(57)【要約】  広範なスペクトル範囲をスキャンする単一の及び重なり合うことさえある複数の吸収スペクトル又は放出スペクトルによって、気体サンプル中の複数の気体のそれぞれの濃度や分圧を決定するための頑丈で小型のスペクトロメータ装置。例えば、赤外線ビームを発射する赤外線光源、前記赤外線ビームの経路中に配置される気体サンプルセル、前記気体サンプルセルを通過した後の前記赤外線ビームの経路中に配置されて複数の平行なラインを有する回折格子を持つ走査ミラー、前記回折格子のラインに平行な軸のまわりで前記走査ミラーを振動させる共振スキャナ駆動システム、前記回折格子によって回折された前記赤外線ビームの少なくとも一つの関係する帯域を集束するように配置される第１集束素子、集束された前記少なくとも一つの関係する帯域を受け取るように配置される第１検出器、及び前記第１検出器からの信号を受け取るように前記第１検出器に有効に結合された第１検出器読出し回路を有するスペクトロメータが開示される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線ビームを発射する赤外線光源、
前記赤外線ビームの経路中に配置される気体サンプルセル、
前記気体サンプルセルを通過した後の前記赤外線ビームの経路中に配置されて複数の平行なラインを有する回折格子を持つ走査ミラー、
前記回折格子のラインに平行な軸のまわりで前記走査ミラーを振動させる共振スキャナ駆動システム、
前記回折格子によって回折された前記赤外線ビームの少なくとも一つの関心帯域を集束するように配置される第１集束素子、
集束された前記少なくとも一つの関心帯域を受け取るように配置される第１検出器、及び
前記第１検出器からの信号を受け取るように前記第１検出器に有効に結合される第１検出器読出し回路、
を有するスペクトロメータ。
【請求項２】
前記走査ミラーからの回折された前記赤外線ビームの経路中に配置されるスプリッタ、
離散した関心帯域のそれぞれの経路中に配置される第２集束素子、
集束された離散した関心帯域を受け取るように配置される第２検出器、及び
前記第２検出器からの信号を受け取るように前記第２検出器に有効に結合される第２検出器読出し回路、
をさらに有する請求項１に記載のスペクトロメータ。
【請求項３】
前記スプリッタが、回折された前記赤外線ビームを離散した関心帯域に分離するためのダイクロイックスプリッタである、請求項２に記載のスペクトロメータ。
【請求項４】
前記第１集束素子がレンズ又はミラーであり、前記第２集束素子がレンズ又はミラーである、請求項２に記載のスペクトロメータ。
【請求項５】
前記第１集束素子がレンズ又はミラーである請求項１に記載のスペクトロメータ。
【請求項６】
前記赤外線光源と前記サンプルセルとの間に配置される大きな開口のレンズをさらに有する、請求項１に記載のスペクトロメータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、呼吸及び麻酔気体の気体濃度/分圧を効率的かつ強力に測定するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非分散型赤外線（NDIR）形式の気体分析装置は、特定の気体の濃度が、(a)気体状混合物のサンプルを通して赤外線放射（IR）を導き、(b)各々の特定の気体によって吸収される帯域の外のエネルギーを最小化するために、この赤外線放射を別々にフィルタリングし、(c)一つ以上の検出装置に当たるフィルタされた放射を測定し、(d)各々の気体の赤外線吸収の程度をその濃度と関係づける、ことによって決定されることができるという原理で動作する。測定されることができる気体は、赤外線スペクトラム中の特定の波長において増加した吸収（及び低下した透過率）を示し、気体の濃度が高まるほど、比例して吸収が増加し、透過率が低下する。このNDIR技術の拡張は連続的な線形帯域フィルタを用いて、その後、検出器の線形アレイが用いられる。
【０００３】
気体分析装置は、医療アプリケーションにおいて広く用いられて、患者呼吸気体の主経路中に（主流分析器）、又は通常は主経路と平行している副経路中に（副流分析器）、設置されることを特徴とする。主流分析器は、分析器が配置される気道アダプタを通して被験者の吸気及び呼気の呼吸気体が通過するように配置される。主流デザインは、患者の気道に、又は患者に対して比較的近くに位置する患者と連通する呼吸回路にインタフェイスされる、光学的及び電気的コンポーネントを必要とする。結果として、臨床用として容認されるために、主流気体分析器は、典型的な機械的誤用や、健康管理施設における長期にわたる使用に関連した温度変動によって影響されない、小型かつ軽量でさらに丈夫な構造体として設計されなければならない。
【０００４】
従来の主流気体分析器は、わずかな数の特定の重なり合わないスペクトラム波長に対しては適切に機能するが、関心波長を変更することは難しい。２つ又は３つ以上の関心波長がある場合、システムは次第に非効率的になり、IR領域において0.1ミクロンのFWHM（半値全幅）よりも有意に良好な分解能を提供することは、非常に難しく高価である。
【０００５】
気体分析のためにグレーティング分光器を用いることが知られている。グレーティング分光器には２つの一般的な構成がある。一つはスペクトログラフ（spectrograph）であり、これは元々写真用フィルムのストリップ又は線形アレイ検出器の上にスペクトラムを展開する。もう一つはスペクトロメータ（spectrometer）であり、これは、特定のスペクトル成分を記録するために、適切な位置又は角度で配置される単一の検出器を用いる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
IR気体測定のために、IR光源は、コリメートされて気体試料セルを通過する広帯域エネルギーを供給する。コリメートされた広帯域エネルギーは、次に特定の波長において減衰されて、回折格子に導かれ、そこでその回折格子から回折されて、連続的なスペクトラムに広げられ、小さい検出器上へミラーによって焦束される。回折格子は、格子線と平行かつ回折格子の面と実質的に同軸である軸のまわりで回転する。回折格子が回転するとき、スペクトラムは単一の検出器を通ってスキャンされる。回折格子の回転が検出器の読出し電子回路と同期するので、特定の（しかし任意の）スペクトラム特徴は分離されて記録されることができる。
【０００７】
マイクロスペクトロメータは小型で軽量でなければならないことは自明である。例えば本発明は、マイクロスペクトロメータが、患者気道に直接用いられるために、すなわち患者回路上に主流様式で装着されるために十分に小型かつ軽量に製作されることを意図する。光学部品は一般にこの目的に適するように十分に小型に製作されることができるが、回折格子（つまりスペクトラムスキャナ）を駆動するメカニズムを、この目的に適しているように十分に小型に製作することは難しい。現在利用可能な電気機械式スキャナ駆動は、非常に大きく、ほとんどの場合あまりに重くて、このように用いられるには非常に多くの電力を要し、多大な費用がかかる。
【０００８】
例えば、多くの従来のスペクトロメータは、ある種のモータ、モータから回折格子を駆動する振動連結及びベアリングアセンブリを用いて、回折格子を回転させる。そのような装置は良好な結果を達成することができるが、そのような構造は比較的大きくて、重く、そして高価である。他の従来のスペクトロメータは、モータ及び連結の代わりに、時々検流計駆動と呼ばれる振動モータを用いる。そのような装置はやや安価ではあるが、依然として大きくて、重く、比較的高価である。
【０００９】
米国特許第6,249,346号(2001, Chen, et al.)、6,039,697号(2000, Wilke, et al.)、及び5,931,161号(1999, Keilbach, et al.)は全て、比較的小さいサイズのスペクトロメータを開示するが、デザインが非常にかさばり、いくつかの場合には非常に複雑である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
したがって、従来の気体分析装置の欠点を克服するスペクトロメータを提供することが本発明の目的である。この目的は、広いスペクトル領域にまたがる単一の及び複数で重なり合うことさえある吸収又は放射スペクトルを持つ気体サンプル中の複数の気体のそれぞれの濃度又は分圧を決定するための強力なスペクトロメータ装置を提供することによって、本発明の一つの実施の形態によって達成される。
【００１１】
本発明は、小型の呼吸気体分析機器用にグレーティングスペクトロメータを適応させる。具体的には、本発明は、固定の検出器にわたってスペクトラムをスキャン又は掃引する走査型分光計を使用する。光学的観点から、この装置は、改良されたエバート型走査型分光器として特徴づけられることができる。
【００１２】
非常に小型の安価な発振ミラーは、MEMS（MicroElectroMechanical System）製造プロセスを用いて製作されることができる。ミラー表面に追加される回折格子によって、この構造は、非常に低コストで小型かつ軽量だが頑丈である、インラインIR気体分析装置のためのスキャナを提供する。
【００１３】
スペクトラム分解能は、主としてグレーティングサイズ、開口、ラインピッチ、回折次数及びコリメーションの関数である。本発明において、必要とされるグレーティング幅は1〜2mmの範囲であり、それは既存のMEMS技術によく適している。他のパラメータは、少なくとも必要な精度に対して十分適切かつ容易に達成又は制御される。
【００１４】
回折格子は、別々に形成されて「ミラー」表面上に接着されることができ、あるいは、優先的に、回折格子は、MEMS製造プロセシングの一部としてミラーの表面に形成されることができる。ホログラム型のグレーティングが用いられることができる。ミラーを発振させる駆動力は磁気的なものであることができ、ミラーがその裏面に形成される平面コイルを持つか、ミラー自体が磁化されるか、あるいはミラーは静電気的に駆動されることができる。必要とされる角度振幅が比較的小さいので、静電気的駆動が一般に好ましい。
【００１５】
本発明の装置は、いくつかの更なる態様においても構成されることができる。一つの場合には、発振グレーティングが取り外されて、走査型（発振）ミラーによって置換されることができる。このアプローチの実施の形態において、ミラーは、スペクトラムを分散させる固定のグレーティング上で入力光をスキャンする。既に述べたように、スペクトラムはミラーによって検出器面上に焦束される。この代りの方法は一つの追加のコンポーネントを必要とするが、MEMS発振素子はその表面上に製造されるグレーティングを備えることを必要としないので、製造コストを低減することができる。
【００１６】
さらに別の他の実施例において、発振ミラーは、減衰した広帯域エネルギービームが気体サンプルセルを通って戻るように導くべく配置されることができ、グレーティング及び検出器は、気体サンプルセルに関してIR光源と同じ側にある。この配置の利点は、（セル中の気体を通る複光路に起因した）より高い感度、及び幾分細めのパッケージである。あるいは、複光路構成において、光源に対して反対側のミラーは固定されることができ、そして発振ミラー/固定グレーティング（又は発振グレーティング）及び検出器システムは光源側に設置される。これらのさまざまな実施の形態は単一の平面中に構成されることができ、又は発振ミラー、走査グレーティング又は集束ミラーは異なる平面中にビームを導くための向きに回転することができ、異なるパッケージ構成が容易に提供されることができる。
【００１７】
回折格子は、いくつかの次数の回折ビームを提供することができる。通常、第１の次数である±1が用いられ、グレーティング中の溝の形状は、選択された次数を際だたせるように設計されている。しかしながら、より高い次数中に若干の残留エネルギーが存在する場合がある。その結果、短波長のスペクトル領域は、一次スペクトラムに重なり合う場合がある。この問題は、必要に応じて、関心スペクトル領域の外側の全ての波長を遮断するように設定される遮断フィルタによって解決されることができる。
【００１８】
本発明の装置のためのデータ処理電子回路は、走査素子の動作と同期する。一つのアプローチは、タイミング信号をミラー駆動から抽出することである。あるいはミラーは、同期で使用するためにミラーの部分の実質的に瞬間的な位置を示す信号を提供するためにそれに搭載されたコイル又は磁気若しくは圧電センサを備えることができる。同期に用いるための他のセンシング技術は、別の検出器へとミラーの前面又は裏面で補助ビームを反射することである。一般に好ましい技術は、検出されたスペクトラムの固有の特徴を、そのようなものが利用可能である又は提供される場合に用いることである。ミラーが共振すると仮定するならば、検出器が信号を受信しない期間は比較的長い。これは、スキャンがスキャンのほぼ線形部分にある場合に、より容易に解釈され、遮断フィルタが、関心スペクトル部分の前又は後の全ての信号を除去するからである。このように、その後に信号が鋭く増加する長いブランク期間は、位相ロックループ同期装置に適切な固有のマーカーを提供するために用いられることができる。ブランク期間は、検出器ゼロが設定されることができるように、バックグラウンド光条件を提供する。フルスケールは、吸収ピーク間の任意のスペクトル領域又は既知のピークが差し引かれた領域によって示されることができる。
【００１９】
装置によって生成されるデータは連続的であるので、既知の及び以前に記憶された特定のスペクトル線を一つずつ順次差し引くこと、すなわち個々の線を"剥がすこと"は可能であると考えられている。そのような処理は分離を改善し、又は、特に弱い線の干渉を低減する。
【００２０】
操作方法、構造及び部品の組み合わせの関連した要素の機能、並びに製造の経済と同様に、本発明のこれらの及び他の目的、特徴及び特性は、添付の図面を参照して以下の説明及び添付された請求の範囲を考慮することで、より明らかになる。それぞれの図において、同様の参照番号は対応する部分を指す。しかしながら、図面は図示及び説明のみを目的とするものであって、本発明の範囲を定めるものとしては意図されていないことが明白に理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】本発明の原理による発振スキャナミラーと回折格子との組み合わせを有するスペクトロメータのための模式的な光学システムレイアウト。
【図１Ｂ】図1Aの光学システムが適切に使用されることができるスペクトロメータの概略図。
【図２】図1Aの光学システムにおける使用に適した発振ミラー/グレーティング組み合わせの斜視図。
【図３】本発明による集束ミラーと回折格子との組み合わせを有するスペクトロメータのための模式的な光学システムレイアウト。
【図４Ａ】本発明の原理による平行にされた光ビームを用いて複数のスペクトルバンドの分析を可能にするスペクトロメータのための例示的なレイアウトの模式図。
【図４Ｂ】本発明の原理による平行にされた光ビームを用いて複数のスペクトルバンドの分析を可能にするスペクトロメータのための例示的なレイアウトの模式図。
【図４Ｃ】本発明の原理による平行にされた光ビームを用いて複数のスペクトルバンドの分析を可能にするスペクトロメータのための例示的なレイアウトの模式図。
【図４Ｄ】本発明の原理による平行にされた光ビームを用いて複数のスペクトルバンドの分析を可能にするスペクトロメータのための例示的なレイアウトの模式図。
【図４Ｅ】本発明の原理による平行にされた光ビームを用いて複数のスペクトルバンドの分析を可能にするスペクトロメータのための例示的なレイアウトの模式図。
【図４Ｆ】本発明の原理による平行にされた光ビームを用いて複数のスペクトルバンドの分析を可能にするスペクトロメータのための例示的なレイアウトの模式図。
【図５Ａ】本発明の原理による平行にされていない光ビームを用いて複数のスペクトルバンドの分析を可能にするスペクトロメータのための例示的なレイアウトの模式図。
【図５Ｂ】本発明の原理による平行にされていない光ビームを用いて複数のスペクトルバンドの分析を可能にするスペクトロメータのための例示的なレイアウトの模式図。
【図５Ｃ】本発明の原理による平行にされていない光ビームを用いて複数のスペクトルバンドの分析を可能にするスペクトロメータのための例示的なレイアウトの模式図。
【図６Ａ】本発明の原理によるスペクトロメータのためのさらに例示的な配置の模式図。
【図６Ｂ】本発明の原理によるスペクトロメータのためのさらに例示的な配置の模式図。
【図６Ｃ】本発明の原理によるスペクトロメータのためのさらに例示的な配置の模式図。
【図６Ｄ】本発明の原理によるスペクトロメータのためのさらに例示的な配置の模式図。
【図７Ａ】本発明の原理による電気機械式スキャナ駆動の上部斜視図。
【図７Ｂ】本発明の原理による電気機械式スキャナ駆動の下部斜視図。
【図８】本発明の原理に従って自動的な走査周波数調整を実行するための回路の概略図。
【図９Ａ】共振の間のスキャナ駆動のためのリターン信号を示す波形。
【図９Ｂ】非共振の間のスキャナ駆動のためのリターン信号を示す波形。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図1Aは、本発明の原理によるスペクトロメータのための模式的な光学レイアウトである。光ビーム10（例えば赤外線ビーム）状のエネルギーは、試料セルG（図1Bを参照）から発して、反射鏡12に当たる。そして反射鏡12は、走査ミラーと呼ばれる場合もある走査グレーティング反射体14の方へ光ビーム10を反射する。走査グレーティング反射体14がページに対して垂直な軸に関して発振することに留意されたい（発振は誇張された形態で示されている）。走査グレーティング反射体14から、今しがた分光された光ビーム10は集束ミラー16へと伝播し、集束ミラー16は次に、適切な読出し回路を含む又はそれに結合される検出器18に光ビーム10を焦束する。検出器18は例えば、従来技術において知られているように、スリット又はピンホールで規定された検出器から成ることができる。
【００２３】
図1Bは、本発明のさまざまな光学的な実施の形態で使用するスペクトロメータの完成した構造を、概略的に説明する。図1Bに示されるように、赤外線光源Sは、光源光学部品即ちコリメータCを用いて示されるようにコリメートされることができる赤外線ビームを放射する。コリメートされた赤外線ビームはそれから、気体試料セルGに入射し、反射鏡12に向けて同セルを出る。図5A〜5Cの実施の形態が赤外線ビームをコリメートするためのコリメータC又は光源光学部品の存在を必要としないことに注目すべきことを除いては、そのような配置は、本明細書において記載される全ての実施の形態によって用いられることができる。
【００２４】
図2を参照すると、走査グレーティング反射体14は、それに配置される回折格子線22を持つ。これらの線は、ミラーの反射面上に接着されるか、MEMSプロセスを用いて機械加工されることができ、あるいは、それらはいくつかの他の既知の技術で配置されることができる。米国特許6,201,269号(McClelland, et al.)（この文献の開示は本明細書に参照として組み込まれる）は、発振ミラーの製造に適したMEMSプロセスを開示し、そのプロセスは、走査グレーティング反射体14の製造に利用されることができる。グレーティングは、ホログラムの形でも製作されることができる。
【００２５】
走査グレーティング反射体14は、回折線22と平行のたわみ軸24を持ち、たわみ軸24と同軸のサポート部材を通してフレーム26に搭載される。従来技術において周知であるように、導線20が裏地28と適切な電力供給源Pとの間に接続された場合に静電気的駆動を走査グレーティング反射体14に提供するように、裏地28は導電性である。説明を簡単にするために、図2において２つの電力供給源Pが示されているが、もちろん単一の電力供給源Pが交互に裏地28に電力を供給するように用いられることができる。
【００２６】
図1Aで示される模式図は、スキャナ及び回折格子の両方として走査グレーティング反射体14を用いる。しかしながら、スキャナに回折格子を含めることは必要ではない。回折格子は、代わりミラースキャナによって角度を走査されることができる。図3に示されるように、ミラースキャナ32が、回折格子とミラーとの組み合わせ34上で気体試料セルからの入力ビーム30を掃引するために用いられる。回折格子とミラーとの組み合わせ34に使用されるミラーは、ミラースキャナ32から検出器36へと分散されたエネルギーを導いて焦束する集束素子である。形成される像は、回折格子とミラーとの組み合わせ34によって選択された波長における、規定入力開口である。従来のエバート型分光器では、撮像される開口を定めるスリットが分光器への入口にある。本発明において、規定開口は光源であることができ、又はスキャナ/検出器アセンブリへの入口近くの別の開口であることができる。図1Aの実施の形態の反射鏡12は、図3では構造的複製を持たない。この反射鏡は本発明の必要とされるコンポーネントではないからであるが、従来技術では一般的であり、その使用は、複数の他の構成を可能にする。
【００２７】
他の代わりの構成として、ミラーとグレーティングの機能は分けられることができ、スキャンは平らなグレーティングミラーに導かれ、その後集束素子（通常この赤外波長領域のミラー）が続き、そして検出器が続く。図1Aの構成をこえるそのような代わりの分割構成の利点は、グレーティングをミラーの上に形成することは普通ではないものの、走査ミラー装置を現在知られているプロセスによって直接製造できることである。対照的に、成形技術によってグレーティングを集束素子の上に形成することは普通である。分割構成の不利な点は、（角度を変えるためにビームがグレーティング全体に動くので）グレーティングは幾分大きくなければならず、そしてミラーが非球面であることを必要とする場合があることである。予想されるようにグレーティングミラーが成形又はキャスティングプロセスによって製作される場合、これらは軽微な問題である。
【００２８】
図1A及び3に関して記載される実施の形態は、波長オクターブにわたるスペクトルデータを収集するための効果的な態様を提供する。しかしながら、これらの実施の形態は、一つの帯域（例えば3〜5ミクロン帯域）を念頭において設計されている。
【００２９】
実際には、グレーティングスペクトロメータの範囲は、複数の次数のためにオクターブに制限される。つまり、特定の波長は、その波長、グレーティング周期及び次数として知られる整数によって決まる特定のセットの角度で回折する。分散が次数の関数であるので、複数の次数が検出器面で重なり合う可能性があり、スペクトルの解釈を難しくする。実際的なグレーティングスペクトロメータでは、ほとんどの回折されたエネルギーが特定の所望の次数に導かれるように、グレーティングが製作される。これは、回折格子の各々の溝において、そのポイントに当たる光が所望の回折次数と同じ方向に反射されるように表面を形成することによって行われる。この形成プロセスはブレージング（Blazing）呼ばれる。さらに、遮断フィルタが、スペクトロメータ入力又は検出器に追加されることができ、さもなければ混乱の原因となる可能性がある波長領域をブロックする。
【００３０】
前に記載された3〜5ミクロン帯域に加えて、本発明が7〜10ミクロン範囲を同時に測定することは有利である。このより長い波長帯における問題は、第一に、更に高価な検出器が必要とされること、第二に、（長波長透過フィルタ又は機能が不可避であるが）ビーム操作のための透過光学部品（例えばレンズ）が更に高価である傾向があること、そして第三に、3〜5ミクロン帯域の第２の次数が、7〜10ミクロン帯域と同じ面に陥る傾向があることである。
【００３１】
更なる帯域の測定のための光学配置に対する７つの例示的なアプローチが図4A-4Fに示される。図4A〜4Fに示された全ての図示された実施の形態において、入力ビームは、光源の光学部品又は他の従来の手段によって、すでに平行にされている。さらに、図面は模式図であり、すなわち回折角は解説用であって正確ではない。
【００３２】
図4Aの実施の形態において、走査ミラー42はダイクロイックビームスプリッタ44に入力ビーム40を導き、ビームスプリッタは、ビームを２つの帯域（例えば3〜5及び7〜10ミクロン）にそれぞれ分割する。２つの別々の走査回折格子46は、上記の帯域を分散させる。各々のグレーティング46は、それぞれの帯域に最適化されている。分散の後、ビームの各々の帯域は、検出器Dの開口上へ集束ミラー48によって導かれる。
【００３３】
図4Bの実施の形態において、走査回折格子46が使用され、結果として生じる分散したビームは、ダイクロイックビームスプリッタ44によって２つの帯域に分割される。この場合には、走査回折格子46は、第１次数において7〜10ミクロン帯域に最適化され、そして第２次数において3-5ミクロン帯域に最適化されている。
【００３４】
図4Cは、走査ミラー42を含む実施の形態を示し、その後、一つの帯域（例えば7〜10ミクロン）を反射して他の帯域を透過するようにコーティングされるダイクロイック回折格子47が続く。他の場合には、ダイクロイック回折格子47は、第１次数で7-10ミクロン、第２次数で3-5ミクロンに対して調整される。あるいは、反射回折格子（非透過型）が使用されることができ、帯域スプリッタがこの回折格子の後に配置される。
【００３５】
図4Dの実施の形態は、反射のみを行い、共に走査素子として用いられる背中合わせの走査回折格子46を用いる。帯域分割は、グレーティング以前にダイクロイックビームスプリッタ44によって遂行される。この実施例において、グレーティングは、特定の帯域における最高の性能のために個別に最適化されることができる。
【００３６】
図4Eの実施の形態は、３つの帯域における検出を提供するように調整される。走査ミラー42は、２つの反射/透過ダイクロイック回折格子47を順次照らす。この配置は波長帯域配置に関するいくつかの制限を引き起こすが、図4Fの配置よりも物理的に小型である。
【００３７】
図4Fの実施の形態は、（示されるように）６つの帯域及び拡張による更に多くの帯域を提供することができるミラー及びグレーティングの三次元配置を含む。入力ビーム50は、複数の二色性又は帯域通過フィルタ51をそれぞれ用いて２つの隣接するオクターブバンドの３つの波長ブロックに最初に分割され、そしてその波長ブロックは、走査ミラー52によってスキャンされる。走査ミラー52の軸は図面シートの面内にある。波長ブロックは、ミラー回転軸を含む面の角度によって幾何学的に分離される。走査の後、波長ブロックは、それぞれ図4Cの回折格子と同様であるが分離角度に適合するように適切に傾けられた３つの回折格子56へと進む。図4Fにおいて、説明を簡潔及び明瞭にするために、一つのグレーティング56のみが示されており、そして検出器は示されていないが、実際にはそのようなものが含まれる。
【００３８】
図5A-5Cは本発明の更なる実施の形態を示し、上述の実施の形態とは異なり、スペクトロメータに入る光は、発散又は収束していることができ、そして光学部品はそれを補償するように変更される。
【００３９】
図5Aは、光源Sからの光が、気体試料セルGを通過し、反射されて、グレーティングによって分散され、走査平面グレーティングミラー60で走査されるシステムを概略的に示す。結果として生じる分散した光ビームは、凹面ミラー62を用いて検出器D上へ焦束される。
【００４０】
図5Bは、平面走査ミラー64を用いるシステムを概略的に示し、走査されたビームは、光ビームを回折して検出器D上へ焦束する凹面グレーティングミラー66へと反射される。
【００４１】
図5Cは、回折格子を含んで検出器D上へ光ビームを焦束するために凹面である走査ミラーの形の一つの素子68に、走査、分散及び集束機能が統合されるシステムを概略的に示す。
【００４２】
当業者によって理解され、認識されるように、走査素子に機能を追加することはそのコストを増加させるが、各々の場合において、システム中の他の素子は、コストが削減されることができるか、完全に省くことができる。特に、図5A-5Cの実施の形態は平行化素子の必要性をなくし、そして図5Cの実施の形態は別の集束ミラーの必要性をなくす。そのように必要とされるコンポーネントの数を減らすと、コンポーネントの排除及び組み立て時間の削減の両方に起因して、低コストなシステムの製造が可能となる。
【００４３】
当業者によって理解され、認識されるように、図5A-5Cに示されるアプローチは、関係する複数の帯域の測定のための図4A-4Fの実施の形態に適用されることができる。例えば、図5Aのコンポーネント及び配置は、図4B及び4Dのシステムを修正するために有利に使用されることができ、図5Bのコンポーネント及び配置は、図4Aのシステムを修正するために有利に使用されることができ、それぞれの場合において、集束ミラーが排除される。図5Bのコンポーネント及び配置は、反射及び透過の両方において集束することが必要なので集束ミラー及びグレーティング素子がさらに複雑になるものの、図4C, 4E及び4Fのシステムにも使用されることができる。第１の、即ち反射面は凹面であり、第２の面は、凸状の屈折面から成る。
【００４４】
上述の実施の形態において、２つの異なる帯域（すなわち、3.5-4.5ミクロン及び7-9ミクロン帯域）は、グレーティングの第１及び第２の次数を用いて別々に分散される。２つの検出器上のフィルタは、それぞれの検出器が固有の帯域にのみ反応することを確保する。本発明はまた、グレーティングの異なる次数を用いることで、単一次数のグレーティングによって達成されることができる範囲よりも非常に広い範囲の波長を包含する（本質的に）隣接しない帯域を提供することを意図する。
【００４５】
上記の本発明は、検出器に２つの異なる検出器に異なる帯域又は帯域のセグメントを導くためにダイクロイックスプリッタを使用することを開示する。本発明はさらに、非波長感応性スプリッタ（すなわち、通常の部分反射スプリッタ）を用いることを意図する。この場合、適切な帯域をソートするために、適切なフィルタが、検出器上に又はその前に提供されることができる。
【００４６】
本発明の上記の実施の形態は、検出器において像を形成するために、集束ミラーを用いる。この集束機能は、任意の適切な材料から形成されるレンズでも実行されることができる。本発明はさらに、ダイクロイックスプリッタが部分反射スプリッタであることができることを意図する。加えて、スプリッタ（反射型又は透過型）は、集束ミラー（又はレンズ）の後であって、２つの検出器の前に配置されることができる。
【００４７】
本発明のマイクロスペクトロメータの一つの機能は、8〜10ミクロンIR帯域における麻酔薬のスペクトルスキャンと中赤外域CO2及びN2O帯域のスキャンとを同時に実行することである。数多くの歴史的なシステム（例えば、Ebert, Czerny-Terner, Fastie-Ebertなど）及び単一の又は複数のホログラフィック格子システムの存在によって、スペクトロメータのための基本的な構造の選択は容易である。主要なシステム問題は、効率、つまり光源の光のうち検出器に入る量に対するシステムのスペクトル分解能である。
【００４８】
全てのシステムにおいて、光源又は光源によって照らされる開口は、センサ面上へ撮像される。収差及び光学倍率によって規定されるこの像のサイズは、システムの所望のスペクトル分解能未満でなければならない。分解能がグレーティングによって規定されるので、実効光源サイズは重要である。典型的なスペクトロメータシステムにおいて、入射スリットは、大きな開口ミラーの焦点の所にある。ミラーは、グレーティング上へ光をコリメートする。グレーティングからの回折光は、第２の凹面ミラーによってセンサ上に再び焦点を合わせられる。開口が大きい（すなわちf値が小さい）ので、効率が高くなることができる。本発明のマイクロスペクトロメータにおいて、光源からの光は、追加の光学部品が無い場合に、大きな開口/高効率なシステムを妨げる気道アダプタ（試料セル）を、最初に通過しなければならない。光源からのビームがアダプタによってコリメートされる場合でさえ、放射源の大きさは、スペクトロメータ中の実際的な光学部品にとってビーム拡がりをあまりに大きくする。
【００４９】
図6A-6Dに示されるように、本発明は、アダプタ（すなわち試料セル）の中央で空中像を形成する大きな円孔レンズを光源の所で用いることにより、この問題を解決する。検出器ブロックへの入口のレンズ103は、グレーティング上へ直接その光を粗くコリメートする。レンズ103は、光源に隣接するレンズの像距離とだいたい同じである焦点距離を持つ。レンズ103はビームをコリメートし、そして、それが光源の像から機能しているので、レンズ103は軸を外れたビームの角度をコリメートするのに役立つ。この作用は、視野レンズの作用と同様である。したがって、グレーティングでのビーム拡がりは少なくなり、そして以降の素子ではさらに非常に少ない。
【００５０】
図6A及び6Bにおいて、グレーティング106からの回折光は、非球面鏡108によってセンサ（検出器）110上に焦束される。この技術によって、光源倍率は使用に適して小さく保たれ、効率は高い。本発明は、レンズが、この波長帯にとって適度に良好な環境安定性を備える最も安価なレンズ材料であるように、シリコンでコーティングされることを意図する。図6C及び6Dにおいて、折りたたみ又は反射鏡109が、凹面集束ミラー108の代わりに用いられる。
【００５１】
図6A-6Dは、３つの他のレンズ構成を示す。図6Aは、試料セルとも呼ばれるアダプタ102の片側に提供される球面レンズ100を用いる実施の形態を示す。図6Bは、アダプタ102と共に非球面レンズ104の使用を示す。図6Cは、折りたたみミラー109の前に提供される集束レンズ107を示す。図6Dは、折りたたみミラー109の後に提供される集束レンズ111を示す。本発明は、折りたたみミラーの前後に集束レンズを提供することも意図する。システムの残りのコンポーネント（例えば光源、反射グレーティング106及び検出器110）は、上で論じられた特定の実施例を含む本発明によって意図される任意の配置で構成されることができる。
【００５２】
関心波長は、薬剤に対して約8〜9.5ミクロン、CO2及びN2Oに対して4〜4.7ミクロンであり、そして参照チャネルに関しては3.7及び7.4ミクロンである。本発明は、同じ光学部品及びグレーティングが同時に両方の領域を走査することができ、赤外域がグレーティングの第１次数を用いて、中赤外域がグレーティングの第２次数を用いることを意図する。検出器を分けるために、ダイクロイックスプリッタが必要である。
【００５３】
グレーティング106の走査レートは、好ましくは100Hz〜300Hzの範囲である。100Hzが、必要とされるCO2帯域幅（すなわち10Hz）によって設定されるおおよその下限である。上限は、IR検出器の応答時間及びグレーティングアクチュエータに関する機械的制約によって規定される。スペクトロメータのグレーティングの可動域は、参照チャネルを含む範囲をカバーするための（機械的に）±約5°であり、方向転換（turn-around）のために約15%〜20%が加えられる。参照機能がなんらかの他の方法で実行され、又はグレーティング間隔が削減される場合、可動域は±3°に減らされることができる。本発明の例示的な実施の形態において、グレーティングミラーはだいたい、幅が6mmで高さが10mmである。これらのスペックは十分に、200Hz-300Hzの範囲の正弦波周波数における安価な最新技術の範囲内である。PbSe検出器は、高速、高感度かつ安価であり、よく知られているので、中赤外域のために用いられる。IR検出器の候補は、水銀カドミウムテルル（MCT）、マイクロ熱電対、マイクロボロメータ又は焦電結晶である。
【００５４】
マイクロスペクトロメータによって収集されるスペクトルデータは、ノイズフロア（ゼロ信号）、光源強度（信号スパン、すなわちクリアチャネル）及びスペクトラムスパン較正に関する参照データを含まなければならない。較正は、CO2線及びエッジフィルタを参照することで実行されることができる。いずれかの帯域の較正、又は帯域間の較正は、同じスキャナが両方に用いられるので、両方に対して有効である。信号ゼロ及びスパンは各々の個別のセンサに実行されることを必要とするので、クリアチャネル及び遮断機能が各々に必要とされる。
【００５５】
本発明者は、動作中に、回折格子を回転させるスキャナは単一の周波数で動作し、一定のスキャン角度を持つことに気が付いた。これらの要請は、共振スキャナが回折格子を駆動する適切なシステムであることを本発明者に示唆した。共振型のスキャナ駆動システムは、以下のいくつかの利点を持つ。1) 高い機械的Q値を仮定すると、電力要求は最小化される。2) スキャンの動作は、最小高調波を有する正確な正弦波状である傾向がある。3) 正確な同期信号が駆動回路から導き出されることができる。共振スキャナ駆動システムは、共振周波数が可動系全体の慣性（質量）及び復原力の大きさ（スプリング）に依存する点で不利である。どちらかが時間、温度又は製造変数によって変化する場合、共振周波数は変化する。
【００５６】
共振スキャナ駆動システムを用いることを試みる場合に直面するハードルは、（光学的な要求によって定められる）グレーティング以外の慣性部分が最小化され、（高い機械的Q値を保つために）空気吸込が最小化され、そして全体のサイズが最小化されたシステムを設計することである。さらに、システムは、全体として共振における多少の変動に対応しなければならない。
【００５７】
本発明はこれらの問題に対処して、例えば図7A-9に示されるようなスキャナ駆動システム200を提供する。スキャナ駆動システム200は、回折格子204に回転軸を提供するトートバンド202を含む。グレーティングの下のスキャナ駆動システムの特徴を見ることができるように、回折格子は図7Aから省略されていることに留意すべきである。バンド202は、スプリング復帰及び機械的支持を走査システムの可動コンポーネントに提供する。グレーティング204は、バンド202の片側の一般的に中心に固定される。永久磁石206が、バンドの反対側に固定される。アセンブリが発振するときに捻れたバンドがグレーティング204又は磁石206と接触しないように、スペーサ208がバンド202の両側に設けられる。
【００５８】
バンド202は、例示的な実施の形態において正方形であるフレーム210によってその端部で支持される。製造の間に、バンド202の端部は、張力を受けてフレームに確実に取り付けられる。本発明は、フレームへの取り付けの後のバンド中の正味の張力が予測可能であるように、プロセスの間、フレーム210を圧縮下に保持することも意図する。本発明は、フレームの外側の端をこえてバンドを曲げることによって取り付けが補強される場合、スポット溶接部、半田/ろう付け又は接着剤を用いて、フレーム210にバンド202を取り付けることを意図する。
【００５９】
例示的な実施の形態において、バンド202は、厚さ0.001"、幅0.9mmで、約7mmの自由長を持つ。グレーティング基板2040はガラスであり、厚さ2mm、直径6mmである。共振周波数は、約200Hzであり、バンドにおける張力及び永久磁石206に対する駆動極片の近接度によって決まる。
【００６０】
有利には、永久磁石206は、サイズや質量の割に特に強い磁場を供給するネオジウム型である。明示されたように、磁極軸をグレーティングの面に垂直に、すなわちトートバンドに取り付けられる磁石面が極であるように、磁石が（スペーサ208によって）バンド2020上に搭載される。それは北極又は南極であることができるが、駆動パルスに対する発振の位相（下記参照）が磁石の極性に依存するので、条件は製造の間に定められなければならない。
【００６１】
スキャナは、永久磁石206とすぐ近くの電磁石212との間の磁気相互作用によって駆動される。電磁石212は、例示的な実施の形態において、「C」形のコア214を持ち、適切なインピーダンスの巻線216が「C」の中央区間のまわりに巻かれる。電磁石212は、交流モータの固定子とみなされることができ、永久磁石206は、回転子とみなされることができる。コア214は、オーディオ変圧器又は交流モータにおけるように、積層された鉄材であることができ、又はそれはフェライトであることができる。フェライト磁心は重量が比較的軽く、幾分少ない渦電流損を提供して、それは次にシステムの機械的Q値を増加させる。２つの極片間のラインがバンド202の軸に対して垂直であるように、電磁石212は配置される。磁石206と電磁石極片との間の間隔は特に重要ではないが、このクリアランスは、磁石の任意の合理的な可動域の下で磁石が極片に接触することを可能にしてはならない。さもなければ、磁石が極片にくっつき、そしてシステムは停止する。
【００６２】
電磁石212に提供される電気的駆動は、短いパルスの形である。スキャナアセンブリは、機械的共振周波数で「鳴る」。Q値が高い（100〜150の範囲）ので、発振は数パルスで振幅平衡に達する。
【００６３】
一般的な共振系において、駆動は、機械的損失に応じて90°に近い量で動作を遅れさせる。本システムは損失がほとんど無く、駆動パルスは、共振において、最大速度ポイント（すなわち90°）の所にある。本システムはモータであり発電機でもあるので、磁石の任意の動作は、電磁石コイル中に戻り電圧を発生させる。
【００６４】
共振の間、戻り信号は、図9Aに示されるように正弦波220として示される又は視覚化されることができる。正弦波220は、正弦波の中央に駆動パルスであるスパイク222を含む。正弦波220は、オシロスコープを駆動コイルに直接取り付けることによって生成され、そして駆動パルス電子回路を戻り信号から部分的に分離するために抵抗が用いられた。駆動パルスレートが共振状態にない場合、戻り信号位相は図9Aに示されるものと異なる。図9Bは、システムが共振状態にない場合の戻り信号224を示す。スパイク225は正弦波のピークの中心になく、中心からオフセットされている又は外れていることが認識される。駆動パルス直前の戻り信号を駆動パルス直後の信号と比較することによって、位相誤差は、駆動周波数を調整するために用いられることができる信号に変換されることができる。
【００６５】
この自動周波数調整を実行するブロック図回路230が図8に示される。電圧制御発振器（VCO）232は、時間基準をシステムに提供する。それは、機械的共振に近い名目上の周波数を持つ。VCOからのパルスは、３ビットデコード236を駆動する３ビットの２進カウンタ234に供給される。結果として生じる８つの時系列信号が、システムを制御するために用いられる。
【００６６】
図8に示される正弦波図240を参照すると、最初の２つの期間は、駆動パルスの前の信号からデータを収集するために用いられ、第４及び第５の期間は、パルス直後の信号からデータを収集する。データは、サンプルホールド（S/H）242を介してキャパシタC1に収集される。駆動パルスは、期間3において生成される。
【００６７】
期間６及び７の間、今度は時間的に同期して、信号差がキャパシタC2及びVCO232に伝達される。期間８の間に、それぞれのキャパシタC1は、僅かにループ応答時間に役立つように放電される。期間３は、分離抵抗Rを介して励起コイル216に電流を注入するMOSFETのようなトランジスタ244を駆動する。
【００６８】
戻り信号の振幅は、所与の周波数に対して、最大スキャン角度に比例するピーク速度に比例する。したがって、戻り信号振幅は、駆動パルスサイズへのフィードバックを提供するために用いられ、それによって一定のスキャン角度を保持する。戻り信号の負の半サイクルは、この目的のために用いられる。ダイオードD1及びキャパシタC3は、差動増幅器に戻り信号平均電圧を提供する。一定の設定値が、この増幅器の反対側に供給される。増幅された差分がパルス振幅である。
【００６９】
本発明はまた、コイル及び極構造が、極の先端部によって定められる軸のまわりに回転することができることを意図する。言い換えると、アセンブリは、フレームに対して折りたたまれることができる。そのような変更は、スキャナアセンブリを短くするが、一方向においてわずかに広くする。本発明は、２つの別々の巻線が電磁石コアに配置されることができることを意図する。２つの巻線は、より良好なインピーダンス整合を、ドライバのために、そしてそれとは別に戻り増幅器のために提供する。信号がフローティングであるので、それはさらに戻り信号のS/Nを改善する。
【００７０】
図7Bにおいてグレーティングはディスクとして示されるが、正方形又は矩形のような他の形状が意図される。重要な点は、スペクトロメータのスペクトル分解能が、一つにはグレーティングの幅、すなわち光ビーム中のグレーティング溝の数に比例することである。製造において、グレーティング溝が確かに、回転軸、すなわちトートバンドの長軸と平行して搭載されるように、グレーティングを回転非対称にすることが有利である。
【００７１】
フレームは、スキャナアセンブリの主要な強度を提供する要素であることが期待され、したがって、それはスペクトロメータシステムに固定される要素である。フレームは、正方形として示されている。しかしながら、それは、他の形状（例えば円形又は何等かの形状の組み合わせ）を持つことができ、取付突起又はブラケットを含むことができる。
【００７２】
本発明のスペクトロメータが、最も実用的で好ましい実施の形態であると現在考えられているものに基づいて、説明を目的として詳細に記述されたが、そのような詳細は単にその目的のためであり、本発明が、開示された実施の形態には限定されず、反対に、添付の請求の範囲の精神及び範囲内である変更及び均等物をカバーすることを意図することが理解されるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【国際調査報告】
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