具有有效光束转向的光谱仪制造技术

一种光谱仪，包括向包含吸收介质的样品体积内发射光束的光源。之后，至少一个检测器检测所述光源发射的光束的至少一部分。之后基于所述检测的光束的至少一部分并且由控制器确定所述光束的位置和/或角度应被改变。然后，光源发射的光束由致动元件在所述控制器的控制下被有效地转向。另外，所述吸收介质的浓度能够被量化或者以其它方式计算(使用本地或远程的控制器或者可选的不同处理器)。致动元件能够被耦合至所述光源、检测器以及位于所述光源和检测器之间的反射器中的一个或多个。

【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于2014年8月22日提交的，标题为“具有有效光束转向的光谱仪”(“SpectrometerWithActiveBeamSteering”)的美国专利申请序列号14/466,819的优先权。本段中列举的每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一种其中可使用控制器选择性地转向光源发射的光束的光谱分析仪。
技术介绍
光谱仪使用物质的发光或者吸收或者拉曼散射，从而定性和定量地分析气相、固相或者液相化合物中的特定原子和分子。在这种情况下，从光源发射的辐射通过由在分析物的原子、离子或者分子内发生的光学跃迁确定的特殊能量吸收。在另一种情况下，分析物的原子、离子或者分子发射的光由原子或者分子内的光学跃迁确定的特殊能量的光谱分量组成。在又另一种情况下，物质散射的光含有通过拉曼散射产生的，对应于分子或者离子内的某些特殊跃迁的光谱分量。例如，在红外吸收光谱分析中，离散的能量量子由于分子内键的振动或者转动跃迁的激励而被分子吸收。环境条件的变化以及光谱仪样品池内的反射器表面的老化或者污染，或者对污染或者退化反射器表面的替换能够引起光谱仪内的光源的光束路径随着时间或者由于更换反射器而改变。光学光谱仪内的光束路径的改变能够使光谱仪校准无效。在大多数情况下，这些光谱仪需要至少样品池的工厂校准，或者由熟练技术人员更换。这种维修需求和工厂修复成本高，并且在执行这些修复时导致光谱仪及其控制的操作的停机时间。这是现在当样品池中的至少一个反射器由于反射表面的污染或者由于其它退化而必须被替换时需要对样品池工厂校准的传统TDL(可调谐二极管激光器)光谱仪普遍存在的问题。由于导致液体流经样品池并且在反射器上留有有害残留物的不可避免的反应器的令人担忧的状态，这种样品池修复和替换的回厂时间已经使得在许多石化生产，诸如乙烯和丙烯生产过程中排除TDL光谱仪的使用。
技术实现思路
在一方面，提供一种设备，包括光源、至少一个检测器、致动元件以及被耦合至致动元件的控制器。光源被配置成将光束发射到包含吸收介质的样品体积内。至少一个检测器被定位成检测光源发射的光束的至少一部分。致动元件被配置成选择性地引起光源发射的光束被转向。基于至少一个检测器检测的信号强度确定吸收介质等等的浓度水平。在一些变形中，能够存在两个或多个致动元件。致动元件能够被耦合至光源、至少一个检测器、位于光源和检测器之间的反射器，和/或位于光源和至少一个检测器之间的至少一个透射或反射光学元件。致动元件能够被耦合至反射器，并且被配置成选择性地引起反射器的至少一个反射特性改变。吸收介质能够为下列一种或多种介质：气体、液体、反射介质、发射介质或者拉曼活性介质。该设备能够包括限定样品体积的外壳。这种外壳例如能够为：在光保持在样品池内部时在一个或多个光学反射镜之间反射光的多通构造；在光保持在样品池内部时光被一个或多个光学元件反射和/或折射的多通构造；赫里奥特池；轴上光学谐振器；椭圆形集光器；至少一个反射多通池；离轴光学谐振器；怀特池；光学腔；空心光导管；或者其中光在保持在样品池内部时不被反射的单通构造。在其它变形中，样品体积形成部分开放路径系统。致动元件能够包括至少一个压电元件。在其它变形中，致动元件包括下列中的一个或多个：步进电机、光电致动器、声光致动器、可调光学波导管、微机电系统(MEMS)致动装置、光阀、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，或者模拟电机。在一些变形中，致动元件能够包括或者被耦合至下列中的一个或多个：棱镜、校准器、透镜、光栅、衍射光学元件、反射器、双折射元件、晶体元件、非晶元件、光电元件、声光元件、光学窗口、光楔、波导管、电操纵波导管或者空气波导管。控制器能够响应于至少一个检测器检测的光束位置和/或角度引起光源进行光束转向。光束(响应于来自控制器的信号)能够被沿至少一个检测器转向至预定位置和角度。该至少一个检测器能够包括光接收器阵列和/或它可以是多元件光接收器。该至少一个检测器能够包括至少一个位置感测光电二极管。光源能够包括下述的至少一个：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)、分布式反馈激光器、发光二极管(LED)、超发光二极管、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、热发射体或能够通过非线性光学相互作用产生可调频光的装置。该至少一个检测器能够包括下述的至少一个：砷化铟镓(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、CMOS(互补金属氧化物半导体)检测器、CCD(电荷耦合器件检测器)检测器或者光电倍增器。另一方面，光源向包含吸收介质的样品体积内发射光束。之后，至少一个检测器检测光源发射的光束的至少一部分。然后，能够基于所检测的光束的至少一部分并且由控制器确定光束的位置和/或角度应被改变。然后，在控制器控制下的致动元件引起光源发射的光束被选择性地转向。致动元件能够被耦合至光源，并且引起光源的位置和/或角度改变。致动元件能够被耦合至该至少一个检测器，并且引起该至少一个检测器的位置(沿x轴、y轴和z轴中的一个或多个)和/或角度(沿x轴、y轴和z轴中的一个或多个)改变。致动元件能够被耦合至位于光源和至少一个检测器之间的至少一个反射器，并且引起至少一个反射器的反射特性改变，包括但是不限于角度、面形或者曲率半径等等。致动元件能够处于光源和至少一个检测器之间。致动元件能够被耦合至处于光源和至少一个检测器之间的至少一个透射或反射光学元件。在一些变形中，致动元件能够被耦合至下列中的两个或多个：(i)光源，(ii)至少一个检测器，(iii)至少一个反射器，或者(iv)处于光源和至少一个检测器之间的至少一个透射或反射光束致动元件。本文提供的光束转向能够包括(除非另外指定)改变总体光束路径长度。例如，该至少一个致动元件能够引起反射器、光源、透射元件、至少一个检测器中的一个或多个沿z轴平移从而改变总体光束路径长度。在另一方面，引起光源将光束发射到包含吸收介质的样品体积内。之后，从特征为检测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。然后基于所接收的信号确定光束的位置和/或角度应被改变。作为响应，引起致动元件选择性地使光源发射的光束转向。本文所述的主题提供许多技术优点。例如，能够通过使光源发射的或由检测器接收的一个或多个光束选择性地转向从而确保最佳性能和校准保真度，从而显著地降低由于老化和环境因素或由于反射器变化造成的光谱仪校准保真度的退化和校准偏离。特别地，利用本主题，能够不需要工厂重对准和重校准地通过替换污染或者受损组件现场修复光谱仪。此外，通过提供有效光束转向，能够使用本主题以通过光谱仪保持最佳光学吞吐量，由此延长清洁间隔之间所需的时间量。此外，本文提本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设备，包括：光源，被配置成把光束发射到包含吸收介质的样品体积内；至少一个检测器，被定位成检测所述光源发射的光束的至少一部分；至少一个致动元件，被配置成选择性地引起所述光源发射的光束被转向；以及控制器，被耦合至所述至少一个致动元件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.22 US 14/466,8191.一种设备，包括：光源，被配置成把光束发射到包含吸收介质的样品体积内；至少一个检测器，被定位成检测所述光源发射的光束的至少一部分；至少一个致动元件，被配置成选择性地引起所述光源发射的光束被转向；以及控制器，被耦合至所述至少一个致动元件。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个致动元件被耦合至所述光源。3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述至少一个致动元件被耦合至所述至少一个检测器。4.根据上述权利要求任一项所述的设备，其中所述至少一个致动元件被耦合至位于所述光源和所述至少一个检测器之间的至少一个透射或反射光学元件。5.根据上述权利要求任一项所述的设备，其中所述吸收介质包含下列的一种或多种：气体、液体、反射介质、发射介质或者拉曼活性介质。6.根据上述权利要求任一项所述的设备，还包括：限定样品体积的外壳。7.根据权利要求1至6任一项所述的设备，其中所述样品体积形成开放路径系统的一部分。8.根据权利要求1至6任一项所述的设备，其中所述至少一个致动元件包括至少一个压电元件。9.根据权利要求1至8任一项所述的设备，其中所述至少一个致动元件包括从下列元件中选择的至少一个元件：步进电机、光电致动器、声光致动器、微机电系统(MEMS)致动装置、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、应力和应变致动器或模拟电机。10.根据上述权利要求任一项所述的设备，其中所述至少一个致动元件包括从下列元件中选择的至少一个元件：棱镜、校准器、透镜、光栅、衍射光学元件、反射器、双折射元件、晶体元件、非晶元件、光电元件、声光元件、光学窗口、光楔、波导管、可调波导管、电操纵波导管或空气波导管。11.根据上述权利要求任一项所述的设备，其中所述控制器响应于所述光束被至少一个检测器检测的位置引起所述光源使所述光束转向。12.根据上述权利要求任一项所述的设备，其中所述控制器响应于所述光束被至少一个检测器检测的角度引起所述光源使所述光束转向。13.根据上述权利要求任一项所述的设备，其中所述光束被转向至沿所述至少一个检测器的预定x-y位置。14.根据上述权利要求任一项所述的设备，其中所述光束被转向至沿所述至少一个检测器的预定x-y角度。15.根据上述权利要求任一项所述的设备，其中所述控制器引起所述光束被保持在下述的一个或多个：(i)沿所述至少一个检测器的预定x-y位置，或者(ii)沿所述至少一个检测器的预定x-y角度。16.根据上述权利要求任一项所述的设备，其中所述至少一个检测器包括光接收器阵列。17.根据上述权利要求任一项所述的设备，其中所述至少一个检测器包括多元件光接收器。18.根据权利要求1至16任一项所述的设备，其中所述至少一个检测器包括至少一个位置感测光电二极管。19.根据上述权利要求任一项所述的设备，其中所述光源包括下述中的至少一个：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)、分布式反馈激光器、发光二极管(LED)、超发光二极管、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、热发射体或通过非线性光学相互作用可产生可调频光的装置。20.根据上述权利要求任一项所述的设备，其中所述至少一个检测器包括下述中的至少一个：砷化铟镓(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，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、CMOS(互补金属氧化物半导体)检测器、CCD(电荷耦合器件检测器...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿尔弗雷德·菲提施，刘翔，基斯·本杰明·赫尔布莱，道格拉斯·拜尔，
申请(专利权)人：光谱传感器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US