CN1659416A - 具有全息读出的光学嗅觉传感器 - Google Patents

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奥温德·尼尔森
戴纳·Z·安德森
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Abstract

本发明涉及蒸汽的光学探测，尤其涉及使用动态全息术探测蒸汽浓度和蒸汽浓度变化的装置及方法。该装置及方法采用一个换能器吸收待测的蒸汽，由此导致换能器的变化。换能器的变化导致与该换能器相互作用的一个成像光束的光程发生变化。动态全息术能够测定该换能器的尺寸及折射率的变化，因而能够测定待测蒸汽的浓度变化。本发明的装置及方法能够通过一个换能器阵列测试多种蒸汽。

Description

具有全息读出的光学嗅觉传感器
技术领域
本发明涉及蒸汽的光学探测，尤其涉及使用动态全息术探测蒸汽浓度和蒸汽浓度变化的装置及方法。
背景技术
蒸汽探测装置有各种各样的形式。一种形式的蒸汽探测装置采用换能器探测蒸汽引起的变化，而非直接分析蒸汽。该换能器可以对某种蒸汽具有高度选择性(“锁钥”法)。或者，该换能器可以响应几种蒸汽，并且可以使用一个不同换能器的阵列产生的信号，用于对相关蒸汽进行分类，以及在某些情况下进行量化(Severin等人，(2000年)，分析化学(Anal.Chem.)，第72卷，658～668页)。采用换能器的蒸汽探测装置具有多种商业、工业和军事应用。
尤其，采用换能器的蒸汽探测装置已被用于嗅觉传感器，也称作人造鼻或电子鼻。一个人造鼻典型地包含模拟人类嗅觉反应的一个相异换能器阵列。(Nagle，H.等人，(1998年9月)，IEEE综览(IEEESpectrum)，22～34页)。嗅觉传感器已经使用表面声波(SAW)、电化学、导电聚合物、压电和光学方法产生和探测换能器的响应(White等人，(1996年)，分析化学(Anal.Chem.)，第68卷，2191～2202页)。SAW阵列在尺寸方面受到限制，因为将大量的这种系统微制造成一个集成系统具有电子学复杂性和挑战性(Lonergan等人，(1996年)，化学材料(Chem.Mater.)，第8卷，2298～2312页)。
许多基于光学换能器的蒸汽探测装置采用光纤或其它介质通过全内反射进行光传输(例如毛细管)。这些装置有各种配置方式。例如，在固有的光纤传感器中光纤本身发生变化，而在非固有的光纤传感器中，光纤用作一个导管，传送去往和来自传感元件的光(Sietz.，W.(1988年)，CRC分析化学评论(CRC Crit.Rev.Anal.Chem.)，第19卷第2期，135～173页)。
光纤传感器通常包括位于光纤末端的分析物传感元件，该光学传感元件典型地包括通过物理截留或化学键接在光纤顶端固定的一种试剂相。该试剂相通常包含一种化学指示剂，当其与分析物相互作用时光学性质发生某些变化(White等人，(1996年)，见上)。荧光染料已被用作化学指示剂(White等人，(1996年)，见上；Oreliana，G.等人，(1995年)，第67卷，2231～2238页)。使用多个光纤制成传感器或换能器阵列。
干涉测量光纤传感器的构成有效地提供了单个换能器或传感元件，而非一个换能器阵列。该光纤用于构成干涉仪的参考支路和测量支路，测量支路包含一个传感元件，与测量支路相互作用，使其光学性质发生变化，使得所传输的光发生相移。当来自两个支路的光复合时，产生干涉(Sietz，W.(1988年)，见上)。使用在换能器的光纤外部具有钯涂层的一种干涉传感器测量氢气的分压力。氢气的分压力越高，钯中吸收得越多。这使光纤收缩并改变通过光纤传输的光的相位(Butler，M.(1984年)，应用物理快报(Appl.Phys.Lett.)，第45卷第10期，1007～1009页)。另一种干涉传感器(Vali等人，美国5,004,914，于1991年4月2日发布)使参考支路和测量支路光纤粘合到磁致伸缩基底上。测量支路基底有涂层以便收集蒸汽分子。测量支路基底的振动频率响应其上的待测化学蒸汽分子的收集情况而轻微变化，使得能够探测参考基底与传感器基底之间的共振频率的差异。
发明内容
本发明提供具有全息读出的干涉测量的蒸汽探测装置，可以用作嗅觉传感器。该装置的实施例具有以下优点：容易制造的换能器阵列，多种响应，可复验响应，快速响应(5秒内)以及高灵敏度。该装置的灵敏度与换能器材料有关，但是乙醇蒸汽的灵敏度已经达到大约 60 ppb mm 2 / Hz .
本发明的实施例还提供了使用动态全息术探测蒸汽浓度和蒸汽浓度变化的方法。该方法分析动态信号而非直流(稳态)信号。因此，该方法对于缓慢变化的环境参数不敏感。此外，该动态信号的信噪比可以通过滤除一个等效直流信号而提高。
本发明的附加实施例提供了使用动态全息术对蒸汽浓度的变化进行光学探测的装置及方法。被测蒸汽称作“测试”蒸汽。本发明的方法能够探测从一个无法探测的测试蒸汽水平到一个可探测的测试蒸汽水平的变化，或者是从一个可探测的测试蒸汽水平到另一个可探测的测试蒸汽水平的变化。该方法还能够同时探测多种测试蒸汽的浓度变化。
本发明的方法可以利用能够吸收测试蒸汽的一种换能器。测试蒸汽的浓度变化会导致该换能器尺寸的变化、换能器折射率的变化和/或使用动态全息术能够光学探测的其它变化。可以使用多个换能器同时探测多种测试蒸汽的浓度变化，每个换能器对应一种不同的测试蒸汽。
光学地探测该换能器中的变化。尤其，该换能器放在称作成像光束的相干光束的路径上。在该成像光束与样本相互作用之后，被用于产生干涉图形。换能器尺寸和折射率的变化导致光束的光程和光强的变化，并且因此导致干涉图形的变化。光束的光程变化量表明测试蒸汽浓度的变化量。
如这里所用的，动态全息术涉及产生干涉图形，使用动态全息介质产生基于干涉图形的全息图，以及读出产生的全息图。动态全息术用于提供基于干涉图形的全息读出，并且因此测定换能器的尺寸和折射率的变化。该全息读出提供关于蒸汽浓度变化的实时信息。
如这里所定义的，全息图是通过介质的介电常数或折射率的空间变化体现的两个或更多电磁波之间的干涉图形的记录。“动态全息术”是涉及一种动态全息介质，或者涉及复制动态全息介质的功能的一种电子或其它设备的全息术(例如数字全息术)。“动态全息介质”是能够在几乎连续的基础上几乎同时地执行全息记录或读出而其全息性质不会在感兴趣的时候发生大的损耗或退化的一种介质。“全息记录”是利用电磁波自身的干涉导致记录介质中的折射率或介电常数的变化从而产生全息图的过程(即使该记录介质需要附加的元件和/或处理以实现折射率或介电常数变化)。对于非数字全息术，“全息读出”或“读出全息图”是电磁波从一个全息图的散射(通常以此方式复制一个或更多该原始记录波的一个形式)。例如，全息图的全息读出可以用于复制原始图像波的一个形式。术语“全息读出”还可以用作一个名词，指的是电磁波从一个全息图的散射的结果(例如，原始图像波的复制形式)。对于数字全息术，“读出”全息图可以包括从一个空间信息记录装置读出该干涉图形信息并处理所记录的信息。
本发明的实施例还提供用于测定测试蒸汽的浓度的一种方法，该测试蒸汽的浓度不是必须变化的。在该方法中，一种参考蒸汽和该测试蒸汽可以交替地提供给换能器，产生该换能器可见的蒸汽环境变化，使用上述方法可以探测和分析该变化。
本发明的实施例还提供用于探测液体环境中测试吸收剂的浓度变化的一种方法，包括步骤：提供能够吸收该测试吸收剂的一种换能器并由此改变该换能器；使换能器暴露于该测试吸收剂；以及使用动态全息术探测换能器的变化，由此探测吸收剂的浓度变化。该测试吸收剂浓度的变化会导致换能器尺寸的变化、换能器折射率的变化和/或使用动态全息术能够光学探测的其它变化。
本发明的装置可以采用本发明的一种或更多方法。该装置较好地具有实时响应，典型地在5秒内以及较好地在2秒内完成测量。该装置可以用电池供电以及可以制成便携式的。通过一个便携式装置，这意味着该装置为手提箱大小、公文包大小或更小。本发明的装置具有商业、工业、医学、法律实施及军事应用。这些应用包含探测工业环境中的泄漏、监测一种制造过程蒸汽环境(包含制药和化妆品过程)、蒸汽识别和跟踪，以及探测生物危害、汽车排放、与爆炸物有关的化学蒸汽、乙醇、管制药物、变质易腐产品以及毒气，这里只列出了一些。
在一个实施例中，本发明的装置是基于一种新型滤光片，该滤光片并入了一个光折射元件。一种“新型滤光片”显示一幅输入图像与该输入的新近历史相比有什么新的(Anderson和Feinberg，(1989年)，IEEE量子电子学期刊(IEEE J.Quantum Electron.)，第25卷第3期，635～640页，特此并入参考)。因为基于新型滤光片的装置探测较迅速的变化，所以该装置对缓慢变化的环境参数象温度、压力和湿度不敏感。基于该新型滤光片的装置对于波前的变形和光路的漂移还是自适应的。
本发明的实施例提供采用新型滤光片的具有全息读出的一种嗅觉传感器系统。当测试蒸汽浓度变化时，该传感器系统的探测器处的换能器图像的强度发生变化。在一个双光束耦合装置中，参考光束和成像光束在一个光折射元件例如光折射晶体内合并，因此在该元件中产生一个全息图。在成像光束方向来自该光折射元件的输出包括成像光束以及参考光束的衍射部分(参考光束的衍射部分可以视为全息读出的部分)。在稳态时，参考光束的衍射部分与成像光束干涉，在成像光束路径中放在光折射元件后面的一个探测器处产生强度图形。如果蒸汽浓度和成像光束的光程突然变化，则成像光束与参考光束之间的相位差发生变化，并且在探测器处的换能器图像的强度发生变化。也可以使用不同于这里所述双光束耦合形式的新型全息滤光片形式，包含不需要外部提供的参考光束，例如利用光束扇形展开(放大的自发散射)，以及利用自泵浦的相位共扼(Anderson和Feinberg，(1989年)，见上；以及Ford等人，(1988年)，光学快报(Optics Letters)，第13卷第10期，856～858页，特此并入参考)。
附图说明
图1是一个双光束嗅觉传感器系统的示意图。
图2示意性地表示光折射元件产生的内部折射率光栅造成的参考光束的衍射。
图3示意性地表示一个基底上的四个换能器对于甲烷浓度突然增大的响应，其中两个换能器对于甲烷敏感，两个换能器对于己烷敏感。
图4显示在一个双光束耦合的传感器系统的标定过程中，探测器读出与乙醇蒸汽浓度之间的关系。
图5A-5C显示一个2乘2的换能器阵列对乙醇的响应图形(5A)、对己烷的响应图形(5B)以及对乙醇和己烷混合物的响应图形。
图6显示一个传感器系统对蒸汽环境的浓度变化的响应。
图7显示传感器系统灵敏度与换能器材料的有效面积之间的关系。
图8显示一个使用相位调制的双光束传感器系统的探测器读出与乙醇蒸汽浓度之间的关系。
具体实施方式
本发明的实施例提供用于探测环境中的测试蒸汽的浓度变化的一种嗅觉传感器系统。在一个实施例中，该传感器系统包括一个相干光源，能够产生光束；一个换能器，在与环境保持联系的液体中并能够响应测试蒸汽的浓度变化；一个动态全息介质以及一个探测器，其中至少一部分光束从光源传到换能器、从换能器传到动态全息介质以及从动态全息介质传到探测器。
依据所需的传感器系统配置，该传感器系统可以附加地包括多种元件。例如，在一个双光束耦合新型滤光片中，可以使用分束器产生一个参考光束和一个成像光束，两光束在光折射元件中复合。那些熟练的技术人员知道，可以利用另外的新型滤光片配置，不需要进行分束(Anderson和Feinberg，(1989年)，见上；Ford等人，(1988年)，见上)。光束定向元件例如反射镜和棱镜可以放在光束路径中。光束整形元件例如透镜、曲面反射镜、滤光片、光阑、线形发生器和静态全息元件可以用于改变光束直径和/或改变光束形状和/或修整其强度。透镜可以用于光束成像。那些熟练的技术人员知道，是否需要光束定向和整形元件依赖于特定的传感器系统配置，并且不同的光束定向和光束整形元件可以互相替代。偏振更改元件例如偏振器和半波片可以用于调节光束的偏振，使其对于光折射元件的特定方向是最佳的，并且产生一个可变的分束器。该换能器可以支撑在一个基底上，并且一个蒸汽馈给系统可以用于控制与换能器保持联系的液体中的蒸汽环境。控制系统可以用于控制探测器的采样速率，并且探测器的输出可以馈给一个分析系统用于进一步处理。
在一种配置中，换能器材料可以应用于光纤的外部，在一端或沿光纤的一段长度，该光纤的纤芯足以接近该表面，使得换能器材料中存在瞬时场。几个这样的光纤可以与不同的换能器材料一起用于化学蒸汽传感多样性。在这样一种情况下，该光纤的输出共同用作成像光束。
图1显示一种双光束耦合系统，其中来自相干光源(10)的光束被分束器(12)分成成像光束(图1中的无阴影光束)和参考光束(图1中的阴影光束)。光束整形元件(14-16)，显示为透镜，增大光束直径并改变光束形状。光束定向元件(17)，显示为棱镜，用于使成像光束导向换能器(20)。换能器(20)显示附在基底(22)上。蒸汽馈给系统(30)控制换能器(20)所暴露的环境。标记150和151分别表示馈入和馈出蒸汽馈给系统(30)的蒸汽。如果光束定向元件(17)为棱镜，较好地基底(22)和棱镜(17)的折射率是匹配的，并且在基底-棱镜界面处放有一层折射率匹配的液体(未显示)。至少部分成像光束通过反射和/或透射与换能器相互作用，和/或与换能器相互瞬时地作用，然后从换能器传播到光折射元件(50)。可选透镜(18)使成像光束保持在光折射元件(50)内，以优化动态全息性能。可选偏振器(19)，显示在成像光束的路径中，用于使成像光束的偏振与光折射元件的光轴对准。进入光折射元件的至少部分成像光束通过所示元件(并且典型地另一部分成像光束将发生衍射)并传播到探测器(60)。
通过显示为反射镜的光束定向元件(70)，参考光束被导向光折射元件(50)。一个可选半波片(71)和偏振器(73)用于使参考光束的偏振与光折射元件的光轴对准。或者可以按需要切割和定向一个光折射晶体。典型地参考光束关于成像光束成一个角度进入光折射元件(50)。在该光折射元件内，至少部分参考光束在成像光束的方向衍射，并如此传到探测器(60)。
图2示意性地表示光折射元件产生的内部折射率光栅(100)造成的参考光束(光束1)的衍射。在图2中，衍射的参考光束为光束1′，成像光束为光束2。还表示了光束1和2之间的干涉图形(95)。对于某些稳态的光折射材料，在成像光束方向衍射的参考光束部分与成像光束的相位相差π(180°)，并与成像光束发生相消干涉，在探测器处产生换能器的低(或零)强度图像。该产生的光栅具有与干涉图形相差π(180°)的相移。在其它材料中，参考光束以不同的稳态相发生衍射。总之，在探测器处产生稳态的某种强度图形。如果换能器响应化学蒸汽环境中的一个突然变化，则成像光束经历的光程将发生变化。直到该光折射元件适应成像光束的光程变化，成像光束与参考光束之间的相位差才不再是其稳态值，并且探测器处的换能器图像将关于该稳态换能器图像发生强度变化。对来自探测器的信息进行分析能够测定换能器的尺寸和折射率的变化。
图3示意性地表示一个基底(22)上的四个换能器(20a和20b)对于甲烷浓度突然增大的响应，其中两个换能器(20b)对于甲烷敏感，两个换能器(20a)对于己烷敏感。在输出图像(80)中，对甲烷敏感的两个换能器变亮，而对己烷敏感的两个换能器变暗。
换能器(20)通过吸收蒸汽及产生可光学探测的变化，从而响应测试蒸汽的浓度变化。例如，换能器尺寸的变化会导致光程的变化，而折射率的变化会导致光程的变化和光束强度的变化。所需的换能器面积依赖于所需的灵敏度，换能器面积越大，灵敏度越高。一个换能器可以支撑在一个或更多基底上。对于成像光束在到达换能器之前通过该基底的配置，选择该基底使其不会显著吸收成像光束，并且使其不会响应该测试蒸汽。在图1所示的配置中，选择该基底具有接近棱镜的折射率(例如载波片)。可以使用粘合材料将换能器连结到基底上或将基底相互连结。
薄膜材料较好地用作换能器。聚合物薄膜适合用作换能器，虽然可以使用其它无机和有机材料，包含生物材料例如蛋白质和酶。该聚合物薄膜可以掺杂另一种材料，例如金属，以增大换能器的灵敏度。在一种工作模式下，选择每种换能器材料使其仅相互作用于/吸收特定种类的蒸汽。这使得能够在一个基底上制造换能器元件阵列，不同的换能器用于吸收不同的测试蒸汽。根据应用来确定所选择的换能器的数量，但是可以制造25、50、75、100或更多个换能器的阵列。
对于聚合物换能器，测试蒸汽在各种聚合物中的溶解度有极大差异。因此，较好的是使用对于待测蒸汽呈现最大响应的聚合材料。蒸汽传感器的现有技术已知的聚合物包含，但不限于，聚(N-乙烯吡咯烷酮)；聚(乙烯共醋酸乙烯)；聚(4-乙烯基苯酚)；聚(苯乙烯共烯丙醇)；聚(α-甲基苯乙烯)；聚(氯乙烯共醋酸乙烯)；聚(醋酸乙烯)；聚(甲基乙烯醚共顺丁烯二酐)；聚(碳酸双酚A)；聚(苯乙烯)；；聚(苯乙烯共顺丁烯二酐)；聚(丁醛乙烯)；聚(砜)；聚(甲基丙烯酸甲酯)；聚(氯亚乙烯共丙烯腈)；聚(己内酯)；聚(乙烯共醋酸乙烯)；聚(环氧乙烷)；聚(丁二烯)；聚(表氯醇)；聚(苯乙烯共丁二烯)；聚(五氟苯乙烯)的氧化薄荷酸钠附加产品；(+)-异松蒎醇衍生的聚(p-氯苯乙烯)；聚(氟苯乙烯)；以及聚(苯乙烯共异戊二烯)(Severin等人，2000年，见上)。
对于聚合物薄膜换能器，薄膜厚度典型地在大约0.05至100微米。所需的薄膜厚度依赖于该薄膜吸收成像光束的程度。
对于沉积在一个基底上的聚合物薄膜换能器，能够变化和影响测量的换能器特性为：折射率、厚度、表面粗糙度、面积、孔隙度以及换能器与基底的粘合。在一个基底上沉积聚合物薄膜的方法包含使用一种合适的溶剂溶解该粉状聚合物，以及手工或使用喷墨打印机将该溶液沉积到基底上。在沉积之前，通过照相平版印刷术在基底上制造光刻胶栅格，能够用于限制聚合物溶液以及制作具有更大均匀面积的手工沉积的换能器。如果该溶剂与打印头材料相容，则也可以使用购买的打印头。在基底上构成一个聚合物换能器还可以通过在Mylar或Teflon薄片上沉积聚合物溶液，使该聚合物溶液在薄片上固化并铺成所需的换能器尺寸，以及使用粘合剂例如UV固化胶合剂使该聚合物薄片组件的薄片面连结到基底上。无论用何种方法沉积该聚合物溶液，该薄膜可以在饱和充满该溶剂的大气中在一个密封室内固化，以提高薄膜厚度的均匀性。同样也可以采用沉积聚合物薄膜的现有技术已知的其它方法。
一个蒸汽馈给系统可以用于控制与换能器保持联系的液体中的蒸汽环境。通过使用换能器周围的一个受控的环境“室”，该蒸汽馈给系统能够使换能器环境与传感器系统的其它元件周围的环境隔离。该“室”可以使用一个O形环或现有技术已知的其它方法使换能器基底密封。
一个或更多气体管线可以用于将脉冲、蒸汽的“吸入”或“呼吸”引入该“室”。测试蒸汽可以连续或以“吸入”方式提供给换能器。蒸汽馈给系统也可以交替将测试蒸汽和参考蒸汽提供给换能器。如这里所用的，“参考蒸汽”是为用于测量而选择的一种蒸汽，它可以与待测或待分析的蒸汽相同或者不同。参考蒸汽可以是不包含聚合物溶胀的一种蒸汽，例如惰性气体或例如N2、H2、O2或CO2的气体。参考蒸汽还可以是待与测试蒸汽比较的一种蒸汽。例如，在一个香料工厂中，参考蒸汽可以是标准香料气味。参考蒸汽还可以是从环境的新近历史收集的一种蒸汽，或者是在测试蒸汽附近的另一个空间区域取得的一种蒸汽(例如，测试蒸汽通道可以放在一个烧杯开口的近旁，而参考蒸汽通道可以放在离开口更远处)。也可以使用许多标准参考蒸汽，并且讨论中的蒸汽对照每种参考蒸汽进行测试。一种电子的、气动的或手工激励的阀可以用于以稳定的选定频率交替地提供测试蒸汽和参考蒸汽。典型的暴露周期可以从100ms到2s。或者，可以不使用阀而通过使用注射器或通过那些熟练的技术人员已知的其它方法使测试蒸汽和参考蒸汽交替。
光折射元件可以是适合与本发明的装置及方法一起使用的任何光折射材料。如这里所用的，一种光折射材料的折射率依赖于所加的电场。例如，Glass(A.M.Glass，(1978年)，光学工程(OpticalEngineering)，第17卷，470页)描述了该光电效应。合适的光折射材料包含光折射晶体。对于双光束耦合装置，光折射晶体较好地包含钛酸钡、铌酸锂、铌酸锶钡(SBN)以及那些熟练的技术人员已知的一些其它的光折射材料和装置。较好地，耦合强度(Г)乘以介质长度(L)大于1左右，并且更好地，为大约10左右。
在图1所示的配置中，探测器放在光折射晶体后面的图像载波光束的路径中。为了使用多个探测器，光束可以进行分束，或者探测器可以模仿换能器阵列那样排列成一个阵列。用作许多探测器的一个电荷耦合器件(CCD)相机，或者对光束敏感的其它非CCD成像阵列，可以用于记录该响应图形。在上述的双光束耦合传感器系统中，相机将仅探测来自被激励的聚合物点。一个光电二极管可以用于探测光束强度。
一个控制系统可以用于使探测器与蒸汽馈给系统同步，以增大该传感器系统的灵敏度。对于使用电子开关使测试蒸汽与参考蒸汽以特定频率交替的一个蒸汽馈给系统，该控制系统可以使探测器的采样频率与驱动开关的信号同步。在从参考蒸汽到测试蒸汽的每个“吸入”周期内，预期的系统响应频率是周期频率的两倍。一个锁定放大器可以用于将采样频率锁定为该“吸入”的二次谐波，并设定一个相移以允许蒸汽流动、蒸汽扩散以及光折射晶体的响应发生一些延迟。该步骤能够帮助提高蒸汽引起的小信号的信噪比。
还可以使用图1所示以及这里所述的不同于双光束耦合形式的新型全息滤光片形式，包含那些不需要一个外部提供的参考光束的形式。两个例子是利用光束扇形展开(放大的自发散射)以及利用自泵浦的相位共扼(Anderson和Feinberg，(1989年)，见上)。
本发明的实施例还提供用于探测一个环境中测试蒸汽的浓度变化的一种方法，包括步骤：提供能够吸收该测试蒸汽的一种换能器并由此改变该换能器；使换能器暴露于该测试蒸汽；以及使用动态全息术探测换能器的变化，由此探测蒸汽的浓度变化。如这里所用的，“使用动态全息术探测换能器的变化”涉及产生包含关于换能器变化信息的一个干涉图形；使用动态全息介质或复制动态全息介质功能的一个设备产生基于干涉图形的一个全息图；以及读出所产生的全息图。
探测换能器的变化可以有几种方式。在上述双光束耦合方法中，相干光源产生一个源光束，分成成像光束和参考光束。成像光束与换能器相互作用。然后在光折射元件内产生基于成像光束与参考光束的干涉的一个全息图。该全息图包含关于换能器变化以及因此关于测试蒸汽浓度变化的信息。读出该全息图形成成像光束与如上所述在探测器处的全息读出的部分之间的干涉图形。在探测器处测量的干涉图形可以用于测定换能器的变化以及因此测定测试蒸汽的浓度变化。
在另一种工作模式下，该源光束用作第一成像光束，因为在源光束与换能器相互作用之前没有分离出参考光束。而是，第一成像光束在其与换能器相互作用之后才被分成第二成像光束和第三成像光束。使用一个光折射元件或数字全息术，第二和第三成像光束相互作用，以产生一个全息图。可以读出该全息图以测定测试蒸汽的浓度变化。
在又一种工作模式下，该源光束再次用作一个成像光束，因为没有分离出参考光束。在该成像光束与换能器相互作用之后，它被用于在一个光折射元件内部产生全息图。在此情况下，该全息图是基于成像光束与来自该成像光束的放大的散射光(光折射扇形散开)的相互作用。可以读出该全息图以测定测试蒸汽的浓度变化。
更通常地，本发明的方法及装置可以采用一个动态全息介质。如这里所用的，动态全息介质包含光折射材料以及能够几乎同时执行实时动态全息术的同等介质。当采用光折射材料时，在一个空间记录装置例如CCD相机、光电二极管阵列或互补金属氧化物半导体(CMOS)相机上记录干涉图形。一个信息处理装置例如计算机或微处理器可以用于处理所记录的空间信息。在使用数字全息术的嗅觉传感器系统的一个实施例中，动态全息介质以及与该动态全息介质具有光学联系的探测器被一个空间记录装置和一个信息处理装置所取代。数字全息术技术对于那些熟练的技术人员是已知的。
在本发明的采用一个参考光束和一个成像光束的方法中，该参考光束或成像光束可以进行相位调制，以在参考光束与成像光束之间引入一个额外的周期性的相对相位变化。相位调制还可用于一个设备中，其中没有参考光束，并且成像光束在其与换能器相互作用之后才被分束(具有增强的动态相位分辨能力的光束扇形展开的新型滤光片，H.Rehn等人，(1995年)，应用光学增订本(Applied Optics-OT)，第34卷，第2期，4907页)。相位调制可以增大探测器信号的信噪比。相位调制是已知技术，例如Rehn等人(1995年)描述过。在图1所示的实验性的双光束设备中，通过将一个压电装置附到反射镜(70)上以平移该反射镜，并且由此在参考光束上施加一个周期性的相位变化，可以实现相位调制。在一个双光束设备中，该相位调制器可以放在任一光束中，以及可以放在分束器之后和光折射元件或等价物之前的任何位置。在一个单光束设备中，该相位调制器可以放在光源之后和光折射元件或等价物之前的任何位置。可以使用其它的相位调制方法，以及现有技术已知的例如使用电光调制器(EOM)的相位调制器。正弦波、方波以及其它周期函数可以用于本发明的相位调制方法中。本发明的采用相位调制的方法能够探测十亿分之几的水平。
本发明的实施例还提供了用于测定测试蒸汽的浓度的一种方法，该测试蒸汽的浓度不是必须变化的。在该方法中，一种参考蒸汽和该待测蒸汽可以交替地提供给换能器。参考蒸汽与测试蒸汽之间的变化产生该换能器可见的蒸汽环境变化，使用上述方法可以探测该变化。通过现有技术已知的方法可以对该变化进行量化并使其与蒸汽浓度发生关联。
本发明的实施例进一步提供用于探测环境中多种测试蒸汽的浓度变化的一种方法，包括步骤：提供多个换能器，每个换能器能够吸收一种测试蒸汽，并且由此改变换能器，其中选择这些换能器使得至少一个单独的换能器吸收每种测试蒸汽；以及使用动态全息术探测换能器中的变化，并且分析该变化，由此探测测试蒸汽的浓度变化。
本发明的实施例还提供了用于探测液体环境中测试吸收剂的浓度变化的一种方法，包括步骤：提供能够吸收该测试吸收剂的一种换能器并由此改变该换能器；使换能器暴露于该测试吸收剂；以及使用动态全息术探测换能器的变化，由此探测吸收剂的浓度变化。该测试吸收剂浓度的变化会导致换能器尺寸的变化、换能器折射率的变化和/或使用动态全息术能够光学探测的其它变化。
在本发明的方法中，换能器暴露于测试蒸汽和测试吸收剂时的变化可以是使用动态全息术能够光学探测的任何变化。例如，该换能器的尺寸和/或折射率可能发生变化。
例子1-换能器阵列的制造
标定阵列
在单个载波片上制造16个聚(N-乙烯吡咯烷酮)换能器的阵列，该换能器吸收水和乙醇。使用注射器手工使该聚合物溶液沉积到载波片上来制造换能器。水被用作溶剂。从CCD相机上显示的图像读出每个圆形换能器的直径约为0.4mm。
2乘2阵列
在单个载波片上制造具有两种类型的聚合物，聚(N-乙烯吡咯烷酮)和聚(乙烯共醋酸乙烯)的一个2乘2阵列。两个换能器由聚(N-乙烯吡咯烷酮)制成，吸收水和乙醇；两个换能器由聚(乙烯共醋酸乙烯)制成，吸收己烷。使用一个注射器手工使聚合物溶液沉积在该载波片上来制造换能器。环氧乙醇被用作聚(N-乙烯吡咯烷酮)的溶剂，而甲苯被用作聚(乙烯共醋酸乙烯)的溶剂。每个圆形换能器的直径约为0.7mm。
例子2-双光束耦合传感器系统
构造了与图1所示类似的一个双光束耦合传感器系统并表明了其操作。该系统约为14cm×11cm。相干光源为一个固态双频激光器，选择532nm作为工作波长(晶体激光器)。该激光器具有75mW的功率以及大约0.8～1.5mm的初始光束直径。光束整形元件用于使光束扩成5cm乘5cm的方形光束。如上所述在盖玻片上制造换能器。所述的系统能够分析多于16个元件的换能器阵列，并且应当能够分析100个元件的换能器阵列。通过使用换能器周围的一个受控的环境“室”，该蒸汽馈给系统使换能器环境与传感器系统的其它元件周围的环境隔离。一个电子阀以大约1.75Hz的“吸入”周期频率交替地提供测试蒸汽和参考蒸汽到该“室”。该光折射元件为钛酸钡晶体，耦合强度(Г)约为6.2。一个CCD相机(动态范围约为70dB)和一个光电二极管(动态范围约为100dB)都被用作探测器。该相机和光电二极管都是低噪声的。为了使机械噪声最小，干涉仪与可能产生机械振动的系统其它部分(例如阀、泵)隔离。使干涉仪隔离的一种方法是将其放在由橡胶减震器或其它减震材料支撑的一个罩中或者熟练的技术人员已知的装置上。
该系统被标定以测定光束相移与系统输出功率之间的关系。为了标定该系统，在参考光束中放入一个压电驱动的反射镜。该反射镜的平移调制光束的相位。该系统的最小可探测平移，对于大约10秒的积分时间为0.1nm，对于大约1秒的积分时间为0.45nm。
还使用上述标定传感器阵列来标定测试蒸汽的浓度与该系统的输出功率。图4显示探测器读出与乙醇蒸汽的浓度之间的关系。该标定探测器阵列可探测的最小乙醇蒸汽浓度为40ppm。同一阵列可探测的最小水蒸汽浓度为41ppm。从标准化方面来说，该探测极限还可以表示为 ppbm m 2 / Hz . 通过使聚合物在如上所述的一个密封室内固化，可以使换能器获得提高的表面质量，从而对于水蒸汽得到 8.3 ppbm m 2 / Hz 的提高的灵敏度。
使用上述的2乘2阵列测试图形识别。图5A-5C显示乙醇的响应图形(5A)、己烷的效应图形(5B)以及乙醇和己烷混合物的响应图形(5C)。在图5A-5C中，图5C中两种聚合物的响应比图5A或图5B弱，因为被测试混合物中的每种蒸汽的浓度较低。
图6显示该传感器系统对于蒸汽环境的浓度变化的响应。在图6中，该“吸入”控制信号的高电压水平表示该系统“吸入”参考蒸汽，低电压水平表示该系统“吸入”测试蒸汽。“吸入”控制信号的前部边缘处的峰值比后部边缘处的峰值高得多。这是因为当参考蒸汽进入该系统时蒸汽浓度的梯度较大。响应大小随蒸汽浓度的减少而下降。
研究了最小可探测信号与换能器面积之间的关系。聚(N-乙烯吡咯烷酮)换能器厚度为10与20微米之间。换能器在载波片上制造，每个载波片具有不同数量的换能器。该换能器使用上述手工沉积方法制造。图7显示换能器的灵敏度与面积之间的关系。由图可知，该关系看起来接近线性。测量的积分时间为一秒。
例子3-具有参考光束相位调制的双光束耦合传感器系统
对例子2的双光束耦合传感器系统进行修改，通过附加一个压电装置以驱动反射镜(70)，由此对参考光束进行相位调制。参考光束上的调制信号的幅度为1.3弧度(110nm)，频率为6.2Hz。蒸汽信号吸入周期频率约为1.4Hz。
图8显示对于具有与例子1所述类似的厚度和面积的聚(N-乙烯吡咯烷酮)换能器阵列，探测器信号作为乙醇蒸汽浓度的函数。测量的积分时间为5秒。以吸入周期频率观察探测器信号(探测器与吸入周期频率同步)。乙醇蒸汽的标准化灵敏度约为 60 ppb mm 2 / Hz .
那些普通熟练的技术人员将意识到装置元件、方法步骤和材料、本发明包含的所有已知的功能等价物都存在等价物。这里引用的所有参考在不与本公开矛盾的程度下特此并入参考。

Claims (34)

1.一种用于探测环境中测试蒸汽的浓度变化的方法，包括步骤：
a)提供能够吸收该测试蒸汽的换能器，并由此改变该换能器；
b)使换能器暴露于该测试蒸汽；以及
c)使用动态全息术探测换能器的变化，由此探测测试蒸汽的浓度变化。
2.权利要求1的方法，其中探测换能器中的变化是通过：
a)产生一个相干光源光束；
b)将该源光束分成成像光束和参考光束；
c)确定至少一个换能器的位置，使其与成像光束相互作用，其中该换能器能够吸收该测试蒸汽，由此改变该换能器；
d)在成像光束与换能器相互作用之后，使成像光束和参考光束合并，由此产生一个干涉图形；
e)使用动态全息术基于该干涉图形产生一个全息图；以及
f)读出该全息图，由此探测该测试蒸汽的浓度变化。
3.权利要求1的方法，其中探测换能器中的变化是通过：
a)产生一个相干光源光束作为第一成像光束；
b)确定至少一个换能器的位置，使其与第一成像光束相互作用，其中该换能器能够吸收该测试蒸汽，由此改变该换能器；
c)在第一成像光束与换能器相互作用之后，将第一成像光束分成第二成像光束和第三成像光束；
d)使第二成像光束和第三成像光束合并，由此产生一个干涉图形；
e)使用动态全息术基于该干涉图形产生一个全息图；以及
f)读出该全息图，由此探测该测试蒸汽的浓度变化。
4.权利要求1的方法，其中探测换能器中的变化是通过：
a)产生一个相干光源光束作为一个成像光束；
b)确定至少一个换能器的位置，使其与成像光束相互作用，其中该换能器能够吸收该测试蒸汽，由此改变该换能器；
c)在成像光束与换能器相互作用之后，使用动态全息术在一个光折射元件内产生全息图，该全息图是基于该成像光束与来自该成像光束的放大的散射光之间的相互作用；以及
d)读出该全息图，由此探测该测试蒸汽的浓度变化。
5.权利要求1的方法，包括使用动态全息术在一个光折射元件内产生全息图。
6.权利要求1的方法，包括使用动态全息术数字地产生一个全息图。
7.权利要求5的方法，进一步包括在一个探测器处读出该全息图并分析该全息读出。
8.权利要求1的方法，进一步包括使测试蒸汽和参考蒸汽交替地暴露于换能器的步骤。
9.权利要求8的方法，进一步包括使用动态全息术在一个光折射元件内产生全息图，在一个探测器处读出该全息图并分析该全息读出，以及使探测器与测试蒸汽和参考蒸汽的交替速率同步。
10.权利要求1的方法，其中该换能器是支撑在一个基底上的聚合物薄膜。
11.权利要求1的方法，进一步包括使多个换能器暴露于测试蒸汽。
12.权利要求1的方法，其中浓度变化在大约5秒内被探测。
13.权利要求1的方法，其中浓度变化在大约2秒内被探测。
14.权利要求1的方法，其中当换能器暴露于测试蒸汽时，其尺寸发生变化。
15.权利要求1的方法，其中当换能器暴露于测试蒸汽时，其折射率发生变化。
16.权利要求1的方法，其中当换能器暴露于测试蒸汽时，其尺寸和折射率发生变化。
17.一种用于探测环境中多种测试蒸汽的浓度变化的方法，包括步骤：
a)提供多个换能器，每个换能器能够吸收一种测试蒸汽，并由此改变该换能器，其中选择这些换能器使得至少一个单独的换能器吸收每种测试蒸汽；
b)使换能器暴露于该测试蒸汽；以及
c)使用动态全息术探测换能器的变化，由此探测测试蒸汽的浓度变化。
18.一种用于测定环境中的测试蒸汽的浓度的方法，包括步骤：
a)提供能够吸收该测试蒸汽的换能器，并由此改变该换能器；
b)将测试蒸汽和参考蒸汽交替地提供给换能器；以及
c)使用动态全息术探测当测试蒸汽和参考蒸汽交替时换能器的变化，由此探测测试蒸汽的浓度。
19.一种用于探测环境中测试蒸汽的浓度变化的嗅觉传感器系统，包括：
a)能够产生光束的一个相干光源；
b)与该光源保持光学联系的一个换能器，在与环境保持联系的液体中并能够响应测试蒸汽的浓度变化；
c)与该换能器保持光学联系的一个动态全息介质；以及
d)与该动态全息介质保持光学联系的一个探测器，其中至少一部分光束从光源传到换能器、从换能器传到动态全息介质以及从动态全息介质传到探测器。
20.权利要求19的传感器系统，其中所述探测器具有一个采样速率，并且进一步包括一个蒸汽馈给系统，该蒸汽馈给系统能够以交替速率将测试蒸汽和参考蒸汽交替地提供给该换能器，以及能够使探测器的采样速率与交替速率同步的一个控制设备。
21.权利要求20的传感器系统，其中该控制设备是一个锁定放大器。
22.权利要求19的传感器系统，其中该探测器包括一个CCD相机和一个光电二极管。
23.权利要求19的传感器系统，进一步包括与探测器保持电联系的分析设备。
24.权利要求19的传感器系统，该系统是便携式的。
25.权利要求19的传感器系统，其中该换能器为聚合物薄膜。
26.权利要求19的传感器系统，包括多个换能器。
27.权利要求26的传感器系统，其中至少两个换能器在构成上是不同的。
28.一种用于探测环境中测试蒸汽的浓度变化的嗅觉传感器系统，包括：
a)位于基底上的至少一个换能器，其中该换能器在与环境保持联系的液体中，并且能够响应测试蒸汽的浓度变化；
b)一个蒸汽馈给系统；
c)一个干涉仪系统，包括：
i)能够产生源光束的一个相干光源，
ii)用于将源光束分成成像光束和参考光束的一个分束器，
iii)用于使成像光束导向换能器的至少一个成像光束定向元件；
iv)在成像光束与换能器相互作用之后放在成像光束路径上的一个偏振更改元件；
v)至少一个参考光束定向元件，用于定向该参考光束，使其可以在成像光束与换能器相互作用之后与成像光束合并；
vi)在参考光束路径上的一个偏振控制元件；
d)一个光折射元件，其放置位置使得成像光束与参考光束在该光折射元件内干涉，该光折射元件能够产生一个全息图；以及
e)与该光折射元件保持光学联系的至少一个探测器。
29.权利要求28的传感器系统，其中该探测器具有一个采样速率，并且该蒸汽馈给系统能够以交替速率将测试蒸汽和参考蒸汽交替地提供给该换能器，以及进一步包括能够使探测器的采样速率与交替速率同步的控制设备。
30.权利要求29的传感器，其中该控制设备包括一个锁定放大器。
31.权利要求28的传感器，进一步包括与该探测器保持电联系的分析设备。
32.权利要求28的传感器系统，其中该探测器包括一个CCD相机和一个光电二极管。
33.权利要求2的方法，其中该参考光束被相位调制。
34.权利要求28的传感器，进一步包括一个相位调制器，放在分束器之后和光折射元件之前的参考光束路径上。
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