CN105842192A - 光学测量系统和气体检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学测量系统和气体检测方法。该光学测量系统包括布置在至少一个外壳中的光发射体（4）和至少一个光检测器（8），其中，光发射体（4）以调制跨度Δλ、以平均波长λ0发射已调制主光束（9）。至少一个光机械部件（15）（例如包括光学有效边界面的外壳窗口）被布置在光发射体与光检测器之间，并引起散射光束（11），其与主光束相干扰使得发生自混合和/或引起标准具。因此，光检测器的测量信号包括主信号部分和不期望的干扰信号部分。根据本发明，该至少一个光机械部件被相对于光发射体和/或光检测器布置在优化距离L处，其是主光束的波长λ0和调制跨度Δλ的函数。特殊选择的距离L促进最小化散射光束对已解调信号的影响，这导致传感器灵敏度的增加。

Description

光学测量系统和气体检测方法
技术领域
本发明涉及光学测量系统和用于气体检测的方法，该光学测量系统包括光发射体和形成布置在至少一个外壳中的光学部件的至少一个光检测器，所述至少一个外壳可选地包括形成光机械部件和/或其它光机械部件的外壳窗口，其中，该光机械部件包括光学有效边界面，其中，所述光发射体以调制跨度Δλ、以平均波长λ0发射已调制主光束，其中，至少在至少一个光机械部件的一个光学有效边界面处被在光发射体和/或光检测器的方向上从主光束部分地反射/散射的主光束的至少一个散射光束通过与主光束的干扰而在光检测器处引起光发射体中的自混合和/或光检查器处的标准具（etalon），其中，该干扰引起干扰主光束，使得光检测器的测量信号包括干扰信号部分和主信号部分，其中，干扰信号影响光检测器的已解调测量信号。
背景技术
此类光学测量系统正在被用于各种测量任务，例如像用于长度测量或光谱学。在此类测量系统中，通常使用激光二极管作为光发射体并使用适当的光电二极管作为光检测器。激光吸收光谱学被用于例如气体检测。因此，由光发射体发射的主光束在通过气体或气体混合物之后被光检测器检测到，并向信号分析仪（特别是锁定放大器）提供接收信号以用于评估。信号分析仪将恒定干扰图从光检测器的测量信号分离。然而，信号分析仪不能完全地从接收信号消除时变干扰图，使得用于要检测气体的检测灵敏度由于增加的噪声而被显著地降低。除其它影响之外，温度影响触发时变干扰图，其中，温度影响改变用于主光束从光发射体到光检测器的一定长度的光程。此外，主光束在测量系统的外壳的内表面处或者在布置于外壳中的波束成形和/或波束指引光学或光机械部件（例如像透镜或反射镜）的边界面处或者在外壳窗口的内或外表面处的反射和/或散射可以引起此类干扰图。该反射或散射可以引起被指引到光发射体和/或光检测器的散射光束。此类散射光束引起光发射体中的自混合和/或光检测器处的标准具，因为其与主光束相干扰，形成干扰图，并且因为其形成被光检测器接收到的干扰主光束。这些干扰图也与温度有关且因此可以随时间而变。自混合和标准具是由来自分别地相对于主光束的光程长度部分地反射主光束直到光发射体或光检测器的光学和/或光机械部件的散射光束的不同长度光程引起的。对于标准具而言，反射或散射光学和/或光机械部件直到光检测器的距离是相关的，对于自混合而言，各部件到光发射体的小孔的距离是相关的，该部件形成用于通过小孔进入谐振器中并与在激光器的内部被部分地反射回来的主光束相干扰的散射光束的“接收机”。
在用于气体检测的激光吸收光谱学中，常常使用波长调制法。因此，用频率f来调制光发射体（例如连续可调谐二极管激光器）的主光束的波长且通常还有强度，其中，波长在要分析的样本的可能吸收光谱上改变。当光的波长对应于气体的谐振频率时或者当其相对于谐振频率改变时，激光被气体样本吸收。当通过气体样本之后的主光束撞击光检测器、例如光电二极管时，光检测器的输出信号包括调制频率f和叠加高次谐波频率mf下的AC电压分量，其中，m是正自然数。谐波频率mf下的光检测器的输出信号的解调将测量结果移到具有较低1/f噪声的较高频带mf，这可以改善光学测量系统的测量灵敏度。
当使用激光器作为光发射体时，由于相对大的相干长度，特别地，源自于光发射体的主光束与由主光束的不期望反射或散射产生的散射光束之间的干扰的发生是特别不利的。因此必须将两个不同的现象区别开。用被反馈耦合到激光器的激光小孔中且被称为自混合的辐射影响光发射的现象对测量结果具有特别强烈的影响，因为反馈耦合辐射在激光器中被放大。在实际应用中，常常发现用于自混合的主要原因是为了主光束的离开而提供且保护激光发射体以免例如像污染或环境湿度之类的环境影响的外壳窗口处的主光束的散射或反射。通过散射，对于倾斜的外壳窗口而言也存在此现象，因为光的一部分可以直接地或间接地（例如通过外壳内壁处的散射）被反馈耦合到激光小孔中。距离光发射体的小孔更远的其它表面也可以引起自混合，例如光电二极管处的反射/散射。然而，通常，其影响较低。在光学测量系统中发生的第二现象由检测器上的干扰而引起，该干扰由主光束和散射光束的不同光学波长引起并被命名为标准具。例如自混合之类的标准具是由测量系统中的所有光学和光机械部件处的散射光束引起的，散射光束然后在检测器处与主光束相干扰。为了由自混合和/或标准具的光检测器的测量信号和因此的测量值的失真最小化，必须减少自混合或标准具本身，或者必须使其对测量值的影响最小化。
为了减少这些影响，在本领域中已知各种措施。其中特别地有使得所有外壳窗口是非反射性的，使得外壳窗口是楔形且倾斜的，这意味着光束路径中的外壳窗口的倾斜布置，以便尽可能地防止散射或者以便使从主光束出来的散射偏转，该散射可以引起与主光束的干扰和因此的自混合。此外，光学测量系统的外壳中的吸收涂层和/或布置在光束路径中的小孔可以减少反射和散射。尽管有这些有效措施，但并不能预防主光束的所有反射和散射，其导致通常对具有相干辐射的光学系统中的光检测器的测量信号具有非常强的负面干扰影响。在操作期间，此类光学测量系统的外壳窗口和表面例如被灰尘或冷凝物相当频繁地污染。此污染大大地增加了主光束的散射和系统的使用寿命内的上述干扰增加。因此，将该系统设置成使得不可避免的污染尽可能少地影响系统的测量信号对此类光学测量系统的使用寿命是有利的。
当测量光谱时，上述干扰通常作为在本领域中被命名为“条纹”的周期信号而可见。自混合和标准具导致针对可调谐二极管激光器光谱系统（TDLS）的测量气体吸收线的失真，这不能简单地通过校准或计算方法来消除。因此，具有在测量吸收线的宽度的数量级内的周期的周期性干扰是特别不利的。
原则上，可以用光学绝缘体来大大地减少自混合现象。遗憾的是，用于非电信波长的优质绝缘体是非常昂贵的，使得其很少在工业应用中使用。此外，应认识到光学绝缘体本身也具有光学界面，其中，光学绝缘体的光学界面（该光学界面面向激光器）也可能由反射/散射而引起自混合。Persson提出了一种“强度参考”方法，其在使用平衡检测的同时减少自混合影响。然而，这仅实现了达到10分之一的干扰振幅减小（应用物理学B87，523-530（2007））。Webster描述了一种用以防止标准具的非常简单的方法，因为其向光程的一部分中插入共面倾斜板，其中，该共面板对于激光波长而言是透明的。测量期间的倾斜板的周期性枢转由于周期性变化的光程长度而促进干扰信号被平均掉。这种解决方案帮助将干扰信号减小至30分之一（Opt. Soc. Am. B2 1464（1985））。为了防止导致传感器使用寿命增加的机械移动部件的磨损，可以使用基于压电的致动器。然而，这些仅仅促进产生小的路经长度差，其中，这些元件仅仅有效地可用于以与气体吸收线宽度相比非常小的自由光谱范围对干扰求平均。Silver和Stanton使用例如压电换能器（美国专利4,934,816），其改变多路径晶胞（cell）的反射镜的纵向偏转 并因此基于反射镜布置将干扰平均掉。然而，此类压电换能器通常是相当昂贵的。Reid等人已表示可以同样在不改变光程长度的情况下通过将附加频率混合到调制信号中（该频率比调制频率慢）来将此类干扰平均掉（Appl. Opt. 19,3349-3354, 1980））。然而，此原理只能用于具有非常小的自由光谱范围的干扰，因为必须在至少一个周期内执行求平均。然而，例如通过在数据处理中使用信号平均，可以通过低通滤波来实现几乎相同的结果。因此，自由光谱范围必须与气体吸收线的宽度差别显著。否则，吸收信号在求平均期间也受到影响。前述解决方案通常仅仅具体地可以以高效的方式用于特定问题。例如，在激光器前面的光学绝缘体将仅提供自混合的抑制而不是检测器上的标准具的抑制。大多数引用的解决方案提议旨在减少检测器的平均测量信号中的干扰。
发明内容
对上述现有技术加以改进，本发明的目的是提供如何显著地减少光检测器的干扰信号对已解调测量信号的影响、使得主信号在测量信号中可清楚地检测且使得光学测量系统的测量灵敏度被显著地改善的选项。
根据本发明用具有独立专利权利要求1的特征的光学测量系统且用独立专利权利要求9的特征来达到该目的。从从属专利权利要求可以得到更多有利实施例。
本发明是基于使用波长调制光谱法（WMS）的特殊性以便使用测量系统中的距离对光检测器的调制跨度的适应来修改光检测器中的测量信号中的干扰、使得光检测器的测量信号中的干扰不被传递至已调制信号中（例如到2f信号中）以便减少干扰的核心思想。通过测量系统中的距离的智能选择，因此，原则上可以抑制或至少减少已解调测量信号中的所有主导干扰。
根据本发明，相对于另一光学和/或自动机械部件布置测量系统的光学和/或自动机械部件中的至少一个，使得光学和/或光机械部件的光学有效边界面相对于彼此的空间取向和/或距离L提供引起测量信号的具有周期Λ的自由光谱范围的光程长度，所述周期Λ被选择成使得使用具有波长λ0的已调制主光束的所提供调制跨度Δλ针对所有相位抵消干扰对已解调信号的测量信号的影响或至少使其最小化。该周期Λ由主信号与干扰信号的干扰产生。这意味着各距离和调制跨度Δλ适合于彼此。调制跨度Δλ被定义为可以具有任何形式的调制的调制信号的峰到峰振幅。这影响在该处可以在形成散射光束的同时发生反射或散射的任何光学和/或光机械部件，所述散射光束在光发射体和/或光检测器的方向上传播，并且该散射光束被指引到光检测器。所述至少一个散射光束被视为未被干扰或被干扰主光束的一部分。因此，主光束以及还有发生的散射光束在光发射体的小孔中开始，因为散射光束在主光束的部分反射/散射中被从主光束分离。
本发明有利地涉及一种光学测量系统，其包括作为光发射体的激光二极管以及作为光检测器的光电二极管，其形成测量系统的光学部件并包括布置在光发射体与光检测器之间的至少一个外壳窗口，并包括用于控制光发射体且用于光检测器的测量信号的信号处理的设备。光发射体、光检测器和用于使主光束通过的所述至少一个外壳窗口形成测量系统的光学和/或光机械部件，其中，光发射体和光检测器被布置在具有外壳窗口的公共外壳中或分别地包括光可透外壳窗口的单独外壳中。除光发射体、光检测器和所述至少一个外壳窗口之外，测量系统还可以包括附加光学、光机械和/或机械部件或元件，其中，该部件被布置在光学测量系统的所述至少一个外壳内或外面。这些以可以是例如用于将光束路径或提供有窗口的气体晶胞折叠的反射镜，要检查的气体物质被引入到该窗口中。因此，光发射体以调制跨度Δλ、以平均波长λ0发射已调制主光束。通常，以频率f，以定义调制跨度Δλ、以平均波长λ0对光发射体进行波长调制，并执行由光检测器接收到的信号的解调。可以用任何波形来执行调制，例如用三角形或余弦状的波形。在实际应用中，有利地用点对称波形来调制光发射体，其中，调制形式包括凹凸傅立叶分量（1f、3f、5f等）。通常，测量信号的傅立叶分量，确定用于两倍、四倍和/或m倍调制频率的测量信号的此平均值，使得m＝2、4、6、…，这意图抑制测量信号中的振幅调制部分。在实际应用中，通常，确定是调制频率的两倍或用于调制频率的偶整数倍m的傅立叶分量。当测量用于两倍频率的傅立叶分量时，这提供所谓的2f信号，四倍频率提供4f信号等等。
根据本发明的核心思想，优化光束路径中的光学和/或光机械部件的相对定位或取向，其中可能发生不期望的反射或散射，其中，相对于光学测量系统中的光发射体以及还有光检测器的位置来执行优化，使得发生的干扰对测量信号具有最小影响。因此，特别地，选择外壳窗口与光发射体且有利地与光检测器的距离，使得效应的影响是最小的。另外，也可以选择附加光学和/或光机械部件相互的或与光发射体和/或光检测器的距离，使得由其引起的干扰对由光检测器输出并解调的测量信号具有最小影响。
原则上，存在相互独立的用以通过优化光束路径中的光学和/或光机械元件的位置来减少所述干扰的两个选项。另一方面，在光学测量系统的光学和/或机械部件与光发射体的小孔之间的尽可能大的距离的适当选择促进增加散射光束的行进光程长度，使得被反馈耦合到光发射体的小孔的功率（自混合）被减少，特别是在反射或散射具有漫射特性的情况下。因此，特别地，光程长度的增加导致测量信号的减小干扰信号部分。在用于反射的散射光束的原因是在点状散射元件（灰尘、刮痕等）中的情况下，通常产生散射光的漫射特性，在该漫射特性下功率通常与(1/I)2成比例地减小（I=距离）。因此，例如，光发射体的小孔与远程光学或光机械部件（例如，窗口、透镜、反射镜等）之间的距离的增加可以相对于测量信号中的主信号部分减小干扰信号的尺寸。同样也适用于类似于小孔、内外壳部件等被主光束碰触或撞击的机械和/或光机械部件。
另一方面，除漫射散射之外，用根据本发明的光学测量系统的光学和/或光机械和/或机械部件之间的适当选择特殊定义距离还可以实现具有非漫射特性的散射，使得干扰信号对由光检测器输出的被自混合或标准具干扰的测量信号的影响在其撞击光检测器时被减小。测量信号的干扰信号通常包括许多干扰信号分量，其是由光学测量系统的不同光学和/或光机械和/或机械部件处的反射或散射引起的，其中，各散射光束形成在光发射体或光检测器的方向上延伸的散射光束集束。通过调谐各部件相对于彼此的距离，可以实现的是可以减小散射光束集束的各干扰信号的分别考虑傅立叶分量，这意味着针对所选调制跨度Δλ的所选解调频率的傅立叶分量消失或至少被大大地减小。
相当频繁地，光发射体和/或光检测器被布置在其中的光学测量系统的所述至少一个外壳的外壳窗口是用于主光束的散射光束的主要原因，该散射光束与主光束相干扰而形成被干扰主光束并因此引起测量信号，该测量信号包括干扰信号部分和主信号部分，其中，干扰信号被与主信号耦合。这与光发射体和光检测器被布置在独立外壳中还是对于光发射体而言以及同样对于光检测器而言相互偏移的公共外壳的外壳区段中无关地适用。因此，根据本发明，选择光发射体、所述至少一个外壳窗口和/或光检测器之间或光检测器、所述至少一个外壳窗口和/或光发射体之间的距离和因此的用于主光束和/或所述至少一个散射光束的光程长度，使得由测量信号中的这些分量引起的干扰信号的周期Λ满足上述条件。
如上所述，用于气体检测的根据本发明的光学测量系统包括光发射体、光检测器和至少一个外壳窗口。可以针对用来调制主光束的每个所选波形凭经验确定或计算光学测量系统的这些光学和/或光机械部件中的两个之间、有利地光发射体与所述至少一个外壳窗口和/或光检测器之间的最佳距离。
在有利距离的凭经验确定期间，光学测量系统的两个相应光学或光机械部件之间的距离以小的增量改变，并且由光检测器输出的测量信号被解调，其中，例如确定针对两倍调制频率的测量信号的傅立叶分量。因此，可以确定距离，在该距离下所选解调频率的傅立叶分量消失或至少被大大地减小。在这些位置处，已解调测量信号本质上包括主信号，因为干扰信号对主信号的影响被大大地减少。
当计算光学测量系统的两个相应光学或光机械部件（例如像光发射体和外壳窗口或光检测器和外壳窗口）之间的适宜距离L时，可以认为该部件一起以低的技巧性形成“法布里珀罗标准具”。为了计算光程长度差ΔS，必须在自混合和标准具现象之间进行区别。随后，在计算中，S1指定从光发射体到反射器的光程长度和从反射器到光检测器的光程长度。这涉及其中从光发射体到光检测器的光程长度是2*S1的对称布置，本发明是基于此而描述的。显而易见的是，对于非对称布置而言不同的光程长度相加，这意味着针对发射体和检测器与反射器的不同距离。为了随后描述本发明，使用未被干扰主光束、被干扰主光束和散射光束，其中，主光束根据构造覆盖路径长度S1且散射光束覆盖部分路径长度S1'、S1''、S1'''等。
在后续描述中，出于简化的原因将“自混合”和“标准具”现象相互分开描述，但其也可以同时发生。后续公式分别地仅描述一个现象或另一现象。
在标准具的情况下，主光束和散射光束覆盖从光发射体的小孔开始的不同光程，主光束和散射光束在检测器处相干扰而形成被干扰主光束。主光束相对于所述至少一个干扰散射光束的光程长度差因此被计算为ΔS = |SScatter - SMain|。在主光束的一部分在光检测器的光电二极管表面处被反射且然后再次地从在距离L处的光检测器的外壳窗口到达检测器的情况下，光程长度差ΔS = |SScatter - SMain|等于光电二极管与光检测器的外壳窗口之间的距离的两倍。这提供ΔS = |SScatter - SMain| = |(2*S1 + 2*S1') - 2*S1| = 2*S1'= 2L作为路径长度差，其中，2*S1表示光发射体的小孔与检测器表面之间的距离，并且S1'对应于光检测器的外壳窗口与光检测器的距离L。
在自混合的情况下，在被反馈耦合到光发射体的小孔的散射光束与光发射体内、例如激光器的未被干扰主光束之间发生干扰，使得分别被干扰主光束离开光发射体的小孔。由于在自混合情况下，未被干扰主光束被完全布置在光发射体内SMain = 0，所以针对自混合必须假定，并且这提供光程长度差ΔS =|SScatter - SMain| = |SScatter – 0| = SScatter，其仅仅由在光发射体的小孔外面的散射光束的路径定义。在光直接地被光发射体的外壳窗口散射回来的情况下，散射光束的行进光程SScatter = 2L，因此是光发射体的小孔与外壳窗口处的主光束的撞击点之间的距离的两倍且因此ΔS= SScatter = 2L。当光被间接地（例如通过外壳壁）反射回到光发射体的小孔中时，散射光束的路径相应地延伸。
此类布置的透射光谱在用于波长的“条纹（Fringe）”处具有窄透射最大值，其满足谐振准则，而其它光谱范围在透射期间被完全抵消。这是通过在谐振器或检测器中行进的光束的相长或相消干扰完成的。在此背景下，应认识到在根据本发明的光学测量系统中不存在实际的“法布里珀罗标准具”，因为该构造规定不存在平行表面。然而，条纹还可以由散射光束引起。适用于平行谐振器表面且从法布里珀罗标准具已知的规则可以被同样地传递至倾斜谐振器表面，并且因此也可以被用于根据本发明的光学测量系统。
透射最大值相互的距离被命名为（FSR）的自由光谱范围，并被命名为Λ。此自由光谱范围Λ是主光束与光检测器上的所述至少一个散射光束之间的光程长度差ΔS的函数。众所周知的是，自由光谱范围Λ被计算为：
其中，λ0是已调制主光束的平均波长。
以下一般关系适用于根据本发明的光学测量系统的光检测器的干扰信号的振幅A，其是光程长度差的函数：
。
这是基于最大振幅 fringe和相位 fringe。
可以用以下公式来描述光发射体的调制：
其中，波形是调制形式且f是用于主光束的调制频率。因此，光检测器的即时已解调测量信号的AC部分的振幅A由以下公式定义：
其中，下式适用于相位：
。
根据以下公式来计算用于即时2f信号的示例性锁定基准信号的振幅A：
。
一般地，这意图用于所有mf信号，这意图用于2f、4f、6f信号等，公式改为如下：
。
所采用的锁定放大器将光检测器信号与基准信号相乘，并且随后对数量为N的周期求积分，其中，每个周期的测量时间与调制频率f成反比。这针对振幅A提供用于mf信号的以下关系：
。
现在选择光程长度差ΔS，使得针对具有给定波形和调制跨度Δλ的调制信号，上面提供的公式针对所有相位Amf 被最小化，或者使得Amf = 0。
在分析上，计算根据波形是非常复杂的，但是在数学上，其执行起来是非常简单的。前述公式适用于所有相位，并且因此与设置相位无关，这意指主光束与所述至少一个散射光束之间的相位关系。
因此，2f、4f、6f阶等已解调测量信号的傅立叶分量具有作为各光学或光机械部件的距离L的函数的曲线，其中，由精确地定义的主光束和所述至少一个散射光束的光程长度差ΔS引起的某些距离处的已解调测量信号中的干扰信号的振幅变成零。当主光束和所述至少一个散射光束的光程长度差ΔS并非最佳的时，这提供作为相位的函数的已解调测量信号。
当距离L被优化时，光检测器的已解调测量信号不是相位的函数。因此，例如，温度致相变对已解调测量信号没有影响或仅具有大大减少的影响。
作为距离的函数的强度曲线具有邻接的驼峰状强度部分，其包括具有最高振幅峰值的主最大值和分别地具有减小振幅峰值的许多中间最大值。主最大值相对于中间最大值的位置是正在使用的已解调mf测量信号的阶数的函数。针对2f信号，主最大值作为坐标系的零点处的第一部分开始，其中，中间最大值在主最大值的右侧处邻接。针对4f信号，在零点与主最大值之间布置附加中间最大值，并且针对6f信号，在主最大值的左侧布置两个中间最大值，并且以此类推。根据正在使用的解调测量信号的阶数m/2来定义主最大值的位置。针对2f信号，主最大值形成强度曲线的第一驼峰，针对4f信号，其形成第二驼峰，并且针对6f信号，其形成强度曲线的第三驼峰等。中间最大值ΔX的宽度由平均波长λ0和调制跨度Δλ确定。这提供处于2*ΔX的主最大值的宽度。现在选择距离L，使得主光束到所述至少一个散射光束的光程长度差ΔS与宽度ΔX成比例，这意味着它是其倍数。不考虑定义主最大值的两个零点，此类强度曲线的最小值（零点）相互之间具有距离ΔX。
有利地，当通过光学和/或光机械部件之间的距离L的适当选择的光程长度差ΔS大于0.5*ΔX*(m+1)时，已经达到干扰信号对测量信号中的主信号的影响的显著减小，其中，根据正在使用的测量信号的阶数2f、4f、6f、...，m＝2、4、6、...。
一般地，以下适用于光学和/或光机械部件相对于彼此的最佳光学距离L，在该距离处，干扰信号在被用于光程长度差ΔS的已解调测量信号的阶数m下被抵消，保持关系：ΔS = n*ΔX，其中n＝1、2、3、...、并且其中根据正在使用的测量信号的阶数2f、4f、6f、...，n≠m/2，其中，n是大于0的自然整数，其中，m＝2、4、6、...。到n≠m/2的限制不包括相对于2f信号n不能是1、相对于4f信号n不能是2且相对于6f信号n不能是3等。因此，不包括具有最高振幅峰值的强度部分，这意味着不包括主最大值，其相对于相邻的中间最大值具有两倍宽度。因此，ΔX被定义为强度曲线的最小值的最小距离。原因是当允许n＝m/2时，发生最坏情况，这意味着干扰信号在这种情况下处于最大值。当处理2f信号时，针对n＝1（m＝2）且因此针对ΔS＝ΔX发生这种情况。为此，应选择ΔS＞ΔX，因为干扰信号在ΔS＝ΔX与ΔS＝2*ΔX之间显著地减小。
上文提供的说明涉及用于消除干扰信号的距离L的最佳调谐。在实际应用中，通过允许围绕零点的带宽而使干扰信号最小化可能就足够了。这意味着对于ΔS＝n*ΔX而言n并不是整数。具有n＝1、2、3、...的条件仅仅被用于找到在该处干扰信号最小或者为零的位置。
在具有主光束的任何调制形式的本发明的有利实施例中，光学和/或光机械部件被相对于彼此和/或光发射体布置成使得ΔS大于n*ΔX的0.8倍或小于其1.2倍，其中根据正在使用的测量信号的阶数2f、4f、6f、...，n ≠ m/2且其中m＝2、4、6、...。当光学和/或光机械部件的距离被选择成使得ΔS大于n*ΔX的0.7倍或小于其1.3倍（其中根据正在使用的测量信号的阶数2f、4f、6f、...，n ≠ m/2且其中m＝2、4、6、...）时，已经可以使用自混合和标准具的充分减小。
在本发明的一个实施例，用三角波形来调制主光束。因此，为了干扰信号对测量信号中的主信号的影响的最小化或消除，当ΔS = n*ΔX时获得光学和/或光机械部件相对于彼此的适当距离L，其中ΔX = λ0 2/Δλ，其中，限制适用n ≠ m/2。
当光程长度差ΔS = n*ΔX = n* 2/Δλ时，分别检查的傅立叶分量例如针对三角调制始终消失，其中，n＝1、2、3，是大于零的自然整数。因此，此外认识到选择n ≠ m/2，并且根据正在使用的测量信号的阶数2f、4f、6f...，m＝2、4、 6、...。
针对三角调制形式和具有2f的解调，有利地选择距离L，使得已解调测量信号的周期Λ对应于主光束的调制跨度Δλ的一半。因此，在公式ΔS=n*λ2/Δλ中，选择n＝2。在其它远程光学或光机械部件的情况下，选择周期Λ，使得周期Λ的倍数nΛ对应于调制跨度Δλ。
在具有主光束的三角形调制的本发明的实施例中，可以将光学和/或光机械部件相对于彼此和/或相对于光发射体布置，使得由于所选距离，周期Λ小于调制跨度Δλ的0.8倍，或者周期Λ的倍数nΛ大于主光束的跨度Δλ的0.8倍或小于其1.2倍，其中n≠m/2且其中m＝2、4、6等。当选择光学和/或光机械部件的距离L使得周期Λ的倍数nΛ大于调制跨度Δλ的0.7倍或小于其1.3倍时，可以已经实现自混合和标准具的充分减小，同样其中n≠m/2且m＝2、4、6等。
在本发明的一个实施例中，ΔS对应于光发射体与外壳窗口之间的距离L的两倍（ΔS＝2L），因为主导散射辐射在直接路径上被散射回到光发射体，并且可以忽视经由外壳壁 散射（外壳的黑化内壁）。
在本发明的最有利实施例中，外壳窗口内部到光发射体和/或光检测器的外壳窗口的内部到光检测器的距离通常是8mm，有利地10mm，进一步有利地至少15mm。此最小距离提供实现干扰信号对测量信号中的主信号的影响的显著减少，因为提供了明显大于0,5*ΔX*(m+1)的光程长度差ΔS。提供的距离涉及外壳窗口到光发射体（激光二极管）的小孔或到光检测器（光电二极管）的芯片表面的距离。
源自于光发射体处的主光束的散射始终在光发射体的外壳窗口的两个边界面处（因此在内侧上和外侧上）与外壳窗口的厚度无关地发生，其中，产生两个干扰信号，其可以与光发射体（激光器腔）中的主信号相干扰，这导致辐射退出功率的调制。相同的适用于检测器的外壳窗口处的散射光束，其中，该散射光束与撞击检测器表面的主光束相干扰。因此，将光发射体、光检测器和外壳窗口的内部相对于彼此进行定位、使得由内部引起的干扰信号的傅立叶分量消失是有用的。因此，只有由外壳窗口的外侧引起的干扰信号仍可以与主信号相干扰。为了实现该即时傅立叶分量也失去由外壳窗口的外侧引起的干扰信号，要求外壳窗口的外侧与光发射体/检测器的距离也遵守上文相对于测量信号的干扰信号的周期Λ所述的条件。这可以通过外壳窗口的厚度的适当选择来实现。因此，由厚度确定的外壳窗口的外侧与内侧的此距离也遵守相对于测量信号的干扰信号的周期Λ的要求。当在替换方案中可以排除外壳窗口内部的污染时，该设计只能适合于外壳窗口的外侧。
上述所有措施在用任何波形来调制主光束时是有效的。除用三角波形来调制主光束之外，用余弦状波形来调制主光束也已证明是有利的。当更加远离的光学或光机械部件的散射光束应被抑制时，用三角波形的调制比用余弦状波形进行的调制更加有效且因此更加有利。
应认识到的是，还可以提供在本领域中已知的措施以便避免散射光束或以便减小用于测量光谱的根据本发明的光学测量系统中的其强度（所述措施例如像相对于光束路径以倾斜角放置的外壳窗口、外壳窗口上的防反射涂层、楔形窗口、外壳内侧的黑化、光束路径中的光学绝缘体和用于光发射体的有源温度水槽和可选地用于外壳的无源温度水槽），以便使得用于主光束和可选地发生的散射光束的光程长度尽可能多地温度无关。
附图说明
随后基于附图中所示的实施例来更详细地描述本发明。与附图组合，从本发明的实施例的后续描述可以得到本发明的附加特征，在所述附图中：
图1图示出根据本发明的光学测量系统，其具有带有倾斜外壳窗口且带有作为光发射体布置在其中的激光二极管的第一外壳，并且具有带有倾斜外壳窗口且带有作为光检测器布置在其中的光电二极管的第二外壳。
图2图示出对于通过三角波形进行的主光束的调制而言的通过用于光发射体与外壳窗口之间的三个不同距离（图2a-2c）的主光束和散射光束的干扰（自混合）的测量信号的超级位置。
图3图示出根据图2的光发射体和外壳窗口之间的距离的变化对从检测器（图3a-3c）的测量信号得到的2f信号的影响；
图4图示出在用三角波形进行主光束的调制时确定光程长度差的参考所述距离的2f信号中的干扰信号的振幅；
图5图示出具有恒定调制跨度的作为光发射体与外壳窗口之间的距离的函数的用于三角波形（A）与余弦状波形（B）的测量信号的零通道的比较；
图6图示出具有三角波形（A）和余弦状波形（B）的来自光学或光机械部件与光发射体之间的距离的2f信号的振幅相关性的比较；
图7图示出用于从光发射体的外壳窗口到激光小孔中的直接反向散射/反射（自混合效应）（图7a）和从外壳窗口通过外壳壁到激光器腔中的间接反向散射/反射（自混合）（图7b）的散射光束的路径和当在气体晶胞进口窗口处发生散射且在激光检测器处发生两个光束的干扰时的主光束和散射光束的路径（图7c）和从光电二极管的小孔到光检测器的外壳窗口的反向散射和到光电二极管（图7d）的直接反向散射和检测器上的结果产生的标准具的示意图；以及
图8图示出分别地针对用三角波形进行的主光束的调制的用于2f信号（图8a）、4f信号（图8b）和6f信号（图8c）的干扰信号的距离相关振幅。
具体实施方式
图1图示出根据本发明的用于在气体检测期间测量光谱的光学测量系统1，该光学测量系统包括第一外壳2，其具有激光二极管在其中被布置为有源温度水槽5上的光发射体4的倾斜光可透外壳窗口3。测量系统1此外包括第二外壳6，其与外壳2分离并包括其中布置有光检测器8的倾斜外壳窗口7。两个外壳2、6被布置在彼此相距一定距离处，彼此相对并相互对准。光发射体4和光检测器8形成所示测量系统1的光学部件20。主光束9由光发射体4发射，其中，主光束在中心朝着外壳窗口3取向。主光束9离开外壳2并穿透布置在具有光发射体4的外壳2与具有光检测器8的外壳6之间的气体或气体混合物10。在其通过外壳窗口7进入具有光检测器8的外壳6之前。外壳2和外壳6被相对于彼此布置，使得通过气体或气体混合物10的发射主光束9撞击光检测器8。在图1中所示的实施例中，主导干扰由主光束9在外壳窗口3处的反射或散射引起。光发射体4被有利地构造成具有在朝向外壳窗口3的方向上布置的激光小孔的激光二极管。主光束9例如在外壳窗口3的窗口内部12处被部分地反射，其中，发生的散射光束11被耦合到光发射体4中，使得其在此位置处引起自混合。然而，原则上，这适用于所有反射或散射表面以及也适用于具有多次反射或散射的光束路径，只要反馈耦合散射光束11返回到光发射体4的活性区中。
图7a-7d在示意图中图示出主光束9的光程长度SMain和散射光束11的SScatter，在通过与主光束9的干扰在光发射体4和/或光检测器8的方向上被作为主光束9的一部分而部分地反射回的至少一个散射光束11导致光发射体4处的自混合和/或光检测器8处的标准具的情况下，这意味着其导致被干扰主光束9。散射光束11因此直接地或间接地（这意味着至少偏转一次）被指引到光发射体4或光检测器。为了说明的目的，光束9、1被示为相互邻近地定位，但其实际上重合。图7a-7d图示出其中光检测器8被邻近于被接收在外壳2中的光发射体4布置在外壳6中且反射器16被与之相对地布置的实施例。图7a、7b图示出外壳2中、光发射体4与外壳2的外壳窗口4之间的与未示出且被布置在光发射体（激光二极管）的内部的主光束相干扰的散射光束SScatter 11的不同光程长度。替换地，当外壳6位于反射器16的位置处时可以省略反射器16。在具有外壳窗口3的外壳2与具有外壳窗口7的外壳6之间，气体晶胞17布置有两个晶胞窗口18、18'，其被彼此相对地布置，其中，气体晶胞被布置在与外壳2、6相距一定距离处，并包括要检测的气体或气体混合物10。图7c和7d图示出直到被接收在外壳6中的光检测器8的主光束9的不同光程长度SMain和散射光束11的SScatter。
图7a图示出布置在与外壳2的外壳窗口3相距距离L处的光发射体4。源自于光发射体4的被干扰主光束9穿越光程长度2*S1到达光检测器8。由光发射体4发射的主光束9先前在光发射体4的方向上在外壳2的外壳窗口3处被部分地反射回，使得形成散射光束11。散射光束11穿越光程长度S1'从光发射体4到外壳窗口3并从外壳窗口3返回到光发射体4光程长度S1''。光程长度S1'、S1''对应于外壳窗口3与光发射体4之间的距离L。这提供从光发射体4至外壳窗口3并返回到光发射体4的光程SScatter，其中SScatter＝S1'＋S1''＝2L。由于根据定义，自混合期间的主光束9完全在光发射体（激光）中，所以SMain = 0和ΔS = |SScatter -SMain| = |SScatter - 0 | = 2L是路径长度差。
在光发射体4中，作为主光束9与散射光束11之间的干扰效应而发生自混合，使得光检测器8检测到被干扰主光束9的测量信号，其包括主信号部分和干扰信号部分。散射光束11是被由光发射体4发射且被外壳窗口3反射回的主光束9的部分引起的。光发射体4在接通的时间点处发射未被干扰主光束9，随后其发射在光发射体4的内部已经与散射光束11相干扰的主光束9。被干扰主光束9通过气体晶胞17且然后在反射器16处被返回到光检测器8，其中，被干扰主光束9通过两个倾斜晶胞窗口18、18'两次。在光发射体4本身中执行自混合，使得外壳2中的光程长度差ΔS被定义为ΔS = |SScatter - SMain|，其中SMain＝0，变成|SScatter|，因为主光束9仅在光发射体4中延伸。
图7b还图示出被布置在与外壳2的外壳窗口3相距一定距离L处的光发射体4。由光发射体4发射的主光束9在外壳2的外壳内壁19的方向上在外壳2的外壳窗口3的内侧处被部分地反射，形成散射光束11。散射光束11然后在外壳内壁19处通过附加散射在朝向光发射体4的方向上偏转。散射光束11因此覆盖从光发射体4到外壳窗口3的光程长度S1'，并且然后覆盖从外壳窗口3到外壳内壁19的光程长度S1'''，并且从外壳内壁到光发射体4，其覆盖光程长度S1''。光程长度S1'对应于光发射体4与外壳窗口3之间的距离L。这提供从光发射体4到外壳窗口3和返回到光发射体4的光程长度距离ΔS，其中，ΔS = S1'+ S1''+S1'''>2L。在干扰之后，被干扰主光束9从光发射体4离开，其中，主光束9通过自混合由未被干扰主光束9和散射光输11构成，并在光程长度2*S1内到达光检测器8。
图7c图示出主光束9的光程长度SMain和光发射体4与光检测器8之间的用于散射光束11的光程长度SScatter，在源自于光发射体4的已调制主光束9在光检测器8的方向上被在外侧部分地散射回来的情况下，其中，在形成散射光束11的同时在朝着外壳2、6取向的气体晶胞17的晶胞窗口18处执行反向散射。主光束9从光发射体4到光检测器8行进光程长度SMain = 2*S1。从光发射体4到晶胞窗口18，散射光束11行进光程长度S1'，并且从晶胞窗口18到光检测器8，散射光束行进光程长度S1''。S1'和S1''因此可以是相等的或不同的。主光束9的光程长度SMain与光发射体4与光检测器8之间的散射光束11的不同光程长度SScatter之间的光程长度差ΔS因此由ΔS = SMain - SScatter = 2*S1 - (S1'+S1'')定义。因此，在光检测器8处作为主光束9与被干扰主光束9形式的散射光束11之间的干扰现象而发生标准具，其由未被干扰主光束9和散射光束11构成，使得光检测器8包括具有主信号和干扰信号的测量信号。
图7d图示出主光束9的光程长度SMain和光发射体4与光检测器8之间的散射光束11的光程长度SScatter（在源自光发射体4处的已调制主光束9并未在朝向光检测器8的方向上在外侧朝着外壳2、6取向的晶胞窗口18处被部分地散射回来形成散射光束11、而是仅仅在光检测器8的外壳窗口7的方向上被光检测器8（光电二极管）的小孔部分地散射回来的情况下）。外壳窗口7在光电二极管8的方向上将散射光束11反射或散射回来。因此，在主光束9与散射光束11之间发生干扰，使得形成包括这些光束的被干扰主光束9。主光束9和散射光束11从光发射体4到光检测器8行进光程SMain = SScatter = 2*S1。主光束9在朝向外壳窗口7的方向上被部分地反射回到光检测器8。因此，散射光束11从光检测器到外壳窗口7行进附加光程长度S1'，并且从外壳窗口7到光检测器8，其行进光程长度S1''。光程长度S1'以及S1''对应于光检测器8与外壳窗口7之间的距离L。这提供主光束9与散射光束11之间的光程长度差ΔS，其中，ΔS = |(2*S1) - (2*S1+ S1'+S1'')| =S1'+S1'' = 2L，使得光检测器8接收具有主信号和干扰信号的测量信号。
通常，此类光学测量系统具有散射光束11和因此的以组合方式与根据图7a-7d的各主光束9的干扰，其中，主信号和干扰信号通过参考现象叠加并导致光检测器的被干扰测量信号。通过光学测量系统的各光学和/或光机械部件的光学有效边界面之间的距离的适当选择，可以显著地减少干扰信号对测量信号的影响。图1图示出在图7a-7d中未图示出的类似于图7a的变体。在根据图1的变体中，外壳6位于反射器16的位置处并替换反射器16。并且未示出气体晶胞17。因此，主光束9在外壳2的外壳窗口3处被部分地反射，其中光发射体4形成在朝向光发射体的方向上延伸的散射光束11。在具有光检测器8的外壳6的外壳窗口7处，可以产生各散射光束，然而其未被示出。主光束9在外壳窗口3的内侧12处和外侧13处被反射或散射。外壳窗口3具有由从外壳窗口3的内侧12到外侧13的距离限定的厚度14。光发射体4、光检测器8和两个外壳窗口3、7形成光学测量系统1的光学和/或光机械部件15。在朝向光发射体4的方向上被从主光束9反射出来的散射光束11通过与激光器中的主光束的混合而引起测量信号，其中，测量信号包括干扰信号和主信号。因此，光发射体4在与外壳窗口3的定义距离L处布置有其小孔，其中，距离L改变光程长度差ΔS = 2*L，并影响由外壳窗口3在测量信号中引起的干扰信号的振幅和周期Λ。
随后相对于图2a-2c和3a-3c基于光发射体4的小孔与散射窗口内侧12之间的三个不同距离L以示例性方式描述干扰对测量信号的影响。在本文中，考虑用于直接反向散射的在图7a中示出的情况。第一距离L＝0.3cm（图2a、3a）近似对应于光发射体4与窗口内侧12之间的距离。选择距离L＝0.584cm（图2b、3b）以便说明最坏情况，这意味着产生具有在气体吸收线的典型宽度的数量级中的周期Λ的干扰信号。用L＝1.17cm（图2c、3c），说明其中不存在干扰的情况，这意味着在已解调测量信号中没有干扰信号。该举例说明是基于在λ0 =1.512 µm下具有固定调制宽度Δλ = 0.195 mm的三角波形。
图2a-2c图示出用于三个距离L或光程长度差ΔS = 2*L的光检测器8的模拟测量信号。模拟测量信号是在0.9985-1.000范围内的光发射体的标准化功率。附图应图示出不同的曲线形状。0 GHz下的峰值表示要测量的吸收的实际信号，在这种情况下，为具有现在被周期性干扰叠加的洛伦兹型线的NH3气体峰值的信号。显而易见的是，周期Λ随着增加的距离L而减小，这意味着具有用于散射光束11的增加的光程长度SScatter。干扰的振幅对于三个全部的变体而言是相同的，因为在各图中未考虑反馈耦合随着外壳窗口3相对于光发射体4的距离L增加的减小。
图3a-3c图示出对从测量信号得到的2f信号的影响，这意指在m＝2处。这些图示出了2f测量信号相对于用于散射光束11的三个不同光程长度SScatter的各干扰的振幅，这意指在光发射体4的小孔与外壳窗口3之间的不同距离处。显而易见的是，干扰信号急剧地从L＝0.3cm（图3a）增加至L＝0.584cm（图3b），并且然后非常快速地下降。具有L＝0.3cm的图示特别地示出干扰在2f信号中也是可见的。此干扰限制用于光学测量系统1的测量精度。当距离L被延长至L＝0.584cm（图3b）时，该效应被放大，并且NH3气体信号几乎不能与干扰区别开。然而，只有当选择外壳窗口3与光发射体4之间的距离L、使得对于光程长度差ΔS而言满足条件ΔS=2*λ0 2 / Δλ=2*ΔX时才能实现测量误差的显著减小。对于具有L＝1.17cm（图3c）的距离而言，测量信号仅示出NH3峰值的信号，这意味着2f信号完全没有干扰。
图4图示出用于直接反馈耦合的针对图7a中所示的情况下的2f测量信号中的作为距离L的函数的干扰信号的振幅A。图示出已解调测量信号的傅立叶分量。所示强度曲线包括驼峰状强度部分，其包括具有最高振幅峰值的主最大值和具有分别地减小振幅峰值的许多中间最大值。该大的第一主最大值和后续零点及较小中间最大值是清楚可见的。因此，主最大值作为第一部分在零点（L＝0cm）处开始，其中，中间最大值在主最大值的右侧处邻接。显而易见的是，干扰信号从L＝0cm到L＝0.584cm大大地增加，并且随后快速地下降并在L＝ΔS/2 = λ0 2 / Δλ=ΔX处达到第一局部最小值。
图5图示出针对三角波形（曲线A）和余弦状波形（曲线B）的处于相等调制跨度Δλ的解调测量信号的振幅的零通道的相关性的比较。三角调制比余弦调制更强地抑制已解调测量信号的干扰信号部分，然而与余弦调制相比，其要求光发射体4与可以引起散射光束11的光学和/或光机械部件15（例如像外壳窗口3）之间的略微较大距离。
图6图示出用三角波形式（曲线A）和余弦状波形（取向B）来调制主光束时的来自光发射体4与光机械部件15之间的距离L的2f信号的振幅相关性的比较。清楚可见的是三角形调制在这里还是比余弦调制更有效。干扰信号的影响随着光发射体4与光学和/或可以引起散射光束11的光机械部件15（例如像外壳窗口3）之间的距离增加而在三角形调制中的强度方面快得多地减小。附图显示在三角形调制期间，与针对余弦状调制相比，光学干扰随着光机械元件的去除而快得多地减小。因此，已经大大地减少了接近于光发射体（激光二极管），例如在光发射体4的外壳窗口3处，例如被从激光二极管移开1.8cm，但在两者上曲线A和B对于例如离开5cm的气体晶胞17的晶胞窗口18处的散射而言是几乎相同的干扰的影响。针对距离光发射体4例如60cm远的光检测器8处的干扰的影响而言，差别是显著的。
一般地，可以有多个此类反馈耦合，并且通常还在具有不同光程长度SScatter的光学测量系统1处的光发射体4与其它光机械部件15中的一个之间提供。针对每个单独光程长度SScatter，在理想情况下应满足上述条件。在实际应用中，这通常是不可能的或者仅仅在极限范围内是可能的，因为在不同的光程长度SScatter、SMain之间（这意指由各部件15的不同距离L引起的路径长度）一般地存在某些相关性。用于对光学或机械部件15进行定位的实际条件（其引起相对于光发射体4的散射辐射）是例如：
|SScatter-SMain| = ΔS > λ0 2/Δλ,
其中，λ0是平均波长且Δλ是以纳米的已调制主光束9的调制跨度。满足此条件是有利的，因为光程长度差ΔS或ΔS' = λ0 2/Δλ与2*λ0 2/Δλ之间的干扰信号大大地减小。在用于散射光束11的多个来源（这意指被布置在与光发射体4相距不同距离L处并因此引起散射光束11的多个不同光程长度SScatter的多个反射和/或反向散射光学或光机械部件15和/或此类部件15的多个反射或反向散射表面）的情况下的符号ΔS'提供最短光程长度差ΔS'，其对主光束9与散射光束11的干扰提供相关贡献。此外显而易见的是，干扰的局部最大值随着增加的路径长度差ΔS而变得越来越小。此效应被进一步放大，因为反向耦合光随着增加的距离而变得越来越小（在图4中未考虑）。
在实际工程应用中，必须考虑光学和/或光机械部件15、4、8的相对位置的公差。原则上，外壳窗口3具有必须同时优化到外壳窗口3的内侧12和到其外侧13的距离L以便实现最佳结果的问题。对此，原则上存在两个解决方案以便遵守要求，尽管有不同的光程长度SScatter和结果得到的光程长度差ΔS，其是由从光发射体4到内侧12和外侧13的不均匀距离L引起的，两者都在曲线A（L）的最小值处。这可以通过修改外壳窗口3的厚度14和/或相对于光束路径使外壳窗口3倾斜来实现。
并且，向光束路径中插入图中未示出的光学隔离器是有帮助的，其中，绝缘体提供的是来自后续光学元件15的反向散射光不能再引起自混合。布置在光发射体4的光束方向上的光学绝缘体的第一边界面（例如四分之一波长板）仍引起可以引起自混合的散射辐射。因此，根据上文提供的间距规则来优化第一光学边界面的位置是有利的。在实施例中，可以在外壳窗口3的内侧12处应用四分之一波长板，其中，四分之一波长板用光检测器8使来自外侧、例如来自外面13或来自外壳6的外壳窗口7的反射光反向转动90°角，使得其不能与光发射体4的主光束9或其中布置有光发射体4的外壳2中的可选散射光束11相干扰。因此，用胶合剂在没有任何偏移的情况下直接地并与内侧12齐平地连接光学绝缘体是有利的，该胶合剂的折射率与绝缘体或外壳窗口3的折射率紧密地匹配，使得在光学绝缘体与外壳窗口之间不产生附加的光学边界层。替换地，例如，可以使用四分之一波长板作为外壳窗口3。
在图8中，分别地针对用三角波形进行的主光束9的调制，针对2f信号（图8a）、4f信号（图8b）和6f信号（图8c）图示出干扰信号的距离相干振幅。图8a-c图示出作为距离L或光程长度差ΔS的函数的干扰信号A(L)。大的主最大值和在左侧和/或右侧与布置在其之间的零点邻接的较小中间最大值是清楚可见的。主最大值相对于中间最大值的位置是正在使用的已解调mf测量信号的阶数的函数。针对2f信号（图8a），主最大值作为第一部分在零点处开始，其中，中间最大值在主最大值处在右侧处邻接，针对4f信号（图8b），在零点与主最大值之间布置附加中间最大值，针对6f信号（图8c），在主最大值的左侧布置两个中间最大值。主最大值的位置由正在使用的已解调测量信号的阶数m/2定义。在主最大值的右侧，还针对4f信号和6f信号布置有许多中间最大值。
在实际应用中，激光器封装常常被紧紧地气密密封，使得窗口的内部在整个使用寿命期间将不会污染。在这种情况下，规定窗口的内侧是光学上清洁的、使得在这种情况下可以忽视来自内部的散射光束就足够了，并且该构造可以适合于与非常易于污染的内侧相反的窗口外侧。
在优化波长调制测量系统时，典型方法包括最初定义适合于要测量的光谱的正在使用的波长范围，然后定义信号处理方法并相对于噪声、穿越灵敏度等优化所使用的调制跨度Δλ，并且随后计算光学测量系统1的所有光学和/或光机械部件15的最佳位置以便测量光谱。在已经第一次确定光学及光学和光机械部件15的位置之后，可以可选地执行调制跨度Δλ的细优化以便补偿制造公差。

Claims (15)

1.一种用于气体检测的光学测量系统（1），该光学测量系统包括：
光发射体（4）；
至少一个光检测器（8），其形成布置在至少一个外壳（2、6）中的光学部件（20）；
光学外壳窗口（3、7），其在外壳（2、6）处提供并形成光机械部件（15）；和/或
其它光机械部件（15），
其中，所述光机械部件（15）包括光学有效边界面，
其中，所述光发射体（4）以调制跨度Δλ、以平均波长λ0来发射已调制主光束（9），
其中，在光发射体（4）和/或光检测完全（8）的方向上至少在至少一个光机械部件（15）的一个光学有效边界面处被从主光束（9）部分地反射/散射的至少一个散射光束（11）通过与主光束（9）的干扰引起光发射体（4）中的自混合和/或光检测器（8）处的标准具，
其中，所述干扰引起被干扰主光束（9），使得光检测器的测量信号包括干扰信号部分和主信号部分，
其中，所述干扰信号影响光检测器（8）的已解调测量信号，
其中，光学和/或光机械部件（20、15）中的至少一个被相对于另一光学和/或光机械部件（20、15）布置，使得用于主光束（9）和散射光束（11）的光程长度差ΔS由光学和/或光机械部件的光学有效边界面相对于彼此的空间取向和/或距离（L）引起，
其中，所述光程长度差ΔS由主光束（9）的光程长度SMain与散射光束（11）的光程长度SScatter之间的差定义，所述光程长度差ΔS针对处于具有波长λ0的主光束（9）的所选调制跨度Δλ的所有相位消除干扰信号对用于已解调测量信号的主信号的影响或使其最小化，
其中，已解调测量信号的周期Λ是从光程长度差ΔS得到的，
其中，周期Λ是通过与主信号的干扰由所述至少一个光学或光机械部件（15）所引起的干扰信号引起的，以及
其中，主光束（9）的调制是用任何周期性波形提供的，并且调制跨度Δλ是被用于调制波长λ0的主光束（9）的调制信号的峰到峰振幅。
2.根据权利要求1所述的光学测量系统，
其中，光程长度差ΔS大于0.5*ΔX*(m+1)，其中，根据所采用的测量信号的阶数2f、4f、6f、...，m＝2、4、6、...，
其中，ΔX是其中邻近于最高振幅峰值的已解调测量信号的傅立叶分量重复地为最小值的距离。
3.根据权利要求1所述的光学测量系统，
其中，光程长度差ΔS大于0.7倍或小于1.3倍n*ΔX，其中n＝1、2、3、...，并且其中，根据所采用的测量信号s的阶数2f、4f、6f、...，n ≠ m/2，其中m＝2、4、6、...，
其中，ΔX是其中邻近于最高振幅峰值的已解调测量信号的傅立叶分量重复地为最小值的距离。
4.根据权利要求3所述的光学测量系统，其中，所述光程长度差ΔS大于0.8倍或小于1.2倍n*ΔX。
5.根据权利要求3所述的光学测量系统，其中，所述光程长度差ΔS等于n*ΔX。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的光学测量系统，其中，由三角波形来调制主光束（9）。
7.根据权利要求6所述的光学测量系统，其中，ΔX是λ0 2 /Δλ。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的光学测量系统，其中
从光发射体（4）到光发射体（4）的所提供外壳窗口（3）的内侧（12）的距离（L）和/或从光检测器（8）到光检测器（8）的所提供外壳窗口（7）的内侧（12）的距离（L）为至少8mm，有利地为至少10mm，进一步有利地为至少15mm。
9.一种用于使用光学测量系统（1）的气体检测的方法，包括
光发射体（4）；
至少一个光检测器（8），其形成布置在至少一个外壳（2、6）中的光学部件（20）；
光学外壳窗口（3、7），其在外壳（2、6）处提供，形成光机械部件（15）；和/或
其它光机械部件（15）包括光学有效边界面，
所述方法包括步骤：
从光发射体（4）以平均波长λ0且以调制跨度Δλ发射已调制主光束（9）；
在使主光束（9）通过气体或气体混合物（10）之后在所述至少一个光检测器（8）中接收主光束（9）；
由在光发射体（4）和/或光检测器（8）的方向上至少在至少一个光机械部件（15）的一个光学有效边界面处被从主光束（9）部分地反射/散射的至少一个散射光束（11）通过与主光束（9）的干扰引起光发射体（4）中的自混合和/或光检测器（8）处的标准具；
通过干扰形成被干扰主光束（9），使得光检测器（8）产生包括干扰信号部分和主信号部分的测量信号；
用干扰信号负面地影响光检测器（8）的已解调测量信号，
其中，光学和/或光机械部件（20、15）中的至少一个被相对于另一光学和/或光机械部件（20、15）布置，使得用于主光束（9）和散射光束（11）的光程长度差ΔS由光学和/或光机械部件的光学有效边界面相对于彼此的空间取向和/或距离（L）引起，
其中，所述光程长度差ΔS由主光束（9）的光程长度SMain与散射光束（11）的光程长度SScatter之间的差定义，所述光程长度差ΔS针对处于波长λ0的主光束（9）的所选调制跨度Δλ的所有相位消除干扰信号对用于已解调测量信号的主信号的影响或使其最小化，
其中，已解调测量信号的周期Λ从光程长度差ΔS得到，
其中，周期Λ是通过与主信号的干扰由所述至少一个光学或光机械部件（15）所引起的干扰信号引起的，以及
其中，主光束（9）的调制是用任何周期性波形提供的，并且调制跨度Δλ是被用于调制波长λ0的主光束（9）的调制信号的峰到峰振幅。
10.根据权利要求9所述的方法，
其中，光程长度差ΔS大于0.5*ΔX*(m+1)，其中，根据所采用测量信号的阶数2f、4f、6f、...，m＝2、4、6、...，以及
其中，ΔX是其中邻近于最高振幅峰值的已解调测量信号的傅立叶分量重复地为最小值的距离。
11.根据权利要求9所述的方法，
其中，光程长度差ΔS大于0.7倍或小于1.3倍n*ΔX，其中n＝1、2、3、...，并且其中，根据所采用测量信号s的阶数2f、4f、6f、...，n ≠ m/2，其中m＝2、4、6、...，以及
其中，ΔX是其中邻近于最高振幅峰值的已解调测量信号的傅立叶分量重复地为最小值的距离。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述光程长度差ΔS大于0.8倍或小于1.2倍n*ΔX。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述光程长度差ΔS等于n*ΔX。
14.根据前述权利要求9-13中的任一项所述的方法，其中，由三角波形来调制主光束（9）。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，ΔX是λ0 2 /Δλ。
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