JP7841764B2 - 光学流体分析器 - Google Patents

Description

以下に説明する技術は、概して光学分光法に関し、特に、分光光学流体分析器の機構に関する。

関連出願に対する相互参照
本出願は、２０２２年６月１３日に米国特許商標庁に出願された非仮出願第１７／８３９，１０２号、および２０２１年６月１４日に米国特許商標庁に出願された仮出願第６３／２１０，４５０号の優先権および利益を主張するものであり、それら出願の内容全体は、あらゆる適用可能な目的のために、その全体が以下に完全に記載されているかのように、引用により本明細書に援用されるものとする。

流体セルには、液体、ガスまたはプラズマなどの流体を満たすことができる。ガスセル内の流体は、流体セルを通して光を送ることによって検出することができる。光の一部は流体によって吸収され、残りは、例えば分光計によって検出される。流体分析器の小型化は、フーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光計などの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）分光計を使用して達成することができる。さらに、流体分析器の小型化により、流体分析器とセンサや他のコンポーネントとの統合が可能になり、流体分析用統合デバイスの大量生産が可能になる可能性がある。

以下に、本開示の１または複数の態様の基本的な理解を提供するため、そのような態様の概要を提示する。この概要は、本開示のすべての検討される特徴の広範な概要ではなく、本開示のすべての態様の肝要なまたは重要な要素を特定すること、または、本開示のいずれかまたはすべての態様の範囲を規定することも意図していない。その唯一の目的は、後に提示されるより詳細な説明への前置きとしての形態で本開示の１または複数の態様のいくつかの概念を提示することである。

本開示の様々な態様は、被試験サンプル（例えば、液体、ガスまたはプラズマなどの流体）を受け入れように構成された流体セルを含む光学流体分析器に関する。入力光は流体セルを通して送られ、そこで光の一部は流体によって吸収され、光の残りの部分は分光計によって検出され得る。いくつかの例では、分光計を微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）分光計として実現することができる。光学素子は、流体セルの両側を密閉し、光が流体セルに出入りできるようにするために使用される。さらに、光学素子は、光スペクトルを無視できる吸収値で透過させることを可能にする。

光学流体分析器は、分光計によって生成されたスペクトルに基づいて流体の少なくとも１のパラメータを定義する結果を生成するように構成された人工知能（ＡＩ）エンジンなどの機械学習（ＭＬ）エンジンをさらに含む。例えば、ＡＩエンジンは、測定された流体およびその濃度を予測するように構成され得る。他のパラメータ、例えば、流体中のエネルギー含有量、総揮発性有機化合物、流体中の粒子状物質の量および他の適切なパラメータなどが、ＡＩエンジンによって推定され得る。いくつかの例では、ＡＩエンジンが、ケモメトリックス、カルマンフィルタリングなどの補正および予測モデルを使用して、１または複数のパラメータを予測または推定することができる。

いくつかの例では、光学流体分析器が、ウイルス感染検出などの生物学的サンプル検出のための分光ラボインアボックスとして実装され得る。光学流体分析器は、例えば、パンデミック状況における集団スクリーニングに適しており、専門外のユーザに対しても超高速かつ低コストの分析を可能にする。光学流体分析器はさらに、拡張可能であり、大量生産が可能である。光学流体分析器の流体セルは、感染制御の目的で流体の密閉が維持されるように設計および実装される。

一例として、光学流体分析器が開示されている。光学流体分析器は、入力光を発生するように構成された光源と、流体を受け入れるように構成された流体セルと、流体セルをその第１の側で密封するように構成された第１の光学窓と、流体セルをその第２の側で密封するように構成された第２の光学素子とを含む。第１の光学素子はさらに、入力光をその第１の側で流体セルに導くように構成され、第２の光学素子はさらに、出力光を流体セルからその第２の側を介して受け入れるように構成される。光学流体分析器は、第２の光学素子を介して出力光を受け入れ、出力光に基づいて流体のスペクトルを得るように構成された分光計と、スペクトルを受け取り、流体の少なくとも１のパラメータを定義する結果を生成するように構成された機械学習エンジンとをさらに含む。

本発明のこれらおよび他の態様は、以下の詳細な説明を検討することによってより完全に理解される。本発明の他の態様、特徴および実施形態は、添付の図面と併せて本発明の特定の例示的な実施形態についての以下の説明を検討することにより、当業者には明らかとなる。本発明の特徴は、以下の特定の実施形態および図面に対して説明され得るが、本発明のすべての実施形態は、本明細書で説明される有利な特徴のうちの１または複数を含むことができる。言い換えると、１または複数の実施形態が特定の有利な特徴を有するものとして説明され得る一方で、そのような特徴のうちの１または複数が、本明細書で説明される本発明の様々な実施形態に従って使用されてもよい。同様に、例示的な実施形態は、デバイス、システムまたは方法の実施形態として以下に説明され得るが、そのような例示的な実施形態は、様々なデバイス、システムおよび方法で実装可能であることを理解されたい。

図１は、いくつかの態様に係る光学流体分析器を示す図である。 図２は、いくつかの態様に係る光学流体分析器の一例の分解図を示す図である。 図３Ａおよび図３Ｂは、いくつかの態様に係るボール台座シーリングシステムを含む光学流体分析器を示す図である。 図４Ａ～図４Ｄは、いくつかの態様に係るパッケージガラス窓シーリングシステムを含む光学流体分析器の一例を示す図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、いくつかの態様に係るボールレンズ構成の例を示す図である。 図６Ａおよび図６Ｂは、いくつかの態様に係るコリメート光結合設計の例を示す図である。 図７は、いくつかの態様に係るコリメート光結合設計の別の例を示す図である。 図８は、いくつかの態様に係るコリメート光結合設計の別の例を示す図である。 図９は、いくつかの態様に係るコリメート光結合設計の別の例を示す図である。 図１０Ａおよび図１０Ｂは、いくつかの態様に係る光学流体分析器の較正のための例示的な光結合設計を示す図である。 図１１Ａおよび図１１Ｂは、いくつかの態様に係るコーティングされたボールレンズの例示的な動作モードを示している。 図１２は、いくつかの態様に係る例示的なモード切替動作を示す図である。 図１３は、いくつかの態様に係るコーティングされたボールレンズを含む光学流体分析器を較正するための例示的なプロセスを示すフローチャートである。 図１４Ａ～図１４Ｃは、いくつかの態様に係る可変光路長を有する光結合設計を示す図である。 図１５は、いくつかの態様に係る流体セル設計の一例を示す図である。 図１６は、いくつかの態様に係る他のセンサと統合された光学流体分析器の一例を示す図である。 図１７は、いくつかの態様に係る光学流体分析器の別の例を示す図である。 図１８は、いくつかの態様に係る光学流体分析器の別の例を示す図である。 図１９は、いくつかの態様に係るウイルス検出用に構成された光学流体分析器の一例を示す図である。

添付の図面に関連して以下に記載される詳細な説明は、様々な構成を説明することを意図したものであり、本明細書に記載の概念が実施され得る唯一の構成を示すことを意図したものではない。詳細な説明には、様々な概念の完全な理解を提供するための具体的な詳細が含まれている。しかしながら、それらの概念が具体的な詳細なしで実施できることは当業者には明らかであろう。時には、そのような概念を不明瞭にしないために、周知の構造および構成要素をブロック図の形式で示している。

図１は、いくつかの態様に係る光学流体分析器１００を示す図である。いくつかの例では、光学流体分析器１００は、携帯型のハンドヘルドデバイスであってもよい。光学流体分析器１００は、流体セル１０２を含む。流体１０８（例えば、気体、液体またはプラズマ）は、１または複数の流体入口１０４を介して流体セル１０２に入ることができる。さらに、流体１０８は、１または複数の流体出口１０６を介して流体セル１０２から出ることができる。流体セル１０２内の流体１０８は、光源１１０からの入力光１１２を、第１の光学素子１１４を介して流体セル１０２内に導くことによって検出され得る。第１の光学素子１１４は、流体セル１０２をその第１の側１１５ａで密封し、入力光１１２を流体セル１０２内にその第１の側１１５ａから導くように構成され得る。

入力光１１２の一部は流体によって吸収され、残りの光は第２の光学素子１１６を介して出力光１１８として流体セル１０２から出力され得る。第２の光学素子１１６は、流体セル１０２をその第２の側１１５ｂで密封し、流体セル１０２からの出力光１１８を分光計１２０に導くように構成され得る。いくつかの例では、第１のおよび第２の光学素子１１４、１１６が、サファイア窓などの平坦な光学窓であってもよい。他の例では、第１の光学素子１１４および／または第２の光学素子１１６が、ボールレンズ、ハーフボールレンズまたは平凸レンズなどの１または複数の光結合素子を含むことができる。いくつかの例では、光学流体分析器１００が、光学素子１１４、１１６に加えて光結合素子を含むことができる。例えば、光学流体分析器１００は、１または複数の反射器（例えば、ミラー）、レンズ、または他の適切な光結合素子を含むことができる。

いくつかの例では、流体セル１０２が、流体１０８による光吸収と吸収信号の飽和とのバランスをとる最適なセル長を有する。例えば、流体セル長を長くすると、流体１０８による光吸収が増加する可能性がある。光吸収が増加すると、低濃度の流体を検出しやすくなる。しかしながら、流体セルの長さが長すぎると、比較的高濃度の流体１０８に対して吸収信号が飽和する可能性がある。

分光計１２０は、例えば、分光計１２０の検出器（例えば、ＩｎＧａＡｓ光検出器）によって検出され得るインターフェログラムを生成するように構成されたフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光計であってもよい。検出器の出力は、分光計１２０により処理されて、検出された光のスペクトル１２２を得ることができる。いくつかの例では、分光計１２０が、マイケルソン干渉計またはファブリーペロー干渉計を含むことができる。

いくつかの例では、分光計１２０を、例えば、ＭＥＭＳ ＦＴＩＲ分光計などの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）分光計として実現することができる。本明細書において、ＭＥＭＳという用語は、微細加工技術によって機械的要素、センサ、アクチュエータおよびエレクトロニクスを共通の基板上に統合することを指す。例えば、マイクロエレクトロニクスは通常、集積回路（ＩＣ）プロセスを使用して製造され、マイクロメカニカルコンポーネントは、機械的および電気機械的コンポーネントを形成するために、シリコンウェハの一部を選択的にエッチング除去したり、新しい構造層を追加したりする適合性のあるマイクロマシニングプロセスを使用して製造される。ＭＥＭＳ素子の一例として、反射または屈折モードで動作する誘電体または金属化表面を持つマイクロ光学コンポーネントがある。ＭＥＭＳ素子の他の例としては、アクチュエータ、検出器の溝、ファイバの溝などがある。いくつかの例では、ＭＥＭＳ分光計が、ＭＥＭＳアクチュエータによって移動可能に制御される１または複数のマイクロ光学コンポーネント（例えば、１または複数の反射器またはミラー）を含むことができる。例えば、ＭＥＭＳ分光計は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板に平行に伝播する自由空間光ビームを処理することができるマイクロ光学コンポーネントおよび他のＭＥＭＳ素子を製造するために、ＳＯＩ基板上に深堀リアクティブイオンエッチング（ＤＲＩＥ）プロセスを使用して製造することができる。

スペクトル１２２は、ＡＩエンジンなどの機械学習（ＭＬ）エンジン１２４に入力されて、流体１０８の少なくとも１のパラメータを定義する結果１２８を生成することができる。例えば、結果１２８は、流体を識別するか、または流体の濃度、流体中のエネルギー含有量、総揮発性有機化合物、流体中の粒子状物質の量、流体中に浮遊する微粒子、または他の適切なパラメータなど、流体に関連する他のパラメータを得ることができる。いくつかの例では、ＭＬエンジン１２４が、ケモメトリックス、カルマンフィルタリングなどの補正および予測モデルを使用して、１または複数のパラメータを予測または推定することができる。いくつかの例では、ＭＬエンジン１２４が、結果１２８を生成するために、流体データを含む任意のデータベース１２６にアクセスすることができる。例えば、データベース１２６に格納された流体データは、ＭＬエンジン１２４を訓練するために利用することができる。一例では、流体データが、既知の流体および流体濃度のスペクトルパラメータを含むことができる。いくつかの例では、光学流体分析器１００が、データベース１２６が格納されるメモリを含むことができる。

図２は、いくつかの態様に係る光学流体分析器２００の一例の分解図を示す図である。光学流体分析器２００は、流体セル２０２（ガスセル）と、分光計２１０と、光源２１８と、光源２１８を定位置に保持するように構成された光源ホルダ２２０とを含む。ガスセル２０２は、上部２０４、中間部２０６および底部２０８の３つの主要部を含む。上部２０４は、光源２１８と流体セル２０２との間の光学的アライメントを保持する役割を担い、第１の光学窓（ガラス窓）２１２を受け入れるように構成された開口部を含む。中間部２０６は、流体を受け入れるように構成された流体セル２０２の主要部である。例えば、中間部２０６は、流体を受け入れるための流体入口と、流体を流体セル２０２の外に通すための流体出口とに結合され得る。流体セルＩ／Ｏ（流体入口／出口と流体セルの間）については、流体の流れを密封し、エアチューブの取り付けを容易にするために、密封クイックコネクタを使用することができる。中間部２０６はさらに、光源２１８からの入力光を流体セル内に導くように構成された１または複数の光結合素子２１６に結合することができる。図２に示す例では、１または複数の光結合要素に、第１の光学窓２１２と流体セル２０２との間に結合されたボールレンズ２１６が含まれる。

流体セル２０２の底部２０８は、分光計２１０と残りの部分との間の光学的アライメントを保持する役割を担う。底部２０８は、分光計２１０を取り囲む壁を含み、分光計２１０と流体セル２０２の残りの部分とを物理的に位置合わせする。底部２０８は、第２の光学窓（ガラス窓）２１４を受け入れるように構成された開口部をさらに含む。第１のおよび第２の光学窓２１２、２１４はさらに、流体セル２０２を上側および下側から密閉するように構成されている。いくつかの例では、第１のおよび第２の光学窓２１２、２１４が、サファイアガラス窓などの平坦な光学窓であってもよい。平坦な光学窓２１２、２１４は、赤外線スペクトルを非常に小さい吸収値で透過させるように構成されている。いくつかの例では、流体セル部分２０４、２０６、２０８が、一部の流体による腐食を防止するためにニッケルメッキされ得る。

図２に示すように、密閉された光学セットアップでボールレンズを使用する場合、ボールレンズ２１６は２つの平坦な光学窓２１２、２１４の間に挿入される。２つの平坦な光学窓２１２、２１４は、Ｏ－リング（図２には特に示されていない）を使用して流体セル２０２を密閉することができる。Ｏ－リング設計ガイドによれば、ボールレンズ２１６が平坦な表面（例えば、平坦な光学窓２１２、２１４）と接触する例では、表面接触領域にわたって均質な圧力を維持するために、Ｏ－リングをボールレンズ２１６とともに直接使用することはできない。このため、いくつかの例では、流体セル２０２を密封するためにＯ－リングの代わりにボール台座を使用することができる。ボール台座は、Ｏ－リングだけでなく、平坦な光学窓２１２を含むシーリングシステム全体を置き換えることもできる。

図３Ａおよび図３Ｂは、いくつかの態様に係るボール台座シーリングシステムを含む光学流体分析器３００を示す図である。光学流体分析器３００は、ボール台座３０４、３０６によって取り囲まれたボールレンズ３０２を含む。ボール台座３０４、３０６の内面曲率は、ボールレンズ３０２のレンズ表面曲率に一致するように構成され、それにより表面接触を増加させて、シーリング効率を高めるようになっている。いくつかの例では、ボール台座３０４、３０６をゴムで形成することができる。

光学流体分析器３００は、流体セル（ガスセル）３０８、光学窓３１０、分光計３１２、流体入口３１６、流体出口３１８および光源３２０をさらに含む。Ｏ－リング３１４は、分光計３１２を密閉するように構成されている。流体入口３１６および流体出口３１８は、流体（液体、気体、プラズマなど）が流体セル３０８に出入りできるように構成されている。ボールレンズ３０２およびボールレンズ台座３０４、３０６は、流体セル３０８をその第１の側で密封するように構成された光学素子を形成する。さらに、ボールレンズ３０２は、光源３２０からの入力光を流体セル３０８に導くように構成されている。光学窓３１０は、流体セル３０８をその第１の側とは反対側の第２の側で密閉し、流体セルからの出力光を分光計３１２内に導くように構成されている。流体セル３０８および分光計３１２は、基板３２２（例えば、プリント回路基板（ＰＣＢ））上に組み立てることができる。いくつかの例では、簡略化のために図示していないが、ＭＬエンジンおよび関連データベース（例えば、メモリ）を、基板３２２上にさらに組み立てることができる。さらに、圧力センサ、温度センサ、流体流量センサおよび他の適切なセンサなどの様々なセンサを、基板３２２上に統合することもできる。

図３Ｂに示す例では、流体セル３０８が、分光計３１２とは別個のユニットであり、各システム（光学、電気、機械）が互いに分離されている。これにより、全体的なサイズと使用されるコンポーネントの数が増加する可能性がある。さらに、分光計３１２と流体セル３０８との間にシーリングを施すことなく分離することで、寄生流体が光路に浸入して、不正確な読み取りを引き起こす可能性がある。そのため、いくつかの例では、流体セル光学窓３１０の代わりにパッケージガラス窓を使用して、流体と分光計パッケージの両方に直接接触させることができる。

図４Ａ～図４Ｄは、いくつかの態様に係るパッケージガラス窓シーリングシステムを含む光学流体分析器４００の一例を示す図である。光学流体分析器４００は、基板４０８（例えば、ＰＣＢ）上に組み立てられたパッケージ４０４内に一体化された分光計４０２を含む。パッケージ４０４は、パッケージガラス窓４０６を受け入れるように構成された開口部を含む。

光学流体分析器４００は、ボールレンズ４１０と、ボールレンズ４１０を取り囲むボールレンズ台座４１２、４１４と、流体セル４１６とをさらに含む。ボールレンズ４１０およびボールレンズ台座４１２、４１４は、流体セル４１６をその第１の側で密封するように構成された光学素子を形成する。さらに、ボールレンズ４１０は、光源（図示せず）からの入力光を流体セル４１６内に導くように構成されている。パッケージガラス窓４０４は、流体セル４１６をその第１の側とは反対側の第２の側で密封し、流体セル４１６からの出力光を分光計４０２内に導くように構成されている。特に、パッケージガラス窓４０４は、流体セル４１６と分光計４０２との間を直接密封するように構成されている。Ｏ－リング４１８を使用して、パッケージガラス窓４０４と流体セル４１６との間のシーリングを維持することにより、流体の寄生漏れを防止することができる。

入力光を流体セルに結合するための光結合素子として（例えば、図２、図３Ａ、図３Ｂまたは図４Ｂのいずれかに示すように）ボールレンズが使用される例では、レンズの僅かなずれが、測定される光信号および全体的なスペクトルの不一致を引き起こす可能性がある。例えば、ボールレンズとハウジングとの間の隙間が狭い状態で、ボールレンズを含むハウジングが製造される場合、ばらつきがあると、ハウジングの上部とハウジングの下部を組み合わせることができない可能性がある。それにより、流体が漏れる可能性がある。このため、いくつかの例では、ボールレンズの位置を固定するために、ゴム製のスペーサまたはバネを追加することができる。

図５Ａおよび図５Ｂは、いくつかの態様に係るボールレンズの構成例を示す図である。図５Ａおよび図５Ｂでは、ボールレンズ５０２がハウジング５０４内に配置され、流体セル５１２をその第１の側で密封するように構成されている。光学窓５０６（例えば、平坦なサファイア窓）はさらに、流体セル５１２をその第１の側とは反対側の第２の側で密封するように構成されている。図５Ａでは、ボールレンズ５０２と平坦な光学窓５０６との間に結合されたゴム製のスペーサ５０８が示されている。図５Ｂでは、ボールレンズ５０２と平坦な光学窓５０６との間に結合されたバネ５１０が示されている。ゴム製のスペーサ５０８もバネ５１０も流体セル５１２を通る流体の流れを妨げることはない。さらに、ゴム製のスペーサ５０８およびバネ５１０の各々はボールレンズ５０２に圧力を発生させ、それにより、ボールレンズ５０２を定位置に固定して、ハウジング５０４の運動または振動による、その位置の変化を防止している。

図３Ａ～図５Ｂに示す例では、光結合素子が、光源と、光をＭＥＭＳ分光計内に集光するボールレンズとを含むことができる。この設計では、ボールレンズが唯一の光学コンポーネントであり、このボールレンズがシーリングに使用されるため、簡素化される。この設計は、例えば、屈折率が空気と間に差のないガスに使用することができ、ガスの流れが設計の集光および光結合に影響を与えることがない。しかしながら、屈折率が大きく変化する液体または他の流体を測定する場合は、光結合に影響を与える可能性がある。このため、いくつかの例では、流体のタイプが光結合に影響を与えないようなコリメートされた設計によって光結合を行うことができる。

図６Ａおよび図６Ｂは、いくつかの態様に係るコリメート光結合設計の例を示す図である。図６Ａおよび図６Ｂに示す例では、流体サンプルのタイプが光結合に影響を与えないコリメートセットアップを使用して、光結合が実行される。図６Ａは、２つのボールレンズ６０２、６０４を使用するコリメート光結合設計を示し、図６Ｂは、２つのハーフボールレンズ６１２、６１４を使用するコリメート光結合設計を示している。各設計において、２つのボールレンズ６０２、６０４または２つのハーフボールレンズ６１２、６１４は、光源６０８からの入力光を流体セル６１０にその第１の側で結合し、流体セルからの出力光をその第２の側を介して受け入れて分光計６１０に結合する。ボールレンズ６０２、６０４またはハーフボールレンズ６１２、６１４は、光結合だけでなく、流体セル６１０のシーリング（例えば、上述したように、ボールレンズ台座またはＯ－リングを使用）も提供することができる。図６Ａの２つのボールレンズ６０２、６０４の設計は、感度が低く、赤外線源６０８とレンズ６０２、６０４との間の距離の点でよりコンパクトであり、一方で、２つのハーフボールレンズ６１２、６１４の設計は、流体セル６１０のシーリングの点で容易である（例えば、ボールレンズ台座の代わりにＯ－リングを密封に使用することができる）。

図７は、いくつかの態様に係るコリメート光結合設計の別の例を示す図である。図７に示す例では、ボールレンズまたはハーフボールレンズを平凸レンズ７０２、７０４で置き換えることができる。さらに、コリメートセットアップでは、光源７０８の後ろに挿入された反射器７１０を使用して、光源の後方光線を集め、その後方光線を平凸レンズ７０４に向けて反射させて、流体セル７０６に結合させることにより光学パワーをほぼ２倍にする。いくつかの例では、平凸レンズ７０２、７０４が、５０ｍｍの流路長７１４に対応するために１８ｍｍの焦点距離７１６、７１８を有するフッ化カルシウムレンズであってもよい。焦点距離７１６、７１８および流路長７１４は可変であり、本明細書で提供される例に限定されるものではないことを理解されたい。いくつかの例では、平凸レンズ７０２、７０４が、流体セル７０６の密封を提供することができる。他の例では、流体セル７０６を密封するために追加の平坦な光学窓を使用することもできる。

図８は、いくつかの態様に係るコリメート光結合設計の別の例を示す図である。図８に示す例では、コリメート設計が、２つの軸外放物面ミラー８０２、８０４を含む。軸外放物面ミラー８０２は、光源８０８からの入力光を受け取り、入力光を流体セル８０６にその第１の側で反射（方向変換）するように構成されている。さらに、軸外放物面ミラー８０４は、流体セル８０６からの出力光をその第２の側で受け取り、その出力光を分光計８１０に反射（方向変換）するように構成されている。流体セル８０６は、上述したように、平坦な光学窓（図示せず）を用いて密閉することができる。

軸外放物面ミラー８０２、８０４は、金属反射の広いスペクトル範囲を提供し、図６Ａ、図６Ｂおよび図７に示すレンズ設計のフレネル光学損失を回避する。さらに、ミラー８０２、８０４は、低コストで大量生産を可能にするプラスチック成形によって製造することができる。いくつかの例では、ミラー８０２、８０４の両方を含む単一のプラスチック成形型を使用して、図８に示す設計における位置合わせの任意の感度に対応することができる。

いくつかの例では、軸外放物面ミラー８０２が１５ｍｍの焦点距離を有し、軸外放物面ミラー８０４が２５ｍｍの焦点距離を有する。この例では、光源８０８と軸外放物面ミラー８０２との間の距離８１２が８．６５ｍｍであり、軸外放物面ミラー８０２、８０４がそれぞれ、１２．３ｍｍの幅８１４を有し、流体セル長８１６が１００ｍｍである。焦点距離、距離８１２、ミラー８０２、８０４の幅８１４、および流体セル長８１６は可変であり、本明細書で提供する例に限定されるものではないことを理解されたい。

図９は、いくつかの態様に係るコリメート光結合設計の別の例を示す図である。図９に示す例では、コリメート設計が、軸外放物面ミラー９０２およびレンズ９０４とを含む。軸外放物面ミラー９０２は、光源９０８からの入力光を受け取り、その入力光を流体セル９０６にその第１の側で反射（方向変換）するように構成されている。さらに、レンズ９０４は、流体セル９０６からの出力光をその第２の側で受け取り、その出力光を分光計９１０に反射（方向変換）するように構成されている。いくつかの例では、レンズ９０４がフッ化カルシウムレンズであってもよい。流体セル９０６は、平坦な光学窓（図示せず）を使用して、または軸外放物面ミラー９０２に隣接する平坦な光学窓とレンズ９０４との組合せを使用して密封することができる。いくつかの例では、光学流体分析器の較正を容易にするために、レンズ９０４にコーティングを施すことができる。

いくつかの例では、軸外放物面ミラー９０２が１５ｍｍの焦点距離を有し、レンズ９０４が１８ｍｍの焦点距離を有する。この例では、光源９０８と軸外放物面ミラー９０２との間の距離９１２が８．６５ｍｍであり、軸外放物面ミラー９０２が、１２．３ｍｍの幅９１４を有し、流体セル長９１６が１００ｍｍである。ミラー９０２、９０４の焦点距離、距離９１２、幅９１４、および流体セル長９１６は可変であり、本明細書で提供する例に限定されるものではないことを理解されたい。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、いくつかの態様に係る光学流体分析器の較正のための例示的な光結合設計を示す図である。図１０に示す光結合設計は、その両端部にフィルタ応答コーティング１００４を有するボールレンズ１００２を含む。ボールレンズ１００２の中央領域には、フィルタ応答コーティング１００４が施されていない。コーティング１００４は、較正で使用される基準波長λ_Ｏを除くすべての波長を吸収する。コーティング１００４の応答を図１０Ｂに示す。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、いくつかの態様に係るコーティングされたボールレンズ１１０２の例示的な動作モードを示している。第１のモードでは、図１１Ａに示すように、ボールレンズ１１０２のフィルタ応答コーティング１１０４が、光源（図示せず）からの入力光の光路１１０６から外れている。このため、入力光の吸収が生じることはなく、スペクトルは流体セル（図示せず）内の流体の吸収を反映する。第２のモードでは、図１１Ｂに示すように、入力光の光路１１０６がボールレンズ１１０２のフィルタ応答コーティング１１０４を通過し、その結果、吸収が生じ、図１０Ｂに示すスペクトルが生成される。このため、第２のモードは較正モードと呼ばれることがある。例えば、較正モードでは、例えばデジタル信号処理を使用して、波長λ_Ｏの値を基準設計値と比較することができる。その後、比較に基づいて較正およびドリフト補正を実行することができる。例えば、光学流体分析器は、較正モード中に機械学習エンジンを較正するように構成され得る。

図１２は、いくつかの態様に係る例示的なモード切替動作を示す図である。図１２に示す例では、ボールレンズ１２０２が、図１０Ａ、図１１Ａおよび図１１と同様に、その両端部にフィルタ応答コーティング１２０４を含む。回転デバイス１２０６は、ボールレンズ１２０２に結合されており、入力光がフィルタ応答コーティング１２０４を通過せずにボールレンズ１２０２を通過する第１の向き（例えば、図１１Ａに示す第１のモード）と、入力光がボールレンズ１２０２のフィルタ応答コーティング１２０４を通過する第２の向き（例えば、図１１Ｂに示す第２のモード）との間でボールレンズ１２０２を回転させるように構成されている。例えば、回転デバイス１２０６は、２つの動作モード間でボールレンズ１２０２の９０度の回転を生じさせるように光学流体分析器によって制御されるバネおよびフィンガを含むことができる。

図１３は、いくつかの態様に係る、コーティングされたボールレンズを含む光学流体分析器を較正するための例示的なプロセスを示すフローチャートである。ブロック１３０２では、光学流体分析器が、デバイスの較正モードに入ることができる。ブロック１３０４では、ボールレンズのフィルタ応答コーティングが光源からの入力光の光路内にあるように、光学流体分析器が、コーティングされたボールレンズを（例えば、図１２に示す回転デバイスを使用して）図１１Ｂに示す第２の向きに機械的に９０度回転させることができる。ブロック１３０６では、光学流体分析器が、コーティングされたボールレンズが第２の向きにあるときのスペクトルを得ることができる。ブロック１３０８では、光学流体分析器が、そのスペクトルを基準波長と比較することができる。ブロック１３１０では、光学流体分析器が、その比較結果に基づいて補正係数および較正パラメータを取得することができる。その後、それら補正係数および較正パラメータは、機械学習エンジンを訓練するために使用することができる。ブロック１３１２では、ボールレンズのフィルタ応答コーティングが光源からの入力光の光路の外側にあるように、光学流体分析器が、コーティングされたボールレンズを（例えば、図１２に示す回転デバイスを使用して）図１１Ａに示す第１の向きに機械的に９０度回転させることができ、それにより、光学流体分析器が、被試験流体サンプルのスペクトルを得ることが可能になる。

図１４Ａ～図１４Ｃは、いくつかの態様に係る可変光路長を有する光結合設計の一例を示す図である。この光結合設計は、入力光を流体セル１４０６にその第１の側で結合し、流体セル１４０６からの出力光をその第２の側を介して結合するための２つの光学素子１４０２、１４０４を含む。光学素子１４０２、１４０４は、例えば、平坦な光学窓、ボールレンズ、ハーフボールレンズ、平凸レンズ、または他の適切な光学結合素子を含むことができる。光の多重反射および流体セル内のマイクロスケールの経路長１４１０（例えば、２０ｐｍ～１００ｐｍ）による流体セル１４０６内の寄生干渉作用の課題を克服するために、光学素子の少なくとも一方（例えば、光学素子１４０２）がアクチュエータ１４０８（例えば、マイクロ／作動機構）に結合され、そのアクチュエータが、図１４Ａに示すように、光学素子１４０２の運動を引き起こして、流体セル１４０６の公称値ｄ_０周囲の運動ｄ（ｔ）で光路長を連続的に変化させるように構成されている。光学素子１４０２の連続的な動きは、図１４Ｂ（振動運動なし）と図１４Ｃ（振動運動あり）の比較によって示されるように、ｄ（ｔ）の平均値がゼロになるように、光路長のディザリングをもたらす。他の例では、光路長のディザリングを、光学素子１４０２に適用される電気光学効果および／または熱光学効果によって達成することもできる。例えば、光学素子１４０２全体に電界を印加することができ、あるいはマイクロヒータを光学素子１４０２と一体化することができる。

図１５は、いくつかの態様に係る流体セル設計の一例を示す図である。この流体セル設計は、流体セル１５０６をその両側で密封するように構成された２つの光学素子１５０２、１５０４を含む。流体セル１５０６内の流体、例えば油サンプルのスティクションを克服するために、光学素子１５０２、１５０４の少なくとも一方の内面（流体セル１５０６を向く面）にコーティング１５０８を施して、流体をはじく（例えば、流体のスティクションを防止する）ことができる。いくつかの例では、コーティング１５０８が、疎水性またはオムニフォビックであり得る。その結果、消耗品の洗浄液を必要とすることなく、流体を容易にパージすることができる。いくつかの例では、コーティング１５０８を流体セル１５０６の内壁１５１０にも施すことができる。

図１６は、いくつかの態様に係る、他のセンサと統合された光学流体分析器１６００の一例を示す図である。光学流体分析器１６００は、ＭＥＭＳベースのＦＴＩＲ流体分析器１６０２（例えば、光源、光学素子、流体セルおよび分光計（干渉計／検出器）を含む）、人工知能（ＡＩ）エンジン１６０４（例えば、ＭＬエンジン）、およびデータベース１６０６を含み、それらが１または複数の他のセンサと統合されている。センサの例としては、圧力センサ１６０８、流量（流体の流れ）センサ１６１０、温度センサ１６１２および湿度センサ１６１４が挙げられるが、これらに限定されるものではない。それらセンサ１６０８～１６１４は、ＭＥＭＳベースのＦＴＩＲ流体分析器１６０２が流体のスペクトルを取得するのと同時に流体を検知するために、統合エレクトロニクスおよび同期信号回路１６１６を介して互いに同期化されて制御され得る。各センサ１６０８～１６１４の出力（例えば、流体セル内の流体に関連するセンサデータ）は、流体のスペクトルとともにＡＩエンジン１６０４に入力されて、ＡＩエンジン１６０４が流体の特性および仕様を予測するのを助けることができる。ＡＩエンジンは、流体に関連する結果１６１８を生成するために、データベース１６０６内の流体データでさらに訓練され得る。

図１７は、いくつかの態様に係る光学流体分析器１７００の別の例を示す図である。光学流体分析器１７００は、光源１７０２と、光結合素子１７０４と、被試験流体を受け入れるように構成されたマイクロ流体セル１７０６と、分光計１７０８とを含む。図１７に示す例では、マイクロ流体セル１７０６が分光計１７０８の上に配置されている。このため、マイクロ流体セル１７０６は、マイクロ流体セル１７０６を密封し、かつマイクロ流体セルに光を通すように構成された光学窓を含む透過セルとして機能することができる。さらに、コンパクトなフォームファクタを有する光源１７０２を、マイクロ流体セル１７０６の上に統合することができる。

図１８は、いくつかの態様に係る光学流体分析器１８００の別の例を示す図である。光学流体分析器は、光源１８０２、光結合素子１８０４、マイクロ流体セル１８０６および分光計１８０８を含む。分光計１８０８は、光学パッケージ１８１０に統合することができる。マイクロ流体セル１８０６は、マイクロ流体セル１８０６を密封し、かつマイクロ流体セル１８０６に光を通すように構成された光学窓をさらに含むことができる。さらに、マイクロ流体セル１８０６は、パッケージ１８１０のガラスパッケージ窓としても機能することできる。このため、マイクロ流体セル／ガラスパッケージ窓は、分光計１８０８（例えば、ＭＥＭＳベースのＦＴＩＲ分光計および検出器）を密封するように構成することができる。組立の観点からは、より良い組立および生産処理のために、マイクロ流体セル１８０６を、光学パッケージと同じ生産ライン上に置くことができる。

図１９は、いくつかの態様に係るウイルス検出用に構成された光学流体分析器１９００の一例を示す図である。いくつかの例では、光学流体分析器１９００が、患者の呼気サンプルのスペクトルを測定し、患者のウイルス感染のタイプを予測するように構成することができる。例えば、様々なケモメトリック技術を使用して、光学流体分析器のＭＬエンジン（ＡＩエンジン）は、スペクトルの吸収帯からウイルスのタイプを予測することができる。呼気サンプルを測定するために、光学流体分析器１９００は、入力チューブ１９０２を含むことができ、この入力チューブを介して、患者は、口から光学流体分析器１９００の流体セル内に空気を吹き込むことができる。

以下に、本開示の実施例の概要を示す。

実施例１：光学流体分析器であって、入力光を生成するように構成された光源と、流体を受け入れるように構成された流体セルと、流体セルをその第１の側で密封するように構成された第１の光学素子であって、流体セル内にその第１の側から入力光を導くようにさらに構成された第１の光学素子と、流体セルを第１の側とは反対側のその第２の側で密封するように構成された第２の光学素子であって、流体セルからの出力光をその第２の側を介して受け入れるようにさらに構成された第２の光学素子と、第２の光学素子を介して出力光を受け入れるとともに、出力光に基づいて流体のスペクトルを得るように構成された分光計と、スペクトルを受け取るとともに、流体の少なくとも１のパラメータを定義する結果を生成するように構成された機械学習エンジンとを備えることを特徴とする光学流体分析器。

実施例２：実施例１に記載の光学流体分析器において、第２の光学素子が、流体セルと分光計との間に配置されて、流体セルをその第２の側で密封するように構成された平坦な光学窓を備えることを特徴とする光学流体分析器。

実施例３：実施例２に記載の光学流体分析器において、第１の光学素子が、光源と流体セルとの間に配置されて、流体セルをその第１の側で密封するように構成された追加の平坦な光学窓を備えることを特徴とする光学流体分析器。

実施例４：実施例３に記載の光学流体分析器において、追加の平坦な光学窓と流体セルとの間に結合されたボールレンズをさらに備えることを特徴とする光学流体分析器。

実施例５：実施例２に記載の光学流体分析器において、第１の光学素子が、光源と流体セルの第１の側との間に結合されたボールレンズを含むことを特徴とする光学流体分析器。

実施例６：実施例５に記載の光学流体分析器において、ボールレンズと流体セルの第１の側との間にシーリングを提供するように構成されたボール台座をさらに備えることを特徴とする光学流体分析器。

実施例７：実施例５または実施例６に記載の光学流体分析器において、平坦な光学窓が、分光計を含むパッケージのパッケージガラス窓を含み、当該光学流体分析器がさらに、パッケージガラス窓と流体セルの第２の側との間にシーリングを提供するように構成されたＯ－リングを含むことを特徴とする光学流体分析器。

実施例８：実施例２に記載の光学流体分析器において、入力光を流体セルにその第１の側から導くように構成されたボールレンズと、ボールレンズと平坦な光学窓との間に結合されたゴム製スペーサまたはバネとをさらに備えることを特徴とする光学流体分析器。

実施例９：実施例１～実施例８のいずれかに記載の光学流体分析器において、第１の光学素子および第２の光学素子が、コリメートされた設計を有する光結合素子を含み、この光結合素子が、入力光を流体セル内にその第１の側で結合するように構成された第１のレンズと、出力光を流体セルからその第２の側を介して受け入れ、出力光を分光計内に結合するように構成された第２のレンズとを含むことを特徴とする光学流体分析器。

実施例１０：実施例９に記載の光学流体分析器において、第１のレンズおよび第２のレンズの各々が、ボールレンズまたはハーフボールレンズを含むことを特徴とする光学流体分析器。

実施例１１：実施例９に記載の光学流体分析器において、第１のレンズおよび第２のレンズの各々が、平凸レンズを含み、当該光学流体分析器がさらに、光源の後方に結合され、入力光の後方光線を集めて、この後方光線を第１のレンズに向けて反射するように構成された反射器を含むことを特徴とする光学流体分析器。

実施例１２：実施例１～実施例３のいずれかに記載の光学流体分析器において、光源からの入力光を受け入れて、この入力光を流体セル内にその第１の側で反射するように構成された第１の軸外放物面ミラーと、流体セルからの出力光をその第２の側を介して受け入れて、出力光を分光計内に反射するように構成された第２の軸外放物面ミラーとをさらに備えることを特徴とする光学流体分析器。

実施例１３：実施例１～実施例３のいずれかに記載の光学流体分析器において、光源からの入力光を受け入れて、この入力光を流体セル内にその第１の側で反射するように構成された軸外放物面ミラーをさらに含み、第２の光学素子が、流体セルからの出力光をその第２の側を介して受け入れて、この出力光を分光計内に導くように構成されたレンズを含むことを特徴とする光学流体分析器。

実施例１４：実施例１、実施例２または実施例５～実施例９のいずれかに記載の光学流体分析器において、第１の光学素子が、光源と流体セルの第１の側との間に結合されたボールレンズを含み、このボールレンズは、その両端部にフィルタ応答コーティングが施されていることを特徴とする光学流体分析器。

実施例１５：実施例１４に記載の光学流体分析器において、ボールレンズに結合された回転デバイスをさらに備え、この回転デバイスが、入力光がフィルタ応答コーティングを通過することなくボールレンズを通過する第１の向きと、入力光がボールレンズのフィルタ応答コーティングを通過する第２の向きとの間でボールレンズを回転させるように構成され、当該光学流体分析器が、ボールレンズが第２の向きにあるときに機械学習エンジンを較正する較正モードで動作するように構成されていることを特徴とする光学流体分析器。

実施例１６：実施例１～実施例１５のいずれかに記載の光学流体分析器において、第１の光学素子または第２の光学素子のうちの少なくとも一方に結合され、第１の光学素子または第２の光学素子のうちの少なくとも一方の運動を引き起こして、流体セル内の光路長を変化させるように構成されたアクチュエータをさらに備えることを特徴とする光学流体分析器。

実施例１７：実施例１～実施例１６のいずれかに記載の光学流体分析器において、第１の光学素子または第２の光学素子のうちの少なくとも一方が、流体セルを向く内面に、流体のスティクションを防止するためのコーティングを含むことを特徴とする光学流体分析器。

実施例１８：実施例１～実施例１７のいずれかに記載の光学流体分析器において、機械学習エンジンを訓練するように構成された流体データを含むデータベースをさらに含むことを特徴とする光学流体分析器。

実施例１９：実施例１～実施例１８のいずれかに記載の光学流体分析器において、流体セル内の流体に関連するセンサデータを生成し、機械学習エンジンにセンサデータを提供するように構成された少なくとも１のセンサをさらに備えることを特徴とする光学流体分析器。

実施例２０：実施例１９に記載の光学流体分析器において、少なくとも１のセンサが、圧力センサ、流量センサ、温度センサまたは湿度センサのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする光学流体分析器。

実施例２１：実施例１～実施例２０のいずれかに記載の光学流体分析器において、流体セルが、マイクロ流体セルを含むことを特徴とする光学流体分析器。

実施例２２：実施例２１に記載の光学流体分析器において、第２の光学素子が、分光計を含むパッケージのパッケージガラス窓を含み、このパッケージガラス窓が、マイクロ流体セルを含むことを特徴とする光学流体分析器。

実施例２３：実施例１～実施例２２のいずれかに記載の光学流体分析器において、流体が患者の呼気サンプルを含み、当該光学流体分析器が、流体セルに結合され、患者の呼気サンプルを受け入れて、患者の呼気サンプルを流体セル内に供給するように構成された入力チューブをさらに備えることを特徴とする光学流体分析器。

実施例２４：実施例１～実施例２３のいずれかに記載の光学流体分析器において、分光計が、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースのフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光計を含むことを特徴とする光学流体分析器。

本開示内では、「例示的な」という単語は、「一例、一実施例または一実例として機能する」という意味で使用される。本明細書で「例示的な」として説明される実装または態様は、必ずしも、本開示の他の態様よりも好ましいまたは有利であると解釈されるべきではない。同様に、「態様」という用語は、本開示のすべての態様が、議論された特徴、利点または動作モードを含むことを要求するものではない。「結合された」という用語は、本明細書では、２つのオブジェクト間の直接的または間接的な結合を指すために使用される。例えば、オブジェクトＡがオブジェクトＢに物理的に接触し、かつ、オブジェクトＢがオブジェクトＣに接触する場合、オブジェクトＡおよびＣは、たとえそれらが互いに直接物理的に接触していないとしても、依然として互いに結合されているとみなされ得る。例えば、第１オブジェクトが第２オブジェクトに物理的に直接接触していない場合でも、第１オブジェクトは第２オブジェクトに結合され得る。「回路（ｃｉｒｃｕｉｔ）」および「電気回路（ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）」という用語は、広範に使用され、かつ、電気デバイスおよび導体のハードウェア実装と、情報および命令のソフトウェア実装と、の両方を含むことを意図しており、ハードウェア実装は、接続および構成された場合に、電子回路のタイプに限定されることなく、本開示で説明される機能の実行を可能にし、ソフトウェア実装は、プロセッサによって実行された場合に、本開示で説明される機能の実行を可能にする。

図１～図１９に示されるコンポーネント、ステップ、特徴および／または機能のうちの１または複数は、単一のコンポーネント、ステップ、特徴または機能に再配置および／または結合されてもよく、若しくは、いくつかのコンポーネント、ステップまたは機能で具体化されてもよい。本明細書に開示される新規な特徴から逸脱することなく、追加の要素、コンポーネント、ステップおよび／または機能が追加されてもよい。図１～図１９に示される装置、デバイスおよび／またはコンポーネントは、本明細書で説明される方法、特徴またはステップのうちの１または複数を実行するように構成されてもよい。本明細書で説明される新規なアルゴリズムは、ソフトウェアに効率的に実装されてもよく、および／または、ハードウェアに埋め込まれてもよい。

開示された方法におけるステップの特定の順序または階層は、例示的なプロセスを例示するものであることを理解されたい。設計志向に基づいて、方法におけるステップの特定の順序または階層が並べ替えられてもよいことが理解される。添付の方法の請求項は、様々なステップの要素をサンプルの順序で提示しており、かつ、本明細書で特に記載がない限り、提示される特定の順序または階層に限定されることを意図するものではない。

前述の説明は、当業者が本明細書に記載の様々な態様を実施することができるようにするために提供される。これらの態様に対する様々な修正は当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義される一般原理は他の態様にも適用されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本明細書に示される態様に限定されることを意図するものではなく、特許請求の範囲の文言と一致する全範囲を与えられるべきであり、単数形での要素への言及は、そのように特に明記されていない限り「唯一のもの」を意味することを意図しておらず、むしろ「１または複数」であることを意図している。特に明記しない限り、「いくつかの」という用語は１または複数を指す。アイテムのリスト「のうちの少なくとも１つ」を指す語句は、単一の部材を含むそれらのアイテムの任意の組合せを指す。一例として、「ａ、ｂまたはｃのうちの少なくとも１つ」は：ａ、ｂ、ｃと：ａおよびｂと：ａおよびｃと：ｂおよびｃと：ａ、ｂおよびｃとをカバーすることを意図している。当業者に知られているまたは後に知られるようになる、本開示を通じて説明される様々な態様の要素に対する構造的および機能的な等価物はすべて、参照により本明細書に明示的に組み込まれ、かつ、特許請求の範囲に包含されることが意図される。さらに、本明細書に開示されるものは、そのような開示が特許請求の範囲に明示的に記載されているかどうかに関わらず、公衆に提供されることを意図したものではない。請求項の要素は、その要素が「ｍｅａｎｓ ｆｏｒ」という表現を使用して明示的に記載されていない限り、または方法の請求項の場合は、その要素が「ｓｔｅｐ ｆｏｒ」という表現を使用して記載されていない限り、米国特許法第１１２条（ｆ）の規定に基づいて解釈されるべきではない。

Claims (19)

1. 光学流体分析器であって、
   入力光を生成するように構成された光源と、
   流体を受け入れるように構成された流体セルと、
   前記流体セルをその第１の側で密封するように構成された第１の光学素子であって、前記第１の光学素子が、前記流体セル内にその第１の側から入力光を導くようにさらに構成され、前記第１の光学素子が、前記光源と前記流体セルの第１の側との間に結合されたボールレンズを含み、このボールレンズは、その両端部にフィルタ応答コーティングが施されている、第１の光学素子と、
   前記流体セルを前記第１の側とは反対側のその第２の側で密封するように構成された第２の光学素子であって、前記流体セルからの出力光をその第２の側を介して受け入れるようにさらに構成された第２の光学素子と、
   前記第２の光学素子を介して前記出力光を受け入れるとともに、前記出力光に基づいて流体のスペクトルを得るように構成された分光計と、
   前記ボールレンズに結合された回転デバイスであって、入力光が前記フィルタ応答コーティングを通過することなく前記ボールレンズを通過する第１の向きと、入力光が前記ボールレンズのフィルタ応答コーティングを通過する第２の向きとの間で前記ボールレンズを回転させるように構成された回転デバイスと、
   前記スペクトルを受け取るとともに、流体の少なくとも１のパラメータを定義する結果を生成するように構成された機械学習エンジンとを備え、当該光学流体分析器が、前記ボールレンズが前記第２の向きにあるときに前記機械学習エンジンを較正する較正モードで動作するように構成されていることを特徴とする光学流体分析器。
2. 請求項１に記載の光学流体分析器において、
   前記第２の光学素子が、前記流体セルと前記分光計との間に配置されて、前記流体セルをその第２の側で密封するように構成された平坦な光学窓を備えることを特徴とする光学流体分析器。
3. 請求項２に記載の光学流体分析器において、
   前記ボールレンズと前記流体セルの第１の側との間にシーリングを提供するように構成されたボール台座をさらに備えることを特徴とする光学流体分析器。
4. 請求項２に記載の光学流体分析器において、
   前記平坦な光学窓が、前記分光計を含むパッケージのパッケージガラス窓を含み、当該光学流体分析器がさらに、
   前記パッケージガラス窓と前記流体セルの第２の側との間にシーリングを提供するように構成されたＯ－リングを含むことを特徴とする光学流体分析器。
5. 請求項２に記載の光学流体分析器において、
   前記ボールレンズと前記平坦な光学窓との間に結合されたゴム製スペーサまたはバネをさらに備えることを特徴とする光学流体分析器。
6. 請求項１に記載の光学流体分析器において、
   前記第１の光学素子および前記第２の光学素子が、光結合素子を含み、この光結合素子が、
   入力光を前記流体セル内にその第１の側で結合するように構成された第１のレンズであって、前記ボールレンズを含む第１のレンズと、
   出力光を前記流体セルからその第２の側を介して受け入れ、前記出力光を前記分光計内に結合するように構成された第２のレンズとを含むことを特徴とする光学流体分析器。
7. 請求項６に記載の光学流体分析器において、
   前記第２のレンズが、ボールレンズを含むことを特徴とする光学流体分析器。
8. 請求項１に記載の光学流体分析器において、
   前記光源からの入力光を受け入れて、この入力光を前記流体セル内にその第１の側で反射するように構成された第１の軸外放物面ミラーと、
   前記流体セルからの出力光をその第２の側を介して受け入れて、前記出力光を前記分光計内に反射するように構成された第２の軸外放物面ミラーとをさらに備えることを特徴とする光学流体分析器。
9. 請求項１に記載の光学流体分析器において、
   前記光源からの入力光を受け入れて、この入力光を前記流体セル内にその第１の側で反射するように構成された軸外放物面ミラーをさらに含み、前記第２の光学素子が、前記流体セルからの出力光をその第２の側を介して受け入れて、この出力光を前記分光計内に導くように構成されたレンズを含むことを特徴とする光学流体分析器。
10. 請求項１に記載の光学流体分析器において、
    前記第１の光学素子または前記第２の光学素子のうちの少なくとも一方が、前記流体セルを向く内面に、流体のスティクションを防止するためのコーティングを含むことを特徴とする光学流体分析器。
11. 請求項１に記載の光学流体分析器において、
    前記機械学習エンジンを訓練するように構成された流体データを含むデータベースをさらに備えることを特徴とする光学流体分析器。
12. 請求項１に記載の光学流体分析器において、
    前記流体セル内の流体に関連するセンサデータを生成し、前記機械学習エンジンに前記センサデータを提供するように構成された少なくとも１のセンサをさらに備えることを特徴とする光学流体分析器。
13. 請求項１２に記載の光学流体分析器において、
    前記少なくとも１のセンサが、圧力センサ、流量センサ、温度センサまたは湿度センサのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする光学流体分析器。
14. 請求項１に記載の光学流体分析器において、
    前記流体セルが、マイクロ流体セルを含むことを特徴とする光学流体分析器。
15. 請求項１４に記載の光学流体分析器において、
    前記第２の光学素子が、前記分光計を含むパッケージのパッケージガラス窓を含み、このパッケージガラス窓が、前記マイクロ流体セルを含むことを特徴とする光学流体分析器。
16. 請求項１に記載の光学流体分析器において、
    流体が患者の呼気サンプルを含み、当該光学流体分析器が、
    前記流体セルに結合され、患者の呼気サンプルを受け入れて、患者の呼気サンプルを前記流体セル内に供給するように構成された入力チューブをさらに備えることを特徴とする光学流体分析器。
17. 請求項１に記載の光学流体分析器において、
    前記分光計が、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースのフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光計を含むことを特徴とする光学流体分析器。
18. 請求項１に記載の光学流体分析器において、
    前記第１の光学素子または前記第２の光学素子のうちの少なくとも一方に結合され、前記第１の光学素子または前記第２の光学素子のうちの少なくとも一方の運動を引き起こして、前記流体セルの光路長を変化させるように構成されたアクチュエータをさらに備えることを特徴とする光学流体分析器。
19. 請求項２に記載の光学流体分析器において、
    前記光源と前記流体セルとの間に配置されて、前記流体セルをその第１の側で密封するように構成された平坦な光学窓をさらに備え、前記ボールレンズが、前記平坦な光学窓と前記流体セルとの間に結合されていることを特徴とする光学流体分析器。