CN101298902A

CN101298902A - 便携式近红外光源装置

Info

Publication number: CN101298902A
Application number: CNA2008100508526A
Authority: CN
Inventors: 凌振宝; 陈健; 窦福印; 陈鹏飞; 项洪元; 赵晨光; 王智宏; 王君
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2008-11-05

Abstract

本发明涉及一种光源装置，尤其是适用于近红外光谱分析仪的便携式高稳定度的光源。控制电路接收光电检测的信号产生控制信号，控制电路经驱动模块驱动光路系统，经光纤接口输出近红外光。光路系统的内腔底面为椭圆反光面或抛物反光面，椭圆反光面或抛物反光面的顶点装有卤钨灯，上部设有出光孔，在出光孔的外部端设有光纤接口，把产生的光投到所需的仪器。闭环系统的设计提高了光源的稳定性，提高了抗干扰能力，减小了电源电压的波动、电磁干扰、电路元件的老化的影响；采用铝作为外壳材料，利于散热；简单的光路设计结构紧凑、牢固；整体设计使装置携带方便，既适合于实验室用，也非常适合于野外实验用。

Description

便携式近红外光源装置

技术领域

本发明涉及一种光源装置，尤其是适用于近红外光谱分析仪的便携式高稳定度的光源。

背景技术

近红外光谱分析技术是一种快速、无损、多组分同时检测的绿色分析技术，近年来得到了完善和更多领域应用的推广。近红外光谱仪也得到快速的发展，并沿着稳定、便携的方向发展。仪器要求高稳定的近红外光源：不仅要求强度大，而且对稳定性、均匀性有所要求。目前能发出近红外光并且比较稳定的是发光二极管和激光发光二极管，它们的特点是效率高、稳定性高、使用寿命长，但是由于其带宽很窄，很难用它们实现连续的光谱仪的光源。与它们相比，卤钨灯具有价格相对较低，稳定性好，并且光谱的均匀性好。因此，目前大部分的近红外光谱仪用的光源都是卤钨灯。

CN00208512.7公开的乳腺诊断仪中的近红外光源装置，其最大的特点是采用了椭圆型反光面，并且采用光纤输出，但这种光源其输出的稳定性较差，不适合于做近红外光谱仪的光源。CN00208601.8公开的手术记录仪的近红外光源装置，其光路采用了凹凸透镜和滤光片，能产生近红外光源，与上面一种专利一样，其光功率稳定性较差。对于光源光功率的控制，目前普遍采用“恒流源+温控”方案，通过精密恒流源提供电流，同时用制冷器进行温控，从而稳定光源输出光功率，但由于影响光强稳定的因素有光源电压或电流的波动、电路元件的老化、外界杂光、环境温度以及光源自身老化等，所以该方案控制精度低、响应速度慢、灵活性差、长期稳定性差。传统的光控模式是开环控制模式，这种控制模式有以下难以解决的问题：首先，没有自动修正偏差的能力，光功率随时间的变化而变化；抗干扰能力差，电源电压的波动、电磁干扰、电路元件的老化对其输出都会产生影响。CN200610080859.3提出了闭环控制采用全光纤结构的稳定光源光功率输出装置，专利中提到采用PIN探测器检测信号，经过模数转换，数据交于DSP(digital signal processing，数字信号处理)器处理，然后将处理后的数据传给D/A(digital convert signal to analog signal，数模转换)，最后控制电流驱动器。但是其控制的是LD(laser diode，激光二极管)光源或者ASE(Adaptive Server Enterprise，放大自发辐射)光源，发出的是一个固定的波长，不适合于光谱仪器用，并且其控制方式是电流型控制，不适合于卤钨灯的控制，该专利中也未提到光学系统的设计，如果盲目的将系统的SLD光源换成卤钨灯，由于缺少聚光部分，会造成光能的浪费。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种便携式近红外光源装置，尤其是一种适用于近红外光谱分析仪的稳定光源。为近红外光谱仪提供一个稳定、均匀的大功率光源，以便提高近红外光谱仪的稳定性和重复性。

本发明解决其技术问题采用以下的方案：

控制电路3由电源接口2供电，控制电路3接收光电检测7的信号产生控制信号，控制电路3经驱动模块4驱动光路系统5中的卤钨灯10，经光纤接口6输出近红外光。

光路系统5的外壳12是由金属构成的似瓶状，内腔底面为椭圆反光面8或抛物反光面14，椭圆反光面8或抛物反光面14的焦点装有卤钨灯10，内腔底面设计为抛物反光面14的，在距抛物反光面14的三分之二处设有凸透镜16，似瓶状外壳12的上部设有出光孔11，在出光孔11的外部端设有光纤接口9；凸透镜16与外壳12的内壁垂直。出光孔11与SMA905光纤连接器相接，光纤接口6与光纤相连，把产生的光投到所需的仪器。

有益效果：闭环系统的设计提高了光源的稳定性，提高了抗干扰能力，减小了电源电压的波动、电磁干扰、电路元件的老化的影响；采用铝作为外壳材料，利于散热；简单的光路设计结构紧凑、牢固；整体设计使装置携带方便，既适合于实验室用，也非常适合于野外实验用。

附图说明

图1是便携式近红外光源的整体框图。

图2是光路系统5椭圆反光面8结构图。

图3是光路系统5抛物反光面14结构图。

图4是控制电路中方案一的电路图。

图5是控制电路中方案二的电路图。

2电源接口，3控制模块，4驱动模块，5光路系统，6光纤接口，7光电检测，8椭圆反光面，9光纤接口，10卤钨灯，11出光口，12外壳，14抛物反光面，16凸透镜。

具体实施方式

电源接口2是标准的电源接头，用于与标准的欧洲电源相连，也可以与蓄电池通过电源线相连。控制电路3由电源接口2供电，接收光电检测7的信号，通过内部的电路，产生控制信号。驱动模块4是光源的功率驱动模块，其控制信号来源于控制模块3。光路系统5中包括发光源和聚焦光路，发光源所需的功率电源来源于驱动模块4，并且所发出的光未经过聚焦就照在光电检测7，发光源是卤钨灯10。最后由光纤接口6输出稳定的光。故控制电路3、驱动模块4、光路系统5、光电检测7构成了一个闭环系统。控制电路3和驱动模块4有两种不同组合方案，一种是采用模拟电子元件构成的反馈环，一种是用DSP实现的数字式反馈环。下面对两种技术方案分别进行说明：

(1)、模拟电子元件构成的反馈环电路中U1放在还没有聚焦的光源前面(也就是反光镜的前面)，OPT101的正面与光线垂直。具体的电路连接如下：U1的11脚与12脚、Q1的1脚接电源接口2的一端，即电源端；U1的7脚、U0的3、8脚、U3的4脚、U2接地；R1的一端连U1的6脚，另一端连U1的5脚；R2的一端连U1的5脚，另一端接地；U1的2，10，3脚连在一起，并与R3的一端相连，R3的另一端与U1的4脚相连；R4的两端分别与U1的4脚和地连接；R5的两端分别与U2的5、6脚连接；R7的两端分别与Q1的3脚和U2的4脚连接；R8的一端与U2的4脚和地分别连接；R20的两端分别与U0的5脚和U3的2脚相连；R21的两端分别与U3的2脚、6脚相连；C1的一端与U1的4脚相连，另一端与U1的13脚相连；C2的两端分别与U2的4、13脚相连；C3的两端分别与U0的2、5脚以及R9的两端连在一起；U0的一脚、U2的11、12脚与U0的10脚连在一起；Q1的2脚分别与U2的2、3、10脚连在一起。这种方案的功率输出端为Q1的3脚，用于驱动光路系统5的卤钨灯。Q1通过绝缘片与铝外壳固定在一起。

(2)、用DSP实现的数字式闭环反馈环电路中，OPT101所放的位置和方向与方案一一样。具体的电路连接如下：U8和U9的3脚、Q2的1脚与电源端相连；U8和U9的1脚、U5的3和8脚、U6的4脚、U7的28、49、85、128、3、41、66、76、95、125、140、117、114脚与地相连；U8的2脚与U5的1脚、U6的7脚连在一起；U9的2脚与U7的29、50、86、129、4、42、67、77、95、141、115、116连在一起；R9的两端分别与C3的两端、U5的2和5脚相连；R10的两端分别与U6的3脚和地相连；R11的两端分别与U8的2脚相连；R12的两端分别与U9的2脚和U7的133脚相连；R20的两端分别与U5的5脚和U6的2脚相连；R21的两端分别与U6的2脚、6脚相连；U5的6脚与U7的112脚相连；C4的两端分别与地和U7的133脚相连；Q2的2脚与U7的56脚相连，Q2的3脚与D1的负端和L1的一端相连；L1的另一端和C10的正极相连；U7的123脚与Y1、C5的一端相连，U7的124与C6的一端和Y1的另一端相连，C5、C6的另一端接地。U7的软件采用增量式数字PID。这种方案的功率输出端为Q2的3脚。Q1通过绝缘片与铝外壳固定在一起。

实施例一：

如图2所示，结构如下所示：采用椭圆反光镜，外壳12由铝构成，内部打滑光滑，左边打滑成椭圆面，左端作为椭圆反光面8，右端打滑成锥形；卤钨灯10的灯丝置于椭圆反光面8的一个焦点上，另一个焦点置于出光孔11的内部端，出光孔11的外部端与SMA905光纤连接器相接，光纤接口6与光纤相连，把产生的光投到所需的仪器。将卤钨灯的灯丝近似看成点光源，由于在椭圆反光面8的焦点，故发出的光经过外壳12的内腔的反射后照在椭圆的另一个焦点上。

如图4所示，工作原理是U1把光路系统5的LAMP的光信号转换成电压信号，然后通过U3的反相比例放大，改变U2的反相比较端的电压，从而使Q1的输出电压得到改变，即达到闭环控制的目的。模拟电子元件构成的反馈环电路中U1放在还没有聚焦的光源前面，也就是反光镜的前面，OPT101的正面与光线垂直。具体的电路连接如下：U1的11脚与12脚、Q1的1脚接电源接口2的一端，即电源端；U1的7脚、U0的3、8脚、U3的4脚、U2接地；R1的一端连U1的6脚，另一端连U1的5脚；R2的一端连U1的5脚，另一端接地；U1的2，10，3脚连在一起，并与R3的一端相连，R3的另一端与U1的4脚相连；R4的两端分别与U1的4脚和地连接；R5的两端分别与U2的5、6脚连接；R7的两端分别与Q1的3脚和U2的4脚连接；R8的一端与U2的4脚和地分别连接；R20的两端分别与U0的5脚和U3的2脚相连；R21的两端分别与U3的2脚、6脚相连；C1的一端与U1的4脚相连，另一端与U1的13脚相连；C2的两端分别与U2的4、13脚相连；C3的两端分别与U0的2、5脚以及R9的两端连在一起；U0的一脚、U2的11、12脚与U0的10脚连在一起；Q1的2脚分别与U2的2、3、10脚连在一起。这种方案的功率输出端为Q1的3脚，用于驱动光路系统5的卤钨灯；Q1通过绝缘片与铝外壳固定在一起，便于散热。

实施例二：

如图3所示，结构如下所示：采用抛物面反光镜，外壳15由铝构成，内部打滑光滑，左端打滑成抛物面，作为抛物反光面14，右端打滑成锥形。卤钨灯13的灯丝置于抛物反光面14的一个焦点上，凸透镜16置于光路系统5的内腔，并与外壳15的内壁垂直；出光孔11的外部端与SMA905光纤连接器相接，光纤接口6与光纤相连，把产生的光投到所需的仪器。光路是处于抛物面焦点的卤钨灯13发出的光，经过抛物面反光面14的作用，由点光源变成平行光源，透过凸透镜16后成像，又聚集在出光孔11的内部端。如图3所示，近红外光源1由电源接口2、控制电路3、驱动模块4、光路系统5、光纤接口6、光电检测7组成。电源接口2是标准的电源接头，用于与标准的欧洲电源相连，也可以与蓄电池通过电源线相连，放置在电路板的边缘，外壳留一对应接头的小孔，这样便于给装置供电。控制电路3将电源接口2的电压转换成多需要的电压给控制电路3供电，接收光电检测7的信号，通过内部的硬件和软件作用，产生控制信号，控制光功率驱动模块4，光路系统5中包括发光源和聚焦光路，发光源所需的功率电源来源于驱动模块4，并且所发出的光未经过聚焦就直照在光电检测7，其发光源是卤钨灯，发出的光谱均匀，光源的寿命也长。最后由光纤接口6输出稳定的光。故控制电路3、驱动模块4、光路系统5、光电检测7构成了一个闭环系统，通过将检测信号与预置信号的比较，产生偏差信号，并将该偏差信号作用于发光源，使光源稳定工作在设置的功率工作点上。

如图5所示，工作原理是U5把光路系统5的LAMP的光信号转换成电压信号，然后通过U7内部的A/D转换成数字信号，再通过U7的内部增量式PID算法，产生误差信号，控制U7的PWM输出的占空比，从而改变了Q2的输出电压，即达到闭环控制的目的。用DSP实现的数字式闭环反馈环电路中，OPT101所放的位置和方向与方案一一样。具体的电路连接如下：U8和U9的3脚、Q2的1脚与电源端相连；U8和U9的1脚、U5的3和8脚、U6的4脚、U7的28、49、85、128、3、41、66、76、95、125、140、117、114脚与地相连；U8的2脚与U5的1脚、U6的7脚连在一起；U9的2脚与U7的29、50、86、129、4、42、67、77、95、141、115、116连在一起；R9的两端分别与C3的两端、U5的2和5脚相连；R10的两端分别与U6的3脚和地相连；R11的两端分别与U8的2脚相连；R12的两端分别与U9的2脚和U7的133脚相连；R20的两端分别与U5的5脚和U6的2脚相连；R21的两端分别与U6的2脚、6脚相连；U5的6脚与U7的112脚相连；C4的两端分别与地和U7的133脚相连；Q2的2脚与U7的56脚相连，Q2的3脚与D1的负端和L1的一端相连；L1的另一端和C10的正极相连；U7的123脚与Y1、C5的一端相连，U7的124与C6的一端和Y1的另一端相连，C5、C6的另一端接地；Q1通过绝缘片与铝外壳固定在一起，便于散热。

Claims

1、一种便携式近红外光源装置，其特征在于：控制电路(3)由电源接口(2)供电，控制电路(3)接收光电检测(7)的信号产生控制信号，控制电路(3)经驱动模块(4)驱动光路系统(5)中的卤钨灯(10)，经光纤接口(6)输出近红外光。

2、按照权利要求1所述的便携式近红外光源装置，其特征在于：光路系统(5)的外壳(12)是由金属构成的似瓶状，内腔底面为椭圆反光面(8)或抛物反光面(14)，椭圆反光面(8)或抛物反光面(14)的焦点装有卤钨灯(10)，内腔底面设计为抛物反光面(14)的，在距抛物反光面(14)的三分之二处设有凸透镜(16)，似瓶状外壳(12)的上部设有出光孔(11)，在出光孔(11)的外部端设有光纤接口(9)。

3、按照权利要求2所述的便携式近红外光源装置，其特征在于：凸透镜(16)与外壳(12)的内壁垂直。