CN101793554B - 多功能可重构光源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多功能可重构光源装置。包括光源准直模块、取样模块、聚焦调制模块，三个分立模块通过连接凸台和连接卡槽相连构成，或其任意组合组装成具有不同用途的光源装置。光源准直模块将紫外、可见或红外等不同波段的连续和定点波长的光线变为平行光，聚焦调制模块将平行光聚焦于光源出光口，取样模块将透射样品置于光路中，获取样品信息的光信号。本发明通用与专用性兼具，选用不同的模块可组装成针对紫外、可见、红外等不同波段和滤光片、光栅分光等不同类型的光谱仪专用光源，集多功能于一体，除了具备光谱仪器光源的功能外，还可实现光谱仪器光线调制、分光、采样等功能。解决了现有光谱仪用途单一的问题，降低了成本，提高了效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种光源装置，尤其适用于光谱仪器的可重构光源装置。
背景技术
光谱仪器作为一种常用的分析仪器，应用范围广泛。
光谱仪器由光源、单色仪、探测器、取样器、采集和控制、电源等几个部分组成。其中光源系统是为光谱仪器提供所需波段的光线。而光谱仪种类繁多，按波段分，有紫外、可见、近红外、中红外等；按分光器件可分为：滤光片、光栅分光、傅立叶变换和声光可调4种类型。不同类型的光谱仪对光源的要求也不尽相同，因此目前光谱仪所用的光源系统均为仪器专用，功能单一，不具有通用性。这样增加了光谱仪器产品的设计和加工成本，也制约了光谱仪器产业的发展。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种集光源、取样、切光、分光等多功能于一体，通用与专用性兼具，适用于不同类型光谱仪的多功能可重构光源系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
光源准直模块是将氘灯/氙灯、卤钨灯、LED等提供紫外、可见或红外等不同波段的连续和定点波长的光线变为平行于准直透镜光轴的平行光；聚焦调制模块将光源准直模块射出，或经样品透射后的平行光聚焦于多功能可重构光源系统的出光口，其中调制器有两组可选配件：一组为直流电机和调制盘组成的切光器，一组为步进电机与滤光盘、定位器组成的滤光器，其中位于外壳上的聚焦透镜焦点处的出光接口有两个可选配件：出射狭缝和光纤接口，分别作为光谱仪器分光系统入射狭缝和光纤取样器的接口；取样模块将光谱仪器测量的透射样品置于光路中，使多功能可重构光源系统为光谱仪器提供带有样品信息的光信号。
多功能可重构光源装置，包括光源准直1、取样模块2、聚焦调制模块3，三个分立模块通过连接凸台22和连接卡槽20相连构成，或其任意组合组装成具有不同用途的光源装置。
本发明的目的还可以通过以下技术方案实现：
光源准直模块1是由外壳10内底面装有可调支架11和12，可调支架11上端装有灯9，可调支架12上端装有准直透镜8，在外壳10的侧面中间设有灯电源接口21，外壳10由四块侧壁板和一块前壁板组成，其组装后开口的一端设有与其它模块外壳连接的卡槽20构成。
取样模块2是由外壳13内底部中间装有样品池固定底座14，样品池固定底 座14的上部装有样品池7，外壳13在样品池7一侧的侧壁上设有样品窗23，样品窗23与样品池7之间装有挡块25，样品窗23上设有盖板24，外壳13由四块侧壁板组成，其组装后开口的两端分别设有与其它模块连接的连接凸台22和连接卡槽20构成。
聚焦调制模块3是由外壳17内底面固定装有可调支架15和16，可调支架15的上部装有聚焦透镜6，可调支架16上部一侧装有直流电机或步进电动机5和调制盘或滤光盘4，外壳17后壁设有出射狭缝18和光纤接口或探测接口19，外壳17侧壁上部设有电机电源接口26，外壳17由四块侧壁板和一块后壁板组成，其组装后开口的一端设有与其它模块外壳连接的凸台22构成。
准直透镜8与聚焦透镜6的光轴共线，灯9的中心、出射狭缝18中心、调制盘或滤光盘4转至调制位置时其上通光孔27的中心、样品池7的通光位置中心位于同一光轴上。
滤光盘4上设有均匀分布的通光孔27和定位器28，通光孔27内分别安装所需波长的窄带滤光片，滤光片的个数取决于光谱仪所需的单点波长数。
调制盘4上设有均匀分布的扇形通光孔27，孔的个数n取决于光谱仪传感器的接收频率f(Hz)和直流电机的转速N转/分钟，即：n＝60f/N。
有益效果：本发明通用与专用性兼具，选用不同的模块可组装成针对紫外、可见、红外等不同种类和滤光片、光栅分光等不同类型的光谱仪专用光源系统，集多功能于一体，除了具备光谱仪器光源系统的功能外，还可实现光谱仪器光线调制、分光、采样等功能。解决了现有光谱仪用途单一的问题，降低了成本，提高了效率。
附图说明；
附图1多功能可重构光源系统总体结构剖视图
附图2光源准直模块1结构正面剖视图
附图3光源准直模块1结构右视图
附图4取样模块2结构后面剖视图
附图5取样模块2结构剖视图
附图6聚焦调制模块3结构正面剖视图
附图7聚焦调制模块3结构左视图
1光源准直模块，2取样模块，3聚焦调制模块，4滤光盘或调制盘，5直流电机或步进电动机，6聚焦透镜，7样品池，8准直透镜，9灯，10光源准直模块外壳，11可调灯架，12准直透镜支架，13取样模块外壳，14样品池固定底座，15聚焦透镜支架，16调制器支架，17聚焦调制模块外壳，18出射狭缝，19光纤接口或探测接口，20连接卡槽，21灯电源接口，22连接凸台，23样品窗，24盖板，25挡块，26电机电源接口，27通光孔，28定位器
具体实施方式：
下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：
光源准直模块是将氘灯/氙灯、卤钨灯、LED等提供紫外、可见或红外等不同波段的连续和定点波长的光线变为平行于准直透镜光轴的平行光；聚焦调制模块将光源准直模块射出，或经样品透射后的平行光聚焦于多功能可重构光源系统的出光口，其中调制器有两组可选配件：一组为直流电机和调制盘组成的切光器，一组为步进电机与滤光盘、定位器组成的滤光器，其中位于外壳上的聚焦透镜焦点处的出光接口有两个可选配件：出射狭缝和光纤接口，分别作为光谱仪器分光系统入射狭缝和光纤取样器的接口；取样模块将光谱仪器测量的透射样品置于光路中，使多功能可重构光源系统为光谱仪器提供带有样品信息的光信号。
模块制作：
光源准直模块1，通过外壳10的连接卡槽20和凸台22相互连接并用螺钉固定制成光源准直模块1的框架，在外壳10的侧壁中间装有灯电源接口21，将可调支架11和12固定在外壳10的内底面上，可调支架11和12的距离根据准直透镜8的焦距确定，在可调支架11上端装灯9，在可调支架12上端装有准直透镜8，构成了光源准直模块1。
取样模块2，通过外壳13的连接卡槽20和凸台22相互连接并用螺钉固定制成取样模块2的框架，样品池固定底座14固定在外壳13的内底面上，样品池固定底座14上部装有样品池7，并用挡块25将其固定，其通光位置中心处于光轴上，外壳13侧面设有样品窗23，样品窗23上设有盖板24，防止杂散光进入光路，样品窗23的形状为T形，样品窗23的宽度略大于样品池7的透射长度，其T形的上部宽度大于样品池挡板25的长度、而下部宽度小于25的长度。外壳13的四壁两侧边缘处分别设有用于模块间连接的连接凸台22和连接卡槽20。
聚焦调制模块3，通过外壳17的连接卡槽20和凸台22相互连接并用螺钉固定制成取样模块3的框架，聚焦透镜支架15和调制器支架16固定在外壳17的内底面上，聚焦透镜支架15固定在外壳17的位置根据聚焦透镜6的焦距确定，调制器支架的固定位置要保证调制盘或滤光盘4接近出射狭缝18。聚焦透镜6装在聚焦透镜支架15上，聚焦透镜支架15和调制器支架16均为可调支架，直流电机或步进电动机5装在调制器支架16上，如聚焦调制模块3采用调制盘的，在调制器支架16上装直流电机5，如聚焦调制模块3采用滤光盘的，在调制器支架16上装步进电动机，聚焦透镜6的焦点位于外壳17后壁的出射狭缝18的中心，在出射狭缝18的外侧装有光纤接口或探测接口19，滤光盘4设有定位器28和通光孔27，滤光盘4的通光孔27内安有窄带滤光片，直流电机或步进电动机5的轴与光轴平行，滤光盘或调制盘4的通光孔27转至调制位置时，其中心在光轴上。外壳17的后板上设有电源接口26通过导线与直流电机或步进电动机 5连接。调制盘(4)上设有通光孔(27)为扇形通光孔，孔的个数n取决于光谱仪传感器的接收频率f(Hz)和直流电机的转速N转/分钟，即：n＝60f/N。
各模块安装时通过调整各可调支架11、12、15、16和14样品池固定底座的高度，保证准直透镜8和聚焦透镜6的光轴共线，使灯9的中心、出射狭缝18中心以及滤光盘或调制盘4上通光孔27的中心、样品池7通光位置中心位于同一光轴上。
选用不同模块组合，可组成多种类型光源装置。
实施例1
扫描型透射光谱仪光源
光源准直模块1通过外壳10的连接卡槽20和连接凸台22相互连接并用螺钉固定制成光源准直模块1的框架，在外壳10的侧壁中间装有灯电源接口21，将可调支架11和12固定在外壳10的内底面上，可调支架11和12的距离根据准直透镜8的焦距确定，在可调支架11上端装有氘灯/氙灯或卤钨灯9，在可调支架12上端装有准直透镜8，构成了光源准直模块1。外壳10四壁外侧的连接卡槽20取样模块2的外壳13的四壁一侧边缘处设有用于模块间连接的连接凸台22连接，取样模块2通过外壳13的连接卡槽20和凸台22相互连接并用螺钉固定制成取样模块2的框架，样品池固定底座14固定在外壳13的内底面上，样品池固定底座14上部装有样品池7，并用挡块25将其固定，其通光位置中心处于光轴上，外壳13侧面设有样品窗23，样品窗23上设有盖板24，防止杂散光进入光路。外壳13的连接卡槽20和连接凸台22分别与外壳17的连接凸台22和10的连接卡槽20连接，聚焦调制模块3通过外壳17的连接卡槽20和凸台22相互连接并用螺钉固定制成取样模块3的框架，聚焦透镜支架15和调制器支架16固定在外壳17的内底面上，聚焦透镜支架15固定在外壳17的位置根据聚焦透镜6的焦距确定，调制器支架的固定位置要保证调制盘4接近出射狭缝18，聚焦透镜6装在聚焦透镜支架15上，聚焦透镜支架15和调制器支架16均为可调支架，直流电机5装在调制器支架16上，当接收频率f＝600Hz时，调制盘4设计15个齿，直流电机5的转速为2400转/分，调制盘4和直流电机5的轴应与聚焦透镜6的光轴平行且通光孔27转至调制位置时其中心在光轴上，聚焦透镜6的焦点位于外壳17侧壁的出射狭缝18的中心，在出射狭缝18的外侧装有光纤接口19，外壳17的后板上设有电源接口26通过导线与直流电机5连接。
安装模块时通过调整可调支架11、12、15、16和样品池固定底座14的高度，保证准直透镜8和聚焦透镜6的光轴共线，使灯9的中心、出射狭缝18中心及处于调制位置的通光孔27的中心、样品池7通光位置中心位于同一光轴上。扫描型透射光谱仪出光口直接与光谱仪分光系统的入射狭缝对准并保证光路同 轴，也可选用光纤接口通过直连光纤与光谱仪分光系统相连。
实施例2
扫描型反射光谱仪光源
光源准直模块1，通过外壳10的连接卡槽20和凸台22相互连接并用螺钉固定制成光源准直模块1的框架，在外壳10的侧壁中间装有灯电源接口21，将可调支架11和12固定在外壳10的内底面上，可调支架11和12的距离根据准直透镜8的焦距确定，在可调支架11上端装有氘灯/氙灯或卤钨灯9，在可调支架12上端装有准直透镜8，构成了光源准直模块1。外壳10的连接卡槽四壁外侧的连接卡槽20与聚焦调制模块3的外壳17的连接凸台22连接，聚焦调制模块3通过外壳17的连接卡槽20和凸台22相互连接并用螺钉固定制成取样模块3的框架，聚焦透镜支架15和调制器支架16固定在外壳17的内底面上，聚焦透镜支架15固定在外壳17的位置根据聚焦透镜6的焦距确定，调制器支架的固定位置要保证调制盘或滤光盘4接近出射狭缝18。聚焦透镜6装在聚焦透镜支架15上，聚焦透镜支架15和调制器支架16均为可调支架，直流电机5装在调制器支架16上，当接收频率f＝600Hz时，调制盘4设计15个齿，直流电机5的转速为2400转/分调制盘4和直流电机5的轴应与聚焦透镜6的光轴平行且通光孔27转至调制位置时其中心在光轴上，聚焦透镜6的焦点位于外壳17侧壁的出射狭缝18的中心，在出射狭缝18的外侧装有光纤接口19。外壳17的后板上设有电源接口26通过导线与直流电机5连接。
安装模块时通过调整各可调支架11、12、15和16的高度，保证准直透镜8和聚焦透镜6的光轴共线，使灯9的中心、出射狭缝18中心及通光孔27的中心位于同一光轴上。
实施例3
阵列型光谱仪反射光源
光源准直模块1通过外壳10的连接卡槽20和凸台22相互连接并用螺钉固定制成光源准直模块1的框架，在外壳10的侧壁中间装有灯电源接口21，将可调支架11和12固定在外壳10的内底面上，可调支架11和12的距离根据准直透镜8的焦距确定，在可调支架11上端装有氘灯/氙灯或卤钨灯9，在可调支架12上端装有准直透镜8，构成了光源准直模块1。外壳10的连接卡槽四壁外侧的连接卡槽20与聚焦调制模块3的外壳17的连接凸台22连接，聚焦调制模块3通过外壳17的连接卡槽20和凸台22相互连接并用螺钉固定制成取样模块3的框架，聚焦透镜支架15固定在外壳17的内底面上，聚焦透镜支架15固定在外壳17的位置根据聚焦透镜6的焦距确定，聚焦透镜6装在聚焦透镜支架15，其焦点位于外壳17侧壁的出射狭缝18的中心，在出射狭缝18的外侧装有光纤 接口19。
安装模块时通过调整各可调支架11、12、15的高度，保证准直透镜8和聚焦透镜6的光轴共线，使灯9的中心、出射狭缝18中心位于同一光轴上。
实施例4
阵列型透射光谱仪光源——此系统具用光源和取样功能。
光源准直模块1通过外壳10的连接卡槽20和连接凸台22相互连接并用螺钉固定制成光源准直模块1的框架，在外壳10的侧壁中间装有灯电源接口21，将可调支架11和12固定在外壳10的内底面上，可调支架11和12的距离根据准直透镜8的焦距确定，在可调支架11上端装有氘灯/氙灯或卤钨灯9，在可调支架12上端装有准直透镜8，构成了光源准直模块1。外壳10四壁外侧的连接卡槽20与取样模块2的外壳13的四壁一侧边缘处设有用于模块间连接的连接凸台22连接，取样模块2通过外壳13的连接卡槽20和凸台22相互连接并用螺钉固定制成取样模块2的框架，样品池固定底座14固定在外壳13的内底面上，样品池固定底座14上部装有样品池7，并用挡块25将其固定，其通光位置中心处于光轴上，外壳13侧面设有样品窗23，样品窗23上设有盖板24，防止杂散光进入光路。外壳13的连接卡槽20和连接凸台22分别与外壳17的连接凸台22和外壳10的连接卡槽20连接，聚焦调制模块3通过外壳17的连接卡槽20和凸台22相互连接并用螺钉固定制成取样模块3的框架，聚焦透镜支架15固定在外壳17的内底面上，聚焦透镜支架15固定在外壳17的位置根据聚焦透镜6的焦距确定，聚焦透镜6装在聚焦透镜支架15，其焦点位于外壳17侧壁的出射狭缝18的中心，在出射狭缝18的外侧装有光纤接口19。
安装模块时通过调整可调支架11、12、样品池固定底座14和聚焦透镜支架15的高度，保证准直透镜8和聚焦透镜6的光轴共线，使灯9的中心、出射狭缝18中心及样品池7通光位置中心位于同一光轴上。
实施例5
滤光片型反射光谱仪光源——此系统具用光源和分光功能
光源准直模块1通过外壳10的连接卡槽20和凸台22相互连接并用螺钉固定制成光源准直模块1的框架，在外壳10的侧壁中间装有灯电源接口21，将可调支架11和12固定在外壳10的内底面上，可调支架11和12的距离根据准直透镜8的焦距确定，在可调支架11上端装有氘灯/氙灯或卤钨灯9，在可调支架12上端装有准直透镜8，构成了光源准直模块1。外壳10的连接卡槽四壁外侧的连接卡槽20与聚焦调制模块3的外壳17的连接凸台22连接，聚焦调制模块3通过外壳17的连接卡槽20和凸台22相互连接并用螺钉固定制成取样模块3 的框架，聚焦透镜支架15和滤光盘支架16固定在外壳17的内底面上，聚焦透镜支架15固定在外壳17的位置根据聚焦透镜6的焦距确定，滤光盘支架16的固定位置要保证滤光盘4接近出射狭缝18聚焦透镜6装在聚焦透镜支架15，聚焦透镜支架15和滤光盘支架16均为可调支架，步进电机5装在滤光盘支架16上，滤光盘4和直流电机5的轴应与聚焦透镜6的光轴平行且通光孔27转至调制位置时其中心在光轴上，聚焦透镜6的焦点位于外壳17侧壁的出射狭缝18的中心，在出射狭缝18的外侧装有探测接口19，滤光盘上设有定位器28，通光孔27均匀分布在滤光盘上，滤光盘4的通光孔27内安有光谱仪所需定点波长的窄带滤光片，滤光片的个数根据仪器要求确定：如光谱仪的只需要对几个特定波长点进行测量，则应选择对应波长的几片窄带滤光片，安装于调制盘上不同位置的孔27内。步进电动机5的轴与光轴平行，滤光盘的通光孔27转至调制位置时，其中心在光轴上。外壳17的后板上设有电源接口26通过导线与步进电动机5连接。
安装模块时通过调整各可调支架11、12、15和16的高度，保证准直透镜8和聚焦透镜6的光轴共线，使灯9的中心、出射狭缝18中心及通光孔27的中心位于同一光轴上。
实施例6
滤光片型透射光谱仪光源
光源准直模块1通过外壳10的连接卡槽20和凸台22相互连接并用螺钉固定制成光源准直模块1的框架，在外壳10的侧壁中间装有灯电源接口21，将可调支架11和12固定在外壳10的内底面上，可调支架11和12的距离根据准直透镜8的焦距确定，在可调支架11上端装有氘灯/氙灯或卤钨灯9，在可调支架12上端装有准直透镜8，构成了光源准直模块1。外壳10四壁外侧的连接卡槽20与取样模块2的外壳13的四壁一侧边缘处的连接凸台22连接，取样模块2通过外壳13的连接卡槽20和凸台22相互连接并用螺钉固定制成取样模块2的框架，样品池固定底座14固定在外壳13的内底面上，样品池固定底座14上部装有样品池7，并用挡块25将其固定，其通光位置中心处于光轴上，外壳13侧壁设有样品窗23，样品窗23上有盖板24，防止杂散光进入光路。外壳13的连接凸台22和连接卡槽20分别与外壳10外侧卡槽20和外壳17的连接凸台22相连接，聚焦调制模块3通过外壳17的连接卡槽20和凸台22相互连接并用螺钉固定制成取样模块3的框架，聚焦透镜支架15和滤光盘支架16固定在外壳17的内底面上，聚焦透镜支架15固定在外壳17的位置根据聚焦透镜6的焦距确定，滤光盘支架16的固定位置要保证滤光盘4接近出射狭缝18。聚焦透镜6装在聚焦透镜支架15，聚焦透镜支架15和滤光盘支架16均为可调支架，步进电机5 装在滤光盘架16上，滤光盘4和直流电机5的轴应与聚焦透镜6的光轴平行且通光孔27转至调制位置时其中心在光轴上，聚焦透镜6的焦点位于外壳17侧壁的出射狭缝18的中心，在出射狭缝18的外侧装有探测接口19，滤光盘上设有定位器28，通光孔27均匀分布在滤光盘上，滤光盘4的通光孔27内安有光谱仪所需定点波长的窄带滤光片，滤光片的个数根据仪器要求确定，如光谱仪只测量玉米蛋白质含量，应选波长分别为910nm和1020nm的2个片窄带滤光片；如光谱仪只测量玉米淀粉或水分含量，应选波长为990nm或1190nm的1个片窄带滤光片；如光谱仪测量玉米蛋白质、淀粉和水分含量，应选波长为910、990、1020和1190nm的四片窄带滤光片。安装于调制盘上不同位置通光孔27内。步进电动机5的轴与光轴平行，滤光盘的通光孔27转至调制位置时，其中心在光轴上。外壳17的后板上设有电源接口26通过导线与步进电动机5连接。
安装模块时通过调整各可调支架11、12、14、15和16的高度，保证准直透镜8和聚焦透镜6的光轴共线，使灯9的中心、出射狭缝18中心及通光孔27的中心位于同一光轴上。
Claims (4)
1.一种用于光谱仪器的多功能可重构光源装置，其特征在于，包括光源准直模块(1)、取样模块(2)、聚焦调制模块(3)三个分立模块通过连接凸台(22)和连接卡槽(20)相连构成；
光源准直模块(1)是由光源准直模块外壳(10)内底面装有可调灯架(11)和准直透镜支架(12)，可调灯架(11)上端装有灯(9)，准直透镜支架(12)上端装有准直透镜(8)，在光源准直模块外壳(10)的侧面中间设有灯电源接口(21)，光源准直模块外壳(10)由四块侧壁板和一块前壁板组成，其组装后开口的一端设有与其它模块外壳连接的卡槽(20)构成；
取样模块(2)是由取样模块外壳(13)内底部中间装有样品池固定底座(14)，样品池固定底座(14)的上部装有样品池(7)，取样模块外壳(13)在样品池(7)一侧的侧壁上设有样品窗(23)，样品窗(23)与样品池(7)之间装有挡块(25)，样品窗(23)上设有盖板(24)，取样模块外壳(13)由四块侧壁板组成，其组装后开口的两端分别设有与其它模块连接凸台(22)和连接卡槽(20)构成；
聚焦调制模块(3)是由聚焦调制模块外壳(17)内底面固定装有聚焦透镜支架(15)和调制器支架(16)，聚焦透镜支架(15)的上部装有聚焦透镜(6)，调制器支架(16)上部一侧装有直流电机或步进电动机(5)和调制盘或滤光盘(4)，聚焦调制模块外壳(17)后壁设有出射狭缝(18)和光纤接口或探测接口(19)，聚焦调制模块外壳(17)侧壁上部设有电机电源接口(26)，聚焦调制模块外壳(17)由四块侧壁板和一块后壁板组成，其组装后开口的一端设有与其它模块外壳连接凸台(22)构成。
2.按照权利要求1所述的多功能可重构光源装置，其特征在于，准直透镜(8)与聚焦透镜(6)的光轴共线，灯(9)的中心、出射狭缝(18)中心、调制盘或滤光盘(4)转至调制位置时其上通光孔(27)的中心、样品池(7)的通光位置中心位于同一光轴上。
3.按照权利要求1所述的多功能可重构光源装置，其特征在于，滤光盘(4)上设有均匀分布的通光孔(27)和定位器(28)，通光孔(27)内分别安装所需波长的窄带滤光片，滤光片的个数取决于光谱仪所需的单点波长数。
4.按照权利要求1所述的多功能可重构光源装置，其特征在于，调制盘(4)上设有通光孔(27)为扇形通光孔，孔的个数n取决于光谱仪传感器的接收频率f和直流电机的转速N转/分钟，即：n＝60f/N。
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