CN108152226A - 确保调制范围的方法 - Google Patents

Abstract

一种确保波长可变的辐射源的调制范围的方法，调制范围作为物质的吸收线的测量的一部分，方法包括控制辐射源以传送辐射，使得辐射的波长根据时间模式行进通过调制范围；通过滤波器对辐射进行滤波，吸收线设置在滤波器的通带中，以及滤波器具有至少一个滤波侧面，至少一个滤波侧面的实际波长在调制范围内；确定被滤波的辐射的光谱，其中相对于时间模式来检测被滤波的辐射的强度；以及确定光谱是否具有至少一个滤波侧面。

Description

确保调制范围的方法

技术领域

本发明涉及一种确保波长可变的辐射源的调制范围的方法，所述调制范围作为物质的吸收线的测量的一部分；一种测量物质的吸收线的方法和一种用于测量物质的吸收线的分光计。

背景技术

为了确定物质的浓度以测量物质的吸收线的(即在该物质的吸收特性范围内的吸收谱)特别是已知的。这样的吸收线优选是相对尖锐的，使得入射到物质上的辐射仅在每厘米几个波数量的窄的重复范围内被吸收，例如，从大约0.5cm^-1到大约2cm^-1，并且在可能的情况下，在这个范围之外的环境中不发生吸收，其中在吸收线的半高处的全宽度能够例如等于大约0.2cm^-1。然后可以参考吸收线来确定物质的浓度，特别是参考吸收光谱的范围或者参考该范围的特性值，例如宽度、深度和/或范围的面积或范围的导数。在这方面，对于定量测量可能必须考虑甚至另外的值，尤其是辐射穿过物质所沿着的测量路径的长度，但是例如还有相应物质的压力和/或温度。

吸收线区域中的辐射的吸收基本上可以基于能量转移，该能量转移由具有对应于相应转移的能量的波长的辐射触发，由此吸收该辐射。如果一起检查的相应物质或多种不同物质的两种或更多种这样的转移相对于吸收的波长彼此接近，特别是重叠，则要测量的单独吸收线(在本文的意义中)还可以包括通过一种或多种被检查物质的多种这样的能量转移的吸收。就此而言，物质的吸收谱线的所述测量还包括基于一种或多种物质的一种或多种能量转移的任选叠加的吸收光谱的测量。

可以用吸收线范围内的波长产生辐射，并且可以通过用于测量物质的吸收线的物质进行辐射，例如通过分光计。原则上，辐射可以同时包括在吸收线范围内的所有波长，或者在包括吸收线的更大范围内。为此目的需要宽带辐射源，其在相关波长范围内产生具有尽可能均匀强度的辐射。然而，用于检测通过物质传导的辐射的检测设备将必须配置成取决于波长和通过高的光谱分辨率来检测辐射的强度。这样的波长特定的检测设备相对复杂和/或昂贵。此外，特别地，仅在窄带上发射的激光器相对于高功率和准直光束的宽带辐射源提供了优点，由此可以实现长光路，并且甚至是高能量损失(例如由于测量路径上的灰尘或非定向反射引起)仍然是可以接受的。

备选地，吸收线因此也可以被光学地感测，其中使用具有非常窄的线宽的波长可变的辐射源，具有大约0.001cm^-1的最大宽度，优选大约0.003cm^-1。采用该方式生成的辐射可以近似地被认为是单个波长的辐射。具体而言，可调二极管激光器适合为具有窄线宽的波长可变的辐射源。

然后可以控制波长可变的辐射源来传送辐射，使得辐射的波长行进通过吸收线的波长范围。因此物质对辐射的吸收不是对于吸收线的所有波长同时被测量，而是连续地测量。在这方面，选择调制范围，即由波长可变的辐射源传送的辐射行进通过的波长范围，使得其完全包含吸收线，其中调制范围优选比吸收线宽，使得吸收线两侧的环境也被覆盖，以确保吸收线可以可靠地识别。例如，调制范围可以至少是吸收线的两倍宽；优选至少三倍宽。

从调制范围的一端到其另一端连续行进通过调制范围通常是足够的。备选地，无论是在相同的方向上(例如以锯齿的方式)还是以方向的变化(例如以三角形或正弦形式)，调制范围也可以行进通过多次。行进通过的速度也不一定是恒定的，而是可以规定例如行进通过包括比边际范围更慢的吸收线的调制范围的中心区域，例如改善在这个范围内的测量分辨率。如果要通过多个不同的辐射源同时测量多个吸收线，则也可以提供时间多路复用，使得在某些情况下，调制范围的行进通过也可以被中断。因此，调整范围行进通过所根据的相应的时间模式可以取决于特定的要求而选择为非常不同的。

然后也可以通过考虑调制范围行进通过所根据的相应时间模式，借助非波长特定的检测设备来确定通过物质传导的辐射的光谱。对于相应的波长可以与相对于时间模式的每个测量时间相关联，使得由检测设备在特定时间检测到的辐射的强度可以通过该关系分别明确地与波长相关联。光谱可以以这种方式被确定为物质部分吸收的辐射的波长相关的强度。

通过这样的过程，不直接检测辐射的波长，而是通过时间模式在波长上得出结论，根据该时间模式控制辐射源以传送不同波长的辐射。因此，对于检测的强度与波长的正确关联是重要的，辐射源实际上还传送该波长的辐射，该波长还在相应时间通过该相应时间的时间模式来预定义。

然而，真正的辐射源通常是长期不能保持波长稳定的。例如可以规定，通过根据时间模式改变的控制电流或者控制电压来为辐射源预定义要传送的波长。然而，相应的电流或相应的电压与实际传送的波长之间的关系可以随时间变化。另外，所存在的相应温度还对实际传送的波长具有影响。尽管辐射源因此被控制为传送辐射，使得辐射的波长根据时间模式行进通过调制范围，但是其实际上传送波长根据不同的模式而变化的辐射，使得实际上行进通过的调制范围可能是歪曲的，特别是漂移到更大或更小的波长。

因此，对吸收线的可靠测量是重要的，以确保预定义的调制范围也实际上行进通过。因此提供一些措施是有利的，借助所述措施来检查传送辐射的波长，并根据需要调整辐射源或其控制。这样的措施也被称为“线路锁定”。

例如，可以对于实际传送的波长与控制辐射源以传送的波长的偏离来检查辐射源，其中由辐射源传送的辐射通过具有在调制范围内的已知波长处的吸收的测试物质的参照容器来传导，特别是靠近待测量的吸收线，并且优选以相对高的浓度存在。测试物质的测量可以以与实际测量的物质的测量基本对应的方式进行，通过该测量可以确定测试物质吸收的位置。如果该确定的位置与预期的测试物质吸收的已知位置不同，则可以认识到，实际上待测量的物质的测量也是有缺陷的。

然而，参照比色杯的使用可能是不利的，因为它们可能进而是有缺陷的。在某些情况下，特别是当参照容器中包含的测试物质是测试气体时，参照容器在长期内也可能不够充分地泄漏。另外，可能会发生凝结和液滴形成，这会损害测量。此外，相应的测试物质可以显示可以影响吸收的老化效应。最后必须考虑的是，参照容器本身可能发生表面吸收，这可能会造成测量结果的错误。

如果具有不同波长或波长范围的多个辐射源被用于同时测量不同物质，则可以进一步产生困难。可以采用这样的系统，特别是利用模块化的分光计，可以选择性地在其处布置不同的辐射源，使得用于辐射源的相应辐射的光路可以在空间上组合，以形成单个测量束使得不同辐射源的辐射通过具有一起待测量物质的测量路径作为单个测量光束。测量光束随后可以再次被分裂，并且可以在不同的光路上传导到不同的检测设备，以确定通过物质的吸收以及最终的浓度。在这方面，测量路径不一定必须分成与之前形成的相同的光束。还可以规定，将不同辐射源的辐射传导到相同的检测设备，然后可以通过多路复用或者参考辐射的不同调制频率来区分不同的辐射源。

如果以这种方式或以类似的方式使用多个辐射源，则可能需要分别针对多个辐射源，特别是对于每个辐射源，分别确保实际传送的波长对应于预定义的波长，特别是传送的辐射行进通过的相应的调制范围与要行进通过的调制范围没有差别。

正如通常为此提供的参照比色杯一样多，因为辐射源被用于相应的测量。然后，每个参照容器可以具有适合于检查相应的其他辐射源的调制范围的测试物质。然而，由于大量的参照容器，导致制造和维护工作量增加。另外，在可以提供参照容器的情况下不是没有问题的，尤其是当分光计是模块化设计时，取决于应用，可以在分光计处使用不同波长范围的不同辐射源。

例如可以规定，所有相应辐射源的辐射所组合的测量光束通过一个或多个参照容器进行传导。为此特别是测量路径的一部分可以作为一种线路锁定通道被分支，从而例如可以在各个分光计处提供单独的线路锁定模块用于模块化使用。

如果在这个过程中使用单个参照比色杯，则对于各个辐射源的每个波长范围必须分别包含测试物质。但是，分光计的模块化设计可能会造成问题。因为在添加或更换辐射源时，可能需要提供一组不同的测试物质，然后分别更换所需的总参照容器。另外，必须将参照比色杯保存在大量不同的辐射源组合中。

作为对使用单个参照比色杯的备选，因此也可以在线路锁定通道中串联设置多个参照比色杯并且容纳各自不同的测试物质。利用这样的配置，然后可以取决于分光计处使用的相应的辐射源来选择要使用的相应的参照容器。

与单个参照比色杯是否与多种测试物质一起使用或使用多种参照物质无关，然而分别必须提供单独的分离光学装置以将辐射引导到不同的检测设备，特别是适合于通过测试物质后不同的波长。然而，用于将通过参照容器的辐射分布在不同的检测设备上的线路锁定通道的这种分离通常必须特别适合于在测量射束中组合的不同波长，使得光束分裂对于所使用的辐射源的改变也是必要的。

除了在测量光束中或在测量光束的分支部分中提供参照容器，也可以首先将相应的光束分成多个部分光束，然后在每个部分光束中提供相应的参照容器。然而，这样的设计也不能防止在测量光束中组合的波长改变时，以这种方式配置的线路锁定模块的适配也变得必要。

监测以模块化方式使用的辐射源的波长稳定性的另一可能性包括已经在光束组合处对相应的线路锁定通道进行分支，即在不同辐射源的辐射被组合为单个测量光束之前。在这方面可以利用这个事实，即通常实际上不需要的反射或传送因此通常被抑制，并且在分束器处也会发生损失，这些分束器被用作光束组合的光束组合器。然后，可以在百分之几范围内的相应光束的这种另外丢失的部分可以被用作线路锁定通道，因为它们作为部分光束通过相应的参照容器被传导到检测设备。

在这样的部分光束中，不像在测量光束中或在测量光束的分支部分中那样，所有的辐射源的波长然后不被组合，使得它们首先必须被分离。相应的部分光束可以包括单个辐射源的辐射或仅包括仅一些辐射源的辐射，这些辐射源不一定必须光学分离，而是可以例如也可以参考时间复用或者参考具有显著不同量的吸收的不同测试物质来区分。

为了能够以合理的方式在光束组合上对线路锁定通道进行分支，并且为了以各自熟练的方式提供具有可能针对特定波长优化的合适的测试物质和容器窗口的参照比色杯，重要的是哪些波长被提供并且以何种方式，特别是以何种顺序将它们组合在一起，被预先固定。因此在光束组合上形成的线路锁定通道因此至少不容易转换，这是因为如果需要的话，能够以模块化方式选择或更换辐射源。

发明内容

本发明的目的是提供一种确保波长可变的辐射源的调制范围的方法，所述调制范围作为物质的吸收线的测量的一部分；一种测量物质的吸收线的方法；以及一种用于测量吸收线的分光计，其具有低的复杂度，并且尤其可以灵活地结合可以以模块化方式使用的辐射源来使用，并且在必要时选择多个并且同时用于测量不同物质的多个吸收线。

该目的通过以下来满足：具有实施例的特征的确保调制范围的方法；具有实施例的特征的测量吸收线的方法；以及具有实施例的特征的分光计。本发明的优选实施例由示例、本说明书以及附图得出。

波长可变的辐射源的相应调制范围借助于根据本发明的方法并借助于根据本发明的分光计来确保。由此可以理解的是，确保实际的调制范围，即由相应的辐射源传送的辐射实际上行进通过的波长范围与预定义的调制范围重合，即具有行进通过的那个波长范围的辐射源被控制。因此是避免偏离预定义的调制范围的问题。由于相应的辐射源可能受到影响，例如，老化效应，这可能导致这样的偏离，尤其可以确保调制范围，因为偏离是可识别的，从而可以根据需要进行补偿。然后可以消除偏离。通过调整辐射源来进行，例如重新调整辐射源的工作点和/或温度。

为了确保调制范围，辐射源首先被控制为传送辐射，使得辐射的波长应该根据时间模式行进通过调制范围。在这方面，有利地控制辐射源以至少基本上以相同的方式传送辐射，其中传送辐射源用于常规测量相应物质的吸收线，特别是根据相同的时间模式行进通过相同的调制范围。由于传统测量中的调制范围的行进通过用于吸收线的光学感测，所以在这方面有利地选择调制范围，使得吸收线落在调制范围内。

随后通过滤波器对传送的辐射进行滤波。滤波器在这方面特别是波长选择性的，使得辐射取决于其相应的波长可以至少基本上完全通过滤波器，或者至少基本上完全防止了该滤波器。在这个过程中，滤波器具有至少一个滤波侧面(filter flank)。这样的滤波侧面表示滤波器的通带和截止带之间的转变，其中滤波器允许辐射具有在滤波器的相应通带内的波长通过，并且截止具有在相应截止带内的波长的辐射。理想地，相应的滤波侧面对应于滤波器的通带和截止带之间的突然转变。然而，突变通常是渐进式的。在这方面，滤波侧面可以非常陡峭，例如，大约一纳米或者只有几纳米宽。滤波侧面的波长可以是例如被定义为其宽度的中心点或者被允许辐射通过并被等量截至的波长。该波长在下文中也被称为相应滤波侧面的实际波长，因为其定义了滤波器的给定且已知的物理性质。

在这方面，作为通带或光谱通带的名称在每种情况下仅被理解为关于滤波器的滤波函数，而不被理解为辐射是否以另一种方式通过或者以另一种方式通过滤波器传导。取决于滤波器的种类，辐射不必通过相应的滤波器进行过滤。例如，对于滤波也可以这样进行，即辐射在滤波器中取决于波长被反射。在这种情况下，相对于反射限定各自的通带，并且指定其中辐射实际上不传送通过滤波器而是反射的波长范围。这种滤波器中的通带对应于滤波器的反射范围。在该过程中，被滤波的辐射，即在滤波器的截止带中具有波长的辐射可以在滤波器处被吸收或透射。就此而言，这种滤波器的相应截止带可以对应于滤波器的相应吸收范围或传送范围。

相反地，对于其中基于波长相关的传送进行滤波的滤波器，相应的通带可以对应于滤波器的相应传送范围。具有通带外的波长的辐射可以在这样的滤波器处被吸收或反射。就此而言，利用这样的滤波器，相应的截止带可以对应于滤波器的相应的吸收范围或反射范围。

滤波器也可具有多个通带和/或多个截止带，然后通过相应的滤波侧面彼此分离，使得滤波器具有多个滤波侧面。然而，在这方面，滤波器具有至少一个滤波侧面，其实际波长在其控制通过辐射源的调制范围内。由此有利地确保，由辐射源传送的一些辐射，即在滤波侧面的通过侧上的部分通过滤波器，并且另一部分，即在滤波侧面的截至侧上的那部分不通过滤波器。如果多个滤波侧面在调制范围内，则滤波器的相互分离的部分也可以由滤波器相对于它们各自的波长范围通过或截至。

在这方面，待测量的物质的吸收线优选在滤波器的光谱通带内，特别是完全在其内，使得吸收线的光学感测不受滤波器的阻碍。这与使用通常具有待测量的物质作为测试物质的参照容器的实质性区别在于，因此吸收(即被截至而不是通过)正好在要测量的吸收线的区域中。

随后可以检测以这种方式滤波的辐射。在这方面，特别是相对于所述时间模式来检测被滤波的辐射的强度。这使得可以取决于其各自的波长来确定描述辐射强度的被滤波的辐射的光谱。然而，光谱可能在检测到的强度与波长之间的关系在时间模式上确定地建立的程度上是有缺陷的，但是不能确定根据时间模式控制的辐射源实际上也传送了相应的预定义波长。

然而，现在是否是这种情况或者是否存在偏离现在可以参考滤波器，特别是滤波侧面对光谱的影响来确定。对于通带和截止带之间的转变，滤波侧面导致光谱中检测到的强度相应的上升或下降，从而可以在光谱中识别滤波侧面-假设光谱具有滤波侧面。特别是当滤波侧面接近调制范围的边缘时，漂移的调制范围或者以另一种方式歪曲的调制范围也可以是可识别的，因为滤波侧面不包含在歪曲的调制范围内，因此也不在光谱内。因此，确保调制范围的简单标准是光谱中滤波侧面的存在。

因此，确保调制范围足以确定光谱是否具有至少一个滤波侧面，或者具有在调制范围内的多个滤波侧面的滤波器具有该多个滤波侧面。如果这适用，则实际行进通过的调制范围至少在特定的公差范围内对应于预定义的调制范围。相反地，如果光谱不具有所述滤波侧面或多个滤波侧面，则可以识别偏离规范的调制范围。

该方法的可能的进一步发展包括不仅识别相应的滤波侧面，而且还确定其位置并将其与预期位置进行比较。调制范围中的至少一个滤波侧面的测量波长可以特别参照光谱来确定。由于在这方面测量的波长是参考光谱来确定的，所述光谱可能如所描述的那样是有缺陷的，所以该测量的波长不一定对应于滤波侧面的实际波长。因此可以通过测量的波长与滤波侧面的实际波长之间的偏离来识别缺陷的存在。在该方法的有利的进一步发展中，所述至少一个滤波侧面的测量波长因此随后与所述至少一个滤波侧面的实际波长进行比较。

如果在这方面，测量的波长和实际的波长不重合，由此可以得出结论，由辐射源传送的辐射已经行进通过的调制范围也不与控制辐射源使得行进通过的调制范围重合。相反地，如果测量的波长与至少一个滤波侧面的实际波长至少基本上相同，即在特定的公差范围内，则由此确保调制范围实际上按照指定的方式通过。

滤波器不一定固定到在从相应的辐射源开始并入射到相应的检测设备上的光路内的特定位置。相应的滤波器可以特别地以上面参照容器进一步描述的方式之一来布置。例如可以规定，应当通过待测量的物质的一部分测量光束被分出并且被引导通过滤波器。在这方面，也可以提供多个滤波器，例如用于由不同辐射源传送的不同辐射的一个相应的滤波器。还可以规定，测量光束在被测量物质通过之后仅被再次分成多个部分光束，并且在这些部分光束或从其分支的部分中提供各个滤波器。可选地或附加地，还可以在尚未组合的光路中或在光路组合的区域中布置一个或多个滤波器。

因此，上述用于参照容器的不同布置通常也可以用滤波器而不是参照容器来实现，其中滤波器使得可以实施根据本发明的方法。在这方面，滤波器不仅具有参照比色杯的优点，其不易老化，而且维护量少，并且可以更好地整合到测量中而不会干扰测量。除了确保正确的调制范围之外，滤波器还可以具有测量吸收线的功能，并且因此可以提供扩展的应用，例如，因为它有助于光束组合或光束分离，这将在下面更详细地解释。

通常，在调制范围内具有恰好一个滤波侧面的一个滤波器可以足以以所描述的方式确保调制范围。然而根据一个有利的实施例，该滤波器配置为带通滤波器，该带通滤波器的通带由两个滤波侧面界定，然后确定该光谱是否具有两个滤波侧面。在这方面，两个滤波侧面优选在调制范围内，特别是一个滤波侧面接近调制范围的一个边缘，而另一个滤波侧面靠近调制范围的另一个边缘。由此。所以说调制范围的一部分可以通过这样一个带通滤波器，也就是与带通滤波器的通带相对应的部分来截至。由此有效地减小了对测量有效的调制范围。但只要吸收线位于通带内，就不妨碍吸收线的测量。

考虑到相对于仅一个滤波侧面的两个滤波侧面的优点在于例如不依赖于漂移的方向或另一个歪曲的调制范围，至少一个滤波侧面很快不再被歪曲的调制范围覆盖，使得光谱不再具有至少该滤波侧面。歪曲的测量范围的存在可以由此被识别。相反地，只要光谱具有两个滤波侧面，就可以假定调制范围至少在特定的公差范围内校正，从而以这种方式确保调制范围。

以与上述具有至少一个滤波侧面的滤波器类似的方式，还可以提供超出光谱中的滤波侧面的简单识别，即参考光谱确定两个滤波侧面的相应测量波长，并且将测量的波长与两个滤波侧面的实际波长进行比较。

以这种方式使用在调制范围中具有两个滤波侧面的带通滤波器作为实际调制范围与指定调制范围的偏离的参考可以具有与仅具有一个滤波侧面的滤波器相比的优点，可以更可靠地确定偏离，即例如通过平均滤波侧面的测量波长和实际波长之间的两个偏离，这在某些情况下对于调节辐射源是有用的。此外可以通过提供两个滤波侧面来避免这种情况，即在某些情况下光谱没有滤波侧面。由于吸收线优选在调制范围内基本居中，因此相应的滤波侧面处于调制范围的边界范围内。然而，如果实际运行的调制范围与实际要经过的调制范围大不相同，则滤波侧面不再能被实际的调制范围覆盖，因此根本不能在光谱中出现。然而，由于使用带通滤波器，在吸收线的两侧有利地提供了相应的滤波侧面，所以光谱总是具有至少一个滤波侧面，至少只要吸收线仍在调制范围内范围，然后可以用来确定偏离的程度。

通带在这方面优选具有大约0.5cm^-1，优选大约1cm^-1，特别是大约3cm^-1的最大光谱宽度。在这方面，通带通常只需要比要测量的各个物质的吸收线稍宽一些，从而测量不受滤波器的阻碍。通带在这方面有利地仅比吸收线稍宽，使得通带完全处于调制范围内，这又受到辐射源的普遍可调性的限制，并且因此对通带界定的两个滤波侧面可以用于检查偏离。

根据另一个有利的实施例，滤波器由光学元件形成，特别是通过分束器形成，除了滤波之外，还使用滤波器在空间上组合至少两个光路。这种实施例的优点在于，无论如何可以提供这样的光学元件，即特别是用于来自不同辐射源的辐射的组合。特别地，对于以模块化方式形成的分光计，在分光计中使用各自不同的一组辐射源来根据待测量的物质同时测量多种物质，可以提供多个光学元件用于从相应的辐射源开始组合光路。在这方面，通常这些光学元件中的每一个也可以形成为滤波器，作为确保各个辐射源的调制范围的所述方法的一部分。

无论何时通过这样的光学元件组合两个光路，至少一个光路的辐射的波长范围可以通过在这方面用作滤波器的光学元件来修改，使得相应的滤波侧面被赋予转换成辐射的波长分布，可以称为标记。当以这种方式，特别是通过相应的带通滤波器对所有辐射源的辐射进行滤波时，在将辐射组合到单个测量光束上时，测量光束可以作为结果包括分别仅具有窄波长范围内围绕待测量的相应的吸收线的波长的辐射，其中相应的这样的区域特别是在两侧被相应的滤波侧面锐化地界定。因此，对于要被测量的每个吸收线，各自的滤波侧面是可用的，从而可以确保相应的调制范围正确地通过。

通常，用于将相应的滤波侧面作为标记分配到相应的光谱中的滤波不是或者至少不是必须在多个光路到一个单独的测量路径的组合上发生。还可以规定，辐射通过将以这种方式形成的测量光束分割成指向不同检测设备的多个部分光束而被滤波。因此，滤波器由光学元件，特别是通过分束器形成，除了滤波之外还可以将光路在空间上分成至少两个光路，因此可以是有利的。当无论如何提供这种测量光束的分裂时，使用适合作为分割的滤波器的分束器可能是特别有用的。然后，引导到相应的检测设备的辐射具有由相应的滤波侧面界定的波长范围，所述滤波侧面的测量的波长然后可以分别与它们的实际波长进行比较。

根据优选实施例，滤波器包括体积布拉格光栅，在该体积布拉格光栅处，辐射被反射用于滤波。体积布拉格光栅具有对衬底中的折射率的调制，该衬底尤其可以全息地制造，例如，在作为衬底的光敏玻璃中。体积布拉格光栅的具体设计具有如下结果：当满足所谓的布拉格条件时，辐射仅在体积布拉格光栅处被反射，这极大地取决于辐射的相应波长和其相应的入射角。因此，对于特定的体积布拉格光栅，辐射仅仅在特定入射角处的狭窄和相对尖锐的有界波长范围内被反射。体积布拉格光栅在这方面因此代表相对于辐射的带通滤波器。

相对于其波长和/或其入射角不满足布拉格条件的辐射可以相反地被传送。因此，体积布拉格光栅可以用于在空间上组合两个光路，即，第二光束在体积布拉格光栅中相对于体积布拉格光栅传送的光束被反射，同时满足布拉格条件，使得两个光束被叠加。假设反射光束具有体积布拉格光栅的通带以外的波长，则必须这样做。因此，通过使用其通带(或至少一个滤波侧面)处于由所述反射光束穿过的调制范围内的体布拉格光栅，可以将至少一个可用作滤波侧面的滤波侧面赋予反射光束的波长分布反射光束的辐射。

以类似的方式，也可以使用体积布拉格光栅将光束分成两部分光束。为此目的使用体积布拉格光栅，其中反射的那部分光束满足布拉格条件，其波长因此在体积布拉格光栅的通带内。另一部分可以通过体积布拉格光栅来传送。通常还可以以这种方式通过体积布拉格光栅(或者具有合适的滤波特性的不同的光学元件)将用于测量彼此靠近的吸收线的两个光束分开，该滤波侧面布置在两个吸收线并且尽可能陡峭，并且同时通过滤波侧面同时限定两个光束的相应波长范围，使得尽可能尖锐的边界可以用于确保调制范围相应的辐射源。

根据一个有利的实施例，该方法还包括：当确定光谱不具有配置为带通滤波器的滤波器的至少一个滤波侧面或两个滤波侧面时，输出警告信号和/或调整辐射源，直到光谱具有至少一个滤波侧面或者两个滤波侧面。辐射源的调整可以包括例如重新调整的辐射源的工作点和/或温度。

如上面已经提到的那样，光谱是否具有相应的滤波侧面的确定还可以包括确定光谱是否在期望的波长上也具有相应的滤波侧面，即在相应的滤波侧面的实际波长。为此，所述确定可以包括参考光谱确定的相应滤波侧面的测量波长，并且将相应滤波侧面的测量波长与相应滤波侧面的实际波长进行比较。在配置为带通滤波器的滤波器的情况下，这尤其可以包括限定滤波器的通带的两个滤波侧面的相应的测量波长参考光谱确定，并且将两个滤波侧面的测量波长与实际两个滤波侧面的波长进行比较。

测量的波长与相应的滤波侧面的实际波长的这种比较可以被限制为确定相应滤波侧面的测量波长和实际波长是否重合，特别是至少在特定的公差范围内，或者是否存在偏离。可能存在的偏离尤其可以在结果评估中被考虑。

根据有利的实施例规定，在相应的滤波侧面的测量的波长与相应的滤波侧面的实际波长偏离的情况下，调节辐射源，直到相应的滤波侧面的测量的波长至少基本上与相应的滤波侧面的实际波长重合。辐射源的调整又可以特别包括重新调整的辐射源的工作点和/或温度。

例如，波长可变的辐射源的波长可以通过控制电流或控制电压来调节，使得辐射源可以被控制为在根据时间模式行进通过调制范围的波长处传送辐射，其中控制电流或控制电压以相应的方式预定义时间模式。那么所述工作点可以特别地由特定的电流或特定的电压来限定，通过该电压或特定的电压，控制辐射源以传送特定的基本波长的辐射。然而，为了传送基本波长而施加到辐射源的电流或电压可以通过老化效应或其他效应，特别是漂移而改变。然后，可以参考所确定的偏离重新调整在电流或电压与波长之间变得有缺陷的关联。

在这方面特别有利的是，偏离的确定和辐射源的调整通常可以自动进行。另外，调整也可以如此发生在测量通道中，因为辐射根据时间模式重复地传送并且记录相应的光谱，并且这样做，辐射源被重新调整很长时间直到滤波侧面出现在对应于其实际波长的那个点的光谱中。调整可以通过这样的规程简单可靠地进行。

此外有利的是，特别是当不发生相应的辐射源的自动调整时，如果在相应的滤波侧面的测量的波长与相应的滤波侧面的实际波长偏离时输出警告信号。

警告信号例如可以是视觉的或声学的，并且可以在测量现场通过分光计传送。然而，也可以通过合适的通信方式远程输出。另外，还可以在测量结果中集成警告，例如与输出测量值一起显示，例如要测量的气体浓度，这个值可能是有缺陷的。然后可以响应于相应的警告信号来执行辐射源的调整。

根据上述实施例中的任一个所配置的用于确保作为物质的吸收线的测量的一部分的波长可变的辐射源的调制范围的方法也可以被集成到测量物质的吸收线的方法中。特别是，还规定测量辐射源被控制为传送辐射的物质的吸收线，使得辐射的波长根据时间模式行进通过调制范围，并且辐射的光谱是通过相对于时间模式来检测辐射的强度来确定。辐射的另外的先前滤波并不妨碍这里测量吸收线的方式，特别是因为吸收线在滤波器的通带中。因此可以使用相同的光谱来测量吸收线，以便监测相应的辐射源的可能的偏离。

然后一方面参考被滤波的辐射的相同光谱确定光谱是否具有相应的滤波侧面，并且可选地还确定滤波器的相应滤波侧面的测量波长，以将其与相应的滤波侧面的实际波长进行比较，以及另一方面确定物质的吸收线，其中后者也能够以常规的方式进行。在这方面，当确定光谱包括相应的滤波侧面时，尤其是当所测量的波长至少基本上与实际波长重合时，优选仅在确定光谱包括相应的滤波侧面时确定吸收线。由此可以确保，确定的吸收线和由其可选确定的相应物质的浓度不被辐射源的缺陷歪曲。相反地，如果确定偏离，则可以有利地考虑到这一点。

根据该方法的进一步发展，还可以规定，最终从吸收线确定相应物质的浓度。特别是当辐射源被控制为传送辐射的时间模式相应地被配置时，这可以根据波长调制光谱法的方法，即根据其已知的评估方法来进行。例如，这样的评估包括确定从光谱导出的信号进展，并且例如可以至少基本上是光谱的导数，例如所谓的2f信号。然后可以从这样的信号进展确定特征值，例如可以从中导出浓度的面积或宽度。然而，作为波长调制光谱学的备选，也可以使用直接吸收光谱学的方法，例如使用相应的评估方法。这样的吸收线的测量在根据本发明的方法的这种实施例中不一定是主要的兴趣，而是最终确定各个物质的浓度。

所述用于测量吸收线或物质浓度的方法尤其可以通过分光计来进行。为此，分光计尤其可以包括辐射源，用于传送辐射，所述辐射的波长根据时间模式行进通过调制范围；滤波器，用于对辐射进行滤波；检测设备，用于检测被滤波的辐射的强度；以及控制和评估装置，用于控制辐射源，并从检测到的被滤波的辐射强度相对于时间模式来确定光谱。分光计还可以包括多个辐射源，特别是模块化的，并且可以选择性地以不同的组合使用，或者可以配置为使得这样的辐射源可以选择性地布置在分光计上。然后可以并行地相对于不同辐射源的相应辐射相应地执行上述方法，使得可以同时测量不同物质的多个吸收线，并且这样做，各个辐射源的调制范围也是安全的。

附图说明

以下将参照附图以举例的方式来描述本发明。

图1以示意图示出了用于执行根据本发明的方法的分光计；和

图2以示意图示出了两个示例性的光谱，其在这方面可以采用根据本发明的方式对辐射进行滤波或者不对其进行滤波时在吸收线的测量中确定。

参考数字

11 分光计

13 辐射源

15 检测设备

17 发射光谱

19 吸收线

21 要测量的物质

23 调制范围

25 测量容器

27 分束器

29 体积布拉格光栅

31 通带

33 滤波侧面

35 带通滤波器

37 控制和评估装置

具体实施方式

分光计11在图1中示意性地示出，其包括第一辐射源13.1和第二辐射源13.2以及第一检测设备15.1和第二检测设备15.2。辐射源13和检测设备15的数量在此通常是可变的。特别地不必一定要设置正如与辐射源13一样多的检测设备15，因为多个不同的辐射源13的辐射也可以借助相应的检测设备15来检测，并且还可以被区分，例如使用多路复用。

两个辐射源13.1、13.2是可控制的，以分别生成和发送至少基本上单色的辐射，即至少基本上仅具有一个波长，或者其各自的发射光谱17,1、17.2具有比0.001cm^-1窄的仅仅窄的线宽，优选比0.003cm^-1窄。然而，辐射源13.1、13.2在相应传送的波长是可变的范围内是波长可变的。波长可变的辐射源13.1、13.2尤其是可调谐的二极管激光器。

作为要被检查的物质21.1、21.2的相应吸收线19.1、19.2的测量的一部分，控制辐射源13.1、13.2以传送辐射，使得其波长根据时间模式行进通过相应的调制范围23.1、23.2。在这方面，在所示的示例中，相应的调制范围23.1、23.2将从一端到另一端至少连续地行进通过并且再次返回。为了说明这一点，示出了相应的光谱，除了以虚线示出的传送辐射之外，其中辐射的强度(纵坐标)被示意地针对波长(横坐标)输入。相应的辐射源13.1、13.2的窄的发射光谱17.1、17.2在其中表现为垂直线。上面所示的双箭头表示由线行进通过的相应调制范围23.1、23.2。在调制范围23.1、23.2内的线的位置因此仅是快照而不是恒定的。

所示的光谱纯粹是示意性的，仅用于说明；因此他们特别不按比例。不同的辐射源13.1、13.2的调制范围23.1、23.2因此也可以具有不同的宽度，如图所示。调制范围23.1、23.2尤其至少相对于它们各自的位置不同，其被选择为使得相应的调制范围23.1、23.2覆盖待测量的物质的相应的吸收线19.1、19.2。

要测量吸收线19.1、19.2的物质21.1、21.2位于测量容器25中，通过该测量容器25限定了测量路径，行进通过该测量路径以对测量光束的吸收进行测量。两个辐射源13.1、13.2的辐射被组合在测量光束中。第一辐射源13.1的辐射和第二辐射源13.2的辐射借助用作光束组合器的分束器27在空间上组合，特别是至少部分地重叠，以形成测量光束。例如，分束器27可以是偏振分束器，其使得在相应的辐射的相应的偏振上也可以将彼此靠近设置的调制范围23.1、23.2的波长组合，以用于高效地测量彼此靠近设置的吸收线19.1、19.2。

替代使用接收待测量的物质21的测量容器25的提取测量，通常也可以设置不同类型的测量路径。特别可以想象的是，测量是在原地进行。测量路径例如可以在所谓的横管道测量中延伸通过通道，物质21尤其是气态物质可以通过该通道进行传导。

除了测量容器25之外，两种物质21.1、21.2的吸收线19.1、19.2与两个辐射源13.1、13.2的调制范围23.1、23.2一起在图1中示意性地示出。然而，一般来说，在测量容器25中可以容纳多于两种物质21.1、21.2，并且要测量它们各自的吸收线19。相应地，为此可以在分光计11处提供更多的辐射源13。另外通常还可以通过单个辐射源13测量多个吸收线19，例如这个辐射源13的调制范围23在多个吸收线上延伸。

由于物质21.2、21.2的吸收，辐射的强度在通过测量容器25之后在相应的吸收线19.1、19.2的区域中减小。然后，测量光束具有例如示意性示出的光谱在该测量容器25的右下方。该光谱包括在两个调制范围23.1、23.2的范围内的辐射，其中在相应的吸收线19.1、19.2的区域中的吸收能够被识别为光谱中的强度塌陷。

测量光束随后在空间上被分成两个部分光束，其中一个部分光束被同时滤波。这通过体积布拉格光栅29进行，所述体积布拉格光栅29配置成仅以其波长处于该反射的通带31.1中时以所示的角度入射到体积布拉格光栅29的辐射进行反射，其中通带31.1被第一辐射源13.1的调制范围23.1覆盖并且进而包括第一物质21.1的吸收线13.1。因此，所述通带31.1之外的波长被体积布拉格光栅29从反射的辐射中滤除。体积布拉格光栅29在这个程度上用作具有相对于反射的所述通带31.1的带通滤波器。

然后可以借助于检测设备15.1来检测辐射，在该检测设备15.1上，在该过程中被滤波的反射辐射入射在检测设备15.1上，并且可以确定在检测设备15.1旁边示意性示出的光谱。然后可以在该光谱中识别滤波侧面33，每个滤波侧面标记通带31.1和与其相邻的体积布拉格光栅29的相应的截止带之间的转变。

这些滤波侧面33的相应的实际波长由体积布拉格光栅29固定地预定义。然而，相应的滤波侧面33的波长可以仅从光谱经由检测时间和至少应该在该时间(即参考所述时间模式)传送的相应的辐射源13.1的波长之间的关系来确定。然而，由相应的辐射源13.1、13.2在相应的时间实际传送的波长可以不同于辐射源13.1,13.2被控制的传送的波长。可以认识到这样的差异，那么参考光谱确定的相应的滤波侧面33的测量的波长也与滤波侧面33的实际波长不同。

滤波侧面33通过辐射的滤波被赋予在相应吸收线19的测量光谱上的所谓的参考标记，从而同时也可以参考相同光谱进行检查，所述光谱用于通过将相应的滤波侧面22的测量波长与滤波侧面33的实际波长进行简单地比较来确定吸收线，以确定在辐射源13处是否存在导致调制范围23的失真或位移的偏离。

以类似的方式，由体积布拉格光栅29处的分束产生的第二部分光束也不被反射，而是在体积布拉格光栅29处被透射，也可以被滤波以确保第二辐射源13.2的调制范围23.2也没有区别。为此，可以提供窄带带通滤波器35，其通过第二部分光束，以及其通带31.2一方面被第二辐射源13.2的调制范围23.2所覆盖，并且另一方面包括待测量的另外的物质21.2的吸收线19.2。以这种方式，通过第二检测设备15.2确定的光谱也具有两个滤波侧面33，其对通带31.2界定，通带31.2的相应测量波长可以参考光谱来确定，并且可以与滤波侧面33的相应的实际波长进行比较。

分光计另外具有控制和评估装置37，用于控制辐射源13.1、13.2并且用于评估通过检测设备15.1、15.2检测的数据，特别是用于特定确定相应的光谱，用于参考光谱确定相应滤光侧面的波长和/或用于参考光谱中的吸收线确定相应物质的浓度。滤波侧面33的测量波长与其实际波长的比较尤其也可以发生在该控制和评估单元37中。如果存在偏离，则控制和评估装置可以随后优选地调整辐射源的控制13.1、13.2的控制，使得该偏离实际上被补偿了。

在图2中示出了两个光谱，用于说明根据本发明的辐射的滤波效果，例如可以在测量待检查的相应物质21的吸收线19时进行确定。这两个光谱各自显示为虚线。另外，分别示出了吸收线19和(通过双箭头)传送的辐射的波长行进通过的调制范围23。另外，相应的辐射源13的发射光谱17被示出为实际上没有固定位置的垂直线，而是在其整个范围内行进通过调制区23，可选地多次。

由于仅生成具有在调制范围23内的波长的辐射，所以各自的光谱也在其范围内最多延伸。由于相应物质21吸收辐射，在这方面的光谱在吸收线19的区域中具有相应的衰弱。光谱另外分别具有至少基本上恒定的强度。然而，例如，由于色散效应，强度通常也可以根据波长至少轻微地变化。如图2所示，该强度尤其可以至少基本上随着波长的增加或者随着波数的减少而连续地增加。

在图2右侧所示的光谱中，辐射采用根据本发明的方式进行滤波，与右侧所示的光谱不同。用于此目的的滤波器的通带31另外显示在右侧的光谱中。特别可以认识到，通带31完全在相应的辐射源13的调制范围23内，并且进而完全包括相应物质21的吸收线19。另外，为了可靠地光学感测吸收线19，辐射源13的线宽17比吸收线19窄。

作为图2中右侧所示的光谱与左侧所示的光谱的比较，根据本发明的辐射的滤波导致光谱在滤波器的通带31之外没有强度。通带31侧面的滤波侧面33可以通过测量强度的急剧下降在右侧光谱中识别，因此可以用作参考光谱和其他参数确定的波长是否有缺陷的参考。为此目的将滤波侧面33的测量波长与其已知的实际波长进行比较就足够了。然后可以参考该比较来确保辐射实际上已经行进通过的调制范围23与控制辐射源13行进通过预定义的调制范围23重合。

Claims (13)

1.一种确保波长可变的辐射源(13)的调制范围(23)的方法，所述调制范围(23)作为物质(21)的吸收线(19)的测量的一部分，其特征在于，所述方法包括：

控制所述辐射源(13)以传送辐射，使得所述辐射的波长根据时间模式行进通过所述调制范围(23)；

通过滤波器(29，35)对所述辐射进行滤波，所述吸收线(19)设置在所述滤波器(29，35)的通带(31)中，所述滤波器(29，35)具有至少一个滤波侧面(33)，所述至少一个滤波侧面(33)的实际波长在所述调制范围(23)内；

确定被滤波的辐射的光谱，其中相对于所述时间模式来检测被滤波的辐射的强度；以及

确定所述光谱是否具有所述至少一个滤波侧面(33)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滤波器配置为带通滤波器(29，35)，所述带通滤波器(29，35)的通带(31)由两个滤波侧面(33)界定；

以及确定所述光谱是否具有两个滤波侧面(33)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通带具有大约0.5cm^-1，优选地大约1cm^-1，特别是大约3cm^-1的最大光谱宽度。

4.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述滤波器(29)由光学元件形成，特别是由分束器形成；除了滤波之外，所述分束器还用于在空间上组合至少两个光路。

5.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述滤波器(29)由光学元件形成，特别是由分束器形成；除了滤波之外，所述分束器还用于将光路在空间上分成至少两个光路。

6.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述滤波器包括体积布拉格光栅(29)，所述辐射在所述体积布拉格光栅(29)处被反射用于滤波。

7.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，当检测到所述光谱不具有所述至少一个滤波侧面(33)时，输出警告信号和/或调节所述辐射源(13)，直到所述光谱具有所述至少一个滤波侧面(33)；

优选地，其中所述滤波器配置为带通滤波器(29，35)，所述带通滤波器(29，35)的通带(31)由两个滤波侧面(33)界定，以及当检测到光谱不具有两个滤波侧面(33)时，输出警告信号和/或调节所述辐射源(13)，直到所述光谱具有两个滤波侧面(33)。

8.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述确定所述光谱是否具有所述至少一个滤波侧面(33)还包括：

参考所述光谱确定所述至少一个滤波侧面(33)的测量的波长，以及将所述至少一个滤波侧面(33)的测量的波长与所述至少一个滤波侧面(33)的所述实际波长进行比较；

优选地，其中所述滤波器配置为带通滤波器(29，35)，所述带通滤波器(29，35)的通带(31)由两个滤波侧面(33)界定，并且所述确定所述光谱是否具有所述至少一个滤波侧面(33)还包括：

参考所述光谱确定所述两个滤波侧面(33)的各自的测量的波长，以及将所述两个滤波侧面(33)的测量的波长与所述两个滤波侧面(33)的所述实际波长进行比较。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述至少一个滤波侧面(33)的测量的波长与所述至少一个滤波侧面(33)的实际波长偏离时，输出警告信号和/或调节所述辐射源(13)，直到所述至少一个滤波侧面(33)的测量的波长至少基本上与所述至少一个滤波侧面(33)的实际波长重合；

优选地，其中所述滤波器配置为带通滤波器(29，35)，所述带通滤波器(29，35)的通带(31)由两个滤波侧面(33)界定；并且在所述两个滤波侧面(33)的测量的波长与所述两个滤波侧面(33)的实际波长偏离时，输出警告信号和/或调节辐射源(13)，直到两个滤波侧面(33)的测量的波长至少基本上与所述两个滤波侧面(33)的实际波长重合。

10.一种测量物质(21)的吸收线(19)的方法，其特征在于，所述方法包括执行如前述权利要求中至少一项的所述的确保波长可变的辐射源(13)的调制范围(23)的方法；

其中，当确定所述光谱具有所述至少一个滤波侧面(33)时，特别是当参考所述光谱确定的所述至少一个滤波侧面(33)的测量的波长至少基本上与所述至少一个滤波侧面(33)的实际波长重合时，还参考被滤波的辐射的光谱确定所述物质(21)的吸收线(19)。

11.一种测量物质(21)的吸收线(19)的方法，其特征在于，所述方法包括执行如权利要求1至9中至少一项所述的确保波长可变的辐射源(13)的调制范围(23)的方法，

其中所述滤波器配置为带通滤波器(29，35)，所述带通滤波器的通带(31)由两个滤波侧面(33)界定；

并且其中当检测到所述光谱具有两个滤波侧面(33)时，特别是当参考所述光谱确定的两个滤波侧面(33)的各自测量的波长至少基本上与所述两个滤波侧面(33)的实际波长重合时，还参考被滤波的辐射的光谱确定所述物质(21)的所述吸收线(19)。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，根据所述吸收线(19)，特别是根据波长调制光谱法或直接吸收光谱法的方法，确定所述物质(21)的浓度。

13.一种用于测量物质(21)的吸收线(19)的分光计，包括：

辐射源(13)，用于传送辐射，所述辐射的波长根据时间模式行进通过调制范围(23)；

滤波器(29，35)，用于对辐射进行滤波；

检测设备(15)，用于检测被滤波的辐射的强度；以及

控制和评估装置(37)，用于控制所述辐射源(13)和用于相对于所述时间模式从检测的被滤波辐射的强度来确定光谱，

其中所述分光计(11)配置成执行如权利要求10至12中至少一项所述的方法。