扫描工作流的视觉指示器的制造方法
【专利摘要】手持式光谱仪(100)包含至少一个指示灯(170)和处理器，所述处理器经配置以控制所述至少一个指示灯(170)以指示所述手持式光谱仪的状态，所述状态选自由以下各项构成的群组：背景扫描状态、即将扫描样本状态、信号强度状态、荧光强度状态、样本匹配状态、样本分类状态、错误状态、数据传送状态、电池电荷状态以及存储器容量状态。所述样本匹配状态可以是例如正匹配状态、混合匹配状态、负匹配状态以及匹配错误状态中的一个。在一些实施例中，所述错误状态可以是背景错误状态、用户错误状态以及仪器错误状态或其任何组合中的至少一个。
【专利说明】扫描工作流的视觉指示器
[0001 ] 优先权主张
[0002]本申请案主张2013年12月19日提交的第61/918,635号美国临时专利申请案的权益。此申请案的内容通过引用以全文并入本文中。
[0003]政府支持
[0004]本发明是根据爆炸物处理技术分部(NAVEODTECHDIV)授予的第N00178-04-D-4143号合同在政府支持下产生的。政府在本发明中享有一定权利。
技术领域
[0005]本发明涉及光谱学，且更具体地说，本发明涉及用于手持式光谱仪(例如或拉曼手持式光谱仪)的视觉指示器系统和方法，所述手持式光谱仪还可以使用视觉指示器自动地向用户提供信息，例如，在不太理想的条件下。
【背景技术】
[0006]衰减全反射(ATR)是通常结合红外线光谱学(例如，傅里叶变换红外线(FTIR))使用的光询问技术，所述光询问技术使得能够直接地在固体或液体状态中检查样本。
[0007]确切地说，ATR利用在配置的内反射元件(IRE)和耦合的样本平面的接口处产生的总内反射光。在操作中，光束(例如，红外线)穿过IRE晶体，其方式为使得光束至少在离开与样本接触的内表面后反射。此反射形成扩展到样本中的消散波，通常达到约5微米，其中准确值通过光的波长、IRE晶体的入射角和折射率以及所询问的样本媒体来确定。此后经由(例如)单像素的线性阵列或2维阵列检测器来询问承载样本的光谱信息的反射光束以供分析。
[0008]拉曼光谱学是光询问，所述光询问使得能够直接地在固体、液体或气体状态中检查样本。
[0009]拉曼在后向散射收集模式中具有以下优点:拉曼可以通过透明的容器(例如小瓶、瓶子和塑料袋)收集数据。在操作中，将单色激光束朝向样本且引导到样本中。这引起样本中的分子振动，从而消耗一些激光能量。光从样本重新散射，且重新散射的光包含对于样本唯一的光谱信息。之后经由例如电荷耦合检测器(CCD)、线性或2维阵列检测器或InGaAs线性阵列或2维阵列检测器来询问所述光谱信息以用于分析。
[0010]手持式FTIR和/或拉曼光谱仪的工作流需要操作人员执行特定的步骤，以便使仪器正确地执行。使用ATR/FTIR手持式光谱仪的FTIR工作流的最常见问题中的一个是:穿上例如生化防护服的第一响应者难以沿着工作流成功地执行对所希望的样本的扫描，这主要是因为有限的可视性和灵巧性。可视性的问题被以下事实加重:用户不能够阅读屏幕上的指令，因为当用户在现场操作时，通常可能导致防护服的防护罩起雾。
[0011]因此，需要一种方法，所述方法允许手持式光谱仪的第一响应器操作人员在危险的条件下获得样本的扫描而不必阅读特定的操作指令。本发明涉及此需要，其方法为提供一种紧凑的手持式光谱仪，其经配置以提供接近感测区域的视觉指示器，使得用户可以在不阅读屏幕的情况下操作装置。
【发明内容】
[0012]本发明大体上涉及提供接近手持式光谱仪的感测区域的指示，以在使用户不必阅读屏幕的情况下就执行的操作来指导用户。
[0013]在一个实施例中，手持式光谱仪包含至少一个指示灯和处理器，所述处理器经配置以控制至少一个指示灯以指示手持式光谱仪的状态，所述状态选自由以下各项构成的群组:背景扫描状态、即将扫描样本状态、信号强度状态、荧光强度状态、样本匹配状态、样本分类状态、错误状态、数据传送状态、电池电荷状态以及存储器容量状态。样本匹配状态可以是例如正匹配状态、混合匹配状态、负匹配状态以及匹配错误状态中的一个。样本分类状态可以是爆炸物(例如，三过氧化三丙酮(TATP)、RDX、六亚甲基三过氧化二胺(HMTD))匹配状态、麻醉剂(例如，海洛因、可卡因、甲基苯丙胺、JWH-18)匹配状态、生物材料(例如，炭疽、肉毒)匹配状态，以及有毒材料(例如，丙烯醛、氯磺酸、异丙基异氰酸酯、甲苯、2，4_二异氰酸酯)匹配状态或其任何组合。在一些实施例中，错误状态可以是背景错误状态、用户错误状态以及仪器错误状态或其任何组合中的至少一个。在某些实施例中，手持式光谱仪可以进一步包含衰减全反射(ATR)平台，且至少一个指示灯可以与ATR平台相邻。在一些实施例中，至少一个指示灯可以位于ATR平台周围。
[0014]在另一实施例中，一种使用手持式光谱仪的方法包含:提供至少一个指示灯，所述至少一个指示灯经配置以指示手持式光谱仪的状态；以及激活手持式光谱仪的扫描功能，由此改变手持式光谱仪和至少一个指示灯的状态，以在获取背景扫描时指示背景扫描状态，且在完成背景扫描之后，指示即将扫描样本状态或错误状态。所述方法还包含在之后获取样本光谱，且显示样本光谱。将手持式光谱仪和至少一个指示灯的状态改变成错误状态可以包含:改变至少一个指示灯的状态以指示背景错误状态、用户错误状态以及仪器错误状态或其任何组合中的至少一个。在一些实施例中，所述方法可以进一步包含:在获取样本光谱之后，将样本与光谱库匹配且改变至少一个指示灯的状态以指示样本匹配状态。样本匹配状态可以是正匹配状态、混合匹配状态、负匹配状态以及匹配错误状态中的一个。在某些实施例中，所述方法可以进一步包含:传送样本光谱数据，且改变至少一个指示灯的状态以指示数据传送状态。在一些实施例中，所述方法可以进一步包含:对手持式光谱仪的电池充电且改变至少一个指示灯的状态以指示电池电荷状态。在某些实施例中，所述方法可以进一步包含:在获取样本光谱之后，存储样本光谱，且改变至少一个指示灯的状态以指示存储器容量状态。在一些实施例中，所述方法可以进一步包含改变至少一个指示灯的状态以指示信号强度状态。在某些实施例中，所述方法可以进一步包含改变至少一个指示灯的状态以指示荧光强度状态。
[0015]本发明具有许多优点，例如使得用户能够接收光谱仪操作指令而使用户不必阅读屏幕。此能力对当前方法是有益的，因为第一反应者使用的防护罩通常由于汗液的冷凝而起雾。这使得阅读屏幕变得困难。确切地说，单一颜色比屏幕上的文字容易看到得多。
【附图说明】
[0016]并入在本说明书中并且形成本发明的一部分的附图图示了本发明的实施例，并且与所述描述一起用以说明本发明的原理。
[0017]图1A示出具有三个指示灯以帮助在现场的操作人员的ATR手持式仪器的实例等距剖面透视图。
[0018]图1B图示在戴手套操作中的仪器的手持式形状因素。
[0019]图1C还示出不与三个指示灯一起操作(第三指示灯170被砧臂191遮蔽)以帮助在现场的操作人员的ATR手持式仪器的实例等距剖面透视图。
[0020]图2示出本发明的实例流程图方法。
[0021]图3示出实例实施例的工作的示意性表示。
[0022]图4示出样本台和ATR组合件的实例图式。
【具体实施方式】
[0023]在本文中呈现的实施例的描述中，应理解，除非另外隐含地或明确地理解或陈述，否则以单数形式呈现的词语涵盖其复数对应物，并且以复数形式呈现的词语涵盖其单数对应物。此外，应理解，除非另外隐含地或明确地理解或陈述，否则对于本文中描述的任何给定组件或实施例，针对所述组件列出的任何可能候选或替代方案通常可以个别地使用或彼此结合使用。此外，应了解，本文示出的图形未必按比例绘制，其中为了本发明清晰起见可以仅绘制一些元件。此外，可在各个图形中重复参考标号来示出对应或类似元件。另外，应理解，除非另外隐含地或明确地理解或陈述，否则此类候选或替代方案的任何列表仅是说明性的，而不是限制性的。另外，除非另外指明，否则本说明书和权利要求书中所用的表示成分的量、组分、反应条件等等的数字应理解为均由术语“约”修饰。
[0024]因此，除非相反地指示，否则本说明书和随附权利要求书中所阐述的数值参数是可以取决于试图通过本文提出的标的物获得的所需特性而变化的近似值。最低限度地，并且不试图限制等效物原则应用于权利要求书的范围，至少应根据所报告的有效数字的数目并且通过应用一般四舍五入技术来解释每个数值参数。尽管阐述本文中提出的标的物的广泛范围的数值范围和参数为近似值，但具体实例中所阐述的数值是尽可能精确报告的。然而，任何数值固有地含有某些由其对应的测试测量值中所发现的标准差必然造成的误差。
[0025]大体描述
[0026]手持式光谱仪可以包含以下技术中的一个或多个:拉曼、FTIR(中IR)、NIR(近IR)、激光诱导击穿(LIBS)、X射线荧光(XRF)以及量子级联激光器光谱学(QCL)。
[0027]在红外线(FTIR)光谱学中，用可以由所关注的样本吸收的广谱红外光照明未知物质。经由本领域的技术人员已知的源的照明通常在从约0.7微米多至25微米的波长范围中。在与样本交互前后测量随波长变化的光强度，并且计算由样本产生的吸光率。在与样本中的分子键的振动频率相对应的特定频率处，通过样本以不同的量吸收光。由于每一分子的键是不同的，因此每一分子的FTIR吸收光谱也是不同的。因此，光谱“指纹”可以通过记录随波长而变的光的吸光率来产生。
[0028]大多数物质可非常容易地吸收红外光，并且如果吸收所有光，那么将没有光到达检测器以供分析。因此，必须注意如何将光传送到样本以及如何从样本收集光。现场使用的最用户友好的方法被称为衰减全反射(ATR)，并且使用具有高折射率的内反射元件，例如，金刚石或锗，以在光返回之前将光发送到样本的仅前几微米中，以提供样本的光学信息。
[0029]对于便携式手持式光谱仪，存在许多应用，除了在机场处和在其它安全和/或公共位置中检测违禁物质之外，还包含执法和安全人员对不明物质的现场鉴定。为了可用于多种情况，光谱仪最好是经由手持式形状因素仪器而便携的，所述手持式形状因素仪器还提供快速且准确的结果。
[0030]因此，本文中所揭示的测量仪器和方法提供不仅实现运输方便，而且结果具有所需准确性的此类手持式形状因素。确切地说，在本文中所揭示的实施例以紧凑的封装配置，所述封装使得所关注的样本与定位在仪器中的ATR光学元件之间能够紧密接触，所述仪器使得能够对可疑材料进行FTIR研究。如仪器中配置的ATR高折射率光学元件(例如金刚石或锗晶体，或硅反射元件)通过确保非吸收入射辐射在经受全内反射之后被引导至检测器来操作。因此，反射辐射高效地耦合到检测器，从而确保手持式光谱仪的灵敏操作。
[0031]所关注的样本可以基于通过检测器测量到的反射辐射进行识别。反射辐射可以用于获得对应于样本的红外线吸收信息，并且可以通过将红外线吸收信息与存储在测量装置中的样本的参考信息相比较而识别样本。除了识别样本之外，测量装置还可以提供指示红外线吸收信息与参考信息的匹配程度的一个或多个度量(例如，数字结果)。此外，测量装置可以将所关注的样本的标识与也存储在测量装置内的违禁物质的列表相比较，以确定在处理所述物质时是否应采取特别的预防措施以及是否(例如)授权安全人员采取另外的措施。
[0032]FTIR光谱学通常需要在样本扫描之前进行背景扫描。背景扫描需要没有样本与采样接口接触，所述采样接口可以是ATR、漫反射率、擦地角或传输测量。除了不存在样本之夕卜，收集设备必须不受样本污染。按以下次序获得FTIR测量结果:收集背景扫描，经由GUI指示用户将样本放置到收集光学器件上，且收集数据。一旦已收集，就将背景按比例从样本去除以给出所得光谱。可以在线或离线地进一步处理此光谱以给出样本匹配状态，或可以通过与光谱库比较而给出定量结果，所述定量结果确认某一化学物质或化学物质的混合物在样本中存在的量。样本匹配状态可以是正匹配状态、混合匹配状态、负匹配状态以及匹配错误状态中的一个。
[0033]在使用FTIR光谱仪时的用户错误的相当大的原因来源于以下各项中的任一个(个别地或组合地):
[0034]a)用户在收集背景扫描之前未能恰当地清洁收集光学器件；
[0035]b)用户在背景扫描之前将样本放置到收集光学器件上，因此妨碍分析。
[0036]为防止这些用户错误，手持式光谱仪可以具有就如何使用FTIR光谱仪来指导用户的多种方式。这些方式可以经由图形用户界面(GUI)使用图像、颜色和/或词语来实现。另夕卜，在光谱仪上使用发光二极管(LED)等灯可以向用户指示何时执行动作或何时不执行动作。
[0037]具体说明
[0038]如在本申请案中所描述，本文中的实例实施例有益地涉及一种紧凑的ATR/FTIR光学仪器(即，手持式)，所述光学仪器解决在以通常繁琐的且视觉损害方式使用时在现场的操作。类似系统的一般描述还可以在Pastore等人的名称为《用于使用电机构件向样本施加力以用于检测的方法和设备(METHOD AND APPARATUS FOR THE APPLICAT1N OF FORCE TOA SAMPLE FOR DETECT1N USING AN ELECTROMECHANICAL)》的且转让给本申请案的受让人的第13/922,827号美国专利申请案中找到，所述申请案的揭示内容通过引用以其全文结合在此。然而，当所并入的参考文件中的任何事物与在本申请案中陈述的任何事物发生矛盾时，以本申请案为准。
[0039]转向图式，图1A和图1B示出大体上由标号100指代的密封仪器的等距剖面透视图，以给予读者对当前实施例更好的理解。确切地说，图1A示出仪器100的具有将在在本文中详细描述的元件的实例壳体156，所述元件例如，显示器136、三个视觉指示灯170、ATR平台186和棱镜表面122a(S卩，感测区域)。应注意，从图1A延伸到图1B的虚线用于使得读者能够了解本发明的实例指示灯170配置。还应了解，图1B用于说明仪器100的手持式形状因素和此仪器100的甚至以戴手套101方式进行的工作。
[0040]图1A还示出耦合到砧柱194的经设计非限制性实例砧臂191，所述砧臂可以通过所希望的力机构(即，致动器(未示出))向上(如图1C中示出的Z)驱动以用于壳体的间隙156，经由内部齿轮组(例如，机动内部齿轮组)有角度地移动Θ(如图1C中示出)，且之后被向下驱动以用于竖直压缩样本材料。
[0041]图1C示出具有视觉标记(指示灯170)和凹入间隙198的密封仪器100的另一等距剖视图，其中砧臂191升高到高度Z且以角度Θ移动到确切地说在表面122a上的位置，以便经定位用于操作仪器，例如，清洁和/或测量样本材料。
[0042]如大体上在图1A、图1B和图1C中提到的壳体156理想地配置有手持式形状因素，使得仪器100充当手持式红外线光谱仪，且确切地说，充当手持式傅里叶变换红外线(FTIR)光谱仪。在一些实施例中，壳体156可以包含具有变窄宽度的区域232，所述区域经定位和设定尺寸以适合系统操作人员的手，以便促进装置100作为手持式装置操作。在一些实施例中，壳体156还可以包含一个或多个减震外部突出部230，如大体上在图1A和图1C中指示。减震外部突出部230可以由粘弹性材料(例如橡胶等)形成(例如，模制)，并且通常来说经配置以减小或消除机械振动到壳体156内的组件的传输，并且还大体上保护仪器100的组件。关于尺寸方面，本文中的实施例出人意料地比由本申请案的受让人提供的先前版本小得多且轻得多，所述先前版本例如在Azimi等人(在下文中称为“Azimi”)的名称为《手持式红外线和拉曼测量装置和方法(Handheld Infrared and Raman Measurement Devices andMethods)》的且转让给本申请案的受让人的第7，928，391号美国专利案中所揭示的设计，所述专利案的揭示内容通过引用以其全文结合在此。然而，当所并入的参考文件中的任何事物与在本申请案中陈述的任何事物发生矛盾时，以本申请案为准。作为实例，壳体156的典型的最大值是约24cm或更少，且宽度约为13cm或更少，且厚度小于5cm。此外，砧配置提供具有基本上更少暴露部分的人体工学仪器，并且是对手持式仪器至关重要的供应件。总重量也基于本设计的紧凑性相对应地减小至1.6kg以下。
[0043]如上文所提到，当用户必须清理样本区域或将样本应用到样本区域时，如本文中揭示的FTIR工作流，尤其是在使用手持式仪器时，具有不同的步骤。读者请参考图2以了解用户可以如何开始操作，以经由使用标记(即，指示灯170)来实现此类不同步骤。然而，在转向针对图2的描述之前，需要重申，本发明提供至少一个指示灯170，所述指示灯通常接近感测区域122a，例如与ATR平台186相邻或围绕所述ATR平台，以使得操作人员能够容易且有效地操作仪器而使操作人员不必阅读屏幕。此指示器呈视觉光指示器的形式，改变颜色以指示用于用户的工作流中的步骤。这是非常重要的，因为如果例如用户在背景扫描期间将样本应用到ATR感测区域122a，那么仪器不能够提供结果。这是在所有FTIR系统上最常见的用户错误。在仪器100内的指示灯170背后的光元件可以例如是发光二极管(LED)。
[0044]为防止用户在背景扫描之前或在背景扫描期间将样本放置到收集光学器件上，可以向用户指示以下文字指令:扫描正在行进且不放置样本。另外，接近或临近收集光学器件的在装置的顶部上或在装置的侧面上的光或光的聚集可以指示不放置样本。至少一种灯可以强调不采取动作的颜色发光，举例来说，所述至少一种灯的颜色可以为红色。红色还可以指示收集光学器件不受污染(背景错误状态的实例，见下文)。绿色可以指示未检测到污染。
[0045]一旦已经成功地完成背景扫描，灯就可以变成不同的颜色，例如，橙色或绿色，以强调用户可以将样本放置到收集光学器件上。这可以作为单独的动作或结合文字指令，且灯可以闪光或保持一直发光。(见图2)。
[0046]对于可能具有视觉障碍(例如色盲)的用户，灯可以(多种)模式闪烁以将用户的注意力吸引到装置的当前状态。在某些条件下，灯可以改变亮度以更加清楚地指示其状态。
[0047]因此，转向图2的实例流程图方法，在现场的操作人员按下开始按钮202，且视觉指示灯170变成不同的颜色以指示手持式光谱仪的状态，且尽管任何颜色都可以被选择用于此操作，但在优选实施例中，指示灯170变成红色206。在指示灯170变成红色后，砧臂191(如果ATR是所述操作)升高到高度Z且以角度Θ移动到确切地说在表面122a(感测区域)上的位置，以便经定位用于操作仪器，例如，清洁屏幕和ATR感测区域122a。用户随后按下扫描按钮，从而激活手持式光谱仪的扫描功能，且如果仪器100的嵌入式软件认识到扫描按钮已经按下210，那么所述仪器的所述软件断开214指示灯170，否则例程结束212。仪器100随后获取背景测量结果218，且在完成背景测量218后，指示灯170变色，优选地变成绿色222，以向用户提供手持式光谱仪处于即将扫描样本状态的信息，且用户可以将所希望的样本应用到感测区域122a，并且之后按下仪器100上的扫描按钮(未示出)以用于测量的操作。如果仪器100认识到扫描按钮已经按下226，那么指示灯170断开228，且接着仪器100获取扫描232，否则例程结束227。之后显示结果236且例程结束240。如果光谱仪在背景测量218之后处于错误状态中，那么指示灯170变为错误状态219，所述错误状态可以是背景错误状态、用户错误状态以及仪器错误状态或其任何组合中的至少一个。
[0048]应注意，还可以利用替代的发光标记。例如，如图1A中示出，屏幕136可以经配置以提供各种颜色以执行各种任务，如上文所描述。
[0049]此外，如下文将论述，本发明的仪器100还可以提供拉曼工作流。然而，尽管拉曼工作流不像FTIR—样具有两个阶段，但当在单一仪器中存在多种技术时，指示灯170或屏幕颜色实施例可以用于识别所使用的是哪种技术，以及激光源何时作用。
[0050]作为另一实施例，可以实施多个颜色，而非仅红色和绿色指示器。例如，多个颜色可以用于指示仪器何时在等待用户执行某事，指示结果的类型(即，蓝色用于混合)，或当两种技术在一个框中时指示选择哪种技术。替代地，不同的特性还可以用于指示仪器的不同状态。例如，当仪器在进行分析时，灯可以闪烁。如果提供三个或三个以上的灯170，如图1A中示出，那么当仪器在进行分析时，灯170可以顺时针旋转的模式闪烁。
[0051]在其它实施例中，灯在此类手持式光谱仪上的其它用途可以包含:
[0052](a)在手持式光谱仪(所述手持式光谱仪可以包含FTIR、拉曼、NIR、LIBS或XRF光谱仪)上的灯可以在测量扫描期间指示信号强度或数据的质量。
[0053](b)在此类手持式光谱仪(所述手持式光谱仪可以包含拉曼光谱仪)上的灯可以在测量扫描期间指示荧光强度。荧光可以阻止收集拉曼光谱，妨碍识别化学物质或导致在测量情况下针对样本的较长收集时间；
[0054](C)在手持式光谱仪上的灯可以指示污染的存在，因此引导用户在继续进行之前清洁采样区域；
[0055](d)在手持式光谱仪上的灯可以指示在数据收集完成后的结果类型;例如，绿灯可以指示正匹配，蓝色可以指示混合结果，黄色或橙色指示类似项，且红色可以指示不与扫描数据匹配。
[0056](e)在手持式光谱仪上的灯可以指示无线数据传送是否可用，永久发光的灯可以指示所述功能可用，且当数据传送已进行时，所述灯可以闪光。
[0057](f)在手持式光谱仪上的灯可以指示内部电池的电荷的状态，使得当光谱仪没电但插入到充电器中时，灯可以指示内部电池的当前电荷状态。
[0058](g)灯状态(无论是闪光还是固定)和闪光模式可以其自身或结合屏幕上的消息指示错误状态。
[0059](h)灯状态(无论是闪光还是固定)和闪光模式可以其自身或结合屏幕上的消息指示存储器已满或接近填满；以及
[0060](i)灯状态(无论是闪光还是固定)和闪光模式以其自身或结合屏幕上的消息，可以指示在装置的一部分上的用户错误，举例来说，弯曲探针可能未被正确地插入，从而阻止光谱仪的使用。
[0061 ]提供图3以向读者说明本文中所描述的ATR/IR仪器的整体工作，所述ATR/IR仪器如大体上由标号100指代的手持式光谱仪。类似的系统还可以在Azimi的申请案中找到。
[0062]关于本申请案，仪器100示出安装在壳体156内的组合件支架152上的混合光学组件。重要的是，图3还示出ATR平台186，在ATR平台186周围的三个指示灯170，以及安装在壳体156外部的可移动(可旋转地和竖直地)样本接触臂(在下文中为论述的简单起见被称为砧臂191)，S卩，优选地机动砧臂。应注意，尽管图3中示出的仪器可以外部供电，但是为了完全的便携性，全套装置(即，仪器100)通常可以由电池供电，优选地通过可再充电电池供电，如所属领域的技术人员已知。
[0063]图3的混合光学组件可以包含:辐射源102和144;镜子104、108、110、148、118、120、120’、126、126’、128以及130;分束器106和146;检测器132和150;以及协作地配置由ATR平台186的ATR元件(例如，棱镜(未示出))。应注意，尽管图3示出特定数目且大体上在设计中为平面的镜子 104、108、110、148、118、120、120’、126、126’、128 和 130，但是应注意，包含折射光学元件(例如，透镜)以及非平面反射元件的任何数目的其它光学元件还可以配置有其它预定曲率以提供图3中示出的光学路径。例如，此类元件可以配置有凹、凸、抛物线、椭圆曲率，或沿着引导在仪器100内的光束路径的任何部分提供适当光束构造所需的任何一般表面。
[0064]如图3中示出，仪器100还包含耦合到镜子110的轴112、衬套114和致动器116，以及电子处理器134、电子显示器136(例如，包含平板显示元件，例如液晶显示元件、有机发光二极管显示元件、电泳显示元件或另一类型的显示元件)、输入装置138、存储单元140以及通信接口 142。图3中还示出对应地经由通信线路162a到j与检测器132、存储单元140、通信接口 142、显示器136、输入装置138、辐射源102和144、检测器150、可移动砧臂191以及致动器116电连通的电子处理器134。处理器134还经配置以控制至少一个指示灯170(在图1A到IC中示出)指示手持式光谱仪100的状态。
[0065]如果在操作期间经配置用于用作傅里叶变换红外线(FTIR)光谱仪，那么仪器100在处理器134的控制下经由辐射源102提供辐射168，所述辐射源可移除以便于更换。辐射168被镜子104引导以入射在分束器106上，所述分束器被配置为分束光学元件106a和相位补偿板106b以使得能够将所接收的辐射168划分成两个光束。使用此配置使得能够形成迈克尔逊类型的干涉仪，其中第一光束170a从分束器106的表面反射，沿着平行于箭头171的光束路径传播，且入射在固定镜子108上。固定镜子108之后以相反方向反射第一光束170a以便使其现在朝向分束器106。第二光束172通过分束器106透射且沿着平行于双向箭头173的光束路径传播。第二光束172入射在可移动镜子110的第一表面IlOa上，使得在反射后也朝向分束器106。
[0066]第一光束170a和第二光束172因此通过分束器106和相关联的光学器件的配置组合，所述配置在空间上重叠光束以形成一束经调制红外辐射光束174(借助于所配置的迈克尔逊干涉仪的操作)并且朝向镜子118。之后，镜子118、120、120 ’将经调制的红外辐射光束174引导至ATR光学元件(未详细示出，但是说明了ATR表面122a)。一旦在ATR光学元件(通常配置为棱镜)内，经调制红外光的光束174就被引导至ATR光学元件(例如棱镜)的表面122a(在图3中示出为平面视图)JTR光学元件的表面122a经定位使得其接触所关注的样本(未示出)，即，通常为在表面构造上具有不规则性的样本(例如，粉末)。如所述领域的技术人员已知，当经调制的红外光174入射在表面122a上时，经调制的红外光174的辐射的一部分经由所需消散波效应通过表面122a耦合到样本材料(未示出)中。作为所述效应的一部分，样本理想地吸收指示样本材料的结构以及因此特性的经调制的红外光174的一部分。
[0067]经调制红外光174的全内反射部分(表示为反射光束176)现在包含不由样本(未示出)吸收的减少量的经调制辐射，其还指示样本(未示出)的特性。作为所述配置的结果，反射光束176被引导通过所希望的ATR光学元件的表面且之后被例如镜子126’、126、128和130引导，以便通过仪器100经由通过检测器132进行的检测来询问。确切地说，在处理器134的控制下，检测器132可以经配置以基于光束176中的反射辐射来测量样本(未示出)的一个或多个特性。
[0068]如上所述，所配置的镜子108和110与分束器106—起有益地形成迈克尔逊干涉仪。在操作中，在每一测量之前通过如双向箭头164所指示平移镜子110，反射光束176中的辐射的多个测量值形成包含例如样本吸收信息等信息的干涉图。处理器134可以经配置以将一个或多个数学变换(例如，傅里叶变换)应用到干涉图以获得样本吸收信息。例如，处理器134可以经配置以将干涉图测量结果从第一域(例如，时间或空间维度)变换到与第一域共轭的第二域(例如，频率)。
[0069 ] 为提供镜子110的移动，所述元件自身耦合到轴112、衬套114和致动器116。轴112在衬套114内自由移动，且通常将粘性流体安置在之轴112和衬套114间以准许这两者之间的相对运动。因此，镜子110在致动器116经由通信线路162i从处理器134接收控制信号时移动。致动器116在平行于箭头164的方向上开始轴112的移动，且镜子110与轴112—起移动。衬套114提供对轴112的支撑，防止在平移期间轴112的摇晃。然而，衬套114和轴112通过安置在其间的流体有效地与彼此机械地解耦;且因此振动等机械干扰不大耦合在轴112和衬套114之间。因此，即使当振动等机械扰动存在于仪器100的其它部分中时，所得迈克尔逊干涉仪的对准也保持相对不受干扰。
[0070]为测量镜子110的位置，仪器100提供包含辐射源144、分束器146、镜子148和检测器150的组合件。这些组件经布置以形成第二迈克尔逊干涉仪。在操作的镜子位置测量期间，辐射源144(例如单色发射源(激光器))经由通信线路162g从处理器134接收控制信号，且产生辐射束178。作为所需来源的实例，辐射源144可以是经配置的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，其产生具有850nm的中心波长的辐射。然而，应理解，来源144还可以包含能够具有从400nm多至约1200nm的福射的广泛多种其它来源，例如，激光二极管、发光二极管等。
[0071]返回到针对图3的论述，光束178入射在分束器146上，所述分束器将辐射光束178分离成第一光束180和第二光束182。第一光束180从分束器146的表面反射且入射在镜子110的第二表面I 1b上。第二表面I 1b与镜子110的第一表面I 1a相反定位。第一光束180从表面IlOb反射并且返回到分束器146。
[0072]第二光束182通过分束器146透射、由镜子148反射且返回到分束器146。分束器146组合(例如在空间上重叠)反射光束180和182，且所述在空间上重叠的光束184被引导至检测器150。检测器150经由通信线路162h从处理器134接收控制信号，且经配置以测量组合光束184的强度。组合光束184提供包含所希望的光学位置信息的干扰图案。因此，监视光束184使能够通过对在光束184的振幅中的波峰和波谷计数而精确地确定镜子110的位置(和速度以及倾角，如果需要的话)。
[0073]作为本申请案的有益方面，可以通过处理器134将吸收信息与存储在存储单元140中的参考信息(例如，参考吸收信息)相比较以确定未知样本(未示出)的标识。例如，在傅里叶变换已应用于接收到的反射光束176之后，处理器134可以确定样本的吸收信息是否与各种物质的多组参考吸收信息中的任何一个或多个匹配，所述参考吸收信息作为数据库记录存储在存储单元140中，或甚至来自经由无线通信远程定位的数据库。如果发现匹配(例如，样本吸收信息和特定物质的参考信息足够一致)，那么样本190被认为是被处理器134识别。处理器134可以沿着通信线路162d将电子信号发送到显示器136，所述电子信号向系统操作人员指示样本190的识别成功并且提供所识别物质的名称。所述信号还可以向系统操作人员指示样本吸收信息与参考信息的接近程度。例如，可以提供一个或多个度量的数值，所述数值指示样本吸收信息与数值尺度上的参考信息之间的对应程度。
[0074]如果处理器134未发现样本吸收信息和参考信息之间的匹配，那么处理器可以向显示器136发送电子信号，所述电子信号向系统操作人员指示未成功地识别出样本190，或由于可移动砧臂191所施加的力不足而导致未提供ATR表面122a之间的有效光学耦合。在一些实施例中，电子信号可以包含对系统操作人员的提示:重复样本吸收测量或可能地选择可以提供足够的砧臂191接触力的操作。
[0075]如果样本190的识别成功，那么处理器134可以经配置以将样本190的标识与存储在存储单元140中的违禁物质的一个或多个列表相比较。如果样本190在列表上呈现为违禁物质，那么处理器134可以警示系统操作人员已检测到违禁物质。所述警示可以包含提供于显示器136上和/或显示器136上的彩色区域(例如，红色区域)上的警示消息。处理器134还可以经配置以经由扬声器发出音频警报以警示系统操作人员。
[0076]仪器100还包含通信接口142，所述通信接口经由通信线路162c从处理器134接收和向处理器134发射信号。通信接口 142包含无线发射器/接收器单元，所述单元经配置以将信号从处理器134发射到其它装置，并且从其它装置接收信号且将接收到的信号传送到处理器134。例如，通常，通信接口 142准许处理器134经由无线网络(所述无线网络包含连接到所述网络的多个装置)和/或经由到另一装置的直接连接而与其它装置通信。处理器134可以建立到一个或多个装置的安全连接(例如，加密连接)以确保信号可以仅通过批准在网络上使用的装置来发射和接收。
[0077]处理器134与中心计算机系统通信以更新存储在存储单元140中的参考信息的数据库。处理器134经配置以周期性地接触中心计算机系统以接收经更新的参考信息，并且处理器134还可以接收通过中心计算机系统传送的自动更新。经更新的参考信息可以包含(例如)参考吸收信息，并且还可以包含违禁物质的一个或多个新的或经更新的列表。
[0078]处理器134还可以与其它测量装置通信，以在例如识别出某些物质(例如，呈现于违禁物质的列表上的物质)时广播警示消息。警示消息还可以被广播到一个或多个中心计算机系统。包含物质的标识、识别物质时所在的位置、物质的量以及其它信息的警示信息还可以被记录且广播到其它测量装置和计算机系统。
[0079]在一些实施例中，仪器100可以经由其它类型的网络连接到其它装置，所述网络包含隔离的局域网和/或蜂窝式电话网络。所述连接还可以是无线连接或物理耦合。
[0080]作为无线连接的非限制性实例，此布置可以包含商用无线接口，例如但不限于，无线电波(WiFi)、红外线(IrDA)或还允许整合到可用便携式个人装置中的微波技术，例如但不限于，手机、寻呼机、个人身份证、膝上型计算机等。无线通信因此可以提供信号，包含将从处理器134发射到此类网络启用装置的警示消息(如果检测到)，所述警示消息可以在通过仪器100检测到特定可疑物的情况下警示工作人员。
[0081]无线网络可以(例如)任选地包含用于在前述便携式但固定的装置之间的数字语音和数据的近程传输的开放标准，所述开放标准支持点到点和点到多点应用。例如，如图3中示出的通信接口 142可以基于其当前在商业和家庭环境中的公共用途而配置有:蓝牙，所述蓝牙以全球可用的频带(即，2.4GHz)操作，从而确保在全世界的通信相容性;或电子和电气工程师IEEE技术(例如(IEEE)802.11a或IEEE 802.1Ib)，以作为通信方式。此类常用技术使得用户能够高速接入网络和因特网，同时在整个区域漫游。此外，用于无线的其它协议，例如，IEEE 802.15、IEEE 802.16、GPS、3G、4G等还可以配置为用于本文所揭示的当前的实施例的通信标准的协议。
[0082]相对于物理有线耦合，所述耦合可以借助于专用耦合I/O构件，例如，用于经由嵌入式软件(例如，固件)提供(例如)操作数据(反馈)或从处理器134接收到的用于对控制指令进行编程的指令的USB端口(未示出)。
[0083]所希望的输入装置138通常包含控制面板，所述控制面板使得系统操作人员能够设定配置选项并且改变仪器100的工作参数。在一些实施例中，仪器100还可以包含基于互联网的配置接口，其实现配置选项和操作参数的远程调整。所述接口可(例如)经由安全或不安全的网络连接通过网络浏览器访问。基于互联网的配置接口准许仪器100通过中心计算机系统或另一装置来进行远程更新，从而确保在特定位置中操作或用于特定目标的所有测量装置具有相似配置。基于互联网的接口还可以使得能够(例如)将装置配置报告到中心计算机系统，并且可以使得能够追踪一个或多个测量装置的位置。
[0084]转向仪器100的辐射源，通常配置为可替换组件的辐射源102包含宽带辐射源，其经配置以提供红外辐射，使得仪器100可以作为红外线光谱仪操作。例如，由来源102提供的红外线辐射通常包含波长的分布，其中所述分布的中心波长约为10微米。一般来说，辐射源102可以包含所属领域的技术人员已知的多种来源，包含从用于本领域中的任何定制或常规已知来源中选出的加热红外线源，例如但不限于，经加热以发出连续频带的光辐射的导线、金属或陶瓷元件。
[0085]由来源102提供的辐射波长的类似黑体分布的特性温度通常可以在700°C多至2000°C之间并且具有0.4与0.95之间的辐射率。然而，应注意，福射168温度可以根据特定样本190以及检测器132的灵敏度而变化(例如，经由沿着通信线162f发射的来自处理器134的控制信号)。用于产生电子信号的合适宽带检测器132包含热电检测器或其它检测元件，例如，辐射热测定器、铅盐检测器以及碲镉汞检测器、光电二极管、雪崩光电二极管、线性或2D阵列或在经受光束176或光束184的强度时可以产生电子信号的任何检测元件。光电二极管、雪崩光电二极管、四象限光电二极管或2D阵列相对于检测器150是所希望的，其中多元件检测器在动态对准中使用。
[0086]ATR/棱镜组合件论述
[0087]图4示出ATR平台186、187等和反射元件(下文称为棱镜122)的放大概略图。棱镜122包含经定位以接触样本190(例如示出为粉末(表示为圆圈))的表面122a，所述粉末可以是需要使用ATR原理来测量的固体或液体。如上文所描述且在图3中示出，来自在仪器100内配置的来源102的辐射通过表面122b进入棱镜122，且通过表面122c离开棱镜122。
[0088]与表面122a相对的棱镜122的边还(但未必)由棱镜底部204从下方支撑。金属(例如，金)等涂层(未示出)还通常被涂覆到棱镜122以使得能够稳定耦合到仪器100的经配置表面156的顶部，以还从上方提供对棱镜122的支撑。由表面156和底部204提供的支撑允许棱镜122在操作期间耐受大量所施加的力，而不会从其安装位置移位。
[0089]作为仪器操作的一般原理，如还在图3中示出，在将待检查的固体未知材料190放置于衰减全反射(ATR)元件(S卩，表面122a)上之后，样本接触致动器(例如砧致动器，未示出)抵靠着ATR表面122a将所希望的接触力施加到样本材料。所述致动器可以(例如)是电机(例如，DC电机)或螺线管、电磁螺线管或可以通过受控方式移动以提供已知或所希望的受控加压力的任何类型的力致动器(例如，压电驱动机构、线性电机、气动或液压致动器等)。此类致动器还可以包含凸轮或剪式千斤顶配置，并且如果配置成螺线管，那么此螺线管可以(例如)是驱动压力机构的旋转螺线管。使用此类致动器施加的接触力，尽管可能是固定力或甚至用户可选力，但更经常可以基于样本的光谱仪特征通过来自光谱仪的反馈(如先前所论述)自动地受到控制。
[0090]在操作期间，系统操作人员可以电机控制砧臂191的竖直移动。砧臂191的角位置Θ，尽管还能够通过电动机驱动，但在用于测量的仪器100的操作之前更经常由用户手动地提供。因此，在将样本安置在平台186上并且样本接触臂(例如，砧臂191)此后升高且旋转到适当位置之后，通过砧致动器(未示出)自动地提供对样本材料与棱镜122(例如，表面122a)的已知或受控压力。此操纵提供表面122a与样本材料190之间的紧密接触以实现消散波的有效耦合并且改进在反射辐射光束176的测量结果中的信噪比。支撑底部204和表面156确保棱镜122在操作期间在壳体156内保持在相同位置中。
[0091]应注意，ATR平台186从表面156朝外延伸距离e。通常，e可以在约3mm高度多至约5_高度之间。平台186经由优选的平面表面配置准许样本190与棱镜122的表面122a之间的接触，所述配置产生平台186中的朝向表面122a的开口(未详细示出)。然而，应注意，尽管平台186的平面表面配置是优选的，但是其它表面(例如，弯曲的凹形表面)还可以经实施以使得能够接收用于ATR光学研究的材料，如配置有本申请案的其它方面。平台186的某一组成部分是延伸区段187，所述延伸区段配置有设计有曲率的深沟状配置，以便陷住从平台186溢出的任何材料。不透液体的且通常气密密封件188耦合到平台(186和187)和表面。应注意，棱镜122以机械方式親合到光学引擎152，但是与仪器100的壳体156分离以防止大幅度机械扰动的传输。
[0092]应注意，本发明可以提供FTIR吸收信息以识别样本。在一些实施例中，除红外线吸收信息之外的样本信息可以用于识别样本。例如，仪器100可以经配置以与其它扫描系统协作来识别所关注的样本。合适的其它扫描系统可以包含，例如，手持式和非手持式拉曼扫描系统。为了识别样本，可以首先通过拉曼扫描系统来扫描样本，所述拉曼扫描系统经配置以基于关于样本的拉曼散射信息来确定样本的标识。通过拉曼扫描系统确定的标识随后被发射到仪器100且经由通信接口 142接收，如图1中示出。
[0093]仪器100还可以配置为单一手持式装置以还基于拉曼散射单独地确定样本的标识，如在第7，928，391号美国专利案中类似地揭示，所述专利案的揭示内容通过引用以其全文结合在此。然而，当所并入的参考文件中的任何事物与在本申请案中陈述的任何事物发生矛盾时，以本申请案为准。因此，如果经由FTIR信息和拉曼散射信息确定的标识一致，那么仪器100还可以将成功识别报告给系统操作人员。如果标识不一致，那么测量装置100可以报告识别失败。更一般而言，拉曼扫描系统和仪器100两者都可以经配置以确定样本的标识，以及与测量的样本信息和样本的参考信息之间的对应程度有关的数字得分或度量值。仪器100随后可以基于所报告的标识和度量值来确定识别过程是否成功，以及所报告的样本标识的可信程度。
[0094]本申请案中所包含的论述意图充当基本描述。尽管已经根据所示出和描述的各种实施例对本发明进行了描述，但所属领域的技术人员将容易认识到，可以存在对这些实施例的改变，并且那些改变将本发明的精神和范围内。读者应该知道，特定的讨论可以不明确地描述所有可能的实施例;很多替代方案是隐含的。此类修改以及其类似者被认为是很好地处于所属领域的技术人员的能力范围内且处于本发明的范围和精神内的简单修改。因此，在不脱离本发明的精神、范围和本质的情况下，所属领域的技术人员可以作出许多此类修改。说明、附图或术语都不意欲限制本发明的范围-本发明由权利要求书界定。
【主权项】
1.一种手持式光谱仪，其包括至少一个指示灯和处理器，所述处理器经配置以控制所述至少一个指示灯以指示所述手持式光谱仪的状态，所述状态选自由以下各项构成的群组:背景扫描状态、即将扫描样本状态、信号强度状态、荧光强度状态、样本匹配状态、错误状态、数据传送状态、电池电荷状态以及存储器容量状态。2.根据权利要求1所述的手持式光谱仪，其中所述样本匹配状态是正匹配状态、样本分类状态、混合匹配状态、负匹配状态以及匹配错误状态中的一个。3.根据权利要求2所述的手持式光谱仪，其中所述样本分类状态是爆炸物匹配状态、麻醉材料匹配状态、生物材料匹配状态以及有毒材料匹配状态或其任何组合中的一个。4.根据权利要求1所述的手持式光谱仪，其中所述错误状态是背景错误状态、用户错误状态以及仪器错误状态或其任何组合中的至少一个。5.根据权利要求1所述的手持式光谱仪，其中所述手持式光谱仪包含衰减全反射(ATR)平台，且至少一个指示灯与所述ATR平台相邻。6.根据权利要求5所述的手持式光谱仪，其中至少一个指示灯位于所述ATR平台周围。7.一种使用手持式光谱仪的方法，其包括: a.提供至少一个指示灯，其经配置以指示所述手持式光谱仪的状态； b.激活所述手持式光谱仪的扫描功能，由此改变所述手持式光谱仪和所述至少一个指示灯的状态，以在获取背景扫描时指示背景扫描状态，并且，在完成所述背景扫描之后，指示即将扫描样本状态或错误状态； c.获取样本光谱；以及 d.显示所述样本光谱。8.根据权利要求7所述的方法，其中将所述手持式光谱仪和所述至少一个指示灯的所述状态改变成错误状态包含:改变所述至少一个指示灯的所述状态以指示背景错误状态、用户错误状态以及仪器错误状态或其任何组合中的至少一个。9.根据权利要求7所述的方法，其进一步包含:在获取所述样本光谱之后，将所述样本与光谱库匹配，且改变所述至少一个指示灯的所述状态以指示样本匹配状态。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述样本匹配状态是正匹配状态、混合匹配状态、负匹配状态以及匹配错误状态中的一个。11.根据权利要求7所述的方法，其进一步包含:在获取所述样本光谱之后，传送样本光谱数据且改变所述至少一个指示灯的所述状态以指示数据传送状态。12.根据权利要求7所述的方法，其进一步包含:对所述手持式光谱仪的电池充电且改变所述至少一个指示灯的所述状态以指示电池电荷状态。13.根据权利要求7所述的方法，其进一步包含:在获取所述样本光谱之后，存储所述样本光谱，且改变所述至少一个指示灯的所述状态以指示存储器容量状态。14.根据权利要求7所述的方法，其进一步包含改变所述至少一个指示灯的所述状态以指示信号强度状态。15.根据权利要求7所述的方法，其进一步包含改变所述至少一个指示灯的所述状态以指示荧光强度状态。
【文档编号】G01N21/55GK105829870SQ201480069300
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2014年12月17日
【发明人】T·M·帕斯托尔, D·佩雷斯, M·D·哈格里夫斯
【申请人】赛默科技便携式分析仪器有限公司