KR102171418B1

KR102171418B1 - 휴대용 분광계

Info

Publication number: KR102171418B1
Application number: KR1020207007080A
Authority: KR
Inventors: 커티스 알. 루스카; 찰스 에이. 헐스; 브렛 제이. 브라이어스; 군텐 마르크 케이. 본; 크리스토퍼 쥐. 페더슨; 나다 에이. 오브라이언; 제리 지이바
Original assignee: 비아비 솔루션즈 아이엔씨.
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2020-10-29
Also published as: TW201428260A; TW201804135A; EP2920562B1; TWI659198B; TW201730531A; KR20150081337A; EP3722758A1; KR102089734B1; CN107345835A; JP6371774B2; TWI609172B; EP2920562A1; CN107345835B; CN104797911B; US9234839B2; KR20190064682A; EP3722758B1; US10222325B2; US20160116399A1; WO2014078426A1

Abstract

휴대용 분광계 기기는 샘플에 광을 향하게 하기 위한 조명 소스, 그리고 상기 샘플과 상호작용하는 광을 제1 초점비에서 캡쳐하고 그 광을 상기 제1 초점비보다 더 낮은 제2 초점비에서 배송하기 위한 테이퍼된 광 파이프 (tapered light pipe (TLP)를 포함한다. 선형 가변 필터 (linearly variable filter (LVF))는 상기 캡쳐된 광을 구성 파장 (constituent wavelength) 신호들의 스펙트럼으로 분리하며; 그리고 탐지기 어레이는 복수의 픽셀들을 포함하며, 상기 복수의 픽셀들 각각은 상기 구성 파장 신호들 중 하나의 구성 파장 신호의 적어도 일부를 수신하기 위해 배치되어 각 구성 파장에 대한 전력 표시눈금 (reading)을 제공한다. 바람직하게는, 한 말단에서 렌즈로 형성되며, 그리고 계단식 내부 벽들을 가진 보호 부트 내에서 우묵하게 놓여진다. TLP 및 LVF 사이의 갭은 해상도 및 강건함을 더 향상시키기 위해서 최소화된다.

Description

휴대용 분광계 {PORTABLE SPECTROMETER}

본 발명은 휴대용 분광계에 관한 것이며, 그리고 더 상세하게는, 최소의 전력 및 크기를 필요로 하는 강건하며, 높은-성능의 휴대용 분광계에 관한 것이다.

지난 수 십 년에 걸쳐서 NIR (near infrared) 분광학은 제약 산업에서의 생산 및 품질 제어를 위한 필수적인 분석 도구로 더욱 더 개발되었다. 정성적인 NIR 연구들은 인입하는 원시 물질들의 확인 제어에 자주 적용되며, 반면에 최종 제품에 대한 정량적인 분석은 제약 프로세스 체인에서 중요한 단계이다. 그러나, 제약 분석들의 대부분은 여전히 생산 사이트로부터 샘플을 취하고 그리고 그것들 멀리 있는 품질 제어 실험실로 수송하여 실행된다. 샘플링과 결과들을 이용하는 것 사이의 이런 지연은 분석들의 빈도 및 생산 라인의 최적화를 제한한다. 그래서, 공정의 라인에서의 또는 라인중의 신속한 분석을 수행할 수 있는 신규의 휴대용 필드 기구는 제약 산업의 효율성을 향상시키기 위한 주요한 도구로서 고려될 수 있다.

Ocean Optics Inc. 명의로 2012년 공개된 미국 특허 출원 공개 2012/0188541 그리고 Wilks Enterprise, Inc. 명의로 2005년 1월 13일에 공개된 미국 특허 출원 공개 2005/0007596에서 개시된 것과 같은 컴팩트 분광계들의 더 오래된 버전들은 일련의 광학 경로 폴딩 (folding) 거울들을 제공함으로써 자신들이 위치하는 공간을 최소화하기 위해 시도한다. 불행하게도, 폴딩 거울들은 제조하는 동안에 광대한 정렬 절차들을 필요로 하며, 그리고 필드에서 사용되는 기기들 용의 매우 강건한 구조를 제공하지 않아서, 낮은 또는 예측할 수 없는 성능의 결과가 되었다.

역사적으로, 광 도관, 광 파이프 또는 광 전송 도관이 광 빔 형성 또는 광 빔 방향설정 응용들을 위해서 사용되었다. 그 예들은 미국 특허 7,252,399 및 7,033,056; 그리고 미국 특허 출원 번호 2006/0044833에서 개시된 것들과 같은 디스플레이 또는 전방 프로젝션 텔레비전 애플리케이션들을 위한 디스플레이 엔진 기술들이다. 2002년 7월 16일에 발행된 Wilks 등의 미국 특허 번호 6,420,708은 스펙트럼 분석기를 개시하며, 이것은 광을 샘플에게 전송하기 위한 직사각형 광 파이프 또는 광석 정류기 (crystal)를 포함하지만, 이것들은 반사된 광을 필터로 배송하기 위해 형성하는 용도는 아니다.

미국 특허 번호 6,473,165; 7,006,204; 그리고 7,184,133은 자동화된 확인 시스템에 관한 것이며, 이 시스템에서 광학적 간섭 보안 특징의 반사된 입사의 두 상이한 각도들에서 광의 두 개의 분리 빔들의 반사가 측정되고 비교된다. 수렴하는 테이퍼된 광 파이프는 광을 수집하고 한 점에 모으는 용도로 개시된다.

본 발명의 목적은 필드에 있는 샘플 테스팅 기기에서 사용하기 위한 넓은 대역 광 소스 및 탐지기 어레이를 포함하는 고-성능의, 강건하며, 휴대용이며, 저-전력의 분광계 (spectrometer)를 제공하여 종래 기술의 단점들을 극복하도록 하는 것이다.

따라서, 본 발명은 휴대용 분광계 기기에 관련된 것이며, 이 휴대용 분광계 기기는:

샘플에 광을 향하게 하기 위한 조명 소스;

상기 샘플과 상호작용하는 광을 제1 초점비 (focal ratio)에서 캡쳐하고 그 광을 상기 제1 초점비보다 더 낮은 제2 초점비에서 배송하기 위한 테이퍼된 광 파이프 (tapered light pipe (TLP));

상기 캡쳐된 광을 구성 파장 (constituent wavelength) 신호들의 스펙트럼으로 분리하는 선형 가변 필터 (linearly variable filter (LVF)); 그리고

복수의 픽셀들을 포함하는 탐지기 어레이를 포함하며,

상기 복수의 픽셀들 각각은 상기 구성 파장 신호들 중 하나의 구성 파장 신호의 적어도 일부를 수신하기 위해 배치되어 각 구성 파장에 대한 전력 표시눈금 (reading)을 제공하며,

상기 TLP는 상기 샘플에 인접하여 위치하게 하는 제1의 더 작은 말단, 상기 LVF에 인접한 제2의 더 넓고 더 높은 말단, 그리고 상기 광을 믹싱하고 상기 LVF를 가로질러 확산시키기 위해 상기 제1 말단으로부터 상기 제2 말단으로 분기한 측벽들을 포함한다.

본 발명의 효과는 본 명세서의 해당되는 부분들에 개별적으로 명시되어 있다.

본 발명은 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내는 동반 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 분광계 시스템의 개략적인 도면이다.
도 1b는 사용자의 내에 있는 도 1a의 분광계의 사시도원근 모습이다.
도 1c는 도 1a의 분광계 시스템의 원근 모습이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1a의 휴대용 분광계의 두 상이한 실시예들의 측면 모습이다.
도 3은 도 1a의 휴대용 분광계의 광 소스들 중 하나의 광 소스를 위에서 본 모습이다.
도 4는 도 1a의 휴대용 분광계의 하우징을 위에서 본 모습이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 각각 도 1a의 휴대용 분광계의 태퍼링된 광 파이프의 등각 모습, 측면 모습 그리고 위에서 본 모습이다.
도 6은 TLP를 구비한 그리고 TLP를 구비하지 않은 분광계에 대한 전송 대 파장의 곡선이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 표준의 TLP 및 렌즈 부착된 TLP의 들어오는 그리고 나가는 광선 번들들을 도시한다.
도 8은 렌즈 부착된 TLP를 구비한 그리고 렌즈 부착된 TLP를 구비하지 않은 분광계에 대한 전송 대 파장의 곡선이다.
도 9는 도 1a의 휴대용 분광계의 TLP 부트의 등각 모습이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명의 TLP 부트를 구비한 그리고 TLP 부트를 구비하지 않은 분광계에 대한 응답 대 파장의 곡선들이다.
도 11은 도 1a의 휴대용 분광계의 LVF의 측면 모습이다.
도 12는 도 1a의 휴대용 분광계의 LVF 그리고 탐지기 어레이의 측면 모습이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 LVF 및 탐지기 어레이 사이에 각각 750 um을 가진 그리고 200 um의 갭을 가진 분광계에 대한 응답 대 파장의 곡선이다.
도 14는 본 발명에 따른 LVF 및 탐지기 어레이 구조의 측면 모습을 도시한 것이다.
도 15는 본 발명에 따른 무선 분광계 시스템의 개략적인 도시이다.
도 16은 본 발명에 따른 대안의 무선 분광계 시스템의 개략적인 도시이다.

도 1a, 도 1b, 도 1c, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 컴팩트 분광계 (1)는 매우 작은, 예를 들면, 5 파운드 미만이며, 바람직하게는 2 파운드 미만이며, 더욱 바람직하게는 0.5 파운드 미만이며, 그리고 이상적으로 배터리를 제외하고 100 g 미만이며, 컴팩트하여, 예를 들면, 6" x 6" x 2'' 미만이며, 바람직하게는 6" x 3" x 1" 미만이며, 그리고 더 바람직하게는 4" x 2" x 0.5" 미만이며, 광 필터 (2) 주위에 구축된 낮은-가격의 핸드-헬드 분광계이며, 예를 들면, 500 nm보다 더 큰, 바람직하게는 600 nm보다 더 큰 그리고 가장 바람직하게는, 인듐 갈륨 비화물 (indium gallium arsenide (InGaAs))처럼 700 nm 너비보다 더 큰 넓은 대역 탐지기 어레이 (3) 상에 설치된다. 상기 광 필터는 임의 형상의 분광계, 예를 들면, 기능하기 위해서 특정 입력 원추 (cone) 각도를 필요로 하는 회절 기반의, 위상 홀로그래픽, 프러스트레이티드 토털 리플렉션 (frustrated total reflection) 또는 선형 가변 필터 (linearly variable filter (LVF)) 기반의 기구들일 수 있지만, LVF가 바람직하다.

LVF는 활기찬 프로세스들을 이용하여 배치된 유전성 박막 파브리-페로 (Fabry-Perot) 대역통과 필터이며, 안정된 그리고 신뢰성있는 광학적 컴포넌트들을 생산하는 것으로 잘 알려져 있다. LVF 내 필터 코팅은 의도적으로 한 방향으로 쐐기 모습이다. 상기 대역통과 필터의 중앙 파장이 상기 코팅 두께의 함수이기 때문에, 전송된 피크 파장은 상기 쐐기 모습의 방향을 따라서 계속해서 변한다. LVF는 일반적으로 이온-강화된 물리적 증기 증착 기술들에 의해서 생산된 SiO2 및 Ta2O5 와 같은 무기 물질들로부터 만들어지며, 높은 신뢰성 및 안정성을 가진 밀집한 코팅의 결과가 된다.

이상적으로, 분광계 (1)는 전적으로 USB로 전력을 공급받으며, 즉, 상기 분광계는 2.5 W 또는 그 미만의 전력을 공급받는다. 그러나 무선 접속을 구비한 배터리 전력은 본 발명의 범위 내에 있으며, 이는 아래에서 설명될 것이다. 프로세서 및 적합한 비-일시적 메모리로 구성된 제어 시스템 (4)은 USB 코드 (6)를 수납하기 위한 적합한 USB 커넥터를 포함하여, 상기 제어 시스템 (4)과 호스트 제어기 기기 (7), 예를 들면, 랩톱, 노트북, 노트패드 또는 pda 사이에 데이터를 전달하는 것을 가능하게 하며, 이상적으로 보호 커버 (8) 내에 하우징된다. 참조번호 10의 스위치에 의해서 활성화된 하나 또는 그 이상의 독립적인 광 소스들 (12)은 샘플 (15) 상으로 광이 향하도록 하기 위해서 사용되어, 산란하여 반사된, 전송된 또는 그렇지 않고 상호작용하는 (interacting) 방사가 광 필터로의, 예를 들면, LVF (2)로의 배송을 위해서 광 수집 옵틱, 예를 들면, 테이퍼된 광 파이프 (tapered light pipe (TLP)) (11)에 의해서 캡쳐되도록 할 것이다.

강건함 및 높은 성능을 유지하면서도 분광계 (1)의 크기 그리고 동작 전력 소비를 최소화하기 위해서, 많은 문제점들이 해소되어야만 하며, 이 문제점들은 다음을 포함한다: 1) 광 경로를 가능한 효율적으로 만든다; 2) 파이버들 대시에 트레인 내의 TLP (11)를 사용한다; 3) 필요한 광학 장치들을 최소화하기 위해서 LVF (2)를 탐지기 (3)에 가깝게 위치시킨다; 4) TE 쿨러가 전력을 필요로 하는 것을 피하기 위해서 탐지기 어레이 (3)가 쿨링되지 않도록 둔다; 그리고 5) 가능한 적은 전력을 소비하는 광 소스(들) (12)을 제공하지만, 예를 들면, IR 영역 내의 넓은 대역 조명은 여전히 제공한다.

본 발명에 따른 분광계 (1)는 심지어는 광 소스들 (12)이 두 개 또는 그 이상의 램프들을 포함하여 동작할 때에도 2.5 W 미만의 전력을 소비한다. 근 적외선에 대해서, 상기 광 소스들 (12)은 하나 또는 두 개의 온보드 백열 램프들, 예를 들면, 넓은 대역 조명, 예를 들면, 900 nm 내지 1700 nm 범위 내 또는 900 nm 내지 2150 nm 범위 내의 NIR (near infrared)에 대해, 예를 들면, 500 nm가 넘는, 바람직하게는 700 nm가 넘는, 가장 바람직하게는 기구의 활성 범위에 걸쳐 1000 nm를 넘는 진공 텅스텐 램프들로 구성된 것이 바람직하다. 하나의 램프 (12)면 충분하다; 그러나, 두 개의 램프들 (12)은 상호작용하는 샘플을 위해 더 많은 광을 추가하며, 그래서 더 짧은 완성 시간이 걸리도록 한다. 실제적인 제한이 존재하며, 공간 강제들 및 USB나 배터리 전력 제한들이 존재한다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 일반적으로 광 소스들 (12)에 대한 두 개의 구성들이 존재한다. 하나의 구성에서, 상기 샘플 (15)은 법선으로부터 상기 샘플 (15)로 예각으로, 예를 들면 TLP (11)의 길이 방향 축 LA로부터 45°로 하나, 둘 또는 복수의 광 소스들 (12)로부터의 비교적 평행하게 된 광으로 조명을 받으며, 이때에 TLP (11)의 말단은 각 램프 사이에 등거리로 배치된다. 상기 TLP (11)의 상기 길이방향 축 LA는 상기 탐지기 어레이 (3) 및 상기 LVF (2)의 기판에 수직이다. 다른 배치에서, 상기 샘플 (15)은 환하게 조명을 받는다. 두 배치들에서, TLP (11)의 수신 단은 샘플 (15)로부터 실질적으로 수직의 입사각으로, 즉, 길이방향 축 LA를 따라서 광을 수신하도록 배치된다. 상기 광원들 (12)은 상기 샘플 (15)로부터의 정반사 (specular reflection)를 배제하도록 배치된다. 45°조명은 반사율 (reflectance) 또는 투과율 (transflectance) 측정을 확산시킨다. 각 광 소스 (12)는 이상적으로 샘플 (15) 상에 5 mm의, 바람직하게는 3mm 또는 그 미만의 집중조명 (spot)을 생성하기 위해서 끝에 진공 텅스텐 램프가 달린 렌즈를 포함한다. 도 4를 참조하면, 상기 광 소스들 (12) 그리고 상기 TLP (11)의 말단은 이상적으로 하우징 (20) 내에 오목하게 위치하며, 상기 하우징은 상기 기기 (1)의 메인 몸체로부터 외부로 확장한다. 상기 하우징 (20)은 투명한, 예를 들면, 사파이어 보호 윈도우 (21)에 의해서 보호되는 열린 구멍 (opening)을 가지며, 그 투명 보호 윈도우 (21)를 통해서 광이 상기 샘플 (15) 상으로 투사되며, 그리고 반사된 광은 TLP (11)에 의해서 캡쳐된다. 상기 하우징 (20)은 상기 광 소스들 (12)이 손상되는 것으로부터 보호하고, 그리고 외부 소스들로부터의 미광 (stray light)이 TLP (11)의 말단에 들어오는 것을 방지한다. 상기 샘플 (15)이 광 소스 (12)와 TLP (11) 사이에 위치한 경우인 반사율 모드 및 전송 모드 둘 모두가 가능하며, 이는 각각 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 같다.

작은 휴대용 몸체의 개념은 스펙트럼들을 보기 위한 후면의 작은 스크린, 간단한 보고 찍기만 하면 되는 전자동 (point-and-shoot) 인터페이스, 배터리, 스펙트럼들을 저장하기 위한 메모리 카드, 컴퓨터 인터페이스, 플래시 또는 온보드 조명 소스, 그리고 데이터를 후-처리하기 위한 온브드 "애플리케이션들"을 구축하고, 로딩하고 사용하기 위한 프레임워크를 또한 포함할 수 있을 것이지만, 그것들로 제한되지는 않는다.

광 소스들 (12)의 첫 번째 실시예는 강렬한 NIR 광을 샘플 (15)로 제시하기 위해 끝에 진공 텅스텐 램프가 달린 두 개의 렌즈들을 사용하는 것을 구현한다. 이상적으로, 상기 램프들은 상기 광이 상기 샘플 (15)을 수직으로부터 상기 샘플로 예각으로, 예를 들면, 45°로 충돌하도록 하고, 그리고 정반사들이 반대편의 램프로 반사되도록 하는 방위이다. 이상적으로 3 mm 직경의 집중조명이 샘플 (15) 상에 생성된다. 어떤 직접의 정반사도 정상적인 조건들 하에서는 TLP (11)의 진입 개구 (entrance aperture)로 들어가지 않을 것이다. 이것은 여전히 실행 가능할 수 있는 조명 조건이지만, 두 개의 투사된 빔들이 ~500um의 "필드의 측정 깊이 (measurement depth of field)"를 가진 하나의 위치에서 동시에 발생하는 약점을 가진다. 대부분은 아니지만 많은 NIR 측정들은 샘플 내에서만이 아니라 표면으로부터의 광을 측정하며, 즉, 즉, 관통 깊이는 몇몇의 경우들에서는 10mm만큼 클 수 있다. 이 조명은 정반사를 제어하기에는 아주 훌륭하지만 가변의 투과율 결과들을 생성할 수 있다. 상기 샘플 (15)이 그 자신의 표면에서만 측정되고 있다면, 이것은 실행할 수 있는 조명 배치이다.

대안의 실시예의 광 소스들 (12)은 비-방향성 램프들을 이용한 환한 조명 (flood illumination)을 통합한다. 상기 환한 조명은 상기 샘플 (15)을 비-평행 광으로 뒤덮으며, 이 비-평행 광은 표면 측정들이 아닌 투과율 측정들에 대해 10 mm까지 "필드의 측정 깊이" 문제를 완화시킨다. 환한 조명은 측정되고 있는 샘플에게 더 많은 NIR 광 플럭스를 또한 보낼 수 있다. 분광계 (1)의 전면 보호 윈도우 (21)로부터의 기생 반사 광 (parasitic specular light)을 제어할 필요를 대가로 해야 추가의 자유도가 얻어진다. 이것은 TLP (11)의 진입 개구가 보는 것과 같은 시야를 엄밀하게 한정하는 계단식 부트 (boot) (25) (도 9 참조)의 사용으로 달성된다. 램프들 (12)로부터 TLP (11)로의 원치 않은 광을 완화시키는 것은 상기 부트 (25)에 진입 개구에 관한 상기 램프들 (12)의 위치, 그 부트 (25)가 윈도우 (21)의 배후 표면으로부터 얼마나 가까운가, 그 윈도우 (21)가 얼마나 두꺼운가 그리고 정반사를 최소화하기 위해서 그 윈도우 (21)에 가해진 코팅이 얼마나 두꺼운가에 의해서 얻어진다.

상기 TLP (11)는, 즉, 탐지기 어레이 (3)로의 전송을 위해서 램버시안 (lambertian) 산란 표면 또는 샘플 (15)의 전송된 반투명 표면으로부터 LVF (2)의 입력 표면으로 반사된 어떤 원하는 파장에서 스펙트럼 광 에너지를 제시하도록 설계된 광 수집 광학 장치를 제공한다. 필터/탐지기 어레이 어셈블리 (2/3)가 효과적으로 동작하도록 하기 위해서, LVF (2)로 들어가는 광은 0.2 또는 더 작은 최대 수용 (maximum acceptance) NA를 가질 필요가 있다. 받아들일 수 있는 NA를 얻기 위해서 측정되고 있는 상기 샘플 (15)로부터 수집된 출력 방사 패턴은 렌즈 또는 테이퍼된 광 파이프 (tapered light pipe)를 필요로 한다. 상기 테이퍼된 광 파이프 (11)는 스펙트럼 엔진들 또는 분광계 동작 파라미터들에 종속하여 고체, 예를 들면, Schott N-BK7 유리일 수 있으며, 또는 구조에 있어서 속이 빌 수 있다. TLP의 테이퍼 각도 (taper angle)는 반사율 또는 투과율 유형 샘플링 및/또는 광학적 경로 길이에 대해서 최적화될 수 있다. 상기 TLP (11)는 속이 빈 또는 고체 설계 중 어느 하나에 적용된 반사성 코팅을 가질 수 있으며 또는 코팅이 없을 수 있다. 테이퍼된 그리고 비-테이퍼된 광 파이프들은 상기 샘플로부터의 신호를 증가시키기 위해서 광 순환 특성들을 가질 수도 또는 가지지 않을 수도 있을 것이다. 분광계 또는 스펙트럼 센서는 관심 파장 영역을 규정할 것이며 그리고 궁극적으로는 광 파이프 설계를 결정할 것이다.

상기 테이퍼된 광 파이프 (TLP) (11)의 특정 예는 도 5a, 도 5b 및 도 5c에 도시되며, 램버시안 광 소스들로부터 제1의 더 작은 말단에서 제1 초점비 (focal ratio)로, 예를 들면, f/1로 그리고 원추 각도, 예를 들면, 20° 및 40° 사이이지만, 보통은 약 30°에서 광을 캡쳐하며, 즉, 높은 산란 표면, 예를 들면, 고체의 또는 액체 샘플들 (15)로부터의 상기 램프들 (12)의 반사들을 캡쳐하며, 그리고 상기 반사된 광을, 분광계 (1) 내에서 LVF (2)에 의한 더 나은 동작을 위해서 필요한 더 낮은 초점비 f/3, 즉, 약 10° 또는 더 작은 원추 각도로 믹스하고, 확산시키며 그리고 재형성한다. 상기 테이퍼된 광 파이프 (11)는 분산기 그리고, 예를 들면, 광을 확산시키고 그리고 전자기 파들이 램버시안 조명 표면으로부터 LVF (2)를 통해서, 예를 들면, 더 크고 더 넓은 제2의 더 큰 말단으로부터 통과하는 것을 가능하게 하는, 예컨대 4개의 발산 측벽들을 가진 광 재형성 기기로서 행동한다. 따라서, 상기 TLP (11)는 상기 분광계 (1)가 상대적으로 큰 영역으로부터 광을 샘플링하는 것을 가능하게 하여, 경합하는 기술들과는 반대로, 광 섬유를 이용하여 작은 국지화된 영역으로부터 비롯된 광을 보통 수집하는 임의 램버시안 산란 표면으로부터 광을 수집한다. 또한, 상기 TLP (11)는 LVF (2)의 크기 및 픽셀 어레이 (3) 내의 픽셀들을 수용하기 위해서 광을 믹스하고 확산시킨다. 상기 LVF (2)는 수직으로부터 10° 미만으로 이탈하는, 즉, 코팅 표면 및/또는 LVF 기판으로 이탈하는 광을 수용하기 위해서 최적화될 수 있으며, 그럼으로써 해상도 및 성능을 크게 향상시킨다.

상기 초점비는 망원경의 초점 길이 대 망원경의 개구의 비율이다. 그것은 상기 초점 길이를 상기 개구로 나누어서 계산된다. 예를 들면, 2032 mm 초점 길이 및 8" (203.2mm) 개구를 가진 망원경은 10 (2032/203.2 = 10) 또는 f/10의 초점비를 가진다.

상기 TLP (11)는 광학적 광 원추을, 예를 들면, f/1인 제1의 (빠른) 초점 비로부터, 예를 들면, f/3인 제2의 더 낮은 (더 느린) 초점 비로 늦추고 그리고 LVF (2)가 스펙트럼으로 수행하는 것을 가능하게 하기 위해 복합적인 각도들을 사용하는 광 빔 조정/재형성 기기이다. 이것은 상기 TLP (11)의 진입 개구 및 탈출 (exit) 개구의 종횡비 (aspect ratio)를 제어함으로써 달성된다. TLP (11)의 길이는 광의 충분한 믹싱을 달성하고 그리고 탈출 개구에서 적절한 (더 늦은) 초점 비를 달성하기에 충분하게 길 필요가 있다. 도 6은 TLP (11)를 구비한 또는 구비하지 않은 분광계에 대해 전송에 있어서의 아주 작은 차이, 그리고 파장에 있어서의 아주 더 넓은 차이를 도시한다.

램프들 (12)에 가장 가까운 TLP (11)의 진입 개구는 1.5 내지 2.5mm (바람직하게는 2mm +/- 0.1mm) x 0.4mm 내지 0.6mm (바람직하게는 0.5mm +/- 0.1mm)의 더 작은 개구를 가진다. 상기 LVF (2)에 가까운 상기 탈출 개구는 6 내지 7 mm (바람직하게는 6.6 +/- 0.1mm)의 폭 그리고 0.75 내지 1.25 mm (바람직하게는 1.0 +/- 0.1mm)의 길이의 더 큰 개구를 가진다. 상기 TLP (11)의 길이는 15 내지 25 mm (바람직하게는 20 +/- 0.3mm)이며, 높이 및 폭 두 가지 면에서 진입 말단으로 점점 가늘어진다. 따라서, 가늘어지는 각도 (taper angle)는 길이 방향 축으로부터의 측면마다 6°내지 7° 사이로 폭에 대해서는 전체 12° 내지 13°이며, 길이 방향으로부터 측면 당 0.5° 내지 1° 사이로 높이에 대해서는 전체 1° 내지 2°이다.

불행하게도, TLP (11)의 결과로서, TLP (11)를 탈출하는 광선 다발 (bundle)들은 더 이상 LVF (2)에 수직하지 않으며, 즉, 그 광선 다발들은 탐지기 어레이 (3)의 어느 하나의 말단 상에서 6°까지 기울어진다 (도 7a 참조). 두 개의 나쁜 효과들의 결과로서, 이것은 탐지기 어레이 (3)의 말단들에서 더욱 좋지 않다: 1) 중앙 파장에서 다운시프트 (downshift)가 존재한다; 그리고 2) 대역폭 (해상도)의 확장이 존재한다. 도 8에서 더 짧으면서 더 넓은 곡선은 플랫 TLP (11)를 구비한 분광계의 성능을 도시한다.

경사진 광선 다발을 똑바르게 하기 위해서 TLP (11) 내에 렌즈 요소들을 도입한 것은 TLP (11)로의 렌즈 표면 (23)의 형상인 것이 이상적일 수 있다; 그러나, 개별 렌즈 및/또는 LVF (2)로의 렌즈 형상 진입부 (lensed entrance) 또한 가능하다. 전형적인 광학 재질을 이용한, 예를 들면, 6.4mm 액티브 영역에 걸쳐 0.5mm 늘어진 원통형 렌즈 (23)를 이용하여, 탐지기 어레이 (3)의 가장자리에서의 상기 경사진 광선들은 똑바르게 될 수 있으며, 이것은 마이크로NIR의 최적 성능, 예를 들면, 선형 파장 이격 및 최적 해상도를 회복시켜야 한다. 도 8에서 더 키 크고 더 얇은 곡선을 참조한다.

도 9를 참조하면, TLP 부트 (25)는 TLP (11)를 지지하도록 제공되며 그리고 샘플 (15)로부터의 반사된 광이 약 30°의 원추 각도를 가진, 예를 들면, f/1인 제1의 초점 비에 의해서 한정된 적절한 수용 각도에서 TLP (11)의 진입 개구로 제공되는 것을 그리고 TLP (11)를 위한 시야가 약 10°의 원추 각도를 가진, 예를 들면, f/3인 요청된 제2 초점 비에서 LVF (2)로 배송되는 것을 확실하게 하도록 기능한다. 상기 부트 (25)는 지지부 (26)를 포함하며, 이 지지부는 적어도 TLP (11)의 끝 부분 (tip)을 그리고 이상적으로 변형없이 TLP (11)의 전부를 지지하며, 그럼으로써 충격 및 진동으로부터 TLP (11)를 보호한다. 상기 부트 (25)는 또한 스페이서부 (27)를 포함하며, 이 스페이서부는 상기 TLP (11)를 우묵한 곳에 놓고 그리고 TLP (11)의 진입 말단을 상기 보호 윈도우 (21)와 이격시킴으로써, TLP (11)의 진입 개구에 도달하는, 상기 보호 윈도우 (21)로부터의 램프들 (12)의 정반사의 양을 줄인다. 스페이서부 (27)는 TLP (11)의 상기 진입 개구와 직접 접촉하며, 그리고 복수의 계단식 내부 표면들 (28)을, 표면들이 상기 열린 구멍 주변으로 확장하며 TLP (11)의 길이방향 축 LA에 수직인 복수의 평평한 직사각형 테라스들 (29)과 함께 포함하며, 이는 어떤 다른 위치에서, 예를 들면, 입력 윈도우로부터 반사되어 TLP (11)로 진입하는 것으로부터 NIR 광 에너지를 축소하기 위한 것이다. 상기 스페이서부 (27)의 측면 벽들은 상기 부트 (25) 내에 배치된 자신의 열린 구멍부터 TLP (11)의 열린 구멍까지 길이 및 폭의 면에서 계단 방식으로 수렴한다. 광이 다른 사이트들로부터 들어간다면 그 결과는 상기 시스템의 빈약한 스펙트럼 성능이다. 상기 테라스들 (29)은 오래된 감광 카메라들의 초점 벨로우즈 (focus bellow)와 유사하며, 원하지 않는 산란된 광이 TLP (11)로 들어가는 것을 차단하고 트랩하는 것에 매우 효과적이다. 분광계 (1)를 위해, 이것은 탐지기들의 동적 범위를 더 잘 활용하는 것에 추가로 투과율 측정들을 위해 더 높은 OD 측정들을 가능하게 한다.

더 높은 각도의 광 플럭스가 진입 개구에서 TLP (11)로 들어간다면, 그 결과는 스펙트럼 프로파일 상의 숄더들 (shoulders) 및 페디스탈들 (pedestals), 세컨더리 (secondary) 스펙트럼 피크들, 스펙트럼 대역통과의 확장이다. 도 10a 및 도 10b의 곡선들은 통상적인 부트 (도 10a)에 대한 레이저 라인 스펙트럼 프로파일들 그리고 아주 더 높은 해상도를 제공하는 본 발명의 부트 (25) (도 10b) 간의 차이를 도시한다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 LVF (2)는 TLP (11)로부터의 수집된 광을 수신하고 그리고 개별 파장 대역들을 전송하며, 이 파장 대역들은 증가하는 또는 감소하는 순서로 LVF (2)의 파장을 가로질러 선형으로 변한다. 도시된 실시예에서, LVF (2)는 본 발명이 속한 기술 분야에서 잘 알려진 것처럼 기판 (33) 상 제1 반사 레이어 (31) 및 제2 반사 레이어 (32) 사이의 스페이서 (spacer) 레이어 (30)를 구비한 다중-레이어 스택을 포함한다. 상기 제1 반사 레이어 (31) 및 제2 반사 레이어 (32)는 횡단면에서 끝이 가늘어지는 (수렴하는 또는 발산하는) 두께로 배치되며, 그럼으로써 필터가 더 두꺼울수록 전송된 파장은 더 길어진다. % 전송 대 파장의 상기 도시된 그래프는 400 내지 700까지의 파장들을 포함한다; 그러나, 어떤 범위의 파장들도 가능하다.

중앙 파장은 LVF (2)의 길이를 따라서 계속해서 변하며, 그래서 탐지기 픽셀에 부딪친 광이, 픽셀이 "볼 수"있는 (광의 F/#에 의해 세팅된) LVF (2) 상의 모든 포인트로부터 방사하는 대역폭들의 중첩이도록 한다. 중앙 전송 파장은 LVF (2)의 길이를 가로질러 선형으로 변한다. 상기 예에서 LVF (2)의 제일 왼쪽 말단은 청색 파장 (더 짧은 파장)만의 좁은 범위를 전송한다. 오른쪽으로 이동할수록 LVF (2)의 두께는 증가하며 그리고 더 긴 파장이 전송된다. 결국 제일 오른쪽에서 적색 광 (더 긴 파장)의 좁은 대역만이 전송된다.

LVF (2)는 각 위치에서 파장들의 대역을 전송하도록 설계된다. 그 대역들은 전체의 의도된 파장 범위를 픽셀들의 개수로 나눈 것과 (비록 보통은 더 작겠지만) 비슷하도록 설계된다. 예를 들면, 128개 픽셀들을 구비한 현존하는 분광계 (1)에서, LVF (2)는 중앙 파장의 약 1%의 대역을 전송하도록 설계된다 (1000 nm의 중앙 파장에서 10 nm). LVF 기술의 장점들 중 하나는 대역들이 분리되지 않는다는 것이다; 다른 말로 하면, LVF (2)에 부딪치는 모든 파장은 탐지기 평면에서 어디에선가 "보여질" 것이다.

전력 부족 및 거대한 쿨링 시스템 대신에, 온도 피드백 기기 (41), 예를 들면, 서미스터는 이상적으로 탐지기 어레이 (3)에 근접하여 가깝게 설치된다. 온도 피드백 기기 (41)는 온도에 따라서 저항치를 변경하는 서미스터 또는 알려진 온도-종속 전압을 출력하는 정밀 IC 중 어느 하나일 수 있다. 온도 피드백 기기의 아날로그 출력은 제어 시스템 (4) CPU에 의해서 읽혀진다. 그러면 상기 제어 시스템 (4)은 온도 피드백 기기로부터의 온도를 기초로 하여 초기 측정치들을 교정하는 비-휘발성 메모리 내에 저장된 공식이나 룩업 테이블에 액세스함으로써 온도 조절된 눈금을 결정하기 위해서 온도 조절 프로세스를 수행할 수 있다.

탐지기 어레이 (3)의 암전류 (dark current) 및 응답도는 온도 종속적이다. 온도가 안정된 한은 반복 가능한 결과들이 가능하다; 그러나, 전통적인 지혜로는 LVF (2) 및 탐지기 어레이 (3)의 온도는 가능한 낮아야 한다.

모든 응용들에서, LVF (2) 그리고 탐지기 어레이 (3) 사이의 갭 (gap)은 LVF (2)로부터 발산하는 어떤 파장의 빔의 확산도 최소화하도록 세팅된다; 예를 들면, 빔 확산이 탐지기 어레이 (3) 상에서 3개 픽셀 아래에 있도록 최적화한다. 대안의 실시예는 상기 빔이 LVF (2) 그리고 상기 탐지기 어레이 (3) 사이에서 크기에 있어서 2배가 되지 않는 것을 보장하도록 상기 갭의 간격을 유지하게 하는 것이다.

도 12는 LVF (2)와 탐지기 어레이 (3) 사이의 작은 갭 (d)의 중요성을 도시한다. 상기 광이 TLP (11)에 의해서 제공된 원추를 가지며, 그 원추가 LVF (2)에 부딪친 광의 원추와 동일한 원추, 즉, f/3 또는 9.59°를 가진다고 가정하면, 확산 S는 d x tan 9.59°가 된다. 150 um의 갭 d에 대해서, 상기 확산은 25 um가 된다. 따라서, LVF (2) 상의 단일 라인은 탐지기 어레이 (3) 상에 픽셀-폭의 라인을 생성한다.

150 um의 갭에 대해서, LVF로부터 나타낸 광의 모든 "라인 (line)"은 ±9.59°에서 분기하여, 탐지기 평면에서 ±25 um 폭의 라인을 생성한다. 이것은 픽셀 피치 (50 um)에 대응한다. 그래서, LVF (2) 상의 모든 라인의 파장-감지 응답은 두 픽셀들 사이에서 가중된 단편으로 분리된다. 따라서, 상기 기기가 작은 패키지 내에 제공되도록 하는 것을 가능하게 하기에 필요한 광학 장치들을 최소화하기 위해서 500 um 미만, 바람직하게는 200 um 미만, 그리고 더 바람직하게는 5 um 내지 80 um 사이의 갭이 바람직하다.

도 13에서의 (13a) 및 (13b) 부분은 750um (도 10a) 및 200um (도 10b)의 갭에 대한 스펙트럼 성능에서의 차이를 도시하며, 이 경우 더 작은 200 um 갭은 픽셀 크로스토크, 스펙트럼 광역화, 그리고 페디스탈 (pedestal)들을 최소화한다.

이상적으로, LVF (2)는 도 14에 도시된 것과 같이 탐지기 요소들 사이의 스펙트럼 크로스토크를 완화시키기 위해서 가능한 가깝게 탐지기 어레이 (3)에 위치한다. 최선의 상태는 광학적 전도성 접착제 (51)를 이용하여 LVF (2)를 탐지기 어레이 (3)의 픽셀들 (52)에 직접 부착시키는 것이다; 그러나, 상기 접착제 (51)는 또한: 속성상 전기적으로 비-전도성이거나 유전체일 필요가 있으며; 탐지기 어레이 (3)로 압력 또는 파괴적인 힘을 유발하여 양호한 접촉 강도를 얻음으로써 기계적으로 중립일 필요가 있으며; 원하는 스펙트럼 콘텐트를 전송하기 위해 광학적으로 호환성이 있을 필요가 있고; 공기로부터 유리로의 경계면들에서 생성된 반사를 제거할 필요가 있으며; 그리고 양생하는 동안에 그리고 열적인 사이클링 동안에 탐지기 픽셀들 (52)로의 압력을 최소화하기 위해 열 팽창 특성들의 적당한 계수를 가질 필요가 있다. 따라서, LVF (2)는 탐지기 어레이 (3)의 각 픽셀 (52)이 상이한 파장에 이상적으로 응답하도록 한다.

예를 들면, 탐지기 어레이 (3)의 내부 전자 컴포넌트들 및 와이어들 (53), 예를 들면, InGaAs 선형 다이오드 어레이는 임의의 전기적 전도성 물질에 매우 민감하며, 이는 탐지기 픽셀들 또는 CMOS 프로세싱 칩 (54)의 기능을 정지시키거나, 손상시키거나 또는 파괴할 것이다. 이 예에서 이 문제점을 완화시키는 접착제 물질 (51)은 Epo-Tek 353ND™이며, 이것은 속성상 열적으로 고칠 수 있는 것이며 UV로 고칠 수 있는 것은 아니다. 이 경우에 열적으로 고칠 수 있다는 것을 수용할 수 있으며, 이는 탐지기 어레이 (3) 상의 픽셀들 (52)에 직접 부착되어 있는 LVF (2) 상의 코팅이 UV 에너지를 전달하지 않을 것이기 때문이다. 또한, EP 353ND (투명 또는 블랙 (Clear or Black))는 양생 과정 이전에 그리고 그 이후에 탁월한 유전성 특성들을 가진다. 이상적으로, EP 353ND 투명은 약 5 내지 15 마이크론의 두께로 LVF (2)와 탐지기 어레이 (3) 사이에서의 접착제 (51)로 사용될 수 있다.

"유리 커버 (glass cover)" (55), 즉, LVF (2)의 기판은 LVF (2) 위에 제공되어, 탐지기 어레이 (3) 내 픽셀들 (52)의 대부분을 커버하지만, 센서-내장 칩 (54)의 환경에 민감한 부분들 (53) 위로는 제공되지 않는다. 그러나, 접착제 EP 353ND는 전체 내부 패키지를 위한 포팅 (potting) 작용제 (56)로서 사용될 수 있을 불투명한, 예를 들면, 블랙의 형상으로 또한 제공된다. 상기 불투명한 접착제 (56)는 광학적 절연체 또는 광 흡수 봉합재 또는 격벽 (baffle)으로서 소용이 될 수 있을 것이며, 빗나간 광 문제점들을 최소화하기 위해서 패키지 내에서 LVF (2)를 둘러싸고 탐지기 어레이 (3)의 민감한 전기적 컴포넌트들을 커버한다. 접착성 포팅 작용제 (56)는 현재 필요한 커버 윈도우을 필요로 하지 않는, 패키지 내의 전자 장치들 (53)을 위한 주변 보호제로서 소용이 된다. 상기 투명 접착제 (51) 그리고 블랙 포팅 물질 (56)과 동일한 물질을 사용하는 것은 열적인, 광학적인 그리고 제조하는데 있어서의 유리함들을 가진다.

그래서, 각 픽셀이 보는 해상도 (파장들의 범위)에 영향을 미치는 3가지 요인들이 존재한다: 첫 번째로, 픽셀 폭은 LVF (2) 상의 중심 파장들의 범위에 기하학적으로 대응하며, 예를 들면, 900 - 1700 nm의 범위인 LVF를 가진 50 um 픽셀이 6.3 nm 파장을 본다. 두 번째로, LVF (2)는 설계 및 입사 광의 원추 각도의 조합에 의해서 세팅된 타고난 대역폭을 가진다 (예를 들면, 위치에 종속하여 1% 폭, 또는 9 nm 내지 17 nm). 세 번째, 상기 갭 및 원추 각도는 블러링 또는 가중치 효과를 부과한다 (예를 들면, 가중된 평균으로서 1 픽셀 폭, 또는 추가적인 6.3 nm). 이것들의 중첩이 기구의 전반적인 해상도를 세팅하며, 예를 들면, 우리의 현재 기구에서는 1.1 % 이다.

휴대용 분광계 (1)의 휴대용 응용들은 필드에서의 위험 탐지; 제약의, 제어된 물질들 및 식품 제품들; 과학 수사; 식품 산업에서의 프로세스 모니터링; 그리고 리싸이클링 및 오염 탐지를 위한 제품 확인을 포함한다. 근접 IR 신호 (구조)를 가진 것은 어떤 것이든 측정되고 판별될 수 있다.

도 15에 도시된 대안의 실시예에서, 핸드헬드 컴팩트 분광계 (1)는 배터리-팩 (59)에 연결된 광학 패키지 그리고 원격 위치들에 제공된 제어 기기 (7), 예를 들면, 제어 하드웨어 및 소프트웨어와 통신하기 위한 블루투스 또는 WiFi 칩 (60)을 포함한다.

사용자는 실시간 예측을 위해서 안드로이드, 윈도우-기반 또는 애플 iOS-기반 기기, 즉, 상기 제어 기기 (7)에 연결된 컴팩트 분광계 (1)를 사용하고 있을 것이다. 이상적으로, 상기 제어 기기 (7) 그리고 상기 컴팩트 분광계 (1)는 USB 케이블 (6) 또는 단독의 블루투스 또는 WiFi 접속을 경유하여 통신하며, 즉, 그것들은 이 로컬 네트워크 상의 단 두 개의 기기들이다. 어떤 클라우드 인터페이스도 존재하지 않는다; 사용자는 방법 파일 (method file) (62) 또는 앱을 하드코딩된 방법으로 상기 제어 기기 (7)의 비-일시적 메모리로 업로드하고, 상기 제어 기기 (7)는 상기 컴팩트 분광계 (1)를 제어하고 상기 저장된 방법 파일 (62)을 실행시킬 것으로 예상된다. 상기 방법 파일 (62)은 스펙트럼 라이브러리로부터 유도된 스펙트럼 모델(들) 및 프리-프로세싱 (pre-processing)의 조합을 언급하는 것이며, 이는 컴팩트 분광계 (1)의 최종 사용자에게 예측을 제공한다. 애플리케이션을 위해 다수의 결과들이 요망된다면 상기 방법 파일 (62)은 하나 이상의 모델을 포함할 수 있다. 상기 방법 파일 (62)은 요망되는 컴팩트 분광계 구성, 예를 들면, 노출 시간, 평균까지의 스캔들의 개수를 또한 규정하거나, 또는 이 세팅들이 기구 셋업 절차의 일부로서 정의되도록 남길 수 있다.

프리-프로세싱은 베이스라인 오프셋 또는 샘플 광 산란과 같은 측정된 스펙트럼의 세트에서 다양한 효과들을 제거하기 위한 수학적인 데이터 취급 또는 프로세싱의 기술이다. 그 기술들은 도함수, 스캐터 (scatter) 및 베이스라인 보정을 포함한다. 프리-프로세싱의 특정한 선택은 구별을 향상시키기 위해서, 즉, 동일한 물질의 여러 스펙트럼들 사이의 차이를 최소화하고 그리고 차이가 있는 물질들의 스펙트럼들 사이의 차이를 최대화하기 위해서 선택된다.

스펙트럼 라이브러리는 알려진 "레퍼런스" 물질들의 일련의 스펙트럼 측정치들로, 상기 제어 기기 (7) 또는 그 제어 기기에 연결된 서버 (64) 상의 비-일시적 메모리에 저장된 다양한 상이한 물질들 또는 단일 물질 유형의 여러 버전들 중의 어느 하나이다. 그 예들은 백색 파우더들의 상이한 샘플들의 일련의 근적외선 (near infrared (NIR)), 적외선 (infrared (IR)) 또는 라만 (Raman) 스펙트럼들일 수 있다. 상기 스펙트럼 라이브러리는 '스펙트럼 모델'을 생성하기 위해서 사용될 것이다.

'스펙트럼 모델 (spectral model)'은 스펙트럼들의 특정 세트로부터 유도된 수학적 방정식을 언급한다. 모델들은 상기 스펙트럼 라이브러리로부터 통계적으로 유도된 회귀 벡터 (regression vector)들이며, 이는 상기 라이브러리 내에 스펙트럼들에 대한 알려지지 않은 스펙트럼의 유사성의 양을 표시한다. 예를 들면, "스펙트럼 모델"은 주어진 물질에 대응하는 스펙트럼 피크들의 파장들, 진폭들 그리고 폭들을 포함할 수 있다. 이 파장들, 진폭들 그리고 폭들은 측정된 프리-프로세싱된 스펙트럼들의 파장들, 진폭들 및 폭들과 비교된다. 이 비교의 결과들은 예측 엔진 (63)에 의해서 ID 또는 패스/실패 애플리케이션들을 위해 정성적 또는 순도 (purity) 또는 선광 (concentration) 판별을 위한 정량적의 어느 하나로 번역될 수 있다.

상기 예측 엔진은 컴퓨터 하드웨어 및/또는 상기 제어 기기 (7) 상의 비-일시적 메모리에 저장된 소프트웨어로 구성된다. 상기 결정된 파라미터 또는 결과는 '예측 (prediction)'으로 언급된다. 상기 예측 엔진 (63)에 의해서 제공된 예측은 상기 컴팩트 분광계 (1)로 전송될 수 있으며, 사용자가 관찰하거나 또는 상기 제어 기기 (7) 상의 적합한 그래픽 사용자 인터페이스 상에서 단순하게 관찰되도록 한다. 대안으로, 상기 예측은 미래의 검토를 위해서 상기 제어 기기 (7) 또는 원격 서버 (64) 상의 비-일시적 메모리에 저장될 수 있다.

상기 예측 엔진 (63)은 두 방식들 중 하나의 방식으로 예측을 할 수 있을 것이다; 첫 번째, 알려진 모델들 및 프리-프로세싱을 이용한 단순 방법들은 분광계 공급자 소프트웨어에서 직접적으로 수행될 수 있을 것이다. 두 번째로, 복잡한 또는 서드-파티-독점적 방법들은 서드-파티 포맷으로 업로드될 수 있으며, 그리고 상기 제어 기기 (7)는 실-시간 예측들을 수행하기 위해서 서드-파티 예측 "엔진"과 통신할 것이다. 상기 서드-파티 엔진은 상기 제어 기기 (7) 상에 상주할 필요가 있을 것이다. 데이터 축소 또는 투사 기술들은 부분 최소 자승법 (Partial Least Squares), 주성분 분석 (Principle Component Analysis), 주성분 회귀 (Principle Component Regression), 부분 최소 자승 판별 분석 (Partial Least Square Discriminate Analysis), 그리고 클래스 유추의 소프트 독립적 모델링 (Soft Independent Modeling of Class Analogy)을 포함할 수 있다.

몇몇의 사용자들은 스캔들 및 예측들의 이력을 보존할 것을 원할 수 있다. 이 목적을 위해서, 상기 제어 기기 (7)는 스펙트럼들 및 예측들을 로컬에서 저장하고 그리고 (예를 들면, USB, WiFi, 블루투스 또는 4G 네트워크를 경유하여) 네트워크에 연결되면 서버 (64)에 동기화하기 위한 능력을 가질 것이다. 상기 제어 기기 (7)는 동기화할 때에 상기 서버 (64)로부터 업데이트된 방법을 수신하기 위한 능력을 또한 가질 것이다. 적절한 방법 선택을 위한 바코드 리더기가 이 시나리오에서 소망될 수 있다.

방법 소프트웨어 (62)는 나중의 평가 또는 캘리브레이션 업데이트를 위해, 알려지지 않은 스펙트럼들을 상기 서버 (64)를 경유하여 공학자에게 전송하기 위한 능력을 가질 것이다.

방법들을 저장하고 실행하는 것에 추가로, 상기 제어 기기 (7) 상의 애플리케이션 방법 (62)은 분광계 (1)의 건강을 셋업하고 체크할 수 있을 것이며, 예를 들면, 레퍼런스 측정들을 수행할 수 있을 것이다. 상기 컴팩트 분광계 (1)의 '진단' 능력은 외부의 파장 정밀도 표준의 측정 (NIST 2036 또는 등가물) 그리고 기구 정밀도가 완전하다는 확인을 포함할 것이다. 광도계 잡음 및 선형성 계산 또한 필요하다. 진단 스캔들은 초기 스타트-업 동안에 또는 사용자 요청 시에 수행될 수 있다.

도 16에 도시된 대안의 구성에서, 컴팩트 분광계 (1) 및 제어 기기 (7)는 무선 네트워크 (72)를 경유하여 서로에게 연결되며 사용자 서버 (71)에 연결된다. 그런 시스템의 예는 제약 회사의 수납 도크이다. 상기 방법 파일 (62) 그리고 예측 엔진 (63)은 제어 기기 (7) 대신에 상기 서버 (71) 상에 저장된다. 상기 하부구조 모드에서, 사용자는 분석될 샘플 (15)의 바코드 (73)를 스캔할 수 있을 것이다 (심지어는 스캔하도록 요청 받을 수 있을 것이다). 비-일시적 메모리에 저장되어 제어 기기 (7) 상에서 실행되는 소프트웨어는 카메라를 이용해서 촬영된 사진에 관하여 상기 제어 기기 (7) 상에서 바코드 인식 알고리즘을 사용할 것이며, 그리고 서버 (71)로부터 적절한 방법을 선택하기 위해서 상기 바코드 (73)를 사용하고, 기록된 스펙트럼 및 결과에 디스플레이 및 저장을 위해 적절하게 라벨을 붙일 것이다. 사용자는 그 후 컴팩트 분광기 (1)의 통합된 스캔 버튼을 눌러서 물질을 스캔할 것이다. 그 사용자는 상기 제어 기기 (7)로부터의 스캔을 명령하기를 또한 원할 수 있을 것이다. 스캔이 완료될 때에, 사용자는 예측된 결과를 제어 기기 (7) 상에 볼 것이며 그리고 상기 방법에 기초하여 그 결과를 승인할 것이다. 바코드 통합이 사용자 사이트에서 효과가 없다면, 사용자는 컴팩트 분광계 (1)를 이용한 스펙트럼 취득을 수행하기 이전에 상기 서버 (71) 상에 저장된 목록으로부터 적절한 방법 파일을 선택할 수 있다.

하부구조 모드 내 특별한 케이스에서, 오퍼레이터는 방법을 선택하는 것을 포함하여 컴팩트 분광계 (1)를 설정하고, 그리고 그 후 단일의 패스/실패 평가에서 샘플들을 스캔하기 위해서 상기 분광계 (1)를 동작시킬 수 있다. 이 모드에서, 상기 분광계 (1)는 상기 제어 기기 (7)와 통신할 것이며 통합된 스캔 버튼에 의해서 WLAN (72)을 경유하여 트리거될 것이며, 그리고 패스/실패 결과들에 관한 청각적인, 시각적인 또는 촉각적인 (진동의) 피드백을 제공할 것이다.

상기 방법들, 스펙터럼들 및 결과들은 모두 상기 제어 기기 (7)가 아니라 사용자 데이터베이스 서버 (71) 상에 세이브되고/저장될 것이다. 추가로, 방법들은 상기 제어 기기 (7)로 거꾸로 패스된 결과를 이용하여 로컬 클라우드, 즉, 서버 (71) 상에서 실행될 수 있으며, 이는 사용자에게 투명 (transparent)하다. 적절한 특권을 가진 사용자는 여러 컴팩트 분광계들 (1)로부터의 결과들을 보고 그리고 로컬 클라우드와의 상호작용에 의해서 여러 사용자들을 위한 특권 관리를 제공하기 위한 능력, 예를 들면, 방법들을 생성하거나 또는 그 방법들을 사용하게만 하는 능력을 가져야만 한다. 21 CFR Part 11을 준수하는 소프트웨어는 이 시나리오를 위해 필요하며; 각 사용자는 훈련된 오퍼레이터들이 허용된 대로 컴팩트 분광계 (1)를 사용만 하도록 허용하는 상이한 '관리' 특권들을 가져야 한다. 21 CFR Part 11은 데이터의 확실함을 위한 메커니즘을 또한 제공하며, 이 경우 적절한 권한이 없다면 어떤 데이터도 삭제되거나 변경될 수 없다. 로컬 서버 (71)는 21 CFR Part 11을 준수하는 것의 필수적인 부분일 것으로 기대된다.

컴팩트 분광계 (1)의 애플리케이션에 고도로 특정된 또 다른 구성에서, 클라우드-기반의 컴퓨팅의 코어 구조가 중요하다. 그 코어 구조 및 관리 프로세스는 도 17에서 도시된 것과 유사하다.

이 구성에 대해 사용자는 초보자이며 그리고 NIR 기술 또는 분광계 (1)에 대한 경험을 반드시 가질 필요는 없다. 그 사용자는 매우 특정된 샘플링 및 테스트 절차를 기초로 하는 대답을 제공하기 위해서 그 분광계 (1)를 단지 기다릴 뿐이다. 전형적인 전문용어는 "표준 동작 절차 (standard operating procedure)" 또는 SOP이다. 법 집행 관리, 위험물질 기술자, 또는 군대 인원이 좋은 예들이다.

제어 기기 (7) 상의 정교한 앱은 컴팩트 분광계 (1)의 초기화 및 설정을 통해서 사용자를 안내할 것이다. 그 앱은 업데이트들 및 방법들을 원격의 그리고 안전한 장소에 배치된 상기 분광계 공급자의 서버 (71)로부터, 예를 들면, 인터넷과 같은 하나 또는 그 이상의 네트워크들을 경유하여 필요한대로 다운로드할 것이다. 이 구성에서, 상기 기구에게 완전하게 특징을 부여하며 베이스라인 및 제로 (zero)가 필드에서는 더 이상 수행될 필요가 없을 것이며 셋업은 완전하게 자동적일 것이라는 포인트까지 상기 기구를 주기적으로 검증하는 옵션이 제공된다.

"클라우드-기반 동작 모드 (Cloud-Based Operation mode)"에서, 분광계 공급자의 구성원들은 방법 소프트웨어 (62) 관리 그리고 시스템 건강 및 성능 모니터링을 담당할 것이다. 상기 방법 소프트웨어 (62)는 상기 분광계 (1)의 공급자가 소유하고 관리할 것이다. 그처럼, 상기 방법 소프트웨어 (62)에 대한 어떤 업데이트들도 로컬 가입자 기지로 '푸시'될 필요가 있을 것이다.

유사하게, 상기 분광계 (1)에 의해서 생성된 결과들 및 데이터는 분광계 공급자 (또는 그들의 파트너)의 서버 (71)로 거꾸로 전달되어, 가능한 미래의 사용을 위해서 보관될 것이다. 최종 사용자의 샘플들 (15)로부터 분광계 공급자 서버 (71)로 거꾸로 오는 데이터는, 필드로부터의 결과들 그리고 분광계 공급자 서버 (71)에서 적용된 방법들에 의한 업로드된 스펙트럼들의 추가의 분석 둘 모두를 기초로 하여 통계적인 유사성 또는 유일함을 위해서 스크린될 것이다. 샘플이 분광계 공급자의 라이브러리에 비교될 때에 유일한 것으로 간주된다면, 그 스펙트럼은 미래의 방법 업데이트로의 가능한 추가로서 플래그될 것이다 (그리고 사용자는 통보받을 것이며 그리고 더 많은 정보를 제공하도록 요청 받을 것이다). 본질적으로, 이것은 현존하는 방법에 의해서 현재 해결되지 않는 어떤 변이성을 설명하기 위해서 상기 모델에 추가로 포함시키기 위한 유일 샘플들을 수집하는 것이다.

Claims

휴대용 분광계 기기로서:
샘플에 광을 향하게 하기 위한 조명 소스;
상기 샘플과 상호작용하는 광을 제1 초점비 (focal ratio)에서 캡쳐하고 그 광을 상기 제1 초점비보다 더 낮은 제2 초점비에서 배송하기 위한 테이퍼된 광 파이프 (tapered light pipe (TLP));
상기 캡쳐된 광을 구성 파장 (constituent wavelength) 신호들의 스펙트럼으로 분리하는 선형 가변 필터 (linearly variable filter (LVF)); 그리고
복수의 픽셀들을 포함하는 탐지기 어레이를 포함하며,
상기 복수의 픽셀들 각각은 상기 구성 파장 신호들 중 하나의 구성 파장 신호의 적어도 일부를 수신하기 위해 배치되어 각 구성 파장에 대한 전력 표시눈금 (reading)을 제공하며,
상기 TLP는 상기 샘플에 인접하여 위치하게 하는 제1 말단, 상기 LVF에 인접한 제2 말단, 상기 광을 믹싱하고 상기 LVF를 가로질러 확산시키기 위해 상기 제1 말단으로부터 상기 제2 말단으로 분기한 측벽들, 및 상기 LVF로의 배송을 위해서 경사진 광선 다발 (bundle)들을 똑바르게 하기 위한 렌즈 출사면 (lensed exit face)을 포함하는, 휴대용 분광계 기기.
제1항에 있어서,
상기 TLP는 20° 및 40° 사이의 원추 (cone) 각도로 f/1의 제1 초점비에서 광을 수용하고 그리고 반사된 광을 10° 미만의 원추 각도로 f/3 미만의 제2 초점비로 상기 LVF로 배송하는, 휴대용 분광계 기기.
삭제
제1항에 있어서,
상기 LVF 및 상기 탐지기 어레이는 스펙트럼 해상도를 증가시키기 위해서 200 um 미만의 갭 (gap)에 의해서 분리된, 휴대용 분광계 기기.
제4항에 있어서,
상기 갭은 상기 LVF 상의 단일 라인이 상기 탐지기 어레이 상에 픽셀-폭 라인을 생성하는 것을 확실하게 하는, 휴대용 분광계 기기.
제4항에 있어서,
상기 LVF는 상기 탐지기 어레이에 직접 본딩되며; 그리고
상기 갭은 5 내지 15 마이크론 두께의 광학적으로 투명한 접착제를 포함하는, 휴대용 분광계 기기.
제1항에 있어서,
TLP 부트 (boot)를 더 포함하며,
상기 TLP 부트는,
상기 TLP를 지지하기 위한 지지부, 그리고
상기 TLP를 상기 샘플로부터 이격시켜서 상기 샘플로부터의 광이 30°의 원추 각도로 상기 제1 초점비 f/1에 의해 한정된 원하는 수용 각도에서 상기 TLP에게 제시되는 것을 확실하게 하는 스페이서부를 포함하는, 휴대용 분광계 기기.
제7항에 있어서,
상기 TLP 부트의 스페이서부는 상기 TLP에 도달하는 것으로부터의 정반사 (specular reflection)를 줄이기 위한 계단식 내부 벽들을 포함하는, 휴대용 분광계 기기.
제1항에 있어서,
하우징; 및
상기 하우징 내의 제어 시스템을 더 포함하며,
상기 제어 시스템은 프로세서, 비-일시적 메모리, 그리고 USB 코드를 수납하기 위한 USB 커넥터로 구성되어, 상기 프로세서와 호스트 컴퓨터 사이의 데이터 전달을 가능하게 하는, 휴대용 분광계 기기.
제1항에 있어서,
제어 기기와 통신하기 위한 블루투스 또는 WIFI 칩을 더 포함하며,
상기 제어 기기는 테스트 절차들을 송신하고 테스트 결과들을 수신하는, 휴대용 분광계 기기.
제1항에 있어서,
상기 분광계 기기에 2.5 W 미만의 전력을 제공하기 위한 USB 케이블 커넥터 또는 배터리를 더 포함하는, 휴대용 분광계 기기.
제1항에 있어서,
상기 조명 소스, 상기 TLP, 상기 LVF 그리고 상기 탐지기 어레이를 둘러싸기 위한 하우징을 더 포함하며,
상기 하우징은 2" x 2" 보다 더 작은, 휴대용 분광계 기기.
제12항에 있어서,
상기 하우징, 상기 조명 소스, 상기 TLP, 상기 LVF 그리고 상기 탐지기 어레이는 0.5 파운드보다 더 작은 무게인, 휴대용 분광계 기기.
제1항에 있어서,
상기 조명 소스는 적어도 하나의 광 소스를 포함하며,
상기 적어도 하나의 광 소스는 상기 LVF의 길이방향 축으로부터 예각에 배치되며 상기 샘플 상에 집중조명 (spot)을 생성하도록 하여, 광이 상기 샘플로부터 상기 길이방향 축을 따라서 상기 LVF로 반사되도록 하는, 휴대용 분광계 기기.
제14항에 있어서,
각 광 소스는 상기 샘플 상에 5 mm 미만의 집중조명을 생성하기 위해 끝에 진공 텅스텐 램프가 달린 렌즈를 포함하는, 휴대용 분광계 기기.
제14항에 있어서,
상기 조명 소스는 두 개의 광 소스들을 포함하며; 그리고
상기 TLP의 한 말단은 상기 두 개의 광 소스들 사이에 배치된, 휴대용 분광계 기기.
제1항에 있어서,
주변 온도에 기초하여 각 구성 파장의 전력 표시눈금을 조절하기 위한 온도 피드백 시스템을 더 포함하는, 휴대용 분광계 기기.
분광계 시스템으로서:
제1항의 휴대용 분광계 기기;
상기 휴대용 분광계 기기를 제어하기 위해 상기 휴대용 분광계 기기에 동작가능하게 연결된 제어 기기; 그리고
스펙트럼들을 저장하기 위해 무선 디지털 네트워크를 경유하여 상기 휴대용 분광계 기기 및 상기 제어 기기에 동작가능하게 연결된 서버를 포함하는 분광계 시스템.
제18항에 있어서,
상기 제어 기기는,
상기 휴대용 분광계 기기로부터 스펙트럼을 수신하고;
상기 스펙트럼을 스펙트럼들의 라이브러리와 비교하고; 그리고
상기 비교의 결과를 디스플레이로 출력하도록
구성된, 분광계 시스템.
제18항에 있어서,
상기 서버는,
상기 휴대용 분광계 기기로부터 스펙트럼을 수신하고;
상기 스펙트럼을 스펙트럼 모델들의 라이브러리와 비교하고; 그리고
상기 비교의 결과를 디스플레이로 출력하도록
구성된, 분광계 시스템.
제20항에 있어서,
상기 서버는 스캔 특성들 및 스펙트럼 모델들의 저장부를 포함하며;
상기 제어 기기는 바코드 리더기를 포함하며,
동작 시에, 상기 바코드 리더기는 상기 샘플에 대응하는 바코드를 읽으며, 상기 제어 기기는 상기 바코드를 상기 서버로 전달하며, 그리고 상기 서버는 상기 바코드에 기초한 비교를 위해서 상기 스캔 특성들 및 스펙트럼 모델을 선택하는, 분광계 시스템.