CN108955878B - 具有欠充满光纤样品接口的光学分光计 - Google Patents

具有欠充满光纤样品接口的光学分光计 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光学装置，该光学装置包括一个会聚透镜装置、一个透射光纤、一个样品架、以及一个接收光纤。该会聚透镜装置将光聚焦到该透射光纤上，该透射光纤经由入射面接收该聚焦的光并且使从出射面离开的光透过样品并且到达该接收光纤上。该样品架固持该用于分析的样品。该接收光纤经由该接收光纤的入射面接收透过样品之后的光。该会聚透镜装置经定位以将光聚焦到该透射光纤的入射面上，使得到达该透射光纤的入射面的该聚焦的光的角分布的一个半角被选择为在空间维度和角维度中欠充满该接收光纤的入射面的入射孔径。

Description

具有欠充满光纤样品接口的光学分光计
本申请是国际申请号为PCT/US2012/040219，国际申请日为2012年05月31日，进入中国国家阶段的申请号为201280033788.5，名称为“具有欠充满光纤样品接口的光学分光计”的发明专利申请的分案申请。
背景技术
光学分光计测量一个或多个波长下的光的强度以确定样品(通常是液体样品)的某些特性。将光导引通过样品，并且将一个或多个波长下的输出光的强度与一个或多个波长下的输入光的强度进行比较以确定样品的特性，例如吸光率、透射率、荧光性和/或反射率，其中光通常在紫外(UV)和/或可见(Vis)波长范围中，但是也可以使用其他波长范围，包括近红外(NIR)和红外(IR)波长范围。测出的特性提供了关于样品内的组分的身份、它们的相对浓度、可能还有样品的其他特征的信息。光学分光计正越来越普遍地用于分析小试样，例如在生物技术和药物学领域中基于它们的价值而具有两微升(μl)或两微升以下的体积的那些小试样，在生物技术和药物学领域试样的可用量通常倾向于非常有限。
在光谱学中，可以使用光纤使光透过样品，以便分析样品的组成。光纤可包括单根纤维或一束多根纤维。光纤典型地由被具有较低折射率的透明包覆材料环绕的透明芯组成。光通过全内反射而保持在芯中，从而使纤维充当波导。存在与光纤轴线所成的最大角，光可以按照该角从光纤的入射面进入、在纤维的芯中传播、并且从光纤的出射面离开。此最大角的正弦值是光纤的数值孔径(numerical aperture(NA))。由于该最大角，透射到光纤中的光的不同分布可以导致来自该光纤不同的强度测量值。
发射点大小是来自光源的光所照射的光纤面的面积。发射点的直径取决于光源的大小和定位以及光源与光纤的入射面之间的光学元件(例如透镜)的性质。角分布是来自光学光源的、入射在光纤的入射面上的光的角范围。角分布还取决于光源的大小和定位以及光源与光纤的入射面之间的光学元件的性质。其结果是，关于光纤，由光源以及任何介入的光学元件创造的并且进入光纤中的光分布可以被定义为光在四个自由度下的统计分布，该四个自由度中两个是空间自由度并且两个是角自由度。
典型地，多模光纤发射条件的特征为欠充满或过充满。欠充满光纤将大部分的光功率集中在光纤的中心。当发射芯的直径和角分布小于光纤芯的直径和角分布时，发生欠充满发射。
UV-Vis光谱法一般测量在紫外-可见光谱范围中样品的吸光率或反射率，并且因此使用可见和相邻(近UV和NIR)范围中的光。可见范围中的吸光率或反射率直接影响所涉及化学品的所感知颜色。比尔-朗伯定律规定样品的吸光率与样品中的吸光物质的浓度以及路径长度成正比。因此，对于固定的路径长度，UV/Vis光谱学可用于确定样品中的吸光物的浓度。需要知道吸光率随样品中的吸光物的浓度变化的速度。作为实例，这可以从参考资料(摩尔消光系数表)中取得或者使用校准曲线来确定。
光学分光计测量穿过样品的光的强度并且将它与穿过样品之前的光强度进行比较。该比率被称作透射率。可以使用各种光源来进行光谱法，例如UV-Vis光谱法，但是基于样品中待识别的组份的类型来选择光源的波长。例如，光学分光计可以利用发光二极管(LED)或各种不同类型的灯，例如钨丝、氘弧光灯和氙弧光灯等，作为光源。
LED的额定寿命是按照它达到其初始强度的一半所花的时间来给出。其结果是，在LED的寿命内的波动预计是很大的。另外，LED的强度可能会随仪器的周围或内部温度而变，其中时间标度是数分钟。因此，在数分钟到数小时的时段内测得的连续的分析值可以展现出超过可用光学分光计的可接受极限的显著的时间相依性。漂移是LED的强度的所报告的分析值随时间发生的改变，并且即使在光学分光计未受到扰动时，漂移也可能发生。已经发现，不同波长的LED可能以不同的速率以及沿不同的方向发生漂移，并且每个LED的不同部分自身可能以不同的速率发生漂移，其结果是没有两个光学分光计同样地发生漂移。
除了漂移之外，其他因素也可能造成光学分光计测得的强度值发生变化。例如，光纤中的一根或两根光纤上的污染物可能会引起变化。样品中的不透明或散射夹杂物，包括灰尘、微粒和气泡，可能会引起变化。样品液滴在光纤接口上的错放，例如由于基于人工操作而发生的正常变化，可能会引起变化。
UV-Vis透射光谱法的常规路径长度是一厘米(cm)。因此，当吸收性是以每cm的吸光率为单位来报告时，吸光率与吸收性之间存在1:1关系。对于微升样品，路径长度更小，大约0.005到0.02cm。因此，吸光率测量值必须乘以大的值(50到200倍)，从而以用户所预期的常规单位来报告绝对吸光率。这个因数还使吸光率测量值的误差倍增，从而使与强度变化相关联的误差校正成为光学分光计制造中的重要设计指标，尤其是在利用LED光源的那些光学分光计中。
发明内容
在说明性实施例中，提供一种用于分析样品的光学装置。该光学装置包括但不限于一个会聚透镜装置、一个透射光纤、一个样品架、以及一个接收光纤。该会聚透镜装置被安装为接收基本上准直的光并且被配置成将接收到的光聚焦到该透射光纤上。该透射光纤包括一个入射面和一个出射面，并且被安装为经由该入射面接收该聚焦的光并且使从该出射面离开的该接收到的、聚焦的光透过样品并且到达该接收光纤上。该样品架被配置成固持该用于分析的样品。该接收光纤包括一个入射面和一个出射面并且被安装为经由该接收光纤的入射面接收透过样品之后的透射光。该会聚透镜装置经定位以将该接收到的光聚焦到该透射光纤的入射面上，使得到达该透射光纤的入射面的该聚焦的光的角分布的一个半角被选择为在空间维度和角维度中欠充满该接收光纤的该入射面的入射孔径。
在阅读了以下图式、详细说明和所附权利要求书之后，本领域的技术人员将会明白本发明的其他主要特征和优点。
附图简要说明
下文将参考附图来描述本发明的说明性实施例，在附图中相同的数字表示相同的元件。
图1描绘了根据说明性实施例的光谱学系统的框图。
图2描绘了根据说明性实施例的分光计的透视图。
图3描绘了根据说明性实施例的结合在图2的分光计中的传感器的框图。
图4描绘了根据说明性实施例的图3的传感器的透视图。
图5a描绘了根据说明性实施例的图3的传感器的一部分的剖开视图。
图5b描绘了根据说明性实施例的图5a的传感器的第二部分的放大视图。
图6描绘了根据说明性实施例的壳体的透视图，该壳体容纳结合在图3的传感器中的光源。
图7到图9绘示了图6的壳体的剖开视图并且示出了根据说明性实施例的用于不同波长的光源的光路径。
图10绘示了根据说明性实施例的图3的传感器的透射和接收光纤接口的图。
图11绘示了根据说明性实施例的会聚透镜装置以及图3的传感器的透射光纤接口的图。
详细说明
参考图1，示出了根据说明性实施例的光谱学系统100的框图。在说明性实施例中，光谱学系统100可包括分光计102以及经介接的计算装置104，分光计102可以连接到该计算装置。分光计102可以不连接到经介接的计算装置104。假如连接，那么分光计102与经介接的计算装置104可以直接连接或者通过网络来连接。该网络可以是任何类型的有线和/或无线公用或私用网络，包括蜂窝网络、局域网、例如因特网等广域网等等。分光计102可以向经介接的计算装置104发送信息以及从经介接的计算装置104接收信息。例如，分光计102可以发送针对样品所获得的结果以便存储在经介接的计算装置104上。作为另一实例，分光计102可以从经介接的计算装置104接收软件更新。经介接的计算装置104可以包括任何形状因数的计算装置，例如个人数字助理、台式计算机、膝上型计算机、集成的消息接发装置、蜂窝电话、智能电话、寻呼机等，但不限于此。
分光计102可以包括输入接口106、传感器108、小键盘110、输出接口112、显示器114、通信接口116、计算机可读媒体118、处理器120以及控制应用程序122。不同的额外部件可以结合到分光计102中。例如，电池，例如锂离子电池，可以为分光计102的各个部件提供电力。
如本领域的技术人员所知，输入接口106提供了用于接收来自用户的信息以输入到分光计102中的接口。输入接口106可以使用各种输入技术，包括但不限于键盘、触笔和触摸屏、鼠标、轨迹球、触摸屏、小键盘110、一个或多个按钮等，从而允许用户将信息输入到分光计102中或使选择呈现在显示器114上显示的用户界面中。如本领域的技术人所知，输入接口106进一步可以提供用于接收来自传感器108的信息以输入到分光计102中的接口。在该说明性实施例中，传感器108测量一个或多个波长下的光强度以确定液体样品的吸光率，这些波长例如为260和280纳米(nm)，它们对于蛋白质和DNA浓度测定来说是有用的。分光计102可以具有使用相同或不同的输入接口技术的一个或多个输入接口。
输出接口112提供了用于输出信息以供分光计102的用户查看的接口。例如，输出接口112可以包括到显示器114、扬声器、打印机等的接口。显示器114可以是薄膜晶体管显示器、发光二极管显示器、液晶显示器、或本领域的技术人员所知的各种不同显示器中的任一种。分光计102可以具有使用相同或不同的接口技术的一个或多个输出接口。同一接口可以支持输入接口106和输出接口112两者。例如，触摸屏均允许用户输入以及向用户呈现输出。显示器114、扬声器、和/或打印机进一步可以通过通信接口116接入分光计102。
如本领域的技术人员所知，通信接口116提供了用于使用各种协议、传输技术以及媒体在装置之间接收和发射数据的接口。通信接口116可以使用各种传输媒体来支持通信，这些传输媒体可以是有线的或无线的。分光计102可以具有使用相同或不同的通信接口技术的一个或多个通信接口。可以使用通信接口116在分光计102与经介接的计算装置104之间传送数据和消息。
如本领域的技术人员所知，计算机可读媒体118是用于信息的电子保存位置或存储装置，使得处理器120可以存取该信息。计算机可读媒体118可以包括但不限于任何类型的随机存取存储器(RAM)、任何类型的只读存储器(ROM)、任何类型的快闪存储器等，例如磁存储装置(例如，硬盘、软盘、磁带、……)、光盘(例如，CD、DVD、……)、智能卡、快闪存储装置等。分光计102可以具有使用相同或不同的存储媒体技术的一个或多个计算机可读媒体。分光计102还可以具有支持例如CD或DVD等存储媒体的载入的一个或多个驱动器。计算机可读媒体118可以提供用于数据库的电子存储媒体，该数据库存储了在传感器108的操作中供控制应用程序122所用的信息。
如本领域的技术人员所知，处理器120执行指令。这些指令可以由专用计算机、逻辑电路或硬件电路执行。因此，处理器120可以用硬件、固件、或这些方法的任何组合和/或结合软件来实施。术语“执行”是运行应用程序的过程或者是指令所需要的操作的进行。指令可以使用一种或多种编程语言、脚本语言、汇编语言等来进行编写。处理器120执行指令，意味着它进行/控制该指令所需要的操作。处理器120操作地与输出接口112、输入接口106、计算机可读媒体118、以及通信接口116连接，以接收、发送和处理信息。处理器120可以从永久性存储装置检索一组指令并且将这些指令以可执行形式复制到暂时性存储装置，该暂时性存储装置一般是某形式的RAM。分光计102可以包括使用相同或不同的处理技术的多个处理器。
控制应用程序122进行与用可能的用户输入对传感器108的操作进行控制、维持、更新等相关联的操作。此处所描述的一些或所有操作可以体现于控制应用程序122中。这些操作可以使用硬件、固件、软件或这些方法的任何组合来实施。参考图1的示例性实施例，控制应用程序122是以软件(包括计算机可读和/或计算机可执行指令)来实施，该软件存储在计算机可读媒体118中并且可由处理器120存储以执行体现控制应用程序122的操作的指令。控制应用程序122可以使用一种或多种编程语言、汇编语言、脚本语言等来进行编写。
参考图2，示出了根据说明性实施例的分光计102的透视图。分光计102的部件安装在壳体200内或上并且可以按照各种方式进行安排。如本披露中所用，术语“安装”包括接合、联合、连接、关联、插入、悬吊、固持、贴附、附接、系固、连结、粘贴、固定、用螺栓栓系、上螺钉、上铆钉、锡焊、焊接、胶合、包覆、层以及其他类似术语。短语“安装在……上”和“安装到……”包括所提及元件的任何内部或外部。显示器114和小键盘110可以安装在壳体200上，以便于用户接近。另外地，铰链202安装到壳体200。传感器臂204安装到铰链202，以使传感器108的传感器臂204远离样品架206做旋转移动。可以使用其他机构来允许传感器臂204远离样品架206移动，使得样品可以放置在样品架206上或中进行分析。
参考图3，示出了根据说明性实施例的传感器108的框图。在该说明性实施例中，传感器108可以包括但不限于光源300、分束器302、参考检测器304、会聚透镜装置306、透射光纤308、样品架206、接收光纤310、检测器312、以及致动器314。光源300可以包括一个或多个光源，这些光源发出中心大致处于被选来用于分析放置于样品架206上或中的样品的一个或多个波长的光。在说明性实施例中，光源300发出基本上准直的并且能以多个不同的波长为中心的光。
分束器302经定位并且被配置成将光源300发出的光的参考部分反射向参考检测器304。如本领域的技术人员所知，分束器302可以包括各种光学装置，例如部分透射镜。分束器302进一步可以被选来反射光源300发出的光的各种量，这取决于形成参考检测器304所进行的测量所需的功率量。在说明性实施例中，分束器302包括熔融硅石板，该板保持在一个角度以将光源300发出的光中的约10％反射向参考检测器304。
参考检测器304被配置成生成一个指示光的参考部分的强度的参考信号，以确定光源300发出的光的非衰减功率电平。在说明性实施例中，参考检测器304包括硅光电二极管，但是也可以使用其他检测器。
会聚透镜装置306经定位以接收光源300发出的光并且被配置成将接收到的光聚焦到透射光纤308上。如将关于图10和图11更详细地论述，会聚透镜装置306进一步被定位以在空间上且有角度地将接收到的光聚焦到透射光纤308的入射面502(参考图5所示)的芯部分上，使得聚焦的光关于透射光纤308的入射面502的角分布的半角经过选择以欠充满接收光纤310的入射面508(参考图5所示)的入射孔径。在空间上且有角度地界定入射孔径。
透射光纤308包括入射面502和出射面504(参考图5所示)。接收光纤310包括入射面508和出射面510(参考图5所示)。透射光纤308用于使聚焦的光透过样品架206所固持的样品并且朝向接收光纤310。接收光纤310用于接收透过样品架206所固持的样品之后的光。透射光纤308和/或接收光纤310可包括单根纤维或一束多根纤维。
样品架206被配置成固持用于分析的样品。样品架206的大小可以经设定以固持各种体积的样品。在说明性实施例中，样品架206的大小经设定以固持大小在0.25到20微升(μl)这个范围中的样品。在说明性实施例中，样品架206是由玻璃、塑料、石英等制成的样品座或试管。
检测器312接收透过样品并且被接收并传播通过接收光纤310的光。检测器312将接收到的光转换成电信号，该电信号指示在透过样品之后接收到的光的强度。在说明性实施例中，检测器312包括光电二极管检测器。
致动器314可用于控制传感器108的一个或多个部件的平移和/或旋转移动。示例性致动器包括一个电动机、一个伺服、步进、或压电电动机、一个气动致动器、一个气体燃料发动机等等。例如，致动器314可被联接为控制透射光纤308和/或接收光纤310的移动，从而调整透射光纤308的出射面504与接收光纤310的入射面508之间的距离或路径长度。在说明性实施例中，致动器314可被联接为控制透射光纤308的移动。
传感器108的各个部件可以操作地连接到处理器120，以便在控制应用程序122的控制下从处理器120接收信息和/或向处理器120发送信息。例如，处理器120操作地连接到光源300，以控制光源300中的一个或多个光源的接通或切断。处理器120还可以操作地连接到参考检测器304和检测器312，以接收每个检测器生成的电信号。处理器120进一步可以操作地连接到致动器314，以控制透射光纤308的出射面504与接收光纤310的入射面508之间的距离的调整。处理器120基于每个检测器304、312生成的电信号来确定样品的吸光率。处理器120进一步可以基于光源300的开或关操作用信号通知参考检测器304和检测器312生成电信号。处理器120可以用与经介接的计算装置104有关的其他信息来在显示器114上产生指示样品的吸光率的值的输出信号和/或发射该值。处理器120进一步可以控制样品的多个读数的收集(例如，在不同的波长下或者对于不同的路径长度)。
为了使用分光计102，用户可以使传感器臂204远离样品架206旋转并且将一滴样品放置在样品架206上或中。例如，用户可以使用移液管将该滴样品放置在样品架206上。在将该滴样品放置在样品架206上之后，用户可以使传感器臂204朝样品架206旋转。这些操作中的一个或多个可以是自动化的。
可以通过选择例如小键盘110上的按钮或显示器114上的按钮指示器来起始强度测量，该按钮或按钮指示器在控制应用程序122的控制下触发了测量序列的起始。在邻近样品定位之后，旋转的传感器臂204移动到如参考图4、图5a和图5b所示的位置中。
指示在参考检测器304和检测器312两者处检测到的强度的电信号是在光源300开启和关闭的情况下接收到的。对于给定波长的光源300所报告的吸光率可以按下式计算：
A＝-log[(I样品-开-I样品-关)/(I参考-开-I参考-关)] (1)
其中I样品-开是在光源300发出光的情况下在检测器312处测量到的强度，I样品-关是在光源300关闭的情况下在检测器312处测量到的强度，I参考-开是在光源300发出光的情况下在参考检测器304处测量到的强度，并且I参考-关是在光源300关闭的情况下在参考检测器304处测量到的强度。因此，参考检测器304的使用允许校正光源300中的变化。在说明性实施例中，与强度测量相关联的电信号是来自参考检测器304和来自检测器312的电流测量值。
在说明性实施例中，控制应用程序122进一步起始差动测量，差动测量是用于测量吸收性的一种技术，其中针对两个路径长度来进行吸光率测量，将这些吸光率测量值相减以得到单个吸光率值并且可以通过用路径长度差除来转换成吸收性。还可以用差动吸收路径来测量样品。例如，可以通过改变进行吸光率测量的光学路径长度(样品高度)来测量样品吸光率，按照一个或多个路径长度中的每一者来测量样品，其中路径长度的差与所透射强度的差的组合可以用来计算样品吸光率。如果样品具有很高的吸光性并且小路径差的路径差精确度可以比绝对全光学路径得到更好地确定，那么这可能是很有意义的。可以按照透射光纤308的出射面504与接收光纤310的入射面508之间的相对较长的路径和相对较短的路径长度来进行测量。如果将一个或多个较长路径的吸光率减去较短路径时的吸光率，那么可以计算出样品的吸光率。因此，致动器314可以操作地连接到透射光纤308和接收光纤310中的任一者或两者，以在控制应用程序122的控制下调整路径长度。在说明性实施例中，可以在约0(接触)到约1mm之间调整路径长度。
参考图4，示出了根据说明性实施例的传感器108的透视图。第一壳体400可以容纳光源300、分束器302、参考检测器304、会聚透镜装置306、以及透射光纤308的第一部分700(参考图7所示)。第二壳体402可以容纳透射光纤308的第二部分500(参考图5所示)以及致动器314。如本领域的技术人员所知，样品架206可以按照各种方式安装在平台404内。传感器臂204容纳接收光纤310和检测器312。
参考图5a，示出了根据说明性实施例的传感器108的一部分的剖开视图。致动器314被安装为使透射光纤308的出射面504沿着光轴506靠近或远离接收光纤310的入射面508移动。透射光纤308以固定的安排安装在第二壳体402内，使得除了在致动器314的控制下之外，透射光纤308都不会移动。
参考图5b，示出了根据说明性实施例的图5a的传感器108的一部分的放大视图。传感器108包括下部套圈512，该套圈包括孔514以及抛光顶部，该抛光顶部形成样品架206。在另一说明性实施例中，样品架206可以包括位于透射光纤308的出射面504与接收光纤310的入射面508之间的试管。环形轴承516以下部套圈512为中心，下部套圈512通过这些环形轴承可以上下滑动。在说明性实施例中，下部套圈512的至少一部分是有螺纹的，并且这些螺纹与致动器314的转子啮合。下部套圈512的孔514接纳透射光纤308。透射光纤308可以通过粘合剂固持在适当位置。透射光纤308的出射面504可以经抛光，使得它与样品架206齐平。
传感器108进一步包括上部套圈518，该上部套圈518包括孔520。上部套圈518安装到传感器臂204。上部套圈518的孔520接纳接收光纤310。接收光纤310可以通过粘合剂固持在适当位置并且经抛光，以使得它与上部套圈518的接触座522齐平。接触座522与接收光纤310的入射面508可以一起进行抛光以形成齐平表面。
在将样品放置于样品架206上或中以及定位好传感器臂204之后，可以在透射光纤308的出射面504与接收光纤310的入射面508之间形成一个样品“柱”。该柱通过样品架206与接触座522之间的毛细管作用而固持并且沿着光轴506在光纤308、310之间建立光学路径。使用致动器314，可以在透射光纤308的出射面504与接收光纤310的入射面508之间建立不同的路径长度。
参考图6，示出了根据说明性实施例的第一壳体400的透视图。第一壳体400包括基线发光二极管(LED)安装板600、第一LED安装板602、第二LED安装板604、参考检测器安装板606、以及透射光纤安装板608。参考图7，示出了根据说明性实施例的容纳在第一壳体400中的部件的剖开视图。
第一壳体400容纳光源300。在图6到图9的说明性实施例中，光源300包括基线LED702、第一LED 704以及第二LED 706。光源300可以包括更少或更多的LED。另外地，替代LED或除了LED之外，光源300还可以包括各种不同类型的灯，例如钨丝、氘弧光灯和氙弧光灯等。光源300进一步可以发出UV、Vis、IR、近IR、近UV等中的光。因此，从光源300发出的光可以不是可见的。
基线LED安装板600安装基线LED 702并且将基线LED 702固定地定位于第一壳体400内。基线LED 702被选择为发出中心大致处于基线波长的基线光。第一LED 704被选择为发出中心大致处于被选来用于分析样品的第一波长的第一光。第二LED 706被选择为发出中心大致处于被选来用于分析样品的第二波长的第二光。基线波长不同于第一波长和第二波长并且被选择为使中心处于不用于分析样品的电磁谱区域中，即，相关的分析材料(样品)不会明显地吸收光的谱区域。在将针对蛋白质和DNA来分析样品的说明性实施例中，被选来用于分析样品的第一波长可以是280nm，被选来用于分析样品的第二波长可以是260nm，并且基线波长可以被选为365nm。可以基于待分析的样品的类型来使用UV、Vis、IR、近IR和/或近UV谱内的其他波长。在图7的说明性实施例中，LED 702、704和706经安排以形成一个形成“z”图案的射束路径，但是用于在LED 702、704和706与透射光纤308之间形成射束路径的其他安排也是可能的。例如，LED 702、704和706的不同安排可以与不同类型的滤光片(例如截止滤光片或陷波滤光片)结合使用。因此，可以使用各种带限滤光片。
尽管LED 702、704和706以选定波长为中心，但是当零件间变化超过LED 702、704和706之间的谱差异时，LED 702、704和706所产生的光的谱分布可存在重叠。为了改善强度测量的精确度，可以将带通滤光片放置在LED 702、704和706中的一者或多者前面，以过滤掉从相应LED发出的任何光，该LED可能与LED 702、704和706中用于形成光源300的另一LED在波长上重叠。
在图7的说明性实施例中，从基线LED 702发出的光通过基线滤光片708进行过滤。基线滤光片708可以包括一片蓝色滤光玻璃，例如Hoya B390滤光玻璃。从第一LED 704发出的光通过第一滤光片710进行过滤。在第一LED 704包括以280nm的波长为中心的LED的说明性实施例中，第一滤光片710是以280nm为中心的带通滤光片。第一滤光片708还在参考波长下发生反射。作为一个实例，第一滤光片710可以是反射在其通带之外的波长的薄膜带通滤光片。从第二LED 706发出的光通过第二滤光片712进行过滤。在第二LED 706包括以260nm的波长为中心的LED的说明性实施例中，第二滤光片712是以260nm为中心的带通滤光片。第二滤光片712还在第一波长和基线波长下发生反射。作为一个实例，第二滤光片712可以是反射在其通带之外的波长的薄膜带通滤光片。在说明性实施例中，通带可以是6nm和14nm，但是可以基于针对特定分光计设计所识别的成本和性能目标来选择其他通带。
在图7的说明性实施例中，来自第二LED 706的光经过第二滤光片712过滤，沿着第一轴线714导引向透射光纤308的第一部分700。来自第二LED 706的光基本上是准直的。第一轴线714是透射光纤308的入射光轴并且垂直于透射光纤308的入射面502。一部分光被分束器302沿着第二轴线716反射向参考检测器304。其余光继续沿着第一轴线714朝向会聚透镜装置306以及透射光纤308的入射面502。
在图7的说明性实施例中，会聚透镜装置306包括但不限于会聚透镜718和孔径板720。会聚透镜718可以包括熔融硅石透镜，它是双凸的或平凸的并且中心处于第一轴线714上。孔径板720安装在会聚透镜715与透射光纤308的入射面502之间。孔径板720包括但不限于孔径1100(参考图11所示)，该孔径被配置成允许聚焦光的第一部分到达透射光纤308的入射面502并且阻挡其余光到达透射光纤308的入射面502。孔径1100是孔径板720中的、光行进穿过的孔口或开口。更特定来说，孔径1100是决定聚焦于透射光纤308的入射面502上的光的锥角的开口。
在替代性实施例中，会聚透镜718的直径被选择为允许一部分光穿过会聚透镜718并且到达透射光纤308的入射面502上。其余部分的光被会聚透镜718的支撑结构阻挡，该支撑结构将会聚透镜718安装于第一壳体400内。
参考图8，来自第一LED 704的第二光经过第一滤光片710过滤，沿着第三轴线800导引向第二滤光片712。来自第一LED 704的第二光基本上是准直的。第二滤光片712将第二光沿着第一轴线714反射向透射光纤308的第一部分700。一部分的第二光被分束器302沿着第二轴线716反射向参考检测器304。其余的第二光继续沿着第一轴线714朝向会聚透镜装置306以及透射光纤308的入射面502。
参考图9，来自基线LED 702的第三光经过基线滤光片708过滤，沿着第四轴线900导引向第一滤光片710。来自基线LED 702的第三光基本上是准直的。第一滤光片710将第三光沿着第三轴线800反射向第二滤光片712。第二滤光片712将第三光沿着第一轴线714反射向透射光纤308的第一部分700。一部分的第三光被分束器302沿着第二轴线716反射向参考检测器304。其余的第三光继续沿着第一轴线714朝向会聚透镜装置306以及透射光纤308的入射面502。
如果分光计102被配置成处理多个波长，如参考光源300的说明性实施例所描述，那么吸光率变成波长的函数。其结果是，方程式(1)被修改，如下文所示：
A(λ)＝-log[(I样品-开(λ)-I样品-关)/(I参考-开(λ)-I参考-关)] (2)
其中λ是波长。
经校正的参考测量值将用于化学品吸光率测量的相关波长下的吸光率值与“基线”波长(例如基线LED 702发出的波长)下的吸光率值组合，其中吸光率预计与样品浓度无关，但是可能取决于例如样品架上的污染物、碎屑、泡等因素。在这种情况下，吸光率被计算为：
A报道的＝A(λ样品)-A(λ基线) (3)
其中A(λ样品)是使用方程式(2)在相关波长下计算出的吸光率，并且A(λ基线)是使用方程式(2)在基线波长下计算出的吸光率。因此，基线LED 702的使用允许校正与样品的污染物有关的因数。
参考图10，示出了根据说明性实施例的不具有样品架206的情况下的传感器108的光纤接口的图，如本领域的技术人员所理解的，样品架206安装在光纤接口内。致动器314可以对透射光纤308的出射面504进行定位，使之与接收光纤310的入射面508相距最大距离1000。透射光纤308被选择为产生半角射束发散1002。接收光纤310的入射面508被安装为包括接收光纤310的入射面508的中心1006相对于透射光纤308的出射面504的中心1008的最大偏离1004。接收光纤310的入射面508的中心1006和透射光纤308的出射面504的中心1008位于光轴506上。为了欠充满接收光纤310的入射孔径，得满足以下条件：
r1+zsin(α)/n+Δr＜r2 (4)
其中r1是透射光纤308的芯半径，r2是接收光纤310的芯半径，z是最大距离1000，α是透射光纤308与接收光纤310之间的间隙中的半角射束发散1002(以弧度来计)，Δr是最大偏离1004，并且n是沉积在样品架206上的样品的折射率。对于sinα≈α的小角度来说，α和sinα可以互换地使用，使得：
r1+zα/n+Δr＜r2。 (5)
因此，
Figure BDA0001668452790000141
方程式(6)中表达的发散条件展现了透射光纤308的出射面处的射束发散。在光纤系统中，可以允许光纤充当空间和角限制孔径。空间孔径由纤维芯的半径界定。角孔径由纤维芯和包覆层的折射率界定。光纤将具有经界定的数值孔径(NA)，它等于空气中的sinα。然而，纤维的NA可以超过方程式(6)中给出的α的极限值。在这种情况下，由透射光纤308接受并且穿过样品的光线可能会过充满接收光纤310。当这种情况发生时，所收集的光的量变成易于受以下各项的小改变所影响：1)光纤308、310的未对准或Δr；2)来自光源300的光的空间和角分布的小改变，例如可能由于使用多个LED所致；以及3)路径长度z的改变，尽管分光计102可以被设计成按多个路径长度测量穿过样品的透射。因此，为了最佳的稳定性和精确度，透射光纤308可以不是分光计102的唯一限制孔径。
众所周知的是，多模光纤大致保持进入光纤的光线的角分布。因此，可以通过控制进入透射光纤308的入射面502的光线的分布来限制通过透射光纤308的出射面504的角分布。因此，方程式(6)可以用作用于制备进入透射光纤308的光的设计公式。
参考图11，示出了根据说明性实施例的会聚透镜装置306以及透射光纤308的入射面502。会聚透镜装置306经定位以接收沿第一轴线714发出的光1106并且在空间上且有角度地将接收到的光聚焦到透射光纤308的入射面502的一部分上。在该说明性实施例中，会聚透镜装置306包括会聚透镜718以及孔径板720，该孔径板包括孔径1100。孔径板720经定位以与透射光纤308的入射面502相距一段距离1102，该距离是平行于第一轴线714测得的。
孔径1100允许光1106的第一部分1108到达透射光纤308的入射面502并且阻挡光1106的第二部分1110到达透射光纤308的入射面502。因此，孔径1100是决定发射透射光纤308的入射面502上的第一部分1108的角分布的半角1104的开口。
孔径1100可以具有会聚透镜718的直径，该孔经定位以使得：
αs＝rs/zs (7)
其中αs是第一部分1108的角分布的半角1104并且也等于α，即透射光纤308与接收光纤310之间的间隙中的半角射束发散1002(以弧度来计)，zs是距离1102，并且rs是孔径1100的半径。将方程式(6)与(7)进行组合得到用于孔径1100的设计公式，该孔径导致接收光纤310的入射面508的入射孔径的欠充满：
Figure BDA0001668452790000151
如所描述，分光计102包括多个光学元件，这些光学元件通过选择半角1104以在空间维度和角维度中欠充满接收光纤310的入射面508的入射孔径，从而将进入接收光纤310的光的入射孔径限制为可能明显小于接收光纤310的数值孔径的值。这些光学元件限制进入接收光纤310的光的孔径，使得在给定的路径长度(z)下，进入接收光纤310的光的最大直径等于或小于接收光纤310的芯直径。
词语“说明性”在此处用以表示充当实例、例子或例示。此处被描述为“说明性”的任何方面或设计不一定被理解为比其他方面或设计优选或有利。另外，为了本披露的目的并且除非另有指定，否则“一”表示“一个或多个”。再另外，除非另外明确地指示，否则“和”或者“或”的使用希望包括“和/或”。
出于说明和描述的目的，已经呈现了本发明的说明性实施例的上述描述。上述描述不希望是详尽的或者将本发明限于所披露的精确形式，而且鉴于以上教示，多个修改和多个变化是可能的，或者可以通过实践本发明来获得多个修改和多个变化。选择并描述这些实施例以便阐释本发明的原理，并且作为本发明的实际应用，以使本领域的技术人员能够在各种实施例中并且在作出各种修改(如适合于所预期的特定使用)的情况下利用本发明。希望本发明的范围由所附权利要求书及其等效物界定。

Claims (18)

1.一种光学装置，包括：
一个会聚透镜装置，该会聚透镜装置被安装为接收来自一个光源的光，其中接收到的光基本上是准直的，并且进一步地，其中该会聚透镜装置被配置成将该接收到的光聚焦到一个透射光纤上；
包括一个入射面和一个出射面的透射光纤，其中该透射光纤被安装为经由该入射面接收聚焦的光并且使从该出射面离开的接收到的、聚焦的光透过一个样品并且到达一个接收光纤上；
一个样品架，该样品架被配置成固持用于分析的样品；以及
包括一个入射面和一个出射面的接收光纤，其中该接收光纤被安装为经由该接收光纤的该入射面接收透过该样品之后的透射光，
其中该会聚透镜装置被定位为将接收到的光聚焦到该透射光纤的该入射面上，使得到达该透射光纤的该入射面的该聚焦的光的角分布的一个半角被选择为在一个空间维度和一个角维度中欠充满该接收光纤的该入射面的一个入射孔径，
所述会聚透镜装置包括会聚透镜以及孔径板，所述孔径板包括孔径(1100)，所述孔径板经定位以与所述透射光纤的入射面相距一段距离(1102)，所述距离是平行于所述透射光纤的入射光轴测得的，所述孔径(1100)允许光的第一部分到达所述透射光纤的入射面并且阻挡光的第二部分到达所述透射光纤的入射面，其中，根据如下公式设计所述孔径(1100)的半径rs，以产生所述接收光纤的入射面的入射孔径的欠充满：
Figure FDA0002961640740000011
其中，r1是所述透射光纤的芯的半径，r2是所述接收光纤的入射面的芯的半径，zs是所述距离(1102)，z是所述透射光纤的出射面与所述接收光纤的该入射面之间的最大距离，n是样品的折射率，Δr是所述接收光纤的入射面的中心相对于所述透射光纤的出射面的出射光轴的最大偏离；
其中，在所述透射光纤(308)的出射面(504)与所述接收光纤(310)的入射面(508)之间形成一个样品柱，所述样品柱通过毛细管作用而固持，并且沿着光轴(506)在所述透射光纤(308)与所述接收光纤(310)之间建立光学路径。
2.如权利要求1所述的光学装置，其中该会聚透镜沿着该透射光纤的一个入射光轴定位在由da/2αT定义的一个距离处，其中da是该会聚透镜的直径，并且αT是该聚焦的光的该第一部分的角分布的该半角。
3.如权利要求2所述的光学装置，其中该透射光纤的该入射面的一个芯部分的半径被选择为小于或等于
Figure FDA0002961640740000021
其中，r2是该接收光纤的该入射面的芯的半径，z是该透射光纤的该出射面与该接收光纤的该入射面之间的最大距离，n是该样品的折射率，并且Δr是该接收光纤的该入射面的中心相对于该透射光纤的该出射面的一个出射光轴的最大偏离。
4.如权利要求1所述的光学装置，其中该孔径板沿着该透射光纤的一个入射光轴定位在由da/2αT定义的一个距离处，其中da是该孔径的直径，并且αT是该聚焦的光的该第一部分的该半角。
5.如权利要求4所述的光学装置，其中该透射光纤的芯部分的半径被选择为小于或等于
Figure FDA0002961640740000022
其中r2是该接收光纤的该入射面的芯的半径，z是该透射光纤的该出射面与该接收光纤的该入射面之间的最大距离，是该样品的折射率，并且Δr是该接收光纤的该入射面的中心相对于该透射光纤的该出射面的一个出射光轴的最大偏离。
6.如权利要求1所述的光学装置，进一步包括被配置成形成该光的光源，其中该光源包括被配置成发出中心处于一个第一波长处的第一光的一个第一光源，其中该第一波长被选择以用于分析该样品。
7.如权利要求6所述的光学装置，其中该光源进一步包括被配置成发出中心处于一个基线波长处的基线光的一个基线光源，其中该基线波长不同于该第一波长并且被选择为使中心处于电磁谱的一个不用于分析该样品的区域中。
8.如权利要求7所述的光学装置，其中该光源进一步包括一个安装在该第一光源与该会聚透镜装置之间的带限滤光片，其中该基线光源被安装为向该带限滤光片发出该基线光，并且其中该带限滤光片进一步被安装为将该基线光反射向该会聚透镜装置并且对向该会聚透镜发出的该第一光进行过滤。
9.如权利要求8所述的光学装置，其中该光源进一步包括被配置成发出中心处于一个第二波长处的第二光的一个第二光源，其中该第二波长被选择以用于分析该样品，并且进一步地，其中该第二波长不同于该第一波长和该基线波长。
10.如权利要求9所述的光学装置，其中该光源进一步包括一个安装在该第一光源与该会聚透镜装置之间的第一带限滤光片，其中该第二光源被安装为向该第一带限滤光片发出该第二光，并且其中该第一带限滤光片进一步被安装为将该第二光反射向该会聚透镜装置并且对向该会聚透镜发出的该第一光进行过滤。
11.如权利要求10所述的光学装置，其中该第一带限滤光片进一步被安装为将该基线光反射向该会聚透镜装置。
12.如权利要求11所述的光学装置，其中该光源进一步包括一个安装在该第二光源与该基线光源之间的第二带限滤光片，其中该基线光源被安装为向该第二带限滤光片发出该基线光，并且其中该第二带限滤光片进一步被安装为将该基线光反射向该第一带限滤光片并且对向该第一带限滤光片发出的该第二光进行过滤。
13.如权利要求7所述的光学装置，进一步包括：
一个分束器；以及
一个参考检测器，
其中该分束器被安装在该第一光源与该会聚透镜装置之间并且被配置成将该基线光的一个基线部分以及该第一光的一个第一部分反射向该参考检测器，其中该参考检测器被配置成生成一个第一参考信号以及一个第二参考信号，该第一参考信号指示该第一光的该第一部分的一个第一强度，该第二参考信号指示该基线光的该基线部分的一个第二强度。
14.如权利要求9所述的光学装置，进一步包括：
一个分束器；以及
一个参考检测器，
其中该分束器被安装在该第一光源与该会聚透镜装置之间并且被配置成将该基线光的一个基线部分、该第一光的一个第一部分以及该第二光的一个第二部分反射向该参考检测器，其中该参考检测器被配置成生成一个第一参考信号、一个第二参考信号、以及一个第三参考信号，该第一参考信号指示该第一光的该第一部分的一个第一强度，该第二参考信号指示该第二光的该第二部分的一个第二强度，该第三参考信号指示该基线光的该基线部分的一个第三强度。
15.如权利要求13所述的光学装置，进一步包括：
一个检测器，该检测器被联接为接收在透过该接收光纤之后的从该接收光纤的该出射面离开的光；以及
一个致动器，该致动器可操作地被联接为调整该透射光纤的该出射面与该接收光纤的该入射面之间的距离；
其中该检测器被配置成针对该透射光纤的该出射面与该接收光纤的该入射面之间的一个第一距离生成一个第一样品信号并且针对该透射光纤的该出射面与该接收光纤的该入射面之间的一个第二距离生成一个第二样品信号，该第一样品信号指示该第一光的一个第一样品强度，该第二样品信号指示该第一光的一个第二样品强度。
16.如权利要求15所述的光学装置，其中该检测器被进一步配置成针对该第一距离生成一个第三样品信号以及针对该第二距离生成一个第四样品信号，该第三样品信号指示该基线光的一个第一样品强度，该第四样品信号指示该基线光的一个第二样品强度。
17.如权利要求16所述的光学装置，进一步包括：
一个处理器；以及
一个计算机可读媒体，该计算机可读媒体可操作地连接到该处理器，该计算机可读媒体具有存储在其上的计算机可读指令，这些指令在由该处理器执行时使该光学装置
控制该致动器以致使调整该透射光纤的该出射面与该接收光纤的该入射面之间的该距离到该第一距离；
生成该第一样品信号；
生成该第三样品信号；
控制该致动器以致使调整该透射光纤的该出射面与该接收光纤的该入射面之间的该距离到该第二距离；
生成该第二样品信号；
生成该第四样品信号以及
基于该第一样品信号、该第二样品信号、该第三样品信号以及该第四样品信号来计算该样品的吸光率。
18.如权利要求17所述的光学装置，其中这些计算机可读指令进一步使该光学装置
生成该第一参考信号；以及
生成该第二参考信号；
其中进一步基于该第一参考信号和该第二参考信号来计算该样品的该吸光率。
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