CN110207820A - 用于运行光谱仪的方法和设备以及光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行光谱仪（100）的方法，其中所述光谱仪（100）具有用于照射试样（104）的光源（102）、用于检测由试样（104）反射和/或透射的光的强度的检测器（108）以及连接在所述检测器（108）之前的、能够调节的光学滤波器（106）。在所述方法中首先确定用于在检测器（108）处生成恒定的信号（110）所必需的光功率谱，其中所述光功率谱代表了光源（102）的、根据从光学滤波器（106）所透射的波长的理论光功率。接着在使用光功率谱作为调节量的情况下改变光源（102）的实际光功率，以便这样再调节实际光功率，即在检测器（108）处生成对于在光学滤波器（106）处透射的波长来说恒定的信号（110）。

Description

用于运行光谱仪的方法和设备以及光谱仪

技术领域

本发明涉及一种根据独立权利要求的前序部分所述的方法或者设备。一种计算机程序也是本发明的主题。

背景技术

光谱学系统（Spektroskopiesystem）通常由用于对试样进行照明的光源、在试样之前的或者在试样之后的滤波器元件以及检测器组成。专利文献US 7061618 B2例如描述了一种小型化的光谱学系统，其中光谱的滤波器元件、这里是法布里-珀罗-滤波器位于所述试样之前或者之后。

利用现代的紧凑的光谱学系统可以接收非常精确的光谱。在此，光源通常这样运行，以使得该光源尽可能辐射出宽频带的、不仅在时间上而且在光谱上恒定分布的光功率。

在文献DE 4334336 A1中描述了一种气体分析器，该气体分析器的测量范围通过以下方式在测量精度保持不变的情况下能够超过标准范围而显著地扩大：在气体浓度的预先给定的阈值之上利用惰性气体这样稀释该测量气体，使得气体浓度在气体分析器的检测器处保持恒定。为了该目的，检测器输出信号被输送给调节回路，所述调节回路负责将在所述阈值之上的测量气体在浓度增加时越来越强地进行稀释。

发明内容

在该背景下利用这里所介绍的方案介绍了根据独立权利要求所述的一种用于运行光谱仪的方法、一种使用该方法的设备、一种光谱仪以及相应的计算机程序。通过在从属权利要求中提及的措施，有利的改进方案以及对于在独立权利要求中说明的设备的改善是可能的。

试样的反射率在光谱仪所覆盖的波长范围上通常以多个数量级为幅度发生改变。因此在宽频带的照明以及通常连续地通过法布里-珀罗-滤波器扫描光谱范围时，不同的光学功率在不同的时刻到达光检测器。所述光检测器的动态的范围因此同样地会包括多个数量级。在较低的反射率的或者较低的检测到的功率的范围中，信号的噪声不是由光子散粒噪声（Photonenschrotrauschen）而是由检测器添加的噪声、也就是说由热噪声或者由暗电流（Dunkelstrom）所限制。

与之相对地，这里所介绍的方案能够使得以下情况成为可能：这样再调整（小型-）光谱仪的宽频带的照明光源发射的光功率、也就是说分别这样升高或者降低所发射的光功率，以使得即使由检测器所检测到的光的波长范围发生改变，在检测器处还是生成恒定的信号。因此可以达到明显地更好的信号-噪声比，并且避免检测器在饱和范围中运行。这使得使用费用特别有利的检测器成为可能。反射的光谱可以例如通过对光源的光谱特性以及发射的光功率的精确认识、从对于恒定的检测器信号所必需的光功率计算出来。通过这样匹配光功率可以改善检测器的动态范围或者避免太大的外部光份额。

介绍了一种用于运行光谱仪的方法，其中所述光谱仪具有用于照射试样的光源、用于检测从试样反射的和/或透射的光的强度的检测器以及连接在检测器之前的能够调节的光学滤波器，其中所述方法包括以下步骤：

确定用于在检测器处生成恒定的信号所必需的光功率谱，其中所述光功率谱代表了光源的根据从光学滤波器所透射的波长的理论光功率；以及

在使用光功率谱作为调节量的情况下改变光源的实际光功率，以便这样再调节实际光功率，以使得在检测器处生成对于在光学滤波器处透射的波长来说恒定的信号。

光谱仪可以理解成用于测量光谱的仪器。所述光谱仪例如可以实施成在具有被调节了的检测器信号的法布里-珀罗-滤波器的基础上的微型光谱仪系统。光源可以理解成宽频带地发射的光源，例如发光二极管、白炽灯、热发射器、磷光源、激光源或者由多个这样的光源组成的组合。光功率可以理解成辐射功率或者辐射强度。检测器可以理解成光敏元件、例如互补金属氧化物半导体（CMOS）-或者电荷耦合器件（CCD）-传感器、光电二极管或者光晶体管。例如，光学滤波器可以涉及例如法布里-珀罗-干涉仪形式的光学谐振器。光学滤波器可以连接在所述试样之前或者之后。

在检测器处生成的信号可以理解成由检测器根据由试样反射的光的强度生成的电信号。实际光功率的改变可以对于每个在光学滤波器处调整的或者能够调整的透射的波长依次地和/或单个地在闭合的调节回路中实现，例如在使用PID-调节器或者另外的合适的调节器类型的情况下实现。为此可以这样调整所述光学滤波器，以使得该光学滤波器（依次）透射不同的波长。

有利的是这里所介绍的方案的实施方式，其中在“确定”的步骤中根据在光学滤波器、特别是法布里-珀罗-干涉仪处调整的或者能够调整的波长确定光功率谱。这样的实施方式提供了下述优点：明确地并且快速地能够调整地将确定的光功率分配给波长，其中特别是使用法布里-珀罗-干涉仪提供了技术上简单的并且费用有利的用于窄频带的光学滤波器的实施可能性。

在另一实施方式中，确定以及改变的步骤也可以多次地实施，以便对于从光学滤波器透射的不同波长中的每个波长确定自己的光功率，以便获得光功率谱。以这种方式可以利用技术上简单的并且费用有利的构件特别是关于检测器地确定了这里使用的光功率谱。

根据一种实施方式，在获取的步骤中在使用光功率谱的情况下获取了代表从试样反射的和/或吸收的光的强度的试样光谱。由此可以利用很小的计算费用可靠地并且精确地分析试样的光谱的性质。

根据另一实施方式可以在获取的步骤中对于每个由光学滤波器调整的和/或能够调整的透射的波长获取由试样反射的和/或吸收的光的强度，以便获取试样光谱。以这种方式也可以简单地并且利用费用有利的手段来获得试样光谱。

在这种情况下，可以在获取的步骤中获取在试样光谱中的光的强度与在光学滤波器处透射的不同波长的光功率之间成反比的比例。由此可以特别有效率地获取试样光谱。

此外可以在确定的步骤中确定光功率谱，所述光功率谱代表了光源的作为针对从光学滤波器透射的不同波长的理论光功率的理论电流和/或理论电压。在这种情况下，在改变的步骤中可以改变光源的作为针对从光学滤波器透射的不同波长的实际光功率的实际电流和/或实际电压。由此使得例如通过升高或者降低实际电流或者实际电压来精确地调节实际光功率成为可能。

根据另一实施方式可以使用一种光谱仪，该光谱仪具有连接在光源之后的光学调制器。在这种情况下可以在改变的步骤中通过操控光学调制器改变实际光功率。光学调制器可以例如理解成能够变化的吸收器或者另外的合适的光学构件，用于改变从光源发射的光功率。由此可以在不改变光源的电压或者电流的情况下改变实际光功率。

该方法可以例如在软件或者硬件中或者在由软件和硬件组成的混合形式中、例如在控制器中执行。

这里所介绍的方案此外创造了一种设备，该设备构造用于在相应的装置中执行、操控或者实施这里所介绍的方法的变型方案的步骤。通过本发明的实施变型方案以设备形式也可以快速地并且有效率地解决基于本发明的任务。

为此，所述设备可以具有用于处理信号或者数据的至少一个计算单元、用于存储信号或者数据的至少一个存储单元、用于从传感器读入传感器信号或者将数据-或者控制信号输出给执行器的相对于传感器或者执行器的至少一个接口和/或用于读入或者输出数据的至少一个通讯接口，该至少一个通讯接口嵌入到通讯协议中。该计算单元可以例如是信号处理器、微控制器等等，其中所述存储单元可以是闪存、可擦可编程只读存储器（EPROM）或者磁性的存储单元。所述通讯接口可以构造用于无线地和/或导线连接地读入或者输出数据，其中可以将导线连接的数据进行读入或者输出的通讯接口可以例如电地或者光学地将所述数据从相应的数据传输导线读入或者输出到相应的数据传输导线中。

所述设备当前可以理解成电的仪器，该仪器处理传感器信号并且根据所述传感器信号输出控制-和/或数据信号。该设备可以具有接口，该接口可以硬件式地和/或软件式地构造。在硬件式地构造时，接口可以例如是所谓的系统-特殊应用集成电路（System-ASICs）的部分，所述系统-特殊应用集成电路包含设备的不同功能。但是也可能的是，所述接口是自身的集成的开关电路或者至少部分地由离散的构件组成。在软件式地构造时，所述接口可以是软件模块，所述软件模块例如在微控制器上在另外的软件模块旁边存在。

此外介绍了具有以下特征的光谱仪：

用于照射试样的光源；

用于检测由试样反射的和/或透射的光的强度的检测器；

连接在所述检测器之前的能够调节的光学滤波器；以及

根据前述实施方式的设备。

具有程序代码的计算机程序产品或者计算机程序也是有利的，特别是当该程序产品或者程序实施在计算机或者在一种设备上时，所述程序代码可以存储在机器能够读取的载体或者存储介质（例如半导体存储器、硬盘存储器或者光学存储器）上并且用于执行、实施和/或操控根据之前所说明的实施方式中的一种实施方式的方法的步骤。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在以下的说明书中进一步进行解释。附图示出了：

图1 根据一种实施例的光谱仪的示意性的示图；

图2 根据一种实施例的光谱仪的示意性的示图；

图3 用于示出对于使用根据一种实施例的设备的参考光谱的图表；

图4 用于在使用根据一种实施例的设备的情况下调节实际光功率的调节回路的示意性的示图；

图5 用于示出通过根据一种实施例的设备来进行调节的检测器信号的强度的图表；

图6 通过根据一种实施例的设备来确定的、在时间上进行调节的光功率信号的示图；

图7 用于示出一种通过根据一种实施例的设备来获取的试样光谱的图表；以及

图8 根据一种实施例的方法的流程图。

具体实施方式

在本发明的有利的实施例的以下的说明中，对于在不同的附图中示出的并且相似地起作用的元件使用相同的或者相似的附图标记，其中放弃了对于这些元件的重复的说明。

图1示出了根据一种实施例的光谱仪100的一种示意性的示图。所述光谱仪100（这里是微型光谱仪）包括用于照射试样104、例如苹果的宽频带的光源102。在该光源102之前连接了能够调节的光学滤波器106、例如法布里-珀罗-干涉仪。所述光谱仪100的检测器或者检测器系统108被构造用于检测由试样104所反射和/或透射的光的强度，并且提供代表反射的光的强度的检测器信号110。例如在图1中将光源102和光学滤波器106集成到电子模块112中。所述光学滤波器106布置在光源102和试样104之间，也就是说由光源102射出的光在所述光打到试样104上之前由光学滤波器106进行滤波。构造了设备114，用于读入检测器信号110并且使用该检测器信号来调节由光源102射出的光功率。在这种情况下，设备114这样再调节所述光功率，以使得即使由所述检测器108所检测到的反射的光的波长范围发生改变，所述检测器信号110仍保持恒定。

所述设备114包括确定单元116，该确定单元构造用于根据打到试样104上的光的波长来确定用于生成恒定的检测器信号110所必需的光功率谱。所述光功率谱在这种情况下代表了对于光学滤波器106的每个滤波器位置或者由光学滤波器106透射的每个波长来说从光源102待发射的理论光功率。对于每个透射的波长这样确定该理论光功率，使得所述检测器信号110在光学滤波器106的整个透射光谱上都是恒定的。作为进行确定的结果，确定单元116将分配给各个理论光功率的调节值118输出给设备114的改变单元120。该改变单元120被构造用于，在使用检测器信号110以及调节值118的情况下产生用于操控光源102的操控信号122并且输出给光源102。借助于操控信号122能够这样调整光源102的实际光功率，以使得检测器信号110的电平是恒定的（与所检测到的波长范围无关）。

图2示出了根据一种实施例的光谱仪100的示意图。所述光谱仪100基本上相应于之前的借助于图1描述的光谱仪，区别如下：根据该实施例，光学滤波器106以及检测器108集成到电子模块112中，而光源102实施成单独的构件。在这种情况下，光学滤波器106直接地连接在检测器108之前，也就是说由试样104所反射的光在该光打到所述检测器108上之前被光学滤波器106滤波。

根据一种实施例，所述光谱仪100实施成微型光谱仪系统，该微型光谱仪系统具有宽频带的用于试样104照明的照明系统、能够调节的用于在试样104之前或者之后对于光进行光谱地滤波的法布里-珀罗干涉仪-滤波器系统以及检测器108，其中照明系统的功率起到调节量的作用，并且对于法布里-珀罗干涉仪的每个位置都能够这样进行调整，以至于恒定的信号110作为调节量作用在检测器108上，也就是说达到相同的光功率或者检测到相同的电流。可选地，微型光谱仪系统包括一种光学系统。

所述光源102根据实施例由宽频带的发射器（例如白炽灯、热发射器、具有磷光源的发光二极管）组成或者由多个窄频带的源（例如激光或者发光二极管）组成。它们可以连续地依次接通和切断。所述光功率能够通过光源102的电源电流或者电源电压的改变或者通过附加的光学调制器、例如可变的吸收器进行调整，其中对于每个波长分别已知在各个量和所发射的光功率之间的关系。

为了调节检测器信号110可以使用不同的标准调节器中的一种标准调节器、例如PID-调节器。

此外，所述微型光谱仪系统例如包括一种算法，该算法从用来使法布里-珀罗干涉仪的每个位置或者每个波长范围达到恒定的检测器信号110所必需的光功率以及从光源102的已知发射光谱来计算出通过试样104的吸收或反射。

例如，所述照明系统、法布里-珀罗-干涉仪-滤波器系统、调节电子部件以及所述检测器系统例如在共同的壳体中紧凑地集成在一起。所述法布里-珀罗-干涉仪-滤波器在这种情况下例如实施成微型光电子机械-元件（MOEMS-Element）。

通过在检测器108处的恒定的光功率，所述检测器可以始终利用最优的信号-噪声-比来运行。这样达到用于接下来继续加工、例如化学计量学的继续加工的更好的信号，或者可以在相同的性能的情况下使用更加有利的检测器。

所述照明系统可选地包括准直光学系统（Kollimationsoptik）。如果必要，光谱地重叠地使用多个辐射源，用于照射试样104。需要时可以机械地、光学地或者电地调制光源102，以便使得锁定-检测（Lock-in-Detektion）成为可能。

根据试样104的特性，例如在含有色素分子或者类似地反应的分子的材料的情况下，射入到该试样上的光被透射、反射、散射、吸收或者漫反射。光从试样104被引导到检测器108。根据光谱学系统的构造使用不同的光学组件，例如透镜、（对准的）漫射器或者限制视野的元件，所述不同的光学部件例如放置在滤波器106中。

所述光辐射通过法布里-珀罗-干涉仪-滤波器系统，所述法布里-珀罗-干涉仪-滤波器系统或者直接地布置在照明系统之后或者直接地布置在检测系统之前。该法布里-珀罗-干涉仪-滤波器系统根据实施例由一个或者多个连续的、例如用于滤出更高的级次的法布里-珀罗-干涉仪-滤波器组成。所述法布里-珀罗-干涉仪-滤波器例如设立成微型光电子机械-元件。

接着借助于所述检测器108或者多个这样的检测器检测光。根据光的波长可以不同地设立例如由硅、锗、铟镓砷或者硒化铅组成的检测器。

所述光谱学系统能够借助于电子部件进行控制，通过所述电子部件例如也能够分析测量数据。为了检测非常小的或者受噪声干扰的信号例如使用锁定-技术。

图3示出了用于示出参考光谱的图表300，所述参考光谱例如用于使用根据一种实施例的设备。所述参考光谱可以附加地例如由之前借助于图1说明的设备使用，用来确定用于生成恒定的检测器信号所必需的光功率谱。所述参考光谱代表试样104的、根据打到试样104上的辐射的波长的反射率。例如示出了典型的近红外（NIR）-反射光谱，该近红外反射光谱示出了根据打到试样上的辐射的波长λ的反射率R。“反射率”在此可以理解为在反射的和射入的功率之间的比例。

图4示出了用于在使用根据一种实施例的设备、例如之前借助于图1到3所说明的设备的情况下调节实际光功率的调节回路400的示意性的示图。示出了一种作用原理，通过该作用原理对于光学滤波器的每个位置通过借助于调节器401改变光源的光功率来调节理论-检测器信号402。由干扰量404所影响的调节环节通过块406来示出。

图5示出了用于示出根据波长或在时间上变化的滤波器位置的检测器信号110强度的图表500。正如从图5能够看出的那样，所述检测器信号110在整个波长范围或者滤波器调节范围上保持恒定。

图6示出了用于示出光功率变化曲线的、例如光功率谱的图表600，示出了该光功率谱是怎样通过之前借助于图1到5所说明的设备进行确定的。根据波长位置或者被调整了的光学滤波器，所述光功率谱作为调节量示出了必要的光功率或者也示出了光源的必要的电流。

图7示出了用于示出试样光谱的图表700，所述试样光谱通过根据一种实施例的设备来获取。所述试样光谱涉及一种借助于所述设备在使用光功率谱的情况下计算出的光谱，该光谱代表了由试样所反射的光根据波长的强度。

图6和7示意性地示出了基于必要的调节量值、也就是说法布里-珀罗-干涉仪的每个位置的光功率来计算试样光谱。所必需的用于达到检测器信号理论值的光功率在此与在法布里-珀罗-干涉仪的各个位置中反射的光功率、也就是说各个透射的波长相关联，以至于反射的光谱能够从调节量值计算出来。在最简单的情况下，所必需的光功率与反射的光功率成反比。

图8示出了根据一种实施例的方法800的流程图。用于运行光谱仪的方法800可以例如由之前借助于图1到7所说明的设备来实施。在这种情况下在步骤810中确定了用于生成恒定的检测器信号所必需的光功率谱。在另一步骤820中在使用所述光功率谱作为调节量的情况下再调节光源的实际光功率，以使得所述检测器信号是恒定的。

如果一种实施例包括在第一特征和第二特征之间的“和/或”-联接，那么这可以被看作：该实施例根据一种实施方式不仅具有第一特征而且具有第二特征，并且根据另一实施方式仅仅具有第一特征或者仅仅具有第二特征。

Claims (12)

1.用于运行光谱仪（100）的方法（800），其中所述光谱仪（100）具有用于照射试样（104）的光源（102）、用于检测由所述试样（104）反射和/或透射的光的强度的检测器（108）以及连接在所述检测器（108）之前的、能够调节的光学滤波器（106），其中所述方法（800）包括以下步骤：

确定（810）用于在所述检测器（108）处生成恒定的信号（110）所必需的光功率谱，其中所述光功率谱代表了所述光源（102）的根据从所述光学滤波器（106）所透射的波长的理论光功率；以及

在使用所述光功率谱作为调节量的情况下改变（820）所述光源（102）的实际光功率，以便这样再调节实际光功率，即在所述检测器（108）处生成对于在所述光学滤波器（106）处透射的波长来说恒定的信号（110）。

2.根据权利要求1所述的方法（800），其中在所述确定（810）的步骤中根据在所述光学滤波器（106）、特别是法布里-珀罗-干涉仪处被调整的或者能够调整的波长来确定所述光功率谱。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法（800），其中，所述确定（810）的以及改变（820）的步骤多次地实施，以便对于从所述光学滤波器（106）透射的不同波长中的每个波长确定自己的光功率，以便获得所述光功率谱。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法（800），其具有在使用所述光功率谱的情况下获取试样光谱的步骤，所述试样光谱代表了由所述试样（104）反射的和/或吸收的和/或透射的光的强度。

5.根据权利要求4所述的方法（800），其中，在获取的步骤中，对于每个由所述光学滤波器（106）调整的和/或能够调整的透射的波长，获取由所述试样（104）反射的和/或吸收的和/或透射的光的强度，以便获取所述试样光谱。

6.根据权利要求5所述的方法（800），其中，在获取的步骤中获取在所述试样光谱中的光的强度与在所述光学滤波器（106）处透射的不同波长的光功率之间成反比的比例。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法（800），其中，在确定（810）的步骤中确定光功率谱，所述光功率谱代表所述光源（102）的作为针对从所述光学滤波器（106）所透射的不同波长的理论光功率的理论电流和/或理论电压，其中在所述改变（820）的步骤中改变所述光源（102）的作为针对从所述光学滤波器（106）所透射的不同波长的实际光功率的实际电流和/或实际电压。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法（800），其中，使用光谱仪（100），该光谱仪具有连接在所述光源（102）之后的光学调制器，其中在所述改变（820）的步骤中通过操控所述光学调制器改变实际光功率。

9.具有单元（116、120）的设备（114），所述单元被构造用于实施和/或操控根据前述权利要求中任一项所述的方法（800）。

10.光谱仪（100），其具有以下特征：

用于照射试样（104）的光源（102）；

用于检测由所述试样（104）反射和/或透射的光的强度的检测器（108）；

连接在所述检测器（108）之前的能够调节的光学滤波器（106）；以及

根据权利要求9所述的设备（114）。

11.计算机程序，其被构造用于实施和/或操控根据权利要求1至8中任一项所述的方法（800）。

12.机器能够读取的存储介质，在该存储介质上存储了根据权利要求11所述的计算机程序。