CN108027317B - 参考方案中的测量时间分布 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于参考方案的测量时间分布(1276,1277,1278)的方法和系统。本公开的方法和系统能够基于样本信号、参考对象信号、噪声水平和SNR动态地改变测量时间分布。该方法和系统被配置有多个测量状态，包括样本测量状态(1282)、参考对象测量状态(1284)和暗场测量状态(1286)。在一些示例中，测量时间分布方案可基于工作波长、采样界面处的测量位置和/或目标SNR。本发明的示例还包括用于同时测量不同测量状态的系统和方法。然而，系统和方法可包括高频检测器以消除或减小会降低SNR的去相关噪声波动。

Description

参考方案中的测量时间分布

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2015年9月18日提交的美国临时专利申请62/220,887的优先权，该美国临时专利申请全文以引用方式并入本文。

技术领域

本申请一般来说涉及为参考方案改善信噪比的方法和系统，尤其涉及用于动态地改变测量时间分布以及去除高频噪声的方法和系统。

背景技术

吸收光谱学是一种分析技术，可用来确定采样界面处样本中一种或多种物质的浓度和类型。用于吸收光谱学的传统系统和方法可包括在采样界面处发射光。由于光透射过样本，光能量的一部分以一个或多个波长被吸收。此吸收可引起出离样本的光的属性的变化。出离采样界面的光的属性可与出离参考对象的光的属性比较，以及可基于此对比结果确定采样界面处样本中的一种或多种物质的浓度和类型。

尽管比较结果可确定采样界面处样本中的一种或多种物质的浓度和类型，但是测量值可包括固定测量时间分布方案。在一些示例中，固定测量时间分布方案可包括对三种状态的循环时间的均等分布：测量样本，测量参考对象和测量暗场。然而，样本信号、参考对象信号、暗场信号及其对应噪声水平可随工作波长、周围环境和/或样本中物质的测量位置而不同。作为结果，固定测量时间分布方案可能对于所有工作长波和样本中的测量位置不是最佳的。此外，固定测量时间分布方案会造成具有非重要信息、错误测量数据、低信噪比(SNR)及其组合的长测量时间。由此，用于动态地改变测量时间分布的方法和系统可能是理想的。而且，系统中的高频噪声会造成不可接受的SNR，所以用于去除高频噪声的方法和系统可能是理想的。

发明内容

本申请涉及用于参考方案的测量时间分布。本公开的方法和系统能够基于样本信号、参考对象信号、噪声水平和SNR动态地改变测量时间分布。方法和系统可配置有多个测量状态，包括样本测量状态、参考对象测量状态和暗场测量状态。在一些示例中，当系统中的噪声水平低时，可分配较少时间给暗场测量状态。在一些示例中，样本信号可能微弱，并且系统会给样本测量状态比其他测量状态更大量的时间。在一些示例中，样本信号可能强大，并且系统会给参考对象测量状态比其他测量状态更大量的时间。在一些示例中，测量时间分布方案可基于工作波长、样本中的测量位置和/或目标SNR。本发明的示例还包括用于同时测量不同测量状态的系统和方法。然而，系统和方法可包括高频检测器以消除或减小会降低SNR的去相关噪声波动。

附图说明

图1示出了根据本公开的示例的包括用于测量样本中一种或多种物质的浓度和类型的多个检测器的示例性系统。

图2示出了根据本公开的示例的使用包括多个检测器的系统来测量样本中一种或多种物质的浓度和类型的示例性过程流。

图3示出了根据本公开的示例的包括用于检测样本中一种或多种物质的浓度和类型的共享检测器的示例性系统。

图4示出了根据本公开的示例的使用包括共享检测器的系统来测量样本中一种或多种物质的浓度和类型的示例性过程流。

图5示出了根据本公开的示例的用于确定一种或多种物质的浓度和类型的吸光度测量的示例性曲线。

图6示出了根据本公开的示例的用于检测样本中一种或多种物质的浓度和类型的包括位于光源与样本之间的调制器的示例性系统。

图7示出了根据本公开的示例的使用包括位于光源和样本之间的调制器的系统来测量样本中一种或多种物质的浓度和类型的示例性过程流。

图8示出了根据本公开的示例的用于测量样本中一种或多种物质的浓度和类型的包括位于光源和样本之间的调制器的示例性系统。

图9示出了根据本公开的示例的使用包括位于光源和样本之间的调制器的系统来测量样本中一种或多种物质的浓度和类型的示例性过程流。

图10示出了根据本公开的示例的用于确定一种或多种物质的浓度和类型的吸光度测量的示例性曲线。

图11示出了根据本公开的示例的包括具有均等测量时间分布的三个测量状态的吸光度测量的示例性曲线。

图12示出了根据本公开的示例的包括具有不均等测量时间分布的三个测量状态的吸光度测量的示例性曲线。

图13示出了根据本公开的示例的用于动态地改变测量时间分布的示例性过程流。

图14示出了根据本公开的示例的用于测量样本中一种或多种物质的浓度和类型以及能够同时测量不同测量状态的示例性系统的一部分。

图15示出了根据本公开的示例的能同时从测量不同测量状态的系统的测量状态的示例性曲线。

图16示出了根据本公开的示例的包括多个MEMS部件以及能同时测量多个测量状态的示例性系统的一部分的横截面图。

图17示出了根据本公开的示例的具有噪声波动的吸光度测量值的示例性曲线。

图18示出了根据本公开的示例的用于测量样本中一种或多种物质的浓度和类型的包括高频检测器的示例性系统。

图19示出了根据本公开的示例的使用包括高频检测器的系统来测量样本中一种或多种物质的浓度和类型的示例性过程流。

具体实施方式

在以下对示例的描述中将引用附图，在附图中以例示的方式示出了可被实施的特定示例。应当理解，在不脱离各个示例的范围的情况下，可使用其他示例并且可作出结构性变更。

在该部分描述了根据本公开的方法与装置的代表性应用。提供这些示例仅是为了添加上下文并有助于理解所述示例。因此，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，可在没有具体细节中的一些或全部的情况下实践所述示例。其他应用也是可能的，使得以下示例不应被视为是限制性的。

现在将参照如附图所示的示例来详细描述各种技术和过程流步骤。在以下描述中，阐述了众多具体细节，以便提供对其中描述或提到的一个或多个方面和/或特征的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员显而易见的是，所述或提到的一个或多个方面和/或特征可以在不具有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其他情况下，公知的过程步骤和/或结构未详细描述从而不会模糊本文所述或提到的方面和/或特征中的一些。

而且，尽管可按照连续次序描述过程步骤或方法步骤，但是此类过程和方法可被配置为按照任意适合次序来工作。换言之，可在本公开中描述的步骤的任何序列或次序自身未指出需要按该次序执行步骤。此外，尽管被描述或暗示为非同时发生(例如，因为在其他步骤之后描述一个步骤)，但可以同时执行一些步骤。而且，在附图中借助其描述对过程的图示未暗示不包括其他变型及其修改，未暗示所示过程或其步骤的任一个必须为示例的一个或多个，并且未暗示所示过程为优选的。

本公开涉及用于参考方案的测量时间分布。本公开的方法和系统能够基于样本信号、参考对象信号、暗场信号、噪声水平、SNR及其组合动态地改变测量时间分布。方法和系统可配置有多个测量状态，包括样本测量状态、参考对象测量状态和暗场测量状态。在一些示例中，当系统中的噪声水平低时，可分配较少时间给暗场测量状态。在一些示例中，样本信号可能微弱，并且系统会给样本测量状态比其他测量状态更大量的时间。在一些示例中，样本信号可能强大，并且系统会给参考测量状态比其他测量状态更大量的时间。在一些示例中，分配给样本测量状态和参考对象测量状态的时间量可基于噪声水平。在一些示例中，噪声水平可取决于样本信号、参考对象信号或两者的强度。在一些示例中，测量时间分布方案可基于工作波长、样本中的测量位置、周围环境条件和/或目标SNR。本发明的示例还可包括用于同时测量不同测量状态的系统和方法。然而，系统和方法可包括高频检测器以消除或减小会在特定参考方案中降低SNR的时间去相关噪声波动。

例如在样本中，每种物质可在某个波长范围内具有特征，由图案指示为一个或多个吸光度波峰形成的波长的函数。一个示例性波长范围可为短波长红外光(SWIR)。物质可在一个或多个波长吸收较高能量并且可在其他波长吸收较低能量，形成对该物质唯一的光谱指纹。可通过将测量的频谱与包括相关物质的指纹的光谱库的内容相匹配来执行确定一种或多种物质在样本中的类型。另外，物质的浓度可基于吸光量。

样本可包括可修改入射光的多种物质。在多种物质中，一种或多种物质可为感兴趣的物质以及物质可能不是感兴趣的。在一些示例中，不感兴趣的物质可比感兴趣的物质吸收更多入射光。此外，光谱伪影会“遮蔽”一种或多种感兴趣的物质的吸光度峰值。光谱伪影和不感兴趣的物质吸收两者会使得对感兴趣的物质的检测变得困难。而且，一种或多种物质的浓度可能在样本中以不均匀方式分布，这会产生样本的光学属性的变化(例如，线性双折射、光学活性、衰减)。样本中的光学属性的变型可基于样本中测量位置造成不同信号值。此外，不感兴趣的物质的吸光度或样本内不同位置处的噪声水平可能不同。而且，系统中的部件随时间会具有不同偏移，这会改变信号值和/或噪声水平。不同信号值和/或不同噪声水平会造成基于若干因素，诸如波长、样本中的测量位置或两者而变化的SNR。

吸收光谱学是一种分析技术，可用来确定样本中一种或多种物质的浓度和类型。光在从光源射出并且入射到样本上时可具有初始强度或能量。由于光透射过样本，能量的一部分以一个或多个波长被吸收。此吸收可引起出离样本的光的强度的变化(例如，损失)。随着样本中物质浓度的增大，可吸收较高的能量，并且这可由比尔-朗伯特法则表示为：

其中ε可为样本中的物质在测量波长下的吸光度，l可为穿过样本的光的路径长度，c可为感兴趣的物质的浓度，T可为出离样本的光的透射率，I_sample可为在测量波长下测量的沿样本路径的强度，以及I_reference可为在测量波长下测量的沿参考路径的强度。

如在公式1中所示，出离样本的光量可为浓度的指数函数。给定公式1中讨论的吸光度和透射测量值之间的关系，在样本中的物质的吸光度和浓度之间可存在线性关系。在一些示例中，物质浓度可基于吸光度测量值来确定。在一些示例中，参考路径可包括具有一种或多种感兴趣的物质的已知浓度的参考“样本”。在一些示例中，可使用参考和比例公式计算样本中物质的浓度，公式定义为：

其中A_sample和A_reference分别为样本吸光度和参考吸光度，以及C_sample和C_reference分别为样本和参考对象中的物质的浓度。在一些示例中，物质可包括一种或多种化学成分，以及可使用测量值确定存在于样本中的每个化学成分的浓度。

图1示出了示例性系统以及图2示出了根据本公开的示例的使用包括多个检测器的系统来测量样本中一种或多种物质的浓度和类型的示例性过程流。系统100可包括通过信号104由控制器140控制的光源102。光源102可将多频带或多波长的光150发射到单色器106(过程200的步骤202)。单色器为可从多波长光150中选择一个或多个离散波长的部件。在一些示例中，一个或多个离散波长可包括有限范围的波长。在一些示例中，单色器106可包括入口狭缝，配置为选择光谱分辨率和/或排除不想要的或者杂散光。单色器可与一个或多个干扰或吸光滤光器、棱镜或衍射光栅耦合用于波长选择。单色器106可将光150分离成形成光152的一个或多个离散波长(过程200的步骤204)。光152可入射到分束器110上。分束器为可将光束分割为多个光束的光学部件。光束器110可将光152分割成形成两个光束：光154和光164(过程200的步骤206)。

光154可入射到样本120上。一部分光可由样本120中的物质吸收，以及一部分光可被透射穿过样本120(过程200的步骤208)。在一些示例中，一部分光可散射。散射会造成光损失并且可改变光透射穿过样本120的路径长度。透射穿过样本120的那部分光可表示为光156。光156可包括可入射到检测器130的有效区域上的一组光子。检测器130可响应或测量入射到有效区域上的光或光子(过程200的步骤210)并且可生成电信号158，这可指示光156的属性(过程200的步骤212)。电信号158可输入到控制器140。

光164可被导向到反射镜112(过程200的步骤214)。反射镜112可为能将光导向或重新导向到参考对象122的任何类型的光学器件。在一些示例中，另外或另选地，系统可包括但不限于非反射部件(例如，曲面波导)用于光重定向。在一些示例中，系统100可包括其他类型的光学器件，诸如光导、衍射光栅或反射板。光164可入射到参考对象122上。一部分光164可由参考对象122中的物质吸收，以及一部分光164可被透射穿过参考对象122作为光166(过程200的步骤216)。光166可包括可入射到检测器132上的一组光子。在一些示例中，检测器130和检测器132可为匹配检测器。即，检测器130和检测器132可具有类似特征，包括但不限于，检测器的类型、工作条件、响应度和性能。检测器132可响应或测量入射到有效区域上的光或光子(过程200的步骤218)并且可生成指示光166的属性的电信号168(过程200的步骤220)。电信号168可输入到控制器140。

控制器140可接收信号158和信号168两者。在一些示例中，信号158可包括样本信号，而信号168可包括参考对象信号。控制器140例如可借助参考对象信号将样本信号相除、相减或缩放来获得比率。比率可通过使用公式1转换为吸光度，可向吸收光谱应用算法来确定物质的浓度。

使用系统100(图1所示)确定样本中物质的浓度的一个优势可能在于可补偿来自光源而非来源于物质组成的变化的波动、漂移和/或变化。例如，如果从光源102发射的光152的属性发生不希望的变化，则光154和光164两者会均等地受到该不希望的变化的影响。作为结果，光156和光166两者都会均等地受到影响从而在控制器140借助信号168相除、缩放或相减信号158时可抵消或按比例处理光的变化。然而，由于系统100包括两个不同检测器(例如，检测器130和检测器132)用于吸光度测量，所以可能无法补偿来源于检测器自身的波动、漂移和/或变化。尽管检测器130和检测器132可相匹配(即，具有相同特征)，但是速率或者与物质无关的各种因素，诸如环境条件可对不同检测器的影响可能不同。本领域的技术人员将理解，相同的特征可包括导致15％的偏差的公差。借助对不同检测器的不同影响，可能只有一个信号而不是两个信号受到干扰。尽管控制器140认识到存在仅干扰一个信号的与物质无关的因素，但是控制器140可能错误地将该干扰计算为样本120相比较参考对象122的浓度的差值。另选地或此外，如果干扰造成光谱指纹的变化，则控制器140可弄错物质类型。

可能存在许多波动、漂移和变化的来源。一个示例性漂移可为由于“预热”部件造成的初始化漂移。尽管用户可等待一定时间直到此类初始化漂移稳定为止，但是在某些应用中这可能不是适合的方案。例如，在理想为低功耗的系统中，在不使用时可关闭某些部件以节省电力并且随后在使用时接通。取决于要花费多长时间稳定，等待部件预热可使得用户变得困惑。而且，在等待时消耗的能量可能会否定关闭部件的益处。

另一个示例性漂移可能由于噪声引起。例如，干扰噪声可能由于随机改变电极的非欧姆接触和/或部件内表面测量状态陷阱的影响而存在。由于随机变化，不仅变化是无法预测的，而且会以不同方式影响不同检测器。另一示例性漂移可为由于周围环境的温度和/或湿度变化造成的热漂移，还会以不同方式影响不同检测器。

无论波动、漂移和变化的来源如何，检测器测量样本和不同检测器测量参考对象的影响可造成灵敏度、检测度和/或吸收光谱的不希望的变化。由于穿过样本的光路径可能不同于穿过参考对象的光路径并且可能存在两个路径之间的许多非共享部件或非映射相关性，所以由于光路径之间的失配造成的信号任何变化可能不同于由于感兴趣的物质造成的信号变化。

由于可共享系统100中的光源102，所以可补偿来源于光源102的漂移和不稳定性。然而，可能无法补偿沿两个光路径的来源于非共享(即，非公有)的部件的漂移或不稳定性。然而，系统的测量性能在检测器受到散弹噪声限制的情况下可能会受到限制。散弹噪声为由移动电荷载流子的随机生成和流动而生成的噪声或电流。由于散弹噪声限制检测器，所以不同检测器可具有随机和/或不同噪声基底。结果，系统100(图1所示)可能不适合高灵敏度或低信号测量。

图3示出了示例性系统以及图4示出了根据本公开的示例的使用包括共享检测器的系统来测量样本中一种或多种物质的浓度和类型的示例性过程流。系统300可包括通过信号304由控制器340控制的光源302。光源302可将多波长的光350发射到单色器306(过程400的步骤402)。单色器306可将多波长光350分成包括光352的一个或多个离散波长的光(过程400的步骤404)。光352可被导向到光束器310，光束器随后可将光152分割成形成两个光束：光354和光364(过程400的步骤406)。

光354可入射到样本320上。一部分光可由样本320中的物质吸收，以及一部分光可被透射穿过样本320(过程400的步骤408)。透射穿过样本的那部分光可被称为光356。光356可被导向到反射镜314。反射镜314可将光356的传播方向导向或改变到选择器324(过程400的步骤410)。

光364可入射到反射镜312上。反射镜312可将光的传播方向改变到参考对象322(过程400的步骤412)。一部分光364可由参考对象322中的化学物质吸收，以及一部分光364可被透射穿过参考对象322(过程400的步骤414)。透射穿过参考对象322的那部分光可被称为光366。

光356和366两者可入射到选择器324上。选择器324可为能将光束移动或选择为导向到斩波器334的任何光学部件。斩波器334可为周期性地中断光束的部件。系统300可在斩波器334调制光356和调制光366之间随时间交替。透射穿过斩波器334的光可入射到检测器330的有效区域上。光356和光366两者每一个均可包括入射到检测器330上的一组电子。检测器330可应答或测量入射光或光子并且可生成指示光的属性的电信号。

第一次，斩波器334可调制光356(过程400的步骤416)。检测器330可测量已透射穿过样本320的光356(过程400的步骤418)并且可生成指示光356的属性的电信号358(过程400的步骤420)。第二次，斩波器334可调制光366(过程400的步骤422)。检测器330可测量已透射穿过基准对象322的光366(过程400的步骤424)并且可生成指示光366的属性的电信号368(过程400的步骤426)。

控制器340可在不同时刻接收信号358和信号368两者。信号358可包括样本信号，而信号368可包括参考对象信号。控制器340例如可将样本信号通过参考对象信号相除、相减或缩放(过程400的步骤428)来获得比率。比率可通过使用公式1转换为吸收率，可向吸收光谱应用算法来确定物质的浓度。

尽管系统300(图3中所示)可补偿由于共享检测器造成的检测器中的微小波动、漂移和/或变化，但是系统300可能很难识别不同类型的漂移。可能存在多种类型的漂移，诸如零点漂移和增益漂移。零点漂移可指代零点电平随时间的变化，从而避免与时间的恒定(即，水平)关系。增益漂移可指代每个生成的电子空穴对的电子载流子的平均数的变化。即，增益漂移可指代生成的电子空穴对与检测器的电流响应的效率或比率的变化。为了识别零点漂移和增益漂移，系统可以稳定一种类型的漂移以及测量另一个。例如，为了从光源确定增益漂移，系统可为直流稳定(即，稳定零点漂移)。然而，由于缺少在系统300中稳定一种类型的漂移的能力，可能无法区分零点漂移和增益漂移。

在一些实例中，检测器可测量杂散光的存在，杂散光会造成误差信号和一种或多种物质的浓度和类型的错误确定。在系统300中，在光透射穿过样本320或参考对象322之后布置斩波器334可使得杂散光到达样本320或参考对象322。杂散光可能无法对光谱信号做出贡献，所以通过允许杂散光到达样本320或参考对象322，检测器330可检测包括在杂散光中的光子。检测杂散光中包括的光子可造成信号358或信号368的错误变化。由于信号358或信号368的变化，控制器340可能无法确定该变化是否由于杂散光或者光源302的变化或者这种变化多大程度是由于杂散光或者由于光源302的变化。因此，系统300可能无法适合其中可能存在无法忽略的杂散光量的情况。

当样本中感兴趣的物质具有低浓度时，与系统100(图1中所示)和系统300(图3中所示)相比，具有增大精度和灵敏度的系统是理想的。为了测量一种或多种物质的浓度和类型，系统100(图1中所示)和系统300(图3中所示)可多次测量样本和参考对象。图5示出了根据本公开的示例的用于确定一种或多种物质的浓度和类型的吸光度测量的示例性曲线。系统可开始于暗场阶段570，其中系统中的一个或多个部件可得到优化，校准和/或同步以最小化误差。暗场阶段570例如可包括测量参考吸光度。在一些示例中，暗场阶段570可包括测量系统的暗电流和噪声。具有已知的稳定物质浓度的样本可被置于定位样本的光路径中。系统可接通或关闭。控制器可确定吸光度并且将“零点电平”设为等于该吸光度。如果由于明显漂移该信号饱和或钳位，则控制器可调节光源发射属性直到信号不再饱和为止。

一旦暗场阶段570完成以及确定零点电平，该系统可前进到测量阶段572。在测量阶段572，可通过采样若干次生成多个样本点574来测量样本中物质的浓度。在一些示例中，系统可测量数十到数百个样本点574。一旦测量某些数量的样本点574，控制器可对样本点574的值求平均以确定吸光度。可能需要测量多个样本点并确定平均值，因为，如图所示，吸光度测量可包括微小扰动，如果不考虑的话，该微小扰动会导致在物质浓度确定中的误差。在一些示例中，在光源改变发射波长时，在预先确定的时间在连续暗场阶段之间流逝之后，或者在测量预先确定的数量的样本点之后，可重复暗场阶段570来将零点电平重新置零。

在一些示例中，图5中示出的测量过程可在连续暗场阶段之间具有长时间，使得由于设置的零点电平从真实零点电平漂移会造成不准确的平均信号测量值。附图示出了零点漂移或增益漂移，其中吸光度信号可能由于零点电平或增益值分别从真实零点电平或真实增益值漂移开始随时间从恒定(即，水平)关系偏离。尽管可缩短连续暗场阶段之间的时间，但是可能由于针对准确测量可能需要的最小数量的样本点的原因存在对暗场阶段之间的最小时间段的限制。这对其中SNR低的情况尤其如此，可能需要需要数十次到数百次重复测量从而获得稍许准确的平均吸光度值。

图6示出了示例性系统以及图7示出了根据本公开的示例的使用包括位于光源和样本之间的调制器的系统来测量样本中一种或多种物质的浓度和类型的示例性过程流。系统600可包括耦接到控制器640的光源602。控制器640可将信号604发送到光源602。在一些示例中，信号604可包括电流或电压波长。光源602可被导向到滤光器606，以及信号604可使得光源602将光650射向滤光器606(过程700的步骤702)。光源602可为能生成光的任何源，包括但不限于灯、激光器、发光二极管(LED)、有机LED(OLED)、电致发光(EL)源、超发光二极管、包括基于光纤的源的任何超连续光谱源、或这些源中的一个或多个的组合。在一些示例中，光源602可以射出单个波长的光。在一些示例中，光源602可以射出多个波长的光。在一些示例中，多个波长可彼此相邻，提供连续输出频带。在一些示例中，光源602可为能发射SWIR和NWIR范围两者的至少一部分中的光的超连续光谱源。超连续光谱源可为输出多个波长的任何宽频带光源。在一些示例中，光源602可为能生成SWIR特征的任何可调谐源。

滤光器606可为能通过调谐驱动频率来调谐或选择单个波长或多个离散波长的任何类型的滤光器。在一些示例中，滤光器606可为声光可调谐滤光器(AOTF)。在一些示例中，滤光器606可为任何可调谐带通滤光器。尽管在图中未示出，但是滤光器606可耦接到控制器640，以及控制器640可调谐滤光器606的驱动频率。在一些示例中，滤光器606可为通带滤光器，配置为选择性地允许一个或多个连续频带(即，波长范围)的光透射。光650可包括多个波长(过程700的步骤702)以及在透射过滤光器606之后，可形成包括一个或多个离散波长的光652(过程700的步骤704)。在一些示例中，光652可包括比光650较小波长的光。光652可被导向到分束器610。分束器610可为能将输入光分离为多个光束的任何类型的光学器件。在一些示例中，分束器610分离的每个光束可具有相同光学属性。本领域的技术人员将理解，相同的光学属性可包括导致15％偏差的公差。分束器610可将光652分离为两个光束(过程700的步骤706)：光654和光664，如图中所示。

光654可透射过斩波器634，其中斩波器634可调制光654的强度(过程700的步骤708)。斩波器634可为能调制输入光束的任何部件。在一些示例中，斩波器634可为光学斩波器。在一些示例中，斩波器634可为机械快门。在一些示例中，斩波器634可为调制器或开关。光654可透射过光学器件616(过程700的步骤710)。光学器件616可包括一个或多个部件，配置为改变行为和属性，诸如光654的光斑尺寸和/或传播角度。光学器件616可包括但不限于透镜或透镜布置、光束导向元件、准直或聚焦元件、衍射光学元件、棱镜、滤光器、漫射器和光导。光学器件616可置于任何布置中，诸如解析路径采样(RPS)系统、共焦系统或适合于在采样界面处测量样品620中的一种或多种物质的浓度和类型的任何光学系统。光学器件可为能解析样本界面上多个入射光的角度以及包括在多个光学路径中的不同路径长度的光学系统。在一些示例中，光学系统可被配置为接受具有路径长度范围内的路径长度和角度范围内的入射角的一个或多个入射光线，以及排除具有路径长度范围之外的路径长度和角度范围之外的入射角的光学路径。

光654可透射样本620。能量可由样本620中的物质以一个或多个波长吸收，引起出离样本的光656的属性的变化(过程700的步骤712)。在一些示例中，光656可通过位于样本中的物质的反射或散射来形成。光656可入射到反射镜614上，反射镜可将光656导向或重导向到选择器624(过程700的步骤714)。反射镜614可为能改变光的传播方向或角度的任何类型的光学器件。例如，反射镜614可为凹面镜，配置为将光传播的方向改变90°。在一些示例中，另外或另选地，系统可包括但不限于非反射部件(例如，曲面波导)用于光重定向。

光664可入射到反射镜612(过程700的步骤716)。反射镜612可将光664重导向到检测器630。反射镜612可为能改变光的传播方向或角度的任何反射镜。在一些示例中，另外或另选地，系统可包括但不限于非反射部件(例如，曲面波导)用于光重定向。在一些示例中，反射镜612可具有与反射镜614相同的光学属性。光664可透射斩波器636，斩波器可调制光664的强度(过程700的步骤718)。在一些示例中，斩波器634和斩波器636可具有相同斩波器特征，诸如斩波频率和盘配置。本领域的技术人员将理解，相同的斩波器特征可包括导致15％的偏差的公差。在一些示例中，斩波器636可为快门，诸如微电子机械系统(MEMS)快门。在一些示例中，斩波器636可为调制器或开关。调制的光可透射过滤光器608以生成光666(过程700的步骤720)。滤光器608可为能选择性地透射光的任何类型的滤光器。在一些示例中，滤光器608可为中密度滤光器、空白衰减器、或滤光器，配置为衰减或减小所有波长的光的强度。在一些示例中，滤光器608可将光衰减预先确定或已知的恒定值或衰减因子。

光656和光666两者可入射到选择器624上。选择器624可为能将光束移动或选择为导向到检测器630的任何光学部件。系统600可在允许光656一次入射到检测器630上以及允许光666在另一次入射到检测器630上之间进行时间交替。在两种情况下，光656和光666每一个均可包括一组光子。光子可入射到检测器630上，以及检测器630可生成指示入射光的属性或入射光子数量的电信号。检测器630可测量来自光656的一组光子(过程700的步骤722)并且可生成电信号658(过程700的步骤724)。信号658可指示光656的属性，可代表来自由样本620中感兴趣的物质返回的光654的能量。检测器630可测量来自光666的一组入射光子(过程700的步骤726)并且可生成电信号668(过程700的步骤728)。信号668可指示未由滤光器608吸收的光664的属性并且可起到参考对象信号的作用。

检测器630可为能测量或应答光或光子的任何类型的检测器，诸如光电二极管、光电导体、辐射热测量计、热释电检测器、电荷耦合器件(CCD)、热电偶、热敏电阻、光伏器件和光电倍增管。检测器630可包括单个检测器像素或检测器阵列，诸如多频带检测器或焦平面阵列(FPA)。检测器阵列可包括设置在衬底上的一个或多个检测器像素。检测器像素可包括具有共同器件封装的一个或多个检测器元件。检测器元件可为设计为检测光的存在的元件并且可单独生成表示被检测光的信号。在一些示例中，检测器630可为能检测SWIR中的光的任何类型的检测器。示例性SWIR检测器可包括但不限于，汞碲化镉(HgCdTe)、锑化铟(InSb)和铟镓砷(InGaAs)。在一些示例中，检测器630可为能在延长波长范围(至高到2.7μm)内工作的SWIR检测器。

控制器640可接收信号658和信号668两者，其中每个信号在不同时间接收到。信号658可包括样本信号，而信号668可包括参考对象信号。控制器640例如可将样本信号通过参考对象信号相除、相减或缩放(过程700的步骤730)来获得比率。比率可通过使用公式1转换为吸光度，可向吸收光谱应用算法来确定物质的浓度。在一些示例中，控制器640可将参考吸光度与存储在查找表或存储器中的一个或多个吸光度值相比较来确定样本中一种或多种物质的浓度和类型。尽管公式2和上述讨论在吸光度的背景下提供的，但是本公开的示例包括但不限于任何光学属性，诸如反射率、折射率、密度、浓度、散射系数和散射各向异性。

系统600可为系统100(图1所示)和系统300(图3所示)的替代。系统600可具有共享检测器(例如，检测器630)来测量通过样本620和(可选的)滤光器608的光。使用共享检测器可消除或缓解由于不同(或随机)波动、漂移和/或变化引起的灵敏度、检测性和/或吸光度的不可预测的变化。如上所述，波动、漂移和/或变化可能由于会以不同方式影响两个检测器的初始化、界面噪声和/或环境变化的原因。此外，系统600可容忍和区分由于在分别入射到样本620和滤光器608上之前在光路径中布置斩波器634和斩波器636造成的不可忽略的量的杂散光。而且，不同于系统100和系统300，系统600可考虑来源于光源602和检测器630两者的波动、漂移和/或变化。

在一些示例中，通过滤光器608将入射光衰减预先确定或已知恒定值可造成光656(即，透射过样本620的光)和光666(即，透射过608的光)之间的失配。此失配可能由于不同波长的不同吸光度导致。在一个或多个波长下，样本620中的物质可吸收大百分比的光，并且因此滤光器608的低衰减系数可能适合于那些一个或多个波长。在其他波长下，样本620中的物质的相同物质和相同浓度可吸收极少的光，并且因此滤光器608的高衰减系数将是适合的。由于滤光器608对于所有感兴趣的波长可衰减恒定值，所以系统600的真实测量值可限制于仅一个或小数量的波长。而且，如果衰减系统不是最佳，在检测样本中感兴趣的物质的低浓度时，空白衰减器或中密度滤光器可能无效。因此，可考虑样本620中具有一定波长的吸光度的变化以及可以检测样本中物质的低浓度的系统可能是理想的。

图8示出了示例性系统以及图9示出了根据本公开的示例的使用包括位于光源和样本之间的调制器的系统来在采样界面处测量样本中一种或多种物质的浓度和类型的示例性过程流。系统800可包括耦接到控制器840的光源802。控制器840可将信号804发送到光源802。在一些示例中，信号804可包括电流或电压波长。光源802可被导向到滤光器806，以及信号804可使得光源802发射光850(过程900的步骤902)。光源802可为能发射光850的任何源。在一些示例中，光源802可以射出单个波长的光。在一些示例中，光源802可以射出多个波长的光。示例性光源可包括但不限于，灯、激光器、LED、OLED、EL源、超发光二极管、超连续源、基于纤维的源、或这些源中的一个或多个的组合。在一些示例中，多个波长可彼此靠近或相邻，提供连续输出频带。在一些示例中，光源802可为能生成SWIR特征的任何可调谐源。在一些示例中，光源802可为能发射SWIR和NWIR两者的至少一部分中的光的超连续光谱源。

滤光器806可为能通过调谐驱动频率来调谐和选择单个波长或多个离散波长的任何滤光器。在一些示例中，滤光器806可为AOTF。在一些示例中，滤光器606可为任何可调谐带通滤光器。尽管在图中未示出，但是滤光器806可耦接到控制器840，以及控制器840可调谐滤光器806的驱动频率。在一些示例中，滤光器806可为传输带通滤光器，配置为选择性地允许一个或多个连续频带(即，波长范围)的光透射。光850可包括多个波长以及在透射过滤光器806之后，可形成包括一个或多个离散波长的光852(过程900的步骤904)。在一些示例中，光852包括比光850较小波长的光。光852可被导向到分束器810。分束器810可为能将输入光分离为多个光束的任何类型的光学器件。在一些示例中，分束器810分离的每个光束可具有相同光学属性。本领域的技术人员将理解，相同的光学属性可包括导致15％偏差的公差。如附图中所示，光束器810可将光852分割成两个光束：光854和光864(过程900的步骤906)。

光854可透射过斩波器834，其中斩波器834可调制光854的强度(过程900的步骤908)。斩波器834可为能调制或周期性地中断输入光束的任何部件。在一些示例中，斩波器834可为光学斩波器。在一些示例中，斩波器834可为机械快门，诸如MEMS快门。在一些示例中，斩波器834可为调制器或开关。光854可透射过光学器件816(过程900的步骤910)。光学器件816可包括一个或多个部件，配置为改变光的行为和属性，诸如光854的光斑尺寸和/或传播角度。光学器件816可包括但不限于透镜或透镜布置、光束导向元件、准直或聚焦元件、衍射光学元件、棱镜、滤光器、漫射器和光导。光学器件816可包括任何类型的光学系统，诸如RPS系统、共焦系统或适合于测量样品820中的一种或多种物质的浓度和类型的任何光学系统。

光854可被导向到样本820。样本820可吸收光854的一部分而光854的一部分可以一个或多个波长被透射(过程900的步骤912)。一部分光854可由样本820中的物质吸收，以及一部分光854可被透射过样本820。透射过样本820的那部分光854可被称为光856。在一些示例中，光856可通过位于样本820中的物质的反射或散射来形成。光856可被导向到反射镜814上，以及反射镜814可将光856重导向到反射镜814(过程900的步骤914)。反射镜814可为能改变光传播的方向的任何类型的光学器件。在一些示例中，反射镜814可为凹面镜，配置为将光传播的方向改变90°。在一些示例中，另外或另选地，系统可包括但不限于非反射部件(例如，曲面波导)用于光重定向。

由分离光852的光束器810形成的第二光路径可被称为光864。光864可被导向到反射镜812。反射镜812可为能改变光864的传播方向的任何类型的光学器件。反射镜812可将光864导向或重导向到选择器824(过程900的步骤916)。光864可透射斩波器836，而斩波器836可调制光864(过程900的步骤918)。斩波器836可为能调制输入光束的强度的任何部件。在一些示例中，斩波器834和斩波器836可具有相同斩波特征，诸如斩波频率和盘配置。本领域的技术人员将理解，相同的斩波特征可包括导致15％的偏差的公差。在一些示例中，斩波器836可为机械快门，诸如MEMS快门。在一些示例中，斩波器834可为光学调制器或开关。光864可透射过光学器件818(过程900的步骤920)。光学器件818可包括一个或多个透镜、光束引导元件、准直或聚焦元件、衍射光学元件、棱镜、滤光器、漫射器、光导或一个或多个这些光学元件的组合并且可布置为适合于测量样本820或参考对象822中的一种或多种物质的浓度和类型的任何布置(例如，RPS系统或共聚系统)。在一些示例中，光学器件818可具有与光学器件816相同的部件、布置和/或特征。

光出离光学器件818可入射到参考对象822上(过程900的步骤922)。参考对象822可具有与样本820相同的光谱学属性(例如，散射特征、反射特征或两者)。本领域的技术人员将理解，相同的光谱学属性可包括导致15％偏差的公差。在一些示例中，参考对象822可为样本820的副本或“幻影”复制。在一些示例中，参考对象822的吸收光谱可与样本820的吸收光谱相同。本领域的技术人员将理解，相同的吸收光谱可包括导致15％的偏差的公差。一部分光可由参考对象822吸收，以及一部分光可被透射过参考对象822，形成光866。在透射穿过参考对象822之后，光866可被导向选择器824。

选择器824可为能将光束移动或选择为导向到检测器830的任何光学部件。在一些示例中，选择器824可与控制器840耦接，以及控制器840可发送信号(未示出)来控制选择器824的移动。在一个时间段中，选择器824可允许光856入射到检测器830的有效区域上。光856可包括一组光子，以及检测器830可测量光856中的光子数量(过程900的步骤924)。检测器830可生成指示光856的属性(或光子数量)的电信号858(过程900的步骤926)。信号858可被发送到控制器840，控制器可存储和/或处理信号。在另一个时间段中，选择器824可允许光866入射到检测器830的有效区域上。光866还可包括一组光子，以及检测器830可测量光866中的光子数量(过程900的步骤928)。检测器830可生成指示光866的属性(或光子数量)的电信号868(过程900的步骤930)。信号868可被发送到控制器840，控制器可存储和/或处理测量的信号。

检测器830可包括单个检测器像素或检测器阵列。在一些示例中，检测器830可为能检测SWIR中的光的任何类型的检测器。在一些示例中，检测器830可为HgCdTe、InSb、或InGaAs单个检测器或FPA。在一些示例中，检测器830可为能在延长至高到2.7μm的波长范围内工作的SWIR检测器。

控制器840可在不同时刻接收信号858和信号868两者。信号858可包括样本信号，而信号868可包括参考对象信号。在一些示例中，控制器840可将样本信号通过参考对象信号相除、相减或缩放来获得比率。比率可通过使用公式1转换为吸光度，可向吸收光谱应用算法来确定样本820中感兴趣的物质的浓度(过程900的步骤932)。在一些示例中，控制器840可将参考吸光度与存储在查找表(LUT)或存储器中的一个或多个吸光度值相比较来确定样本820中一种或多种物质的浓度和类型。在一些示例中，信号858可与信号868相差来自光源802、检测器830或两者的漂移的量。控制器840可将信号858通过信号868相除、相减或缩减来确定漂移的量。尽管公式2和上述讨论在吸光度的背景下提供的，但是本公开的示例可包括但不限于任何光学属性，诸如反射率、折射率、密度、浓度、散射系数和散射各向异性。

系统800可包括系统600的所有优势，同时还考虑样本820对波长的吸光度的变化。尽管上述系统示出了一个或多个部件，诸如斩波器、光学器件、反射镜、样本、光源、滤光器和检测器，但是本领域技术人员将会理解该系统并不仅限于在示例性附图中示出的部件。而且，本领域技术人员将理解此类部件的位置和布置并不仅限于示例性附图中示出的位置和布置。

尽管系统的理想布局或布置将具有在穿过样本的光路径和穿过参考对象的光路径之间共享的所有部件，但是此布置可能不是物理上可能或可行的。本公开的示例可包括定位易受到漂移影响的一个或多个部件使得这些部件为两个(或多个)光路径之间共用或共享，以及定位不易受到漂移影响的部件(即，稳定部件)为在两个(或多个)光路径之间非共用或非共享。例如，易受到漂移影响的部件可包括任何电子或光电部件。此外，不易受到漂移影响的部件可包括光学器件。如图6的系统600和图8的系统800两者中所示，光源(例如，光源602和光源802)和检测器(例如，检测器630和检测器830)可易受到漂移影响，并且因此可在两个光路径(例如，光656和光666；光856和光866)之间共享。另一方面，斩波器(例如，斩波器634、斩波器636、斩波器834和斩波器836)和光学器件(例如，光学器件616、光学器件816和光学器件818)可为稳定的并且不易受到漂移影响，因此可以对每个光路径是独立的。

图10示出了根据本公开的示例的用于确定一种或多种物质的浓度和类型的吸光度测量的示例性曲线。吸光度测量可包括多个周期1076。每个周期1076可包括一个或多个暗场阶段1070和一个或多个测量阶段1072。每个暗场阶段1070可包括一个或多个步骤来测量零点电平、噪声基底、杂散光泄露或及其组合。例如，系统中的光源可关闭或去激活使得发射光不会入射到采样界面或参考对象上。检测器可进行测量来确定暗电流和杂散光泄露的量。在一些示例中，该测量值可用来确定零点电平。检测器可将该测量值发送到控制器，控制器可将该测量值和/或相关信息存储在存储器中。控制器可使用该信息确定样本或参考对象中物质的真实吸光度，或者可使用该信息设定零点电平。

测量阶段1072可穿插着暗场阶段1070之间。测量阶段1072可包括在一次时间内测量样本的吸收光谱以及在另一次时间内测量参考对象的吸收光谱。在一些示例中，不同于吸光度或者除了吸光度以外，可测量任何光学属性(例如，反射率、折射率、密度、浓度、散射系数和散射各向异性)。控制器可将样本的吸收光谱通过参考对象的吸收光谱相除、相减或缩放。在一些示例中，控制器可将参考吸光度与存储在LUT或存储器中的一个或多个吸光度值相比较来确定样本中物质的浓度。可在每个测量阶段1072内多次重复测量来生成多个样本点1074并且可使用样本点1074的平均值。在一些示例中，在确定平均信号值时，控制器可从多个周期1076编译样本点1074。在一些示例中，至少一个测量阶段1072的持续时间可基于预先确定或固定数量的样本点1074。在一些示例中，至少一个测量阶段1072内的样本点1074的数量可小于10。在一些示例中，至少一个测量阶段1072内的样本点1074的数量可小于100。在一些示例中，至少一个测量阶段1072的持续时间可基于参考对象的稳定性(例如，在漂移大于10％之前的时间)。例如，如果参考对象保持化学稳定60秒，则测量阶段1072的持续时间也可为60秒。在一些示例中，测量阶段1072的持续时间可基于共享部件(例如，光源和检测器)的稳定性。一旦测量阶段1072完成，则控制器可前进到下一个周期1076。

通过更频繁地校准，可考虑零点漂移和增益漂移两者。此外，不同于图5中所示的过程，漂移可在每个周期得到校正(或者在多次周期之后)，这可避免零点电平的任何明显偏差。而且，可在信号开始偏离之前、期间或稍后补偿任何波动和/或变化。通过补偿波动、漂移和/或变化以及早期将零点电平重新置零，而不是在测量数十次或数百次样本点1074之后，可改善平均信号值的准确度。在一些示例中，在测量阶段1072期间获得的样本点1074的数量可小于在测量阶段572期间获得的样本点574的数量(图5中所示)。在一些示例中，测量阶段1072可比测量阶段572较短。

在一些示例中，每个周期可包括三个“测量状态”。图11示出了根据本公开的示例的包括具有均等测量时间分布的三个测量状态的吸光度测量的示例性曲线。吸光度测量可包括多个周期1176。每个周期1176可包括三个测量状态：样本测量状态1182、参考对象测量状态1184和暗场测量状态1186。样本测量状态1182可配置为测量样本(例如，图6中所示的样本620或图8中示出的样本820)的吸光度(或任何其他光学属性)。参考对象测量状态1184可配置为测量参考对象(例如，图6中所示的滤光器608或图8中示出的参考对象822)的吸光度(或任何其他光学属性)。暗场测量状态1186可配置为测量暗电流、杂散光泄露和/或噪声。在一些示例中，系统可被配置为在暗场测量状态1186期间处理、估计和/或分配时间分布。系统可被配置为重复样本测量状态1182、参考对象测量状态1184和暗场测量状态1186，其中没有测量状态中的哪一个在时间上共享。测量状态可被配置有时间段t。在一些示例中，每个测量状态的时间段t可以相同。本领域的技术人员将理解，相同的时间段可包括导致15％的偏差的公差。以此方式，分配给样本测量状态1182的时间可为周期1176的时间的33％(或三分之一)。类似地，分配给参考对象测量状态1184和暗场测量状态1186的时间分别可为周期1176的时间的33％(或三分之一)。

尽管在三个测量状态中每一个中可均等地分布周期时间，但是对于一个测量状态(或测量类型)的信号值、噪声水平和SNR与相同周期中的另一测量状态可以不同。因此，三个测量状态的测量时间分布可能对于一个测量状态最佳，但是对于周期中其他测量状态来说可能不是最佳。此外，信号值、噪声水平和SNR对于波长、周围环境和/或样本中物质的测量位置来说可能不同。作为结果，最佳测量时间分布对于不同长波和样本中的不同位置可能是不同的。此外，将测量配置为包括具有均等测量时间分布的三个测量状态可导致具有不重要信息、错误测量呼叫、低SNR或其组合的长测量时间。

图12示出了根据本公开的示例的包括具有不均等测量时间分布的三个测量状态的吸光度测量的示例性曲线。吸光度测量可包括多个周期，诸如周期1276、周期1277和周期1278。在一些示例中，周期1276可配置有与周期1277相同时间段t₄。每个周期可包括三个测量状态：样本测量状态1282、参考对象测量状态1284和暗场测量状态1286。样本测量状态1282可被配置为测量样本的吸光度持续时间t₁，参考对象测量状态1284可被配置为测量参考对象的吸光度持续时间t₂，以及暗场测量状态1286可被配置为测量噪声(例如，暗电流和杂散光)的吸光度持续时间t₃。在一些示例中，样本信号可能弱小或者可能具有低强度(例如，小于参考对象信号的强度的20％)，诸如周期1276中所示。系统可在周期1276中为样本测量状态1282分配大于为其他测量状态分配的时间。例如，样本信号的强度可为参考对象信号的强度的4.3％，以及时间t₄可分布有分别包括65％，30％和5％的时间t₁，t₂和t₃。在一些示例中，时间t₁可大于或等于周期1276的时间的50％。

在一些示例中，样本信号可能强大或者可能相对于参考对象信号具有高强度，诸如周期1277中所示。样本测量状态1282可配置有时间t₁₁，参考对象测量状态1284可配置有时间t₁₂，以及暗场测量状态1286可配置有时间t₁₃。系统可在周期1277中为参考对象测量状态1284分配大于为其他测量状态分配的时间。例如，样本信号的强度可为参考对象信号的强度的85％，以及时间t₄可分布有分别包括20％，60％和5％的时间t₁₁，t₁₂和t₁₃。在一些示例中，时间t₁₂可大于或等于周期1277的时间的50％。

如图所示，每个周期的测量时间可基于信号值和噪声水平来分布，并且此分布可动态变化。例如，如果噪声水平低，则系统可配置为在暗场测量状态花费较少时间。在一些示例中，每个周期时间可不同和/或可动态变化。在一些示例中，测量时间分布可基于工作波长。例如，工作波长可包括较低重要性的一个或多个波长(例如，由于感兴趣的物质的较低概率的吸光度)并且因此，系统可被配置为在测量较低重要性的一个或多个波长时花费较少时间。以此方式，可减小整个测量时间，可避免具有不重要信息的长测量时间，并且可改善测量精度。

在一些示例中，测量时间分布可基于预先确定或目标SNR。例如，如果信号值弱小，则系统可配置为在样本测量状态或参考对象测量状态花费更多时间，从而可测量准确信号值并且可避免不重要的测量信息。在一些示例中，测量噪声所花的时间可基于SNR动态变化，以及可分布剩余时间使得剩余时间的一半花费在测量样本上以及剩余时间的另一半花费在测量参考对象上。

在一些示例中，测量时间分布可基于样本中的测量位置或相关联的检测器像素。每个检测器像素可与样本内的位置或对应光学路径相关联。在一些示例中，不同光学路径可入射在样本中的不同位置上。在一些示例中，检测器像素的样本信号值可不同。不同样本信号值可能由于任何数量的来源，诸如样本中彼此位置之间的不同吸光度、从系统部件(例如，光源、波导、调制器、光学器件、检测器)的漂移、或工作状态的变化(例如，部件的工作温度或环境变化)。因此，系统可配置有具有不同测量时间分布值的至少两个检测器像素。

因为最佳测量时间分布可基于信号值、噪声水平、波长和样本中的测量位置而变化，所以系统可配置为动态地改变真实测量时间分布，这可造成减小的整个测量时间而不会折中具有改善SNR的测量精度。在一些示例中，系统可包括LUT，该LUT可包括真实测量时间分布值和与工作波长和检测器像素的关联。在一些示例中，LUT可存储各种配置，可基于校准阶段测量从各种配置中选择一个配置。系统可基于系统的测量和/或应用的工作条件得以优化或调谐。

图13示出了根据本公开的示例的用于动态地改变测量时间分布的示例性过程流。过程1300可包括在给定波长下针对检测器像素、噪声水平或者两者测量信号值(步骤1302)。在一些示例中，测量可为针对预先确定的时间执行的粗略测量。对于包括在系统中的其他检测器像素可重复该测量(步骤1304和步骤1306)。基于测量的信号值和噪声水平，包括在系统中的控制器或处理器可使用LUT确定多个测量状态中的每一个的时间和百分比(步骤1308)。在一些示例中，LUT可包括目标或预先确定的SNR，其可用于确定测量状态的时间和百分比。使用确定的时间和百分比，系统可动态地改变测量时间分布(步骤1310)。在一些示例中，系统可包括逻辑部件，该逻辑部件提供有关整个测量时间、测量准确度和真实SNR的反馈，并且基于与目标值的任何偏差，系统可重写或更新LUT。对于感兴趣的其他波长可重复该测量(步骤1312和步骤1314)。当测量感兴趣的所有检测器像素和感兴趣的波长时，系统可重复测量(步骤1316)。

在一些示例中，可同时测量不同测量状态。图14示出了根据本公开的示例的用于测量样本中一种或多种物质的浓度和类型以及能够同时测量不同测量状态的示例性系统的一部分。系统1400可包括若干部件，诸如光源1402、控制器1440、滤光器1406、滤光器1407、分束器1410、反射镜1412、斩波器1434、斩波器1436、光学器件1416、光学器件1417和光学器件1418，该部件具有如在系统100(图1所示)、系统300(图3所示)、系统600(图6所示)和系统800(图8所示)的背景下上述属性中的一个或多个。系统1400还可包括多个检测器，诸如检测器1430、检测器1431和检测器1432。检测器1430可被配置为在参考对象测量状态期间(例如，参考对象测量状态1184或参考对象测量状态1284)测量参考对象信号并且可生成指示穿过参考对象1422的光1466的属性的信号1468。检测器1431可被配置为在暗场测量状态期间(例如，暗场测量状态1186或暗场测量状态1286)测量噪声(例如，暗电流)并且可生成指示暗电流1476的属性的信号1478。检测器1432可被配置为在样本测量状态期间(例如，样本测量状态1182或样本测量状态1282)测量样本信号并且可生成指示穿过样本1420的光1456的属性的信号1458。以此方式，可使用多个检测器同时测量样本信号、参考对象信号和噪声信号。在一个周期内，系统可生成多个参考对象测量值，并且至少一个检测器像素可随时测量信号(例如，样本信号、参考对象信号或噪声信号)。

图15示出了根据本公开的示例的能同时从测量不同测量状态的系统的测量状态的示例性曲线。系统可包括三个检测器：检测器1、检测器2和检测器3，并且可配置有三个测量状态：样本测量状态1582、参考对象测量状态1584和暗场测量状态1586。在时间t₁内，检测器1可配置为在暗场测量状态1586测量噪声信号。同时，检测器2可配置为在参考对象测量状态1584测量参考对象信号，而检测器3可配置为在样本测量状态1582测量样本信号。在另一时间t₂，对于每个检测器的测量状态可能变化。检测器1可配置为在样本测量状态1582测量样本信号，检测器2可配置为在暗场测量状态1586测量噪声信号而检测器3可配置为在参考对象测量状态1584测量参考对象信号。如图所示，每个检测器(例如，检测器1、检测器2和检测器3)均可随时测量三个信号值中的一个。即，可同时在不同检测器之间以及连续在每个检测器处测量测量状态。在一些示例中，系统可包括可调谐反射镜，配置为将光导向或重导向到不同检测器。在一些示例中，可调谐反射镜可包括多个数据光处理(DLP)反射镜。在一些示例中，可使用一个或多个分束器重导向光。

在一些示例中，系统可包括多个微电子机械系统(MEMS)部件。图16示出了根据本公开的示例的包括多个MEMS部件以及能同时测量多个测量状态的示例性系统的一部分的横截面图。系统1600可包括多个检测器像素，诸如包括在检测器阵列1630中的检测器像素1633和检测器像素1635，以及多个MEMS部件，诸如MEMS部件1623和MEMS部件1625。每个检测器像素可耦接到MEMS部件。例如，检测器像素1633可耦接到MEMS部件1623，而检测器像素1635可耦接到MEMS部件1625。光1656可为从样本反射的光，MEMS部件1623可形成一定夹角或者取向使得光1656入射到检测器像素1633上。此外，可为从参考对象反射的光的光1666可由MEMS部件1623遮挡。MEMS部件1625可形成一定夹角或取向使得光1666入射到检测器像素1637而光1656(即，从样本反射的光)可被遮挡并且不会到达检测器像素1635。在一些示例中，MEMS部件可在不同时间期间改变取向以在一个时间测量来自样本的光并且随后在另一时间测量来自参考对象的光。在一些示例中，检测器阵列1630中的一个或多个相邻检测器像素或相邻一组检测器像素可具有带不同取向的MEMS部件。

在一些示例中，噪声水平可引起可在时间上去相关的波动。图17示出了根据本公开的示例的具有噪声波动的吸光度测量值的示例性曲线。测量可包括多个样本点，诸如样本点1774和样本点1775。样本点1774可包括在样本测量状态1782中，而样本点1775可包括在参考对象测量状态1784中。包括在样本点1774中的噪声可不同于包括在样本点1775中的噪声，这可造成样本信号和参考对象信号中的时间去相关噪声。样本信号和参考对象信号中的去相关噪声可引起错误测量。

对样本信号和参考对象信号两者共同的噪声可被称为共模噪声。在一些示例中，共模噪声可源自包括在系统中的光源以及系统中可用于路由、衰减和/或成型从光源发射的光束的其他部件。光源可包括多种类型的噪声，诸如长期漂移和短期噪声。较早引用的去相关噪声可为短期噪声，其可为高频噪声。

图18示出了示例性系统以及图19示出了根据本公开的示例的包括高频检测器的来测量样本中一种或多种物质的浓度和类型的示例性过程流。系统1800可包括若干部件，诸如光源1802、控制器1840、滤光器1806、分束器1810、反光镜1812、斩波器1834、斩波器1836、光学器件1816、光学器件1818、检测器1830和检测器1832，该部件具有如在系统100(图1所示)、系统300(图3所示)、系统600(图5所示)、系统800(图8所示)和系统1400(图14所示)的背景下上述属性中的一个或多个。系统1800还可包括分束器1811和检测器1833。分束器1811可为配置为将入射光分割为多个光束的光学部件。这些硬件部件中的一个或多个可在控制器1840的软件控制下工作来改变本文所述的测量周期和状态。这些硬件部件和控制器中的一个或多个在本文可被称为逻辑部件。

光源1802可被导向到滤光器1806，以及信号1804可使得光源1802发射光1850(过程1900的步骤1902)。光1850可包括多个波长，可透射过滤光器1806，并且可形成包括一个或多个离散波长的光1852(过程1900的步骤1904)。光1852可被导向到光束器1811，光束器1811可将光1852分割成形成两个光路径：光1853和光1855(过程1900的步骤1906)。

光1853可被导向到光束器1810，光束器1811可将光1853分割成形成两个光束：光1854和光1864(过程1900的步骤1908)。光1854可透射过斩波器1834和光学器件1816。光1854可入射到样本1820上并且样本1820中的一种或多种物质可吸收至少一部分光1854。透射过或从样本1820反射的光可被称为光1856。检测器1832可检测光1856以及可生成指示光1856的属性的信号1858(过程1900的步骤1910)。此外，光1864可由反射镜1812导向或重导向以及可透射过斩波器1836和光学器件1818。光1864可入射到参考对象1822上以及一部分可透射过或从参考对象1822反射作为光1866。检测器1830可检测光1866以及可生成指示光1866的属性的信号1868(过程1900的步骤1912)。在一些示例中，检测器1830和检测器1832可同时或并发分别测量参考对象信号和样本信号。在一些示例中，检测器1830和检测器1832可在不同时间测量参考对象信号和样本信号。在一些示例中，系统1800可配置为使得单个检测器测量样本信号和参考对象信号两者。

检测器1833可被配置为测量光1853以及可生成指示光1855的属性的信号1888(过程1900的步骤1914)。在一些示例中，检测器1833可为高频检测器，可交流耦接来测量高频噪声。控制器1840可接收信号1888并且可随时计算每个信号(例如，样本信号和参考对象信号)的共模噪声(过程1900的步骤1916)。基于计算的共模噪声，控制器1840可为每个信号生成一个或多个归一化系数(过程1900的步骤1918)。在一些示例中，可基于信号1888的噪声强度与信号1858和/或信号1868的匹配来生成归一化系数。在一些示例中，信号1888的噪声强度与信号1858和/或信号1868的匹配可包括减小信号的强度值之间的差。可基于归一化系数或缩放方案校正或缩放样本信号和参考对象信号(过程1900的步骤1920)。在一些示例中，归一化系数或缩放方案可基于标准偏差。校正或缩放的信号随后可用来确定样本中一种或多种物质的浓度和类型(过程1900的步骤1922)。

通过借助检测器1833检测包括在光1852中的高频噪声，样本信号噪声可得到减小以及SNR可得以改善。在一些示例中，检测器1833可配置有不同于检测器1830、检测器1832或两者的增益。在一些示例中，分束器1811可将光1852分割使得光1853和1855具有不同强度。

例如可通过存储在存储器中并由处理器或控制器执行的固件来执行上文所述的功能中的一个或多个功能。该固件也可以存储和/或输送于任何非暂态计算机可读存储介质内，以供指令执行系统、装置或设备诸如基于计算机的系统、包括处理器的系统或可以从指令执行系统、装置或设备获取指令并执行指令的其他系统使用或与其结合。在本文档的上下文中，“非暂态计算机可读存储介质”可以是可包含或存储程序以供指令执行系统、装置和设备使用或与其结合的任何介质(不包括信号)。非暂态计算机可读存储介质可包括但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、装置或设备，便携式计算机磁盘(磁性)、随机存取存储器(RAM)(磁性)、只读存储器(ROM)(磁性)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)(磁性)、便携式光盘(诸如，CD、CD-R、CD-RW、DVD、DVD-R或DVD-RW)、或闪存存储器(诸如，紧凑型闪存卡、安全数字卡)、USB存储器设备、记忆棒等。在本文的上下文中，“传输介质”可以是可传送、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合的任何介质。传输可读介质可包括但不限于电子、磁性、光学、电磁或红外有线或无线传播介质。

如上所述，本公开的示例可包括在采样界面处测量样本中物质的浓度。在一些示例中，样本可包括用户的至少一部分，其中可使用额外信息来改善测量信息、分析或可能用户感兴趣任何其他内容的输送。在一些示例中，测量信息、分析或其他内容可包括个人信息，诸如可唯一识别用户的信息(例如，可用来联系或定位用户)。在一些示例中，个人信息可包括地理信息、人口信息、电话号码、电子邮件地址、邮件地址、家庭地址或其他识别信息。对此类个人信息的使用可用于为了用户的利益。例如，个人信息可用于向用户递送测量的信息、分析或其他内容。个人信息的使用可包括但不限于启用对测量的信息的实时和控制递送。

本公开还设想到可测量、收集、分析、披露、传输和/或存储个人信息的实体将遵循良好建立的隐私政策和/或实践。这些隐私和/或实践通常可认识为满足(或超过)私人或保护个人信息的行业或政府要求以及应当实现并且一贯使用。例如，个人信息应当出于合法和合理的理由(例如，为了向用户输送测量的信息)收集并且不应当在那些目的之外被共享(或销售)。而且，收集的个人信息应仅在接收到用户知情同意之后进行。为了坚持隐私政策和/或实践，实体应当采取任何必要的步骤来保护和防止从外部对个人信息的访问。在一些示例中，实体本身可受到第三方评估来证明实体坚持良好建立的通常认可的隐私政策和/或实践。

在一些示例中，用户可选择性地阻止或限制访问和/或使用个人信息。测量系统可包括一个或多个硬件部件和/或一个或多个软件应用以允许用户选择性地阻止或限制访问和/或使用个人信息。例如，该测量系统可被配置为在注册期间收集个人信息时允许用户选择“加入”或“退出”广告输送服务。在一些示例中，用户可选择要提供的信息(例如，地理位置)和要排除的信息(例如，电话号码)。

尽管本公开的示例可包括用于借助用户个人信息测量物质的浓度的系统和方法，但是本公开的示例也能够在无需用户个人信息的情况下实现一个或多个功能和操作。缺少个人信息的所有或一部分可能不会使得系统和方法不能工作。在一些示例中，可基于非用户专用个人(例如，公用可用的)信息选择和/或输送内容。

公开了一种用于在采样界面处确定样本中的物质的浓度和类型的系统。在一些示例中，该系统包括：包括第一检测器像素的一个或多个检测器像素，其中一个或多个检测器像素被配置为在多个周期中工作，每个周期包括多个测量状态，多个测量状态包括：第一测量状态，该第一测量状态被配置为在第一时间段期间测量物质的一个或多个光学属性；第二测量状态，该第二测量状态被配置为在第二时间段测量参考对象的一个或多个光学属性；以及第三测量状态，该第三测量状态被配置为在第三时间段测量噪声；以及逻辑部件，该逻辑部件能够动态地改变多个周期的一个或多个方面，其中一个或多个方面包括相应时间段的持续时间。此外或另选地，在一些示例中，一个或多个检测器像素还包括第二检测器像素，第一检测器像素被配置为处于第一测量状态，并且第二检测器像素同时被配置为处于第二测量状态。此外或另选地，在一些示例中，一个或多个检测器像素还包括第三检测器像素，第三检测器像素同时被配置为处于第三测量状态。此外或另选地，在一些示例中，该系统还包括：多个反射镜，每个反射镜与包括在多个检测器像素中的检测器像素相关联并且被配置有取向使得第一光被反射或阻挡，以及被进一步配置为提供相关联的检测器像素对不同于第一光的第二光的访问。此外或另选地，在一些示例中，该系统还包括：检测器像素，该检测器像素被配置为处于第一测量状态、第二测量状态和第三测量状态，其中第一、第二和第三测量状态为连续的并且对物质的浓度和类型的确定基于第一、第二和第三测量状态。

公开了一种在多个周期期间在采样界面处确定样本中的物质的浓度和类型的方法，多个周期包括第一周期和第二周期。在一些示例中，该方法包括：在第一周期期间：在第一时间段期间测量物质的一个或多个光学属性；在第二时间段期间测量参考对象的一个或多个光学属性；在第三时间段期间测量噪声；以及在第二周期期间动态地改变第一时间段、第二时间段和第三时间段中的至少一者的持续时间。另外或另选地，在一些示例中，在第一周期内第一时间段、第二时间段和第三时间段中的至少两者的持续时间不同。另外或另选地，在一些示例中，测量物质的一个或多个光学属性包括获得第一信号值以及测量参考对象的一个或多个光学属性包括获得第二信号值，该方法还包括将第一信号值与第二信号值进行比较；以及当第一信号值小于第二信号值时，将第一时间段设置为大于第二时间段。另外或另选地，在一些示例中，第一时间段被设置为大于针对第一周期的时间段的50％。另外或另选地，在一些示例中，测量物质的一个或多个光学属性包括获得第一信号值以及测量参考对象的一个或多个光学属性包括获得第二信号值，该方法还包括将第一信号值与第二信号值进行比较；以及当第一信号值大于第二信号值时，将第一时间段设置为小于第二时间段。另外或另选地，在一些示例中，第二时间段被设置为大于针对第一周期的时间段的50％。另外或另选地，在一些示例中，第一周期包括第一工作波长并且第二周期包括第二工作波长，第一工作波长不同于第二工作波长，并且第一周期具有不同于第二周期的第一时间段、第二时间段和第三时间段中的至少一者。另外或另选地，在一些示例中，第一时间段在第一周期内与第二时间段相同。另外或另选地，在一些示例中，包括在多个周期中的每个周期与包括在多个检测器像素中的检测器像素相关联，该方法还包括：从查找表检索一个或多个条目，一个或多个条目包括在工作波长和检测器像素中的至少一者与第一时间段、第二时间段和第三时间段之间的关联；以及基于一个或多个条目设置第一时间段、第二时间段和第三时间段中的至少一者。另外或另选地，在一些示例中，对于包括在多个检测器像素中的至少两个检测器像素，第一时间段、第二时间段和第三时间段中的至少一者不同。另外或另选地，在一些示例中，该方法还包括：确定与工作波长和检测器像素相关联的属性，该属性为测量时间、测量准确度和信噪比(SNR)中的至少一者；将该属性与来自查找表的一个或多个条目进行比较；以及基于比较结果更新来自查找表的一个或多个条目。另外或另选地，在一些示例中，多个周期还包括第三周期，并且进一步地，其中第一周期的第一时间段与第二周期的第二时间段以及第三周期的第三时间段相同。

公开了一种用于在采样界面处确定样本中的物质的浓度和类型的系统。在一些示例中，该系统包括：光源，该被配置为发射第一光和第二光，第一光入射在采样界面上并且第二光入射在参考对象上，其中第一光和第二光包括噪声分量；第一检测器，该第一检测器被配置为测量入射光，入射光为第一光和第二光中的至少一者，并且被配置为生成指示入射光的第一信号；第二检测器，该第二检测器被配置为测量包括在频率范围内的噪声分量，并且被配置为生成指示测量噪声分量的第二信号；以及逻辑部件，该逻辑部件能够缩放第二信号以及使用缩放的第二信号来补偿第一信号。另外或另选地，在一些示例中，第一检测器的增益与第二检测器的增益不同。另外或另选地，在一些示例中，第一光的强度与第二光的强度不同。

虽然参照附图对公开的示例进行了全面的描述，但应注意，各种变化和修改对于本领域内的技术人员而言将变得显而易见。应当理解，此类变化和修改被认为包括在由所附权利要求所限定的所公开的示例的范围内。

Claims (21)

1.一种用于在采样界面处确定样本中的物质的浓度和类型的系统，所述系统包括：

光源，所述光源被配置为发射第一光和第二光，所述第一光入射在所述采样界面上，并且所述第二光入射在参考对象上，其中所述第一光和所述第二光包括噪声分量；

一个或多个检测器像素，所述一个或多个检测器像素包括第一检测器像素，其中所述一个或多个检测器像素被配置为在包括第一周期和第二周期的多个周期中工作，每个周期包括多个测量状态，所述多个测量状态包括：

第一测量状态，所述第一测量状态被配置为在第一时间段期间测量所述样本中的所述物质的一个或多个光学属性，

第二测量状态，所述第二测量状态被配置为在第二时间段期间测量参考对象的一个或多个光学属性，和

第三测量状态，所述第三测量状态被配置为在第三时间段期间测量所述噪声分量；和

逻辑部件，所述逻辑部件被配置为至少部分基于与所述多个测量状态相关联的一个或多个测量参数从第一周期到第二周期动态地改变第一时间段、第二时间段和第三时间段中每一个的持续时间。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个检测器像素还包括第二检测器像素，所述第一检测器像素被配置为处于所述第一测量状态，并且所述第二检测器像素同时被配置为处于所述第二测量状态。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述一个或多个检测器像素还包括第三检测器像素，所述第三检测器像素同时被配置为处于所述第三测量状态。

4.根据权利要求2所述的系统，还包括：

多个反射镜，每个反射镜与包括在所述一个或多个检测器像素中的检测器像素相关联并且被配置为具有使得所述第一光的一部分被反射或阻挡的取向，并且被进一步配置为向第二光提供对于所述相关联的检测器像素的访问。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括：

检测器像素，所述检测器像素被配置为在所述第一测量状态、所述第二测量状态和所述第三测量状态下连续地工作，其中

所述逻辑部件被进一步配置为基于所述第一测量状态、所述第二测量状态和所述第三测量状态来确定物质的浓度和类型。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一检测器像素被配置为处于所述第一测量状态并且被配置为生成指示所述第一入射光的第一信号，并且

其中所述一个或多个检测器像素包括第二检测器像素，所述第二检测器像素被配置为处于所述第三测量状态并且被配置为生成指示所测量的噪声分量的第二信号，

其中所述逻辑部件被进一步配置为缩放所述第二信号以及使用所缩放的第二信号来补偿所述第一信号。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述第一检测器像素的增益与所述第二检测器像素的增益不同。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一光的强度与所述第二光的强度不同。

9.根据权利要求1所述的系统，其中与所述多个测量状态相关联的所述一个或多个测量参数包括以下中的一个或多个：样本信号值、参考信号值、噪声水平、工作波长、定义的信噪比或与检测器像素相关联的测量位置。

10.一种在多个周期期间在采样界面处确定样本中的物质的浓度和类型的方法，所述多个周期包括第一周期和第二周期，所述方法包括：

在所述第一周期期间：

在第一时间段期间测量所述采样界面中的所述物质的一个或多个光学属性；

在第二时间段期间测量参考对象的一个或多个光学属性；

在第三时间段期间测量噪声分量；以及

从第一周期到第二周期动态地改变所述第一时间段、所述第二时间段和所述第三时间段中的至少一者的持续时间。

11.根据权利要求10所述的方法，其中在所述第一周期内所述第一时间段、所述第二时间段和所述第三时间段中的至少两者的持续时间不同。

12.根据权利要求10所述的方法，其中测量所述物质的所述一个或多个光学属性包括获得第一信号值，并且其中测量所述参考对象的所述一个或多个光学属性包括获得第二信号值，所述方法还包括：

将所述第一信号值与所述第二信号值进行比较；以及

当所述第一信号值小于所述第二信号值时，将所述第一时间段设置为大于所述第二时间段。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一时间段的持续时间被设置为大于所述第一周期的持续时间的50％。

14.根据权利要求10所述的方法，其中测量所述物质的所述一个或多个光学属性包括获得第一信号值，并且其中测量所述参考对象的所述一个或多个光学属性包括获得第二信号值，所述方法还包括：

将所述第一信号值与所述第二信号值进行比较；以及

当所述第一信号值大于所述第二信号值时，将所述第一时间段设置为小于所述第二时间段。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二时间段的持续时间被设置为大于所述第一周期的持续时间的50％。

16.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一周期包括第一工作波长，并且所述第二周期包括第二工作波长，所述第一工作波长不同于所述第二工作波长，并且所述第一周期具有不同于所述第二周期的所述第一时间段、所述第二时间段和所述第三时间段中的至少一者。

17.根据权利要求10所述的方法，其中在所述第一周期内所述第一时间段的持续时间与所述第二时间段的持续时间相同。

18.根据权利要求10所述的方法，其中包括在所述多个周期中的每个周期与包括在多个检测器像素中的检测器像素相关联，所述方法还包括：

从查找表检索一个或多个条目，所述一个或多个条目包括工作波长和所述检测器像素中的至少一者与所述第一时间段、所述第二时间段和第三时间段之间的关联；以及

基于所述一个或多个条目设置所述第一时间段、所述第二时间段和所述第三时间段中的至少一者。

19.根据权利要求18所述的方法，其中对于包括在所述多个检测器像素中的至少两个检测器像素，所述第一时间段、所述第二时间段和所述第三时间段中的至少一者不同。

20.根据权利要求18所述的方法，还包括：

确定与所述工作波长和所述检测器像素相关联的属性，所述属性为测量时间、测量准确度和信噪比(SNR)中的至少一者；

将所述属性与来自所述查找表的所述一个或多个条目进行比较；以及

基于所述比较来更新来自所述查找表的所述一个或多个条目。

21.根据权利要求10所述的方法，其中所述多个周期还包括第三周期，并且进一步地，其中所述第一周期的所述第一时间段的持续时间与所述第二周期的所述第二时间段的持续时间以及所述第三周期的所述第三时间段的持续时间相同。

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