Газоанализатор на основе микроспектрометра
Спектрометр содержит инфракрасный источник, ячейку газовой пробы, сканирующее зеркало, несущее дифракционную решетку, содержащую множество параллельных линий и расположенную на пути инфракрасного пучка после его прохождения через ячейку газовой пробы так, что дифракционная решетка делит инфракрасный пучок на пучок первого порядка и пучок второго порядка, систему возбуждения резонансного сканера и делитель, выполненный с возможностью направлять пучки первого и второго порядка по первому и второму пути соответственно. На каждом из двух указанных путей расположены фокусирующий элемент, детектор, схема считывания детектора. Технический результат - повышение надежности и компактности. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 22 ил.
Притязание на приоритет
Данная заявка притязает на приоритет согласно 35 U.S.С. § 120 в качестве частичного продолжения (CIP) патентной заявки США №11/648,851, поданной 29 декабря 2006 г., которая притязает на приоритет согласно 35 U.S.С. § 120 в качестве CIP патентной заявки США №10/939,279, поданной 10 сентября 2004 г., ныне патента США №7,157,711, которая притязает на приоритет согласно 35 U.S.С. § 120 в качестве CIP патентной заявки США №10/227,135, поданной 23 августа 2002 г., ныне патента США №6,791,086, которая притязает на приоритет предварительной патентной заявки США №60/316,763, поданной 31 августа 2001 г., согласно положениям 35 U.S.С. § 119(е), содержание каждой из которых, таким образом, включено сюда в полном объеме посредством ссылки.
Область техники
Данное изобретение относится к способу и устройству для эффективного и надежного измерения концентраций и/или парциального давления дыхательных и обезболивающих газов.
Уровень техники
Специалистам в данной области техники хорошо известно, что газоанализаторы недиспергирующего инфракрасного (НДИК) типа работают по принципу того, что концентрация конкретных газов может быть определена, посредством (а) направления инфракрасного излучения (ИК) через образец газовой смеси, (b) раздельного фильтрования этого инфракрасного излучения для минимизации энергии вне полосы, поглощаемой каждым конкретным газом, (с) измерения фильтрованного излучения, падающего на одно или несколько детектирующих устройств, и (d) связывания меры инфракрасного поглощения каждого газа с его концентрацией. Газы, которые могут быть измерены, демонстрируют повышенное поглощение (и сниженное пропускание) на конкретных длинах волн в инфракрасном спектре так, что чем выше концентрация газа, тем, пропорционально, выше поглощение и ниже пропускание. Развитие этого метода НДИК использует непрерывный, линейный полосовой фильтр, после которого установлена линейная матрица детекторов.
Газоанализаторы широко используются в медицинских применениях и могут отличаться тем, что располагаются либо на главном пути дыхательных газов пациента (анализаторы главного потока) или на вспомогательном пути, обычно параллельном главному пути (анализаторы побочного потока). Анализатор главного потока располагается так, что дыхательные газы, вдыхаемые и выдыхаемые субъектом, проходят через воздуховодный адаптер, на котором располагается анализатор. Конструкции основного потока требуют, чтобы оптические и электронные компоненты были сопряжены с воздуховодом пациента или дыхательной схемой, связанной с пациентом, в месте, относительно близком к пациенту. В результате, чтобы быть пригодным для клинического использования, газоанализатор главного потока должен иметь компактную, легкую, но надежную структуру, не подвергающуюся влиянию типичного механического неправильного использования и изменениям температуры, связанным с длительным использованием в учреждениях здравоохранения.
Хотя традиционные газоанализаторы главного потока хорошо работают для небольшого количества конкретных, неперекрывающихся длин волн спектра, трудно изменять длины волн, представляющие интерес. Система становится все более неэффективной при наличии более чем 2 или 3 длин волн, представляющих интерес, и очень трудно и дорого обеспечивать разрешения, значительно превышающие 0,1 микрон, FWHM (полная ширина на половине максимума) в ИК области.
Известно использование дифракционных спектрометров для газового анализа. Существуют две общие конфигурации дифракционных спектрометров: спектрограф, который первоначально расширяет спектр по полосе фотографической пленки или линейной матрице детекторов, и спектрометр, который использует отдельный детектор, который установлен в надлежащем положении или под надлежащим углом для регистрации конкретного спектрального элемента.
Для ИК газовых измерений, ИК источник обеспечивает широкополосную энергию, которая коллимируется и пропускается через ячейку газовой пробы. Коллимированная широкополосная энергия, в настоящее время ослабленная на некоторых длинах волн, направляется на дифракционную решетку, где она дифрагирует от решетки, расширяется в непрерывный спектр и фокусируется с помощью зеркала на малом детекторе. Дифракционная решетка поворачивается относительно оси, параллельной линиям решетки, и, по существу, коаксиально с поверхностью дифракционной решетки. При повороте дифракционной решетки, спектр подвергается сканированию после отдельного детектора. Поскольку вращение дифракционной решетки синхронизируется с помощью считывающей электроники детектора, конкретные, но произвольные, признаки спектра могут быть выделены и зарегистрированы.
Очевидно, что микроспектрометр должен быть малым и легким. Настоящее изобретение предусматривает, например, что микроспектрометр выполнен достаточно малым и легким, чтобы его можно было использовать непосредственно на воздуховоде пациента, т.е. устанавливать традиционным образом (например, на главный поток) на схеме пациента. Хотя оптика, в общем случае, может быть выполнена достаточно малой для удовлетворения назначения, трудно создать механизм, который возбуждает дифракционную решетку, т.е. спектральный сканер, достаточно мало для удовлетворения этому назначению. Доступные в настоящее время электромеханические возбудители сканера, которые слишком велики, в большинстве своем, слишком тяжелы, потребляют слишком много мощности и слишком дороги для такого использования.
Например, многие традиционные спектрометры поворачивают дифракционную решетку с использованием мотора того или иного вида, осциллирующих связей, чтобы возбуждать дифракционную решетку от мотора, и несущей сборки. Хотя подобная компоновка может давать хорошие результаты, такая структура относительно велика, тяжела и дорога. В других традиционных спектрометрах используется осциллирующий мотор, который иногда называют гальванометрическим возбудителем, вместо мотора и связи. Такие компоновки менее дороги, но все же велики, тяжелы и относительно дороги.
В патентах США №№6,249,346 (2001) Chen и др., 6,039,697 (2000) Wilke и др., и 5,931,161 (1999) Keilbach и др. раскрыты относительно компактные спектрометры, но их конструкции чрезмерно громоздки и в ряде случаев сложны.
Сущность изобретения
Соответственно, задачей настоящего изобретения является обеспечение спектрометра, который преодолевает недостатки традиционных газоанализирующих устройств. Эта задача решается, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, путем обеспечения надежного спектрометрического устройства для определения соответствующих концентраций или парциальных давлений множественных газов в газовой пробе с помощью единичного, а также множественных и даже перекрывающихся, спектров поглощения или излучения, которые охватывают широкий спектральный диапазон.
Настоящее изобретение позволяет адаптировать дифракционный спектрометр для использования в компактном приборе анализа дыхательных газов. В частности, настоящее изобретение предусматривает использование сканирующего спектрометра, который сканирует, или развертывает спектр по фиксированному детектору. С точки зрения оптики, это устройство может быть охарактеризовано как модифицированный сканирующий монохрометр Эберта.
Очень малое, недорогое осциллирующее зеркало может быть создано с использованием процесса изготовления MEMS (микроэлектромеханической системы). При добавлении дифракционной решетки к поверхности зеркала, эта структура обеспечивает очень недорогой, малый, легкий, но грубый сканер для линейного ИК газоаналитического прибора.
Спектральное разрешение, в основном, является функцией размера, апертуры, шага, дифракционного порядка и коллимации решетки. В настоящем изобретении, необходимая ширина решетки составляет от 1 до 2 мм, что весьма пригодно для современной технологии MEMS. Другие параметры легко получить или контролировать, по меньшей мере, достаточно хорошо для необходимой точности.
Дифракционная решетка может быть сформирована отдельно и наклеена на "зеркальную" поверхность или, предпочтительно, дифракционная решетка может быть сформирована на поверхности зеркала в порядке обработки изготовления MEMS. Также может быть использована решетка голографического типа. Возбуждение, заставляющее зеркало колебаться, может быть магнитным, при этом зеркало либо имеет плоскую катушку, сформированную на его тыльной стороне, либо само зеркало является магнитным, или, альтернативно, зеркало может быть возбуждено электростатически. Поскольку требуется относительно малая угловая амплитуда, электростатическое возбуждение в настоящее время предпочтительно.
Устройство, по настоящему изобретению, также может иметь несколько дополнительных конфигураций. В одном примере, осциллирующая решетка может быть удалена и заменена сканирующим (осциллирующим) зеркалом. Согласно варианту осуществления этого подхода, зеркало сканирует входной свет по фиксированной решетке, которая диспергирует спектр. Как и раньше, спектр фокусируется зеркалом на плоскости детектора. Хотя этот альтернативный способ требует один дополнительный компонент, стоимость производства может быть меньше, поскольку осциллирующий элемент MEMS не обязательно должен иметь решетку, сформированную на его поверхности.
В еще одном альтернативном варианте осуществления, осциллирующее зеркало может быть расположено так, чтобы направлять ослабленный пучок широкополосной энергии обратно через ячейку газовой пробы, с решеткой и детектором на той же стороне ячейки газовой пробы, что и ИК источник. Преимуществом этой компоновки является повышенная чувствительность (по причине двойного прохождения через газ в ячейке), и несколько более узкий корпус. Альтернативно, в двухпроходной конфигурации, зеркало на стороне, противоположной источнику, может быть фиксированным, и система осциллирующего зеркала/фиксированной решетки (или осциллирующей решетки) и детектора может быть расположена на стороне источника. Эти различные варианты осуществления могут быть выполнены в одной плоскости, или осциллирующее зеркало, сканирующая решетка или фокусирующее зеркало могут быть повернуты, в ориентацию, чтобы направлять пучок в другую плоскость так, что другие корпусные конфигурации могут быть легко применены.
Дифракционная решетка может обеспечивать дифрагированные пучки в нескольких порядках. Обычно используется первый порядок, + или -1, и форма канавок в решетке выполнена с возможностью усиливать выбранный порядок. Однако может существовать некоторая остаточная энергия в более высоких порядках. В результате, спектральные области на более коротких волнах могут перекрывать спектр первого порядка. Эта проблема может быть решена, по мере необходимости, с помощью заграждающего фильтра, установленного, чтобы отсекать все длины волн, которые находятся вне спектральной области, представляющей интерес.
Электроника обработки данных для устройства по настоящему изобретению, синхронизирована с движением сканирующего элемента. Один подход заключается в извлечении сигнала хронирования из возбудителя зеркала. Альтернативно, зеркало может обладать катушками или магнитными или пьезоэлектрическими датчиками, установленными на нем, чтобы обеспечивать сигналы, указывающие, по существу, мгновенное положение участка зеркала для использования в синхронизации. Другой метод восприятия для использования в синхронизации предусматривает отражение вспомогательного пучка от лицевой или тыльной стороны зеркала в отдельный детектор. Предпочтительный в настоящее время метод предусматривает использование уникального признака детектируемого спектра, если таковой доступен или обеспечен. Предполагая, что зеркало резонирует, будут существовать относительно долгие периоды, когда детектор не будет принимать никакого сигнала. Это объясняется тем, что сканирование легче интерпретировать, если оно находится ближе к линейному участку сканирования, и тем, что заграждающий фильтр удалит все сигналы до или после спектральной области, представляющей интерес. Поэтому длительный период гашения, после которого следует резкий рост сигнала, может быть использован для обеспечения подходящего уникального маркера для синхронизатора фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Период гашения также обеспечивает условие фоновой подсветки так, что может быть установлен нуль детектора. Полная шкала может обеспечиваться любой спектральной областью между пиками поглощения, или областями, где известные пики вычтены.
Заметим, что, поскольку данные, генерируемые устройством, являются непрерывными, предполагается возможность, вычитать известные и ранее сохраненные конкретные спектральные линии с некоторым шагом, т.е. "снимать" отдельные линии, одну за другой. Такая обработка улучшает разделение, или снижает помеху, особенно для слабых линий.
Эти и другие задачи, признаки и характеристики настоящего изобретения, а также способы работы и функции соответствующих элементов структуры и комбинация частей и выгоды при производстве, проясняются по рассмотрении нижеследующего описания и формулы изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, составляющие часть этой заявки, в которых сходные позиции обозначают соответствующие детали на различных фигурах. Однако следует отчетливо понимать, что чертежи служат исключительно цели иллюстрации и описания и не призваны устанавливать границы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1А - графическая схема оптической системы для спектрометра с комбинацией осциллирующего зеркала сканера и дифракционной решетки согласно принципам настоящего изобретения, и фиг.1В - схема спектрометра, в котором оптическая система по фиг.1А может быть использована надлежащим образом.
Фиг.2 - вид в перспективе комбинации осциллирующего зеркала и решетки, пригодной для использования в оптической системе по фиг.1А.
Фиг.3 - графическая схема оптической системы для спектрометра с комбинацией фокусирующего зеркала и дифракционной решетки согласно настоящему изобретению.
Фиг.4A-4F - графические представления некоторого числа примерных схем для спектрометров, использующих коллимированные световые пучки, делающие возможным анализ множества спектральных полос, согласно принципам настоящего изобретения.
Фиг.5А-5С - графические представления некоторого числа примерных схем для спектрометров, использующих неколлимированные световые пучки, делающие возможным анализ множества спектральных полос, согласно принципам настоящего изобретения.
Фиг.6A-6D - графические представления дополнительных примерных компоновок для спектрометров согласно принципам настоящего изобретения.
Фиг.7А и 7В - виды в перспективе снизу и сверху электромеханического возбудителя сканера согласно принципам настоящего изобретения.
Фиг.8 - принципиальная схема цепи для осуществления автоматической регулировки частоты сканирования согласно принципам настоящего изобретения.
Фиг.9А и 9В - формы сигнала, демонстрирующие возвратные сигналы для возбудителя сканера при наличии резонанса и в отсутствие резонанса, соответственно.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На фиг.1А показана оптическая схема для спектрометра согласно принципам настоящего изобретения. Энергия в форме светового пучка 10, например, инфракрасного пучка, выходит из ячейки G пробы (см. фиг.1В) и падает на поворачивающее зеркало 12. Затем поворачивающее зеркало 12 отражает световой пучок 10 по направлению к сканирующему решеточному отражателю 14, который также может быть назван сканирующим зеркалом. Заметим, что сканирующий решеточный отражатель 14 колеблется относительно оси, перпендикулярной странице (колебания показаны в преувеличенной форме). От сканирующего решеточного отражателя 14, в настоящее время диспергированный световой пучок 10 распространяется к фокусирующему зеркалу 16, которое, в свою очередь, фокусирует световой пучок 10 на детекторе 18, который включает в себя, или связан с, соответствующей схемой считывания. Детектор 18 может содержать, например, детектор, заданный щелью или точечным отверстием, который известен в технике.
На фиг.1В схематически показана полная структура спектрометра для использования с различными вариантами осуществления оптики настоящего изобретения. Согласно фиг.1В, источник S инфракрасного света излучает инфракрасный пучок, который может быть коллимирован с использованием показанной оптики источника или коллиматора С. Затем коллимированный инфракрасный пучок входит в ячейку G газовой пробы и выходит из него на поворачивающее зеркало 12. Такая компоновка может быть использована со всеми описанными в данном описании вариантами осуществления, однако следует заметить, что варианты осуществления, представленные на фиг.5А-5С, не требуют наличие коллиматора С или оптики источника для коллимации инфракрасного пучка.
Согласно фиг.2, сканирующий решеточный отражатель 14 имеет линии дифракционной решетки 22, расположенные на нем. Линии могут быть наклеены на или произведены машиной на отражающей поверхности зеркала с использованием процесса MEMS, или они могут быть размещены посредством некоторых других известных методов. Патент США 6,201,269 McClelland и др., раскрытие которого включено сюда посредством ссылки, раскрывает подходящий процесс MEMS для изготовления осциллирующего зеркала, причем процесс может быть адаптирован для изготовления сканирующего решеточного отражателя 14. Решетка также может быть выполнена в виде голограммы.
Сканирующий решеточный отражатель 14 имеет ось 24 отклонения, параллельную дифракционным линиям 22, и установлен в рамке 26 с помощью опорных элементов, коаксиальных оси 24 отклонения. Задники 28 могут быть электропроводящими для обеспечения электростатического возбуждения для сканирующего решеточного отражателя 14, когда проводники 20 соединяют задник 28 и подходящий источник Р питания, известный в технике. На фиг.2, для простоты, показано два источника Р питания, хотя, альтернативно, конечно, один источник Р питания может быть использован для переменной подачи электроэнергии на задники 28.
В схеме, показанной на фиг.1А, сканирующий решеточный отражатель 14 используется в качестве сканера и дифракционной решетки. Однако нет необходимости включать дифракционную решетку в сканер. Вместо этого дифракционная решетка может быть сканирована под углом посредством зеркального сканера. Согласно фиг.3, зеркальный сканер 32 используется для развертки входного пучка 38 из ячейки газовой пробы по комбинации 34 дифракционной решетки и зеркала. Зеркало, применяемое в комбинации 34 дифракционной решетки и зеркала, является фокусирующим элементом, который направляет и фокусирует диспергированную энергию от зеркального сканера 32 на детектор 36. Формируемое изображение задается входной апертурой, на длине волны, выбранной посредством комбинации 34 дифракционной решетки и зеркала. В традиционном монохрометре Эберта существует щель на входе в монохрометр, которая задает апертуру, которая должна быть изображена. В настоящем изобретении, задающая апертура может быть источником или она может быть отдельной апертурой вблизи входа в сборку сканера/детектора. Заметим, что поворачивающее зеркало 12 согласно варианту осуществления по фиг.1А, не имеет структурной ответной части на фиг.3, поскольку поворачивающее зеркало не является необходимым компонентом изобретения, но является обычным в уровне техники, и его использование обеспечивает некоторое количество других конфигурационных возможностей.
В другой альтернативной конфигурации, функция зеркала-решетки может быть разделена так, что сканирование направляется к плоскому решеточному зеркалу, после которого следует фокусирующий элемент, обычно это зеркало в этой ИК области длин волн, после которого следует детектор. Преимущество такой альтернативной конфигурации разделения перед конфигурацией по фиг.1А, состоит в том, что сканирующее зеркальное устройство является непосредственно изготавливаемым с использованием известных в настоящее время процессов, в то время как формирование решетки на зеркале не является традиционным. Напротив, формирование решетки на фокусирующем элементе методами формования является традиционным. Недостатки разделенной конфигурации состоят в том, что решетка должна быть несколько больше (поскольку пучок движется по решетке для изменения угла), и может понадобиться, чтобы зеркало было асферическим. Это второстепенные вопросы, если, как ожидается, решетка-зеркало изготовлена в процессе формования или литья.
Варианты осуществления, описанные со ссылкой на фиг.1А и 3, позволяют эффективно собирать спектральные данные по октаве длины волны. Однако эти варианты осуществления выполнены с единичной полосой, например, полосой 3-5 микрон.
Диапазон дифракционного спектрометра ограничен в практическом смысле октавой, вследствие множественных порядков. Таким образом, конкретная длина волны будет дифрагировать под некоторым набором углов, который зависит от длины волны, периода решетки и целого числа, которое называется «порядок». Поскольку дисперсия является функцией порядка, множественные порядки могут перекрываться в плоскости детектора, усложняя интерпретацию спектра. В практических дифракционных спектрометрах, решетка сделана так, что большая часть дифрагированной энергии направляется в нужный конкретный порядок. Это делается путем оконтуривания поверхности на каждой канавке дифракционной решетки, благодаря чему свет, падающий в эту точку, будет отражаться в том же направлении, что и нужный дифракционный порядок. Этот процесс оконтуривания называется затеской. Кроме того, на входе спектрометра или на детекторе могут быть добавлены заграждающие фильтры, которые будут заграждать области длин волн, которые, в противном случае, могут вызывать затруднение.
В дополнение к вышеописанной полосе 3-5 микрон, достоинство настоящего изобретения состоит в возможности одновременного измерения диапазона от 7 до 10 микрон. Проблемы в этом диапазоне более длинных волн состоят в том, что, во-первых, требуется более дорогостоящий детектор, во-вторых, пропускающая оптика, например, линзы, для манипулирования пучком имеют тенденцию к удорожанию (хотя фильтр или функция пропускания длинных волн неизбежен(на)), и, в-третьих, полоса второго порядка от 3 до 5 микрон имеет тенденцию попадать в ту же плоскость, что и полоса от 7 до 10 микрон.
Семь примерных подходов к оптическим компоновкам для измерения дополнительных полос показаны на фиг.4A-4F. Заметим, что во всех проиллюстрированных вариантах осуществления, на фиг.4A-4F, входной пучок уже коллимирован либо оптикой источника, либо другими традиционными средствами. Заметим также, что чертежи являются схематическими, т.е. углы дифракции являются иллюстративными и не являются точными.
В варианте осуществления по фиг.4А, сканирующее зеркало 42 направляет входной пучок 40 на дихроичный делитель пучка 44, который делит пучок на две полосы, например, 3-5 и 7-10 микрон, соответственно. Две отдельные сканирующие дифракционные решетки 46 диспергируют эти полосы; каждая решетка 46 оптимизирована для соответствующей полосы. После дисперсии, каждая полоса пучка направляется фокусирующим зеркалом 48 на апертуру детектора D.
Согласно варианту осуществления по фиг.4В, применяется сканирующая дифракционная решетка 46, и результирующий диспергированный пучок делится дихроичным делителем пучка 44 на две полосы. В этом случае, сканирующая дифракционная решетка 46 оптимизирована для полосы 7-10 микрон в первом порядке и также для полосы 3-5 микрон во втором порядке.
На фиг.4С показан вариант осуществления, включающий в себя сканирующее зеркало 42, после которого следует дихроичная дифракционная решетка 47, которая покрыта, чтобы отражать одну полосу, например 7-10 микрон, и пропускать другую. Как и в других случаях, дихроичная дифракционная решетка 47 компонуется для первого порядка 7-10 микрон, и второго порядка 3-5 микрон. Альтернативно, может быть применена отражающая (непропускающая) дифракционная решетка, и полосовой делитель, установленный после дифракционной решетки.
Вариант осуществления по фиг.4D, использует сканирующие дифракционные решетки 46, сложенные друг с другом тыльными сторонами, которые способны только отражать и совместно используются в качестве сканирующего элемента. Полосное разделение осуществляется дихроичным делителем 44 пучка до решеток. В этом варианте осуществления решетки могут быть по отдельности оптимизированы для достижения наилучших характеристик в конкретных полосах.
Вариант осуществления по фиг.4Е скомпонован с возможностью обеспечения направления в трех полосах. Сканирующее зеркало 42 последовательно освещает две отражающие/пропускающие дихроичные дифракционные решетки 47. Хотя эта компоновка налагает некоторые ограничения на размещение полос длин волн, она физически более компактна, чем показанная на фиг.4F.
Вариант осуществления по фиг.4F включает в себя трехмерную компоновку зеркал и решеток, которая может обеспечивать шесть полос (показаны), и большее количество полос за счет расширения. Входной пучок 50 сначала делится на три блока длин волн двух непрерывных октавных полос, каждая из которых использует множественные дихроичные или полосовые фильтры 51, после чего блоки длин волн сканируются сканирующим зеркалом 52. Ось сканирующего зеркала 52 располагается в плоскости листа чертежа. Блоки длин волн геометрически разделены углом в плоскости, которая включает в себя ось вращения зеркала. После сканирования, блоки длин волн поступают на три дифракционные решетки 56, каждая из которых аналогична показанной на фиг.4С, но подходящим образом наклонена в соответствии с углом разделения. Заметим, что на фиг.4F, для простоты и ясности иллюстрации, показана только одна решетка 56, а детекторы вовсе не показаны, хотя на практике они могут использоваться.
На фиг.5А-5С представлены дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения, в которых, в отличие от описанных выше, световой пучок, поступающий в спектрометр, может быть расходящимся или сходящимся, и оптика модифицирована для компенсации этого явления.
На фиг.5А схематически представлена система, в которой свет из источника S проходит через ячейку G газовой пробы и отражается, диспергируется решеткой и сканируется на сканирующем плоском решеточном зеркале 60. Результирующий диспергированный световой пучок фокусируется с использованием вогнутого зеркала 62 на детекторе D.
На фиг.5В схематически представлена система, в которой используется плоское сканирующее зеркало 64, и сканированный пучок отражается на вогнутое решеточное зеркало 66, которое дифрагирует и фокусирует световой пучок на детекторе D.
На фиг.5С схематически представлена система, в которой функции сканирования, дисперсии и фокусировки объединены в едином элементе 68, имеющем форму сканирующего зеркала, которое включает в себя дифракционную решетку и является вогнутым для фокусировки светового пучка на детекторе D.
Специалисту в данной области техники понятно, что добавление функций к сканирующему элементу увеличивает его стоимость, но при этом другие элементы системы могут быть удешевлены или вовсе исключены. В частности, варианты осуществления по фиг.5А-5С устраняют необходимость в коллимирующих элементах, и вариант осуществления по фиг.5С устраняет необходимость в отдельном фокусирующем зеркале. Такие сокращения количества необходимых компонентов позволяют изготавливать менее дорогостоящую систему за счет устранения компонентов и сокращения времени сборки.
Специалисту в данной области техники также понятно, что подходы, проиллюстрированные на фиг.5А-5С, могут быть применены к вариантам осуществления по фиг.4A-4F для измерения множественных полос, представляющих интерес. Например, компоненты и компоновка по фиг.5А может быть выгодно использована для модификации систем по фиг.4В и 4D, тогда как компоненты и компоновка по фиг.5В может быть выгодно использована для модификации системы по фиг.4А, что в каждом случае приводит к упразднению фокусирующего зеркала. Компоненты и компоновка по фиг.5В также могут быть использованы в системах по фиг.4С, 4Е и 4F, хотя элемент фокусирующего зеркала и решетки будет более сложным, поскольку потребуется фокусировка и при отражении, и при пропускании. Первая, отражающая, поверхность будет вогнутой, в то время как вторая поверхность будет содержать выпуклую преломляющую поверхность.
Согласно вышеописанным вариантам осуществления, две разных полосы, т.е. полосы 3,5-4,5 микрон и 7-9 микрон, отдельно диспергируются с использованием первого и второго порядков решетки. Фильтры на двух детекторах гарантируют, что соответствующие детекторы реагируют только на нужную полосу. Настоящее изобретение также предусматривает использование разных порядков решетки предусматривающих (по существу) несмежные полосы, которые охватывают значительно больший диапазон длин волн, чем можно было бы получить с помощью решетки с единичным порядком.
Вышеописанное изобретение также раскрывает использование дихроичного делителя для направления разных полос или сегментов полосы на два разных детектора на детектор(ы). Настоящее изобретение также предусматривает использование делителя, чувствительного не к длинам волн, т.е. обычного частично отражающего делителя. В этом случае могут быть обеспечены подходящие фильтры на детекторах или до них для выделения нужных полос.
Вышеописанные варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают использование фокусирующего зеркала для формирования изображения на детекторе. Эта функция фокусировки также может быть осуществлена с помощью линзы, выполненной из любого подходящего материала. Настоящее изобретение также предусматривает, что дихроичный делитель может представлять собой частично отражающий делитель. Кроме того, делитель (отражающий или пропускающий) может быть расположен после фокусирующего зеркала (или линзы) и перед двумя детекторами.
Одна функция микроспектрометра, отвечающего настоящему изобретению, состоит в осуществлении спектрального сканирования обезболивающих агентов в ИК полосе от 8 до 10 микрон и, одновременно, сканирования промежуточной ИК полосы CO2 и N2O. Выбор основной структуры для спектрометра прост, по причине наличия многочисленных более ранних систем, например, Эберта, Черни-Тернера, Фасти-Эберта и т.д., и систем с одной или несколькими голографическими решетками. Основной проблемой системы является эффективность, т.е. доля света источника, достигающая детектора, по отношению к спектральному разрешению системы.
Во всех системах, источник, или апертура, освещаемая источником, отображается на плоскость датчика. Размер этого изображения, установленный аберрациями и оптическим увеличением, должен быть меньше требуемого спектрального разрешения системы. Поскольку разрешение устанавливается решеткой, эффективный размер источника критичен. В типичной спектрометрической системе, входная щель располагается в фокусе зеркала с большой апертурой. Зеркало коллимирует свет на решетку. Дифрагированный свет от решетки повторно фокусируется на датчике вторым вогнутым зеркалом. Поскольку апертура велика, т.е. число f мало, эффективность может быть большой. В микроспектрометре, отвечающем настоящему изобретению, свет от источника должен сначала проходить через воздуховодный адаптер (ячейку пробы), который, в отсутствие дополнительной оптики, будет препятствовать высокоэффективной / с большой апертурой системе. Даже если пучок из источника коллимируется посредством адаптера, размер источника приводит к слишком большому расширению пучка для практической оптики в спектрометре.
Как показано на фиг.6A-6D, настоящее изобретение решает эту проблему посредством использования линзы с большой апертурой на источнике, который формирует висячее изображение в середине адаптера, т.е. в ячейке пробы. Линза 103 на входе блока детекторов грубо коллимирует этот свет прямо на решетку. Линза 103 имеет фокусное расстояние, которое примерно равно расстоянию до изображения от линзы, ближайшей к источнику. Линза 103 коллимирует пучок, и поскольку она работает от изображения источника, линза 103 стремится коллимировать угол внеосевых пучков. Действие аналогично действию полевой линзы. Поэтому пучок, распределенный по решетке, оказывается меньше, и еще гораздо меньше на последующих элементах.
На фиг.6А и 6В, дифрагированный свет от решетки 106 фокусируется асферическим зеркалом 108 на датчике (детекторе) 110. Благодаря этому методу, увеличение источника остается допустимо малым, и достигается высокая эффективность. Настоящее изобретение предусматривает, что линзы покрыты кремнием, поскольку это наиболее дешевый материал линзы с достаточно высокой устойчивостью к внешним воздействиям для этого диапазона длины волны. Согласно фиг.6С и 6D, вместо вогнутого фокусирующего зеркала 108 используется изменяющее направление пучка или поворачивающее зеркало 109.
На фиг.6A-6D показаны три альтернативные конфигурации линзы. На фиг.6А показан вариант осуществления, в котором используется сферическая линза 100, обеспеченная на одной стороне адаптера 102, который также называется ячейкой пробы. На фиг.6В показано использование асферической линзы 104 с адаптером 102. На фиг.6С показана фокусирующая линза 107, обеспеченная до зеркала 109, изменяющего направление пучка. На фиг.6D показана фокусирующая линза 111, обеспеченная после зеркала 109, изменяющего направление пучка. Настоящее изобретение также предусматривает обеспечение фокусирующей линзы до и после зеркала, изменяющего направление пучка. Остальные компоненты системы, например источник, отражающая решетка 106 и детекторы 110, могут быть выполнены в любых компоновках, предусмотренных настоящим изобретением, включая рассмотренные выше конкретные примеры.
Длины волн, представляющие интерес, составляют примерно от 8 до 9,5 микрон для агентов, и от 4 до 4,7 микрон для CO2 и N2O, и с опорными каналами на 3,7 и 7,4 микрон. Настоящее изобретение предусматривает, что подобная оптика и решетка могут осуществлять сканирование обеих областей одновременно, причем в ИК используется первый порядок решетки, и в промежуточном ИК используется второй порядок решетки. Дихроичный делитель необходим для разделения детекторов.
Частота сканирования для решетки 106, предпочтительно, составляет от 100 Гц до 300 Гц. Сто Гц это приближенный нижний предел, который установлен необходимой шириной полосы СО2, т.е. 10 Гц. Верхний предел установлен временем отклика ИК детектора и механическими ограничениями для привода решетки. Диапазон движения решетки спектрометра составляет около +/-5 градусов (механический) для охвата диапазона, включающего в себя опорные каналы, плюс примерно от 15% до 20% для оборота. Если опорная функция осуществляется каким-то иным образом, или уменьшается период решетки, то диапазон движения может быть сокращен до +/-3 градусов. В примерном варианте осуществления настоящего изобретения, решеточное зеркало имеет около 6 мм в ширину и 10 мм в высоту. Эти технические требования пригодны для недорогих традиционных устройств, в которых частота синусоидального сигнала находится в диапазоне 200 Гц-300 Гц. Детектор PbSe используется для промежуточного ИК ввиду своего быстродействия, чувствительности, дешевизны и простоты пользования. Кандидатами ИК детектора являются кадмий-теллурид ртути (МСТ), микротермобатарея, микроболометр, или пироэлектрик.
Спектральные данные, которые могут быть собраны с помощью микроспектрометра, должны включать в себя опорные данные на минимальном уровне шума (нулевом сигнале), интенсивность источника (интервал сигнала, т.е. свободный канал) и калибровку интервала спектра. Калибровка может производиться посредством опоры на линию CO2 и щелевой фильтр. Пригодна как калибровка в любой полосе, так и калибровка между полосами, поскольку в обоих случаях используется один и тот же сканер. Нуль и интервал сигнала необходимо определять на каждом датчике в отдельности, поэтому для каждого из них требуется свободный канал и функция блокировки.
Автор изобретения понимает, что, в ходе эксплуатации, сканер, который поворачивает дифракционную решетку, работает на одиночной частоте и имеет фиксированный угол сканирования. Исходя из этих требований, автор изобретения определил, что резонансный сканер будет подходящей системой для возбуждения дифракционной решетки. Система возбуждения резонансного типа сканера имеет ряд преимуществ: 1) минимальное энергопотребление при том, что предполагается высокая механическая Q; 2) движение сканирования имеет тенденцию подчиняться строго синусоидальному закону с минимальными гармониками; и 3) из схемы возбуждения может быть выведен точный сигнал синхронизации. Система возбуждения резонансного сканера имеет тот недостаток, что резонансная частота зависит от инертности (массы) всей подвижной системы и величины возвращающей силы (упругости). Если какой-либо из этих параметров изменяется как функция времени, температуры или условий изготовления, резонансная частота будет меняться.
Трудность, возникающая при попытке использовать систему возбуждения резонансного сканера, состоит в конструировании системы, в которой инерционные части, кроме решетки (которая является неподвижной вследствие оптических требований), сведены к минимуму, вовлечение воздуха минимально (для поддержания высокой механической Q), и общий размер минимален. Кроме того, система в целом должна допускать некоторое изменение в резонансе.
Настоящее изобретение решает эти вопросы и обеспечивает систему 200 возбуждения сканера, показанную, например, на фиг.7А-9. Система 200 возбуждения сканера включает в себя упругую ленту 202, которая обеспечивает ось вращения дифракционной решетки 204. Заметим, что дифракционная решетка не показана на фиг.7А, чтобы можно было видеть особенности системы возбуждения сканера под решеткой. Лента 202 также обеспечивает упругий возврат и механическую поддержку для подвижных компонентов сканирующей системы. Решетка 204 закреплена на одной стороне и, в общем случае, в центре ленты 202. Постоянный магнит 206 закреплен на другой стороне ленты. Распорки 208 обеспечены по обе стороны ленты 202, благодаря чему, при колебании сборки, скручивающаяся лента не контактирует ни с решеткой 204, ни с магнитом 206.
Лента 202 поддерживается на своих концах рамкой 210, которая в примерном варианте осуществления является квадратной. В ходе производства, концы ленты 202 прочно крепятся к рамке с натяжением. Настоящее изобретение также предусматривает удержание рамки 210 под давлением в ходе процесса так, что чистое натяжение в ленте после крепления к рамке является предсказуемым. Настоящее изобретение предусматривает крепление ленты 202 к рамке 210 с использованием точечной сварки, припоя/твердого припоя или клея, если крепление усиливается за счет загиба ленты через внешний край рамки.
В примерном варианте осуществления, лента 202 имеет толщину 0,001", ширину 0,9 мм и длину в свободном состоянии около 7 мм. Подложка 204 решетки выполнена из стекла и имеет толщину 2 мм и диаметр 6 мм. Резонансная частота составляет около 200 Гц, в зависимости от натяжения ленты и близости полюсных башмаков возбуждения к постоянному магниту 206.
Постоянный магнит 206 предпочтительно выполнен из сплава на основе неодима, что обеспечивает особенно сильное магнитное поле относительно размера и массы. Магнит установлен, как указано выше, на ленте 202 (с распорками 208), с осью магнитных полюсов перпендикулярной плоскости решетки, т.е. поверхность магнита, которая крепится к упругой ленте, является полюсом. Он может быть серверным или южным, но соглашение должно быть установлено в ходе производства, поскольку фаза колебаний относительно возбуждающего импульса (см. ниже.) будет зависеть от полярности магнита.
Сканер возбуждают за счет магнитного взаимодействия между постоянным магнитом 206 и расположенным вблизи него электромагнитом 212. Электромагнит 212, в примерном варианте осуществления, имеет С-образный сердечник 214, и обмотку 216 подходящего импеданса, намотанную вокруг центральной секции "С". Электромагнит 212 может быть рассмотрен как статор мотора переменного тока, и постоянный магнит 206 может быть рассмотрен как ротор. Сердечник 214 может представлять собой пластинчатое железо, как в аудиопреобразователе или моторе переменного тока, или может быть ферритовым. Ферритовый сердечник относительно легок и обеспечивает несколько меньшие потери на вихревые токи, что, в свою очередь, повышает механическую Q системы. Электромагнит 212 ориентирован так, чтобы линия между двумя полюсными башмаками была перпендикулярна оси ленты 202. Зазор между магнитом 206 и полюсными башмаками электромагнита не особенно критичен, за исключением того условия, что просвет не должен позволять магниту контактировать с полюсным башмаком ни при каком возможном движении магнита. В противном случае, магнит «прилипнет» к полюсному башмаку, и система остановится.
Электрическое возбуждение, подаваемое на электромагнит 212, имеет форму короткого импульса. Сборка сканера будет "звенеть" на частоте механического резонанса. Ввиду высокой Q (в диапазоне от 100 до 150), потребуется несколько импульсов, чтобы колебания достигли амплитудного равновесия.
В колебательной системе общего вида, возбуждение будет задерживать движение на величину, примерно равную 90 градусам, зависящую от механических потерь. Настоящая система имеет очень малые потери, поэтому возбуждающий импульс, при резонансе, будет иметь место в точке с максимальной скоростью, т.е. 90 градусов. Настоящая система является одновременно мотором и генератором, поэтому любое движение магнита будет генерировать возвратное напряжение в катушке электромагнита.
В состоянии резонанса, возвратный сигнал может быть представлен или визуализирован как синусоидальная волна 220, как показано на фиг.9А. Синусоидальная волна 220 будет в ярко выраженных пиках 222 в центре синусоидальной волны являются импульсом возбуждения. Синусоидальная волна 220 создается путем прикрепления осциллографа непосредственно к катушке возбуждения, и резистор используется для частичной изоляции оборудования импульсного возбуждения от возвратного сигнала. Если частота импульсов возбуждения не совпадает с резонансной, фаза возвратного сигнала будет отличаться от показанной на фиг.9А. На фиг.9В показан возвратный сигнал 224, когда система не находится в резонансе. Можно видеть, что пики 225 не центрированы с пиками синусоидальной волны, но смещены или скошены относительно центра. Сравнивая возвратный сигнал непосредственно до возбуждающего импульса с сигналом сразу после возбуждающего импульса, фазовая ошибка может быть преобразована в сигнал, который может быть использован для регулировки частоты возбуждения.
На фиг.8 показана принципиальная схема цепи 230, которая будет выполнять эту автоматическую частотную регулировку. Генератор, управляемый напряжением (ГУН) 232, обеспечивает временную развертку для системы. Он имеет номинальную частоту, которая близка к частоте механического резонанса. Импульсы от ГУН поступают на 3-разрядный, двоичный счетчик 234, который возбуждает 3-разрядное декодирование 236. Результирующие 8 сигналов во временной последовательности используются для управления системой.
Согласно графику 240 синусоидальной волны, показанному на фиг.8, первые два временных периода используются для сбора данных из сигнала до возбуждающего импульса, в то время как четвертый и пятый периоды собирают данные из сигнала сразу после импульса. Данные собираются на конденсаторах С1 через схему 242 выборки и хранения (S/H). Возбуждающий импульс генерируется в течение третьего периода.
В течение шестого и седьмого периодов, сигнальные разности, теперь синхронизированные по времени, поступают на конденсатор С2 и на ГУН 232. В течение периода 8, отдельные конденсаторы С1 разряжаются, чтобы слегка помочь с временем отклика контура. В течение временного периода 3 возбуждают транзистор 244, например МОП-транзистор, который инжектирует ток в катушку 216 возбуждения через изолирующий резистор R.
Амплитуда возвратного сигнала пропорциональна пиковой скорости, которая пропорциональна максимальному углу сканирования, для данной частоты. Поэтому амплитуда возвратного сигнала используется для обеспечения обратной связи по величине импульсного возбуждения, тем самым поддерживая постоянный угол сканирования. С этой целью используется отрицательный полупериод возвратного сигнала. Диод D1 и конденсатор СЗ обеспечивают среднее напряжение возвратного сигнала на дифференциальный усилитель. На другую сторону усилителя подается фиксированное установленное значение. Усиленная разность является импульсной амплитудой.
Настоящее изобретение также предусматривает, что структура катушки и полюсов может вращаться относительно оси, заданной полюсными наконечниками. Другими словами, сборка может быть загнута за рамку. Такая модификация сделает сборку сканера короче, но немного шире в одном направлении. Настоящее изобретение также предусматривает, что две отдельных обмотки могут быть расположены на сердечнике электромагнита. Две обмотки будут обеспечивать лучшее согласование импедансов для возбудителя и отдельно для возвратного усилителя. Это также повысит отношение сигнал/шум (С/Ш) в возвратном сигнале, поскольку сигнал будет плавающим.
Решетка показана на фиг.7В в виде диска, но возможны и другие формы, например квадрата или прямоугольника. Важный момент состоит в том, что спектральное разрешение спектрометра пропорционально, отчасти, ширине решетки, т.е. количеству канавок решетки, которые находятся в световом пучке. При изготовлении было бы выгодно сделать решетку ротационно асимметричной, чтобы канавки решетки можно было с большей определенностью устанавливать параллельно оси вращения, т.е. горизонтальной оси упругой ленты.
Рамка предусмотрена как элемент, который обеспечивает основную прочность для сборки сканера, и, таким образом, является элементом, который крепится к спектрометрической системе. Рамка показана в виде квадрата. Однако она может принимать другие формы, например, круга, или некоторую комбинацию форм и может включать в себя монтажные выступы или кронштейны.
Хотя спектрометр, отвечающий настоящему изобретению, подробно описан в целях иллюстрации на основании того, что в настоящее время считается наиболее практичными и предпочтительными вариантами осуществления, следует понимать, что это подробное описание приведено только для этой цели и что изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления, но, напротив, призвано охватывать модификации и эквивалентные варианты осуществления, отвечающие сущности и объему формулы изобретения.
1. Спектрометр, содержащий:
инфракрасный источник для проецирования инфракрасного пучка,
ячейку газовой пробы, расположенную на пути инфракрасного пучка,
сканирующее зеркало, несущее дифракционную решетку, содержащую множество параллельных линий и расположенную на пути инфракрасного пучка после его прохождения через ячейку газовой пробы так, что дифракционная решетка делит инфракрасный пучок на пучок первого порядка и пучок второго порядка,
систему возбуждения резонансного сканера, выполненную с возможностью колебания сканирующего зеркала относительно оси, параллельной линиям дифракционной решетки,
делитель, расположенный на пути дифрагированного инфракрасного пучка от сканирующего зеркала и выполненный с возможностью направлять пучок первого порядка по первому пути и направлять пучок второго порядка по второму пути,
первый фокусирующий элемент, расположенный на первом пути, с возможностью фокусировки пучка первого порядка,
первый детектор, расположенный с возможностью приема пучка первого порядка от первого фокусирующего элемента,
схему считывания первого детектора, оперативно связанную с первым детектором для приема сигнала от первого детектора,
второй фокусирующий элемент, расположенный на втором пути, с возможностью фокусировки пучка второго порядка,
второй детектор, расположенный с возможностью приема пучка второго порядка от второго фокусирующего элемента, и
схему считывания второго детектора, оперативно связанную со вторым детектором для приема сигнала от второго детектора.
2. Спектрометр по п.1, в котором делитель представляет собой дихроичный делитель для деления дифрагированного инфракрасного пучка на дискретные полосы, представляющие интерес.
3. Спектрометр по п.1, в котором первый фокусирующий элемент является линзой или зеркалом, и второй фокусирующий элемент является линзой или зеркалом.
4. Спектрометр по п.1, в котором первый фокусирующий элемент является линзой или зеркалом.
5. Спектрометр по п.1, дополнительно содержащий линзу, размещенную между инфракрасным источником и ячейкой пробы.
6. Спектрометр по п.1, в котором резонансный сканер включает в себя упругую ленту, прикрепленную к рамке, причем сканирующее зеркало закреплено на первой стороне упругой ленты, при этом резонансный сканер дополнительно включает в себя постоянный магнит, закрепленный на второй стороне упругой ленты, и электромагнит вблизи постоянного магнита, причем резонансный сканер возбуждается посредством магнитного взаимодействия между постоянным магнитом и электромагнитом.
7. Спектрометр по п.6, в котором резонансный сканер дополнительно включает в себя схему регулировки частоты для регулировки частоты возбуждения резонансного сканера, при этом электромагнит возбуждают посредством возбуждающего импульса, при этом движение постоянного магнита генерирует обратный сигнал в электромагните, и при этом схема регулировки частоты выполнена с возможностью регулировки частоты возбуждения посредством сравнения обратного сигнала до возбуждающего импульса с обратным сигналом после возбуждающего импульса.
8. Спектрометр, содержащий:
инфракрасный источник для проецирования инфракрасного пучка,
ячейку газовой пробы, расположенную на пути инфракрасного пучка,
сканирующее зеркало, несущее дифракционную решетку, содержащую множество параллельных линий и расположенную на пути инфракрасного пучка после его прохождения через ячейку газовой пробы так, что дифракционная решетка делит инфракрасный пучок на пучок первого порядка и пучок второго порядка,
систему возбуждения резонансного сканера, выполненную с возможностью колебания сканирующего зеркала относительно оси, параллельной линиям дифракционной решетки,
фокусирующий элемент, расположенный на пути дифрагированного инфракрасного пучка от сканирующего зеркала для того, чтобы принимать пучок первого порядка и пучок второго порядка от сканирующего зеркала,
делитель, расположенный на пути сфокусированного инфракрасного пучка от фокусирующего элемента и выполненный с возможностью направлять пучок первого порядка по первому пути и направлять пучок второго порядка по второму пути,
первый детектор, расположенный на первом пути, с возможностью приема пучка первого порядка от делителя,
схему считывания первого детектора, оперативно связанную с первым детектором для приема сигнала от первого детектора,
второй детектор, расположенный на втором пути, с возможностью приема пучка второго порядка от делителя, и
схему считывания второго детектора, оперативно связанную со вторым детектором для приема сигнала от второго детектора.
9. Спектрометр по п.8, в котором делитель представляет собой дихроичный делитель для деления дифрагированного инфракрасного пучка на дискретные полосы, представляющие интерес.
10. Спектрометр по п.8, в котором фокусирующий элемент является линзой или зеркалом.
11. Спектрометр по п.8, дополнительно содержащий линзу, размещенную между инфракрасным источником и ячейкой пробы.
12. Спектрометр по п.8, в котором резонансный сканер включает в себя упругую ленту, прикрепленную к рамке, причем сканирующее зеркало закреплено на первой стороне упругой ленты, при этом резонансный сканер дополнительно включает в себя постоянный магнит, закрепленный на второй стороне упругой ленты, и электромагнит вблизи постоянного магнита, причем резонансный сканер возбуждается посредством магнитного взаимодействия между постоянным магнитом и электромагнитом.
13. Спектрометр по п.12, в котором резонансный сканер дополнительно включает в себя схему регулировки частоты для регулировки частоты возбуждения резонансного сканера, при этом электромагнит возбуждают посредством возбуждающего импульса, при этом движение постоянного магнита генерирует обратный сигнал в электромагните, и при этом схема регулировки частоты выполнена с возможностью регулировки частоты возбуждения посредством сравнения обратного сигнала до возбуждающего импульса с обратным сигналом после возбуждающего импульса.
