CN102221525B - 一种样本检测光学系统、样本分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种样本检测光学系统，包括光源；会聚投影组件，用于将光源发出的光线会聚；样本盛放组件，用于盛放被测样本；光束收集组件，用于接收从样本盛放组件透射的带有样本特性信息的光线；分光组件，用于将所述光束收集组件收集的复色光分解成独立的光谱或光谱带；光电探测组件，用于接收经过分光组件分离的不同波长的光信号，所述会聚投影组件还包括光阑，所述光阑的内表面中至少有部分法线方向与所述光学系统的光轴方向的夹角大于90°，所述法线方向是指由所述光阑表面指向所述光阑内部的方向，所述光轴的方向是指光束传播的方向。本发明有效地控制了杂光，降低了杂光对后方光学系统探测结果的影响，提高了样本分析的精度。

Description

一种样本检测光学系统、样本分析装置

技术领域

本发明涉及一种样本分析装置，尤其是一种样本分析装置的样本检测光学系统。

背景技术

现有的样本检测光学系统通常是通过测量对应不同波长被检测样本的入射光强和出射光强之比来判断样本中所含有的物质成分。为了保证入射到后方信号探测系统的光束中携带样本的正确信息，通常在设计光学系统时要保证入射到样本上的光斑完全落入样本之内。

在现有的样本检测光学系统中，一般采用合适孔径的光阑结构来保证照射在样本上的光斑大小满足使用要求。如图1所示为带有现有圆柱形通孔结构光阑9的样本检测光路，如图2所示为带有现有阶梯形孔结构光阑10的样本检测光路。使用上述两种光阑时，由于光阑对光束的限制，将有一部分的光束被光阑遮挡。如果这些被遮挡的光束所产生的反射光线入射到后方光学系统，那么反射的光线作为杂光有可能影响实际的光斑大小，进而对光学系统的测量结果产生影响，从而影响样本分析的精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种样本检测光学系统、样本分析装置，样本检测光学系统包括：

复色光源；

会聚投影组件，用于将光源发出的光线会聚；

样本盛放组件，用于盛放被测样本；

光束收集组件，用于接收从样本盛放组件透射的带有样本信息的光线；

分光组件，用于将所述光束收集组件收集的复色光分解成独立的光谱或光谱带；

光电探测组件，用于接收经过分光组件分离的不同波长的光信号；所述会聚投影组件还包括光阑，所述光阑的内表面中至少有部分法线方向与所述光学系统的光轴方向的夹角大于90°，避免杂散光射入样本检测区域，所述法线方向是指由所述光阑表面指向所述光阑内部的方向，所述光轴的方向是指光束传播的方向。

根据本发明的另一方面，提供一种样本分析装置，其特征在于：包括上述的样本检测光学系统。

本发明的有益效果是，通过控制光阑内表面的形状，使光阑的内表面中至少有部分法线方向与样本检测光学系统的光轴方向的夹角大于90°，在限制光斑大小的同时，有效地控制了杂光，降低了杂光对后方光学系统探测结果的影响，提高了样本分析的精度。

附图说明

图1是现有带有圆柱形消杂光结构的样本检测光路。

图2是现有带有阶梯型消杂光结构的样本检测光路。

图3是本发明样本检测光学系统的一种实施方式。

图4是本发明会聚投影组件光路的一种实施方式。

图5是本发明样本检测光学系统的第一种具体实施方式。

图6是法线方向和光轴方向夹角的示意图。

图7是反应杯和反应盘位置关系图。

图8一种具体实施方式中的会聚投影组件。

图9是本发明样本检测光学系统的第二种具体实施方式。

图10是本发明样本检测光学系统的第三种具体实施方式。

图11是本发明样本检测光学系统的第四种具体实施方式。

图12是本发明样本检测光学系统的第五种具体实施方式。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

根据本发明的一种实施方式，样本检测光学系统包括光源；会聚投影组件，用于将光源发出的光线会聚；样本盛放组件，用于盛放被测样本；光束收集组件，用于接收从样本盛放组件透射的带有样本信息的光线；分光组件，用于将所述光束收集组件收集的复色光分解成独立的光谱或光谱带；光电探测组件，用于接收经过分光组件分离的不同波长的光信号，所述会聚投影组件还包括光阑，所述光阑的内表面中至少有部分法线方向与所述光学系统的光轴方向的夹角大于90°，所述法线方向是指由所述光阑表面指向所述光阑内部的方向，所述光轴的方向是指光束传播的方向。通过控制光阑内表面的形状，使得光阑的内表面中至少有部分法线方向与所述光学系统的光轴方向的夹角大于90°，在限制光斑大小的同时，有效地控制了杂光，降低了杂光对后方光学系统探测结果的影响，提高了样本分析的精度；仅仅通过控制光束方向限制杂光，大大地降低了成本。

具体请参考如图3，该样本检测光学系统包括光源1、会聚投影组件2、样本盛放组件3、光束收集组件4、分光组件5和光电探测组件6。其中会聚投影组件2是将从光源1发射出来的光线会聚、投影到样本盛放组件3上；样本盛放组件3是用来盛放被测的样本31；光束收集组件4是用于接收从样本盛放组件3透射，带有样本特性信息的光线；分光组件5是用于将由光束收集组件4收集的复色光分解成为独立的光谱或光谱带；光电探测组件6用于接收经过分光组件5分离的不同波长的光强信号，并将其转化为电信号，以此探测样本的不同成分。其中分光组件既可以位于光束收集组件4和光电探测组件6之间，也可以位于会聚投影组件2和样本盛放组件3之间，还可以位于会聚投影组件2内部构成前分光系统。

请参考如图4，在一种实施方式中，会聚投影组件2是将光源1发射出来的光线会聚，投影到样本盛放组件3上，样本盛放组件是用于盛放样本31，进一步说，为检测的需要还需要向样本中添加试剂，样本盛放组件是用于盛放样本和试剂的混合的反应液。会聚投影组件包括前光学系统21、消杂光光阑22和后光学系统23。其中前光学系统21用于会聚由光源发出的光能，并根据实际需要控制由光源入射的能量。光入射到光阑内表面会发生反射产生杂光，该反射光线一旦进入后方的光电探测组件6，将会影响样本检测的精度。消杂光光阑22是根据光学设计的需要，在保证控制出射光束孔径的光阑的同时，可以抑制前方系统产生的杂光的特制光阑。后光学系统23用于将经过前光学系统21和消杂光光阑22调整好的光束投影到样本盛放组件4上。前光学系统21和后光学系统23均可以是单个透镜、多个透镜组成的透镜组，也可以是由透镜组和光束控制结构（比如光阑）组成的混合光学系统。会聚投影组件2既可以同时包括前光学系统21和后光学系统23，也可以只包括前光学系统21，或者只包括后光学系统23。

会聚投影组件还包括光阑，所述光阑的内表面中至少有部分法线方向与所述光学系统的光轴方向的夹角大于90°，所述法线方向是指由所述光阑表面指向所述光阑内部的方向，所述光轴的方向是指光束传播的方向。通过控制光阑内表面的形状，使得光阑的内表面中至少有部分法线方向与样本检测光学系统的光轴方向的夹角大于90°，在限制光斑大小的同时，有效地控制了杂光，降低了杂光对后方光学系统探测结果的影响，提高了样本分析的精度。

在上述实施方式的基础上，样本检测光学系统的光阑内表面包括至少一个锥面，锥面处的法线方向偏折，使得杂光反射后的光线的出射方向和光轴的夹角变大，偏离被测样本区域，提高了样本检测精度。

如图5所示为本发明样本检测光学系统的第一种具体实施方式，消杂光光阑221的内表面包括圆锥面。光阑沿着所述光轴方向的前后表面分别对应大孔24和小孔25。前光学系统21出射的光线从消杂光光阑的大孔24入射，从消杂光光阑的小孔25出射，大孔和小孔是相对的，如果光阑的前方入孔比后方出孔大，则前方叫做大孔，后方叫做小孔。从前光学系统21出射的一束光线261照射到消杂光光阑221的内表面上。由于表面的反射作用，使得该入射光线261的反射光线271会沿着一定方向出射。根据光学反射定律，反射光线271的出射方向与入射光线261和反射表面法线281的夹角有关。和现有技术的采用圆柱形的光阑或阶梯形光阑相比，由于光阑的内表面为圆锥面，入射光线261是从消杂光光阑221的大孔24入射，而且法线281与该光阑内表面垂直，所以法线方向与光轴方向的夹角θ＞90°。请参考图6，定义法线方向是指由所述光阑表面指向所述光阑内部的方向，如图X的方向，定义光轴方向是指光束传播的方向，如图Y的方向。

由于法线方向（X方向）与光轴方向（Y方向）的夹角θ＞90°，所以入射光线261与反射面的表面法线281的夹角要更小。根据光学反射定律，反射光线271与表面法线281的夹角与入射光线261与反射表面法线281的夹角相等，那么出射光线271与反射面的表面法线281的夹角也要随之减小。则反射光线271与光学系统光轴10的夹角会增大，即反射光线相对光轴的偏折角度变大。反射光线271经过二次反射，使从光阑出射的杂光和光轴的偏折角度进一步增大，使得从光阑出射的杂光偏离样本，无法入射到后光学系统23，有效地控制了杂光的出射方向，降低了杂光对后方光电探测系统的影响，提高了样本检测精度。

同时，通过控制光阑表面的形状，和现有技术的采用圆柱形的光阑9或阶梯形光阑10相比，由于光线与光轴的偏折角度增大，入射光线将会在光阑内部发生更多次数的反射。由于光阑的表面为不透明结构，每次发生反射时入射光线的大部分能量将被散射或吸收，所以杂散光被多次反射后将被大大消减。所以通过增加杂散光在光阑中的反射次数也同样可以达到消减杂光，提高样本检测精度的目的。这样，通过使法线方向（X方向）与光轴方向（Y方向）的夹角θ＞90°，既可以通过控制光线的出射光线偏离被测样本区域，提高样本检测精度；也可以通过增加杂散光在光阑中的反射次数，削弱反射光线的能量，提高样本检测的精度；或者杂光既被消减，也被偏折了被测样本区域。总之，通过控制光阑内表面的形状，使得入射到光阑中的被所述光阑反射的光线对应的出射光线偏离被测样本区域和/或增加入射到光阑中的被所述光阑反射的光线的反射次数，削弱反射光线的光能量，就可以有效地控制杂光，提高了样本检测的精度。并且该光阑加工简单，有效地控制了成本。

在本实施方式的基础上，也可以进一步将圆锥面的锥度增大，锥度的增大会使得法线方向（X方向）与光轴方向（Y方向）的夹角进一步增大，则入射光线261与表面法线281的角度进一步变小，从而导致反射光线271和表面法线281的角度进一步变小，从而使得反射光线271与光学系统的光轴10的夹角进一步变大。反射光线更容易偏离样本，无法进入后方光学系统23，提高了样本检测的精度。当然，由于反射光线271与光学系统的光轴10的夹角进一步变大，杂散光在消杂光光阑221中的反射次数将会更多，进而杂散光线将会大大削弱，同样提高了样本检测的精度。

根据以上的实施方式，只要避免反射后的光线落入样本检测的被测区域，即可实现了有效地控制杂光，提高了样本检测的精度；同时增加反射光线在光阑内部的反射次数，杂光也可以通过消杂光光阑221中被多次反射而损失掉，使杂光无法或尽量少的入射到后光学系统23，同样也可以提高样本检测精度。根据这一目的，可以通过控制光阑的形状，进而控制反射光线的出射方向，使得被光阑内表面反射的光线的出射光线偏离样本和/或多次被光阑内表面反射，提高样本检测精度。

光阑内表面的锥度可以根据样本分析装置的最小检测体积的需求以及前后光学系统的光学参数综合考虑。最小检测体积是指满足样本分析测试的要求的最小样本量。通常光斑的尺寸要小于最小检测体积，最小检测体积越小，对光斑尺寸的要求也越小。在样本分析装置中，样本盛放装置用于盛放样本，进一步来说，为了检测的需要，样本盛放装置还盛有试剂，用来盛放样本和试剂的反应液，样本盛放装置通常是指反应杯，反应杯放置于反应盘中。如图7所示为反应杯和反应盘的关系图，反应盘中有若干个反应杯安装槽，反应杯安装于安装槽中，反应杯中盛放有样本和试剂混合的反应液。为使反应液反应充分、一致，通常还需要对反应液进行加热，这样会到导致反应杯的一部分被反应盘7的边沿71遮挡，进而使得可测试的反应液的体积进一步减小，只有通光窗口8可用于通光进行样本分析。通过以上因素综合考虑设计，没有被反应盘遮挡住的一部分反应液包含被测样本区域，被测样本区域是综合考虑检测的各种因素而设定的。入射光束按照一定孔径角入射到消杂光光阑内部之后，被光阑内表面反射的光线的出射光线偏离被测样本区域。当然，通过增加杂散光在光阑中的反射次数，由于光阑采用不透明材料制成，杂散光也可以在消杂光光阑221中被多次反射而损失掉，无法入射到后光学系统23，同样也可以提高样本检测精度。消杂光光阑的大孔24和小孔25的孔径的形状和尺寸大小将根据实际的光学设计需求来确定。

在上述具体的实施方式中，请参考图8，在样本检测光学系统的会聚投影组件2中，样本盛放装置的一部分将会被反应盘遮挡住一部分，则样本盛放装置只有一部分可以用于检测。

上述实施方式在保证限制光斑大小的同时，通过控制光阑的形状，有效地控制了杂光，进而降低了杂光对后方光学系统探测结果的影响，提高了样本分析的精度；并且该光阑加工简单，大大地降低了成本。

在上述实施方式的基础上，所述光阑的内表面至少包括一个锥面，除锥面外还可以包括其他形状的面；消杂光光阑的内表面除采用圆锥面外，还可以采用棱锥面，或者圆锥面和棱锥面的混合面，或者是任何其他变形的锥面。，只要通过设计合理的光阑内表面形状，控制反射的杂光的方向，使得被光阑内表面反射的出射的杂光光线偏离被测样本，或者多次反射后散射吸收掉，就可以提高样本检测精度。

如图9所示为本发明样的样本检测光学系统的第二种具体实施方式，消杂光光阑222的内表面包括圆锥面和圆柱面的混合面，沿着光轴方向，分别是圆柱面和圆锥面。从前光学组件21出射的一束光线262照射在该光阑222内表面上，经光阑圆柱面的反射，反射光线照射在光阑的圆锥面区域上。由于光阑内表面包括圆锥面，使得经过圆锥面区域反射之后的出射光线272与光轴10的偏折角度更大，从而使得从光阑中出射的杂光光线偏离被测样本区域。同时由于出射光线272与光轴10的偏折角度更大，光阑采用不透明材料制成，将会增多杂散光将在光阑内部的反射次数，杂散光将在多次反射过程中被消减。其中圆柱面区域的尺寸、圆锥面区域的锥度需要根据前后光学系统的实际参数综合确定其具体尺寸。消杂光光阑的大孔24和小孔25的孔径的形状和尺寸大小将根据实际的光学设计需求来确定。光阑内表面既可以采用圆柱面在前，圆锥面在后混合面，也可以采用圆锥面在前，圆柱面在后的混合面。

在本实施方式的基础上，该消杂光光阑内表面的圆锥面还可以变形为棱锥面，圆柱面和变形为棱柱面，则消杂光光阑可以变形为采用圆柱面和棱锥面的混合面，或者采用棱柱面和圆锥面的混合面，或者采用棱柱面和棱锥面的混合面，同样可以控制出射的杂光方向，使出射的杂光光线偏离被测样本区域，提高样本检测精度；同时通过增加杂散光在光阑中的反射次数，由于光阑采用不透明材料制成，杂光在光阑内部被多次反射后消减，也可以提高样本检测精度。

如图10所示为本发明样本检测消杂光光学系统的第三种具体的实施方式，消杂光光阑223的内表面包括多种不同倾斜程度的锥面混合面。从前光学组件21出射的一束光线263射在该光阑223内表面上。经过内表面包括圆锥面光阑的反射作用，从图中可以看出，经过圆锥面区域多次反射之后的反射光线273与光轴10的偏折角度更大，出射的杂光会偏离被测样本区域，使得杂光无法入射到后光学系统23，提高了样本检测的精度；由于经过圆锥面区域多次反射之后的反射光线273与光轴10的偏折角度更大，光阑采用不透明材料制成，将会增多杂散光将在光阑内部的反射次数，杂散光将在多次反射过程中被消减，也可以提高样本检测精度。其中不同圆锥面的锥度或者其他尺寸参数根据入射光束在不同视场的特征以及后端光学组件实际参数综合确定。消杂光光阑的大孔24和小孔25的孔径的形状和尺寸大小将根据实际的光学设计需求来确定。

在本实施方式的基础上，该消杂光光阑内表面的圆锥面还可以用棱锥面替代，或者还可以是棱锥面和圆锥面的混合面，即只要满足从光阑出射的杂光偏离被测样本区域，杂光不进入后方光学系统，就可以提高样本检测精度；同时通过增加杂散光在光阑中的反射次数，由于光阑采用不透明材料制成，杂光在光阑内部被多次反射消减，同样可以提高样本检测精度。

如图11所示为本发明样本检测光学系统的第四种具体实施方式，消杂光光阑224的内表面包括连续的光滑曲面。从前光学组件21出射的一束光线264照射在该光阑224上，经过具有连续光滑内表面光阑224的反射作用，使得经过内表面反射之后的光线274与光轴10的偏折角度增大。这样经过多次反射后的杂光的出射光束会偏离被测样本区域，防止了杂光进入后方光学系统，提高了样本分析的分析精度；由于经过内表面反射之后的光线274与光轴10的偏折角度增大，光阑采用不透明的材料制成，将会增多杂散光将在光阑内部的反射次数，杂散光将在多次反射过程中被消减，也可以提高样本检测的精度。其中光阑224内表面的具体结构是根据入射光束在不同视场的特征以及后端光学组件实际参数综合确定的。消杂光光阑的大孔24和小孔25的孔径的形状和尺寸大小将根据实际的光学设计需求来确定。

在上述各种实施方式的基础上，为了达到更好的消除杂光的效果，消杂光光阑的内表面在采用如上所述的各种结构之外，光阑内表面还是经过增大粗糙度、喷涂消光漆或发黑处理的内表面。通过进一步增加入射到消杂光光阑内表面光束的衰减程度，提高消除杂光效果。

在以上各种实施方式的基础上，除了利用反射原理将杂光偏离被测样本，还可以采用利用折射来消除杂光。

如图12所示为本发明样本检测光学系统的第五种实施方式，其中消杂光光阑采用透明材料制成。从前光学系统21出射的一束光线265照射到透明消杂光光阑225的内表面上。由于光阑225采用透明材料制成，所以光线在入射面上既会发生反射现象，也会发生折射。其中入射光线的大部分能量将会随着折射作用，入射到材料内部。由于表面的折射作用，折射光线29的传播方向相对入射光线11的方向有一定的偏折。其中，该折射光线29的折射角度与入射光线265和入射表面法线285的夹角有关。根据光学折射定律，折射光线29与入射表面法线285的夹角的正弦值和光阑材料的折射率的乘积与入射光线265与入射表面法线285的夹角的正弦值与入射介质的折射率的乘积相等。由于入射空间的折射率相对光阑材料较小，所以折射光线29与入射表面法线285的夹角要小于入射光线265与入射表面法线285的夹角。

如果发生折射的表面没有经过特殊的处理，仍然会有光线的部分能量被反射。这些反射光线仍然有可能入射到后方光学系统中，进而影响投影到样本盛放系统上的光斑的大小。为了减小使用折射材料时的反射光线275，可以采用上述实施方式中的光阑的结构，通过增大反射光线14相对光学系统光轴10的偏折角度，使得反射光线的对应的出射光线偏离被测样本区域和/或增加反射光线入射到光阑内表面的次数，提高样本检测的精度。

在上述实施方式的基础上，由于折射进入光阑内部的光线很有可能入射到光阑的外表面32。在本实施方式的基础上，为了尽可能增大光阑对折射光线的衰减作用，光阑外表面32是通过增大粗糙度、喷涂消光漆、发黑处理的外表面；还可以更改吸收特性较强的材料作为该光阑的材料，使得折射光线在折射进入透明材料之后被吸收或散射掉；也可以在内表面镀制增透膜，使得入射到内表面的光线尽可能的不发生反射。

在实际光学系统中，通常在光阑外设有光阑固定装置，该光阑固定装置采用不透明材料，使得入射到光阑内部的折射光线在光阑外表面被吸收或散射掉。也可以通过在光阑固定装置表面增大粗糙度、喷涂消光漆、发黑处理等方案，提高其吸收或散射光线的能力。同时，通过合理设计消杂光光阑内表面结构，可以保证折射后的光线入射到光阑和空气的临界表面上时，大部分光线满足入射角大于全反射角，即在入射的临界面上发生全反射，这样折射光线不会从光阑中出去，进而避免了将杂光照射到被测样本区域，提高了样本检测精度。具体消杂光光阑内表面结构需要根据前后光学组件的特征、入射光线的视场分布和消光需要综合考虑加以确定。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种样本检测光学系统，包括：

复色光源；

会聚投影组件，用于将光源发出的光线会聚；

样本盛放组件，用于盛放被测样本；

光束收集组件，用于接收从样本盛放组件透射的带有样本信息的光线；

分光组件，用于将所述光束收集组件收集的复色光分解成独立的光谱或光谱带；

光电探测组件，用于接收经过分光组件分离的不同波长的光信号，

其特征在于，所述会聚投影组件还包括光阑，所述光阑的内表面中至少有部分法线方向与所述光学系统的光轴方向的夹角大于90°，避免杂散光射入样本检测区域，所述法线方向是指由所述光阑表面指向所述光阑内部的方向，所述光轴的方向是指光束传播的方向；

所述光阑沿着所述光轴方向的前后表面分别对应大孔和小孔，所述光阑的内表面至少包括一个锥面，所述光阑是由透明材料制成。

2.如权利要求1所述的样本检测光学系统，其特征在于：所述光阑的内表面至少包括两种不同锥度的锥面的混合面。

3.如权利要求1所述的样本检测光学系统，其特征在于：所述光阑的内表面至少包括柱面和锥面的混合面。

4.如权利要求1所述的样本检测光学系统，其特征在于：所述光阑的内表面至少包括连续光滑的曲面。

5.如权利要求1至4中任一项所述的样本检测光学系统，其特征在于：所述光阑包括经过增大粗糙度、喷涂消光漆或发黑处理的内表面。

6.如权利要求1至4中任一项所述的样本检测光学系统，其特征在于：所述光阑具有镀制增透膜的内表面。

7.如权利要求6所述的样本检测光学系统，其特征在于：所述光阑包括经过增大粗糙度、喷涂消光漆或发黑处理的外表面。

8.一种样本分析装置，其特征在于：包括如权利要求1至7中任一项所述的样本检测光学系统。