DE102021128445A1

DE102021128445A1 - Isolierung von fluidproben in einem optischenmehrfachdurchgangssystem

Info

Publication number: DE102021128445A1
Application number: DE102021128445.7A
Authority: DE
Inventors: Anatoliy A. Kosterev
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2020-11-03
Filing date: 2021-11-02
Publication date: 2022-05-05
Also published as: CN114441459A; US20220136962A1; CN114441459B; JP7230988B2; JP2022075596A; US11686670B2

Abstract

Hierin werden Implementierungen zur Isolierung von Spiegeln und/oder anderen potenziell anfälligen Komponenten optischer Systeme mit mehreren Durchgängen von den zu analysierenden Proben beschrieben, wobei Interferenzen und/oder eine Verringerung der optischen Leistung verringert werden. In einer Implementierung kann eine Vorrichtung umfassen: eine optische Zelle mit einem oder mehreren Durchgängen, wobei der eine oder die mehreren Durchgänge zum Einführen einer Probe in ein Inneres der optischen Zelle zur Analyse und zum Entfernen der Probe aus dem Inneren vorgesehen sind; einen ersten Spiegel mit einer ersten reflektierenden Oberfläche, die dem Inneren der optischen Zelle zugewandt ist; einen oder mehrere zusätzliche Spiegel mit einer oder mehreren entsprechenden zusätzlichen reflektierenden Oberflächen, die der ersten reflektierenden Oberfläche des ersten Spiegels zugewandt sind; und ein keilförmiges optisches Element, das zwischen dem ersten Spiegel und dem Inneren der optischen Zelle angeordnet ist.

Description

Hintergrund
Die chemische Fluidanalyse kann mit verschiedenen Arten der optischen Absorptionsspektroskopie, einschließlich der Laserabsorptionsspektroskopie, durchgeführt werden. Die Empfindlichkeit dieser Verfahren wird durch den Einsatz optischer Mehrfachdurchgangszellen verbessert. In einer optischen Zelle mit mehreren Durchgängen wird die optische Weglänge des von einer Lichtquelle wie einem Laser ausgesandten Lichts vergrößert, indem das Licht mit Hilfe von Spiegeln mehrfach durch die analysierte Probe (z. B. Gas) reflektiert wird. Mehrfachdurchgangszellen gibt es in zahlreichen Konfigurationen, z. B. als White-Zelle, Herriott-Zelle, Chernin-Zelle und Robert-Zelle, um nur einige zu nennen.
In den vorhandenen optischen Zellen mit mehreren Durchgängen sind die Spiegel aus verschiedenen Gründen direkt der zu analysierenden Probe ausgesetzt. Die direkte Einwirkung der zu analysierenden Probe auf Komponenten wie Spiegel und/oder optomechanische Komponenten, mit denen sich die Stellung der Spiegel einstellen lässt, kann jedoch verschiedene Probleme mit sich bringen. Viele Proben können korrosiv sein und/oder extreme Temperaturen aufweisen, die hochreflektierende Spiegel beschädigen können. Außerdem können sich in vielen Proben enthaltene Partikel auf den Spiegeln ablagern und/oder diese zerkratzen.
Die Positionierung herkömmlicher Schutzschichten wie optischer Fenster zwischen Spiegeln/Komponenten und der Probe kann die Lichtstrahlen ablenken und/oder verzerren und/oder optische Verluste verursachen, die die verfügbare optische Leistung während der Mehrfachdurchgänge verringern. Darüber hinaus kann die optische Strahlung, die von zusätzlichen Oberflächen innerhalb einer Zelle mit mehreren Durchgängen reflektiert wird, mit anderen Strahlen interferieren, was als „Interferenzstreifen“ bezeichnet wird und beispielsweise die Empfindlichkeit der Laserabsorptionsspektroskopie stark einschränkt.
Zusammenfassung
Hierin werden Implementierungen zur Isolierung von Spiegeln und/oder anderen optomechanischen Komponenten optischer Systeme mit mehreren Durchgängen von den zu analysierenden Proben beschrieben, wobei Interferenzen und/oder eine Verringerung der optischen Leistung verringert werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine optische Zelle mit einem oder mehreren optischen Elementen, wie z. B. optischen Fenstern, versehen sein. In einigen Fällen können zwei optische Elemente an gegenüberliegenden Enden der optischen Zelle eingesetzt werden. Die optischen Elemente können aus einem Material wie Glas oder einem klaren Polymer bestehen, das den Durchgang von Licht ermöglicht, und in einigen Fällen ganz oder teilweise mit einem Antireflexmaterial beschichtet sein.
Wie bereits angesprochen, können planare optische Elemente, die im rechten Winkel zur hermetischen Abdichtung der optischen Zellen eingesetzt werden, mehrere unerwünschte reflektierte Strahlen erzeugen, die sich in dieselbe Richtung wie die Primärstrahlen ausbreiten. Die Überschneidung solcher unerwünschten Reflexionen mit den Primärstrahlen ist eine bekannte Ursache für die Grundlinienmodulation (Interferenzstreifen), die die Empfindlichkeit der Absorptionsspektroskopie einschränkt. Um solche unerwünschten Effekte zu vermeiden, können die optischen Elemente (hierin manchmal als „Fenster“ bezeichnet), die die optische Zelle verschließen, keilförmig und zusätzlich zur optischen Achse des Systems geneigt sein. Jedes der keilförmigen, geneigten optischen Elemente führt zu einer Verschiebung und Winkelabweichung der einfallenden Strahlen. Die richtige Ausrichtung von zwei solchen Elementen führt jedoch zu einer fast vollständigen Aufhebung der optischen Verschiebung und Abweichung. Die Auslöschung ist am effizientesten bei planarer Ausbreitung aller Strahlen. Daher kann die Konfiguration der White-Zelle mit nahezu planarer optischer Geometrie in einigen Anwendungen gegenüber anderen Konfigurationen, wie z. B. einer Herriott-Zelle, bevorzugt sein.
Eine Lichtquelle kann vorgesehen werden, um Licht zu emittieren, das durch eines der keilförmigen optischen Elemente, durch das Innere der optischen Zelle und zu einem von möglicherweise mehreren Spiegeln - manchmal auch als „Objektiv“-Spiegel bezeichnet - auf einer gegenüberliegenden Seite der optischen Zelle gelangt. Die Lichtquelle kann verschiedene Formen annehmen und verschiedene Arten von Licht oder allgemeiner elektromagnetische Strahlung aussenden, die für das menschliche Auge sichtbar sein kann oder auch nicht. In einigen Fällen kann die Lichtquelle kohärentes Licht aussenden und die Form eines Lasers annehmen. In anderen Fällen strahlt die Lichtquelle inkohärentes Licht aus. Das inkohärente Licht kann mit Hilfe eines oder mehrerer optischer Elemente, wie Linsen und/oder Spiegel, in die optische Mehrfachdurchgangszelle eingekoppelt werden. In jedem Fall kann dieser kohärente oder fokussierte Lichtstrahl vom Objektivspiegel auf einen anderen Spiegel reflektiert werden, der wiederum das Licht auf einen anderen Objektivspiegel reflektieren kann (auch als Feldspiegel bezeichnet). Dieser Vorgang kann mehrfach wiederholt werden, wobei jede Wiederholung den gesamten optischen Weg und damit die Genauigkeit des optischen Systems mit mehreren Durchgängen verlängert.
Ein Lichtdetektor, z. B. eine Fotodiode, kann ebenfalls eingesetzt werden, um das aus der optischen Zelle austretende Licht zu erfassen. Dieses detektierte Licht kann analysiert werden, um eine Vielzahl verschiedener Eigenschaften der Probe zu bestimmen, wie z. B. ihre Reaktivität gegenüber verschiedenen Wellenlängen des Lichts, die Dichte und/oder andere Attribute der in der Probe enthaltenen Stoffe usw. Das detektierte Licht kann von einem Spiegel des optischen Mehrfachdurchgangsystems reflektiert werden. So kann beispielsweise eine in der Nähe des Feldspiegels angeordnete Fotodiode das von einem der Objektivspiegel durch die optische Zelle (einschließlich der gegenüberliegenden keilförmigen optischen Elemente) reflektierte Licht erfassen.
Die hierin beschriebenen Lichtbündel und Spiegel können selbst bei geringfügigen Abweichungen von der genauen Ausrichtung unempfindlich sein. Beispielsweise müssen Lichtstrahlen, die von Objektivspiegeln reflektiert werden, den Feldspiegel an präzisen Punkten erreichen; andernfalls werden die Lichtstrahlen vom Feldspiegel möglicherweise nicht in den richtigen Richtungen reflektiert. Dementsprechend werden hierin in einem anderen Aspekt Implementierungen beschrieben, die sich auf eine Schablone beziehen, die eine Vielzahl von Öffnungen zum Ausrichten von Lichtstrahlen, die von Objektivspiegeln reflektiert werden, auf gewünschte Punkte auf einem Feldspiegel enthält. Eine Schablone, die mit ausgewählten Aspekten der vorliegenden Offenbarung konfiguriert ist, kann so geformt und/oder bemessen sein, dass sie genau in eine komplementäre Struktur eingepasst werden kann, die mit einem optischen Mehrfachdurchgangssystem verbunden ist. Beispielsweise kann das optische System mit mehreren Durchgängen eine Ausrichtungsschiene oder -vertiefung enthalten, und die Schablone kann eine Verlängerung oder einen Vorsprung aufweisen, der so bemessen und geformt ist, dass er in die Ausrichtungsschiene/-vertiefung passt. Nach der Ausrichtung können die Öffnungen der Schablone mit den Stellen auf dem Feldspiegel ausgerichtet werden, auf die das von den Objektivspiegeln reflektierte Licht auftreffen soll.
In verschiedenen Ausführungsformen kann ein optisches System mit mehreren Durchgängen umfassen: eine hermetisch verschlossene optische Zelle zur Aufnahme einer Fluidprobe für die optische Mehrfachdurchgangsanalyse; zwei gegenüberliegende keilförmige optische Elemente, die an gegenüberliegenden Enden der optischen Zelle angeordnet sind; einen Feldspiegel mit einer ersten konkaven reflektierenden Oberfläche, die dem Inneren der optischen Zelle zugewandt ist; eine Vielzahl von Objektivspiegeln, jeder mit einer entsprechenden konkaven reflektierenden Oberfläche, die der ersten konkaven reflektierenden Oberfläche des Feldspiegels zugewandt ist; eine Lichtquelle, um Licht durch die optische Zelle in Richtung der konkaven reflektierenden Oberfläche eines der Vielzahl von Objektivspiegeln zu emittieren; und einen Lichtdetektor, um das von der konkaven reflektierenden Oberfläche eines anderen der Vielzahl von Objektivspiegeln reflektierte Licht zu erfassen.
In verschiedenen Ausführungsformen können die beiden gegenüberliegenden keilförmigen optischen Elemente in nicht parallelen Winkeln zum Feldspiegel und zu den mehreren Objektivspiegeln angeordnet sein. In verschiedenen Ausführungsformen können die Winkel zwischen 0° und 4° liegen, beispielsweise zwischen 1 und 3. In verschiedenen Ausführungsformen kann jedes der keilförmigen optischen Elemente in einem Winkel zwischen 0° und 4° verjüngt sein, beispielsweise im Bereich von 0,5° bis 3°.
In verschiedenen Ausführungsformen ist jedes der beiden gegenüberliegenden keilförmigen optischen Elemente von einem dickeren Ende zu einem dünneren Ende hin verjüngt. Das dickere Ende eines der gegenüberliegenden keilförmigen optischen Elemente kann über die optische Zelle mit dem dünneren Ende des anderen der gegenüberliegenden keilförmigen optischen Elemente ausgerichtet werden.
In einem anderen Aspekt kann eine Vorrichtung Folgendes umfassen: eine optische Zelle mit einem oder mehreren Durchgängen, wobei der eine oder die mehreren Durchgänge zum Einführen einer Probe in ein Inneres der optischen Zelle zur Analyse und zum Entfernen der Probe aus dem Inneren vorgesehen sind; einen ersten Spiegel mit einer ersten reflektierenden Oberfläche, die dem Inneren der optischen Zelle zugewandt ist; einen oder mehrere zusätzliche Spiegel mit einer oder mehreren entsprechenden zusätzlichen reflektierenden Oberflächen, die der ersten reflektierenden Oberfläche des ersten Spiegels zugewandt sind; und ein keilförmiges optisches Element, das zwischen dem ersten Spiegel und dem Inneren der optischen Zelle angeordnet ist.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das keilförmige optische Element das Innere der optischen Zelle an einem Ende hermetisch abschließen. In verschiedenen Ausführungsformen ist das keilförmige optische Element zumindest teilweise mit einem Antireflexionsmaterial beschichtet. In verschiedenen Ausführungsformen kann das keilförmige optische Element in einem nicht parallelen Winkel zum ersten Spiegel angeordnet sein. In verschiedenen Ausführungsformen liegt der Winkel zwischen 0° und 4°, beispielsweise im Bereich von 1° bis 3°. In verschiedenen Ausführungsformen ist das keilförmige optische Element in einem Winkel zwischen 0° und 4° verjüngt, beispielsweise im Bereich von 0,5° bis 3°.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das keilförmige optische Element ein erstes keilförmiges optisches Element sein, und die Vorrichtung kann ferner ein zweites keilförmiges optisches Element umfassen, das zwischen dem einen oder den mehreren zusätzlichen Spiegeln und dem Inneren der optischen Zelle angeordnet ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann das zweite keilförmige optische Element in einem nicht parallelen Winkel zu dem einen oder den mehreren zusätzlichen Spiegeln angeordnet sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Winkel ein erster Winkel sein, das erste keilförmige optische Element kann in einem zweiten Winkel relativ zum ersten Spiegel angeordnet sein, und der erste und der zweite Winkel können im Wesentlichen kongruent sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das zweite keilförmige optische Element das Innere der optischen Zelle an einem Ende hermetisch abschließen. In verschiedenen Ausführungsformen kann jedes der ersten und zweiten keilförmigen optischen Elemente von einem dickeren Ende zu einem dünneren Ende hin verjüngt sein. Das dickere Ende des ersten keilförmigen optischen Elements kann quer zur optischen Zelle mit dem dünneren Ende des zweiten keilförmigen optischen Elements ausgerichtet sein. Das dünnere Ende des ersten keilförmigen optischen Elements kann über der optischen Zelle mit dem dickeren Ende des zweiten keilförmigen optischen Elements ausgerichtet sein.
In einem weiteren Aspekt kann ein Verfahren umfassen: Erregen einer Lichtquelle, um einen Lichtstrahl durch ein erstes keilförmiges optisches Element in das Innere einer optischen Zelle, die eine Fluidprobe enthält, und durch ein gegenüberliegendes zweites keilförmiges optisches Element zu einem ersten Spiegel auf einer dem ersten keilförmigen optischen Element gegenüberliegenden Seite der optischen Zelle zu emittieren; Erfassen eines reflektierten Lichtstrahls an einer Fotodiode, der von einem zweiten Spiegel auf der dem ersten keilförmigen Element gegenüberliegenden Seite der optischen Zelle reflektiert wird, wobei der reflektierte Lichtstrahl durch das zweite keilförmige optische Element, das Innere der optischen Zelle und das erste keilförmige optische Element hindurchgeht; und Analysieren des reflektierten Lichtstrahls, um eine Eigenschaft der Fluidprobe zu ermitteln.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner die Kalibrierung eines dritten Spiegels unter Verwendung einer Schablone mit einer Vielzahl von Öffnungen umfassen. In verschiedenen Implementierungen sind der erste und der zweite Spiegel Objektivspiegel und der dritte Spiegel ist ein Feldspiegel. In verschiedenen Implementierungen kann das Kalibrieren das Ausrichten der Vielzahl von Öffnungen mit Punkten auf dem Feldspiegel beinhalten, die von den Lichtstrahlen erreicht werden, die von den Objektivspiegeln reflektiert werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass alle Kombinationen der vorstehenden Konzepte und zusätzliche Konzepte, die hierin ausführlicher beschrieben werden, als Teil des hierin offengelegten Gegenstands betrachtet werden. Zum Beispiel werden alle Kombinationen der beanspruchten Gegenstände, die am Ende dieser Offenbarung erscheinen, als Teil des hierin offengelegten Gegenstandes betrachtet.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein Beispiel für ein optisches Mehrfachdurchgangssystem, in dem ausgewählte Aspekte der vorliegenden Offenbarung in Übereinstimmung mit verschiedenen Implementierungen verwendet werden können.
Die 2A, 2B, 2C und 2D zeigen ein Beispiel für eine Schablone, die zur Ausrichtung von Komponenten eines Mehrfachdurchgangssystems in Übereinstimmung mit verschiedenen Implementierungen verwendet werden kann.
3 ist ein Flussdiagramm eines Beispielverfahrens in Übereinstimmung mit verschiedenen hierin beschriebenen Implementierungen.

Detaillierte Beschreibung
1 zeigt schematisch ein Beispiel für ein optisches Mehrfachdurchgangssystem 100, in dem ausgewählte Aspekte der vorliegenden Offenbarung in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden können. Die in 1 dargestellten Komponenten sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Verschiedene Komponentengrößen und räumliche Beziehungen zwischen verschiedenen Komponenten (z. B. Winkel) sind zu Illustrationszwecken übertrieben dargestellt.
Das optische Mehrfachdurchgangssystem 100 umfasst eine optische Zelle 102, die so konfiguriert ist, dass sie eine Fluidprobe 104 für eine optische Mehrfachdurchgangs-Analyse aufnehmen kann, und die eine oder mehrere Wände 103 umfasst, die einen Innenraum 106 definieren. Eine oder mehrere Wände 103 können je nach Form der optischen Zelle 102 verschiedene Formen annehmen. In 1 kann die optische Zelle 102 beispielsweise eine zylindrische Form haben (im Querschnitt von 1 dargestellt) und daher eine einzige Wand 103 aufweisen. In anderen Ausführungsformen, in denen die optische Zelle 102 andere Formen hat, kann es mehr als eine Wand 103 geben.
Wie hierin verwendet, bezieht sich eine „Fluidprobe“ auf jedes Fluid, ob in fluider oder gasförmiger Form. In verschiedenen Ausführungsformen kann die optische Zelle 102 hermetisch verschlossen sein, z. B. durch eine oder mehrere Wände 103 und/oder durch andere hierin beschriebene Elemente, so dass die Fluidprobe 104 nur an ausgewählten Stellen aus dem Innenraum 106 entweichen kann. Beispielsweise kann die optische Zelle 102 einen oder mehrere Durchgänge 108A, 108B durch die Wand/Wände 103 enthalten, die ausgewählte Stellen sind, die zum Einführen der Fluidprobe 104 in den Innenraum 106 der optischen Zelle 102 zur Analyse und zum Entfernen (z. B. Spülen mit Inertgas wie Stickstoff) der Fluidprobe 104 aus dem Innenraum 106 vorgesehen sind. In 1 dient der erste Durchgang 108A zum Einführen der Fluidprobe 104 in den Innenraum 106 und der zweite Durchgang 108B zum Entfernen der Fluidprobe 104 aus dem Innenraum 106, was jedoch nicht als Einschränkung zu verstehen ist. Die Durchgänge 108A, 108B können verschiedene Formen annehmen, wie z. B. Ventile, die betätigt werden können, um den Durchfluss von Fluid in den/aus dem Innenraum 106 zu ermöglichen und/oder zu verhindern.
Das optische Mehrfachdurchgangssystem 100 kann auch ein oder mehrere gegenüberliegende keilförmige optische Elemente 110A, 110B enthalten, die an gegenüberliegenden Enden der optischen Zelle 102 angeordnet sind. Jedes keilförmige optische Element 110 kann auf einer oder beiden Seiten verjüngt sein. In 1 sind beide keilförmigen optischen Elemente 110A, 110B auf einer Seite unter einem Winkel β verjüngt, was jedoch nicht als Einschränkung zu verstehen ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Winkel β verschiedene Größenordnungen haben, z. B. zwischen 0° und 4°. Zum Beispiel kann der Winkel β zwischen 1° und 3° oder 2° und 3° liegen. In einigen Ausführungsformen schließen die keilförmigen optischen Elemente 110A, 110B den Innenraum 106 der optischen Zelle 102 an einem oder beiden Enden hermetisch ab. In einigen Ausführungsformen können die keilförmigen optischen Elemente 110A, 110B zumindest teilweise mit einem antireflektierenden Material beschichtet sein, z. B. mit einer Folie mit abwechselnden Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex.
Die Logik 101 kann mit einer Lichtquelle 112 und einem Lichtdetektor 121 versehen und funktionsfähig gekoppelt sein. Die Logik 101 kann verschiedene Formen annehmen, wie z. B. einen oder mehrere Prozessoren, die in einem (nicht dargestellten) Speicher gespeicherte Anweisungen (vorübergehend und/oder nicht vorübergehend) ausführen, um die Fluidprobe 104 zu analysieren, um eine oder mehrere Eigenschaften der Fluidprobe 104 zu ermitteln. Zum Beispiel können Lichtstrahlen, die aus dem Inneren 106 der optischen Zelle 102 reflektiert werden, von der Logik 101 unter Verwendung von Techniken wie der optischen Absorptionsspektroskopie, einschließlich der Laserabsorptionsspektroskopie, analysiert werden. In einigen Ausführungsformen kann die Logik 101 analoge Front-Ends enthalten, wie einen Laser- oder LED-Treiber für die Lichtquelle 112 und einen Verstärker für den Lichtdetektor 121. Die Logik 101 kann in anderen Ausführungen auch andere Formen annehmen, z. B. eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) und/oder ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA).
Das optische Mehrfachdurchgangsystem 100 kann auch verschiedene Anordnungen von Spiegeln unterschiedlicher Größe und Form umfassen. Die Spiegel können relativ zueinander so angeordnet werden, dass das von der Lichtquelle 112 ausgesandte Licht mehrfach in den Innenraum 106 der optischen Zelle 102 reflektiert wird. Infolgedessen wird der optische Weg des Lichts, das durch die Fluidprobe 104 geleitet wird, um das/die Merkmal(e) der Fluidprobe 104 festzustellen, vergrößert, wodurch die Empfindlichkeit für optische Absorption erhöht wird. Die Lichtquelle 112 kann verschiedene Formen annehmen, wie beispielsweise die in 1 dargestellte Leuchtdiode (LED). Die Lichtquelle 112 kann kohärentes oder inkohärentes Licht emittieren. Im ersten Fall kann die Lichtquelle 112 die Form einer Laserquelle oder eines Lichtwellenleiters annehmen, der Laserlicht liefert, das von einer externen Laserquelle emittiert wird. In jedem Fall können ein oder mehrere zusätzliche optische Elemente, wie z. B. Linsen und Spiegel (nicht abgebildet), vorgesehen sein, um das von der Lichtquelle 112 emittierte Licht in die Mehrfachdurchgangs-Konfiguration einzukoppeln. Der Lichtdetektor 121 kann lichtsammelnde Optiken wie eine oder mehrere Linsen und/oder Spiegel (nicht abgebildet) enthalten.
In 1 hat die optische Zelle 102 die Form einer White-Zelle. Dementsprechend umfassen die Spiegel des optischen Mehrfachdurchgangsystems 100 an einem Ende der optischen Zelle 102 einen Feldspiegel 114 mit einer ersten konkaven reflektierenden Oberfläche 116, die dem Inneren der optischen Zelle zugewandt ist. Mehrere (z. B. zwei) Objektivspiegel 118A, 118B werden an einem gegenüberliegenden Ende der optischen Zelle 102 eingesetzt. Die Objektivspiegel 118A, 118B können jeweils konkave reflektierende Oberflächen 120A, 120B aufweisen, die der ersten konkaven reflektierenden Oberfläche 116 des Feldspiegels 114 zugewandt sind. 1 ist nicht als einschränkend zu verstehen, und die hierin beschriebenen Implementierungen sind nicht auf optische Zellen des Typs White-Zelle beschränkt.
In einigen Ausführungsformen kann der Krümmungsradius des Feldspiegels 114 und der Objektivspiegel 118A, 118B sowie der Abstand zwischen dem Feldspiegel 114 und den Objektivspiegeln 118A, 118B zwischen 100 und 1.500 mm, beispielsweise 1.000 mm, betragen. In einigen Ausführungsformen kann der Feldspiegel 114 einen Durchmesser zwischen 0,5" und 2", z. B. 1,0", haben. In einigen Ausführungsformen können die Objektivspiegel 118A, 118B einen Durchmesser zwischen 0,25" und 1,0", z. B. 0,5", haben.
Die Lichtquelle 112 kann so positioniert und/oder ausgerichtet werden, dass sie, wenn sie (z. B. durch die Logik 101) aktiviert wird, Licht durch die optische Zelle 102 in Richtung einer konkaven Reflexionsfläche 120B des Objektivspiegels 118B aussendet. Wie die gestrichelten Pfeile zeigen, wird dieses Licht wiederholt zwischen dem Feldspiegel 114 und den Objektivspiegeln 118A, 118B hin und her reflektiert. Es wird darauf hingewiesen, dass die in 1 dargestellte Anzahl von Reflexionen nur ein Beispiel ist und dass mehr oder weniger Reflexionen des Lichts auftreten können. Schließlich kann ein Lichtdetektor 121 das von der konkaven Reflexionsfläche 120A des Objektivspiegels 118A reflektierte Licht erfassen. Bei dem Lichtdetektor 121 kann es sich um einen Fotodetektor verschiedener Formen handeln, beispielsweise um eine Fotodiode.
Wie bereits erwähnt, könnten planare optische Elemente, wenn sie im rechten Winkel an gegenüberliegenden Seiten der optischen Zelle 102 angeordnet wären, mehrere unerwünschte reflektierte Strahlen erzeugen, die sich in dieselbe Richtung ausbreiten wie die von der Lichtquelle 112 ausgesandten Primärstrahlen. Dementsprechend können in verschiedenen Ausführungsformen die keilförmigen optischen Elemente 110A, 110B nicht nur keilförmig sein, sondern auch geringfügig gegenüber einer Längsachse 113 der optischen Zelle 102 geneigt sein. In 1 sind beispielsweise beide keilförmigen optischen Elemente 110A, 110B in nicht parallelen und im Wesentlichen kongruenten Winkeln α relativ zum Feldspiegel 114 (und relativ zu den Objektivspiegeln 118A, 118B) angeordnet. In einigen Ausführungsformen kann der Winkel α zwischen 0,5° und 4° liegen, beispielsweise bei 3°. Und in einigen Ausführungsformen kann der Winkel β zwischen 0,5° und 3°, z. B. 1,5°, liegen.
Aufgrund ihrer verjüngten Form ist jedes der keilförmigen optischen Elemente 110A und 110B von einem dickeren Ende 122A, 122B zu einem dünneren Ende 124A, 124B verjüngt. In verschiedenen Ausführungsformen kann das dickere Ende 122A des ersten keilförmigen optischen Elements 110A quer zur optischen Zelle 102 mit dem dünneren Ende 124B des zweiten keilförmigen optischen Elements 110B ausgerichtet sein. Ebenso kann das dünnere Ende 124A des ersten keilförmigen optischen Elements 110A quer zur optischen Zelle 102 mit dem dickeren Ende 122B des zweiten keilförmigen optischen Elements ausgerichtet werden.
Die Ausrichtung und/oder Verjüngung der keilförmigen optischen Elemente 110A, 110B relativ zueinander und zu anderen Komponenten des optischen Mehrfachdurchgangssystems 100 kann eine Kompensation erster Ordnung für die Verschiebung und/oder Abweichung des Lichts gewährleisten, die andernfalls auftreten würde. Insbesondere führen die keilförmigen optischen Elemente 110A, 110B, wenn sie wie in 1 dargestellt ausgerichtet sind, zu minimalen Störungen bei der Ausbreitung des von der Lichtquelle 112 ausgestrahlten Lichts.
Wie bereits erwähnt, kann die Fluidprobe 104 Eigenschaften wie Temperatur, Partikel, Säuregehalt usw. aufweisen, die den Feldspiegel 114 und die Objektivspiegel 118A, 118B und/oder andere optomechanische Komponenten, die z. B. zur Einstellung des Feldspiegels 114 und/oder der Objektivspiegel 118A, 118B verwendet werden können, korrodieren oder anderweitig beschädigen würden. Die keilförmigen optischen Elemente 110A und 110B können eingesetzt werden, um den Feldspiegel 114 und/oder die Objektivspiegel 118A, 118B vom Innenraum 106 der optischen Zelle 102 zu isolieren, z. B. durch hermetische Abdichtung der optischen Zelle 102. Dementsprechend können die keilförmigen optischen Elemente 110A, 110B den Feldspiegel 114 und/oder die Objektivspiegel 118A, 118B vor Schäden schützen, die andernfalls durch den Kontakt mit der Fluidprobe 104 entstehen würden.
Wie bereits erwähnt, können die Komponenten des optischen Mehrfachdurchgangssystems 100, wie die Spiegel 114, 118A und 118B, selbst bei geringfügigen Abweichungen von der genauen Ausrichtung unempfindlich sein. Beispielsweise müssen Lichtstrahlen, die von den Objektivspiegeln reflektiert werden, den Feldspiegel 114 an präzisen Punkten erreichen; andernfalls werden die Lichtstrahlen möglicherweise nicht in geeigneter Weise vom Feldspiegel 114 reflektiert (z. B. kehrt die reflektierte Strahlung möglicherweise nicht zum gewünschten Objektivspiegel 118 zurück, oder die Gesamtzahl der Durchläufe weicht möglicherweise von der beabsichtigten Zahl ab). Dementsprechend werden hierin in einem anderen Aspekt Implementierungen beschrieben, die sich auf eine Schablone beziehen, die eine Vielzahl von Öffnungen zum Ausrichten von Lichtstrahlen enthält, die von Objektivspiegeln zu gewünschten Punkten auf einem Feldspiegel reflektiert werden.
Die 2A-2C zeigen Ansichten einer Beispielschablone 230 aus verschiedenen Perspektiven. 2A ist eine perspektivische Ansicht der Vorderseite der Schablone 230 und 2B ist eine Vorderansicht. 2C ist eine perspektivische Ansicht der Rückseite der Schablone 230. Die Schablone 230 hat einen Vorsprung 232, der die Handhabung erleichtert. Die Form der Schablone 230, insbesondere ihre Seiten, kann so gestaltet sein, dass sie mit einer Spiegelhalterung (nicht abgebildet) für eine genau definierte Positionierung vor dem Feldspiegel 114 zusammenpasst, so dass eine Vielzahl von Öffnungen 234 (von denen nicht alle beschriftet sind) der Schablone 230 mit geeigneten Stellen auf der konkaven reflektierenden Oberfläche 116 des Feldspiegels 114 ausgerichtet sind.
In einigen Ausführungsformen, wie z. B. der in den 2A-C dargestellten, sind zwei zusätzliche „Durchgangsöffnungen“ 236, 238 nicht mit den Positionen des Feldspiegels 114 ausgerichtet. Stattdessen kann eine der Durchgangsöffnungen 236 und 238 vorgesehen sein, damit das von der Lichtquelle 112 emittierte Licht durchgelassen werden kann, z. B. in Richtung einer reflektierenden Oberfläche 120 eines Objektivspiegels 118. Die andere der Durchgangsöffnungen 236 und 238 kann vorgesehen werden, um zu ermöglichen, dass von einer reflektierenden Oberfläche 120 eines Objektivspiegels 118 reflektiertes Licht zum Lichtdetektor 121 durchgelassen wird.
2D zeigt schematisch im Querschnitt ein Beispiel dafür, wie die Schablone 230 verwendet werden kann, um die Komponenten des optischen Mehrfachdurchgangsystems 100 auszurichten. Das von der Lichtquelle 112 emittierte Licht kann zunächst durch die Öffnung 236 gelangen. Obwohl in 2D nicht dargestellt, kann dieser Lichtstrahl, wie in 1 gezeigt, als nächstes das erste keilförmige optische Element 110A und den Innenraum 106 der optischen Zelle 102 passieren. Der Lichtstrahl verlässt das Innere 106 der optischen Zelle 102 durch das zweite keilförmige optische Element 110B in Richtung der reflektierenden Oberfläche 120B des Objektivspiegels 118B auf der gegenüberliegenden Seite der optischen Zelle 102.
Anschließend wird der Lichtstrahl einige Male zwischen der konkaven Reflexionsfläche 116 des Feldspiegels 114 und den konkaven Reflexionsflächen 120A, 120B der Objektivspiegel 118A, 118B reflektiert. Schließlich kann der Lichtstrahl durch die Öffnung 238 zum Lichtdetektor 121 gelangen, wie in 2D dargestellt. Um sicherzustellen, dass der Feldspiegel 114, die Objektivspiegel 118A, 118B und/oder andere Komponenten des optischen Mehrfachdurchgangssystems 100 richtig ausgerichtet sind, kann die Schablone 230 wie in 2D gezeigt platziert werden, um sicherzustellen, dass der Lichtdetektor 121 das von der Lichtquelle 112 stammende Licht erfasst. Die Schablone 230 selbst darf nicht reflektierend sein. Wenn die reflektierten Lichtstrahlen im Inneren 106 der optischen Zelle 102 nicht mit den Öffnungen 234-238 ausgerichtet sind - was der Fall wäre, wenn der Feldspiegel 114 und/oder die Objektivspiegel 118A, 118B falsch ausgerichtet wären - würde folglich nur wenig oder kein reflektiertes Licht den Lichtdetektor 121 erreichen.
In verschiedenen Ausführungen der Konfiguration der White-Zelle ist die Anzahl der Durchgänge des Lichtstrahls zwischen den Spiegeln 114, 118A, 118B und durch die Fluidprobe 104 ein Vielfaches von vier. In einigen Ausführungsformen, in denen die Schablone 230 verwendet wird, kann die Anzahl der Durchgänge 4n betragen, wobei n die Anzahl der Öffnungen 234 in der unteren Reihe ist. In den 2A-B sind acht Öffnungen 234 in der unteren Reihe dargestellt. Dementsprechend durchläuft das von der Lichtquelle 112 emittierte Licht die Fluidprobe zweiunddreißig Mal. Dies ist jedoch nicht als Einschränkung zu verstehen, und die Schablone 230 kann mit einer anderen Anzahl von Öffnungen 234 konfiguriert werden, wenn mehr oder weniger Durchgänge des Lichts durch die Fluidprobe 104 gewünscht werden.
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Beispielverfahrens 300 zur Durchführung ausgewählter Aspekte der vorliegenden Offenbarung. Andere Implementierungen können zusätzliche Vorgänge als die in 3 dargestellten umfassen, können den/die Schritt(e) von 3 in einer anderen Reihenfolge und/oder parallel durchführen und/oder einen oder mehrere der Vorgänge von 3 auslassen.
In Block 302 kann eine Lichtquelle wie die Lichtquelle 112 z.B. durch die Logik 101 erregt werden, um einen Lichtstrahl durch ein erstes keilförmiges optisches Element (z.B. 118A) in das Innere (z.B. 106) einer optischen Zelle (z.B. 102), die eine Fluidprobe (z.B. 104) enthält, und durch ein gegenüberliegendes zweites keilförmiges optisches Element (z.B. 118B) zu einem ersten Spiegel (z.B. 118B) auf einer dem ersten keilförmigen Element gegenüberliegenden Seite der optischen Zelle zu emittieren. Wie bereits erwähnt, kann dieser Lichtstrahl zwischen Spiegeln wie dem Feldspiegel 114 auf der einen Seite und den Objektivspiegeln 118A, 118B auf der anderen Seite durch die Fluidprobe 104 einige Male (z. B. ein Vielfaches von vier) reflektiert werden.
In Block 304 kann ein reflektierter Lichtstrahl an einer Fotodiode (z. B. 121) erfasst werden. Der Strahl kann von einem zweiten Spiegel (z. B. 118A) reflektiert worden sein, der sich auf der dem ersten keilförmigen optischen Element gegenüberliegenden Seite der optischen Zelle befindet. In verschiedenen Ausführungsformen kann der reflektierte Lichtstrahl auf seinem Weg zur Fotodiode das zweite keilförmige optische Element (110B), das Innere (106) der optischen Zelle (102) und das erste keilförmige optische Element (110A) durchlaufen.
In Block 306 kann der reflektierte Lichtstrahl analysiert werden, um eine Eigenschaft der Fluidprobe zu ermitteln. Der reflektierte Lichtstrahl kann z. B. von der Logik 101 mit Techniken wie der optischen Absorptionsspektroskopie, einschließlich der Laserabsorptionsspektroskopie, analysiert werden.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren 300 ferner das Kalibrieren eines dritten Spiegels (z. B. Feldspiegel 114) unter Verwendung einer Schablone (z. B. 230) umfassen, die eine Vielzahl von Öffnungen (z. B. 234) enthält, z. B. wie in 2D abgebildet. In einigen derartigen Implementierungen kann das Kalibrieren das Ausrichten der Vielzahl von Öffnungen mit Punkten auf dem dritten Spiegel (z. B. 114) umfassen, die von Lichtstrahlen erreicht werden, die von den ersten und zweiten Spiegeln (z. B. 118A, 118B) reflektiert werden.
Obwohl hierin mehrere Implementierungen beschrieben und illustriert wurden, kann eine Vielzahl anderer Mittel und/oder Strukturen zur Ausführung der Funktion und/oder zur Erzielung der Ergebnisse und/oder eines oder mehrerer der hierin beschriebenen Vorteile verwendet werden, und jede dieser Variationen und/oder Modifikationen wird als im Rahmen der hierin beschriebenen Implementierungen liegend betrachtet. Im Allgemeinen sind alle hierin beschriebenen Parameter, Abmessungen, Materialien und Konfigurationen als beispielhaft zu verstehen, und die tatsächlichen Parameter, Abmessungen, Materialien und/oder Konfigurationen hängen von der spezifischen Anwendung oder den spezifischen Anwendungen ab, für die die Lehren verwendet werden. Der Fachmann erkennt oder kann durch routinemäßiges Experimentieren viele Äquivalente zu den hierin beschriebenen spezifischen Implementierungen feststellen. Es versteht sich daher von selbst, dass die vorstehenden Ausführungen nur beispielhaft dargestellt sind und dass im Rahmen der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente die Ausführungen anders als spezifisch beschrieben und beansprucht praktiziert werden können. Implementierungen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf jedes einzelne hierin beschriebene Merkmal, System, Artikel, Material, Kit und/oder Verfahren. Darüber hinaus ist jede Kombination von zwei oder mehr solcher Merkmale, Systeme, Artikel, Materialien, Kits und/oder Methoden, wenn diese Merkmale, Systeme, Artikel, Materialien, Kits und/oder Methoden nicht gegenseitig widersprüchlich sind, im Rahmen der vorliegenden Offenbarung enthalten.

Claims

Ein optisches Mehrfachdurchgangssystem, aufweisend: eine hermetisch verschlossene optische Zelle zur Aufnahme einer Fluidprobe für eine optische Analyse in mehreren Durchgängen; zwei gegenüberliegende keilförmige optische Elemente, die an gegenüberliegenden Enden der optischen Zelle angeordnet sind; einen Feldspiegel mit einer ersten konkaven reflektierenden Oberfläche, die dem Inneren der optischen Zelle zugewandt ist; eine Vielzahl von Obj ektivspiegeln, jeder mit einer entsprechenden konkaven reflektierenden Oberfläche, die der ersten konkaven reflektierenden Oberfläche des Feldspiegels gegenüberliegt; eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht durch die optische Zelle in Richtung der konkaven reflektierenden Oberfläche eines der mehreren Objektivspiegel; und einen Lichtdetektor zum Erfassen von Licht, das von der konkaven reflektierenden Oberfläche eines anderen der mehreren Objektivspiegel reflektiert wird.
Das optische Mehrfachdurchgangssystem nach Anspruch 1, wobei die beiden gegenüberliegenden keilförmigen optischen Elemente in nicht parallelen Winkeln zu dem Feldspiegel und der Vielzahl von Objektivspiegeln angeordnet sind.
Das optische Mehrfachdurchgangssystem nach Anspruch 2, wobei die Winkel zwischen 0° und 4° liegen.
Das optische Mehrfachdurchgangssystem nach Anspruch 1, wobei jedes der beiden keilförmigen optischen Elemente in einem Winkel zwischen 0° und 4° verjüngt ist.
Das optische Mehrfachdurchgangssystem nach Anspruch 1, wobei jedes der beiden gegenüberliegenden keilförmigen optischen Elemente sich von einem dickeren Ende zu einem dünneren Ende hin verjüngt, wobei das dickere Ende eines der beiden gegenüberliegenden keilförmigen optischen Elemente quer zur optischen Zelle mit dem dünneren Ende des anderen der beiden gegenüberliegenden keilförmigen optischen Elemente ausgerichtet ist.
Eine Vorrichtung, die Folgendes umfasst: eine optische Zelle mit einem oder mehreren Durchgängen, wobei der eine oder die mehreren Durchgänge zum Einführen einer Probe in das Innere der optischen Zelle zur Analyse und zum Entfernen der Probe aus dem Inneren vorgesehen sind; einen ersten Spiegel mit einer ersten reflektierenden Oberfläche, die dem Inneren der optischen Zelle zugewandt ist; einem oder mehreren zusätzlichen Spiegeln mit einer oder mehreren entsprechenden zusätzlichen reflektierenden Oberflächen, die der ersten reflektierenden Oberfläche des ersten Spiegels gegenüberliegen; und ein keilförmiges optisches Element, das zwischen dem ersten Spiegel und dem Inneren der optischen Zelle angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das keilförmige optische Element das Innere der optischen Zelle an einem Ende hermetisch abschließt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das keilförmige optische Element in einem nicht parallelen Winkel zum ersten Spiegel angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Winkel zwischen 0° und 4° liegt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das keilförmige optische Element in einem Winkel zwischen 0° und 4° verjüngt ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das keilförmige optische Element ein erstes keilförmiges optisches Element ist und die Vorrichtung ferner ein zweites keilförmiges optisches Element umfasst, das zwischen dem einen oder mehreren zusätzlichen Spiegeln und dem Inneren der optischen Zelle angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das zweite keilförmige optische Element in einem nicht parallelen Winkel zu dem einen oder den mehreren zusätzlichen Spiegeln angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Winkel ein erster Winkel ist, das erste keilförmige optische Element in einem zweiten Winkel relativ zu dem ersten Spiegel angeordnet ist und der erste und der zweite Winkel im Wesentlichen kongruent sind.
Die Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das zweite keilförmige optische Element das Innere der optischen Zelle an einem Ende hermetisch abschließt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei jedes der ersten und zweiten keilförmigen optischen Elemente sich von einem dickeren Ende zu einem dünneren Ende hin verjüngt, wobei das dickere Ende des ersten keilförmigen optischen Elements quer zur optischen Zelle mit dem dünneren Ende des zweiten keilförmigen optischen Elements ausgerichtet ist und das dünnere Ende des ersten keilförmigen optischen Elements quer zur optischen Zelle mit dem dickeren Ende des zweiten keilförmigen optischen Elements ausgerichtet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das keilförmige optische Element zumindest teilweise mit einem Antireflexmaterial beschichtet ist.
Ein Verfahren, das Folgendes umfasst: Erregen einer Lichtquelle, um einen Lichtstrahl durch ein erstes keilförmiges optisches Element in das Innere einer optischen Zelle, die eine Fluidprobe enthält, und durch ein gegenüberliegendes zweites keilförmiges optisches Element zu einem ersten Spiegel auf einer dem ersten keilförmigen Element gegenüberliegenden Seite der optischen Zelle zu emittieren; Erfassen eines reflektierten Lichtstrahls, der von einem zweiten Spiegel auf der dem ersten keilförmigen optischen Element gegenüberliegenden Seite der optischen Zelle reflektiert wird, an einer Fotodiode, wobei der reflektierte Lichtstrahl durch das zweite keilförmige optische Element, das Innere der optischen Zelle und das erste keilförmige optische Element hindurchgeht; und Analysieren des reflektierten Lichtstrahls, um eine Eigenschaft der Fluidprobe zu ermitteln.
Das Verfahren nach Anspruch 17, das ferner das Kalibrieren eines dritten Spiegels unter Verwendung einer Schablone mit einer Vielzahl von Öffnungen umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei der erste und der zweite Spiegel Objektivspiegel sind und der dritte Spiegel ein Feldspiegel ist.
Das Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Kalibrieren das Ausrichten der mehreren Öffnungen mit Punkten auf dem Feldspiegel einschließt, die von den von den Objektivspiegeln reflektierten Lichtstrahlen erreicht werden.