CN102216744B - 滤光轮分光计 - Google Patents

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Abstract

公开了一种滤光轮以及包括滤光轮的分光计。滤光轮具有第一支承结构和第二支承结构，第一多个滤光器安装到所述第一支承结构上，至少一个滤光器设置到所述第二支承结构上。辐射源产生辐射束，以及分束器将辐射束分成第一探测路径和第二探测路径。第一多个滤光器可以选择性地移动到第一探测路径中。第二支承结构上的至少一个滤光器被设置成位于第二探测路径中。分光计包括第一辐射探测器和第二辐射探测器，所述第一辐射探测器探测穿过在第一探测路径中选定滤光器的辐射，所述第二辐射探测器探测穿过第二探测路径中滤光器的辐射。

Description

滤光轮分光计
技术领域
本发明涉及分光计，并且更具体地涉及一种滤光轮以及使用滤光轮的分光计。
背景技术
例如分光计的气体分析器广泛地用于医学应用中，用于在病人麻醉期间测量二氧化碳、氧气气体以及麻醉试剂的浓度，所述麻醉试剂如氟烷(2-溴-2-氯-1，1，1-三氟乙烷)、安氟醚(2-氯-1，1，2-三氟乙基-二氟甲基醚)、异氟醚(2-氯-2-(二氟甲氧基)-1，1，1-三氟乙烷)、七氟醚(2，2，2-三氟-1-[三氟甲基]三氟甲基乙醚)、以及地氟醚(2，2，2-三氟-1-氟乙基-二氟甲基醚)。有两种主要类型的气体分析器，设置在病人呼吸气体的干路路径中的气体分析器(干流测量气体分析器或者干路气流气体分析器)或者旁路流动测量气体分析器。旁路流动测量分析器从病人呼吸回路中摄取样本到邻近的仪器，其中进行实际的气体分析。另一方面，干流或者干路气流测量分析器直接计算病人呼吸回路中的气体浓度。通常地，干流气体分析器位于病人的口腔或气管附近。干流气体分析器或者分光计将分光计的光学及电子部件集成到一个外壳中。由此，在临床环境下，期望使干流气体分析器尽可能紧凑及轻质。
呼吸气体可以通过不同方法进行分析，包括色散光谱学以及非色散光谱学。最通用的气体分析方法是基于非色散光谱学，其中气体吸收了特定于所关注气体(例如二氧化碳)的波长的光能量(例如红外能量)。来自于辐射源(例如红外辐射源)的光束通过病人的呼吸回路。穿过呼吸回路的光束在特定于病人呼吸回路中气体的各个光谱区域被吸收。探测器组件设置在病人呼吸回路的相对侧面上。探测器组件包括用于测量光强度的探测器以及带通滤光器。带通滤光器被设置成使得光束在到达探测器之前通过滤光器。带通滤光器能够被选择成过滤掉光束中不期望的波长光谱区域并且透过与病人呼吸回路中气体的吸收区域相对应的、关注的光谱区域。
尽管传统的干路气流分析器可以良好地操作用于少数特定的、非重叠光谱波长(例如在单独气体(如二氧化碳)的分析中)，但是这种类型的系统具有一些局限。例如，传统的干路气流分析器不能有效用于多种气体的分析，其中涉及到超过2个或3个波长区域，需要使用多个滤光器。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种用于分光计中的滤光轮。滤光轮包括主体，所述主体具有基部以及连接到所述基部的侧壁。所述主体被设置成可绕着旋转轴线旋转。滤光轮还包括设置在所述基部上的多个辐射滤光器；以及设置在所述侧壁上的多个辐射滤光器。
本发明的另一个方面提供了一种分光计，分光计包括滤光轮，所述滤光轮包括具有基部和侧壁的主体，所述主体被设置成可绕着旋转轴线旋转。多个辐射滤光器设置在所述基部上，以及多个辐射滤光器设置在所述侧壁上。分光计还包括：第一辐射探测器，所述第一辐射探测器被设置成探测由设置在所述基部上的滤光器接收的辐射；以及第二辐射探测器，所述第二辐射探测器被设置成探测由设置在所述侧壁上的滤光器接收的辐射。分光计也包括至少一个辐射分束器，所述至少一个辐射分束器被设置成将辐射束分成第一辐射束部和第二辐射束部，使得所述第一辐射束部被所述第一辐射探测器接收以及所述第二辐射束部被所述第二辐射探测器接收。
本发明的另一个方面提供了一种分光计，分光计包括能够产生辐射束的辐射源；分束器，所述分束器接收所述辐射束并且将所述辐射束分成第一探测路径和第二探测路径；以及滤光轮。所述滤光轮具有第一支承结构和第二支承结构，第一多个滤光器被安装在所述第一支承结构上，至少一个滤光器被设置在所述第二支承结构上。所述第一多个滤光器可选择性地移动到所述第一探测路径中，以及所述第二支承结构上的所述至少一个滤光器被设置成位于所述第二探测路径中。分光计还包括第一辐射探测器，所述第一辐射探测器被设置成探测通过所述第一探测路径中选定滤光器的辐射；以及第二辐射探测器，所述第二辐射探测器被设置成探测通过所述第二探测路径中所述滤光器的辐射。
本发明的另一个方面提供了一种分光计，包括：外壳；设置在所述外壳中的可旋转主体；安装到所述主体上的轴；以及安装到所述外壳内的多个座杯，以及所述轴被可旋转地保持在所述座杯之间。多个滤光器设置在可旋转主体上。多个滤光器被构造成透过辐射的期望波长范围。
本发明的这些及其它目的、特征及特性，连同操作方法以及结构中相关元件的功能以及部件的组合以及制造经济性，将会在参考附图进行的随后描述及附加的权利要求的基础上变得清楚，所有这些形成了说明书的一部分，其中各个附图中类似的参考标记表示对应的部件。在本发明的一个实施例中，在此所示的结构性部件按比例绘制。然而，可以明确理解的是，所述附图仅用于解释和描述的目的，并且不被认为是本发明的限制。如说明书及权利要求书中所使用的那样，单数形式也包括多个指代对象，除非行文中明确地表示出相反的意思。
附图说明
图1是根据本发明实施例的分光计的示意性图示；
图2是根据本发明实施例的滤光轮的示意性前视图；
图3是如图2中所示的滤光轮沿着横截面BB的横截面视图；
图4A、4B和4C显示了根据本发明实施例的用于使滤光轮旋转的电机的定子极的相继供电；
图5是根据本发明另一个实施例的滤光轮的示意性前视图；以及；
图6是如图5中所示的滤光轮沿着横截面BB的横截面视图。
具体实施方式
图1是根据本发明实施例的分光计10的示意性图示。分光计10包括外壳12，其具有开孔13，该开孔适合于接收导管或导气管适配器14，从而将外壳12连接到导气管适配器14。导气管适配器14能够连接到管道或者另外的导管(未示出)，所述管道或者另外的导管通向病人的呼吸道，例如病人的口部或鼻部。导气管适配器14还可被连接到呼吸装置(未示出)，例如辅助病人呼吸的呼吸器。外壳12包括两个相对的开口12A和12B，所述开口12A和12B分别直接地与设置在导气管适配器14中的两个相对的窗户覆盖开口14A和14B相通。开口12A、12B、14A和14B沿着同一轴线X-X排列。窗户15A、15B被安装到导气管适配器14，从而以封闭的方式分别地密封导气管适配器14中的横向开口14A和14B，从而使得导气管中的气体不会通过横向开口14A和14B逸出。
分光计10还包括发出辐射(例如红外光)的辐射源16、分束器17、滤光轮18、电机组件19、以及辐射探测器20和21。辐射源16、分束器17、滤光轮18以及辐射探测器20和21能够可选地安装到外壳12上。辐射源16能够被安装到外壳12的一侧，从而使得由辐射源16发出的辐射被导向外壳12的开口12A。可选择地，辐射源16可以不被安装到外壳12并且能够被设置成与外壳分开，例如在分光计10外部。在一个实施例中，光纤例如可被用于将光从辐射源16导向外壳12的开口12A。辐射源16可包括辐射发射器(例如红外发光二极管)以及用于控制辐射发射器的控制电路。
滤光轮18是可旋转的。在一个实施例中，滤光轮可以旋转地安装到外壳12。电机组件19被设置成使滤光轮18旋转。分束器17被设置在滤光轮中靠近或者面向外壳12内的开口12B，如下面段落中进一步详细描述。辐射探测器20被设置成沿着轴线X-X处于外壳12的与滤光轮18相对的相对侧面上并且面向着外壳12中的开口12B。辐射探测器21被设置成沿着基本上垂直于轴线X-X的轴线Y-Y、并且面向着滤光轮18的侧壁。辐射探测器20和21可以例如被安装到外壳12或者安装到分光计10的盖(未示出)上。可选择地，辐射探测器可被设置成与分光计10分开，在这种情况下，光纤可被用于将离开滤光轮18的光导引到辐射探测器20、21。
辐射探测器20、21包括辐射传感器、偏压和放大电路以及信号处理单元，该信号处理单元用于对辐射传感器输出的电信号进行放大和处理。在一个实施例中，辐射探测器20被选择成用于在光谱的中红外(mid-IR)区域内(例如在大约3μm到8μm之间)探测，以及辐射探测器21被选择成用于在光谱的红外(IR)区域内(例如在大约7μm到15μm之间)探测。在一个实施例中，辐射探测器(mid-IR)20包括硒化铅(PbSe)传感器。在一个实施例中，辐射探测器(IR)21包括热电传感器。可以在此使用的辐射探测器类型示例在2007年6月26日公布的、Eckerbom的美国专利No.7,235,054中，2002年11月26日公布的、Owen等的美国专利No.6,486,474中，以及1995年11月7日公布的、Drucker等的美国专利No.5,464,982中进行了描述，所述专利的整个内容均通过参考而结合在此。
图2是根据本发明实施例的滤光轮18的示意性前视图。图3是沿着图2中所示的横截面B-B截取的滤光轮18的横截面视图。在一个实施例中，滤光轮18具有主体18A，该主体包括圆形基部24A以及连接到基部24A的环形侧壁24B。基部24A和侧壁可以被构造成分开的部件或者可以被整体地形成作为一体件。例如，滤光轮18的基部24A和侧壁24B能够在注模加工中由塑料整体形成。在一个实施例中，滤光轮18具有圆柱形状，例如鼓形或轮形。滤光轮18包括多个滤光器22A和多个滤光器22B。滤光器22A被设置在圆柱滤光器18的基部24A(鼓的表面)中的开口处。滤光器22B被设置在圆柱滤光器18的侧壁24B(鼓的边缘)中的开口处。
在一个实施例中，设置在基部24A上的滤光器22A被设置成绕着滤光器18的旋转轴线以相同角度方位角地间隔开。在一个实施例中，滤光器22B被设置成绕着侧壁24B等距离地间隔开。在可选实施例中，滤光器22A能够以不同角度方位角地间隔开和/或滤光器22B能够以相等距离或者不等距离间隔开。
滤光器22A能够具有相同尺寸和/或形状或者具有不同尺寸和/或形状。类似地，滤光器22B能够具有相同尺寸和/或形状或者具有不同尺寸和/或形状。在一个实施例中，一个或多个滤光器(例如滤光器22A或滤光器22B)的尺寸和形状可被设置成扩张并且占据两个或多个滤光器(例如滤光器22A或滤光器22B)的位置。这种设置消除了由不透明滤光轮主体所引起的信号干扰以及信号流失。在这种情况下，光能够在以滤光轮18中其它滤光器(例如滤光器22A或滤光器22B)的时间周期的两倍、三倍或更多倍的时间周期期间传输经过“扩张的”滤光器，由此提供了更长的信号融合时间，这会提高所述扩张滤光器的信噪比。
在一个示例性实施例中，滤光轮18的基部24A上设置了4个滤光器22A以及滤光轮18的侧壁24B上设置了10个滤光器22B。然而，应当理解的是，可以在滤光轮18的基部24A上设置任意数目的滤光器22A以及在侧壁或边缘24B上设置任意数目的滤光器22B。尽管滤光轮18在此被描述成具有大致圆形基部的圆柱形状，然而其它形状同样落入本发明的范围内。例如，滤光轮18可具有包括多边形(例如三角形、四边形、六边形、八边形、十边形等)基部形状的圆柱形状。例如，在具有十边形基部的圆柱形状情况下，10个滤光器22B中的每一个都能够被定位在十边形基部形状圆柱体中10个侧面的每个表面上。
在一个实施例中，两个滤光器22A被选择成在二氧化碳(CO2)的吸收光谱中的中红外(mid-IR)光谱区域内使光透过。在一个实施例中，两个CO2滤光器22A的透光光谱区域被选择成处于大约3.5μm与大约5μm之间。如果期望的话，还可以使用更窄的光谱带用于CO2滤光器22A，例如集中在大约4.25μm的窄光谱带。另一滤光器22A可被选择成在氧化氮(N2O)的吸收光谱中集中在大约4.56μm的光谱带内使光透过。另一滤光器22A可被选择成在参照物的吸收光谱中集中在大约3.69μm的光谱带内使光透过。在一个实施例中，参照物可以是校准量的CO2。
在一个实施例中，滤光轮18的侧壁24B上的滤光器22B能够被用于透过各种化学试剂的吸收光谱中的各种波长区域，所述化学试剂例如但非局限于麻醉剂(例如氟烷、安氟醚、异氟醚、七氟醚、以及地氟醚)或者其它试剂。在一个实施例中，在滤光轮18的侧壁24B上设置了10个滤光器22B。每个带通滤光器22B可被选择成在特定于一种或多种化学试剂的一个吸收光谱区域内使光透过。可选择地，一个或多个滤光器22B能够彼此相同并且透过同一光谱区域。关注的各种化学试剂的吸收峰值处于大约7μm与大约15μm之间的波长范围内。最强烈的吸收峰值发生在大约7μm与大约10.2μm之间。在一个实施例中，所关注的5种化学试剂(例如氟烷、安氟醚、异氟醚、七氟醚、以及地氟醚)在大约7μm与大约10.2μm之间具有9个吸收峰值。可以实施多个可行的滤光器组合。一个可行的滤光器选择可以是一系列带通滤光器，所述滤光器具有集中在大约9.65μm、9.10μm、8.60μm、8.20μm、以及8.00μm的波长透射。如果需要测量多种化学试剂，那么可以根据需要增加或者替换更多带通滤光器。
尽管设置在滤光轮18的基部24A上的滤光器22A被如上描述成在mid-IR(例如在大约3μm与大约8μm之间)透光的滤光器以及设置在滤光轮18的侧壁24B上的滤光器22B被如上描述成在IR区域内(例如在大约7μm与大约15μm之间)透光的滤光器，然而可以理解的是，滤光器22A和22B能够相互交换。例如，在mid-IR(例如在大约3μm与大约8μm之间)透光的滤光器22A能够被设置在滤光轮18的侧壁24B上，而在IR(例如在大约7μm与大约15μm之间)透光的滤光器22B能够被设置在滤光轮18的基部24A上。此外，在另一个实施例中，透射可见光的滤光器可被设置在滤光轮18的基部24A上，而在mid-IR和/或其它IR范围透光的滤光器可被设置在滤光轮18的侧壁24B上。
在一个实施例中，滤光轮18通过轴承结构26可旋转地安装到外壳12。在一个实施例中，轴承结构26是杯球型系统，其包括两个弯曲的座杯27以及细长轴28，所述细长轴具有两个圆形或半球形端部28A和28B。细长轴28可旋转地保持在两个座杯27之间。具体地，细长轴28的圆球形端部28A和28B与两个座杯27的凹形表面接触。座杯27能够被安装到外壳12以及分光计10的盖(未示出)，以及细长轴28能够被安装到滤光轮18从而限定滤光轮的旋转轴线。例如，在一个实施例中，滤光轮18的基部24A能够被安装到细长轴28，而连接到基部24A的侧壁24B可被连接或者不被连接到轴28。
轴承结构26能够提供低摩擦旋转系统。此外，轴承结构26能够提供滤光轮18的自动定心。此外，由于轴28趋于在座杯27内自对齐，因此滤光轮18能够承受震动。尽管在此显示杯球型系统，但是可以理解的是，可以使用其它类型的轴承系统，例如磁性轴承、滚动轴承或者球轴承等等。
尽管包括基部24A和侧壁24B的滤光轮18在此描述成通过轴承结构26可旋转地安装到外壳12，但是可以理解的是，在其它实施例中，基部24A能够可旋转地安装到轴承结构26(例如安装到轴28)，而侧壁24B能够独立地安装到其它结构(例如，固定地安装到其它结构或者以旋转方式安装到其它结构)或者侧壁24B可被省略。
滤光轮18包括电枢部18B。电枢部18B被安装到滤光轮18的主体18A的外围。电机19被用于使滤光轮18旋转。在一个实施例中，电机19是步进电机，例如改进型可变磁阻三相电机。电机19包括转子部30和定子部32。转子部30是滤光器18的电枢部18B的一部分。转子部30被设置成与电机19的定子部32相互作用，从而使滤光轮18绕着由轴28所限定的轴线旋转。转子部30包括多个齿部或凸起34。该多个齿部或凸起34作为转子极。
在一个实施例中，齿部34可由磁性或可磁化材料制成，例如软铁、或者包括软铁的材料(例如硅钢)。转子部30中的多个齿部或凸起34通过磁阻用作凸出磁极并且与电机19的定子部32磁性地相互作用。定子部32包括围绕着转子部30间隔的多个定子线圈或定子极32A、32B和32C。在一个实施例中，定子线圈32A、32B和32C包括电力定子绕组33A、33B和33C，分别用于给定子线圈32A、32B和32C供电。在所示实施例中，使用3个定子线圈或定子极32A、32B和32C。然而，可以理解的是，可以使用2个或多个定子极。
当转子部30中的转子极(即齿部或凸起34)距离两个相邻的定子极或定子线圈32A和32B等距离时，转子极34处于完全未对准的位置。在这个位置上，转子极34获得了最大磁阻。当两个或多个转子极34与两个或多个定子极对齐、即面向所述定子极时，获得最小磁阻。当定子极(例如定子极32A)被供电时，转子转矩在将会减小磁阻的方向上形成。结果，最近的转子极34从未对准位置被拉到与定子极32A相对齐的位置(最小磁阻位置)。
为了维持连续的转动，定子线圈或电极32A、32B以及32C(在电机包括3个定子线圈的情况下)被设置成使得当一个定子极(例如定子极32A)面向着转子极34或者与转子极34对齐时，另外的两个定子极(例如定子极32B和32C)不面向或者仅仅部分地面向转子极34，即没有与转子极34对齐。由此，如图4A、4B和4C中所示，当定子极32A、32B和32C以3相电配置被相继地供电时，转子极34将会相继地与供电的定子极32A、32B和32C对齐。具体地，当定子极32A以第一相位被供电时，如图4A中阴影线所示，转子部30的凸起或者转子极34变成与定子极32A对齐，而转子部30中的其它转子极34没有与定子极32B和32C相对齐。当定子极32B以第二相位被供电时，如图4B中阴影线所示，转子部30的凸起或者转子极34变成与定子极32B对齐，而转子部30中的其它转子极34没有与定子极32A和32C相对齐，由此驱使转子部30逆时针移动。当定子极32C以第三相位被供电时，如图4C中阴影线所示，转子部30的凸起或者转子极34变成与定子极32C对齐，而转子部30中的其它转子极34没有与定子极32A和32B相对齐，由此进一步驱使转子部30逆时针移动。通过相继地向定子极32A、32B、32C供电，转子部30的转子极34(以及由此滤光轮18)将会逆时针转动，如图4A、4B和4C中箭头所示。
在一个实施例中，电机19设置成(例如电机的电子驱动器被设置成)保持探测器20和/或21与滤光轮18的旋转连续地同步。在一个实施例中，电机19没有提供滤光轮相对于参考点的旋转指示(例如电机没有提供“起点”或者“滤光器1”的参考指示)。由此，在一个实施例中，为了提供参考点而使探测器20和/或21与滤光轮18的旋转同步，滤光器22A中的一个和/或滤光器22B中的一个的位置的定位能够被封锁。以这种方式，当封锁的滤光器位置处于光路径上时由探测器20和/或21所探测的零探测器信号、连同电机19的驱动脉冲以及对于电机19的各个相位的“开启”信号次序能够限定滤光轮18的位置，即滤光轮18中各个滤光器的位置。除了在滤光轮18与探测器20和21的旋转之间提供同步之外，封锁的位置还被用于给探测器20和21提供信号补偿测试。
在可选实施例中，代替使用封锁的滤光器位置或者除去使用封锁的滤光器位置之外，可以在多个齿部34中的一个上设置小型磁体，从而使得随着磁体移动经过定子，能够在特定的定子极32A、32B或32C上产生反电磁力(back-emf)。可选择地，磁体还可以被设置成磁极垂直于滤光轮18的电枢部18B的平面，处于电枢部18上的任意位置，并且当电枢部18B旋转期间(即，在滤光轮18旋转期间)磁体经过时，磁体上方或下方的单独感应绕组可以被用于检测。
在另一个可选实施例中，小孔可设置在滤光轮18的基部24A中、滤光轮18的侧壁24B中，或者滤光轮18的电枢部18B中(在齿部半径内)，从而使得传统的发光二极管(LED)能够被用于通过小孔将光引导到另外单独的光电探测器，该光电探测器被设置成接收光线以及由此提供参考点。大体上，可以使用能够提供参考信号(参考点)的任何装置。
尽管滤光器18被显示成在逆时针方向上旋转，然而可以通过使定子极32A、32B和32C在相反顺序上供电、也就是使定子极32C以相位1、使定子极32B以相位2以及使定子极32A以相位3供电，从而获得顺时针方向上的旋转。此外，尽管电机19在此描述成以三相配置运行，然而电机还可以选择成以两相配置运行。在两相配置时，没有固有的起始方向。由此，齿部34可被成形或者阴影条添加到滤光轮18的电枢部18B，以限定起始方向。可选择地，可以在探测器电路中加入逻辑电路，从而确定出滤光轮在哪个方向上旋转。
在运行时，由辐射源16所发出的辐射束100被导向外壳12的开口12A，从而透射穿过导气管适配器14中开口14A中的窗户。经过开口14A中窗户15A的辐射束100穿过导气管适配器14的中心部15，随后穿过开口14B中的窗户15B，从而通过外壳12中的开口12B逸出。开口14A和14B中的窗户15A和15B材料选择成在由辐射源16发出的辐射在所关注的辐射的波长(例如在大约3μm与大约15μm之间)是大致透明的。辐射束100的光谱部分被导气管适配器14中存在的分子(例如CO2、N2O、或者其它化学物质、或者上述两种或多种的任意组合)所吸收。
从开口12B离开的辐射束100被设置在滤光轮18内的分束器17分成两个辐射束101和102。在一个实施例中，分束器17将辐射束100分成两个光谱区域内的两个辐射束101和102，而基本上没有任何能量损失。在另一个实施例中，分束器17将辐射束100分成两个辐射束部101和102(例如具有大约相等强度)，而不会将辐射束100的光谱分成两个光谱区域。在这种情况下，传统的相对低廉的半反射或半透明镜面在所关注辐射处能够被用作分束器17。辐射束101沿着X-X轴线导向设置在滤光轮18的基部24A上的一个滤光器22A以及辐射束102沿着垂直于轴线X-X的Y-Y轴线导向设置在滤光轮18的侧壁24B上的一个滤光器22B。辐射束101在到达辐射探测器20之前经过滤光轮18中的一个滤光器22A。辐射束102在到达辐射探测器21之前经过滤光轮18中的一个滤光器22B。
滤光器22A过滤掉辐射束101的一部分波长光谱并且透射集中在关注波长区域(例如，在CO2或N2O的吸收光谱中的区域)周围的一部分波长光谱。类似地，滤光器22B过滤掉辐射束102的一部分波长光谱并且透射集中在关注波长区域(例如，在化学试剂(例如氟烷)吸收光谱中的区域)周围的一部分波长光谱。这样，滤光轮18的几何形状与光谱分束器17的使用相结合，允许使用两个单独的探测器20和21以探测两个光谱区域，每个探测器都用于探测一个光谱区域(例如mid-IR和IR)。通过旋转滤光轮18，滤光轮中期望的滤光器22A能够被选择成透射辐射束101中期望的波长光谱部分(例如CO2的吸收光谱中的区域)。类似地，通过旋转滤光轮18，滤光轮中的期望滤光器22B能够被选择成透射辐射束102中期望的波长光谱部分(例如氟烷吸收光谱中的区域)。
在可选实施例中，滤光轮18能够被构造成使得滤光轮的基部24A可以旋转，而滤光轮的侧壁24B被固定。可选择地，滤光轮18还可被构造成使得滤光轮的侧壁24B可以旋转，而滤光轮的基部24A被固定。以这种方式，如果期望的话，滤光轮18的基部24A或者侧壁24B能够彼此独立地旋转。
在一个实施例，分束器17被安装到可移动支架(未示出)。可移动支架可以是电动的或者机械式移动的支架。可移动支架使得分束器17移动到辐射束100路径之外。当分束器17移动到辐射束100路径之外时，辐射束将不会被分成两个辐射束101和102。在这种情况下，在到达辐射探测器20之前，辐射束100在它的路径上沿着X-X轴线继续向着设置在滤光轮基部24A上的一个滤光器22A，其方式与Eckerbom的美国专利No.7,235,054中描述的方式相同，该专利的整个内容通过参考而被结合在此。
在两个滤光器22A被选择成在二氧化碳(CO2)的吸收光谱的中红外(mid-IR)区域内使光透过的情况下，理论上CO2的吸收在滤光器18的完整回转内(即360°旋转)被测量两次。CO2的吸收在滤光轮18每180°旋转被测量。另一方面，如果10个滤光器22B中的每一个都选择成在特定化学试剂(例如氟烷)的吸收光谱的IR区域内使光透过，那么理论上特定化学试剂的吸收在滤光轮18的每个回转(即360度旋转)中被测量一次。如果每个滤光器22B被用于测量每种化学试剂的吸收，那么滤光轮以36度步进旋转，即360度除以滤光器22B的数目(例如10个)。这样，由导气管适配器14中CO2分子所收集的能量的量等于由化学试剂所收集的能量的量的5倍(每个CO2滤光器22A的180度旋转除以每个试剂滤光器22B的36度旋转)。由此，在其它参数相等的情况下，CO2吸收测量的信噪比好于化学试剂吸收测量的信噪比。通常地，由CO2分子所收集的能量的量与由化学试剂所收集的能量的量之间的比率等于m/n，其中m是试剂滤光器22B的数目以及n是对于所关注分子(例如CO2)的滤光器22A的数目。例如，在N2O的情况下，如果仅仅使用一个滤光器22A，理论上由N2O分子所收集的能量的量与由化学试剂所收集的能量的量之间的比率等于10。
在一个实施例中，滤光轮能够被设置成以大约2000RPM与大约3000RPM之间的旋转速度旋转。例如，大约3000RPM的旋转速度提供了取样速率，用于测量大约50个样本/秒的CO2吸收。通常地，对于CO2的取样速率能够在大约50个样本/秒与大约100个样本/秒之间，从而使得用于病人呼吸的响应时间能够至少10个循环/秒，因为大多数健康人的平均呼吸速率处于每分钟10到18次呼吸的范围内。如果使用两个或更多个CO2滤光器22A，那么旋转速度可以例如除以2而被降低到大约1000RPM与大约1500RPM之间的值。用于其它化学品或试剂的响应时间可以是1循环/秒或更低，由此允许与CO2的取样速率相比低得多的取样速率。
图5是根据本发明另一个实施例的滤光轮48的示意性前视图。图6是沿着图5中所示的横截面BB截取的滤光轮48的横截面视图。滤光轮48在很多方面与滤光轮18相类似。滤光轮48具有圆柱形状例如鼓形或轮形。滤光轮48包括多个滤光器52A和多个滤光器52B。滤光器52A被设置在圆柱滤光轮48的基部54A(鼓的表面)中的开口处。滤光器52B被设置在圆柱滤光轮48的侧壁54B(鼓的边缘)中的开口处。在一个实施例中，设置在基部54A上的滤光器52A被设置成绕着滤光轮48的旋转轴线以相同角度方位角地间隔开。在一个实施例中，滤光器52B被设置成绕着侧壁54B等距离地间隔开。在可选实施例中，滤光器52A能够以不同角度方位角地间隔开和/或滤光器52B能够以相等距离或者不等距离间隔开。
滤光器52A能够具有相同尺寸和/或形状或者具有不同尺寸和/或形状。类似地，滤光器52B能够具有相同尺寸和/或形状或者具有不同尺寸和/或形状。在一个实施例中，一个或多个滤光器(例如滤光器52A或滤光器52B)的尺寸和形状可被设置成扩张以及占据两个或多个滤光器(例如滤光器52A或滤光器52B)的位置。这种设置消除了由不透明滤光轮主体所引起的信号干扰以及信号流失。在这种情况下，光能够在以滤光轮48中其它滤光器(例如滤光器52A或滤光器52B)时间周期的两倍、三倍或多倍的时间周期期间透射穿过“扩张的”滤光器，由此提供了更长的信号融合时间，这会提高扩张滤光器的信噪比。
与图2中所示的实施例相类似，滤光轮48的基部54A上设置了4个滤光器52A以及滤光轮48的侧壁54B上设置了多个滤光器52B。然而，应当理解的是，可以在滤光轮48的基部54A上设置任意数目的滤光器52A以及在滤光轮48的侧壁或边缘54B上设置任意数目的滤光器52B。然而，在这个实施例中，滤光轮48的边缘或侧壁54B宽于滤光轮18的侧壁24B，以及由此能够在其中设置更多数目的滤光器52B。例如，如图6中所示，在滤光轮48的侧壁54B上设置3排10个滤光器52B。侧壁54B中每排的滤光器52B能够彼此对齐或者设置成交错排列。交错排列可被用于例如减小侧壁54B的宽度。
尽管滤光轮48在此被描述成具有大致圆形基部的圆柱形状，然而其它形状同样落入本发明的范围内。例如，滤光轮48可具有多边形(例如三角形、四边形、六边形、八边形、十边形等)基部形状的圆柱形状。例如，在具有十边形基部的圆柱形状情况下，对于侧壁54B中三排的每一排，10个滤光器52B中的每一个都能够被设置在十边形基部形状圆柱体中10个侧面的每一个表面上。
与图2中所示的实施例相类似，两个滤光器52A被选择成在二氧化碳(CO2)的吸收光谱中的中红外光谱(mid-IR)区域内使光透过。另一个滤光器52A可被选择成在氧化氮(N2O)的吸收光谱中集中在大约4.56μm的光谱带内使光透过。另一个滤光器52A可被选择成在参照物的吸收光谱中集中在大约3.69μm的光谱带内使光透过。在一个实施例中，参照物可以是校准量的CO2。
在一个实施例中，滤光轮48的侧壁54B上的滤光器52B能够被用于透过各种化学试剂的吸收光谱中各种波长区域，所述化学试剂例如但非局限于各种麻醉剂或者化学试剂以及药品。所关注的各种化学试剂的吸收峰值处于大约7μm与大约15μm之间的波长范围内。在一个实施例中，三排10个滤光器52B被设置在滤光轮48的侧壁54B上。每个带通滤光器52B能够被选择成在特定于一种或多种化学试剂的一个吸收光谱区域内使光透过。可选择地，一个或多个滤光器52B能够彼此相同并且透过相同光谱区域。
尽管设置在滤光轮48的基部54A上的滤光器52A被如上描述成在mid-IR(例如在大约3μm与大约8μm之间)透光的滤光器以及设置在滤光轮48的侧壁54B上的滤光器52B被如上描述成在IR区域内(例如在大约7μm与大约15μm之间)透光的滤光器，然而可以理解的是滤光器52A和52B能够相互交换。例如，在mid-IR(例如在大约3μm与大约8μm之间)透光的滤光器52A能够被设置在滤光轮48的侧壁54B上，而在IR(例如在大约7μm与大约15μm之间)透光的滤光器52B能够被设置在滤光轮的基部54A上。此外，在另一个实施例中，透射可见光的滤光器可被设置在滤光轮48的基部54A上，而mid-IR和/或其它IR范围透光滤光器可被设置在滤光轮的侧壁54B上。
与滤光轮18相类似，滤光轮48通过轴承结构26可旋转地安装到外壳12。在这个实施例中，轴承结构26的尺寸可被设置成适应滤光轮48的较宽侧壁54B。例如，轴承结构26的轴28可以制成更长，用于适应滤光轮48的侧壁54B的宽度。与图2中所示实施例相类似，电机19用于使滤光轮48旋转，如上面图示中所描述。
与滤光轮18中设置一个分束器17不同，可以在滤光轮48中设置多个分束器47A、47B和47C。例如，分束器47A能够被设置在滤光轮48中，从而将一部分辐射束导向侧壁54B上第三排中的滤光器52B。分束器47B可以被设置在滤光轮48中，从而将一部分辐射束导向侧壁54B上的第二排中的滤光器52B。分束器47C可以被设置在滤光轮48内，从而将一部分辐射束导向侧壁54B上第一排中的滤光器52B。类似地，多个辐射探测器21A、21B和21C能够设置成面向滤光轮48的侧壁54B的每一排，而不是如图2和3中所示的辐射探测器21设置成面向滤光轮18的侧壁。例如，辐射探测器21C能够被设置成面向着最靠近基部54A的侧壁54B的第一排，辐射探测器21B能够被设置成面向着侧壁54B的第二排(中间排)，以及辐射探测器21A能够被设置成面向着侧壁54B的第三排，如图6中所示。
在一个实施例中，分束器47A、47B以及47C中的每一个都将入射的辐射束分成两个光谱区域内的两个辐射束，而没有明显的能量损失。在另一个实施例中，分束器47A、47B以及47C中的每一个都将入射的辐射束分成两个辐射束部(例如具有大约相同的强度)，而不会将入射辐射束100的光谱分成两个光谱区域。在这种情况下，传统的相对低廉的半反射或半透明镜面在所关注光处能够被用作分束器47A、47B以及47C。
在运行时，当滤光轮48被设置在图1中所示的分光计10中时，以与滤光轮18相同的方式，由辐射源16发出的辐射束100被导向外壳12的开口12A，透过导气管适配器14中开口14A中的窗户15A。通过开口14A中窗户的辐射束100穿过导气管适配器14的中心部15，随后通过开口14B中的窗户15B，穿过外壳12中的开口12B离开。
开口14A和14B中的窗户15A和15B的材料选择成在由辐射源16发出的辐射中所关注辐射的波长(例如在大约3μm与大约15μm之间)是基本透明的。辐射束100的光谱部分被导气管适配器14中存在的分子(例如CO2，N2O，或者其它化学物质，或者两种或多种前述物质的任意组合)所吸收。从开口12B离开的辐射束100被设置在滤光轮48中的分束器47A分成两个辐射束100A和100B。辐射束100A在到达面向侧壁54B中第三排的探测器21A之前被导向(例如，在离开图6平面的方向上)设置在滤光轮48的侧壁54B中第三排中的一个滤光器52B。辐射束100B被导向设置在滤光轮48中的分束器47B。辐射束100B被分束器47B分成两个辐射束100C和100D。辐射束100C在到达面向侧壁54B第二排的探测器21B之前被导向设置在侧壁54B中第二排中的一个滤光器52B。辐射束100D被导向设置在滤光轮48中的分束器47C。辐射束100D被分束器47C分成两个辐射束100E和100F。辐射束100E在到达面向侧壁54B第三排的探测器21C之前被导向设置在侧壁54B中第一排中的一个滤光器52B。辐射探测器100F在到达面向滤光轮48的基部54A的探测器20之前经过了一个滤光器52A。
滤光轮48的基部54A上的每个滤光器52A以及滤光轮的侧壁54B上的每排中的每个滤光器52B能够被选择成透过特定于化合物吸收区域的光谱波长区域。例如，滤光轮48的基部54A上的两个滤光器52A能够选择成透射集中在CO2的吸收光谱的关注的波长区域周围的一部分波长光谱。类似地，滤光器52B能够选择成透射集中在关注的波长区域(例如化学试剂(如氟烷)的吸收光谱中的区域)周围的一部分波长光谱。通过提供多个侧壁滤光器52B以及与侧壁54B中每排滤光器52B相关联的探测器21A、21B和21C，在多个波长区域的吸收能够同时地被测量。此外，多排(例如第一和第二排)能够被分配到同一公共光谱区域，用于测量光谱区域的光谱细节。可选择地，多排(例如第一和第二排)能够被分配到同一光谱区域，从而提供更好的测量结果数据。
在一个实施例中，滤光轮48能够被构造成使得滤光轮的基部54A可以旋转而滤光轮的侧壁54B被固定。可选择地，滤光轮48还可以被构造成使得滤光轮48的侧壁54B可以旋转而滤光轮的基部54A被固定。以这种方式，如果期望的话，滤光轮48的基部54A或侧壁54B能够彼此独立地旋转。在另一个实施例中，侧壁54B和基部54A都可以旋转，但是是彼此独立地旋转。这种设置提供了额外的灵活性。
在一个实施例中，多个分束器47A、47B和47C能够被安装到一个或多个可移动支架(未示出)。一个或多个可移动支架能够是电机的或者以机械方式移动。一个或多个可移动支架使得选定的分束器47A、47B和/或47C移动到辐射束100的路径之外。当分束器47A、47B和/或47C移动到辐射束100路径之外时，辐射束100将不会被分束器47A、47B和/或47C分成两个辐射束。例如，当分束器47A、47B和/或47C移动到辐射束100路径之外时，在到达辐射探测器20之前，辐射束100在它沿着X-X轴线的路径中继续行进向着设置在滤光轮48的基部54A上的一个滤光器52A。
当选定的分束器(例如分束器47A和47B)移动到辐射束100路径之外时，同时分束器47C没有移动到辐射束100路径之外，那么辐射束100被分束器47C分成两个辐射束。辐射束100的一部分在到达面向侧壁54B中第三排的探测器21C之前被导向设置在侧壁54B的第一排中的一个滤光器52B以及另一部分辐射束在到达面向滤光轮48的基部54A的探测器20之前经过了设置在基部54A中的一个滤光器52A。结果，通过在辐射束100前方设置适当的分束器，辐射束能够根据期望而被导向及分光。
尽管本发明已经基于当前被认为是最适用及优选的实施例详细地描述以用于解释目的，然而应当理解的是，这些细节仅仅用于该目的并且本发明没有受限于公开的实施例，并且相反地，所述细节用于覆盖落入附加权利要求精神及范围内的改进及等同设置。例如，应当理解的是，本发明预见到在一定程度上，任意实施例的一个或多个特征能够与任意其它实施例的一个或多个特征进行组合。
尽管，本发明的分光计和滤光轮在此描述成用于测量病人呼吸道中化合物或气体的目的，但是可以理解的是，分光计和/或滤光轮能够被用于其他医学应用中，例如用于测量血流中的化学品(例如葡萄糖)或者用于其他非医学应用中，例如测量工业设置中的流体(例如液体和/或气体)浓度或者测量环境应用中的流体(例如气体)浓度。
应当理解的是，在一个实施例中，附图在此按比例绘制(例如以正确比例)。然而，应当理解的是，可以在其它实施例中采用部件的其它比例。
此外，由于本领域技术人员容易进行多种改进和变化，因此不期望将本发明范围限定到在此描述的严格结构和操作。因此，所有适当的改进和等同都应当被认为是落入本发明的精神及范围内。

Claims (7)

1.一种分光计，包括：
(a)滤光轮，所述滤光轮包括：
(1)具有基部和侧壁的主体，所述主体被设置成可绕着旋转轴线旋转；
(2)设置在所述基部上的多个辐射滤光器；以及
(3)设置在所述侧壁上的多个辐射滤光器；以及
(b)第一辐射探测器，所述第一辐射探测器被设置成探测由设置在所述基部上的滤光器接收的辐射；
(c)第二辐射探测器，所述第二辐射探测器被设置成探测由设置在所述侧壁上的滤光器接收的辐射；以及
(d)至少一个辐射分束器，所述至少一个辐射分束器被设置成将辐射束分成第一辐射束部和第二辐射束部，使得所述第一辐射束部被所述第一辐射探测器接收以及所述第二辐射束部被所述第二辐射探测器接收；
其中，所述第一辐射探测器沿着连接所述第一辐射探测器与所述滤光轮的所述基部的轴线设置，所述连接所述第一辐射探测器与所述滤光轮的所述基部的轴线与连接所述第二辐射探测器与所述滤光轮的所述侧壁的轴线垂直。
2.如权利要求1所述的分光计，其特征在于，还包括被设置成发射辐射束的辐射源、和外壳，其中，所述滤光轮、所述辐射源、以及所述第一和第二辐射探测器被安装到外壳上。
3.如权利要求2所述的分光计，其特征在于，所述外壳被设置成被安装到导气管，所述导气管被连接到病人口部，以收集所述病人的呼吸样本，所述导气管包括多个开口，所述开口被窗户所覆盖从而密闭地密封所述开口，所述窗户被选择成在所述辐射束的3μm与15μm之间的波长是透明的。
4.如权利要求1所述的分光计，其特征在于，设置在所述基部上的多个辐射滤光器被选择成在中红外光谱区域使辐射透过，所述中红外光谱区域包括由以下构成的组中选择的一个：(i)3μm与8μm之间的波长、以及(ii)3.5μm与5μm之间的波长。
5.如权利要求1所述的分光计，其特征在于，设置在所述基部上的多个辐射滤光器包括选择成在CO2的吸收谱带附近使辐射透过的滤光器、选择成在N2O的吸收峰值附近使辐射透过的滤光器、或者选择成在参照物的吸收谱带附近使辐射透过的滤光器、或者上述滤光器中两个或更多个的任意组合。
6.如权利要求1所述的分光计，其特征在于，设置在所述侧壁上的多个辐射滤光器被选择成在红外光谱区域使辐射透过，所述红外光谱区域包括7μm与15μm之间的波长。
7.如权利要求1所述的分光计，其特征在于，所述至少一个辐射分束器可移动到所述辐射束路径之外。
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