CN113892017A - 对至少一个样品进行光学分析的光谱仪装置 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于对至少一个样品(112)进行光学分析的光谱仪装置(110)。光谱仪装置(110)包括至少一个外壳(116)，其具有至少一个入口窗(118)；至少一个波长选择元件(120)，其被配置为将入射光(123)分离成组成波长的光谱，波长选择元件(120)设置在外壳(116)内；至少一个探测器装置(122)，其被配置为探测组成波长的至少一部分，探测器装置(122)设置在外壳(116)内；以及至少一个接触传感器装置(126)，其用于探测光谱仪装置(110)与样品(112)的接触，其中接触传感器装置(126)包括至少一个光学接触传感器装置(128)，其中光学接触传感器装置(128)被配置为探测入口窗(118)与样品(112)的接触，其中光学接触传感器装置(128)包括至少一个光学发射器装置(130)和至少一个光学探测器装置(134)，其中至少一个光信号从光学发射器装置(130)传输到所述光学探测器装置(134)，其中光学接触传感器装置(128)被配置为探测样品(112)的存在对光信号传输的影响。
Description
技术领域
本发明涉及光谱仪装置、用于对至少一个样品进行光学分析的方法、光谱仪装置的用途以及在光谱仪装置中使用的计算机程序。这样的装置和方法通常可以用于例如调查或监测目的，具体是在红外(IR)光谱区域，尤其是在近红外(NIR)和中红外(MidIR)光谱区域中。然而，更多种类的应用是可能的。
背景技术
用于研究红外(IR)光谱区域，尤其是近红外(NIR)光谱区域的各种光谱仪装置和系统是已知的。这些光谱仪装置和系统通常包括一个或多个波长选择元件，用于将入射光分离成组成波长的光谱，以及一个或多个用于探测组成波长的探测器装置，例如一个或多个棱镜、光栅、滤波器等。特别是，已经提出了包括线性可变滤波器(LVF)和探测器阵列的组合的光谱仪装置。在此，LVF被指定用于将从物体(也称为样品)捕获的光分离成组成波长信号的光谱，而探测器阵列包括多个像素，其中多个像素中的每一个被设置为接收为每个组成波长提供功率读数的多个组成波长信号的至少一部分。通常，为了实现入射光可以以垂直于LVF接收表面的方式入射到LVF，使用了用于此目的的挡板，然而，这通常会导致较低的光通量和较差的信噪比。
在US 2018/231415 A1中，描述了一种封闭式台式分析装置，以及与其相关的系统过程和技术。台式分析装置可以包括封闭探针和样品的外壳。合规组件可以确定是否满足一个或多个合规规则，例如与基于外壳盖闭合处于可操作配置的外壳相关的合规规则。如果确定满足合规规则，则合规组件可以使得能够释放光能以经由探针轮询样品。
此外，EP 1 063 501 A1描述了一种用于光学测量装置，尤其是光谱仪装置的测量头，其包括可在起始位置和测量位置之间移动和/或压缩和延伸的前部单元，其中所述前部单元被偏置处于起始位置；还包括固定的后部单元，它是一种用于指示所述前部单元是否处于所述测量位置的传感器，其中所述前部单元还包括用于相对于所述前部单元定位样品的至少三个承载点，其中所述至少三个载体点每个都设置有传感器，该传感器指示所述样品是否与相应的载体点接触。
对于现场应用，已经开发了便携式光谱仪装置。因此，作为各种示例之一，US2014/131578 A1公开了一种便携式光谱仪装置，其包括用于引导样品的照射源以及用于以第一焦比捕获与样品相互作用的光以及用于以低于第一焦比的第二焦比将光传送到LVF的锥形光管(TLP)。此外，WO 97/08537 A1描述了一种用于对样品进行红外反射测量以识别样品材料的手持式装置是内置于手持外壳中的独立便携式单元。有关也可以在本发明的上下文中使用的其他便携式光谱仪和光谱仪原理，可以参考Richard A.Crocombe发表的“Handheld spectrometers in 2018and later:MOEMS,photonics,and smartphones(2018及之后的手持式光谱仪：MOEMS、光电和智能手机，Proc.SPIE 10545，《MOEMS和小型化系统XVII》，105450C(2018年2月22日)；doi：10.1117/12.2286492)”。
此外，US 2004/147984 A1描述了一种在合适的头中使用至少一个低功率光辐射源的设备，该头可以在治疗区域上方保持相当长的一段时间或者可以在每次治疗期间在治疗区域上方移动多次。该设备(手持式发光敷贴器(LEA)或发光皮肤敷贴器(LESA))可以是刷子或滚子的形式，当对皮肤施加辐射时，该刷子或滚子适于在患者的皮肤表面上移动。LEA或LESA的接触皮肤的表面可以具有突起，例如可以按摩皮肤并传递辐射的突起或刷毛。此外，公开了一种向治疗区域传递光辐射的设备，其包含适于连接到皮肤接触装置的改装外壳。
在JP S60 241260 A中，描述了一种小型接触传感器，其中始终以高精度探测接触状态。一对压电元件设置在振动器上，其中一个压电元件用于要振动的振动器，同时还提供了用于探测由于振动而在另一压电元件上产生的力的探测手段。当样品接触振动器并且振动器的振动被限制时，通过探测手段探测样品的接触状态。
此外，作为WO 01/48684 A2公布的EP 1 240 617 A2 A1描述了一种使用弯曲波振动来计算与接触敏感装置上的接触相关的信息的方法和设备。该方法包括以下步骤：在接触敏感装置中提供能够支持弯曲波的构件，从而提供附接到该构件上用于测量构件中弯曲波传播以确定测量弯曲波信号的手段，以及处理测量弯曲波信号以计算与接触相关的信息。
然而，特别是手持式光谱仪装置在现场的应用可能会导致测量精度方面的挑战。因此，在许多情况下，要求在反射模式下工作的光谱仪与样品有明确的接触。通常，光谱仪装置的入口窗口或机械间隔件会接触样品。例如，可能需要将入口窗口浸入待分析的油中，或者可能需要机械间隔件接触待分析的木头表面。如果光谱仪装置与样品的接触不足或不够明确，则可能会错误地估计来自样品的光衰减。
需要解决的问题
因此，期望提供解决已知光谱仪装置的上述挑战和缺点的装置和方法。具体而言，应提出即使在恶劣的环境条件下，也能在现场进行高重现性的光谱仪测量的装置和方法。
发明内容
该问题通过具有独立权利要求的特征的光谱仪装置、用于对至少一个样品进行光学分析的方法、光谱仪装置的用途和在光谱仪装置中使用的计算机程序来解决。在从属权利要求中列出了可以以单独或任意组合的方式实现的有利实施例。
如在下文中使用的，术语“具有”、“包含”或“包括”或其任何任意语法变体以非排他方式使用。因此，这些术语既可以指除了这些术语引入的特征之外，在上下文中描述的实体中不存在其他特征的情况，也可以指存在一个或多个其他特征的情况。例如，表述“A具有B”、“A包含B”和“A包括B”既可以指除了B之外，A中不存在其他元素的情况(即A仅包含B的情况)，也可以指除了B之外，实体A中还存在一个或多个其他元素，例如元素C、元素C和D，甚至其他元素。
此外，应当注意，术语“至少一个”、“一个或多个”或表明特征或元素可以出现一次或不止一次的类似表述在介绍相应的特征时通常只会使用一次。在下文中，在大多数情况下，当提及相应的特征或元素时，将不再重复“至少一个”或“一个或多个”的表述，尽管相应的特征或元素可能出现一次或不止一次。
此外，如在下文中使用的，术语“优选地”、“更优选地”、“特别地”、“更特别地”、“具体地”、“更具体地”或类似术语与可选特征结合使用，而不限制替代的可能性。因此，由这些术语引入的特征是可选特征并且不旨在以任何方式限制权利要求的范围。本领域技术人员将认识到，本发明可以使用替代特征来执行。类似地，由“在本发明的实施例中”或类似表述引入的特征旨在为可选特征，不对本发明的替代实施例进行任何限制，不对本发明的范围进行任何限制，并且不对以此方式引入的特征与本发明的其他可选或非可选特征的组合的可能性进行任何限制。
在本发明的第一方面，提出了一种用于对至少一个样品进行光学分析的光谱仪装置。所述光谱仪装置包括：
-至少一个外壳，其具有至少一个入口窗；
-至少一个波长选择元件，其被配置为将入射光分离成组成波长的光谱，所述波长选择元件设置在所述外壳内；
-至少一个探测器装置，其被配置为探测所述组成波长的至少一部分，所述探测器装置设置在所述外壳内；以及
-至少一个接触传感器装置，其用于探测所述光谱仪装置与所述样品的接触。
术语“光谱仪装置”是广义的术语并赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，而不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于能够对至少一个样品进行光学分析，从而产生有关样品的至少一种光谱特性的至少一项信息的装置。具体地，该术语可以指能够记录关于光谱的相应波长或其分区(例如波长区间)的信号强度的装置，其中信号强度可以优选地被提供为电信号以作进一步评估。附加地或替代地，光谱仪装置也可以完全或部分地体现为傅立叶变换光谱仪装置。光谱仪装置通常例如可以在反射模式下操作和/或可以在透射模式下操作。
光谱仪装置具体可以为手持式光谱仪装置。术语“手持式”是广义的术语，并赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，而不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于能够由人类用户移动和/或移位，具体是指能够由人类用户携带，特别是由人类用户单手携带的装置的特性。具体地，手持式装置的尺寸可以被设计为由人类用户携带，例如在任何尺寸方面的延伸不超过500mm，特别是不超过300mm。附加地或替代地，由人类用户携带的手持式装置的重量不超过5kg，具体地不超过3kg，甚至不超过0.5kg。
术语“分析”或术语“分析”是广义的术语并赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，而不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指，但不限于，导出有关样品特性的至少一项信息的过程。因此，术语“光学分析”或“光学分析”是指通过使用光学手段(例如光谱手段)进行分析或分析的过程。具体地，光谱仪装置可被配置为导出有关样品的至少一种光谱特性的至少一项信息。作为示例，光谱仪装置可被配置为导出有关样品的至少一项光谱信息，例如反射光谱和/或透射光谱的光谱范围上的至少一种强度分布。附加地或替代地，该分析可以是或可以包括傅立叶变换光谱分析。然而，其他示例也是可能的。手持式光谱仪装置具体可被配置为提供至少一项电子信息，例如模拟和/或数字信号，代表至少一项光谱信息。
术语“样品”是广义的术语并赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，而不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于任意数量的待分析材料、元件或装置。具体地，样品可以是一定量的材料，例如一定量的液体、粉末、丸粒、颗粒或气体中的一种或多种。例如，样品可以包括固体散装材料，例如谷物。然而，替代地，样品也可以是或可以包括固体物品，例如水果或蔬菜。其他示例也是可能的。下面将更详细地给出样品和应用的具体示例。
术语“外壳”是广义的术语并赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，而不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于被配置为完全或部分地围绕一个或多个其他元件和/或为一个或多个其他元件提供机械覆盖的元件或元件组合。因此，作为示例，外壳可以是或可以包括至少一个刚性外壳，例如由塑料材料或金属中的至少一种制成的至少一个刚性外壳。边缘特别地可被配置为通过形状配合的连接、压力配合的连接或经材料接合的连接中的一种或多种与外壳接合。因此，作为示例，如下文将更详细地概述的，边缘可以是或可以提供一个或多个连接元件和/或可以提供完全或部分地围绕光谱仪装置的前表面的柔性框架和/或密封框架。
术语“入口窗”是广义的术语并赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，而不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于任意元件，例如由玻璃、石英、蓝宝石或塑料材料中的一种或多种制成的光学透明元件，或允许光进入外壳的手持式光谱仪装置的开口。因此，作为示例，入口窗可以是或可以包括外壳中的开口。开口可以是空的或者可以完全或部分地填充有一种或多种透明元件，例如一种或多种选自玻璃元件、石英元件或塑料元件的透明元件。
术语“波长选择性元件”是广义的术语并赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，而不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于适于以依赖于波长的方式执行透射、反射、偏转或散射光中的一项或多项的任意元件或元件组合。作为示例，波长选择元件可以是或可以包括选自以下项构成的组的至少一种元件：光栅；光学棱镜；波长选择光学滤波器，特别是长度可变滤波器；波长选择微光学装置，特别是专用于傅立叶变换光谱仪的微光机电(MOEM)装置。
术语“探测器装置”是广义的术语并赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，而不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于能够监测和/或记录至少一个物理、化学或生物参数的任意装置或装置组合。具体地，探测器装置可以包括至少一个光学探测器装置，例如被配置用于记录和/或监测入射光的装置。探测器装置可以在可见光谱范围、紫外光谱范围或红外光谱范围，特别是近红外光谱范围(NIR)中的一个或多个中敏感。因此，探测器装置具体地可以是或可以包括光学探测器元件，例如至少一个光学传感器，例如光学半导体传感器。作为示例，具体地在探测器装置在红外光谱范围内，例如在近红外光谱范围内敏感的情况下，半导体传感器可以是或可以包括含有选自PbS、PbSe、InGaAs和扩展InGaAs构成的组的至少一种材料的至少一个半导体传感器。作为示例，探测器装置可以包括至少一个光电探测器，例如至少一个CCD或CMOS装置。探测器装置具体地可以包括至少一个探测器阵列，该探测器阵列包括多个像素化传感器，其中每个像素化传感器被配置为探测组成波长中的至少一个的至少一部分。然而，附加地或替代地，探测器装置还可以包括至少一个单像素探测器装置，特别是至少一个单像素光学探测器元件。后者具体可以在光谱仪装置完全或部分地体现为单像素光谱仪装置，例如单像素傅立叶变换光谱仪装置的情况下使用。
术语“接触传感器装置”是广义的术语并赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，而不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于被配置为探测或感测该装置与另一元件或材料之间的接触的任意装置。因此，如下文将更详细地概述的，接触传感器装置具体可被配置为产生至少一个信号，特别是电信号，其指示接触传感器装置与另一元件或材料之间的接触或非接触。其中，可以探测直接物理接触和/或可以探测其他元件或材料的接近，例如在预定距离内的接近。因此，接触传感器装置可以与要探测的元件或材料直接接触，或者可以与要探测的元件或材料间接接触，例如经由至少一个或多个中间元件或层，例如一个或多个覆盖接触传感器装置的覆盖层接触。
光谱仪装置具体可被配置为在反射模式下操作。如本文所用，反射模式是光谱仪装置的操作模式，其中光谱仪装置被配置为分析由样品反射或散射的光。其中，被样品反射或散射的光可以是环境光和/或可以是由光谱仪装置产生和/或由光谱仪装置引导到样品上并且随后被样品反射或散射的光，其中至少一部分反射或散射的光可以由光谱仪装置分析。
具体地，光谱仪装置可以包括用于照射样品的至少一个照射源。照射源具体可以包括选自以下项构成的组的至少一种元件：LED；激光器；白炽灯，具体是包括至少一个电阻加热元件，更具体地是包括碳化硅(更具体地是硅棒)的电阻加热元件的白炽灯。至少一个照射源，也称为光源，可以完全或部分地位于光谱仪装置的外壳内部和/或可以完全或部分地位于光谱仪装置的外壳外部和/或可以也可以完全或部分地集成到光谱仪装置的外壳中。在至少一个照射源位于外壳内部的情况下，样品的照射可以完全或部分地通过外壳的入口窗进行和/或可以完全或部分地通过至少一个单独的照射开口进行。
接触传感器装置具体可被配置为探测入口窗与样品之间的接触。因此，可以以各种方式探测入口窗与样品之间的接触，例如通过探测入口窗上的压力、通过光学探测入口窗与样品之间的接触或通过其他探测手段，例如通过探测入口窗等的振动特性的变化等等。通常，作为示例，接触传感器装置可以包括光学接触传感器装置、电接触传感器装置或机械接触传感器装置中的至少一种，其中包括声学接触传感器装置的选项。
附加地或替代地，光谱仪装置可以包括至少一个间隔元件。如本文所用，术语“间隔元件”具体可以指被配置为将样品置于到光谱仪装置、光谱仪装置的外壳、入口窗或光谱仪装置的任何其他元件的预定距离处或使其保持位于该距离处。因此，作为示例，间隔元件可以包括至少一个间隔棒、至少一个间隔环等。
在光谱仪装置包括至少一个间隔元件的情况下，接触传感器装置还可被配置为完全或部分地探测间隔元件与样品的接触。另外，可以使用各种感测原理来探测间隔元件与样品的接触，例如使用光学接触传感器装置、机械接触传感器装置、电接触传感器装置中的一种或多种。
如上所述，入口窗可以完全或部分地由至少一种透明材料制成。例如，透明材料可以完全或部分地由有机透明材料或无机透明材料中的一种或多种制成，例如由透明塑料材料、玻璃或石英或蓝宝石中的至少一种制成。
如上所述，一般而言，作为示例的接触传感器装置可以包括选自以下各项构成的组的至少一个装置：光学接触传感器装置；电接触传感器装置；机械接触传感器装置，特别是一个或多个按钮；声学接触传感器装置。
因此，接触传感器装置可以包括至少一个光学接触传感器装置。光学接触传感器装置可被配置为探测入口窗与样品的接触。作为示例，光学接触传感器装置可以包括至少一个光学发射器装置和至少一个光学探测器装置，其中至少一个光学信号从光学发射器装置传输到光学探测器装置。光学接触传感器装置被配置为探测样品的存在对光信号传输的影响。作为示例，光学发射器装置可以包括位于入口窗边缘的至少一个发光二极管和/或至少另一种类型的光源。作为示例，光学探测器装置可以包括至少一个光电二极管和/或另一种类型的光敏元件并且可以定位在入口窗的相对边缘处。通常，光学接触传感器装置可被配置为至少部分地用入口窗作为波导来传输光信号。光学接触传感器装置可被配置为使得样品与入口窗之间的接触改变入口窗的波导特性。因此，一般而言，一旦元件或材料接触光波导，波导的波导特性可能会改变，例如由于波导和元件或材料之间界面处的折射率比发生变化。例如，在液体、透明材料接触波导的情况下，可能发生光的耦出，并且波导的波导特性可能劣化。通常，光学接触传感器装置可以通过分析传输信号来探测这些变化，例如通过探测信号传输的恶化和波导特性的恶化。
附加地或替代地，接触传感器装置包括至少一个惯性传感器。术语“惯性传感器”是广义的术语并赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，而不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于被配置为探测至少一个元件的惯性变化的传感器。因此，作为示例，惯性传感器可以是或可以包括至少一个振动传感器和/或至少一个运动传感器。作为示例，振动传感器可以包括至少一个振动质量，例如至少一个振动表面或膜，其振动特性取决于振动质量与周围环境之间的接触和/或取决于至少一种材料对振动元件的覆盖。因此，通过探测振动质量的振动特性的变化，例如通过探测振动质量的共振频率的变化，可以探测到振动质量的惯性变化，例如与诸如样品之类的材料的阻尼接触。例如，一旦振动膜与样品接触，振动膜的振动通常会发生衰减。类似地，当移动元件与样品接触时，其他类型的运动可能会发生衰减。惯性特性的这些变化可以被探测到，例如以电子的方式。惯性传感器通常可以包括至少一个可移动元件，其中可移动元件的振动或运动中的一者或两者可通过光谱仪装置，特别是惯性传感器与样品的接触而改变。惯性传感器可以附加地或替代地包括至少一个振荡元件，其中光谱仪装置与样品的接触改变振荡元件的至少一种振荡特性。
如上所述，至少一个接触传感器装置还可以是或可以包括至少一个电子接触传感器装置。其中，作为示例，至少一个电子接触传感器装置可以包括至少一个电磁发射器。具体地，电磁发射器可被配置为发射至少1微米，例如至少1毫米，甚至至少1米的波长范围内的电磁波。作为示例，接触传感器装置可以包括WiFi或蓝牙模块中的至少一个。因此，作为示例，接触传感器装置可以探测到由于样品的存在而导致的WiFi和/或蓝牙信号的反射和/或透射的变化。
通常，接触传感器装置可以包括至少一个接近传感器装置。术语“接近传感器”是广义的术语并赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，而不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于被配置为探测元件或物体的接近，例如预定范围内的接近的任意传感器或传感器装置。对于感应接近，各种传感器原理是众所周知的，例如电子接近传感器，例如电感接近传感器。具体地，接触传感器装置可以包括至少一个电容式接近传感器装置。作为示例，电容式接近传感器装置可以包括至少一个电容器，其电容随着物体或元件的接近而改变。因此，样品的接近可以改变电容接近传感器装置的电容。可以探测到电容变化。
光谱仪装置可以包括单个接触传感器装置或多个接触传感器装置。在包括多个接触传感器装置的情况下，这些接触传感器装置中的每一个都可以提供传感器信号。光谱仪装置可以包括至少一个评估装置，例如具有至少一个处理单元或处理器的至少一个评估装置。评估装置通常可被配置为评估多个接触传感器装置的传感器信号的组合。因此，作为示例，评估装置可以包括至少一个数据处理单元，其中数据处理单元可以通过编程来被配置为评估传感器信号。具体地，数据处理单元可被配置为将数学算法应用于多个接触传感器装置的传感器信号。作为示例，评估装置可被配置为将卡尔曼滤波器应用于传感器信号。通过将卡尔曼滤波器应用于传感器信号，可以生成测量数据的估计值和/或可以减少传感器信号中的误差，从而生成有关样品的接近和/或样品与光谱仪装置的环境的更可靠的信息。
光谱仪装置具体可被配置为在所述接触传感器装置探测到所述光谱仪装置与所述样品的接触时自动触发对所述至少一个样品的光学分析。因此，作为示例，评估装置通常可以控制光谱仪装置和/或可以与光谱仪装置的控制装置协作。一旦至少一个接触传感器装置的至少一个传感器信号指示光谱仪装置与样品的接触和/或指示样品的接近(例如在预定范围内)，评估装置和/或控制装置便可以触发光束从光谱仪装置发射到样品上和/或可以触发探测器装置以探测光，即探测至少一部分组成波长。
在本发明的另一方面，公开了一种用于对至少一个样品，特别是至少一个液体样品进行光学分析的方法。所述方法包括以下方法步骤。具体地，所述方法步骤可以按照给定的顺序进行。然而，不同的顺序也是可能的，其中包括完全或部分地同时执行一个或多个方法步骤的选项。此外，可以以重复的方式执行一个或多个方法步骤。所述方法可以包括未列出的附加步骤。所述方法包括以下步骤：
i)提供根据前述权利要求中任一项所述的至少一个光谱仪装置；
ii)接近将用所述光谱仪装置分析的至少一个样品；
iii)使用所述接触传感器装置探测所述光谱仪装置与所述样品的接触；以及
iv)使用所述光谱仪装置执行对所述样品的至少一项光学分析。
在另一方面，公开了根据本发明，例如根据以上公开的任一实施例和/或根据以下进一步详细公开的任一实施例的光谱仪装置的用途，用于从以下项构成的组中选择的使用目的：红外探测应用；光谱应用；废气监测应用；燃烧过程监测应用；污染监测应用；工业过程监测应用；化学过程监测应用；食品加工过程监测应用；水质监测应用；空气质量监测应用；质量控制应用；废气控制应用；气体感测应用；气体分析应用；化学感测应用。
在此进一步公开和提出了在根据本发明所述的光谱仪装置中使用的计算机程序。所述计算机程序包括指令，当所述计算机程序由所述光谱仪装置的评估装置执行时，使所述评估装置评估由所述光谱仪装置的至少一个接触传感器装置提供的至少一个传感器信号并探测所述光谱仪装置与所述样品的接触。所述指令具体地可以使所述评估装置评估多个所述接触传感器装置的传感器信号的组合。
在此进一步公开和提出了一种包括计算机可执行指令的计算机程序，当所述程序在计算机或计算机网络上执行时，所述计算机可执行指令用于执行在此包含的一个或多个实施例中的根据本发明所述的方法。具体地，所述计算机程序可以存储在计算机可读数据载体上和/或计算机可读数据存储装置上。因此，具体地，上述方法步骤iii)或iv)中的一个、多于一个，甚至所有可以使用计算机或计算机网络，优选地使用计算机程序来执行。
在此进一步公开和提出了一种具有程序代码装置的计算机程序产品，以便当所述程序在计算机或计算机网络上执行，执行在此包含的一个或多个实施例中的根据本发明所述的方法。具体地，程序代码装置可以存储在计算机可读数据载体和/或计算机可读数据存储装置上。
在此进一步公开和提出了一种其上可存储有数据结构的数据载体或计算机可读数据存储装置，在加载到计算机或计算机网络中之后，例如加载到计算机或计算机网络的工作存储器或主存储器中之后，所述数据结构可以执行根据本文公开的一个或多个实施例所述的方法。
在此进一步公开和提出了一种具有存储在机器可读载体和/或计算机可读数据存储装置上的程序代码装置的计算机程序产品，以便当所述程序在计算机或计算机网络上执行时，执行根据本文公开的一个或多个实施例所述的方法。如本文所用，计算机程序产品是指作为可交易产品的程序。该产品通常可以以任意格式存在，例如以纸张格式，或存在于计算机可读数据载体上。具体地，计算机程序产品可以分布在数据网络上。
最后，本文公开和提出了一种调制数据信号，其包含计算机系统或计算机网络可读的指令，用于执行根据本文公开的一个或多个实施例所述的方法。
参考本发明的计算机实现的方面，可以使用计算机或计算机网络来执行或支持根据本文公开的一个或多个实施例所述的方法的一个或多个方法步骤，甚至所有方法步骤。因此，一般而言，可以使用计算机或计算机网络来执行包括数据的提供和/或操纵的任何方法步骤。通常，这些方法步骤可以包括任何方法步骤，通常除了需要手动工作的方法步骤，例如提供样品和/或执行实际测量的某些方面。
光谱仪装置和方法提供优于此类已知的装置和方法的多个优点。因此，具体地，光谱仪装置和方法解决了上述技术挑战。具体而言，光谱仪装置可以在恶劣条件下应用于现场，并且仍然可以提供明确定义和可重复的测量设置。光谱仪装置本身可以探测与样品的接触，特别是探测入口窗还是间隔件与样品接触。因此，来自样品的光衰减总是可以被正确估计，因此，测量的再现性可以显著增加。
总结并且不排除其他可能的实施例，可以设想以下实施例：
实施例1：一种用于对至少一个样品进行光学分析的光谱仪装置，包括：
-至少一个外壳，其具有至少一个入口窗；
-至少一个波长选择元件，其被配置为将入射光分离成组成波长的光谱，所述波长选择元件设置在所述外壳内；
-至少一个探测器装置，其被配置为探测所述组成波长的至少一部分，所述探测器装置设置在所述外壳内；以及
-至少一个接触传感器装置，其用于探测所述光谱仪装置与所述样品的接触。
实施例2：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中所述光谱仪装置包括被配置为在反射模式下操作。
实施例3：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中所述光谱仪装置包括用于照射所述样品的至少一个照射源。
实施例4：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中所述接触传感器装置被配置为探测所述入口窗与所述样品之间的接触。
实施例5：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中所述光谱仪装置包括至少一个间隔元件，其中所述接触传感器装置被配置为探测所述间隔元件与所述样品的接触。
实施例6：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中所述入口窗完全或部分地由至少一种透明材料制成。
实施例7：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中所述接触传感器装置包括从以下各项构成的组中选择的至少一个装置：光学接触传感器装置；电接触传感器装置；机械接触传感器装置，特别是声学接触传感器装置。
实施例8：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中所述接触传感器装置包括至少一个光学接触传感器装置。
实施例9：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中所述光学接触传感器装置被配置为探测所述入口窗与所述样品的接触。
实施例10：根据前述两项实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中所述光学接触传感器装置包括至少一个光学发射器装置和至少一个光学探测器装置，其中至少一个光信号从所述光学发射器装置传输到所述光学探测器装置，其中所述光学接触传感器装置被配置为探测所述样品的存在对所述光信号传输的影响。
实施例11：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中所述光学接触传感器装置被配置为通过使用所述入口窗作为波导来至少部分地传输所述光信号。
实施例12：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中所述光学接触传感器装置被配置为使得所述样品与所述入口窗之间的接触改变所述入口窗的波导特性。
实施例13：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中所述接触传感器装置包括至少一个惯性传感器。
实施例14：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中所述惯性传感器包括振动传感器或运动传感器中的至少一个。
实施例15：根据前述两项实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中所述惯性传感器包括至少一个可移动元件，其中所述可移动元件的振动或运动中的一者或两者通过所述光谱仪装置与所述样品的接触改变。
实施例16：根据前述三项实施例中的任一项所述的光谱仪装置，其中所述惯性传感器包括至少一个振荡元件，其中所述光谱仪装置与所述样品的接触改变所述振荡元件的至少一种振荡特性。
实施例17：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中所述接触传感器装置包括至少一个电磁发射器。
实施例18：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中所述接触传感器装置包括WiFi或蓝牙模块中的至少一个。
实施例19：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中所述接触传感器装置包括至少一个接近传感器装置。
实施例20：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中所述接触传感器装置包括至少一个电容式接近传感器装置。
实施例21：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，所述光谱仪装置包括多个接触传感器装置，所述光谱仪装置还包括至少一个评估装置，所述评估装置被配置为评估所述多个接触传感器装置的传感器信号的组合。
实施例22：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中所述评估装置包括至少一个数据处理单元，其中所述数据处理单元通过编程被配置为将数学算法应用于所述多个接触传感器装置的传感器信号。
实施例23：根据前述两项实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中所述评估装置被配置为将卡尔曼滤波器应用于所述传感器信号。
实施例24：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中所述光谱仪装置被配置为在所述接触传感器装置探测到所述光谱仪装置与所述样品的接触时自动触发对所述至少一个样品的光学分析。
实施例25：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中所述光谱仪装置是手持式光谱仪装置。
实施例26：一种用于对至少一个样品进行光学分析的方法，所述方法包括：
i)提供根据前述实施例中任一项所述的至少一个光谱仪装置；
ii)接近将用所述光谱仪装置分析的至少一个样品；
iii)使用所述接触传感器装置探测所述光谱仪装置与所述样品的接触；以及
iv)使用所述光谱仪装置执行对所述样品的至少一项光学分析。
实施例27：根据涉及光谱仪装置的前述实施例权利要求中任一项所述的光谱仪装置的用途，用于从以下项构成的组中选择的使用目的：红外探测应用；光谱应用；废气监测应用；燃烧过程监测应用；污染监测应用；工业过程监测应用；化学过程监测应用；食品加工过程监测应用；水质监测应用；空气质量监测应用；质量控制应用；运动控制应用；废气控制应用；气体感测应用；气体分析应用；化学感测应用。
实施例28：一种在根据涉及光谱仪装置的前述实施例中任一项所述的光谱仪装置中使用的计算机程序，包括指令，当所述计算机程序由所述光谱仪装置的评估装置执行时，所述指令使所述评估装置评估由所述光谱仪装置的所述至少一个接触传感器装置提供的至少一个传感器信号并探测所述光谱仪装置与所述样品的接触。
实施例29：根据前一实施例所述的计算机程序，其中所述指令使所述评估装置评估所述多个接触传感器装置的传感器信号的组合。
附图说明
其他可选特征和实施例将在实施例的后续描述中，优选地结合从属权利要求更详细地公开。其中，如技术人员将意识到的，各个可选特征可以以孤立的方式以及以任何任意可行的组合来实现。本发明的范围不受优选实施例的限制。该实施例示意性地描绘在图中。
在附图中：
图1示出了包括接触传感器装置的光谱仪装置的示例性实施例。
具体实施方式
在图1中，示出了光谱仪装置110的示例性实施例。在特定示例中，光谱仪装置110具体地可以体现为移动或手持式光谱仪装置。图1中以截面图示出了光谱仪装置110。光谱仪装置110被配置为分析至少一个样品112。例如，在图1中，示出了液体样品112。尽管如此，光谱仪装置110也可以应用于其他类型的样品112，例如固体样品，例谷物、水果或蔬菜。其他示例也是可能的。在图1的设置中，光谱仪装置110被示为与样品112物理接触，例如通过将光谱仪装置110的前端114浸入样品112中。
光谱仪装置110包括外壳116。外壳116具有至少一个入口窗118。光谱仪装置110还包括设置在外壳116内的至少一个波长选择元件120，其被配置为将入射光123分离成组成波长的光谱。光谱仪装置110还包括设置在外壳116内的至少一个探测器装置122，该探测器装置122被配置为探测组成波长的至少一部分。光谱仪装置110还可以包括至少一个评估装置124，例如具有至少一个处理器的评估装置124，其中评估装置124例如可被配置为评估至少一个探测器装置122的探测器信号。
光谱仪装置110还包括至少一个接触传感器装置126，其被配置为探测光谱仪装置110与样品112的接触。作为示例，接触传感器装置126可被配置为探测入口窗118与样品112之间的接触。因此，作为示例，接触传感器装置126可以是或可以包括光学接触传感器装置128。作为示例，光学接触传感器装置128可以包括至少一个光学发射器装置130，作为示例，光学发射器装置130可以位于入口窗118的边缘132处。入口窗118可以完全或部分地由具有波导特性的光学透明材料制成。因此，光学接触传感器装置128还可以包括至少一个光学探测器装置134，例如，该光学探测器装置134位于入口窗118的相对边缘136处。光学发射器装置130可以将光发射到入口窗118中。在入口窗118中，光因为入口窗118的波导特性而被引导，到达相对边缘136和光学探测器装置134。然而，当与样品112接触时，入口窗118的波导特性将会发生改变。因此，一旦建立与样本112的接触，从光学发射器装置130传输到光探测器装置134的信号就会改变。信号的这种变化可用于探测光谱仪装置110与样品112之间的接触。例如，光学接触传感器装置128可由评估装置124和/或由单独的控制或评估装置控制。
光谱仪装置110具体可以在反射模式下操作。为此，光谱仪装置110可以包括一个或多个照射源138。作为示例，至少一个照射源138可以完全或部分地位于外壳116内部和/或外壳116外部。
在图1的设置中，作为示例，示出了光学接触传感器装置128。仍然可以使用其他类型的接触传感器装置126。因此，如上所述，可以附加地或替代地使用电和/或机械接触传感器装置。例如，可以使用采用惯性测量单元的振动或运动变化。例如，一旦建立了光谱仪装置110与样品112之间的接触，振动和/或运动就会减少。即使光谱仪装置110是手持式光谱仪装置110，也可以使用该测量原理。附加地或替代地，作为示例，电测量原理可以用于接触传感器装置126。因此，作为示例，可以实现WiFi和/或蓝牙模块。其中，可以探测由于接触样品112而引起的信号衰减，特别是如果模块在样品112附近。这些示例性实施例表明，除了使用光学接触传感器装置128之外，其他测量原理也是可能的。
由于每个测量原理通常给出有关与样品112的接触的指示，因此甚至可以组合这些探测方式中的一种或多种。因而，作为示例，可以将信号提供给评估装置128。其中，可以在数学模型中组合信号，作为示例，该数学模型由卡尔曼滤波器监测。
参考标号列表
110光谱仪装置
112样品
114前端
116外壳
118入口窗
120波长选择元件
122探测器装置
123光
124评估装置
126接触传感器装置
128光学接触传感器装置
130光学发射器装置
132边缘
134光学探测器装置
136相对边缘
138照射源
参考
US 2014/131578 A1
Richard A.Crocombe发表的“Handheld spectrometers in 2018and later:MOEMS,photonics,and smartphones(2018及之后的手持式光谱仪：MOEMS、光电和智能手机，Proc.SPIE 10545，《MOEMS和小型化系统XVII》，105450C(2018年2月22日)；doi：10.1117/12.2286492
Claims (17)
1.一种用于对至少一个样品(112)进行光学分析的光谱仪装置(110)，包括：
-至少一个外壳(116)，其具有至少一个入口窗(118)；
-至少一个波长选择元件(120)，其被配置为将入射光(123)分离成组成波长的光谱，所述波长选择元件(120)设置在所述外壳(116)内；
-至少一个探测器装置(122)，其被配置为探测所述组成波长的至少一部分，所述探测器装置(122)设置在所述外壳(116)内；以及
-至少一个接触传感器装置(126)，其用于探测所述光谱仪装置(110)与所述样品(112)的接触，其中所述接触传感器装置(126)包括至少一个光学接触传感器装置(128)，其中所述光学接触传感器装置(128)被配置为探测所述入口窗(118)与所述样品(112)的接触，其中所述光学接触传感器装置(128)包括至少一个光学发射器装置(130)和至少一个光学探测器装置(134)，其中至少一个光信号从所述光学发射器装置(130)传输到所述光学探测器装置(134)，其中所述光学接触传感器装置(128)被配置为探测所述样品(112)的存在对所述光信号传输的影响。
2.根据前一权利要求所述的光谱仪装置(110)，其中所述光谱仪装置(110)包括用于照射所述样品(112)的至少一个照射源(138)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪装置(110)，其中所述接触传感器装置(126)被配置为探测所述入口窗(118)与所述样品(112)之间的接触。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪装置(110)，其中所述光谱仪装置(110)包括至少一个间隔元件，其中所述接触传感器装置(126)被配置为探测所述间隔元件与所述样品(112)的接触。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪装置(110)，其中所述入口窗(118)完全或部分地由至少一种透明材料制成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪装置(110)，其中所述接触传感器装置(126)包括从以下各项构成的组中选择的至少一个装置：光学接触传感器装置(128)；电接触传感器装置；机械接触传感器装置，特别是声学接触传感器装置。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪装置(110)，其中所述光学接触传感器装置(128)被配置为通过使用所述入口窗(118)作为波导来至少部分地传输所述光信号，其中所述光学接触传感器装置(128)被配置为使得所述样品(112)与所述入口窗(118)之间的接触改变所述入口窗(118)的波导特性。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪装置(110)，其中所述接触传感器装置(126)包括至少一个惯性传感器。
9.根据前一权利要求所述的光谱仪装置(110)，其中所述惯性传感器包括振动传感器或运动传感器中的至少一个。
10.根据前述两项权利要求中任一项所述的光谱仪装置(110)，其中所述惯性传感器包括至少一个可移动元件，其中所述可移动元件的振动或运动中的一者或两者通过所述光谱仪装置(110)与所述样品(112)的接触改变。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪装置(110)，其中所述接触传感器装置(126)包括WiFi或蓝牙模块中的至少一个。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪装置(110)，所述光谱仪装置(110)包括多个接触传感器装置(126)，所述光谱仪装置(110)还包括至少一个评估装置(124)，所述评估装置(124)被配置为评估所述多个接触传感器装置(126)的传感器信号的组合。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪装置(110)，其中所述光谱仪装置(110)被配置为在所述接触传感器装置(126)探测到所述光谱仪装置(110)与所述样品(112)的接触时自动触发对所述至少一个样品(112)的光学分析。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪装置(110)，其中所述光谱仪装置(110)是手持式光谱仪装置(110)。
15.一种用于对至少一个样品(112)进行光学分析的方法，所述方法包括：
i)提供根据前述权利要求中任一项所述的至少一个光谱仪装置(110)；
ii)接近将用所述光谱仪装置(110)分析的至少一个样品(112)；
iii)使用所述接触传感器装置(126)探测所述光谱仪装置(110)与所述样品(112)的接触；以及
iv)使用所述光谱仪装置(110)执行对所述样品(112)的至少一项光学分析。
16.根据涉及光谱仪装置(110)的前述权利要求中任一项所述的光谱仪装置(110)的用途，用于从以下项构成的组中选择的使用目的：红外探测应用；光谱应用；废气监测应用；燃烧过程监测应用；污染监测应用；工业过程监测应用；化学过程监测应用；食品加工过程监测应用；水质监测应用；空气质量监测应用；质量控制应用；废气控制应用；气体感测应用；气体分析应用；化学感测应用。
17.一种在根据涉及光谱仪装置(110)的前述权利要求中任一项所述的光谱仪装置(110)中使用的计算机程序，包括指令，当所述计算机程序由所述光谱仪装置(110)的评估装置(124)执行时，所述指令使所述评估装置(124)评估由所述光谱仪装置(126)的所述至少一个接触传感器装置(126)提供的至少一个传感器信号并探测所述光谱仪装置(110)与所述样品(112)的接触。
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