的量在偏振状态中旋转。通过将以该角度对准的偏光器放置在双折射晶体级的输出上，仅特定波长通过。连续级提高滤波器的分辨率。
[0037]可以使用液晶可调元件的一些类型的特定波长滤波器包括Lyot，Solc，Evans和Fabry-Perot波长滤波器结构，以及使用相关元件或另外元件的组合的混合。用于选择波长谱225、使用Lyot滤波器设计的LCTF Raman成像系统在图3中显示。Lyot结构是一个实例，应当理解，本发明可适用于其他LCTF结构，包括但不局限于上述那些。
[0038]此外，控制LCTF检测器和光闸的控制器以及CPU，显示单元，键盘和软件常规地与图3的系统一起使用。收集CCD图像的时间和图像之间调谐波长带通的时间都贡献收集许多特定波长图像所需的时间。来自检测器的图像可以是给定所选波长(λ)的2D图像(X，Y)。LCTF宽视野能够产生例如512×512像素图像。
[0039]如所述，常规可调滤波器可以使用Lyot滤波器。典型的Lyot滤波器，图3中所示，包括以与双折射材料的光轴成45°放置的两个偏光器之间的一组双折射晶体。带通波长是晶体厚度的函数，在其他因素中。来自偏光器的进入光由45°对准在正常和非常偏振之间均匀地划分。偏振因双折射而以不同相速传播。这更改作为波长函数的光能的偏振取向。对于给定厚度的双折射晶体，仅一个波长(或一组间隔的波长)对准以穿过出口偏光器。因此，滤波器产生一组梳状频率。带通波长和“梳齿”之间的间隔取决于双折射晶体的长度。在液晶中，有效光学长度可调地对于对准到非常轴的偏振分量可变。这样，带通波长可以调谐。
[0040]Lyot滤波器使用不同长度的多个双折射晶体，特别是R，2R，4R等，偏光器在每个晶体之间。Solc滤波器使用相等的晶体厚度，仅输入和输出偏光器(没有交错的偏光器)以及晶体之间的相对角定向，其在晶体之间相等地划分输入和输出偏光器之间的相对定向。
[0041]在图3中，可以具有多波长Raman图像的样品315接收发射的光子310以形成散射光子。由样品散射的光子进入Lyot滤波器300，其包括四个偏光器320和确定连续级的三个双折射光学元件330。在每一级，进入侧偏光器320用作光学滤波器以通过与偏光器对准的偏振定向的光并阻挡垂直定向的光。随后的双折射元件330与前一个偏光器320成一定角度，特别地45°而定向。因此，穿过偏光器的光的相等矢量分量与双折射元件330的正常和非常轴的每个对准。波长带通滤波器的实例Lyot结构的光轴320的定向在图3中显示。其他结构也是已知的。
[0042]与双折射元件330的正常和非常轴对准的偏振分量因元件330的双折射而以不同相速传播。而且，每一级的双折射元件330具有不同的厚度。通过延迟光信号的正交分量，光的偏振定向重新对准到取决于光波长的角度。在遇到的下一个偏光器处，仅一组波长的光对准以穿过下一个偏光器，该偏光器用作前一级的输出偏光器或选择器而用作下一级的输入偏光器。各个双折射元件320的厚度以及双折射元件的对准被选择，使得每一级进一步识别相同带通波长的光。
[0043]带通波长通过施加控制电压335到双折射元件330而可调，其优选地包括液晶。改变液晶双折射的效应是缩短或延长由对准到非常轴的光的分量遇到的有效光程，而保持有效长度对正常轴不变。这与可控地调节双折射元件330的有效厚度非常相同。Lyot滤波器的每个双折射液晶元件330连接到用于调谐双折射元件330的带通的电压源335。在Lyot结构中，厚度是整数倍(R，2R，4R等)并且可以协同方式控制，例如连接到同一个控制电压源335，以便保持有效厚度等于所需倍数。在其他类似结构中，厚度可以另外相关(例如像在厚度相等的Solc结构中一样)并控制以便维持所需的关系，例如并联到同一个驱动电压源。
[0044]在多光谱成像中，收集各个图像是常规的，其中整个图像以一个波长带通收集，与以不同波长带通的其他图像相比较。根据本发明的一种实施方案，新的可调滤波器被安排以跨越X-Y像场调谐到不同波长。滤波器可以具有一级或多级，至少一级具有楔形液晶单元或具有跨越滤波器表面不均匀的带通波长的可调结构中的其他形状，实例在图4B，4C，6，7等中显示。在这些结构中，楔形或类似构造的双折射元件具有跨越其操作区域而不同的厚度。楔形双折射元件可以是可调的且可选地与均匀(不可调)延迟器相关。可选地，不可调楔形双折射延迟器可以与具有均匀厚度的可调双折射元件相结合。通过可控双折射与固定双折射元件沿着光程以均匀变化厚度的结合，场中不同位置调谐成不同的带通波长。
[0045]图4A示意地显示具有均匀厚度和电子可控双折射的液晶单元的元件。图4A中所示的均匀厚度液晶可以形成具有沿着光程层叠或在像素式结构中彼此相邻排列的多个元件的液晶滤波器的子单元或单元。每个子单元具有例如由熔凝硅石或玻璃制成的相关透明板450。在板450面向液晶单元465的一侧上，玻璃板450具有导电涂层(没有显示)例如氧化铟锡(ITO)，其几乎透明但是足够导电以施加电场到元件中的液晶材料465。导电表面连接到通过操作LCTF控制器470为每个子单元提供驱动电压的导线。在ITO透明电极和液晶465之间，板455还涂敷有取向层。取向层典型地通过摩擦或抛光而物理处理，以引起液晶材料的分子趋于取向的方向。该取向方向确定液晶的指向矢定向并且用来相对于传输的偏振光定向液晶元件465。
[0046]隔离物460被提供以维持取向层455之间由液晶材料465占据的区域的厚度。隔离物460所示为球体，但是可以是不同的形状例如圆柱体等。隔离物可以是在具有相对均匀大小的大量中产生的类型的聚合体或石英玻璃。隔离物460可以混合到液晶材料中以提供液晶465可以压缩到的最小厚度。隔离物材料可以围绕元件中液晶材料的外围(胶沿边内部)或遍及液晶材料而分布。隔离物可以用来保持单元间隙均匀(虽然它可选地可以故意制作得稍微倾斜以避免由于相干激光而产生的干涉条纹)。隔离物材料与液晶材料的体积比足够低以使得对传播通过液晶材料的光的影响达到最小。当液晶材料包含在取向层之间时，板450附近液晶层中的分子平行于板450以及取向层455的取向方向而排成直线。液晶单元可以构造为电子控制双折射(ECB)。液晶也可以是向列或近晶液晶。
[0047]与图4A的均匀液晶单元成对比，图4B示意地说明电子控制双折射单元的楔形液晶单元。在图4B的实施方案中，隔离物460和461具有不同尺寸，使得板450不平行且整个单元具有楔形。也就是，在液晶元件相对侧上支撑板的隔离物具有不同的厚度，结果，图4B中的延迟器确定具有关于光通过延迟器元件的点而变化的厚度的楔形。穿过延迟器元件的光将在更接近一个隔离物或另一个的点遇到不同的厚度，并且跨越隔离物之间的距离将遇到线性变化的厚度(因为在该情况下板是平坦的)。因此，延迟是隔离物的相对直径(d1，d2)以及单元的有效折射率(neff)的函数。
[0048]图4C是根据公开内容一种实施方案的光学器件和光学级的示意图。在图4C的实施方案中，光学器件400所示具有三个光学级。级中至少一个450被安排以跨越光可以通过该级的X-Y操作区域而提供不同的有效延迟器厚度。所示的级450具有连接到楔形液晶415的均匀延迟器410。楔形液晶415接收互补凹楔形420以形成几何立方体。楔形液晶所示具有两个隔离物417。常规液晶材料可以用于该应用。电压源435可以连接到级400的液晶段以细微调谐级405的双折射。均匀延迟器410可以由石英、铌酸锂(LiNbO3)或具有期望双折射光学特性的聚合材料制成。凹楔形420可以是均质光学透明玻璃或具有类似光学性质的聚合材料。
[0049]凹楔形的放置是可选的。虽然在图4C的实例实施方案中，滤波器400仅一级所示具有楔形液晶段，应当注意，公开内容并不局限于此，并且多于一级可以根据公开内容的原理而构造。而且，公开内容的原理并不局限于具有三级滤波器，并且可以包括比图4C中所示更多(或更少)的级。实际上，图4C的实例实施方案中说明的原理可以与像素式和/或列柱式LCTF一起使用。液晶单元的数目可以是应用的函数。例如，对于Lyot滤波器，每一级通常可能包含一个液晶单元，而对于Evans型滤波器，每一级可能包含多个液晶单元。
[0050]在一种实施方案中，公开内容涉及一种多级滤波器，其中每一级包括楔形液晶单元，以及可选地，互补光学透明楔形玻璃。而且，液晶单元可以连接到电压源以能够进一步细微调谐该单元。滤波器可以通过使用电压源和控制器来调谐。
[0051]在具有如图4和5中所示楔形元件以及如图6中所示阶梯式厚度元件的实施方案中，跨越X-Y像场，对于X-Y场中的不同点，存在沿着光传播轴Z的操作延迟元件的厚度差。厚度差可以在可控双折射液晶元件中出现。厚度差备选地或另外地可以在与可控用于调谐的另一个元件一起使用、固定双折射的延迟器中出现。在这些情况的每种中，在X-Y像场中的给定点沿着平行于Z轴的直线穿过元件的光因厚度差Z而经历与X-Y像场中其他点的相位延迟不同的相位延迟。作为波长带通滤波器，楔形元件的结果是由滤波器通过的中心波长在跨越X-Y场中的不同点处不同。
[0052]在图4-6的实施方案中，楔形具有从X或Y轴之一的一个末端处的最小厚度线性或阶梯式变化到另一个末端处的最大厚度的厚度。最小厚度可以逐渐减小到某个非零最小厚度或者可以逐渐减小到陡沿。厚度可以在X和Y上同时变化也是可能的，例如最小和最大厚度出现在对角而不是相邻角。该结构相当于从所示的定向将楔形元件旋转45°。其他的厚度变化潜在地可适用于改变场中不同点处的波长通带，例如圆锥形，棱锥形，截圆锥或棱锥形等。
[0053]根据该方面楔形的厚度变化应当区别于倾斜与单色(激光)光源一起使用的双折射元件的技术，作为防止因干涉效应而引起的单色图像的边缘效应的方法。根据本发明，不像反边缘效应技术，厚度变化引入到可调或固定双折射元件中以便使得器件同时在像场上不同X-Y位置处调谐到不同波长。这在实例实施方案中使用连续楔形可调或固定延迟器(潜在地导致倾斜表面或分界面的楔形)，或阶梯式楔形(例如图6)而实现。
[0054]图5是根据公开内容另一种实施方案的光学级的示意图。根据图5的实例实施方案，光学级500包括连接到楔形延迟器515的均匀液晶510以及凹楔形520。隔离物517所示沿着液晶510器件的轴以维持均匀厚度。与图4的实例实施方案一样，凹楔形520与楔形延迟器510互补，并且可以可选地使用。另外，电压源535被提供以将编程电压提供给均匀液晶段510。
[0055]在另一种实施方案中，公开内容涉及一种包括几个均匀级的可调滤波器。每个均匀级可以包括固定楔形延迟器，以及可选地，均质光学透明楔形玻璃。楔形玻璃可以被构造以与楔形延迟器互补，使得当组合时，二者形成三维矩形。每一级还可以包括影响进入延迟器的光子的第一偏光器和影响离开可选透明玻璃的光子的第二偏光器。可调滤波器可以包括N级的层叠。在另一种实施方案中，根据在这里公开的原理的级可以用作构造为Lyot滤波器，Solc滤波器，Evan滤波器或混合滤波器的层叠的一部分。如本领域技术人员已知的，混合滤波器可以包含许多级(至少两级)。混合滤波器中级的一些可以包括Lyot滤波器，Solc滤波器，Evans滤波器或Fabry-Perot干涉仪。
[0056]图6示意地说明根据公开内容另一种实施方案用于未成形Raman成像或其他化学成像应用的阶梯式LCTF器件。在图6的实例实施方案中，级600包括与具有阶梯式轮廓的延迟器615(这里“阶梯式延迟器”)光学通信的均匀液晶610。阶梯式延迟器615接收互补凹楔形620。与图4和5的实例实施方案一样，级600可以连接到电压源635以更好地光学调制。图6的实施方案可以被修改以包括对称均匀延迟器，阶梯式液晶和互补凹楔形。与以前一样，凹楔形可以是均质光学透明玻璃或具有类似光学性质的成分。
[0057]在一种实施方案中，可调滤波器可以被构造以包括N级。每一级可以具有凸阶梯式延迟器和互补凹均质透明玻璃。偏光器可以覆盖通过组合延迟器和互补玻璃而形成的三维矩形的每个面。多个级可以递增厚度的顺序组合以形成可调滤波器。在该实施方案中，滤波器分辨率由阶梯的数目以及滤波器中的级数确定。
[0058]图7是用于Raman成像或其他化学成像应用的LCTF器件的示意图，其中厚度变化出现在跨越滤波器元件的X-Y场而延伸的条纹带、水平带或所示条纹中。图7显示根据本发明一种实施方案的三级Lyot型滤波器，并且类似于先前的实施方案，因为每一级可以包括液晶单元和可选的延迟器元件例如双折射晶体。每一级所示插入在两个偏光器(在该级的入口和出口点)之间。双折射晶体和液晶具有与输入偏光器的定向成45°对准的光轴(初始偏光器没有在图7中显示)。导电层(通常氧化铟锡)可以在以给定宽度的行(或列)形成图案的液晶单元的至少一个玻璃衬底上提供。而且，每行或列可以借助于各个控制电压源V1～Vn连接到相同或不同的控制电压。在一种实施方案中，每一级的列(或行)与其他级类似位置的列(或行)对准。参考图7，级710正在接收电压源V1，Vi…Vn。滤波器可以通过将到每列的电压在同一级中设置为相同而用作常规可调滤波器，并且滤波器可以被安排以将每列或行调谐成用于提供不同波长带通的不同电压。连续级710，720，730协同操作以使得同一波长通过层叠级中的每个对准列(或行)。
[0059]通过跨越级710的液晶单元的多个列(或行)以及下面的级720，730的相关列(或行)施加不同的电压，使得基本上独立可调滤波器结构贯穿列而形成(例如具有厚度R，2R，4R的Lyot结构)，不同带通(λ1-λn)可以在不同列确定(其在图8中显示，并且进一步在下面讨论)。这将成像LCTF转变成分散光谱仪。虽然第一级710所示连接到电压源V1～Vn，公开内容的原理并不局限于此，并且级710可以被设计以接收仅一个电压源。而且，电压源可以沿着级710的液晶段的多个列而施加。施加电压源并不局限于滤波器的仅一级，而可以设计使得多个级的每个由电压源驱动。多个列(或行)也可以绑定在一起使得从CCD接收的图像的部分例如在波长1，而从CCD接收的图像的另一部分在波长2。级710也可以包括如上所述均匀延迟器，阶梯式或楔形延迟器以及互补楔形。黑色矩阵掩模可以放置在最后一级的出口偏光器上以防止像素间区域或列间区域处的光泄漏，当滤波器不可调时。
[0060]图8是用于Raman或其他化学成像应用的列柱式LCTF器件的示意图。参考图8，第一级810连接到几个电压源V1-Vn。电压源V1-Vn的每个可以独立于其他而操作，以对级810的光学电镀调谐的液晶单元供电。这导致具有高空间分辨率的动态LCTF以及可以操作以根据图像或波长区分的滤波器。通过跨越液晶段的列(或行)以及随后级中相关列(或行)而提供不同的电压，可调滤波器可以沿着X轴重新构造以提供某个位置X处作为LCTF的激发状态函数的1D光谱(Y，λ)。在图8的列柱式系统中使用的液晶可以是向列的或近晶的。虽然图8的实施方案仅将三级中的一级描绘为接收独立电压，公开内容并不局限于此，并且级820和830也可以为列柱式调谐而构造。
[0061]图8的滤波器可以连接到光子发射源，光子检测源，光学透镜和处理器以形成获得具有第一和第二维度的样品的空间准确波长分辨图像的系统。光子检测器可以包括电荷耦合器件，互补金属氧化物半导体，电荷注入器件，增强电荷注入器件，电子倍增电荷耦合器件，硅光电二极管，硅雪崩二极管和焦平面阵列。光子发射源可能是激光器，发光器件或荧光器件。
[0062]图9是根据公开内容另一种实施方案的未成形Raman成像或其他化学成像应用系统的示意图。参考图9，光学滤波器900接收来自对象(可选地Raman对象)905的散射光子并产生光谱910。楔形液晶滤波器900可以连接到电压源907。施加电压907到滤波器900改变沿着滤波器900的位置处的晶体延迟。通过在沿着滤波器横向长度的各个位置施加电压到滤波器900，滤波器900可以产生可变延迟。在可选实施方案中，行l到N的每个可以接收不同的电压。
[0063]在图9中，楔形设计可以创造一系列带通区域。每个带通区域可以允许不同波长(λ1-λn)在图9中滤波器900的不同位置通过。类似于图4和5的实例实施方案，带通区域可以在X方向上水平地布置。不同的带通区域允许滤波器900用作分散光谱仪。滤波器的分辨率可以是CCD照相机的像素大小以及每级滤波器的楔角(如果使用多级滤波器)的函数。每级中另外的液晶单元可以为滤波器增加可调谐特征，使得滤波器的每个带通区域可以独立于其他区域而调谐。与电压施加到整个液晶单元使得每级的延迟满足Lyot滤波器结构(也就是R，2r，4R等)的图4C和5的实施方案相比较，图9的实施方案可以被构造以在沿着X方向滤波器的不同位置(例如在没有显示的位置X1-Xn)产生一系列带通区域(λ1-λn)。液晶单元的延迟可以通过改变外加电压而改变，从而使得液晶单元用作可变延迟器。因此，在不同的位置Xi(没有显示)，带通波长可以通过改变到液晶单元的电压来改变。特定波长λi的最终二维图像910可以通过组合例如通过相同波长λi通区域由计算机构造。
[0064]图10是使用可调Fabry-Perot微光机电系统的手提式系统的小型成像滤波器的示意图。这里显示为数字12的样品1005是由光照射并反射地散射入射光或者吸收光能并以特性波长在全方向上重新发射能量的不透明表面。射线从样品1005上的任意点(x，y)发散。附图中通常由透镜1009表示的光学系统指引射线从点(x，y)在方向1012上通过一个或多个小型2D Raman成像滤波器元件1010，两个在实例中显示。附图中通常由透镜1011表示的接收光学系统用来在检测器1020的表面上获得样品的空间准确波长分辨图像。
[0065]在图10中，成像滤波器包括具有由空气分隔的成对部分透明平行薄Si板的一系列滤波器元件，以便使得该对每个确定光学腔。板可以由显微机械加工制成并且可以由微机电定位器(没有显示)移动以调节板之间的腔厚度从而调谐腔的共振波长。优选地，两对或多对基本反射(但是小于100％反射)板1010形成一个或多个Fabry-Perot干涉仪的腔。多个腔设置成相同的腔间距。以共振波长与板垂直定向的射线通过，而其他波长沿着光程向回反射。
[0066]光学板1010可以由平面Si圆片制成，并且圆片可以被构造以由显微机械加工步骤，例如使用化学或离子束蚀刻形成支撑框架。通过本领域技术人员已知的另外处理步骤，连接元件在支撑框架和基本反射薄Si板之间形成(例如，沿着每个Si滤波器元件的侧面和拐角)以便提供用于设置腔厚度的电子控制定位传动装置。这些传动装置(没有显示)成对地移动确定Fabry-Perot干涉仪的一个或两个光学板1010。板1010可以均匀地移入和移出各个支撑框架的平面(也就是在平行于光轴且垂直于光学板平行面的方向上)，用于如箭头所示设置腔厚度。
[0067]在一种实施方案中，传动装置可以由电压源激励。依赖于期望输出，传动装置可以在离散的调谐位置(腔厚度)之间变换或者能够调节到传动装置位移范围内的期望点。包含Si滤波器元件和板载传动装置的该组平面结构沿着光轴层叠以形成Fabry-Perot成像滤波器。在该层叠中，每个平行薄Si板与其他板平行且对准，以便所有点处于与中心光轴平行的方向上。
[0068]板的最终数目可以确定对之间的Fabry-Perot标准具，或者可以是奇数，如果连续对的板也用作共振腔从而确定另一对。在该情况下，板的间距和这种连续对之间的间距必须每个被控制以使用相同的共振间距。多对滤波器元件之间MEMS传动装置位移的不同组合以及多组板之间不同层叠距离的组合(以便形成级)将允许器件可控调谐的波长范围内所选波长的光的窄通带传输。
[0069]滤波器波长λ通过以预先确定的方式改变Fabry-Perot滤波器元件的每个之间的腔或距离来选择。传动装置位移，板间间距以及板的数目决定当传动装置改变(也就是调谐)时传输实现的波长范围，以及波长λ的光传输的波长窗口(也就是带通)。这种器件的带通可以窄至0.25nm(高分辨率)或高达10nm(较低分辨率)。器件操作的波长范围(也就是过滤不同波长的光)可以是例如400nm～1800nm。实现这种性能的设计折中被选择以对于任何特定测量需求例如Raman，荧光，VIS或NIR化学成像优化元件数目(成本和简单性)以及总体传输功能(光学效率)。
[0070]对于Raman，荧光，可见或NIR操作，板层叠的特定排列可以使用，提供所需波长滤波特性的预先确定的一组传动装置电压已知。对于特定模式的操作，所需的一组电压然后由计算机调用并施加到传动装置以使得每个波长成像。扫描一组传动装置并获取整个图像1020上的数据产生波长分辨空间准确图像。
[0071]优选地，样品的2D图像(X，Y)图像在检测器1020上产生。可调光学腔一次以一个波长产生图像，并且可控以调谐到两个或多个波长以及可选地范围内的所选波长。在腔间距之间改变从而以新的波长选择图像的调谐速度可以小于1秒。
[0072]Fabry-Perot板之前和之后的光学系统1009和1011可以用来允许从样品1005散射或发射的光将样品1005的每个(x，y)位置准确且忠实地再现到检测器板1020上(x′，y′)处。特定检测器像素形成图像或者与样品图像中点的位置相对应的空间准确表示。传输的光被区别而不使用包含透镜的光学系统1009和1011的光学结构是可能的。例如，每个标准具因正常方向上腔的厚度而区别波长的层叠Fabry-Perot阵列具有选择性通过仅正常定向的射线的特性，从而有效地校准来自图像的光并提供应用于检测器的空间分辨图像。
[0073]图10的实施方案使得可以选择性细微调谐的超小型高分辨率Raman或荧光成像器件能够获得与样品的每个空间元素相对应的Raman或荧光光谱。可单独定址的Fabry-Perot滤波器元件1010可以允许与样品1005的空间元素相对应的Raman或荧光光谱的获得。当检测器1020是CMOS检测器时，各个像素可以通过调谐应用于特定像素元件的波长而单独传感，这在典型的CCD检测器设备中是不可能的。这种Fabry-Perot成像滤波器的使用是新颖的，因为先前基于MOEMS的Fabry-Perot滤波器不能执行成像-仅光源的波长选择。本发明的另外优点在于，该优选实施方案中的CMOS检测器可以进行像素选择以便仅关注样品中的重要像素-从而加速并简化最重要数据从样品特定范围中的选择。
[0074]Fabry-Perot滤波器元件不仅传输，而且在备选实施方案中可以将光反射到CMOS传感器的各个像素以形成样品的空间准确光谱分辨像素的单个波长Raman或荧光成像对象1020。也就是，在备选实施方案中，一个或多个Fabry-Perot滤波器元件可以用作反射波长滤波器而不是透射波长滤波器。
[0075]在这里公开的楔形或阶梯式双折射干涉滤波器，MOEMS器件和分散光谱仪可以制作得非常小且特别适合于在手提式成像系统中使用。而且，滤波器可以构造以两种模式操作：成像模式和光谱模式。调谐方法可以包括1D光谱中的行扫描。因此，在某个位置X，样品可以作为Y和λ的函数扫描。调谐速度可以低至大约每波长20ms或小于大约每扫描行1秒。
[0076]在该方面，“小型”或“手提式”或“便携”版本应当考虑包括手提式计算器，手机，PDA等近似尺寸，也就是可以方便地在衣袋中携带或整个由手使用的尺寸的自供电单元。优选地，手提式设备为大约36in3或更小(3×6×2in)且可以小至9in3(3×6×0.5in)或更小，并且从检测器到样品而测量的光程大约为2-4英寸。
[0077]在使用这里公开的可调滤波器结构的手提式系统中，可以包括用于控制可调滤波器和CCD的控制器。控制器可以是由软件编程以通过键盘或显示单元与操作员通信的处理器的形式。手提式系统也可以包括光子发射源，偏振光束分离器，和电源。电源可以是电池。光子发射源可以包括激光(用于Raman散射)，LED(用于白光反射应用或荧光发射)，近红外源，荧光源或其组合。手提式设备也可以包括用于防止发射源与LCTF和检测器干涉的一个或多个拒波滤波器。
[0078]图11A是根据本发明一种实施方案的手提式化学成像威胁评估器设备的示意图。参考图11A的实例实施方案，CHITA设备包括有效地封装成手提式操作的便携式小型形式的小型化组件。该单元包括照明/激发源(激光源1110和发光二极管源1105)，透镜和反射面1114，散射/发射/反射光调节滤波器1107，偏振光束分离器1120，用于样品区域筛选和选择的宽带检测的滤波器1124(例如荧光液晶可调滤波器(FLC))和检测系统1126(例如CMOS或CCD)的组合，用于窄带检测和识别的滤波器1130(例如Raman液晶可调滤波器(RLC1和RLC2))和检测子系统1132(例如CMOS或CCD)的第二组合，控制电子设备1134，处理器单元1136和电池1140。成像滤波器1124(FLC)是荧光LCTF。成像滤波器1130(RLC1，RLC2)可以是Raman LCTF。调节滤波器1107，其可以是“陷波滤波器”，位于偏振光束分离器1120之前以防止激光淹没光束分离器1120和随后的检测系统1124，1130，另外，透镜1122和1128分别位于光束分离器1120与液晶1124和1130之间。
[0079]在图11A的实例器件中，激光1110提供可以用于窄带激发和分析包括Raman分析的光子束1112。包括发光二极管(LED)的第一滤波器/检测子系统可以用于筛选目的。
[0080]图12是根据公开内容一种实施方案的辅助照明源。在图12中，LED构造在垂直于与样品相交的轴的同心环1200中。换句话说，它们形成环1200并且位于样品周围(例如图11A的1105)以用光子照射样品。图12的实施方案显示具有LED 1205和1210的二极管照明环1200，它们可以使用不同的波长照射样品。换句话说，环1200可以包括用于照射样品以允许样品检测和识别的一系列类似的不同发光二极管。另外，样品照明可以增强激光检测和识别。LED 1205和1210可以依赖于期望应用而选择在可见，NIR或UV带中操作。它们也可以选择以包括为筛选不同化学站或生物制剂的组合而选择的不同二极管的混合。图12的照明源也可以构造成荧光源。
[0081]再次参考图11A，样品可以使用来自源1110的激光以及来自LED源1105的发射光子基本上同时或顺序地照射和分析。接下来，从样品散射和发射的光子束1118由透镜1116收集并且由表面1114反射到波长成像滤波器中。反射面1114可以被构造以允许激光通过而反射散射和发射的光子束1118。照射滤波器1107去除可以淹没检测器的Raleigh散射照射光的波长。偏振光束分离器1120分离发射和散射光的一个偏振并且允许它由所示在光束分离器1120左侧和下面的两个不同滤波器/检测器子系统分析。CMOS(所示)或CCD检测器(1132，1126)可以记录由控制模块1134和分析器读取并分析的所选波长/滤波器信号。分析器可以是存储在CPU中的软件，其使用存储在设备存储器中的数据。作为选择，处理器可以使用软件编程以通过比较它的光谱和存储在CPU数据库中的已知光谱来检测样品的化学特征。
[0082]图11B显示图11A手提式设备的不同侧面。参考图11B，设备1100包括电池源1140，键盘或其他接口设备1152和屏幕1150。屏幕1150可以配置用于显示作为结果的图像，或者光谱和生物威胁警告指示，当识别到这种威胁时。视觉指示器可以由听觉警告信号或其他识别方法来补充。键盘1152可以用于控制和输入数据或用于提供命令到单元1100。设备也可以包括用于与其他电子装备，例如服务器、打印机等电子通信的一个或多个通信端口。
[0083]设备1100可以被构造以照明或照射样品并收集和分析由样品发射或散射的光子。分析和识别可以作为由样品发射或散射的波长(也就是样品的光谱)的函数实现。因此，与由光谱仪产生的类似的光谱可以获得。在另一种实施方案中，这里公开的原理特别有利，因为设备1100能够同时获得空间分辨图像以及样品的光谱识别。在另一种实施方案中，公开内容涉及一种用于获得具有第一和第二空间维度的样品的空间准确波长分辨图像的便携式系统。该便携式系统可以包括使用多个光子顺序地照射所述样品的多个部分以产生由样品散射的光子的光子发射源。光子发射源可以对于第二空间维度的多个预先确定位置的每个沿着第一空间维度照射样品。该系统也可以包括用于收集散射光子以从其中产生过滤光子的光学透镜，用于确定过滤光子的一些的波长的分散光谱仪，用于接收过滤光子并从其中获得所述样品的多个光谱的光子检测器，以及用于从多个光谱中产生所述样品的二维图像的处理器。
[0084]图11C是根据本发明另一种实施方案的手提式CHITA设备的示意图。特别地，图11C显示滤波器1124和1130每个是分散光谱仪的实施方案。在另一种实施方案中，滤波器1124或1130的至少一个由分散光谱仪取代。
[0085]图13示意地说明实例CHITA设备的操作。如所示，样品首先由一个或多个光子源(例如图11A中LED 1105和激光器1110)照射1305。接下来的步骤1310是来自样品的发射和/或散射光子的收集和分析。一旦获得波长和空间分辨数据/信息，在步骤1315中，数据指向CMOS或CCD检测器。该数据然后由CPU处理以对原始数据执行各种校正，用于详细分析。校正分析可以包括校准和基线校正1320，不同光谱特征的分离1325(例如在美国专利申请10/812,233中公开的那些，在此引用作为背景信息)，搜索本地数据库以寻找可能的光谱匹配1330和样品的识别1335。分析可以对样品上的不同空间位置而重复。光谱数据可以存储在CPU 1136中或者与存储在板载存储器中的基线数据相比较。实例处理步骤允许分类为生物威胁或化学威胁的化合物的检测和识别1340。
[0086]根据前述实施方案，可调滤波器的像素式或另外增加部分是独立可调的，并且可以完全独立或以协同方式调谐以对应用于图像中不同点处的数据捕获器件或数据捕获场(例如光敏器件的X-Y场或推扫式结构中的一行光敏器件)选择性地过滤。在阶梯式厚度延迟器实施方案中，例如，一连串像素区域或带可一起调谐，以便提供调谐到根据从一个步骤到下一个步骤延迟器厚度的差而不同的连续波长的一连串增加区域(在每个步骤)。类似地，在楔形延迟器实施方案中，楔形上的调谐选择范围内的一连串波长，波长跨越延迟器厚度在其最大和最小厚度之间变化的表面而连续地变化。在完全像素式滤波器中，各个像素可以调谐成与其他可能相邻像素的调谐波长不同的波长。
[0087]因此，本发明的一个方面是可调滤波器区域上的不同位置同时调谐成不同的波长。这是与以一个波长在整个滤波器区域上收集特定波长光振幅数据，然后继续以下一个波长收集下一组数据直到整个光谱对每个像素位置而收集的期望技术的一种背离。但是，本发明通过预见在数据分析可以完成之前对整个可调谐区域收集全光谱(所有波长)的需要来提供提高的速度和通用性。
[0088]使用本发明的独立或阶梯式调谐能力来收集每个像素位置的全光谱信息是可能的。在那种情况下，管理数据收集以记住每个光振幅测量适用的调谐波长是必要的。
[0089]根据本发明，一次从样品收集一系列不同波长测量也是可能的。这可以例如通过散焦或另外将图像的反射光扩散地施加在阵列中所有可调位置上(例如不同延迟器厚度的楔形或系列阶梯)并且以与来自缝隙的光施加到使用棱镜或光栅的光谱仪的方式类似的方式累积来自整个样品的波长数据而实现。也就是，楔形或阶梯式或像素式延迟器方案可以操作以便收集整个样品图像的平均光谱。相同的方案也可以用来收集图像所选部分上的平均光谱。
[0090]在一种实例中，可调滤波器由处理器例如图11A中的处理器1136控制，并且处理器也控制连续数据获取模式。作为一个步骤，聚焦的荧光成像用来收集样品的图像。图像的一个或多个特定区域可以通过关注特征，例如相反地以某个特性波长的检测来区别。在下一个模式中，关注区域，或可选地来自整个样品的散射光，可选地使用非常窄的带宽(但是慢)Raman成像对特定波长关系而检查。由于对每个像素或其他可调增量收集全光谱数据不是必需的，样品分析可以基本上比其他可能的快。
[0091]前述实施方案的楔形、阶梯式且独立可调延迟器的分散波长能力因此可以通过收集像素的全光谱来完成光谱分析，或者通过收集图像的平均光谱来完成光谱分析，或者图像的相邻或其他区域选择性调谐成不同波长的差分波长分析。
[0092]因此，在一种实施方案中，用于威胁检测或其他应用的手提式检测系统可以被构造和可控地操作以使用双折射光谱“灵活”干涉滤波器元件，也就是在给定时刻可选择性地调谐成一个或多个不同波长以完成荧光成像，反射图像收集，Raman图像和Raman图像平均光谱收集和分析的元件。这里公开的滤波器布局的任何一个或组合可以在手提式设备中使用。例如，参考图11A，RLC1和RLC2(Raman液晶)可以是如上所述的楔形滤波器或可调滤波器。类似地，FLC 1124可以包括如上所述的分散滤波器。
[0093]图14提供根据公开内容一种实施方案的封装选择。参考图14，设备1410说明类似于图11A和11B中所示可适用的手提式设备。手提式设备1410包括用于向操作员显示各种信息的屏幕1412，警告信号1411以及能够与其他电子设备数据通信的通信端口1413。设备1400可以用于生物威胁检测，因为它可以显示图像以及文本。该单元可以被构造以识别由其存储器中包含的生物威胁特征的板载库的大小决定的大范围生物威胁材料。它也可以被构造以使用无线链路与主站远程通信以报告重要的发现或更新它的库。
[0094]手提式空气监测器1420所示包括端口1422。最终，手提式表面检测设备1430所示具有把手1433，具有环状构造的LED源1431和主体1432。虽然没有显示，手提式表面检测设备也可以包括显示器、键盘以及一个或多个通信端口。图11A，11B和14中所示的设备说明这里公开的实施方案可以组装和封装在用于现场应用的手提式设备中。容易看到，这种设备是小型的，虽然具有小光程(样品与检测器之间测量的)可以与台式单元同样有效。设备1420和1430分别特别适用于生物威胁的空气监测或表面检测。手提式检测器1430可以用于测量衣服或暴露身体部位上的生物威胁，其在战场或民用环境中特别有用。
[0095]虽然图14的实例实施方案关于生物威胁检测而讨论，这种设备同样适用于化学战制剂检测或有害物质监测。检测设备1410的另一种应用可以包括为医学目的的人体中化学物质的检测和监测。使用这里公开的原理的消费类设备也可以构造以用于进行识别制剂例如葡萄糖，胆固醇，尿素，血红蛋白和酒精的自诊断测试。
[0096]最终，手提式设备1440代表具有简化操作控制和类似于手机的菜单驱动输入的更低成本、面向消费者设备的实例表示。该单元可以被编程以检测取决于其目标应用的某种化学物质。
[0097]手提式检测器的备选实施方案包括Raman显微光谱仪作为Raman散射的分散滤波器的使用。为了实现便携手提式检测器所需的小尺寸，显微Raman传感器组件可以由半导体光刻材料例如半导体处理领域技术人员已知的PMMA和x射线光刻过程构成。制造包括备有X射线掩模的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)到同步辐射的暴露。这里，暴露可以使用本领域技术人员已知的面内微光学系统执行并且经由深度x射线光刻以批处理模式制造。随后的步骤可以包括暴露的PMMA的显影及其去除，PMMA腔中的电镀形成，组合材料的偏振，保护的PMMA的去除，以及最后形成电镀的组件的释放。该过程产生可以用作CHITA手提式检测器的小型波长分散元件的PMMA光栅。根据分散光谱仪的构造技术，该光栅插入到光程中以便在检测器表面上扩散过滤的波长，以检测来自于样品的波长范围。
[0098]超小型滤波器的特征在于PMMA固有的光学性质和Raman特征基本上不削弱生物威胁制剂的Raman检测。图15显示使用高性能显微镜玻璃光学系统收集的PMMA的Raman光谱。图15也显示使用相同光学系统收集的一种炭疽(BG)的Raman光谱。最终，图15显示在将PMMA的薄板引入到激光照射和收集光程中之后BG的Raman光谱。只要PMMA位于光射线平行的光学区域中，它不会将显著的背景引入测量的光谱中。也就是，PMMA是不防止BG Raman光谱收集的照射光程。对归因于PMMA的Raman光谱的贡献也可以用作内部校准物(强度和波长)，其可以帮助仪器响应的自动校正和现场系统的整体改进性能。仪器校准允许包括激光线漂移的仪器变化和定量分析的补偿。
[0099]下面的表格显示小型成像光谱仪的实施方案的非专有实例规范。
性能参数                              规范
激光激发波长和带宽：                  532nm；＜0.2nm
成像孔径：                            0.5″或更大
视野(角度入射)：                      +/-3度
自由光谱范围：                        500-750nm
可用Raman范围：                       350-3,200cm-1
分辨率：                              0.25nm FWHM@500nm，＜10cm-1
非峰值拒绝：                          10,000∶1总能量
透射：                                最小30％
[00100]虽然公开内容使用这里提供的说明性实施方案描述，应当理解，公开内容的原理并不局限于此并且可以包括对其的修改和置换。

Claims (117)

1.在一种包括多个滤波级的光学滤波器中，其中多级的第一级包括延迟器元件和液晶单元，该延迟器元件和液晶单元的每一个具有均匀厚度，改进包括使用第二级取代第一级，第二级具有延迟器元件和液晶单元，其中该延迟器元件或者该液晶单元不具有均匀厚度。
2.根据权利要求1的滤波器，其中第一级的元件和单元具有相同的厚度。
3.根据权利要求1的滤波器，其中第二级的元件不具有均匀厚度。
4.根据权利要求1的滤波器，其中第二级的元件是楔形。
5.根据权利要求1的滤波器，其中第二级的元件具有阶梯式楔形。
6.在一种包括多个滤波级的光学滤波器中，其中多级的第一级包括延迟器元件和液晶单元，该延迟器元件和液晶单元的每一个具有均匀厚度，改进包括用第二级取代第一级，第二级具有延迟器元件和液晶单元，其中所述单元包括：
用于过滤光子的像素式液晶结构；
可操作地连接到所述像素式液晶结构的电压源；以及
用于控制由所述电压源施加到像素中一些像素的电压量的装置；
其中液晶在光子通过的方向上基本上厚度均匀。
7.在一种包括多个滤波级的光学滤波器中，其中多级的第一级包括延迟器元件和液晶单元，该延迟器元件和液晶单元的每一个具有均匀厚度，改进包括用第二级取代第一级，第二级具有延迟器元件和液晶单元，其中所述单元包括：
用于过滤光子的列柱式液晶结构；
可操作地连接到所述列柱式液晶结构的电压源；以及
用于控制由所述电压源施加到所述列柱中一些列柱的电压量的装置；
其中液晶在光子通过的方向上基本上厚度均匀。
8.一种光学滤波器，包括：
第一滤波级，包括第一延迟器元件和第一液晶单元；以及
第二滤波级，
其中第一元件或者第一单元不具有均匀厚度。
9.根据权利要求8的滤波器，其中所述第二级包括具有第一均匀厚度的第二延迟器元件以及具有第二均匀厚度的第二液晶单元。
10.根据权利要求9的滤波器，其中第一均匀厚度与第二均匀厚度基本上相同。
11.根据权利要求8的滤波器，其中第一元件不具有均匀厚度。
12.根据权利要求11的滤波器，其中第一元件是楔形。
13.根据权利要求11的滤波器，其中第一元件具有阶梯式楔形。
14.根据权利要求8的滤波器，其中第一和第二级包括双折射干涉滤波器。
15.根据权利要求8的滤波器，其中第一和第二级包括Evans分裂元素滤波器。
16.根据权利要求8的滤波器，其中第一和第二级包括Solc滤波器。
17.根据权利要求8的滤波器，其中第一和第二级包括Lyot滤波器。
18.根据权利要求17的滤波器，包括Evans分裂元素滤波器。
19.根据权利要求8的滤波器，其中所述第一元件包含石英。
20.根据权利要求8的滤波器，其中所述第一元件包含铌酸锂。
21.根据权利要求8的滤波器，其中滤波器是可调滤波器。
22.根据权利要求8的滤波器，其中滤波器包括偏光器。
23.根据权利要求8的滤波器，其中滤波器是像素式的。
24.根据权利要求8的滤波器，其中滤波器是列柱式的。
25.根据权利要求8的滤波器，其中第一和第二滤波级确定混合滤波器。
26.根据权利要求8的滤波器，其中第一和第二级的至少一个选自Lyot滤波器，Evans滤波器，Fabry-Perot滤波器和Solc滤波器，并且第一和第二级的组合确定混合滤波器。
27.一种制造光学滤波器的方法，包括步骤：
提供包括第一延迟器元件和第一液晶单元的第一滤波级，其中第一元件或者第一单元不具有均匀厚度；
提供第二滤波级；以及
将第一滤波级与第二滤波级对准。
28.根据权利要求27的方法，其中第一和第二级包括Lyot滤波器并且包括步骤：
提供Evans分裂元素滤波器；以及
将Evans分裂元素滤波器与Lyot滤波器对准。
29.根据权利要求27的方法，其中第一和第二级包括Lyot滤波器并且包括步骤：
提供Fabry-Perot滤波器；以及
将Fabry-Perot滤波器与Lyot滤波器对准。
30.根据权利要求73的方法，其中第一和第二级包括Lyot滤波器并且包括步骤：
提供Solc滤波器；以及
将Solc滤波器与Lyot滤波器对准。
31.根据权利要求27的方法，其中光学滤波器是混合滤波器，并且第一或第二级的至少一个选自Lyot滤波器，Evans滤波器，Solc滤波器和Fabry-Perot滤波器。
32.一种使光子通过的光学滤波器，该滤波器包括：
第一滤波级，包括第一延迟器元件和第一液晶单元；以及
第二滤波级，
其中所述第一元件包括输入面和输出面，以及
其中所述第一元件各个面的其中一个不基本上垂直于通过滤波器的光子的轨迹而定向。
33.根据权利要求32的滤波器，其中所述第二级包括具有第一均匀厚度的第二延迟器元件和具有第二均匀厚度的第二液晶单元。
34.根据权利要求33的滤波器，其中第一均匀厚度与第二均匀厚度基本上相同。
35.根据权利要求32的滤波器，其中第一元件是楔形。
36.根据权利要求32的滤波器，其中第一元件具有阶梯式楔形。
37.根据权利要求32的滤波器，其中第一和第二级包括双折射干涉滤波器。
38.根据权利要求32的滤波器，其中第一和第二级包括Evans分裂元素滤波器。
39.根据权利要求32的滤波器，其中第一和第二级包括Solc滤波器。
40.根据权利要求32的滤波器，其中第一和第二级包括Lyot滤波器。
41.根据权利要求40的滤波器，包括Evans分裂元素滤波器。
42.根据权利要求32的滤波器，其中所述第一元件包含石英。
43.根据权利要求32的滤波器，其中所述第一元件包含铌酸锂。
44.根据权利要求32的滤波器，其中滤波器是可调滤波器。
45.根据权利要求32的滤波器，其中滤波器包括偏光器。
46.根据权利要求32的滤波器，其中滤波器是像素式的。
47.根据权利要求32的滤波器，其中滤波器是列柱式的。
48.一种光学滤波器，包括：
第一滤波级，包括第一延迟器元件和第一液晶单元；以及
第二滤波级，
其中所述第一元件包括输入面和输出面，以及
其中所述第一元件各个面不基本上彼此平行地定向。
49.根据权利要求48的滤波器，其中所述第二级包括具有第一均匀厚度的第二延迟器元件和具有第二均匀厚度的第二液晶单元。
50.根据权利要求49的滤波器，其中第一均匀厚度与第二均匀厚度基本上相同。
51.根据权利要求48的滤波器，其中第一元件是楔形。
52.根据权利要求48的滤波器，其中第一元件具有阶梯式楔形。
53.根据权利要求48的滤波器，其中第一和第二级包括双折射干涉滤波器。
54.根据权利要求48的滤波器，其中第一和第二级包括Evans分裂元素滤波器。
55.根据权利要求48的滤波器，其中第一和第二级包括Solc滤波器。
56.根据权利要求48的滤波器，其中第一和第二级包括Lyot滤波器。
57.根据权利要求48的滤波器，包括Evans分裂元素滤波器。
58.根据权利要求48的滤波器，其中所述第一元件包含石英。
59.根据权利要求48的滤波器，其中所述第一元件包含铌酸锂。
60.根据权利要求48的滤波器，其中滤波器是可调滤波器。
61.根据权利要求48的滤波器，其中滤波器包括偏光器。
62.根据权利要求48的滤波器，其中滤波器是像素式的。
63.根据权利要求48的滤波器，其中滤波器是列柱式的。
64.根据权利要求48的滤波器，其中光学滤波器是混合滤波器，并且第一或第二级的至少一个选自Lyot滤波器，Evans滤波器，Solc滤波器和Fabry-Perot滤波器。
65.一种获得样品光谱的系统，包括：
光子发射源，用于使用多个光子照射样品从而产生由样品散射的光子；
光学透镜，用于收集散射光子；
滤波器，用于接收收集的散射光子并从其中提供过滤光子；以及
光子检测器，用于接收过滤光子并从其中获得样品的光谱，
其中所述滤波器包括：
第一滤波级，包括第一延迟器元件和第一液晶单元；以及
第二滤波级，
其中第一元件或者第一单元不具有均匀厚度。
66.根据权利要求65的系统，其中所述第二级包括具有第一均匀厚度的第二延迟器元件以及具有第二均匀厚度的第二液晶单元。
67.根据权利要求66的系统，其中第一均匀厚度与第二均匀厚度基本上相同。
68.根据权利要求65的系统，其中第一元件不具有均匀厚度。
69.根据权利要求68的系统，其中第一元件是楔形。
70.根据权利要求68的系统，其中第一元件具有阶梯式楔形。
71.根据权利要求65的系统，其中第一和第二级包括双折射干涉滤波器。
72.根据权利要求65的系统，其中第一和第二级包括Evans分裂元素滤波器。
73.根据权利要求65的系统，其中第一和第二级包括Solc滤波器。
74.根据权利要求65的系统，其中第一和第二级包括Lyot滤波器。
75.根据权利要求74的系统，包括Evans分裂元素滤波器。
76.根据权利要求65的系统，其中所述第一元件包含石英。
77.根据权利要求65的系统，其中所述第一元件包含铌酸锂。
78.根据权利要求65的系统，其中滤波器是可调滤波器。
79.根据权利要求65的系统，其中滤波器包括偏光器。
80.根据权利要求65的系统，其中滤波器是像素式的。
81.根据权利要求65的系统，其中滤波器是列柱式的。
82.根据权利要求65的系统，其中所述光子检测器选自电荷耦合器件，互补金属氧化物半导体，电荷注入器件，增强电荷注入器件，电子倍增电荷耦合器件，硅光电二极管，硅雪崩二极管和焦平面阵列。
83.根据权利要求65的系统，其中所述光子发射源是激光器。
84.根据权利要求65的系统，其中所述光子发射源是发光二极管。
85.根据权利要求84的系统，其中所述发光二极管布置成环形。
86.根据权利要求85的系统，其中所述发光二极管是多个发光二极管。
87.根据权利要求84的系统，其中所述发光二极管是多个发光二极管，其中所述多个发光二极管的一个以某一波长发射光子，该波长不同于由所述多个发光二极管的另一个发射的光子的波长。
88.根据权利要求87的系统，其中由所述多个发光二极管的一个发射的光子的波长在紫外波长范围内。
89.根据权利要求87的系统，其中由所述多个发光二极管的一个发射的光子的波长在近红外波长范围内。
90.根据权利要求65的系统，其中所述光谱在预先确定的时间段上获得并且所述样品在所述预先确定时间段期间静止不动。
91.根据权利要求65的系统，其中所述散射光子包括由所述样品发射的光子。
92.根据权利要求65的系统，其中所述光谱是Raman光谱。
93.根据权利要求65的系统，其中系统是便携式系统。
94.根据权利要求65的系统，其中系统是手提式系统。
95.根据权利要求65的系统，其中光谱是Raman光谱。
96.根据权利要求65的系统，其中所述光谱是空间准确波长分辨图像。
97.根据权利要求65的系统，其中所述光谱在预先确定的时间段上获得并且所述样品在所述预先确定时间段期间静止不动。
98.根据权利要求65的系统，其中所述散射光子包括由所述样品发射的光子。
99.根据权利要求65的系统，其中所述过滤光子的一些每个具有在预先确定波段内的波长。
100.根据权利要求65的系统，其中所述第一滤波器元件包括液晶。
101.根据权利要求65的系统，其中所述延迟器元件包含石英。
102.根据权利要求65的系统，其中所述延迟器元件包含铌酸锂。
103.根据权利要求65的系统，其中滤波器是混合滤波器，并且第一或第二滤波级的至少一个选自Lyot滤波器，Evans滤波器，Solc滤波器和Fabry-Perot滤波器。
104.一种获得样品光谱的方法，包括：
提供样品；
使用多个光子照射样品从而产生由样品散射的光子；
收集散射光子；
使用滤波器接收收集的散射光子并从其中提供过滤光子；以及
接收过滤光子并从其中获得样品的光谱，
其中所述滤波器包括：
第一滤波级，包括第一延迟器元件和第一液晶单元；以及
第二滤波级，
其中第一元件或者第一单元不具有均匀厚度。
105.根据权利要求104的方法，其中第一和第二级包括Lyot滤波器并且包括步骤：
提供Evans分裂元素滤波器；以及
将Evans分裂元素滤波器与Lyot滤波器对准。
106.根据权利要求104的方法，其中第一和第二级包括Lyot滤波器并且包括步骤：
提供Fabry-Perot滤波器；以及
将Fabry-Perot滤波器与Lyot滤波器对准。
107.根据权利要求104的方法，其中第一和第二级包括Lyot滤波器并且包括步骤：
提供Solc滤波器；以及
将Solc滤波器与Lyot滤波器对准。
108.根据权利要求104的方法，其中光学滤波器是混合滤波器，并且第一或第二级的至少一个选自Lyot滤波器，Evans滤波器，Solc滤波器和Fabry-Perot滤波器。
109.一种光学滤波器，包括：
第一液晶单元，包括具有第一光子延迟值的第一区域和具有第二光子延迟值的第二区域；
第二液晶单元，包括具有所述第一光子延迟值的第一区域和具有所述第二光子延迟值的第二区域；
其中第一和第二延迟值的每个由分别与所述第一和第二单元的第一和第二区域的每个通信的第一激发源和第二激发源确定。
110.根据权利要求109的光学滤波器，其中第一级的第一区域基本上与第二级的第一区域对准。
111.根据权利要求109的光学滤波器，其中第一单元和第二单元形成Lyot滤波器，Evans分裂元素滤波器，Solc滤波器，或混合滤波器的一个。
112.一种光学滤波器，包括：
用于过滤光子的像素式液晶级；
可操作地连接到液晶像素的电压源；以及
用于控制由所述电压源施加到所述像素中一些像素的电压量的装置；
其中液晶在光子通过的方向上基本上厚度均匀。
113.根据权利要求112的光学滤波器，其中施加到所述像素中第一组的一些像素的电压量基本上相同。
114.根据权利要求112的光学滤波器，其中施加到所述像素的每个的电压量基本上相同。
115.一种光学滤波器，包括：
用于过滤光子的列柱式液晶级；
可操作地连接到液晶列柱的电压源；以及
用于控制由所述电压源施加到所述列柱的一些列柱的电压量的装置；
其中液晶在光子通过的方向上基本上厚度均匀。
116.根据权利要求115的光学滤波器，其中施加到所述列柱中第一组的一些列柱的电压量基本上相同。
117.根据权利要求115的光学滤波器，其中施加到所述列柱的每个的电压量基本上相同。
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