CN111380816B - 用于分析目标物的化学成分的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于分析目标物的化学成分的方法和系统。根据本发明的示例性方面，提供了一种用于分析目标物(5)的化学成分的方法，该方法包括将电可调法布里‑珀罗干涉仪(4)放置在由辐射源(2)发射的辐射路径中，并且利用检测器(6)来检测通过法布里‑珀罗干涉仪(4)并且通过目标物(5)或被目标物(5)反射的辐射(3)，并且其中进行检测使得允许同时检测多个通带。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于分析目标物的化学成分的方法。特别地，本发明涉及一种包括使用法布里-珀罗干涉仪的方法。
此外，本发明涉及一种用于分析目标物的化学成分的系统。特别地，本发明涉及一种包括法布里-珀罗干涉仪的系统。
背景技术
分析样品的化学成分在很多情况下都很重要。有几种可用的分析方法。光学测量系统例如用于分析物体的特性或材料含量。光谱学通过读取光谱图案来识别各种未知物质。可通过使用包括法布里-珀罗干涉仪和用于监测透射过法布里-珀罗干涉仪的光强度的检测器的光谱仪来测量物体的光谱。光学光谱系统通常还包括用于照亮物体的光源。一些光学材料分析仪是在实验室使用的大型、非便携式单元。其他光学材料分析仪是便携式的。
法布里-珀罗干涉仪基于两个反射镜，即输入反射镜以及经由间隙面向输入反射镜设置的输出反射镜。在本文中，“反射镜”是一种具有反射光的层或一组层的结构。可通过调节反射镜之间的距离，即间隙的宽度来控制通带波长。法布里-珀罗干涉仪可提供窄的透射峰，该透射峰具有可调节的光谱位置，并且可用于光谱分析。
光谱仪可提供指示镜间隙的控制信号。控制信号例如可由控制单元提供，并且可根据控制信号来控制镜间隙。或者，可通过监测镜间隙，例如通过使用电容传感器来提供控制信号。控制信号可为例如数字控制信号或模拟控制信号。每个频谱位置可与控制信号相关联。
文献US 2015/0253189 A1教导了扫描法布里-珀罗干涉仪需要带宽小于设备的单个自由光谱范围的光学输入。这是由于由任何法布里-珀罗干涉仪的一个自由光谱范围分离的颜色所产生的信号之间的不明确性。文献US 2015/0253189 A1进一步教导法布里-珀罗理论仅在一个自由光谱范围内有效，并且不能解复用混合信号。
目前用于实现用于材料分析的小型化近红外光谱仪的方法已经发挥了最大的潜力。当考虑各种移动和手持应用的尺寸和成本要求时，最有前景的是基于法布里-珀罗干涉仪的MEMS系统。这是由于占地空间非常小，系统实现简单，并且仅需要单像素检测器。
使用微机械技术生产法布里-珀罗干涉仪是常见的。例如，文献US 2012/0026503A1和US 2013/0329232 A1公开了利用微机械(MEMS)技术生产的可控法布里-珀罗干涉仪。
在许多应用中的一个主要缺点是，单MEMS FPI元件仅在有限的波长范围内工作，从而减少了可以用单个设备实现的应用的数量，并且降低了测量的选择性和灵敏度。
三个因素限制可用的光谱范围。具体地，反射镜的工作范围限制可用的光谱范围。在MEMS设备中，反射镜是利用优化到特定波长的介电层来实现的。如果波长偏离该波长的例如±30％，则反射镜不再反射，因此也不会发生干涉。此外，MEMS反射镜的调谐范围限制了可用的机械范围。这通常受到所谓的引入现象的限制，该引入现象将干涉仪间隙的移动限制在标称间隙的约1/3。另外，多级透射(multiple order transmission)限制了可用的光谱范围。法布里-珀罗干涉仪同时透射几个波长，其被多级半波长分离。在MEMS FPI设备中，范围限制因素在3-2-1的级别，使得多级问题成为最大的范围限制因素。如果镜反射表面是用金属涂层而不是电介质制成的，并且镜子的移动不是通过静电调谐实现的(而是例如通过压电元件实现)，那么多级限制可被认为是法布里-珀罗干涉仪的光谱范围的唯一实际限制。
通过使用镜叠层中的高折射率差材料和少量的层来解决第一个问题。另一种选择是使用金属层，但这对于MEMS FPI来说通常是不可能的。在任何情况下，都会有传输边带通过，这会增加分析难度，因此总是使用不同的滤波器、检测器和光源解决方案去除不需要的边带。
通过尽可能使用低阶干扰来部分地避免第二个问题，使得光谱透射峰在扫描期间尽可能地移动。此外，还提出了电流驱动或不同反馈方案等方案来扩展移动范围。
在系统中使用限带滤波器来处理第三个问题，限带滤波器将待测量的范围限制为明确的峰。从相邻峰获取信号是不希望发生的情况，因为它会破坏测量光谱的形状。
此外，统计数学分析(也称为化学计量学)现在通常用于解释和建模重叠光谱数据。从特异性和准确度的角度来看，来自尽可能宽的光谱范围内的更多数据提供最好的结果。到目前为止，仅使用该方法使得光谱仪提供的数据为明确的，但是测量的光谱会具有许多重叠的形状。现在，实际上，对于统计工具而言，无论光谱在样品中还是在测量设备中或在两者中是否是重叠的，这都没有区别。如果利用此属性，则能够完全省去或明显放宽多阶滤波。如果利用检测器同时检测通过多个透射峰的辐射，移动间隙并重复测量，则获得关于待测材料的所有相同信息，并且因此，与扫描更宽范围的单峰相比，化学计量工具将提供同样好的结果。
鉴于上述情况，至少针对上述第三个问题提供一种解决方案是有益的。该解决方案还可实现其他一些有益的特征。
发明内容
本发明由独立权利要求的特征来限定。在从属权利要求中限定了一些特定实施例。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于分析目标物的化学成分的方法，该方法包括将电可调谐法布里-珀罗干涉仪放置在由辐射源发射的辐射路径中，并且利用检测器来检测通过法布里-珀罗干涉仪并且通过目标物或被目标物反射的辐射，并且其中进行检测使得允许同时检测多个通带。
第一方面的各种实施例可包括以下项目符号列表中的至少一个特征：
·检测器仅包括一个用于检测辐射的像素
·检测器包括用于成像目的的像素矩阵
·允许单个检测器同时检测多个通带
·故意生成对特定化学物质敏感的伪光谱
·同时扫描多个透射峰
·同时测量至少两个透射峰
·分析检测信号的组合
·分析混合信号
·在不使用信号分离技术的情况下分析混合信号
·分析信号的总和
·在不使用信号分离技术的情况下分析信号的总和
·使用带宽大于法布里-珀罗干涉仪的单个自由光谱范围的光学输入
·在该方法中不使用限带滤波器
·选择限带滤波器的截止值，使得光谱仪的检测范围大于自由光谱范围
·选择限带滤波器的截止值，使得与其他透射峰重叠的光谱分量传播到检
测器
·该方法还包括将电可调谐法布里-珀罗干涉仪放置在由辐射源发射的辐射
路径中，并且利用检测器来检测通过法布里-珀罗干涉仪并且通过已知参考物
质或被已知参考物质反射的辐射，并且其中进行检测使得允许同时检测多个
通带
·存储至少一种已知参考物质的参考数据
·将扫描的目标数据与至少一种已知参考物质的参考数据进行比较
·该方法是成像方法或非成像方法。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于分析目标物的化学成分的系统，该系统包括电可调法布里-珀罗干涉仪，该电可调法布里-珀罗干涉仪能够放置在由辐射源发射的辐射路径中；该系统还包括检测器，该检测器用于检测通过法布里-珀罗干涉仪并且通过目标物或被目标物反射的辐射，并且其中检测器配置为允许同时检测多个通带。
第二方面的各种实施例可包括以下项目符号列表中的至少一个特征：
·检测器仅包括用于检测辐射的一个像素
·检测器配置为检测辐射，使得允许由单个检测器同时检测多个通带
·检测器配置为检测信号的总和
·系统配置为同时扫描多个透射峰
·系统配置为同时测量至少两个透射峰
·系统包括计算装置，其配置为分析检测信号的组合
·系统包括计算装置，其配置为分析混合信号
·系统配置为提供具有大于法布罗-珀罗干涉仪的单个自由光谱范围的带宽
的光学输入
·系统不包括限带滤波器
·系统包括具有限带滤波器，该限带滤波器的截止值提供大于自由光谱范
围的光谱仪的检测范围
·系统包括用于存储至少一种已知参考物质的参考数据的存储器
·系统包括用于将扫描的目标数据与至少一种已知参考物质的参考数据进
行比较的装置
·检测器包括用于成像目的的像素矩阵。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于分析目标物的化学成分的方法，该方法包括将电可调法布里-珀罗干涉仪放置在由辐射源发射的辐射的路径中，以及利用检测器来检测通过法布里-珀罗干涉仪并且通过目标物或被目标物反射的辐射，并且其中进行检测使得允许由仅包括一个用于检测辐射的像素的检测器同时检测多个通带，并且其中在不利用信号分离技术的情况下分析信号的总和。
通过本发明的特定实施例获得了相当多的优点。提供了一种用于分析目标物的化学成分的方法和系统。
令人预料不到的是，发明人发现光谱仪的检测范围能够大于自由光谱范围。根据本发明的特定实施例，可选择限定检测带的截止值，使得与其他透射峰重叠的光谱分量传播到检测器。根据本发明的实施例，干涉仪的相邻峰不被自由光谱范围分离。可选择截止值，使得检测范围大于自由光谱范围。
通过使用本发明的特定实施例，获得了若干益处。系统中不需要额外的限带滤波器，或者规格参数要求可明显放宽。此外，机械扫描范围不再是一个问题，因为现在可同时扫描多个峰。与单一扫描的情况相比，当反射镜移动时，覆盖的总范围大大增加。
此外，增加了动态范围。在例如2μm-2.5μm的较高的波长中，材料的吸光度远高于其在2μm以下的波长中的吸光度。如果材料几乎吸收了较高范围内的所有光，则使用单峰扫描系统会丢失信息。然而，在根据本发明某些实施例的多峰方法和系统中，在较弱的波长中同时检测相同的分子振动，这继续提供信息。此外，将高通滤波器添加到较低波长的合适位置提供了波长轴校准的手段。
与单峰扫描系统相比，将本发明的实施例与宽范围反射镜组合能够将可用波长范围扩展3倍。例如，反射镜可由金属制成。例如，反射镜也可为三层布拉格反射镜。
系统的伪波长轴校准可用不同的方法完成。可通过选择产生一些明确峰的波长目标物或通过使用在光谱中产生特定的可重复形状的滤波器/目标物来完成校准。
根据本发明的特定实施例，检测器仅包括一个像素。这种配置仅允许检测一种特定的目标物质。本发明适用于同时测量多于两个或三个的级别。不需要分离技术。由单像素检测器检测的混合信号或信号的总和足以分析目标物的化学成分。这种配置的组件非常节省成本。
附图说明
图1示出了三种不同化学成分的波长-吸光度示意图，
图2示出了法布里-珀罗干涉仪的不同间隙宽度的波长-系统通量示意图，
图3示出了不同间隙宽度的波长-系统通量示意图，其中示出了第一波长范围，
图4示出了三种不同化学成分的间隙-吸光度示意图，
图5示出了不同间隙宽度的波长-系统通量示意图，其中示出了第二波长范围，
图6示出了三种不同化学成分的另一间隙-吸光度示意图，
图7示出了不同间隙宽度的波长-系统通量示意图，其中示出了第三波长范围，
图8示出了三种不同化学成分的又一间隙-吸光度示意图，
图9示出了不同间隙宽度的波长-系统通量示意图，其中示出了第四波长范围，
图10示出了三种不同化学成分的又一间隙-吸光度示意图，
图11示出了根据本发明的至少一些实施例的用于分析化学成分的方法的流程图，
图12示出了根据本发明的至少一些实施例的用于分析目标物的化学成分的系统的示意图，
图13示出了根据本发明的至少一些实施例的用于分析目标物的化学成分的另一系统的示意图，以及
图14示出了根据本发明的至少一些实施例的用于分析目标物的化学成分的又一系统的示意图。
具体实施方式
在图1中，示出了三种不同化学成分的波长-吸光度示意图。图中示出了每种化学成分根据约300nm至约2500nm范围内的波长的吸光度。每一种化学成分或材料的吸收光谱都有其自己的特征。
在图2中，示出了法布里-珀罗干涉仪的不同间隙宽度的波长-系统通量示意图。可以看出，在1200nm至2600nm的波长范围内，可为特定间隙宽度提供多个透射峰。
在约1900nm的间隙下，检测到通过图2中标有“矩形”的透射峰的辐射。在约2050nm的间隙下，检测到通过图2中标有“三角形”的透射峰的辐射。在约2200nm的间隙下，检测到通过图2中“未标记”的透射峰的辐射。在约2400nm的间隙下，检测到通过图2中标有“x”的透射峰的辐射。在约2650nm的间隙下，检测到通过图2中标有“o”的透射峰的辐射。
换句话说，法布里-珀罗干涉仪的一个特定间隙宽度导致在1200nm至2600nm的波长范围内的多个透射峰。可以看出，例如，可在约2650nm的间隙下检测到通过三个透射峰的辐射，并且可在约2400nm的间隙下检测到通过两个透射峰的辐射。扫描信号(例如图2中标有“o”或“x”的信号)是不明确的，因此不能在普通光谱学中分析多个信号，因为法布里-珀罗理论仅在一个自由光谱范围内有效，并且不能解复用混合信号。
在图3中，示出了不同间隙宽度的波长-系统通量示意图，其中示出了第一波长范围。第一波长范围在大约1500nm至大约2000nm之间。
在约1900nm的间隙下，检测到通过图3中标有“矩形”的透射峰的辐射。在约2050nm的间隙下，检测到通过图3中标有“三角形”的透射峰的辐射。在约2200nm的间隙下，检测到通过图3中“未标记”的透射峰的辐射。在约2400nm的间隙下，检测到通过图3中标有“x”的透射峰的辐射。在约2650nm的间隙下，检测到通过图3中标有“o”的透射峰的辐射。
每个扫描信号(例如图3中标有“o”或“x”的信号)都是明确的，因此能够在普通光谱学中分析每个信号。所示的第一波长范围窄于单自由光谱范围。
光谱仪的检测带可通过例如滤波器进行限定。光谱仪可设置为进行操作使得光谱仪对波长在第一检测范围之外即在约1500nm至约2000nm的范围之外的光谱分量基本上不敏感。滤波器可设置为排除小于第一截止值(即约1500nm)且大于第二截止值(即约2000nm)的光谱分量。
滤波器可阻挡检测带之外的波长处的光谱分量到达检测器。根据干涉仪的透射峰的光谱位置，可选择截止值，使得仅检测范围内的光谱分量可传播到检测器。可选择截止值，使得与其他透射峰重叠的光谱分量不传播到检测器。干涉仪的相邻峰由自由光谱范围分离。选择截止值，使得光谱仪的检测范围窄于自由光谱范围。
通过利用检测器和/或光谱仪的另一光学组件的光谱选择性，也可排除检测范围之外的波长处的光谱分量。
在图4中，示出了三种不同化学成分的间隙-吸光度示意图。图中示出了每种化学成分在约1750nm至约2650nm的间隙范围内的根据法布里-珀罗干涉仪的反射镜之间的间隙的吸光度。在如图3所示的第一波长范围内的单峰的情况下扫描物质。目标物质可为例如阿司匹林、咖啡因、果糖、布洛芬、乳糖，微晶纤维素、对乙酰氨基酚、蔗糖、水等。
在图5中，示出了不同间隙宽度的波长-系统通量示意图，其中示出了第二波长范围。第二波长范围在约1850nm至2500nm之间。
在约1900nm的间隙下，检测到通过图5中标有“矩形”的透射峰的辐射。在约2050nm的间隙下，检测到通过图5中标有“三角形”的透射峰的辐射。在约2200nm的间隙下，检测到通过图5中“未标记”的透射峰的辐射。在约2400nm的间隙下，检测到通过图5中标有“x”的透射峰的辐射。在约2650nm的间隙下，检测到通过图5中标有“o”的透射峰的辐射。
每个扫描信号(例如图5中标有“o”或“x”的信号)都是明确的，因此每个信号都可在普通光谱中进行分析。图示的第二波长范围窄于单个自由光谱范围。
光谱仪的检测带可通过例如滤波器进行限定。光谱仪可设置为进行操作使得光谱仪对波长在第二检测范围之外即在约1850nm至约2500nm的范围之外的光谱分量基本上不敏感。滤波器可设置为排除小于第一截止值(即约1850nm)且大于第二截止值(即约2500nm)的光谱分量。
滤波器可阻挡检测带之外的波长处的光谱分量到达检测器。根据干涉仪的透射峰的光谱位置，可选择截止值，使得仅检测范围内的光谱分量可传播到检测器。可选择截止值，使得与其他透射峰重叠的光谱分量不传播到检测器。干涉仪的相邻峰由自由光谱范围分离。选择截止值，使得光谱仪的检测范围窄于自由光谱范围。
通过利用检测器和/或光谱仪的另一光学组件的光谱选择性，也可排除检测范围之外的波长处的光谱分量。
在图6中，示出了三种不同化学成分的另一间隙-吸光度示意图。图中示出了每种化学成分在约1750nm至约2650nm的间隙范围内的根据法布里-珀罗干涉仪的反射镜之间的间隙的吸光度。在如图5所示的第二波长范围内的单峰的情况下扫描物质。目标物质可为例如阿司匹林、咖啡因、果糖、布洛芬、乳糖，微晶纤维素、对乙酰氨基酚、蔗糖、水等。
在图7中，示出了不同间隙宽度的波长-系统通量示意图，其中示出了第三波长范围。第三波长范围在约1500nm至2500nm之间。
在约1900nm的间隙下，检测到通过图7中标有“矩形”的透射峰的辐射。在约2050nm的间隙检处，测通过图7中标有“三角形”的透射峰的辐射。在约2200nm的间隙下，检测到通过图7中“未标记”的透射峰的辐射。在约2400nm的间隙下，检测到通过图7中标有“x”的透射峰的辐射。在约2650nm的间隙下，检测到通过图7中标有“o”的透射峰的辐射。
扫描信号(例如图7中用“o”或“x”标记的信号)是不明确的，因此不能在普通光谱中分析多个信号。在所示的第三波长范围内示出了多个自由光谱范围。
根据本发明的特定实施例，提供了一种用于分析目标物的化学成分的方法。该方法包括将电可调谐法布里-珀罗干涉仪放置在由辐射源发射的辐射路径中，并且利用检测器来检测辐射。进行检测使得允许同时检测多个通带。换句话说，同时扫描多个透射峰。在该方法中使用带宽大于法布里-珀罗干涉仪的单个自由光谱范围的光学输入。随后，分析检测信号的组合。换句话说，分析混合信号或通过至少两个透射峰的辐射。例如，可分析图7中标有“x”的两个信号和/或可分析图7中标有“o”的两个信号。在不需要分离技术的情况下进行分析。检测器可为单像素检测器。
根据本发明的特定实施例，可通过例如滤波器来限定光谱仪的检测带。光谱仪可设置为进行操作，使得光谱仪对波长在第三检测范围之外即在约1500nm至约2500nm之间的范围之外的光谱分量基本上不敏感。滤波器可设置为排除小于第一截止值(即约1500nm)且大于第二截止值(即约2500nm)的光谱分量。选择截止值，使得光谱仪的检测范围大于自由光谱范围。干涉仪的相邻峰不被自由光谱范围分离。选择截止值，使得与其他透射峰重叠的光谱分量传播到检测器。
滤波器可阻挡检测带外的波长处的光谱分量到达检测器。根据干涉仪的透射峰的光谱位置，可选择截止值使得仅检测范围内的光谱分量可传播到检测器。
根据特定实施例，在该方法中不使用限带滤波器。根据本发明的其他特定实施例，通过利用检测器和/或光谱仪的另一光学组件的光谱选择性，也可排除检测范围之外的波长处的光谱分量。
在图8中，示出了三种化学成分的又一间隙-吸光度示意图。图中示出了每种化学成分在约1750nm至约2650nm之间的间隙范围内的根据法布里-珀罗干涉仪的反射镜之间的间隙的吸光度。
在图8中，示出了两个子范围，即单峰范围和双峰范围。在法布里-珀罗干涉仪的反射镜之间的间隙小于约2100nm的情况下，即在单峰范围内，检测通过单个透射峰的辐射。在法布里-珀罗干涉仪的反射镜的间隙大于约2100nm的情况下，即在双峰范围内，检测通过两个透射峰的辐射。换句话说，根据本发明的特定实施例，在单个峰的情况下扫描光谱的一部分，并且在图7所示的第三波长范围内的两个峰的情况下扫描光谱的另一部分。进行检测使得允许同时检测多个通带。
不同材料的“指纹图谱”先前已存储在库中，例如存储在计算机可读介质上。通过使用根据本发明的方法扫描各个已知的参考物质，已经创建了不同材料的特征或“指纹图谱”。换句话说，已经进行了已知参考物质的检测，使得允许同时检测多个通带。已经存储了这些参考测量的结果，以便教导根据本发明实施例的系统，从而创建库。
随后，可将扫描的目标物质的结果与存储的参考数据进行比较，以识别目标物质。由于每种目标物质都有其自身的特征，因此可根据参考数据来识别目标物质。目标物质可为例如阿司匹林、咖啡因、果糖、布洛芬、乳糖、微晶纤维素、对乙酰氨基酚、蔗糖、水等。
在图9中，示出了不同间隙宽度的波长-系统通量示意图，其中示出了第四波长范围。图示的第四波长范围在约1300nm至约2500nm之间。
在约1900nm的间隙下，检测到通过图9中标有“矩形”的透射峰的辐射。在约2050nm的间隙下，检测到通过图9中标有“三角形”的透射峰的辐射。在约2200nm的间隙下，检测到通过图9中“未标记”的透射峰的辐射。在约2400nm的间隙下，检测到通过图9中标有“x”的透射峰的辐射。在约2650nm的间隙下，检测到通过图9中标有“o”的透射峰的辐射。
扫描信号(例如在图9中标有“o”或“x”的信号)是不明确的，因此不能在普通光谱学中分析多个信号。在所示的第四波长范围内示出了多个自由光谱范围。
根据本发明的特定实施例，提供了一种用于分析目标物的化学成分的方法。该方法包括将电可调谐法布里-珀罗干涉仪放置在由辐射源发射的辐射路径中，并且利用检测器来检测辐射。进行检测使得允许同时检测多个通带。换句话说，同时扫描多个透射峰。在该方法中使用带宽大于法布里-珀罗干涉仪的单个自由光谱范围的光学输入。随后，分析检测信号的组合。换句话说，分析混合信号或通过至少两个透射峰的辐射。例如，可分析图9中标有“x”的两个信号和/或可分析图9中标有“o”的两个信号。
根据本发明的特定实施例，可通过例如滤波器来限定光谱仪的检测带。光谱仪可设置为进行操作，使得光谱仪对波长在第四检测范围之外即在约1300nm至约2500nm的范围之外的光谱分量基本上不敏感。滤波器可设置为排除小于第一截止值(即约1300nm)且大于第二截止值(即约2500nm)的光谱分量。选择截止值，使得光谱仪的检测范围大于自由光谱范围。干涉仪的相邻峰不被自由光谱范围分离。选择截止值，使得与其他透射峰重叠的光谱分量传播到检测器。
滤波器可阻挡检测带外的波长处的光谱分量到达检测器。根据干涉仪的透射峰的光谱位置，可选择截止值使得仅检测范围内的光谱分量可传播到检测器。
根据特定实施例，在该方法中不使用限带滤波器。根据本发明的其他特定实施例，通过利用检测器和/或光谱仪的另一光学组件的光谱选择性，也可排除检测范围之外的波长处的光谱分量。
在图10中，示出了三种化学成分的又一间隙-吸光度示意图。图中示出了每种化学成分在约1750nm至约2650nm的间隙范围内的根据法布里-珀罗干涉仪的反射镜之间的间隙的吸光度。目标物质可为例如阿司匹林、咖啡因、果糖、布洛芬、乳糖、微晶纤维素、对乙酰氨基酚、蔗糖、水等。
在图10中，示出了两个子范围，即双峰范围和三峰范围。在法布里-珀罗干涉仪的反射镜的间隙约1700nm至约2400nm之间，即在双峰范围内，检测通过两个透射峰的辐射。在法布里-珀罗干涉仪的反射镜的间隙大于约2400nm处，即在三峰范围内，检测通过三个透射峰的辐射。换句话说，根据本发明的特定实施例，在两个峰的情况下扫描光谱的一部分，并且在如图9所示的第四波长范围内的三个峰的情况下扫描光谱的另一部分。进行检测使得允许同时检测多个通带。
不同材料的“指纹图谱”先前已存储在库中，例如存储在计算机可读介质上。通过使用根据本发明的方法扫描各个已知的参考物质，已经创建了不同材料的特征或“指纹图谱”。换句话说，已经对已知参考物质进行了检测，使得允许同时检测多个通带。已经存储了这些参考测量的结果，以便教导根据本发明实施例的系统，从而创建库。
随后，可以将扫描的目标物质的结果与存储的参考数据进行比较，以识别目标物质。由于每种目标物质都有其自身的特征，因此可根据参考数据来识别目标物质。目标物质可为例如阿司匹林、咖啡因、果糖、布洛芬、乳糖、微晶纤维素、对乙酰氨基酚、蔗糖、水等。本发明适用于同时测量多于两个或三个的级别。不需要分离技术。由例如单像素检测器检测到的混合信号或信号总和足以分析目标物的化学成分。
在图11中，示出了根据本发明的至少一些实施例的用于分析化学成分的方法的流程图。该方法包括将电可调法布里-珀罗干涉仪放置在由辐射源发射的辐射路径中。该方法还包括利用检测器来检测通过法布里-珀罗干涉仪并且通过已知参考物质或被已知参考物质反射的辐射。进行检测使得允许同时检测多个通带。换句话说，在该方法中使用带宽大于法布里-珀罗干涉仪的单个自由光谱范围的光学输入。干涉仪的相邻峰不被自由光谱范围分离。可同时扫描多个透射峰。
随后，将已知参考物质的参考数据存储在计算装置的存储器中。然后，可任选地对一种或多种其他参考物质重复上述过程，以便创建包含多种参考物质的参考数据的库。
该方法还包括将电可调法布里-珀罗干涉仪放置在由辐射源发射的辐射路径中，利用检测器来检测通过法布里-珀罗干涉仪并且通过目标物质或被目标物质反射的辐射。再次进行检测使得允许同时检测多个通带。随后，将目标物质的目标数据存储在计算装置的存储器中，并且将扫描的目标数据与所存储的至少一种已知参考物质的参考数据进行比较，以识别目标物质。如果目标数据和参考数据匹配或至少基本匹配，则能够识别目标物质。在更复杂的材料矩阵中，可通过统计数学工具(例如偏最小二乘法(PLS)和主成分分析法(PCA))来执行识别和分析，或者也可使用神经网络来应用学习算法。
在图12中，示出了根据本发明的至少一些实施例的用于分析目标物的化学成分的系统1的示意图。系统1包括辐射源2，辐射源2配置为发射辐射3。该系统还包括电可调法布里-珀罗干涉仪4，电可调法布里-珀罗干涉仪4能够放置在由辐射源2发射的辐射3的路径中。此外，系统1包括检测器6，检测器6用于检测通过法布里-珀罗干涉仪4并且通过目标物5的辐射3。检测器6配置为检测辐射3使得允许同时检测多个通带。即，该系统配置为同时扫描多个透射峰。换句话说，该系统配置为同时测量至少两个透射峰。该系统配置为提供具有大于法布里-珀罗干涉仪的单个自由光谱范围的带宽的光学输入。该系统不包括限带滤波器。
检测器6连接到计算装置7。计算装置7包括用于存储至少一个已知参考物质的参考数据的存储器。计算装置7配置为分析检测信号的组合或混合信号。此外，计算装置7配置为将扫描的目标数据与参考数据进行比较，以识别目标物质。
根据一实施例，检测器6仅包括一个像素。这种配置仅允许检测一种特定的目标物质。本发明适用于同时测量多于两个或三个的级别。不需要分离技术。由单像素检测器检测的(混合)信号足以分析目标物的化学成分。
根据另一实施例，检测器6包括用于成像目的的像素矩阵。这种配置允许检测目标物质的成分。例如，多种物质可包含在粉末中。例如，阿司匹林和可卡因可包含在粉末中。由于像素矩阵中的多个像素，可利用系统1的检测器6来检测阿司匹林和可卡因。
在图13中，示出了根据本发明的至少一些实施例的用于分析目标物的化学成分的另一系统1的示意图。系统1包括辐射源2，辐射源2配置成发射辐射3。该系统还包括电可调法布里-珀罗干涉仪4，电可调法布里-珀罗干涉仪4能够放置在由辐射源2发射的辐射3的路径中。法布里-珀罗干涉仪4设置在辐射源2和目标物5之间。此外，系统1包括检测器6，检测器6用于检测通过法布里-珀罗干涉仪4并且被目标物5反射的辐射3。检测器6配置为检测辐射3，从而允许同时检测多个通带。检测器6连接到计算装置7。计算装置7包括用于存储至少一个已知参考物质的参考数据的存储器。计算装置7配置为将扫描的目标数据和至少一个已知参考物质的参考数据进行比较。
在图14中，示出了根据本发明的至少一些实施例的用于分析目标物的化学成分的又一系统1的示意图。系统1包括辐射源2，辐射源2配置为发射辐射3。该系统还包括电可调法布里-珀罗干涉仪4，电可调法布里-珀罗干涉仪4能够放置在由辐射源2发射的辐射3的路径中。此外，系统1包括检测器6，检测器6用于检测通过法布里-珀罗干涉仪4并且被目标物5反射的辐射3。法布里-珀罗干涉仪4设置在目标物5和检测器6之间。检测器6配置为检测辐射3，从而允许同时检测多个通带。检测器6连接到计算装置7。计算装置7包括用于存储至少一个已知参考物质的参考数据的存储器。计算装置7配置为将扫描的目标数据和至少一个已知参考物质的参考数据进行比较。该系统可任选地包括限带滤波器(未示出)，该限带滤波器的截止值提供大于自由光谱范围的光谱仪的检测范围。
应当理解的是，所公开的本发明的实施例不限于本文公开的具体结构、工艺步骤或材料，而是延伸至其等同物，这是相关领域的普通技术人员能够认识到的。还应当理解，本文采用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而非限制性的。
本说明书中对一个实施例或对一实施例的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在处出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”不一定都指代相同的实施例。在使用例如“大约”或“基本上”等术语来引用数值的情况下，本文中也公开了精确的数值。
如本文所使用的，为方便起见，可在共同列表中呈现多个项目、结构元素、组成元素和/或材料。但是，这些列表应该被解释为列表中的每个构件都被单独标识为一个独立且独特的构件。因此，若无特殊说明，此类列表中的任何独立构件不应仅仅根据其在共同组中的出现而被解释为同一列表中任何其他构件的事实上的等同物。另外，在本文中，本发明中的各种实施例和示例可与其各种组成部分的替代方案一起引用。应当理解，这些实施例、示例和替代方案不应被解释为彼此的事实上的等同物，而应被视为本发明的单独和自主的表示形式。
此外，所描述的特征、结构或特性可在一个或多个实施例中以任何合适的方式进行组合。在以下描述中，提供了许多具体细节，例如长度、宽度、形状等的示例，以提供对本发明实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可在没有一个或多个具体细节的情况下或者利用其他方法、组件、材料等来实践本发明。在其他情况下，众所周知的结构、材料或操作未详细示出或描述以避免使本发明的各方面变得模糊。
虽然前述示例在一个或多个特定应用中说明了本发明的原理，但是对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在没有付出创造性劳动并且在不脱离本发明的原理和概念的情况下，可在形式、使用和实施细节方面进行多种修改。因此，除了下面提出的权利要求之外，并不意图限制本发明。
动词“包括”和“包含”在本文中用作开放性限制，其既不排除也不要求未记载的特征的存在。除非另有明确说明，否则从属权利要求中所述的特征可相互自由组合。此外，应该理解，在全文中使用的“一”，即单数形式，并不排除复数的形式。
工业实用性
本发明的至少一些实施方案在分析目标物的化学成分方面具有工业实用性。
附图标记说明
1.系统
2.辐射源
3.辐射
4.法布里-珀罗干涉仪
5.目标物
6.检测器
7.计算装置
引文列表
专利文献
US 2012/0026503 A1
US 2013/0329232 A1
US 2015/0253189 A1
Claims (13)
1.一种用于分析目标物(5)的化学成分的方法，该方法包括：
将电可调谐法布里-珀罗干涉仪(4)放置在由辐射源(2)发射的辐射路径中，所述法布里-珀罗干涉仪(4)包括两个隔开间隙的反射镜，其中，所述辐射源(2)为提供带宽超过所述法布里-珀罗干涉仪(4)的单一自由光谱范围的光学输入；
利用检测器(6)检测通过所述法布里-珀罗干涉仪(4)并且通过所述目标物(5)或被所述目标物(5)反射的辐射(3)，并且其中，进行检测使得允许同时检测多个通带，其中，所述检测器(6)仅包括一个用于检测辐射的像素，其中，所述检测器(6)只有一个像素用于检测辐射；
随着所述法布里-珀罗干涉仪(4)的反射镜间隙不断变化进行扫描，以产生所述目标物(5)的连续光谱；以及
将所扫描的辐射数据与所存储的至少一种已知参考物质的参考数据进行比较。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，同时扫描多个透射峰，或者其中，同时测量至少两个透射峰。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，分析检测信号的组合，分析混合信号，或分析检测信号的总和。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述方法中不使用限带滤波器。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，选择限带滤波器的截止值，使得光谱仪的检测范围大于自由光谱范围，或者选择限带滤波器的截止值，使得与其他透射峰重叠的光谱分量传播到所述检测器(6)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述干涉仪的相邻峰不被自由光谱范围分离。
7.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：
将电可调谐法布里-珀罗干涉仪(4)放置在由辐射源(2)发射的辐射路径中，以及
利用检测器(6)检测通过所述法布里-珀罗干涉仪(4)并且通过已知参考物质或被已知参考物质反射的辐射，并且其中，进行检测使得允许同时检测多个通带。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法是成像方法或非成像方法。
9.一种用于分析目标物(5)的化学成分的系统(1)，该系统(1)包括：
辐射源(2)；
电可调谐法布里-珀罗干涉仪(4)，其包括两个隔开间隙的反射镜，并能够放置在由辐射源(2)发射的辐射路径中，其中，所述辐射源(2)为提供带宽超过所述法布里-珀罗干涉仪(4)的单一自由光谱范围的光学输入；
检测器(6)，其用于检测通过所述法布里-珀罗干涉仪(4)并且通过所述目标物(5)或被所述目标物(5)反射的辐射(3)，并且其中，所述检测器(6)配置为检测辐射(3)，使得允许同时检测多个通带，其中，所述检测器(6)仅包括一个用于检测辐射的像素，
所述系统(1)配置为随着所述法布里-珀罗干涉仪(4)的反射镜间隙不断变化进行扫描，以产生所述目标物(5)的连续光谱，以及
所述系统(1)包括存储器和计算装置，所述存储器用于存储至少一个已知参考物质的参考数据，所述计算装置配置为将所扫描的目标数据与所存储的参考数据进行比较。
10.根据权利要求9所述的系统(1)，其中，所述系统(1)配置为同时扫描多个透射峰，或者其中，所述系统(1)配置为同时测量至少两个透射峰。
11.根据权利要求9所述的系统(1)，其中，所述系统(1)包括计算装置(7)，该计算装置(7)配置为分析检测信号的组合，或者其中，所述系统(1)包括计算装置(7)，该计算装置(7)配置为分析混合信号。
12.根据权利要求9所述的系统(1)，其中，所述系统(1)不包括限带滤波器。
13.根据权利要求9所述的系统(1)，其中，所述系统(1)包括限带滤波器，该滤波器的截止值提供大于自由光谱范围的光谱仪的检测范围。
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Legal Events
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