光學測量系統和氣體檢測方法

光學測量系統和氣體檢測方法
【專利摘要】本發明涉及光學測量系統和氣體檢測方法。該光學測量系統包括布置在至少一個外殼中的光發射體（4）和至少一個光檢測器（8），其中，光發射體（4）以調制跨度Δλ、以平均波長λ0發射已調制主光束（9）。至少一個光機械部件（15）（例如包括光學有效邊界面的外殼窗口）被布置在光發射體與光檢測器之間，并引起散射光束（11），其與主光束相干擾使得發生自混合和/或引起標準具。因此，光檢測器的測量信號包括主信號部分和不期望的干擾信號部分。根據本發明，該至少一個光機械部件被相對于光發射體和/或光檢測器布置在優化距離L處，其是主光束的波長λ0和調制跨度Δλ的函數。特殊選擇的距離L促進最小化散射光束對已解調信號的影響，這導致傳感器靈敏度的增加。
【專利說明】
光學測量系統和氣)體檢測方法
技術領域
[0001] 本發明涉及光學測量系統和用于氣體檢測的方法，該光學測量系統包括光發射體 和形成布置在至少一個外殼中的光學部件的至少一個光檢測器，所述至少一個外殼可選地 包括形成光機械部件和/或其它光機械部件的外殼窗口，其中，該光機械部件包括光學有效 邊界面，其中，所述光發射體以調制跨度Δλ、以平均波長λ〇發射已調制主光束，其中，至少 在至少一個光機械部件的一個光學有效邊界面處被在光發射體和/或光檢測器的方向上從 主光束部分地反射/散射的主光束的至少一個散射光束通過與主光束的干擾而在光檢測器 處引起光發射體中的自混合和/或光檢查器處的標準具(etalon)，其中，該干擾引起干擾主 光束，使得光檢測器的測量信號包括干擾信號部分和主信號部分，其中，干擾信號影響光檢 測器的已解調測量信號。
【背景技術】
[0002] 此類光學測量系統正在被用于各種測量任務，例如像用于長度測量或光譜學。在 此類測量系統中，通常使用激光二極管作為光發射體并使用適當的光電二極管作為光檢測 器。激光吸收光譜學被用于例如氣體檢測。因此，由光發射體發射的主光束在通過氣體或氣 體混合物之后被光檢測器檢測到，并向信號分析儀(特別是鎖定放大器)提供接收信號以用 于評估。信號分析儀將恒定干擾圖從光檢測器的測量信號分離。然而，信號分析儀不能完全 地從接收信號消除時變干擾圖，使得用于要檢測氣體的檢測靈敏度由于增加的噪聲而被顯 著地降低。除其它影響之外，溫度影響觸發時變干擾圖，其中，溫度影響改變用于主光束從 光發射體到光檢測器的一定長度的光程。此外，主光束在測量系統的外殼的內表面處或者 在布置于外殼中的波束成形和/或波束指引光學或光機械部件(例如像透鏡或反射鏡)的邊 界面處或者在外殼窗口的內或外表面處的反射和/或散射可以引起此類干擾圖。該反射或 散射可以引起被指引到光發射體和/或光檢測器的散射光束。此類散射光束引起光發射體 中的自混合和/或光檢測器處的標準具，因為其與主光束相干擾，形成干擾圖，并且因為其 形成被光檢測器接收到的干擾主光束。這些干擾圖也與溫度有關且因此可以隨時間而變。 自混合和標準具是由來自分別地相對于主光束的光程長度部分地反射主光束直到光發射 體或光檢測器的光學和/或光機械部件的散射光束的不同長度光程引起的。對于標準具而 言，反射或散射光學和/或光機械部件直到光檢測器的距離是相關的，對于自混合而言，各 部件到光發射體的小孔的距離是相關的，該部件形成用于通過小孔進入諧振器中并與在激 光器的內部被部分地反射回來的主光束相干擾的散射光束的"接收機"。
[0003] 在用于氣體檢測的激光吸收光譜學中，常常使用波長調制法。因此，用頻率f來調 制光發射體(例如連續可調諧二極管激光器）的主光束的波長且通常還有強度，其中，波長 在要分析的樣本的可能吸收光譜上改變。當光的波長對應于氣體的諧振頻率時或者當其相 對于諧振頻率改變時，激光被氣體樣本吸收。當通過氣體樣本之后的主光束撞擊光檢測器、 例如光電二極管時，光檢測器的輸出信號包括調制頻率f和疊加高次諧波頻率mf下的AC電 壓分量，其中，m是正自然數。諧波頻率mf下的光檢測器的輸出信號的解調將測量結果移到 具有較低1/f噪聲的較高頻帶mf·，這可以改善光學測量系統的測量靈敏度。
[0004] 當使用激光器作為光發射體時，由于相對大的相干長度，特別地，源自于光發射體 的主光束與由主光束的不期望反射或散射產生的散射光束之間的干擾的發生是特別不利 的。因此必須將兩個不同的現象區別開。用被反饋耦合到激光器的激光小孔中且被稱為自 混合的輻射影響光發射的現象對測量結果具有特別強烈的影響，因為反饋耦合輻射在激光 器中被放大。在實際應用中，常常發現用于自混合的主要原因是為了主光束的離開而提供 且保護激光發射體以免例如像污染或環境濕度之類的環境影響的外殼窗口處的主光束的 散射或反射。通過散射，對于傾斜的外殼窗口而言也存在此現象，因為光的一部分可以直接 地或間接地(例如通過外殼內壁處的散射)被反饋耦合到激光小孔中。距離光發射體的小孔 更遠的其它表面也可以引起自混合，例如光電二極管處的反射/散射。然而，通常，其影響較 低。在光學測量系統中發生的第二現象由檢測器上的干擾而引起，該干擾由主光束和散射 光束的不同光學波長引起并被命名為標準具。例如自混合之類的標準具是由測量系統中的 所有光學和光機械部件處的散射光束引起的，散射光束然后在檢測器處與主光束相干擾。 為了由自混合和/或標準具的光檢測器的測量信號和因此的測量值的失真最小化，必須減 少自混合或標準具本身，或者必須使其對測量值的影響最小化。
[0005] 為了減少這些影響，在本領域中已知各種措施。其中特別地有使得所有外殼窗口 是非反射性的，使得外殼窗口是楔形且傾斜的，這意味著光束路徑中的外殼窗口的傾斜布 置，以便盡可能地防止散射或者以便使從主光束出來的散射偏轉，該散射可以引起與主光 束的干擾和因此的自混合。此外，光學測量系統的外殼中的吸收涂層和/或布置在光束路徑 中的小孔可以減少反射和散射。盡管有這些有效措施，但并不能預防主光束的所有反射和 散射，其導致通常對具有相干輻射的光學系統中的光檢測器的測量信號具有非常強的負面 干擾影響。在操作期間，此類光學測量系統的外殼窗口和表面例如被灰塵或冷凝物相當頻 繁地污染。此污染大大地增加了主光束的散射和系統的使用壽命內的上述干擾增加。因此， 將該系統設置成使得不可避免的污染盡可能少地影響系統的測量信號對此類光學測量系 統的使用壽命是有利的。
[0006] 當測量光譜時，上述干擾通常作為在本領域中被命名為"條紋"的周期信號而可 見。自混合和標準具導致針對可調諧二極管激光器光譜系統(TDLS)的測量氣體吸收線的失 真，這不能簡單地通過校準或計算方法來消除。因此，具有在測量吸收線的寬度的數量級內 的周期的周期性干擾是特別不利的。
[0007] 原則上，可以用光學絕緣體來大大地減少自混合現象。遺憾的是，用于非電信波長 的優質絕緣體是非常昂貴的，使得其很少在工業應用中使用。此外，應認識到光學絕緣體本 身也具有光學界面，其中，光學絕緣體的光學界面(該光學界面面向激光器)也可能由反射/ 散射而引起自混合。Persson提出了一種"強度參考"方法，其在使用平衡檢測的同時減少自 混合影響。然而，這僅實現了達到10分之一的干擾振幅減小（應用物理學B87，523-530 (2007))ΙΑΜθ Γ描述了一種用以防止標準具的非常簡單的方法，因為其向光程的一部分 中插入共面傾斜板，其中，該共面板對于激光波長而言是透明的。測量期間的傾斜板的周期 性樞轉由于周期性變化的光程長度而促進干擾信號被平均掉。這種解決方案幫助將干擾信 號減小至30分之一(Opt. Soc. Am. Β2 1464(1985))。為了防止導致傳感器使用壽命增加 的機械移動部件的磨損，可以使用基于壓電的致動器。然而，這些僅僅促進產生小的路經長 度差，其中，這些元件僅僅有效地可用于以與氣體吸收線寬度相比非常小的自由光譜范圍 對干擾求平均。Silver和Stanton使用例如壓電換能器(美國專利4,934,816)，其改變多路 徑晶胞(cell)的反射鏡的縱向偏轉并因此基于反射鏡布置將干擾平均掉。然而，此類壓電 換能器通常是相當昂貴的。Reid等人已表示可以同樣在不改變光程長度的情況下通過將附 加頻率混合到調制信號中（該頻率比調制頻率慢)來將此類干擾平均掉(Appl. Opt. 19， 3349-3354，1980))。然而，此原理只能用于具有非常小的自由光譜范圍的干擾，因為必須 在至少一個周期內執行求平均。然而，例如通過在數據處理中使用信號平均，可以通過低通 濾波來實現幾乎相同的結果。因此，自由光譜范圍必須與氣體吸收線的寬度差別顯著。否 貝1J，吸收信號在求平均期間也受到影響。前述解決方案通常僅僅具體地可以以高效的方式 用于特定問題。例如，在激光器前面的光學絕緣體將僅提供自混合的抑制而不是檢測器上 的標準具的抑制。大多數引用的解決方案提議旨在減少檢測器的平均測量信號中的干擾。

【發明內容】

[0008] 對上述現有技術加以改進，本發明的目的是提供如何顯著地減少光檢測器的干擾 信號對已解調測量信號的影響、使得主信號在測量信號中可清楚地檢測且使得光學測量系 統的測量靈敏度被顯著地改善的選項。
[0009] 根據本發明用具有獨立專利權利要求1的特征的光學測量系統且用獨立專利權利 要求9的特征來達到該目的。從從屬專利權利要求可以得到更多有利實施例。
[0010] 本發明是基于使用波長調制光譜法(WMS)的特殊性以便使用測量系統中的距離對 光檢測器的調制跨度的適應來修改光檢測器中的測量信號中的干擾、使得光檢測器的測量 信號中的干擾不被傳遞至已調制信號中（例如到2f信號中）以便減少干擾的核心思想。通過 測量系統中的距離的智能選擇，因此，原則上可以抑制或至少減少已解調測量信號中的所 有主導干擾。
[0011] 根據本發明，相對于另一光學和/或自動機械部件布置測量系統的光學和/或自動 機械部件中的至少一個，使得光學和/或光機械部件的光學有效邊界面相對于彼此的空間 取向和/或距離L提供引起測量信號的具有周期Λ的自由光譜范圍的光程長度，所述周期Λ 被選擇成使得使用具有波長λο的已調制主光束的所提供調制跨度△ λ針對所有相位抵消干 擾對已解調信號的測量信號的影響或至少使其最小化。該周期Λ由主信號與干擾信號的干 擾產生。這意味著各距離和調制跨度A λ適合于彼此。調制跨度△ λ被定義為可以具有任何 形式的調制的調制信號的峰到峰振幅。這影響在該處可以在形成散射光束的同時發生反射 或散射的任何光學和/或光機械部件，所述散射光束在光發射體和/或光檢測器的方向上傳 播，并且該散射光束被指引到光檢測器。所述至少一個散射光束被視為未被干擾或被干擾 主光束的一部分。因此，主光束以及還有發生的散射光束在光發射體的小孔中開始，因為散 射光束在主光束的部分反射/散射中被從主光束分離。
[0012] 本發明有利地涉及一種光學測量系統，其包括作為光發射體的激光二極管以及作 為光檢測器的光電二極管，其形成測量系統的光學部件并包括布置在光發射體與光檢測器 之間的至少一個外殼窗口，并包括用于控制光發射體且用于光檢測器的測量信號的信號處 理的設備。光發射體、光檢測器和用于使主光束通過的所述至少一個外殼窗口形成測量系 統的光學和/或光機械部件，其中，光發射體和光檢測器被布置在具有外殼窗口的公共外殼 中或分別地包括光可透外殼窗口的單獨外殼中。除光發射體、光檢測器和所述至少一個外 殼窗口之外，測量系統還可以包括附加光學、光機械和/或機械部件或元件，其中，該部件被 布置在光學測量系統的所述至少一個外殼內或外面。這些以可以是例如用于將光束路徑或 提供有窗口的氣體晶胞折疊的反射鏡，要檢查的氣體物質被引入到該窗口中。因此，光發射 體以調制跨度Δ λ、以平均波長λ〇發射已調制主光束。通常，以頻率f，以定義調制跨度Δ λ、 以平均波長λο對光發射體進行波長調制，并執行由光檢測器接收到的信號的解調。可以用 任何波形來執行調制，例如用三角形或余弦狀的波形。在實際應用中，有利地用點對稱波形 來調制光發射體，其中，調制形式包括凹凸傅立葉分量（If、3f、5f等）。通常，測量信號的傅 立葉分量，確定用于兩倍、四倍和/或m倍調制頻率的測量信號的此平均值，使得m=2、4、 6、···，這意圖抑制測量信號中的振幅調制部分。在實際應用中，通常，確定是調制頻率的兩 倍或用于調制頻率的偶整數倍m的傅立葉分量。當測量用于兩倍頻率的傅立葉分量時，這提 供所謂的2f信號，四倍頻率提供4f信號等等。
[0013] 根據本發明的核心思想，優化光束路徑中的光學和/或光機械部件的相對定位或 取向，其中可能發生不期望的反射或散射，其中，相對于光學測量系統中的光發射體以及還 有光檢測器的位置來執行優化，使得發生的干擾對測量信號具有最小影響。因此，特別地， 選擇外殼窗口與光發射體且有利地與光檢測器的距離，使得效應的影響是最小的。另外，也 可以選擇附加光學和/或光機械部件相互的或與光發射體和/或光檢測器的距離，使得由其 引起的干擾對由光檢測器輸出并解調的測量信號具有最小影響。
[0014] 原則上，存在相互獨立的用以通過優化光束路徑中的光學和/或光機械元件的位 置來減少所述干擾的兩個選項。另一方面，在光學測量系統的光學和/或機械部件與光發射 體的小孔之間的盡可能大的距離的適當選擇促進增加散射光束的行進光程長度，使得被反 饋耦合到光發射體的小孔的功率（自混合)被減少，特別是在反射或散射具有漫射特性的情 況下。因此，特別地，光程長度的增加導致測量信號的減小干擾信號部分。在用于反射的散 射光束的原因是在點狀散射元件(灰塵、刮痕等）中的情況下，通常產生散射光的漫射特性， 在該漫射特性下功率通常與（1/I) 2成比例地減小（1=距離）。因此，例如，光發射體的小孔與 遠程光學或光機械部件(例如，窗口、透鏡、反射鏡等)之間的距離的增加可以相對于測量信 號中的主信號部分減小干擾信號的尺寸。同樣也適用于類似于小孔、內外殼部件等被主光 束碰觸或撞擊的機械和/或光機械部件。
[0015] 另一方面，除漫射散射之外，用根據本發明的光學測量系統的光學和/或光機械 和/或機械部件之間的適當選擇特殊定義距離還可以實現具有非漫射特性的散射，使得干 擾信號對由光檢測器輸出的被自混合或標準具干擾的測量信號的影響在其撞擊光檢測器 時被減小。測量信號的干擾信號通常包括許多干擾信號分量，其是由光學測量系統的不同 光學和/或光機械和/或機械部件處的反射或散射引起的，其中，各散射光束形成在光發射 體或光檢測器的方向上延伸的散射光束集束。通過調諧各部件相對于彼此的距離，可以實 現的是可以減小散射光束集束的各干擾信號的分別考慮傅立葉分量，這意味著針對所選調 制跨度A λ的所選解調頻率的傅立葉分量消失或至少被大大地減小。
[0016] 相當頻繁地，光發射體和/或光檢測器被布置在其中的光學測量系統的所述至少 一個外殼的外殼窗口是用于主光束的散射光束的主要原因，該散射光束與主光束相干擾而 形成被干擾主光束并因此引起測量信號，該測量信號包括干擾信號部分和主信號部分，其 中，干擾信號被與主信號耦合。這與光發射體和光檢測器被布置在獨立外殼中還是對于光 發射體而言以及同樣對于光檢測器而言相互偏移的公共外殼的外殼區段中無關地適用。因 此，根據本發明，選擇光發射體、所述至少一個外殼窗口和/或光檢測器之間或光檢測器、所 述至少一個外殼窗口和/或光發射體之間的距離和因此的用于主光束和/或所述至少一個 散射光束的光程長度，使得由測量信號中的這些分量引起的干擾信號的周期Λ滿足上述條 件。
[0017] 如上所述，用于氣體檢測的根據本發明的光學測量系統包括光發射體、光檢測器 和至少一個外殼窗口。可以針對用來調制主光束的每個所選波形憑經驗確定或計算光學測 量系統的這些光學和/或光機械部件中的兩個之間、有利地光發射體與所述至少一個外殼 窗口和/或光檢測器之間的最佳距離。
[0018] 在有利距離的憑經驗確定期間，光學測量系統的兩個相應光學或光機械部件之間 的距離以小的增量改變，并且由光檢測器輸出的測量信號被解調，其中，例如確定針對兩倍 調制頻率的測量信號的傅立葉分量。因此，可以確定距離，在該距離下所選解調頻率的傅立 葉分量消失或至少被大大地減小。在這些位置處，已解調測量信號本質上包括主信號，因為 干擾信號對主信號的影響被大大地減少。
[0019] 當計算光學測量系統的兩個相應光學或光機械部件(例如像光發射體和外殼窗口 或光檢測器和外殼窗口）之間的適宜距離L時，可以認為該部件一起以低的技巧性形成"法 布里珀羅標準具"。為了計算光程長度差△ S，必須在自混合和標準具現象之間進行區別。隨 后，在計算中，Sl指定從光發射體到反射器的光程長度和從反射器到光檢測器的光程長度。 這涉及其中從光發射體到光檢測器的光程長度是2*S1的對稱布置，本發明是基于此而描述 的。顯而易見的是，對于非對稱布置而言不同的光程長度相加，這意味著針對發射體和檢測 器與反射器的不同距離。為了隨后描述本發明，使用未被干擾主光束、被干擾主光束和散射 光束，其中，主光束根據構造覆蓋路徑長度Sl且散射光束覆蓋部分路徑長度SI'、S1''、 S1，，，等。
[0020] 在后續描述中，出于簡化的原因將"自混合"和"標準具"現象相互分開描述，但其 也可以同時發生。后續公式分別地僅描述一個現象或另一現象。
[0021] 在標準具的情況下，主光束和散射光束覆蓋從光發射體的小孔開始的不同光程， 主光束和散射光束在檢測器處相干擾而形成被干擾主光束。主光束相對于所述至少一個干 擾散射光束的光程長度差因此被計算為AS = |SSc；atte3r - SifeinU在主光束的一部分在光檢 測器的光電二極管表面處被反射且然后再次地從在距離L處的光檢測器的外殼窗口到達檢 測器的情況下，光程長度差AS = ISscatter - SMain I等于光電二極管與光檢測器的外殼窗口 之間的距離的兩倍。這提供AS = Isscatter - Sifeinl = I (2*S1 + 2*S1'）- 2*S11 = 2*S1' =2L作為路徑長度差，其中，2*S1表示光發射體的小孔與檢測器表面之間的距離，并且SI' 對應于光檢測器的外殼窗口與光檢測器的距離L。
[0022] 在自混合的情況下，在被反饋耦合到光發射體的小孔的散射光束與光發射體內、 例如激光器的未被干擾主光束之間發生干擾，使得分別被干擾主光束離開光發射體的小 孔。由于在自混合情況下，未被干擾主光束被完全布置在光發射體內SMain = 0,所以針對自 混合必須假定，并且這提供光程長度差AS =ISscatter - Slfeinl = ISscatter - 0| = Setter， 其僅僅由在光發射體的小孔外面的散射光束的路徑定義。在光直接地被光發射體的外殼窗 口散射回來的情況下，散射光束的行進光程Ssratto = 2L，因此是光發射體的小孔與外殼窗 口處的主光束的撞擊點之間的距離的兩倍且因此AS= Sscatter = 2L。當光被間接地(例如 通過外殼壁)反射回到光發射體的小孔中時，散射光束的路徑相應地延伸。
[0023]此類布置的透射光譜在用于波長的"條紋(Fringe)"處具有窄透射最大值，其滿足 諧振準則，而其它光譜范圍在透射期間被完全抵消。這是通過在諧振器或檢測器中行進的 光束的相長或相消干擾完成的。在此背景下，應認識到在根據本發明的光學測量系統中不 存在實際的"法布里珀羅標準具"，因為該構造規定不存在平行表面。然而，條紋還可以由散 射光束引起。適用于平行諧振器表面且從法布里珀羅標準具已知的規則可以被同樣地傳遞 至傾斜諧振器表面，并且因此也可以被用于根據本發明的光學測量系統。
[0024]透射最大值相互的距離被命名為(FSR)的自由光譜范圍，并被命名為Λ。此自由光 譜范圍Λ是主光束與光檢測器上的所述至少一個散射光束之間的光程長度差AS的函數。 眾所周知的是，自由光譜范圍Λ被計算為：
其中，λ〇是已調制主光束的平均波長。
[0025] 以下一般關系適用于根據本發明的光學測量系統的光檢測器的干擾信號的振幅 Α，其是光程長度差的函數：
[0026] 這是基于最大振幅4 fringe和相位^fringe。
[0027] 可以用以下公式來描述光發射體的調制：
其中，波形是調制形式且f是用于主光束的調制頻率。因此，光檢測器的即時已解調測 量信號的AC部分的振幅A由以下公式定義：
[0028] 根據以下公式來計算用于即時2f信號的示例性鎖定基準信號的振幅A:
[0029] 一般地，這意圖用于所有mf信號，這意圖用于2f、4f、6f信號等，公式改為如下：
[0030]所采用的鎖定放大器將光檢測器信號AUU與基準信號 ⑴相乘，并且隨后對數量為N的周期求積分，其中，每個周期的測量時間與調制 頻率f成反比。這針對振幅A提供用于mf信號的以下關系：
[0031]現在選擇光程長度差AS，使得針對具有給定波形和調制跨度△ λ的調制信號，上 面提供的公式針對所有相位被最小化，或者使得Amf = 0。
[0032]在分析上，計算根據波形是非常復雜的，但是在數學上，其執行起來是非常簡單 的。前述公式適用于所有相位，并且因此與設置相位無關，這意指主光束與所述至少一個散 射光束之間的相位關系。
[0033]因此，2f、4f、6f階等已解調測量信號的傅立葉分量具有作為各光學或光機械部件 的距離L的函數的曲線，其中，由精確地定義的主光束和所述至少一個散射光束的光程長度 差A S引起的某些距離處的已解調測量信號中的干擾信號的振幅變成零。當主光束和所述 至少一個散射光束的光程長度差A S并非最佳的時，這提供作為相位的函數的已解調測量 信號。
[0034]當距離L被優化時，光檢測器的已解調測量信號不是相位的函數。因此，例如，溫度 致相變對已解調測量信號沒有影響或僅具有大大減少的影響。
[0035]作為距離的函數的強度曲線具有鄰接的駝峰狀強度部分，其包括具有最高振幅峰 值的主最大值和分別地具有減小振幅峰值的許多中間最大值。主最大值相對于中間最大值 的位置是正在使用的已解調mf測量信號的階數的函數。針對2f信號，主最大值作為坐標系 的零點處的第一部分開始，其中，中間最大值在主最大值的右側處鄰接。針對4f信號，在零 點與主最大值之間布置附加中間最大值，并且針對6f信號，在主最大值的左側布置兩個中 間最大值，并且以此類推。根據正在使用的解調測量信號的階數m/2來定義主最大值的位 置。針對2f信號，主最大值形成強度曲線的第一駝峰，針對4f信號，其形成第二駝峰，并且針 對6f信號，其形成強度曲線的第三駝峰等。中間最大值△ X的寬度由平均波長λ〇和調制跨度 A λ確定。這提供處于2* ΔΧ的主最大值的寬度。現在選擇距離L，使得主光束到所述至少一 個散射光束的光程長度差A S與寬度△ X成比例，這意味著它是其倍數。不考慮定義主最大 值的兩個零點，此類強度曲線的最小值(零點)相互之間具有距離A X。
[0036]有利地，當通過光學和/或光機械部件之間的距離L的適當選擇的光程長度差AS 大于0.5* AX*(m+l)時，已經達到干擾信號對測量信號中的主信號的影響的顯著減小，其 中，根據正在使用的測量信號的階數2f、4f、6f、. . .，m = 2、4、6、...。
[0037] 一般地，以下適用于光學和/或光機械部件相對于彼此的最佳光學距離L，在該距 離處，干擾信號在被用于光程長度差A S的已解調測量信號的階數m下被抵消，保持關系：Δ S = η*ΔΧ，其中n=l、2、3.....并且其中根據正在使用的測量信號的階數2f、4f、6f、. . .，n 矣m/2，其中，n是大于0的自然整數，其中，m = 2、4、6、...。到n矣m/2的限制不包括相對于2f 信號η不能是1、相對于4f信號η不能是2且相對于6f信號η不能是3等。因此，不包括具有最高 振幅峰值的強度部分，這意味著不包括主最大值，其相對于相鄰的中間最大值具有兩倍寬 度。因此，ΔΧ被定義為強度曲線的最小值的最小距離。原因是當允許n=m/2時，發生最壞情 況，這意味著干擾信號在這種情況下處于最大值。當處理2f信號時，針對n=l(m=2)且因此 針對AS= ΔΧ發生這種情況。為此，應選擇AS> ΔΧ，因為干擾信號在AS= ΔΧ與AS = 2* A X之間顯著地減小。
[0038] 上文提供的說明涉及用于消除干擾信號的距離L的最佳調諧。在實際應用中，通過 允許圍繞零點的帶寬而使干擾信號最小化可能就足夠了。這意味著對于A S = n* △ X而言η 并不是整數。具有η=1、2、3、...的條件僅僅被用于找到在該處干擾信號最小或者為零的位 置。
[0039] 在具有主光束的任何調制形式的本發明的有利實施例中，光學和/或光機械部件 被相對于彼此和/或光發射體布置成使得A S大于η* △ X的0.8倍或小于其1.2倍，其中根據 正在使用的測量信號的階數2f、4f、6f、...，n矣m/2且其中m = 2、4、6、...。當光學和/或光 機械部件的距離被選擇成使得A S大于η* △ X的0.7倍或小于其1.3倍(其中根據正在使用的 測量信號的階數2f、4f、6f、. . .，η關m/2且其中m = 2、4、6、...）時，已經可以使用自混合和 標準具的充分減小。
[0040] 在本發明的一個實施例，用三角波形來調制主光束。因此，為了干擾信號對測量信 號中的主信號的影響的最小化或消除，當AS = η*ΔΧ時獲得光學和/或光機械部件相對于 彼此的適當距離L，其中ΔΧ = λ〇2/Δλ，其中，限制適用η關m/2。
[0041 ]當光程長度差AS = η*ΔΧ = η*_2/Δλ時，分別檢查的傅立葉分量例如針對三 角調制始終消失，其中，η=1、2、3,是大于零的自然整數。因此，此外認識到選擇η矣m/2， 并且根據正在使用的測量信號的階數2f、4f、6f. . ·，m = 2、4、6、...。
[0042] 針對三角調制形式和具有2f的解調，有利地選擇距離L，使得已解調測量信號的周 期Λ對應于主光束的調制跨度Δ λ的一半。因此，在公式Δ S=n*A2/ Δ λ中，選擇n = 2。在其它 遠程光學或光機械部件的情況下，選擇周期Λ，使得周期Λ的倍數η Λ對應于調制跨度Δ λ。
[0043] 在具有主光束的三角形調制的本發明的實施例中，可以將光學和/或光機械部件 相對于彼此和/或相對于光發射體布置，使得由于所選距離，周期Λ小于調制跨度△ λ的〇. 8 倍，或者周期Λ的倍數η Λ大于主光束的跨度△ λ的0.8倍或小于其1.2倍，其中η矣m/2且其 中m=2、4、6等。當選擇光學和/或光機械部件的距離L使得周期Λ的倍數ηΛ大于調制跨度 Δ λ的〇. 7倍或小于其1.3倍時，可以已經實現自混合和標準具的充分減小，同樣其中η矣m/2 且 m = 2、4、6等。
[0044] 在本發明的一個實施例中，AS對應于光發射體與外殼窗口之間的距離L的兩倍 (Δ S = 2L)，因為主導散射輻射在直接路徑上被散射回到光發射體，并且可以忽視經由外殼 壁散射(外殼的黑化內壁）。
[0045] 在本發明的最有利實施例中，外殼窗口內部到光發射體和/或光檢測器的外殼窗 口的內部到光檢測器的距離通常是8mm，有利地10mm，進一步有利地至少15mm。此最小距離 提供實現干擾信號對測量信號中的主信號的影響的顯著減少，因為提供了明顯大于〇,5*Δ X*(m+1)的光程長度差AS。提供的距離涉及外殼窗口到光發射體(激光二極管)的小孔或到 光檢測器(光電二極管）的芯片表面的距離。
[0046] 源自于光發射體處的主光束的散射始終在光發射體的外殼窗口的兩個邊界面處 (因此在內側上和外側上)與外殼窗口的厚度無關地發生，其中，產生兩個干擾信號，其可以 與光發射體(激光器腔）中的主信號相干擾，這導致輻射退出功率的調制。相同的適用于檢 測器的外殼窗口處的散射光束，其中，該散射光束與撞擊檢測器表面的主光束相干擾。因 此，將光發射體、光檢測器和外殼窗口的內部相對于彼此進行定位、使得由內部引起的干擾 信號的傅立葉分量消失是有用的。因此，只有由外殼窗口的外側引起的干擾信號仍可以與 主信號相干擾。為了實現該即時傅立葉分量也失去由外殼窗口的外側引起的干擾信號，要 求外殼窗口的外側與光發射體/檢測器的距離也遵守上文相對于測量信號的干擾信號的周 期Λ所述的條件。這可以通過外殼窗口的厚度的適當選擇來實現。因此，由厚度確定的外殼 窗口的外側與內側的此距離也遵守相對于測量信號的干擾信號的周期Λ的要求。當在替換 方案中可以排除外殼窗口內部的污染時，該設計只能適合于外殼窗口的外側。
[0047]上述所有措施在用任何波形來調制主光束時是有效的。除用三角波形來調制主光 束之外，用余弦狀波形來調制主光束也已證明是有利的。當更加遠離的光學或光機械部件 的散射光束應被抑制時，用三角波形的調制比用余弦狀波形進行的調制更加有效且因此更 加有利。
[0048]應認識到的是，還可以提供在本領域中已知的措施以便避免散射光束或以便減小 用于測量光譜的根據本發明的光學測量系統中的其強度(所述措施例如像相對于光束路徑 以傾斜角放置的外殼窗口、外殼窗口上的防反射涂層、楔形窗口、外殼內側的黑化、光束路 徑中的光學絕緣體和用于光發射體的有源溫度水槽和可選地用于外殼的無源溫度水槽）， 以便使得用于主光束和可選地發生的散射光束的光程長度盡可能多地溫度無關。
【附圖說明】
[0049]隨后基于附圖中所示的實施例來更詳細地描述本發明。與附圖組合，從本發明的 實施例的后續描述可以得到本發明的附加特征，在所述附圖中： 圖1圖示出根據本發明的光學測量系統，其具有帶有傾斜外殼窗口且帶有作為光發射 體布置在其中的激光二極管的第一外殼，并且具有帶有傾斜外殼窗口且帶有作為光檢測器 布置在其中的光電二極管的第二外殼。 圖2圖示出對于通過三角波形進行的主光束的調制而言的通過用于光發射體與外殼窗 口之間的三個不同距離（圖2a_2c)的主光束和散射光束的干擾（自混合）的測量信號的超級 位置。 圖3圖示出根據圖2的光發射體和外殼窗口之間的距離的變化對從檢測器(圖3a-3c)的 測量信號得到的2f信號的影響； 圖4圖示出在用三角波形進行主光束的調制時確定光程長度差的參考所述距離的2f信 號中的干擾信號的振幅； 圖5圖示出具有恒定調制跨度的作為光發射體與外殼窗口之間的距離的函數的用于三 角波形(A)與余弦狀波形(B)的測量信號的零通道的比較； 圖6圖示出具有三角波形(A)和余弦狀波形(B)的來自光學或光機械部件與光發射體之 間的距離的2f信號的振幅相關性的比較； 圖7圖示出用于從光發射體的外殼窗口到激光小孔中的直接反向散射/反射（自混合效 應）（圖7a)和從外殼窗口通過外殼壁到激光器腔中的間接反向散射/反射（自混合）（圖7b) 的散射光束的路徑和當在氣體晶胞進口窗口處發生散射且在激光檢測器處發生兩個光束 的干擾時的主光束和散射光束的路徑（圖7c)和從光電二極管的小孔到光檢測器的外殼窗 口的反向散射和到光電二極管（圖7d)的直接反向散射和檢測器上的結果產生的標準具的 不意圖；以及 圖8圖示出分別地針對用三角波形進行的主光束的調制的用于2f信號（圖8a)、4f信號 (圖8b)和6f信號（圖8c)的干擾信號的距離相關振幅。
【具體實施方式】
[0050]圖1圖示出根據本發明的用于在氣體檢測期間測量光譜的光學測量系統1，該光學 測量系統包括第一外殼2,其具有激光二極管在其中被布置為有源溫度水槽5上的光發射體 4的傾斜光可透外殼窗口 3。測量系統1此外包括第二外殼6,其與外殼2分離并包括其中布置 有光檢測器8的傾斜外殼窗口 7。兩個外殼2、6被布置在彼此相距一定距離處，彼此相對并相 互對準。光發射體4和光檢測器8形成所不測量系統1的光學部件20。主光束9由光發射體4發 射，其中，主光束在中心朝著外殼窗口3取向。主光束9離開外殼2并穿透布置在具有光發射 體4的外殼2與具有光檢測器8的外殼6之間的氣體或氣體混合物10。在其通過外殼窗口 7進 入具有光檢測器8的外殼6之前。外殼2和外殼6被相對于彼此布置，使得通過氣體或氣體混 合物10的發射主光束9撞擊光檢測器8。在圖1中所不的實施例中，主導干擾由主光束9在外 殼窗口 3處的反射或散射引起。光發射體4被有利地構造成具有在朝向外殼窗口 3的方向上 布置的激光小孔的激光二極管。主光束9例如在外殼窗口 3的窗口內部12處被部分地反射， 其中，發生的散射光束11被耦合到光發射體4中，使得其在此位置處引起自混合。然而，原則 上，這適用于所有反射或散射表面以及也適用于具有多次反射或散射的光束路徑，只要反 饋耦合散射光束11返回到光發射體4的活性區中。
[0051 ]圖7a-7d在示意圖中圖示出主光束9的光程長度SMain和散射光束11的Sscatter，在通 過與主光束9的干擾在光發射體4和/或光檢測器8的方向上被作為主光束9的一部分而部分 地反射回的至少一個散射光束11導致光發射體4處的自混合和/或光檢測器8處的標準具的 情況下，這意味著其導致被干擾主光束9。散射光束11因此直接地或間接地(這意味著至少 偏轉一次)被指引到光發射體4或光檢測器。為了說明的目的，光束9、1被示為相互鄰近地定 位，但其實際上重合。圖7a-7d圖示出其中光檢測器8被鄰近于被接收在外殼2中的光發射體 4布置在外殼6中且反射器16被與之相對地布置的實施例。圖7a、7b圖不出外殼2中、光發射 體4與外殼2的外殼窗口 4之間的與未不出且被布置在光發射體(激光二極管）的內部的主光 束相干擾的散射光束Sscatter 11的不同光程長度。替換地，當外殼6位于反射器16的位置處 時可以省略反射器16。在具有外殼窗口 3的外殼2與具有外殼窗口 7的外殼6之間，氣體晶胞 17布置有兩個晶胞窗口 18、18'，其被彼此相對地布置，其中，氣體晶胞被布置在與外殼2、6 相距一定距離處，并包括要檢測的氣體或氣體混合物10。圖7c和7d圖示出直到被接收在外 殼6中的光檢測器8的主光束9的不同光程長度SMain和散射光束11的Sscatter。
[0052]圖7a圖示出布置在與外殼2的外殼窗口 3相距距離L處的光發射體4。源自于光發射 體4的被干擾主光束9穿越光程長度2*S1到達光檢測器8。由光發射體4發射的主光束9先前 在光發射體4的方向上在外殼2的外殼窗口 3處被部分地反射回，使得形成散射光束11。散射 光束11穿越光程長度S Γ從光發射體4到外殼窗口 3并從外殼窗口 3返回到光發射體4光程長 度Sl ''。光程長度Sl '、Sl ''對應于外殼窗口 3與光發射體4之間的距離L。這提供從光發射體 4至外殼窗口 3并返回到光發射體4的光程Sscatter，其中Sscatter = ST +SI' ' =2L。由于根據定 義，自混合期間的主光束9完全在光發射體(激光）中，所以SMain = O SMainI = |Sscatter _ O I = 2L 是路徑長度差。
[0053]在光發射體4中，作為主光束9與散射光束11之間的干擾效應而發生自混合，使得 光檢測器8檢測到被干擾主光束9的測量信號，其包括主信號部分和干擾信號部分。散射光 束11是被由光發射體4發射且被外殼窗口 3反射回的主光束9的部分引起的。光發射體4在接 通的時間點處發射未被干擾主光束9，隨后其發射在光發射體4的內部已經與散射光束11相 干擾的主光束9。被干擾主光束9通過氣體晶胞17且然后在反射器16處被返回到光檢測器8， 其中，被干擾主光束9通過兩個傾斜晶胞窗口 18、18'兩次。在光發射體4本身中執行自混合， 使得外殼2中的光程長度差Λ S被定義為AS = ISscatter - Sifeinl，其中Sifein = O,變成 SScatter|，因為主光束9僅在光發射體4中延伸。
[0054]圖7b還圖不出被布置在與外殼2的外殼窗口 3相距一定距離L處的光發射體4。由光 發射體4發射的主光束9在外殼2的外殼內壁19的方向上在外殼2的外殼窗口 3的內側處被部 分地反射，形成散射光束11。散射光束11然后在外殼內壁19處通過附加散射在朝向光發射 體4的方向上偏轉。散射光束11因此覆蓋從光發射體4到外殼窗口 3的光程長度S1'，并且然 后覆蓋從外殼窗口3到外殼內壁19的光程長度S1' ''，并且從外殼內壁到光發射體4,其覆蓋 光程長度Sl ''。光程長度Sl '對應于光發射體4與外殼窗口 3之間的距離L。這提供從光發射 體4到外殼窗口3和返回到光發射體4的光程長度距離AS，其中，AS = SI'+ S1''+S1'''> 2L。在干擾之后，被干擾主光束9從光發射體4離開，其中，主光束9通過自混合由未被干擾主 光束9和散射光輸11構成，并在光程長度2*S1內到達光檢測器8。
[0055] 圖7c圖不出主光束9的光程長度SMain和光發射體4與光檢測器8之間的用于散射光 束11的光程長度Sscatter，在源自于光發射體4的已調制主光束9在光檢測器8的方向上被在 外側部分地散射回來的情況下，其中，在形成散射光束11的同時在朝著外殼2、6取向的氣體 晶胞17的晶胞窗口 18處執行反向散射。主光束9從光發射體4到光檢測器8行進光程長度 Sifein = 2*S1。從光發射體4到晶胞窗口 18,散射光束11行進光程長度S1'，并且從晶胞窗口 18到光檢測器8,散射光束行進光程長度Sr'jl'和S1''因此可以是相等的或不同的。主光 束9的光程長度SMain與光發射體4與光檢測器8之間的散射光束11的不同光程長度Ssciattei?之 間的光程長度差AS因此由AS = Sifein - Sscatter = 2*S1 - (Sl'+Sl''）定義。因此，在光檢 測器8處作為主光束9與被干擾主光束9形式的散射光束11之間的干擾現象而發生標準具， 其由未被干擾主光束9和散射光束11構成，使得光檢測器8包括具有主信號和干擾信號的測 量信號。
[0056] 圖7d圖示出主光束9的光程長度SMain和光發射體4與光檢測器8之間的散射光束11 的光程長度Sscatter(在源自光發射體4處的已調制主光束9并未在朝向光檢測器8的方向上 在外側朝著外殼2、6取向的晶胞窗口 18處被部分地散射回來形成散射光束11、而是僅僅在 光檢測器8的外殼窗口 7的方向上被光檢測器8(光電二極管）的小孔部分地散射回來的情況 下）。外殼窗口 7在光電二極管8的方向上將散射光束11反射或散射回來。因此，在主光束9與 散射光束11之間發生干擾，使得形成包括這些光束的被干擾主光束9。主光束9和散射光束 11從光發射體4到光檢測器8行進光程SM ain = Sscatter = 2*S1。主光束9在朝向外殼窗口 7的 方向上被部分地反射回到光檢測器8。因此，散射光束11從光檢測器到外殼窗口 7行進附加 光程長度S1'，并且從外殼窗口 7到光檢測器8，其行進光程長度S1' '。光程長度S1'以及S1' ' 對應于光檢測器8與外殼窗口 7之間的距離L。這提供主光束9與散射光束11之間的光程長度 差 AS，其中，AS = |(2*S1) - (2*S1+ S1'+S1''）| =S1'+S1'' = 2L，使得光檢測器 8 接收 具有主信號和干擾信號的測量信號。
[0057]通常，此類光學測量系統具有散射光束11和因此的以組合方式與根據圖7a_7d的 各主光束9的干擾，其中，主信號和干擾信號通過參考現象疊加并導致光檢測器的被干擾測 量信號。通過光學測量系統的各光學和/或光機械部件的光學有效邊界面之間的距離的適 當選擇，可以顯著地減少干擾信號對測量信號的影響。圖1圖示出在圖7a-7d中未圖示出的 類似于圖7a的變體。在根據圖1的變體中，外殼6位于反射器16的位置處并替換反射器16。并 且未不出氣體晶胞17。因此，主光束9在外殼2的外殼窗口 3處被部分地反射，其中光發射體4 形成在朝向光發射體的方向上延伸的散射光束11。在具有光檢測器8的外殼6的外殼窗口 7 處，可以產生各散射光束，然而其未被不出。主光束9在外殼窗口 3的內側12處和外側13處被 反射或散射。外殼窗口 3具有由從外殼窗口 3的內側12到外側13的距離限定的厚度14。光發 射體4、光檢測器8和兩個外殼窗口 3、7形成光學測量系統1的光學和/或光機械部件15。在朝 向光發射體4的方向上被從主光束9反射出來的散射光束11通過與激光器中的主光束的混 合而引起測量信號，其中，測量信號包括干擾信號和主信號。因此，光發射體4在與外殼窗口 3的定義距離L處布置有其小孔，其中，距離L改變光程長度差AS = 2*L，并影響由外殼窗口 3在測量信號中引起的干擾信號的振幅和周期Λ。
[0058]隨后相對于圖2a_2c和3a_3c基于光發射體4的小孔與散射窗口內側12之間的三個 不同距離L以示例性方式描述干擾對測量信號的影響。在本文中，考慮用于直接反向散射的 在圖7a中示出的情況。第一距離L = 0.3cm(圖2a、3a)近似對應于光發射體4與窗口內側12之 間的距離。選擇距離L = 0.584cm(圖2b、3b)以便說明最壞情況，這意味著產生具有在氣體吸 收線的典型寬度的數量級中的周期Λ的干擾信號。用L=l. 17cm(圖2c、3c)，說明其中不存 在干擾的情況，這意味著在已解調測量信號中沒有干擾信號。該舉例說明是基于在λο = 1.512 μπι下具有固定調制寬度Δλ = 0.195 mm的三角波形。
[0059]圖2a_2c圖示出用于三個距離L或光程長度差AS = 2禮的光檢測器8的模擬測量 信號。模擬測量信號是在0.9985-1.000范圍內的光發射體的標準化功率。附圖應圖示出不 同的曲線形狀。0 GHz下的峰值表示要測量的吸收的實際信號，在這種情況下，為具有現在 被周期性干擾疊加的洛倫茲型線的NH3氣體峰值的信號。顯而易見的是，周期Λ隨著增加的 距離L而減小，這意味著具有用于散射光束11的增加的光程長度S Scatter。干擾的振幅對于三 個全部的變體而言是相同的，因為在各圖中未考慮反饋耦合隨著外殼窗口 3相對于光發射 體4的距離L增加的減小。
[0060]圖3a-3c圖示出對從測量信號得到的2f信號的影響，這意指在m = 2處。這些圖示出 了 2f測量信號相對于用于散射光束11的三個不同光程長度Sscatter的各干擾的振幅，這意指 在光發射體4的小孔與外殼窗口 3之間的不同距離處。顯而易見的是，干擾信號急劇地從L = 0.3cm(圖3a)增加至L = O. 584cm(圖3b)，并且然后非常快速地下降。具有L = O. 3cm的圖示特 別地示出干擾在2f信號中也是可見的。此干擾限制用于光學測量系統1的測量精度。當距離 L被延長至L = 0.584cm(圖3b)時，該效應被放大，并且NH3氣體信號幾乎不能與干擾區別開。 然而，只有當選擇外殼窗口 3與光發射體4之間的距離L、使得對于光程長度差△ S而言滿足 條件&3=2*人〇2/&\=2*&乂時才能實現測量誤差的顯著減小。對于具有1^=1.17〇111(圖3(3) 的距離而言，測量信號僅示出NH3峰值的信號，這意味著2f信號完全沒有干擾。
[0061]圖4圖示出用于直接反饋耦合的針對圖7a中所示的情況下的2f測量信號中的作為 距離L的函數的干擾信號的振幅A。圖示出已解調測量信號的傅立葉分量。所示強度曲線包 括駝峰狀強度部分，其包括具有最高振幅峰值的主最大值和具有分別地減小振幅峰值的許 多中間最大值。該大的第一主最大值和后續零點及較小中間最大值是清楚可見的。因此，主 最大值作為第一部分在零點(L = Ocm)處開始，其中，中間最大值在主最大值的右側處鄰接。 顯而易見的是，干擾信號從L = Ocm到L = 0.584cm大大地增加，并且隨后快速地下降并在L = AS/2 = λ〇2 / Δλ=ΔΧ處達到第一局部最小值。
[0062]圖5圖示出針對三角波形（曲線Α)和余弦狀波形（曲線Β)的處于相等調制跨度Δ λ 的解調測量信號的振幅的零通道的相關性的比較。三角調制比余弦調制更強地抑制已解調 測量信號的干擾信號部分，然而與余弦調制相比，其要求光發射體4與可以引起散射光束11 的光學和/或光機械部件15(例如像外殼窗口 3)之間的略微較大距離。
[0063]圖6圖示出用三角波形式（曲線Α)和余弦狀波形(取向Β)來調制主光束時的來自光 發射體4與光機械部件15之間的距離L的2f信號的振幅相關性的比較。清楚可見的是三角形 調制在這里還是比余弦調制更有效。干擾信號的影響隨著光發射體4與光學和/或可以引起 散射光束11的光機械部件15(例如像外殼窗口 3)之間的距離增加而在三角形調制中的強度 方面快得多地減小。附圖顯示在三角形調制期間，與針對余弦狀調制相比，光學干擾隨著光 機械元件的去除而快得多地減小。因此，已經大大地減少了接近于光發射體(激光二極管）， 例如在光發射體4的外殼窗口 3處，例如被從激光二極管移開1.8cm，但在兩者上曲線A和B對 于例如離開5cm的氣體晶胞17的晶胞窗口 18處的散射而言是幾乎相同的干擾的影響。針對 距離光發射體4例如60cm遠的光檢測器8處的干擾的影響而言，差別是顯著的。
[0064] -般地，可以有多個此類反饋耦合，并且通常還在具有不同光程長度Sscatter的光 學測量系統1處的光發射體4與其它光機械部件15中的一個之間提供。針對每個單獨光程長 度Ss catter,在理想情況下應滿足上述條件。在實際應用中，這通常是不可能的或者僅僅在極 限范圍內是可能的，因為在不同的光程長度S Scatter、SMain之間（這意指由各部件15的不同距 離L引起的路徑長度)一般地存在某些相關性。用于對光學或機械部件15進行定位的實際條 件(其引起相對于光發射體4的散射輻射)是例如： Sscatter-SMain I _ A S〉λ〇 / Δ λ， 其中，λο是平均波長且△ λ是以納米的已調制主光束9的調制跨度。滿足此條件是有利 的，因為光程長度差AS或AS' = λ〇2/Δλ與2*λ〇2/Δλ之間的干擾信號大大地減小。在用于 散射光束11的多個來源(這意指被布置在與光發射體4相距不同距離L處并因此引起散射光 束11的多個不同光程長度SsMtter的多個反射和/或反向散射光學或光機械部件15和/或此 類部件15的多個反射或反向散射表面）的情況下的符號△ S'提供最短光程長度差△ S'，其 對主光束9與散射光束11的干擾提供相關貢獻。此外顯而易見的是，干擾的局部最大值隨著 增加的路徑長度差AS而變得越來越小。此效應被進一步放大，因為反向耦合光隨著增加的 距離而變得越來越小(在圖4中未考慮）。
[0065] 在實際工程應用中，必須考慮光學和/或光機械部件15、4、8的相對位置的公差。原 則上，外殼窗口 3具有必須同時優化到外殼窗口 3的內側12和到其外側13的距離L以便實現 最佳結果的問題。對此，原則上存在兩個解決方案以便遵守要求，盡管有不同的光程長度 Sscatto和結果得到的光程長度差AS，其是由從光發射體4到內側12和外側13的不均勻距離 L引起的，兩者都在曲線A(L)的最小值處。這可以通過修改外殼窗口3的厚度14和/或相對于 光束路徑使外殼窗口 3傾斜來實現。
[0066]并且，向光束路徑中插入圖中未示出的光學隔離器是有幫助的，其中，絕緣體提供 的是來自后續光學元件15的反向散射光不能再引起自混合。布置在光發射體4的光束方向 上的光學絕緣體的第一邊界面(例如四分之一波長板)仍引起可以引起自混合的散射輻射。 因此，根據上文提供的間距規則來優化第一光學邊界面的位置是有利的。在實施例中，可以 在外殼窗口 3的內側12處應用四分之一波長板，其中，四分之一波長板用光檢測器8使來自 外側、例如來自外面13或來自外殼6的外殼窗口 7的反射光反向轉動90°角，使得其不能與光 發射體4的主光束9或其中布置有光發射體4的外殼2中的可選散射光束11相干擾。因此，用 膠合劑在沒有任何偏移的情況下直接地并與內側12齊平地連接光學絕緣體是有利的，該膠 合劑的折射率與絕緣體或外殼窗口 3的折射率緊密地匹配，使得在光學絕緣體與外殼窗口 之間不產生附加的光學邊界層。替換地，例如，可以使用四分之一波長板作為外殼窗口 3。 [0067]在圖8中，分別地針對用三角波形進行的主光束9的調制，針對2f信號（圖8a)、4f信 號（圖8b)和6f信號（圖8c)圖示出干擾信號的距離相干振幅。圖8a-c圖示出作為距離L或光 程長度差A S的函數的干擾信號A(L)。大的主最大值和在左側和/或右側與布置在其之間的 零點鄰接的較小中間最大值是清楚可見的。主最大值相對于中間最大值的位置是正在使用 的已解調mf測量信號的階數的函數。針對2f信號（圖8a)，主最大值作為第一部分在零點處 開始，其中，中間最大值在主最大值處在右側處鄰接，針對4f信號（圖8b)，在零點與主最大 值之間布置附加中間最大值，針對6f信號（圖8c )，在主最大值的左側布置兩個中間最大值。 主最大值的位置由正在使用的已解調測量信號的階數m/2定義。在主最大值的右側，還針對 4f信號和6f信號布置有許多中間最大值。
[0068] 在實際應用中，激光器封裝常常被緊緊地氣密密封，使得窗口的內部在整個使用 壽命期間將不會污染。在這種情況下，規定窗口的內側是光學上清潔的、使得在這種情況下 可以忽視來自內部的散射光束就足夠了，并且該構造可以適合于與非常易于污染的內側相 反的窗口外側。
[0069] 在優化波長調制測量系統時，典型方法包括最初定義適合于要測量的光譜的正在 使用的波長范圍，然后定義信號處理方法并相對于噪聲、穿越靈敏度等優化所使用的調制 跨度Δλ，并且隨后計算光學測量系統1的所有光學和/或光機械部件15的最佳位置以便測 量光譜。在已經第一次確定光學及光學和光機械部件15的位置之后，可以可選地執行調制 跨度A λ的細優化以便補償制造公差。
【主權項】
1. 一種用于氣體檢測的光學測量系統（1)，該光學測量系統包括： 光發射體(4); 至少一個光檢測器(8)，其形成布置在至少一個外殼(2、6)中的光學部件(20); 光學外殼窗口（3、7)，其在外殼(2、6)處提供并形成光機械部件（15);和/或 其它光機械部件（15)， 其中，所述光機械部件（15 )包括光學有效邊界面， 其中，所述光發射體(4)以調制跨度△ λ、以平均波長λ〇來發射已調制主光束(9)， 其中，在光發射體(4)和/或光檢測完全(8)的方向上至少在至少一個光機械部件（15) 的一個光學有效邊界面處被從主光束(9)部分地反射/散射的至少一個散射光束（11)通過 與主光束(9)的干擾引起光發射體(4)中的自混合和/或光檢測器(8)處的標準具， 其中，所述干擾引起被干擾主光束(9)，使得光檢測器的測量信號包括干擾信號部分和 主信號部分， 其中，所述干擾信號影響光檢測器(8)的已解調測量信號， 其中，光學和/或光機械部件（20、15)中的至少一個被相對于另一光學和/或光機械部 件(20、15)布置，使得用于主光束(9)和散射光束（11)的光程長度差AS由光學和/或光機械 部件的光學有效邊界面相對于彼此的空間取向和/或距離(L)引起， 其中，所述光程長度差A S由主光束（9)的光程長度SMain與散射光束（11)的光程長度 SSc；atter之間的差定義，所述光程長度差AS針對處于具有波長λ〇的主光束(9)的所選調制跨 度Α λ的所有相位消除干擾信號對用于已解調測量信號的主信號的影響或使其最小化， 其中，已解調測量信號的周期Λ是從光程長度差△ S得到的， 其中，周期Λ是通過與主信號的干擾由所述至少一個光學或光機械部件（15)所引起的 干擾信號引起的，以及 其中，主光束(9)的調制是用任何周期性波形提供的，并且調制跨度△ λ是被用于調制 波長λ〇的主光束(9 )的調制信號的峰到峰振幅。2. 根據權利要求1所述的光學測量系統， 其中，光程長度差A S大于0.5* Δ X*(m+1)，其中，根據所采用的測量信號的階數2f、4f、 6f >...? m - 2、4、6、···， 其中，A X是其中鄰近于最高振幅峰值的已解調測量信號的傅立葉分量重復地為最小 值的距離。3. 根據權利要求1所述的光學測量系統， 其中，光程長度差AS大于0.7倍或小于1.3倍η*ΔΧ，其中n=l、2、3、...，并且其中，根 據所采用的測量信號s的階數2f、4f、6f、...，n關m/2,其中m = 2、4、6、...， 其中，A X是其中鄰近于最高振幅峰值的已解調測量信號的傅立葉分量重復地為最小 值的距離。4. 根據權利要求3所述的光學測量系統，其中，所述光程長度差AS大于0.8倍或小于 1.2倍11*厶父。5. 根據權利要求3所述的光學測量系統，其中，所述光程長度差△ S等于η* Δ X。6. 根據前述權利要求中的任一項所述的光學測量系統，其中，由三角波形來調制主光 束(9)〇7. 根據權利要求6所述的光學測量系統，其中，△ X是λ〇2 / △ λ。8. 根據前述權利要求中的任一項所述的光學測量系統，其中 從光發射體(4)到光發射體(4)的所提供外殼窗口（3)的內側（12)的距離(L)和/或從光 檢測器(8)到光檢測器(8)的所提供外殼窗口（7)的內側（12)的距離(L)為至少8mm，有利地 為至少1〇_，進一步有利地為至少15_。9. 一種用于使用光學測量系統（1)的氣體檢測的方法，包括 光發射體(4); 至少一個光檢測器(8)，其形成布置在至少一個外殼(2、6)中的光學部件(20); 光學外殼窗口（3、7)，其在外殼(2、6)處提供，形成光機械部件（15);和/或 其它光機械部件（15)包括光學有效邊界面， 所述方法包括步驟： 從光發射體(4)以平均波長λ〇且以調制跨度Δ λ發射已調制主光束(9); 在使主光束(9)通過氣體或氣體混合物（10)之后在所述至少一個光檢測器(8)中接收 主光束(9); 由在光發射體(4)和/或光檢測器(8)的方向上至少在至少一個光機械部件（15)的一個 光學有效邊界面處被從主光束(9)部分地反射/散射的至少一個散射光束（11)通過與主光 束(9)的干擾引起光發射體(4)中的自混合和/或光檢測器(8)處的標準具； 通過干擾形成被干擾主光束(9)，使得光檢測器(8)產生包括干擾信號部分和主信號部 分的測量信號； 用干擾信號負面地影響光檢測器(8)的已解調測量信號， 其中，光學和/或光機械部件（20、15)中的至少一個被相對于另一光學和/或光機械部 件(20、15)布置，使得用于主光束(9)和散射光束（11)的光程長度差AS由光學和/或光機械 部件的光學有效邊界面相對于彼此的空間取向和/或距離(L)引起， 其中，所述光程長度差A S由主光束（9)的光程長度SMain與散射光束（11)的光程長度 SSc；atter之間的差定義，所述光程長度差AS針對處于波長λ〇的主光束(9)的所選調制跨度Δλ 的所有相位消除干擾信號對用于已解調測量信號的主信號的影響或使其最小化， 其中，已解調測量信號的周期Λ從光程長度差△ S得到， 其中，周期Λ是通過與主信號的干擾由所述至少一個光學或光機械部件（15)所引起的 干擾信號引起的，以及 其中，主光束(9)的調制是用任何周期性波形提供的，并且調制跨度△ λ是被用于調制 波長λ〇的主光束(9 )的調制信號的峰到峰振幅。10. 根據權利要求9所述的方法， 其中，光程長度差A S大于0.5* Δ X*(m+1)，其中，根據所采用測量信號的階數2f、4f、 6f、· · ·，m = 2、4、6、· · ·，以及 其中，A X是其中鄰近于最高振幅峰值的已解調測量信號的傅立葉分量重復地為最小 值的距離。11. 根據權利要求9所述的方法， 其中，光程長度差AS大于0.7倍或小于1.3倍η*ΔΧ，其中n=l、2、3、...，并且其中，根 據所采用測量信號s的階數2f、4f、6f、...，n關m/2,其中m = 2、4、6、...，以及 其中，A X是其中鄰近于最高振幅峰值的已解調測量信號的傅立葉分量重復地為最小 值的距離。12. 根據權利要求11所述的方法，其中，所述光程長度差AS大于0.8倍或小于1.2倍η* ΔΧ〇13. 根據權利要求11所述的方法，其中，所述光程長度差△ S等于η* Δ X。14. 根據前述權利要求9-13中的任一項所述的方法，其中，由三角波形來調制主光束 (9)〇15. 根據權利要求14所述的方法，其中，ΔΧ是V /Δλ。
【文檔編號】G01N21/39GK105842192SQ201610075328
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年2月3日
【發明人】A.維特曼, M-O.朱費里, U.伯格利, K.哈斯勒
【申請人】阿克塞特里斯股份公司