CN108931479B - 具有测量优化操作员辅助的光谱仪 - Google Patents

Abstract

具有测量优化操作员辅助的光谱仪。本公开涉及帮助光谱仪的操作员进行样本的光谱测量的辅助机制和方法，该测量具有期望的质量。该方法使得能够快速简单地进行质量光谱测量，而无需事先了解样本的光谱或关于如何测量光谱的细节。数据质量得到改善，并且收集数据所需的时间减少。尽管详细公开了样本光学聚焦的具体示例，但是可以优化许多其他参数。

Description

具有测量优化操作员辅助的光谱仪

对于相关申请的交叉引用

本申请涉及并要求于2017年5月23日提交的美国临时专利申请No.62/509,940的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及光谱系统，具体涉及使用光谱系统改进测量的方法。

背景技术

光谱仪的操作员有时必须手动确定探头头部的采样光学器件相对于待分析样本的位置。确定采样光学器件(即探头)相对于样本的适当定位的已知方法由操作员对多个测试测量的光谱特性的主观评估构成，这可能需要大量的领域专业知识来培养熟练程度。特别是在存在弱信号的情况下，测试测量可能很长以获得足够的数据来生成光谱。在测试测量之后，操作员调整探头/样本的位置。在某些情况下，当操作员安排探头和样本的同时，自动并且重复收集测试测量。

探头相对于样本的次优布置会大大降低光谱测量的质量。对于操作人员来说，实现最佳布局可能是一个挑战，特别是在需要长时间测量以产生信息光谱的微弱信号的存在的情况下。

因此，仍需要在这个技术领域的进一步的改进。

发明内容

本公开提供帮助光谱仪的操作员进行样本的光谱测量的辅助机制和方法，所述测量具有期望的质量。该方法使得能够快速简单地进行质量光谱测量，而无需事先了解样本的光谱或如何测量光谱的细节。数据质量得到改善，并且收集数据所需的时间减少。尽管详细公开了样本光学聚焦的具体示例，但是可以优化许多其他参数。

一种帮助光谱仪的操作员改进样本的光谱测量的质量的方法包括提供光谱仪的步骤，该光谱仪包括具有样本光学部件的探头和具有动态范围的检测器，并且其中光谱仪由与显示设备通信的处理器控制。

定期更新间隔被定义，并在更新间隔期间执行样本的自动光谱测量的序列。在每个更新间隔结束时，基于在更新间隔期间采集的样本的组合光谱测量来计算和显示定量测量质量度量(以下称为“MQM”)。向操作员提供信息，使操作员能够调整MQM，并根据需要重复测量和反馈步骤，以达到光谱测量的所需的质量。提供给操作员的反馈可以是视觉的、听觉的和/或触觉的。

在某些实施例中，MQM是时间的函数，并且更新间隔可以是秒的量级。提供给操作员的信息可能包括建议操作员放置探头或样本以改善MQM的信息。在替代实施例中，MQM可以表示不同的特性，并且可以用于增强检测器增益或温度、摄谱仪扩展、色散或狭缝宽度；采样光学器件的数值孔径、激光波长或相对于检测器矩阵的带位置。

根据本公开的至少一个方面，一种辅助光谱仪的操作员提高样本的光谱测量的质量的方法包括：提供包括探头和具有动态范围的检测器的光谱仪，其中，所述光谱仪由与显示设备通信的处理器控制；定义定期更新间隔；在所述更新间隔期间执行样本的自动单次光谱测量的序列。在所述更新间隔结束时，基于在更新间隔期间利用处理器获取的所述样本的组合光谱测量，计算和经由显示设备显示测量质量度量(MQM)；向所述操作员提供信息，使所述操作员能够优化所述MQM；以及，重复所述单次光谱测量的序列，计算和显示所述MQM，并且向所述操作员提供信息，直到达到所述样本的组合光谱测量的期望质量。

在至少一个实施例中，提供给所述操作员的所述信息包括建议所述操作员定位所述探头和/或所述样本以优化所述MQM的信息。优化所述MQM包括最小化、最大化或趋近期望值。

在所公开的方法的某些实施例中，该方法还包括动态地调整在所述更新间隔中的单次测量的长度和数量以保持在所述检测器的动态范围内。在某些实施例中，该方法还包括把更新间隔期间的单次测量聚合为该更新间隔的组合光谱测量。

在至少一个实施例中，所述更新间隔大约为一秒。在某些实施例中，所述MQM是时间的函数、每单位时间的光谱强度、每单位时间的检测器饱和度、在固定采集长度的信噪比、被测光谱相对于已知基准的剩余平方和和/或使用分析模型计算的被关注样本性质的可重复性。在一个实施方案中，被关注样本性质是熔化指标。

在至少一个实施例中，MQM和提供给操作员的信息用于优化下述的一个或多个：检测器增益、检测器温度、摄谱仪扩展、摄谱仪色散、摄谱仪狭缝宽度、检测器的数值孔径、激光波长以及相对于所述检测器的检测器矩阵的带位置。在某些实施例中，提供给所述操作员的信息是视觉的、听觉的或触觉的。在这样的实施例中，提供给所述操作员的视觉信息是图形或数字的，提供给所述操作员的听觉信息是调制的音调模式或音频，并且提供给所述操作员的触觉信息是调制的振动模式或振动频率。

根据本公开的另一方面，提供一种用于增强样本的光谱测量的质量的光谱系统，所述光谱系统包括：光谱仪，具有检测器，该检测器与具有样本光学器件的探头光学通信，其中，所述光谱仪适于测量来自样本的信号；显示设备；以及处理器，该处理器被配置成控制所述光谱仪和所述显示设备并计算测量质量度量(MQM)，所述处理器还被配置成从所述测量的信号产生光谱，在所述显示设备上显示所述光谱，向所述光谱仪的操作员提供信息，使得所述操作员能够优化所述MQM，直到达到所述样本的组合光谱测量的期望质量。在至少一个实施例中，所述MQM是下述之一：时间的函数；每单位时间的光谱强度；每单位时间的检测器饱和度；在固定采集长度的信噪比；被测光谱相对于已知基准的剩余平方和；以及使用分析模型计算的被关注样本性质。

附图说明

本文包含的所描述的实施例和其他特征、优点和公开以及获得它们的方式将变得明显，并且通过参考结合附图进行的本发明的各种实施例的以下描述将更好地理解本公开，其中

图1示出根据本公开的光谱系统的实施例的示意图，其包括描绘光谱、测量数据和MQM的显示设备；以及

图2示出了根据本公开的实施例的聚焦方法。

具体实施方式

在根据本公开的实施例中，在测量更新间隔结束时，定量测量质量度量(MQM)被导出并显示，使得光谱系统的操作员能够改进MQM并获得样本的期望的测量质量。在至少一个实施例中，MQM被实现使得其规模不受更新间隔的长度或更新间隔中的单次测量的动态调整的数量或长度的影响。因此，MQM可以按时间索引。

根据本公开，可以采用MQM来量化测量光谱与理想化基准光谱的相似性。例如，当从具有相同形状的光谱中的样本收集相同量的信号所需的时间减少一半时，MQM的值可能翻倍。MQM使光谱系统能够自动评估信号强度，以动态调整在光谱移动平均值中包含的测量的次数。在显示足够的光谱细节以作为操作员的有用指南的同时，动态调整测量的次数可最大化反馈响应速度。

如本文所述，可基于不同类型的操作参数来提供不同类型的反馈。根据一个实施例，通过迭代过程对具有样本光学元件的光谱仪探头的焦点进行优化，在迭代过程中，调整光谱仪探头和样本的相对位置以增加MQM。在每个更新间隔结束时，组合测量用于计算和显示MQM为例如每秒的光谱强度。在这样的实施例中，建议操作员定位探头和/或样本以优化MQM。

为了促进对本公开的原理的理解，现在将参考附图中示出的实施例，并且将使用特定的语言来描述这些实施例。然而应该理解的是，不打算因此限制本公开的范围。

在本公开的一个方面中，公开了一种光谱系统100。如图1所示，光谱系统100可以包括光谱仪110，光谱仪110具有与探头112(具有样本光学器件，或者可选地，被称为样本光学器件)光学通信并且与显示设备120数据通信的检测器111。在运行中，光谱系统100可用于测量来自样本114的信号，以从测量的信号产生光谱128，并在显示设备120上显示光谱128。

光谱系统100可以还包括处理器116，处理器116被配置为控制光谱仪110，计算MQM，控制显示设备120并执行其他操作。在某些实施例中，处理器116形成处理子系统的至少一部分，处理子系统包括具有存储器、处理和通信硬件的一个或多个计算设备。处理器116可以是单个设备或分布式设备，并且处理器116的功能可以由硬件和/或通过执行存储在一个或多个计算机可读介质(例如，固件或软件)上的非暂时存储器中的指令的计算机执行。在某些实施例中，处理器116包括被构造成在功能上执行控制器操作的一个或多个模块。

显示设备120可以被配置为除显示光谱128还显示其他图形特征。例如，在某些实施例中，显示设备120可以被配置为显示更新指示符130、翻转指示符132、当前MQM指示符122、最佳MQM指示符124和/或MQM趋势线指示符126。在另外的实施例中，显示设备120可以被配置为显示图形重置按钮134和/或图形停止按钮136。

图形重置按钮134可以被配置为使得处理器116在由操作员致动时重置所显示的光谱128、更新指示符130、翻转指示符132、当前MQM指示符122、最佳MQM 124指示符和/或MQM趋势线指示符126。重置前述图形特征可以包括从显示器去除一些或全部前述图形特征，或者在某些实施例中，显示用于前述图形特征中的一些或全部的预定基线值。图形停止按钮136可以被配置为使得处理器116在由操作员致动时停止对样本114进行测量、计算MQM、更新显示设备120和/或执行处理器116被配置的其他操作。在由操作员致动时，处理器116可修改停止按钮136以在显示设备120的相同区域中显示“开始”或其他合适的指示符。在修改后的停止按钮136的由操作员致动时，光谱仪可以重新开始获取样本114的测量。

在某些实施例中，光谱系统100可以包括一个或多个装置，用于向操作员提供关于使用光谱仪110进行的单次测量的反馈、用于进行单次测量的更新间隔的频率和/或MQM与期望测量质量的偏离。向操作员提供反馈的装置可以向操作员提供视觉、听觉和/或触觉反馈。例如，在某些实施例中，处理器116可以通过图1所示的集成到显示设备120的扬声器或通过一个分开的音频设备向操作员提供可听反馈140。可选或附加地，处理器116可以例如通过产生调制的振动模式或频率，经由操作员所持有的探头112向操作员提供触觉反馈142。可选或附加地，处理器116可以例如使用更新指示符130、翻转指示符132、当前MQM指示符122、最佳MQM指示符124和/或MQM趋势线指示符126图形特征经由显示设备向操作员提供视觉反馈。替代或附加的视觉反馈可以包括激励集成到探头112中的光源(如发光二极管)。

在本公开的另一方面中，公开了综合聚焦方法200，其使用光谱系统100基于探头112相对于样本114的相对位置最大化光谱仪110的测量的MQM。聚焦方法200包括定义周期性更新间隔(例如，一秒)的步骤210。聚焦方法200包括使用光谱仪110和探头112开始样本114的自动单次测量的序列的步骤212。聚焦方法200还可以包括步骤214：动态地调整单次测量的长度和在更新间隔中进行的单次测量的量以使得保持在光谱仪110的检测器111的动态范围内。聚焦方法200可以还包括把更新间隔的单次测量聚合为单个的组合测量的步骤216。

在聚焦方法200的步骤218中，在每个更新间隔结束时，使用组合测量把量化MQM计算为每秒强度，并且将MQM显示在显示设备120上(如使用MQM指示符122)。在步骤220中，建议光谱仪110的操作员重新定位探头和/或样本，以把MQM优化到期望的测量质量。聚焦方法200可以还包括步骤222：继续自动单次测量，直到操作员终止聚焦方法200或者直到自动机构(如处理器116)检测到已经达到期望的测量质量。

可以以各种方式促进实现期望的测量质量。在至少一个实施例中，在步骤218中自动计算MQM，这降低了足够的操作员专业知识水平并减少了操作员变化对测量质量的影响。如聚焦方法200所指导(即，建议)，非专家操作员可以成功地遵循所提供的建议来优化MQM，而不必知晓样本的光谱的细节、如何测量光谱或如何计算MQM。由此增强了操作员在重复尝试中始终如一地获得足够的和期望的测量质量的能力，或者用于两个操作员实现类似结果的能力。

更新间隔可以相对较短，使得以支持人类对系统响应性的感知的频率向操作员提供反馈。在一个实施例中，更新间隔始终是周期性的，从而增强了操作员预测系统行为的能力，并且便于手动操作员动作与系统的自动化动作的协调。

在聚焦方法200的实施例的步骤218中，从聚焦过程开始以来观察到的最佳(例如，最大或最小)MQM可被显示在显示设备120上(如使用最佳MQM指示符124)，因此操作员直面可实现测量质量，并且阻止接受对应于显著低于可实现者的MQM的探头/样本定位。

在聚焦方法200的实施例的步骤224中，可以由操作员或自动地(例如，当操作员启动聚焦方法200时)重置最佳MQM，使得可以丢弃在这样的复位之前的观察值。重置最佳MQM使得操作员能够忽略可能由非样本源(即噪声)产生的或者与除了操作员关注的光谱特征以外的光谱特征相对应的伪造的、看起来“良好”的MQM值。

在聚焦方法200的实施例的步骤226中，在每个更新间隔结束时提供可感知的指示符(如视觉的、听觉的或触觉的)，其向操作员传达更新的节奏，由此通知操作员何时调整探头/样本定位的选择。在步骤226中，处理器116可以激活音频反馈140和/或触觉反馈142以提供可感知的指示符。处理器116还可以经由显示设备120经由更新指示符130和/或MQM趋势线指示符126图形特征来提供视觉指示符。

在一个实施例中，步骤218可以包括使用MQM趋势线指示符126在显示设备120上显示MQM的动态更新的趋势线，其帮助可视化操作员对探头/样本定位进行的调整的效果，例如，逐渐沿特定方向移动探头。

在显示设备120上的MQM的各种呈现可以适合于增加传递测量质量的有效性。除了此处描述的图形特征之外，这样的呈现还可以包括视觉(例如，图形或数字)、听觉(例如，调制的音调模式或频率)或触觉(例如，调制的振动模式或频率)。此类呈现可能帮助残障操作员或在干扰一种或多种替代呈现(例如，由于受到阻碍的视野或很大的环境噪音)的环境中工作的操作员。

聚焦方法200的至少一个实施例可以包括显示描述组合测量的频谱128的步骤228，其中，在每个更新间隔结束时更新显示频谱128。显示频谱128有助于操作者拒绝从表现出异常频谱形状的非样本源(例如，样本容器或其他噪声源)产生的伪造的、看起来“良好”的MQM值(而不是进行响应而调整)。

在步骤228中，可以将移动平均函数应用于所显示的光谱128，使得光谱128表示预定数量的最近测量的组合。移动平均功能的使用在允许显示由于信号强度不足而在单个更新间隔的空间中可能无法辨别的光谱细节的同时保留了定期的更新间隔。当将移动平均函数应用于光谱数据时，除了用于当前更新间隔的值之外，MQM的显示(包括MQM指示符122和/或MQM趋势线指示符126)可以包括对应于由移动平均函数生成的组合频谱的值。

在步骤228中，当将移动平均函数应用于所显示的测量数据时，可以生成可感知的指示符(如视觉的、听觉的或触觉的)以向操作员传达在将分解到移动平均的测量中存在完整翻转的频率。例如，对于1秒的更新间隔和结合最近八次测量的移动平均函数，指示符可以传达移动平均值每8秒“翻转”。在步骤228中，翻转指示符132可以是可感知的指示符。关于MQM趋势线指示符126，可感知指示符可以是对应于当前包含在移动平均函数中的间隔的时间轴的突出区域(例如，加阴影的)。

在显示本文描述的信息时，可以对测量光谱128的y轴(即，纵坐标)进行规范化。作为非限制性示例，光谱128可以通过将值相对于当前光谱中的最大值或最小值成比例地缩放而规范化为目标光谱或与对应于先前观测到的期望MQM(即，期望的测量质量)的光谱。对测量光谱128进行规范化以不受更新间隔的长度、在更新间隔中单次测量的数量和长度或移动平均函数的应用影响的独立于尺度的方式提供光谱形状的稳定呈现。当应用移动平均函数时，规范化促进了为具有低强度的测量和具有高强度的测量分配相等的权重。否则，由高强度光谱与低强度光谱组合产生的光谱的特性可能与高强度光谱实质相似，并且可能导致低强度光谱所贡献的信息的低估。

在聚焦方法200的至少一个实施例中，在步骤218中，计算MQM可限于在测量数据的光谱范围(即x轴)的选定部分中的信息。限制光谱范围使得操作员能够针对所关注光谱区域优化MQM，即使作为整体的光谱的MQM受被关注区域外的光谱特征支配。在另一个实施例中，在步骤218中，可以计算对应于光谱范围的两个分开的选定部分的MQM的比率。在这样的实施例中，可以使用计算的比率来代替这里描述的聚焦方法200中的各MQM。使用MQM的计算比率简化了在主导背景上优化较弱信号或集中在非均匀样本的空间显著区域。

可以按各种方式量化测量质量。因此，可以按多种方式并根据各种度量来实现MQM。量化测量质量的非限制性示例包括每秒的强度、每秒的检测器饱和度、在固定采集长度的信噪比、被测光谱相对于已知基准的剩余平方和和以及通过分析模型计算的被关注样本性质的可重复性(例如，熔化指标)。取决于所选择的特定测量质量度量，最佳MQM可以是所选度量的最小值、最大值或期望值。

此处公开的用于帮助操作员优化MQM的技术和方法可以除探头/样本定位之外还应用于测量质量的各个方面的优化。当向操作员提供适当的控制以调制光谱仪的可配置参数时，适当实现的MQM使得本文公开的技术和方法能够帮助操作员优化诸如检测器增益、检测器温度、光谱仪扩展、光谱仪色散、光谱仪狭缝宽度、探头采样光学器件的数值孔径、激光波长和相对于检测器矩阵的带位置的参数。

计算机化的自动化可以与聚焦方法200的任何步骤结合使用以增强包括性能和吞吐量等的指标。例如，可以实施探头和/或样本的自动的物理定位。在这样的实施例中，MQM用于指导自动化算法以实现最佳定位而无需操作员参与。自动化还可以应用于确定是否应用移动平均函数和/或控制要在函数中组合的相继测量的数量。

尽管本文已经相当详细地描述了光谱系统以及用于使用和构建其的方法的各种实施例，但是实施例仅通过本文所述的公开的非限制性示例提供。因此将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行各种改变和修改，并且可以用等同物替换其元件。事实上，本公开并非旨在是穷尽的或限制本公开的范围。

此外，在描述代表性实施例时，本公开可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，就该方法或过程不依赖于本文阐述的步骤的特定顺序而言，该方法或过程不应限于所描述的特定步骤序列。其他步骤序列是可能的并且仍然保持在本公开的范围内。

Claims (19)

1.一种辅助光谱系统的操作员提高样本的光谱测量的质量的方法，其中所述方法是包括如下步骤的聚焦方法：

提供光谱系统，该光谱系统包括具有带有动态范围的检测器的光谱仪，其中所述检测器与探头光学通信，其中所述光谱系统由处理器控制，该处理器与显示设备通信；

定义定期更新间隔；

在所述更新间隔期间执行所述样本的自动单次光谱测量的序列；

动态地调整在所述更新间隔中的单次测量的长度和数量以保持在所述检测器的动态范围内；

在所述更新间隔结束时，基于更新间隔期间利用所述处理器获取的所述样本的组合光谱测量，计算并经由所述显示设备显示测量质量度量MQM；

向所述操作员提供信息，使所述操作员能够基于所述探头相对于所述样本的相对位置来优化所述MQM；以及

重复所述单次光谱测量的序列，计算和显示所述MQM，并且向所述操作员提供信息，直到达到所述样本的组合光谱测量的期望质量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，提供给所述操作员的信息包括建议所述操作员定位所述探头和/或所述样本以优化所述MQM的信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，优化所述MQM包括最小化、最大化或趋近期望值。

4.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括把更新间隔期间的所述单次测量聚合为该更新间隔的组合光谱测量。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述更新间隔为一秒。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MQM是时间的函数。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MQM是每单位时间的光谱强度。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MQM是每单位时间的检测器饱和度。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MQM是在固定采集长度的信噪比。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MQM是被测光谱相对于已知基准的剩余平方和。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MQM是使用分析模型计算的被关注样本性质的可重复性。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述被关注样本性质是熔化指标。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MQM和提供给所述操作员的信息用于优化下述的一个或多个：检测器增益、检测器温度、摄谱仪扩展、摄谱仪色散、摄谱仪狭缝宽度、检测器的数值孔径、激光波长以及相对于所述检测器的检测器矩阵的带位置。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，提供给所述操作员的信息是视觉的、听觉的或触觉的。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，提供给所述操作员的视觉信息是图形或数字的。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，提供给所述操作员的听觉信息是调制的音调模式或音频。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，提供给所述操作员的触觉信息是调制的振动模式或振动频率。

18.一种用于增强样本的光谱测量的质量的光谱系统，所述光谱系统包括：

光谱仪，具有检测器，该检测器与具有样本光学器件的探头光学通信，其中，所述光谱仪适于测量来自样本的信号；

显示设备；以及

处理器，该处理器被配置成控制所述光谱仪和所述显示设备以：

定义定期更新间隔；

在所述更新间隔期间执行所述样本的自动单次光谱测量的序列；

动态地调整在所述更新间隔中的单次测量的长度和数量以保持在所述检测器的动态范围内；

在所述更新间隔结束时，基于更新间隔期间利用所述处理器获取的所述样本的组合光谱测量，计算并经由所述显示设备显示测量质量度量MQM；

向操作员提供信息，使所述操作员能够基于所述探头相对于所述样本的相对位置来优化所述MQM；以及

重复所述单次光谱测量的序列，计算和显示所述MQM，并且向所述操作员提供信息，直到达到所述样本的组合光谱测量的期望质量。

19.根据权利要求18所述的光谱系统，其中，所述MQM是下述之一：时间的函数；每单位时间的光谱强度；每单位时间的检测器饱和度；在固定采集长度的信噪比；被测光谱相对于已知基准的剩余平方和；以及使用分析模型计算的被关注样本性质。

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