CN102057260A - 有模块式45/0头的分光光度计系统 - Google Patents

有模块式45/0头的分光光度计系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及有模块式45/0头的分光光度计系统。在一个实施例中，本发明是有模块式45/0头的分光光度计。用于测量样本反射率的设备的一个实施例包含：用于发射光的多个发光二极管；被定位在该多个发光二极管上方的反射外壳，这里该反射外壳是有围绕其周边形成的多个开孔的穹面；用于捕获光的第一部分的样本通道，这里该光的第一部分与样本相互作用；和用于捕获光的第二部分的参考通道，这里该光的第二部分是与样本无关的。

Description

有模块式45/0头的分光光度计系统
交叉参考相关申请
本申请要求于2008年6月9日递交的美国临时专利申请No.61/074,021的权益，本文引用该申请的整个内容以供参考。
技术领域
本发明一般涉及反射率测量领域，并且尤其涉及便携式分光光度计。
发明内容
在一个实施例中，本发明是有模块式45/0头的分光光度计。用于测量样本反射率的设备的一个实施例包含：用于发射光的多个发光二极管；被定位在该多个发光二极管上方的反射外壳，这里该反射外壳是有围绕其周边形成的多个开孔的穹面；用于捕获光的第一部分的样本通道，这里该光的第一部分与样本相互作用；和用于捕获光的第二部分的参考通道，这里该光的第二部分是与样本无关的。
附图说明
通过考虑下面结合附图的详细描述，本发明的教导是能够容易理解的，附图中：
图1是按照本发明的分光光度计一个实施例的两维侧面剖视图；
图2是图1的分光光度计的另一个两维侧面剖视图，其中的光泽检测器被完全示出；
图3是示出对反射外壳的示例性形状的测量结果的表；和
图4是曲线，示出反射外壳在径向剖面中的形状，这里X和Y是以毫米为单位。
具体实施方式
在一个实施例中，本发明是有模块式45/0头的分光光度计。该分光光度计有相对紧凑、轻便的尺寸且由于它的模块式本性而相对易于组装。
图1是按照本发明的分光光度计100的一个实施例的两维侧面剖视图。该分光光度计被构造成测量样本的反射率。该分光光度计100基本上是绕中央垂直轴A-A′对称的。如图所示，该分光光度计100包括光源102和与该光源102耦联的腔室104。在另一个实施例中，该分光光度计还包含耦联到该光源102的光泽检测器(gloss detector)106。该光泽检测器106被构造成测量样本把光反射进反射镜方向(specular direction)的能力。
光源102包括围绕环状底座110周边布置的多个发光二极管(LED)1081-108n(下文统称“LED 108”)。环状底座110的中央包括样本入口112，待测量反射率的样本被放置在样本入口112附近。在一个实施例中，该多个发光二极管108包含至少两种光谱类型的发光二极管。在一个实施例中，该光源102包括27个LED 108：9种光谱类型的LED(如带蓝色荧光的暖白色LED等等)每一种中有3个。在该实施例中，每一种光谱类型的3个LED按约120度的间隔围绕环状底座110定位(就是说，使3个LED的每一个与下一个分开约120度)。LED 108总起来基本上发射可见光的全部光谱并能基本上在全部可见波长上提供功率。在别的实施例中，能够各自基本上发射全部可见光光谱的一个或多个LED被用来代替多个不同光谱类型的LED。在一个实施例中，每一LED 108包含透镜(未画出)。
腔室104包括至少两个主部件：反射外壳114和透明光波导116。该反射外壳114被直接定位在光源102上方并包括由金属或镀金属塑料形成的穹面。至少反射外壳114的内表面(即面向光源102的表面)是反射的。反射外壳114还包括多个开孔1181-118n(下文统称“开孔118”)。开孔118的每一个被直接定位在光源102的LED 108之一的上方。此外，该反射外壳包括一个基本上在穹面中央形成的大的开孔，这样使第一中空腔室119被建立在分光光度计100的中央。
透明光波导116被直接定位在反射外壳114上方并包括由光学级透明材料形成的圆柱，该材料能起光波导的作用(如丙烯酸)。多面体反射镜120被定位在围绕圆柱的顶板122内部周边的环中。此外，圆锥状的凹槽124大致被定位在顶板的中央。被建立在透明光波导116和反射外壳114之间的空间起第二中空腔室121的作用。
此外，透明光波导116内藏光纤组件126。该光纤组件126包括反射镜128和光纤套管130。反射镜128被直接定位在圆柱的顶板122中的变形124之下。在一个实施例中，反射镜128相对于分光光度计的中央垂直轴A-A′约成45度角。光纤套管130包括输入132，该输入132接近反射镜128定位并沿基本上垂直于分光光度计的中央垂直轴A-A′的取向从反射镜向外延伸(即朝向分光光度计内部)。光纤套管130包括至少第一光纤1341和第二光纤1342(下文统称“光纤134”)。第一光纤1341和第二光纤1342基本上是彼此平行的。此外，光纤组件126包括被定位在光纤套管130和反射外壳114之间的消色差透镜136。
操作时，待测量反射率的样本被放置在样本入口112附近，且LED 108被激活以照射该样本。由LED 108发射的光的第一部分传输通过反射外壳114中的开孔118并垂直向上通过第二中空腔室121内的透明光波导116。当该光到达多面体反射镜120时，该光被反射向圆柱的顶板122中的圆锥状凹槽124，该圆锥状凹槽124接着把光沿垂直方向向下地向反射镜128反射。反射镜128的角度引导该光通过光纤套管130的输入132。然后该光在作为参考通道的第一光纤1341上输出。该参考通道光可以被输出到例如在分光光度计100外部的光测量装置。术语“参考通道”在本文中被可互换地用于指与样本无关(不与样本相互作用)的光和用于产生该参考通道的光的机构两者。
由LED 108发射的光的第二部分被反射外壳114的内表面反射并入射到样本上。在一个实施例中，该反射外壳被构造成会聚其他由LED 108发射的发散的光束并反射该光以便该光以大约45度角入射到样本上。在一个实施例中，该光束发散度被包含在每一LED中的透镜(上面已讨论过)进一步减至最低限度。该光被样本反射并传输通过第一中空腔室119及消色差透镜136，该消色差透镜136借助倾斜的反射镜128，使被准直的光通过输入132聚焦到光纤套管130上。然后该光在作为样本通道的第二光纤1342上输出。样本通道的光例如可以输出到分光光度计100外部的光测量装置。术语“样本通道”在本文中被可互换地用于指与样本相互作用的光和用于产生该样本通道的光的机构两者。
参考通道光和样本通道光二者的产生能使样本的反射率被精确地测量。具体说，来自相同光源(即LED 108)的光，能够作为通过参考通道被捕获的(参考通道与样本无关)和作为通过样本通道被捕获的(光通过该样本通道与样本相互作用)而被比较。
分光光度计100保持模块式结构，模块式结构使之易于制造。尤其是，光纤组件126的配置能在组装分光光度计100之前，实现它的部件的精确局部组装。分光光度计还保持相对紧凑和轻便的尺寸，使之便于携带。
图2是图1的分光光度计100的另一个两维侧面剖视图，其中光泽检测器106被完全示出。如图所示，该光泽检测器106被沿横向与反射外壳114耦联。
如图所示，该光泽检测器106包括被耦联到反射外壳114一侧的第一段106a和被耦联到反射外壳114相反侧的第二段106b。第一段106a包括被垂直定位在第一消色差透镜202上方的发射器LED 200(emitter LED 200)。第一反射镜204被垂直定位在第一消色差透镜202之下。在一个实施例中，第一反射镜204相对于分光光度计100的中央垂直轴A-A′成约60度角。
第二段106b包括被垂直定位在第二消色差透镜208上方的光-频率转换器210。第二反射镜206被垂直定位在第二消色差透镜208之下。在一个实施例中，第二反射镜206相对于分光光度计100的中央垂直轴A-A′成约60度角。
操作时，发射器LED 200发射被引导通过第一消色差透镜202的光束。包含在光源102中的LED 108此时没有示出。第一消色差透镜202引导该光到第一反射镜204，它反射并沿反射外壳114的该侧再引导该光通过第一光泽计开孔212。第一光泽计开孔212不同于上面对图1所讨论的开孔118。
被引导通过第一光泽计开孔212的光入射在样本上。被样本反射的该光沿反射外壳114的该侧通过第二光泽计开孔214射出。通过第二光泽计开孔214射出的光被第二反射镜206反射和再引导，该第二反射镜206引导该光通过第二消色差透镜208。被引导通过第二消色差透镜208的光被光-频率转换器210捕获。该光-频率转换器210把捕获的光转换为脉冲串，脉冲串的频率正比于被捕获的光的强度。
倾斜的第一和第二反射镜204和206由此把被发射器LED 200发射、被样本反射和被光-频率转换器210捕获的光的光路折叠。光路的折叠能使分光光度计100保持相对紧凑和模块式尺寸。
下面给出反射外壳114内表面形状的定量方案的一个实施例。在一个实施例中，反射外壳114被做成一定形状，以便使由LED 108发射的光以约45度的角度偏折到样本上。该形状是基于通过以计算机辅助设计光线跟踪程序迭代模拟所获得的实施例。
在该模拟中，反射外壳114的示例性形状(该反射外壳形状在一个实施例中以35个点体现)被数字化并用6次方多项式拟合。这样给出的结果在数字化精度(+/-0.2μm，即+/-200nm)内。回归多项式在下面的方程式1中(其中水平轴X和垂直轴Y以毫米为单位)列出：
Y＝-0.000002566412＊X6+0.00008590337＊X5-0.001241492＊X4+0.01 0865＊X3
   -0.08105109＊X2+0.7481436＊X+0.1932124
                                                            (方程式1)
图3是基于方程式1的使用，示出对反射外壳114的示例性形状(即该35个点，参考上述)测量结果的表。与这些结果一致，(X，Y)＝(0，0)是反射外壳114的左侧底部位置。
图4是曲线图，示出反射外壳114在径向截面中的形状，这里X和Y以毫米为单位。要获得三维形状，可把曲线绕右侧的中央轴旋转。
虽然前面所述是针对本发明的实施例的，别的和更多的本发明实施例可以被设计而不偏离其基本范围。本文给出的各个实施例或其各个部分，可以被组合以建立更多的实施例。此外，诸如顶、侧、底、前、后等术语，都是相对的或位置的术语，且是对图中示出的示例性实施例使用的，既然如此，这些术语可以是可互换的。

Claims (20)

1.一种用于测量被定位在样本入口上的样本的反射率的设备，包括：
多个发光二极管，用于发射光；
反射外壳，被定位在该多个发光二极管上方，该反射外壳包括穹面，该穹面有围绕该穹面的周边形成的多个开孔；
样本通道，用于捕获光的第一部分，这里该光的该第一部分与样本相互作用；和
参考通道，用于捕获光的第二部分，这里该光的该第二部分是与该样本无关的。
2.权利要求1的设备，其中该多个发光二极管被围绕环状底座的周边布置。
3.权利要求2的设备，其中该样本入口被定位在环状底座的中央。
4.权利要求2的设备，其中该多个发光二极管包括至少两种不同光谱类型的发光二极管。
5.权利要求1的设备，其中该多个发光二极管总起来基本上发射可见光全部的光谱。
6.权利要求1的设备，其中该反射外壳被做成一定形状，以便向样本入口反射该光的第一部分。
7.权利要求6的设备，其中该反射外壳被做成一定形状，以便反射该光的第二部分，使该光的第一部分以相对于该设备的中央垂直轴约成45度角入射到该样本入口上。
8.权利要求6的设备，其中该穹面有面向该多个发光二极管的反射内表面。
9.权利要求6的设备，还包括：
透镜，被定位成从该反射外壳接收该光的第一部分；和
反射镜，被定位成把该光的第一部分从该透镜引向光纤，其中该光纤被构造成传送该光的第一部分离开该设备。
10.权利要求1的设备，其中该多个开孔的每一个被直接定位在该多个发光二极管之一的上方。
11.权利要求1的设备，其中该参考通道包括被耦联到该反射外壳的光波导，该光波导包括：
圆柱体，从该反射外壳垂直延伸，该圆柱体被做成一定形状，以便引导该光的第二部分；
多面体反射镜，被围绕该圆柱体的顶板的周边形成，该多面体反射镜被做成一定形状，以便反射该光的第二部分，该光的第二部分被圆柱体沿第一方向引导；
凹槽，被形成在该圆柱体的顶板中，该凹槽被做成一定形状，以便接收由该多面体反射镜反射的光的第二部分并沿第二方向反射该光的第二部分；和
反射镜，被定位成把该光的第二部分从该凹槽引向光纤，其中该光纤被构造成传送该光的第二部分离开该设备。
12.权利要求1的设备，还包括被耦联到该样本通道的光泽检测器。
13.权利要求12的设备，其中该光泽检测器包括：
发射器发光二极管，被定位在样本通道之外；
第一组光学装置，用于引导由该发射器发光二极管发射的光束通过该设备的一部分；
第二组光学装置，用于从该设备的该部分捕获该光束的至少一部分；和
光-频率转换器，被定位成从该第二组光学装置接收该光束的至少一部分。
14.权利要求13的设备，其中该第一组光学装置包括：
反射镜，被定位成把光束从该发射器发光二极管引向该设备的该部分；和
开孔，被形成在该设备中并被定位成从该反射镜接收该光束。
15.权利要求14的设备，其中该反射镜以相对于该设备的中央垂直轴约60度的角度取向。
16.权利要求13的设备，其中该第二组光学装置包括：
开孔，被形成在该设备中并被定位成接收该光束的至少一部分；和
反射镜，被定位成接收该光束的至少一部分并把该光束的该至少一部分引向该光-频率转换器。
17.权利要求16的设备，其中该反射镜以相对于该设备的中央垂直轴约60度的角度取向。
18.一种用于测量被定位在样本入口上的样本的反射率的设备，包括：
环状底座，有形成在其中央的样本入口；
多个发光二极管，被围绕该环状底座的周边布置；
反射穹面，被定位在该多个发光二极管上方，其中该反射穹面包括反射内表面和围绕其周边形成的多个开孔，该多个开孔的每一个被直接定位在该多个发光二极管之一的上方；
光波导，被耦联到该反射穹面并从其向上延伸，其中该光波导包括圆柱体、围绕该圆柱体的顶板的周边形成的多面反射镜和在该顶板中央中形成的凹槽；和
光纤组件，被耦联到该反射穹面和该光波导，该光纤组件包括至少两根光纤。
19.权利要求18的设备，还包括被耦联到反射穹面的光泽检测器，该光泽检测器包括：
发射器发光二极管，被耦联到该反射穹面的第一侧；和
光-频率转换器，被耦联到该反射穹面的第二侧，其中该反射穹面的第二侧被定位成与该穹面的第一侧相对。
20.权利要求18的设备，其中该多个发光二极管包括至少两种不同光谱类型的发光二极管。
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