CN100451611C - 快速测量光谱的分光光度计 - Google Patents

Abstract

一种快速测量光谱的分光光度计，包括一光源，在该光源输出的主光路上，依次是分光光度系统，色轮，第三反射镜，凹面反射镜，衍射光栅和接收器，该接收器的输出端接一数据处理及控制器，其特征在于：所述的光源由一宽光谱卤钨灯、一氘灯和在光源输出光路的切换式第一半透半反镜构成，一狭缝位于所述的光源和第二半透半反镜之间，在所述的狭缝和第二半透半反镜之间还有一准直组合透镜；所述的凹面反射镜和所述的接收系统之间还有一会聚透镜；所述的接收器是一列阵CCD。本发明快速测量光谱的分光光度计的特点是能一次测量一个波长范围的光谱，可快速，精确的给出样品的光谱曲线，可以实现样品的实时测量。

Description

快速测量光谱的分光光度计

技术领域

本发明涉及光谱测量仪器，特别是一种快速测量光谱的分光光度计。

背景技术

分光光度计作为光谱测量仪器，可以测量样品的反射、透射、吸收等光谱曲线，在物理、化学以及生命科学等学科中是一种很重要的测试仪器。

现有的分光光度计结构图如图6所示，它主要是通过衍射光栅12进行色散分离，然后利用狭缝3选取某单一波长的光作为测量光。通过旋转光栅12的角度，使得不同波长的光通过狭缝3，这样就可以得到连续的单色光。由于探测器18每采集一次数据只能得到单一波长的数据，这样就使得现有分光光度计的测量速度很慢，每测量一个样品一般要花费几分钟的时间，如果测量的精度要求比较高，并且扫描的波长范围比较大，则花费的时间更多，有的甚至长达十几分钟。同时该的分光光度计由于测量速度较慢，也就不能用于实时测量。

发明内容

本发明要解决的问题克服上述现有分光光度计测量时间比较长的困难，提供一种快速测量光谱的分光光度计，它应能一次测量一个波长范围，并可以快速，精确的给出样品的光谱曲线，尤其是可以实现样品的实时测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种快速测量光谱的分光光度计，包括一光源，在该光源输出的主光路上，依次是由第二半透半反镜、样品台、第一反射镜、第二反射镜和第三半透半反镜组成的分光光度系统，色轮，第三反射镜，凹面反射镜，衍射光栅和接收器，该接收器的输出端接一数据处理及控制器，该数据处理及控制器有软件，控制第二半透半反镜和第三半透半反镜同步工作并进行数据处理，其特征在于：

所述的光源由一宽光谱卤钨灯、一氘灯和在光源输出光路的切换式第一半透半反镜构成，该切换式第一半透半反镜的旋转轴与主光路成45°，所述的宽光谱卤钨灯的光轴位于主光路上，所述的氘灯的光轴与该切换式第一半透半反镜的旋转轴平行；

一狭缝位于所述的光源和第二半透半反镜之间，在所述的狭缝和第二半透半反镜之间还有一准直组合透镜；

所述的凹面反射镜和所述的接收系统之间还有一会聚透镜；

所述的接收器是一列阵CCD。

所述的宽光谱卤钨灯作可见以及近红外的光源，其波长范围为350nm-3200nm，所述的氘灯作紫外光源，其波长范围为170-350nm。

所述的切换式第一半透半反镜是一个圆形的反射镜，其中一半圆是镀铝的反射镜，另一半圆是掏空的空白部分，光束可以直接通过。

所述的色轮是一具有10个滤光片的组合圆盘，每个滤光片的通光对应一特定的波长，即某一波段的光透过，而其他波段的光则被反射过滤。

所述的衍射光栅只能旋转一些特定的角度，每个角度与色轮相应的滤光片相对应，使每个滤光片中心波长光束在所述的会聚透镜的视场角为0°。

所述的数据处理及控制器是一台计算机。

本发明快速测量分光光度计，与上述现有分光光度计相比，主要区别在于：现有的分光光度计信号接受器一般采用光电倍增管或者是PbS探测器，这种探测器一次只能测量单一波长，而本发明快速测量分光光度计信号的接受器采用了列阵CCD，利用该列阵CCD的不同探测元探测不同波长的信号，这样就可以一次测量一个波段，从而大大提高了样品的测量速度。为了实现采用该列阵CCD探测信号，我们的分光光度计与现有的分光光度计不同在于：

首先，用列阵CCD代替传统分光光度计的接收器的光电倍增管或PbS探测器。

其次，将狭缝放在衍射光栅的前面，而不是像现有分光光度计一样放在衍射光栅后面。

第三，引入了准直组合透镜，可以获得平行度较好的平行光。

第四，会聚透镜的引入，使狭缝成像在CCD上，不同波长的光成像在CCD阵列的不同位置，可一次完成一个波段的测量。

本发明分光光度计的优点：

1、本发明分光光度计可以快速的测量待测样品的光谱曲线，与传统的分光光度计相比，测量速度大大提高。

2、切换式第一半透半反镜、第二半透半反镜和第三半透半反反镜的引入，简化了光路，也简化了仪器，降低了成本。

3、准直组合透镜的引入，解决了测量时由于发散角太大所带来的测量误差。

4、色轮的引入，对光束进行了初步的过滤，降低了衍射光栅(13)高级次衍射带来的影响，提高了测量的精度。

5、CCD列阵的引入，可以一次测量一个波段范围的光谱曲线，大大提高了测量速度。

6、本发明分光光度计利用电脑控制，可以快速精确的测量出样品的光谱曲线。

7、本发明不仅可以用来测量样品光谱曲线，不仅可以提高测量速度，而且可进行一些场合的光谱曲线的实时监控。

附图说明

图1是本发明分光光度计的原理图和主光路图；

图2是本发明分光光度计中半透半反镜的平面结构图；

图3是本发明分光光度计中色轮的平面示意图；

图4是本发明分光光度计不同波长的光通过会聚透镜聚焦在CCD上的部分光路图；

图5是本发明分光光度计测量样品反射率时的样品台示意图。

图6是现有的分光光度计原理图和主光路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

先请参阅图1，图1是本发明快速测量的分光光度计实施例的原理图和主光路图；由图可见，本发明快速测量光谱的分光光度计，包括一光源，在该光源输出的主光路上，依次有：由第二半透半反镜5、样品台6、第一反射镜7、第二反射镜8和第三半透半反镜9组成的分光光度系统，色轮10，第三反射镜11，凹面反射镜12，衍射光栅13，狭缝3和接收系统，该接收系统的输出端接一数据处理及控制器，该数据处理及控制器有软件控制第二半透半反镜5和第三半透半反镜9同步工作并进行数据处理，其特征在于：

所述的光源由一宽光谱卤钨灯1-1、一氘灯1-2和在光源输出光路的切换式第一半透半反镜2构成，该切换式第一半透半反镜2的旋转轴与主光路成45°，所述的宽光谱卤钨灯1-1的光轴位于主光路上，所述的氘灯1-2的光轴与该切换式第一半透半反镜2的旋转轴平行；

所述的狭缝3位于所述的光源和第二半透半反镜5之间，在所述的狭缝3和第二半透半反镜5之间还有一准直组合透镜4；

所述的凹面反射镜12和所述的接收系统之间还有一会聚透镜14；

所述的接收系统是一列阵CCD15。

所述的宽光谱卤钨灯1-1作可见以及近红外的光源，其波长范围为350nm-3200nm，所述的氘灯1-2作紫外光源，其波长范围为170-350nm。

所述的切换式第一半透半反镜2是一个圆形的反射镜，如图2所示，其中一半圆是镀了一层铝的反射镜，另一半圆是掏空的空白部分，光束可以直接通过。

所述的色轮10有10个滤光片组合而成，如图3所示，每个滤光片用来对入射光特定波长范围的光做初步过滤，使某一波段的光透过，而其他波段的光则被反射过滤出去。

所述的衍射光栅13只能旋转并处于一些特定的角度，每个角度与色轮10的每个滤光片相对应，使每个滤光片中心波长光束在会聚透镜14的视场角为0°。

所述的数据处理及控制器是一台计算机16，用来控制整个分光光度计，并作数据处理，显示或打印出测试样品的光谱。

所述的光源包括宽光谱卤钨灯1-1和氘灯1-2之间的转换通过一切换式第一半透半反镜2来切换。当测量光谱需要氘灯1-2作光源时，旋转该第一半透半反镜2，使氘灯1-2发出的光入射到该第一半透半反镜2的反射部分反射到测量光路上去，而宽光谱卤钨灯1-1发出的光则被挡住，不能进入测量光路；当测量光谱需要宽光谱卤钨灯1-1发出的光时，将该第一半透半反镜2绕其轴旋转180°，正好使宽光谱卤钨灯1-1发出的光通过该第一半透半反镜2中的空白部分而直接进入到测量光路，同时氘灯1-2发出的光也直接通过该第一半透半反镜2中的空白部分，而射离测量光路，对测量不会造成影响。这样就可以根据测量光谱的需要，旋转所述的第一半透半反镜2来选择不同的光源。

所述的狭缝3用来挡住光源发出的一部分光，使只有通过狭缝的光才能进入仪器的光路。所述的准直系统4是一个准直组合透镜，用来使通过狭缝3的发散光通过该准直系统后得到较平行的平行光。

所述的分光光度系统由第二半透半反镜5、第一反射镜7、第二反射镜8、第三半透半反反镜9构成，其中第一反射镜7和第二反射镜8是一般的平板反射镜，用来改变光束的传播方向；第二半透半反镜5和第三半透半反反镜9是和第一半透半反镜2结构相同，请参阅图1，所述的第二半透半反镜5用来将一束光分成两束，其中一束作为样品的测试光束，用来测试样品，另外一束作为参考光束。第三半透半反反镜9用来将两束光合成一束，通过电脑控制，第二半透半反镜5和第三半透半反反镜9同步旋转，也就是它们同时提供反射或者透射的功能，并且在处理数据的时候加以区分，就可以同时得到两束光路的能量。

所述的衍射光栅13是用来对入射到它表面的光束做精确的波长分离，使不同波长的入射光按照不同的角度衍射出去，与传统的分光光度计不同，本发明的衍射光栅只旋转一些特定的角度，每个角度与所述的色轮10的每个滤光片相对应，使每个滤光片的中心波长光束在会聚透镜14的场角为0°。

所述的会聚透镜14为一个石英柱面镜，主要用来将入射到它表面的平行光会聚到后面的CCD15上，如图4所示。

所述的CCD15用来接受通过会聚透镜14后的光束，由于不同波长的光通过衍射光栅后13反射出来的角度稍有不同，这样，通过会聚透镜14聚焦在CCD15上的光斑位置也不同，通过采集CCD15阵列不同位置的能量，我们就可以得到不同波长光的信息。CCD15每次采集的光谱范围与色轮10的每个滤光片相对应，即CCD15每采集一次数据可以得到与色轮10相对应的滤光片光谱范围相对应的光谱曲线。

本发明装置的工作情况如下：

测量透过率时，在样品台6上先不放入样品，对装置进行校零：根据样品要测量的波长范围通过旋转第一半透半反镜2选择宽光谱卤钨灯1-1或者氘灯1-2作为光源，然后使光源发出的光束通过狭缝3以及准直组合透镜4将光变成准直平行光，然后通过第二半透半反镜5，该第二半透半反镜5的快速旋转，将输入光束分成两个光束，一束为反射光束，另一束为透射光束，反射光束经第二反射镜8作为参考光束，透射光束经过样品台6和第一反射镜7作为测量光束，反射光束和透射光束走过的光程基本相同，然后通过第三半透半反镜9再将它们组合成一束光，然后该光束入射到色轮10上，根据测量光谱的需要旋转色轮10选择不同的滤光片进行过滤，然后通过第三反射镜11和凹面反射镜12，光束入射到衍射光栅13上经衍射到所述的凹面反射镜12上，反射后，该衍射光束经会聚透镜14聚焦在CCD15上，其中衍射光栅13的旋转角度都是设定好的，使色轮10正在工作的滤光片中心波长的光在会聚透镜14的场角为0°。由于不同波长的光在衍射光栅13的衍射角不一样，通过同一块滤光片的不同波长的光在会聚透镜14的视场角就不一样，这样，不同波长的光就会汇聚在CCD15不同的探测元上，CCD15上不同位置的光强信息就对应着当前滤光片不同波长的透过率信息：T(λ₁)，T(λ₂)，T(λ₃)，......，T(λ_N)，同样，通过改变滤光片我们就可以得到所要测量的波长范围的透过率信息T(λ_start)，，......，T(λ_end)。校零完毕。

校零完毕后我们在样品台6上放入样品，用同样的方法进行测量，也可以得到一组透过率的信息(T’(λ_start)，，......，T’(λ_end))。最后将所获得的两次测量的两个数组一一相除，就可以得到样品的透过率光谱，即样品的透过率t(λ_i)＝T’(λ_i)/T(λ_i)，其中λ_i的范围为λ_start到λ_end。

测量吸收的方法和测量透过率一样，只不过是用公式 $A=\lg \frac{1}{t}$ (A为样品的吸收，t为样品的透过率)进行一次换算，就可以得到样品的吸收率。

测量反射时，也是用同样的方法，只不过要换一个样品台，如图5所示，校零时，先在样品台6上放上一个已知反射率数组为R(λ_i)的反射镜(6-3)，校零后得到一个测量光束与参考光束在全部要测波长范围的能量比值的谱线，校零后，在原来反射镜(6-3)处放上待测的样品，用测量透射率相同的方法就可以得到待测样品的反射率数组Rs(λ_i)，最后样品的反射率光谱r(λ_i)＝Rs(λ_i)*R(λ_i)，其中λ_i的范围为λ_start到λ_end。

Claims (5)

1.一种快速测量光谱的分光光度计，包括一光源，在该光源输出的主光路上，依次是由第二半透半反镜(5)、样品台(6)、第一反射镜(7)、第二反射镜(8)和第三半透半反镜(9)组成的分光光度系统，色轮(10)，第三反射镜(11)，凹面反射镜(12)，衍射光栅(13)和接收系统，该接收系统的输出端接一数据处理及控制器，其特征在于：

所述的光源由一宽光谱卤钨灯(1-1)、一氘灯(1-2)和在光源输出光路的切换式第一半透半反镜(2)构成，该切换式第一半透半反镜(2)的旋转轴与主光路成45°，所述的宽光谱卤钨灯(1-1)的光轴位于主光路上，所述的氘灯(1-2)的光轴与该切换式第一半透半反镜(2)的旋转轴平行；

一狭缝(3)位于所述的光源和第二半透半反镜(5)之间，在所述的狭缝(3)和第二半透半反镜(5)之间还有一准直组合透镜(4)；

所述的凹面反射镜(12)和所述的接收系统之间还有一会聚透镜(14)；

所述的接收系统是一列阵CCD(15)；

所述的数据处理及控制器是一台计算机(16)，可自动控制本分光光度计各部件协同工作并进行数据处理。

2.根据权利要求1所述的快速测量光谱的分光光度计，其特征在于所述的宽光谱卤钨灯(1-1)作可见以及近红外的光源，其波长范围为350nm-3200nm，氘灯(1-2)作紫外光源，其波长范围为170-350nm。

3.根据权利要求1所述的快速测量光谱的分光光度计，其特征在于所述的切换式第一半透半反镜(2)是一个圆形的反射镜，其中一半圆是镀了一层铝的反射镜，另一半圆是掏空的空白部分，光束可以直接通过。

4、根据权利要求1所述的快速测量光谱的分光光度计，其特征在于所述的色轮(10)是10个滤光片的组合，每个滤光片用来对入射光特定波长范围的光做初步过滤，使某一波段的光透过，而其他波段的光则被反射过滤出去。

5.根据权利要求4所述的快速测量光谱的分光光度计，其特征在于所述的衍射光栅(13)只能旋转一些特定的角度，每个角度与色轮(10)的每个滤光片相对应，使每个滤光片中心波长光束在会聚透镜(14)的视场角为0°。

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