CN116137891A - 用于测量光辐射的光谱仪装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量光辐射(114)的光谱仪装置(112)和方法(160)以及包括该光谱仪装置(112)的光谱仪系统(110)。一种用于测量光辐射(114)的光谱仪装置(112)包括：至少一个辐射发射元件(116)，其中，所述至少一个辐射发射元件(116)被设计用于发射光辐射(114)，其中，发射的光辐射(114)的光谱取决于所述辐射发射元件(116)的温度；至少一个光敏检测器(120)，其中，所述至少一个光敏检测器(120)具有被指定用于接收发射的光辐射(114)的至少一个光敏区域(122、122”、122”、122”')，其中，由所述至少一个光敏检测器(120)产生的至少一个检测器信号(128)取决于所述至少一个光敏区域(122、122'、122”、122”')的照射以及所述至少一个光敏检测器(120)的温度；至少一个控制电路(130)，其中，所述至少一个控制电路(130)被配置用于o通过在已知温度的情况下使用普朗克定律来确定由所述至少一个辐射发射元件(116)发射的光辐射(114)的光谱，以及o通过向所述至少一个辐射发射元件(116)或所述至少一个光敏检测器(120)中的至少一者施加至少一个控制信号(132、134)来调整所述至少一个辐射发射元件(116)或所述至少一个光敏检测器(120)中的至少一者的温度；至少一个读出电路(136)，其中，所述至少一个读出电路(136)被配置用于测量由所述至少一个光敏检测器(120)产生的所述至少一个检测器信号(128)。光谱仪系统(110)是采用了扫描光谱仪和色散光谱仪的优点的混合光谱仪，从而避免了它们各自的缺点。与二者相比，混合光谱仪通过包括减少数量的所需部件并表现出小型化的机械设置而构成了简化的光谱仪系统。

Description

用于测量光辐射的光谱仪装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于测量光辐射的光谱仪装置和方法，以及包括该光谱仪装置的光谱仪系统。这种装置、方法和系统一般可用于调查或监测目的，特别是在红外(IR)光谱区域中，尤其是在近红外(NIR)光谱区域中，以及用于热量、火焰、火灾或烟雾的检测。然而，其他类型的应用也是可能的。
背景技术
光谱学利用了这样的事实：由材料所包含的原子和分子吸收至少一个特定的波长，这是它们结构的特征。因此，吸收光谱学是材料分析的重要工具。在本文中，吸收可以通过记录从对象的反射辐射或记录通过该对象的透射辐射来测量，其中该对象包括被调查的材料。最常见的是，对液体和气体使用透射光谱，而对固体则采用反射光谱。
无论使用的是反射式还是透射式，光谱信息都可以通过采用两种不同的方法之一在光谱仪装置中得到解决。
-首先，在所谓的“扫描光谱仪”中，可以扫描由光源提供给检测器的波长范围，特别是通过使用至少一个传送元件，具体地，其可以选自可移动色散元件、可调谐滤波器或旋转光栅中的至少一者。因此，检测器可以以顺序的方式记录每个波长。在本文中，在大多数情况下，单个检测器就足够了。替代地，也可以采用基于不同波长的干涉的扫描光谱仪。在重新编码之后，光谱可以使用傅里叶变换来重建。举例来说，可以采用迈克尔逊干涉仪作为扫描光谱仪。
-其次，在所谓的“色散光谱仪”中，通过使用多像素检测器，例如检测器阵列，诸如检测器矩阵，可以同时记录所有的离散波长。在本文中，采用至少一个色散元件，优选选自棱镜、光栅或线性可变滤波器(LVF)中的至少一者。这种类型的光谱仪例如在US 2014/131578 A1、WO 2019/115594A1、WO 2019/115595 A1或WO 2019/115596 A1中公开。
通常，扫描光谱仪包括单个检测器，因此，一方面，可以简化读出电子器件，从而降低扫描光谱仪的成本。然而，另一方面，扫描光谱仪的光学部分通常更加复杂，特别是通过采用上述的至少一个传送元件。因此，用于扫描光谱仪光学部分的光学组件的总成本会增加。
相比之下，色散光谱仪不包括扫描元件。因此，一方面，色散光谱仪的光学部分可以被简化。然而，另一方面，由色散光谱仪包含的检测器阵列需要更复杂的读出电子器件。此外，与单个检测器相比，检测器阵列通常要昂贵得多。因此，色散光谱仪所需的检测器阵列和复杂的读出电子器件的总成本会相加。此外，一般来说，将色散光谱仪的光学部分和(如果应用的话)光电部分小型化要困难得多。
此外，众所周知，在红外光谱区域内敏感的光学检测器，特别是包括至少一种光导材料的光学检测器，构成了以噪声为主的检测器系统。因此，增加入射到由光学检测器所包含的光敏区域(photosensitive region)的辐射功率就能提高光学检测器的信噪比。然而，不利的是，至少一个色散元件能够减少入射到光学检测器的光敏区域的辐射功率，与光谱仪系统使用的方法无关。此外，至少一个色散元件具有至少一个入口狭缝，并可以具有至少一个出口狭缝，其可能进一步限制可以通过至少一个色散元件的辐射量。
EP 3 318 854 A1公开了一种光谱仪，该光谱仪由用于测量生物信息的设备包含，诸如可以连接到智能手机或平板电脑的健身腕带。该光谱仪包括发射近红外光的光源。此外，光谱仪还包括配置为温度控制元件的波长控制器，该温度控制元件通过调整温度来控制峰值波长。控制器针对每个光源设置单独的峰值波长，并通过调整电流强度或脉冲持续时间来控制光源，从而基于光信号使用Tikhonov正则化方法和参考光谱重建光谱。
WO 2016/191307 A1公开了一种光学生理学传感器，其被配置为对样品组织执行高速光谱扫描分析。该传感器可由数据收集系统包含，并被配置为向样品组织照射可见光和/或红外光，并随后对其进行检测。该传感器包括发射器和热控制器，该热控制器包括温度传感器和热电冷却器，其可以被逆转以增加发射器的温度。热控制器与连接到处理器和存储装置的高速数据收集板/前端接口进行通信。数据收集系统进一步包括组织光检测器，其测量通过组织的光强度。热控制器可以进一步调整检测器温度。在进一步的实施例中，该传感器包括作为活性材料的砷化镓铟。
WO 2009/030812 A1公开了一种红外光谱仪，其包括辐射源、用于在样品上产生时间调制的辐照度的调制装置、光学装置，诸如透镜或反射镜、光学导光板和具有窗口、可变滤波器、线性检测器阵列和PI控制器的传感器模块。在传感器模块的背面是用于检测器阵列和线性可变滤波器的冷却和温度稳定的装置。线性检测器阵列被广泛用于集成冷却装置以优化信噪比性能，并且线性可变滤波器可以被集成在温度控制体积中。在实施例中，光导式HgCdTe阵列被用作线性检测器阵列，并被冷却到操作温度以获得最佳性能。通过使用来自附接到检测器阵列的温度传感器的反馈来调整冷却装置。该反馈被提供给温度控制器，并被用于调整温度稳定装置的冷却或加热功能。
本发明解决的问题
因此，本发明解决的问题是提供一种用于测量光辐射的光谱仪装置和方法以及一种光谱仪系统，其特别适合于在红外(IR)光谱区域，尤其是在近红外(NIR)光谱区域内的调查，并且至少基本上避免了这一类型的已知装置和系统的缺点。
特别地，希望具有一种改进的简单、经济、并且仍然可靠的光谱仪装置，其包括减少数量的所需组件，并且进一步允许使机械和光学设置小型化。
发明内容
该问题通过本发明用独立专利权利要求的特征来解决。本发明的可以单独或组合实现的有利发展，在从属权利要求和/或在以下说明书和详细实施例中呈现。
如在本文中所使用的，表述“具有”、“包括”和“包含”以及它们的语法变体以非排他的方式使用。因此，表述“A具有B”以及表述“A包括B”或“A包含B”都可以指除B之外，A包含一个或多个其它组件和/或组分的事实，以及除B之外，A中不存在其它组件、组分或元件的情况。
在本发明的第一方面，公开了一种用于测量光辐射的光谱仪装置。因此，该光谱仪装置包括
-至少一个辐射发射元件，其中，所述至少一个辐射发射元件被设计为发射光辐射，其中，发射的光辐射的光谱取决于所述辐射发射元件的温度；
-至少一个光敏检测器，其中，所述至少一个光敏检测器具有被指定用于接收发射的光辐射的至少一个光敏区域，其中，由所述至少一个光敏检测器产生的至少一个检测器信号取决于所述至少一个光敏区域的照射和所述至少一个光敏检测器的温度；
-至少一个控制电路，其中，所述至少一个控制电路被配置用于
o通过在已知温度的情况下使用普朗克定律，确定由所述至少一个辐射发射元件发射的光辐射的光谱，以及
o通过向所述至少一个辐射发射元件或所述至少一个光敏检测器中的至少一者施加至少一个控制信号，来调整所述至少一个辐射发射元件或所述至少一个光敏检测器的温度；
-至少一个读出电路，其中，所述至少一个读出电路被配置用于测量由所述至少一个光敏检测器产生的所述至少一个检测器信号。
如在本文中所使用的，术语“辐射”一般是指电磁辐射的一部分，其通常被称为“光学光谱范围”，并且包括可见光谱范围、紫外光谱范围和红外光谱范围中的一者或多者。术语“紫外光谱范围”一般是指波长为1纳米至380纳米，优选100纳米至380纳米的电磁辐射。此外，术语“可见光谱范围”一般是指380纳米至760纳米的光谱范围。此外，术语“红外光谱范围”(IR)一般是指760纳米至1000微米的电磁辐射，其中，760纳米至3微米的光谱范围通常被称为“近红外光谱范围”(NIR)。优选地，用于本发明典型目的的辐射是在红外(IR)光谱范围内，更优选的是在近红外(NIR)，尤其是具有760纳米至3微米的波长，优选1微米至3微米的波长。
一般来说，从对象出射的辐射可以源于对象本身，但也可以具有不同的起源，并从该起源传播到对象上，并且随后朝向光谱仪装置传播。根据本发明，后一种情况受到被设计用于发射辐射的至少一个辐射发射元件的影响。因此，从对象传播到光谱仪装置的辐射可以是被对象和/或连接到对象的反射装置反射的辐射。替代地或另外，辐射可以至少部分穿过对象。一般来说，“对象”可以是一个任意的对象，其选自包括被光谱仪装置调查的材料的有生命对象和无生命对象。因此，作为示例，至少一个对象可以包括一个或多个物品和/或物品的一个或多个部分，其中，至少一个物品或其至少一个部分可以包括可以提供适合调查的光谱的至少一个组分。此外或替代地，该对象可以是或可以包括一个或多个生命体和/或其一个或多个部分，特别是人(例如用户)和/或动物的一个或多个身体部分。
根据本发明的光谱仪装置包括至少一个辐射发射元件，其可以以各种方式实现。至少一个辐射发射元件可以是壳体中的光谱仪装置的一部分。替代地或另外，至少一个辐射发射元件也可以布置在壳体之外，例如，作为独立的辐射发射元件。至少一个辐射发射元件可以与对象分开布置，并从远处照射对象。替代地或另外，至少一个辐射发射元件可以以从对象出射的辐射可以直接由至少一个辐射发射元件产生的方式连接到对象上或为对象的一部分。举例来说，至少一个辐射发射元件可以布置在对象上和/或对象中，并直接产生辐射。
至少一个辐射发射元件可被配置为在红外(IR)光谱范围内，优选在近红外(NIR)光谱范围内，尤其是760纳米至3微米的波长，优选1微米至3微米的波长提供足够的发射。至少一个辐射发射元件特别地可以被热辐射器，尤其是白炽灯或热红外发射器包含。如一般所使用的，术语“白炽灯”、“白炽灯泡”或“白炽灯球”是指具有由特别是玻璃或熔融石英的灯泡限制的体积的装置，其中线丝(具体包括钨)，作为辐射发射元件位于该体积中，该体积优选填充有惰性气体或包括真空，在那里它发射出要监测的光辐射。如本文进一步使用的，术语“热红外发射器”是指微机加工的热辐射装置，其包括作为发射要监测的光辐射的辐射发射元件的辐射发射表面。具体来说，热红外发射器可从Axetris AG,Schwarzenbergstrasse 10,CH-6056
Figure BDA0004113773890000061
Switzerland作为“emirs50”获得，从LASERCOMPONENTS GmbH,Werner-von-Siemens-Str.1582140Olching,Germany作为“热红外发射器”获得，或从Hawkeye Techno/>
Figure BDA0004113773890000062
logies,181Research Drive#8,Milford CT 06460,UnitedStates作为“红外发射器”获得。其他类型的热红外发射器也是可行的。
辐射发射元件，即，白炽灯的线丝或热红外发射器的辐射发射面，被指定为被电流冲击，方式为其加热导致发射相当数量的辐射。可能优选的是，由至少一个辐射发射元件发射的辐射可以表现出与至少一个光敏检测器的光谱敏感度密切相关的光谱范围，尤其是以确保由至少一个辐射发射元件照射的至少一个光敏检测器能够提供高强度的检测器信号的方式，从而使检测器信号的评估具有足够的信噪比，同时具有高的分辨率。
至少一个辐射发射元件可以是连续光源，或者替代地是脉冲光源，其中，脉冲光源的调制频率可以是至少1赫兹、至少5赫兹、至少10赫兹、至少50赫兹、至少100赫兹、至少500赫兹、至少1千赫兹，或者更多。为了驱动脉冲光源，可以使用调制装置，该调制装置可以被指定用于优选通过产生周期性调制来调制照射。如一般所使用的，术语“调制”是指照射的总功率被改变的过程，优选是周期性地改变，特别是以至少一个调制频率改变。特别是，周期性调制可以在照射总功率的最大值和最小值之间实现。最小值可以是0，但也可以是>0，以使得，举例来说，不一定要实现完全调制。优选地，调制可以在指定用于产生所需调制照射的光源内实现，优选地，通过至少一个辐射发射元件本身具有调制的强度和/或总功率，例如周期性调制的总功率，和/或通过至少一个辐射发射元件体现为脉冲光源，例如体现为脉冲激光器。作为进一步的示例，2019年12月3日提交的欧洲专利申请19 21 32 77.7公开了至少一个辐射发射元件，该至少一个辐射发射元件被指定用于在被电流加热时产生辐射；支架，其中，该支架承载该至少一个辐射发射元件，并且其中，该支架或其部分是可移动的；以及散热器，其中，该散热器被指定用于在被支架接触时冷却该支架和被支架承载的至少一个辐射发射元件。替代地或另外，也可以使用不同类型的调制装置，例如，基于电光效应和/或声光效应的调制装置。此外，还可以使用周期性的束中断装置，特别是束斩波器、中断刀片或中断轮，这些装置优选地以恒定的速度旋转以周期性地中断照射。在特定的实施例中，可以使用如下文更详细描述的至少一个光敏检测器，该至少一个光敏检测器被指定用于针对每个不同的调制频率产生至少一个检测器信号。在该实施例中，如下文更详细描述的评估单元可以被指定用于从针对每个不同调制频率的至少一个检测器信号生成光谱信息。
如本文所进一步使用的，术语“光谱”是指光学光谱范围、特别是红外(IR)光谱范围、优选是近红外(NIR)光谱范围、尤其是760纳米至3微米，优选是1微米至3微米的分区。光谱的每一部分都由光信号构成，该光信号由信号波长和相应的信号强度定义。此外，术语“光谱仪装置”是指这样的装置，该装置能够记录与光谱或其分区的相应波长、特别是波长区间有关的信号强度，其中，信号强度优选可以作为可用于进一步评估的至少一个检测器信号提供。如本文所进一步使用的，“光谱仪系统”是指这样的设备，该设备除了光谱仪装置外，还包括评估单元，该评估单元被指定用于通过评估由本文所公开的光谱仪装置提供的至少一个检测器信号来确定与对象的光谱有关的信息。
进一步根据本发明，光谱仪装置包括至少一个光敏检测器。如一般所使用的，术语“光敏检测器”是指这样的光学检测器，该光学检测器包括至少一个光敏区域，该至少一个光敏区域取决于对至少一个光敏区域的照射，被指定用于生成至少一个检测器信号，其中至少一个检测器信号特别地可以被提供给至少一个读出电路以用于测量和/或提供给外部评估单元以用于评估。由至少一个光敏检测器所包含的至少一个光敏区域优选是单个的、均匀的光敏区(photosensitive area)，其被配置用于接收入射到光敏区上的发射的光辐射。至少一个光敏检测器被指定用于生成检测器信号，优选光学或电子信号，这些信号与入射到至少一个光敏检测器上的发射光辐射的强度有关。检测器信号可以是模拟和/或数字信号。在特定的实施例中，至少一个光敏检测器可以是或包括有源传感器，该有源传感器适于在将电子信号例如提供给外部评估单元之前，将其放大。为此，至少一个光敏检测器可以包括一个或多个信号处理装置，特别是一个或多个滤波器和/或模拟数字转换器，以用于处理和/或预处理电子信号。
至少一个光敏检测器可以选自任何已知的光学传感器，特别是选自无机相机元件，优选选自无机相机芯片，更优选选自CCD芯片或CMOS芯片，其通常用于现在的各种相机。作为替代方案，至少一个光敏检测器，特别是至少一个光敏区域，可以包括光导材料，特别是无机光导材料，尤其是选自硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、锗(Ge)、砷化镓铟(InGaAs，包括但不限于Ext.InGaAs)、锑化铟(InSb)、或碲化镉汞(HgCdTe或MCT)。如一般所使用的，术语“ext.InGaAs”是指表现出达2.6微米的光谱响应的特定类型的InGaAs。然而，其他种类的光导材料也是可行的。
作为进一步的替代方案，至少一个光敏检测器可以是或包括热释电检测器元件、辐射热检测器元件或热电堆检测器元件。作为进一步的替代方案，至少一个光敏检测器可以是或包括FIP传感器元件，该FIP传感器元件例如在WO 2012/110924 A1、WO 2014/097181A1或WO 2016/120392A1中公开。术语“FIP传感器”是指这样的传感器，其中，给定相同的照射总功率，传感器信号取决于至少一个光敏区域的照射的几何形状，特别是取决于对至少一个光敏区域的照射的束横截面。优选地，FIP传感器的光敏区域可以包括光导材料，尤其是选自上面公开的光导材料，或固体染料敏化太阳能电池(sDSC)。
进一步根据本发明，光谱仪装置包括至少一个读出电路，其中至少一个读出电路被配置用于测量如由至少一个光敏检测器生成的至少一个检测器信号。如一般所使用的，术语“测量”是指记录与至少一个检测器信号有关的至少一个属性，特别是至少一个检测器信号的强度、电流、电压、电阻、热、频率、电功率或偏振中的至少一者，或至少一个检测器信号被记录的时间。然而，记录进一步的属性，无论是否与至少一个检测器信号相关，也是可行的。
举例而言，可以测量检测器的颜色、机械膨胀或温度。作为进一步的示例，通过使用光气检测器，可以测量压力或气体流量。由光谱仪装置所包含的至少一个读出电路所测量的至少一个检测器信号随后可以转发到外部评估单元，特别是转发到可以由如下文更详细地描述的相应光谱仪系统所包含的评估单元。
进一步根据本发明，光谱仪装置包括至少一个控制电路，该至少一个控制电路被配置用于调整至少一个辐射发射元件或至少一个光敏检测器中至少一者的温度。一般来说，至少一个辐射发射元件和/或至少一个光敏检测器以如下方式操作：它们各自的输出，即在至少一个辐射发射元件的情况下，发射的光辐射光谱，或者在至少一个光敏检测器的情况下，至少一个检测器的信号，分别取决于辐射发射元件或至少一个光敏检测器的温度。至少一个辐射发射元件可以在给定的光谱带中发射辐射，而波长间隔和光谱的形状，特别是峰值波长，可取决于至少一个辐射发射元件的至少一个参数。
在特别优选的实施例中，由热辐射器(特别是白炽灯)包含的辐射发射元件可以辐射宽带光谱，而根据维恩(Wien)位移定律，发射光谱的峰值波长可能与热辐射器的温度成反比。通过增加施加于白炽灯的功率，白炽灯的温度升高，因此，根据维恩位移定律，发射光谱的峰值波长会降低。另一个示例涉及等离子体辐射器，特别是高压等离子体灯，而其宽带连续辐射的峰值波长可以通过改变施加到等离子体辐射器的等离子体电流来调整。使用至少一个控制电路，至少一个辐射发射元件的温度可以连续调整，而至少一个光敏检测器的温度可以优选保持恒定，由此可以得到至少一个辐射发射元件的光谱响应的改变，这可以用于扫描被调查材料的光谱的特定波长区域。
以类似的方式，可以应用至少一个光敏检测器的光谱响应的温度依赖性。已知的光导材料，特别是PbS、PbSe、Ge、InGaAs、InSb或HgCdTe，具有表现出负的温度系数的能隙。通过冷却光导材料，其光谱响应，以及特别是相应的峰值波长会偏移到更长的波长。使用至少一个控制电路，可以调整至少一个光敏检测器的温度，这导致至少一个光敏检测器的光谱响应的改变。因此，可行的是，通过控制至少一个光敏检测器的温度，同时保持至少一个辐射发射元件的温度恒定，来扫描特定的波长区域。
在一个特定的实施例中，辐射发射元件的光谱可以以分析方式描述为其温度的函数。众所周知，至少一个辐射发射元件的光谱，特别是热辐射器的光谱，具体是白炽灯的光谱，可以通过在已知温度的情况下应用普朗克定律来确定。举例来说，至少一个辐射发射元件的温度，特别是热辐射器的温度，具体是白炽灯的温度，可以通过以下中的至少一种方式监测：
-测量被至少一个辐射发射元件吸收的功率；
-测量流经至少一个辐射发射元件的电压和/或电流；
-测量至少一个辐射发射元件的内部电阻；
-测量至少一个辐射发射元件操作的时间；或
-使用非接触式温度传感器，优选是高温计、辐射热计或热电堆中的至少一种。
在至少一个辐射发射元件，特别是热辐射器，具体是白炽灯中，至少一个辐射发射元件的温度可以通过向至少一个辐射发射元件施加至少一个参数，特别是至少一个电参数，优选是电压和/或电流来调整。根据维恩位移定律，至少一个辐射发射元件的发射光谱的峰值波长会偏移。以这种方式，是或包括宽带热辐射器(具体是白炽灯)至少一个辐射发射元件可以用作可调谐的波长扫描仪。
在进一步的实施例中，可以另外或替代地执行校准步骤，特别是对于辐射发射元件，其光谱不能以分析方式描述为其温度的函数。为了执行校准步骤，辐射发射元件的光谱可以被测量并以与辐射发射元件相关的至少一个参数(特别是至少一个电参数)的函数形式存储为参考。查找表可用于存储辐射发射元件的温度与应用于至少一个辐射发射元件的至少一个参数，特别是至少一个电参数之间的关系。举例来说，当光谱仪装置测量等离子体辐射器的发射光谱时，通过等离子体辐射器，特别是高压等离子体灯的等离子体电流可以改变，此后选定的参数可以优选以查找表的形式作为校准文件存储，以供等离子体辐射器进一步参考。
如上所述，至少一个控制电路被配置用于调整至少一个辐射发射元件和/或至少一个光敏检测器的温度，其中调整至少一个辐射发射元件的温度同时保持至少一个光敏检测器的温度是特别优选的。为此，至少一个控制电路可以包括电流源、电压源、功率源或脉冲源中的至少一者，它们分别被指定用于产生施加于至少一个辐射发射元件和/或(如果需要)施加于至少一个光敏检测器的电流、电压或可调整的耗散功率。此外，至少一个控制电路可进一步包括电流放大器、电流分界器、电压放大器或电压分界器中的至少一者。其他或进一步的部件也是可能的。
由至少一个辐射发射元件产生的辐射，优选能以可以发生漫反射的方式引导到对象。由对象的反射辐射产生的漫反射光谱携带由该对象或其至少表面部分所包含的材料的光谱指纹。随后，反射的辐射被至少一个光敏检测器收集。由于光谱仪装置和光敏检测器都不包括色散元件，由光敏检测器产生的至少一个检测器信号取决于
-至少一个辐射发射元件的发射光谱。
-整个漫反射光谱的光谱积分；以及
-至少一个光敏检测器的光谱敏感性光谱。
特别是，至少一个光敏检测器的光谱敏感度优选可以被至少一个辐射发射元件的光谱范围所覆盖。
对于至少一个辐射发射元件的每个温度，其可以对应于施加在白炽灯上的电流和/或电压，或对应于等离子体辐射器中的等离子体电流，其对应于光谱中的峰值波长，检测器信号由至少一个光敏检测器测量。不希望受到理论的约束，这种程序可以用方程(1)分析描述如下：
Figure BDA0004113773890000121
其中
Figure BDA0004113773890000122
是第m个温度Tm下发射光谱的第n个波长分量。此外，RλN是反射光谱的第n个波长分量，而STm是第m个温度Tm下的检测器信号。
如果已知至少一个辐射发射元件的温度，那么该温度下的发射光谱可以用普朗克定律来计算。此外，至少一个检测器信号被测量。因此，线性方程(2)
E·R＝S (2)
可以根据方程(3)来解决
R＝E-1·S. (3)
因此，对象的吸收光谱R可以通过仅使用作为辐射发射元件的单个白炽灯和单个光敏检测器来确定，而不需要采用任何其他光学组件。
类似的方法也可以应用于透射测量。替代使用对象的吸收光谱R，通过测量从至少一个辐射发射元件穿过对象到光敏检测器的透射辐射来确定对象的吸收光谱A。
由于热辐射器具有宽带发射光谱，以这种方式确定的吸收光谱的分辨率相对较低，尤其是在与色散光谱仪相比的情况下。在特定的实施例中，吸收光谱的分辨率可以通过使用具有至少两个光敏区域，优选两个、三个、四个、五个、六个、七个或八个光敏区域的光敏检测器来提高，或者，替代地或另外，通过使用至少两个单独的光敏检测器，优选两个、三个、四个、五个、六个、七个或八个光敏检测器来提高。一般来说，光敏检测器和/或光敏区域的数量可以增加，直到达到所需的分辨率，然而，代价是增加特定光谱仪装置的复杂性和费用，使得最多四个、六个或八个光敏检测器或光敏区域可能是特别优选的。至少两个光敏检测器或至少两个光敏区域可以不同，但优选相同，从而有利于至少一个光敏检测器的提供和读取。
包括至少一个光敏区域的至少一个光敏检测器可以配备有至少一个光通滤波器，具体选自光短通滤波器、光长通滤波器或光带通滤波器中的至少一者。在包括至少两个光敏检测器和/或至少两个光敏区域的特别优选的实施例中，每个光敏检测器和/或每个光敏区域可以配备有不同的光通滤波器，从而被配置为对吸收光谱的不同部分进行采样。举例来说，第一光通滤波器可以放在第一光敏区域的前面，而第二光通滤波器可以放在第二光敏区域的前面，其中第一光通滤波器被指定用于透射具有第一波长范围的波长的辐射，而第二光通滤波器被指定用于透射具有第二波长范围的波长的辐射，以使得第一光敏区域被配置为对吸收光谱的第一部分进行采样，而第二光敏区域被配置为对吸收光谱的第二部分进行采样，其中，第一波长范围和第二波长范围彼此不同，但优选包括相邻的波长范围，以使得可以对单个组合的吸收光谱进行采样。下面呈现进一步的示例，特别是四个不同的光通滤波器被布置在四个光敏区域前面的示例，这些光敏区域优选是相同的。由每个光敏区域记录的吸收光谱的不同部分可以被组合起来，以便在更大的波长范围内获得对象的所需吸收光谱。
在本发明的另一方面，公开了一种光谱仪系统。因此，该光谱仪系统包括
-如上文和/或下文更详细描述的光谱仪装置；以及
-评估单元，其被指定用于通过评估由光谱仪装置提供的至少一个检测器信号来确定与对象的光谱有关的信息。
上面列出的光谱仪系统的组件可以是单独的组件。替代地，光谱仪系统的两个或更多个组件可以集成到单个集成组件中。此外，评估单元可以形成为独立于光谱仪装置的单独单元，但优选地与至少一个读出电路连接，特别是以接收由光谱仪装置包含的至少一个读出电路测量的至少一个检测器信号。替代地，至少一个评估单元可以完全或部分地集成到至少一个光谱仪装置中。
根据本发明，光谱仪系统包括光谱仪装置和评估单元。关于光谱仪装置，可以参考本文件其他部分的描述。术语“评估单元”是指被指定用于确定光谱信息，即，与对象的光谱有关的信息，的装置，该对象的光谱已经特别地通过使用本文所述的光谱仪装置记录，其中信息通过评估由至少一个读出电路提供的至少一个检测器信号获得，该至少一个读出电路被配置用于测量由至少一个光敏检测器产生的至少一个检测器信号。评估单元可以是或可以包括一个或多个集成电路，特别是专用集成电路(ASIC)和/或数据处理装置中的至少一者，特别是数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、微控制器、微机或计算机中的至少一者。替代地或另外，评估单元特别地可以是至少一个电子通信单元或由至少一个电子通信单元包含，至少一个电子通信单元具体是智能手机或平板电脑。附加组件也是可行的，特别是一个或多个预处理装置和/或数据采集装置，特别是用于接收和/或预处理检测器信号的一个或多个装置，特别是一个或多个AD转换器和/或一个或多个滤波器。此外，评估单元可以包括一个或多个数据存储装置，特别是用于存储至少一个电子表，特别是至少一个查找表。此外，评估单元可包括一个或多个接口，特别是一个或多个无线接口和/或一个或多个有线接口。
优选地，评估单元可以被配置为执行至少一个计算机程序，特别是执行或支持生成至少一项光谱信息的步骤的至少一个计算机程序。举例来说，可以实施一种或多种算法，该一种或多种算法通过使用至少一个检测器信号作为至少一个输入变量，可以执行到光谱信息的转换。为此，评估单元特别地可以包括至少一个数据处理装置，特别是电子数据处理装置，其可以被设计成通过评估至少一个检测器信号来生成至少一项信息。因此，评估单元被设计为使用至少一个检测器信号作为至少一个输入变量，并通过处理至少一个输入变量生成光谱信息。处理可以并行、顺序地或甚至以组合的方式进行。评估单元可以使用任意过程来生成至少一项光谱信息，特别是通过计算和/或使用至少一个存储和/或已知的关系。
除了至少一个检测器信号外，一个或多个进一步的参数和/或信息项可能影响所述关系，例如，关于对象、至少一个辐射发射元件和由光谱仪装置包含的至少一个光敏检测器的至少一项信息。该关系可以通过经验、分析或半经验的方式确定。优选地，该关系可以包括至少一条校准曲线、至少一组校准曲线、至少一个函数或上述可能性的组合。一条或多条校准曲线可以例如以一组数值及其相关函数值的形式存储，例如存储在数据存储装置和/或表中。然而，替代地或附加地，至少一条校准曲线也可以例如以参数化的形式存储和/或存储为函数方程。可以使用用于将检测器信号处理成至少一项信息的单独的关系。替代地，用于处理至少一个检测器信号的至少一个组合关系是可行的。各种可能性都是可以设想的，也可以被组合。
评估单元也可以被设计成完全或部分地控制或驱动光谱仪装置或其一部分，特别是通过评估单元被设计成控制至少一个辐射发射元件、至少一个光敏检测器、至少一个控制电路或至少一个读出电路中的至少一者。特别是，评估单元可以被设计成执行至少一个测量周期，在该至少一个测量周期中采集多个检测器信号，尤其是，通过驱动至少一个控制电路对至少一个辐射发射元件或至少一个光敏检测器中的至少一者的温度进行连续调整的检测器信号。在本文中，获取检测器信号可以按顺序进行，特别是通过使用时间扫描。
由评估单元确定的信息特别地可以以电子、视觉或声学方式中的至少一种方式提供给进一步的设备或用户中的至少一者。此外，信息可以存储在至少一个数据存储装置中，其中至少一个数据存储装置可以由光谱仪系统包含，特别是由至少一个评估单元包含，或者其中至少一个数据存储装置可以是独立的存储装置，其中信息可以通过至少一个接口，特别是无线接口和/或有线接口传输。
在本发明的进一步方面，公开了一种测量光辐射的方法。本文公开的方法包括以下步骤a)至d)，这些步骤优选按如下顺序进行，从步骤a)开始，继续进行步骤c)，然后是步骤b)，最后是步骤d)，其中一些步骤可以至少部分地同时进行。此外，还可以执行本文未列出的附加步骤。根据本发明的用于测量光辐射的方法包括以下步骤：
a)使用至少一个辐射发射元件发射光辐射，其中，发射的光辐射的光谱取决于辐射发射元件的温度；
b)使用至少一个光敏检测器产生至少一个检测器信号，其中至少一个光敏检测器具有被指定用于接收发射的光辐射的至少一个光敏区域，其中至少一个检测器信号取决于至少一个光敏区域的照射和至少一个光敏检测器的温度；
c)在已知温度的情况下通过使用普朗克定律，确定由至少一个辐射发射元件发射的光辐射的光谱，并通过向至少一个辐射发射元件或至少一个光敏检测器中的至少一者施加至少一个控制信号来调整至少一个辐射发射元件或至少一个光敏检测器中的至少一者的温度；
d)测量由至少一个光敏检测器产生的至少一个检测器信号。
根据步骤a)，通过使用至少一个辐射发射元件，特别是上面或下面更详细描述的辐射发射元件来发射光辐射，其中发射的光辐射的光谱取决于辐射发射元件的温度。
根据步骤b)，通过使用至少一个光敏检测器，特别是上面或下面详细描述的光敏检测器，产生至少一个检测器信号，其中至少一个光敏检测器有至少一个光敏区域，该至少一个光敏区域被指定用于接收发射的光辐射，并且其中至少一个检测器信号取决于至少一个光敏区域的照射和至少一个光敏检测器的温度。
根据步骤c)，在已知温度的情况下通过使用普朗克定律，确定由至少一个辐射发射元件发射的光辐射的光谱，以及通过将至少一个控制信号施加到至少一个辐射发射元件和至少一个光敏检测器中的至少一者来调整以下中的至少一者的温度
-至少一个辐射发射元件，和/或
-至少一个光敏检测器。
优选地，该至少一个控制信号可由上文或下文更详细地描述的至少一个控制电路提供。优选地，步骤c)包括通过向至少一个辐射发射元件或至少一个光敏检测器提供至少一个控制信号来调整至少一个辐射发射元件或至少一个光敏检测器的温度。
根据步骤d)，由至少一个光敏检测器产生的至少一个检测器信号被测量，特别是通过使用上文或下文更详细描述的至少一个读出电路。
在可选的评估步骤中，如上文或下文更详细描述的，可以通过使用评估单元来确定与对象的光谱有关的所需光谱信息，其中，评估特别地可以基于至少一个检测器信号，特别是由至少一个读出电路测量并随后提供给评估单元的至少一个检测器信号。
在进一步的方面，本发明涉及计算机程序产品，其包括可执行指令，当该程序由计算机执行时，该可执行指令使计算机执行本文其他地方所描述的用于测量光辐射的方法的步骤。包括可执行指令的计算机程序产品优选可以完全或部分地集成到评估单元中，特别是集成到电子通信单元中，具体是智能手机或平板电脑，或光谱仪装置中，特别是至少一个控制电路。计算机程序产品可以使用已经由光谱仪装置或评估单元(特别是电子通信单元，具体是智能手机或平板电脑)包含的至少一个数据处理装置来执行该方法。举例来说，该方法可以作为电子通信单元上的应用(也可以用术语“app”来表示)来执行。替代地，计算机程序产品可以通过使用光谱仪系统已经包含的至少一个控制电路来执行该方法。此外，也可以设想更多种类的电子装置。
在本发明的进一步方面，公开了一种根据本发明的光谱仪装置和光谱仪系统的用途。其中，提出了光谱仪装置和光谱仪系统的用于确定与对象的光谱有关的信息的目的的用途。在本文中，光谱仪装置和光谱仪系统优选可以用于使用目的，选自：红外检测应用；光谱学应用；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；混合或搅拌过程监测；化学过程监测应用；食品加工过程监测应用；食品制备过程监测；水质监测应用；空气质量监测应用；质量控制应用；温度控制应用；运动控制应用；排气控制应用；气体感测应用；气体分析应用；运动感测应用；化学感测应用；移动应用；医疗应用；移动光谱学应用；食品分析应用；农业应用，特别是土壤、青贮、饲料、作物或产品的特征，以监测植物健康；塑料识别和/或回收应用。进一步的应用是可行的。
关于根据本发明的光谱仪系统、用于测量光辐射的方法、计算机程序产品以及光谱仪系统的光谱仪装置的各自用途的进一步细节，可以参考本文其他地方提供的用于测量光辐射的光谱仪装置的描述。
与现有技术相比，上述用于测量光辐射的光谱仪装置和方法以及包括该光谱仪装置的光谱仪系统具有相当的优势。根据本发明的光谱仪装置可以被认为是“混合光谱仪”，其利用了两种方法的优点，即所述的“扫描光谱仪”和所述的“色散光谱仪”，两者都如上所述，从而避免了它们各自的缺点。与扫描系统和色散光谱仪相比，混合光谱仪通过包括减少的所需部件的数量和表现出小型化的机械装置而构成了简化的光谱仪系统。
综上所述，在本发明的背景下，以下实施例被认为是特别优选的。
实施例1：一种用于测量光辐射的光谱仪装置，包括：
-至少一个辐射发射元件，其中，所述至少一个辐射发射元件被设计用于发射光辐射，其中，发射的光辐射的光谱取决于所述辐射发射元件的温度；
-至少一个光敏检测器，其中，所述至少一个光敏检测器具有被指定用于接收发射的光辐射的至少一个光敏区域，其中，由所述至少一个光敏检测器产生的至少一个检测器信号取决于所述至少一个光敏区域的照射和所述至少一个光敏检测器的温度；
-至少一个控制电路，其中，所述至少一个控制电路被配置用于通过将至少一个控制信号施加给所述至少一个辐射发射元件或所述至少一个光敏检测器中的至少一者来调整所述至少一个辐射发射元件或所述至少一个光敏检测器中的至少一者的温度；
-至少一个读出电路，其中，所述至少一个读出电路被配置用于测量由所述至少一个光敏检测器产生的所述至少一个检测器信号。
实施例2：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中，所述至少一个控制电路被配置用于通过向所述至少一个辐射发射元件或所述至少一个光敏检测器分别提供至少一个控制信号来调整所述至少一个辐射发射元件或所述至少一个光敏检测器的温度。
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，发射的光辐射的峰值波长是温度的函数。
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，发射的光辐射的峰值波长是根据维恩位移定律的温度的函数。
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，所述至少一个辐射发射元件的温度是施加到所述至少一个辐射发射元件的所述至少一个控制信号的函数。
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，所述辐射发射元件的光谱以分析方式描述为其温度的函数。
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，所述至少一个控制电路被配置用于通过在已知温度的情况下使用普朗克定律来确定由所述至少一个辐射发射元件发射的所述光辐射的光谱。
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，所述至少一个控制电路被配置用于通过以下中的至少一者来监测白炽灯的温度：
-测量被所述至少一个辐射发射元件吸收的功率；
-测量流经所述至少一个辐射发射元件的电压和/或电流；
-测量所述至少一个辐射发射元件的内部电阻；
-测量所述至少一个辐射发射元件的操作时间；或
-使用非接触式温度传感器，优选是高温计、辐射热计或热电堆中的至少一种。
实施例9：根据前述实施例中的任一项所述的光谱仪装置，其中，所述至少一个控制电路被配置用于通过向所述至少一个辐射发射元件施加至少一个参数来调整所述至少一个辐射发射元件的温度。
实施例10：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中，所述至少一个参数是至少一个电参数。
实施例11：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中，所述至少一个电参数选自电压或电流中的至少一者。
实施例12：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中，所述至少一个辐射发射元件是或包括至少一个热辐射器。
实施例13：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中，所述至少一个热辐射器是或包括白炽灯或热红外发射器。
实施例14：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中，至少一个控制电路被配置用于执行校准步骤。
实施例15：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中，所述至少一个控制电路被配置用于针对其光谱不能以分析方式描述为其温度的函数的辐射发射元件执行校准步骤。
实施例16：根据前两个实施例中的任一项所述的光谱仪装置，其中，所述至少一个控制电路被配置用于通过测量所述辐射发射元件的光谱并以与所述辐射发射元件相关的至少一个参数，特别是至少一个电参数的函数形式存储为参考来执行校准步骤。
实施例17：根据前述三个实施例中的任一项所述的光谱仪装置，其中，所述至少一个控制电路被配置用于通过使用查找表来执行校准步骤，所述查找表用于存储所述辐射发射元件的温度与施加给所述至少一个辐射发射元件的至少一个参数，特别是至少一个电参数之间的关系。
实施例18：根据前述四个实施例中的任一项所述的光谱仪装置，其中，所述至少一个控制电路被配置用于通过在所述光谱仪装置测量等离子体辐射器的发射光谱时改变通过等离子体辐射器、特别是高压等离子体灯的等离子体电流来执行校准步骤。
实施例19：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中，所述至少一个控制电路被配置用于将选定的参数存储为校准文件，优选以查找表的形式，以供进一步参考。
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，所述至少一个光敏检测器选自已知的光学传感器，特别是选自无机相机元件，优选选自无机相机芯片，更优选选自CCD芯片或CMOS芯片。
实施例21：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中，所述至少一个光敏检测器，特别是至少一个光敏区域，包括至少一种光导材料。
实施例22：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中，所述至少一种光导材料选自PbS、PbSe、Ge、InGaAs、InSb或HgCdTe中的至少一者。
实施例23：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中，所述至少一个光敏检测器是或包括热释电检测器元件、辐射热检测器元件或热电堆检测器元件。
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，所述至少一个光敏检测器是或包括FIP传感器元件。
实施例25：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中，所述FIP传感器元件包括选自PbS、PbSe、Ge、InGaAs、InSb或HgCdTe中至少一者的至少一种光导材料。
实施例26：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中，所述至少一个光通滤波器放置在所述至少一个光敏检测器前面的辐射路径中。
实施例27：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中，至少一个光通滤波器选自光短通滤波器、光长通滤波器或光带通滤波器中的至少一者。
实施例28：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两个至八个光敏检测器。
实施例29：根据前一实施例所述的光谱仪装置，包括两个、三个、四个、五个、六个、七个或八个光敏检测器。
实施例30：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中，不同的光通滤波器放置在每个光敏检测器前面的辐射路径中。
实施例31：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中，所述至少一个光敏检测器包括至少两个至八个光敏区域。
实施例32：根据前一实施例所述的光谱仪装置，包括两个、三个、四个、五个、六个、七个或八个光敏区域。
实施例33：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中，不同的光通滤波器放置在每个光敏区域前面的辐射路径上。
实施例34：根据前述四个实施例中的任一项所述的光谱仪装置，其中，所述不同的光通滤波器以通过光辐射的波长范围而不同。
实施例35：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中，所述至少一个检测器信号取决于
-所述至少一个辐射发射元件的发射光谱；
-整个漫反射光谱的光谱积分；以及
-所述至少一个光敏检测器的光谱敏感度谱。
实施例36：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中，所述至少一个光敏检测器的光谱敏感度由所述至少一个辐射发射元件的光谱范围覆盖。
实施例37：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中，发射的光辐射包括760纳米至1000微米(红外光谱范围)的波长。
实施例38：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中，发射的光辐射包括760纳米至3微米(近红外光谱范围)的波长。
实施例39：根据前一实施例所述的光谱仪装置，其中，发射的光辐射包括1微米至3微米的波长。
实施例40：根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置，其中，所述至少一个读出电路被配置用于执行电流测量或电压测量中的至少一种。
实施例41：一种光谱仪系统，包括
-根据前述实施例中任一项所述的光谱仪装置；以及
-评估单元，其被指定用于通过评估由所述光谱仪装置提供的至少一个检测器信号来确定与对象的光谱有关的信息。
实施例42：根据前一实施例所述的光谱仪系统，其中，评估单元是至少一个电子通信单元或由至少一个电子通信单元包含。
实施例43：根据前一实施例所述的光谱仪系统，其中，所述至少一个电子通信单元选自智能手机或平板电脑。
实施例44：根据涉及光谱仪系统的前述实施例中任一项所述的光谱仪系统，其中，所述评估单元被进一步设计为完全或部分地控制或驱动所述光谱仪装置或其一部分。
实施例45：根据涉及光谱仪系统的前述实施例中任一项所述的光谱仪系统，其中，所述评估单元进一步被配置用于控制所述至少一个辐射发射元件、所述至少一个光敏检测器、所述至少一个控制电路或所述至少一个读出电路中的至少一者。
实施例46：根据涉及光谱仪系统的前述实施例中任一项所述的光谱仪系统，其中，由所述评估单元确定的信息以电子、视觉或声学方式中的至少一种提供给进一步的设备或用户中的至少一者。
实施例47：根据涉及光谱仪系统的前述实施例中任一项所述的光谱仪系统，其中，由所述评估单元确定的信息被存储在至少一个数据存储装置中。
实施例48：根据前一实施例所述的光谱仪系统，其中，所述至少一个数据存储装置由所述光谱仪系统，特别是由所述至少一个评估单元包含。
实施例49：根据前述两个实施例中任一项的光谱仪系统，其中，所述至少一个数据存储装置是独立的存储装置。
实施例50：根据前一实施例所述的光谱仪系统，其中，所述独立的存储装置由所述至少一个电子通信单元包含。
实施例51：根据前述两个实施例所述的光谱仪系统，其中，所述信息通过至少一个接口，特别是无线接口和/或有线接口发送到所述独立的存储装置。
实施例52：一种用于测量光辐射的方法，所述方法包括以下步骤：
a)使用至少一个辐射发射元件发射光辐射，其中，发射的光辐射的光谱取决于所述辐射发射元件的温度；
b)使用至少一个光敏检测器产生至少一个检测器信号，其中，所述至少一个光敏检测器具有被指定用于接收发射的光辐射的至少一个光敏区域，其中，所述至少一个检测器信号取决于所述至少一个光敏区域的照射和所述至少一个光敏检测器的温度；
c)通过向所述至少一个辐射发射元件或所述至少一个光敏检测器中的至少一者施加至少一个控制信号来调整所述至少一个辐射发射元件或所述至少一个光敏检测器中的至少一者的温度；
d)测量由所述至少一个光敏检测器产生的所述至少一个检测器信号。
实施例53：根据前一实施例所述的方法，其中，通过向所述至少一个辐射发射元件或所述至少一个光敏检测器分别提供所述至少一个控制信号来调整所述至少一个辐射发射元件或所述至少一个光敏检测器的温度。
实施例54：根据涉及方法的前述实施例中任一项所述的方法，其中，通过调整所述至少一个辐射发射元件的温度，使发射的光辐射的峰值波长发生偏移。
实施例55：根据前一实施例所述的方法，其中，作为所述至少一个辐射发射元件的温度的函数的所述峰值波长是通过分析的方式已知的或通过应用校准过程确定的。
实施例56：根据涉及方法的前述实施例中任一项所述的方法，其中，发射的光辐射通过被对象反射或透射通过对象的至少一种到达所述至少一个光敏检测器。
实施例57：根据涉及方法的前述实施例中任一项所述的方法，其中，通过使用评估单元确定与所述对象的光谱有关的光谱信息。
实施例58：根据前一实施例所述的方法，其中，所述评估是基于由所述至少一个读出电路测量并随后提供给评估单元的所述至少一个检测器信号。
实施例59：一种计算机程序产品，包括指令，当程序由计算机执行时，所述指令使计算机执行用于测量光辐射的方法的步骤。
实施例60：一种根据涉及光谱仪装置或光谱仪系统的前述实施例中任一项的光谱仪装置的用途，出于使用目的，选自：红外检测应用；光谱学应用；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；混合或搅拌过程监测；化学过程监测应用；食品加工过程监测应用；食品制备过程监测；水质监测应用；空气质量监测应用；质量控制应用；温度控制应用；运动控制应用；排气控制应用；气体感测应用；气体分析应用；运动感测应用；化学感测应用；移动应用；医疗应用；移动光谱学应用；食品分析应用；农业应用，特别是土壤、青贮、饲料、作物或产品的特征，以监测植物健康；塑料识别和/或回收应用。
附图说明
从以下结合从属权利要求对优选的示例性实施例的描述，本发明的进一步可选细节和特征将变得明显。在该上下文中，特定特征可以单独或者与特征组合实现。本发明不限于示例性实施例。在图中示意性地示出了示例性实施例。各个图中相同的参考标号指代相同的元件或具有相同功能的元件，或者在其功能方面彼此对应的元件。
具体地，在图中：
图1示出了包括根据本发明的光谱仪装置的光谱仪系统的示例性实施例的示意图，其中，单个光敏检测器分别包括单个光敏区域(图1A)、两个单独的光敏区域(图1B)和四个单独的光敏区域(图1C)；
图2示出根据本发明的用于测量光辐射的方法的示例性实施例的示意图；
图3示出油菜籽的示例性反射光谱(现有技术)；
图4示出针对不同温度的白炽灯的发射光谱(现有技术)；
图5示出针对白炽灯的不同温度的由光敏检测器产生的检测器信号的进程(course)；
图6示出使用单个光敏检测器获得的油菜籽的计算和测量的反射光谱的比较；
图7示出使用两个单独的光敏检测器获得的油菜籽的计算和测量的反射光谱的进一步比较；以及
图8示出使用四个单独的光敏检测器获得的油菜籽的计算和测量的反射光谱的进一步比较。
具体实施方式
图1以高度示意的方式示出了光谱仪系统110的示例性实施例，该光谱仪系统110包括根据本发明的光谱仪装置112。如一般所使用的，光谱仪装置112是一种设备，该设备能够记录发射的光辐射114的相对于发射的光辐射114的在被表示为光谱的波长范围内的相应波长或波长区间的信号强度。根据本发明，光谱仪装置112可以尤其适于记录红外(IR)光谱区域内、优选是近红外(NIR)内的光谱，尤其是，其中，入射光的波长可以是760纳米至3微米，优选1微米至3微米，因此，可以用于调查或监测目的，特别是在红外(IR)光谱区域内，尤其是在近红外(NIR)光谱区域内，以及用于热量、火焰、火灾或烟的检测。然而，进一步的应用也可能是可行的。
图1中示意性地描述的示例性光谱仪装置112包括辐射发射元件116，该辐射发射元件116被设计用于发射光辐射114。特别地，辐射发射元件116可以由热辐射器118、具体是白炽灯或热红外发射器包含。在本文中，白炽灯具有由特别是玻璃或熔融石英的灯泡限制的体积，其中线丝，具体是包括钨的线丝，作为辐射发射元件116位于该体积中，该体积优选填充有惰性气体或包括真空。替代地，热红外发射器是微机加工的热发射装置，其包括作为辐射发射元件116的辐射发射面。关于这方面的进一步细节，可以参考上面的描述。其他类型的热红外发射器也可能是可行的。
辐射发射元件116可以连续发射，或者，替代地产生调制的光脉冲。优选地，调制可以在本身具有调制强度和/或总功率(例如周期性调制的总功率)的辐射发射元件116内实现，和/或通过辐射发射元件116被体现为脉冲光源(例如体现为脉冲激光器)来实现。对于进一步的示例，可以参考2019年12月3日提交的欧洲专利申请19 21 32 77.7，该申请公开了承载辐射发射元件116的支架，其中，该支架或其一部分是可移动的，以及散热器，其中，该散热器被指定用于在被支架接触时冷却该支架和辐射发射元件116。还可以使用另一种类型的调制装置，例如，基于电光效应和/或声光效应的调制装置。此外，优选以恒定的速度旋转以周期性地中断照射的周期性束中断装置，特别是束斩波器、中断刀片或中断轮，对于产生调制也是可行的。
发射的光辐射114的光谱取决于辐射发射元件116的温度。在特别优选的实施例中，辐射发射元件116可以辐射出宽带光谱，而根据维恩位移定律，发射光谱的峰值波长可以与包括辐射发射元件116的热辐射器118的温度成反比。通过增加施加在白炽灯上的功率，白炽灯的温度被提高，因此，根据维恩位移定律，发射光谱的峰值波长被降低。作为替代方案，也可以使用等离子体辐射器，特别是高压等离子体灯，而其宽带连续辐射的峰值波长可以通过改变施加于等离子体辐射器的等离子体电流来调整。作为特定的示例，可以参考图4，图4示出了对于不同温度的白炽灯的发射光谱。
此外，如图1中示意性地描绘的示例性光谱仪装置112包括光敏检测器120。如图1A示意性示出的，光敏检测器120具有单个的光敏区域122，其被指定用于在发射的光辐射114已经被能够吸收发射的光辐射114的一部分的对象124改变后接收发射的光辐射，其中，该对象124通常可以包括被光谱仪系统110调查的材料。在本文中，对象124对发射的光辐射114的吸收可以通过记录对象124对发射的光辐射114的反射部分或通过记录发射的光辐射114通过对象124的透射部分来测量。最常见的是，对于液体和气体，可以测量发射的光辐射114的透射部分，而对于固体，可以采用发射的光辐射114的反射部分。
然而，光敏检测器120可以包括一个以上的光敏区域122，特别是两个、三个、四个、五个、六个、七个或八个光敏区域122，特别是如图1B中示意性示出的两个光敏区域122、122'，或如图1C中示意性示出的四个光敏区域122、122'、122”、122”。替代地或另外，光谱仪装置112可以包括一个以上的光敏检测器120(这里没有描绘)，特别是两个、三个、四个、五个、六个、七个或八个光敏检测器120。如下面更详细描述的，图6中呈现的结果是通过使用单个光敏区域122获得的，而图7和8中呈现的结果是分别通过使用两个单独的光敏区域122、122'或四个单独的光敏区域122、122'、122”、122”获得的。通过比较下面图6、图7和图8所示的结果，明显的是，以这种方式，吸收光谱的分辨率可以提高。一般来说，光敏检测器120和/或光敏区域122的数量可以增加，直到达到所需的分辨率，然而，代价是光谱仪装置112的复杂性和费用增加。
在可以使用两个或更多的光敏检测器120或两个或更多的光敏区域122、122'、122”、122”的特定实施例中，不同的光通滤波器125、125'、125”、125”可以放置在每个光敏检测器120的前面，优选以每个光敏检测器120和/或每个光敏区域122、122'、122”、122”可以以如上面或下面更详细地描述的方式配备不同的光通滤波器125、125'、125”、125”的方式放置，不同的光通滤波器125、125'、125”、125”可以具体从光短通滤波器、光长通滤波器和/或光带通滤波器中选择。
在图1中示意性示出的特定实施例中，光谱仪装置112可以包括壳体126，其中，壳体126可以被配置为使得可以记录发射的光辐射114从对象124的反射部分。然而，壳体126的进一步实施例也是可行的，特别是壳体126可以包括进一步的部件，特别是包括由光谱仪系统110包含的评估单元，的实施例，如下文更详细地描述的。
取决于光敏区域122的照射和光敏检测器120的温度，至少一个检测器信号128由光敏检测器120产生。光敏区域122优选可以是或包括单个、均匀的光敏区，该光敏区被配置为接收入射到光敏区上的发射的光辐射114。至少一个检测器信号128可以是一个模拟和/或数字信号。特别是，光敏检测器120可以是或包括有源传感器，该有源传感器适于在将至少一个检测器信号128提供给例如外部评估单元之前将其放大。为此，光敏检测器120可以包括一个或多个信号处理装置，特别是一个或多个滤波器和/或模拟-数字转换器，以用于处理和/或预处理电子信号。
光敏检测器120可以选自任何已知的光学传感器，特别是选自无机相机元件，优选选自无机相机芯片，更优选选自CCD芯片或CMOS芯片，它们通常用于现在的各种相机。作为替代方案，光敏检测器120，具体是至少一个光敏区域122，可以包括光导材料，特别是无机光导材料，尤其是选自硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、锗(Ge)、砷化镓铟(InGaAs，包括但不限于ext.InGaAs)、锑化铟(InSb)或碲化镉汞(HgCdTe或MCT)。如一般所使用的，术语"ext.InGaAs"是指表现出达2.6微米的光谱响应的特定类型的InGaAs。作为进一步的替代方案，光敏检测器120可以是或包括热释电检测器元件、辐射热检测器元件，或热电堆检测器元件。作为进一步的替代方案，至少一个光敏检测器可以是或包括FIP传感器元件，如上文更详细描述的。
此外，如图1中示意性描绘的示例性光谱仪装置112包括控制电路130，该控制电路130被配置用于通过向辐射发射元件116施加至少一个控制信号132来调整辐射发射元件116的温度。通过使用控制电路130，可以连续地调整辐射发射元件116的温度。以这种方式，可以得到辐射发射元件116的光谱响应的改变，这可用于扫描对象124的光谱的特定波长区域，如上面和下面更详细地描述的。
替代地或另外，如图1所示的控制电路130可以被配置用于通过向光敏检测器120提供由携带参考符号“134”的虚线箭头表示的进一步的控制信号来调整光敏检测器120的温度。在优选的实施例中，通过使用进一步的控制信号134，光敏检测器120的温度可以保持恒定，这对于提高至少一个检测器信号128的信噪比可能是有利的。在替代的实施例中，进一步的控制信号134可用于调整光敏检测器120的温度，这导致光敏检测器120的光谱响应的改变。同时，辐射发射元件116的温度优选可以保持恒定。因此，该替代实施例允许通过控制光敏检测器120的温度来扫描特定波长区域。
控制电路130可以包括电流源、电压源、功率源或脉冲源中的一者或多者，它们分别被指定用于产生施加于辐射发射元件116，和/或光敏检测器120的电流、电压或可调整的耗散功率。此外，控制电路130可进一步包括电流放大器、电流分界器、电压放大器或电压分界器中的至少一者。其他或更多的部分也是可能的。
进一步地，如图1中示意性描绘的示例性光谱仪装置112包括读出电路136，其被配置用于通过记录与至少一个检测器信号128有关的至少一个属性，特别是至少一个检测器信号128的强度、电流、电压、电阻、热量、频率、电功率或偏振中的至少一者，或至少一个检测器信号128被记录的时间来测量由光敏检测器120产生的至少一个检测器信号128。然而，记录进一步的属性也是可行的，无论是否与至少一个检测器信号128有关。
如图1中进一步示意性地描述的，除了根据本发明的光谱仪装置112外，光谱仪系统110还包括评估单元138，其被指定用于确定与对象124的光谱有关的信息。为此，评估单元138被配置用于接收至少一个检测器信号128，该至少一个检测器信号128在本示例性实施例中由读出电路136以有线或无线方式经由接口提供给评估单元138，该评估单元138测量该至少一个检测器信号128。一般而言，评估单元138可以是数据处理装置142的一部分，和/或可以包括一个或多个数据处理装置142。评估单元138可以全部或部分地体现为独立的装置144，如图1中示意性地描绘的那样，和/或可以全部或部分地集成到进一步包括光谱仪装置112的壳体126(这里没有描绘)中。评估单元138可以进一步包括一个或多个附加组件，特别是一个或多个电子硬件组件和/或一个或多个软件组件，特别是一个或多个测量单元和/或一个或多个评估单元和/或一个或多个控制单元。
在优选的实施例中，评估单元138也可以被设计成完全或部分地控制或驱动光谱仪装置112或其一部分。特别地，评估单元138可以被配置用于控制辐射发射元件116、光敏检测器120、控制电路130或读出电路136中的至少一者。为此，键盘146可用于接收待由光谱仪系统110的用户提供的相应命令。特别地，评估单元可以被指定为执行至少一个测量周期，在该至少一个测量周期中，采集多个检测器信号128，尤其是，用于通过如图1中携带参考符号“148”的虚线箭头示意性描绘的驱动至少一个控制电路130连续调整辐射发射元件116和/或光敏检测器120的温度的检测器信号128。在本文中，获取检测器信号128可以按顺序进行，特别是通过使用时间扫描。
由评估单元138确定的信息可以以电子、视觉和/或声音的方式提供给一个或多个进一步的设备或用户。举例来说，该信息可以用显示器150显示。此外，该信息可以存储在数据存储装置152中，其中，如图1所示，数据存储装置152可以由评估单元138包含。作为替代方案，数据存储装置152可以是独立的存储装置，其中，该信息可以经由进一步的接口(这里没有描绘)，特别是无线接口和/或有线接口发送到该独立的存储装置。
作为替代方案，评估单元138、处理装置142、键盘146、显示器150和数据存储装置152中的至少一者，优选全部，可以被集成到电子通信装置中，具体是选自智能手机或平板电脑的电子通信装置。
图2以高度示意的方式示出了根据本发明的用于测量光辐射114的方法160的示例性实施例的视图。
在根据步骤a)的发射步骤162中，通过使用辐射发射元件116发射所需的光辐射114，其中，发射的光辐射114的光谱取决于辐射发射元件的温度。
在根据步骤b)的产生步骤164中，通过使用一个或多个光敏检测器120来产生至少一个检测器信号128，其中，至少一个光敏检测器120具有光敏区域122，该光敏区域被指定用于接收发射的光辐射114。在本文中，至少一个检测器信号128取决于光敏区域122的照射和一个或多个光敏检测器120的温度。
在根据步骤c)的调整步骤166中，通过向辐射发射元件116和/或一个或多个光敏检测器120提供至少一个控制信号132、134来调整辐射发射元件116和/或一个或多个光敏检测器120的温度。优选地，至少一个控制信号132、134可以由控制电路130提供。
在根据步骤d)的测量步骤168中，由一个或多个光敏检测器120产生的至少一个检测器信号128被测量，特别是通过读出电路136测量，并且优选地，通过接口140发送到评估单元138。
在可选的评估步骤170中，可以通过使用评估单元138，特别地基于至少一个检测器信号128，确定与对象124的光谱有关的所需光谱信息172。
关于用于测量光辐射114的方法160的进一步细节，可以参考上文提供的光谱仪装置112的描述。
图3示出了现有技术中已知的油菜籽的示例性反射光谱180。油菜籽包括芸苔属的种子，特别是欧洲油菜、白菜型油菜或芥菜型油菜，其中油在其脂肪酸谱中应含有少于2％的芥酸，固体成分每克风干的无油固体应含有少于30微摩尔的3-丁烯基葡糖酸酯、4-戊烯基葡萄糖酸酯、2-羟基-3-丁烯基葡萄糖酸酯和2-羟基-4-戊烯基葡萄糖酸酯中的任何一种或任何混合物，见https://www.canolacouncil.org/oil-and-meal/what-is-canola/#OfficialDefinition(2020年7月21日检索)。在根据图3的图中，反射R被描绘为反射的光辐射与光辐射的波长λ(μm)的关系。现有技术中油菜籽的反射光谱是通过使用迈克尔逊干涉仪针对1.2微米至2.2微米的波长测量的。
图4示出了现有技术中已知的针对不同温度的白炽灯的黑体发射光谱182。通过考虑白炽灯的针对应用100K的步长的1000K至2000K的温度的黑体辐射，已经确定了在那里描绘为发射E(105·Ws/m2)与光辐射波长λ(μm)的关系的黑体发射光谱182。
图5示出了以任意单位的检测器信号S的进程184，其中，检测器信号S是由光敏检测器120针对白炽灯的不同温度产生的。检测器信号S与温度T(K)的关系的进程184是由图3的反射光谱180、图4的黑体发射光谱182和用作光敏检测器120的PbS检测器的光谱响应率的卷积确定的。
图6、图7和图8每一者示出了油菜籽的计算的反射光谱186与测量的反射光谱188、190、192的比较。在本文中，计算的反射光谱186是通过使用上面介绍的方程式(1)来确定的。在本文中
-图6中的测量的反射光谱188通过使用如图1A所示的单个PbS检测器获得；
-图7中的测量的反射光谱190通过使用如图1B所示的两个单独的光敏区域122，122'获得，每个光敏区域包括作为光敏材料的PbS，其中，1.2μm和1.9μm之间的第一带通滤波器被放置在第一PbS检测器前面，并且1.9μm和2.2μm之间的第二带通滤波器被放置在第二PbS检测器前面；和
-图8中的测量的反射光谱192通过使用如图1C所示的四个单独的光敏区域122、122'、122”、122”获得，每个光敏区域包括作为光敏材料的PbS，其中，在1.2μm和1.4μm之间的第一带通滤波器被放置在第一PbS检测器前面，1.4μm和1.7μm之间的第二带通滤波器被放置在第二PbS检测器前面，1.7μm和1.9μm之间的第三带通滤波器被放置在第三PbS检测器前面，并且1.9μm和2.2μm之间的第四带通滤波器被放置在第四PbS检测器前面。
图6的视图表明，光谱分辨率强烈地平滑化，因为与任何扫描光谱仪相比，白炽灯的发射光谱非常宽，其中，扫描元件的传输带宽小得多，例如，单个检测器法布里-珀罗干涉仪的带宽小于约几个纳米。
然而，通过增加具有足够带通滤波器的检测器的数量，可以实现色散光谱仪和扫描光谱仪方法的组合。在图7的通过使用两个单独的光敏区域122、122'记录的测量反射光谱190中，可以观察到光谱分辨率的提高。
将单独的光敏区域122、122'、122”、122”'的数量从2个进一步增加到4个，导致更好的分辨率，如图8所示。与包括具有128、256、1024、2096或更多像素的检测器阵列的优化色散光谱仪相比，用于获得图8的测量反射光谱192的四个单独的光敏区域122、122'、122”、122”'的数量显得相当差。因此，通过组合扫描光谱法和色散光谱法这两种方法，可以实现合理的光谱分辨率，而不需要昂贵的阵列或扫描元件，也不需要快速调制的光源。
参考编号列表
110 光谱仪系统
112 光谱仪装置
114 (发射的)光辐射
116 辐射发射元件
118 热辐射器
120 光敏检测器
122、122'、... 光敏区域
124 对象
125、125'、... 光带通滤波器
126 壳体
128 检测器信号
130 控制电路
132 控制信号
134 控制信号
136 读出电路
138 评估单元
140 接口
142 处理装置
144 独立的装置
146 键盘
148 箭头
150 显示器
152 数据存储装置
160 用于测量光辐射
162 发射步骤
164 产生步骤
166 调整步骤
168 测量步骤
170 评估步骤
172 光谱信息
180 反射光谱
182 黑体发射光谱
184 进程
186 计算的反射光谱
188 测量的反射光谱
190 测量的反射光谱
192 测量的反射光谱

Claims (15)

1.一种用于测量光辐射(114)的光谱仪装置(112)，包括：
-至少一个辐射发射元件(116)，其中，所述至少一个辐射发射元件(116)被设计用于发射光辐射(114)，其中，发射的光辐射(114)的光谱取决于所述辐射发射元件(116)的温度；
-至少一个光敏检测器(120)，其中，所述至少一个光敏检测器(120)具有被指定用于接收发射的光辐射(114)的至少一个光敏区域(122、122”、122”、122”')，其中，由所述至少一个光敏检测器(120)产生的至少一个检测器信号(128)取决于所述至少一个光敏区域(122、122'、122”、122”')的照射以及所述至少一个光敏检测器(120)的温度；
-至少一个控制电路(130)，其中，所述至少一个控制电路(130)被配置用于
o通过在已知温度的情况下使用普朗克定律来确定由所述至少一个辐射发射元件(116)发射的光辐射(114)的光谱，以及
o通过向所述至少一个辐射发射元件(116)或所述至少一个光敏检测器(120)中的至少一者施加至少一个控制信号(132、134)来调整所述至少一个辐射发射元件(116)或所述至少一个光敏检测器(120)中的至少一者的温度；
-至少一个读出电路(136)，其中，所述至少一个读出电路(136)被配置用于测量由所述至少一个光敏检测器(120)产生的所述至少一个检测器信号(128)。
2.根据前一权利要求所述的光谱仪装置(112)，其中，所述至少一个控制电路(130)被配置用于通过向所述至少一个辐射发射元件(116)或所述至少一个光敏检测器(120)提供至少一个控制信号(132、134)来调整所述至少一个辐射发射元件(116)或所述至少一个光敏检测器(120)的温度。
3.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪装置(112)，其中，所述至少一个辐射发射元件(116)由至少一个热辐射器(118)包含。
4.根据前一权利要求所述的光谱仪装置(112)，其中，根据维恩位移定律，发射的光辐射(114)的峰值波长是温度的函数。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪装置(112)，其中，所述至少一个辐射发射元件(116)的温度是所述至少一个控制信号(132)的函数。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪装置(112)，其中，所述至少一个光敏检测器(120)包括至少一种光导材料。
7.根据前一权利要求所述的光谱仪装置(112)，其中，所述至少一种光导材料选自PbS、PbSe、Ge、InGaAs、InSb或HgCdTe中的至少一种。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪装置(112)，其中，至少一个光通滤波器(125、125'、125”、125”')被放置在所述至少一个光敏区域(122、122'、122”、122”')前面的辐射路径中。
9.根据前一权利要求所述的光谱仪装置(112)，包括两个、三个、四个、五个、六个、七个或八个光敏检测器(120)和/或光敏区域(122、122'、122”、122”')。
10.一种光谱仪系统(110)，包括
-根据前述权利要求中任一项所述的用于测量光辐射(114)的至少一个光谱仪装置(112)；以及
-评估单元(138)，其被指定用于通过评估由所述光谱仪装置(112)提供的至少一个检测器信号(128)来确定与对象(124)的光谱有关的信息。
11.一种用于测量光辐射(114)的方法(160)，所述方法(160)包括以下步骤：
a)使用至少一个辐射发射元件(116)发射光辐射，其中，发射的光辐射(114)的光谱取决于所述辐射发射元件(116)的温度；
b)使用至少一个光敏检测器(120)产生至少一个检测器信号(128)，其中，所述至少一个光敏检测器(120)具有被指定用于接收发射的光辐射(114)的至少一个光敏区域(122、122”、122”、122”')，其中，所述至少一个检测器信号(128)取决于所述至少一个光敏区域(122、122”、122”、122”')的照射以及所述至少一个光敏检测器(120)的温度；
c)通过在已知温度的情况下使用普朗克定律确定由所述至少一个辐射发射元件(116)发射的光辐射(114)的光谱，并通过向所述至少一个辐射发射元件(116)或所述至少一个光敏检测器(120)中的至少一者施加至少一个控制信号(132、134)来调整所述至少一个辐射发射元件(116)或所述至少一个光敏检测器(120)中的至少一者的温度；
d)测量由所述至少一个光敏检测器(120)产生的所述至少一个检测器信号(128)。
12.根据前一权利要求所述的方法(160)，其中，步骤c)包括通过向所述至少一个辐射发射元件(116)或所述至少一个光敏检测器(120)提供所述至少一个控制信号(132、134)来调整所述至少一个辐射发射元件(116)或所述至少一个光敏检测器(120)的温度。
13.根据前述方法权利要求中任一项所述的方法(160)，其中，通过调整所述至少一个辐射发射元件(116)的温度，使发射的光辐射(114)的峰值波长偏移。
14.根据前一权利要求所述的方法(160)，其中，作为所述至少一个辐射发射元件(116)的温度的函数的所述峰值波长是通过分析的方式已知的，或通过应用校准过程确定。
15.根据前述方法权利要求中任一项所述的方法(160)，其中，发射的光辐射(114)通过被对象(124)反射或透射通过所述对象(124)中的至少一种到达所述至少一个光敏检测器(120)。
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