專利名稱：微型光譜儀氣體分析器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于有效且健壯地測量呼吸及麻醉氣體的氣體濃度/分壓的 方法和裝置。
背景技術(shù)：
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知非分光紅外(NDIR)型氣體分析器的工作原 理，即通過以下步驟來確定特定氣體的濃度(a)指引紅外輻射(IR)通 過氣體混合物的樣品，(b)對該紅外輻射分別濾波以最小化每個特定氣體 所吸收的頻帶以外的能量，(c)測量進(jìn)入一個或多個探測設(shè)備上的已濾波 的輻射，以及(d)將每個氣體的紅外吸收的測量結(jié)果與其濃度關(guān)聯(lián)?？杀?測量的氣體在紅外光譜的特定波長處表現(xiàn)出增加的吸收(以及減少的透 射)，使得氣體濃度越大，吸收成比例得越大并且透射成比例得更低。這種 NDIR技術(shù)的擴(kuò)展使用連續(xù)的、線性帶通濾波器，在該濾波器后面緊接著線 性陣列的探測器。氣體分析器廣泛用于醫(yī)療應(yīng)用中，并且其特點在于可位于患者的呼吸 氣體的主路徑中(主流分析器)或者位于通常平行于主路徑的輔助路徑中 (側(cè)流分析器)。設(shè)置主流分析器使得受試者吸入或呼出的呼吸氣體通過分
析器放置在其上的氣管接口 (airway adapter)。主流的設(shè)計要求光學(xué)和電子 元件與患者的氣管進(jìn)行接口，或者與呼吸電路進(jìn)行接口，所述呼吸電路與 患者進(jìn)行通信并位于與患者非常接近的位置。結(jié)果，為了能夠被臨床應(yīng)用 接受，主流氣體分析器必須設(shè)計成緊湊、重量輕但是健壯的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu) 不會受到與醫(yī)療保健設(shè)施的延長使用相關(guān)的典型機(jī)械損傷(abuse)和溫度 變化的影響。
盡管對于少量的特定、非重疊的光譜波長來說，常規(guī)的主流氣體分析 器是夠用的，但是其難以改變感興趣的波長。如果存在2或3種感興趣的 波長，則系統(tǒng)效率逐漸變低，并且提供明顯好于0.1微米，IR區(qū)域中的FWHM (半高寬度)的分辨率是非常困難和昂貴的。
利用光柵光譜儀用于氣體分析是公知的。有兩種常見的光柵光譜儀結(jié) 構(gòu)攝譜儀，其最初將光譜分布一條照相底片上或線性陣列探測器上；以 及光譜儀，其使用設(shè)置在適當(dāng)位置或角度的單個探測器，以記錄具體的譜 元素。
對于IR氣體測量而言，IR源提供了被準(zhǔn)直并通過氣體樣品單元的寬帶 能量。將在特定波長處衰減的已準(zhǔn)直的寬帶能量被指引導(dǎo)衍射光柵，并在 光柵處發(fā)生衍射，擴(kuò)散成連續(xù)譜，并使用鏡聚焦到小探測器上。衍射光柵 圍繞與光柵線平行并基本與衍射光柵的面共軸的軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)衍射光柵旋轉(zhuǎn) 時，光譜被掃描通過單個探測器。由于衍射光柵旋轉(zhuǎn)與探測器讀取電子器 件是同步的，所以能夠隔離和記錄特定的，但是任意的光譜特征。
不言自明，微型光譜儀應(yīng)該小且輕。例如，本發(fā)明設(shè)想將光譜儀制成 足夠小和輕，以直接用在患者氣管上，即，安裝在患者電路上的主流設(shè)計 中。然而，雖然光學(xué)器件通?？芍圃斓米銐蛐∫詽M足該目的，但是難以將 驅(qū)動衍射光柵的機(jī)構(gòu)，即光譜掃描器制造得足夠小以滿足該目的。目前可 用的太大和太重的電子-機(jī)械掃描器驅(qū)動器件要求太高的功率，并且以這種 方式使用成本太高。
例如，許多常規(guī)光譜儀使用某種電機(jī)和軸承組件來旋轉(zhuǎn)衍射光柵，通過電機(jī)來擺動連桿以驅(qū)動衍射光柵。盡管這樣的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的結(jié)果， 但是這樣的結(jié)構(gòu)相對較大、沉重且昂貴。其他常規(guī)光譜儀采用擺動電機(jī)(有 時也稱為電流計驅(qū)動)來取代電機(jī)和連桿。這樣的結(jié)構(gòu)不是很昂貴，但是 仍然較大、沉重且相對昂貴。
Chen等人的美國專利6，249，346 (2001 )， Wilke等人的美國專利 6,039，697(2000)以及Keilbach等人的美國專利5，931，161(1999)都公開了相對 較小尺寸的光譜儀，但是其設(shè)計仍然過大且在某些場合較為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種克服常規(guī)氣體分析設(shè)備的缺點的光譜 儀。該目的根據(jù)本發(fā)明的一個實施例來實現(xiàn)，其提供了一種用于確定氣體 樣品中的多種氣體的各自濃度或分壓的健壯的光譜儀裝置，該多種氣體具 有單個、以及多個、甚至重疊的吸收或發(fā)射光譜，這些光譜跨越寬的光譜 范圍。
本發(fā)明改進(jìn)光柵光譜儀以用于緊湊的呼吸氣體分析設(shè)備。具體而言， 本發(fā)明釆用掃描光譜儀，該掃描光譜儀掃描或掃過(sweep)固定探測器上 的光譜。從光學(xué)的觀點看，該裝置的特征在于變型的艾勃特(Ebert)掃描 單色儀。
使用MEMS (微電子機(jī)械系統(tǒng))制造工藝可以制造非常小的、廉價的 擺動鏡(oscillating mirror)。利用添加到鏡表面的衍射光柵，這一結(jié)構(gòu)提供 了用于在線IR氣體分析設(shè)備的成本非常低、非常小、重量輕但是結(jié)實的掃 描器。 ，
光譜分辨率主要與光柵尺寸、孔徑、線距(line pitch)、衍射級次和準(zhǔn) 直有關(guān)。在本發(fā)明中，所需要的光柵寬度的范圍是l至2mm，這非常適于 現(xiàn)有的MEMS技術(shù)。容易獲得或控制其它參數(shù)，至少足夠用于所需的精度。
可以單獨形成衍射光柵并將其粘接到"鏡"表面，或者優(yōu)選地，可以 將衍射光柵在鏡的表面形成為MEMS制造工藝的部件。還可以使用全息型 光柵。使得鏡擺動的驅(qū)動器件可以是磁的，其中所述鏡具有形成在背面的 平面線圈，或者所述鏡自身制成磁性的，或者所述鏡可被靜電驅(qū)動。因為 需要的角幅值相對較小，所以目前優(yōu)選靜電驅(qū)動。本發(fā)明的裝置還可以若干額外方式進(jìn)行配置。在一個示例中，可以去 除擺動光柵并由掃描(擺動)鏡來替代。在該方法的實施例中，鏡使得入 射光在固定光柵上掃描，所述固定光柵分散出光譜。如上所述，通過鏡將 光譜聚焦到探測器平面。盡管該替代方法需要一個額外的元件，但是由于MEMS擺動元件不需要在其表面上制造出光柵，因而制造成本可以更低。在又一替代實施例中，利用在氣體樣品單元與IR源同側(cè)的光柵和探測 器，可以定位擺動鏡以將衰減的寬帶能量光束直接返回通過氣體樣品單元。 該設(shè)置的優(yōu)點是更高的靈敏度(由于兩次通過單元中的氣體)，以及一定程 度上更窄的封裝?；蛘?，在兩次通過的配置中，鏡可以固定在與源相對的 一側(cè)，并且擺動鏡/固定光柵(或擺動光柵)以及探測器系統(tǒng)位于源側(cè)。這 些不同實施例可配置在單個平面中，或者擺動鏡、掃描光柵或者聚焦鏡可 以按取向旋轉(zhuǎn)以將光束指引到不同的平面，從而可以容易地適應(yīng)不同的封 裝結(jié)構(gòu)。衍射光柵能夠提供若干級次的衍射光束。通常使用第一級次，+1或-1， 并且光柵中溝槽的形狀可以設(shè)計為增強(qiáng)所選的級次。然而，在更高級次上， 能夠可存在一些次級能量。結(jié)果是更短波長的光譜區(qū)域可重疊第一級次的 光譜。如果需要，可以利用設(shè)置為切斷感興趣光譜區(qū)域以外的波長的阻擋 濾波器來解決這一問題。用于本發(fā)明裝置的數(shù)據(jù)處理電子設(shè)備與掃描元件的運動是同步的。一 種方法是從鏡驅(qū)動器件中提取定時信號?；蛘?，所述鏡可具有安裝在其上 的線圈或磁的，或壓電傳感器，以提供指示用于同步中的一部分鏡的基本 即時位置的信號。用于同步的另一感測技術(shù)是將輔助光束從鏡的前面或背 面反射至單獨的探測器。目前優(yōu)選的技術(shù)是使用所探測光譜的獨特特征， 如果這樣的特征是可用的或者已經(jīng)提供了這樣的特征。假設(shè)所述鏡是諧振 的，當(dāng)探測器未接收任何信號時，將存在相對較長的周期。這是因為如果 掃描處于其更接近線性的那部分中，將更容易解讀該掃描，并且因為阻擋 濾波器將在感興趣的光譜區(qū)之前或之后去除所有信號。這樣，信號中緊接 著急劇上升的長空白周期可用于向相位鎖環(huán)同步器提供合適的獨特標(biāo)記。 該空白周期還提供背景光情況，從而可以設(shè)置探測器零點(zero)。通過吸 收峰值之間的任何光譜區(qū)域，或其中已經(jīng)去掉已知的峰值的區(qū)域來暗示全量程(Ml scale)。應(yīng)該注意，因為由該裝置生成的數(shù)據(jù)是連續(xù)的，所以可以相信能夠逐 個遞增地減去已知的且先前存儲的特定光譜線，即"剝離(peel off)"單獨 的線。這樣的處理改善了分離，或減少了干擾，特別是對于弱譜線而言。在參照附圖考慮以下說明和所附權(quán)利要求書的基礎(chǔ)上，本發(fā)明的這些 和其它方面、特征和特點、以及結(jié)構(gòu)的相關(guān)元件的操作方法和功能以及各 部分的組合、以及制造的經(jīng)濟(jì)性將變得更加明顯，所有附圖構(gòu)成本說明書 的一部分，其中在各圖中相同的附圖標(biāo)記表示相應(yīng)的部件。然而，要明確 理解的是，附圖僅用于圖示和描述的目的，而不旨在限制本發(fā)明。


圖1A是根據(jù)本發(fā)明原理的具有擺動掃描器鏡-衍射光柵組合的光譜儀 的示意性光學(xué)系統(tǒng)布局，以及圖1B是其中能夠適當(dāng)采用圖IA的光學(xué)系統(tǒng) 的光譜儀的示意圖；圖2是適用于圖1A的光學(xué)系統(tǒng)中的擺動鏡/光柵組合的透視圖； 圖3是根據(jù)本發(fā)明的具有聚焦鏡-衍射光柵組合的光譜儀的示意性光學(xué) 系統(tǒng)布局；圖4A至圖4F是根據(jù)本發(fā)明的原理使用準(zhǔn)直光束，實現(xiàn)多個譜帶分析 的光譜儀的多個示范性布置的示意圖；圖5A至圖5C是根據(jù)本發(fā)明的原理使用非準(zhǔn)直光束，實現(xiàn)多個譜帶分 析的光譜儀的多個示范性布置的示意性圖；圖6A至圖6D是根據(jù)本發(fā)明原理的光譜儀的其它示范性設(shè)置的示意性圖；圖7A和圖7B是根據(jù)本發(fā)明原理的電子-機(jī)械掃描器驅(qū)動裝置的俯視透視圖和仰視透視圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明原理的用于執(zhí)行自動掃描頻率調(diào)節(jié)的電路的示意圖； 圖9A和圖9B是分別示出了在諧振和非諧振期間掃描器驅(qū)動裝置的返回信號的波形。
具體實施方式
圖1A是根據(jù)本發(fā)明原理的光譜儀的示意性光學(xué)布置。以諸如紅外光束 的光束IO形式的能量從樣品單元G (參見圖IB)開始行進(jìn)并到達(dá)轉(zhuǎn)鏡12。 隨后，轉(zhuǎn)鏡12將光束10朝向掃描光柵反射鏡14反射，該掃描光柵反射鏡 14還可以稱作掃描鏡。應(yīng)該注意，掃描光柵反射鏡14圍繞與頁面垂直的軸 擺動(以放大的形式示出擺動)。從掃描光柵反射鏡14開始，該當(dāng)前分光 的光束10行進(jìn)到聚焦鏡16，聚焦鏡16反過來將光束10聚焦至包括適當(dāng)?shù)?讀取電路，或與適當(dāng)?shù)淖x取電路相關(guān)聯(lián)的探測器18。如本領(lǐng)域公知的，探 測器18可以包括例如狹縫或針孔狀的探測器。圖1B示意性地示出了與本發(fā)明的各種光學(xué)實施例一起使用的光譜儀 的完整結(jié)構(gòu)。如圖1B所示，紅外光源S發(fā)出紅外光束，如圖所示，可以利 用源光學(xué)器件或準(zhǔn)直器C對所述紅外光束進(jìn)行準(zhǔn)直。己準(zhǔn)直的紅外光束隨 后進(jìn)入氣體樣品單元G,并將其出射至轉(zhuǎn)鏡12。這樣的設(shè)置可以與在此描 述的所有實施例一起使用，除了應(yīng)注意的是圖5A至圖5C的實施例不需要 存在準(zhǔn)直器C或源光學(xué)器件來準(zhǔn)直紅外光束。參考圖2,掃描光柵反射鏡14具有位于其上的衍射光柵線22。利用 MEMS工藝可以將這些線粘接或機(jī)加工至反射鏡表面，或者可通過其他公 知的技術(shù)來設(shè)置這些線。McClelland等人的美國專利6,201,269 (其公開通 過引用合并在此)公開了一種用于制造擺動鏡的合適的MEMS工藝，該工 藝可適于制造掃描光柵反射鏡14。所述光柵也可制成全息的形式。掃描光柵反射鏡14具有柔性軸24，該柔性軸與衍射線22平行并且通 過與柔性軸24共軸的支撐部件安裝到框架26。墊板28是可導(dǎo)電的，以在 導(dǎo)線20連接在墊板28與本領(lǐng)域公知的適當(dāng)電源P之間時提供用于掃描光 柵反射鏡14的靜電驅(qū)動。盡管在圖2中為簡單起見描繪了兩個電源P，但 是當(dāng)然可以用單個電源P向墊板28交替供電。圖1A中示出的示意圖將掃描光柵反射鏡14用作掃描器和衍射光柵。 然而，掃描器上不必包括衍射光柵。通過鏡掃描器作為替代可以以角度掃 描衍射光柵。如圖3所示，鏡掃描器32用于將來自氣體樣品單元的輸入光 束30掠過衍射光柵和鏡組合34。在衍射光柵和鏡組合34中使用的鏡是將 來自鏡掃描器32的分散能量指引并聚焦至探測器36。在通過衍射光柵和鏡 組合選擇的波長中，像由具有限定的輸入孔徑形成。在常規(guī)的艾勃特單色儀中，單色儀的入口處有限定了待成像孔徑的狹縫。在本發(fā)明中，該限定 孔徑可以是源、或其可以是掃描器/探測器組件的入口附近的單獨孔徑。應(yīng)注意，圖1A的實施例的轉(zhuǎn)鏡12在圖3中沒有對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，因為轉(zhuǎn)鏡不是 本發(fā)明必需的部件，但是在本領(lǐng)域來說是常見的并且使用轉(zhuǎn)鏡確實提供了 多個其他結(jié)構(gòu)的可能性。作為另一替代配置，鏡-光柵功能可以分開，使得將掃描指向平面光柵 鏡，該平面光柵鏡之后接著聚焦元件，通常是該IR波長區(qū)域中的鏡，再接 著探測器。與圖1A相比，這種替代的分開配置的優(yōu)點是掃描鏡設(shè)備可通過 目前公知的工藝直接制造，盡管在鏡上形成光柵并不是常見的。相反，通 過模制(molding)技術(shù)在聚焦元件上形成光柵是常見的。分開配置的缺點 是光柵必須相對較大(因為為了改變角度光束在整個光柵上移動)，并且鏡 可能需要是非球面的。當(dāng)然，如果通過模制或鑄造工藝來制造光柵-鏡，這 些都是小問題。參照圖1A和圖3描述的實施例提供了在波長倍頻(wavelength octave)上收集光譜數(shù)據(jù)的有效方式。然而，這些實施例實際上設(shè)計成具有例如3 到5微米頻帶的單個頻帶。實際上光柵光譜儀的范圍由于多個級次的原因而限于倍頻。即，特定 波長將以一組特定角度發(fā)生衍射，這些角度取決于波長、光柵周期以及已 知作為級次的整數(shù)。因為色散是級次的函數(shù)，所以多個級次能夠在探測器 平面上重疊，使得光譜難以解讀。在實際的光柵光譜儀中，光柵被制造為 使得絕大部分衍射能量指向特定的所需級次。這通過對衍射光柵的每個溝 槽處的表面進(jìn)行造型，使得到達(dá)該點的光將在與所需衍射級次相同的方向 上反射來實現(xiàn)。這一造型工藝被稱為閃耀(blazing)。另外，可以將阻擋濾 波器添加在光譜儀輸入端或探測器處，該濾波器將阻擋可能造成混淆的波 長區(qū)域。除了之前描述的3到5微米的頻帶之外，本發(fā)明可有利地同時測量7 到IO微米范圍。該更長波長范圍的問題在于首先，需要更昂貴的探測器; 第二，用于光束處理的透射光學(xué)器件，例如透鏡往往較昂貴(盡管長波通 濾波器或功能是不可避免的)；第三，3到5微米頻帶的第二級次趨于落入 與7到10微米頻帶相同的平面。圖4A-4F中示出了用于測量額外頻帶的光學(xué)布置的七種示范性方法。 應(yīng)注意，在圖4A-4F示出的所有舉例實施例中，己經(jīng)通過源光學(xué)器件或通 過其他常規(guī)裝置對輸入光束進(jìn)行了準(zhǔn)直。還應(yīng)注意到這些附圖是示意性的， 即，衍射角是示意性的不是準(zhǔn)確的。在圖4A的實施例中，掃描鏡42將輸入光束40指向二向色光束分離器 44，該二向色光束分離器44將光束分為兩個頻帶，例如，分別為3到5以 及7到10微米。兩個分離的掃描衍射光柵46分散這些頻帶；每個光柵46 針對相應(yīng)的頻帶進(jìn)行優(yōu)化。分散后，通過聚焦鏡48將光束的每個頻帶指向 探測器D的孔徑。在圖4B的實施例中，采用掃描衍射光柵46，并且所得到的分散光束 通過二向色光束分離器44分為兩個頻帶。在這種情況下，掃描衍射光柵46 已經(jīng)針對第一級次中的7-10微米頻帶進(jìn)行了優(yōu)化，并已經(jīng)針對第二級次中 的3-5微米頻帶進(jìn)行了優(yōu)化。圖4C示出的實施例包括掃描鏡42以及緊接著的二向色衍射光柵47， 該二向色衍射光柵47被涂覆以反射一個頻帶，諸如7-10微米，并透射另一 頻帶。與其他情況下一樣，二向色衍射光柵47將針對第一級次7-10微米以 及第二級次3-5微米進(jìn)行設(shè)置。或者，可以采用反射式衍射光柵(非透射式)， 并且頻帶分離器位于衍射光柵之后。圖4D的實施例采用背對背掃描衍射光柵46，該掃描衍射光柵46僅反 射，并且一起用作掃描元件。通過光柵前的二向色光束分離器44實現(xiàn)頻帶 分離。在該實施例中，可以針對特定頻帶的最佳性能來單獨優(yōu)化光柵。圖4E的實施例設(shè)置成提供三個頻帶的檢測。掃描鏡42照明兩個串聯(lián) 的反射/透射二向色衍射光柵47。盡管該設(shè)置對波長頻帶放置造成一些限 制，但是其比圖4F的實施例更加緊湊。圖4F的實施例包括鏡和光柵的三維布置，其能夠提供六個頻帶(如圖 所示)，并且通過擴(kuò)展能提供更多頻帶。輸入光束50首先被分離成兩個相 鄰倍頻頻帶的三波長塊(wavelengthblock),每個相鄰倍頻頻帶使用多個二 向色或帶通濾波器51，隨后通過掃描鏡52掃描波長塊。掃描鏡52的軸在 附圖頁的平面中。波長塊按角度幾何地分離在包括鏡旋轉(zhuǎn)軸的平面中。掃 描之后，波長塊到達(dá)三個衍射光柵56，每一個與圖4C中的衍射光柵類似，但是適當(dāng)?shù)貎A斜以匹配分離角度。應(yīng)該注意，在圖4F中為了示例的簡單以 及清楚起見，僅示出了一個光柵56而沒有示出探測器，盡管在實際中包括 這些。圖5A-5C示出了本發(fā)明的其他實施例，其中，與上述不同的是，進(jìn)入 光譜儀的光可以是發(fā)散的或會聚的，并且改變光學(xué)器件以進(jìn)行補(bǔ)償。圖5A示意性地示出了一系統(tǒng)，其中來自光源S的光通過氣體樣品單元 G并被反射，通過光柵分散并在掃描平面光柵鏡60上掃描。利用凹鏡62 將所得到的分散光束聚焦至探測器D。圖5B示意性地示出了采用平面掃描鏡64的系統(tǒng)，并且掃描光束被反 射至凹光柵鏡66，所述凹光柵鏡66將光束衍射并聚焦到探測器D上。圖5C示意性地示出了一系統(tǒng)，其中掃描、分散和聚焦功能結(jié)合到掃描 鏡形式的單個元件68，其包括衍射光柵并且是凹的以降光束聚焦至探測器 D上。如同本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將明白和意識到，向掃描元件增加功能將增 加其成本，但是在每個示例中，可以減少系統(tǒng)中其他元件的成本，或完全 去除。具體而言，圖5A-5C的實施例無需準(zhǔn)直元件，并且圖5C的實施例無 需單獨的聚焦鏡。由于部件的去除和組裝時間的減少，所需部件數(shù)量的減 少能夠?qū)崿F(xiàn)制造較廉價的系統(tǒng)。同樣如同本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將明白和意識到，圖5A-5C示出的方法 可以應(yīng)用于圖4A-4F的實施例以測量多個感興趣的頻帶。例如，可以有利 地利用圖5A的部件和布置以修改圖4B和4D的系統(tǒng)，并且可以有利地利 用圖5B的部件和布置以修改圖4A的系統(tǒng)，在每個示例下實現(xiàn)去除聚焦鏡。 由于要求既在反射又在透射中進(jìn)行聚焦，所以盡管聚焦鏡和光柵元件將更 加復(fù)雜，但是圖5B的部件和布置還是可以應(yīng)用于圖4C、 4E、 4F的系統(tǒng)中。 第一面或反射面將是凹的，而第二面將包括凸折射面。在上述實施例中，利用光柵的第一和第二級次分別分散兩個不同的頻 帶，即3.5-4.5微米和7-9微米頻帶。兩個探測器上的濾波器確保相應(yīng)的探 測器僅對適當(dāng)?shù)念l帶起作用。本發(fā)明還設(shè)想將光柵的不同級次用于(基本) 非連續(xù)頻帶，與通過單級次光柵能夠獲得的波長范圍相比，所述非連續(xù)頻 帶覆蓋了更大的波長范圍。上述發(fā)明還公開了使用二向色分離器將不同頻帶或一頻帶的多個部分 指向與所述探測器不同的兩個探測器。本發(fā)明還設(shè)想使用非波長敏感分離 器，即普通的部分反射分離器。在這種情況下，適當(dāng)?shù)臑V波器可以設(shè)置在 探測器上或探測器之前以挑選出適當(dāng)?shù)念l帶。本發(fā)明的上述實施例使用聚焦鏡在探測器上形成圖像。這一聚焦功能 也可利用由任意適當(dāng)材料形成的透鏡來執(zhí)行。本發(fā)明還設(shè)想二向色分離器 可以是部分反射分離器。另外，分離器(反射或透射)可以設(shè)置在聚焦鏡 (或透鏡)之后，并且在兩個探測器之前。本發(fā)明的微型光譜儀的一個功能是在8到10微米IR頻帶中的麻醉劑 進(jìn)行光譜掃描，并同時進(jìn)行中IRC02和N20頻帶的掃描。由于存在多個已 有系統(tǒng)，例如艾勃特、車爾尼特納(Czemy-Temer)、法斯梯-艾勃特 (Fastie-Ebert)等以及單個或多個全息光柵系統(tǒng)，所示對光譜儀的基本結(jié)構(gòu) 進(jìn)行選擇是很容易的。主要的系統(tǒng)問題是效率，即相對于系統(tǒng)的光譜分辨 率，多少源光能夠到達(dá)探測器。在所有的系統(tǒng)中，源或由所述源照明的孔徑在傳感器平面上成像。由 像差和光學(xué)放大設(shè)置的該圖像的尺寸必須小于系統(tǒng)所需的光譜分辨率。因 為該分辨率通過光柵來設(shè)置，所以有效源尺寸非常關(guān)鍵。在典型的光譜儀 系統(tǒng)中，入射狹縫在大孔徑鏡的焦點處。該鏡將光準(zhǔn)直到光柵上。來自光 柵的衍射光通過第二個凹鏡再次聚焦到傳感器上。因為孔徑較大，即較小 的f數(shù)，所以效率能夠較大。在本發(fā)明的微型光譜儀中，來自光源的光必須 首先通過氣管接口 (樣品單元)，在缺少所贈加的光學(xué)器件的情況下，所述 氣管接口將妨礙大孔徑/高效系統(tǒng)。即使來自源的光束將通過接口來準(zhǔn)直， 對于光譜儀中的實際光學(xué)器件而言，源尺寸將使得光束分散得太大。如圖6A-6D所示，本發(fā)明通過在源處使用大孔徑透鏡來解決該問題， 所述源在接口，即樣品單元的中間形成空間像。探測器塊的入射處的透鏡 103將粗略地將光直接準(zhǔn)直到光柵。透鏡103的焦距大致等于源附近的透鏡 的像距。透鏡103對光束進(jìn)行準(zhǔn)直，并且因為它是根據(jù)所述源的像來工作， 所示透鏡103趨于準(zhǔn)直離軸光束的角度。其作用類似于場鏡。因此在光柵 上發(fā)散的光束較少，并且在隨后元件處更加少。在圖6A和6B中，來自光柵106的衍射光通過非球面鏡108聚焦到傳感器(探測器)110。通過該技術(shù)，可有效地將源放大保持為較小，而效率較高。本發(fā)明設(shè)想使用硅涂覆透鏡，因為對于該波長范圍，其是具有相當(dāng)好的環(huán)境穩(wěn)定性的最便宜的透鏡材料。在圖6C和6D中，使用折疊式 (folding)反射鏡或轉(zhuǎn)鏡109替代凹聚焦鏡108。圖6A-6D示出了三種替代透鏡結(jié)構(gòu)。圖6A示出了使用設(shè)置在接口 102 的一側(cè)的球面透鏡100的實施例，所述接口 102還可以被稱為樣品單元。 圖6B示出了使用接口 102和非球面透鏡104的實施例。圖6C示出了設(shè)置 在折疊式反射鏡109之前的聚焦透鏡107。圖6D示出了設(shè)置在折疊式反射 鏡109之后的聚焦透鏡111。本發(fā)明還設(shè)想在折疊式反射鏡之前和之后設(shè)置 聚焦透鏡。該系統(tǒng)的其他部件，諸如源、反射光柵106以及探測器110能 夠以本發(fā)明設(shè)想的布置中的任意一種，包括如上所討論的具體示例來配置。對于藥劑來說，感興趣的波長大約為8到9.5微米，并且對于C02和 N20來說為4到4.7微米，并且基準(zhǔn)通道在3.7和7.4微米。本發(fā)明設(shè)想相 同的光學(xué)器件和光柵能夠同時掃描兩個區(qū)域，其中，IR使用光柵第一級次， 而中IR使用光柵第二級次。需要二向色分離器以分離探測器。優(yōu)選地，光柵106的掃描速度范圍在100Hz到300Hz。 100Hz是由所 需要的C02帶寬，g口， 10Hz設(shè)置的大概下限。通過IR探測器響應(yīng)時間和 光柵致動器的機(jī)械限制來設(shè)置上限。光譜儀光柵的運動范圍大約為+/-5度 (機(jī)械的)以覆蓋包括基準(zhǔn)通道，加上大約15%到20。/。的余量(tum-around)。 如果以其它方式完成基準(zhǔn)功能，或者光柵間隔減小，則運動的范圍可以降 低至+/-3度。在本發(fā)明的示范性實施例中，光柵鏡大約6mm寬且10mm高。 這些規(guī)格在200Hz-300Hz的正弦頻率范圍下正好處于現(xiàn)有技術(shù)的廉價狀 態(tài)。由于PbSe探測器較快、靈敏、便宜和常見，所以將其用于中IR。 IR 探測器的候選者是水銀碲化鎘(MCT)、微熱電堆、微測輻射熱計、熱釋電。將通過微型光譜儀收集的光譜數(shù)據(jù)應(yīng)包括與本底噪聲(noise floor)(零 信號)、源強(qiáng)度(信號跨度，即無干擾通道)以及譜跨度校正有關(guān)的基準(zhǔn)數(shù) 據(jù)。通過參考C02線和邊緣濾波器可以完成校正。由于相同的掃描器實現(xiàn) 兩者，所以在頻帶上或在頻帶之間進(jìn)行的校正對于兩者來說是有效的。信 號零和跨度需要在每個單獨的傳感器上完成，所以在每個單獨的傳感器上 面需要無干擾通道和阻擋功能。本發(fā)明人意識到在操作中，旋轉(zhuǎn)衍射光柵的掃描器以單個頻率運行， 并具有固定的掃描角度。這些要求使得本發(fā)明人提出諧振掃描器應(yīng)是驅(qū) 動衍射光柵的合適系統(tǒng)。諧振型掃描器驅(qū)動系統(tǒng)具有若干優(yōu)點1)假定高機(jī)械Q值，則功率需要最小化；2)掃描運動趨于具有最小諧波的準(zhǔn)確正弦 曲線；以及3)根據(jù)驅(qū)動電路可導(dǎo)出精確的同步信號。諧振掃描器驅(qū)動系統(tǒng) 的缺點在于諧振頻率取決于整個移動系統(tǒng)的慣性(質(zhì)量)和回復(fù)力(彈簧) 的大小。如果任意一個隨著時間、溫度或制造變量而改變，則諧振頻率將 改變。試圖使用諧振掃描器驅(qū)動系統(tǒng)時面臨的問題是設(shè)計一種除了光柵之外 (通過光學(xué)要求來確定)，慣性部件最小化，摻氣(airentrainment)最小化 (以保持高的機(jī)械Q值)以及整體尺寸最小化的系統(tǒng)。此外，該系統(tǒng)作為 一個整體必須承受諧振中的變化。本發(fā)明解決了這些問題并且提供一種例如如圖7A-9所示的掃描器驅(qū)動 系統(tǒng)200。掃描器驅(qū)動系統(tǒng)200包括向衍射光柵204提供旋轉(zhuǎn)軸的緊帶(taut band) 202。應(yīng)注意，在圖7A中省略了衍射光柵，從而能夠觀察到光柵下 面的掃描器驅(qū)動系統(tǒng)的特征。緊帶202還提供用于掃描系統(tǒng)的移動部件的 彈力回復(fù)和機(jī)械支撐。光柵204固定在緊帶202的一側(cè)并且通常在緊帶202 的中間。永磁體206固定在緊帶的另一側(cè)。間隔體208設(shè)置在緊帶202的 每一側(cè)，使得在組件擺動時，扭曲的帶將不接觸光柵204或磁體206。通過框架210將緊帶202支撐在其端部，在示范性實施例中所述框架 為正方形。在制造過程中，緊帶202的端部在張力下緊緊地附著至框架。 本發(fā)明還設(shè)想在處理期間在壓力下固定框架210，使得在緊帶附著至框架之 后緊帶中的凈張力是可預(yù)測的。本發(fā)明設(shè)想如果通過在框架外側(cè)邊緣彎曲 緊帶來再次加強(qiáng)該附著，則采用點焊、熔焊/釬焊或粘接，將緊帶202附著 至框架210。在示范性實施例中，緊帶202的厚度為0.001"，寬度為0.9mm，并具 有大約7mm的自由長度。光柵襯底2040是玻璃，厚度為2mm，直徑為6mm。 取決于緊帶中的張力和驅(qū)動磁極片到永磁體206的臨近性，諧振頻率大約 為200Hz。有利地，永磁體206是釹型，相對于其尺寸和質(zhì)量來說其提供非常強(qiáng)大磁場。如所指出的，磁體安裝至緊帶2020 (具有間隔體208)上且磁極 軸垂直于光柵平面，即附著至緊帶的磁體表面是磁極。其可以是北極或南 極，但是在制造期間應(yīng)該設(shè)置一約定，因為與驅(qū)動脈沖(參見下文)相關(guān) 的擺動的相位將取決于磁體的極性。通過永磁體206與臨近的電磁體212之間的磁相互作用來驅(qū)動掃描器。 在示范性實施例中，電磁體212具有"C"型磁芯214，具有的適當(dāng)阻抗的 繞組216纏繞在"C"型磁芯214的中間部分。電磁體212可以認(rèn)為是AC 電機(jī)的定子，而永磁體206可以認(rèn)為是轉(zhuǎn)子。磁芯214可以是如音頻變壓 器或ac電機(jī)中一樣的層壓鐵，或者其可以是鐵氧體。鐵氧體磁芯重量相對 較輕，并提供較少的渦流損耗，這反過來增加了系統(tǒng)的機(jī)械Q值。將電磁 體212取向為使得兩磁極片之間的直線垂直于緊帶202的軸。除了在磁體 的任何合理的偏移下空隙應(yīng)防止磁體接觸磁極片之外，磁體206和電磁體 磁極片之間的間距并不是特別重要。否則，磁體將粘住磁極片，并且系統(tǒng) 將停止。提供給電磁體212的電驅(qū)動是以短脈沖的形式。掃描器組件將以機(jī)械 諧振頻率"振鈴(ring)"。因為Q值將較高(其范圍為100到150)，對于 擺動其將采取若干脈沖來達(dá)到幅值平衡。在通常的擺動系統(tǒng)中，驅(qū)動將根據(jù)機(jī)械損失滯后運動接近卯度的量。 本系統(tǒng)具有非常小的損失，所以諧振時的驅(qū)動脈沖將位于最大的速度點， 即90度。本系統(tǒng)既是電機(jī)又是發(fā)生器，所以磁體的任何運動將在電磁線圈 中生成返回電壓。在諧振期間，如圖9A所示，返回信號可以示出或可視化為正弦波220。 正弦波202包括中心部分的尖峰，正弦波是驅(qū)動脈沖。通過將示波器直接 附著至驅(qū)動線圈來產(chǎn)生正弦波220,而電阻被用來將驅(qū)動脈沖電子設(shè)備與返 回信號部分隔離。如果驅(qū)動脈沖速度不是處于諧振，則反信號相位將不同 于圖9A中所示。當(dāng)系統(tǒng)沒有諧振時，圖9B示出了返回信號224。應(yīng)理解， 尖峰225不是位于正弦波的峰值的中心，而是與中心發(fā)生偏移或偏離。通 過將恰在驅(qū)動脈沖之前的返回信號與恰在驅(qū)動脈沖之后的信號進(jìn)行比較， 相位誤差能夠轉(zhuǎn)換成可用于調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率的信號。圖8中示出了將執(zhí)行該自動頻率調(diào)節(jié)的方框示意電路230。電壓控制擺動器(VCO)232提供用于系統(tǒng)的時基。其具有接近于機(jī)械諧振的名義頻率。 來自VCO的脈沖饋送三位二進(jìn)制計數(shù)器234，所述計數(shù)器234驅(qū)動三位解 碼236。所得到的時序8信號用來控制系統(tǒng)。參考圖8中示出的正弦波曲線圖240，第一兩時間周期用來收集來自驅(qū) 動脈沖之前的信號的數(shù)據(jù)，而第4和第5周期收集來自脈沖之后的信號的 數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)由采樣和保持(S/H) 242收集到電容C1。在周期3中生成驅(qū) 動脈沖。在周期6和7期間，當(dāng)前時間同步的信號差傳送至電容C2和VCO 232。 在周期8期間，單獨電容C1放電以略微地幫助回路響應(yīng)時間。時間周期3 驅(qū)動諸如MOSFET的晶體管244，所述晶體管244經(jīng)由隔離電阻R將電流 注入至驅(qū)動線圈216。返回信號的幅值與峰值速度成比例，對于給定的頻率，峰值速度與最 大掃描角度成比例。因此返回信號幅值用來提供反饋給驅(qū)動脈沖大小，從 而保持恒定的掃描角度。出于該目的，使用返回信號的負(fù)半周期。二極管 Dl和電容C3提供返回信號平均電壓至微分放大器。將固定的設(shè)定點提供 至放大器的另一側(cè)。放大的差是脈沖幅值。本發(fā)明還設(shè)想線圈和磁極結(jié)構(gòu)可以繞由極尖限定的軸旋轉(zhuǎn)。換句話說， 該組件可以背朝著框架折疊。這樣的變型將使得掃描器組件更短，但在一 個方向上稍寬。本發(fā)明還設(shè)想兩個單獨的繞組可以放置到電磁體磁芯上。 兩個繞組將提供更好的阻抗匹配用于驅(qū)動器和單獨用于返回放大器。其還 提高了返回信號的S/N，因為信號將是浮置的。圖7B中所示的光柵是圓盤，但是也可設(shè)想諸如正方形或矩形的其它形 狀。重點是光譜儀的譜分辨率在某種程度上與光柵的寬度，即在光束中的 光柵溝槽數(shù)目成比例。在制造中，使得光柵旋轉(zhuǎn)不對稱是有利的，從而更 確定地將光柵溝槽安裝成平行于旋轉(zhuǎn)軸，即緊帶的長軸。期望框架是提供掃描器組件的初始強(qiáng)度的元件，因此其是固定至光譜 儀系統(tǒng)的元件。示出的框架為方形。然而，其可以具有其它形狀，例如圓 形，或一些形狀的組合，并且能夠包括安裝柱或支架。盡管為了說明的目的已經(jīng)基于當(dāng)前認(rèn)為是最實用和優(yōu)選的實施例詳細(xì) 描述了本發(fā)明的光譜儀，但是要理解的是，這種細(xì)節(jié)僅用于該目的，并且本發(fā)明不限于公開的實施例，而是相反，意圖在于覆蓋在權(quán)利要求的精神 和范圍內(nèi)的修改和等同布置。
權(quán)利要求
1、一種光譜儀，包括紅外源(S)，用于投射紅外光束；氣體樣品單元(G，102)，設(shè)置于所述紅外光束的路徑中；具有衍射光柵(22)的掃描鏡(14，32，46，60，64，68，106)，所述衍射光柵包括多條平行線且位于所述紅外光束通過所述氣體樣品單元之后的路徑中；諧振掃描器驅(qū)動系統(tǒng)(P，20，28)，適于使所述掃描鏡圍繞與所述衍射光柵線平行的軸擺動；第一聚焦元件(16，62，66，108)，設(shè)置為對由所述衍射光柵衍射的紅外光束的至少一個感興趣的頻帶進(jìn)行聚焦；第一探測器(18，D，110)，設(shè)置為接收所述至少一個已聚焦的感興趣的頻帶；以及第一探測器讀取電路，可操作地耦合至所述第一探測器以接收來自所述第一探測器的信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀，還包括分離器(44， 47)，位于來自所述掃描鏡的所述衍射的紅外光束的路徑中；第二聚焦元件(48)，位于感興趣的離散頻帶的相應(yīng)路徑中； 第二探測器(D)，設(shè)置為接收已聚焦的感興趣的離散頻帶；以及 第二探測器讀取電路，可操作地耦合至所述第二探測器以接收來自所 述第二探測器的信號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光譜儀，其中，所述分離器是用于將所述衍 射的紅外光束分離成感興趣的離散頻帶的二向色分離器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光譜儀，其中，所述第一聚焦元件是透鏡或 鏡，且所述第二聚焦元件是透鏡或鏡。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀，其中，所述第一聚焦元件是透鏡或鏡°
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀，還包括安置于所述紅外源與所述樣 品單元之間的大孔徑透鏡(C， 104)。
全文摘要
一種用于確定氣體樣品中的多種氣體的相應(yīng)濃度或分壓的健壯、緊湊的光譜儀裝置，所述氣體樣品具有單個、以及多個、甚至重疊的吸收或出射光譜，這些譜跨越較寬的光譜范圍。
文檔編號G01J3/18GK101568812SQ200780048276
公開日2009年10月28日 申請日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月29日
發(fā)明者J·T·拉塞爾 申請人:Ric投資有限責(zé)任公司