CN105891114B - 用于测量散射光谱的比色皿及其光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量散射光谱的比色皿及其光学系统，涉及一种比色皿及其光学系统，其中，比色皿包括比色皿本体，比色皿本体的纵截面为斜腰是弧形凹面的直角梯形结构，比色皿本体的各面均透光，且入射角θ大于56°，弧形凹面与比色皿本体的中垂线h相交于沿垂直方向上3:7的位置。光学系统包括激发光源、狭缝Ⅰ、上述比色皿、光电检测器，激发光源、狭缝Ⅰ设置在比色皿本体的平面一侧，光电检测器设置在弧形凹面的焦点处。本发明利用全反射原理，扩大了激发光和散射光之间的间隔，阻止了激发光进入检测器；同时通过弧形凹面汇集散射光，提高了进入检测器的光通量及光利用率，可用于液体样品的荧光、磷光或拉曼光等受激发产生的散射光测量。

Description

用于测量散射光谱的比色皿及其光学系统
技术领域
本发明涉及一种比色皿及其光学系统，特别是一种用于测量散射光谱的比色皿及其光学系统。
背景技术
光谱测量可采用透射、反射、漫射等形式，以及荧光和拉曼光等由光激发而产生的散射光。散射光相对于激发光的强度，荧光要低几个数量级，拉曼光则更低。因此在测量散射光谱时，需尽可能增强被激发光的强度，同时尽可能避免激发光进入检测器。为了避免激发光的影响，目前采用入射光路和检测光路垂直，从受激发光影响最小的方向检测激发出来的散射光。图5是目前用于液体的荧光测量的光路系统的示意图，激发光源２发出的激发光通过狭缝Ⅰ３后射入比色皿，激发比色皿内的液体产生分散的荧光；在入射光的垂直方向设置狭缝Ⅱ5，一路散射光S通过狭缝Ⅱ5后，照射到光电检测器4，光电转换后测量其信号。这种设计的限制是，检测光路与激发光路之间无法再获得更大间隔，难以避免激发光进入光电检测器；另外进入光电检测器4的只是整体散射光的很小一部分，光利用率低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种用于测量散射光谱的比色皿及其光学系统，以解决现有技术存在的难以避免激发光进入光电检测器、光利用率低的不足之处。
解决上述技术问题的技术方案是：一种用于测量散射光谱的比色皿，包括比色皿本体，该比色皿本体的纵截面为斜腰是弧形凹面的直角梯形结构，比色皿本体的各面均透光。
本发明的进一步技术方案是：所述的比色皿本体的入射角θ大于56°，入射角θ为入射光线与弧形凹面法线的夹角。
本发明的进一步技术方案是：所述的弧形凹面与比色皿本体的中垂线h相交于沿垂直方向上H1:H2=3:7的位置。
本发明的进一步技术方案是：所述的比色皿本体由石英玻璃或光学玻璃或高分子聚合物制成。
本发明的另一技术方案是：一种用于测量散射光谱的光学系统，包括依次设置在光路上的激发光源、狭缝Ⅰ、比色皿、光电检测器，所述的比色皿为上述的用于测量散射光谱的比色皿，所述的激发光源、狭缝Ⅰ设置在比色皿本体的平面一侧，光电检测器设置在弧形凹面的焦点O处。
由于采用上述结构，本发明之用于测量散射光谱的比色皿及其光学系统与现有技术相比，具有以下有益效果：激发比色皿内的液体产生分散的荧光；
1.可避免激发光进入光电检测器
由于本发明的比色皿本体的纵截面为斜腰是弧形凹面的直角梯形结构，即是将原来呈正方体的比色皿一侧改为弧形凹面。使用时，激发光源发出的激发光通过狭缝Ⅰ后垂直于比色皿本体的平面射入，穿过比色皿本体内的液体，投射到弧形凹面上，控制弧形凹面的位置，使得入射角θ大于某一角度，以便实现入射激光光线的全反射，使入射激光光线无法透过弧形凹面，因而再度进入液体，从比色皿本体的其他透光平面射出。同时，由于本发明的光电检测器设置在弧形凹面的焦点处，因而该光电检测器远离入射激光光线及出射激光光线设置。因此，本发明利用全反射原理，扩大了激发光和散射光之间的间隔，避免了激发光进入光电检测器，保证了检测结果的准确性。
2. 光利用率高
由于本发明的比色皿本体的纵截面为斜腰是弧形凹面的直角梯形结构，即是将原来呈正方体的比色皿一侧改为弧形凹面。使用时，激发光激发比色皿本体内的液体产生方向各异的散射光，这些散射光透过弧形凹面，由于弧形凹面的汇聚作用，能将很大一部分光汇聚于焦点，起到增强光效率的作用，因此，本发明将光电检测器放置在焦点位置或者由焦点导光至光电检测器，大大提高了进入光电检测器的光通量，从而提高了光利用率。
3. 适用范围广
本发明的比色皿可用于液体样品的荧光、磷光或拉曼光等受激发产生的散射光的测量，其适用范围较广。
4. 结构简单，成本低，易于推广应用。
下面，结合附图和实施例对本发明之用于测量散射光谱的比色皿及其光学系统的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1：实施例一所述本发明用于测量散射光谱的比色皿的结构示意图，
图2：图1的左视图，
图3：图2的俯视图，
图4：实施例二所述本发明用于测量散射光谱的光学系统的结构示意图，
图5：目前用于液体的荧光测量的光路系统结构示意图。
在上述附图中，各标号说明如下：
1-用于测量散射光谱的比色皿，11-比色皿本体，111-弧形凹面，
2-激发光源，3-狭缝Ⅰ，4-光电检测器， 5-狭缝Ⅱ， 6-原有的比色皿，
h-比色皿本体的中垂线，R-弧形凹面的半径，θ-入射角，O-弧形凹面的焦点，
S-散射光线，IN-入射激光光线， OUT-出射激光光线。
具体实施方式
实施例一
一种用于测量散射光谱的比色皿1，包括比色皿本体11，该比色皿本体11的纵截面为斜腰是弧形凹面111的直角梯形结构，比色皿本体11的入射角θ为60°，可使入射光在折射率大于1.16的样品中产生全反射，入射角θ为入射光线与弧形凹面111法线的夹角。所述的弧形凹面111与比色皿本体11的中垂线h相交于沿垂直方向上H1:H2=3:7的位置，H1为比色皿本体的上底面至弧形凹面与比色皿本体中垂线h相交点的垂直距离；H2为比色皿本体的下底面至弧形凹面与比色皿本体中垂线h相交点的垂直距离；对于10mm尺寸的比色皿，弧形凹面的焦点O至弧形凹面的距离（即弧形凹面的半径R）为89.14mm。入射的激发光从比色皿的底面中心射入，在距离比色皿的底面7mm处发生全反射，从右上角的顶面边缘射出，对于折射率小于2的样品，不会被反射和阻挡。
本比色皿本体的各面均透光，根据光谱波长要求，比色皿本体11由石英玻璃。
实施例二
一种用于测量散射光谱的光学系统，包括依次设置在光路上的激发光源2、狭缝Ⅰ3、比色皿、光电检测器4，所述的比色皿为实施例一所述的用于测量散射光谱的比色皿1，该比色皿的具体结构如下：
一种用于测量散射光谱的比色皿1，包括比色皿本体11，该比色皿本体11的纵截面为斜腰是弧形凹面111的直角梯形结构，比色皿本体11的入射角θ为60°，可使入射光在折射率大于1.16的样品中产生全反射，入射角θ为入射光线与弧形凹面111法线的夹角。所述的弧形凹面111与比色皿本体11的中垂线h相交于沿垂直方向上H1:H2=3:7的位置，H1为比色皿本体的上底面至弧形凹面与比色皿本体中垂线h相交点的垂直距离；H2为比色皿本体的下底面至弧形凹面与比色皿本体中垂线h相交点的垂直距离；对于10mm尺寸的比色皿，弧形凹面的焦点O至弧形凹面的距离（即弧形凹面的半径R）为89.14mm。入射的激发光从比色皿的底面中心射入，在距离比色皿的底面7mm处发生全反射，从右上角的顶面边缘射出，对于折射率小于2的样品，不会被反射和阻挡。本比色皿本体的各面均透光，根据光谱波长要求，比色皿本体1由石英玻璃。
所述的激发光源2、狭缝Ⅰ3垂直设置于比色皿本体11的底面下方，光电检测器4设置在弧形凹面的焦点O处。
本实施例二的工作原理如下：
使用时，激发光源发出的激发光通过狭缝Ⅰ后从垂直于比色皿本体的底面射入，穿过比色皿本体内的液体，投射到弧形凹面上，控制弧形凹面的位置，使得入射角θ大于某一角度，因为绝大部分液体的折射率大于1.2，所以该角度只要大于56°[arcsin（1/1.2）=56.4°]，就能实现入射激光光线的全反射，使入射激光光线无法透过弧形凹面，因而再度进入液体，从比色皿本体的其他透光平面射出。同时，由于本发明的光电检测器设置在弧形凹面的焦点处，因而该光电检测器远离入射激光光线及出射激光光线设置，完全可避免激发光进入光电检测器，保证了检测结果的准确性。
另一方面，激发光激发比色皿本体内的液体产生方向各异的散射光，这些散射光透过弧形凹面，由于弧形凹面的汇聚作用，能将很大一部分光汇聚于焦点，起到增强光效率的作用，因此，本发明将光电检测器放置在焦点位置或者由焦点导光至光电检测器，提高了进入光电检测器的光通量，从而提高了光利用率。
作为本实施例一、二的一种变换，所述的入射角θ还可以增大或减小，但一般是大于56°。
作为本实施例一、二的又一种变换，所述的比色皿本体11还可以是由光学玻璃或高分子聚合物制成。

Claims (5)

1.一种用于测量散射光谱的比色皿（1），包括比色皿本体（11），其特征在于：该比色皿本体（1）的纵截面为斜腰是弧形凹面（111）的直角梯形结构，比色皿本体（11）的各面均透光。
2.根据权利要求1所述的用于测量散射光谱的比色皿，其特征在于：所述的比色皿本体（11）的入射角θ大于56°，入射角θ为入射光线与弧形凹面（111）法线的夹角。
3.根据权利要求1所述的用于测量散射光谱的比色皿，其特征在于：所述的弧形凹面（111）与比色皿本体（11）的中垂线h相交于沿垂直方向上H1:H2=3:7的位置；H1为比色皿本体的上底面至弧形凹面与比色皿本体中垂线h相交点的垂直距离；H2为比色皿本体的下底面至弧形凹面与比色皿本体中垂线h相交点的垂直距离。
4.根据权利要求1所述的用于测量散射光谱的比色皿，其特征在于：所述的比色皿本体（11）由石英玻璃或光学玻璃或高分子聚合物制成。
5.一种用于测量散射光谱的光学系统，包括依次设置在光路上的激发光源（2）、狭缝Ⅰ（3）、比色皿、光电检测器（4），其特征在于：所述的比色皿为权利要求1至4任一权利要求所述的用于测量散射光谱的比色皿（1），所述的激发光源（2）、狭缝Ⅰ（3）设置在比色皿本体（11）的平面一侧，光电检测器（4）设置在弧形凹面的焦点O处。
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