CN106841105B - 一种用于物质识别的多波长近红外光谱测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于物质识别的多波长近红外光谱测量装置，该装置在基于红外光谱分析技术识别样品的物质组成时，快速测量样品在多个红外谱段的辐射强度，以提取样品的光谱特征；测量装置基于带通滤光片从宽带红外辐射中分离出待测谱段，通过特殊的光路结构使得带通滤光片同时完成光束分束和光谱滤波的工作，消除独立分束环节导致的辐射能量损失。利用本发明，可以简化光谱测量装置结构，提高入射辐射能量的利用效率，增强对微弱红外辐射的测量能力。
Description
技术领域
本发明涉及光谱测量技术领域，尤其涉及一种用于物质识别的多波长近红外光谱测量装置。
背景技术
红外光谱分析技术是识别物质化学成份的一种重要技术手段，具有特征性强、适用范围广，非接触测量、操作方便等优点。物质的红外吸收光谱主要由分子振动的倍频或合频决定，不同的分子具有表征其结构特性的振动频率，即对应特有的红外吸收光谱。近红外(700nm-2500nm)光谱范围内，含C-H，N-H，O-H，S-H，C＝O，C＝C基团振动的倍频或合频对光辐射的吸收效应明显，适合鉴别各类有机物的化学物种。
光谱测量设备用于获取物质的光谱信息，为光谱分析技术提供必备的数据。根据功能和应用场景的不同，光谱测量设备可以分为光谱仪和专用测量装置两大类，光谱仪具有通用性好，分辨率高，可获取物体的连续光谱图谱等优势，但此类设备结构复杂，成本较高且测量速度慢，适合与对测量精度及数据连续性要求较高的情况，特别的，适合用于需定量分析物质组成的场合。专用测量装置通常根据工作需求，测量具有特征性的少量光谱数据，此类装置具有结构简单，经济性和可靠性高，测量速度快，识别效率高的优点，适用于在工业生产过程中对物质的定性识别。
近红外多波长光谱测量装置是一种用于识别特定物质的专用光谱测量装置，用于测量样品在多个窄谱段内的辐射强度，测量谱段的数量及波长根据光谱识别的需要预先确定。此类装置在数个毫秒内即可完成测量工作，在针对大批量物质的在线识别检测中具有重要的应用价值。目前主要有如下两种方案：
1)用于识别两种塑料材质的红外双波长光谱探测器。该方案利用红外分束镜或红外二向色镜将入射探测器的红外辐射分为两路，每路光辐射分别由一个红外带通滤光片进行光谱滤波，每个带通滤光片对应一个测量谱段，从而从样品出射的光辐射中分离出两个测量谱段，并由红外探测器完成光电转换。但是，该方案的缺陷在于：谱段分离过程由分束和带通滤波两个环节完成，需由光分束器和红外带通滤光片配合实现，系统较为复杂。并且，所使用的红外分束镜或红外二向色镜仅能将一路入射辐射分离为两路出射辐射，且每路出射辐射只能对应一个测量谱段。当需要测量的多个谱段时，必须级联多个分束元件，导致系统复杂度及装调难度均大增加。此外，红外分束镜配合带通滤光片进行谱段分离时，分束后单个出射光路的辐射能量降至入射能量的50％以下，存在较大的能量损失，限制了系统对微弱红外辐射的测量能力。
2)用于识别多种塑料材质的红外多波长光谱探测器。该方案利用多根光纤组成的传光束作为多路分束装置，通过在传光束尾端将光纤分组，将入射穿光束的单路辐射分割为多路出射。每路光辐射分别由一个红外带通滤光片进行光谱滤波，各带通滤光片对应一个测量谱段，从而同时对样品在多个波长的辐射强度进行测量。但是，该方案的缺陷在于：测量装置利用光纤传光束作为分束器件，分束前后的总辐射能量受传光束的端面填充因子、耦合效率及传输损耗的限制，存在较大损失。同时，测量装置将入射辐射能量按一定的能量比值分配到各测量分支中，再经带通滤光片光谱滤波后测量辐射强度。随着测量波长的增加，各谱段分配到的能量快速下降，限制了系统对微弱红外辐射的测量能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于物质识别的多波长近红外光谱测量装置，可以简化光谱测量装置结构，提高入射辐射能量的利用效率，增强对微弱红外辐射的测量能力。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于物质识别的多波长近红外光谱测量装置，包括：宽带红外光源、前置物镜、谱段分离装置、若干红外辐射探测器以及光吸收器；其中：
宽带红外光源为被测样品提供照明辐射，照明方向与测量装置的观察方向呈一定的夹角安置；前置物镜收集样品表面反射的红外辐射，并准直为平行光入射至谱段分离装置；
所述谱段分离装置具有1个入射光轴，若干测量分支光轴，及1个出射光轴，其中入射光轴与前置物镜准直后的平行光共轴，测量分支光轴数量与测量波长一致，入射的宽带辐射经分离装置处理后，分离为与测量波长一一对应的窄带红外辐射，并以平行光形式从各测量分支出射，并由的相应的红外辐射探测器对辐射能量进行测量；红外辐射探测器与测量分支一一对应设置，两者光轴重合；而谱段分离后，非测量波长的红外辐射从谱段分离装置的出射光轴出射，并由光吸收器吸收。
所述前置物镜包括：依次设置的聚光物镜、小孔光阑与准直物镜；其中：
所述聚光物镜收集样品的散射辐射，并对样品成像；小孔光阑设置在聚光物镜的成像面位置，限制测量的视场范围；准直物镜的物方焦面与光阑重合，将入射红外辐射准直为平行光；
经准直后，出射光辐射的发散角θ由准直物镜焦距f和小孔光阑直径d确定，满足关系：tanθ＝d/2f。
所述谱段分离装置包括：平面反射镜与若干带通滤光片；其中：
所述平面反射镜用于折转入射光轴，通过调整平面反射镜角度，使得反射光束倾斜入射第一片带通滤光片的中心；带通滤光片为圆形平板，表面镀有全介质带通滤光膜，入射辐射在滤光片表面发生分束，一部分辐射透过带通滤光片从测量支路出射，另一部分辐射经带通滤光片表面反射，继续向下一级带通滤光片传播；
通过光路两侧的交错排列的若干带通滤光片，使光轴按之字型多次折转，并分离出若干测量支路；相邻两级带通滤光片分别设置在光路两侧，轴线相互平行，表面间距为D，轴线间距为L，则入射辐射倾斜角α满足关系：tan(α)＝L/D，从而保证上一级滤光片反射的辐射完整入射下一级滤光片；且轴线间距大于带通滤光片半径，以保证带通滤光片之间不发生遮挡，并通过控制表面间距D保证设计的入射辐射倾斜角α小于一定角度。
入射辐射通过带通滤光片后的透射部分为窄带单色辐射，反射部分为剩余的宽带辐射；通过级联多个带通滤光片，将多个测量波长的窄带单色辐射逐一分离至测量支路；
针对正入射条件设计的带通滤光片在光束倾斜角α的情况下工作时，中心波长设计值为λ’与实际透过中心波长λ满足下式：：
所述红外辐射探测器包括：聚焦透镜与红外光电二极管；其中：
所述聚焦透镜与测量分支光轴共轴，红外光电二极管设置在聚焦透镜焦点位置，测量分支出射的窄带红外辐射经透镜汇聚在红外二级管的光敏面上，输出与辐射能量成正比的电信号，并由计量仪表进行测量。
所述光吸收器具有一个入射窗口，内部具有空腔结构，空腔结构的内壁设有光吸收层，空腔结构为球形、圆柱或立方体形状，光吸收层通过喷涂消光漆或吸光材料实现。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，在基于红外光谱分析技术识别样品的物质组成时，快速测量样品在多个红外谱段的辐射强度，以提取样品的光谱特征；测量装置基于带通滤光片从宽带红外辐射中分离出待测谱段，通过特殊的光路结构使得带通滤光片同时完成光束分束和光谱滤波的工作，消除独立分束环节导致的辐射能量损失。利用本发明，可以简化光谱测量装置结构，提高入射辐射能量的利用效率，增强对微弱红外辐射的测量能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种用于物质识别的多波长近红外光谱测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的前置物镜结构示意图；
图3为本发明实施例提供的谱段分离装置结构示意图；
图4为本发明实施例提供的红外辐射探测器结构示意图；
图5为本发明实施例提供的光吸收器结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种用于物质识别的多波长近红外光谱测量装置，如图1所示，其主要包括：宽带红外光源6、前置物镜1、谱段分离装置2、若干红外辐射探测器(3a、3b、3c…3n)以及光吸收器4；其中：
宽带红外光源6为被测样品6提供照明辐射，照明方向与测量装置的观察方向呈一定的夹角安置；前置物镜1收集样品表面反射的红外辐射，并准直为平行光入射至谱段分离装置2；
所述谱段分离装置2具有1个入射光轴20，若干测量分支光轴(2a、2b、2c…2n)，及1个出射光轴21，其中入射光轴20与前置物镜1准直后的平行光共轴，测量分支光轴数量与测量波长一致，入射的宽带辐射经分离装置处理后，分离为与测量波长一一对应的窄带红外辐射，并以平行光形式从各测量分支出射，并由的相应的红外辐射探测器对辐射能量进行测量；红外辐射探测器与测量分支一一对应设置，两者光轴重合；而谱段分离后，非测量波长的红外辐射从谱段分离装置2的出射光轴21出射，并由光吸收器4吸收。
本发明实施例中谱段分离装置中测量分支的数量与红外辐射探测器的数量相同，图1所示的结构中为了便于表示仅示出了四条测量分支与四个红外辐射探测器；在实际工作中，测量分支的具体数量可以根据实际所要测量波长的数量来设定。
为了便于理解，下面结合附图对测量装置中的器件做详细说明。
如图2所示为前置物镜的结构示意图。其主要包括：依次设置的聚光物镜11、小孔光阑12与准直物镜13；其中：
所述聚光物镜11收集样品的散射辐射，并对样品成像；小孔光阑12设置在聚光物镜11的成像面位置，限制测量的视场范围；准直物镜13的物方焦面与光阑重合，将入射红外辐射准直为平行光；
经准直后，出射光辐射的发散角θ由准直物镜13焦距f和小孔光阑12直径d确定，满足关系：tanθ＝d/2f。
本发明实施例中，准直物镜13具有足够长的焦距，使得光束发散角小于3°。
图3为谱段分离装置结构示意图。如图3a所示，其主要包括：平面反射镜23与若干带通滤光片(24a、24b、24c、24d)；其中：
所述平面反射镜20用于折转入射光轴，通过调整平面反射镜角度，使得反射光束倾斜入射第一片带通滤光片24a的中心；带通滤光片为圆形平板，表面镀有全介质带通滤光膜，入射辐射在滤光片表面发生分束，一部分辐射透过带通滤光片从测量支路出射，另一部分辐射经带通滤光片表面反射，继续向下一级带通滤光片传播；
通过光路两侧的交错排列的若干带通滤光片，使光轴按之字型多次折转，并分离出若干测量支路。
带通滤光片的原理如图3b所示。相邻两级带通滤光片(24i和24i+1)分别设置在光路两侧，轴线相互平行，表面间距为D，轴线间距为L，则入射辐射倾斜角α满足关系：tan(α)＝L/D，从而保证上一级滤光片反射的辐射完整入射下一级滤光片；且轴线间距大于带通滤光片半径，以保证带通滤光片之间不发生遮挡，并通过控制表面间距D保证设计的入射辐射倾斜角α小于一定角度。此外，由于全介质带通滤光片对光辐射的吸收作用很小，入射辐射通过带通滤光片后的透射部分为窄带单色辐射，反射部分为剩余的宽带辐射；通过级联多个带通滤光片，将多个测量波长的窄带辐射逐一分离至测量支路。
透过全介质滤光片的窄带单色辐射中心波长受光束入射角度的影响，针对正入射条件设计的带通滤光片在光束倾斜角α的情况下工作时，中心波长设计值为λ’与实际透过中心波长λ满足下式：
各测量支路中应根据入射光束倾斜角对滤光片的中心波长设计值进行修正，以获得和测量波长匹配的透过特性。光谱分离装置的出射光轴为滤光片组中最后一级滤光片的反射光轴，测量波长之外的剩余红外辐射从此分支出射。
如图4所示为红外辐射探测器结构示意图。其主要包括：聚焦透镜31与红外光电二极管32；其中：
所述聚焦透镜31与测量分支光轴2i共轴，红外光电二极管32设置在聚焦透镜31焦点位置，测量分支出射的窄带红外辐射经透镜汇聚在红外二级管32的光敏面上，输出与辐射能量成正比的电信号，并由计量仪表进行测量。
如图5所示为光吸收器结构示意图。所述光吸收器具有一个入射窗口41，内部具有空腔结构42，空腔结构42的内壁设有光吸收层43，空腔结构42为球形、圆柱或立方体形状，光吸收层43通过喷涂消光漆或吸光材料实现。经谱段分离后的剩余辐射，自入射窗口41进入空腔结构42并被光吸收层43吸收，达到降低杂散光对测量结果的影响的目的。
本发明实施例的上述方案，基于红外带通滤光片实现光谱滤波，具有成本低，测量速度快的优点，基于本发明中多个带通滤光片的级联方法，可根据测量需求，便捷的增加测量波长的数量，扩展性好。此外，本装置无需专门的分束器件，简化了测量系统结构的同时消除了分束环节导致的能量损失，极大的提高了测量过程对入射辐射能量的利用效率，增强了对微弱红外信号的测量能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种用于物质识别的多波长近红外光谱测量装置，其特征在于，包括：宽带红外光源、前置物镜、谱段分离装置、若干红外辐射探测器以及光吸收器；其中：
宽带红外光源为被测样品提供照明辐射，照明方向与测量装置的观察方向呈一定的夹角安置；前置物镜收集样品表面反射的红外辐射，并准直为平行光入射至谱段分离装置；
所述谱段分离装置具有1个入射光轴，若干测量分支光轴，及1个出射光轴，其中入射光轴与前置物镜准直后的平行光共轴，测量分支光轴数量与测量波长数量一致，入射的宽带辐射经分离装置处理后，分离为与测量波长一一对应的窄带红外辐射，并以平行光形式从各测量分支出射，并由相应的红外辐射探测器对辐射能量进行测量；红外辐射探测器与测量分支一一对应设置，两者光轴重合；而谱段分离后，非测量波长的红外辐射从谱段分离装置的出射光轴出射，并由光吸收器吸收。
2.根据权利要求1所述的一种用于物质识别的多波长近红外光谱测量装置，其特征在于，所述前置物镜包括：依次设置的聚光物镜、小孔光阑与准直物镜；其中：
所述聚光物镜收集样品的散射辐射，并对样品成像；小孔光阑设置在聚光物镜的成像面位置，限制测量的视场范围；准直物镜的物方焦面与光阑重合，将入射红外辐射准直为平行光；
经准直后，出射光辐射的发散角θ由准直物镜焦距f和小孔光阑直径d确定，满足关系：tanθ＝d/2f。
3.根据权利要求1所述的一种用于物质识别的多波长近红外光谱测量装置，其特征在于，所述谱段分离装置包括：平面反射镜与若干带通滤光片；其中：
所述平面反射镜用于折转入射光轴，通过调整平面反射镜角度，使得反射光束倾斜入射第一片带通滤光片的中心；带通滤光片为圆形平板，表面镀有全介质带通滤光膜，入射辐射在滤光片表面发生分束，一部分辐射透过带通滤光片从测量支路出射，另一部分辐射经带通滤光片表面反射，继续向下一级带通滤光片传播；
通过光路两侧的交错排列的若干带通滤光片，使光轴按之字型多次折转，并分离出若干测量支路；相邻两级带通滤光片分别设置在光路两侧，轴线相互平行，表面间距为D，轴线间距为L，则入射辐射倾斜角α满足关系：tan(α)＝L/D，从而保证上一级滤光片反射的辐射完整入射下一级滤光片；且轴线间距大于带通滤光片半径，以保证带通滤光片之间不发生遮挡，并通过控制表面间距D保证设计的入射辐射倾斜角α小于一定角度。
4.根据权利要求3所述的一种用于物质识别的多波长近红外光谱测量装置，其特征在于，
入射辐射通过带通滤光片后的透射部分为窄带单色辐射，反射部分为剩余的宽带辐射；通过级联多个带通滤光片，将多个测量波长的窄带单色辐射逐一分离至测量支路；
针对正入射条件设计的带通滤光片在光束倾斜角α的情况下工作时，中心波长设计值为λ’与实际透过中心波长λ满足下式：
5.根据权利要求1所述的一种用于物质识别的多波长近红外光谱测量装置，其特征在于，所述红外辐射探测器包括：聚焦透镜与红外光电二极管；其中：
所述聚焦透镜与测量分支光轴共轴，红外光电二极管设置在聚焦透镜焦点位置，测量分支出射的窄带红外辐射经透镜汇聚在红外二级管的光敏面上，输出与辐射能量成正比的电信号，并由计量仪表进行测量。
6.根据权利要求1所述的一种用于物质识别的多波长近红外光谱测量装置，其特征在于，所述光吸收器具有一个入射窗口，内部具有空腔结构，空腔结构的内壁设有光吸收层，空腔结构为球形、圆柱或立方体形状，光吸收层通过喷涂吸光材料实现。
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