CN111176031A - 用于多气体感测的光声光谱设备的堆叠滤光器装置以及光声光谱设备 - Google Patents

用于多气体感测的光声光谱设备的堆叠滤光器装置以及光声光谱设备 Download PDF

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Abstract

本公开涉及堆叠滤光器装置和光声光谱设备。堆叠滤光器装置包括：向列型液晶层，堆叠在第一透明电极层与第二电极层之间，其中第一透明电极层包括彼此电隔离的多个电极段；第一偏振器层和第二偏振器层，其中向列型液晶层堆叠在第一偏振器层与第二偏振器层之间；过滤器层，被配置用于过滤光，其中过滤器层包括多个过滤器段，其中至少两个过滤器段是波长敏感过滤器段，其中至少两个波长敏感过滤器段对于不同波长是透明的；以及多个光通道，多个光通道中的每个光通道都包括向列型液晶层的一部分、第一电极层的一部分、第二透明电极层的多个电极段中的一个电极段、第一偏振器层的一部分、第二偏振器层的一部分以及多个过滤器段中的一个滤光器段。

Description

用于多气体感测的光声光谱设备的堆叠滤光器装置以及光声 光谱设备
技术领域
实施例涉及用于多气体感测的光声光谱法，特别地，涉及一种基于光声光谱法感测/检测/测量多种气体的新型滤光器。
背景技术
光声光谱法(PAS)是借助于声学检测来测量吸收的电磁能量(尤其是光)对物质的影响。由于该方法能够在原位状态下对被测样品进行评估，因此是一种广泛使用的精确测量各种气体浓度的方法。
光声光谱法最常用于显示红外辐射的接收能力的气体，这是因为以下事实：
1)分子只可在特定波长下吸收和发射能量。
2)感兴趣的典型红外波长高到与待检测气体的分子的大小相当。例如，用于检测二氧化碳所需的红外波长比CO2分子的大小大400倍，其中红外光和气体分子之间的相互作用经由利用分子的电荷分布的电场而发生。
3)与激发电子态相比，激发分子态具有非常长的寿命，从毫秒到十分之一秒。这有助于简单而突出的检测。
4)与另一分子碰撞的平均时间约为0.1微秒，因此许多碰撞和有效能量转移进一步提高了可检测性。
5)很少发生散射，使得检测方案更加稳健和可行。这也提高了测量的精度。
为了产生具有特定波长的光，通常使用宽带辐射器和可调谐波长敏感滤光器。借助于电、机电或这两种技术组合的可调谐滤光器的现有技术有：基于石英的可调谐过滤器、机械转轮过滤器、基于MEMS的解决方案、基于法布里-珀罗干涉仪(FPI)的过滤器和液晶可调谐过滤器(LCTF)。
发明内容
在本公开的第一方面实施例中，涉及一种用于多气体感测的光声光谱设备的堆叠滤光器装置。该堆叠滤光器装置包括：
向列型液晶层，堆叠在第一透明电极层与第二透明电极层之间，其中，第一透明电极层包括彼此电隔离的多个电极段；
第一偏振器层和第二偏振器层，其中，向列型液晶层堆叠在第一偏振器层与第二偏振器层之间；
过滤器层，被配置用于对光进行过滤，其中，过滤器层包括多个过滤器段，其中过滤器段中的至少两个过滤器段是波长敏感过滤器段，其中波长敏感过滤器段中的至少两个波长敏感过滤器段对于不同的波长是透明的；以及
多个光通道，其中多个光通道中的每个光通道都包括向列型液晶层的一部分、第一电极层的一部分、第二透明电极层的多个电极段中的一个电极段、第一偏振器层的一部分、第二偏振器层的一部分以及多个过滤器段中的一个过滤器段；
其中，通过在相应光通道的第一透明电极层与第二透明电极层的电极段之间施加第一电压，多个光通道中的每个光通道能够独立于多个光通道中的其他光通道而被激活；并且
其中，通过在相应光通道的第一透明电极层与第二透明电极层的电极段之间施加第二电压，多个光通道中的每个光通道能够独立于多个光通道的其他光通道而被去激活。
堆叠滤光器装置是包括基本上彼此平行布置的多个层的装置。
向列型液晶层是包括处于向列相(nematic phase)的液晶分子的层。液晶(LC)是处于特性介于传统液体与固态晶体之间的状态的物质。例如，液晶可以像液体一样流动，但它的分子可以以类似晶体的方式取向。液晶相有许多不同的类型，可以通过它们不同的光学特性(诸如双折射)来区分。本文描述的滤光器使用处于向列相的液晶。在该相，液晶分子是棒状的，并且没有位置顺序。然而，它们自对准以使长距离方向顺序与它们的长轴大致平行。在该相，液晶的大多数单轴分子表现出与普通(各向同性)液体相似的流动性，但它们可以很容易地被外部磁场或电场对准。对准的向列型液晶具有单轴晶体的光学特性。
因此，由棒状分子组成的向列型液晶的相邻分子的长轴近似彼此对准。为了描述这种各向异性结构，引入了称为定向器(director)的无量纲单位矢量来表示分子关于任意点的优选取向的方向。因此，这种定向器代表由所有对准分子控制的光轴的总体取向。
定向器沿外部场对准的能力是由分子的电性质引起的。当分子的一端具有净正电荷而另一端具有净负电荷时，就产生了永久性的电偶极子。当外部电场施加于液晶时，偶极分子倾向于沿着电场的方向自我取向。
即使分子不形成永久偶极子，其仍然会受到电场的影响。在一些情况下，电场使分子中的电子和质子发生轻微的重新布置，使得产生感应电偶极子。虽然没有永久偶极子强，但利用外部场的取向仍然发生。
第一透明电极层和第二透明电极层以向列型液晶层的每一部分(布置在第一透明电极层与第二透明电极层的电极段之一之间)可分别暴露于电场的方式来布置。电极段通常被布置为共面的，使得它们包括公共平面。
偏振器是一种滤光器，其使特定偏振的光波通过，同时阻挡其他偏振的光波。偏振器可以将未限定或混合偏振的光束转换为限定良好限定的偏振的光束(即，偏振光)。这借助于丢弃/过滤与所述偏振器的偏振轴不对准的光波来进行。第一偏振器层和第二偏振器层中的每个偏振器层可以包括线性偏振器。
过滤器层包括两个或更多个波长敏感过滤器段，其中，波长敏感过滤器段中的每个波长敏感过滤器段对于限定的波长是透明的，并且对于其他波长是不透明的。波长敏感过滤器段中的至少两个波长敏感过滤器段对于不同的波长是透明的。过滤器段通常是共面布置的，使得它们包括公共平面。
堆叠滤光器装置的光通道是从堆叠滤光器装置的输入侧到输出侧的路径，其可以单独地被激活或去激活。如果一个光通道处于激活状态，则具有适当波长的入射光将通过对应的光通道，使得过滤的光将离开堆叠滤光器装置。与此相反，如果一个光通道处于去激活状态，则入射光将在相应的光通道中与波长无关地被阻挡，使得没有光离开堆叠的特定过滤器装置。
通过在相应光通道的第一透明电极层与第二透明电极层的电极段之间施加第一电压，多个光通道中的每个光通道可以独立于多个光通道中的其他光通道而被激活。
通过在相应光通道的第一透明电极层与第二透明电极层的电极段之间施加第二电压，多个光通道中的每个光通道可以独立于多个光通道中的其他光通道而被去激活。
结果，通过将第一电压施加于包括对于期望波长是透明的波长敏感过滤器段的光通道、并且通过将第二电压施加于其它光通道，可以调谐堆叠滤光器装置。
本文公开的堆叠滤光器装置提供了高选择性、高效率、高透射率和宽范围调谐。在操作期间不会出现选择性漂移。该堆叠滤光器装置不具有任何移动机械部件，使其易于维护并防止破坏。此外，所公开的结构允许小型化。
堆叠滤光器装置特别适合用于多气体感测的光声光谱设备，多气体感测特别可用于环境感测和空气质量监测系统。
根据本公开的实施例，第一透明电极层包括具有导电涂层的玻璃层。这种特征增加了装置的选择性、效率、透射率、鲁棒性和紧凑性。
根据本公开的实施例，第二透明电极层包括具有导电涂层的玻璃层，其中导电涂层被构造以便形成第二透明电极层的多个电极段。这种特征进一步提高了装置的选择性、效率、透射率、鲁棒性和紧凑性。
根据本公开的实施例，过滤器层被布置在堆叠滤光器装置的端部处。特别地，过滤器层可以被布置在滤光器装置的输入侧所布置的端部处。这可以进一步提高效率、选择性和透射率。
根据本公开的实施例，在多个光通道中的每个光通道内，相应光通道的第一偏振器层的一部分的偏振轴垂直于相应光通道的第二偏振器层的一部分的偏振轴被取向。
例如，第一电压可以是12V，而第二电压可以在0V的范围内。在这种情况下，仅对于激活的光通道需要电能，使得可以进一步提高效率。
根据本公开的实施例，在多个光通道中的每个光通道内，相应光通道的第一偏振器层的一部分的偏振轴平行相应光通道的第二偏振器层的一部分的偏振轴被取向。
例如，第一电压可以是0V，而第二电压可以在12V的范围内。在这种情况下，仅对于去激活的光通道需要电能，使得与两个电压都不同于零的构造相比可以提高效率。
根据本公开的实施例，堆叠滤光器装置包括用于使光平行的准直装置，其中，多个光通道中的每个光通道包括准直装置的一部分。
根据本公开的实施例，准直装置包括菲涅耳透镜。
这些特征进一步提高了装置的选择性、效率、透射率、鲁棒性和紧凑性。
根据本公开的实施例，过滤器段中的至少一个过滤器段是波长不敏感过滤器段，其至少对于3μm与5μm之间的波长是透明的。这种特征允许使用滤光器装置的光声光谱设备的校准。
在本公开的另一方面实施例中，涉及一种用于多气体感测的光声光谱设备。该光声光谱设备包括：
辐射器，被配置用于发射光，该光是相干的；
根据前述权利要求中任一项的堆叠滤光器装置，其中，堆叠滤光器装置被配置用于接收和过滤来自辐射器的光以产生过滤光；
气体检测室，被配置用于将气体混合物暴露于过滤光；
麦克风，被配置用于检测气体检测室中的声音，该声音通过将气体混合物暴露于过滤光而引起；以及
控制设备，被配置用于控制光声光谱设备。
辐射器可以被配置用于发射红外、紫外或可见光范围内的光。然而，优选地，辐射器被配置用于发射中红外范围内的光。如果光在时间和空间上具有恒定相位和恒定频率，则光是相干的。
过滤光被引导到气体检测室，在那里过滤光与气体混合物相互作用，使得如果气体混合物包含可以吸收过滤光的气体，则根据光声光谱原理而生成声压，其中，声压与这种气体的浓度成比例。原则上，声音可以在次声范围、可听声范围或超声范围内，其中，声音的频率取决于相应光通道反复地从激活状态切换到去激活状态以及相反切换的切换频率。
麦克风被配置为记录在期望频率范围处的声音。
控制设备尤其可以被配置为：控制辐射器、第一和第二电压，第一和第二电压被施加于堆叠滤光器装置，以便激活和去激活光通道；以及分析来自麦克风的信号。
堆叠滤光器装置根据本公开被配置并且具有所述的优点。
所述光声光谱设备受益于堆叠滤光器装置及其优点。
根据本公开的实施例，辐射器被布置在堆叠滤光器装置的过滤器层的第一侧上，并且第一偏振器层和第二偏振器被布置在堆叠滤光器装置的过滤器层的第二侧上。
这些特征进一步提高了装置的选择性、效率、透射率、鲁棒性和紧凑性。
根据本公开的实施例，辐射器被配置用于发射连续光谱，连续光谱至少包括3μm与5μm之间的波长。通过这些特征，可以检测大多数主要造成环境污染的常见气体，诸如CO2、CO、CH4和NO2，前提是堆叠滤光器装置可调谐到对应波长。
根据本公开的实施例，控制设备被配置用于控制测量过程，其中，在相同的时间间隔，通过在相应光通道的第一透明电极层与第二透明电极层的电极段之间交替地施加第一电压或第二电压，多个光通道中的一个光通道(其包括波长敏感过滤器段中的一个波长敏感过滤器段)以切换频率被交替地激活或去激活，通过在相应光通道的第一透明电极层与第二透明电极层的电极段之间施加第二电压，多个光通道中的所有其他光通道(包括波长不敏感过滤器段、或者波长敏感过滤器段中的对于与一个光通道的波长敏感过滤器段的波长不同的波长是透明的一个波长敏感过滤器段)被去激活，并且检测室中的声音通过使用麦克风来检测。
通过这些特征，确保生成具有切换频率和特征形状的声音，使得如果选择多个光通道中的特定光通道，则可以检测能够吸收检测室中的气体混合物中的过滤光的气体。通过选择多个光通道中的另一光通道以用于交替激活和去激活，可以改变过滤光的波长，使得可以检测气体混合物中的另一气体。
根据本公开的实施例，控制设备被配置用于控制校准过程，其中，在相同的又一时间间隔内，通过在相应光通道的第一透明电极层与第二透明电极层的电极段之间交替地施加第一电压或第二电压，多个光通道中的一个光通道(其包括波长不敏感过滤器段)以切换频率被交替地激活或去激活，通过在相应光通道的第一透明电极层与第二透明电极层的电极段之间施加第二电压，使多个光通道中包括波长敏感过滤器段的所有其他光通道被去激活，并且通过使用麦克风检测气体检测室中的声音，以通过测量声音的强度来估计辐射器的衰减。
这种校准过程可以提高设备的测量精度。特别地，可以避免由于辐射器的劣化或衰减而引起的测量误差。
根据本公开的实施例，切换频率在100kHz到300kHz的范围内。通过这些特征，确保检测室中的声音频率处于与其他声音范围相比较少受其他声源污染的范围内，使得可以增加信噪比。
根据本公开的实施例，第一透明电极层与第二透明电极层之间的距离小于第一透明电极层与第二透明电极层之间的最大距离，其中，最大距离根据数值方程dmax＝T x U来计算，其中dmax是以μm为单位的最大距离，其中T是以μs为单位的切换频率的振荡时间，以及其中U是以V为单位的第一电压与第二电压之间的差的绝对值。
通过这些特征，确定可以生成期望频率处的声音。
在本公开的又一方面实施例中，涉及一种用于制造用于多气体感测的光声光谱设备的堆叠滤光器装置的方法。该方法包括以下步骤：
在第一透明电极层与第二透明电极层之间布置向列型液晶层，其中，第二透明电极层包括彼此电隔离的多个电极段；
在第一偏振器层与第二偏振器层之间布置向列型液晶层；
添加被配置用于对光进行过滤的过滤器层，其中过滤器层包括多个过滤器段，其中过滤器段中的至少两个过滤器段是波长敏感过滤器段，其中波长敏感过滤器段中的至少两个波长敏感过滤器段对于不同波长是透明的；以及
形成多个光通道，
使得多个光通道中的每个光通道都包括向列型液晶层的一部分、第一电极层的一部分、第二透明电极层的多个电极段中的一个电极段、第一偏振器层的一部分、第二偏振器层的一部分以及多个过滤器段中的一个过滤器段，
使得多个光通道中的每个光通道能够通过在相应光通道的第一透明电极层与第二透明电极层的电极段之间施加第一电压而独立于多个光通道中的其他光通道被激活，并且
使得多个光通道中的每个光通道能够通过在相应光通道的第一透明电极层与第二透明电极层的电极段之间施加第二电压而独立于多个光通道中的其他光通道被去激活。
附图说明
本文参照附图来描述本发明的实施例。
图1示出了用于多气体感测的光声光谱设备的堆叠滤光器装置的第一实施例的示意性透视分解图；
图2在左侧示出了处于激活状态的堆叠滤光器装置的光通道的一部分的示意性透视分解图，并且在右侧示出了处于去激活状态的堆叠滤光器装置的光通道的一部分的示意性透视分解图；
图3示出了偏振光在向列型液晶层中的旋转；
图4示出了用于多气体感测的光声光谱设备的堆叠滤光器装置的第二实施例的示意性透视分解图；
图5示出了用于堆叠滤光器装置的过滤器层的第一示例性平面图；
图6示出了与过滤器层的第一平面图相对应的用于堆叠滤光器装置的第二透明电极层的示例性平面图；
图7示出了用于堆叠滤光器装置的过滤器层的第二示例性平面图；
图8示出了示例性第一透明电极层的示意性俯视图；
图9示出了示例性第二透明电极层的示意性俯视图；
图10示出了布置在示例性第一透明电极层与示例性第二透明电极层之间的示例性向列型液晶层的示意性分解图；
图11示出了包括示例性向列型液晶层、示例性第一透明电极层和示例性第二透明电极层的示例性堆叠的示意性俯视图；
图12以示意性俯视图示出了针对过滤器层和第二电极层的进一步示例性平面图；
图13示出了用于多气体感测的光声光谱设备的第一实施例的示意性侧视图；
图14示出了用于多气体感测的光声光谱设备的第二实施例的示意性侧视图；
图15示出了根据不同实体的频率范围的声音占用；
图16示出了用于制造用于多气体感测的光声光谱设备的堆叠滤光器装置的方法。
具有相等或等效功能的(一个或多个)相等或等效元件在以下描述中通过相等或等效的附图标记来表示。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述了多个细节以提供对本发明实施例的更彻底的解释。然而，本领域技术人员将明白，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例。在其它情况下，为了避免模糊本发明的实施例，以框图形式示出而并非详细地示出已知结构和设备。此外，除非另有特别说明，否则下文描述的不同实施例的特征可以彼此组合。
图1示出了用于多气体感测的光声光谱设备的堆叠滤光器装置1的第一实施例的示意性透视分解图。堆叠滤光器配置1包括：
向列型液晶层2，堆叠在第一透明电极层3与第二透明电极层4之间，其中，第二透明电极层4包括彼此电隔离的多个电极段5；
第一偏振器层6和第二偏振器层7，其中，向列型液晶层2堆叠在第一偏振器层6与第二偏振器层7之间；
过滤器层8，被配置用于对光LI进行过滤，其中，过滤器层8包括多个过滤器段9，其中过滤器段9中的至少两个过滤器段是波长敏感过滤器段9，其中波长敏感过滤器段9中的至少两个波长敏感过滤器段对于不同的波长是透明的；以及
多个光通道10，其中，多个光通道10中的每个光通道都包括向列型液晶层2的一部分、第一电极层3的一部分、第二透明电极层4的多个电极段5中的一个电极段、第一偏振器层6的一部分、第二偏振器层7的一部分以及多个过滤器段9中的一个过滤器段；
其中，通过在相应光通道的第一透明电极层3与第二透明电极层4的电极段5之间施加第一电压FV，多个光通道10中的每个光通道10可以独立于多个光通道10中的其他光通道10而被激活；以及
其中，通过在相应光通道10的第一透明电极层3与第二透明电极层4的电极段5之间施加第二电压SV，多个光通道10中的每个光通道10可以独立于多个光通道10中的其他光通道10而被去激活。
必须注意，分解图只是为了说明。通常，堆叠滤光器装置的相邻层彼此接触。
在堆叠滤光器装置1的第一实施例中，向列型晶体层2、第一透明电极层3和第二透明电极层4堆叠在第一偏振器层6与第二偏振器层7之间。
以下是堆叠滤光器装置1用于光声光谱法中的多气体感测的典型优点，
1)没有移动或机械部件，使其极其坚固和轻便。
2)对于便携式和消费者应用来说具有高度可扩展性。
3)低功率解决方案，因为激活的光通道只需瞬间施加切换电压即可保持激活。
4)由于固定波长光学滤光器区段的原位使用而具有最佳或最大选择性。
5)由于新结构实现优良透射率(95％以上)，损耗极低。
6)高透射率，使其适合于窄带和宽带应用。
7)以它们的原位形式可扩展用于检测任意数量的气体。
8)与现有技术的移动和机械解决方案相比，具有极高的成本效益。
9)几乎没有维护成本，并且寿命/耐久性长。
10)操作期间或之后无需校准或微调。
11)可以借助于微处理器/控制器/软件而被轻松控制。
12)由于固定波长的光学滤光器，不直接暴露于高温。
13)由于由基本PAS设备装置/组件提供的均匀热源，不直接暴露于非常低的温度。
14)在设备操作期间，由于IR发射器/加热器在运行寿命内的稳定衰减，系统很容易根据需要重新校准。
图2在左侧示出了处于激活状态的堆叠滤光器配置1的光通道10的一部分的示意性透视分解图，并且在右侧示出了处于去激活状态的堆叠滤光器配置1的光通道10的一部分的示意性透视分解图。
图3示出了偏振光在向列型液晶层2中的旋转。根据本公开的实施例，在多个光通道10中的每个光通道10内，相应光通道10的第一偏振器层6的一部分的偏振轴11垂直于相应光通道10的第二偏振器层7的一部分的偏振轴12被取向。
根据本公开的实施例，在多个光通道10中的每个光通道10内，相应光通道10的第一偏振器层6的一部分的偏振轴11平行于相应光通道10的第二偏振器层7的一部分的偏振轴12被取向。图1示出了夹在两个偏振过滤器之间的液晶是如何以现有技术的方式阻止入射光或使入射光通过构造。
当两个偏振过滤器6、7沿垂直偏振轴布置时，如图2所示，从上方进入的光LI(入射光)可以沿液晶分子2的螺旋布置被重定向90度(如图3进一步说明的)，使得该光通过下部过滤器7，然后施加第一电压FV。另一方面，当施加第二电压SV时，液晶分子2拉直其螺旋图案并停止重定向光LI的角度，从而防止入射光LI穿过下部过滤器7。
图4示出了用于多气体感测的光声光谱设备的堆叠滤光器装置1的第二实施例的示意性透视分解图。
第二实施例基于堆叠滤光器装置1的第一实施例，因此在下面仅讨论差异。
根据本公开的实施例，第一透明电极层3包括具有导电涂层的玻璃层。
根据本公开的实施例，第二透明电极层4包括具有导电涂层的玻璃层，其中，导电涂层被构造为形成第二透明电极层4的多个电极段5。
根据本公开的实施例，过滤器层8布置在堆叠滤光器装置1的端部处。
根据本公开的实施例，堆叠滤光器装置1包括用于使光LI平行的准直装置13，其中，多个光通道10中的每个光通道都包括准直装置13的一部分。
根据本公开的实施例，准直装置13包括菲涅耳透镜。
根据本公开的实施例，过滤器段9中的至少一个过滤器段是波长不敏感过滤器段9.5，其至少对于3μm与5μm之间的波长是透明的。
如图4所示，内核下方和上方的所有剩余元件的薄层2至7的堆叠产生1.2mm薄的过滤器堆叠1，其堆叠在底层8的顶部上。当通过底层8暴露于发射器或加热器时，层1至8的堆叠可以有效地选择和发射关于单种气体的波长通过区段(section)5.1至5.4中的一个区段。
区段9.1至9.4中的每一个区段可以选择并发射与待检测目标气体相关的一个波长。具体地，区段9.1可选择w1＝4.2μm用于气体CO2，区段9.2可选择w2＝4.67μm用于气体CO，区段9.3可选择w3＝3.3μm用于气体CH4，并且区段9.2可选择w4＝4.5μm用于温室气体N2O。
为了测量/检测环境中是否存在CO2，可以激活区段9.1的光通道10，使得该光通道10对于w1透明，同时通过去激活区段9.1至9.4的光通道来阻挡所有其他波长。
在测量CO2之后，例如，如果需要检测/测量CH4，则可以激活区段9.3的光通道，同时可以去激活其他区段的所有通道。该过程可以根据检测的每种气体的情况继续进行。
图5示出了用于堆叠滤光器装置1的过滤器层8的第一示例性平面图。堆叠滤光器配置1根据可以被称为“有源矩阵滤光器”(AMOF)的概念来构造。如图5所示，将面积为F的滤光器层8划分为过滤器段(子区段)9。过滤器层8的平面图P包括多个过滤器段9，其中每个过滤器段9都具有面积Si，其针对对应气体Gi选择和发射波长wi。
取决于透射率和针对发射的其它约束，在∑Si<＝F的条件下，每个部分的面积Si可以不同或相同。
固定波长过滤器区段9的这种新平面图P可以称为底层Lbottom。
图6示出了与过滤器层8的第一平面图相对应的堆叠滤光器装置1的第二透明电极层4的示例性平面图。
向列型液晶层2、第一透明电极层3和第二透明电极层4可以称为“有源矩阵光像素层(AMOP)”。多个电极段5中的每个电极段与第一电极层3的一部分和向列型液晶层2的一部分一起形成具有平面图LAMOP的有源矩阵光像素Pi，使得，
轮廓(Si)＝＝轮廓(Pi)，特别是多边形轮廓(Si)＝＝多边形轮廓(Pi)或者平面图(Lbottom)＝＝平面图(LAMOP)。
如图6所示，有源矩阵光像素层2、3、4被堆叠并固定在基层8之上，使得每个像素Pi可以借助于施加外部电压通过透明导电涂层附接的导电路径/通道来单独控制。这里，在本实施例中，外部电压控制来自LAMOP的单个像素Pi，其已知为该像素的切换电压UAMOP，并且GAMOP是0伏或接地的电平。
PiUAMOP＝UAMOP的施加激活了像素Pi。像素Pi的激活使像素Pi对于Pi敏感的相关波长是透明的。一旦被激活，Pi保持激活，直到PiUAMOP＝GAMOP，这已知为图6所示像素Pi的去激活，其中，像素P1和P3被激活。因此，为了检测具有波长wi的气体Gi，激活像素Pi使其对于其对应波长wi是透明的，并且另一方面剩余的像素被去激活，使得它们对于其对应波长是不透明的。
图7示出了用于堆叠滤光器装置1的过滤器层8的第二示例性平面图。
本公开不限于前面描述的过滤器段9的正方形。相反，其可以为基层8LBOTTOM的区段有效地实施其他形状和轮廓。由于本发明涉及用于多气体感测的光声光谱法，以下是获得本公开所有益处的优选实施例。
如图7所示，将单个固定波长的过滤器平面图F分为区段9.1至9.5，从而形成共面的5个固定波长过滤器区段9。从区段9.1到9.4，每个区段从宽带红外入射辐射LI选择并发射与待检测气体相对应的波长。例如，9.1可以选择并发射w1＝4.3μm以用于检测/测量CO2，类似地，其余三个部分被构造为与剩余的三种气体(如CH4、N2O和CO)相关。
第5区段9.5被创建以使其不选择任何特定的红外辐射，而是当暴露/固定在用于光声光谱法的加热器101的顶部上时发射所有入射辐射LI。这是为了在工作过程期间检查加热器/发射器的峰值功率，以便根据加热器功率的稳定衰减来重新校准加热器功率。这里，应注意，与剩余区段9.1至9.4相比，区段9.5的面积S5更小。这是为了确保具有波长敏感过滤器的区段应具有更有效的面积。
当通过底层8暴露于辐射器或加热器时，层1至8的堆叠可以有效地选择和发射与通过区段9.1-9.4的单种气体相关的特定波长、或者通过区段9.5重新校准加热器/发射器的所有宽带入射辐射LI。
为了测量/检测环境中是否存在特定气体，可以激活区段9.1至9.5中的一个区段，使得堆叠1对于特定波长是透明的，同时通过去激活所有其他区段来阻挡所有其他波长。在重新校准期间，区段9.5可以被激活，并且区段9.1至9.4被去激活。
在基于气体的传感器系统中的堆叠滤光器装置1的操作期间，辐射器在一段时间内经历稳定衰减。当然，其具有有限的寿命，并且其发射效率也会因此而劣化。必须解决这一损失，以便原位地精确测量/检测所要求的气体。
为了解决这一挑战，实施例建议创建波长不敏感的过滤器区段9.5。过滤器区段9.5不采用任何固定波长的滤光器。因此，与区段S5相对应的过滤器区段9.5的光通道10的激活使得对应光通道10对来自辐射器的宽带入射辐射是透明的。这帮助传感器的声学检测器在系统操作期间的任何时间点处测量辐射器的发射的可用峰值功率。因此，传感器可以通过激活过滤器区段9.5的光通道以及通过去激活其他过滤器区段的光通道10来询问、检查和补偿辐射器的任何劣化。
借助于激活波长不敏感过滤器区段9.5的光通道10，将辐射器的整个功率转发到检测室。这引起室内部空气的突然膨胀，导致通过进出端口的呼气。一旦波长不敏感过滤器区段9.5的光通道10被去激活，室操作和温度返回到平衡条件。这导致吸气，意味着为了检测的目的而用外部空气填充室。
因此，通过本实施例，可以执行快速吸气和呼气活动以用于更快的响应。这尤其适用于较大体积的检测室/腔。
图8示出了示例性第一透明电极层3的示意性俯视图。制备堆叠滤光器装置的下一步骤是制备前透明玻璃面板和后透明玻璃面板3、4，其中一侧上具有导电涂层。图8示出了制备中的后面板。
后玻璃面板3的面积应与步骤1中创建的平面图的精确轮廓相匹配，即，LBOTTOM的宽度和幅度应与后玻璃面板的宽度和幅度相同。前和后玻璃面板3、4均在一侧是导电的。这可以通过沉积透明且导电的材料(如TCO、ITO或AZO等)来实现。
待暴露于LBOTTOM的后面板3也将用作针对液晶分子2的所有区段和悬浮的共同基础。为了实现这一点，向面板3的导电侧附接小的金属焊盘14，使得可以借助于焊接等方式将外部导线链接/连接至面板3。
图9示出了示例性第二透明电极层4的示意性俯视图。图9示出了制备之后的前玻璃面板4。可以注意到，前玻璃面板4的面积稍大。这种延伸以区域显示，并且用于保持连接至每个区段且用于将UAMOP信号输入至对应区段9的所有导电焊盘。与后面板3类似，最初，前面板4的整个一侧应涂有如先前所解释的透明导电材料。
该导电侧以以下方式来蚀刻：与来自LBOTTOM的5个区段9.1至9.5的精确轮廓相对应的5个区域5.1至5.5将具有导电涂层以及延伸到导电焊盘5.1至5.5的细导电线。此外，这些细导电线涂有绝缘材料，例如光刻胶等。
然后，导电焊盘15被放置在延伸区域中，使得它们借助于从其中一个区段5延伸到其中一个焊盘15的对应细导电线16而被电连接至对应的区段5.1至5.5。这可以通过从延伸区域的线16去除绝缘层(这里为光刻胶)并且借助于导电粘合剂等放置焊盘15来实现。这在图9中示出，其中导电和透明区段5.1至5.5以深灰色示出，蚀刻掉的非导电区域以白色示出，并且从区段延伸并具有绝缘涂层的导电线16以灰色示出。
然后，以这种方式从前面板4和后面板3的导电侧轻轻地刷/擦前面板4和后面板3，使得刷/擦的方向与最近的偏振器6、7的方向平行。例如，前面板4在与前偏振器7的方向平行的方向上被刷动。当悬浮在两个玻璃板3、4之间时，刷动实际上有助于正确地对准液晶分子2。
图10示出了布置在示例性第一透明电极层3与示例性第二透明电极层4之间的示例性向列型液晶层2的示意性分解图。
堆叠滤光器配置1的制备期间的下一步骤是向在先前步骤中制造的前面板与后面板之间实际地添加向列型液晶溶液。向列型液晶的选择因目标因素(如温度范围、切换速度等)而异。本公开建议但不限制液晶的选择为5CB、5OCB和PCH5。图10示出了液晶溶液如何悬浮在前和后玻璃面板3、4之间。
图11示出了包括示例性向列型液晶层2、示例性第一透明电极层3和示例性第二透明电极层4的示例性堆叠的示意性俯视图。图11示出了透明导电前和后玻璃面板3、4的最终示图，其中中间的液晶层2是根据先前步骤制备的。层2、3和4的堆叠也可以被称为堆叠滤光器装置1的内核(kernel)2、3、4或者简称为内核2、3、4。这里，内核的每个区段都将生成一个像素。例如，区段5.1将形成像素P1，以此类推。
最后，内核2、3、4被夹在前高对比度偏振器和后高对比度偏振器6、7之间、可选地与平面准直透镜13一起，它们的尺寸均与如图1和图4中示出的每个装置的实际过滤器尺寸(WxH)的尺寸相同。
图12以示意性俯视图示出了针对过滤器层8和第二电极层4的进一步示例性平面图。本公开的范围不限于一次仅检测四种气体。同样的概念可以借助于过滤器区段9与对应电极段5的不同设计、形状和几何形状而扩展为N种气体。
图13示出了用于多气体感测的光声光谱设备100的第一实施例的示意性侧视图。光声光谱设备100包括：
辐射器101，被配置用于发射光LI，光LI是相干的；
根据本公开的堆叠滤光器装置1，其中，堆叠滤光器装置1被配置用于接收和过滤来自辐射器101的光LI，以便产生过滤光FLI；
气体检测室102，被配置用于将气体混合物GS暴露于过滤光FLI；
麦克风103，被配置用于检测通过将气体GS混合物暴露于过滤光FLI而引起的检测室102中的声音；以及
控制设备104，被配置用于控制光声光谱设备100。
图14示出了用于多气体感测的光声光谱设备100的第二实施例的示意性侧视图。
根据本公开的实施例，辐射器101被布置在堆叠滤光器装置1的过滤器层8的第一侧上，并且第一偏振器层6和第二偏振器7被布置在堆叠滤光器装置1的过滤器层8的第二侧上。
根据本公开的实施例，辐射器103被配置用于发射至少包括3μm与5μm之间的波长的连续光谱。
根据本公开的实施例，控制设备104被配置用于控制测量过程，其中，在相同的时间间隔处，
通过在相应光通道10的第一透明电极层3与第二透明电极层4的电极段5之间交替地施加第一电压FV或第二电压SV，多个光通道10中包括一个波长敏感过滤器段9的一个光通道10以切换频率被交替地激活或去激活，
通过在相应光通道10的第一透明电极层3与第二透明电极层4的电极段5之间施加第二电压SV，多个光通道10中的所有其他光通道10被去激活，所有其他光通道10包括波长不敏感过滤器段9、或者波长敏感过滤器段9中的对于与一个光通道10的波长敏感过滤器段9的波长不同的波长是透明的一个波长敏感过滤器段，并且
检测室中的声音通过使用麦克风103来检测。
根据本公开的实施例，控制设备104被配置用于控制校准过程，其中，在相同的另一时间间隔处，
通过在相应光通道10的第一透明电极层3与第二透明电极层4的电极段5之间交替地施加第一电压FV或第二电压SV，多个光通道10中的包括波长不敏感过滤器段9的一个光通道10以切换频率被交替地激活或去激活，
通过在相应光通道10的第一透明电极层3与第二透明电极层4的电极段5之间施加第二电压SV，多个光通道10中的包括波长敏感过滤器段9的所有其他光通道10被去激活，并且
通过使用麦克风103来检测气体检测室102中的声音，以便通过测量声音的强度来估计辐射器101的衰减。
如图14所示，堆叠滤光器1包括准直透镜13，以便向从IR发射器/加热器101发射出的随机偏振的IR波长带来平行偏振。与现有技术设备相比，这显著提高了透射率(大于95％)。
此外，与入射峰值功率相比，对于中程IR(3um到5um)透射率大于95％的高对比度IR偏振器6、7以及导电透明玻璃面板3、4不妨碍该透射率低于95％。如图14所示，堆叠滤光器1的所有元件按顺序紧密地分层，从而测量小于1毫米的厚度，其中层之间几乎没有空气/介质，从而保持整个光路径10的透射率。
默认地，悬浮在导电玻璃面板3、4之间的向列型液晶分子2的定向器与前IR偏振器的方向平行。这意味着，当切换电压被设置为GAMOP时，层2、3、4可以原样发射入射的红外辐射，从而意味着相应光通道10的激活。这是因为液晶分子2在其定向器的方向上改变了穿过它们的红外辐射的偏振。另一方面，当切换电压被设置为UAMOP>>GAMOP时，这引起向列型液晶分子2的定向器的重新取向，使得它们垂直于前红外偏振器，导致相应的光通道10不透明。
图15示出了根据不同实体的频率范围的声音占用。
根据本公开的实施例，切换频率在100kHz到300kHz的范围内。通过这些特征，可以提高测量的信噪比，因为该频率范围受其他来源和频率范围的污染较小。
根据本公开的实施例，第一透明电极层3与第二透明电极层4之间的距离MD小于第一透明电极层3与第二透明电极层4之间的最大距离，其中，最大距离根据数值方程dmax＝Tx U来计算，其中dmax是以μm为单位的最大距离，其中T是以μs为单位的切换频率的振荡时间，并且其中U是以伏特(V)为单位的第一电压FV与第二电压SV之间的差的绝对值。
液晶分子2相对于前偏振器或后偏振器6、7从平行到垂直的重新取向所花费的时间被称为转变时间(即，相应通道10的激活到去激活)。向列型液晶单元的转变时间
Figure BDA0002252058660000202
可以针对＞10V/μm的电场近似为
Figure BDA0002252058660000201
其中，U是通过第一透明电极层3与第二透明电极层4之间的距离d分开的单元两端的切换电压。
因此，为了在10μs(100kHz)到3.3μs(300kHz)的范围内实现切换时间(这里为转变时间或者相应光通道10从去激活状态转换为激活状态所花费的时间，反之亦然)，并且考虑到第一电压为0V且第二电压为12V，可以根据数值方程dmax＝T x U＝3.3×12μm≈40μm来计算最大单元间隙dmax。
类似地，对于不同的电压范围和切换频率，可以使用数值方程dmax＝T x U来计算最大距离dmax。在设备的构造期间，通过确定前导电玻璃电极与后导电玻璃电极之间的实际距离MD不超过所计算的最大距离dmax，可以确保这样的快速切换频率，并由此可以将该设备进一步用于在超声频率范围内检测气体。
辐射器可以在其正常操作频率(即，从红外线到可听范围)下激发。一旦辐射器达到期望温度以便发射包括检测目标气体所需频率的相干辐射，外部调制频率(即，连续ON和OFF脉冲的dc电压供应)将被馈送到要求在超声范围内操作的单独的光通道10，而其余的光通道10保持去激活/不透明。
通过这些特征，可以实现设备信噪比的改进，使得气体检测在存在噪声的情况下变得更加稳健。此外，可以实现辐射器寿命的提高。可以增强气体检测的分辨率(更高的低ppm/ppb)。此外，检测时间可以缩短数倍。
图16示出了用于多气体感测的光声光谱设备100的堆叠滤光器装置1的制造方法。该方法包括以下步骤：
在第一透明电极层3与第二透明电极层4之间布置向列型液晶层2，其中第二透明电极层4包括彼此电隔离的多个电极段5；
在第一偏振器层6与第二偏振器层7之间布置向列型液晶层2；
添加被配置用于对光LI进行过滤的过滤器层8，其中，过滤器层8包括多个过滤器段9，其中过滤器段9中的至少两个过滤器段是波长敏感过滤器段9，其中波长敏感过滤器段9中的至少两个波长敏感过滤器段对于不同波长是透明的；以及
形成多个光通道10，
使得多个光通道10中的每个光通道都包括向列型液晶层2、第一电极层3的一部分、第二透明电极层4的多个电极段5中的一个电极段、第一偏振器层6的一部分、第二偏振器层7的一部分以及多个过滤器段9中的一个过滤器段，
使得通过在相应光通道10的第一透明电极层3与第二透明电极层4的电极段5之间施加第一电压FV，多个光通道10中的每个光通道10能够独立于多个光通道10中的其他光通道10而被激活，
使得通过在相应光通道10的第一透明电极层3与第二透明电极层4的电极段5之间施加第二电压SV，多个光通道10中的每个光通道10能够独立于多个光通道10中的其他光通道10而被去激活。
虽然本发明已经参照说明性实施例进行了描述，但是这种描述不旨在在限制意义上进行解释。本领域技术人员在参考说明书的情况下将理解本发明的说明性实施例以及其他实施例的各种修改和组合。因此，所附权利要求包括任何这种修改或实施例。

Claims (17)

1.一种用于多气体感测的光声光谱设备的堆叠滤光器装置，所述堆叠滤光器装置(1)包括：
向列型液晶层(2)，堆叠在第一透明电极层(3)与第二透明电极层(4)之间，其中所述第二透明电极层(4)包括彼此电隔离的多个电极段(5)；
第一偏振器层(6)和第二偏振器层(7)，其中所述向列型液晶层(2)堆叠在所述第一偏振器层(6)与所述第二偏振器层(7)之间；
过滤器层(8)，被配置用于对光(LI)进行过滤，其中所述过滤器层(8)包括多个过滤器段(9)，其中所述过滤器段(9)中的至少两个过滤器段是波长敏感过滤器段(9)，其中所述波长敏感过滤器段(9)中至少两个波长敏感过滤器段对于不同的波长是透明的；以及
多个光通道(10)，其中所述多个光通道(10)中的每个光通道都包括所述向列型液晶层(2)的一部分、所述第一电极层(3)的一部分、所述第二透明电极层(4)的所述多个电极段(5)中的一个电极段、所述第一偏振器层(6)的一部分、所述第二偏振器层(7)的一部分以及所述多个过滤器段(9)中的一个过滤器段；
其中通过在相应光通道(10)的所述第一透明电极层(3)与所述第二透明电极层(4)的所述电极段(5)之间施加第一电压(FV)，所述多个光通道(10)中的每个光通道(10)能够独立于所述多个光通道(10)中的其他光通道(10)而被激活；以及
其中通过在相应光通道(10)的所述第一透明电极层(3)与所述第二透明电极层(4)的所述电极段(5)之间施加第二电压(SV)，所述多个光通道(10)中的每个光通道(10)能够独立于所述多个光通道(10)中的其他光通道(10)而被去激活。
2.根据权利要求1所述的堆叠滤光器装置，其中所述第一透明电极层(3)包括具有导电涂层的玻璃层。
3.根据前述权利要求中任一项所述的堆叠滤光器装置，其中所述第二透明电极层(4)包括具有导电涂层的玻璃层，其中所述导电涂层被构造以便形成所述第二透明电极层(4)的所述多个电极段(5)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的堆叠滤光器装置，其中所述过滤器层(8)被布置在所述堆叠滤光器装置(1)的端部处。
5.根据前述权利要求中任一项所述的堆叠滤光器装置，其中在所述多个光通道(10)中的每个光通道(10)内，相应光通道(10)的所述第一偏振器层(6)的所述部分的偏振轴(11)垂直于相应光通道(10)的所述第二偏振器层(7)的所述部分的偏振轴(12)被取向。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的堆叠滤光器装置，其中在所述多个光通道(10)中的每个光通道(10)内，相应光通道(10)的所述第一偏振器层(6)的所述部分的偏振轴(11)平行于相应光通道(10)的所述第二偏振器层(7)的所述部分的偏振轴(12)被取向。
7.根据前述权利要求中任一项所述的堆叠滤光器装置，其中所述堆叠滤光器装置(1)包括用于使所述光(LI)平行的准直装置(13)，其中所述多个光通道(10)中的每个光通道都包括所述准直装置(13)的一部分。
8.根据前述权利要求中任一项所述的堆叠滤光器装置，其中所述准直装置(13)包括菲涅耳透镜。
9.根据前述权利要求中任一项所述的堆叠滤光器装置，其中所述过滤器段(9)中的至少一个过滤器段是波长敏感过滤器段(9.5)，所述波长敏感滤光器段(9.5)至少对于3μm与5μm之间的波长是透明的。
10.一种用于多气体感测的光声光谱设备，所述光声光谱设备(100)包括：
辐射器(101)，被配置用于发射光(LI)，所述光(LI)是相干的；
根据前述权利要求中任一项所述的堆叠滤光器装置(1)，其中所述堆叠滤光器装置(1)被配置用于从所述辐射器(101)接收并过滤所述光(LI)，以便产生过滤光(FLI)；
气体检测室(102)，被配置用于将气体混合物(GS)暴露于所述过滤光(FLI)；
麦克风(103)，被配置用于在所述检测室(102)中检测声音，所述声音通过将所述气体混合物(GS)暴露于所述过滤光(FLI)而引起；以及
控制设备(104)，被配置用于控制所述光声光谱设备(100)。
11.根据权利要求10所述的光声光谱设备，其中所述辐射器(101)被布置在所述堆叠滤光器装置(1)的所述过滤器层(8)的第一侧上，以及其中所述第一偏振器层(6)和所述第二偏振器(7)被布置在所述堆叠滤光器装置(1)的所述过滤器层(8)的第二侧上。
12.根据权利要求10或11所述的光声光谱设备，其中所述辐射器(103)被配置用于发射至少包括3μm与5μm之间的波长的连续光谱。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的光声光谱设备，其中所述控制设备(104)被配置用于控制测量过程，其中在相同的时间间隔处，
通过在相应光通道(10)的所述第一透明电极层(3)与所述第二透明电极层(4)的所述电极段(5)之间交替地施加所述第一电压(FV)或所述第二电压(SV)，所述多个光通道(10)中的包括所述波长敏感过滤器段(9)中的一个波长敏感过滤器段的一个光通道(10)以切换频率被交替地激活或去激活，
通过在相应光通道(10)的所述第一透明电极层(3)与所述第二透明电极层(4)的所述电极段(5)之间施加所述第二电压(SV)，所述多个光通道(10)中的所有其它光通道(10)被去激活，所述所有其它光通道(10)包括波长不敏感过滤器段(9)、或者所述波长敏感过滤器段(9)中的对于与所述一个光通道(10)的所述波长敏感过滤器段(9)的波长不同的波长是透明的一个波长敏感过滤器段(9)，以及
通过使用所述麦克风(103)来检测所述检测室中的所述声音。
14.根据权利要求13所述的光声光谱设备，其中所述控制设备(104)被配置用于控制校准过程，其中在相同的另一时间间隔处，
通过在相应光通道(10)的所述第一透明电极层(3)与所述第二透明电极层(4)的所述电极段(5)之间交替地施加所述第一电压(FV)或所述第二电压(SV)，所述多个光通道(10)中的包括所述波长敏感过滤器段(9)的一个光通道(10)以所述切换频率被交替地激活或去激活，
通过在相应光通道(10)的所述第一透明电极层(3)与所述第二透明电极层(4)的所述电极段(5)之间施加所述第二电压(SV)，所述多个光通道(10)中的包括所述波长敏感过滤器段(9)的所有其它光通道(10)被去激活，以及
通过使用所述麦克风(103)来检测所述气体检测室(102)中的所述声音，以便通过测量所述声音的强度来估计所述辐射器(101)的衰减。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的光声光谱设备，其中所述切换频率在100kHz至300kHz的范围内。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的光声光谱设备，其中所述第一透明电极层(3)与所述第二透明电极层(4)之间的距离(MD)小于所述第一透明电极层(3)与所述第二透明电极层(4)之间的最大距离(MD)，其中根据数值方程dmax＝T x U来计算所述最大距离，其中dmax是以μm为单位的所述最大距离，其中T是以μs为单位的所述切换频率的振荡时间，以及其中U是以V为单位的所述第一电压(FV)与所述第二电压(SV)之间的差的绝对值。
17.一种用于制造多气体感测的光声光谱设备的堆叠滤光器装置的方法，所述方法包括以下步骤：
在第一透明电极层(3)与第二透明电极层(4)之间布置向列型液晶层(2)，其中所述第二透明电极层(4)包括彼此电隔离的多个电极段(5)；
在第一偏振器层(6)与第二偏振器层(7)之间布置所述向列型液晶层(2)；
添加被配置用于对光(LI)进行过滤的过滤器层(8)，所述过滤器层(8)包括多个过滤器段(9)，其中所述过滤器段(9)中的至少两个过滤器段是波长敏感过滤器段(9)，其中所述波长敏感过滤器段(9)中的至少两个波长敏感过滤器段对于不同的波长是透明的；以及
形成多个光通道(10)，
使得所述多个光通道(10)中的每个光通道都包括所述向列型液晶层(2)的一部分、所述第一电极层(3)的一部分、所述第二透明电极层(4)的所述多个电极段(5)中的一个电极段、所述第一偏振器层(6)的一部分、所述第二偏振器层(7)的一部分以及所述多个过滤器段(9)中的一个过滤器段，
使得通过在相应光通道(10)的所述第一透明电极层(3)与所述第二透明电极层(4)的所述电极段(5)之间施加第一电压(FV)，所述多个光通道(10)中的每个光通道(10)能够独立于所述多个光通道(10)中的其他光通道(10)而被激活，以及
使得通过在相应光通道(10)的所述第一透明电极层(3)与所述第二透明电极层(4)的所述电极段(5)之间施加第二电压(SV)，所述多个光通道(10)中的每个光通道(10)能够独立于所述多个光通道(10)中的其他光通道(10)而被去激活。
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