CN102128811B - 用于液体样品的光学模组与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明是有关于一种用于液体样品的光学模组与系统，且特别是有关于一种用于测定液体样品特性的光学模组与系统。光学系统包括基板、激光光源、光探测器及操控单元。基板包括样品面、出光面与突出导光块。样品面位于基板的上部。突出导光块位于基板的下部。突出导光块具有入光面。突出导光块以有用的入射角将光线从入光面引导到样品面。在本发明中，分析过程可使用反射光与散射光的规范化光强双参数，从而可提高光学系统的测量准确度。

Description

用于液体样品的光学模组与系统
技术领域
本发明是有关于一种用于液体样品的光学模组与系统，且特别是有关于一种用于测定液体样品特性的光学模组与系统。
背景技术
纯液体物质的糖度值(Brix Value)于标准温度和压力的条件下是常数。对于溶液而言，其总糖度值约等于各组成成份的糖度值的总和。换句话说，在混合物样品中，各组分的摩尔分数与其糖度值在总糖度值中的贡献密切相关。
糖度值可用于确定多种溶液的浓度，例如药品、食品、果汁或化妆品。糖度值可使用折射仪来测定。
请参见图1，其为美国专利申请US20040145731公开的折射仪的剖面图。
折射仪10包括样品台18、棱镜12，发光二极管(LED)14、隔板141及电荷耦合器件(CCD)16。棱镜12包括界面125、第一表面121及第二表面123。界面125位于样品台18的底部。样品台18的中心处具有开口，使得液体样品19可放在棱镜12的界面125上。
发光二极管14用于提供光线，光线以扩散角θ通过隔板141的孔143进入棱镜12。入射光Ri被从第一表面121引导至界面125的感测区域。反射光Rr则可被电荷耦合器件16的部分区域接收。
通过分析电荷耦合器件16接收到的光线的图像，可测定全反射角，从而折射率及糖度值也可被测定。
在折射仪10中，精确的光学校准系统是必需的，且棱镜12的每一表面需要足够光滑。并且，折射仪10仅是用全反射角来测定溶液，其无法测定溶液中是否包含悬浮颗粒。
请参见图2，其为美国专利US5396325公开的光学传感器的剖面图。
光学传感器20包括透明组件22、发光二极管24、第一光纤261、第二光纤263及光探测器28。发光二极管24通过第一光纤261耦合于透明组件22。光探测器28通过第二光纤263耦合于透明组件22。透明元件22是一个薄玻璃板具有入光面223及测量面221，入光面223平行于测量面221。
第一光纤261固定于入光面223的位置235处，以使发光二极管24发射的光线可通过第一光纤261通过透明组件22并到达测量面221，其中光线在测量面221的入射角为θi。第二光纤263固定于入光面223的位置237处以接收从测量面221反射的部分光线，此反射的部分光线的反射角为θr。
测量面221与物质29相接触。从第一光纤261出射的光线投射到测量面221，其中有部分的光线传输到物质29，部分光线则被反射并通过第二光纤263传输到光探测器28。光探测器28接收到的光线的光强是物质29的折射率的函数。因此，通过分析光探测器28接收到的光线的光强可获知物质29的折射率。
在上述光学传感器20中，由于发光二极管24发射的光线是发散的，因此光学传感器20操作效率较低。
虽然美国专利US5396325的发明者宣称可采用激光二极管来为光学传感器20提供光线，然而许多实验证明光学传感器20难以与激光二极管配合使用。
发明内容
本发明目的在于提供一种光学模组与系统，其适于测定液体样品的特性。
本发明次一目的在于提供一种光学模组与系统，其适于测定液体样品的特性，其中基板具有突出导光块，突出导光块具有入光面，此突出导光块用于以有用的入射角将激光光源发射的光线引导到样品面。
本发明再一目的在于提供一种光学模组与系统，其适于测定液体样品的特性，其中入光面与基板的法线(垂直于基板的线)形成24-48度的夹角。
本发明又一目的在于提供一种光学模组与系统，适于测定液体样品的特性，其中基板与突出导光块由折射率为1.46-1.61的透明或半透明材料制成。
本发明又一目的在于提供一种光学模组与系统，其适于测定液体样品的特性，其中基板与突出导光块的材质包括聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、纤维素(塑料)、苯乙烯(塑料)、玻璃或石英。
本发明提出一种光学模组，其适于测定液体样品的特性。光学模组包括基板、激光光源及光探测器。基板包括样品面、出光面与突出导光块。样品面位于基板的上部，适于承载待测液体样品，突出导光块位于基板的下部。突出导光块具有入光面。激光光源提供光线从入光面进入到样品面。光探测器耦合于出光面，适于接收从样品面反射出的光线。
本发明提出一种光学系统，其适于测定液体样品的特性。光学系统包括基板、激光光源、光探测器及操控单元。基板包括样品面、出光面与突出导光块。样品面位于基板的上部，适于承载待测液体样品。突出导光块位于基板的下部。突出导光块具有入光面。激光光源提供光线从入光面进入到样品面。光探测器耦合于出光面，适于接收从样品面反射出的光线并产生反射信号。操控单元耦合于激光光源与光探测器，适于分析待测液体样品的特性。
在本发明一个实施例中，上述适于测定液体样品的特性的光学模组与系统包括两个光探测器，用于探测反射光与散射光。
在本发明一个实施例中，上述适于测定液体样品的特性的光学模组与系统，在分析过程中可使用反射光与散射光的规范化光强双参数，从而可提高光学系统的测量准确度。
本发明的有益效果在于，在本发明中，分析过程可使用反射光与散射光的规范化光强双参数，从而可提高光学系统的测量准确度。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1为现有的折射仪的剖面图。
图2为现有的光学传感器的剖面图。
图3为光线在液体与基板的界面处的光路图。
图4为本发明实施例之一的光学模组的剖面图。
图5为本发明另一个实施例的光学模组的剖面图。
图6为本发明另一个实施例的光学模组的剖面图。
图7为本发明另一个实施例的光学模组的剖面图。
图8为本发明另一个实施例的光学模组的剖面图。
图9为本发明另一个实施例的光学模组的剖面图。
图10为本发明实施例之一的适于测定液体样品的特性的光学系统的示意图。
图11为蔗糖溶液的糖度值与反射光的规范化光强及散射光的规范化光强的曲线图。
图12为牛奶的糖度值与反射光的规范化光强及散射光的规范化光强的曲线图。
图中：
40、50、60、70、80、90、1010：光学模组，
42：基板                 44：激光光源         421：样品面
423、523：出光面         425：突出导光块      427：入光面
461：光探测器            48：待测液体样品     621：环形壁
723：套筒                821：第一光纤        823：第二光纤
963：第二光探测器        1000：光学系统       1020：操控单元
1021：控制器            1023：模数转换器    1025：微处理器
1041：第二模数转换器    1043：存储组件      1045：参考数据库
1047：通信模组          1061：远程数据中心  1063：存储装置
1065：信息装置
具体实施方式
请参见图3，所示为光线在液体与基板的界面处的光路图。
当具有特定偏光的光线361以入射角θB从基板32投射到界面324时，在理想的状态下，光线361不发生反射就通过界面324到达液待测体样品34。此角θB称为布鲁斯特角(Brewster’s Angle)。根据斯涅耳定律(Snell’s law)，可获得以下公式：
θB＝arctan(nL/nS).
其中nL是液体样品34的折射率，nS是基板32的折射率。
另一方面，当光线363以入射角θC从基板32投射到界面324时，光线363会发生全反射，即光线363不会通过界面324到达待测液体样品34。此角θC称为临界角。根据一些物理推理，可获得以下公式：
θC＝arcsin(nL/nS)
当光线的入射角被限定在布鲁斯特角θB与临界角θC之间时，部分光线会通过界面324到达待测液体样品34，而其余光线则会被反射。
通过界面324的光线的光强是待测液体样品34折射率的函数，并且反射光的光强也是待测液体样品34折射率的函数。根据这些规律可知，来自界面324的反射光可带来待测液体样品34的有用信息。
通常地，待测液体样品34的折射率在1.33-1.44之间，基板32的折射率在1.46-1.61之间。光线投射到界面324的入射角应在24-48度之间，这样反射光便可带出待测液体样品34的有用信息。
请参见图4，所示为本发明实施例之一的光学模组的剖面图。光学模组40包括基板42、激光光源44及光探测器461。
基板42包括样品面421、出光面423与突出导光块425。样品面421位于基板42的上部，适于承载待测液体样品48并形成液-固界面。出光面423位于基板42的下部。突出导光块425位于基板42的下部并具有入光面427。突出导光块425适于引导由激光光源44发射的光线从入光面427进入到样品面421，较佳地，激光光源44发射的光线是以垂直于入光面427的方式进入到样品面421。
入光面427与基板42的样品面421的法线之间形成24-48度的夹角429。反射光443形成反射角447(其大小等于入射角445)。反射光443带着有用的信息从出光面423进入到光探测器461。
在本实施例中，具有突出导光块425的基板42是由折射率为1.46-1.61的透明或半透明材料制成。此基板的材质包括聚碳酸酯(Polycarbonate)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate)、聚苯乙烯(Polystyrene)、聚丙烯酸酯(Polyacrylate)、纤维素塑料(Cellulous)、苯乙烯塑料(Styrene)、玻璃(Glass)或石英(Quartz)。
激光光源44发射的光线441的波长为300-1500纳米，优选为400-1350纳米，更优选为600-800纳米。
激光光源44例如为激光二极管，其发射的光线441投射到突出导光块425的入光面427，然后进入到样品面421。
请参见图5，所示为本发明另一个实施例的光学模组的剖面图。本实施例的光学模组50与图4所示的光学模组40相似。本实施例的光学模组50的出光面523位于基板的侧部；光探测器461耦合于出光面523，并可接收来自样品面421的反射光443。
请参见图6，所示为本发明另一个实施例的光学模组的剖面图。本实施例的光学模组60与图4所示的光学模组40相似。本实施例的光学模组60进一步包括环形壁621。环形壁621设于样品面421上。环形壁621的材质可与基板相同42相同。环形壁621用于容纳待测液体样品48在预定的区域中。
请参见图7，所示为本发明另一个实施例的光学模组的剖面图。本实施例的光学模组70与图4所示的光学模组40相似。本实施例的光学模组70进一步包括套筒723。套筒723设置于入光面427上。套筒723的材质可与基板相同42相同。套筒723用于封装激光光源44。
请参见图8，所示为本发明另一个实施例的光学模组的剖面图。本实施例的光学模组80与图4所示的光学模组40相似。本实施例的光学模组80进一步包括第一光纤821与第二光纤823。
第一光纤821设于入光面427与激光光源44之间，用于将光线从激光光源44引导至入光面427。第二光纤823设于出光面423与光探测器461之间，用于将光线从出光面423引导至该光探测器461。
请参见图9，所示为本发明另一个实施例的光学模组的剖面图。本实施例的光学模组90与图4所示的光学模组40相似。本实施例的光学模组90进一步包括第二光探测器963。
第二光探测器963耦合于出光面423不在反射光光路的位置处。第二光探测器963用于接收从被待测液体样品48散射出的光线。通过探测散射光，系统可测定出待测液体样品48是否含有悬浮颗粒。散射光的光强可包含有待测液体样品48的有用的信息。
请参见图10，所示为本发明实施例之一的适于测定液体样品的特性的光学系统的示意图。光学系统1000包括光学模组1010与操控单元1020。
光学模组1010可选自上述实施例的光学模组。当光学模组1010为图4所示的光学模组时，其包括具有突出导光块425的基板42、激光光源44及光探测器461。
操控单元1020包括控制器1021、模数转换器(Analog-to-digitalConverter，ADC)1023及微处理器1025。
控制器1021耦合于激光光源44，其可依据输出数据调节激光光源44发射的光强。模数转换器1023耦合于光探测器461。微处理器1025耦合于控制器1021与模数转换器1023。
当光探测器461接收到反射光，会产生一个与反射光的光强相对应的反射信号，此反射信号传输给模数转换器1023。模数转换器1023将反射信号转换成数字的反射数据。微处理器1025接收反射数据，并依据输出数据分析待测液体样品48的特性。
在一个实施例中，操控单元1020还包括第二光探测器963与第二模数转换器1041。第二光探测器963耦合于出光面423不在反射光光路的位置处。第二模数转换器1041耦合于第二光探测器963与微处理器1025。当待测液体样品48为混浊的时，投射到样品面421的光线441将被折射、反射及散射。第二光探测器963接收散射光并产生相应的散射信号。第二模数转换器1041用于将散射信号转换成数字散射数据。微处理器1025接收散射数据，并依据输出数据分析待测液体样品48的特性。
在本发明实施例中，分析过程可使用的规范化光强可为来自激光光源44的光线所形成的反射光光强与散射光光强，提高光学系统1000的测量准确度。
操控单元1020还可进一步包括存储组件1043。存储组件1043耦合于微处理器1025，其具有液体样品的参考数据库1045。参考数据库1045包括规范化反射光强、规范化散射光强以及相应液体样品的糖度值及/或折射率。
例如，如图11所示，蔗糖溶液的参考数据库包括糖度值与反射光及散射光的规范化光强。根据这个参考数据库，可得到反射光1102的曲线与散射光1104的曲线。由于蔗糖溶液是清澈的，因此散射光1104的光强为0。
如图12所示，牛奶的参考数据库包括糖度值与反射光及散射光的规范化光强。根据这个参考数据库，可得到反射光1202的曲线与散射光1204的曲线。
为了分析，微处理器1025先是根据反射数据计算待测液体样品48的规范化反射光强。然后，微处理器1025再进行多项式回归分析(PolynomialRegression Analysis)使规范化反射光强符合参考数据库曲线。使用如此双参数，可获得待测液体样品48如糖度值、折射率或浓度等特性及提高光学系统的测量准确度。
微处理器1025也可先根据反射数据与散射数据计算待测液体样品48的规范化反射光强与规范化散射光强。然后，微处理器1025再进行多项式回归分析(Polynomial Regression Analysis)使规范化反射光强与规范化散射光强符合曲线。这样，便可准确地获得待测液体样品48的特性，例如获得糖度值、折射率或浓度。
在一个实施例中，操控单元1020还可进一步包括通信模组1047。通信模组1047耦合于微处理器1025，其可与支援装置进行通信。此支援装置例如为远程数据中心1061、存储装置1063或是信息装置1065。支援装置可为光学系统1000提供多个液体样品的参考数据库，以分析或更新存储组件1043中的参考数据库1045。
信息装置1065可为移动电话、个人数字助理、笔记本电脑或个人计算机。光学系统1000可通过信息装置1065进行有线或无线通信。信息装置1065提供液体样品的参考数据库用于更新光学系统1000的参考数据库1045，或是从光学系统1000接收规范化反射光强或规范化散射光强以分析待测液体样品48的特性。存储装置1063可为内存卡，硬盘驱动器，可移动硬盘驱动器或USB闪存驱动器。
光学系统1000可用于制备过程的实时监测。光学模组1010易于固定在制备的设备上。当液体产品流过样品面421，液体产品的特性即可被快速的分析。而且，通过对比待测液体样品48与标准液体样品的性质，光学系统1000还可用于识别仿制品。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (20)

1.一种光学模组，其适于测定液体样品的特性，该光学模组包括基板、激光光源与光探测器，其特征是：该基板包括样品面、出光面与突出导光块，该样品面位于该基板的上部，适于承载待测液体样品，该突出导光块位于该基板的下部，该突出导光块具有入光面；该激光光源提供光线从该入光面进入到该样品面；该光探测器耦合于该出光面，以接收从该样品面反射出的光线。
2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征是：该光学模组进一步包括第二光探测器，其耦合于该出光面，以接收从该样品面散射出的光线。
3.根据权利要求1所述的光学模组，其特征是：该出光面位于该基板的下部或侧部。
4.根据权利要求1所述的光学模组，其特征是：该基板由折射率为1.46-1.61的透明或半透明材料制成。
5.根据权利要求1所述的光学模组，其特征是：该基板的材质为聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、纤维素塑料、苯乙烯塑料、玻璃或石英。
6.根据权利要求1所述的光学模组，其特征是：该光学模组包括环形壁，其位于该样品面，以容纳该待测液体样品，该环形壁的材质与该基板相同。
7.根据权利要求1所述的光学模组，其特征是：该入光面与该基板的样品面的法线形成夹角，该夹角为24-48度。
8.根据权利要求1所述的光学模组，其特征是：该激光光源提供的光线的波长为300-1500纳米。
9.根据权利要求8所述的光学模组，其特征是：该激光光源提供的光线的波长为600-800纳米。
10.根据权利要求1所述的光学模组，其特征是：该光学模组包括套筒，其位于该入光面上，以封装该激光光源。
11.根据权利要求1所述的光学模组，其特征是：该光学模组包括第一光纤，其将光线从该激光光源引导至该入光面。
12.根据权利要求1所述的光学模组，其特征是：该光学模组包括第二光纤，其将光线从该出光面引导至该光探测器。
13.根据权利要求1所述的光学模组，其特征是：该突出导光块的材质为聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、纤维素塑料、苯乙烯塑料、玻璃或石英。
14.一种光学系统，其适于测定液体样品的特性，该光学系统包括基板、激光光源、光探测器与操控单元，其特征是：该基板包括样品面、出光面与突出导光块，该样品面位于该基板的上部，适于承载待测液体样品，该突出导光块位于该基板的下部，该突出导光块具有入光面；该激光光源提供光线从该入光面进入到该样品面；该光探测器耦合于该出光面，适于接收从该样品面反射出的光线并产生反射信号；该操控单元包括控制器、模数转换器及微处理器，其耦合于该激光光源与该光探测器，适于分析该待测液体样品的特性。
15.根据权利要求14所述的光学系统，其特征是：该出光面位于该基板的下部或侧部。
16.根据权利要求14所述的光学系统，其特征是：该控制器耦合于该激光光源，适于依据输出数据调节该激光光源发射的光线的光强；该模数转换器耦合于该光探测器，适于将反射信号转换为反射数据；该微处理器耦合于该控制器与该模数转换器，适于接收该反射数据并依据该输出数据分析该待测液体样品的特性。
17.根据权利要求14所述的光学系统，其特征是：该光学系统进一步包括第二光探测器，其耦合于该出光面，适于接收从该样品面散射出的光线并产生散射信号；该操控单元还包括第二模数转换器，其耦合于该第二光探测器与该微处理器，适于将该散射信号转换为散射数据。
18.根据权利要求17所述的光学系统，其特征是：该操控单元还包括存储组件，该存储组件具有液体样品的参考数据库。
19.根据权利要求18所述的光学系统，其特征是：该操控单元还包括通信模组，其耦合于该微处理器，适于与支援装置进行通信。
20.根据权利要求19所述的光学系统，其特征是：该支援装置为存储装置、信息装置或是具有液体样品的参考数据库的远程数据中心。
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