本申請是申請日為2013年11月13日、申請?zhí)枮?01380059342.4，以及發(fā)明名稱為“便攜式分光計”的中國發(fā)明專利申請的分案申請。

本發(fā)明涉及一種便攜式分光計，具體而言涉及一種所需功率和尺寸最小的牢固的、高性能的便攜式分光計。

發(fā)明背景

在過去的十年中，近紅外光譜技術(shù)(nir)已經(jīng)日益發(fā)展成為一種在制藥工業(yè)中進行生產(chǎn)和質(zhì)量控制的不可缺少的分析工具。定性nir檢查經(jīng)常被應(yīng)用于對原材料進料進行識別控制，而最終產(chǎn)品的定量分析是制藥工藝鏈條中的一個重要步驟。然而，大部分藥學(xué)分析仍然通過從生產(chǎn)場所取樣、再將其運送至遠程質(zhì)量控制實驗室的方式進行。取樣與得出結(jié)果之間的這種延遲會限制分析的頻度和生產(chǎn)線的優(yōu)化。由此，可以考慮采用能夠?qū)に囘M行快速在線或線上分析的新的便攜式現(xiàn)場儀器，作為推動制藥工業(yè)效益提高的一個關(guān)鍵工具。

較早型式的緊湊型分光計，例如2012年7月26日公布的、oceanoptics,inc公司的公開號為2012/0188541的美國專利申請和2005年1月13日公布的、wilksenterprise,inc.公司的公開號為2005/0007596的美國專利申請中所述的緊湊型分光計，它們試圖通過設(shè)置一系列光路折疊反射鏡的方式來最大限度減小其占用空間。然而，折疊反射鏡在生產(chǎn)中需要大量的校準(zhǔn)步驟，且無法提供一種用于現(xiàn)場應(yīng)用設(shè)備的非常牢固的結(jié)構(gòu)，由此造成性能較低或性能無法預(yù)期。

在歷史上，曾采用光導(dǎo)管、光管或光傳輸導(dǎo)管進行光束整形或光重定向。實例包括用于顯示器或正面投影電視的顯示引擎技術(shù)，例如7,252,399和7,033,056號美國專利以及2006/0044833號美國專利申請中所披露的技術(shù)。2002年7月16日授予wilks等人的6,420,708號美國專利披露了一種光譜分析儀，其包括用于向樣本傳輸光、但并不用于對送至濾光片的反射光進行整形的矩形光管或晶體。

6,473,165、7,006,204和7,184,133號美國專利涉及自動化驗證系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，會對從一個光學(xué)干涉防偽特征上反射的在兩個不同入射角的兩個獨立光束的反射進行測量和比較。披露了一種用于收集和會聚光的會聚式錐形光管。

本發(fā)明的一個目的是，通過提供一種包括有寬帶光源和檢測器陣列、用于現(xiàn)場取樣測試裝置的高性能的、牢固的、便攜的、低功率的分光計，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點。

發(fā)明概述

相應(yīng)地，本發(fā)明涉及一種便攜式分光計設(shè)備，包括：

照射光源，用于將光引向樣本；

錐形光管(tlp)，用于采集以第一焦比與所述樣本相互作用的光，并用于以低于第一焦比的第二焦比傳送光；

線性可變?yōu)V光片(lvf)，用于將所采集的光分離成成分波長信號的光譜；以及

檢測器陣列，包括多個像素，所述多個像素中的每一個像素均被設(shè)置成接收多個成分波長信號之一的至少一部分，提供每一成分波長的功率讀數(shù)；

其中tlp包括用于設(shè)置在樣本附近的較小的第一端，與lvf相鄰的較寬和較高的第二端，以及從第一端向第二端發(fā)散的用于將光進行混合并將其跨越lvf傳播的側(cè)壁。

附圖簡要說明

下文將參照代表本發(fā)明優(yōu)選實施例的附圖，對本發(fā)明進行更為詳細的介紹，其中：

圖1a為根據(jù)本發(fā)明的分光計系統(tǒng)的示意圖；

圖1b為位于用戶手中的圖1a中的分光計的透視圖；

圖1c為圖1a中的分光計系統(tǒng)的透視圖；

圖2a和2b為圖1a的便攜式分光計的兩種不同實施例的側(cè)視圖；

圖3為圖1a中的便攜式分光計的其中一個光源的頂視圖；

圖4為圖1a中的便攜式分光計的外殼的頂視圖；

圖5a、5b和5c分別為圖1a中的分光計的錐形光管的等距視圖、側(cè)視圖和頂視圖；

圖6為具有和不具有tlp的分光計的透射率與波長的關(guān)系圖；

圖7a和7b所示分別為標(biāo)準(zhǔn)型tlp的入射和出射射線束以及帶透鏡tlp的入射和出射射線束；

圖8為具有和不具有帶透鏡tlp的分光計的透射率與波長的關(guān)系圖；

圖9為圖1a中的便攜式分光計的tlp防護罩的等距視圖；

圖10a和10b分別為根據(jù)本發(fā)明的具有和不具有tlp防護罩的分光計的響應(yīng)與波長的關(guān)系圖；

圖11為圖1a中的便攜式分光計的lvf的側(cè)視圖；

圖12為圖1a中的便攜式分光計的lvf和檢測器陣列的示意圖；

圖13a和13b分別為在本發(fā)明的lvf與檢測器陣列之間有750μm間隙和200μm間隙的分光計的響應(yīng)與波長的關(guān)系圖；

圖14為根據(jù)本發(fā)明的lvf和檢測器陣列結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；

圖15為根據(jù)本發(fā)明的無線分光計系統(tǒng)的示意圖；

圖16為根據(jù)本發(fā)明的一種可替換的無線分光計系統(tǒng)的示意圖。

詳細說明

參見圖1a、1b、1c、2a和2b，根據(jù)本發(fā)明的緊湊型分光計1是一種非常小的低成本手持式分光計，例如其不帶電池的重量小于5磅，優(yōu)選為小于2磅，更優(yōu)選為小于0.5磅，理想情況為小于100g，體積緊湊，例如小于6英寸×6英寸×2英寸，優(yōu)選為小于6英寸×3英寸×1英寸，更優(yōu)選為小于4英寸×2英寸×0.5英寸，分光計圍繞濾光片2構(gòu)建，濾光片2安裝在寬帶檢測器陣列3上，寬帶檢測器陣列3的寬度例如超過500nm，優(yōu)選為超過600nm，最優(yōu)選情況為超過700nm，例如一種銦鎵砷化物(ingaas)。濾光片可以是任何形式的分光計，例如基于衍射的，相位全息式的，基于受抑全反射(ftr)或基于線性可變?yōu)V光片(lvf)的，任何形式的需要特定的入射錐角度才可起作用的儀器，但優(yōu)選采用lvf。

lvf是采用本領(lǐng)域所熟知的用以生產(chǎn)穩(wěn)定且可靠的光學(xué)部件的電學(xué)工藝所沉積而成的電介質(zhì)薄膜法布里-珀羅(fabry-perot)帶通濾光片。lvf內(nèi)的濾光片涂層在一個方向上被有意制成楔形。由于帶通濾光片的中心波長是涂層厚度的函數(shù)，峰值透射波長會沿楔形的方向連續(xù)變化。lvf通常由sio2和ta2o5等無機材料制成，采用離子輔助物理氣相沉積技術(shù)生產(chǎn)，形成具有高可靠性和穩(wěn)定性的致密涂層。

理想情況下，分光計1完全由usb供電，即分光計所用功率為2.5w或更低，但具有無線連接的電池電源的分光計也屬于本發(fā)明的范圍，下文將會詳述?？刂葡到y(tǒng)4由處理器和適用的非易失性存儲器組成，且包括適用的usb連接器，用于接納usb線6，以實現(xiàn)控制系統(tǒng)4與主機控制設(shè)備7(例如筆記本電腦、平板電腦或pda等)之間的數(shù)據(jù)傳輸，理想情況下主機控制設(shè)備7置于保護罩8內(nèi)。采用一個或多個由開關(guān)10啟動的獨立式光源12將光引導(dǎo)到樣本15上，以使漫反射、透射或交互式輻射能夠被錐形光管(tlp)11等光收集光學(xué)器件所采集，以傳送至濾光片，例如lvf2。

為最大限度降低分光計1的尺寸和運行功耗，同時保持牢固性和高性能，需要解決許多問題，包括：1)使光路的效率盡可能高；2)在光路中使用tlp11，而非光纖；3)將lvf2置于靠近檢測器3之處，以使所需光學(xué)器件降至最少；4)使檢測器陣列3無需冷卻，以避免te冷卻器的功率要求；以及5)提供功耗盡可能低的、但仍可在諸如紅外(ir)區(qū)內(nèi)提供寬帶光照的光源12。

根據(jù)本發(fā)明的分光計1在工作時的功耗低于2.5w，即使光源12包括兩個或更多燈時亦如此。對于近紅外光，光源12優(yōu)選由一個或兩個板載白熾燈(例如真空鎢絲燈)組成，其在儀器的整個有效范圍(例如對于近紅外光，在900nm至1700nm范圍或900nm至2150nm范圍)內(nèi)提供寬帶光照，帶寬例如超過500nm，優(yōu)選超過700nm，最優(yōu)選為超過1000nm。一個燈12即足夠；然而，兩個燈12可以為樣本交互增加更多的光，由此使集成時間更短。實際使用中存在限制；然而，空間條件和usb或電池功率也會有所局限。

參見圖2a和2b，光源12通常有兩種配置。在一種配置中，樣本15被來自一個、兩個或多個光源12的相對準(zhǔn)直光以與樣本15的法向成一銳角(例如與tlp11的縱軸la成45°角)的方向照射，且tlp11的一端以相等距離被置于每個燈之間。tlp11的縱軸la垂直于lvf2和檢測器陣列3的基底。在另一種布置中，樣本15被以泛光照射。在兩種布置中，tlp11的接收端被設(shè)置為接收來自樣本15的基本沿法向(即沿縱軸la方向)入射的光。光源12被設(shè)置為排除來自樣本15的鏡面反射。45°照射會使反射率或透射反射率測量產(chǎn)生漫射。每個光源12在理想情況下包含一個端部帶透鏡的真空鎢絲燈，用于在樣本15上形成5mm、優(yōu)選為3mm或更小的光斑。參見圖4，光源12和tlp11的端部在理想情況下被設(shè)置在從設(shè)備1的主體向外延伸的外殼20的內(nèi)部。外殼20上有一個開口，開口被一個透明的、例如為寶石藍的保護窗21覆蓋，光通過保護窗21被投射到樣本15上，所反射的光被tlp11采集。外殼20可保護光源12免于損壞，并防止來自外部光源的雜散光進入tlp11的端部。樣本15置于光源12與tlp11之間的反射模式和透射模式均是可行的，分別如圖2a和2b所示。

緊湊型便攜式本體的概念還能包括但不限于位于背面的用于查看光譜的小屏幕、簡單的傻瓜式界面、電池、用于存儲光譜的存儲卡、計算機接口、閃光燈或板載照射光源，以及用于構(gòu)建、加載和使用板載“應(yīng)用”對數(shù)據(jù)進行后期處理的框架體系。

光源12的第一種實施例采用兩個端部帶透鏡的真空鎢絲燈來對樣本15提供強烈的近紅外光照射。理想情況下，燈被定位成使光以與樣本的法向成一銳角(例如45°)的方向照射到樣本15上，而鏡面反射光將反射到相對側(cè)的燈內(nèi)。理想情況下，在樣本15上形成一個直徑3mm的光斑。在正常情況下，不會有直接的鏡面反射進入tlp11的入口孔徑。這仍是一種可行的光照狀況，但其有一個缺點，即兩個投射光束會在“測量景深”約為500μm的一個位置處重合。即使不是大多數(shù)，也有許多近紅外測量會對來自表面以及樣本內(nèi)的光進行測量，即在某些情況下，穿透深度可以達到10mm。這種照明盡管控制鏡面反射的效果非常好，但是會產(chǎn)生透射反射率(transflectance)結(jié)果的變化。如果樣本15僅在其表面上接受測量，則這是一種可行的照明布置。

可替代實施例中的光源12采用非定向燈產(chǎn)生的泛光照明。泛光照明使用非準(zhǔn)直光照射樣本15，這樣可以減輕“測量景深”問題，即對于透射反射率測量景深最大為10mm，而非僅僅是表面測量。泛光照明還能夠為待測樣本15提供更大的近紅外光通量。額外自由度的實現(xiàn)代價是，需要控制來自分光計1的前方保護窗21的寄生鏡面反射光。這將通過使用有臺階的防護罩(terracedboot)25來實現(xiàn)(見圖9)，防護罩25可嚴格限制tlp11的入口孔徑所能看到的視場。減少來自燈12的無益光進入tlp11是通過以下方式實現(xiàn)的：調(diào)整燈12與防護罩25的入口孔徑的相對位置、調(diào)整防護罩25與窗21的后表面的接近距離、調(diào)整窗21的厚度，以及施用到窗21上旨在最大限度減少鏡面反射的涂層等等。

tlp11提供有光收集光學(xué)器件，其被設(shè)計為將任何所需波長的光譜光能(即從樣本15的朗勃散射表面或透射的半透明表面反射的光)送至lvf2的入射表面，以傳輸?shù)綑z測器陣列3處。為使濾光片/檢測器陣列組件2/3高效率地工作，進入lvf2的光的最大接受na需要為0.2或更小。為實現(xiàn)可接受的na，從被測樣本15收集的輸出輻射模式需要一個透鏡或錐形光管。錐形光管11可以為實心(例如schottn-bk7玻璃)或為中空結(jié)構(gòu)，具體取決于光譜引擎或分光計的工作參數(shù)。tlp11的錐角可以根據(jù)反射或透射式取樣和/或光路長度進行優(yōu)化。tlp11可以有針對中空或?qū)嵭氖皆O(shè)計而施加的反射涂層，也可以沒有涂層。錐形和非錐形光管可以有或沒有旨在增強來自樣本的信號的光循環(huán)性質(zhì)。分光計或光譜傳感將控制所針對的波長區(qū)域，并最終支配光管設(shè)計。

錐形光管(tlp)11的一個具體示例在圖5a、5b和5c中示出，其在較小的第一端采集來自朗勃光源的光，即燈12發(fā)出的經(jīng)高散射表面(例如固體或液體樣本15)以第一焦比(例如f/1)和例如20°至40°之間，但通常為30°左右的錐角反射的光，并將所反射的光進行混合、分散和整形，使之具有使分光計1內(nèi)的lvf2更好地工作所需的較小的焦比f/3，即約10°或更小的錐角。錐形光管11充當(dāng)色散器(disperser)和光整形器件，其具有發(fā)散的側(cè)壁(例如有4個)，將光散開，并使電磁波能夠從較大的第二端(例如較高和較寬端)穿過來自朗勃光照表面的lvf2。相應(yīng)地，tlp11使分光計1能夠從一個相對大的區(qū)域進行光采樣，收集來自任何朗勃散射表面的光，這一點不同于其他競爭技術(shù)，其他競爭技術(shù)通常使用光纖對發(fā)自一個較小的局部區(qū)域的光進行收集。此外，tlp11對光進行混合和分散，以適應(yīng)lvf2的尺寸和像素陣列3中的像素。由此lvf2可以被優(yōu)化，以接受偏離法向(即涂層表面和/或lvf基底的法向)不超過10°的光，由此大大提高分辨率和性能。

焦比是望遠鏡的焦距與其孔徑之比，由焦距除以孔徑得出。例如，焦距為2032mm、孔徑為8英寸(203.2mm)的望遠鏡的焦比為10(2032/203.2＝10)或稱f/10。

tlp11為光束轉(zhuǎn)向/整形器件，其采用復(fù)合角將光錐從(快速的)第一焦比(例如f/1)減慢為較低(較慢)的第二焦比(例如f/3)，并使lvf2能夠在光譜上達到性能要求。這通過控制tlp11的入口孔徑和出口孔徑的縱橫比來實現(xiàn)。tlp11的長度需要足夠長，以實現(xiàn)光的足夠混合，并在出口孔徑上獲得合適(較慢)的焦比。圖6示出了具有和不具有tlp11的分光計在透射率和波長方面的差異(即透射率小得多，波長寬得多)。

最接近燈12的tlp11的入口孔徑有一個1.5mm至2.5mm(優(yōu)選為2mm+/-0.1mm)×0.4mm至0.6mm(優(yōu)選為0.5mm+/-0.1mm)的較小的開口。接近lvf2的出口孔徑則有一個6mm至7mm(優(yōu)選為6.6mm±0.1mm)寬、0.75mm至1.25mm(優(yōu)選為1.0mm±0.1mm)長的較大的開口。tlp11的長度為15mm至25mm(優(yōu)選為20mm±0.3mm)，在高度和寬度上均向入口端逐漸變細。相應(yīng)地，在寬度方面，相對縱軸每一側(cè)的錐角在6°至7°之間，總共為12°至13°，在高度方面，相對縱軸每一側(cè)的錐角在0.5°至1°之間，總共為1°至2°。

不利的是，由于有tlp11，射出tlp11的光束不再垂直于lvf2，即它們在檢測器陣列3的任何一端最多傾斜到6°(見圖7a)。結(jié)果是會出現(xiàn)兩種不利的影響，其在檢測器陣列3的端部更為加劇：1)中心波長發(fā)生下移；2)存在帶寬(分辨率)的加寬。圖8中較短較寬的圖線示出了采用平面tlp11的分光計的性能。

理想情況下，在tlp11內(nèi)加入帶透鏡元件以使傾斜的光束變直，可采用對tlp11加裝帶透鏡表面23的形式實現(xiàn)；然而，也可采用對lvf2加裝單獨的透鏡和/或帶透鏡的入口的方式。通過柱面透鏡23，例如采用典型光學(xué)材料制成的、在6.4mm有效區(qū)域上的下垂為0.5mm的透鏡，位于檢測器陣列3的邊緣的傾斜光可以被變直，這應(yīng)能恢復(fù)微型nir(micronir)的最佳性能，例如線性波長間隔和最佳分辨率。參見圖8中較高且較窄的圖線。

參見圖9，設(shè)置有tlp防護罩25，用于支承tlp11，并可確保從樣本15反射的光被以由第一焦比(例如f/1)及約30°的錐角限定的合適的接受角傳送至tlp11的入口孔徑，并確保tlp11的視場被以所需的第二焦比(例如f/3)以及約10°的錐角傳送至lvf2。防護罩25包括一個支承部分26，其至少支承tlp11的末端，理想情況下會支承整個tlp11而不引入任何應(yīng)變，由此保護tlp11免受沖擊和振動影響。防護罩25還包括一個間隔部分27，其通過將tlp11容納在其內(nèi)部并將tlp11的入口端與保護窗21分開，減少了燈12發(fā)出的光經(jīng)保護窗21鏡面反射后到達tlp11的入口孔徑的量。間隔部分27與tlp11的入口孔徑直接接觸，并包括多個階梯狀的內(nèi)表面28，其有多個平面矩形臺階29，表面圍繞開口延伸，且垂直于tlp11的縱軸la，用以減少近紅外光能在任何其他位置(例如從入射窗反射)進入tlp11。間隔部分27的側(cè)壁在從其開口處至設(shè)置在防護罩25內(nèi)的tlp11的開口方向上，在長度和寬度上以階梯方式會聚。如果光從其他地方進入，則結(jié)果將是系統(tǒng)的光譜性能變差。臺階29與老式干板照相機的變焦波紋管類似，可非常有效地阻擋和捕捉不需要的散射光，使其不進入tlp11內(nèi)。對于分光計1，這樣除了可以更好地利用檢測器動態(tài)范圍之外，還可以在透射反射率測量方面實現(xiàn)更高的光密度(od)測量值。

如果在入口孔徑處有更高的角光通量進入tlp11，則結(jié)果將是：光譜曲線上的光譜通帶、第二光譜峰、肩和底會展寬。圖10a和10b中的圖線示出了常規(guī)防護罩(圖10a)與本發(fā)明的防護罩25(圖10b)在激光譜線光譜圖上的差異，本發(fā)明的防護罩25提供的分辨率要高得多。

參見圖11和12，本發(fā)明的lvf2從tlp11接收被收集的光，并傳輸單個的波長帶，波長帶橫跨lvf2的長度方向以升序或降序線性變化。在所示的實施例中，如本領(lǐng)域所熟知的，lvf2包含多層堆疊，在基底33上的第一與第二反射層31和32之間有一個間隔層30。第一和第二反射層31和32以橫截面上的厚度漸變(會聚或發(fā)散)的方式沉積，由此，濾光片越厚，透射波長越長。所示的透射率(％)與波長的關(guān)系圖包括從400至700的波長；然而，任何波長范圍均有可能。

中心波長沿lvf2的長度連續(xù)變化，由此照射在檢測器像素上的光是該像素可以“看到”的從lvf2上的每個點發(fā)出的帶寬的疊加(由光的f/#設(shè)定)。中心透射波長在lvf2的整個長度上線性變化。在示例中，lvf2的最左端僅透射藍光波長(較短的波長)的窄的范圍。在向右移動的過程中，lvf2的厚度增加，會透射較長的波長。最終在最右端，只有紅光(較長的波長)的窄帶被透射。

lvf2被設(shè)計為在每一位置處透射一個波長帶。這些波長帶被設(shè)計為與預(yù)期總波長范圍除以像素數(shù)的值大體相當(dāng)，但通常是稍小一些。例如，在現(xiàn)有的128像素的分光計1中，lvf2被設(shè)計為透射約占中心波長1％的波長帶(中心波長為1000nm時透射的波長帶為10nm)。lvf技術(shù)的一項優(yōu)勢是波長帶未被分離；換言之，照射到lvf2上的每個波長的光都將在檢測器平面上的某個地方“被看到”。

取代了高功耗且笨重的制冷系統(tǒng)的是，在緊鄰檢測器陣列3的地方理想情況下安裝了一個溫度反饋器件41，例如熱敏電阻。溫度反饋器件41可以是電阻隨溫度變化的熱敏電阻，也可以是輸出一個已知的與溫度相關(guān)的電壓的高精度集成電路(ic)。溫度反饋器件的模擬輸出由控制系統(tǒng)4cpu讀取?？刂葡到y(tǒng)4此時可執(zhí)行一個溫度調(diào)節(jié)過程，通過訪問存儲在非易失性存儲器內(nèi)的一個查詢表或公式，其根據(jù)來自溫度反饋器件的溫度對初始測量值進行校正，來確定經(jīng)過溫度調(diào)整的讀數(shù)。

檢測器陣列3的暗電流和響應(yīng)率均與溫度相關(guān)。只要溫度穩(wěn)定，即可獲得可重復(fù)的結(jié)果；然而，傳統(tǒng)觀點認為，lvf2和檢測器陣列3的溫度應(yīng)盡可能低。

在所有應(yīng)用場合中，lvf2與檢測器陣列3之間的間隙被設(shè)置為使從lvf2發(fā)出的任何波長的光束的發(fā)散降至最低；例如將光束的發(fā)散優(yōu)化到在檢測器陣列3上少于3個像素。另一種替代實施例是，將間隙分開，以確保光束的尺寸在lvf2與檢測器陣列3之間不會加倍。

圖12示出了lvf2與檢測器陣列3之間的小間隙d的重要性。假定由tlp11提供的光的錐度相同，在光照射lvf2、即f/3或9.59°時，發(fā)散度s變?yōu)閐×tan9.59°。對于150μm的間隙d，發(fā)散度變?yōu)?5μm。相應(yīng)地，lvf2上的一條單線將在檢測器陣列3上形成一條一個像素寬度的線。

對于150μm的間隙，從lvf發(fā)出的每一條光“線”都會以±9.59°發(fā)散，在檢測器平面上形成一條±25μm寬的線。這對應(yīng)于像素節(jié)距(50μm)。由此，lvf2上每一條線的波長敏感響應(yīng)在兩個像素間按權(quán)重比例分開。相應(yīng)地，采用一個小于500μm、優(yōu)選為小于200μm、更優(yōu)選為在5μm至80μm間的間隙，這是最大幅度減少所需光學(xué)器件、使設(shè)備能夠以緊湊型封裝提供的優(yōu)選方式。

圖13a和13b示出了間隙為750μm(圖10a)和200μm(圖10b)的光譜性能差異，其中較小的200μm間隙可最大限度減小像素串?dāng)_、光譜加寬和隱伏(pedestals)。

理想情況下，lvf2盡可能接近檢測器陣列3，以減輕檢測器元件之間的光譜串?dāng)_，如圖14所示。最佳狀況是，使用透光粘合劑51將lvf2直接粘合到檢測器陣列3的像素52上；然而，粘合劑51還需要具備以下條件：不導(dǎo)電或具備介電性質(zhì)；通過在檢測器陣列3受到誘發(fā)應(yīng)變或破壞作用力時，獲得良好的粘合強度，由此對機械條件呈現(xiàn)中性；在光學(xué)方面能夠透射所需的光譜成分；消除在空氣與玻璃界面上發(fā)生的反射；并具備合理的熱膨脹系數(shù)性質(zhì)，以便在固化和熱循環(huán)中使檢測器像素52的應(yīng)力降至最低。相應(yīng)地，lvf2會使檢測器陣列3的每個像素52對不同的波長有理想的響應(yīng)。

例如，諸如ingaas線性二極管陣列等檢測器陣列3的內(nèi)部電子部件和導(dǎo)線53對于任何導(dǎo)電材料均非常敏感，這會造成短路、破壞或損毀檢測器像素或cmos處理芯片54。在本例中，用以減輕此問題的粘合材料51為epo-tek353nd^tm，其具有可以熱固化但不能用紫外線固化的性質(zhì)。在本例中，熱固化可以接受，因為直接粘附于檢測器陣列3的像素52上的lvf2上的涂層不會透射紫外線能。此外，ep353nd(無色或黑色)在固化過程之前和之后均具有出色的介電性質(zhì)。理想情況下，在約5至15微米的厚度上，ep353nd無色型可以用作lvf2與檢測器陣列3之間的粘合劑51。

在lvf2上設(shè)置有一個“玻璃蓋”55，即lvf2的基底，覆蓋住檢測器陣列3中的大部分像素52，但其并不設(shè)置在帶傳感器芯片54的對環(huán)境敏感的部分53上。不過，粘合劑ep353nd也可以采用不透明形式，例如為黑色，可作為整個內(nèi)部封裝的涂布劑56。不透明粘合劑56可用作光隔離劑或光吸收密封劑或隔片，圍繞住lvf2并覆蓋住封裝內(nèi)的檢測器陣列3的敏感電子部件，以最大限度減少雜散光問題。粘合涂布劑56還可作為封裝內(nèi)的電子線路53的環(huán)境保護劑，而不再需要當(dāng)前所需要的蓋窗。使用相同的材料作為透明粘合劑51和黑色涂布材料56，在熱學(xué)、光學(xué)和加工方面均具備優(yōu)勢。

由此，有三個因素影響著每一像素所看到的分辨率(波長范圍)：第一，像素寬度在幾何上對應(yīng)于lvf2上的中心波長范圍，例如，在lvf為900-1700nm范圍內(nèi)的情況下，一個50μm像素看見6.3nm的波長。第二，lvf2具有由設(shè)計和入射光錐角的組合所確定的固有帶寬(例如，1％寬，或9nm至17nm，取決于位置)。第三，間隙和錐角會形成混雜或加權(quán)效應(yīng)(例如，1個像素寬，或者額外增加6.3nm，作為加權(quán)平均值)。這些因素的疊加形成了儀器的整體分辨率，例如，在我們當(dāng)前的儀器中，為1.1％。

便攜式分光計1可能的應(yīng)用場合包括現(xiàn)場威脅檢測；藥品、管制物質(zhì)和食品的識別和確認；法庭辯論；食品工業(yè)中的過程監(jiān)測(例如，針對谷物中的水分含量)；以及用于回收和污染物檢測的產(chǎn)品的識別。任何具有近紅外信號(結(jié)構(gòu))的物體均可被測量和確定。

在圖15所示的一種替代實施例中，手持式緊湊型分光計1包括耦合到電池組59的光學(xué)封裝和藍牙或wifi芯片60，藍牙或wifi芯片用于與設(shè)置在遠程位置的控制設(shè)備7(例如控制硬件和軟件)進行通信。

用戶將使用連接至一個android、windows或基于蘋果ios的設(shè)備(即控制設(shè)備7)的緊湊型分光計1進行實時預(yù)測。理想情況下，控制設(shè)備7和緊湊型分光計1通過usb電纜6或獨立式藍牙或wifi連接(即，它們只是此局域網(wǎng)上的兩個設(shè)備)進行通信。沒有云接口；用戶將使用硬編碼方法將方法文件62或app上傳至控制設(shè)備7的非易失性存儲器，控制設(shè)備7預(yù)計將控制緊湊型分光計1，并執(zhí)行所保存的方法文件62。方法文件62是指預(yù)處理和從光譜庫得出的光譜模型的組合，其將發(fā)出對緊湊型分光計1最終用戶的預(yù)測。如果應(yīng)用場合需要多個結(jié)果，方法文件62可能包含不止一個模型。方法文件62還可能規(guī)定所需的緊湊型分光計的配置，例如曝光時間、有待用來進行平均處理的掃描的次數(shù)，或者將這些設(shè)置留作有待于被限定的設(shè)置以作為儀器設(shè)置規(guī)程的一部分。

預(yù)處理是數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)處理或加工技術(shù)，以在一組測得的光譜中去除各種影響(例如基線偏置或樣本光散射)。這些技術(shù)包括求導(dǎo)、雜散和基線校正。對預(yù)處理的具體選擇進行選擇，旨在提高辨識度，即最大限度減小相同材料的多個光譜之間的差異，并使不同材料的光譜之間的差異最大化。

光譜庫是存儲在控制設(shè)備7的非易失性存儲器內(nèi)或與之相連的服務(wù)器64內(nèi)的對已知“基準(zhǔn)”材料的一系列光譜測量值，這些“基準(zhǔn)”材料可以是多種不同的物質(zhì)，也可以是同一材料類型的多種變體。實例可以是不同白色粉末樣本的一系列近紅外(nir)、紅外(ir)或拉曼光譜。光譜庫將被用于生成“光譜模型”。

“光譜模型”是指從特定的一組光譜中得出的數(shù)學(xué)方程。模型通常為回歸矢量，從光譜庫中以統(tǒng)計學(xué)方式得出，對一未知光譜與庫內(nèi)光譜的相似性加以量化。例如，一個“光譜模型”可以包括對應(yīng)于一種給定材料的波長、幅值和光譜峰寬度。這些波長、幅值和寬度會與已測得的經(jīng)過預(yù)處理的光譜的波長、幅值和寬度進行比較。這種比較的結(jié)果可以被預(yù)測引擎63進行定性的解釋，用于身份標(biāo)識(id)或“通過/不通過”類應(yīng)用，也可對其進行定量解釋，用于確定純度或濃度。

預(yù)測引擎由存儲在控制設(shè)備7上的非易失性存儲器內(nèi)的計算機硬件和/或軟件組成。所確定的參數(shù)或結(jié)果被稱為“預(yù)測”。由預(yù)測引擎63提供的預(yù)測可以被傳送至緊湊型分光計1上供用戶觀察，或者在控制設(shè)備7上的適用的圖形用戶界面上進行簡便的觀察。另可替代方式是，預(yù)測可以被保存在控制設(shè)備7上的非易失性存儲器內(nèi)或遠程服務(wù)器64上，以供日后查閱。

預(yù)測引擎63可以通過兩種方式之一進行預(yù)測：第一，可在分光計提供商的軟件內(nèi)直接執(zhí)行采用已知模型和預(yù)處理的簡單方法。第二，復(fù)雜或第三方專有的方法可以以第三方格式上載，控制設(shè)備7將與第三方預(yù)測“引擎”進行通信，以進行實時預(yù)測。第三方引擎將需要駐留在控制設(shè)備7上。數(shù)據(jù)還原或投影技術(shù)可包括偏最小二乘法、主成分分析、主成分回歸、偏最小二乘判別分析，以及簇類獨立軟模式法。

有些用戶可能希望保留掃描和預(yù)測的歷史記錄。為此，控制設(shè)備7將具備在本地保存光譜和預(yù)測并在聯(lián)網(wǎng)(例如，通過usb、wifi、藍牙或4g網(wǎng)絡(luò))時將其同步到服務(wù)器64上的能力?？刂圃O(shè)備7還將具備在進行同步時從服務(wù)器64接收更新方法的能力。在本情境中可能需要采用條形碼閱讀器來選擇合適的方法。

方法軟件62將能夠通過服務(wù)器64向工程設(shè)計發(fā)送未知的光譜，以進行進一步的評價或校準(zhǔn)更新。

除保存和執(zhí)行方法之外，控制設(shè)備7上的應(yīng)用方法62將能夠?qū)Ψ止庥?進行設(shè)置并檢查其健康狀況，例如進行基準(zhǔn)測量。緊湊型分光計1的“診斷”能力將包括依照外部波長精度標(biāo)準(zhǔn)(nist2036或等效標(biāo)準(zhǔn))進行的測量，并確認儀器精度完好無損。還需要進行光度噪聲和線性度計算。診斷掃描可以在初始啟動時進行或應(yīng)用戶要求進行。

在圖16所示的另一種替代配置中，緊湊型分光計1和控制設(shè)備7相互連接，并通過無線網(wǎng)絡(luò)72連接至用戶的服務(wù)器71。此類系統(tǒng)的一個實例是位于制藥公司的接收塢。方法文件62和預(yù)測引擎63被保存在服務(wù)器71上，而不是在控制設(shè)備7上。在基礎(chǔ)設(shè)施模式中，用戶將能夠(甚至?xí)灰蟊仨?掃描待分析樣本15的條形碼73。保存在非易失性存儲器內(nèi)、并在控制設(shè)備7上執(zhí)行的軟件將對由控制設(shè)備7上的相機拍攝的照片使用條形碼識別算法，使用條形碼73從服務(wù)器71選擇合適的方法，并對所記錄的光譜和結(jié)果進行適當(dāng)?shù)臉?biāo)記，以供顯示和存儲。隨后用戶將通過按壓緊湊型分光計1的集成化掃描按鈕，對材料進行掃描。用戶可能還希望從控制設(shè)備7對掃描進行控制。當(dāng)掃描完成時，用戶將查看控制設(shè)備7上的預(yù)測結(jié)果，并基于該方法對結(jié)果加以確認。如果條形碼集成在用戶現(xiàn)場未生效，用戶應(yīng)能夠在使用緊湊型分光計1進行光譜采集之前，從保存在服務(wù)器71上的列表中選擇合適的方法文件。

在處于基礎(chǔ)設(shè)施模式內(nèi)的一個特定案例中，操作人員可以配置緊湊型分光計1，包括選擇一個方法，然后在單一一次通過/不通過的評價中，僅攜帶分光計1來掃描樣本。在此模式中，分光計1將與控制設(shè)備7通信，并由集成化掃描按鈕經(jīng)wlan72觸發(fā)，根據(jù)通過/不通過的結(jié)果，提供聽覺、視覺或觸覺(振動)反饋。

方法、光譜和結(jié)果將全部保存/存儲在用戶數(shù)據(jù)庫服務(wù)器71上，而不是在控制設(shè)備7上。此外，方法還可在本地云、即服務(wù)器71上執(zhí)行，結(jié)果再傳回控制設(shè)備7，這些對于用戶為透明。具備合適權(quán)限的用戶應(yīng)能夠查看來自多個緊湊型分光計1的結(jié)果，并通過與本地云的交互，提供對多個用戶的權(quán)限管理，例如生成或僅使用方法的能力。在此情況下，需要使用符合21cfr第11部分的軟件；每一用戶應(yīng)有不同的“管理”權(quán)限，以使經(jīng)過培訓(xùn)的操作人員能夠僅在其被許可時使用緊湊型分光計1。21cfr第11部分還提供了一種數(shù)據(jù)驗證機制，在這種機制中，在沒有合適授權(quán)的情況下，不能刪除和更改任何數(shù)據(jù)。本地服務(wù)器71可望成為21cfr第11部分合規(guī)的一個整體組成部分。

在另一種高度針對緊湊型分光計1應(yīng)用的配置中，基于云計算的核心架構(gòu)至關(guān)重要。核心架構(gòu)和測量過程與圖16所示類似。

此配置的用戶為初學(xué)者，不一定具有近紅外技術(shù)或分光計1的經(jīng)驗。用戶僅需依靠分光計1來提供基于一個非常具體的取樣和測試步驟的答案。典型的術(shù)語是“標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程”，即sop。執(zhí)法人員、危險物品技術(shù)人員或軍事人員是較好的實例。

控制設(shè)備7上的完善的app將引導(dǎo)用戶進行緊湊型分光計1的初始化和配置。該app將根據(jù)需要，從置于一個遠程且安全的位置的分光計提供商的服務(wù)器71上下載更新和方法，例如通過一個或多個網(wǎng)絡(luò)，如因特網(wǎng)進行下載，并將診斷信息報告到分光計提供商服務(wù)器71上。在此配置中，提供了這樣的選擇：對儀器的完全表征和按照基線和零進行的定期驗證將不再一定需要在現(xiàn)場進行，且設(shè)置可完全自動化地進行。

在“云操作模式”中，分光計提供商的人員將負責(zé)管理方法軟件62，并監(jiān)測系統(tǒng)健康狀況和性能。方法軟件62將由分光計1提供商擁有并管理。由此，對方法軟件62的任何更新均需要被“推送”至本地訂戶庫。

類似地，分光計1產(chǎn)生的結(jié)果和數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)回到分光計提供商(或其合作者)的服務(wù)器71，并被存檔以供日后可能的應(yīng)用。從最終用戶樣本15返回到分光計提供商服務(wù)器71處的數(shù)據(jù)將被篩選，以實現(xiàn)統(tǒng)計簡便性或唯一性，篩選依據(jù)為來自現(xiàn)場的結(jié)果和由在分光計提供商服務(wù)器71處應(yīng)用的方法所上載的光譜的進一步分析。如果在與分光計提供商的庫進行比較時，樣本被認為是唯一，該光譜將被標(biāo)記為對未來方法更新的一個可能的增補(且用戶將被通知及被要求提供更多信息)。實質(zhì)上，這是收集獨一無二的樣本以供未來加入到模型中，以應(yīng)對現(xiàn)有方法目前未能考慮到的任何變動性。