CN107167448B - 一种基于复合抛物面聚光器的小型近红外光谱仪光学系统 - Google Patents
一种基于复合抛物面聚光器的小型近红外光谱仪光学系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于复合抛物面聚光器的小型近红外光谱仪光学系统，涉及光谱分析仪器技术领域，系统包括一个光学平台，光学平台上依次设置有：光源、滤光装置、第一聚焦机构、样品室、第二聚焦机构和光谱探测器；所述光源能够发出多个不同波长的近红外光，近红外光经过滤光装置后形成单色近红外光；所述第一聚焦机构对所述单色近红外光进行第一次聚焦；所述样品室设置在聚焦光斑处；所述第二聚焦机构对待测样品透射的发散近红外光进行第二次聚焦；所述光谱探测器接收并检测不同波长的近红外光谱信号。本发明实现了仪器低成本、低功耗、小型化、简单化，光照度分布较均匀，提高了近红外光谱仪的光通量，进而增大了仪器的信噪比和整体分析精度。
Description
技术领域
本发明涉及光谱分析仪器技术领域，尤其涉及一种基于复合抛物面聚光器的小型近红外光谱仪光学系统。
背景技术
基于近红外光谱技术的分析方法以快速、无损伤、无试剂、适用样品范围广、可多组分同时分析等特点，在农业、食品、石油化工、医学等领域得到了广泛的应用。当近红外光入射到待测样品后，透射光为近红外光与样品分子相互作用后的光并且携带了样品组分和结构的信息，再经过色散元件分为不同波长的单色光，由探测器接收样品光谱信号，最后利用化学计量学软件对样品的光谱进行定性、定量分析。近红外光谱分析技术是近红外光谱仪、化学计量学软件和应用模型三者的结合，而光谱仪器是该技术的基础和前提，它的性能直接影响着对光谱信号的有效分析。目前，许多国家已经建立了专门的科研团队进行相关应用领域的仪器研发，而降低仪器成本且保持足够的分析性能成为当今近红外光谱仪器研制的主导方向。近红外光谱技术在我国应用范围广、市场容量大，但是目前国内生产的近红外商用仪器还不多，大部分是国外公司产品。因此，在我国开发近红外光谱仪器基础软硬件，进行降低仪器成本、提高仪器性能等研究具有重要的现实意义。
按照分光元件不同，近红外光谱仪器一般分为：滤光片型、光栅色散型、傅里叶变换型和声光调制滤光型。光栅色散型、傅里叶变换型光谱仪虽然有信噪比高、分辨率高的优点，但是由于内部有可移动的分光器件，其抗震性差，机械轴易磨损，影响波长重复性，并且系统结构复杂，对加工的精度要求高，不利于小型化、低成本光谱仪器的研制。而滤光片型光谱仪具有成本低、结构简单、坚固稳定、光通量大等特点，成为近红外光谱仪器研究的重要发展方向。随着LED性能的提高，能满足光谱仪对光源低损耗、高亮度、长寿命、易控制的要求，再配合滤光片，可用来设计更小型化的光谱仪器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于复合抛物面聚光器的小型近红外光谱仪光学系统，方法简单且可操作性强，装置的成本较低，稳定性高，更适合于手提式光谱仪器。
为了实现上述目的，本发明的方案是：
一种基于复合抛物面聚光器的小型近红外光谱仪光学系统，所述系统包括一个光学平台，所述光学平台上依次设置有：光源、滤光装置、第一聚焦机构、样品室、第二聚焦机构和光谱探测器；所述光源能够发出多个不同波长的近红外光；所述滤光装置与光源对应设置，近红外光经过滤光装置后形成单色近红外光；所述第一聚焦机构对所述单色近红外光进行第一次聚焦，产生聚焦光斑；所述样品室设置在聚焦光斑处，用于放置待测样品；所述第二聚焦机构左右成非对称结构，对待测样品透射的发散近红外光进行第二次聚焦；所述光谱探测器接收并检测不同波长的近红外光谱信号。
进一步的，所述光源包括光源盘及固定在光源盘上的9个LED，9个LED排列为3×3的正方形，每个LED等间隔分布；由电路控制9个LED在不同时刻分别发出不同波长的近红外光。
进一步的，所述滤光装置包括滤光片盘以及固定在滤光片盘上的9个滤光片，每个滤光片与所述每个LED一一对应设置，9个滤光片排列为3×3的正方形结构，每个滤光片等间隔分布，不同位置处的滤光片的中心波长与对应的LED的峰值波长一致。
进一步的，所述第一聚焦机构为聚焦透镜，将近红外光聚焦为比较均匀的光斑并照射到样品室中的待测样品上；所述第一聚焦机构的中心与光源的中心、滤光装置的中心都在同一条直线上。
进一步的，所述样品室的纵截面为圆形，由透光性好的塑料或玻璃构成。
进一步的，所述第二聚焦机构是内部镀有高反射膜的复合抛物面聚光器，由左反射镜和右反射镜组成，所述左反射镜为全尺寸结构的复合抛物面反射镜，所述右反射镜为截短型结构的复合抛物面反射镜，所述左反射镜将待测样品透射的发散近红外光线的倾斜角度有效减小，再由右反射镜将光线进一步会聚到光谱探测器上。
进一步的，所述左反射镜与所述右反射镜对接，所述左反射镜的大口端直径与所述右反射镜的大口端直径相等；透过待测样品的发散近红外光线从左反射镜的小口端进入，在左反射镜内表面发生第一次反射，再由左反射镜的大口端进入右反射镜，在右反射镜内表面发生第二次反射，最后通过右反射镜的小口端会聚到光谱探测器上。
进一步的，所述左反射镜的最大聚光角大于右反射镜的最大聚光角，左反射镜和右反射镜的最大聚光角均不超过30°。
进一步的，所述光谱探测器是象元数为1的单元式探测器，同一时刻采集单一波长的光谱。
由于采用上述技术方案，本发明提供的一种基于复合抛物面聚光器的小型近红外光谱仪光学系统，与现有技术相比，其优势在于：仪器设备结构简单、成本低，功耗小，光通量大，稳定性高，信噪比高，提高了近红外光谱仪器的分析精度。采用复合抛物面聚光器的结构，大大增强了系统的光学效率，并且改善了入射到探测器上的光照度均匀性。
附图说明
图1为本发明的一种基于复合抛物面聚光器的小型近红外光谱仪光学系统结构框图；
图2为本发明的光源结构示意图；
图3为本发明的滤光装置结构示意图；
图4为本发明的第二聚焦机构的结构示意图；
图5为本发明的实施例1从待测物透射的近红外光经复合抛物面聚光器反射后照射到光谱探测器上的光照度分布图(假设待测物为朗伯辐射面光源)。
图中：1-光源；2-滤光装置；3-第一聚焦机构；4-样品室；5-第二聚焦机构；6-光谱探测器；7-LED；8-光源盘；9-滤光片盘；10-滤光片；11-左反射镜；12-右反射镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：
如图1至图5所示，为本发明的一种基于复合抛物面聚光器的小型近红外光谱仪光学系统的一种结构，系统包括一个光学平台，光学平台上依次设置有：光源1、滤光装置2、第一聚焦机构3、样品室4、第二聚焦机构5和光谱探测器6；光源1能够发出多个不同波长的近红外光；滤光装置2与光源1对应设置，近红外光经过滤光装置2后形成单色近红外光；第一聚焦机构3对单色近红外光进行第一次聚焦，产生聚焦光斑；样品室4设置在聚焦光斑处，用于放置待测样品；第二聚焦机构5左右成非对称结构，对待测样品透射的发散近红外光进行第二次聚焦；光谱探测器6接收并检测不同波长的近红外光谱信号。
光源1包括光源盘8及固定在光源盘8上的9个LED7，9个LED7排列为3×3的正方形，每个LED7等间隔分布，间距为4mm。由电路控制9个LED7在不同时刻分别发出不同波长的近红外光。9个LED7发出的中心波长分别为λ1＝910nm，λ2＝940nm，λ3＝980nm，λ4＝1050nm，λ5＝1070nm，λ6＝1200nm，λ7＝1300nm，λ8＝1450nm，λ9＝1550nm，每个LED7发光面为直径5.5mm的圆，发散角为±7°。
滤光装置2包括滤光片盘9以及固定在滤光片盘9上的9个滤光片10，每个滤光片10与每个LED7一一对应设置，滤光片10的直径为5.5mm。9个滤光片10排列为3×3的正方形结构，每个滤光片10等间隔分布，不同位置处的滤光片10的中心波长与对应的LED7的峰值波长一致。
第一聚焦机构3为聚焦透镜，将近红外光聚焦为比较均匀的光斑并照射到样品室4中的待测样品上，其中第一聚焦机构3的中心与光源1的中心、滤光装置2的中心处于同一条直线上。本实施例中聚焦透镜采用两片结构相同的透镜组合而成：材料为BK7，R1＝38mm，R2＝-90mm，厚度d＝5mm，通光孔径D＝28mm，透镜间隔d’＝3mm；聚焦光斑的直径为10mm。
样品室4的纵截面为圆形，由透光性好的塑料或玻璃构成。
待测样品可以为普通物品，也可以为待测人体部位如手指、舌头、耳垂等，本系统能对普通样品成分检测分析，也能对人体血液成分信息进行无创检测。
本实施例中第二聚焦机构5采用材料为高硼硅3.3玻璃、内部镀有高反射银膜的复合抛物面聚光器，由左反射镜11和右反射镜12组成，左反射镜11为全尺寸结构的复合抛物面反射镜。右反射镜12为截短型结构的复合抛物面反射镜，所述截短型结构采用截顶法而成，可缩小聚光器尺寸。经过待测物后的透射光发散角度大，由全尺寸的左反射镜11将待测样品透射的发散近红外光线的倾斜角度有效减小，再由截短型的右反射镜12将其会聚到光谱探测器6上。
左反射镜11与右反射镜12对接，左反射镜11的大口端直径与右反射镜12的大口端直径相等，约为24mm。全尺寸的左反射镜11的小口端为透过待测物的发散角度大的近红外光的入口，小口端直径为d1＝10mm,在左反射镜11内表面光线发生第一次反射，全尺寸的左反射镜11的大口端为第一次反射后的近红外光的出口。光线第一次反射后的出口也为截短型右反射镜12的入口，即右反射镜12的大口端，在右反射镜12内表面光线发生第二次反射后从其小口端出射，小口端直径为d2＝9mm，本实施例中复合抛物面聚光器总长度为68mm，复合抛物面聚光器的光能利用率为25.4％。
左反射镜11的最大聚光角大于右反射镜12的最大聚光角，左反射镜11和右反射镜12的最大聚光角均不超过30°。本实施例中，左反射镜11的最大聚光角为θ1a＝25°，右反射镜12的最大聚光角为θ2a＝22°。
光谱探测器6是象元数为1的单元式探测器，同一时刻采集单一波长的光谱。本实施例选用日本滨松公司生产的G8605-15 InGaAs PIN探测器，感光面为直径5mm的圆，光谱响应范围为0.9～1.67μm，采用一级TE制冷方式，感光灵敏度为0.95A/W，最大暗电流为12.5nA。
本系统的操作方法是：电路控制9种不同波长的LED7在不同时刻分别发出近红外光，经过对应的中心波长的滤光片10后，形成单色性好的光波并照射到样品室4中的待测样品上，透射光携带着待测样品的成分信息，再由复合抛物面聚光器将这种发散角度很大的透射光会聚至光谱探测器6上，光谱探测器6接收到的近红外光被转换为电信号，通过预处理电路和采集电路将光谱信号传输至电脑，最后利用化学计量学软件完成数据处理分析。
上述实施例可在不脱离本发明的保护范围下加以若干变化，故以上的说明所包含及附图中所示的结构应视为示例性，而非用以限制本发明申请专利的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于复合抛物面聚光器的小型近红外光谱仪光学系统，其特征在于，所述系统包括一个光学平台，所述光学平台上依次设置有：光源、滤光装置、第一聚焦机构、样品室、第二聚焦机构和光谱探测器；所述光源能够发出多个不同波长的近红外光；所述滤光装置与光源对应设置，近红外光经过滤光装置后形成单色近红外光；所述第一聚焦机构对所述单色近红外光进行第一次聚焦，产生聚焦光斑；所述样品室设置在聚焦光斑处，用于放置待测样品；所述第二聚焦机构左右成非对称结构，对待测样品透射的发散近红外光进行第二次聚焦；所述光谱探测器接收并检测不同波长的近红外光谱信号；
所述样品室的纵截面为圆形，由透光性好的塑料或玻璃构成；
所述光谱探测器是象元数为1的单元式探测器，同一时刻采集单一波长的光谱。
2.根据权利要求1所述的基于复合抛物面聚光器的小型近红外光谱仪光学系统，其特征在于，所述光源包括光源盘及固定在光源盘上的9个LED，9个LED排列为3×3的正方形，每个LED等间隔分布；由电路控制9个LED在不同时刻分别发出不同波长的近红外光。
3.根据权利要求2所述的基于复合抛物面聚光器的小型近红外光谱仪光学系统，其特征在于，所述滤光装置包括滤光片盘以及固定在滤光片盘上的9个滤光片，每个滤光片与所述每个LED一一对应设置，9个滤光片排列为3×3的正方形结构，每个滤光片等间隔分布，不同位置处的滤光片的中心波长与对应的LED的峰值波长一致。
4.根据权利要求1所述的基于复合抛物面聚光器的小型近红外光谱仪光学系统，其特征在于，所述第一聚焦机构为聚焦透镜，将近红外光聚焦为比较均匀的光斑并照射到样品室中的待测样品上；所述第一聚焦机构的中心与光源的中心、滤光装置的中心都在同一条直线上。
5.根据权利要求1所述的基于复合抛物面聚光器的小型近红外光谱仪光学系统，其特征在于，所述第二聚焦机构是内部镀有高反射膜的复合抛物面聚光器，由左反射镜和右反射镜组成，所述左反射镜为全尺寸结构的复合抛物面反射镜，所述右反射镜为截短型结构的复合抛物面反射镜，所述左反射镜将待测样品透射的发散近红外光线的倾斜角度有效减小，再由右反射镜将光线进一步会聚到光谱探测器上。
6.根据权利要求5所述的基于复合抛物面聚光器的小型近红外光谱仪光学系统，其特征在于，所述左反射镜与所述右反射镜对接，所述左反射镜的大口端直径与所述右反射镜的大口端直径相等；透过待测样品的发散近红外光线从左反射镜的小口端进入，在左反射镜内表面发生第一次反射，再由左反射镜的大口端进入右反射镜，在右反射镜内表面发生第二次反射，最后通过右反射镜的小口端会聚到光谱探测器上。
7.根据权利要求6所述的基于复合抛物面聚光器的小型近红外光谱仪光学系统，其特征在于，所述左反射镜的最大聚光角大于右反射镜的最大聚光角，左反射镜和右反射镜的最大聚光角均不超过30°。
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| 基于TracePro的AOTF中红外光谱仪的优化设计;余桂英;姚帅;郭天太;金骥;;红外与激光工程;第37卷(第S2期);441-444 * |
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