多通光学系统中的流体样本的隔离的制作方法

1.本发明涉及多通光学系统中的流体样本的隔离。


背景技术：

2.化学流体分析可以使用各种类型的光吸收光谱进行，包括激光吸收光谱。这些技术的灵敏度通过使用多通光学单元来提高。在多通光学单元中，通过使用反射镜多次反射通过待分析的样本(例如，气体)的光，增加由诸如激光的光源发射的光的光学路径长度。多通单元有多种配置，诸如white单元、herriott单元、chernin单元和robert单元等。
3.在现有的多通光学单元中，由于各种原因，反射镜直接暴露于待分析的样本。然而，将组件(诸如可操作以调整反射镜的姿势的反射镜和/或光机械组件)直接暴露给待分析的样本可能会带来各种挑战。许多样本可能具有腐蚀性和/或可能具有会损坏高反射率反射镜的极端温度。此外，许多样本中包含的颗粒物质可能会沉积在这些反射镜上和/或划破这些反射镜。
4.在反射镜/组件和样本之间放置诸如光学窗口的传统保护层可能会使光束偏转和/或扭曲，和/或可能引入在多次通过期间降低可用光功率的光学损耗。此外，从多通单元内的其他表面反射的光学辐射可能会在称为“干涉条纹”的现象中干扰其他光束——例如，激光吸收光谱灵敏度的主要限制因素。


技术实现要素：

5.本文描述了用于将多通光学系统的反射镜和/或其他光机械组件与待分析的样本隔离，同时减轻干扰和/或降低光功率的实施方式。在各种实施方式中，光学单元可设有一个或更多个光学元件，例如光学窗口。在一些情况下，可以在光学单元的彼此相对的端采用两个光学元件。光学元件可由诸如允许光通过的玻璃或透明聚合物的材料构造，并且在一些情况下可以全部或部分地涂覆有抗反射材料。
6.如前所述，如果平面光学元件以直角部署以气密地密封光学单元，则它们可能引入在与主光束相同的方向上传播的多个不需要的反射光束。这种意外反射与主光束的重叠是已知的基线调制源(干涉条纹)，它限制了吸收光谱的灵敏度。为了避免这种不希望的影响，在一些实施方式中，密封光学单元的光学元件(有时在本文中称为“窗口”)可以是楔形的并且另外与系统的光轴成角度。每个楔形、倾斜的光学元件都会对入射光束引入位移和角度偏差。然而，两个这样的元件的正确取向导致几乎完全消除光学偏移和偏差。对于所有光束的平面传播，抵消是最有效的。因此，在一些实施方式中，具有近平面光学几何形状的white单元配置可能优于其他配置，例如herriott单元。
7.可提供光源来发射光，该光穿过楔形光学元件之一、穿过光学单元内部并朝向光学单元相对侧的潜在多个反射镜之一(有时称为“物镜”)。光源可以采用各种形式并且可以发射各种类型的光，或更一般地，电磁辐射，其对于人眼可能可见或可能不可见。在一些情况下，光源可以发射相干光并且可以采用激光的形式。在其他情况下，光源发出非相干光。
可以使用一个或更多个光学元件(例如透镜和/或反射镜)将非相干光耦合到多通光学单元。无论哪种情况，该相干或聚焦光束都可能从物镜反射到另一个反射镜——有时称为“场镜”——这反过来又可以将光反射回另一个物镜。这可以重复多次，每次重复都会延长整个光学路径，从而延长多通光学系统的精度。
8.还可以部署诸如光电二极管的光探测器来探测离开光学单元的光。可以分析该探测到的光以确定样本的多种不同特性，诸如其对各种波长的光的反应、密度和/或样本中包含的特定物质的其他属性等。探测到的光可以被多通光学系统的反射镜反射。例如，靠近场镜放置的光电二极管可以捕获从一个物镜通过光学单元(包括通过相对的楔形光学元件)反射的光。
9.在此描述的光束和反射镜可能不能容忍与精确对齐的甚至轻微的偏差。例如，从物镜反射的光束可能需要在精确的点到达场镜；否则光束可能不会从场镜在正确的方向上反射。因此，在另一方面，本文描述了涉及模板的实施方式，该模板包括用于将从物镜反射的光束与场镜上的期望点对齐的多个孔。配置有本公开的选定方面的模板的形状和/或尺寸可以使其能够精确地装配到与多通光学系统相关联的互补结构中。例如，多通光学系统可以包括对齐导轨或凹槽，并且模板可以包括尺寸和形状适合于对齐导轨/凹槽的延伸部或突出部。一旦如此对齐，模板的孔径可以与场镜上的从物镜反射的光应该撞击的位置对齐。
10.在各种实施方式中，多通光学系统可以包括：气密地密封的光学单元，其用于接收用于多通光学分析的流体样本；两个相对的楔形光学元件，其设置在光学单元的相对端；场镜，其具有面向光学单元内部的第一凹反射表面；多个物镜，每一个物镜具有面向场镜的第一凹反射表面的相应凹反射表面；光源，其用于发射光以通过光学单元朝向多个物镜中的一个的凹反射表面；和光探测器，其用于探测从多个物镜中的另一个的凹反射表面反射的光。
11.在各种实施方式中，两个相对的楔形光学元件可以相对于场镜和多个物镜以不平行的角度布置。在各种实施方式中，角度可以在0
°
和4
°
之间，诸如在1
°
和3
°
之间。在各种实施方式中，楔形光学元件中的每一个可以以0
°
和4
°
之间(诸如在0.5
°
到3
°
的范围)的角度逐渐变细。
12.在各种实施方式中，两个相对的楔形光学元件中的每一个从较厚端到较薄端逐渐变细。相对的楔形光学元件中的一个的较厚端可以跨光学单元与相对的楔形光学元件中的另一个的较薄端对齐。
13.在另一方面，一种装置可以包括：光学单元，其具有一个或更多个通道，一个或更多个通道被提供用于将样本引入到光学单元的内部中进行分析和从内部去除样本；第一反射镜，其具有面向光学单元的内部的第一反射表面；一个或更多个附加反射镜，其具有面向第一反射镜的第一反射表面的一个或更多个对应的附加反射表面；和楔形光学元件，其被定位在第一反射镜和光学单元的内部之间。
14.在各种实施方式中，楔形光学元件可以在一端气密地密封光学单元的内部。在各种实施方式中，楔形光学元件至少部分地涂覆有抗反射材料。在各种实施方式中，楔形光学元件可以相对于第一反射镜以非平行角度布置。在各种实施方式中，该角度在0
°
和4
°
之间，诸如在1
°
到3
°
的范围内。在各种实施方式中，楔形光学元件以0
°
到4
°
之间(诸如在0.5
°
到3
°
的范围内)的角度逐渐变细。
15.在各种实施方式中，楔形光学元件可以是第一楔形光学元件，并且该装置可以还包括被定位在一个或更多个附加反射镜与光学单元的内部之间的第二楔形光学元件。在各种实施方式中，第二楔形光学元件可以相对于一个或更多个附加反射镜以非平行角度布置。在各种实施方式中，该角度可以是第一角度，第一楔形光学元件可以相对于第一反射镜以第二角度布置，并且第一角度和第二角度可以基本一致。
16.在各种实施方式中，第二楔形光学元件可以在一端气密地密封光学单元的内部。在各种实施方式中，第一和第二楔形光学元件中的每一个都可以从较厚端向较薄端逐渐变细。第一楔形光学元件的较厚端可以跨光学单元与第二楔形光学元件的较薄端对齐。第一楔形光学元件的较薄端可以跨光学单元与第二楔形光学元件的较厚端对齐。
17.在又一个方面，一种方法可以包括：为光源提供能量来发射光束以通过第一楔形光学元件进入包含流体样本的光学单元的内部，并通过相对的第二楔形光学元件朝向在光学单元的与第一楔形元件的相对侧的第一反射镜；在光电二极管处探测从在光学单元的与第一楔形光学元件的相对侧的第二反射镜反射的反射光束，其中，反射光束穿过第二楔形光学元件、光学单元的内部以及第一楔形光学元件；以及分析反射光束以确定流体样本的特性。
18.在各种实施方式中，该方法还可以包括使用包括多个孔的模板来校准第三反射镜。在各种实施方式中，第一和第二反射镜是物镜，而第三反射镜是场镜。在各种实施方式中，校准可以包括将多个孔径与场镜上被物镜反射的光束到达的点对齐。
19.应当理解，上述概念和本文更详细描述的附加概念的所有组合都被认为是本文公开的主题的一部分。例如，出现在本公开末尾的要求保护的主题的所有组合都被认为是本文公开的主题的一部分。
附图说明
20.图1示意性地描绘了根据各种实施方式的其中可以采用本公开的选定方面的示例多通光学系统。
21.图2a、图2b、图2c和图2d描绘了根据各种实施方式的可用于对齐多通系统的组件的示例模板。
22.图3是根据本文描述的各种实现方式的示例方法的流程图。
具体实施方式
23.图1示意性地描绘了根据各种实施方式的其中可以采用本公开的选定方面的示例多通光学系统100。图1中描绘的组件未按比例绘制。出于说明的目的，夸大了各种组件尺寸和各种组件之间的空间关系(例如，角度)。
24.多通光学系统100包括光学单元102，该光学单元102被配置为接收流体样本104以进行多通光学分析，并且该光学单元102包括限定内部106的一个或更多个壁103。一个或更多个壁103可以取决于光学单元102的形状而采取各种形式。例如，在图1中，光学单元102可以具有圆柱形形状(在图1的横截面中示出)并且因此可以存在单个壁103。在光学单元102具有其他形状的实施方式中，可以存在多于一个壁103。
25.如本文所用，“流体样本”是指任何流体，无论是液态形式还是气态形式。在各种实施方式中，光学单元102可以例如通过一个或更多个壁103和/或通过本文所述的其他元件被气密地密封，使得流体样本104除了在选定位置之外不能逸出内部106。例如，光学单元102可以包括通过壁103的一个或更多个通道108a、108b，其是被提供用于将流体样本104引入光学单元102的内部106以用于分析和用于从内部106去除流体样本104(例如，用诸如氮气的惰性气体吹扫)的选定位置。在图1中，第一通道108a用于将流体样本104引入内部106，第二通道108b用于从内部106去除流体样本104，但这并不意味着限制。通道108a、108b可以采用各种形式，诸如可操作以允许和/或阻止流入内部106/流出内部106的通道的阀。
26.多通光学系统100还可以包括一个或更多个相对的楔形光学元件110a、110b，其设置在光学单元102的相对端。每个楔形光学元件110可以在一侧或两侧逐渐变细。在图1中，楔形光学元件110a、110b在一侧以角度β逐渐变细，但这并不意味着是限制性的。在各种实施方式中，角度β可以具有各种大小，诸如在0
°
和4
°
之间。例如，角度β可以从1
°
到3
°
，或2
°
到3
°
。在一些实施方式中，楔形光学元件110a、110b在一端或两端气密地密封光学单元102的内部106。在一些实施方式中，楔形光学元件110a、110b可以至少部分地涂覆有抗反射材料，诸如具有对比折射率的交替层的膜。
27.逻辑部101可以被提供并与光源112和光探测器121可操作地耦合。逻辑部101可以采用各种形式，诸如一个或更多个处理器，其执行存储在存储器(未描绘)中的指令以分析流体样本104以便确定流体样本104的一个或更多个特征。例如，从光学单元102的内部106内反射的光束可以由逻辑部101使用诸如包括激光吸收光谱的光吸收光谱的技术分析。在一些实施方式中，逻辑部101可以包括模拟前端，诸如用于光源112的激光或led驱动器和用于光探测器121的放大器。在其他实施方式中，逻辑部101可以采用其他形式，诸如专用集成电路(asic)和/或现场可编程门阵列(fpga)。
28.多通光学系统100还可包括各种尺寸和形状的反射镜的各种布置。反射镜可以相对于彼此定位以便在光学单元102的内部106内多次反射由光源112发射的光。因此，穿过流体样本104以确定流体样本104的属性的光的光学路径增加，从而增加对光吸收的敏感性。光源112可以采用各种形式，诸如图1中描绘的发光二极管(led)。光源112可以发射相干光或非相干光。在前一种情况下，光源112可以采用激光源或光纤的形式，其传送从外部激光源发射的激光。在每种情况下，可以提供一个或更多个附加光学元件，诸如透镜和反射镜(未描绘)，以将光源112发射的光耦合到多通配置。光探测器121可包括光收集光学器件，诸如一个或更多个透镜和/或反射镜(未描绘)。
29.在图1中，光学单元102采用white单元的形式。因此，多通光学系统100的反射镜在光学单元102的一端包括具有面向光学单元内部的第一凹反射表面116的场镜114。多个(例如，两个)物镜118a、118b布置在光学单元102的相对端。物镜118a、118b可以包括面向场镜114的第一凹反射表面116的相应凹反射表面120a、120b。图1并不意味着是限制性的，并且在此描述的实施方式不限于white单元式光学单元。
30.在一些实施方式中，场镜114和物镜118a、118b中的每一个的曲率半径以及场镜114和物镜118a、118b之间的距离可以在100和1,500mm之间，诸如1,000mm。在一些实施方式中，场镜114可以具有在0.5”和2”之间的直径，诸如1.0”。在一些实施方式中，物镜118a、118b可以具有在0.25”和1.0”之间的直径，诸如0.5”。
31.光源112可以被定位和/或瞄准，使得当(例如，通过逻辑部101)被提供能量时，它发射光以通过光学单元102朝向物镜118b的凹反射表面120b。如虚线箭头所示，该光在场镜114和物镜118a、118b之间反复来回反射。需要说明的是，图1所示的反射量仅作为示例提供，可以发生更多或更少的光反射。最后，光探测器121可以探测从物镜118a的凹反射表面120a反射的光。光探测器121可以是各种形式的光电探测器，诸如光电二极管。
32.如前所述，如果平面光学元件以直角部署在光学单元102的相对侧，则它们可能会引入多个不希望的反射光束，这些光束在与光源112发射的主光束相同的方向上传播。因此，在各种实施方式中，除了楔形之外，楔形光学元件110a、110b可以相对于光学单元102的纵轴113稍微倾斜。例如，在图1中，楔形光学元件110a、110b以相对于场镜114(以及相对于物镜118a、118b)的非平行且基本一致的角度α布置。在一些实施方式中，角度α可以在0.5
°
和4
°
之间，诸如3
°
。并且在一些实施方式中，角度β可以在0.5
°
和3
°
之间，诸如1.5
°
。
33.由于它们的逐渐变细的形状，每个楔形光学元件110a和110b从较厚端122a、122b到较薄端124a、124b逐渐变细。在各种实施方式中，第一楔形光学元件110a的较厚端122a可以跨光学单元102与第二楔形光学元件110b的较薄端124b对齐。同样地，第一楔形光学元件110a的较薄端124a可以跨光学单元102与第二楔形光学元件的较厚端122b对齐。
34.楔形光学元件110a、110b相对于彼此以及相对于多通光学系统100的其他组件的方向和/或逐渐变细可以确保对光的偏移和/或偏差(否则将发生)进行一阶补偿。特别地，楔形光学元件110a、110b，当如图1所示定向时，对从光源112发射的光的传播引入最小的扰动。
35.如前所述，流体样本104可以具有诸如温度、微粒、酸度等特性，这些特性会腐蚀或以其他方式损坏场镜114和物镜118a、118b和/或例如可操作以对场镜114和/或物镜118a、118b进行调整的其他光机械组件。可以部署楔形光学元件110a和110b以例如通过气密地密封光学单元102将场镜114和/或物镜118a、118b与光学单元102的内部106隔离。因此，楔形光学元件110a、110b可以保护场镜114和/或物镜118a、118b免受损坏，其否则会因暴露于流体样本104而发生损坏。
36.如前所述，例如反射镜114、118a、118b的多通光学系统100的组件可能无法容忍与精确对齐的甚至轻微偏差。例如，从物镜反射的光束可能需要在精确点处到达场镜114；否则光束可能不会从场镜114适当地反射(例如，反射的辐射可能不会返回到期望的物镜118，或者总通过次数可能与预期不同)。因此，在另一方面，本文描述了涉及模板的实施方式，该模板包括用于将从物镜反射的光束与场镜上的期望点对齐的多个孔。
37.图2a-图2c从多个角度描绘了示例模板230的视图。图2a是模板230前部的透视图，并且图2b是前视图。图2c是模板230背面的透视图。模板230包括便于操作的突出部232。模板230的形状，特别是它的侧面，可以设计成与镜座(未描绘)配合，用于在场镜114前面严格限定的定位，使得模板230的多个孔234(不是所有都被标记)与场镜114的凹反射表面116上的合适位置对齐。
38.在一些实施方式中，诸如图2a-图2c中描绘的实施方式，两个附加的“通过”孔236、238不与场镜114的位置对齐。相反，可以提供通孔236和238中的一个以使光源112发射的光能够通过，例如，朝向物镜118的反射表面120。可以提供通孔236和238中的另一个以使从物镜118的反射表面120反射的光能够穿过到光探测器121。
39.图2d以横截面示意性地描绘了模板230可以如何用于对齐多通光学系统100的组件的一个示例。光源112发射的光可以首先穿过孔236。虽然在图2d中未示出，如图1所示，该光束接下来可以穿过第一楔形光学元件110a和光学单元102的内部106。光束通过第二楔形光学元件110b朝向在光学单元102的相对侧的物镜118b的反射表面120b离开光学单元102的内部106。
40.接下来，光束在场镜114的凹反射表面116和物镜118a、118b的凹反射表面120a、120b之间反射若干次。最终，光束可以穿过孔238朝向光探测器121，如图2d所示。因此，为了确保场镜114、物镜118a、118b和/或多通光学系统100的其他组件正确对齐，可以如图2d所示放置模板230以确保光探测器121探测源自光源112的光。模板230本身可能不是反射性的。因此，如果光学单元102的内部106内的反射光束未与孔234-238对齐——如场镜114和/或物镜118a、118b未对齐会发生——很少或没有反射光将到达光探测器121。
41.在white单元配置的各种实施方式中，光束将在反射镜114、118a、118b之间反射并将穿过流体样本104的次数将是四的倍数。在使用模板230的一些实施方式中，穿过次数可以是4n，其中n是底行中的孔234的数量。图2a-图2b描绘了底行中的八个孔234。因此，光源112发射的光穿过流体样本三十二次。然而，这并不意味着是限制性的，如果需要更多或更少的光穿过流体样本104，则模板230可以配置有其他数量的孔234。
42.图3图示了用于实践本公开的选定方面的示例方法300的流程图。其他实施方式可以包括除了图3中所示的那些操作之外的附加操作，可以以不同的顺序和/或并行进行图3的步骤，和/或可以省略图3的一个或更多个操作。
43.在框302处，诸如光源112的光源可以例如通过逻辑部101被提供能量来发射光束以通过第一楔形光学元件(例如，118a)，进入包含流体样本(例如，104)的光学单元(例如，102)的内部(例如，106)，并且通过相对的第二楔形光学元件(例如，118b)朝向在光学单元的与第一楔形元件相对的侧面上的第一反射镜(例如，118b)。如前所述，该光束可以在一侧的诸如场镜114的反射镜和另一侧的物镜118a、118b之间反射，通过流体样本104一定次数(例如，四的倍数)。
44.在框304处，可以在光电二极管(例如，121)处探测反射光束。光束可能已经从在光学单元的与第一楔形光学元件的相对侧的第二反射镜(例如，118a)反射。在各种实施方式中，在去往光电二极管的途中，反射光束可以穿过第二楔形光学元件(110b)、光学单元(102)的内部(106)和第一楔形光学元件(110a)。
45.在框306处，可以分析反射光束以确定流体样本的特性。例如，反射光束可以被分析，例如，通过逻辑部101，使用诸如包括激光吸收光谱的光吸收光谱的技术。
46.在一些实施方式中，方法300可以进一步包括使用包括多个孔(例如，234)的模板(例如，230)校准第三反射镜(例如，场镜114)，例如，如图2d中所描绘的。在一些这样的实施方式中，校准可以包括将多个孔与由第一和第二反射镜(例如，118a、118b)反射的光束到达的第三反射镜(例如，114)上的点对齐。
47.虽然本文已经描述和图示了若干实施方式，但是可以利用用于进行功能和/或获得本文描述的结果和/或一个或更多个优点的各种其他手段和/或结构，并且每个这样的变化和/或修改被认为在本文描述的实现的范围内。更一般地，本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置意在示例性并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用教导的特定应用。
本领域技术人员将认识到或能够仅使用常规实验来确定本文描述的特定实施方式的许多等价物。因此，应当理解，前述实施方式仅通过示例的方式呈现，并且在所附权利要求及其等效物的范围内，可以以不同于具体描述和要求保护的方式来实践实施方式。本公开的实施涉及本文描述的每个单独的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。此外，两个或更多个此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任何组合，如果此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法不相互矛盾，则包括在本公开的范围内。