專利名稱：紅外光譜術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的示例性的且非限制性的實(shí)施例大體上涉及光譜術(shù)，更特別地，涉及氣體樣品的紅外光譜術(shù)。
背景技術(shù)：
本部分意在為權(quán)利要求中所敘述的發(fā)明提供背景或上下文。這里的描述可能會(huì)包括可能被尋求的、但并不一定被在先構(gòu)想出、實(shí)施或描述的概念。因此，除在此另有說(shuō)明的以外，本部分中所描述的內(nèi)容并不是本申請(qǐng)中的說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求的現(xiàn)有技術(shù)，也不因?yàn)楸话诒静糠忠詢?nèi)而被承認(rèn)為現(xiàn)有技術(shù)。污染和空氣成分檢測(cè)中的一個(gè)重要方面是測(cè)定被懷疑是所觀測(cè)的空氣樣品中成分的化合物的特性的能力。使用光譜測(cè)定法、分譜學(xué)技術(shù)和分譜學(xué)方法是一種確定氣體(例如空氣)樣品中某些化合物存在的一種技術(shù)。這種技術(shù)通過(guò)與樣品的能量相互作用來(lái)測(cè)定樣品中給定元素或化合物的存在及其濃度。所使用的設(shè)備被稱作光譜計(jì)或攝譜儀。光譜術(shù)是物理化學(xué)或分析化學(xué)中通過(guò)由組成樣品的物質(zhì)所發(fā)出或吸收的光譜來(lái)進(jìn)行物質(zhì)鑒定時(shí)的主要方法。通過(guò)使用光譜術(shù)所獲得的數(shù)據(jù)被稱為光譜。光譜是相對(duì)于能量的波長(zhǎng)(質(zhì)量、動(dòng)量或頻率)的所檢測(cè)到的能量強(qiáng)度的繪圖?？梢允褂霉庾V來(lái)發(fā)現(xiàn)有關(guān)原子和分子能級(jí)、分子幾何構(gòu)型、化學(xué)鍵、分子的相互作用以及相關(guān)過(guò)程的信息?？梢允褂霉庾V來(lái)鑒定(定性分析)樣品中的成分。也可以通過(guò)使用光譜來(lái)測(cè)定樣品中材料的含量(定量分析)。分光儀通常包括能量源(通常是激光)以及用于測(cè)量由能量源放射出的能量在與樣品進(jìn)行相互作用后的變化的設(shè)備。相反地，樣品可以經(jīng)誘發(fā)而發(fā)光，從而不再需要外部的光源。分光儀的檢測(cè)部分通常被稱為分光光度計(jì)。移動(dòng)設(shè)備已經(jīng)被用來(lái)輔助進(jìn)行有關(guān)空氣中物質(zhì)的數(shù)據(jù)采集，例如通常與污染源有關(guān)的物質(zhì)的數(shù)據(jù)采集。這種類型的采集基本上包括三個(gè)主要步驟(a)采集樣品，(b)測(cè)定樣品與能量源的相互作用，(C)將結(jié)果傳送到服務(wù)器以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。由于被研究的氣體或粒子在空氣中，因而采集并不很難。由于可以使用標(biāo)準(zhǔn)化的無(wú)線(例如蜂窩式)接口進(jìn)行傳送，因而移動(dòng)設(shè)備把結(jié)果數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器也很簡(jiǎn)單。然而，第二步驟(測(cè)定樣品性質(zhì)) 中存在嚴(yán)重的問(wèn)題。最為直截了當(dāng)?shù)姆椒赡苁抢梅止鈨x的檢驗(yàn)。然而，目前可用的分光儀笨重、易損壞且并不是為了在現(xiàn)場(chǎng)使用而設(shè)計(jì)。盡管有例如阿爾法粒子光譜儀或質(zhì)子加速光譜儀的較小型號(hào)可以使用，但這些設(shè)備常常較貴且使用不期望的輻射進(jìn)行操作。

發(fā)明內(nèi)容
依照本發(fā)明中的示例性實(shí)施例，解決了前述的及其他的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了其他的優(yōu)
點(diǎn)ο在示例性實(shí)施例的第一方面中，提供了一種裝置，包括提供光束的光源；配置成把光束分為樣品光束和參照光束的分光器；容納要進(jìn)行分析的樣品材料的樣品路徑，對(duì)所述樣品光束進(jìn)行定向使其穿過(guò)所述樣品路徑以與所述樣品材料進(jìn)行相互作用；容納參照材料的參照路徑，對(duì)所述參照光束進(jìn)行定向使其穿過(guò)所述參照路徑以與所述參照材料進(jìn)行相互作用；色散器，配置成在所述樣品光束離開(kāi)樣品路徑后對(duì)其進(jìn)行接收以及在所述參照光束離開(kāi)參照路徑后對(duì)其進(jìn)行接收，所述色散器輸出經(jīng)色散樣品光束和經(jīng)色散參照光束；以及光探測(cè)器，配置成接收經(jīng)色散樣品光束和經(jīng)色散參照光束并輸出電信號(hào)，所述電信號(hào)包括指示樣品光束在離開(kāi)樣品路徑后的光譜和參照光束在離開(kāi)參照路徑后的光譜的數(shù)據(jù)。在示例性實(shí)施例的另一方面中，提供了一種方法，包括從光源輸出光束；將光束分為樣品光束和參照光束；對(duì)樣品光束進(jìn)行定向使其穿過(guò)容納要進(jìn)行分析的樣品材料的樣品路徑以與所述樣品材料進(jìn)行相互作用；同時(shí)，對(duì)參照光束進(jìn)行定向使其穿過(guò)容納參照材料的參照路徑以與所述參照材料進(jìn)行相互作用；在所述樣品光束離開(kāi)樣品路徑后對(duì)其進(jìn)行色散并在所述參照光束離開(kāi)參照路徑后對(duì)其進(jìn)行色散，以及輸出經(jīng)色散樣品光束和經(jīng)色散參照光束；以及從所述經(jīng)色散樣品光束和所述經(jīng)色散參照光束中生成電信號(hào)，所述電信號(hào)包括指示樣品光束離開(kāi)樣品路徑后的光譜以及參照光束離開(kāi)參照路徑后的光譜的數(shù)據(jù)。


在隨后的詳細(xì)描述中，通過(guò)結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀的方式使本發(fā)明的示例性實(shí)施例中前述的及其他的方面更為顯著，其中圖1是依照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的差分參照紅外分光儀的實(shí)施例的示意性繪圖；圖2是依照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的差分參照紅外分光儀的實(shí)施例的更詳細(xì)的繪圖；圖3示出了與中央節(jié)點(diǎn)通信的多個(gè)如圖1和圖2中所示的差分參照紅外分光儀；圖4是示出依照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的方法的操作的邏輯流程圖。
具體實(shí)施例方式這里特別引人興趣的是可以被稱為差分紅外(IR)光譜術(shù)的光譜方法，其中紅外能量同時(shí)穿過(guò)樣品材料和參照材料且被進(jìn)行檢測(cè)。參照?qǐng)D1，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，差分參照紅外分光儀(DRIRS)I包括廣譜紅外源2以及提供樣品光束3A和參照光束:3B的分光器3。樣品光束3A被施加到樣品路徑或支路4中而參照光束:3B被施加到參照路徑或支路5中。樣品支路4中容納氣體(例如空氣)，所述氣體中包含要檢測(cè)的某種化合物(例如可能存在于環(huán)境空氣中的NOx或其他化合物)的未知樣品。參照支路5中容納已知參照氣體。在樣品光束3A和參照光束;3B分別穿過(guò)樣品支路4和參照支路5后，把它們施加到例如色散棱鏡的波長(zhǎng)色散元件6上。把作為結(jié)果得到的經(jīng)色散樣品光譜6A和經(jīng)色散參照光譜6B施加到光探測(cè)器7上，例如光探測(cè)器的互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)或電荷耦合器件(CCD)線陣或面陣上，其中對(duì)經(jīng)色散樣品光譜6A和經(jīng)色散參照光譜6B進(jìn)行記錄并把它們轉(zhuǎn)化為可讀出的且可當(dāng)作結(jié)果光譜數(shù)據(jù)7A處理的電信號(hào)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，可以把結(jié)果(原始)光譜數(shù)據(jù)7A輸入到發(fā)送器(Tx) 8并通過(guò)有線和/或無(wú)線鏈路8A送至遠(yuǎn)程接收器(Rx) 9并接著提供給數(shù)據(jù)處理器10以進(jìn)行分析。鏈路8A可以是任何適宜的鏈路或鏈路的組合，例如USB鏈路、藍(lán)牙鏈路、和/或蜂窩式鏈路這三種非限制性的數(shù)據(jù)連接鏈路示例。舉例來(lái)說(shuō)，可以使用藍(lán)牙鏈路把結(jié)果光譜數(shù)據(jù) 7A輸入到移動(dòng)電話，所述移動(dòng)電話接著通過(guò)蜂窩式鏈路連接到電信網(wǎng)絡(luò)并因而連接到用于將結(jié)果光譜數(shù)據(jù)提供到數(shù)據(jù)處理器10的、例如互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)處理器10連接到可以將結(jié)果光譜數(shù)據(jù)作為文件或任何方便的形式進(jìn)行存儲(chǔ)(IlA)的至少一個(gè)存儲(chǔ)器11。 所述至少一個(gè)存儲(chǔ)器11還包括至少一個(gè)配置成對(duì)所存儲(chǔ)的結(jié)果光譜數(shù)據(jù)IlA進(jìn)行算法處理的軟件(SW)程序11B。注意，在Rx9和處理器10間的鏈路9A可以因此包括一個(gè)或多個(gè)包括互聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。在另一示例性實(shí)施例中，可以把結(jié)果(原始)光譜數(shù)據(jù)7A在DMRS 1內(nèi)部進(jìn)行處理，并且只有結(jié)果(例如對(duì)樣品氣體中的檢測(cè)到的化學(xué)物種或一種或多種化合物的鑒定) 可以被傳送到遠(yuǎn)程地點(diǎn)。在這種情況下，數(shù)據(jù)處理器10、存儲(chǔ)器11、所存儲(chǔ)的結(jié)果光譜數(shù)據(jù) IlA和SW程序IlB都可以包括在DMRS 1中(例如位于光探測(cè)器7的輸出和發(fā)送器8的輸入之間)?，F(xiàn)在通過(guò)參照?qǐng)D2對(duì)差分參照紅外分光儀(DRIRS) 1的示例性的、非限制性的實(shí)施例進(jìn)行更為詳細(xì)的說(shuō)明。在圖2中，光譜紅外能量從紅外源2，即廣譜潛流氙氣放電管或其他強(qiáng)紅外源輸出，穿過(guò)紅外帶通濾波器20并被施加到分光器3上。在一個(gè)非限制性的示例中，紅外源2輸出的波長(zhǎng)在約2500納米到約6000納米的范圍內(nèi)。分光器3可以實(shí)施為中央鏡相疊分光器并向光束3A和;3B提供基本上相等的紅外能量。一條紅外光束3A穿過(guò)氣體樣品4。樣品4 可以是被允許進(jìn)入末端封閉而沿長(zhǎng)度敞開(kāi)的管體22 (例如第一玻璃管)的環(huán)境空氣。另一條紅外光束3B沿著類似長(zhǎng)度的參照路徑支路穿過(guò)容納在末端封閉并且沿長(zhǎng)度封閉的管體 24(例如與第一玻璃管具有類似長(zhǎng)度的另一玻璃管)中的參照氣體(例如氬氣)。管體M 中的氬氣被用做參照氣體以對(duì)開(kāi)口空氣管體22中的氣體含量進(jìn)行差分光譜分析的計(jì)算。遍歷樣品管體22和參照管體M的長(zhǎng)度后，光束3A和光束被分別施加到鏡子 26以及鏡子觀、30上。鏡子沈、觀和鏡子30用于對(duì)紅外能量定向以使它們經(jīng)過(guò)相同的路徑長(zhǎng)度以及對(duì)光路進(jìn)行折疊以使光束3A和;3B 二者都能被施加到用于根據(jù)各自的波長(zhǎng)對(duì)兩條紅外光束進(jìn)行色散的色散棱鏡6。光束3A和;3B優(yōu)選在抽成真空的容器32 (例如玻璃容器)中進(jìn)行折疊，以確保光束只會(huì)在穿過(guò)環(huán)境樣品管體22和參照(氬氣)管體M時(shí)遇到分子物種。也就是說(shuō)，任何樣品和參照光束3A和;3B與吸收紅外線的化學(xué)物種間的相互作用只會(huì)沿著管體22、24的已知長(zhǎng)度發(fā)生。從棱鏡6輸出的兩條紅外光譜6A、6B被定向以穿過(guò)紅外帶通濾波器34到達(dá)未濾波CXD或COMS記錄傳感器7上，所述傳感器7捕捉氬氣和樣品氣體二者的光譜并如圖1中所示輸出結(jié)果光譜數(shù)據(jù)7A。紅外帶通濾波器34和20用于消除光電探測(cè)器通常會(huì)對(duì)之做出反應(yīng)的任何環(huán)境非紅外光。數(shù)據(jù)處理器10利用圖1中示出的軟件11B，通過(guò)對(duì)比樣品光譜和已知參照(氬氣) 光譜，計(jì)算管體22中的樣品氣體的組成成分。正如已經(jīng)描述過(guò)的，紅外光的光束被生成并分成兩條分開(kāi)的光束3A、3B。一條光束 3A穿過(guò)樣品而另一條光束:3B穿過(guò)已知參照氣體。盡管在某個(gè)時(shí)候需要將參照和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比以實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)，但這并不需要實(shí)時(shí)完成。
依照本發(fā)明的示例性實(shí)施例而使用的紅外光譜術(shù)利用了分子會(huì)以特定的頻率進(jìn)行對(duì)應(yīng)于離散能級(jí)或振動(dòng)模式的旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)這一事實(shí)。分子的勢(shì)能面的形狀、原子的質(zhì)量以及相關(guān)的振動(dòng)耦合決定了共振頻率。為了使分子中的振動(dòng)模式為紅外激活的，分子必須與永久偶極子的變化相聯(lián)系。特別地，在博恩-奧本海默和諧波近似中，例如，當(dāng)可以用平衡分子幾何構(gòu)型的鄰域中的諧振子對(duì)與電子基態(tài)對(duì)應(yīng)的分子的哈密爾敦函數(shù)進(jìn)行近似時(shí)， 與分子的電子基態(tài)勢(shì)能面對(duì)應(yīng)的正態(tài)振型決定共振頻率。簡(jiǎn)單的二原子分子只具有一個(gè)可以伸縮的鍵。更復(fù)雜的分子具有許多鍵和振動(dòng)， 它們可以結(jié)合以產(chǎn)生在可能與化學(xué)基團(tuán)有關(guān)的特征頻率處的紅外吸收。因此，可以檢查圖1和2中所示的裝置生成的樣品的紅外光譜，以揭示在每個(gè)波長(zhǎng)處樣品氣體吸收和/或透射了多少能量。透射或吸收的光譜使得可以對(duì)樣品氣體的特性進(jìn)行計(jì)算。使用廣譜紅外源2消除了對(duì)使用復(fù)合單色波長(zhǎng)的需求。在一些常規(guī)的紅外方法中，執(zhí)行傅里葉變換以使得可以同時(shí)對(duì)所有的波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量。然而，在依照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的差分參照方法中，紅外能量并不穿過(guò)干涉儀。由于沒(méi)有生成干涉圖，這里并不需要對(duì)傅里葉變換進(jìn)行運(yùn)算。由于氣體對(duì)紅外輻射通常呈現(xiàn)出相對(duì)較弱的吸收率，因此可以為樣品管體22和參照(氬氣)管體M 二者都使用例如約5厘米長(zhǎng)的路徑。應(yīng)當(dāng)理解的是DMRS 1的示例性實(shí)施例并不僅僅被限制為上述的特征。舉例來(lái)說(shuō)，作為紅外源2所使用的潛流氙氣放電管可以由多種非限制性的示例所取代，所述示例包括鹵素紅外源、如GaAlAs紅外發(fā)射器的III-V族半導(dǎo)體器件、激光二極管、發(fā)光二極管或氮?dú)?空氣)弧光燈?？梢栽谲浖袑?shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射帶寬的適當(dāng)校正。由于空氣中的三種主要成分是氮78%、氧21%和氬0. 93%，因而參照氣體被選擇為氬氣。通常地，氬氣可以相對(duì)便宜地從空氣液化中獲得。然而，在其他實(shí)施例中，可以在參照支路5中使用另一種基本不起反應(yīng)的氣體來(lái)取代氬氣。在前面指出過(guò)，示例和參照管體22J4每個(gè)都至少有約5厘米長(zhǎng)，以使得足夠的樣品分子暴露給紅外能量。然而，在對(duì)由紅外源2輸出的紅外能量進(jìn)行相應(yīng)增加的情況下，也可以使用長(zhǎng)度短于約5厘米的樣品和參照管體。比5厘米更長(zhǎng)的樣品和參照管體22、24同樣可以使用。(XD/CM0S檢測(cè)器7的兩個(gè)延長(zhǎng)區(qū)域暴露給兩條經(jīng)色散紅外光束6A、6B。軟件/算法IlB (不論是位于DMRS 1的外部還是位于DMRS 1的內(nèi)部)編程有例如氬氣的參照氣體的“真實(shí)”光譜。進(jìn)行這一步是為了使得可以對(duì)歸因于紅外源2的特性的光譜改變進(jìn)行檢測(cè)和校正，所述特性如電壓發(fā)射帶寬、老化、不潔的光學(xué)器件等。對(duì)參照氣體的讀取允許對(duì)光譜校正的應(yīng)用。因此DRIRS 1的差分方面產(chǎn)生于對(duì)例如氬氣的標(biāo)準(zhǔn)氣體的使用，以測(cè)定差光譜，而DRIRS 1的參照方面產(chǎn)生于信號(hào)處理器(圖1中示出的處理器10)編程有允許對(duì)參照光譜進(jìn)行校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射的事實(shí)。圖3示出了多個(gè)如圖1和2中示出的與中央節(jié)點(diǎn)40進(jìn)行通信的DMRS 1。這些 DRIRS 1可以被分散到很大的地理區(qū)域上并通過(guò)有線和/或無(wú)線通信鏈路與中央節(jié)點(diǎn)40進(jìn)行通信。對(duì)于圖1中示出的實(shí)施例，每個(gè)單獨(dú)的DMRS 1都可以發(fā)送之后在中央節(jié)點(diǎn)40進(jìn)行處理的原始結(jié)果光譜數(shù)據(jù)7A。在這種情況下，數(shù)據(jù)處理器10和存儲(chǔ)器11可以存在于中央節(jié)點(diǎn)40中。作為選擇地，當(dāng)數(shù)據(jù)處理器10和存儲(chǔ)器11存在于每個(gè)DMRS 1中時(shí)，每個(gè)單獨(dú)的DRIRS 1可以發(fā)送對(duì)結(jié)果光譜數(shù)據(jù)7A在本地進(jìn)行處理后的結(jié)果。可以把單獨(dú)的DRIRS 1固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，例如安裝在建筑物或其他一些構(gòu)造物的頂部，并通過(guò)有線或無(wú)線連接進(jìn)行通信。作為選擇地，可以把一個(gè)或多個(gè)DMRS 1裝配在移動(dòng)平臺(tái)上并通過(guò)無(wú)線連接進(jìn)行通信。在這種情況下，可以在DMRS 1或移動(dòng)平臺(tái)中包含適當(dāng)?shù)奈恢脺y(cè)定裝置(例如GPS 接收器)，并且當(dāng)前位置數(shù)據(jù)也被傳送到中央節(jié)點(diǎn)40。應(yīng)當(dāng)理解的是，通過(guò)使用示例性實(shí)施例所得到的可觀的技術(shù)效果和技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于提供了一種技術(shù)，用于產(chǎn)生可以用來(lái)對(duì)例如空氣中的雜質(zhì)或污染物等成分進(jìn)行評(píng)估的空氣或其他氣體化合物的廉價(jià)的光譜。由于DRIRS 1不需要包含移動(dòng)的部分(例如掃描鏡或類似物)，它可以被制作得非常結(jié)實(shí)并適宜在極端環(huán)境中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)使用。進(jìn)一步，通過(guò)使用參照氣體支路5，DRIRS 1可以被認(rèn)為基本上可以自行校準(zhǔn)，因而不需要經(jīng)常進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)和校準(zhǔn)工作。基于前述，可以明顯的知道本發(fā)明的示例性實(shí)施例提供了一種檢測(cè)一種或多種化合物是否在環(huán)境氣體混合物中存在的方法、裝置以及計(jì)算機(jī)程序。圖4是示出依照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的方法的操作的邏輯流程圖。在塊4A中， 所述方法執(zhí)行從光源輸出光束的步驟。在塊4B中，所述方法執(zhí)行將光束分為樣品光束和參照光束。在塊4C中，所述方法執(zhí)行對(duì)樣品光束進(jìn)行定向使其穿過(guò)容納要進(jìn)行分析的樣品材料的樣品路徑以與樣品材料進(jìn)行相互作用。在塊4D中，所述方法執(zhí)行同時(shí)對(duì)參照光束進(jìn)行定向使其穿過(guò)容納參照材料的參照路徑以與參照材料進(jìn)行相互作用。在塊4E中，所述方法執(zhí)行在樣品光束離開(kāi)樣品路徑后對(duì)其進(jìn)行色散并在參照光束離開(kāi)參照路徑后對(duì)其進(jìn)行色散，以及輸出經(jīng)色散樣品光束和經(jīng)色散參照光束。在塊4F中，所述方法執(zhí)行從經(jīng)色散樣品光束和經(jīng)色散參照光束中生成電信號(hào)，所述電信號(hào)包括指示樣品光束離開(kāi)樣品路徑后的光譜以及參照光束離開(kāi)參照路徑后的光譜的數(shù)據(jù)。在塊4G中，所述方法還執(zhí)行對(duì)所述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以檢測(cè)是否存在構(gòu)成樣品材料的至少一種類型的分子物種，其中所述處理包括在樣品光束的光譜中檢測(cè)歸因于樣品材料中所述至少一種類型的分子物種的存在的對(duì)特定波長(zhǎng)的吸收和透射的至少之一，以及還包括依照用于參照光束的光譜校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射，使用參照光束的光譜來(lái)確定差光譜。在之前段落中的方法中，其中樣品材料包括空氣，以及其中參照材料包括例如氬氣的空氣中的組成成分。在之前段落中的方法中，其中光源是廣譜紅外源并可以具有約2500納米到約 6000納米范圍內(nèi)的波長(zhǎng)。在之前段落中的方法中，其中的色散使用色散棱鏡實(shí)現(xiàn)，并且其中生成電信號(hào)包括操作光探測(cè)器的電荷耦合器件陣列或光探測(cè)器的互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體陣列。在之前段落中的方法中，其中樣品路徑包括向周圍環(huán)境敞開(kāi)以接收環(huán)境空氣的樣品管體，其中參照路徑包括容納有氬氣的密封參照管體，以及其中樣品管體的長(zhǎng)度與參照管體的長(zhǎng)度相等。圖4中示出的不同塊可以被看作方法步驟，和/或被看作由計(jì)算機(jī)程序代碼的運(yùn)算而產(chǎn)生的操作，和/或被看作為了實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能而被構(gòu)建的多個(gè)耦合的邏輯電路元件。
示例性實(shí)施例中還提供了一種裝置，包括提供光束的光源；配置成把光束分為樣品光束和參照光束的分光器；容納要進(jìn)行分析的樣品材料的樣品路徑，對(duì)樣品光束進(jìn)行定向使其穿過(guò)樣品路徑以與樣品材料進(jìn)行相互作用；容納參照材料的參照路徑，對(duì)參照光束進(jìn)行定向使其穿過(guò)參照路徑以與參照材料進(jìn)行相互作用；色散器，配置成在樣品光束離開(kāi)樣品路徑后對(duì)其進(jìn)行接收以及在參照光束離開(kāi)參照路徑后對(duì)其進(jìn)行接收，所述色散器輸出經(jīng)色散樣品光束和經(jīng)色散參照光束；以及光探測(cè)器，配置成接收經(jīng)色散樣品光束和經(jīng)色散參照光束并輸出電信號(hào)，所述電信號(hào)包括指示樣品光束在離開(kāi)樣品路徑后的光譜以及參照光束在離開(kāi)參照路徑后的光譜的數(shù)據(jù)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，所述裝置還包括連接到存儲(chǔ)有軟件程序的存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)處理器，所述數(shù)據(jù)處理器配置成對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以檢測(cè)是否存在構(gòu)成樣品材料的至少一種類型的分子物種；以及配置成向接收器傳送經(jīng)處理的數(shù)據(jù)的發(fā)送器。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，所述裝置包括配置成向遠(yuǎn)程接收器傳送數(shù)據(jù)以進(jìn)行處理的發(fā)送器。示例性實(shí)施例還提供了一種裝置，包括用于從光源輸出光束的裝置；用于將光束分為樣品光束和參照光束的裝置；用于對(duì)樣品光束進(jìn)行定向使其穿過(guò)容納要進(jìn)行分析的樣品材料的樣品路徑以與樣品材料進(jìn)行相互作用的裝置；用于同時(shí)對(duì)參照光束進(jìn)行定向使其穿過(guò)容納參照材料的參照路徑以與參照材料進(jìn)行相互作用的裝置；用于在樣品光束離開(kāi)樣品路徑后對(duì)其進(jìn)行色散并在參照光束離開(kāi)參照路徑后對(duì)其進(jìn)行色散以及用于輸出經(jīng)色散樣品光束和經(jīng)色散參照光束的裝置；以及用于從經(jīng)色散樣品光束和經(jīng)色散參照光束中生成電信號(hào)的裝置，其中所述電信號(hào)包括指示樣品光束離開(kāi)樣品路徑后的光譜以及參照光束離開(kāi)參照路徑后的光譜的數(shù)據(jù)。通常，不同的示例性實(shí)施例可以在硬件或?qū)Ｓ秒娐?、軟件、邏輯線路或任何它們的結(jié)合中實(shí)現(xiàn)。舉例來(lái)說(shuō)，盡管本發(fā)明沒(méi)有被限制在其中，但一些方面可以在硬件中實(shí)現(xiàn)，而其他方面可以在能夠由控制器、微處理器或其他計(jì)算裝置執(zhí)行的固件或軟件中實(shí)現(xiàn)。盡管本發(fā)明的示例性實(shí)施例的不同方面可以通過(guò)結(jié)構(gòu)圖、流程圖、或使用一些其他圖形表示來(lái)說(shuō)明和描述，應(yīng)當(dāng)理解的是這里所描述的這些模塊、裝置、系統(tǒng)、技術(shù)或方法可以作為非限制性的示例而在下述各項(xiàng)中實(shí)現(xiàn)硬件、軟件、固件、專用電路或邏輯線路、通用硬件或控制器或其他計(jì)算裝置、或它們的某種結(jié)合。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是本發(fā)明的示例性實(shí)施例中的至少一些方面可以在例如集成電路芯片和模塊的不同元件中實(shí)踐，并且本發(fā)明的示例性實(shí)施例可以在實(shí)施為集成電路的裝置中實(shí)現(xiàn)。所述集成電路，或電路，可以包括用于使下述中的至少一個(gè)或多個(gè)具體化的電路 (以及可能的固件)可配置以便根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例而進(jìn)行操作的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)處理器，一個(gè)或多個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器，基帶電路和射頻電路。當(dāng)把前述的說(shuō)明連同附圖一起閱讀時(shí)，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，對(duì)前述的本發(fā)明的示例性實(shí)施例的不同的變化和適應(yīng)性改變是顯而易見(jiàn)的。然而，任何或全部的改變?nèi)詫⒙淙氡景l(fā)明的示例性實(shí)施例的非限制性的范圍。舉例來(lái)說(shuō)，也可以使用輸出非紅外光的其他光源。進(jìn)一步舉例，盡管是在對(duì)氣體(例如環(huán)境空氣)進(jìn)行分析的上下文中進(jìn)行的描述的，在其他實(shí)施例中樣品管體22中可以容納流過(guò)管體的樣品液體(例如廢水)，而參照管體M中可以容納參照液體(例如無(wú)菌的蒸餾水)。在這些作為選擇的實(shí)施例中，可以對(duì)光源2進(jìn)行改變/選擇以提供適宜與樣品材料和所選擇的參照材料一同使用的波長(zhǎng)范圍(以及輸出功率)。應(yīng)當(dāng)注意的是術(shù)語(yǔ)“連接”、“耦合”或它們的任何變體，意指直接或間接的、兩個(gè)或多個(gè)元件間的連接或耦合，并且可以涵蓋位于兩個(gè)“連接”或“耦合”在一起的一個(gè)或多個(gè)中間級(jí)元件的出現(xiàn)。元件間的耦合或連接可以是物理的、邏輯的、或它們的結(jié)合。如同這里所使用的，兩個(gè)元件可以通過(guò)以下作為多種非限定性的和非徹底的示例而被認(rèn)為是“連接”或 “耦合”在一起的使用一根或多跟電線、電纜和/或印刷電連接，以及使用例如具有射頻波段、微波波段和光學(xué)(可見(jiàn)和不可見(jiàn)二者)波段中波長(zhǎng)的電磁能的電磁能。進(jìn)一步，可以對(duì)本發(fā)明的多種非限制性的、示例性的實(shí)施例中的部分特征進(jìn)行使用以獲得利益而不需要相應(yīng)地使用其他特征。照此，前述的描述應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為僅僅是對(duì)本發(fā)明的原理、講授和示例性實(shí)施例的解說(shuō)性描述，而并不是對(duì)它們的限制。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括提供光束的光源；分光器，配置成把所述光束分為樣品光束和參照光束；容納要進(jìn)行分析的樣品材料的樣品路徑，對(duì)所述樣品光束進(jìn)行定向使其穿過(guò)所述樣品路徑以與所述樣品材料進(jìn)行相互作用；容納參照材料的參照路徑，對(duì)所述參照光束進(jìn)行定向使其穿過(guò)所述參照路徑以與所述參照材料進(jìn)行相互作用；色散器，配置成在所述樣品光束離開(kāi)所述樣品路徑后對(duì)其進(jìn)行接收以及在所述參照光束離開(kāi)所述參照路徑后對(duì)其進(jìn)行接收，所述色散器輸出經(jīng)色散樣品光束和經(jīng)色散參照光束；以及光探測(cè)器，配置成接收所述經(jīng)色散樣品光束和所述經(jīng)色散參照光束并輸出電信號(hào)，所述電信號(hào)包括指示所述樣品光束在離開(kāi)所述樣品路徑后的光譜以及所述參照光束在離開(kāi)所述參照路徑后的光譜的數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括數(shù)據(jù)處理器，連接到存儲(chǔ)有軟件程序的存儲(chǔ)器，所述數(shù)據(jù)處理器配置成對(duì)所述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以檢測(cè)是否存在構(gòu)成所述樣品材料的至少一種類型的分子物種；以及發(fā)送器，配置成向接收器傳送經(jīng)處理的數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括配置成向遠(yuǎn)程接收器傳送所述數(shù)據(jù)的發(fā)送器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中處理包括在所述樣品光束的光譜中檢測(cè)歸因于所述樣品材料中所述至少一種類型的分子物種的存在的對(duì)特定波長(zhǎng)的吸收和透射的至少之一，以及還包括依照用于所述參照光束的光譜校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射，使用所述參照光束的光譜來(lái)確定差光譜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任何一個(gè)的裝置，其中所述樣品材料包括空氣，以及其中所述參照材料包括空氣中的組成成分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任何一個(gè)的裝置，其中所述樣品材料包括空氣，以及其中所述參照材料包括氬氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任何一個(gè)的裝置，其中所述光源是廣譜紅外源。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中任何一個(gè)的裝置，其中所述光源是具有約2500納米到約6000 納米范圍內(nèi)的波長(zhǎng)的紅外源。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8中任何一個(gè)的裝置，其中所述色散器包括色散棱鏡，以及其中所述光探測(cè)器包括光探測(cè)器的電荷耦合器件陣列或光探測(cè)器的互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體陣列。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任何一個(gè)的裝置，其中所述樣品路徑包括向周圍環(huán)境敞開(kāi)以接收環(huán)境空氣的樣品管體，其中所述參照路徑包括容納有氬氣的密封參照管體，以及其中所述樣品管體的長(zhǎng)度與所述參照管體的長(zhǎng)度相等。
11.一種方法，包括從光源輸出光束；將所述光束分為樣品光束和參照光束；對(duì)所述樣品光束進(jìn)行定向使其穿過(guò)容納要進(jìn)行分析的樣品材料的樣品路徑以與所述樣品材料進(jìn)行相互作用；同時(shí)，對(duì)所述參照光束進(jìn)行定向使其穿過(guò)容納參照材料的參照路徑以與所述參照材料進(jìn)行相互作用；在所述樣品光束離開(kāi)所述樣品路徑后對(duì)其進(jìn)行色散并在所述參照光束離開(kāi)所述參照路徑后對(duì)其進(jìn)行色散，以及輸出經(jīng)色散樣品光束和經(jīng)色散參照光束；以及從所述經(jīng)色散樣品光束和所述經(jīng)色散參照光束中生成電信號(hào)，所述電信號(hào)包括指示所述樣品光束在離開(kāi)所述樣品路徑后的光譜以及所述參照光束在離開(kāi)所述參照路徑后的光譜的數(shù)據(jù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，還包括對(duì)所述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以檢測(cè)是否存在構(gòu)成所述樣品材料的至少一種類型的分子物種；以及將經(jīng)處理的數(shù)據(jù)傳送到接收器。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，還包括將所述數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程接收器。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中處理包括在所述樣品光束的光譜中檢測(cè)歸因于所述樣品材料中所述至少一種類型的分子物種的存在的對(duì)特定波長(zhǎng)的吸收和透射的至少之一， 以及還包括依照用于所述參照光束的光譜校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射，使用所述參照光束的光譜來(lái)確定差光譜。
15.根據(jù)權(quán)利要求11到14中任何一個(gè)的方法，其中所述樣品材料包括空氣，以及其中所述參照材料包括空氣中的組成成分。
16.根據(jù)權(quán)利要求11到14中任何一個(gè)的方法，其中所述樣品材料包括空氣，以及其中所述參照材料包括氬氣。
17.根據(jù)權(quán)利要求11到16中任何一個(gè)的方法，其中所述光源是廣譜紅外源。
18.根據(jù)權(quán)利要求11到17中任何一個(gè)的方法，其中所述光源是具有約2500納米到約 6000納米范圍內(nèi)的波長(zhǎng)的紅外源。
19.根據(jù)權(quán)利要求11到18中任何一個(gè)的方法，其中所述色散使用色散棱鏡實(shí)現(xiàn)，并且其中所述生成電信號(hào)包括操作光探測(cè)器的電荷耦合器件陣列或光探測(cè)器的互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體陣列。
20.根據(jù)權(quán)利要求11到19中任何一個(gè)的方法，其中所述樣品路徑包括向周圍環(huán)境敞開(kāi)以接收環(huán)境空氣的樣品管體，其中所述參照路徑包括容納有氬氣的密封參照管體，以及其中所述樣品管體的長(zhǎng)度與所述參照管體的長(zhǎng)度相等。
全文摘要
本發(fā)明涉及紅外光譜術(shù)。一種裝置，包括提供光束的光源；配置成把光束分為樣品光束和參照光束的分光器；容納要進(jìn)行分析的樣品材料的樣品路徑，對(duì)樣品光束進(jìn)行定向使其穿過(guò)樣品路徑以與樣品材料進(jìn)行相互作用；容納參照材料的參照路徑，對(duì)參照光束進(jìn)行定向使其穿過(guò)參照路徑以與參照材料進(jìn)行相互作用；色散器，配置成在樣品光束離開(kāi)樣品路徑后對(duì)其進(jìn)行接收以及在參照光束離開(kāi)參照路徑后對(duì)其進(jìn)行接收，所述色散器輸出經(jīng)色散樣品光束和經(jīng)色散參照光束；以及光探測(cè)器，配置成接收經(jīng)色散樣品光束和經(jīng)色散參照光束并輸出電信號(hào)，所述電信號(hào)包括指示樣品光束在離開(kāi)樣品路徑后的光譜和參照光束在離開(kāi)參照路徑后的光譜的數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)G01N21/35GK102192892SQ201110034980
公開(kāi)日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月28日
發(fā)明者K·特拉克頓, Q·雅各布森 申請(qǐng)人:諾基亞公司