CN106662527B - 用于光束转向的设备、方法和计算机可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

一种光谱仪，包括向包含吸收介质的样品体积内发射光束的光源。之后，至少一个检测器检测所述光源发射的光束的至少一部分。之后基于所述检测的光束的至少一部分并且由控制器确定所述光束的位置和/或角度应被改变。然后，光源发射的光束由致动元件在所述控制器的控制下被有效地转向。另外，所述吸收介质的浓度能够被量化或者以其它方式计算(使用本地或远程的控制器或者可选的不同处理器)。致动元件能够被耦合至所述光源、检测器以及位于所述光源和检测器之间的反射器中的一个或多个。

Description

用于光束转向的设备、方法和计算机可读存储介质
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年8月22日提交的，标题为“具有有效光束转向的光谱仪”(“Spectrometer With Active Beam Steering”)的美国专利申请序列号14/466,819的优先权。本段中列举的每个申请的公开内容都在此通过引用以其整体并入。
技术领域
本文所述的主题涉及一种其中可使用控制器选择性地转向光源发射的光束的光谱分析仪。
背景技术
光谱仪使用物质的发光或者吸收或者拉曼散射，从而定性和定量地分析气相、固相或者液相化合物中的特定原子和分子。在这种情况下，从光源发射的辐射通过由在分析物的原子、离子或者分子内发生的光学跃迁确定的特殊能量吸收。在另一种情况下，分析物的原子、离子或者分子发射的光由原子或者分子内的光学跃迁确定的特殊能量的光谱分量组成。在又另一种情况下，物质散射的光含有通过拉曼散射产生的，对应于分子或者离子内的某些特殊跃迁的光谱分量。例如，在红外吸收光谱分析中，离散的能量量子由于分子内键的振动或者转动跃迁的激励而被分子吸收。
环境条件的变化以及光谱仪样品池内的反射器表面的老化或者污染，或者对污染或者退化反射器表面的替换能够引起光谱仪内的光源的光束路径随着时间或者由于更换反射器而改变。光学光谱仪内的光束路径的改变能够使光谱仪校准无效。在大多数情况下，这些光谱仪需要至少样品池的工厂校准，或者由熟练技术人员更换。这种维修需求和工厂修复成本高，并且在执行这些修复时导致光谱仪及其控制的操作的停机时间。这是现在当样品池中的至少一个反射器由于反射表面的污染或者由于其它退化而必须被替换时需要对样品池工厂校准的传统TDL(可调谐二极管激光器)光谱仪普遍存在的问题。由于导致液体流经样品池并且在反射器上留有有害残留物的不可避免的反应器的令人担忧的状态，这种样品池修复和替换的回厂时间已经使得在许多石化生产，诸如乙烯和丙烯生产过程中排除TDL光谱仪的使用。
发明内容
在一方面，提供一种设备，包括光源、至少一个检测器、致动元件以及被耦合至致动元件的控制器。光源被配置成将光束发射到包含吸收介质的样品体积内。至少一个检测器被定位成检测光源发射的光束的至少一部分。致动元件被配置成选择性地引起光源发射的光束被转向。基于至少一个检测器检测的信号强度确定吸收介质等等的浓度水平。在一些变形中，能够存在两个或多个致动元件。
致动元件能够被耦合至光源、至少一个检测器、位于光源和检测器之间的反射器，和/或位于光源和至少一个检测器之间的至少一个透射或反射光学元件。致动元件能够被耦合至反射器，并且被配置成选择性地引起反射器的至少一个反射特性改变。
吸收介质能够为下列一种或多种介质：气体、液体、反射介质、发射介质或者拉曼活性介质。
该设备能够包括限定样品体积的外壳。这种外壳例如能够为：在光保持在样品池内部时在一个或多个光学反射镜之间反射光的多通构造；在光保持在样品池内部时光被一个或多个光学元件反射和/或折射的多通构造；赫里奥特池；轴上光学谐振器；椭圆形集光器；至少一个反射多通池；离轴光学谐振器；怀特池；光学腔；空心光导管；或者其中光在保持在样品池内部时不被反射的单通构造。
在其它变形中，样品体积形成部分开放路径系统。
致动元件能够包括至少一个压电元件。在其它变形中，致动元件包括下列中的一个或多个：步进电机、光电致动器、声光致动器、可调光学波导管、微机电系统(MEMS)致动装置、光阀、尺蠖式装置、机械致动器、磁致动器、静电致动器、感应致动器、旋转致动器、热致动器、压力致动器、应力和应变致动器，或者模拟电机。
在一些变形中，致动元件能够包括或者被耦合至下列中的一个或多个：棱镜、校准器、透镜、光栅、衍射光学元件、反射器、双折射元件、晶体元件、非晶元件、光电元件、声光元件、光学窗口、光楔、波导管、电操纵波导管或者空气波导管。
控制器能够响应于至少一个检测器检测的光束位置和/或角度引起光源进行光束转向。光束(响应于来自控制器的信号)能够被沿至少一个检测器转向至预定位置和角度。
该至少一个检测器能够包括光接收器阵列和/或它可以是多元件光接收器。该至少一个检测器能够包括至少一个位置感测光电二极管。
光源能够包括下述的至少一个：可调谐二极管激光器、可调谐半导体激光器、量子级联激光器、带内级联激光器(ICL)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、水平腔表面发射激光器(HCSEL)、分布式反馈激光器、发光二极管(LED)、超发光二极管、放大自发辐射(ASE)源、气体放电激光器、液体激光器、固态激光器、光纤激光器、色心激光器、白炽灯、放电灯、热发射体或能够通过非线性光学相互作用产生可调频光的装置。
该至少一个检测器能够包括下述的至少一个：砷化铟镓(InGaAs)检测器、砷化铟(InAs)检测器、磷化铟(InP)检测器、硅(Si)检测器、硅锗(SiGe)检测器、锗(Ge)检测器、碲镉汞检测器(HgCdTe或MCT)、硫化铅(PbS)检测器、硒化铅(PbSe)检测器、热电堆检测器、多元件阵列检测器、单元件检测器、CMOS(互补金属氧化物半导体)检测器、CCD(电荷耦合器件检测器)检测器或者光电倍增器。
另一方面，光源向包含吸收介质的样品体积内发射光束。之后，至少一个检测器检测光源发射的光束的至少一部分。然后，能够基于所检测的光束的至少一部分并且由控制器确定光束的位置和/或角度应被改变。然后，在控制器控制下的致动元件引起光源发射的光束被选择性地转向。
致动元件能够被耦合至光源，并且引起光源的位置和/或角度改变。致动元件能够被耦合至该至少一个检测器，并且引起该至少一个检测器的位置(沿x轴、y轴和z轴中的一个或多个)和/或角度(沿x轴、y轴和z轴中的一个或多个)改变。致动元件能够被耦合至位于光源和至少一个检测器之间的至少一个反射器，并且引起至少一个反射器的反射特性改变，包括但是不限于角度、面形或者曲率半径等等。致动元件能够处于光源和至少一个检测器之间。
致动元件能够被耦合至处于光源和至少一个检测器之间的至少一个透射或反射光学元件。在一些变形中，致动元件能够被耦合至下列中的两个或多个：(i)光源，(ii)至少一个检测器，(iii)至少一个反射器，或者(iv)处于光源和至少一个检测器之间的至少一个透射或反射光束致动元件。
本文提供的光束转向能够包括(除非另外指定)改变总体光束路径长度。例如，该至少一个致动元件能够引起反射器、光源、透射元件、至少一个检测器中的一个或多个沿z轴平移从而改变总体光束路径长度。
在另一方面，引起光源将光束发射到包含吸收介质的样品体积内。之后，从特征为检测光源发射的光束的至少一部分的至少一个检测器接收信号。然后基于所接收的信号确定光束的位置和/或角度应被改变。作为响应，引起致动元件选择性地使光源发射的光束转向。
本文所述的主题提供许多技术优点。例如，能够通过使光源发射的或由检测器接收的一个或多个光束选择性地转向从而确保最佳性能和校准保真度，从而显著地降低由于老化和环境因素或由于反射器变化造成的光谱仪校准保真度的退化和校准偏离。特别地，利用本主题，能够不需要工厂重对准和重校准地通过替换污染或者受损组件现场修复光谱仪。此外，通过提供有效光束转向，能够使用本主题以通过光谱仪保持最佳光学吞吐量，由此延长清洁间隔之间所需的时间量。此外，本文提供的有效光束转向能够被用于抵消外部影响，诸如能够引起光束路径改变的样品气体和/或环境中的温度变化、热膨胀、指数改变、纹影效应等等。
也描述了存储指令的非瞬态计算机程序产品(即，物理地实现的计算机程序产品)，当被一个或多个计算系统的一个或多个数据处理器执行时，指令引起至少一个数据处理器在其中执行操作。类似地，计算机系统也被描述为可以包括一个或多个数据处理器以及被耦合至一个或多个数据处理器的存储器。存储器可以临时地或者永久地存储引起至少一个处理器执行本文所述的一个或多个操作的指令。另外，能够由单个计算系统内或者在两个或多个计算系统之中分布的一个或多个数据处理器实施多种方法。这些计算系统能够通过一个或多个连接，包括但是不限于网络上的连接(例如，因特网、无线广域网、局域网、广域网、有线网络等等)、通过一个或多个多计算系统之间的直接连接等加以连接，并且能够交换数据和/或命令或者其它指令等。
在附图和下文的说明中提出本文所述的主题的一个或多个变形的细节。通过说明和附图并且通过权利要求将明白本文所述的主题的其它特征和优点。应注意，本主题预期用于检测痕量气体和/或液体的封闭样品池和开放路径系统两者。因此，本文所使用的术语“样品气体体积”、“气体体积”、“样品液体体积”和“液体体积”涉及气体或者液体的流动的体积或者静态的批量体积(根据具体情况)。
附图说明
被并入并且构成本说明书一部分的附图示出本文公开的主题的特定方面，并且与说明书一起帮助解释与所公开的实现方式相关联的一些原理。在附图中，
图1是示出光谱仪内的光束的选择性转向的过程流程图；
图2是示出具有样品池的第一光谱仪的视图；
图3是示出具有样品池的第二光谱仪的视图；
图4是示出具有样品池的第三光谱仪的视图；
图5是示出第一开放路径光谱仪的视图；
图6是示出第二开放路径光谱仪的视图；以及
图7是示出第二开放路径光谱仪的视图；
当实践时，相同参考标记指示相同结构、特征或者元件。
具体实施方式
为了解决由于通过光谱测量的光束位置敏感性导致的上述和其它潜在问题，本主题的实现方式能够提供具有在其穿过测量样品到达检测器上的路径上有效地对其一个或多个光束或者其一部分光束转向的能力的光源的光谱仪。本文中使用的(除非另外指出)转向涉及改变光束路径的角度、光束路径的长度，和/或形成光谱仪的一部分的装置的位置或者角度。被从源取样的气体和/或液体能够包括吸收介质(例如，一种或多种分析物化合物，等等)。能够由光谱分析执行对这样的吸收介质的浓度的检测和/或量化。光谱仪能够包括使得光源发射的一个或多个光束的光束路径按控制器的指定而改变的至少一个致动元件。在一些变形中，该系统能够包括空间检测器/检测器阵列，使得控制单元能够确定光束的空间和/或角度位置，并且引起致动元件做出任何必需的改变。
本主题的实现方式能够使用的分析物化合物包括吸收光的所有气体、液体和固体相原子、分子和离子，但是不限于：硫化氢(H2S)；氯化氢(HCl)；水蒸汽(H2O)；氟化氢(HF)；氰化氢(HCN)；溴化氢(HBr)；氨(NH3)；砷化三氢(AsH3)；磷化氢(PH3)；氧气(O2)；一氧化碳(CO)；二氧化碳(CO2)；氯气(Cl2)；氮气(N2)；氢气(H2)；碳氢化合物，包括但是不限于甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)等等；碳氟化合物；氯碳化合物；醇；酮；乙醛；酸，碱基等等。
图1是过程流程图100，其中在110，光源向包含吸收介质的样品体积内发射光束。之后，在120，至少一个检测器检测光源发射的至少一部分光束。之后在130基于所检测的至少一部分光束并且由控制器确定检测器检测的光束的位置和/或角度应被改变。然后在140，光源发射的光束被至少一个致动元件在控制器的控制下有效地转向。另外，吸收介质的浓度能够被量化或者以其它方式计算(使用控制器或者可选地能够处于本地或者远程的不同处理器)。一个或多个致动元件能够被耦合至光源、检测器或者多个检测器，以及光源和一个或多个检测器中间的反射器或者多个反射器(虽然应明白不是所有变形都需要反射器)中的一个或多个。
图2-7是示出用于实施本主题的示例光谱仪的视图200-700。虽然结合气体内的检测吸收介质描述下文，但是应明白，本主题也能够被应用于检测液体内的吸收介质。光源205提供通过路径长度215被引导至检测器210的连续或者脉冲光。例如，光源205能够包括下述中一个或多个：可调谐二极管激光器、可调谐半导体激光器、量子级联激光器、带内级联激光器(ICL)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、水平腔表面发射激光器(HCSEL)、分布式反馈激光器、发光二极管(LED)、超发光二极管、放大自发辐射(ASE)源、气体放电激光器、液体激光器、固态激光器、光纤激光器、色心激光器、白炽灯、放电灯、热发射体等。例如，检测器210能够包括下述中的一个或多个：砷化铟镓(InGaAs)检测器、砷化铟(InAs)检测器、磷化铟(InP)检测器、硅(Si)检测器、硅锗(SiGe)检测器、锗(Ge)检测器、碲镉汞检测器(HgCdTe或MCT)、硫化铅(PbS)检测器、硒化铅(PbSe)检测器、热电堆检测器、多元件阵列检测器、单元件检测器、光电倍增器、CMOS(互补金属氧化物半导体)检测器、CCD(电荷耦合器件检测器)检测器等。
路径长度215能够经过一个或多个体积。在图2-7中所示的示例系统200-500中，路径长度215能够两次经过包括窗口或者至少部分辐射透射表面230和反射器(例如，反射镜等等)235或者至少部分地限定体积220的其它至少部分辐射反射表面的光学池225的体积220。在一些实现方式中，能够从在图2和3的示例中为管道240的气源获得样品气体，从而例如通过从源接收样品气体的样品取出端口或者阀门245输送至体积220。体积220中的气体能够通过第二出口阀门或者端口250离开。
如图2-4中所示，在一些变形中，体积220可以是限定例如是下述中的一个或多个的样品池的外壳的一部分：赫里奥特池；离轴光学谐振器；轴上光学谐振器；椭圆形集光器；怀特池；光学腔；空心光导管；光束被反射至少一次的多通构造；或者光在经过样品池时不被反射的单通构造。在其它变形中，如图5-7中所示，体积220能够为不包括专用样品池的开放路径系统的一部分。开放路径系统能够被用于各种应用，包括大气污染物研究、警戒线监控、过程管线/罐渗漏检测、工业气体纯度应用，以及尤其是关于排气管的，燃烧过程的监控和控制。
能够包括一个或多个可编程处理器等等的控制器255能够与光源205、检测器210，以及用于控制光的发射215并且接收检测器210产生的代表根据波长而入射在检测器210上的光的强度的信号的反射器235中的一个或多个通信。在各种实现方式中，控制器255能够为执行控制光源205并且从检测器210接收信号两者的单个单元，或者能够为这些功能被跨其划分的超过一个的单元。控制器255或者多个控制器以及光源205和检测器210之间的通信能够处于有线通信链路、无线通信链路或者其任何组合上。在一些情况下，控制器255也能够被用于使用检测器210产生的信号量化吸收介质的量。在其它变形中，能够由至少一个远程数据处理器确定该量化。
致动元件260(或者两个或多个致动元件260)能够被耦合至(i)光源205，(ii)检测器210，或(iii)反射器225以及控制器255中的一个或多个。控制器255能够向致动元件260发送信号，从而引起其选择性地使光源205发射的被检测器210检测的光束转向(即改变其迹线等)。在一些变形中，致动元件260可以是引起光源205的位置物理移动的任何装置，和/或引起其光束角度物理改变(并且同样地，致动元件260一方面不在光束路径中间，并且另一方面也不在光源205和检测器210中间)的任何装置。例如，通过这种变形，致动元件260能够是/包括下述至少一个：压电致动器元件、尺蠖式装置、机械致动器、磁致动器、静电致动器、感应致动器、旋转致动器、热致动器、压力致动器、应力和应变致动器、模拟电机、步进电机、光电致动器、声光致动器、可调波导管和/或微机电系统(MEMS)致动装置。这些致动元件260能够引起至少一部分光源205沿x轴、y轴、z轴(或者两个或多个维度的组合)移动。通过这种变形，光束起源的位置(激光位置)能够关于样品池(具有进入孔和退出孔)改变。
在一些变形中，致动元件260可以是引起检测器210的位置和/或角度物理地移动(并且同样地，致动元件260一方面不在光束路径中间，并且另一方面也不在光源205和检测器210中间)的任何装置。例如，通过这种变形，致动元件260能够为/包括下述至少一个：压电致动器元件、尺蠖式装置、机械致动器、磁致动器、静电致动器、感应致动器、旋转致动器、热致动器、压力致动器、应力和应变致动器、模拟电机、步进电机、光电致动器、声光致动器、可调波导管和/或微机电系统(MEMS)致动装置。这些致动元件260能够引起至少一部分检测器210沿x轴、y轴、z轴(或者两个或多个维度的组合)移动。沿z轴的移动能够引起总体光束长度改变(减小或者增大)。
另外或者作为替选(如图3和6中所示)，致动元件260能够被置于光源205和检测器210之间，和/或与光束路径交叉。通过这种布置，致动元件260能够为可选地引起光源205发射的光束的至少一部分选择性地移动和/或改变其光束角度(在一些情况下不移动光源205)的任何装置/元件。通过这后一种变形，致动元件260能够是/包括/被耦合至下述的至少一个：棱镜、校准器、透镜和/或光栅、衍射光学元件、反射器、双折射元件、晶体元件、非晶元件、光电元件、声光元件、光学窗口、光楔和波导管，诸如电操纵波导管(例如，其中能够通过施加局部电场和/或电流等改变折射率图案的固态波导管)或者空气波导管。关于后者，空气波导管涉及使用用来加热继而用于使光束转向的一个或多个激光器或其它光源(例如，通过选择性使一个或多个激光脉动从而加热空气等等)来操纵空气的折射率。一些或者所有致动元件260能够在x轴、y轴或者z轴中的至少一个中移动。
如上所述，在一些变形中，一个或多个反射器235能够在x、y和/或z方向中平移，或者其角度能够关于入射光束和/或它们的反射特性而改变，包括但是不限于入射光束位置处的曲率半径和表面轮廓能够改变，从而使光源205发射的光束转向。例如，致动元件260能够为/包括能够引起反射器235的位置和/或角度改变(继而改变光束路径的位置)的下述至少一个：压电致动器元件、尺蠖式装置、机械致动器、磁致动器、静电致动器、感应致动器、旋转致动器、热致动器、压力致动器、应力和应变致动器、模拟电机、步进电机、光电致动器、声光致动器、可调波导管和/或微机电系统(MEMS)致动装置。在其它情况下，反射器235能够包括具有可致动反射表面的自适应光学装置。这种自适应光学元件能够为由薄反射箔制成的反射器，致动元件260被安装或者印刷在反射器235的背侧上的多个位置处。这些反射镜能够以任意方式提供反射表面的有效改变，这种改变继而允许使光源205发射的光束转向(通过控制器255)。
在一些变形中，控制器255能够基于检测器210检测的强度水平确定光束路径应该被转向，而不参考该光束的空间位置。例如，强度水平能够指示光束的中心已经偏离，和/或沿光束路径存在一些光学衍射或者干扰。检测器210所检测的强度水平能够被与单个光频率下的单强度值比较，和/或所检测的强度能够被与频率分布图(能够在光谱仪等的校准期间产生)比较。能够使用这种预置频率或者频率分布图的偏差以触发光束转向。
另外或者作为替选，控制器255能够基于检测器210检测的光束的位置确定光束路径应该被转向。通过后一变形，能够使用光接收器阵列和/或具有单元阵列的检测器。例如，检测器210能够为四单元检测器和/或位置感测光电二极管，或者光接收器的线性或者2D阵列。作为四单元检测器的示例，能够通过比较来自每个单元的检测信号确定所发射的光束的中心点的位置。能够利用算式[(cell2+cell4)–(cell1+cell3)]/(cell1+cell2+cell3+cell4)计算中心点的水平位置，并且能够利用[(cell1+cell2)–(cell3+cell4)]/(cell1+cell2+cell3+cell4)计算中心点的垂直位置。在另一示例中，位置敏感检测器能够为检测光束的x和y位置，以及x和y角度的检测器。此外，能够使用多元件线性检测器阵列以确定光束位置。在另一变形中，能够使用2维检测器阵列以确定光束位置。通过这种空间敏感检测器，能够通过控制器255和致动元件260保持预定位置(沿两个或多个维度)和/或预定角度(由两个或多个维度指定的)。
体积220能够被保持在稳定温度和压力下。可替选地，体积220能够包括一个或多个温度和/或压力传感器，以确定在一个或多个计算中使用的该体积内的当前温度和压力，从而补偿相对于光谱仪器的确认或者校准条件的温度和/或压力变化。此外，能够由加热元件和压力控制元件或者质量流量控制器将体积220调节至预置温度和压力。
控制器255，或者可替选地与其它组件搭配或者与其无线、有线等等通信的一个或多个其它处理器能够执行上文参考图1中所示的方法所讨论的处理功能。
本文所述的主题的一个或多个方面或者特征能够被以数字电子电路、集成电路、专门设计的专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、计算机硬件、固件、软件和/或其组合实现。这些各种方面或者特征能够包括可在可编程系统上执行和/或解释的一个或多个计算机程序的实现方式，可编程系统包括能够为专用或者通用的，被耦合从而从存储系统接收数据和指令，并且将数据和指令发送至存储系统的至少一个可编程处理器，至少一个输入装置以及至少一个输出装置。可编程系统或者计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离，并且通常通过通信网络互动。客户端和服务器地关系通过在相应计算机上运行的计算机程序产生，并且彼此具有客户端-服务器关系。
也能够被称为程序、软件、软件应用、应用、组件或者代码的这些计算机程序包括用于可编程处理器的机器指令，并且能够以高级程序语言、面向对象编程语言、函数编程语言、逻辑编程语言加以实施，和/或以汇编/机器语言加以实施。本文使用的术语“机器可读媒体”涉及用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何计算机程序产品、设备和/或装置，诸如磁盘、光盘、存储器和可编程逻辑装置(PLD)，包括接收作为机器可读信号的机器指令的机器可读媒体。术语“机器可读信号”涉及被用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何信号。机器可读媒体能够非瞬态地存储这些机器指令，诸如非瞬态固态存储器或者磁硬盘驱动器或者任何等效的存储媒体。作为替选或者另外地，机器可读媒体以瞬态方式存储这些机器指令，诸如与一个或多个物理处理器核心相关联的处理器高速缓存或者其它随机存取存储器。
为了提供与用户的互动，本文所述的主题的一个或多个方面或者特征能够在具有显示装置的计算机上实施，显示装置为诸如用于向用户显示信息的阴极射线管(CRT)或者液晶显示器(LCD)或者发光二极管(LED)监控器，以及键盘和指示装置，诸如用户可以通过其向计算机提供输入的鼠标或者轨迹球。也能够使用其它类型的装置以提供与用户的互动。例如，被提供给用户的反馈能够为任何形式的感觉反馈，诸如视觉反馈、听觉反馈或者触觉反馈；并且可以以任何形式接收来自用户的输入，包括但是不限于听觉、语言或者触觉输入。其它可能的输入装置包括但是不限于触摸屏或者其它触摸敏感装置，诸如单或者多点电阻或者电容触控板，语音识别硬件和软件，光学扫描仪，光学指针，数字图像捕获装置，以及相关联的解释软件，等等。
在上述说明书和权利要求中，短语，诸如“至少一个…”或者“一个或多个…”可以发生为之后跟随连接一列的元件或者特征。术语“和/或”也可以发生在一列两个或多个元件或者特征中。除非与在被使用的上下文中另外隐含地或者明确地相抵触，否则这种短语都个别地意味着任何所列元件或者特征，或者与任何其它所列元件或者特征组合的任何所列元件或者特征。例如，短语“A和B中的至少一个”、“A和B中的一个或多个”以及“A和/或B”每个都意味着是“单独A、单独B，或者A和B一起”。类似解释也有意用于包括三个或者更多条目的列举。例如，短语“A、B和C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”以及“A、B和/或C”每个都意味着“单独A、单独B、单独C、A和B一起、A和C一起、B和C一起，或者A和B和C一起”。另外，在上文和权利要求中使用术语“基于…”意味着“至少部分地基于…”，使得也可允许未列举的特征或者元件。
取决于期望配置，本文所述的主题能够被具体化为多种系统、设备、方法和/或物品。在上文说明中提出的实现方式不代表符合本文所述的主题的所有实现方式。相反，它们仅是符合涉及所述主题的多个方面的一些示例。虽然上文已经详细地描述了一些变形，但是可能存在其它修改或者添加。特别地，除了本文提出的那些之外，还能够提供进一步特征和/或变形。例如，上文所述的实现方式能够涉及所述特征的各种组合和子组合，和/或上文公开的几个进一步特征的组合和子组合。另外，附图中所示的和/或本文所述的逻辑流程图不必为了实现期望结果而需要所示的特殊顺序，或者相继的顺序。其它实现方式也可能在权利要求的范围内。

Claims (45)

1.一种用于光束转向的设备，包括：
光源，被配置成把光束发射到包含吸收介质的样品体积内；
至少一个检测器，被定位成检测所述光源发射的光束的至少一部分，所述检测器被配置成检测所述光束的强度水平、位置和/或角度；
至少一个致动元件，被配置成选择性地引起所述光源发射的光束被转向；以及
控制器，被耦合至所述至少一个致动元件，所述控制器执行包括以下项目的操作：
通过将所述强度水平与校准相比，确定所述光束的中心的偏离、沿光束路径的光学衍射和/或干扰，
基于所述光束的强度水平、位置和/或角度，确定所述光束路径应被转向，以及
控制所述至少一个致动元件来使所述光束被选择性地转向以校正所确定的所述光束的中心的偏离、沿所述光束路径的光学衍射和/或干扰。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个致动元件被耦合至所述光源。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述至少一个致动元件被耦合至所述至少一个检测器。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个致动元件被耦合至位于所述光源和所述至少一个检测器之间的至少一个透射或反射光学元件。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述吸收介质包含下列的一种或多种：反射介质、发射介质或者拉曼活性介质。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述吸收介质包含下列的一种或多种：气体或液体。
7.根据权利要求1所述的设备，还包括：
限定样品体积的外壳。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述样品体积形成开放路径系统的一部分。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个致动元件包括至少一个压电元件。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个致动元件包括从下列元件中选择的至少一个元件：步进电机、光电致动器、声光致动器、微机电系统(MEMS)致动装置、尺蠖式装置、机械致动器、磁致动器、静电致动器、感应致动器、旋转致动器、热致动器、压力致动器、应力和应变致动器或模拟电机。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个致动元件包括从下列元件中选择的至少一个元件：棱镜、校准器、透镜、光栅、衍射光学元件、反射器、双折射元件、晶体元件、非晶元件、光电元件、声光元件、光学窗口、光楔、或者波导管。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个致动元件包括从下列元件中选择的至少一个元件：可调波导管、电操纵波导管或空气波导管。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器响应于所述光束被至少一个检测器检测的位置引起所述光源使所述光束转向。
14.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器响应于所述光束被至少一个检测器检测的角度引起所述光源使所述光束转向。
15.根据权利要求1所述的设备，其中所述光束被转向至沿所述至少一个检测器的预定x-y位置。
16.根据权利要求1所述的设备，其中所述光束被转向至沿所述至少一个检测器的预定x-y角度。
17.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器引起所述光束被保持在：(i)沿所述至少一个检测器的预定x-y位置，并且(ii)沿所述至少一个检测器的预定x-y角度。
18.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个检测器包括光接收器阵列。
19.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个检测器包括多元件光接收器。
20.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个检测器包括至少一个位置感测光电二极管。
21.根据权利要求1所述的设备，其中所述光源包括下述中的至少一个：量子级联激光器、带内级联激光器(ICL)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、水平腔表面发射激光器(HCSEL)、分布式反馈激光器、发光二极管(LED)、放大自发辐射(ASE)源、气体放电激光器、液体激光器、固态激光器、色心激光器、白炽灯、或者放电灯。
22.根据权利要求1所述的设备，其中所述光源包括下述中的至少一个：可调谐二极管激光器、可调谐半导体激光器、超发光二极管、光纤激光器、热发射体或通过非线性光学相互作用可产生可调频光的装置。
23.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个检测器包括下述中的至少一个：砷化铟镓(InGaAs)检测器、砷化铟(InAs)检测器、磷化铟(InP)检测器、硅(Si)检测器、硅锗(SiGe)检测器、锗(Ge)检测器、碲镉汞检测器(HgCdTe，MCT)、硫化铅(PbS)检测器、硒化铅(PbSe)检测器、热电堆检测器、多元件阵列检测器、单元件检测器、CMOS(互补金属氧化物半导体)检测器、CCD(电荷耦合器件检测器)检测器或光电倍增器。
24.根据权利要求7所述的设备，其中所述外壳限定样品池，所述样品池包括：在光保持在所述样品池内部时光被一个或多个光学元件反射和/或折射的多通构造；轴上光学谐振器；椭圆形集光器；离轴光学谐振器；光学腔；空心光导管；或者光在保持在样品池内部时不被反射的单通构造。
25.根据权利要求7所述的设备，其中所述外壳限定样品池，所述样品池包括：在光保持在所述样品池内部时在一个或多个光学反射镜之间反射光的多通构造。
26.根据权利要求7所述的设备，其中所述外壳限定样品池，所述样品池包括：赫里奥特池；至少一个反射多通池；或者怀特池。
27.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个致动元件被耦合至反射器，并且被配置成选择性地引起所述反射器的至少一个反射特性改变。
28.根据权利要求27所述的设备，其中所述至少一个致动元件引起所述反射器沿z轴平移，从而改变总体光束路径长度。
29.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个致动元件引起所述光源沿z轴平移，从而改变总体光束路径长度。
30.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个致动元件引起所述至少一个检测器沿z轴平移，从而改变总体光束路径长度。
31.根据权利要求4所述的设备，其中所述至少一个致动元件引起所述至少一个透射或反射光学元件沿z轴平移，从而改变总体光束路径长度。
32.根据权利要求1所述的设备，其中使所述光束转向包括改变总体光束路径长度。
33.一种用于光束转向的设备，包括：
光源，被配置成把光束发射到包含吸收介质的样品体积内；
至少一个检测器，被定位成检测所述光源发射的光束的至少一部分，以检测所述光束的强度水平、位置和/或角度；
至少一个致动元件，位于所述光源和所述至少一个检测器之间并且被配置成选择性地引起所述光源发射的光束被转向；以及
控制器，被耦合至所述至少一个致动元件，所述控制器执行包括以下项目的操作：
通过将所述强度水平与校准相比，确定所述光束的中心的偏离、沿光束路径的光学衍射和/或干扰，
基于所述光束的强度水平、位置和/或角度，确定所述光束路径应被转向，以及
控制所述至少一个致动元件来使所述光束被选择性地转向以校正所确定的所述光束的中心的偏离、沿所述光束路径的光学衍射和/或干扰。
34.根据权利要求33所述的设备，其中所述至少一个致动元件包括从下列元件组成的组中选择的至少一个元件：棱镜、校准器、透镜、光栅、衍射光学元件、反射器、双折射元件、晶体元件、非晶元件、光电元件、声光元件、光学窗口、光楔、或者波导管。
35.根据权利要求33所述的设备，其中所述至少一个致动元件包括从下列元件组成的组中选择的至少一个元件：可调波导管、电操纵波导管或者空气波导管。
36.一种用于光束转向的方法，包括：
由光源向包含吸收介质的样品体积内发射光束；
由至少一个检测器检测所述光源发射的光束的至少一部分，以检测所述光束的强度水平、位置和/或角度；
通过将所述强度水平与校准相比，确定所述光束的中心的偏离、沿光束路径的光学衍射和/或干扰；
基于所述光束的强度水平、位置和/或角度，利用控制器确定所述光束路径应被转向；以及
利用至少一个致动元件在所述控制器的控制下选择性地使所述光源发射的光束转向，以校正所确定的所述光束的中心的偏离、沿所述光束路径的光学衍射和/或干扰。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述至少一个致动元件被耦合至所述光源，并且引起所述光源的位置和/或角度改变。
38.根据权利要求36或37所述的方法，其中所述至少一个致动元件被耦合至所述至少一个检测器，并且引起所述至少一个检测器的位置和/或角度改变。
39.根据权利要求36所述的方法，其中所述至少一个致动元件被耦合至位于所述光源和所述至少一个检测器之间的至少一个反射器，并且引起所述至少一个反射器的反射特性改变。
40.根据权利要求36所述的方法，其中所述至少一个致动元件被耦合至所述光源和所述至少一个检测器之间的至少一个透射或反射光学元件或者波导管。
41.根据权利要求36所述的方法，其中所述至少一个致动元件被耦合至下述中的至少两个：(i)所述光源，(ii)所述至少一个检测器，(iii)至少一个反射器，或(iv)位于所述光源和所述至少一个检测器之间的至少一个透射或反射光束致动元件。
42.根据权利要求36所述的方法，其中所述至少一个致动元件位于所述光源和所述至少一个检测器之间。
43.一种用于光束转向的方法，包括：
引起光源向包含吸收介质的样品体积内发射光束；
从至少一个检测器接收信号，所述至少一个检测器的特征在于检测所述光源发射的光束的至少一部分，以检测所述光束的强度水平、位置和/或角度；
通过将所述强度水平与校准相比，确定所述光束的中心的偏离、沿光束路径的光学衍射和/或干扰；
基于所述光束的强度水平、位置和/或角度，确定所述光束路径应被转向；以及
引起至少一个致动元件选择性地使所述光源发射的光束转向，以校正所确定的所述光束的中心的偏离、沿所述光束路径的光学衍射和/或干扰。
44.一种存储指令的非瞬态计算机可读存储介质，所述指令在被形成至少一个计算装置的一部分的至少一个硬件数据处理器执行时实施根据权利要求36至42任一项所述的方法。
45.一种存储指令的非瞬态计算机可读存储介质，所述指令在被形成至少一个计算装置的一部分的至少一个硬件数据处理器执行时实施根据权利要求43所述的方法。
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