TWI593950B - 可攜式光譜儀 - Google Patents

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TWI593950B
TWI593950B TW102141324A TW102141324A TWI593950B TW I593950 B TWI593950 B TW I593950B TW 102141324 A TW102141324 A TW 102141324A TW 102141324 A TW102141324 A TW 102141324A TW I593950 B TWI593950 B TW I593950B
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科提斯Ｒ 魯嘉
查爾斯Ａ 荷斯
布雷特Ｊ 拜恩斯
古登 馬克Ｋ 梵
克里斯多夫Ｇ 彼得森
納達Ａ 歐布萊恩
潔瑞 西巴
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唯亞威方案公司
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Description

可攜式光譜儀
本發明係關於一種可攜式光譜儀，且特定而言係關於一種需要最小功率及大小之穩健高效能可攜式光譜儀。
在過去十年內，NIR光譜學已日益發展成製藥行業中用於生產及品質控制之一不可或缺的分析工具。定性NIR研究頻繁應用於傳入原材料之識別控制中，而最終產品之定量分析係製藥流程鏈中之一重要步驟。然而，大多數製藥分析仍藉由自生產地點提取一樣本並將其輸送至一遠距離品質控制實驗室來執行。取樣與結果獲得之間的此延遲限制分析頻率及生產線之最佳化。因此，能夠執行程序之一迅速在線或線上分析之新穎可攜式現場儀器可被視為用以提高製藥行業之有效性之一關鍵工具。
較舊版本之精巧型光譜儀(諸如海洋光學有限公司(Ocean Optics,Inc.)於2012年7月26日發佈之美國專利公開案2012/0188541及以維爾克斯有限公司(Wilks Enterprise,Inc.)名義於2005年1月13日發佈之2005/0007596中所揭示之光譜儀)試圖藉由提供一系列光學路徑摺疊鏡來使其佔用面積最小化。令人遺憾地，摺疊鏡在製造期間需要大量對準程序，且並不提供用於現場使用之裝置之一極穩健結構，從而導致低或不可預測之效能。
歷史上，光導管、光管或光傳送導管用於光束塑形或光重新引 導應用。實例係用於顯示器或正投影電視應用之顯示引擎技術，諸如美國專利第7,252,399號及第7,033,056號；以及美國專利申請案第2006/0044833號中所揭示之彼等技術。Wilks等人於2002年7月16日發佈之美國專利第6,420,708號揭示一種包含用於將光傳輸至一樣本但不用於塑形供遞送至一濾光器之經反射光之一矩形光管或晶體之光譜分析儀。
美國專利第6,473,165號；第7,006,204號；及第7,184,133號係關於其中量測並比較以自一光學干擾安全特徵反射掉之兩個不同入射角之兩個單獨光束之反射之自動驗證系統。揭示一種用於收集及集中光之漸斂錐形光管。
本發明之一目標係藉由提供一種包含供用於一現場樣本測試裝置中之一寬頻光源及偵測器陣列之高效能穩健可攜式低功率光譜儀來克服先前技術之缺點。
因此，本發明係關於一種可攜式光譜儀裝置，其包括：一照射源，其用於將光引導於一樣本處；一錐形光管(TLP)，其用於以一第一焦比捕獲與該樣本交互作用之光及以低於該第一焦比之一第二焦比遞送該光；一線性可變濾光器(LVF)，其用於將該所捕獲之光分離成一構成波長信號光譜；及一偵測器陣列，其包含複數個像素，該複數個像素中之每一者經安置以接收該等構成波長信號中之一者之至少一部分，從而提供每一構成波長之一功率讀數；其中該TLP包含用於毗鄰於該樣本定位之一第一較小端、毗鄰於該LVF之一第二較寬且較高端以及自該第一端漸擴至該第二端以用於跨越該LVF混合及擴散該光之側壁。
1‧‧‧精巧型光譜儀/光譜儀/裝置/可攜式光譜儀/手持式精巧型光譜儀
2‧‧‧濾光器/線性可變濾光器
3‧‧‧寬頻偵測器陣列/偵測器陣列/像素陣列
4‧‧‧控制系統
6‧‧‧通用串列匯流排線/通用串列匯流排纜線
7‧‧‧主機控制器裝置/控制裝置
8‧‧‧保護蓋
10‧‧‧開關
11‧‧‧錐形光管/平坦錐形光管
12‧‧‧自含式光源/光源/燈
15‧‧‧樣本/固態樣本/液態樣本
20‧‧‧殼體
21‧‧‧透明保護窗/前保護窗/保護窗/窗
23‧‧‧有透鏡之面/圓柱形透鏡
25‧‧‧梯狀罩/罩/錐形光管罩
26‧‧‧支撐區段
27‧‧‧間隔物區段
28‧‧‧階梯式內表面
29‧‧‧平坦矩形梯/梯
30‧‧‧間隔物層
31‧‧‧第一反射體層
32‧‧‧第二反射體層
33‧‧‧基板
41‧‧‧溫度回饋裝置
51‧‧‧光學透射黏合劑/黏合劑/黏合劑材料/透明黏合劑
53‧‧‧內部電子組件及導線/環境敏感部件/電子器件
54‧‧‧互補金屬氧化物半導體處理晶片/感測器承載晶片
55‧‧‧玻璃蓋
56‧‧‧罐封劑/不透明黏合劑/黏合劑罐封劑/黑色灌封材料
59‧‧‧電池組
60‧‧‧藍芽/WiFi晶片
62‧‧‧方法檔案/方法軟體/應用方法
63‧‧‧預測引擎
64‧‧‧伺服器/遠距離伺服器
71‧‧‧伺服器/使用者資料塊伺服器/本端伺服器/光譜儀提供者伺服器
72‧‧‧無線網路/無線區域網路
LA‧‧‧縱向軸
將參考表示本發明之較佳實施例之隨附圖式來更詳細地闡述本發明，其中：圖1a係根據本發明之光譜儀系統之一示意圖；圖1b係在一使用者之手中的圖1a之光譜儀之一透視圖；圖1c係圖1a之光譜儀系統之一透視圖；圖2a及圖2b係圖1a之可攜式光譜儀之兩個不同實施例之側視圖；圖3係圖1a之可攜式光譜儀之光源中之一者之一俯視圖；圖4係圖1a之可攜式光譜儀之一殼體之一俯視圖；圖5a、圖5b及圖5c分別係圖1a之光譜儀之錐形光管之等角視圖、側視圖及俯視圖；圖6係具有及不具有一TLP之一光譜儀之傳輸對波長之一曲線圖；圖7a及圖7b分別圖解說明來自一標準TLP及一有透鏡之TLP之傳入射線束及傳出射線束；圖8係具有及不具有一有透鏡之TLP之一光譜儀之傳輸對波長之一曲線圖；圖9係圖1a之可攜式光譜儀之一TLP罩之一等角視圖；圖10a及圖10b分別係本發明之具有及不具有TLP罩之一光譜儀之回應對波長之曲線圖；圖11係圖1a之可攜式光譜儀之LVF之一側視圖；圖12係圖1a之可攜式光譜儀之LVF及偵測器陣列之一示意圖；圖13a及圖13b分別係在本發明之LVF與偵測器之間具有一750微米間隙及具有一200微米間隙之一光譜儀之回應對波長之曲線圖；圖14圖解說明根據本發明之一LVF及偵測器陣列結構之一側視圖； 圖15係根據本發明之一無線光譜儀系統之一示意性圖解說明；且圖16係根據本發明之一替代無線光譜儀系統之一示意性圖解說明。
參考圖1a、圖1b、圖1c、圖2a及圖2b，根據本發明之一精巧型光譜儀1係圍繞安裝於一寬頻偵測器陣列3(例如，大於500nm、較佳大於600nm且最佳大於700nm寬)(諸如砷化銦鎵(InGaAs))上之一濾光器2構建之一極小(例如，小於5磅、較佳小於2磅、更佳小於0.5磅且理想地小於100g)無電池、精巧型(例如，小於6”×6”×2”、較佳小於6”×3”×1”且更佳小於4”×2”×0.5”)低成本手持式光譜儀。該濾光器可係需要用以起作用之一指定輸入錐角之任何形式之光譜儀，例如，基於繞射、相位全像、受抑全反射(FTR)或基於線性可變濾光器(LVF)之儀器，但一LVF係較佳的。
LVF係眾所周知用以產生穩定且可靠光學組件的使用高能程序沈積之一介電薄膜法布裏-佩羅(Fabry-Perot)帶通濾光器。有意地沿一個方向楔入LVF中之濾光器塗層。由於帶通濾光器之中心波長隨塗層厚度而變，因此，峰值傳輸之波長沿著楔入之方向連續變化。LVF通常由無機材料(諸如SiO2及Ta2O5)製作，藉由離子輔助之物理汽相沈積技術產生，從而產生具有高可靠性及穩定性之密緻塗層。
理想地，光譜儀1完全經USB供電，亦即，給光譜儀供電達2.5W或更少，但藉助一無線連接之電池電力在本發明之範疇內，如下文中將詳述。由一處理器及適合非暫時性記憶體構成之一控制系統4包含一適合USB連接器以用於接納一USB連接線6，從而達成控制系統4與理想地裝納於一保護蓋8中之一主機控制器裝置7(例如，膝上型電腦、筆記型電腦、迷你筆記型電腦或個人數位助理)之間的資料傳 送。藉由開關10啟動之一或多個自含式光源12用以將光引導至一樣本15上以使得以漫射方式反射、傳輸或以其他方式交互作用之輻射將由一光收集光學器件(例如，一錐形光管(TLP)11)捕獲以供遞送至濾光器(例如，LVF 2)。
為了在維持穩健性及高效能之同時使光譜儀1之大小及操作功率消耗最小化，必須解決諸多問題，包含：1)使光路徑儘可能高效；2)在該組中使用TLP 11替代光纖；3)接近於偵測器3放置LVF 2以使所需光學器件最小化；4)不冷卻偵測器陣列3，以避免一TE冷卻器之功率需求；及5)提供消耗儘可能小功率但仍提供寬頻照射(例如，在IR區中)之(若干)光源12。
根據本發明，光譜儀1在操作時甚至在光源12由兩個或兩個以上燈構成時亦消耗小於2.5W之功率。對於近紅外光而言，光源12較佳由提供寬頻照射(例如，跨越儀器之作用範圍在500nm內、較佳在700nm內、最佳在1000nm內(例如，對於NIR而言，在900nm至1700nm之範圍中或在900nm至2150nm之範圍中))之一個或兩個板上白熾燈(例如，真空鎢燈)構成。一個燈12足夠；然而，兩個燈12添加更多光以供樣本交互作用，因此減少整合次數。然而，存在一實際限制：空間約束及USB或電池電力限制。
參考圖2a及圖2b，對於光源12，通常存在兩種組態。在一種組態中，用來自一個、兩個或複數個光源12之相對準直之光以自法線至樣本15之一銳角(例如，自TLP 11之一縱向軸LA的45°)照射樣本15，且其中TLP 11之一端等距地安置於每一燈之間。TLP 11之縱向軸LA垂直於LVF 2及偵測器陣列3之基板。在另一配置中，洪泛地照射樣本15。在兩種配置中，TLP 11之接收端經安置以接收來自樣本15之實質上法向入射(亦即，沿著縱向軸LA)之光。光源12經安置以排除來自樣本15之鏡面反射。45°照射漫射反射量測或透射反射量測。理想地， 每一光源12包括一透鏡傾斜之真空鎢燈以用於在樣本15上形成一5mm、較佳3mm或更小之光點。參考圖4，光源12及TLP 11之端理想地凹入於自裝置1之一主體向外延伸之一殼體20中。殼體20具有由一透明(例如，藍寶石)保護窗21覆蓋之一開口，穿過透明保護窗21光投射至樣本15上，且經反射光由TLP 11捕獲。殼體20保護光源12免受損壞，並防止來自外部源之雜散光進入TLP 11之端。反射模式及其中樣本15放置於光源12與TLP 11之間的透射模式兩者皆係可能的，如圖2a及圖2b中分別圖解說明。
一小可攜式體之概念亦可包含(但不限於)用於觀看光譜的在背面上之一小螢幕、一簡單瞄準拍攝(point-and-shoot)介面、一電池、用於儲存光譜之一記憶體卡、一電腦介面、一閃光或板上照射源以及用於建構、載入及使用板上「應用程式」以供後處理資料之一框架。
光源12之第一實施例併入兩個透鏡傾斜之真空鎢燈之使用以將強烈NIR光呈現給樣本15。理想地，該等燈經定向以使得光將以自法線至樣本之一銳角(例如，45°)照射樣本15，且鏡面反射將反射至對置燈中。理想地，在樣本15上形成一3mm直徑光點。在正常條件下，將無直接鏡面發射進入至TLP 11之入口孔徑中。此仍係一可行照射條件，但具有一個缺陷，亦即，兩個經投射光束在具有約500μm之一「量測場深度」之一個位置處重合。諸多(若非大多數)NIR量測量測來自表面以及樣本內(亦即，在某些情形中穿透深度可高達10mm)之光。儘管對於控制鏡面發射而言係優良的，但此照射可形成可變透射反射結果。若樣本15僅在其表面處正被量測，則此係一可行照射配置。
替代實施例之光源12併入藉助非定向燈進行之洪泛照射。洪泛照射用減輕「量測場深度」問題(亦即，針對透射反射量測而非僅表面量測高達10mm)之非準直光籠罩樣本15。洪泛照射亦能夠將較多 NIR光通量遞送至正被量測之樣本15。額外自由度係以需要控制來自光譜儀1之前保護窗21之寄生鏡面光為代價。此藉助使用嚴格界定藉由TLP 11之入口孔徑所見之視域之一梯狀罩25(參見圖9)來達成。自燈12進入至TLP 11中之不期望光之減輕藉由燈12相對於罩25之入口孔徑之位置、罩25多靠近窗21之後表面、窗21多厚及施加至窗21以使鏡面反射最小化之塗層來達成。
TLP 11提供經設計以任何所要波長將光譜光能量呈現(亦即，自樣本15之一朗伯散射表面或透射半透明表面反射)給LVF 2之輸入表面以供傳輸至偵測器陣列3之光收集光學器件。為了使濾光器/偵測器陣列總成2/3高效地操作，進入LVF 2之光需要具有0.2或更小之最大受光NA。為達成一可接受NA，自正被量測之樣本15收集之輸出輻射圖案需要一透鏡或一錐形光管。取決於光譜引擎或光譜儀操作參數，錐形光管11在構造上可係固態實心的(例如，Schott N-BK7玻璃)或中空的。可針對反射或透射類型取樣及/或光學路徑長度最佳化TLP 11之錐度角。TLP 11可具有針對中空或是實心設計而施加之一反射塗層或不具有塗層。錐形及非錐形光管可或並不具有用以增加來自樣本之信號之光再循環性質。光譜儀或光譜感知將規定所關注之波長區域並最終管控光管設計。
在圖5a、圖5b及圖5c中圖解說明其一特定實例之錐形光管(TLP)11以一第一焦比(例如，f/1)及錐角(例如，介於20°與40°之間，但通常約30°)在一第一較小端處捕獲來自朗伯光源(亦即，來自一高度散射表面(例如，固態或液態樣本15)之燈12之反射)之光，並使經反射光混合、擴散開及重新塑形成光譜儀1內之LVF 2之較佳操作所需之所需低焦比f/3(亦即，約10°或更小之錐角)。錐形光管11充當使光擴散開且使電磁波能夠自朗伯照射之表面自一第二較大端(例如，較高且較寬)通過LVF 2的具有漸擴側壁(例如，四個)之一分散器及光重新塑形裝 置。因此，TLP 11使光譜儀1能夠自一相對大的區域對光進行取樣，從而收集來自任何朗伯散射表面之光，此與通常藉助光纖收集源自一小局域化區域之光的競爭技術相反。此外，TLP 11將該光混合並擴散開以適應LVF 2及像素陣列3中之像素之大小。然後，LVF 2可經最佳化以接受自一法線(亦即，塗層表面及/或LVF基板)偏離小於10°之光，藉此極大地改良解析度及效能。
焦比係望遠鏡之焦距與其孔徑之比率。其藉由將焦距除以孔徑來計算。舉例而言，具有一2032mm焦距及8"(203.2mm)之一孔徑之一望遠鏡具有10(2032/203.2=10)或f/10之一焦比。
TLP 11係採用複合角以將一光學光錐自一第一(快)焦比(例如，f/1)減慢至一第二較低(較慢)焦比(例如，f/3)並使LVF 2能夠以光譜方式執行之一光束轉向/重新塑形裝置。此藉由控制TLP 11之入口孔徑與出口孔徑之縱橫比來達成。TLP 11之長度需要足夠長以達成光之充分混合並達成出口孔徑處之適當(較慢)焦比。圖6圖解說明具有或不具有TLP 11之一光譜儀之傳輸(亦即，少得多)及波長(亦即，寬得多)之差異。
最接近於燈12之TLP 11之入口孔徑具有1.5mm至2.5mm(較佳2mm +/- 0.1mm)×0.4mm至0.6mm(較佳0.5mm +/- 0.1mm)之一較小開口。接近LVF 2之出口孔徑具有6mm至7mm(較佳6.6mm±0.1mm)寬及0.75mm至1.25mm(較佳1.0mm±0.1mm)長之一較大開口。TLP 11之長度係15mm至25mm(較佳20mm±0.3mm)，在高度及寬度兩者上至入口端成錐形。因此，針對寬度，每側與縱向軸之錐度角介於6°與7°之間，其中總計12°至13°，且針對高度，每側與縱向軸介於0.5°與1°之間，其中總計1°至2°。
令人遺憾地，由於TLP 11，退出TLP 11之射線束不再法向於LVF 2，亦即，其在偵測器陣列3之任一端上傾斜高達6°(參見圖7a)。因 此，發生在偵測器陣列3之端處更糟之兩個不良效應：1)存在中心波長之一下平移；及2)存在頻寬(解析度)之一擴寬。圖8中之較短較寬曲線圖圖解說明具有一平坦TLP 11之一光譜儀之效能。
理想地，用以矯直傾斜射線束之TLP 11中有透鏡之元件之引入可呈朝向TLP 11之一有透鏡之面23之形式；然而，朝向LVF 2之一單獨透鏡及/或一有透鏡之入口亦係可能的。在一圓柱形透鏡23(例如，0.5mm)下垂於一6.4mm作用區域之情況下，使用典型光學材料，可矯直偵測器陣列3之邊緣處之傾斜射線，此應恢復微NIR之最佳效能，例如線性波長間隔及最佳解析度。參見圖8中之較高且較瘦曲線圖。
參考圖9，一TLP罩25經提供以用於支撐TLP 11，且起作用以確保來自樣本15之經反射光以藉由一第一焦比(例如，f/1)及約30°之一錐角界定之適當受光角呈現至TLP 11之入口孔徑，且以所需第二焦比(例如，f/3)及約10°之一錐角將TLP 11之視域遞送至LVF 2。罩25包含一支撐區段26，支撐區段26在不引入應力之情況下支撐至少TLP 11之尖端且理想地全部TLP 11，藉此保護TLP 11免受衝擊及振動。罩25亦包含一間隔物區段27，間隔物區段27藉由使TLP 11凹入並使TLP 11之入口端與保護窗21間隔開而減小來自保護窗21之燈12鏡面反射到達TLP 11之入口孔徑之量。間隔物區段27與TLP 11之入口孔徑直接接觸，且包含複數個階梯式內表面28，其中複數個平坦矩形梯29具有圍繞開口且垂直於TLP 11之縱向軸LA延伸之表面，以用於減小NIR光能量在任何其他位置處進入TLP 11，例如，自輸入窗反射。間隔物區段27之側壁在長度及寬度上自其開口至安置於罩25內之TLP 11之開口以一步進方式漸斂。若光不自其他地點進入，則結果係系統之不良光譜效能。梯29類似於舊板式相機之焦點波紋管，且在阻擋及陷獲不期望之散射光進入至TLP 11中上係極有效的。對於光譜儀1而言，此除較 佳地利用偵測器動態範圍之外亦達成針對透射反射量測之較高OD量測。
若更高角光通量在入口孔徑處進入至TLP 11中，則結果係光譜量變曲線上之光譜帶通、次級光譜峰、肩部及基座之擴寬。圖10a及圖10b中之曲線圖圖解說明一習用罩(圖10a)及提供高得多的解析度的本發明之罩25(圖10b)之一雷射線光譜量變曲線之差異。
參考圖11及圖12，本發明之LVF 2接收來自TLP 11之經收集光並傳輸跨越LVF 2之長度以上升或下降次序線性變化之個別波長頻帶。在所圖解說明之實施例中，LVF 2在一基板33上包括具有介於第一反射體層31與第二反射體層32之間的一間隔物層30之多層堆疊，如此項技術中眾所周知。第一反射體層31及第二反射體層32係在剖面上以一漸變(漸斂或漸擴)厚度沈積，藉此濾光器愈厚，所傳輸之波長愈長。%傳輸對波長之所圖解說明之圖表包含自400至700之波長；然而，任何範圍之波長係可能的。
中心波長沿著LVF 2之長度連續變化，因此擊中一偵測器像素之光係像素可「看到(see)」(藉由光之F/#設定)之自LVF 2上之每個點射出之頻寬之疊加。中心傳輸波長跨越LVF 2之長度而線性變化。在實例中，LVF 2之極左端傳輸僅一窄藍色波長範圍(較短波長)。當移動至右側時，LVF 2之厚度增加且傳輸一較長波長。最終，在極右側，僅傳輸一窄紅色光頻帶(較長波長)。
LVF 2經設計以在每一位置處傳輸一波長頻帶。該等頻帶經設計以相當於(但通常小於)總期望波長範圍除以像素數目。舉例而言，在具有128個像素之現有光譜儀1中，LVF 2經設計以傳輸中心波長之約1%之一頻帶(在1000nm之一中心波長處為10nm)。LVF技術之優勢中之一者在於該等頻帶不分離；換言之，擊中LVF 2之每個波長將在偵測器平面處某處被「看到」。
替代一高功率且笨重冷卻系統，理想地，緊接近於偵測器陣列3而安裝一溫度回饋裝置41(例如，一熱阻器)。溫度回饋裝置41可係隨溫度改變電阻之一熱阻器或輸出一已知溫度相依電壓之一精確IC。由控制系統4 CPU讀取溫度回饋裝置之類比輸出。然後，控制系統4可藉由基於來自溫度回饋裝置之溫度而存取校正初始量測之儲存於非揮發性記憶體中之一查找表或公式來執行一溫度調整程序以判定一溫度調整之讀數。
偵測器陣列3之暗電流及回應度係溫度相依的。可重複結果係可能的，只要溫度穩定即可；然而，習用觀點係LVF 2及偵測器陣列3之溫度應儘可能低。
在所有應用中，LVF 2與偵測器陣列3之間的間隙經設定以使自LVF 2發射之任何波長之光束之擴散最小化；例如，使光束擴散最佳化為在偵測器陣列3上之三個像素下方。一替代實施例將隔開間隙以確保束在LVF 2與偵測器陣列3之間在大小上並不加倍。
圖12圖解說明LVF 2與偵測器陣列3之間的一小間隙d之重要性。假定光具有由TLP 11提供之相同錐角，則當光擊中LVF 2時(亦即，f/3或9.59°)，擴散S成為d×tan 9.59°。對於150微米之一間隙d而言，擴散變為25微米。因此，LVF 2上之一單個線在偵測器陣列3上形成一像素寬之線。
對於150微米微米之一間隙而言，自LVF出現之每個光「線」以±9.59°漸擴，從而在偵測器平面處形成±25微米寬之一線。此對應於像素節距(50微米)。因此，LVF 2上之每個線之波長敏感回應以一經加權分率在兩個像素之間分裂。因此，小於500微米、較佳小於200微米且更佳介於5微米與80微米之間的一間隙較佳地用以使所需光學器件最小化，從而達成以一小封裝提供裝置。
圖13a及圖13b圖解說明750微米(圖10a)及200微米(圖10b)之一 間隙之光譜效能之差異，其中較小200微米間隙使像素串擾、光譜擴寬及基座最小化。
理想地，LVF 2儘可能地接近於偵測器陣列3以減輕偵測器元件之間的光譜串擾，如圖14中所圖解說明。最佳條件將係使用一光學透射黏合劑51將LVF 2直接附接至偵測器陣列3之像素52；然而，黏合劑51亦需要：係非導電的或本質上介電的；藉由藉助誘發至偵測器陣列3之應力或破壞力來達成良好黏合強度而呈機械中性；光學相容以傳輸所要光譜內容；將空氣處所形成之反射移除至玻璃界面；及具有合理的熱膨脹性質係數以使固化期間及熱循環期間至偵測器像素52之應力最小化。因此，然後，LVF 2使得偵測器陣列3之每一像素52理想地回應於一不同波長。
舉例而言，偵測器陣列3(例如，一InGaAs線性二極體陣列)之內部電子組件及導線53對於任何導電材料係極敏感的，此將短路、損壞或損毀偵測器像素或CMOS處理晶片54。在此實例中減輕此問題之一黏合劑材料51係本質上可熱固化而不可UV固化之Epo-Tek 353NDTM。在此情形中，可熱固化係可接受的，此乃因直接附接至偵測器陣列3上之像素52之LVF 2上之塗層將不傳輸UV能量。此外，EP 353ND(透明或黑色)在固化程序之前及之後具有優良介電性質。理想地，EP 353ND透明可以約5微米至15微米之一厚度用作LVF 2與偵測器陣列3之間的黏合劑51。
在LVF 2上方提供一「玻璃蓋」55(亦即，LVF 2之基板)，從而覆蓋偵測器陣列3中之大多數像素52，但不遍及感測器承載晶片54之環境敏感部件53。然而，黏合劑EP 353ND亦呈可用作整個內部封裝之一罐封劑56之一不透明(例如，黑色)形式。不透明黏合劑56在封裝內將充當環繞LVF 2且覆蓋偵測器陣列3之敏感電組件以使雜散光問題最小化之一光學隔離器或光吸收囊封體或擋板。黏合劑罐封劑56在封 裝內亦將充當電子器件53之一環境保護劑而無需當前所需之一蓋窗。使用與透明黏合劑51及黑色灌封材料56相同之材料具有熱學、光學及製造上之優點。
因此，存在影響每一像素看到之解析度(波長範圍)之三個因素：第一，像素寬度在幾何上對應於LVF 2上之一中心波長範圍，舉例而言，具有介於自900nm至1700nm之範圍內之一LVF之一50微米像素看到6.3nm之波長。第二，LVF 2具有藉由組合入射光之設計及錐角而設定之一固有頻寬(舉例而言，取決於位置而係1%寬或9nm至17nm)。第三，間隙及錐角施加一模糊或加權效應(舉例而言，1像素寬或一額外6.3nm，作為一經加權平均數)。此等因素之疊加設定儀器之總體解析度，例如，在當前儀器中，1.1%。
可攜式光譜儀1之可能應用包含現場威脅偵測；製藥、經控制物質及食物產品之識別及驗證；鑑認(forensic)；食品行業中之程序監視(舉例而言，晶粒中之濕度含量)；及用於回收及污染偵測之產品識別。可量測及判定具有一近IR信號(結構)之任何物品。
在一替代實施例(圖15中所圖解說明)中，手持式精巧型光譜儀1包含耦合至一電池組59及用於與提供於遠距離位置處之控制裝置7(例如，控制硬體及軟體)通信之一藍芽或WiFi晶片60之光學封裝。
一使用者將使用連接至一基於Android、Windows或基於Apple iOS之裝置(亦即，控制裝置7)之精巧型光譜儀1以用於即時預測。理想地，控制裝置7與精巧型光譜儀1經由USB纜線6或一獨立藍芽或WiFi連接通信，亦即，其係此區域網路上僅有的兩個裝置。不存在雲端介面；使用者將藉助一硬編碼方法將一方法檔案62或一應用程式上載至控制裝置7之非暫時性記憶體，且期望控制裝置7控制精巧型光譜儀1並執行所儲存之方法檔案62。方法檔案62係指預處理與自一光譜庫導出之光譜模型之組合，此將一預測遞送給精巧型光譜儀1之最終 使用者。若應用需要多個結果，則方法檔案62可含有一個以上模型。方法檔案62亦可將所要精巧型光譜儀組態(例如，曝光時間、掃描次數)規定為求平均，或使此等設定定義為儀器設置程序之部分。
預處理係數學資料處理或用以移除一組所量測光譜中之各種效應(諸如基線偏移或樣本光散射)之處理之技術。技術包含衍生物、散射及基線校正。選擇預處理之特定選擇以增強區別，亦即，使相同材料之多個光譜之間的差異最小化並使不相似材料之光譜之間的差異最大化。
一光譜庫係已知「參考」材料(多種不同物質或儲存於控制裝置7或連接至其之一伺服器64上之非暫時性記憶體中之一單個材料類型之多個版本)之一系列光譜量測。實例可係白色粉末之不同樣本之一系列近紅外光(NIR)、紅外光(IR)或拉曼(Raman)光譜。光譜庫將用以產生一「光譜模型」。
一「光譜模型」係指自一組特定光譜導出之一數學方程式。模型通常係量化一未知光譜與光譜庫中之彼等光譜之類似性之自該庫以統計方式導出之回歸向量。舉例而言，一「光譜模型」可包含對應於一給定材料之光譜峰之波長、振幅及寬度。比較此等波長、振幅及寬度與所量測經預處理之光譜之波長、振幅及寬度。此比較之結果可由一預測引擎63針對ID或通過/失效應用而定性地或針對純度或濃度而定量地解釋。
該預測引擎由儲存於控制裝置7上之非暫時性記憶體中之電腦硬體及/或軟體構成。所判定參數或結果稱作「預測」。由預測引擎63提供之預測可傳輸至精巧型光譜儀1以供使用者觀察或僅在控制裝置7上之適合圖形使用者介面上觀察。另一選擇係，該預測可儲存於控制裝置7或遠距離伺服器64上之非暫時性記憶體中以供未來檢視。
預測引擎63可以兩種方式中之一者做出預測；第一，使用已知 模型及預處理之簡單方法可直接在光譜儀提供器軟體中執行。第二，複雜或第三方專屬方法可以一第三方格式上載，且控制裝置7將與一第三方預測「引擎」通信以執行即時預測。第三方引擎將需要駐存於控制裝置7上。資料縮減或投射技術可包含偏最小二乘法(Partial Least Squares)、主要分量分析(Principle Component Analysis)、主要分量回歸(Principle Component Regression)、偏最小二乘區別分析(Partial Least Square Discriminate Analysis)及類別類比之軟獨立模型化(Soft Independent Modeling of Class Analogy)。
某些使用者可能希望保留一掃描及預測歷史。出於此目的，控制裝置7將具有局域地保存光譜及預測並在連接至網路(舉例而言，經由USB、WiFi、藍芽或4G網路)後旋即同步至一伺服器64之能力。控制裝置7亦將具有在同步時接收來自伺服器64之所更新方法之能力。在此情景中，可期望條碼讀取器以供適當方法選擇。
方法軟體62將具有經由伺服器64將未知光譜傳輸至工程以供進一步評估或校準更新之能力。
除儲存及執行方法之外，控制裝置7上之應用方法62將能夠設置及檢查光譜儀1之健康，舉例而言，執行參考量測。精巧型光譜儀1之「診斷」能力將包含一外部波長準確度標準(NIST 2036或等效物)之量測及儀器準確度完整之驗證。亦需要光度雜訊及線性度計算。該等診斷掃描可在初始起動期間或於使用者請求後旋即達成。
在一替代組態(圖16中所圖解說明)中，精巧型光譜儀1及控制裝置7經由一無線網路72彼此連接且連接至一使用者之伺服器71。此一系統之一實例係一製藥公司處之一接收碼頭。方法檔案62及預測引擎63儲存於伺服器71而非控制裝置7上。在基礎結構模式中，使用者將能夠(或甚至需要)掃描待分析之樣本15之一條碼73。儲存於非暫時性記憶體中且在控制裝置7上執行之軟體將對藉助控制裝置7上之一相機 拍攝之一相片使用條碼辨識演算法，並使用條碼73來選擇來自伺服器71之一適當方法，且適當地標記所記錄光譜及結果以供顯示及儲存。然後，使用者將藉由按壓精巧型光譜儀1之整合式掃描按鈕來掃描材料。使用者亦可希望命令來自控制裝置7之掃描。當掃描完成時，使用者將觀看控制裝置7上之所預測結果並基於該方法確認該結果。若條碼整合實際上不在使用者站點處，則在藉助精巧型光譜儀1執行光譜獲取之前使用者應能夠自儲存於伺服器71上之一清單選擇適當方法檔案。
在基礎結構模式內之一特殊情形中，操作者可組態精巧型光譜儀1(包含選擇一方法)，並然後僅攜載光譜儀1而在一單次通過/失效評估中掃描樣本。在此模式中，光譜儀1將與控制裝置7通信且經由WLAN 72由整合式掃描按鈕觸發，並提供關於通過/失效結果之聽覺、視覺或觸覺(振動)回饋。
該等方法、光譜及結果將皆保存/儲存於使用者資料庫伺服器71上而非控制裝置7上。另外，方法可在局域雲端(亦即，伺服器71)上執行，其中結果傳遞回至控制裝置7，對此使用者易懂。具有適當權限之一使用者應具有觀看來自多個精巧型光譜儀1之結果並為多個使用者提供權限管理之能力，例如，藉由與本端雲端互動而產生或僅使用方法之能力。如此，針對此情景需要21 CFR部分11順應性軟體；每一使用者將具有不同「管理」權限，從而允許經訓練操作者在其被允許時僅使用精巧型光譜儀1。21 CFR部分11亦提供用於資料可靠性之一機制，其中在無適當授權之情況下不可刪除或更改資料。預期本端伺服器71係21CFR部分11順應性之一組成部分。
在精巧型光譜儀1之應用中高度特有之另一組態中，基於雲端之計算之核心架構係決定性的。該核心架構及量測程序類似於圖17中所繪示之彼核心架構及量測程序。
此組態之使用者係一初學者且未必具有關於NIR技術或光譜儀1之經驗。使用者將僅尋找光譜儀1以基於一極特定取樣及測試程序來提供一回答。典型術語係「標準操作程序」或SOP。一執法官員、一有害物質技術員或軍事人員係良好實例。
控制裝置7上之一複雜應用將透過精巧型光譜儀1之初始化及組態來指導使用者。該應用將視需要(例如)經由一或多個網路(諸如網際網路)自安置於一遠距離且安全位置中之光譜儀提供者之伺服器71下載更新及方法，並將診斷結果往回報告給光譜儀提供者之伺服器71。在此組態中，提供將儀器完全特徵化及週期性地驗證達將不必再於現場及設置中執行基線及零之程度將係完全自動的選項。
在「基於雲端之操作模式」中，光譜儀提供者之人員將負責管理方法軟體62並監視系統健康及效能。方法軟體62將由光譜儀1之提供者擁有及管理。如此，對方法軟體62之任何更新將需要「推動」至本端用戶庫。
類似地，由光譜儀1產生之結果及資料將被中繼回至光譜儀提供者(或其合作夥伴)之伺服器71，且經存檔以供可能未來使用。基於來自現場之兩個結果及基於藉由在光譜儀提供者伺服器71處應用之方法進行之對經上載光譜之進一步分析，將針對統計類似性或獨特性篩選自最終使用者之樣本15回到光譜儀提供者伺服器71之資料。若樣本在與光譜儀提供者之庫比較時被視為獨特的，則光譜將被加旗標為對未來方法更新之一可能添加(且將通知及要求使用者提供更多資訊)。在本質上，此係將供未來包含之獨特樣本收集至模型以計及現有方法當前未解決之任何可變性。
1‧‧‧精巧型光譜儀/光譜儀/裝置/可攜式光譜儀/手持式精巧型光譜儀
2‧‧‧濾光器/線性可變濾光器
3‧‧‧寬頻偵測器陣列/偵測器陣列/像素陣列
4‧‧‧控制系統
10‧‧‧開關
11‧‧‧錐形光管/平坦錐形光管
12‧‧‧自含式光源/光源/燈
20‧‧‧殼體
25‧‧‧梯狀罩/罩/錐形光管罩
LA‧‧‧縱向軸

Claims (21)

  1. 一種可攜式光譜儀裝置，其包括：一照射源，其用於將光引導於一樣本處；一錐形光管(TLP)，其用於以一第一焦比捕獲與該樣本交互作用之光及用於以低於該第一焦比之一第二焦比遞送該光；一線性可變濾光器(LVF)，其用於將該所捕獲之光分離成一構成波長信號光譜；及一偵測器陣列，其包含複數個像素，該複數個像素中之每一者經安置以接收該等構成波長信號中之一者之至少一部分，從而提供每一構成波長之一功率讀數；其中該TLP包含用於毗鄰於該樣本定位之一第一較小端、毗鄰於該LVF之一第二較寬且較高端以及自該第一端漸擴至該第二端以用於跨越該LVF混合及擴散該光之側壁。
  2. 如請求項1之裝置，其中該TLP以f/1之該第一焦比及介於20°與40°之間的一錐角接受光，並以小於f/3之第二焦比及小於10°之一錐角將經反射光遞送至該LVF。
  3. 如請求項1之裝置，其中該TLP包含用於矯直傾斜射線束以供遞送至該LVF之一有透鏡之出口面。
  4. 如請求項1之裝置，其中該LVF與該偵測器陣列分離達小於200微米之一間隙，以用於增加光譜解析度。
  5. 如請求項4之裝置，其中該間隙確保該LVF上之一單個線在該偵測器陣列上形成一像素寬之線。
  6. 如請求項4之裝置，其中該LVF直接接合至該偵測器陣列；且其中該間隙包括5微米至15微米厚之一光學透明黏合劑。
  7. 如請求項1之裝置，其進一步包括：一TLP罩，其包含用於支撐 該TLP之一支撐區段；及一間隔物區段，其用於使該TLP與該樣本間隔開從而確保以該第一焦比f/1及約30°之一錐角界定之一所要受光角將來自該樣本之該光呈現給該TLP。
  8. 如請求項7之裝置，其中該TLP罩之該間隔物區段包含階梯式內壁以用於減少鏡面反射到達該TLP。
  9. 如請求項1之裝置，其進一步包括：一殼體；及一控制系統，其在該殼體內，該控制系統由一處理器、一適合非暫時性記憶體及用於接納一USB連接線從而達成該處理器與一主機電腦之間的資料傳送之一USB連接器構成。
  10. 如請求項1之裝置，其進一步包括一藍芽或WIFI晶片以用於與發送測試程序及接收測試結果之一控制裝置通信。
  11. 如請求項1之裝置，其進一步包括一電池或一USB纜線連接器以用於給該光譜儀提供小於2.5W之功率。
  12. 如請求項1之裝置，其進一步包括一殼體以用於封圍該照射源、該TLP、該LVF及該偵測器陣列，其中該殼體小於2”×2”。
  13. 如請求項12之裝置，其中該照射源、該TLP、該LVF及該偵測器陣列重量為小於0.5磅。
  14. 如請求項1之裝置，其中該照射源包括以與該LVF之縱向軸之一銳角安置之至少一個光源以用於在該樣本上產生一光點，藉此光自該樣本沿著該縱向軸反射至該LVF中。
  15. 如請求項14之裝置，其中每一光源包括一透鏡傾斜真空鎢燈以用於在該樣本上形成一小於5mm之光點。
  16. 如請求項14之裝置，其中該照射源包括兩個光源；且其中該TLP之一端安置於該兩個光源之間。
  17. 如請求項1之裝置，其進一步包括一溫度回饋系統以用於基於一周圍溫度而調整每一構成波長之該功率讀數。
  18. 一種光譜儀系統，其包括：如請求項1之可攜式光譜儀裝置；一控制裝置，其以操作方式耦合至該可攜式光譜儀以用於控制該可攜式光譜儀；及一伺服器，其經由一無線數位網路以操作方式耦合至該手持式光譜儀及該控制裝置以用於儲存光譜。
  19. 如請求項18之系統，其中該控制裝置經組態以：自該手持式光譜儀接收該光譜；比較該光譜與一光譜庫；及將該比較之一結果輸出至一顯示器。
  20. 如請求項18之系統，其中該伺服器經組態以：自該手持式光譜儀接收該光譜；比較該光譜與一光譜模型庫；及將該比較之一結果輸出至一顯示器。
  21. 如請求項20之系統，其中該伺服器包含大量掃描特性及光譜模型；其中該控制裝置包含一條碼讀取器，其中，在操作中，該條碼讀取器讀取對應於該樣本之一條碼，該控制裝置將該條碼傳遞至該伺服器，且該伺服器基於該條碼而選擇該等掃描特性及光譜模型以供比較。
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