CN113056664A - 光谱仪设备和相对应的用于运行光谱仪设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光谱仪设备（10），其具有：至少一个光源（11），用于用光来照射样品（18）；光学检测装置（12），用于检测被所述样品（18）散射的光；至少一个光学滤波装置（13），所述光学滤波装置布置在所述样品（18）前面和/或后面；接触传感装置（15、16），用于确定在所述样品与所述光谱仪设备（10）之间的接触（19）并且用于输出相对应的输出信号；控制装置（17），用于响应于所述输出信号来控制所述光源（11）和所述检测装置（12），其中所述控制设备（17）被构建为使得当所述输出信号表明在所述样品与所述光谱仪设备（10）之间有接触（19）时所述控制装置改变所述光源（11）和所述检测装置（12）的至少一个运行参数。本发明还提供了一种用于运行光谱仪设备（10）的方法。

Description

光谱仪设备和相对应的用于运行光谱仪设备的方法

技术领域

本发明涉及一种光谱仪设备和一种相对应的用于运行光谱仪设备的方法。

背景技术

光谱仪在很多科学领域都必不可少地用于分析任何类型的样品。近年来有使光谱仪微型化的趋势，因为由此可以更灵活地使用这些光谱仪。光谱仪通常由光源、光谱滤波器和探测器组成。在此，该滤波器放置于光源与样品之间或者放置于样品与探测器之间。这样，美国专利公开US 7061619 B2描述了一种微型化光谱仪。

随着手机和智能电话的普及，将光谱仪集成到手持设备中的想法由此诞生了。这意味着也能够在路途中使用光谱仪并且对于每个用户来说能够自由开放地将所检测到的光谱例如存储在云中。以这种方式，光谱可能会被用于比较分析，以便例如确定水果的成熟度。在接下来的步骤中，智能算法可能会使用所存储的光谱，以便例如在机器人领域实现机器视觉。然而，这些应用的前提条件在于：光谱是在没有错误的情况下被检测到的，这一点通常只有经过培训的人员能够实现。然而，新的应用也需要未经培训的人员来进行检测。

为了提高所检测到的光谱的可靠性并避免错误源，光谱仪与样品之间的接触可能是有利的。例如，美国专利公开US 6045502 A描述了一种光谱仪，该光谱仪与样品通过折射率适配装置来接触。通常为凝胶状的该装置被用于避免不符合希望的反射，这些反射可能会使光谱失真。

图3a)-3b)是具有样品的典型光谱仪设备的示意图。

这样，图3a)的光谱仪设备30包括样品31，该样品放置于检测装置32、光学滤波装置33和光源34前面。在该示例中，光学滤波装置33直接放置于光源34前面，使得始终只有经滤波的、通常窄带的光辐射射到样品31上。接着，被样品反射且可能激发的辐射的一部分射到检测装置32上，该检测装置接着可以检测样品的光谱。

作为结构变体，图3b)示出了光谱仪设备30’，在该光谱仪设备中，光学滤波装置33不是放置于光源34前面，而是放置于检测装置32前面。这样，通常宽带的光源的全光谱同时射到样品31上，并且被样品31反射且可能激发的辐射在其射到检测装置32之前被滤波。

发明内容

本发明提供了一种根据权利要求1所述的光谱仪设备和一种相对应的根据权利要求12所述的用于运行光谱仪设备的方法。优选的扩展方案是相应的从属权利要求的主题。

本发明的优点

为了简化操作，值得期望的是：省去用于进行接触的折射率适配装置。此外，微型化光谱仪应该被设计为使得视接触情况而定可以使像测量时长或照明强度那样的检测参数适配。替选地，应该给光谱至少配备标记，根据该标记来得出光谱是不是在样品与光谱仪之间存在接触时被检测到的。

按照独立权利要求1和12所述的本发明所基于的想法在于提供一种具有接触识别的光谱仪设备。根据在样品与光谱仪之间存在接触，可以使考虑存在接触的运行参数适配。这样，在存在接触的情况下，散射光通常被屏蔽，这引起更高的信噪比。这样，在某些情况下，缩短的测量时长或降低的照明强度足以检测到可靠的光谱。相反，在没有接触时，在某些情况下应该使这些参数提高。

按照一个优选的扩展方案，控制装置被构建为使得只有在光谱仪设备与样品之间存在接触时才激活对光谱的检测。该扩展方案带来了所检测到的光谱的可靠性更高的优点。这样，所检测的光谱可以在存在接触的情况下更容易没有错误地被检测，因为在样品不透明的情况下散射光以及还有其它可能会使测量数据失真的环境影响都被屏蔽。这样，对于未经培训的用户来说也能够可靠性高地检测光谱。

按照另一优选的扩展方案，控制装置被构建为使得在光谱仪设备与样品之间存在接触时以比在没有接触时更高或更低的照明强度来激活对光谱的检测。通常，存在接触伴随着屏蔽，在样品不透明的情况下，该屏蔽使散射光不再进入光谱仪设备，并且也使光源发射的光不再向外透过。因而，所述存在接触允许超过照明强度的安全法规所规定的极限值，而这在其它情况下会对人眼造成危险。随着照明强度的提高，信噪比以及借此所检测到的光谱的精度都可以被改善。较低的照明强度带来了在光谱仪运行时节省能量的优点。

按照另一优选的扩展方案，控制装置被构建为使得在光谱仪设备与样品之间没有接触时能向用户输出提示信号。该提示信号可以被用于在没有接触时请求用户降低照明强度，因为该照明强度高于所容许的极限值。用户还有机会校正样品相对于光谱仪设备的放置，以便建立接触。这样确保了在没有接触时用户没有犯错地检测光谱，而这是该用户在存在接触时真正想要做的。

按照另一优选的扩展方案，控制装置被构建为使得在光谱仪设备与样品之间存在接触时能给光谱分配表示该接触的标签。该标签给出了关于所检测到的光谱的可靠性的信息，因为假定在存在接触时所检测到的光谱与在没有接触时所检测到的光谱相比具有更高的可靠性。因而，该扩展方案能够例如在数据库中根据可靠性来对光谱进行区分，这对于与类似样品的其它光谱的比较分析来说是重要的。

按照另一优选的扩展方案，运行参数包括测量时长和/或扫描时间。利用该扩展方案，可以根据输出信号来使测量时长和/或扫描时间适配，以便确保足够大的信噪比。这样，在样品与光谱仪设备之间存在接触时，通常需要较短的测量时长和/或扫描时间，借此在总体上节省用于检测光谱的时间。

按照另一优选的扩展方案，光谱仪设备集成到手机、智能电话或其它手持设备中。该集成使得光谱仪设备的使用显著变得容易。这样，也能够在途中例如在难以接触到的位置使用。借此，样品不再必须只被带到光谱仪设备处，而是光谱仪设备也可以被带到样品处。例如，这允许在野外在植物的原来的位置检测这些植物的光谱。这例如能够在摘取水果之前确定水果的成熟度。

按照另一优选的扩展方案，接触传感装置包含接近开关、环境光传感器、惯性传感器和/或摄像机。使用所列举的设备中的一个或多个设备提高了接触识别的可靠性并降低了误解的概率。在此，该接近开关可以是电感式接近开关、电容式接近开关、磁性接近开关（例如簧片开关或簧片接触部或还有霍尔传感器）、光学接近开关、光栅或超声接近开关或者微动开关，该微动开关在发生表面接触时使电接触闭合。该环境光传感器可以在光源被切断或被调制时推断出昏暗，由此来识别接触。在惯性传感器的情况下，通过对例如加速度光谱的信号分析可以推断出以下状态，即在光谱仪设备与样品之间是否存在接触。利用摄像机，通过直接观察就可以推断出接触。

按照另一优选的扩展方案，光源具有白炽灯、热发射器、LED、具有磷光体光源的LED、白光激光器、量子点光源、白光源、气体放电灯或其它宽带光源。该扩展方案能够实现在宽的波长或频率范围内检测光谱。由于范围更大，通常可以从样品提取更多信息。

按照另一优选的扩展方案，滤波装置具有法布里-珀罗干涉仪或光栅装置。利用该装置，光辐射可以有效地且能在光谱方面调光地被滤波，借此可以以高光谱分辨率来检测光谱。由此，通常可以从样品提取更多信息。

按照另一优选的扩展方案，接触传感装置与光谱仪设备分开设置。在该扩展方案中，接触传感装置不与光谱仪设备连接，而是可以安装在上级设备、如智能电话的单独的部分中。这能够将在该设备中已经存在的组件用于该接触传感装置。

按照另一优选的扩展方案，只有在光谱仪设备与样品之间存在接触时才激活对光谱的检测。该扩展方案同样带来了所检测到的光谱的可靠性更高的优点。这样，所检测的光谱可以在存在接触的情况下更容易没有错误地被检测，因为散射光以及其它可能会使测量数据失真的环境影响都被屏蔽。这样，对于未经培训的用户来说也能够可靠性高地检测光谱。

按照另一优选的扩展方案，在光谱仪设备与样品之间存在接触时以比在没有接触时更高的照明强度来激活对光谱的检测。这里，与不透明样品存在接触以及与之相关联的屏蔽同样允许超过照明强度的安全法规所规定的极限值，而这在其它情况下会对人眼造成危险。随着照明强度的提高，信噪比以及借此所检测到的光谱的精度都可以被改善。

按照另一优选的扩展方案，在光谱仪设备与样品之间没有接触时向用户输出提示信号。该提示信号可以被用于在没有接触时请求用户降低照明强度，因为该照明强度高于所容许的极限值。用户还有机会校正样品相对于光谱仪设备的放置，以便重新建立接触。这样确保了在没有接触时用户没有犯错地检测光谱，而这是该用户在存在接触时真正想要做的。

附图说明

本发明的其它特征和优点随后依据实施方式参考附图予以阐述。

其中：

图1)示出了按照本发明的第一实施方式的具有样品的光谱仪设备的示意图；

图2)示出了用于运行按照本发明的第一实施方式的光谱仪设备的方法的示意图；以及

图3a)-3b)示出了具有样品的典型光谱仪设备的示意图。

具体实施方式

在所述附图中，相同的附图标记表示相同或功能相同的要素。

图1)是按照本发明的第一实施方式的具有样品的光谱仪设备的示意图。

在图1)的图示中，光谱仪设备10包含：两个光源11；检测装置12，该检测装置包括光学滤波装置13和光电探测器14；接触传感装置15、16，该接触传感装置包括环境光传感器15和惯性传感器16；和控制装置17，该控制装置与接触传感装置15、16，检测装置12和光源11连接。在此，样品18与光谱仪设备10有接触19，这意味着样品18物理接触光谱仪设备10，或者样品放置得非常接近该光谱仪设备。

这里示出的两个光源11是成角度的，使得照明场与光谱仪设备10的例如窗口（未示出）重叠，由此对样品进行照明。被样品反射且可能激发的辐射部分地优选地经由光学系统射入到检测装置的滤波装置13中。在此，滤波装置被构造为使得该滤波装置可以以能在规定的波长范围内调光的方式来对辐射进行滤波，使得始终只有窄带范围射到光电探测器14上。最后，利用调光来检测在规定的波长范围内的光谱。

环境光传感器15的视场与光源11的照明场和光谱仪设备10的窗口重叠。这样，在与不透明样品18有接触19并且光源11被关断时，实际上不再有环境光射到光谱仪设备10中，因此环境光传感器15在不透明样品18的情况下识别出昏暗。惯性传感器16对测量进行辅助，其方式是该惯性传感器提供加速度光谱，该加速度光谱可以给出关于接触19的其它信息。这样，在存在接触19时，加速度光谱可具有较小的高频摆幅，因为惯性于是由于光谱仪设备10和样品18的总重而已增加。这些数据尤其可以在透明样品的情况下有利于毫无疑问地确定接触19。

控制装置17从接触传感装置15、16获得数据并且相对应地操控光源11和检测装置12并且规定这些光源和该检测装置的运行参数。通常，在存在接触19时，控制装置17提高光源11的照明强度。相反，在没有接触时，该照明强度应被降低到安全法规所规定的极限值之下。控制装置17通常将检测装置12操控为使得在存在接触时测量时长和/或扫描时间少于在没有接触时。然而，这取决于特定样品，例如取决于该特定样品是否至少部分透明。还规定：这些运行参数自动化地被规定，或者可以被用户操纵。

图2)是用于运行按照本发明的第一实施方式的光谱仪设备的方法的示意图。

用于运行光谱仪设备10的方法20开始于对样品的分类21。现在将样品相对于光谱仪设备10放置22。然后，由接触传感装置15、16来确定23在光谱仪设备10与样品18之间是否存在接触19。在存在接触19时，至少一个光源的照明强度被提高或者被最大化24。此外，在由检测装置12检测26样品18的光谱之前，使其余的像测量时长和/或扫描时间那样的测量参数适配25。最后，实行对所检测到的光谱的标记27，该标记可包含样品的类型和/或关于样品是否是在存在接触时被检测到的信息。

在对样品18分类21的情况下，可以使接触阈值适配28，该接触阈值被用于对接触19的确定23。这样，例如惯性传感器在诸如纺织品那样的软样品材料的情况下比在硬且重的样品18的情况下更困难地识别接触19。此外，在确定23接触19并且查明没有接触19的步骤中，可以请求29用户相对于样品重新放置光谱仪设备。

尽管本发明是依据优选的实施例来描述的，但是本发明并不限于这些实施例。尤其是，所提到的材料和拓扑只是示例性的而且并不限于所阐述的示例。

尤其是，可以为各个元件选择其它倾斜方向、角度、几何形状等等。元件和组件也可以以其它合理的方式来布置。

Claims (15)

1.一种光谱仪设备（10），其具有：

至少一个光源（11），用于用光来照射样品（18）；

光学检测装置（12），用于检测（26）被所述样品（18）散射的光；

至少一个光学滤波装置（13），所述光学滤波装置布置在所述样品（18）前面和/或后面；

接触传感装置（15、16），用于确定在所述样品（18）与所述光谱仪设备（10）之间的接触（19）并且用于输出相对应的输出信号；

控制装置（17），用于响应于所述输出信号来控制所述光源（11）和所述检测装置（12），

其中所述控制装置（17）被构建为使得当所述输出信号表明在所述样品（18）与所述光谱仪设备（10）之间有接触（19）时所述控制装置改变所述光源（11）和所述检测装置（12）的至少一个运行参数。

2.根据权利要求1所述的光谱仪设备，其中所述控制装置（17）被构建为使得只有在所述光谱仪设备（10）与所述样品（18）之间存在接触（19）时才激活对光谱的检测。

3.根据权利要求1所述的光谱仪设备，其中所述控制装置（17）被构建为使得在所述光谱仪设备（10）与所述样品（18）之间存在接触（19）时以比在没有接触时更高或更低的照明强度来激活对光谱的检测。

4.根据上述权利要求中任一项所述的光谱仪设备，其中所述控制装置（17）被构建为使得在所述光谱仪设备（10）与所述样品（18）之间没有接触时能向用户输出提示信号。

5.根据上述权利要求中任一项所述的光谱仪设备，其中所述控制装置（17）被构建为使得在所述光谱仪设备（10）与所述样品（18）之间存在接触时能给光谱分配表示所述接触的标签。

6.根据上述权利要求中任一项所述的光谱仪设备，其中所述运行参数包括测量时长和/或扫描时间。

7.根据上述权利要求中任一项所述的光谱仪设备，其中所述光谱仪设备（10）集成到手机、智能电话或其它手持设备中。

8.根据上述权利要求中任一项所述的光谱仪设备，其中所述接触传感装置（15、16）包含接近开关、环境光传感器、惯性传感器和/或摄像机。

9.根据上述权利要求中任一项所述的光谱仪设备，其中所述光源（11）具有白炽灯、热发射器、LED、具有磷光体光源的LED、白光激光器、量子点光源、白光源、气体放电灯或其它宽带光源。

10.根据上述权利要求中任一项所述的光谱仪设备，其中所述滤波装置（13）具有法布里-珀罗干涉仪或光栅装置。

11.根据上述权利要求中任一项所述的光谱仪设备，其中所述接触传感装置（15、16）与所述光谱仪设备（10）分开设置。

12.一种用于运行光谱仪设备（10）的方法（20），所述方法具有如下步骤：

将所述光谱仪设备（10）相对于样品（18）放置（22）；

检查（23）在所述光谱仪设备（10）与所述样品（18）之间是否存在接触（19）；

如果在所述样品（18）与所述光谱仪设备（10）之间存在所述接触（19），则改变所述光源（11）和所述检测装置（12）的至少一个运行参数。

13.根据权利要求12所述的方法，其中只有在所述光谱仪设备（10）与所述样品（18）之间存在接触（19）时才激活对光谱的检测。

14.根据权利要求12所述的方法，其中在所述光谱仪设备（10）与所述样品（18）之间存在接触（19）时以比在没有接触时更高的照明强度来激活对光谱的检测。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中在所述光谱仪设备（10）与所述样品（18）之间没有接触时能向用户输出提示信号。

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