CN113508281A - 使用多色矩形光片对混浊样品进行分光光度测量的组件 - Google Patents

使用多色矩形光片对混浊样品进行分光光度测量的组件 Download PDF

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Abstract

公开了用于测量介质的一个或更多个光学参数的组件。该组件包括光片生成器、光强度调制器、用于样品的保持器以及光学传感器。光片生成器被配置成提供包括在第一空间维度中延伸的光谱的多色光片，其中，多色光片具有第二空间维度中的传播路径。光片生成器包括：光源，其被配置成提供白光；色散元件，其被配置成使白光在第一空间维度中扩散以提供光谱；以及光学狭缝，其在第一空间维度中延伸，该光学狭缝被配置成通过限制扩散的白光来提供多色光片。光强度调制器被配置成通过向多色光片施加强度调制来提供经强度调制的多色光片，该强度调制在第一空间维度中具有周期性(或大致周期性)图案。用于介质的样品的保持器被配置成使得经强度调制的多色光片能够照射样品。光学传感器被配置成在光谱上记录离开样品的光的强度以提供一个或更多个光学参数。还公开了使用组件来测量介质的一个或更多个光学参数的方法。

Description

使用多色矩形光片对混浊样品进行分光光度测量的组件
技术领域
本公开内容涉及分光光度测量的领域。
背景技术
在分光光度测量的一些常规方法中，使用(例如，从多色光源选择的)单色光来照射被检查的介质，并且将光电检测器放置在介质的与照射侧相比的相对侧上，以记录单色光穿过样品后的剩余光强度。可以通过计算单色光穿过样品前的光强度与穿过样品后的光强度之间的比率来针对单色光的波长确定介质的吸收或衰减系数。
分光光度测量的更详尽的方法也是已知的。例如，在WO 2012/015344A1中描述了施加单色光的用于测量介质的光学特性的***。在该***中，采用空间上调制照射来标记入射照射，从而允许抑制不需要的多重散射光。
使用分光光度测量的现有技术解决方案的问题是执行测量的效率和归档结果的准确性。
因此，需要分光光度测量的替选方法。关于对浑浊介质的测量，该需求可能特别突出。
发明内容
应当强调的是，术语“包括(comprises)/包括(comprising)”(能够被“包含(includes)/包含(including)”替换)当在本说明书中使用时被用于指定所述特征、整数、步骤或部件的存在，但是不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、部件或其组合的存在或添加。如本文中所使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。
通常，当本文中提到组件时，其应当被理解为物理产品；例如，装置。物理产品可以包括一个或更多个部分。在一些实施方式中，部分可以包括以一个或更多个控制器、一个或更多个处理器等的形式的控制电路***。
一些实施方式的目的是解决或减轻、减缓或消除以上或其他缺点中的至少一些。
根据第一方面，这是通过用于测量介质的一个或更多个光学参数的组件来实现。该组件包括光片生成器，该光片生成器被配置成提供包括在第一空间维度中延伸的光谱的多色光片，其中，多色光片具有第二空间维度中的传播路径。光片生成器包括：光源，该光源被配置成提供白光；色散元件，该色散元件被配置成使白光在第一空间维度中扩散以提供光谱；以及光学狭缝，该光学狭缝在第一空间维度中延伸，该光学狭缝被配置成通过限制扩散的白光来提供多色光片。该组件还包括光强度调制器，该光强度调制器被配置成通过向多色光片施加强度调制来提供经强度调制的多色光片，该强度调制在第一空间维度中具有周期性(或大致周期性)图案。该组件还包括：用于介质的样品的保持器，该保持器被配置成使得经强度调制的多色光片能够照射样品；以及光学传感器，该光学传感器被配置成在光谱上记录离开样品的光的强度以提供一个或更多个光学参数。
在一些实施方式中，周期性图案从可用于光强度调制器的多个周期性图案中选择，其中，周期性图案中的至少一个相对于周期性图案中的另一个在第一空间维度中相移。
在一些实施方式中，光强度调制器包括液晶显示器(LCD)。
在一些实施方式中，色散元件可以根据一些实施方式而能够倾斜，以用于改变多色光片的光谱的范围。
在一些实施方式中，光学传感器被配置成记录基本上正交于多色光片离开样品的光的强度和/或记录与照射相对地离开样品的光的强度。与照射相对地离开样品的光可以被称为透射光。
在一些实施方式中，组件还包括多色光片沿着第二空间维度的传播路径中的光学反射器。该光学反射器被配置成朝向光学传感器反射与照射相对地离开样品的经强度调制的多色光片的光。
在一些实施方式中，光学传感器被配置成记录基本上正交于多色光片离开样品的光的强度。在这些实施方式中的一些实施方式中，光学传感器能够配置成在记录沿着样品的整个宽度的光强度变化与记录沿着样品的宽度的一部分的光强度变化之间切换。然后，组件可以包括光片大小调整器，该光片大小调整器被配置成在第一空间维度中的多个可用延伸之一中提供经强度调制的多色光片。
在一些实施方式中，组件还包括被配置成提供光谱的空间校准的两个或更多个可移置的单色滤光器。
第二方面是使用根据第一方面的组件来测量介质的一个或更多个光学参数的方法。该方法包括：向保持器提供介质的样品；由组件的光片生成器和光强度调制器所提供的经强度调制的多色光片照射样品；(由组件的光学传感器)记录与照射相对地离开样品的光的强度和基本上正交于多色光片离开样品的光的强度的至少一个图像；以及基于记录的至少一个图像确定一个或更多个光学参数。
在一些实施方式中，以上方面中的任何方面可以另外具有与如上面针对任何其他方面说明的各种特征中的任何特征相同或相对应的特征。
一些实施方式的优点是提供了分光光度测量的替选方法。
一些实施方式的重要优点是提供在光学致密的浑浊介质中获得分光光度测量的可能性。该优点是由于空间上调制的多色光片的使用。
一些实施方式的另外的优点是由于多色光片的使用，由于避免了扫描所有感兴趣的波长，因此可以使测量有效。
当LCD被用作光强度调制器时，改进了调制的灵活性。可以使用LCD来施加几乎任何调制图案(对于其他空间光束调制器/成形器也可以如此)；调制图案仅受LCD的像素分辨率和像素布置的限制。
当光栅被用作光强度调制器时，每个调制图案必须由专用光栅(在各个光栅实体上或相同光栅实体的不同部分上)提供。当光栅被用作光强度调制器时，不同调制(图案和/或相位)的应用需要光栅实体的替换和/或光栅实体的精确移动。
因此，还可以通过使用LCD作为光强度调制器来改进效率和/或准确度。
一些实施方式的又一优点是用于测量的组件是紧凑的并且相对容易重新定位。
一些实施方式的又一优点是：可以使用单个光学传感器(例如，诸如相机的单个光学记录设备)来记录基本上正交于多色光片离开样品的光的强度以及与照射相对地离开样品的光的强度；在使用反射器的单个记录中或光学传感器在两个不同位置之间移动的两个不同的记录中。后者的替选方案是使用两个(静止的)光学传感器，在两个不同位置中的每一个处存在一个光学传感器，其中，传感器中的一个传感器记录基本上正交于多色光片离开样品的光的强度，而另一个传感器记录与照射相对地离开样品的光的强度。
一些实施方式的又一优点是可以在宽的值范围内实现光学特性的准确测量。例如：
-通过使用反射器(或者通过将光学传感器放置在与照射相对的位置)，可以准确地测量穿过样品的光的强度，这是确定非散射/发射介质的吸收所需要的，
-通过放大以减小光学传感器的记录区域并应用多色光片的大小调整功能，可以准确地测量混浊介质(例如，高度混浊介质)的衰减。
附图说明
参照附图，从以下实施方式的详细描述中，将呈现出其他目的、特征和优点。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在示出示例实施方式上。
图1是示出根据一些实施方式的示例组件的示意性框图；
图2是示出根据一些实施方式的示例光片生成器的示意性框图；
图3是示出根据一些实施方式的示例光强度调制器的示意性框图；以及
图4是示出根据一些实施方式的示例方法步骤的流程图。
具体实施方式
如以上所提及的，应当强调的是，术语“包括(comprises)/包括(comprising)”(能够被“包含(includes)/包含(including)”替换)当在本说明书中使用时被用于指定所述特征、整数、步骤或部件的存在，但是不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、部件或其组合的存在或添加。如本文中所使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。
在下文中将参照附图更全面地描述和例示本公开内容的实施方式。然而，本文中公开的解决方案可以以许多不同的形式实现，并且不应当被解释为限于本文中所阐述的实施方式。
如以上所提及的，分光光度测量的许多常规方法使用连续施加的单色光束来照射被检查的介质的样品。为了获取多于一个波长的信息，需要执行贯穿所有感兴趣的波长的扫描。这样的方法对于执行测量可能是低效的。
分光光度测量的另一方法是在“Quantitative measurements of turbidliquids via structured laser illumination planar imaging where absorptionspectrophotometry fails”，Regnima等人，Applied Optics，第56卷，第13期，2017年5月，第3929至3938页中描述的，其中使用了分别具有450nm和638nm波长的两个激光器，并且一次激活一个激光器以进行测量。
分光光度测量的又一方法是在WO 2012/015344 Al中描述的。
此外，“Using a supercontinuum light source for instantaneousexcitation-emission fluorescence mapping”，Kiefer，Measurement Science andTechnology，2017年第28期描述了使用超连续谱光源和透射光栅来使光在测量体积中分散。使用该方法的问题是感兴趣的光学特性可能不总是被准确地测量。当发生散射效应时，该问题在混浊介质中可能特别突出。使用该方法可能经历的一些示例问题是可能无法将初级散射(也称为单次散射)与较高的散射级分开，并且一个光波长的散射可能污染其他光波长的记录区域。对于散射介质，可能根本无法使用该方法进行任何相关测量。
在下文中，将描述能够实现有效且准确的测量的实施方式。此外，一些实施方式在测量被检查的介质的光学特性时提供了增加的灵活性。由此，对于具有宽范围的各种光学特性的介质，可以通过相同的组件执行准确的测量。
通常，术语“测量”可以例如指代分光光度测量。
此外，通常，术语“光学参数”可以指代描述光学特性的任何合适的光学参数；诸如例如吸收系数、衰减系数(也称为消光系数)、散射系数、荧光量子产率(QY)、磷光量子产率(QY)等。消光系数等于吸收系数与散射系数的总和。光学特性的其他示例包括与以下项中的一个或更多个关联的特性：浓度、平均截面以及粒度(如果介质中存在颗粒)。因此，也可以导出这些参数。因此，测量光学参数可以被定义为测量(相应的)光学特性。
此外，通常，术语“介质”可以例如指代液体、凝胶、固体介质或气体。一些常见应用包括液体介质。特别地，一些实施方式可以适合于与浑浊介质和/或发射介质相关的测量，其中，浑浊包括散射和吸收，而发射包括光致发光(例如，荧光和/或磷光)。
此外，通常，散射的例示意味着也与光致发光介质的发射相关，反之亦然。
此外，通常，术语“光”指代具有一定范围内的波长的电磁辐射。该范围可以包括通常所称的可见光(即，电磁辐射谱的人眼可见的部分)。
可替选地或另外地，该范围可以包括通常所称的不可见光(即，电磁辐射谱的人眼不可见的部分)，例如红外(IR)光和/或紫外(UV)光。术语“照射”指代如上定义的光的辐照。
此外，通常，术语“多色”描述了包括电磁辐射谱的两个或更多个(可见或不可见的)波长的电磁辐射谱。
此外，通常，术语(单个)光学传感器可以指代组成的光学传感器的阵列/矩阵(诸如其中每个像素具有相应的组成的光学传感器的数码相机；光学检测器)或指代被配置成扫过记录区域的单个光学传感器元件(单个光学检测器)。
图1示意性地示出了根据一些实施方式的用于测量介质的一个或更多个光学参数的示例组件。部分(a)示出了组件的一个变体的侧波，以及部分(b)和(c)示出了组件的两个不同变体的各自的顶视图。
组件包括光片生成器(LSG)110、光强度调制器(LIM)130、用于介质的样品(SAMP)140的保持器(HOLD)145以及光学传感器(SENS)161、162。
光片生成器110被配置成提供多色光片192，该多色光片包括在第一空间维度101中延伸的光谱，并且具有第二空间维度102中的传播路径。
第二空间维度不平行于(通常正交于)第一空间维度(例如，在欧几里德坐标中)。第一空间维度和第二空间维度与第三空间维度103(该第三空间维度不平行于、通常正交于第一空间维度和第二空间维度)一起跨越三维空间。术语“空间维度”和“维度”在本文中将能够互换使用。
例如，光片可以被定义为沿着(例如，在欧几里德坐标中)单个平面中的两个或更多个路径传播的光。
光谱在第一空间维度中延伸可以被理解为光波长变化，其具有沿着第一空间维度中的路径的每个坐标经历至多一个光波长的特性。
图2示意性地示出了根据一些实施方式的示例光片生成器(LSG)210。光片生成器210可以例如用作图1的光片生成器110。图2的部分(a)示出了光片生成器在在第一维度101和第二维度102中延伸的平面中的视图。
示例光片生成器210包括光源(LS)203、色散元件(例如，衍射光栅或棱镜)204以及在第一空间维度101上延伸的光学狭缝205。
优选地，光学狭缝可以尽可能靠近介质的样品放置，以在光片生成器与介质的样品之间的距离内保持光片。这本质上可以通过光学狭缝是样品的容器上的印记的方法来实现。
使用光学狭缝的替选方案是使用柱形透镜。优选地，柱形透镜可以放置在距介质的样品一定距离处，该距离等于透镜的焦距。
光源(例如，发光二极管-LED)203被配置成提供白光或任何其他合适的多波长光。
由光源提供的光290照射色散元件，并且色散元件被配置成例如通过其取向使由光源提供的光290在第一空间维度101中扩散，以提供以光谱291形式的扩散光。
光谱(色散光束)291的至少一部分照射光学狭缝205，并且光学狭缝被配置成通过至少在第三维度103中限制由色散元件提供的扩散光291来提供多色光片292。因此，由光学狭缝205提供的多色光片292具有第二空间维度102中的传播路径，并且包括在第一空间维度101中延伸的光谱。图2的部分(b)示出了光学狭缝在在第一维度101和第三维度103中延伸的平面中的视图。
在一些实施方式中，色散元件204能够如221处所示那样倾斜；通常围绕在第三维度中延伸的倾斜轴线倾斜。由此，可以改变光谱291的哪些部分照射光学狭缝，并因此可以改变多色光片292的光谱的范围。
即使在图1中不可见，但不同波长的传播路径可能不完全平行。因此，多色光片192可以例如在图1中其最右侧部分比其最左侧部分在第一维度101中具有更大的延伸。这在图2中针对扩散光291和多色光片292示出。
在一些实施方式中，光片生成器210可以另外包括其他元件，例如，光圈和用于使由光源提供的光290准直(即，并行)的一个或更多个光学透镜。
可替选地或另外地，光片生成器210可以另外包括如图1中106所示的两个或更多个(通常是四个、五个或六个)可移置的单色滤光器(或具有相对窄的带宽的滤光器)。在一些实施方式中，可移置的单色滤光器可以放置在组件的其他位置处，该可移置的单色滤光器可以不包括在光片生成器中。
单色滤光器之一可以应用于光路中，以在空间上校准用于测量的光谱(例如，确定由所应用的滤光器提供的特定光波长与介质的样品的位置和发散光片的传播方向之间的映射)。可以针对单色滤光器中的一个或更多个其他单色滤光器重复校准。当执行测量时，通常从光路中移除单色滤光器。例如，滤光器可以设置在滤光器轮或易于应用和移除的其他装置上。
将可移置的单色滤光器靠近光源203放置可能是优选的，因为这样滤光器可以很小并因此不那么昂贵。然而，在光源与光学传感器之间的光路中(经由介质的样品)的任何放置都是可能的。
光强度调制器130被配置成通过(向多色光片)施加在第一空间维度中具有周期性或大致周期性的图案的强度调制来提供经强度调制的多色光片193、193a。
周期性图案的示例包括由伦奇刻线定义的图案——即恒定间隔条和空间方波(例如，当2kb＜x＜(2k+1)b时等于a，而当(2k+1)b＜x＜(2k+2)b时等于c，k∈Z)——以及由正弦函数定义的图案。大致周期性的图案的示例包括在x上的某个周期内在低于其平均值的值与高于其平均值的值之间改变的任何图案，但是其中低于其平均值的值和/或高于其平均值的值对于不同的周期可以不同。大致周期性的图案的另一示例是沿x具有轻微周期性偏移的图案。
光强度调制器可以例如是伦奇光栅。图3中示出了一个示例伦奇光栅330。伦奇光栅可以包括单个周期性图案或多个不同的周期性图案。示例光栅330被示为包括具有不同周期的两种不同的周期性图案331和332。光栅可以是能够移动的，以针对应用选择多个不同的周期性图案之一。在图3的示例中，为了该目的，光栅将能够在第三维度103中移动。此外，光栅可以在第一维度101中移动，以提供所选择的周期性图案的相移。
可替选地或另外地，光强度调制器可以例如是用于介质的样品的容器(例如，玻璃比色皿)上的印记。印记可以包括(例如，在容器的不同侧上的)单个周期性图案或多个不同的周期性图案。保持器145和/或容器可以是能够移动的(例如，能够围绕在第一维度中延伸的轴线旋转)以针对应用选择多个不同的周期性图案之一。此外，保持器145和/或容器能够在第一维度101中移动，以提供所选择的周期性图案的相移。
然而，可替选地或另外地，光强度调制器可以例如是液晶显示器(LCD)。为了该目的使用LCD的优点是：可以在没有机械移动的情况下提供不同的周期性图案和/或所选择的周期性图案的相移。此外，改进了调制的灵活性。可以使用LCD提供几乎任何调制图案；调制图案仅受LCD的像素分辨率和像素布置的限制。例如，像素分辨率对图案的周期长度构成下限(每周期两个像素)。此外，如果要应用n个相移，则像素分辨率也对图案的周期长度构成下限(每周期n个像素)。
通常，两个或更多个(例如，三个)相位应用于不同的记录，以实现光学参数的确定。此外，通常，每个相移对应于该调制的一定距离的位移，该距离对应于调制周期除以记录的数目n。
使光强度调制器尽可能靠近样品定位可能是优选的，以保持空间调制直到经调制的光片进入样品。这本质上通过光强度调制器是样品的容器上的印记的方法来实现。
再次参照图1，用于介质的样品140的保持器145被配置成使得经强度调制的多色光片能够照射样品。例如，保持器可以相对于光强度调制器和光片生成器定位，使得当在保持器处提供样品时，经强度调制的多色光片照射样品。
通常，整个经强度调制的多色光片照射样品，但是一些实施方式可以应用经强度调制的多色光片的仅一部分照射样品的解决方案。
优选地，保持器被配置成使得样品的照射靠近样品的面向光学传感器162的一侧141。这减少了主要散射光(即单一光散射)行进穿过样品到达光学传感器的距离。
保持器例如可以是用于接收样品的支架。可以在没有任何容器的情况下提供样品(例如，如果介质是固体或凝胶)。可替选地，可以在容器中提供样品(例如，如果介质是液体或气体)，在这种情况下，保持器可以适合于接收其中包含有样品的容器。示例容器是比色皿(例如，玻璃比色皿)。
光学传感器161、162被配置成(在光谱上)记录离开样品的光的强度。然后可以使用记录的强度来确定一个或更多个光学参数。
通常，光学传感器可以是相机(例如，电荷耦合器件CCD相机或科学互补金属氧化物半导体sCMOS相机)。
光学传感器161、162被配置成记录与照射相对地离开样品的光的强度(所谓的透射光，在图1中示为194)和/或记录基本上正交于多色光片离开样品的光的强度(散射光或光致发光的光，在图1中示为195)。
通过将光学传感器放置成使得通过样品和光学传感器的直线基本上正交于多色光片——即在第三维度中延伸，可以实现记录基本上正交于多色光片离开样品的光195的强度。这由图1的部分(b)和(c)中的光学传感器放置162示出。
通过将光学传感器放置成使得通过样品和光学传感器的直线平行于多色光片的传播——即在第一维度中延伸，可以实现记录与照射相对地离开样品的光194的强度。这由图1的部分(c)中的光学传感器放置161示出。
单个光学传感器可以在图1的部分(c)中所示的位置161与162之间移动，以用于记录与照射相对地离开样品的光的强度和基本上正交于多色光片离开样品的光的强度。可替选地，可以使用两个光学传感器，一个光学传感器在位置161中以用于记录与照射相对地离开样品的光的强度，并且一个光学传感器在位置162中以用于记录基本上正交于多色光片离开样品的光的强度。
可替选地，可以通过使组件还在多色光片沿着第二空间维度的传播路径中包括光学反射器150来实现记录与照射相对地离开样品的光194的强度，其中光学反射器被配置成将与照射相对地离开样品的经强度调制的多色光片的光194朝向光学传感器162反射。这样的方法在图1的部分(b)中示出。反射器可以例如是镜或漫射玻璃层。
根据该方法，单个固定的光学传感器可以用于记录与照射相对地离开样品的光的强度以及基本上正交于多色光片离开样品的光的强度；可能在单个记录中。
在一些实施方式中，该方法还可以包括在反射器与光学传感器之间的光路中的衰减器(例如，中性密度滤光器)或放大器，以在光学传感器处以相似的强度提供与照射相对地离开样品的光和基本上正交于多色光片离开样品的光。这避免了使光学传感器饱和，同时能够记录相对小的强度变化。避免使光学传感器饱和同时能够记录相对小的强度变化的其他方法包括：在不同的记录中记录与照射相对地离开样品的光的强度以及基本上正交于多色光片离开样品的光的强度，以及改变记录之间的光源强度和/或光学传感器曝光时间。
当记录基本上正交于多色光片离开样品的光195的强度(光学传感器放置162)时，光学传感器通常能够测量沿着样品的整个“宽度”142的光强度变化(“宽度”是第二维度中的延伸)。
在一些实施方式中，记录基本上正交于多色光片离开样品的光的强度的光学传感器还可以被配置成在记录沿着样品的整个宽度142的光强度变化与记录沿着样品的宽度的一部分的光强度变化之间切换。该部分通常是最接近样品的照射的部分。在一些实施方式中，光学传感器可以被配置成改变该部分的大小。例如，可以通过使用光学传感器(例如，物镜透镜、远心物镜、变焦透镜或类似物)的缩放功能来实现该特征。
关于记录沿着样品的宽度的一部分的光强度变化的这种方法，使组件包括光片大小调整器(RS)135可能是有益的，该光片大小调整器被配置成在第一空间维度中的多个可用延伸中的一个中(例如，在多个可用大小或比例中的一个中)提供经强度调制的多色光片。这在图1的部分(a)中被示为使初始经强度调制的多色光片193缩小以提供在第一空间维度中具有较小延伸的经大小调整的经强度调制的多色光片193a的光片大小调整器。因此，当光学传感器放大到样品的宽度的一部分(并且固有地放大到样品的“高度”的一部分，“高度”是第二维度中的延伸)时，经大小调整的经强度调制的多色光片193a可以被形成为使得其仍然可以被光学传感器完整地记录。例如，光片大小调整器135可以通过适当地应用一个或更多个透镜和傅里叶滤波来实现。
如以上所提及的，不同波长的传播路径可以不完全平行。因此，实现经大小调整的经强度调制的多色光片193a的另一方法是将光强度调制器直接紧邻样品放置并(例如，通过移动光片生成器和/或包括光强度调制器、保持器和光学传感器的部分组件)改变光片生成器与光强度调制器之间的距离。然后，多色光片192的宽度的变化提供了经强度调制的多色光片的大小调整。
注意，关于这两种方法，调制和光谱延伸固有地与经强度调制的多色光片的大小调整同步地调整大小。
其中光学传感器能够缩放并且经强度调制的多色光片能够调整大小的实施方式对改变样品浓度的处理是特别有益的。高浓度样品可能需要缩小光片(和调制周期)并放大以记录样品的仅一部分，而低浓度样品可能需要使用最初大小的光片并缩小以记录样品的整个“宽度”。
图4是示出使用组件(例如，结合图1至图3描述的组件变体中的任何组件变体)来测量介质的一个或更多个光学参数的示例方法400的流程图。
该方法可以以可选步骤405开始，在步骤405中选择要在组件处生成的多色光片(例如，192)的光谱的范围。例如，这可以通过改变如以上结合图2所例示的可倾斜色散元件(例如，204)的位置来实现。实现可选步骤405的选择的另一方法是移除色散元件并在其位置处***另一色散元件。实现可选步骤405的选择的又一方法是采用具有两个或更多个部分的色散元件，其中不同的部分导致不同的分散，并且其中色散元件能够移动以选择部分中的用于应用的一个部分(考虑类比于图3的伦奇光栅330)。
在步骤410中，在组件的保持器处提供介质的样品，使得(例如，通过位置和/或取向)在组件处提供的经强度调制的多色光片将照射样品。
在步骤415中，由经强度调制的多色光片(例如，通过打开光片生成器的光源，该光片生成器被配置成提供由如以上例示的光强度调制器进行强度调制的多色光片)来照射样品。
如以上结合图1和图3所提及的，在强度调制中使用的图案是周期性的，并且不同的相位可以应用于同一样品的不同测量。通常，可以应用两种或三种不同的相位。在可选步骤420中，可以设置强度调制以将合适的相位应用于即将到来的测量。这可以通过例如光栅(例如330)和/或强度调制印记容器的适当移动来实现，或者通过以上结合图1和图3所例示的LCD的适当控制来实现。
例如，当强度调制图案被相移以在相应的相移下获得三个不同的测量值时，可以应用图案的周期的三分之一的相移。
经调制的照射使得能够根据被记录的信号的调制幅度的测量来确定单个光散射强度。不同相位的应用(通过使调制移位)使得确定感兴趣的整个波长范围的单个光散射的强度成为可能。
例如，根据针对不同相位的测量图像，可以在图像后处理之后创建重构的图像，使得重构的图像不受多个光散射强度的影响并且不受不需要的反射的影响。因此，与无法抑制多个光散射强度的情况相比，重构的图像可以用于更准确地估计样品的介质的消光系数。
在步骤430中，通过光学传感器记录如以上结合图1所例示的与照射相对地离开样品的光的强度以及基本上正交于多色光片离开样品的光的强度的至少一个图像。
如果要测量更多的相位(从可选步骤435离开的“是”路径)，则该方法返回到应用新相位的420，并且针对新相位重复步骤430。如果不测量更多的相位(从可选步骤435离开的“否”路径)，则该方法行进到可选步骤440。
在可选步骤440中，从记录的图像中提取调制幅度。例如，这可以通过针对与照射相对地离开样品的光的强度(传输信号的检测)和基本上正交于多色光片离开样品的光的强度(侧面检测)二者对(一个或多个)记录的图像进行后处理并提取记录的调制的幅度来实现。如以上所提及的，例如，调制幅度可以用于在第一阶散射与较高阶散射之间进行区分。
在可选步骤445中，确定光到样品中的穿透是否足以从(一个或多个)记录的图像中提取感兴趣的信息。例如，可选步骤445可以包括确定提取的调制幅度是否高于阈值以确定光到样品中的穿透是否充足。
如果光到样品中的穿透不是充足的(从可选步骤445离开的“否”路径)，则该方法可以包括在可选步骤447中应用缩放并返回到步骤420以在应用的缩放的情况下重复测量。例如，可以通过结合对初始经强度调制的多色光片进行调整大小使用光学传感器的缩放功能来实现缩放的应用。
如果光到样品中的穿透是充足的(从可选步骤445离开的“是”路径)，则该方法可以继续到可选步骤450，在可选步骤450中可以校准测量。例如，校准可以包括应用可移置的单色滤光器(或具有相对窄的带宽的滤光器)以提供光谱的空间校准。
如果存在散射和/或光致发光，即如果光基本上正交于多色光片离开样品(从步骤455离开的“否”路径)，则在步骤460中基于(一个或多个)记录的图像确定感兴趣的(一个或多个)光学参数。例如，步骤460可以包括从“侧面检测”中提取光学特性，包括通过沿着光传播的方向使用比尔-朗伯定律来推导每个波长的强度的指数衰减。
如果不存在(或存在非常低的)散射和/或光致发光，即如果光仅与照射相对地离开样品——仅穿过光(从可选步骤455离开的“是”路径)，则该方法继续到可选步骤457、458和459。在这三个步骤中，提供了参考样品(与步骤410相比)，对参考样品进行照射(与步骤415相比)，以及记录了参考样品的一个或更多个图像(与光与照射相对地离开样品的步骤430相比)。参考样品可以是具有已知光学特性的介质样品。因此，步骤430中执行的测量可以与步骤459中执行的测量相关，以在步骤460中基于(一个或多个)记录的图像确定感兴趣的(一个或多个)光学参数。例如，步骤460可以包括使用比尔-朗伯定律、参考样品的测量强度和样品的“宽度”(例如，比色皿路径长度)从“传输信号的检测”中提取光学特性。
例如，可选步骤455可以通过以下操作来实现：将与照射相对地离开样品的光的强度与和照射的光的强度相关联的阈值进行比较，以及推断出如果强度高于阈值则不存在(或存在非常低的)散射和/或光致发光。
现在将呈现各种实施方式的一些另外的优点。
关于如何测量穿过散射/光致发光/浑浊介质(例如，液体)的光的吸收/消光的问题，一些实施方式如以上所例示的使用衍射光栅来生成多色光片并在一个测量中获得所有波长。与现有技术方法相比，这样的方法可能不那么昂贵、和/或能够减少测量时间、和/或能够更紧凑地设置和/或提供更准确/精确的结果。
关于如何在空间上调制光强度并生成可以移位的图案(例如，线图案)的问题，一些实施方式使用LCD屏幕来构造图案并使图案移位。与现有技术方法相比，这样的方法可能不那么昂贵、和/或更灵活和/或更稳健。
关于如何根据采样介质改变调制的光谱分辨率和条纹大小的问题，一些实施方式提供了各种方式来对经调制的光片进行调整大小(使用特定的大小调整器，改变光片生成器与光强度调制器之间的距离等)以提供必要的分辨率。与现有技术方法相比，这样的方法可能不那么昂贵、和/或能够实现高分辨率成像和/或在更宽的吸收系数值的范围内提供精确测量。
关于如何获得与照射相对地离开样品的光(透射光)和基本上正交于多色光片离开样品的光(例如，散射光)二者的光强度的问题，一些实施方式在样品的出口处使用反射器(例如，白色屏幕)，以使得能够使用单个固定光学传感器来记录光强度。与现有技术方法相比，这样的方法可能不那么昂贵和/或更稳健。
根据一些实施方式，能够使用相同的组件来执行对常规透射光谱仪特征的测量(具有可能增加的精度)、对混浊介质消光的测量以及对荧光染料的量子产率(QY)的评估的测量。
可以基于针对荧光染料发射的信号的定量测量来实现荧光染料的量子产率估计。例如，该估计可以包括将根据波长由染料发射的原始信号与具有已知QY(例如，RhB)的参考染料的发射进行比较。由于不需要涉及使用积分球或多浓度测量，因此这样的测量(原始信号和/或参考染料的发射)通常通过应用本文中描述的方法而被高度简化。
在估计的示例原理中，由染料发射的荧光信号可以被写为Fs＝KopticQY(λ)ε(λ)I0，其中，λ是波长，I0是激发强度，ε是染料的吸收系数，QY是量子产率，以及Koptic聚集了诸如收集角、透镜的滤色等的光学因子。这些参数在两个测量之间保持恒定。由于已知参考染料(QY和ε)，因此针对一个波长的荧光强度可以写为
Figure BDA0003239468250000153
考虑到光谱仪允许测量吸收系数ε(λ)，QY可以根据绝对信号强度
Figure BDA0003239468250000151
推导，这意味着QY可以通过下式推导：
Figure BDA0003239468250000152
在一些情况下，校准可能由于例如沿收集路径的重吸收和激发强度的衰减而是有益的。
根据本文呈现的各种方法的一些实施方式，强度调制可以使得能够去除(或至少抑制)以下项中的一个或更多个：背景噪声、背景反射、扩散的透射光。
通常，本文使用的所有术语应根据其在相关技术领域中的普通含义来解释，除非从使用其的上下文中清楚地给出和/或暗示了不同的含义。
本文中已经参考了各种实施方式。然而，本领域技术人员将认识到对所描述的实施方式的许多变型仍将落入权利要求的范围内。
例如，本文中描述的方法实施方式通过以特定顺序执行的步骤公开了示例方法。然而，应当认识到，在不偏离权利要求的范围的情况下，这些事件序列可以以其他顺序发生。此外，即使已经将一些方法步骤描述为按顺序执行，这些方法步骤也可以并行执行。因此，除非将步骤明确描述为在另一步骤之后或之前并且/或者隐含的是步骤必须在另一步骤之后或之前，否则本文中公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序执行。
以相同的方式，应当注意的是，在实施方式的描述中，将功能块划分为特定单元绝不旨在意为限制。相反，这些划分仅是示例。在本文中被描述为一个单元的功能块可以被分成两个或更多个单元。此外，在本文中被描述为被实现为两个或更多个单元的功能块可以合并为更少的(例如，单个)单元。
在适当的情况下，本文公开的任何实施方式的任何特征可以应用于任何其他实施方式。同样，任何实施方式的任何优点可以应用于任何其他实施方式，以及任何其他实施方式的任何优点可以应用于任何实施方式。
因此，应当理解的是，所描述的实施方式的细节仅是出于说明性目的而提出的示例，并且落入权利要求的范围内的所有变型都旨在被包含在其中。
示例的列表：
1.一种用于测量介质的一个或更多个光学参数的组件，所述组件包括：
光片生成器(110，210)，其被配置成提供多色光片(192，292)，所述多色光片包括在第一空间维度(101)中延伸的光谱，其中，所述多色光片具有第二空间维度(102)中的传播路径；
光强度调制器(130，330)，其被配置成通过向所述多色光片施加强度调制来提供经强度调制的多色光片(193，193a)，所述强度调制在所述第一空间维度中具有周期性图案或大致周期性图案；
保持器(145)，其用于所述介质的样品(140)，所述保持器被配置成使得所述经强度调制的多色光片能够照射所述样品；以及
光学传感器(161，162)，其被配置成在所述光谱上记录离开所述样品的光(194，195)的强度以提供所述一个或更多个光学参数。
2.根据示例1所述的组件，其中，所述周期性图案从可用于所述光强度调制器的多个周期性图案(331，332)中选择，其中，周期性图案中的至少一个相对于所述周期性图案中的另一个在所述第一空间维度中相移。
3.根据示例1至2中任一项所述的组件，其中，所述光强度调制器(130)包括液晶显示器LCD。
4.根据示例1至3中任一项所述的组件，其中，所述光片生成器(110，210)包括：光源(203)，其被配置成提供白光；色散元件(204)，其被配置成使所述白光在所述第一空间维度中扩散以提供所述光谱；以及光学狭缝(205)，其在所述第一空间维度中延伸，所述光学狭缝被配置成通过限制扩散的白光来提供所述多色光片。
5.根据示例4所述的组件，其中，所述色散元件(204)能够倾斜以用于改变所述多色光片的光谱的范围。
6.根据示例1至5中任一项所述的组件，其中，所述光学传感器(161，162)被配置成记录基本上正交于所述多色光片离开所述样品的光(195)的强度和/或记录与照射相对地离开所述样品的光(194)的强度。
7.根据示例1至6中任一项所述的组件，还包括所述多色光片沿着所述第二空间维度的传播路径中的光学反射器(150)，所述光学反射器被配置成朝向所述光学传感器(162)反射与所述照射相对地离开所述样品的经强度调制的多色光片的光(194)。
8.根据示例1至7中任一项所述的组件，其中，所述光学传感器(162)被配置成记录基本上正交于所述多色光片离开所述样品的光(195)的强度，并且所述光学传感器(162)能够配置成在记录沿着所述样品的整个宽度的光强度变化与记录沿着所述样品的宽度的一部分的光强度变化之间切换，并且其中，所述组件包括光片大小调整器(135)，所述光片大小调整器(135)被配置成在所述第一空间维度中的多个可用延伸之一中提供所述经强度调制的多色光片(193，193a)。
9.根据示例1至8中任一项所述的组件，还包括被配置成提供所述光谱的空间校准的两个或更多个可移置的单色滤光器(106)。
10.一种使用根据示例1至9中任一项所述的组件来测量介质的一个或更多个光学参数的方法，所述方法包括：
向保持器提供(410)所述介质的样品；
由所述组件的光片生成器和光强度调制器提供的经强度调制的多色光片照射(415)所述样品；
由所述组件的光学传感器记录(430)与照射相对地离开所述样品的光(194)的强度和基本上正交于多色光片离开所述样品的光(195)的强度的至少一个图像；以及
基于记录的至少一个图像确定(460)所述一个或更多个光学参数。

Claims (9)

1.一种用于测量介质的一个或更多个光学参数的组件，所述组件包括：
光片生成器(110，210)，其被配置成提供多色光片(192，292)，所述多色光片包括在第一空间维度(101)中延伸的光谱，其中，所述多色光片具有第二空间维度(102)中的传播路径，其中，所述光片生成器(110，210)包括：光源(203)，其被配置成提供白光；色散元件(204)，其被配置成使所述白光在所述第一空间维度中扩散以提供所述光谱；以及光学狭缝(205)，其在所述第一空间维度中延伸，所述光学狭缝被配置成通过限制扩散的白光来提供所述多色光片；
光强度调制器(130，330)，其被配置成通过向所述多色光片施加强度调制来提供经强度调制的多色光片(193，193a)，所述强度调制在所述第一空间维度中具有周期性图案或大致周期性图案；
保持器(145)，其用于所述介质的样品(140)，所述保持器被配置成使得所述经强度调制的多色光片能够照射所述样品；以及
光学传感器(161，162)，其被配置成在所述光谱上记录离开所述样品的光(194，195)的强度以提供所述一个或更多个光学参数。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述周期性图案从可用于所述光强度调制器的多个周期性图案(331，332)中选择，其中，周期性图案中的至少一个相对于所述周期性图案中的另一个在所述第一空间维度中相移。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的组件，其中，所述光强度调制器(130)包括液晶显示器LCD。
4.根据权利要求1所述的组件，其中，所述色散元件(204)能够倾斜以用于改变所述多色光片的光谱的范围。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的组件，其中，所述光学传感器(161，162)被配置成记录基本上正交于所述多色光片离开所述样品的光(195)的强度和/或记录与照射相对地离开所述样品的光(194)的强度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的组件，还包括所述多色光片沿着所述第二空间维度的传播路径中的光学反射器(150)，所述光学反射器被配置成朝向所述光学传感器(162)反射与所述照射相对地离开所述样品的经强度调制的多色光片的光(194)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的组件，其中，所述光学传感器(162)被配置成记录基本上正交于所述多色光片离开所述样品的光(195)的强度，并且所述光学传感器(162)能够配置成在记录沿着所述样品的整个宽度的光强度变化与记录沿着所述样品的宽度的一部分的光强度变化之间切换，并且其中，所述组件包括光片大小调整器(135)，所述光片大小调整器(135)被配置成在所述第一空间维度中的多个可用延伸之一中提供所述经强度调制的多色光片(193，193a)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的组件，还包括被配置成提供所述光谱的空间校准的两个或更多个可移置的单色滤光器(106)。
9.一种使用根据权利要求1至8中任一项所述的组件来测量介质的一个或更多个光学参数的方法，所述方法包括：
向保持器提供(410)所述介质的样品；
由所述组件的光片生成器和光强度调制器所提供的经强度调制的多色光片照射(415)所述样品；
由所述组件的光学传感器记录(430)与照射相对地离开所述样品的光(194)的强度和基本上正交于多色光片离开所述样品的光(195)的强度的至少一个图像；以及
基于记录的至少一个图像确定(460)所述一个或更多个光学参数。
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