CN114008440A - 用于多气体光谱传感器的紧凑型多通道气室 - Google Patents

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Abstract

本公开的方面涉及多通道气室，该多通道气室包括一组两个或更多个反射器、输入准直光学部件和输出聚焦光学部件。输入和输出光学部件与两个或更多个反射器中的至少一个集成。例如，输入和输出光学部件可以集成在单个反射器的相对端上，或者可以集成在单个反射器的同一端上。输入和输出光学部件还可以与不同的反射器集成。在一些示例中，该组反射器和光学部件可以被制造在同一基板内。

Description

用于多气体光谱传感器的紧凑型多通道气室
优先权
本申请要求2019年3月4日在美国专利商标局提交的临时申请第62/813,714号的优先权和权利，其全部内容通过引用并入本文，如同在下文中完整地且出于所有适用目的地充分阐述一样。
技术领域
下面讨论的技术大体上涉及多通道光学气室，具体涉及在气体分析仪内使用具有光谱仪(例如微机电系统(MEMS)光谱仪)的多通道光学气室。
背景技术
各种机制可以用于气体分析，例如气相色谱、质谱仪、光谱仪、可调谐二极管激光光谱仪(TDLS)和基于光声的TDLS。在光谱技术中，傅里叶变换红外(FTIR)提供了宽的光谱范围，以及同时分析多种气体的能力。使用MEMS光谱仪还可以得到紧凑并且廉价的气体分析仪。这种基于MEMS的FTIR光谱仪在与10cm长的气室耦合时，已在350ppm的检测极限测量C2H2和在1800ppm的检测极限测量CO2方面取得成功。利用具有其他分立光学部件的平移MEMS镜的FTIR光谱仪也已经被用于测量6cm路径长度的丙烷和丁烷。其他气体分析仪配置包括MEMS层状光栅FTIR光谱仪和具有扫描激光源的基于MEMS的可调滤波器。
气室内部的气体可以通过发送光穿过气室而被检测到。一部分光将被气体吸收，而剩余的光可以被例如MEMS光谱仪检测到。一些气室使用一组反射镜将通过多个通道的光反射多次，直到光离开气室。反射镜可以具有不同的设计，例如球面、椭圆面或圆形截面柱面反射镜。气室的反射面也可以采用相对抛物线或平行对的形式，或者可以具有多个反射面的平面、圆柱、圆面、螺旋或直圆柱体布置的组合。气室的示例可以包括但不限于White气室和Hanst气室。每次光在气室上下两次通过后，White气室都会重新成像光源，这会限制室中的能量直到光退出。由于该限制，唯一的损失来源是反射镜的非理想反射率。
增加通过次数导致气体的光吸收增加。随着光吸收的增加，低气体浓度变得更容易检测。然而，由于反射损失，气体分析仪系统的吞吐量降低。这种折衷通常会在光在气室内部传播的总路径长度中产生最佳点。然而，由于气体的浓度(或吸收截面)可能不同，因此每个浓度范围可能需要不同的路径长度。例如，路径长度太长可能会使浓度相对较高的气体饱和，导致它们的谱线在吸收光谱中消失。因此，可以使用多于一个气室或具有手动调节的可变路径长度的气室来监测多于一种气体。添加气室会增加成本，而手动调整会增加测量不同气体所需的时间。
此外，虽然具有MEMS光谱仪的气体分析仪已经导致这些设备的小型化，但是气室本身的进一步小型化可以增加与MEMS技术的兼容性并且实现大规模生产。
发明内容
以下呈现本公开的一个或多个方面的概述，以提供对这些方面的基本理解。该概述不是对本公开的所有预期特征的广泛概述，并且既不旨在识别本公开的所有方面的核心元素或关键元素，也不旨在描绘本公开的任何方面或所有方面的范围。其唯一目的是以一种作为稍后呈现的更详细描述的前奏形式呈现本公开的一个或多个方面的一些概念。
本公开的各个方面提供了一种多通道气室，其包括一组两个或更多个反射器、输入准直光学部件和输出聚焦光学部件，其中输入和输出光学部件与两个或更多个反射器中的至少一个反射器集成。在一些示例中，输入和输出光学部件可以包括曲面反射镜或透镜。在一些示例中，该组两个或更多个反射器可以包括球面反射镜、凹面反射镜、平面反射镜或柱面反射镜。
在一个示例中，一组两个或更多个反射器包括三个球面反射镜，每个球面反射镜包括相同的曲率半径，该曲率半径等于多通道气室一侧上的第一球面反射镜与多通道气室另一侧上的第二球面反射镜和第三球面反射镜中的每个球面反射镜之间的距离。第一球面反射镜的长度大于第二球面反射镜或第三球面反射镜中任一个的相应长度。在一些示例中，输入和输出光学部件被集成在第一球面反射镜的相对端上。在其他示例中，输入和输出部件被集成在第一球面反射镜的同一端上。在该示例中，较大的球面反射镜可以包括非对称部分，该非对称部分在与包含输入和输出光学部件的端部相对的端部上，以使得准直光能够在光通常离开多通道气室的点反射回多通道单元。
在其他示例中，输入和输出光学部件被集成在第一球面反射镜的相对端，并且附加输入光学部件作为另一输入光学部件被集成在第一球面反射镜的同一端。在该示例中，输入光学部件中的每个被光学耦合以接收相应的输入光束(例如输入光)，并且被配置为沿着不同的多通道光路长度引导相应的准直光。不同的多通道光路长度可以通过较小球面反射镜中的一个球面反射镜内的间断部来实现，该间断部导致由间断部形成的较小球面反射镜的各个部分之间的倾斜。不同的多通道光路长度可以产生相应准直光的不同反射次数。在一些示例中，多通道气室还可以包括开关，该开关被配置为在两个不同光源之间切换，每个光源向两个输入光学部件中的一个输入光学部件提供对应的输入光。
在另一个示例中，一组两个或更多个反射器可以包括一组两个凹面反射镜，其中第一凹面反射镜具有第一曲率半径并且第二凹面反射镜具有第二曲率半径，该第二曲率半径是第一曲率半径的两倍。凹面反射镜之间的距离等于第二曲率半径。在该示例中，可以将吸收器插入多通道气室中以防止杂散光到达多通道气室的光学输出。
在另一个示例中，一组两个或更多个反射器可以包括至少四个反射镜。输入光学部件可以与第一反射镜集成并且第二光学部件可以与第二反射镜集成。第一反射镜和第二反射镜可以具有小于其余反射镜长度的第一长度。输入光学部件可以被集成在第一反射镜的顶部，以将准直光以选定的角度朝向第二反射镜引导，以在反射镜之间产生螺旋多通道光路。输出光学部件可以被集成在第二反射镜的底部，以接收从第一反射镜反射的输出光并且将输出光聚焦到多通道气室的光学输出。
在另一个示例中，一组两个或更多个反射器可以包括两个平面反射镜。输入光学部件与第一平面反射镜集成，并且输出光学部件与第二平面反射镜集成。多通道气室还包括第一光学贝塞尔部件，第一光学贝塞尔部件光学耦合以接收来自输入光学部件的准直输入光，该第一光学贝塞尔部件被配置为生成输入贝塞尔光束以在多通道气室内部传播，该传播在两个平面反射镜之间产生多通道气室的多次反射。多通道气室还包括第二光学贝塞尔部件，第二光学贝塞尔部件光学耦合以接收由多次反射产生的输出贝塞尔光束，并且被配置为产生朝向输出光学部件的输出准直光。在一些示例中，第一和第二光学贝塞尔部件可以包括轴锥透镜、环形孔口或锥形反射器。
在一些示例中，多通道气室可以包括被配置为接收气体的外壳，其中该外壳包括该组反射器以及输入光学部件和输出光学部件。例如，外壳、该组反射器以及输入光学部件和输出光学部件可以使用注模光学器件在同一基板内制造。在一些示例中，光谱仪和光源还可以是组装在外壳内。此外，外壳可以包括循环单元，该循环单元被配置为使气体从外壳外部循环到外壳内部。外壳还可包括元件，该元件被配置为吸收或阻挡气体中的水成分。
在阅读下面的详细描述后，本发明的这些和其他方面将得到更加全面的理解。在结合附图阅读本发明的特定示例性实施例的以下描述后，本发明的其他方面、特征和实施例对于本领域普通技术人员将是明显的。虽然本发明的特征可以相对于以下某些实施例和附图进行讨论，但本发明的所有实施例都可以包括这里讨论的一个或多个有利特征。换言之，虽然一个或多个实施例可以被讨论为具有某些有利特征，但也可根据本文讨论的本发明的各种实施例来使用这样的特征中的一个或多个。以类似的方式，虽然示例性实施例可以在下面讨论为设备、系统或方法实施例，但是应当理解的是，这样的示例性实施例可以在各种设备、系统和方法中实现。
附图说明
图1是示出包括多通道气室的气体分析仪的示例的示图。
图2是示出包括集成准直光学部件和聚焦光学部件的多通道气室的示例的示图。
图3是示出图1的多通道气室的正视图的示图。
图4是示出包括集成准直和聚焦光学部件的多通道气室的另一示例的示图。
图5是示出图4的多通道气室的正视图的示图。
图6是示出包括多个多通道光路长度的多通道气室的另一示例的示图。
图7是示出图6的多通道气室的正视图的示图。
图8是示出包括集成准直和聚焦光学部件的多通道气室的另一示例的示图
图9是示出包括集成准直和聚焦光学部件的多通道气室的另一示例的示图。
图10是多通道气室的分解图。
图11A-11D是图10的多通道气室的不同视图。
图12是示出包括集成准直和聚焦光学元件的多通道气室的另一示例的示图。
图13是示出包括集成准直和聚焦光学部件的多通道气室的另一示例的示图。
图14是示出图13的多通道气室中反射器的示例性配置的示图。
图15是示出包括多通道气室的示例性光学模具的示图。
具体实施方式
下面结合附图阐述的详细描述旨在作为对各种配置的描述，并且不旨在表示可以实践本文描述的概念的唯一配置。详细描述包括用于提供对各种概念的透彻理解的特定细节。然而，对于本领域技术人员明显的是，可以在没有这些特定细节的情况下实践这些概念。在某些情况下，众所周知的结构和部件以框图形式显示以避免混淆这些概念。
图1示出了气体分析仪100的示例，该气体分析仪100包括光源102、光学系统104、多通道气室106和光学核心模块108。光学系统104可以包括一个或多个光学部件，该一个或多个光学部件用于增强光源102的照度。气体可以通过气体入口110进入多通道气室106并且可以通过气体出口112离开多通道气室106。多通道气室内部的气体可以通过以下方式被检测到：引导来自光源102的光经由光学系统104进入多通道气室106中。一部分光可以被气体吸收，而剩余的光可以被光学核心模块108检测到。
光学核心模块108可以包括例如光谱仪和检测器。例如，光谱仪可以包括FTIR光谱仪，该FTIR光谱仪被配置为产生可由检测器检测的干涉图。检测器的输出可以被处理以获得经检测光的光谱，然后可以利用该光谱来识别气体或获得与气体相关联的其他参数，例如气体的浓度、气体中的能量成分、总挥发性有机化合物、气体中颗粒物的量或其他合适的参数。
在一些示例中，光谱仪和检测器可以在微机电系统(MEMS)芯片上实现。如本文所使用的，术语MEMS是指通过微制造技术将机械元件、传感器、致动器和电子器件集成在公共硅衬底上。例如，微电子通常使用集成电路(IC)工艺制造，而微机械部件则使用兼容的微加工工艺制造，该工艺选择性地蚀刻掉硅晶片的部分或添加新的结构层以形成机械和机电部件。MEMS元件的一个示例是具有以反射模式或折射模式工作的电介质或金属化表面的微光学部件。MEMS元件的其他示例包括致动器、检测器凹槽和光纤凹槽。
光学核心模块108的MEMS光谱仪可以包括一个或多个微光学部件(例如，一个或多个反射器或反射镜)，该一个或多个微光学部件可以由MEMS致动器可移动地控制。在一些示例中，可以在绝缘体上硅(SOI)晶片上使用深反应离子蚀刻(DRIE)工艺制造MEMS光谱仪，以生产微光学部件和其他MEMS元件，该微光学部件和其他MEMS元件能够处理平行于SOI基板传播的自由空间的光束。
多通道气室106可以包括一组两个或更多个反射器，该组两个或更多个反射器被配置为反射光通过气室106内的多个通道，直到光离开气室106。在本公开的各个方面，多通道气室106可以设计为与MEMS技术和大规模生产兼容。在一些示例中，多通道气室106可以包括光学部件，该光学部件促进与MEMS光谱仪兼容。此外，多通道气室106可以提供两个或更多个多通道光路长度以能够测量多于一种气体，每种气体具有不同的吸收。
图2是示出根据本公开的方面的多通道气室200的示例的示图。多通道气室200包括一组三个反射器202、204和206。在图2示出的示例中，每个反射器202、204和206是球面反射镜。每个球面反射镜202、204和206具有相同的曲率半径，该曲率半径等于气室200一侧上的较大球面反射镜202与气室200另一侧上的两个较小球面反射镜204和206之间的间隔(距离)。如图2所示，球面反射镜202的长度大于球面反射镜204和206中的任一个的相应长度。例如，较长的球面反射镜202的长度可以略小于较短的反射镜204和206中的任一个的长度的两倍。在一个示例中，较长的反射镜反射镜可以具有180mm的长度，而每个较短的反射镜反射镜204和206可以具有100mm的长度。因此，较大反射镜反射镜202和较短反射镜204或206的长度之间的比率可以是1.8。另外，球面反射镜204和206相对于彼此倾斜以在反射镜204和206之间提供小角度，该小角度被选择为将光保持在多通道气室200内。在一些示例中，反射镜204和206之间的角度的范围可能在1到5度之间。
多通道气室200还包括第一光学部件208，该第一光学部件208在球面反射镜202的第一端216上与球面反射镜202集成，并且第二光学部件210在与第一端216相对的球面反射镜202的第二端218上与球面反射镜202集成。如本文所使用，术语“集成”是指部件由固体材料块(例如，金属、玻璃、塑料、电介质、半导体衬底、陶瓷等)共同形成并且产生固体块。在一些示例中，第一光学部件208和第二光学部件210分别包括曲面反射镜或透镜。例如，第一光学部件208和第二光学部件210可以包括离轴抛物面反射镜。
反射镜202、204、206、208和210的反射率主要由制造中使用的反射镜制造技术和材料决定。在一些示例中，反射镜202、204、206、208和210包括金属涂层，该金属涂层产生带有具有高反射率和宽带响应的反射镜。在其他示例中，反射镜202、204、206、208和210可以是由多个电介质薄层构成的电介质反射镜(例如，布拉格反射镜)。电介质层的数量及其厚度旨在实现不同波长下的指定反射率。与金属反射镜镜相比，电介质反射镜可以具有更高的反射率。然而，电介质反射镜可能无法在宽波长范围内提供超高反射率。
在本公开的一个方面，球面反射镜202、204、和206中的每一个都具有恒定的厚度(例如大约5毫米到大约10毫米)以促进多通道气室200的大规模生产(例如使用注模成型光学技术)。注模成型允许多通道气室200的每个反射镜202、204、206、208和210在大规模生产环境中以自对准方式制造。此外，针对微型气体分析仪应用，两个离轴抛物面反射镜208和210可以提供MEMS光谱仪的兼容性。
从图2和图3所示的多通道气室200的正视图可以看出，位于多通道气室200的光学输入处的离轴抛物面反射镜208被光学耦合以接收输入光束212(例如输入光)。在一些示例中，输入光212可以，例如通过微型光源(例如发光二极管(FED)或灯丝源)生成。离轴抛物面反射镜208被配置为准直该输入光212。在一些示例中，抛物线具有理想准直器的形状，因此，准直不伴随任何球面像差。此外，离轴抛物面反射镜208可以是在红外(IR)范围内具有非常宽频带反射率的金属反射镜。因此，准直也可以不经历任何色差。
离轴抛物面反射镜208还被配置(或被定向在气室200内)以将所得的准直光(例如平行光线)引导向球面反射镜206，其中准直光被反射回球面反射镜202。然后可以发生在较长球面反射镜202与较短球面反射镜204和206中的每一个之间的准直光的多次反射，上下至少两次通过多通道气室200。离轴抛物面反射镜210被光学耦合以接收由多次反射(例如在完成后)产生的输出光束(例如输出光)，并且被配置为(或被定向在气室200内)以将输出光聚焦到气室的光学输出。例如，光学输出可以光学耦合到光谱仪，例如MEMS光谱仪。
图4是示出根据本公开的方面的多通道气室400的另一个示例的示图。在图4示出的示例中，多通道气室400包括三个球面反射镜402、404和406单元(如图2所示配置)。多通道气室400还包括第一(或输入)光学部件408，该第一(或输入)光学部件408光学耦合以在气室400的光学输入处接收输入光束(输入光)412，并且被配置为准直输入光412并引导经准直的输入光进入气室400以经由球面反射镜402、404和406通过多个通道产生多次反射。此外，多通气室400包括第二(或输出)光学部件410，该第二(或输出)光学部件410光学耦合以接收由准直光的多次反射产生的输出光414(例如在多个通道之后)，并且被配置为将输出光414朝向气室400的光学输出聚焦。第一和第二光学部件408和410可以包括曲面反射镜或透镜。例如，第一和第二光学部件408和410可以包括离轴抛物面反射镜。
输入光学部件408在球面反射镜402的第一端416上与球面反射镜402集成。此外，在图4示出的示例中，光学部件410还与球面反射镜集成在与输入光学部件408相同的球面反射镜402的第一端416上。将光学部件两者(输入和输出)408和410集成在球面反射镜402的同一端416上可以简化带有MEMS模块(例如MEMS光谱仪)的多通道气室400和光源的组装。
在一些示例中，如图5中的正视图示出，球面反射镜402可以包括非对称部分，该非对称部分来自球面反射镜402的对称线。非对称部分422在球面反射镜402的第二端418上，该第二端418与的第一端416相对，该第一端416具有与其集成的离轴抛物面反射镜408和410。如图2中示出的示例所示，非对称部分422使在准直光通常会离开多通道气室400的那一刻，准直光反射回多通道气室400。这种反射导致准直光从多通道气室400的与光进入的同一侧射出。因此，光学输入和光学输出在多通道气室400的同一侧。
图6是示出包括多个多通道光路长度的多通道气室600的另一示例的示图。不同的多通道光路长度可以支持对不同类型气体的测量，每种气体具有不同的吸收。在图6示出的示例中，多通道气室600提供两种不同的多通道光路长度。然而，应当理解的是，可以使用本文描述的概念来配置额外的多通道光路长度。
多通道气室600包括一组三个球面反射镜402、404和406，其配置如图2和/或图4所示。多通道气室600还包括第一输入光学部件608a，该第一输入光学部件608a光学耦合以在气室600的光学输入处接收来自第一光源612a的第一输入光束(第一输入光)，并且被配置为准直第一输入光并且引导第一准直输入光进入气室600内，通过球面反射镜602、604和606在第一多通道光路长度上的多次通过以产生光的多次反射。多通道气室600还包括第二输入光学部件608a，该第二输入光学部件608a光学耦合以在气室600的光学输入处接收来自第二光源612b的第二输入光束(第二输入光)，并且被配置为准直第二输入光并且引导第二准直输入光进入气室600内，通过球面反射镜602、604和606在第二多通道光路长度上的多次通过以产生光的多次反射。
此外，多通道气室600包括输出光学部件610，其光学耦合以接收由第一准直光和第二准直光中的每一个的多次反射产生的输出光(例如，在多次通过之后)，并且该输出光学部件610被配置为在气室600的光学输出处将输出光聚焦到光谱仪614(例如MEMS光谱仪)。第一输入光学部件608a和第二输入光学部件608b中的每一个与球面反射镜602集成在球面反射镜602第一端部618上，而输出光学部件610在与第一端618相对的球面反射镜602的第二端620上与球面反射镜602集成。在一些示例中，光学部件608a、608b和610可以包括曲面反射镜或透镜。例如，光学部件608a、608b和610可以包括离轴抛物面反射镜。
在一些示例中，输出光学部件610具有比输入离光部件608a和608b的相应尺寸更大的尺寸，以使得输出光学部件610能够收集来自这两个不同的多通道光路长度中的每个的输出光。例如，较大的输出光学部件610的尺寸可以是较小的输入光学部件608a和608b的尺寸的两倍。在示例中，输出光学部件的尺寸可以是28mm，并且每个输入光学部件608a和608b的尺寸可以是14mm。在一些示例中，在两个多通道光路长度中耦合的总光功率可以等于在图2和/或4的示例中示出的单个多通道光路长度中耦合的总光功率。换而言之，每个多通道光路长度可以耦合图2和/或4的示例中示出的单个多通道光路长度的光功率的一半。
在图6示出的示例中，第三球面反射镜606包括间断部616，该间断部616产生第三球面反射镜606的第一部分622a和第三球面反射镜606的第二部分622b。第一部分622a和第二部分622b分别包括不同的相应倾斜以在多通道气室600内形成不同的多通道光路长度。例如，图6和图7的正视图示出，第三球面反射镜606的第一部分622a产生第一多通道路径长度，该第一多程路径长度包括第一准直光的第一反射次数，并且第三球面反射镜606的第二部分622b产生第二多通道路径长度，该第二多通道路径长度包括第二准直光的第二反射次数。这里，该第一反射次数不同于该第二反射次数，以产生不同的多通道光路长度。
图8是示出根据本公开的方面的多通道气室800的另一个示例的示图。多通道气室800包括第一基板816和第二基板812。第一基板816可以由任何合适的材料构成，例如塑料、玻璃、金属、电介质或半导体材料。第二基板812可以是例如印刷电路板，该印刷电路板包括附接到其上的光学核心模块810。该光学核心模块810可以包括光谱仪、处理器、存储器和用于分析气体的其他合适的部件。
在图8示出的示例中，第一基板816包括一组反射器802和804以及光学部件806和808。在一些示例中，该组反射器802和804包括两个凹面反射镜。第一凹面反射镜802具有第一曲率半径，而第二凹面反射镜804具有第二曲率半径，该第二曲率半径是第一曲率半径的两倍。此外，第一凹面反射镜802与第二凹面反射镜804之间的距离818等于第二曲率半径。与传统的White气室不同，任何反射镜802和804中都没有倾斜，这导致完美对称的气室800。对称性为光源和检测器产生相同的角度(相对于反射镜802和804的对称线)。由于反射镜802和804中不同的曲率半径，光在气室800中来回反射而不影响光束准直，因为光在气室800中行进的总距离与传统White气室相比较小。
在一些示例中，第一光学部件(例如输入光学部件)806包括曲面反射镜或透镜，例如离轴抛物面反射镜，用于准直输入光并且将输入光引导向第二凹面反射镜804，用于凹面反射镜802和804之间的多次反射。第二光学部件(例如输出光学部件)808可以是光学耦合(例如定位在气室800内)的直角反射镜，以接收来自第二凹面反射镜804的输出光，并且第二光学部件被配置为将输出光聚焦到光学核心模块810上。输出光学部件808可以进一步弯曲以准直输出光以及将光轴改变九十度。第一光学部件806和第二光学部件808可以在该第一凹面反射镜802对应的端部上与第一凹面反射镜802集成。
在图8示出的示例，第一和第二凹面反射镜802以及第一和第二光学部件806和808被制造在第一基板816内。例如，凹面反射镜802和804以及准直/聚焦光学部件806和808可以是使用注模光学器件、蚀刻(例如半导体基板的蚀刻)或其他合适的制造技术在基板816内以自对准的方式整体制造。
图8示出的气室结构可能会受到通过第二凹面反射镜804的单次反射从输入光学部件806传播到输出光学部件的杂散光的影响。为了从输出中去除杂散光，在一个示例中，可以将吸收器814插入到气室800中并且定位在凹面反射镜802和804之间。在一些示例中，吸收器814可以与第二凹面反射镜804集成并且被制造在第一基板816内。在其他示例中，如图9所示，第二凹面反射镜804可以包括吸收区域820，该吸收区域820被配置为阻挡杂散光到达输出端。例如，第二凹面反射镜804可以被制造为包括形成吸收区域820的非金属化部分。
图10是多通道气室1000的分解图，该多通道气室1000提供与用于微型气体分析器应用的MEMS光谱仪的兼容性。将参考图11A和图10D中所示的多通道气室1000的不同视图进一步描述图10的多通道气室1000。多通道气室1000包括外壳，该外壳由外壳顶部1002和外壳底部1004形成。此外，多通道气室1000包括光源1006、MEMS光谱仪1008、反射镜1012a-1012e和风扇1014。光源1006和MEMS光谱仪1008可以附接到印刷电路板1010或可以插入多通道气室1000中的其他合适的基板。
反射镜结构可以类似于图4和5中示出的结构。参照图10、图11A和图11B，反射镜1012可以包括一组三个球面反射镜1012a、1012b和1012c、准直输入反射镜1012d和聚焦输出反射镜1012e。如图11A-11D所示，输入镜1012d被光学耦合以接收来自光源1006的输入光，并且被配置为准直输入光并且将经准直的输入光引导至球面反射镜1012c，以在球面反射镜1012a和1012c之间多次反射准直光。输出反射镜1012e被光学耦合以接收来自球面反射镜1012b的输出光并且将输出光聚焦到MEMS光谱仪1008。
如图4和图5，输入反射镜1012d和输出反射镜1012e位于大球面反射镜1012a的同一侧，以促进与光源1006和MEMS光谱仪1008的对准和组装。此外，反射镜1012d和1012e与大球面反射镜1012a集成。例如，反射镜1012a、1012d和1012e可以使用任何合适的制造技术在同一基板内制造。
在图10、11A和11B示出的示例中，风扇1014可以提供用于将气体从外壳1002/1004外部循环到外壳1002/1004内部的机构。循环可以导致外壳内部产生更高的压力，这有助于检测低浓度的气体痕迹。在其他示例中，可以使用加热元件或机械泵代替风扇1014来提供气体循环。在其他示例中，气体可以通过管道(未示出)被引导进出多通道气室1000。在一些示例中，多通道气室1000的各种部件(例如外壳1002/1004和其他合适的部件)可以镀镍以防止可能由于暴露于某些气体而导致的腐蚀。在一些示例中，多通道气室1000的各种部件(例如，外壳1002/1004和其他合适的部件)可以被抗吸附涂层以防止气体吸附到表面，这可以致使准确预测当前或随后的气体浓度。
图12是示出根据本公开的方面的多通道气室1200的另一个示例的示图。多通道气室1200包括一组两个反射器1202和1204。在图12中，每个反射器1202和1204是平面反射镜。多通道气室1200还包括第一(或输入)光学部件1206和第二(或输出)光学部件1208。第一光学部件1206和第二1208可以包括曲面反射镜或透镜。例如，第一光学部件1206和第二光学部件1208可以包括离轴抛物面反射镜。
输入光学部件1206与平面反射镜1202集成并且输出光学部件1208与平面反射镜1204集成。例如，输入光学部件1206可以制造在与平面反射镜1202相同的基板1210a内，而输出光学部件1208可以制造在与平面反射镜1204相同的基板1210b内。在一些示例中，基板1210a和1210b可以是光学模具的分开的两半，该光学模具包括可以通过注射成型生产的多通道气室1000。在其他示例中，基板1210a和1210b可以使用3D微加工技术在半导体基板中蚀刻。
此外，多通道气室1200包括第一光学贝塞尔部件1216和第二光学贝塞尔部件1218。第一光学贝塞尔1216和第二光学贝塞尔部件1218可以用于减少由于没有使用球面反射镜由衍射而导致的损耗。在一些示例中，第一贝塞尔部件和第二光学贝塞尔部件可以包括轴锥透镜、环形孔口或锥形反射器。
在一个示例中，输入光学部件1206被光学耦合以从光源1212接收输入光束(输入光)，并且被配置为准直输入光并且将准直的输入光引导至第一光学贝塞尔部件1216。第一光学贝塞尔部件1216被光学耦合以接收准直的输入光并且被配置为生成输入贝塞尔光束以用于在多通道气室内部传播，该传播包括平面反射镜1202和1204之间的多次反射。第二光学贝塞尔部件1218被光学耦合以接收由多次反射产生的输出贝塞尔光束，并且被配置为生成输出准直光作为输出光。输出光学部件1208被光学耦合以接收来自第二光学贝塞尔部件1218的输出光并且被配置为将输出光聚焦到光谱仪1214(例如，MEMS光谱仪)。
图13是示出根据本公开的方面的多通道气室1300的另一个示例的示图。在图13示出的示例中，多通道气室1300包括一组四个反射器1302a、1302b、1302c和1302d。在图13示出的示例中，每个反射器1302a、1302b、1302c和1302d是平面反射镜。在其他示例中，反射器1302a、1302b、1302c和1302d可以是柱面反射镜。例如，在较大的气室1300中，柱面反射镜可以减少光束发散。四个反射器中的两个(例如反射器1302a和1302b)可以比其他两个反射器(例如反射器1302c和1302d)短，以使得光能够进入气室1300和离开气室1300。例如，反射器1302a和1302b可以具有第一长度1312a，并且反射器1302c和1302d可以具有大于第一长度的第二长度1312b。
多通道气室1300还包括第一(或输入)光学部件1304和第二(或输出)光学部件1306。第一光学部件1304和第二光学部件1306可以包括曲面反射镜或透镜。例如，第一光学部件1304和第二光学部件1306可以包括离轴抛物面反射镜。
输入光学部件1304可以与平面反射镜1302a集成，并且输出光学部件1306可以与平面反射镜1302c集成。例如，输入光学部件1304可以制造在与平面反射镜1302a和1302b相同的基板内(为了简单起见未示出)，而输出光学部件1306可以制造在与平面反射镜1302c和1302d相同的基板内(为了简单起见未示出)。在一些示例中，基板可以是光学模具的分开的两半，该光学模具包括可以通过注射成型生产的多通道气室1300。
在一个示例中，输入光学部件1304被集成在第一平面反射镜1302a的顶部1308上(例如具有较短的长度)。输入光学部件1304进一步光学耦合(例如，定位在第一平面反射镜1302a上)以接收输入光1314、准直输入光并且将准直光以选定的角度引导向第二平面反射镜1302b，以产生准直光的螺旋多通道光路，该螺旋多通道光路在第二平面反射镜1302b、第三平面反射镜1302c、第四平面反射镜1302d和第一平面反射镜1302a之间。输出光学部件1306被集成在第二平面反射镜1302c的底部1310上(例如具有较短的长度)。输出光学部件1306被光学耦合(例如，定位在第二平面反射镜1302c的底部)以接收来自第四平面反射镜1302d的输出光1316，并且将输出光1316聚焦朝向气室的光输出1300。
在一些示例中，多通道气室1300可以包括多于四个的反射器1302a-1302d。例如，如图14示出，多通道气室可以设计有四个反射器1302a–1302d、五个反射器1302a-1302e或六个反射器1302a-1302f。在每个示例中，输入光束在多通道气室的光学输入处由第一反射器1302a(例如经由输入准直光学部件)接收并且输出光束由第二反射器1302b(例如通过输出聚焦光学部件)朝向多通道气室的光学输出。因此，如图13所示的示例，第一反射器1302a和第二反射器1302b中的每一个具有比其他反射器1302c-1302f更短的长度，以将光引导进气室和引导出气室。
图15是示出根据本公开的方面的多通道气室1500的另一个示例的图。图15包括多通道气室1500的侧视图和透视图，多通道气室1500包括光学模具1502(例如外壳)，光学模具1502包括光源1504、光学核心模块1506和各种光学装置(例如，输入/输出光学部件和用于产生多次反射的反射器，如以上图2-14中的任何一个所示)。光学设备可以在光学模具1502内部，因此为了简单在图15中未示出。例如，可以使用注模光学技术来制造光学模具1502，以实现导致自对准光学设备的多通道气室1500的大规模生产。通过注模成型，光学模具1502可以被制造为关于一个或多个对称轴几乎对称的两个部分。
光学核心模块1506可以包括例如MEMS光谱仪。此外，光源1504可以包括例如发光二极管(LED)或灯丝源。在图15示出的示例中，多通道气室1500还可包括元件1508，该元件1508被配置为吸收或阻挡气体中的水成分。在一些示例中，元件1508可以包括过滤器或其他合适的结构，该过滤器或其他合适的结构用于吸收或阻挡气体中的湿气或水成分。
在本公开中，词语“示例性”用于表示“用作示例、实例或说明”。在此描述为“示例性”的任何实施方式或方面不一定被解释为优选或优于本公开的其他方面。同样，术语“方面”并不要求本公开的所有方面都包括所讨论的特征、优点或操作模式。术语“耦合”在本文中用于指两个对象之间的直接或间接耦合。例如，如果对象A物理接触对象B，而对象B接触对象C，则对象A和C仍然可以被认为是彼此耦合的，即使它们没有直接相互物理接触。例如，即使第一对象从不与第二对象直接物理接触，第一对象也可以耦合到第二对象。术语“电路”被广泛使用，旨在包括电气设备和导体的硬件实施方式，当它们被连接和配置时，能够实现本公开中描述的功能，而对电子电路类型没有限制，当由处理器执行信息和指令的软件实施方式时，也能够实现本公开中描述的功能的性能。
图1-15中所示的部件、步骤、特征和/或功能中的一个或多个可以重新排列和/或组合成单个部件、步骤、特征或功能或体现在几个部件、步骤或功能中。在不脱离本文公开的新颖特征的情况下，还可以添加附加的元件、部件、步骤和/或功能。图1-15中所示的装置、设备和/或部件可以被配置为执行这里描述的一种或多种方法、特征或步骤。这里描述的新颖算法也可以在软件中有效地实现和/或嵌入在硬件中。
应当理解的是，所公开的方法中的步骤的具体顺序或层次是示例性过程的说明。根据设计偏好，可以理解的是，方法中步骤的特定顺序或层次可以重新排列。随附的方法权利要求以示例顺序呈现各个步骤的元素，并且不意味着限于呈现的特定顺序或层次结构，除非在其中具体叙述。
提供先前的描述以使得本领域技术人员能够实践这里描述的各个方面。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员来说将是显然的，并且这里定义的一般原理可以应用于其他方面。因此，权利要求不旨在限于本文所示的方面，而是符合与权利要求的语言一致的全部范围，其中对单数形式的元素的引用不旨在表示“一个且仅一个”(除非特别说明)，而是“一个或多个”。除非另有特别说明，术语“一些”是指一个或多个。提及“至少一个”项目列表的短语是指这些项目的任何组合，包括单个成员。例如，“a、b或c中的至少一个”旨在涵盖：a；b；c；a和b；a和c；b和c；和a、b和c。本公开内容中描述的各个方面的元素的所有结构和功能等效物，是本领域的普通技术人员已知的或后来变得已知的，通过引用明确地并入本文并且旨在被权利要求所涵盖。此外，无论权利要求中是否明确引用了此类公开，本文所公开的任何内容均不旨在专供公众使用。根据35 U.S.C.§112(f)的规定，任何权利要求元素都不应被解释，除非该元素使用短语“用于…的装置”明确陈述，或者在方法权利要求的情况下，元素使用短语“用于…的步骤”。

Claims (31)

1.一种多通道气室，包括：
第一光学部件，所述第一光学部件被光学耦合以在所述多通道气室的光学输入处接收输入光，并且被配置为准直所述输入光以产生准直光；
一组两个或更多个反射器，所述一组两个或更多个反射器被光学耦合以接收所述准直光，并且被配置为在所述多通道气室内反射所述准直光以产生所述准直光的多次反射；以及
第二光学部件，所述第二光学部件被光学耦合以接收由所述准直光的所述多次反射产生的输出光，并且被配置为将所述输出光朝向所述多通道气室的光学输出聚焦；
其中所述第一光学部件和所述第二光学部件与所述一组两个或更多个反射器中的至少一个反射器被集成。
2.根据权利要求1所述的多通道气室，其中所述至少一个反射器包括所述一组两个或更多个反射器中的单个反射器。
3.根据权利要求2所述的多通道气室，其中所述第一光学部件和所述第二光学部件包括曲面反射镜或透镜。
4.根据权利要求2所述的多通道气室，其中：
所述一组两个或更多个反射器包括第一球面反射镜、第二球面反射镜和第三球面反射镜，每个球面反射镜包括相同的曲率半径，所述曲率半径等于所述第二球面反射镜和所述第三球面反射镜中的每个球面反射镜与所述第一球面反射镜之间的距离；
所述第一球面反射镜位于所述多通道气室的第一侧上，并且所述第二球面反射镜和所述第三球面反射镜两者均位于与所述第一侧相对的所述多通道气室的第二侧上；
所述第二球面反射镜和所述第三球面反射镜之间的角度被选择为将所述准直光保持在所述多通道气室内；并且
所述第一球面反射镜包括所述单个反射器。
5.根据权利要求4所述的多通道气室，其中所述第一球面反射镜、所述第二球面反射镜和所述第三球面反射镜均包括恒定厚度。
6.根据权利要求4所述的多通道气室，其中所述第一光学部件被集成在所述第一球面反射镜的第一端上，并且所述第二光学部件被集成在与所述第一端相对的所述第一球面反射镜的第二端上。
7.根据权利要求6所述的多通道气室，还包括：
第三光学部件，所述第三光学部件被光学耦合以在所述多通道气室的所述光学输入处接收附加输入光，并且被配置为准直所述附加输入光以产生附加准直光，以用于在所述第二球面反射镜和所述第三球面反射镜中的每个球面反射镜与所述第一球面反射镜之间反射所述附加准直光，其中所述第三光学部件还被集成在所述第一球面反射镜的所述第一端上。
8.根据权利要求7所述的多通道气室，其中所述第二球面反射镜包括间断部，所述间断部产生所述第二球面反射镜的第一部分和所述第二球面反射镜的第二部分，其中所述第一部分和所述第二部分各自包括不同的相应倾斜以在所述多通道气室内形成不同的相应多通道光路长度。
9.根据权利要求8所述的多通道气室，其中所述第二球面反射镜的所述第一部分产生第一多通道光路长度，所述第一多通道光路长度包括所述准直光的第一反射次数，并且所述第二球面反射镜的所述第二部分产生第二多通道光路长度，所述第二多通道光路长度包括所述附加准直光的第二反射次数，其中所述第一反射次数不同于所述第二反射次数。
10.根据权利要求7所述的多通道气室，其中所述第一光学部件、所述第二光学部件和所述第三光学部件包括曲面反射镜或透镜，并且其中所述第二光学部件的尺寸大于所述第一光学部件和所述第三光学部件中的每个光学部件的相应尺寸。
11.根据权利要求7所述的多通道气室，还包括：
两个光源；以及
开关，所述开关被耦合到所述两个光源，并且被配置为在所述两个光源之间切换。
12.根据权利要求2所述的多通道气室，其中所述第一光学部件和所述第二光学部件两者都被集成在所述单个反射器的第一端上，使得所述光学输入和所述光学输出位于所述单个反射器的所述第一端上。
13.根据权利要求12所述的多通道气室，其中所述单个反射器包括非对称部分，所述非对称部分在所述单个反射器的与所述第一端相对的第二端上，以使得所述准直光能够反射回所述多通道气室中。
14.根据权利要求2所述的多通道气室，其中：
所述一组两个或更多个反射器包括第一凹面反射镜和第二凹面反射镜，所述第一凹面反射镜包括所述单个反射器；
所述第一凹面反射镜包括第一曲率半径，并且所述第二凹面反射镜包括第二曲率半径，所述第二曲率半径是所述第一曲率半径的两倍；并且
所述第一凹面反射镜与所述第二凹面反射镜之间的距离等于所述第二曲率半径。
15.根据权利要求14所述的多通道气室，还包括：
吸收器，所述吸收器被光学耦合以防止所述准直光的杂散光到达所述多通道气室的所述光学输出。
16.根据权利要求15所述的多通道气室，其中所述吸收器位于所述第一凹面反射镜和所述第二凹面反射镜之间。
17.根据权利要求15所述的多通道气室，其中所述吸收器包括吸收区域，所述吸收区域在所述第二凹面反射镜上。
18.根据权利要求16所述的多通道气室，其中所述第一光学部件和所述第二光学部件包括直角反射镜、曲面反射镜或透镜。
19.根据权利要求1所述的多通道气室，其中所述第一光学部件与所述一组两个或更多个反射器中的第一反射器被集成，并且所述第二光学部件与所述一组两个或更多个反射器中的第二反射器被集成。
20.根据权利要求19所述的多通道气室，其中：
所述一组两个或更多个反射器至少包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜；
所述第一光学部件与所述第一反射镜被集成；并且
所述第二光学部件与所述第二反射镜被集成。
21.根据权利要求20所述的多通道气室，其中所述第一光学部件和所述第二光学部件包括曲面反射镜或透镜。
22.根据权利要求20所述的多通道气室，其中所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜中的每个反射镜包括平面反射镜或柱面反射镜。
23.根据权利要求20所述的多通道气室，其中所述第一反射镜和所述第二反射镜各自包括第一长度，并且所述第三反射镜和所述第四反射镜各自包括第二长度，所述第二长度大于所述第一长度。
24.根据权利要求23所述的多通道气室，其中：
所述第一光学部件被集成在所述第一反射镜的顶部，以便以一角度将所述准直光朝向所述第二反射镜引导，所述角度被选择为在所述第二反射镜、所述第三反射镜、所述第四反射镜和所述第一反射镜之间产生所述准直光的螺旋多通道光路；并且
所述第二光学部件被集成在所述第二反射镜的底部，以接收从所述第一反射镜反射的所述输出光并且将所述输出光朝向所述光学输出聚焦。
25.根据权利要求19所述的多通道气室，其中所述一组两个或更多个反射器包括第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述第一光学部件与所述第一平面反射镜被集成，并且所述第二光学部件与所述第二平面反射镜被集成，并且所述多通道气室还包括：
第一光学贝塞尔部件，所述第一光学贝塞尔部件被光学耦合以接收来自所述第一光学部件的所述准直光，并且被配置为生成输入贝塞尔光束以用于在所述多通道气室内传播，所述传播包括在所述第一平面反射镜和所述第二平面反射镜之间的所述多次反射；以及
第二光学贝塞尔部件，所述第二光学贝塞尔部件被光学耦合以接收由所述多次反射产生的输出贝塞尔光束，并且被配置为生成输出准直光，作为由所述第二光学部件接收的所述输出光。
26.根据权利要求25所述的多通道气室，其中：
所述第一光学部件和所述第二光学部件包括曲面反射镜或透镜；并且
所述第一光学贝塞尔部件和所述第二光学贝塞尔部件包括轴锥透镜、环形孔口或锥形反射器。
27.根据权利要求1所述的多通道气室，还包括：
外壳，所述外壳被配置为接收气体，其中所述一组两个或更多个反射器、所述第一光学部件和所述第二光学部件被包含在所述外壳内。
28.根据权利要求27所述的多通道气室，其中所述外壳、所述一组两个或更多个反射器、所述第一光学部件和所述第二光学部件使用注模光学器件被制造在相同基板内。
29.根据权利要求27所述的多通道气室，还包括：
光谱仪；以及
光源，其中所述光谱仪和所述光源被组装在所述外壳内。
30.根据权利要求27所述的多通道气室，还包括：
循环单元，所述循环单元被配置为使所述气体从所述外壳外部循环到所述外壳内部。
31.根据权利要求27所述的多通道气室，还包括：
元件，所述元件被配置为吸收或阻挡所述气体中的水成分。
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