用于將力施加到樣本上以使用機電構(gòu)件檢測的方法和設(shè)備的制造方法
【專利說明】用于將力施加到樣本上以使用機電構(gòu)件檢測的方法和設(shè)備
[0001]發(fā)明背景
[0002]本發(fā)明是根據(jù)爆炸物處理技術(shù)分部(NAVEODTECHDIV)授予的第N00178-04-D-4143號合同通過政府支持進行的。政府在本發(fā)明中享有一定權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及光譜學(xué)，且更具體來說，本發(fā)明涉及一種還可以自動地提供不同接觸壓力，同時提供定時延遲能力作為有益特征的ATR/FTIR光譜系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]衰減全反射(ATR)是通常與紅外線光譜學(xué)(例如，傅里葉變換紅外線(FTIR))結(jié)合使用的光學(xué)詢問技術(shù)，這使待檢查的樣本能夠直接處于固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)。具體而言，ATR利用配置的內(nèi)反射元件(IRE)和耦合的樣本平面的接口處產(chǎn)生的總內(nèi)反射光。在操作中，光束(例如，紅外線)穿過IRE晶體，其方式為使得光束至少在離開與樣本接觸的內(nèi)表面后反射。此反射形成擴展到樣本中的消散波，通常達到約2微米，其中準(zhǔn)確值由光的波長、IRE晶體的入射角和折射率以及所詢問的樣本媒體來確定。此后經(jīng)由(例如)單像素的線性陣列或2維陣列檢測器來詢問承載樣本的頻譜信息的反射光束來進行分析。
[0005]如通常上文所提及，樣本，即，主要是將使用ATR作為探查技術(shù)詢問的固體樣本可以呈多個不同形狀和大小的形式出現(xiàn)。為了實現(xiàn)有效光學(xué)耦合，必須通過配置的分級機構(gòu)將力施加到此類樣本上，所述分級機構(gòu)經(jīng)設(shè)計以與光學(xué)組件緊密接觸，例如，金剛石、硅或鍺(Ge)ATR元件。常規(guī)的級包含壓力機構(gòu)，所述壓力機構(gòu)包含機械螺釘、杠桿、滑塊以及經(jīng)設(shè)計以將壓縮力施加到給定樣本上的致動器。
[0006]然而，在需要壓力機構(gòu)來抵靠著所需ATR元件表面緊緊壓縮樣本以實現(xiàn)緊密接觸時，應(yīng)注意在一些情況下，對操作儀器的人而言可能難以通過常規(guī)構(gòu)件迅速地且可重復(fù)地施加此力。
[0007]因此，本發(fā)明涉及提供一種緊湊的ATR/FTIR光學(xué)儀器，所述光學(xué)儀器配置為用于將不同接觸壓力提供到優(yōu)選的樣本作為操作的一部分。具體而言，本發(fā)明包含控制施加到任何材料上的接觸力且具有時間延遲(間隔)構(gòu)件的額外新穎特征以允許用戶在操作期間位于遠程位置處。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本申請案的一方面是提供一種手持式內(nèi)反射設(shè)備，所述手持式內(nèi)反射設(shè)備包含:手持式殼體；內(nèi)反射元件，其安置在手持式殼體中并且還配置為用于提供在手持式殼體外部的樣本接觸面；光學(xué)組合件，其容納在手持式殼體內(nèi)，所述光學(xué)組合件進一步包括輻射源和輻射檢測器，所述源配置為用于朝向樣本接觸面引導(dǎo)輻射并且所述檢測器配置為用于檢測與樣本接觸面光學(xué)相互作用的源輻射；樣本接觸臂；力致動器，其耦合到樣本接觸臂；以及處理器，其還配置在手持式殼體內(nèi)并且電耦合到力致動器、輻射源和輻射檢測器；其中所述處理器通過施加到樣本上的受控接觸力引導(dǎo)力致動器，所述樣本安置在樣本接觸臂與樣本接觸面之間，其中在滿足受控接觸力之后，電子處理器分析通過輻射檢測器接收到的樣本信息。
[0009]本申請案的另一方面是提供一種手持式內(nèi)反射方法，所述手持式內(nèi)反射方法包含:在樣本上將配置有ATR手持式儀器的樣本接觸臂移動到理想位置；使用受處理器控制的力致動器軸向移動樣本接觸臂，其中樣本接觸臂移動提供將施加到樣本和內(nèi)反射元件的測量表面上的受控接觸力；以及在與樣本和內(nèi)反射元件的測量表面的受控接觸力符合配置在ATR手持式儀器內(nèi)的預(yù)定力設(shè)置或提供樣本材料的合理反饋光譜信號之后，停止樣本接觸臂的移動。
[0010]因此，本文中揭示的實施例提供將以受控方式施加到各種固體樣本上的緊密接觸壓力以實現(xiàn)ATR紅外線(FTIR)詢問。具體而言，在將樣本放置于ATR元件上之后，在用戶通過定時倒計時(掃描“延遲”功能)操作離開極近區(qū)域之后力致動器移動砧臂以相對于ATR將接觸力施加到樣本上。此后，當(dāng)掃描結(jié)束后，用戶可以接近儀器并且查看一個或多個掃描的結(jié)果。
【附圖說明】
[0011]并入在本發(fā)明中并且形成本發(fā)明的一部分的附圖圖示了本發(fā)明的實施例，并且與所述描述一起用以說明本發(fā)明的原理。
[0012]圖1示出本文所揭示的ATR實例實施例的示意性表示。
[0013]圖2A示出試樣臺和ATR組合件的實例圖。
[0014]圖2B示出提供孔徑的平臺和ATR表面的實例等距視圖。
[0015]圖3A示出具有安置在凹進區(qū)域中的砧臂的ATR手持式儀器的實例等距剖面透視圖。
[0016]圖3B示出具有有角度地且垂直地定位作為儀器的操作能力的一部分的砧臂的ATR手持式儀器的實例等距剖面透視圖。
[0017]圖4A示出可以平移ATR砧臂的“力”機構(gòu)的實例總體圖示。
[0018]圖4B示出可以平移ATR砧臂的“力”機構(gòu)的第二實例總體圖示。
[0019]圖5示出本文提供的掃描延遲(例如，定時延遲間隔)功能的實例圖形用戶接口(⑶I)顯示器。
[0020]圖6示出用于控制所施加接觸力的單個設(shè)置的實例流程圖方法。
[0021]圖7示出用于控制所施加接觸力的可編程離散設(shè)置或預(yù)定義使用情況的實施方案的實例流程圖方法。
[0022]圖8示出借助于在光束路徑的檢測終端處提供的傳感器反饋控制所施加接觸力的實例流程圖方法。
【具體實施方式】
[0023]在本文的本發(fā)明的說明書中，應(yīng)理解，除非另外隱含地或明確地理解或陳述，否則以單數(shù)形式呈現(xiàn)的詞語包含其復(fù)數(shù)對應(yīng)部分，并且以復(fù)數(shù)形式呈現(xiàn)的詞語包含其單數(shù)對應(yīng)部分。此外，應(yīng)理解，除非另外隱含地或明確地理解或陳述，否則對于本文描述的任何給定組件或?qū)嵤├槍λ鼋M件列出的任何可能候選或替代方案通?？梢詥为毷褂没虮舜私Y(jié)合使用。此外，應(yīng)了解，本文示出的圖形未必按比例繪制，其中為了使本發(fā)明清晰起見可以僅繪制一些元件。而且，可以在各個圖形中重復(fù)參考標(biāo)號來示出對應(yīng)或類似元件。另外，將理解，除非另外隱含地或明確地理解或陳述，否則此類候選或替代方案的任何列表僅是說明性的，而不是限制性的。另外，除非另外指明，否則本說明書和權(quán)利要求書中所用的表示成分的量、組分、反應(yīng)條件等等的標(biāo)號應(yīng)理解為均由術(shù)語“約”修飾。
[0024]因此，除非相反地指示，否則本說明書和隨附權(quán)利要求書中所闡述的數(shù)值參數(shù)是可以取決于試圖通過本文提出的標(biāo)的物獲得的所需性質(zhì)而變化的近似值。最低限度地，并且不試圖限制等效物原則對權(quán)利要求書范圍的應(yīng)用，每一個數(shù)值參數(shù)都應(yīng)至少根據(jù)所報告的有效數(shù)字的數(shù)目并且通過應(yīng)用一般四舍五入技術(shù)來解釋。盡管闡述本文提出的標(biāo)的物的廣泛范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)為近似值，但具體實例中所闡述的數(shù)值是盡可能精確報導(dǎo)的。然而，任何數(shù)值固有地含有某些由其相應(yīng)測試測量值中所發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)差必然造成的誤差。
[0025]一般說明
[0026]在傅里葉變換紅外線(FTIR)光譜學(xué)中，通過可以由所關(guān)注的樣本吸收的廣譜紅外光照明未知物質(zhì)。經(jīng)由本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的源的照明通常在從約0.7微米多至25微米的波長范圍中。在與樣本相互作用前后測量隨波長變化的光強度，并且計算由樣本產(chǎn)生的吸光率。在與樣本中的分子鍵的振動頻率相對應(yīng)的特定頻率處，通過樣本以不同的量吸收光。由于每一分子的鍵是不同的，因此每一分子的FTIR吸收頻譜也是不同的。因此，頻譜“指紋”可以通過記錄隨波長而變的光的吸光率來產(chǎn)生。
[0027]大多數(shù)物質(zhì)可非常容易地吸收此紅外光，并且如果吸收所有光，那么將不存在到達待分析的檢測器的光。因此，必須注意如何將光傳送到樣本以及如何從樣本收集光?，F(xiàn)場使用的大部分用戶友好的方法被稱為衰減全反射(ATR)，并且使用具有高折射率的內(nèi)反射元件(例如，金剛石或鍺)以在光返回之前將光發(fā)送到樣本的僅前幾微米中，以提供樣本的光學(xué)信息。
[0028]通過典型的ATR/FTIR儀器，常規(guī)的壓力布置使用傳動螺釘、杠桿和楔形物以在材料上形成壓力并且需要用戶手動地移動機構(gòu)。然而，所述機構(gòu)的此常規(guī)手動(例如，旋鈕驅(qū)動的)移動往往大型且笨重，并且還難以通過可重復(fù)地或根據(jù)所需屬性(例如，所需光譜特征)施加接觸力的方法來操縱。
[0029]因此，為了解決上述問題，本文所揭示的實施例經(jīng)設(shè)計以不僅壓縮配置用于通過本文中的儀器進行的ATR紅外線(FTIR)詢問的任何固體材料，而且還壓縮通過可重復(fù)且易受控制(例如，力反饋或頻譜特征反饋)的方式測量的任何材料。本文中描述的儀器的一般操作模式如下:在將固體樣本放置于ATR元件(即，平臺)上之后，致動器移動砧以相對于ATR將力施加到樣本上。用戶可以經(jīng)由定時(“延遲”間隔功能)操作離開極近區(qū)域。致動器可以是電動機或螺線管或其它類型的力致動器。外加力可以是固定力或者可以是用戶可選的力或者可以基于樣本材料的光譜特征通過來自光譜儀的反饋自動地受到控制。
[0030]具體來說，相對于前述時間“延遲”操作，此模式在測量ATR儀器中的樣本時提供被認為新穎的安全組件。具體而言，掃描延遲特征實現(xiàn)安全的“用戶”可操作距離，同時將受控(例如，編程的)接觸壓力提供到進行ATR/FTIR詢問的樣本，如本文所揭示。作為一個實例，此布置允許用戶將樣本材料提供到本文所描述的儀器并且設(shè)置倒計時器。當(dāng)計時器倒計時時，在實現(xiàn)特定接觸壓力后，用戶可以在儀器可以開始樣本的紅外(例如，F(xiàn)TIR)詢問的時間處達到安全距離。此后，當(dāng)掃描結(jié)束后，用戶可以接近儀器并且查看一個或多個掃描的結(jié)果。
[0031]應(yīng)再次強調(diào)，盡管本文所揭示的配置在詢問高能或另外壓敏材料時是有益的，但是還應(yīng)理解，本文所揭示的配置并不嚴(yán)格地限于僅高能或壓敏材料。具體而言，本文中的配置還可以尋址能夠進行ATR分析的任何固體或液體材料，如通過本申請案的設(shè)計參數(shù)實現(xiàn)。
[0032]作為另外的替代實施例，本文中的配置還可以包含掃描逾時功能。用戶的此選擇需要在定時操作中從樣本中清除壓力，但是操作員仍處于遠程位置。選擇此選項的理由是因為類似于將壓力施加到可疑材料，壓力的清除還可以導(dǎo)致(例如)結(jié)晶爆炸材料的有害摩擦和破壞。
[0033]具體說曰月