具有可变光束功率和形状的光谱仪制造技术

至少一个光源被配置成向吸收介质的样品体积中发射光束。另外，至少一个检测器被定位以检测由至少一个光源发射的至少部分光束。此外，至少一个光束调整元件被定位在所述至少一个检测器和所述至少一个光源之间，以选择性地改变由至少一个检测器检测到的、由至少一个光源发射的所述光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个。控制电路被耦合至所述光束调整元件。描述了相关装置方法、生产的物品、系统等等。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2014年8月22日提交的名称为“具有可变光束功率和形状的光谱仪(SpectrometerWithVariableBeamPowerandShape)”的美国专利申请序列号14/466,839的优先权。本段中所列的各个申请的公开内容都在此通过引用以其整体并入。
本文所述的主题涉及光谱分析仪，其中由光源发射的光束的功率和/或形状是选择性地可变的。
技术介绍
光谱仪使用光源来检测和量化物质对辐射的发射或者吸收(例如，气或者液相化合物分析中的个别分子)。来自这些光源的辐射用分析物的分子发生的跃迁而确定的特殊能量吸收或者发射。例如，在红外光谱中，由于红外分子键的振荡或者旋转跃迁的激励，由分子吸收离散能量量子。环境条件的变化以及老化能够引起光谱仪内的光源的发出的和/或检测的功率和/或光束形状随着时间变化。光谱仪中发出的和/或检测的功率和光束形状的变化能够改变光谱仪校准并且引起光谱仪读数偏移。这些读数偏移能够引起控制过程的更高运行成本、昂贵的设备替换，包括但是不限于催化转化器，或者如果超过了测量分析物的有害浓度限制，则引起对人类或者环境有害的条件。在一些情况下，遭受这些问题的光谱仪需要由技术人员手动校准或者甚至更换。这些服务调用是昂贵的，并且在进行这些维修时造成光谱仪停机。
技术实现思路
在一个方面中，至少一个光源被配置成向吸收介质的样品体积内发射光束。另外，至少一个检测器被定位以检测由光源发射的光束的至少一部分。此外，光束调整元件被定位在检测器和光源之间，以选择性地改变由至少一个检测器检测到的、由光源发射的光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个。控制电路被耦合至光束调整元件。吸收介质包括气体和/或液体。在一些情况下，也提供限定样品体积的壳体。在其它变体中，样品体积形成开放路径系统的一部分。光束调整元件能够采取许多形式。例如，光束调整元件能够包括光学滤波器或者光学漫射器(opticaldiffuser)。光束调整元件能够包括光学透镜。光束调整元件能够包括漫透射器或者漫反射器。光束调整元件能够包括具有选择性地可调节表面的反射器。光束调整元件能够包括可调节光圈(aperture)。光束调整元件能够包括液晶元件。光束调整元件能够包括可调谐滤波器。在一些情况下，可调谐滤波器能够包括热光学调谐器和/或量子阱调谐元件。光束调整元件能够包括中性密度(ND)滤波器。光束调整元件包括可旋转光学干涉滤波器。光束调整元件能够包括具有在光束路径内可选择性地移动的两个或者更多个不同光学滤波器的滤波轮。光束调整元件能够包括滤波楔形物(filterwedge)。光束调整元件能够包括例如下述中的一个或多个：可饱和吸收器、空间滤波器、波导管、由至少一层介电材料制成的膜、由能够相对于光束传播的轴线旋转或者平移的有机材料制成的膜、Bragg光栅、光阀、偏振器、光功率致动器、具有改变光束轮廓的衍射光学结构的透射光学元件、经粗抛光的透射光学元件、具有引起入射激光束散射或者改变光束轮廓的表面结构的反射光学元件、衍射光学元件、菲涅尔型光学元件、由碳氢材料制成的膜或者光学元件，或者分束装置。在一些变体中，能够存在被耦合至光束调整元件的至少一个致动元件，光束调整元件被配置成选择性地沿至少一个轴线移动光束调整元件的位置和/或角度。至少一个致动元件能够包括下述中的一个或多个：压电致动器、步进马达、电光致动器、声光致动器、微电子机械系统(MEMS)致动设备、尺蠖式装置、机械致动器、磁致动器、静电致动器、感应致动器、旋转致动器、热致动器、压力致动器、应力和应变致动器、步进马达或者模拟马达。致动元件能够被耦合至光源或者检测器，以移动光源或者检测器的位置和/或角度。例如，检测器能够被移动得离焦点更远，从而在检测器表面上获得更大的光束直径。在另一示例中，当检测器表面垂直于入射光束时，如果使检测器倾斜30度，则检测器上的入射光束直径将加倍。此外，光束调整元件能够位于至少一个光源和至少一个检测器之间的光束路径中，并且致动元件能够被耦合至光束调整元件，从而移动光束在样品体积内和检测器上的角度和/或位置。另外，如果光束调整元件为透镜或者反射镜，则能够改变其曲率半径(ROC)从而修改光束形状。如果光束调整元件为透镜，则能够改变透镜表面的距离或者透镜介质的折射率从而修改光束形状。至少一个光源能够被耦合至控制电路。至少一个检测器能够被耦合至控制电路，并且包括光接收器阵列。光接收器阵列能够包括/为象限单元检测器。控制电路能够选择性地引起光束调整元件响应于由至少一个光检测器检测到的该光束的位置和/或角度和/或功率强度水平来改变由至少一个检测器检测到的光束的形状和/或功率强度。至少一个光源能够采取各种形式，包括但不限于下述中的至少一个：可调谐二极管激光器、可调谐半导体激光器、量子级联激光器、带内级联激光器(ICL)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、水平腔表面发射激光器(HCSEL)、分布反馈激光器、发光二极管(LED)、超辐射发光二极管、放大自发辐射(ASE)源、气体放电激光器、液体激光器、固态激光器、光纤激光器、色心激光器、白炽灯、放电灯、热发射器，或者能够通过非线性光学相互作用生成可调频光的设备。检测器能够采取各种形式，包括下述中的一个或更多个：铟镓砷(InGaAs)检测器、砷化铟(InAs)检测器、磷化铟(InP)检测器、硅(Si)检测器、硅锗(SiGe)检测器、锗(Ge)检测器、碲镉汞检测器(HgCdTe或MCT)、硫化铅(PbS)检测器、硒化铅(PbSe)检测器、热电堆检测器、多元件阵列检测器、单元件检测器或者光电倍增器。壳体能够限定样品单元，样品单元包括下述中的至少一个：其中在光保持在所述样品单元内部时，在一个或者更多光学反射镜之间反射光的多通构造；其中在光保持在所述样品单元内部时，由一个或者更多光学元件折射光的多通构造；赫里奥特单元(HerriotCell)；离轴光学谐振器；抛物面聚光器；球面聚光器；怀特单元(WhiteCell)；光学腔；空心导光板；或者其中光在保持在样品单元内部时，不反射光的单通构造。另一方面，由形成光谱仪的一部分的至少一个光源向包括吸收介质的样品体积中发射至少一个光束。之后，至少一个检测器检测由光源发射的光束的至少一部分。然后基于检测的光束的至少一部分并且由控制器来确定光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个应该被改变。然后，至少一个光束调整元件在控制器的控制下引起由至少一个检测器检测到的、由光源发射的光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个选择性地改变。在进一步方面，引起形成光谱仪的一部分的至少一个光源向包括吸收介质的样品体积中发射至少一个光束。然后，从特征在于检测由光源发射的光束的至少一部分的至少一个检测器接收信号。然后基于接收的信号确定光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个应该被改变。之后，引起至少一个光束调整元件改变由至少一个检测器检测到的、由至少一个光源发射的光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个。也描述了存储指令的非瞬态计算机程序产品(即，有形计算机程序产品)，该指令当由一个或者更多个计算系统的一个或者更多个数据处理器执行时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，包括：至少一个光源，所述光源被配置成向吸收介质的样品体积中发射至少一个光束；至少一个检测器，所述检测器被定位以检测由所述光源发射的光束的至少一部分；光束调整元件，所述光束调整元件被定位在所述检测器和所述光源之间，以选择性地改变由所述至少一个检测器检测到的、由所述光源发射的所述光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个；以及控制电路，所述控制电路被耦合至所述光束调整元件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.22 US 14/466,8391.一种装置，包括：至少一个光源，所述光源被配置成向吸收介质的样品体积中发射至少一个光束；至少一个检测器，所述检测器被定位以检测由所述光源发射的光束的至少一部分；光束调整元件，所述光束调整元件被定位在所述检测器和所述光源之间，以选择性地改变由所述至少一个检测器检测到的、由所述光源发射的所述光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个；以及控制电路，所述控制电路被耦合至所述光束调整元件。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述吸收介质包括气体。3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述吸收介质包括液体。4.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，进一步包括：限定所述样品体积的壳体。5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的装置，其中，所述样品体积形成开放路径系统的一部分。6.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括光学滤波器和光学漫射器。7.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括光学透镜。8.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括漫透射器或者漫反射器。9.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括具有选择性地可调节表面的反射器。10.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括液晶光学元件。11.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括可调节光圈。12.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括可调谐滤波器。13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述可调谐滤波器包括热光学调谐器。14.根据权利要求12或13所述的装置，其中，所述可调谐滤波器包括量子阱调谐元件。15.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括中性密度(ND)滤波器。16.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括可旋转或者可平移光学干涉滤波器。17.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括滤波轮，所述滤波轮具有在所述光束路径内可选择性地移动的两个或者更多个不同的光学滤波器。18.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括滤波楔形物。19.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括从由下列元件组成的组中选择的至少一个元件：可饱和吸收器、光纤、空间滤波器、波导管、由至少一层介电材料制成的膜、由能够旋转的有机材料制成的膜、Bragg光栅、光阀、偏振器、光功率致动器、具有改变光束轮廓的衍射光学结构的透射光学元件、经粗抛光的透射光学元件、具有引起入射激光束散射或者改变光束轮廓的表面结构的反射光学元件、衍射光学元件、菲涅尔型光学元件、由碳氢材料制成的膜或者光学元件，或者分束装置。20.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，进一步包括至少一个致动元件，所述致动元件被耦合至(i)所述至少一个光束调整元件，(ii)所述至少一个光源，或者(iii)所述至少一个检测器，并且所述致动元件被配置成选择性地沿至少一个轴线移动所述光束调整元件的位置和/或角度。21.根据权利要求20所述的装置，其中，所述至少一个致动元件从由下列元件组成的组中选择：压电致动器、步进马达、电光致动器、声光致动器、微电子机械系统(...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿尔弗雷德·菲提施，刘翔，张志铉，黄旭弘，
申请(专利权)人：光谱传感器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US