CN106574869A - 具有可变光束功率和形状的光谱仪 - Google Patents

Abstract

至少一个光源被配置成向吸收介质的样品体积中发射光束。另外，至少一个检测器被定位以检测由至少一个光源发射的至少部分光束。此外，至少一个光束调整元件被定位在所述至少一个检测器和所述至少一个光源之间，以选择性地改变由至少一个检测器检测到的、由至少一个光源发射的所述光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个。控制电路被耦合至所述光束调整元件。描述了相关装置方法、生产的物品、系统等等。

Description

具有可变光束功率和形状的光谱仪

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年8月22日提交的名称为“具有可变光束功率和形状的光谱仪(Spectrometer With Variable Beam Power and Shape)”的美国专利申请序列号14/466,839的优先权。本段中所列的各个申请的公开内容都在此通过引用以其整体并入。

技术领域

本文所述的主题涉及光谱分析仪，其中由光源发射的光束的功率和/或形状是选择性地可变的。

背景技术

光谱仪使用光源来检测和量化物质对辐射的发射或者吸收(例如，气或者液相化合物分析中的个别分子)。来自这些光源的辐射用分析物的分子发生的跃迁而确定的特殊能量吸收或者发射。例如，在红外光谱中，由于红外分子键的振荡或者旋转跃迁的激励，由分子吸收离散能量量子。

环境条件的变化以及老化能够引起光谱仪内的光源的发出的和/或检测的功率和/或光束形状随着时间变化。光谱仪中发出的和/或检测的功率和光束形状的变化能够改变光谱仪校准并且引起光谱仪读数偏移。这些读数偏移能够引起控制过程的更高运行成本、昂贵的设备替换，包括但是不限于催化转化器，或者如果超过了测量分析物的有害浓度限制，则引起对人类或者环境有害的条件。在一些情况下，遭受这些问题的光谱仪需要由技术人员手动校准或者甚至更换。这些服务调用是昂贵的，并且在进行这些维修时造成光谱仪停机。

发明内容

在一个方面中，至少一个光源被配置成向吸收介质的样品体积内发射光束。另外，至少一个检测器被定位以检测由光源发射的光束的至少一部分。此外，光束调整元件被定位在检测器和光源之间，以选择性地改变由至少一个检测器检测到的、由光源发射的光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个。控制电路被耦合至光束调整元件。

吸收介质包括气体和/或液体。

在一些情况下，也提供限定样品体积的壳体。在其它变体中，样品体积形成开放路径系统的一部分。

光束调整元件能够采取许多形式。例如，光束调整元件能够包括光学滤波器或者光学漫射器(optical diffuser)。光束调整元件能够包括光学透镜。光束调整元件能够包括漫透射器或者漫反射器。光束调整元件能够包括具有选择性地可调节表面的反射器。光束调整元件能够包括可调节光圈(aperture)。光束调整元件能够包括液晶元件。光束调整元件能够包括可调谐滤波器。在一些情况下，可调谐滤波器能够包括热光学调谐器和/或量子阱调谐元件。

光束调整元件能够包括中性密度(ND)滤波器。光束调整元件包括可旋转光学干涉滤波器。光束调整元件能够包括具有在光束路径内可选择性地移动的两个或者更多个不同光学滤波器的滤波轮。光束调整元件能够包括滤波楔形物(filter wedge)。光束调整元件能够包括例如下述中的一个或多个：可饱和吸收器、空间滤波器、波导管、由至少一层介电材料制成的膜、由能够相对于光束传播的轴线旋转或者平移的有机材料制成的膜、Bragg光栅、光阀、偏振器、光功率致动器、具有改变光束轮廓的衍射光学结构的透射光学元件、经粗抛光的透射光学元件、具有引起入射激光束散射或者改变光束轮廓的表面结构的反射光学元件、衍射光学元件、菲涅尔型光学元件、由碳氢材料制成的膜或者光学元件，或者分束装置。

在一些变体中，能够存在被耦合至光束调整元件的至少一个致动元件，光束调整元件被配置成选择性地沿至少一个轴线移动光束调整元件的位置和/或角度。至少一个致动元件能够包括下述中的一个或多个：压电致动器、步进马达、电光致动器、声光致动器、微电子机械系统(MEMS)致动设备、尺蠖式装置、机械致动器、磁致动器、静电致动器、感应致动器、旋转致动器、热致动器、压力致动器、应力和应变致动器、步进马达或者模拟马达。致动元件能够被耦合至光源或者检测器，以移动光源或者检测器的位置和/或角度。例如，检测器能够被移动得离焦点更远，从而在检测器表面上获得更大的光束直径。在另一示例中，当检测器表面垂直于入射光束时，如果使检测器倾斜30度，则检测器上的入射光束直径将加倍。此外，光束调整元件能够位于至少一个光源和至少一个检测器之间的光束路径中，并且致动元件能够被耦合至光束调整元件，从而移动光束在样品体积内和检测器上的角度和/或位置。另外，如果光束调整元件为透镜或者反射镜，则能够改变其曲率半径(ROC)从而修改光束形状。如果光束调整元件为透镜，则能够改变透镜表面的距离或者透镜介质的折射率从而修改光束形状。

至少一个光源能够被耦合至控制电路。

至少一个检测器能够被耦合至控制电路，并且包括光接收器阵列。光接收器阵列能够包括/为象限单元检测器。

控制电路能够选择性地引起光束调整元件响应于由至少一个光检测器检测到的该光束的位置和/或角度和/或功率强度水平来改变由至少一个检测器检测到的光束的形状和/或功率强度。

至少一个光源能够采取各种形式，包括但不限于下述中的至少一个：可调谐二极管激光器、可调谐半导体激光器、量子级联激光器、带内级联激光器(ICL)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、水平腔表面发射激光器(HCSEL)、分布反馈激光器、发光二极管(LED)、超辐射发光二极管、放大自发辐射(ASE)源、气体放电激光器、液体激光器、固态激光器、光纤激光器、色心激光器、白炽灯、放电灯、热发射器，或者能够通过非线性光学相互作用生成可调频光的设备。

检测器能够采取各种形式，包括下述中的一个或更多个：铟镓砷(InGaAs)检测器、砷化铟(InAs)检测器、磷化铟(InP)检测器、硅(Si)检测器、硅锗(SiGe)检测器、锗(Ge)检测器、碲镉汞检测器(HgCdTe或MCT)、硫化铅(PbS)检测器、硒化铅(PbSe)检测器、热电堆检测器、多元件阵列检测器、单元件检测器或者光电倍增器。

壳体能够限定样品单元，样品单元包括下述中的至少一个：其中在光保持在所述样品单元内部时，在一个或者更多光学反射镜之间反射光的多通构造；其中在光保持在所述样品单元内部时，由一个或者更多光学元件折射光的多通构造；赫里奥特单元(HerriotCell)；离轴光学谐振器；抛物面聚光器；球面聚光器；怀特单元(White Cell)；光学腔；空心导光板；或者其中光在保持在样品单元内部时，不反射光的单通构造。

另一方面，由形成光谱仪的一部分的至少一个光源向包括吸收介质的样品体积中发射至少一个光束。之后，至少一个检测器检测由光源发射的光束的至少一部分。然后基于检测的光束的至少一部分并且由控制器来确定光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个应该被改变。然后，至少一个光束调整元件在控制器的控制下引起由至少一个检测器检测到的、由光源发射的光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个选择性地改变。

在进一步方面，引起形成光谱仪的一部分的至少一个光源向包括吸收介质的样品体积中发射至少一个光束。然后，从特征在于检测由光源发射的光束的至少一部分的至少一个检测器接收信号。然后基于接收的信号确定光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个应该被改变。之后，引起至少一个光束调整元件改变由至少一个检测器检测到的、由至少一个光源发射的光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个。

也描述了存储指令的非瞬态计算机程序产品(即，有形计算机程序产品)，该指令当由一个或者更多个计算系统的一个或者更多个数据处理器执行时，引起至少一个数据处理器进行本文的操作。类似地，也描述了可以包括一个或者更多个数据处理器和被耦合至一个或者更多个数据处理器的存储器的计算机系统。存储器可以临时地或者永久地存储引起至少一个处理器进行本文所述的一个或者更多个操作的指令。另外，能够由单个计算系统内或者在两个或者更多个计算系统之间分布的一个或者更多个数据处理器实施这些方法。这些计算系统能够经由包括但是不限于通过网络(例如，因特网、无线广域网、局域网、广域网、有线网络等等)的连接的一个或者更多个连接，经由多个计算系统中的一个或者更多个之间的直接连接而连接，并且交换数据和/或命令或者其它指令等等。

本文所述的主题提供许多技术优点。例如，通过选择性地改变由光源发射的光束的发出的和/或检测的功率和/或形状，能够显著地降低光谱仪对由于老化和环境因素的精确度偏离的敏感性，从而确保最佳光谱仪性能和校准保真度。特别地，本主题能够解决跨检测器的有效表面的空间敏感性变化，线性地响应于入射光束的功率/强度的检测器的有限动态范围，以及对DC和AC光功率的变化响应。此外，本主题优势在于，其能够被用于应对在跨检测器表面的不同位置接收，或者以引起不同电子回路增益和结果校准偏移的不同光斑尺寸接收的光束。

本主题的进一步优势包括能够作为检测器表面上的光束光斑的入射DC功率/DC强度的功能，解决AC和DC增益改变。在一个示例中，一般而言，检测器表面上的非常高强度的DC光束光斑能够使检测器区域在一定程度上变淡，改变非常低功率的2f信号的AC增益。载波的“淡化”量与载波移动性、检测器偏压电压，以及安装在包括但是不限于半导体检测器的典型检测器的后部的电极与光束光斑的接近程度有关。光斑越小、强度越高、移动越快，则AC和DC增益将在空间上变化。

更进一步，本主题能够解决无论是否是由于检测器温度变化或者其它因素导致的光束的AC分量(包括但是不限于光源的频率调制引起的谐波2f信号)和DC分量(总入射光功率)的增益差异。由于通过将2f信号与DC信号相比导出2f TDL光谱仪的浓度读数，所以关于校准时的条件的检测器上的变化AC与DC增益关系将改变浓度读数并且引起校准偏差(根据检测器表面上的入射功率和功率分布)。

在附图和下文说明中提出了本文所述的主题的一个或者更多个变体的细节。通过说明和附图并且通过权利要求将理解本文所述的主题的其它特征和优点。应注意，本文主题考虑用于检测痕量气体和/或液体的封闭样品池和开放路径系统这两者。因此，本文使用的术语“样品气体体积”、“气体体积”、“样品液体体积”和“液体体积”是指气体或液体的流动体积或静态批量体积(视情况而定)。

附图说明

被并入并且组成本说明书的部分的附图示出本文公开的主题的特定方面，并且与说明一起有助于解释与公开的实施方式相关联的一些原理。在附图中，

图1是示出选择性改变光谱仪内的光束的检测的功率和/或形状的过程流程图；

图2是示出具有样品单元的第一光谱仪的视图；

图3是示出具有样品单元的第二光谱仪的视图；

图4是示出第一开放路径光谱仪的视图；并且

图5是示出第二开放路径光谱仪的视图。

在实践中，类似的附图标记指代类似的结构、特征或者元件。

具体实施方式

为了解决由于光谱测量的光束敏感性的上述和其它潜在问题，本主题的实施方式能够提供光谱仪，其具有光源以及具有改变检测的光束的功率和/或形状的能力的光学组件或其部分。从来源取样的气体和/或液体能够包括吸收介质(例如，一种或者更多种分析化合物，等等)。能够由光谱分析进行对这些吸收介质的浓度的检测和/或量化。光谱仪能够包括至少一个光束调整元件，其引起由光源发射的发出的和/或检测的光束的功率和/或形状按控制器指定地改变。在一些变体中，系统能够包括空间检测器/检测器阵列，以便控制单元能够确定光束的位置和/或形状和/或功率，并且引起光束调整元件做出任何需要的变化。

本主题的实施方式能够与其一起使用的分析化合物包括吸收光的所有气体、液体和固体相原子、分子和离子，但是不限于：硫化氢(H₂S)；氯化氢(HCl)；水蒸汽(H₂O)；氟化氢(HF)；氰化氢(HCN)；溴化氢(HBr)；氨(NH₃)；砷化三氢(AsH₃)；磷化氢(PH₃)；氧气(O₂)；一氧化碳(CO)；二氧化碳(CO₂)；氯气(Cl₂)；氮气(N₂)；氢气(H₂)；碳氢化合物，包括但是不限于甲烷(CH₄)、乙烷(C₂H₆)、乙烯(C₂H₄)、乙炔(C₂H₂)等等；碳氟化合物；氯碳化合物；醇；酮；乙醛；酸，碱等等。

图1是过程流程图100，其中在110，至少一个光源向包括吸收介质的样品体积内发射光束。之后，在120，至少一个检测器检测由光源发射的光束的至少一部分。随后在130，基于检测的光束的至少一部分并且由控制器确定光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个应该被改变。然后在140，由光源发射的光束被光束调整元件在控制器的控制下选择性地改变。另外，吸收介质的浓度能够被量化或者以其它方式计算(使用控制器或者可选地，能够处于本地或者远程的不同处理器)。

图2-5是示出用于实施当前主题的示例光谱仪的图200-500。尽管结合检测气体内的吸收介质描述下文，但是应当理解，当前主题也能够应用于检测液体内的吸收介质。光源205经由路径长度215提供被引导至检测器210的连续或者脉冲光。光源205能够包括例如下述中的一个或更多个：可调谐二极管激光器、可调谐半导体激光器、量子级联激光器、带内级联激光器(ICL)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、水平腔表面发射激光器(HCSEL)、分布反馈激光器、发光二极管(LED)、超辐射发光二极管、放大自发辐射(ASE)源、气体放电激光器、液体激光器、固态激光器、光纤激光器、色心激光器、白炽灯、放电灯、热发射体等等。检测器210能够包括例如下述中的一个或更多个：铟镓砷(InGaAs)检测器、砷化铟(InAs)检测器、磷化铟(InP)检测器、硅(Si)检测器、硅锗(SiGe)检测器、锗(Ge)检测器、碲镉汞检测器(HgCdTe或MCT)、硫化铅(PbS)检测器、硒化铅(PbSe)检测器、热电堆检测器、多元件阵列检测器、单元件检测器、光电倍增器、CMOS(互补金属氧化物半导体)检测器、CCD(电荷耦合器件检测器)检测器等等。

路径长度215能够横贯一个或者更多体积。在图2-5中所示的示例系统200-500中，路径长度215能够两次横贯光学单元225的体积220，该光学单元225包括窗口或者至少部分可透辐射表面230以及反射镜或者至少部分地限定体积220的其它至少部分可反射辐射表面。在一些实施方式中，能够从在图2和3的示例中作为管道240的气体源获得样品气体，从而例如经由从气体源接收样品气体的样品抽取端口或者阀门245输送至体积220。体积220中的气体能够经由相同阀门245或第二出口阀门或者端口250流出。

如图2和3中所示，在一些变体中，体积220可以是限定样品单元的壳体的一部分，样品单元能够是下述中的一个或更多个：赫里奥特单元；离轴光学谐振器；轴上光学谐振器；椭圆形集光器；抛物面集光器；球面集光器；怀特单元；光学腔；空心导光板；其中光束被反射至少一次的多通构造；或者其中在横贯样品单元时不反射光的单通构造。在其它变体中，如图3和4中所示，体积220能够是不包括专用样品单元的开放路径系统的一部分。开放路径系统能够用于各种应用，包括大气污染物研究、警戒线监控、过程管线/罐渗漏检测、工业气体纯度应用，以及监控和控制燃烧过程，尤其是排气烟筒的监控。

能够包括一个或者更多个可编程处理器等等的控制器255能够与光源205以及检测器210通信，以控制光215的发射并且接收由检测器210生成的作为波长的函数代表入射到检测器210上的光的强度的信号。在各种实施方式中，控制器255能够是进行控制光源205以及从检测器210接收信号两者的单个单元，或者能够是这些功能跨这些单元划分的多于一个单元。控制器255或者多个控制器以及光源205和检测器210之间的通信能够通过有线通信链路、无线通信链路或者其任何组合。在一些情况下，控制器255也能够用于使用由检测器210生成的信号量化吸收介质的量。在其它变体中，能够由至少一个外部数据处理器/计算设备进行量化。

在一些情况下，控制器255能够被配置使得检测器210上的入射DC功率被维持在检测器以及下游电子电路的线性响应范围内，这继而能够确保更好的浓度校准保真度。

在一些实施方式中，2f信号能够由DC归一化，以便消除非谐振激光强度衰减对2f信号振幅的影响。从DC归一化的2f信号计算分析物浓度。已经发现，检测器的光电增益G_D、2f的电子增益G_2f以及DC的电子增益G_DC可以不都是恒定的。例如，由于检测器局部饱和或者非线性，G_D能够随着检测器上的入射激光强度I_D变化。结果，G_D能够被扩展为傅立叶余弦/正弦级数。然后，2f和DC信号(在项的#和每个项的组成方面)两者都将改变，即DC归一化的2f信号也将随之改变。

作为另一示例，由于电路串扰/非线性，G_2f/G_DC的比例也能够随着不同G_DC而变化。在这种情况下，2f和DC信号两者仍包含相同项，但是由于G_2f/G_DC的比例变化，DC归一化的2f信号振幅改变。

光束调整元件260能够被耦合至光源205和控制器255。控制器255能够向光束调整元件260发送信号，以引起其选择性地改变由检测器210检测的由光源205发射的光束的形状和/或功率。在一些变体中，光束调整元件260能够是引起光束的功率和/或形状改变的任何可控设备(并且因此，光束调整元件260一方面不直接在光束路径中间，另一方面不直接在光源205和检测器210中间)。例如，通过这种变体，光束调整元件260能够是/包括/或者被耦合至在x轴、y轴或者z轴中的至少一个中移动光束调整元件260或者使其沿任何轴线旋转一些角度的至少一个致动元件，诸如至少一个压电致动器元件、尺蠖式装置、机械致动器、磁致动器、静电致动器、感应致动器、旋转致动器、热致动器、压力致动器、应力和应变致动器、模拟马达、步进马达、电光致动器、声光致动器、量子阱调谐元件和/或微电子机械系统(MEMS)致动装置。

另外或者作为替选(如图3和5中所示)，光束调整元件260能够位于光源205和检测器210中间，和/或与光束路径交叉。通过这种布置，光束调整元件260能够是光学地引起由光源205发射的光束的形状(跨光束的功率分布)和/或功率选择性地改变(在一些情况下不移动光源205或者改变光源205的操作)的任何设备/元件。

光束调整元件260能够是/包括一个或者更多个不同元件。光束调整元件能够包括下述中的一个或更多个：光学透射滤波器或者光学漫射器、漫透射器或者漫反射器、具有选择性地可调表面的反射器、液晶光学元件、衍射光学元件、折射光学元件、可调光圈、波导管(例如，可电控波导管等等)、光纤、具有至少一层介电材料的光学元件、可调谐滤波器、热光学调谐器、量子阱调谐元件、中性密度(ND)滤波器、光学干涉滤波器、具有可选择性地在光束路径中移动的两个或者更多个不同光学元件的滤波轮，或者具有跨其表面变化的光学透射的滤波楔形物。

在一些变体中，光束调整元件260能够包括可饱和吸收器(例如，光致变色透镜，等等)。光束调整元件260能够包括空间光学滤波器，其包括但是不限于能够被弯曲或者变形从而引起发出的功率损失，或者能够具有z轴可致动聚光透镜(如果从其处于光纤入口的理想的焦点移动，则始终能够降低功率)的实心并且中空或者光子学晶体光导管。光束调整元件260能够包括可调透射元件，诸如液晶光学元件、光电元件、声光元件、具有耦合光栅结构的波导管(电应力和应变驱动和热驱动变化能够改变光谱频率和带宽的光的透射性)。光束调整元件260能够包括由至少一层介电材料制成的膜、由能够旋转的有机材料制成的膜等等。光束调整元件260能够包括体积Bragg格栅(可旋转或者可加热)、光纤Bragg格栅、光阀、偏振器和/或其它类型的光功率致动器。

光束调整元件260能够包括漫射器和改变光束轮廓的光学元件(照明器或者“顶帽型转换器”等等)。这些漫射器和光学元件能够跨更大检测器面积分布激光功率，因而降低其中激光束入射在表面上的局部化的高强度区域，包括但是不限于(i)具有改变光束轮廓的衍射光学结构的透射光学元件，(ii)经粗抛光的透射光学元件(平表面或者随机曲率)，(iii)具有引起入射激光束分散或者改变光束轮廓的表面结构的反射光学元件，(iv)衍射光学元件，(v)菲涅耳型光学元件，和/或(vi)碳氢材料制成的膜或者光学元件。

光束调整元件260也能够是被耦合以分离原始光束并清除额外光学功率的光束分离设备、自由空间或者光纤。

在一些变体中，控制器255能够基于检测器210检测的强度水平，而不参考这种光束的空间位置来做出应该改变光束的功率和/或形状的确定。例如，强度水平能够指示光束的中心已经发散，和/或沿光束路径的至少部分存在一些干扰。另外或者作为替选，控制器255能够基于由检测器210检测的光束的位置和/或角度来做出应该改变光束的功率和/或形状的确定。对于这样的后一种变型，能够使用光接收器阵列和/或具有单元阵列的检测器。例如，检测器210能够为象限单元检测器和/或定位感测光电二极管。对于后一示例，能够通过比较来自各个单元的检测信号来确定发射的光束的中心点的位置。能够通过[(单元₂+单元₄)–(单元₁+单元₃)]/(单元₁+单元₂+单元₃+单元₄)来计算中心点的水平位置，并且能够通过[(单元₁+单元₂)–(单元₃+单元₄)]/(单元₁+单元₂+单元₃+单元₄)来计算中心点的垂直位置。在另一示例中，位置敏感检测器能够是检测光束的x和y位置，以及x和y角度的检测器。此外，能够使用多元件线性检测器阵列以确定光束位置。在另一实施例中，能够使用2维检测器阵列以确定光束位置。在另一示例中，位置感测检测器能够是检测光束的x和y位置，以及x和y角度的检测器。此外，能够使用多元件线性检测器阵列以确定光束位置。在另一变体中，能够使用2维检测器阵列以确定光束位置。对于这种空间敏感检测器，能够经由控制器255和光束调整元件260维持预定位置(沿两个或者更多维度)和/或预定角度(由两个或者更多维度指定的)。

体积220能够被维持在稳定温度和压力下。可替选地，体积220能够包括一个或者更多个温度和/或压力传感器，以确定在该体积内的当前温度和压力，从而在一个或更多个计算中补偿相对于光谱装置的确认或者校准条件的温度和/或压力变化。此外，能够由加热元件和压力控制元件或者质量流量控制器将体积220调节至预置温度和压力。

控制器255，或者可替选地，与其它组件并置或者与其无线、有线等等通信的一个或者更多个其它处理器能够进行上文参考图1中所示的方法讨论的处理功能。

本文描述的主题的一个或者更多个方面或者特征能够被以数字电子电路、集成电路、专门设计的应用程序专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、计算机硬件、固件、软件和/或其组合实现。这些各种方面或者特征能够包括在可编程系统上可执行和/或可解释的一个或者更多个计算机程序的实施方式，可编程系统包括能够是专用或者通用的、被耦合以从存储系统接收数据和指令，并且向存储系统发送数据和指令的至少一个可编程处理器，至少一个输入设备以及至少一个输出设备。可编程系统或者计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离，并且通常通过通信网络交互。客户端和服务器的关系通过在相应计算机上运行的计算机程序产生，并且彼此具有客户端-服务器关系。

也能够被称为程序、软件、软件应用程序、应用程序、组件或者代码的这些计算机程序包括用于可编程处理器的机器指令，并且能够以高级程序语言、面向对象编程语言、函数式编程语言、逻辑编程语言实施，和/或以汇编/机器语言实施。本文使用的术语“机器可读媒体”指用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何计算机程序产品、装置和/或设备，诸如磁盘、光盘、存储器和可编程逻辑设备(PLD)，包括接收作为机器可读信号的机器指令的机器可读媒体。术语“机器可读信号”指用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何信号。机器可读媒体能够非瞬态地存储这些机器指令，诸如非瞬态固态存储器或者磁硬盘驱动器或者任何等效的存储媒体。作为替选或者另外地，机器可读媒体以瞬态方式存储这些机器指令，诸如与一个或者更多物理处理器核心相关联的处理器缓存或者其它随机存取存储器。

为了提供与用户的交互，本文描述的主题的一个或者更多个方面或者特征能够在具有显示装置的计算机上实施，诸如用于向用户显示信息的阴极射线管(CRT)或者液晶显示器(LCD)或者发光二极管(LED)监控器，以及键盘和定点设备，诸如用户可以通过其向计算机提供输入的鼠标或者轨迹球。也能够使用其它类型的设备以提供与用户的互动。例如，提供给用户的反馈能够是任何形式的感觉反馈，诸如视觉反馈、听觉反馈或者触觉反馈；并且可以以任何形式接收来自用户的输入，包括但是不限于听觉、语言或者触觉输入。其它可能的输入设备包括但是不限于触摸屏或者其它触摸敏感设备，诸如单或者多点电阻或者电容触控板，语音识别硬件和软件，光学扫描仪，光学指针，数字图像捕捉装置，以及相关联的解释软件，等等。

在上述说明和权利要求中，诸如“至少一个…”或者“一个或者更多个…”的短语可以出现，之后跟随元件或者特征的连接列表。术语“和/或”也可以出现在两个或者更多元件或者特征的列表中。除非在由使用的场境中另外隐含地或者明确地否认，这种短语都旨在意指任何个别所列的元件或者特征，或者与任何其它列举的元件或者特征组合的任何列举的元件或者特征。例如，短语“A和B中的至少一个”、“A和B中的一个或更多个”以及“A和/或B”中的每个都旨在意指“单独A、单独B，或者A和B一起”。类似解释也旨在用于包括三个或者更多个条目的列表。例如，短语“A、B和C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或更多个”以及“A、B和/或C”中的每个都旨在意指“单独A、单独B、单独C、A和B一起、A和C一起、B和C一起，或者A和B和C一起”。另外，在上文和权利要求中使用术语“基于…”旨在意指“至少部分地基于…”，使得也可允许未列举的特征或者元件。

取决于期望配置，本文描述述的主题能够被具体化为多种系统、装置、方法和/或物品。在上文说明中提出的实施方式不代表符合本文所述的主题的所有实施方式。相反，它们仅是符合与所述主题相关的多个方面的一些示例。虽然上文已经详细地描述了一些变体，但是可能存在其它变型或者添加。特别地，除了本文提出的那些之外，还能够提供进一步特征和/或变体。例如，上文所述的实施方式能够涉及公开的特征的各种组合和子组合，和/或上文公开的若干进一步特征的组合和子组合。另外，附图中所示的和/或本文所述的逻辑流程图不必为了实现期望结果而需要所示的特殊顺序，或者为相继顺序。其它实施方式也可能在下列权利要求的范围内。

Claims (31)

1.一种装置，包括：

至少一个光源，所述光源被配置成向吸收介质的样品体积中发射至少一个光束；

至少一个检测器，所述检测器被定位以检测由所述光源发射的光束的至少一部分；

光束调整元件，所述光束调整元件被定位在所述检测器和所述光源之间，以选择性地改变由所述至少一个检测器检测到的、由所述光源发射的所述光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个；以及

控制电路，所述控制电路被耦合至所述光束调整元件。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述吸收介质包括气体。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述吸收介质包括液体。

4.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，进一步包括：

限定所述样品体积的壳体。

5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的装置，其中，所述样品体积形成开放路径系统的一部分。

6.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括光学滤波器和光学漫射器。

7.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括光学透镜。

8.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括漫透射器或者漫反射器。

9.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括具有选择性地可调节表面的反射器。

10.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括液晶光学元件。

11.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括可调节光圈。

12.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括可调谐滤波器。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述可调谐滤波器包括热光学调谐器。

14.根据权利要求12或13所述的装置，其中，所述可调谐滤波器包括量子阱调谐元件。

15.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括中性密度(ND)滤波器。

16.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括可旋转或者可平移光学干涉滤波器。

17.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括滤波轮，所述滤波轮具有在所述光束路径内可选择性地移动的两个或者更多个不同的光学滤波器。

18.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括滤波楔形物。

19.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光束调整元件包括从由下列元件组成的组中选择的至少一个元件：可饱和吸收器、光纤、空间滤波器、波导管、由至少一层介电材料制成的膜、由能够旋转的有机材料制成的膜、Bragg光栅、光阀、偏振器、光功率致动器、具有改变光束轮廓的衍射光学结构的透射光学元件、经粗抛光的透射光学元件、具有引起入射激光束散射或者改变光束轮廓的表面结构的反射光学元件、衍射光学元件、菲涅尔型光学元件、由碳氢材料制成的膜或者光学元件，或者分束装置。

20.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，进一步包括至少一个致动元件，所述致动元件被耦合至(i)所述至少一个光束调整元件，(ii)所述至少一个光源，或者(iii)所述至少一个检测器，并且所述致动元件被配置成选择性地沿至少一个轴线移动所述光束调整元件的位置和/或角度。

21.根据权利要求20所述的装置，其中，所述至少一个致动元件从由下列元件组成的组中选择：压电致动器、步进马达、电光致动器、声光致动器、微电子机械系统(MEMS)致动装置、尺蠖式装置、机械致动器、磁致动器、静电致动器、感应致动器、旋转致动器、热致动器、压力致动器、应力和应变致动器、或者模拟马达。

22.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述至少一个光源被耦合至所述控制电路。

23.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述至少一个检测器被耦合至所述控制电路，并且包括光接收器阵列。

24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述光接收器阵列包括象限单元检测器。

25.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述控制电路引起所述光束调整元件响应于由至少一个光检测器检测到的所述光束的位置和/或角度来改变由所述至少一个检测器检测到的所述光束的形状和/或功率强度。

26.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述至少一个光源包括下述中的至少一个：可调谐二极管激光器、可调谐半导体激光器、量子级联激光器、带内级联激光器(ICL)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、水平腔表面发射激光器(HCSEL)、分布反馈激光器、发光二极管(LED)、超辐射发光二极管、放大自发辐射(ASE)源、气体放电激光器、液体激光器、固态激光器、光纤激光器、色心激光器、白炽灯、放电灯、热发射器，或者能够通过非线性光学相互作用生成可调频光的设备。

27.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述至少一个检测器包括下述中的至少一个：铟镓砷(InGaAs)检测器、砷化铟(InAs)检测器、磷化铟(InP)检测器、硅(Si)检测器、硅锗(SiGe)检测器、锗(Ge)检测器、碲镉汞检测器(HgCdTe或MCT)、硫化铅(PbS)检测器、硒化铅(PbSe)检测器、热电堆检测器、多元件阵列检测器、单元件检测器或者光电倍增器。

28.根据权利要求4所述的装置，其中，所述壳体限定样品单元，所述样品单元包括下述中的至少一个：其中在光保持在所述样品单元内部时，在一个或者更多光学反射镜之间反射光的多通构造；其中在光保持在所述样品单元内部时，由一个或者更多光学元件折射光的多通构造；赫里奥特单元；离轴光学谐振器；抛物面聚光器；球面聚光器；怀特单元；光学腔；空心导光板；或者其中在光保持在样品单元内部时，不反射光的单通构造。

29.一种方法，包括：

由形成光谱仪的一部分的至少一个光源向包括吸收介质的样品体积中发射至少一个光束；

由至少一个检测器检测由所述至少一个光源发射的光束的至少一部分；

基于所检测的光束的至少一部分并且由控制器来确定所述光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个应该被改变；以及

由至少一个光束调整元件在所述控制器的控制下选择性地改变由所述至少一个检测器检测到的、由所述至少一个光源发射的所述光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个。

30.一种方法，包括：

引起至少一个光源向包括吸收介质的样品体积中发射至少一个光束，所述至少一个光源形成光谱仪的一部分；

从至少一个检测器接收信号，所述至少一个检测器具有检测由所述光源发射的光束的至少一部分的特征；

基于所接收的信号确定所述光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个应该被改变；以及

引起至少一个光束调整元件改变由所述至少一个检测器检测到的、由所述至少一个光源发射的所述光束的(i)功率强度，或者(ii)形状中的至少一个。

31.一种存储指令的非瞬态计算机程序产品，所述指令当由形成至少一个计算设备的一部分的至少一个数据处理器执行时，实施根据权利要求29或30所述的方法。