CN112229811A - 背对背式光谱仪布置结构 - Google Patents

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Abstract

根据一方面，提供了包括第一封闭容积和第二封闭容积的光谱仪。第二封闭容积由用于容纳样本气体的吸收池形成。光谱仪的第一封闭容积包括：具有电磁辐射源的干涉仪；适于将从干涉仪接收的电磁辐射聚焦到吸收池的第一聚焦镜；适于将从吸收池接收的电磁辐射聚集的第二聚焦镜；以及适于检测由第二聚焦镜聚焦的电磁辐射的检测器。此外，光谱仪包括主框架板，第一封闭容积中的元件安装在该主框架板，并且该主框架板被固定到布置在主框架板的相反侧上的吸收池。

Description

背对背式光谱仪布置结构
技术领域
本发明涉及干涉测定法和光谱测定法。
背景技术
以下对背景技术的描述可以包括本发明之前的相关技术未知但由本发明提供的见解、发现、理解或公开内容、或关联及公开内容。下面可以具体指出本发明的一些这样的贡献，而本发明的其他这样的贡献根据其上下文将是明显的。
红外光谱术是基于采用与比可见光波长大的波长对应的红外频率范围内的电磁波的光谱术分支学科。根据一个定义，红外辐射具有700nm至1mm的波长范围(或300GHz至430THz的频率范围)。红外光谱术基于不同分子与特定频率的红外辐射不同地相互作用的事实。具体地，每个分子具有设定数(红外)的共振频率，在该共振频率处，分子的特定共振振动模式被激发，因此发生红外辐射吸收最大化。通过利用对不同分子的特征行为的了解，可以通过研究红外信号在样本固体、液体或气体中辐射时红外信号中发生的变化将红外光谱术用于识别和分析固体、液体和/或气体。
傅里叶变换红外光谱术是红外光谱术中的一种常用的测量技术。在傅里叶变换红外光谱术中，红外辐射(或红外光)被引导通过干涉仪，然后通过样本(例如气体样本)，或者反之亦然。干涉仪内部的移动镜用于改变通过干涉仪的红外光的频率分布。通过移动所述镜并捕获传播通过样本的信号，捕获了样本的干涉图，样本的干涉图描述了根据镜位置的样本中的吸收。随后可以基于干涉图(和光谱仪的参考干涉图)来计算在分析下的样本的光谱(即，根据频率的样本中的吸收)，并且由此可以识别样本。
由于傅立叶变换红外光谱术是基于以受控的方式在波长在一毫米以下的两个红外信号之间引起相移位，因此明显的是，即使干涉仪中红外光学元件的相对较小的不对准或移位也可能导致性能显著劣化。这种较小的不对准或移位可能例如由光谱仪中的温度变化和振动导致。虽然在受控的实验室条件下可以容易地实现良好的性能，但将样本带入这样的受控环境并不总是方便且有效的。相反，样本的分析可能需要在不那么理想的现场条件下进行，诸如在工厂或发电厂中。另一方面，样本气体可能在高温下被测量，这可能引起光谱仪本体的相当大的热膨胀，从而导致测量结果进一步不准确。因此，需要鲁棒的傅立叶变换红外光谱仪解决方案，该解决方案使得能够在不同的条件下进行样本分析。
发明内容
以下呈现了本文公开的特征的简化概述，以提供对本发明的一些示例性方面的基本理解。该概述不是本发明的广泛综述。该概述不旨在确定本发明的重要/关键元素或划定本发明的范围。其唯一目的是以简化形式呈现本文公开的一些概念，作为较详细描述的序言。
根据一方面，提供了独立权利要求的主题。在从属权利要求中限定了实施方式。
在所附附图和下面的描述中较详细地阐述了实现方式的一个或多个实施例。根据说明书和附图以及根据权利要求书，其他特征将是明显的。
附图说明
在下文中，将参考所附附图描述示例性实施方式，其中，
图1A和图1B从不同角度示出了根据实施方式的设备；
图2示出了根据实施方式的支撑结构；以及
图3A、图3B和图3C从不同角度示出了根据实施方式的设备的示例性机械布局。
具体实施方式
以下实施方式是示例性的。虽然说明书可能在多个位置引用“一(an)”，“一个(one)”或“一些”实施方式，但这并不一定意味着每个这样的引用均指相同实施方式，或者并不一定意味着特征仅适用于单个实施方式。不同实施方式的单个特征也可以组合，以提供其他实施方式。
图1A和图1B示出了根据实施方式的设备(光谱仪或气体分析仪)的示意图。虽然所示的图在本质上主要是示意性的，意味着仅示出了光谱仪的光学运行所必需的元件(即，省略了诸如元件的机械安装和详细几何结构之类的方面)，但是应该注意，这些元件相对于彼此的布置与根据实施方式的物理实现(待关于图3A、图3B和图3C进行详细讨论)对应。图1A和图1B从两个不同的视角示出了相同的示意图：图1A示出了xy平面的视图，并且图1B示出了xz平面的视图。用虚线示出了在光谱仪中传播的红外光的射束的示例性非限制性示例。
参照图1A和图1B，所示出的设备可以被认为包括四个不同的单元：包括元件101至107的干涉仪；包括元件108、109的聚焦单元；红外吸收池112和红外检测器110。在图1A和图1B的示意图中，元件112可以被认为等同地表示吸收池和/或由吸收池形成的第二封闭容积。干涉仪、聚焦单元和红外检测器110可以布置在与由吸收池112形成的第二封闭容积隔离的第一封闭容积111中。具体地，第一封闭容积111和第二封闭容积112可以隔离，使得容纳在第二封闭容积112中的(样本)气体不能从第二封闭容积112流动到第一封闭容积111(并且反之亦然)。换句话说，第一封闭容积111与第二封闭容积112之间的气体流动被阻止。应该注意，在图1A中用虚线绘制了吸收池112，以指示吸收池112位于第一封闭容积111的后面或下方(即，沿着z方向与第一封闭容积分离)，如在图1B中示出的。
所示出的设备的干涉仪包括红外光源101、准直镜102、分束器103、第一平面镜104、第二平面镜105、第一立体角形镜106和第二立体角形镜107。干涉仪被用于以受控的方式调制红外光。为此，干涉仪可以等同地被称为红外调制器。在其他实施方式中，可以采用另一种干涉仪配置。
红外光源101向准直镜102的方向发射红外光(即，红外辐射)。由红外光源101发射的红外光可以具有全部或部分地在红外频率范围(300GHz至430THz)内的光谱输出。红外光源101可以是非准直红外光源或准直红外光源。
准直镜102收集由红外光源101发射的红外光，并将其引导朝向分束器。顾名思义，准直镜102对红外光进行准直，使得所有红外光光线彼此平行地行进到分束器103。在红外光源101是准直红外红光源的实施方式中，可以省略准直镜102，并且红外光源可以将所发射的准直红外光直接(或经由一个或多个平面镜)引导至分束器103。
分束器103使来自红外光源101的准直红外光分成第一射束和第二射束。具体地，所述第一射束可以被引导朝向第一平面镜104，并且所述第二射束可以被引导朝向第二平面镜105。第一射束和第二射束中的一者可以是传输通过分束器103的射束，并且另一者可以是从分束器103反射的射束。相反地，分束器103适于使从第一镜104朝向分束器103反射的红外光分成第三射束和第四射束，第三射束和第四射束中的一者(具体地，传输通过分束器103的射束)被引导朝向第一聚焦镜108。类似地，分束器103还适于使从第二平面镜105朝向分束器103反射的红外光分成第五射束和第六射束，第五射束和第六射束中的一者(具体地，从分束器103反射的射束)被引导朝向第一聚焦镜108。在一些实施方式中，可以调整分束器的对准和/或定向。
第一平面镜104和第二平面镜105被(固定地和/或不可调整地)布置和对准成分别引导所述第一射束和所述第二射束的红外光。具体地，所述第一射束的红外光由第一平面镜104引导朝向第一立体角形镜106，并且所述第二射束的红外光由第二平面镜105引导朝向第二立体角形镜106。假定第一平面镜104和第二平面镜105相对于分束器103被对称地布置和定向。第一平面镜104和第二平面镜105的角度使得反射的红外光平行于由第一平面镜104和第二平面镜105以及第一立体角形镜105和第二立体角形镜106形成的光轴行进。第一平面镜104和第二平面镜105可以具有固定的对准。
第一立体角形镜106和第二立体角形镜107中的每者均由彼此垂直的三个平面镜形成，并且适于将红外光与入射角度无关地反射回其来自的方向。换句话说，相对于光轴的入射角度与反射的红外光光线相对于光轴的角度相等。具体地，第一立体角形镜106适于将由第一平面镜104引导至第一立体角形镜106的第一射束的红外光反射回第一平面镜104。随后，所述反射的射束从第一平面镜104到达分束器103。类似地，第二立体角形镜107适于将由第二平面镜105引导的第二射束的红外光反射回第二平面镜105，并且随后经由第二平面镜105到达分束器103。第一立体角形镜106和第二立体角形镜107可以是使用复制工艺(例如，薄膜环氧树脂复制工艺)制造。
第一立体角形镜106和第二立体角形镜107可以一起形成单个部件，即，它们可以彼此刚性地固定。第一立体角形镜106和第二立体角形镜107可以被布置成背靠背，优选地在机械上尽可能地彼此靠近。第一立体角形镜106和第二立体角形镜107被布置在公共光轴(在所示出的实施例中与x轴对应)上以向相反的方向进行反射。此外，第一立体角形镜106和第二立体角形镜107能够沿着所述公共光轴来回移动(分别地或至少一起地)。通过移动第一立体角形镜106，调整了射束经由第一平面镜104行进到第一立体角形镜106并返回第一平面镜104的路径长度。明显地，通过移动第二立体角形镜107，可以以类似的方式调整射束经由第二平面镜105行进到第二立体角形镜107并返回第二平面镜105的路径长度。为了使干涉仪能够起作用，可以使第一立体角形镜106和第二立体角形镜107中的一者移动或者使第一立体角形镜106和第二立体角形镜107(可能彼此固定)中的两者移动。可以使用移动装置诸如电动平移装置或移动线圈来实现该移动。所述移动装置还可以被包括在第一封闭容积111中。第一立体角形镜106和第二立体角形镜107(包括所述移动装置)可以是设备中仅有的移动元件。
如上所述，分束器103使从第一平面镜104和第二平面镜105反射回该分束器的射束分裂。具体地，所述返回射束被分裂，使得对于每个射束——被分裂的射束中的一个被分裂的射束(透射射束或反射射束)——被引导朝向(上述聚焦单元的)第一聚焦镜108。如果由第一立体角形镜106和第二立体角形镜107反射的两个射束的路径长度是同相的(暗含着第一立体角形镜106和第二立体角形镜107相对于分束器103被对称地布置)，则所述两个射束建设性地(constructively)彼此干涉。然而，如果不是这种情况，则取决于第一立体角形镜106和/或第二立体角形镜107沿着光轴的位置(或者具体地，干涉仪的所述两个臂相对于彼此的路径长度)，源自第一立体角形镜106和第二立体角形镜107并传输至第一聚焦镜108的射束可以在不同的红外频率处以不同的方式彼此干涉。换句话说，干涉仪的输出(即，输出红外信号的幅度)取决于第一立体角形镜106和第二立体角形镜107的相对位置。可以基于当使第一立体角形镜106和/或第二立体角形镜107移动时在不同镜位移处的干涉(即，基于样本情况下红外光源的干涉图)来测量红外光的频率(或波长)分布。因此，包括元件101至107的干涉仪用于将红外光源的红外辐射调制成一格式，根据该格式可以通过傅里叶变换来计算红外辐射的光谱分布。
在一些实施方式中，包括第一聚焦镜108和第二聚焦镜109的聚焦单元可以是均匀的成块材料，第一聚焦镜108和第二聚焦镜109安装(或固定)在该成块材料上(或第一聚焦镜和第二聚焦镜安装到该成块材料)。具体地，第一聚焦镜108和第二聚焦镜109可能已经(例如，使用金刚石车削)被直接机加工到所述均匀的成块材料上。优选地，聚焦单元的所述均匀的成块材料是相当大块(massive，块状的、大规模的、大的)的和/或均质的。所述单成块材料可以由金属诸如黄铜或铝或合金诸如钢制成。在待在下面详细讨论的图3A、图3B和图3C中示出了这样的实施方式的一个实施例。
在一些实施方式中，干涉仪可以包括支撑结构，该支撑结构保持(或支撑)分束器103，并且第一平面镜104和第二平面镜105被固定地集成在该支撑结构上。具体地，第一平面镜104和第二平面镜105可以是基于薄膜的结构和/或它们可以被固定地集成到支撑结构的两个相反的(内)表面上。支撑结构可以是由例如金属或合金制成的大块结构。术语“固定地集成”在此和下文中被定义成使得如果第一元件被固定地集成在第二元件上，则第一元件直接固定或附接到第二元件的表面上，使得在没有相当大的努力和特殊工具的情况下第一元件可能不会与第二元件解附接。解附接可能需要例如将支撑结构加热到非常高的温度、使用化学手段和/或切割，并且其可能会导致损坏第一元件和/或第二元件。因此，第一元件在集成之后成为第二元件的整体或不可分割的部分。此外，被固定地集成的第一元件的位置或定向在集成之后不能被调整。可以例如使用某种粘合剂(例如，环氧树脂)来实现集成。具体地，可以使用复制工艺(例如，薄膜环氧树脂复制工艺)来实现集成。下面关于图2较详细地讨论这样的实施方式，该图示出了这样的支撑结构的示例性几何结构。
第一聚焦镜108适于将从干涉仪的分束器103接收的红外辐射聚焦到红外吸收池112的输入红外窗口114。如上所述，从分束器103接收的所述红外辐射可以包括两个(干涉)射束，即从第一立体角形镜106经由第一平面镜104反射到分束器103(并且通过该分束器透射)的第一返回分裂射束，和从第二平面镜105经由第二立体角形镜107反射到分束器103(并且从该分束器反射)的第二返回射束。第一聚焦镜108可以具有(精确机加工的)永久固定的对准，并且第一聚焦镜可以是例如抛物线镜或椭圆镜。机加工可以例如使用金刚石车削进行。第一聚焦镜108的反射表面可以涂覆有金属(例如，金)。
红外吸收池112可以是任何已知的红外(光谱)吸收池。优选地，红外吸收池112是多程(multipass，多回程、多遍、多通、多路)吸收池，诸如怀特池、赫氏池或圆形多程池。多程吸收池基于通过使红外射束在吸收池中来回反射多次，在不增加吸收池的大小的情况下增加行进通过该池的红外光的总路径长度的概念。较长的路径长度通常引起较大的检测灵敏度。多程池对于分析具有较弱的光谱的气体或液体尤其有用。
红外吸收池112包括输入红外窗口114和输出红外窗口115(即，红外透明或至少半透明的元件)，该输入红外窗口和输出红外窗口分别用于允许红外光进入和离开红外吸收池。输入红外窗口114和输出红外窗口115可以布置在使红外吸收池112与第一封闭容积111分离的(前部)镜的相反端部上，如图1B所示。输入红外窗口114和输出红外窗口115被密封，以保持第二封闭容积(即，样本池气体容积)与第一封闭容积隔离。这些是充当两个气体容积的分离器的部件。
在图1A和图1B所示的实施方式中，红外吸收池是具有固定对准镜113、116的怀特池。常规的怀特池(其可以在其他实施方式中采用)包括前部镜和两个背部镜，两个背部镜并排布置、与前部镜相对，其中它们之间具有小的间隙。具有两个背部镜使得能够通过调整两个背部镜的定向和/或对准来调节反射的数量。所示出的具有固定对准镜113、116的怀特池具有稍微较简单的结构，该结构包括均具有固定的(不可调整的)对准、定向和曲率的前部镜113和背部镜116。背部镜116可以包括被金刚石机加工成单个成块材料的两个分离的镜表面。前部镜113和后部镜116被布置以形成具有特定路径长度的特定反射几何结构。优选地，如图1B所示，在怀特池内发生非常大量的反射。前部镜113包括输入红外窗口114和输出红外窗口115。在所示的实施例中，输入红外窗口和输出红外窗口被布置在前部镜113的不同端部处。输入红外窗口114和输出红外窗口115充当用于红外吸收池112的仅有的红外窗口。
在利用红外吸收池112进行了预定数量的反射之后(取决于前部镜113和后部镜116的几何结构和布置)，红外光穿透通过红外吸收池112的输出红外窗口115并击中第二聚焦镜109。第二聚焦镜109适于将经由输出红外窗口115从红外吸收池112接收的红外辐射聚焦到红外检测器110。与第一聚焦镜108类似，第二聚焦镜109可以具有永久固定的对准，并且第二聚焦镜可以是例如椭圆镜或抛物线镜。第二聚焦镜109的反射表面可以涂覆有金属(例如，金)。
红外检测器110适于检测由第二聚焦镜109聚焦在其上的红外辐射。所使用的红外检测器110可以是任何已知的红外检测器或红外检测器元件。红外检测器可以是例如光子红外检测器(即，红外光电检测器)。红外光电检测器基于采用具有狭窄带隙的半导体材料来吸收入射的红外辐射，即，使用半导体的p-n结将红外范围内的入射光子转换成电流，然后该电流由测量系统收集。替代性地，红外检测可以基于对红外辐射的热效应的检测，诸如电阻的变化(辐射热测量计和微辐射热测量计)、热电效应(热电偶)或热膨胀(戈莱盒(Golay cell))。
在一些实施方式中，图1A和图1B所示出的设备还可以包括适于提供通过第一封闭容积111的吹扫气体流的吹扫气体源(或发生器)。由于设备的所有不在红外吸收池中的元件(即元件101至110)都布置在所述第一封闭容积111内，因此可以使用相同的吹扫气体源(例如，气体缸)同时对所有所述元件101至110清除杂质。
在一些实施方式中，图1A和图1B所示出的设备还可以包括用于控制第二封闭容积中(即，红外吸收池112中)的温度的装置(例如，加热器)。在这样的实施方式中，可能重要的是不允许第二封闭容积的可能的高温度影响第一封闭容积111中的温度(至少不显著地)，以免使干涉仪和检测器110的性能劣化(例如，由于热膨胀)。因此，该设备还可以包括用于使第一封闭容积111与第二封闭容积中(即，红外吸收池112中)的温度变化热绝缘的装置(例如，绝缘泡沫)。应该注意，光谱仪的对称结构本身使得减轻第一封闭容积111中的温度变化的负面影响，因此可能不是总是需要用于对第一封闭容积111进行热绝缘的单独的装置。
图2示出了根据实施方式的用于干涉仪的支撑结构。所示出的支撑结构可以与关于图1A和图1B描述的设备一起被采用，或者具体地与其中示出的包括元件101至107的干涉仪一起被采用。图2中的x轴、y轴和z轴分别与图1A和图1B中的x轴、y轴和z轴对应。支撑结构200可以安装在光谱仪的(大块的)主框架板上(沿着xy-平面延伸)，如将关于图3A、图3B和图3C详细讨论的。
参照图2，支撑结构200具有两个功能。首先，支撑结构200适于(机械地)保持或支撑(在图2中呈现为透明的)干涉仪的分束器204。其次，干涉仪的第一平面镜201和第二平面镜202直接固定地集成到支撑结构200上(即，集成到支撑结构200的一个或多个表面上)。因此，支撑结构200将分束器204和平面镜201、202牢固地连接在一起。优选地，支撑结构200由一个均匀的成块材料形成和/或是相当大块的和/或均质的。支撑结构可以由一种或多种金属和/或合金制成。一种或多种金属可以包括例如铜、黄铜、铝和钢中的一种或多种。优选地，支撑结构由单个材料制成。在下文中，将较详细地讨论支撑结构200的几何结构和性质。应该注意，为了清楚，图2中仅示出了用于安装分束器204的机械组件的元件中的一些元件。
支撑结构200包括：矩形框架207，在该矩形框架上固定有第一平面镜201和第二平面镜202以及用于安装分束器204的安装框架203。安装框架203(或至少分束器204——当被安装在安装框架203上时)布置成沿着其(中心的)对称平面206正交于所述矩形框架207。支撑结构200整体上可以是对称的，使得安装框架203的对称平面206也是整个支撑结构200的对称平面。换句话说，矩形框架207在分束器204的两侧上沿着与支撑结构200的对称平面206正交(即，与分束器204的中心平面正交)的方向延伸，并且此外，优选地，沿着沿对称平面的一方向(即，沿着图2中的z方向)在较小程度上延伸。考虑到图2的实施例，矩形框架207沿着xz-平面布置。
安装框架203从矩形框架207正交地(即，沿着-y方向)突出。安装框架203具有开口，该开口用于在分束器204被安装时使分束器能够运行(例如，关于图1A和图1B所描述的)，即，使得红外光能够以不受阻碍的方式从分束器204行进至第一平面镜201和第二平面镜202并且反之亦然。分束器204固定到安装框架203(或其他安装元件)，以防止分束器204在精确的预定义的位置移动。可以使用任何常规的机械固定手段诸如(固定)螺钉、(精细)调整螺钉、弹簧和/或弹簧板来实现固定。在一些实施方式中，所述机械固定装置可以允许(例如，使用调整螺钉)调整分束器204的位置，以调节干涉仪的性能(例如，在光谱仪的初始准直期间)。如上所述，安装框架203和分束器204本身都可以沿着支撑结构200的对称平面布置。
第一平面镜201和第二平面镜202对称地布置在支撑结构200的对称平面206的相反侧上、与该对称平面等距并且面向该对称平面。具体地，第一平面镜201和第二平面镜202固定地集成到矩形框架207的相对的内表面上。所述内表面可以是CNC(计算机数控)机器准确的表面。所述内表面以及因此同样第一平面镜201和第二平面镜202相对于对称平面206(即，相对于yz-平面)以一定角度定向，以使红外光能够从第一平面镜201和第二平面202反射到分束器204，并且反之亦然。为了能够将第一平面镜201和第二平面镜202装配到矩形框架207的所述内表面，矩形框架207的与对称平面206平行的部段可以比矩形框架的与对称平面206正交的部段厚。
第一平面镜201和第二平面镜202可以直接制造到支撑结构上(或者具体地到矩形框架的所述相对的内表面上)。具体地，可以通过对支撑结构的金属表面进行抛光以创建第一平面镜201和第二平面镜202来实现所述制造。替代性地，可以通过用薄金属层(例如，金层)涂覆支撑结构的表面来制造第一平面镜201和第二平面镜202。
将第一平面镜201和第二平面镜202直接制造到支撑结构上的又一选项是使用复制。复制是通过将母版(或模具)的光学表面转移到该表面的一个或多个副本来制造光学器件的工艺。具体地，在这种情况下，所使用的复制工艺可以是薄膜环氧树脂复制工艺。薄膜环氧树脂复制工艺可以例如如下进行。首先制造包含所需光学表面(即，在该情况下为平坦表面)的母版。母版可以由例如(抛光的)玻璃制成。作为薄膜环氧树脂复制工艺的第一适当的步骤，用脱模层涂覆母版。脱模层是适于在复制工艺中允许连续的材料层稍后从母版被容易地拉出的层。随后，在脱模层上沉积介电膜，并在介电膜上沉积铝涂层(或其他金属或导电涂层)(优选地在真空涂覆器中)。
在采用复制来制造第一平面镜201和第二平面镜202的实施方式中，支撑结构的(CNC机加工的)表面充当复制的基板(即，要在其上沉积镜的表面)并且薄膜环氧树脂复制工艺可以例如如下进行。将液态环氧树脂倾倒至母版的光学表面(即铝涂覆表面)上或支撑结构的机加工表面上，然后将两者粘合在一起。环氧树脂固化后，将母版与创建的复制品分离，将铝涂层和介电膜形成的薄膜转移到支撑结构的表面上。作为最后的步骤，可以从支撑结构上清除脱模层，并且多余的环氧树脂可以从复制的表面的边缘周围修剪掉。因此，薄膜环氧树脂复制工艺的最终结果(即平面镜)是被形成到支撑结构的表面上的、铝(或其他金属)的薄膜，该铝(或其他金属)的薄膜上方涂覆有为金属提供保护的介电膜。在其他实施方式中，可以采用(薄膜环氧树脂)复制工艺的其他变型。
通过将第一平面镜201和第二平面镜202构造成保持分束器204的支撑结构200的整体部分，相较于干涉仪的平面镜典型地是由复杂的机械部件的组件支撑的玻璃基板或金属镜的常规解决方案，可以获得显著的益处。通过将平面镜集成到支撑结构，消除了平面镜的不想要的移动，该不想要的移动在上述传统组件中经常影响光学对准。在所述传统组件中，平面镜可以例如使用螺钉固定在适当的位置。平面镜的精确对准对于光谱仪的正确运行十分关键。然而，无论所述螺钉被初始固定得如何紧，在光谱仪的使用寿命期间，平面镜的对准仍然可能经常改变，使得引起平面镜定位的重大改变。因此，如果所讨论的干涉仪用于光谱仪中以分析气体，则样本气体的分析可能失败或至少提供不准确的结果。由于在现有技术的支撑结构中使用的材料的不同温度膨胀系数、被支撑的部件的相对较大的质量、表面上的污染以及其他因素，在使用由机械部件的复杂组件支撑的玻璃基板镜的常规解决方案的情况下，试图将平面镜抵靠其框架准确地保持在适当位置是非常必要的。常规解决方案中的所述光学对准的问题典型地通过(周期性地)调整光谱仪(例如，分束器)的一个或多个其他元件的对准以补偿平面镜的变化来克服。例如，典型地需要这种手动精细调节，以便准直干涉仪(或光谱仪)以运行。手动精细调节非常耗时，并且需要执行精细调节的人员相当多的专业知识来获得满意的结果。因此，要求保护的解决方案用于促进光谱仪的准直过程。
图3A、图3B和3C示出了根据实施方式的设备(光谱仪或气体分析仪)的示例性机械布局。具体地，图3A以立体图单独地示出了光谱仪的主框架板，而图3B和图3C分别以立体图和从上方示出了整个光谱仪。所示出的光谱仪可以与图1A和图1B的光谱仪对应。具体地，图3A、图3B和图3C的元件301-310、312、314可以与图1A和图1B的元件101-110、112、114分别对应。此外，图3B和图3C的元件320、305、304、303可以与图2的元件200、201、202、204对应，即，图2的支撑结构可以是图3B和3C中所示出的相同的支撑结构。图3A、图3B和图3C中的x轴、y轴和z轴与图1A、图1B和图2中的任一者中的x轴、y轴和z轴分别对应。在图3C中，虚线用于表示被其他物体从视图中遮挡的几何结构。
在图3A、图3B和图3C中，元件327是聚焦单元，该聚焦单元是第一聚焦镜308和第二聚焦镜309固定到其上的均匀的成块材料。具体地，在所示出的光谱仪中，第一聚焦镜308和第二聚焦镜309固定到所述均匀的成块材料的下侧，以分别将从分束器303接收的入射红外光聚焦到红外吸收池312并且将从红外吸收池312接收的入射红外光聚焦到红外检测器310。具体地，红外光经由分别通向输入和输出红外窗口314的开口325、326被传输到红外吸收池312和从红外吸收池312被接收。第一聚焦镜308和第二聚焦镜309可以已经例如使用金刚石车削被直接机加工到所述均匀的成块材料上。
虽然已经关于上述实施方式详细讨论了图3A、图3B和图3C所示出的的大多数元件(因此在此不再重复关于所述元件的详细讨论)，但是在上面没有讨论设备的、作为机械布局的中心元件的主框架板321。在图3A中示出了在所述安装之前的主框架板321，并且在图3B和图3C中示出了在所述安装之后的主框架板。主框架板321适于允许元件301至310(即，如关于以上实施方式所限定的第一封闭容积中的元件)安装在其上。主框架板321还适于固定至红外吸收池312，该红外吸收池布置在主框架板321的相较于要安装的所述元件301-310、320、327、328的相反侧上。换句话说，当元件301-310被安装在主框架板321上时，红外吸收池被固定在其下方(即，在相反的侧上)。主框架板321可以具有显著大的质量(相较于例如安装的元件301-310)。由于主框架板321的所述大质量，光谱仪的重心可以位于主框架板321内或至少很接近主框架板(例如，与到红外吸收池312的中心相比，较接近主框架板321)。主框架板321也可以比红外吸收池312重或与红外吸收池是至少大致相同的重量。主框架板321可以由任何适当的大块金属或合金制成。在实施方式中，主框架板321由铝制成。主框架板321可以由单个片或多个(互连的)片构成。
主框架板321可以包括与红外吸收池312的输入和输出红外窗口314重叠(coincide，位置重合)的至少一个开口325、326。在所示出的实施例中，提供了分别用于输入和输出红外窗口314的两个单独的开口325、326。
虽然元件301至310中的一些元件可以直接安装在主框架板321的平坦表面上，但是在其他情况下，主框架板可能需要调整，以实现元件301至310在被安装时的正确对准。为此，主框架板321可以包括一个或多个腔(或凹部)，一个或多个腔(或凹部)适于接收待安装的元件301至310、320、327、328中的一个或多个元件。在所示出的实施例中，提供了一个这样的腔322用于接收支撑结构320，该支撑结构保持分束器303并且第一平面镜304和第二平面镜305固定地集成到该支撑结构上。附加地或替代性地，主框架板321可以包括从主框架板321突出的一个或多个固定安装元件。在所示出的实施例中，提供了三个这样的安装元件：用于安装聚焦单元327和红外光源301的第一安装元件323；用于安装红外检测器310的第二安装元件324；以及用于安装准直镜302的第三安装元件328。
盖或壳体(在图3A、图3B和图3C中未示出)可以固定(优选可拆卸地固定)到主框架板321上，以完全封闭安装的元件301至310，因此形成第一封闭容积，如关于以上实施方式所定义的。相较于将光谱仪的元件以顺序的链布置在主框架板的顶部上的常规解决方案，以上讨论的实施方式中使用的元件的背靠背布置使得光谱仪或气体分析仪的设计能够较为紧凑。此外，元件在主框架板的相反侧上的背靠背布置还用于使温度变化和振动的影响最小化。
虽然以上在假设光谱仪的运行频率落在红外范围内的情况下描述了实施方式，但是在其他实施方式中，可以采用另一频率范围。例如，根据实施方式的光谱仪可以适于在全部或部分地包括紫外频率范围、可见光的频率范围、红外频率范围和近红外(NIR)频率范围中的一者或多者的频率范围内运行。换句话说，干涉仪的红外光源通常可以是产生特定频率范围内的电磁辐射的电磁辐射源并且光谱仪的元件(即，不同的镜、分束器、吸收池及其输入和输出窗口以及检测器)可以是适于在所述特定频率范围运行的元件。
虽然以上已经参考根据附图的实施例描述了本发明，但是清楚的是本发明不限于此，而且可以在所附权利要求的范围内以多种方式对本发明进行修改。因此，所有的词语和表达方式应该被宽泛地解释，并且它们旨在示出而不是限制实施方式。对于本领域技术人员将明显的是，随着技术进步，可以以各种方式实现本发明的概念。

Claims (12)

1.一种光谱仪，包括：
干涉仪，所述干涉仪包括电磁辐射源，其中，所述干涉仪被容纳在第一封闭容积中；
第一聚焦镜，所述第一聚焦镜被容纳在所述第一封闭容积中，并且适于将从所述干涉仪接收的电磁辐射聚焦；
多程吸收池，所述多程吸收池形成用于容纳样本气体的第二封闭容积，其中，所述多程吸收池的所述第二封闭容积与所述第一封闭容积隔离，以阻止所述第一封闭容积与所述第二封闭容积之间的气体流动，并且所述多程吸收池包括适于从所述第一聚焦镜接收电磁辐射的输入窗口和适于从所述多程吸收池输出电磁辐射的输出窗口；
第二聚焦镜，所述第二聚焦镜被容纳在所述第一封闭容积中、适于将经由所述输出窗口从所述多程吸收池接收的电磁辐射聚焦；
检测器，所述检测器被容纳在所述第一封闭容积中、适于检测由所述第二聚焦镜聚焦的电磁辐射；以及
主框架板，所述第一封闭容积中的元件被安装在所述主框架板上，其中，所述元件包括所述干涉仪、所述第一聚焦镜、所述第二聚焦镜和所述检测器，并且所述主框架板被固定到所述多程吸收池，所述多程吸收池被布置在所述主框架板的与所述第一封闭容积中的所述元件相反的侧上，并且所述主框架板包括与所述多程吸收池的所述输入窗口和所述输出窗口重叠的至少一个开口，以使得能够通过所述第一聚焦镜将电磁辐射经由所述输入窗口聚焦到所述多程吸收池，并且使得能够将电磁辐射经由所述输出窗口从所述多程吸收池输出到所述第二聚焦镜。
2.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述多程吸收池是具有前部镜和背部镜的怀特池，所述前部镜和所述背部镜具有固定的对准和定向，其中，所述输入窗口和所述输出窗口被包括在所述前部镜中。
3.根据权利要求1所述的光谱仪，还包括：
盖，所述盖可拆卸地固定到所述主框架板并与所述主框架板形成所述第一封闭容积。
4.根据权利要求1所述的光谱仪，还包括：
吹扫气体源，所述吹扫气体源适于提供通过所述第一封闭容积的吹扫气体流。
5.根据权利要求1所述的光谱仪，还包括：
用于控制所述第二封闭容积中的温度的装置；以及/或者
用于使所述第一封闭容积与所述第二封闭容积热绝缘的装置。
6.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述第一聚焦镜和所述第二聚焦镜被包括在形成为均匀的成块材料的聚焦单元中，所述第一聚焦镜和所述第二聚焦镜已经被直接机加工到所述均匀的成块材料上。
7.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述干涉仪还包括：
分束器，所述分束器适于将来自电磁辐射源的电磁辐射分成第一射束和第二射束；
第一平面镜，所述第一平面镜适于引导所述第一射束；
第二平面镜，所述第二平面镜适于引导所述第二射束；
第一立体角形镜，所述第一立体角形镜由彼此垂直的三个平面镜形成、适于将由所述第一平面镜引导的所述第一射束反射回所述第一平面镜，并随后经由所述第一平面镜和所述分束器到达所述第一聚焦镜；
第二立体角形镜，所述第二立体角形镜由彼此垂直的三个平面镜形成、适于将由所述第二平面镜引导的所述第二射束反射回所述第二平面镜，并随后经由所述第二平面镜和所述分束器到达所述第一聚焦镜，其中，所述第一立体角形镜和所述第二立体角形镜被布置在公共光轴上以向相反的方向进行反射，并且能够在所述公共光轴的方向上来回移动。
8.根据权利要求7所述的光谱仪，其中，所述干涉仪还包括：
准直镜，所述准直镜适于对来自所述电磁辐射源的电磁辐射进行准直，并将其引导到所述分束器。
9.根据权利要求7所述的光谱仪，其中，所述干涉仪还包括：
支撑结构，所述支撑结构保持所述分束器，其中，所述支撑结构由均匀的成块材料制成，并且所述第一平面镜和所述第二平面镜中的每一者被直接且固定地集成到所述支撑结构的表面上。
10.根据权利要求9所述的光谱仪，其中，所述支撑结构是对称的，使得：所述分束器沿着所述支撑结构的对称平面布置，并且所述第一平面镜和所述第二平面镜被对称地布置在所述对称平面的相反侧上、与所述称平面等距并且面向所述对称平面。
11.根据权利要求10所述的光谱仪，其中，所述支撑结构包括在所述分束器的两侧上沿着与所述对称平面的方向正交的方向延伸的矩形框架，所述第一平面镜和所述第二平面镜被固定地集成到所述矩形框架的相对的内表面上。
12.根据任一前述权利要求所述的光谱仪，其中，所述光谱仪被配置成在红外频率处运行，使得至少所述电磁辐射源是红外光源，所述多程吸收池是红外吸收池，所述输入窗口是输入红外窗口，所述输出窗口是输出红外窗口，以及所述检测器是红外检测器。
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