CN102866110A - 一种带反射聚光镜的生化分析仪光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生化分析仪的光学系统，尤其是带光源反射聚光镜的生化分析仪光学系统。本发明方案采用了一个光学反射的方法来实现能量的充分利用，通过在当前生化分析仪使用的光源背面，在系统的出光方向的相反方向设置一个反射聚光镜，该反射聚光镜具有紫外增强铝反射层，使得该反射聚光镜从近紫外到红外340nm-850nm都具有高反射性，该紫外增强铝反射层的外边再镀上一层防氧化膜。本发明通过在光源背面设置反射聚光镜将这部分光利用起来则会将生化分析仪的光源功率提高近一倍的目的。本方案实现方法非常简单，只需要在背后安放一个反光镜即可。

Description

一种带反射聚光镜的生化分析仪光学系统

技术领域

本发明涉及一种生化分析仪的光学系统，尤其是带光源反射聚光镜的生化分析仪光学系统。

背景技术

在生化分析仪的光学系统中，光源的强度是个非常重要的问题，增大了光源的强度使得系统的光电信号增强，信号的信噪比就会更大，生化分析仪的分析精度就会提高，而且由于增大了光强，信号放大处理的电路也会相对容易实现，设计加工调试都相对简便。因此生化分析仪增大光强是一个永远的追求。而这其中最为重要的是增加紫外波段的光强。本方案是将所有波段光强都增大的方案。

当前提高光强的方法就是增大光源的功率，生化分析仪中的灯泡较多采用的20W的卤钨灯，而如果增大到50W，则光源散热是个大问题，光源部分的体积将会增大，在生化分析中没有较多的空间安放这个大的光源（含散热）组件，而且，散热问题将会增加系统的复杂性，并造成了系统能耗的增加，光源安放在反应盘下面，该散热部件将会严重影响对反应盘的恒温控制，因此，现在很少采用50W的灯泡，仍然采用20W的灯泡，但由于光强不是很充足，必须通过精心设计光电采集放大电路来实现信号检出读取。

现有技术采用的无论是增大光源功率的方法还是采用精心设计光电采集放大电路的方法，都有一定的问题，前者会带来散热问题，增加系统的复杂性，且有时候没有空间能够放置，并会严重影响反应盘的温控。而后者带来了的问题往往是系统信噪比的不高或者系统信号不稳定，并会增加研发难度，提高研发成本和光电采集放大电路板的成本。

本发明提供了一种结构简单，在结构上的改动极小，只需要简单增加一个光学反射聚光镜，就能实现光强近一倍增长的生化分析仪光学系统。

发明内容

本发明方案采用了一个光学反射的方法来实现能量的充分利用，通过在当前生化分析仪使用的光源背面安放一个反射聚光镜，将这部分光利用起来则会将生化分析仪的光源功率提高一倍。

本发明首先提供了一种带反射聚光镜的生化分析仪光学系统,包括光源灯泡，其特征在于：在系统的出光方向的相反方向设置有一个反射聚光镜，该反射聚光镜具有紫外增强铝反射层，使得该反射聚光镜从近紫外到红外340nm-850nm都具有高反射性，该紫外增强铝反射层的外边再镀上一层防氧化膜。

还提供了一种带反射聚光镜的生化分析仪光学系统,包括光源灯泡，其特征在于：在系统的出光方向的相反方向设置有一个反射聚光镜，该反射聚光镜具有紫外增强铝反射层，使得该反射聚光镜从近紫外到红外340nm-850nm都具有高反射性，该紫外增强铝反射层的外边再镀上一层防氧化膜，其中该反射聚光镜是在K9玻璃基底镀上一层金属铝。

还提供了一种带反射聚光镜的生化分析仪光学系统,包括光源灯泡，其特征在于：在系统的出光方向的相反方向设置有一个反射聚光镜，该反射聚光镜具有紫外增强铝反射层，使得该反射聚光镜从近紫外到红外340nm-850nm都具有高反射性，该紫外增强铝反射层的外边再镀上一层防氧化膜，该防氧化膜为二氧化硅膜。

还提供了一种带反射聚光镜的生化分析仪光学系统,包括光源灯泡，其特征在于：在系统的出光方向的相反方向设置有一个反射聚光镜，该反射聚光镜具有紫外增强铝反射层，使得该反射聚光镜从近紫外到红外340nm-850nm都具有高反射性，该紫外增强铝反射层的外边再镀上一层防氧化膜，其中该反射聚光镜是一个光学反光碗,该光学反光碗的球面顶点到灯丝的距离等于球面半径R，球面反射聚光镜的通光口径D以能让光学系统在数值孔径U内的光线都能反射为准，满足公式：

D≥2RsinU。

还提供了一种带反射聚光镜的生化分析仪光学系统,包括光源灯泡，其特征在于：在系统的出光方向的相反方向设置有一个反射聚光镜，该反射聚光镜具有紫外增强铝反射层，使得该反射聚光镜从近紫外到红外340nm-850nm都具有高反射性，该紫外增强铝反射层的外边再镀上一层防氧化膜，其中该光学反光碗一侧为球面反射面，一侧为平面安装基准面，其中球面半径R为20.65mm，外圆直径为Φ10mm，最薄处1.5mm，最厚处2.11mm。

本发明还提供一种提高生化分析仪光学系统光强的方法，该光学系统包括光源灯泡，该方法特征在于：在光学系统出光方向的相反方向正对光源开一个安装孔，将一个反射聚光镜安装在该安装孔内，其中该反射聚光镜具有紫外增强铝反射层，使得该反射聚光镜从近紫外到红外340nm-850nm都具有高反射性，该紫外增强铝反射层的外边再镀上一层防氧化膜。

还提供一种提高生化分析仪光学系统光强的方法，该光学系统包括光源灯泡，该方法特征在于：在光学系统出光方向的相反方向正对光源开一个安装孔，将一个反射聚光镜安装在该安装孔内，其中该反射聚光镜具有紫外增强铝反射层，使得该反射聚光镜从近紫外到红外340nm-850nm都具有高反射性，该紫外增强铝反射层的外边再镀上一层防氧化膜，其中该反射聚光镜是在K9玻璃基底镀上一层金属铝。

还提供一种提高生化分析仪光学系统光强的方法，该光学系统包括光源灯泡，该方法特征在于：在光学系统出光方向的相反方向正对光源开一个安装孔，将一个反射聚光镜安装在该安装孔内，其中该反射聚光镜具有紫外增强铝反射层，使得该反射聚光镜从近紫外到红外340nm-850nm都具有高反射性，该紫外增强铝反射层的外边再镀上一层防氧化膜，该防氧化膜为二氧化硅膜。

还提供一种提高生化分析仪光学系统光强的方法，该光学系统包括光源灯泡，该方法特征在于：在光学系统出光方向的相反方向正对光源开一个安装孔，将一个反射聚光镜安装在该安装孔内，其中该反射聚光镜具有紫外增强铝反射层，使得该反射聚光镜从近紫外到红外340nm-850nm都具有高反射性，该紫外增强铝反射层的外边再镀上一层防氧化膜，该反射聚光镜是一个光学反光碗。

还提供一种提高生化分析仪光学系统光强的方法，该光学系统包括光源灯泡，该方法特征在于：在光学系统出光方向的相反方向正对光源开一个安装孔，将一个反射聚光镜安装在该安装孔内，其中该反射聚光镜具有紫外增强铝反射层，使得该反射聚光镜从近紫外到红外340nm-850nm都具有高反射性，该紫外增强铝反射层的外边再镀上一层防氧化膜，其中该光学反光碗的球面顶点到灯丝的距离等于球面半径R，球面反射聚光镜的通光口径D以能让光学系统在数值孔径U内的光线都能反射为准，满足公式：

D≥2RsinU。

还提供一种提高生化分析仪光学系统光强的方法，该光学系统包括光源灯泡，该方法特征在于：在光学系统出光方向的相反方向正对光源开一个安装孔，将一个反射聚光镜安装在该安装孔内，其中该反射聚光镜具有紫外增强铝反射层，使得该反射聚光镜从近紫外到红外340nm-850nm都具有高反射性，该紫外增强铝反射层的外边再镀上一层防氧化膜，其中该光学反光碗一侧为球面反射面，一侧为平面安装基准面，其中球面半径R为20.65mm，外圆直径为Φ10mm，最薄处1.5mm，最厚处2.11mm。

本方案实现方法非常简单，只需要在背后安放一个反射聚光镜即可，效果显著，实现了生化分析仪中的光学系统光强提高近一倍。

附图说明

 图1  卤钨灯示意图

图2  光学反光碗安装实例图

1 光源  2 反光碗  3 卤钨灯的后平面

 附图说明

本方案采用了一个光学反射的方法来实现能量的重新利用，实现了生化分析仪中的光学系统光强提高近一倍。

当前生化分析仪使用的光源多为卤钨灯，如图1所示，为一个扁平状的玻璃灯珠，而由于灯泡本身的特点，其顶端因为有玻璃热缩密封处，不能作为发光方向用，而只有在如图纸面朝外的方向上发出的光会被利用，但其相反方向（垂直纸面朝内）仍然有相同光强的光，如果能将这部分光利用起来则会将光源功率提高一倍。然而，这部分光的重新利用却面临几个限制：

1）、生化分析仪的工作波长范围涵盖340nm到850nm，因此采用的反射聚光镜必须在宽范围（340nm-850nm）具有高反射率；

2）、卤钨灯工作时，灯丝温度超过2000多度，距离灯丝20mm左右处，温度就高达三四百度，因此采用的反射聚光镜必须能够耐受高温。

3）、由于生化分析仪本身价格不高，所用反射聚光镜必须成本低廉，制作简单，加工方便。

本方案实现方法非常简单，只需要在生化分析仪的光学系统中如图1所示的卤钨灯背后（垂直纸面朝内）安放一个反射聚光镜即可。但所用反射聚光镜必须能够克服上述的限制，因此，反射聚光镜的制备是本方案的关键。正是由于上述几个限制，现有技术中并没有采用反射聚光镜来增强生化分析仪的光学系统的光强。

本发明人经过反复的尝试，终于解决了这一课题。本发明基本的实施方式如下：

首先，选择反光镜材料。由于生化分析中紫外波段的极端重要性，要求反射聚光镜对紫外光的光强增强作用明显。因此必须找到一种在紫外波段具有极高反射性的物质。在自然界中只有铝这种金属能对于从近紫外到红外（340nm-850nm）都具有高反射性，特别是紫外，很多金属不具有高反射性，因此采用铝作为反光材料。

为了控制成本，该反射聚光镜优选采用价格最为便宜且最易加工的性能最为稳定的K9光学玻璃作为基底，在K9玻璃基底抛光后，镀上一层金属铝，由此形成镀铝紫外增强反射聚光镜。

镀铝紫外增强反射聚光镜克服了上述限制，但由于金属铝具有较强的金属活性，在空气中很容易氧化，特别是在高温情况下，氧化速度更快，为了克服这一问题，因此需要在铝的外边再镀上一层防氧化膜。但卤钨灯工作时，灯丝温度超过2000多度，一方面由于光学系统内的空间有限，另一方面要保证反射光能被充分利用，反射聚光镜距离灯丝只能在20mm左右，但此处温度高达三四百度，因此该氧化膜优选为二氧化硅镀层。二氧化硅不但具有良好的防氧化保护作用，更重要的是具有极高的（超过99%）紫外透过率，生化分析仪中紫外光是极其重要的。

其次，安装反射聚光镜。本方案实现方法非常简单，只需要在生化分析仪的光学系统中如图1所示的卤钨灯背后（垂直纸面朝内）安放上述的反射聚光镜即可。如图2所示，1为光源，在没采用本方案前，卤钨灯的后面是个平面3，且一般作发黑处理，不具有反光性，现在只需要将其上铣出一个槽孔，将反射聚光镜安装进去即可，当然槽孔深度要和反射聚光镜曲率半径匹配，使得灯珠背向光能够沿原路返回。该方案能增加近90%的光强。

通过上述基本的实施方式，本发明很好地克服了在生化分析仪的光学系统中设置反射聚光镜的限制，实现了灯珠背向能量的重新利用，能够使得生化分析仪中的光学系统光强提高近一倍。

 

本发明的另一个实施例为使用光学反光碗。

首先，系统设计。

为了实现灯珠背向光的沿原路返回，将卤钨灯发光灯丝看成一个点光源，在其后以该点为球心的球面上放置反射聚光镜，也就是其后放置的反射聚光镜是一个球面反射聚光镜，因此称为光学反光碗。通过球面反射聚光镜的反射，灯珠背向光变成向前会聚并通过光学系统的出光孔，能量得到重新利用。由于通常的生化分析仪光学系统中光源能利用的孔径角很小（数值孔径0.1左右），因此只需要将卤钨灯发光灯丝看成一个点光源，这种点光源的近似是完全满足要求的。因为灯丝有大小，如数值孔径比较大，并不能近似成点光源。

该光学反光碗的球面半径的选择非常宽松，只需要能和结构匹配即可。光学反光碗的球面半径有较大的自由选择空间，只需要保证安放光学反光碗时，使它的球面顶点到灯丝的距离等于球面半径即可。

本方案实现方法非常简单，只需要在生化分析仪的光学系统中如图1所示的卤钨灯背后（垂直纸面朝内）安放一个反光碗即可。如图2所示，1为光源，在没采用本方案前，卤钨灯的后面是个平面3，且一般作发黑处理，不具有反光性，现在只需要将其上铣出一个圆槽，将光学反光碗2安装进去即可，当然圆槽深度要和光学反光碗球面半径匹配，使得球面顶点到灯丝距离刚好等于球面半径。该方案能增加90%的光强。

本方案的关键在于反光碗的制作，首先，为了控制成本，该反光碗优选采用价格最为便宜且最易加工的性能最为稳定的K9光学玻璃作为基底。K9玻璃基底，一侧为球面，一侧为平面安装基准面，制作时必须精确控制中心厚度，要求精度为正负0.03mm，如此才能保证反光碗安装精度。球面做好良好的抛光处理，接着镀上一层均匀的金属铝作为反射层。镀铝，使得反光碗在生化分析仪的工作波长范围涵盖340nm到850nm的全波段都具有高反射性，特别是紫外。最后由于金属铝具有较强的金属活性，在空气中很容易氧化，为了克服这一问题，需要在铝的外边再镀上一层防氧化膜。而由于卤钨灯工作时，灯丝温度超过2000多度，距离灯丝20mm左右处，温度就高达三四百度，因此，所镀防氧化膜必须耐高温，因此优选在铝层上镀上一层均匀的二氧化硅作为防氧化保护层。该反光碗的反射面为球面，球面半径R等于球面顶点到灯丝的距离，球面反射聚光镜的通光口径D以能让光学系统在数值孔径sinU（光学系统的数值孔径U为0.1左右）内的光线都能反射为准，满足公式

D≥2RsinU。

 

其次，制作反光碗。

本实例中，光学反光碗为大恒薄膜光学加工制作的，一侧为球面反射面，一侧为平面安装基准面，它的球面半径R20.65mm，外圆直径为Φ10 mm，如图2所示，最薄处1.5mm，最厚处2.11mm。必须精确控制反光碗的中心厚度，要求加工精度为正负0.03mm，才能保证反光碗安装精度。

由上述尺寸，可知R=20.65mm，U=0.1，D=10mm，由此可得

2X20.65X0.1=4.13<10；

这满足公式要求，可以保证光学系统在数值孔径sinU（光学系统的数值孔径U为0.1左右）内的光线都能反射。

 

最后，安装反光碗。

本实例中，在生化分析仪的光学系统中安装反光碗，只需要在卤钨灯的后平面3的中心处开一个Φ10mm安装孔，将光学反光碗安装在上面即可，本实例采用的是胶接，但不限于此。安装反光碗时，使得球面顶点到灯丝距离刚好等于球面半径，反光碗距离灯丝只能在20mm左右。

通过上述反光碗的安装，完成了对光学系统的改造。

 

效果测试

为了验证本方案的效果，以下进行了生化分析仪光学系统改造前后的测试。

本方案的生化分析仪光学系统还包括信号采集电路板和信号采集仪表6位半表。

测试时，首先将生化分析仪光学系统点亮，记录此时从光电采集放大电路板上得到的340nm处的光电信号值，用6位半表来采集信号，并记录下来；然后，在生化分析仪光学系统的光源部分的后平面3处正中心开一个直径Φ10mm的小孔，该小口与上面所述光学反光碗匹配，在开的孔内安装光学反光碗，再次记录下340nm处的光电信号值，并记录下来，以作对比。

实验数据记录：

光源	信号强度1	信号强度2	信号强度3
				原光源三次数据（单位mV）	0.030	0.032	0.031
反光后三次数据（单位mV）	0.056	0.057	0.056

从数据可以看出，光强约增大为原光源数据的1.9倍。该方法能将原光源发出的光近似增大一倍，之所以只用340nm测量，因为生化分析仪中紫外光是极其重要的，340nm处的增强更有意义，而其它部分也相应会增大。

本发明的方案简单地说只需要将生化分析仪光学系统中光源相反方向（垂直纸面朝内）的光，使之沿原路返回即可实现光源背面光强的重新利用。然而，由于生化分析仪中的光学系统存在一些限制，重新利用该部分光存在一些困难。本发明人通过反复尝试，克服了在生化分析仪中的光学系统安装反射聚光镜的困难，从而实现了生化分析仪中的光学系统光强提高近一倍的目的。

Claims (12)

1.一种带反射聚光镜的生化分析仪光学系统，包括卤钨灯灯泡，其特征在于：在系统的出光方向的相反方向设置有一个反射聚光镜，该反射聚光镜具有紫外增强铝反射层，使得该反射聚光镜从近紫外到红外340nm-850nm都具有高反射性，该紫外增强铝反射层的外边再镀上一层防氧化膜。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：该反射聚光镜是在K9玻璃基底镀上一层金属铝。

3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：该防氧化膜为二氧化硅膜。

4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：该反射聚光镜是一个光学反光碗。

5.如权利要求4所述的光学系统，其特征在于：该光学反光碗的球面顶点到灯丝的距离等于球面半径R，球面反射聚光镜的通光口径D以能让光学系统在数值孔径U内的光线都能反射为准，满足公式：D≥2RsinU。

6.如权利要求4所述的光学系统，其特征在于：该光学反光碗一侧为球面反射面，一侧为平面安装基准面，其中球面半径R为20.65mm，外圆直径为Φ10mm，最薄处1.5mm，最厚处2.11mm。

7.一种提高生化分析仪光学系统光强的方法，该光学系统包括卤钨灯灯泡，该方法特征在于：在光学系统出光方向的相反方向正对光源开一个安装孔，将一个反射聚光镜安装在该安装孔内，其中该反射聚光镜具有紫外增强铝反射层，使得该反射聚光镜从近紫外到红外340nm-850nm都具有高反射性，该紫外增强铝反射层的外边再镀上一层防氧化膜。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：该反射聚光镜是在K9玻璃基底镀上一层金属铝。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：该防氧化膜为二氧化硅膜。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：该反射聚光镜是一个光学反光碗。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：该光学反光碗的球面顶点到灯丝的距离等于球面半径R，球面反射聚光镜的通光口径D以能让光学系统在数值孔径U内的光线都能反射为准，满足公式：D≥2RsinU。

12. 如权利要求10所述的方法，其特征在于：该光学反光碗一侧为球面反射面，一侧为平面安装基准面，其中球面半径R为20.65mm，外圆直径为Φ10mm，最薄处1.5mm，最厚处2.11mm。

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