专利名称：微型光谱仪气体分析器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于有效且健壮地测量呼吸及麻醉气体的气体浓度/分压的 方法和装置。
背景技术：
本领域普通技术人员公知非分光红外(NDIR)型气体分析器的工作原 理，即通过以下步骤来确定特定气体的浓度(a)指引红外辐射(IR)通 过气体混合物的样品，(b)对该红外辐射分别滤波以最小化每个特定气体 所吸收的频带以外的能量，(c)测量进入一个或多个探测设备上的已滤波 的辐射，以及(d)将每个气体的红外吸收的测量结果与其浓度关联。可被 测量的气体在红外光谱的特定波长处表现出增加的吸收(以及减少的透 射)，使得气体浓度越大，吸收成比例得越大并且透射成比例得更低。这种 NDIR技术的扩展使用连续的、线性带通滤波器，在该滤波器后面紧接着线 性阵列的探测器。气体分析器广泛用于医疗应用中，并且其特点在于可位于患者的呼吸 气体的主路径中(主流分析器)或者位于通常平行于主路径的辅助路径中 (侧流分析器)。设置主流分析器使得受试者吸入或呼出的呼吸气体通过分
析器放置在其上的气管接口 (airway adapter)。主流的设计要求光学和电子 元件与患者的气管进行接口，或者与呼吸电路进行接口，所述呼吸电路与 患者进行通信并位于与患者非常接近的位置。结果，为了能够被临床应用 接受，主流气体分析器必须设计成紧凑、重量轻但是健壮的结构，该结构 不会受到与医疗保健设施的延长使用相关的典型机械损伤(abuse)和温度 变化的影响。
尽管对于少量的特定、非重叠的光谱波长来说，常规的主流气体分析 器是够用的，但是其难以改变感兴趣的波长。如果存在2或3种感兴趣的 波长，则系统效率逐渐变低，并且提供明显好于0.1微米，IR区域中的FWHM (半高宽度)的分辨率是非常困难和昂贵的。
利用光栅光谱仪用于气体分析是公知的。有两种常见的光栅光谱仪结 构摄谱仪，其最初将光谱分布一条照相底片上或线性阵列探测器上；以 及光谱仪，其使用设置在适当位置或角度的单个探测器，以记录具体的谱 元素。
对于IR气体测量而言，IR源提供了被准直并通过气体样品单元的宽带 能量。将在特定波长处衰减的已准直的宽带能量被指引导衍射光栅，并在 光栅处发生衍射，扩散成连续谱，并使用镜聚焦到小探测器上。衍射光栅 围绕与光栅线平行并基本与衍射光栅的面共轴的轴旋转。当衍射光栅旋转 时，光谱被扫描通过单个探测器。由于衍射光栅旋转与探测器读取电子器 件是同步的，所以能够隔离和记录特定的，但是任意的光谱特征。
不言自明，微型光谱仪应该小且轻。例如，本发明设想将光谱仪制成 足够小和轻，以直接用在患者气管上，即，安装在患者电路上的主流设计 中。然而，虽然光学器件通常可制造得足够小以满足该目的，但是难以将 驱动衍射光栅的机构，即光谱扫描器制造得足够小以满足该目的。目前可 用的太大和太重的电子-机械扫描器驱动器件要求太高的功率，并且以这种 方式使用成本太高。
例如，许多常规光谱仪使用某种电机和轴承组件来旋转衍射光栅，通过电机来摆动连杆以驱动衍射光栅。尽管这样的结构能够实现良好的结果， 但是这样的结构相对较大、沉重且昂贵。其他常规光谱仪采用摆动电机(有 时也称为电流计驱动)来取代电机和连杆。这样的结构不是很昂贵，但是 仍然较大、沉重且相对昂贵。
Chen等人的美国专利6，249，346 (2001 )， Wilke等人的美国专利 6,039，697(2000)以及Keilbach等人的美国专利5，931，161(1999)都公开了相对 较小尺寸的光谱仪，但是其设计仍然过大且在某些场合较为复杂。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种克服常规气体分析设备的缺点的光谱 仪。该目的根据本发明的一个实施例来实现，其提供了一种用于确定气体 样品中的多种气体的各自浓度或分压的健壮的光谱仪装置，该多种气体具 有单个、以及多个、甚至重叠的吸收或发射光谱，这些光谱跨越宽的光谱 范围。
本发明改进光栅光谱仪以用于紧凑的呼吸气体分析设备。具体而言， 本发明釆用扫描光谱仪，该扫描光谱仪扫描或扫过(sweep)固定探测器上 的光谱。从光学的观点看，该装置的特征在于变型的艾勃特(Ebert)扫描 单色仪。
使用MEMS (微电子机械系统)制造工艺可以制造非常小的、廉价的 摆动镜(oscillating mirror)。利用添加到镜表面的衍射光栅，这一结构提供 了用于在线IR气体分析设备的成本非常低、非常小、重量轻但是结实的扫 描器。 ，
光谱分辨率主要与光栅尺寸、孔径、线距(line pitch)、衍射级次和准 直有关。在本发明中，所需要的光栅宽度的范围是l至2mm，这非常适于 现有的MEMS技术。容易获得或控制其它参数，至少足够用于所需的精度。
可以单独形成衍射光栅并将其粘接到"镜"表面，或者优选地，可以 将衍射光栅在镜的表面形成为MEMS制造工艺的部件。还可以使用全息型 光栅。使得镜摆动的驱动器件可以是磁的，其中所述镜具有形成在背面的 平面线圈，或者所述镜自身制成磁性的，或者所述镜可被静电驱动。因为 需要的角幅值相对较小，所以目前优选静电驱动。本发明的装置还可以若干额外方式进行配置。在一个示例中，可以去 除摆动光栅并由扫描(摆动)镜来替代。在该方法的实施例中，镜使得入 射光在固定光栅上扫描，所述固定光栅分散出光谱。如上所述，通过镜将 光谱聚焦到探测器平面。尽管该替代方法需要一个额外的元件，但是由于MEMS摆动元件不需要在其表面上制造出光栅，因而制造成本可以更低。在又一替代实施例中，利用在气体样品单元与IR源同侧的光栅和探测 器，可以定位摆动镜以将衰减的宽带能量光束直接返回通过气体样品单元。 该设置的优点是更高的灵敏度(由于两次通过单元中的气体)，以及一定程 度上更窄的封装。或者，在两次通过的配置中，镜可以固定在与源相对的 一侧，并且摆动镜/固定光栅(或摆动光栅)以及探测器系统位于源侧。这 些不同实施例可配置在单个平面中，或者摆动镜、扫描光栅或者聚焦镜可 以按取向旋转以将光束指引到不同的平面，从而可以容易地适应不同的封 装结构。衍射光栅能够提供若干级次的衍射光束。通常使用第一级次，+1或-1， 并且光栅中沟槽的形状可以设计为增强所选的级次。然而，在更高级次上， 能够可存在一些次级能量。结果是更短波长的光谱区域可重叠第一级次的 光谱。如果需要，可以利用设置为切断感兴趣光谱区域以外的波长的阻挡 滤波器来解决这一问题。用于本发明装置的数据处理电子设备与扫描元件的运动是同步的。一 种方法是从镜驱动器件中提取定时信号。或者，所述镜可具有安装在其上 的线圈或磁的，或压电传感器，以提供指示用于同步中的一部分镜的基本 即时位置的信号。用于同步的另一感测技术是将辅助光束从镜的前面或背 面反射至单独的探测器。目前优选的技术是使用所探测光谱的独特特征， 如果这样的特征是可用的或者已经提供了这样的特征。假设所述镜是谐振 的，当探测器未接收任何信号时，将存在相对较长的周期。这是因为如果 扫描处于其更接近线性的那部分中，将更容易解读该扫描，并且因为阻挡 滤波器将在感兴趣的光谱区之前或之后去除所有信号。这样，信号中紧接 着急剧上升的长空白周期可用于向相位锁环同步器提供合适的独特标记。 该空白周期还提供背景光情况，从而可以设置探测器零点(zero)。通过吸 收峰值之间的任何光谱区域，或其中已经去掉已知的峰值的区域来暗示全量程(Ml scale)。应该注意，因为由该装置生成的数据是连续的，所以可以相信能够逐 个递增地减去已知的且先前存储的特定光谱线，即"剥离(peel off)"单独 的线。这样的处理改善了分离，或减少了干扰，特别是对于弱谱线而言。在参照附图考虑以下说明和所附权利要求书的基础上，本发明的这些 和其它方面、特征和特点、以及结构的相关元件的操作方法和功能以及各 部分的组合、以及制造的经济性将变得更加明显，所有附图构成本说明书 的一部分，其中在各图中相同的附图标记表示相应的部件。然而，要明确 理解的是，附图仅用于图示和描述的目的，而不旨在限制本发明。
图1A是根据本发明原理的具有摆动扫描器镜-衍射光栅组合的光谱仪 的示意性光学系统布局，以及图1B是其中能够适当采用图IA的光学系统 的光谱仪的示意图；图2是适用于图1A的光学系统中的摆动镜/光栅组合的透视图； 图3是根据本发明的具有聚焦镜-衍射光栅组合的光谱仪的示意性光学 系统布局；图4A至图4F是根据本发明的原理使用准直光束，实现多个谱带分析 的光谱仪的多个示范性布置的示意图；图5A至图5C是根据本发明的原理使用非准直光束，实现多个谱带分 析的光谱仪的多个示范性布置的示意性图；图6A至图6D是根据本发明原理的光谱仪的其它示范性设置的示意性图；图7A和图7B是根据本发明原理的电子-机械扫描器驱动装置的俯视透视图和仰视透视图；图8是根据本发明原理的用于执行自动扫描频率调节的电路的示意图； 图9A和图9B是分别示出了在谐振和非谐振期间扫描器驱动装置的返回信号的波形。
具体实施方式
图1A是根据本发明原理的光谱仪的示意性光学布置。以诸如红外光束 的光束IO形式的能量从样品单元G (参见图IB)开始行进并到达转镜12。 随后，转镜12将光束10朝向扫描光栅反射镜14反射，该扫描光栅反射镜 14还可以称作扫描镜。应该注意，扫描光栅反射镜14围绕与页面垂直的轴 摆动(以放大的形式示出摆动)。从扫描光栅反射镜14开始，该当前分光 的光束10行进到聚焦镜16，聚焦镜16反过来将光束10聚焦至包括适当的 读取电路，或与适当的读取电路相关联的探测器18。如本领域公知的，探 测器18可以包括例如狭缝或针孔状的探测器。图1B示意性地示出了与本发明的各种光学实施例一起使用的光谱仪 的完整结构。如图1B所示，红外光源S发出红外光束，如图所示，可以利 用源光学器件或准直器C对所述红外光束进行准直。己准直的红外光束随 后进入气体样品单元G,并将其出射至转镜12。这样的设置可以与在此描 述的所有实施例一起使用，除了应注意的是图5A至图5C的实施例不需要 存在准直器C或源光学器件来准直红外光束。参考图2,扫描光栅反射镜14具有位于其上的衍射光栅线22。利用 MEMS工艺可以将这些线粘接或机加工至反射镜表面，或者可通过其他公 知的技术来设置这些线。McClelland等人的美国专利6,201,269 (其公开通 过引用合并在此)公开了一种用于制造摆动镜的合适的MEMS工艺，该工 艺可适于制造扫描光栅反射镜14。所述光栅也可制成全息的形式。扫描光栅反射镜14具有柔性轴24，该柔性轴与衍射线22平行并且通 过与柔性轴24共轴的支撑部件安装到框架26。垫板28是可导电的，以在 导线20连接在垫板28与本领域公知的适当电源P之间时提供用于扫描光 栅反射镜14的静电驱动。尽管在图2中为简单起见描绘了两个电源P，但 是当然可以用单个电源P向垫板28交替供电。图1A中示出的示意图将扫描光栅反射镜14用作扫描器和衍射光栅。 然而，扫描器上不必包括衍射光栅。通过镜扫描器作为替代可以以角度扫 描衍射光栅。如图3所示，镜扫描器32用于将来自气体样品单元的输入光 束30掠过衍射光栅和镜组合34。在衍射光栅和镜组合34中使用的镜是将 来自镜扫描器32的分散能量指引并聚焦至探测器36。在通过衍射光栅和镜 组合选择的波长中，像由具有限定的输入孔径形成。在常规的艾勃特单色仪中，单色仪的入口处有限定了待成像孔径的狭缝。在本发明中，该限定 孔径可以是源、或其可以是扫描器/探测器组件的入口附近的单独孔径。应注意，图1A的实施例的转镜12在图3中没有对应的结构，因为转镜不是 本发明必需的部件，但是在本领域来说是常见的并且使用转镜确实提供了 多个其他结构的可能性。作为另一替代配置，镜-光栅功能可以分开，使得将扫描指向平面光栅 镜，该平面光栅镜之后接着聚焦元件，通常是该IR波长区域中的镜，再接 着探测器。与图1A相比，这种替代的分开配置的优点是扫描镜设备可通过 目前公知的工艺直接制造，尽管在镜上形成光栅并不是常见的。相反，通 过模制(molding)技术在聚焦元件上形成光栅是常见的。分开配置的缺点 是光栅必须相对较大(因为为了改变角度光束在整个光栅上移动)，并且镜 可能需要是非球面的。当然，如果通过模制或铸造工艺来制造光栅-镜，这 些都是小问题。参照图1A和图3描述的实施例提供了在波长倍频(wavelength octave)上收集光谱数据的有效方式。然而，这些实施例实际上设计成具有例如3 到5微米频带的单个频带。实际上光栅光谱仪的范围由于多个级次的原因而限于倍频。即，特定 波长将以一组特定角度发生衍射，这些角度取决于波长、光栅周期以及已 知作为级次的整数。因为色散是级次的函数，所以多个级次能够在探测器 平面上重叠，使得光谱难以解读。在实际的光栅光谱仪中，光栅被制造为 使得绝大部分衍射能量指向特定的所需级次。这通过对衍射光栅的每个沟 槽处的表面进行造型，使得到达该点的光将在与所需衍射级次相同的方向 上反射来实现。这一造型工艺被称为闪耀(blazing)。另外，可以将阻挡滤 波器添加在光谱仪输入端或探测器处，该滤波器将阻挡可能造成混淆的波 长区域。除了之前描述的3到5微米的频带之外，本发明可有利地同时测量7 到IO微米范围。该更长波长范围的问题在于首先，需要更昂贵的探测器; 第二，用于光束处理的透射光学器件，例如透镜往往较昂贵(尽管长波通 滤波器或功能是不可避免的)；第三，3到5微米频带的第二级次趋于落入 与7到10微米频带相同的平面。图4A-4F中示出了用于测量额外频带的光学布置的七种示范性方法。 应注意，在图4A-4F示出的所有举例实施例中，己经通过源光学器件或通 过其他常规装置对输入光束进行了准直。还应注意到这些附图是示意性的， 即，衍射角是示意性的不是准确的。在图4A的实施例中，扫描镜42将输入光束40指向二向色光束分离器 44，该二向色光束分离器44将光束分为两个频带，例如，分别为3到5以 及7到10微米。两个分离的扫描衍射光栅46分散这些频带；每个光栅46 针对相应的频带进行优化。分散后，通过聚焦镜48将光束的每个频带指向 探测器D的孔径。在图4B的实施例中，采用扫描衍射光栅46，并且所得到的分散光束 通过二向色光束分离器44分为两个频带。在这种情况下，扫描衍射光栅46 已经针对第一级次中的7-10微米频带进行了优化，并已经针对第二级次中 的3-5微米频带进行了优化。图4C示出的实施例包括扫描镜42以及紧接着的二向色衍射光栅47， 该二向色衍射光栅47被涂覆以反射一个频带，诸如7-10微米，并透射另一 频带。与其他情况下一样，二向色衍射光栅47将针对第一级次7-10微米以 及第二级次3-5微米进行设置。或者，可以采用反射式衍射光栅(非透射式)， 并且频带分离器位于衍射光栅之后。图4D的实施例采用背对背扫描衍射光栅46，该扫描衍射光栅46仅反 射，并且一起用作扫描元件。通过光栅前的二向色光束分离器44实现频带 分离。在该实施例中，可以针对特定频带的最佳性能来单独优化光栅。图4E的实施例设置成提供三个频带的检测。扫描镜42照明两个串联 的反射/透射二向色衍射光栅47。尽管该设置对波长频带放置造成一些限 制，但是其比图4F的实施例更加紧凑。图4F的实施例包括镜和光栅的三维布置，其能够提供六个频带(如图 所示)，并且通过扩展能提供更多频带。输入光束50首先被分离成两个相 邻倍频频带的三波长块(wavelengthblock),每个相邻倍频频带使用多个二 向色或带通滤波器51，随后通过扫描镜52扫描波长块。扫描镜52的轴在 附图页的平面中。波长块按角度几何地分离在包括镜旋转轴的平面中。扫 描之后，波长块到达三个衍射光栅56，每一个与图4C中的衍射光栅类似，但是适当地倾斜以匹配分离角度。应该注意，在图4F中为了示例的简单以 及清楚起见，仅示出了一个光栅56而没有示出探测器，尽管在实际中包括 这些。图5A-5C示出了本发明的其他实施例，其中，与上述不同的是，进入 光谱仪的光可以是发散的或会聚的，并且改变光学器件以进行补偿。图5A示意性地示出了一系统，其中来自光源S的光通过气体样品单元 G并被反射，通过光栅分散并在扫描平面光栅镜60上扫描。利用凹镜62 将所得到的分散光束聚焦至探测器D。图5B示意性地示出了采用平面扫描镜64的系统，并且扫描光束被反 射至凹光栅镜66，所述凹光栅镜66将光束衍射并聚焦到探测器D上。图5C示意性地示出了一系统，其中扫描、分散和聚焦功能结合到扫描 镜形式的单个元件68，其包括衍射光栅并且是凹的以降光束聚焦至探测器 D上。如同本领域普通技术人员将明白和意识到，向扫描元件增加功能将增 加其成本，但是在每个示例中，可以减少系统中其他元件的成本，或完全 去除。具体而言，图5A-5C的实施例无需准直元件，并且图5C的实施例无 需单独的聚焦镜。由于部件的去除和组装时间的减少，所需部件数量的减 少能够实现制造较廉价的系统。同样如同本领域普通技术人员将明白和意识到，图5A-5C示出的方法 可以应用于图4A-4F的实施例以测量多个感兴趣的频带。例如，可以有利 地利用图5A的部件和布置以修改图4B和4D的系统，并且可以有利地利 用图5B的部件和布置以修改图4A的系统，在每个示例下实现去除聚焦镜。 由于要求既在反射又在透射中进行聚焦，所以尽管聚焦镜和光栅元件将更 加复杂，但是图5B的部件和布置还是可以应用于图4C、 4E、 4F的系统中。 第一面或反射面将是凹的，而第二面将包括凸折射面。在上述实施例中，利用光栅的第一和第二级次分别分散两个不同的频 带，即3.5-4.5微米和7-9微米频带。两个探测器上的滤波器确保相应的探 测器仅对适当的频带起作用。本发明还设想将光栅的不同级次用于(基本) 非连续频带，与通过单级次光栅能够获得的波长范围相比，所述非连续频 带覆盖了更大的波长范围。上述发明还公开了使用二向色分离器将不同频带或一频带的多个部分 指向与所述探测器不同的两个探测器。本发明还设想使用非波长敏感分离 器，即普通的部分反射分离器。在这种情况下，适当的滤波器可以设置在 探测器上或探测器之前以挑选出适当的频带。本发明的上述实施例使用聚焦镜在探测器上形成图像。这一聚焦功能 也可利用由任意适当材料形成的透镜来执行。本发明还设想二向色分离器 可以是部分反射分离器。另外，分离器(反射或透射)可以设置在聚焦镜 (或透镜)之后，并且在两个探测器之前。本发明的微型光谱仪的一个功能是在8到10微米IR频带中的麻醉剂 进行光谱扫描，并同时进行中IRC02和N20频带的扫描。由于存在多个已 有系统，例如艾勃特、车尔尼特纳(Czemy-Temer)、法斯梯-艾勃特 (Fastie-Ebert)等以及单个或多个全息光栅系统，所示对光谱仪的基本结构 进行选择是很容易的。主要的系统问题是效率，即相对于系统的光谱分辨 率，多少源光能够到达探测器。在所有的系统中，源或由所述源照明的孔径在传感器平面上成像。由 像差和光学放大设置的该图像的尺寸必须小于系统所需的光谱分辨率。因 为该分辨率通过光栅来设置，所以有效源尺寸非常关键。在典型的光谱仪 系统中，入射狭缝在大孔径镜的焦点处。该镜将光准直到光栅上。来自光 栅的衍射光通过第二个凹镜再次聚焦到传感器上。因为孔径较大，即较小 的f数，所以效率能够较大。在本发明的微型光谱仪中，来自光源的光必须 首先通过气管接口 (样品单元)，在缺少所赠加的光学器件的情况下，所述 气管接口将妨碍大孔径/高效系统。即使来自源的光束将通过接口来准直， 对于光谱仪中的实际光学器件而言，源尺寸将使得光束分散得太大。如图6A-6D所示，本发明通过在源处使用大孔径透镜来解决该问题， 所述源在接口，即样品单元的中间形成空间像。探测器块的入射处的透镜 103将粗略地将光直接准直到光栅。透镜103的焦距大致等于源附近的透镜 的像距。透镜103对光束进行准直，并且因为它是根据所述源的像来工作， 所示透镜103趋于准直离轴光束的角度。其作用类似于场镜。因此在光栅 上发散的光束较少，并且在随后元件处更加少。在图6A和6B中，来自光栅106的衍射光通过非球面镜108聚焦到传感器(探测器)110。通过该技术，可有效地将源放大保持为较小，而效率较高。本发明设想使用硅涂覆透镜，因为对于该波长范围，其是具有相当好的环境稳定性的最便宜的透镜材料。在图6C和6D中，使用折叠式 (folding)反射镜或转镜109替代凹聚焦镜108。图6A-6D示出了三种替代透镜结构。图6A示出了使用设置在接口 102 的一侧的球面透镜100的实施例，所述接口 102还可以被称为样品单元。 图6B示出了使用接口 102和非球面透镜104的实施例。图6C示出了设置 在折叠式反射镜109之前的聚焦透镜107。图6D示出了设置在折叠式反射 镜109之后的聚焦透镜111。本发明还设想在折叠式反射镜之前和之后设置 聚焦透镜。该系统的其他部件，诸如源、反射光栅106以及探测器110能 够以本发明设想的布置中的任意一种，包括如上所讨论的具体示例来配置。对于药剂来说，感兴趣的波长大约为8到9.5微米，并且对于C02和 N20来说为4到4.7微米，并且基准通道在3.7和7.4微米。本发明设想相 同的光学器件和光栅能够同时扫描两个区域，其中，IR使用光栅第一级次， 而中IR使用光栅第二级次。需要二向色分离器以分离探测器。优选地，光栅106的扫描速度范围在100Hz到300Hz。 100Hz是由所 需要的C02带宽，g口， 10Hz设置的大概下限。通过IR探测器响应时间和 光栅致动器的机械限制来设置上限。光谱仪光栅的运动范围大约为+/-5度 (机械的)以覆盖包括基准通道，加上大约15%到20。/。的余量(tum-around)。 如果以其它方式完成基准功能，或者光栅间隔减小，则运动的范围可以降 低至+/-3度。在本发明的示范性实施例中，光栅镜大约6mm宽且10mm高。 这些规格在200Hz-300Hz的正弦频率范围下正好处于现有技术的廉价状 态。由于PbSe探测器较快、灵敏、便宜和常见，所以将其用于中IR。 IR 探测器的候选者是水银碲化镉(MCT)、微热电堆、微测辐射热计、热释电。将通过微型光谱仪收集的光谱数据应包括与本底噪声(noise floor)(零 信号)、源强度(信号跨度，即无干扰通道)以及谱跨度校正有关的基准数 据。通过参考C02线和边缘滤波器可以完成校正。由于相同的扫描器实现 两者，所以在频带上或在频带之间进行的校正对于两者来说是有效的。信 号零和跨度需要在每个单独的传感器上完成，所以在每个单独的传感器上 面需要无干扰通道和阻挡功能。本发明人意识到在操作中，旋转衍射光栅的扫描器以单个频率运行， 并具有固定的扫描角度。这些要求使得本发明人提出谐振扫描器应是驱 动衍射光栅的合适系统。谐振型扫描器驱动系统具有若干优点1)假定高机械Q值，则功率需要最小化；2)扫描运动趋于具有最小谐波的准确正弦 曲线；以及3)根据驱动电路可导出精确的同步信号。谐振扫描器驱动系统 的缺点在于谐振频率取决于整个移动系统的惯性(质量)和回复力(弹簧) 的大小。如果任意一个随着时间、温度或制造变量而改变，则谐振频率将 改变。试图使用谐振扫描器驱动系统时面临的问题是设计一种除了光栅之外 (通过光学要求来确定)，惯性部件最小化，掺气(airentrainment)最小化 (以保持高的机械Q值)以及整体尺寸最小化的系统。此外，该系统作为 一个整体必须承受谐振中的变化。本发明解决了这些问题并且提供一种例如如图7A-9所示的扫描器驱动 系统200。扫描器驱动系统200包括向衍射光栅204提供旋转轴的紧带(taut band) 202。应注意，在图7A中省略了衍射光栅，从而能够观察到光栅下 面的扫描器驱动系统的特征。紧带202还提供用于扫描系统的移动部件的 弹力回复和机械支撑。光栅204固定在紧带202的一侧并且通常在紧带202 的中间。永磁体206固定在紧带的另一侧。间隔体208设置在紧带202的 每一侧，使得在组件摆动时，扭曲的带将不接触光栅204或磁体206。通过框架210将紧带202支撑在其端部，在示范性实施例中所述框架 为正方形。在制造过程中，紧带202的端部在张力下紧紧地附着至框架。 本发明还设想在处理期间在压力下固定框架210，使得在紧带附着至框架之 后紧带中的净张力是可预测的。本发明设想如果通过在框架外侧边缘弯曲 紧带来再次加强该附着，则采用点焊、熔焊/钎焊或粘接，将紧带202附着 至框架210。在示范性实施例中，紧带202的厚度为0.001"，宽度为0.9mm，并具 有大约7mm的自由长度。光栅衬底2040是玻璃，厚度为2mm，直径为6mm。 取决于紧带中的张力和驱动磁极片到永磁体206的临近性，谐振频率大约 为200Hz。有利地，永磁体206是钕型，相对于其尺寸和质量来说其提供非常强大磁场。如所指出的，磁体安装至紧带2020 (具有间隔体208)上且磁极 轴垂直于光栅平面，即附着至紧带的磁体表面是磁极。其可以是北极或南 极，但是在制造期间应该设置一约定，因为与驱动脉冲(参见下文)相关 的摆动的相位将取决于磁体的极性。通过永磁体206与临近的电磁体212之间的磁相互作用来驱动扫描器。 在示范性实施例中，电磁体212具有"C"型磁芯214，具有的适当阻抗的 绕组216缠绕在"C"型磁芯214的中间部分。电磁体212可以认为是AC 电机的定子，而永磁体206可以认为是转子。磁芯214可以是如音频变压 器或ac电机中一样的层压铁，或者其可以是铁氧体。铁氧体磁芯重量相对 较轻，并提供较少的涡流损耗，这反过来增加了系统的机械Q值。将电磁 体212取向为使得两磁极片之间的直线垂直于紧带202的轴。除了在磁体 的任何合理的偏移下空隙应防止磁体接触磁极片之外，磁体206和电磁体 磁极片之间的间距并不是特别重要。否则，磁体将粘住磁极片，并且系统 将停止。提供给电磁体212的电驱动是以短脉冲的形式。扫描器组件将以机械 谐振频率"振铃(ring)"。因为Q值将较高(其范围为100到150)，对于 摆动其将采取若干脉冲来达到幅值平衡。在通常的摆动系统中，驱动将根据机械损失滞后运动接近卯度的量。 本系统具有非常小的损失，所以谐振时的驱动脉冲将位于最大的速度点， 即90度。本系统既是电机又是发生器，所以磁体的任何运动将在电磁线圈 中生成返回电压。在谐振期间，如图9A所示，返回信号可以示出或可视化为正弦波220。 正弦波202包括中心部分的尖峰，正弦波是驱动脉冲。通过将示波器直接 附着至驱动线圈来产生正弦波220,而电阻被用来将驱动脉冲电子设备与返 回信号部分隔离。如果驱动脉冲速度不是处于谐振，则反信号相位将不同 于图9A中所示。当系统没有谐振时，图9B示出了返回信号224。应理解， 尖峰225不是位于正弦波的峰值的中心，而是与中心发生偏移或偏离。通 过将恰在驱动脉冲之前的返回信号与恰在驱动脉冲之后的信号进行比较， 相位误差能够转换成可用于调节驱动频率的信号。图8中示出了将执行该自动频率调节的方框示意电路230。电压控制摆动器(VCO)232提供用于系统的时基。其具有接近于机械谐振的名义频率。 来自VCO的脉冲馈送三位二进制计数器234，所述计数器234驱动三位解 码236。所得到的时序8信号用来控制系统。参考图8中示出的正弦波曲线图240，第一两时间周期用来收集来自驱 动脉冲之前的信号的数据，而第4和第5周期收集来自脉冲之后的信号的 数据。数据经由采样和保持(S/H) 242收集到电容C1。在周期3中生成驱 动脉冲。在周期6和7期间，当前时间同步的信号差传送至电容C2和VCO 232。 在周期8期间，单独电容C1放电以略微地帮助回路响应时间。时间周期3 驱动诸如MOSFET的晶体管244，所述晶体管244经由隔离电阻R将电流 注入至驱动线圈216。返回信号的幅值与峰值速度成比例，对于给定的频率，峰值速度与最 大扫描角度成比例。因此返回信号幅值用来提供反馈给驱动脉冲大小，从 而保持恒定的扫描角度。出于该目的，使用返回信号的负半周期。二极管 Dl和电容C3提供返回信号平均电压至微分放大器。将固定的设定点提供 至放大器的另一侧。放大的差是脉冲幅值。本发明还设想线圈和磁极结构可以绕由极尖限定的轴旋转。换句话说， 该组件可以背朝着框架折叠。这样的变型将使得扫描器组件更短，但在一 个方向上稍宽。本发明还设想两个单独的绕组可以放置到电磁体磁芯上。 两个绕组将提供更好的阻抗匹配用于驱动器和单独用于返回放大器。其还 提高了返回信号的S/N，因为信号将是浮置的。图7B中所示的光栅是圆盘，但是也可设想诸如正方形或矩形的其它形 状。重点是光谱仪的谱分辨率在某种程度上与光栅的宽度，即在光束中的 光栅沟槽数目成比例。在制造中，使得光栅旋转不对称是有利的，从而更 确定地将光栅沟槽安装成平行于旋转轴，即紧带的长轴。期望框架是提供扫描器组件的初始强度的元件，因此其是固定至光谱 仪系统的元件。示出的框架为方形。然而，其可以具有其它形状，例如圆 形，或一些形状的组合，并且能够包括安装柱或支架。尽管为了说明的目的已经基于当前认为是最实用和优选的实施例详细 描述了本发明的光谱仪，但是要理解的是，这种细节仅用于该目的，并且本发明不限于公开的实施例，而是相反，意图在于覆盖在权利要求的精神 和范围内的修改和等同布置。
权利要求
1、一种光谱仪，包括红外源(S)，用于投射红外光束；气体样品单元(G，102)，设置于所述红外光束的路径中；具有衍射光栅(22)的扫描镜(14，32，46，60，64，68，106)，所述衍射光栅包括多条平行线且位于所述红外光束通过所述气体样品单元之后的路径中；谐振扫描器驱动系统(P，20，28)，适于使所述扫描镜围绕与所述衍射光栅线平行的轴摆动；第一聚焦元件(16，62，66，108)，设置为对由所述衍射光栅衍射的红外光束的至少一个感兴趣的频带进行聚焦；第一探测器(18，D，110)，设置为接收所述至少一个已聚焦的感兴趣的频带；以及第一探测器读取电路，可操作地耦合至所述第一探测器以接收来自所述第一探测器的信号。
2、 根据权利要求1所述的光谱仪，还包括分离器(44， 47)，位于来自所述扫描镜的所述衍射的红外光束的路径中；第二聚焦元件(48)，位于感兴趣的离散频带的相应路径中； 第二探测器(D)，设置为接收已聚焦的感兴趣的离散频带；以及 第二探测器读取电路，可操作地耦合至所述第二探测器以接收来自所 述第二探测器的信号。
3、 根据权利要求2所述的光谱仪，其中，所述分离器是用于将所述衍 射的红外光束分离成感兴趣的离散频带的二向色分离器。
4、 根据权利要求2所述的光谱仪，其中，所述第一聚焦元件是透镜或 镜，且所述第二聚焦元件是透镜或镜。
5、 根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述第一聚焦元件是透镜或镜°
6、 根据权利要求1所述的光谱仪，还包括安置于所述红外源与所述样 品单元之间的大孔径透镜(C， 104)。
全文摘要
一种用于确定气体样品中的多种气体的相应浓度或分压的健壮、紧凑的光谱仪装置，所述气体样品具有单个、以及多个、甚至重叠的吸收或出射光谱，这些谱跨越较宽的光谱范围。
文档编号G01J3/18GK101568812SQ200780048276
公开日2009年10月28日 申请日期2007年12月21日 优先权日2006年12月29日
发明者J·T·拉塞尔 申请人:Ric投资有限责任公司