Газоанализатор на основе микроспектрометра

Газоанализатор на основе микроспектрометра

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 каж