CN107430031B - 最小化光谱仪中的非随机固定图样噪声的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及提高受非随机或者固定图样噪声限制的光学光谱仪的信噪比(SNR)的系统和方法。使用短的测试曝光收集来自样品的信号，计算最大化SNR的总观察时间，以及通过对其时间基于检测器的时间相关噪声结构而选择的多个曝光进行平均来实现总观察时间。而且，利用光谱仪的时间相关噪声结构的先验知识，该方法可容易地自动化并且可以对于未知化合物的光谱最大化SNR，而没有任何用户输入。

Description

最小化光谱仪中的非随机固定图样噪声的系统和方法

技术领域

本发明一般涉及最小化光谱仪中的非随机噪声的可自动化的系统和方法，并且更具体地涉及光学光谱仪。

背景技术

光谱仪制造商的一个主要挑战是向客户提供对于未知样品的测量自动地最大化信噪比的工具。手持式仪器经常在处理不能以最小化Johnson-Nyquist和/或散粒噪声相同的方式通过延长单个曝光而最小化的非随机噪声源时面临一组独特的挑战。

美国专利No.7,605,918描述用于拉曼光谱仪的自动曝光例程，其中操作员可以通过执行简短的测试脉冲以估计将不使检测器饱和的最大曝光长度来“指定当收集来自样品的光谱时要获得的目标信噪比(SNR)”。在美国专利No.7,605,918中，如果操作员指定的SNR需要将利用单个曝光使检测器饱和的观察时间，那么自动地收集多个曝光并且随后对多个曝光进行求和或者平均。美国专利No.7,605,918具体地陈述“如果期望的SNR小于使用最大曝光时间的曝光的SNR，那么仅需要单个曝光，并且可以使用来自单个简短的样品曝光的SNR对曝光时间进行缩放以实现至少近似期望的SNR的SNR”。

发明内容

在本申请中描述的系统和方法在目的和方法两者上与美国专利No.7,605,918显著不同。美国专利No.7,605,918的目的是要对多个进行求和或者平均以便实现否则将使检测器饱和的观察时间。与此相反，在本申请中描述的方法的目的是要使用预定时间的多个曝光以小化不能通过延长单个曝光而最小化的非随机噪声。

在美国专利No.7,605,918中描述的方法对多个扫描进行求和或者平均，只要检测器否则将饱和。使用该方法，使检测器饱和所必要的时间取决于由样品分析而导致的信号强度。因此，该最大曝光时间可以从一个样品到另一个样品而改变。与此相反，对于在本申请中描述的方法，曝光时间是基于特定系统的噪声特性而选择的预定义长度的时间，在制造时被设置并且与样品无关。该基于噪声的方法对于受非随机噪声限制的检测系统独特地有用，非随机噪声不像随机热或者散粒噪声，它的大小不在长的单个曝光上最终达到平均，并且经常时间随着曝光延长而增长。因此，在美国专利No.7,605,918中描述的方法对于最小化光学光谱仪中的非随机噪声将不是有用的。相反地，受益于美国专利No.7,605,918中描述的方法的光谱仪将可能不受益于这里描述的方法，因为它们可能受到散粒噪声或者检测器噪声限制，并且不必要地添加另外的光谱以进行平均将引入另外的读出噪声，因此增加检测系统的总体噪声。

本发明一般涉及最大化受非随机噪声限制的光谱仪中的SNR的自动化方法和系统。在该方法中，使用短的测试曝光收集来自样品的信号，计算最大化SNR的总观察时间，并且通过对其时间基于系统的时间相关噪声结构而选择的多个曝光进行平均来实现总观察时间。通过基于检测器的时间相关噪声结构选择曝光时间，可以以使用单个曝光不能实现的方式最小化非随机噪声。而且，利用光谱仪的时间相关噪声结构的先验知识，该方法可以是可自动化的并且不需要来自终端用户的输入。

参考附图以及附加到本说明书并且其一部分的权利要求，在阅读下面的描述之后，本发明的另外目的、特征和优点对本领域技术人员容易清楚。

附图说明

图1是最小化非随机电子噪声的系统的框图；

图2例示当它与时间有关时的噪声的不同贡献源(contributor)的示图；

图3例示示出当它与曝光时间有关时的信噪比的示图；

图4例示由现有技术系统生成的示例波形；以及

图5例示由合并最小化非随机电子噪声的方法的系统获得的波形。

具体实施方式

这里描述的系统和方法的一个目的是要最小化可以限制光学光谱仪的性能的非随机噪声。使用这里描述的方法可以最小化所有类型的非随机噪声，例如包括闪烁噪声、1/f噪声、1/f²噪声或者与检测器阵列中像素灵敏度的变化相联系的噪声。非随机噪声可以起源于作为光谱仪的部分、附接到光谱仪或者以其它方式影响光谱仪的子系统的任何组件。光谱仪的电子子系统包括例如：检测器阵列中的单独(individual)传感器像素、在检测器模块内部和/或外部发现的前置放大电子设备、在检测器模块内部和/或外部发现的读出电子设备、与数据传送相关联的电子组件、电源组件、仪器控制/数据查看组件以及所有相关联的布线。

任何光学光谱技术可以作为检测系统的部分而使用，诸如本领域中已知的那些中的任何一个。简言之，光学光谱仪以这样的方式定位光束：光束与样品交互，并且使用检测器测量光学信号的改变。可以使用产生任何波长的光的任何适当光源，例如包括，激光器、光电二极管、x射线管和黑体辐射器。另外，可以使用任何适当的检测器材料，例如包括砷化铟镓(InGaAs)、硅、锗、碲镉汞、锑化铟。检测器可以由单个检测器、检测器元件的线性阵列或者检测器元件的2维阵列构成。

拉曼光谱学是测量由样品的非弹性光散射而引起的从激光源的特性偏移的技术。拉曼光谱学给出与红外(IR)光谱学互补的样品的高级别分子结构信息，但是在一些情况下具有优于IR光谱学的优点，优点之一是样品中存在的水不干扰拉曼的分析。

IR光谱学是通过位于IR射束的路径中的样品的不同IR频率的吸收测量。IR光谱分析的主要目标是要确定在样品中发现的化学官能团。通过检测作为频率的函数的透射率或者吸收强度的改变而获得IR光谱。

荧光光谱学测量样品已吸收不同频率的光之后光的发射。荧光典型地在电磁谱的UV或者可见光区域中使用，但是其它类型的荧光(例如，X射线)也可以用于一些应用。用于电磁谱的UV和可见光区域的荧光仪器在需要时可以是紧凑的、低功率并且可运输。

UV或者可见光光谱学是通过位于UV或者可见光束的路径中的样品的不同UV或者可见光波长的光的吸收测量。UV或者可见光光谱学测量由于被探测材料中的电子跃迁而引起的通过样品的光改变。一些UV或者可见光光谱仪在需要时是紧凑的、低功率并且可以运输。

发射光谱学是从样品发射、而不是由样品吸收的光的测量。光的发射可以以任何方式产生，例如包括：从激光器激发(激光诱导击穿光谱学-LIBS)或者从电感耦合等离子体(ICP)激发。

本领域技术人员将看到上面提及的实施例的许多应用，特别是电子噪声是系统的限制噪声源的那些应用。

作为示例，图1例示最小化非随机电子噪声的系统10。如前面所陈述的，系统10可以是在上面段落中提及的若干不同光谱学系统中的任何一个。作为它的基本组件，系统10包括源12，该源12被配置为发射电磁辐射14以用于对调查中的样品16曝光。提供到样品16的电磁辐射14的至少一部分18由检测器20接收。源12和检测器20可以是若干不同的源或者检测器中的任何一个。例如，源12可以是1064nm激光器，而检测器可以是用来测量拉曼光谱的InGaAs检测器。检测器20被配置为基于由检测器20接收的电磁辐射的曝光而输出信号。

控制系统22可以与源12和/或检测器22两者通信。作为它的主要组件，控制系统22可以包括与存储器单元26通信的处理器。存储器单元26可以包含指令以将处理器24配置为执行在本说明书中公开的若干不同方法中的任何一个。还应当理解，处理器24可以是多于一个处理器。另外，如所示的，存储器26可以与处理器24分离地定位，或者可以嵌入在处理器24内。控制系统22被配置为控制来自源12的电磁辐射的曝光以及接收和解读来自检测器20的信号。

而且，源12可以由控制系统22配置为发射电磁辐射14长达预定义长度的时间以用于曝光。预定义长度的时间基于系统10的噪声特性以最小化非随机电子噪声。

而且，控制系统22可以包括输出设备28，该输出设备28允许控制系统22与诸如通用计算机30的外部设备通信。还应当理解，控制系统22和通用计算机30可以集成到单个单元中。控制系统22可以被配置为将波形32的信号输出到通用计算机30。通用计算机30可以包括能够显示波形32的输出设备34。而且，通用计算机30还可以包括若干不同输入设备36中的任何一个，诸如键盘或者鼠标，以允许通用计算机30的用户更好地查看和解读波形32。

另外地或者替代地，源12可以由控制系统22配置为发射要由检测器20接收的电磁辐射的测试曝光。控制系统22然后可以被配置为基于由检测器接收的测试曝光计算预定义长度的时间。可以基于系统10的信噪比对曝光时间计算预定义长度的时间。

如此，本发明还可以是包括从源12发射电磁辐射的多个曝光的步骤的方法，其中多个曝光中的每个曝光的时间是预定义长度的时间。预定义长度的时间可以基于光谱学系统10的噪声特性以最小化非随机电子噪声。该方法可以进一步包括由检测器20接收来自源12的用于每个曝光的电磁辐射的至少一部分并且然后通过对由检测器接收的多个曝光进行平均来计算波形的步骤。

为了更好地理解如何确定时间的预定义长度以用于每个曝光的长度，对图2和图3进行参考。应当理解，图2和图3中示出的示图的例示仅仅是示例，但是一般地示出光学光谱学系统的噪声特性。

图2例示对光学光谱学系统的噪声贡献源的四个不同示例。这里，噪声贡献源可以包括读噪声38、检测器噪声40、散粒噪声42和电子噪声44。一般地，读噪声38对于每个曝光是固定的。检测器噪声40一般是随机的并且一般当曝光时间延长时使自己最小化。散粒噪声42一般也是应当最小化的随机噪声，但是取决于进入系统10的光的量，它实际上可以随时间增长。最后，关于非随机的固定图样(pattern)噪声44，随着曝光时间的长度增加，电子噪声44也增加。噪声38、40、42和44的和由线46示出。如所例示的，在噪声的总和中线46示出井48，其中存在噪声量相对低的曝光时间段。

图3例示当它与曝光时间有关时的信噪比。如图3中看到的，如由线50所指示的，存在最大信噪比对曝光时间。用于曝光的预定长度的时间基于信噪比对曝光时间的分析并且本质上曝光时间应当通过计算如由线50所指示的包括最大信噪比的曝光时间来确定。用于单独曝光的预定时间通过最佳化作为曝光时间的函数的信噪比来选择。该最佳化可以实验地，或者通过对检测系统的每个噪声源的相对贡献建模以达到理想的曝光时间来完成。

在替代的实施例中，可以构造专用硬件实现，诸如专用集成电路、可编程逻辑阵列和其它硬件设备，以实现这里描述的方法中的一个或多个。可以包括各种实施例的装置和系统的应用可以广泛地包括多种电子和计算机系统。这里描述的一个或多个实施例可以使用具有可以在模块之间和通过模块通信的相关控制和数据信号的两个或多个特定的互连硬件模块或设备，或者作为专用集成电路的部分来实现功能。因此，本系统包括软件、固件和硬件实现。

根据本公开的各种实施例，这里描述的方法可以通过由计算机系统可执行的软件程序实现。而且，在示例性、非限制性实施例中，实现可以包括分布式处理、组件/对象分布式处理以及并行处理。替代地，可以构造虚拟计算机系统处理以实现如这里描述的方法或功能中的一个或多个。

而且，这里描述的方法可以以计算机可读介质体现。术语“计算机可读介质”包括单个介质或者多个介质，诸如集中式或者分布式数据库，和/或存储一个或多个指令集的相关联的高速缓存和服务器。术语“计算机可读介质”还将包括能够存储、编码或者携载指令集以用于由处理器执行或者使计算机系统执行这里公开的方法或操作中的任何一个或多个的任何介质。

由本发明产生的优点可以在实施例中示出，其中使用由1064nm激发激光器和InGaAs检测器构成的分散手持式拉曼光谱仪测量糖的拉曼光谱。在该特定实施例中，使用传统的自动曝光例程收集拉曼光谱，其中单个14秒曝光产生图4中所示的拉曼光谱。使用在该优点中描述的方法收集图5中所示的相同样品的拉曼光谱，其中通过对每个2秒的7个曝光进行平均来实现相同的14秒观察时间。基于特定光谱仪系统的时间相关噪声结构选择用于单独曝光的两秒长度的时间。对于相同的总观察时间，图4中示出的光谱的SNR(通过测量825cm^-1附近峰值的高度，除以2000cm^-1附近区域的峰-峰噪声来计算)大约为4:1，而图5中示出的光谱的SNR(以相同方式计算)大约为10:1。在该特定示例中，对于给定的观察时间通过使用本发明中描述的方法实现SNR的大约2.5倍提高。

如本领域技术人员将容易领会的，上面的描述打算作为本发明的原理的例示。该描述不意图限制本发明的范围或者应用，因为本发明容易进行修改、变化和改变，而不背离如由下面权利要求中定义的本发明的精神。

Claims (14)

1.一种最小化非随机电子噪声的光谱学系统，所述光谱学系统包括：

源，所述源被配置为发射电磁辐射以用于多个曝光中的曝光，其中，所述多个曝光中的每个曝光各自长达预定义长度的时间；

检测器，所述检测器被配置为接收来自所述源的电磁辐射的至少一部分，其中，所述检测器被配置为基于由该检测器接收的用于曝光的电磁辐射的多个曝光输出信号；

控制系统，所述控制系统与所述源和检测器两者通信，其中，所述控制系统被编程为控制来自所述源的电磁辐射的曝光以及接收和解读来自所述检测器的信号；

其中，所述源由所述控制系统配置为发射电磁辐射长达所述预定义长度的时间以用于所述多个曝光中的每个曝光，其中，所述预定义长度的时间基于所述光谱学系统的时间相关噪声特性以最小化非随机电子噪声并且对于所述多个曝光中的每个曝光是相同的；

其中，所述控制系统被编程为通过基于从所述检测器接收的信号对与所述多个曝光中的每个曝光相关联的每个信号进行平均来输出波形，所述多个曝光中的每个曝光具有等于所述预定义长度的时间的持续期；

其中，所述预定义长度的时间基于所述光谱学系统的信噪比对曝光时间来计算；并且

其中，所述信噪比的噪声是读噪声、检测器噪声、散粒噪声以及电子噪声之和。

2.根据权利要求1所述的光谱学系统，其中：

所述源由所述控制系统配置为发射要由所述检测器接收的电磁辐射的测试曝光；并且

所述控制系统被配置为基于由所述检测器接收的测试曝光计算所述预定义长度的时间。

3.根据权利要求1所述的光谱学系统，其中，所述预定义长度的时间在制造所述光谱学系统时被设置。

4.根据权利要求1所述的光谱学系统，其中，所述光谱学系统是拉曼光谱仪。

5.根据权利要求1所述的光谱学系统，其中，所述光谱学系统是荧光光谱仪。

6.根据权利要求1所述的光谱学系统，其中，所述光谱学系统是紫外光或者可见光光谱仪。

7.根据权利要求1所述的光谱学系统，其中，所述光谱学系统是发射光谱仪。

8.一种最小化具有源和检测器的光谱学系统的非随机电子噪声的方法，所述方法包括步骤：

从所述源发射电磁辐射的多个曝光，其中，所述多个曝光中的每个曝光的时间是预定义长度的时间，其中，所述多个曝光中的每个曝光在长达所述预定义长度的时间的持续期上是相等的，其中，所述预定义长度的时间基于所述光谱学系统的时间相关噪声特性以最小化非随机电子噪声；

由所述检测器接收来自所述源的用于每个曝光的电磁辐射的至少一部分；

通过对与由所述检测器接收的所述多个曝光中的每个曝光相关联的每个信号进行平均来计算波形，其中，所述多个曝光中的每个曝光具有等于所述预定义长度的时间的持续期；

其中，所述预定义长度的时间基于所述光谱学系统的信噪比对曝光时间来计算；并且

其中，所述信噪比的噪声是读噪声、检测器噪声、散粒噪声以及电子噪声之和。

9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括步骤：

发射要由所述检测器接收的电磁辐射的测试曝光；和

基于由所述检测器接收的测试曝光计算所述预定义长度的时间。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述预定义长度的时间在制造所述光谱学系统时被设置。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述光谱学系统是拉曼光谱仪。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述光谱学系统是荧光光谱仪。

13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述光谱学系统是紫外光或者可见光光谱仪。

14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述光谱学系统是发射光谱仪。