CN109444081A - 一种提高光学信号信噪比的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学检测技术领域，公开了一种提高光学信号信噪比的装置，包括：装置壳体，所述装置壳体设置在待测样品的表面，在所述装置壳体的内部构造有光学漫反射空间，在所述装置壳体上分别构造有入射光通路和出射光通路，其中，所述入射光通路与所述出射光通路呈间隔式设置；以及反射器件，所述反射器件设置在所述装置壳体的内部。该装置能够抑制光在入射样品表面的干涉现象、具有增强入射样品的光强度、扩大光在样品表面的入射范围、降低样品不均匀造成的干扰、增加被测对象的光学吸光度，提高检测系统的信噪比的优点。

Description

一种提高光学信号信噪比的装置
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，特别是涉及一种提高光学信号信噪比的装置。
背景技术
采用光学方法对散射样品或者浑浊介质进行测量时，尤其是在窄带光学方法的测量过程中，往往存在很多干扰因素，其中光的干涉效应是光学系统的重要干扰因素。干涉的存在使测量系统检测到的信号受波长变化影响较大，这大大降低了系统的灵敏性和稳定性，例如可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)在对微量气体进行吸收测量的过程中，干扰会限制气体吸收的检测限。另外，测量样品的不均匀度也会影响测量系统的准确度，因此，对于不均匀的样品，简单的增加光源强度和探测器的灵敏度还是不够的，还应该扩大待测样品的数量以平均其不均匀性，从而提高系统信噪比。因此，入射光强度低、干涉、样品不均匀是需要克服的，造成系统信噪比低的重要因素。
通常的情况，为了提高检测系统的信噪比，往往采用的方法是提高光源的强度，增加样品中入射光的能量，但是现实情况是光源的能量不能无限制的提高，同时，样品对高能量光源的光稳定性和热稳定性往往也会限制入射光的光强。另外的方法就是对系统进行特殊的设计，以抑制光的干涉作用，包括涂防反射涂层、器件设置在干涉免疫距离、机械抖动和平衡检测等，但是，即使是在系统上做了改进，样品内部及入射光在样品界面产生的干涉条纹也往往很难处理或抑制。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种提高光学信号信噪比的装置，以至少解决现有技术中的增强入射样品的光强度、扩大光在样品表面的入射范围、降低样品不均匀造成的干扰、减小光学干涉干扰以及提高检测系统的信噪比的技术问题之一。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种提高光学信号信噪比的装置，包括：装置壳体，所述装置壳体设置在待测样品的表面，在所述装置壳体的内部构造有光学漫反射空间，在所述装置壳体上分别构造有入射光通路和出射光通路，其中，所述入射光通路与所述出射光通路呈间隔式设置或呈重叠式设置；以及漫反射器件，所述漫反射器件设置在所述装置壳体的内部
其中，所述入射光通路设置在所述装置壳体的顶端，所述出射光通路设置在所述装置壳体的侧壁上。
其中，所述漫反射器件包括漫反射涂层或漫反射镜阵。
其中，所述漫反射涂层设置在所述装置壳体的内轮廓面。
其中，所述装置壳体的内轮廓形状为半球形、锥体形、圆柱形和金字塔形之一。
其中，在所述入射光通路前端安装有激光准直装置，在所述出射光通路的前端安装有光纤辅助收集结构。
其中，所述光纤辅助收集结构包括余弦校正器和菲涅尔透镜，其中，所述余弦校正器设置在所述菲涅尔透镜的前端，所述菲涅尔透镜设置在所述出射光通路的前端。
其中，所述装置还包括入射光纤和出射光纤，其中，所述入射光纤的第一端露至在所述装置壳体的外部，所述入射光纤的第二端插入到所述入射光通路的内部；所述出射光纤的第一端露至在所述装置壳体的外部，所述出射光纤的第二端插入到所述出射光通路内。
根据本申请的第二方面，还提供一种提高光学信号信噪比的装置，包括：装置壳体，所述装置壳体设置在待测样品的表面，在所述装置壳体的内部构造有光学漫反射空间，在所述装置壳体的顶端呈间隔式安装有入射纤芯和出射纤芯；漫反射器件，所述漫反射器件设置在所述装置壳体的内部；以及反射光收集器件，所述反射光收集器件设置在所述出射纤芯的前端。
其中，所述反射光收集器件包括反射光收集透镜。
(三)有益效果
本发明提供的提高光学信号信噪比的装置，与现有技术相比，具有如下优点：
通过在装置壳体的内部装有漫反射器件，此漫反射器件为含有金属氧化物、硫酸钡和碳酸钡的涂层，其具有较高的漫反射效率，入射光通路设置在装置的顶端，入射光垂直壳体底面入射进装置的内部，入射光可以是各种波段的光或者电磁波，入射光通路外可以直接接光源或者接光纤，通过光纤将光源的光引入经过入射光通路引入装置壳体的内部并照射在待测样品的表面，出射光通路设置在入射光通路的旁边的侧壁上，用于将照射过待测样品含有被测信息的光引出，导出到探测装置中，利用装置壳体内部精密设计的形状和内部的漫反射器件，以此来消除因光进入到待测样品的表面所造成的干涉，并通过增加进入到待测样品的光子数量，来提高待测样品对光子的吸收，从而增强测量系统的信噪比。进一步地，本申请主要对窄带光源发出的光在进入待测样品的表面时所产生的干涉、散射以及反射等光学现象进行抑制，从而增强待测样品的表面入射的光强、扩大入射面积、克服因待测样品表面不均匀而造成的测量误差，提高入射光与待测样品的作用效率，以适用于各波段的吸收光谱、激光光谱等测量应用，尤其是对可调谐二极管激光光谱测量疏松介质中的痕量气体时产生的干扰的抑制作用更加显著。
附图说明
图1为本申请的实施例的提高光学信号信噪比的装置的第一实施例整体结构示意图；
图2为本申请的实施例的提高光学信号信噪比的装置的第二实施例整体结构示意图；
图3为本申请的实施例的提高光学信号信噪比的装置的第三实施例整体结构示意图；
图4为本申请的实施例的提高光学信号信噪比的装置的第四实施例整体结构示意图。
图中，1：装置壳体；200：待测样品；2：漫反射器件；3：入射光通路；4：出射光通路；5：余弦校正器；6：菲涅尔透镜；7：光纤辅助收集结构；8：入射光纤；9：出射光纤；10：入射光芯；20：出射光芯；30：反射光收集器件。
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。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
如图1所示，图中示意性地显示了该提高光学信号信噪比的装置包括装置壳体1、漫反射器件2、入射光通路3和出射光通路4。
在本申请的实施例中，该装置壳体1设置在待测样品200的表面，在该装置壳体1的内部构造有光学漫反射空间，在该装置壳体1上分别构造有入射光通路3和出射光通路4，其中，该入射光通路3与该出射光通路4呈间隔式设置或呈重叠式设置。
该漫反射器件2设置在该装置壳体1的内部。具体地，通过在装置壳体1的内部装有漫反射器件2，此漫反射器件2为含有荧光粉、金属氧化物、硫酸钡和碳酸钡的涂层，其不仅具有高反光率和定向反射作用，而且还具有荧光增强效应和光散射作用，入射光通路3设置在装置的顶端，入射光垂直壳体底面入射进装置的内部，入射光可以是各种波段的光或者电磁波，入射光通路3外可以直接接光源或者接光纤，通过光纤将光源的光引入经过入射光通路3引入装置壳体1的内部并照射在待测样品200的表面，出射光通路4设置在入射光通路3的旁边的侧壁上，用于将照射过待测样品200含有被测信息的光引出，导出到探测装置(图中未示出)中，利用装置壳体1内部精密设计的形状和内部的漫反射器件2，以此来消除因光进入到待测样品200的表面所造成的干涉，并通过增加进入到待测样品200的光子数量，来提高待测样品200对光子的吸收，从而增强测量系统的信噪比。进一步地，本申请主要对窄带光源发出的光在进入待测样品200的表面时所产生的干涉、散射以及反射等光学现象进行抑制，从而增强待测样品200的表面入射的光强、扩大入射面积、克服因待测样品200表面不均匀而造成的测量误差，提高入射光与待测样品200的作用效率，以适用于各波段的吸收光谱、激光光谱等测量应用，尤其是对可调谐二极管激光光谱测量疏松介质中的痕量气体时产生的干扰的抑制作用更加显著。
如图1所示，图中还示意性地显示了该入射光通路3设置在该装置壳体1的顶端，该出射光通路4设置在该装置壳体1的侧壁上。具体地，通过将入射光通路3设置在该装置壳体1的顶端，从而可以确保入射光能够垂直装置壳体1的底面入射到装置壳体1的内部。该入射光通路3和出射光通路4均包括透镜、滤光片以及偏振片等光学器件。
需要说明的是，入射光可以是各种波段的光或者电磁波。
通过将出射光通路4设置在入射光通路3的一旁或者装置壳体1的侧壁上，从而可以方便将照射过待测样品200且含有被测信息的光引出，进一步地，能够准确地将该含有被测信息的光导出到探测装置中。
在一个具体的实施例中，该漫反射涂层设置在该装置壳体1的内轮廓面。这样，可以确保将照射到待测样品200上并含有被测信息的光能够完好地反射出去。
在另一个优选的实施例中，该装置壳体1的内轮廓形状为半球形、锥体形、圆柱形和金字塔形之一。具体地，通过将装置壳体1的内轮廓形状设计为半球形、锥体形、圆柱形和金字塔形，从而可以有效地增大入射光的面积、增强待测样品200的表面的入射光的强度，克服因待测样品200的表面不均匀而造成的测量误差。
如图1所示，进一步优化上述技术方案中的提高光学信号信噪比的装置，在上述技术方案的基础上，在该入射光通路3的前端安装有激光准直装置，在该出射光通路4的前端安装有光纤辅助收集结构7。具体地，该光纤辅助收集结构7的设置，能够辅助地将该含有被测信息的光导出到探测装置中。
在一个具体的实施例中，该光纤辅助收集结构7包括余弦校正器5和菲涅尔透镜6，其中，该余弦校正器5设置在该菲涅尔透镜6的前端，该菲涅尔透镜6设置在该出射光通路4的前端。需要说明的是，通过在装置壳体1的出射光通路4的前端增设该光线辅助收集装置7，包括菲涅尔透镜6和余弦校正器5，同时还固定有滤光片(图中未示出)和偏振片(图中未示出)，从而可以有效地提高系统的信噪比。
如图2和图3所示，在本申请的一个比较优选的技术方案中，该装置还包括入射光纤8和出射光纤9，其中，该入射光纤8的第一端露至在该装置壳体1的外部，该入射光纤8的第二端插入到该入射光通路3的内部。该出射光纤9的第一端露至在该装置壳体1的外部，该出射光纤9的第二端插入到该出射光通路4内。具体地，该入射光纤8主要起到将光源的光引入到装置壳体1的内部的作用，该出射光纤9主要起到将含有待测样品200的被测信息的光经过该入射光通路3引出到探测装置中的作用。
如图2所示，本申请的装置在实施过程中可以有多种改进，甚至可以集成到Y型光纤顶端，如图3所示，用于测量固体或液体等多种样本材料中的信息，简化后的装置主体为一根Y型光纤，光纤顶端测量位置为一个膨大中空的测量口，两根纤芯延伸到膨大位置内部，在膨大的测量口内侧壁镀反射层，以提高反射效率，在收集的纤芯前端集成一个透镜，用于提高纤芯的光线耦合能力。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：
如图4所示，根据本申请的第二方面，还提供一种提高光学信号信噪比的装置，包括装置壳体1、入射光芯10、出射光芯20、漫反射器件2和反射光收集器件30。
该装置壳体1设置在待测样品200的表面，在该装置壳体1的内部构造有光学漫反射空间，在该装置壳体1的顶端呈间隔式安装有入射纤芯10和出射纤芯20。
该漫反射器件2设置在该装置壳体1的内部。
该反射光收集器件30设置在该出射纤芯9的前端。
该反射光收集器件30包括反射光收集透镜。需要说明的是，该反射光收集透镜可用于提高纤芯的光线耦合能力。
综上所述，通过在装置壳体1的内部装有漫反射器件2，此漫反射器件2为含有荧光粉、金属氧化物、硫酸钡和碳酸钡的涂层，其不仅具有高反光率和定向反射作用，而且还具有荧光增强效应和光散射作用，入射光通路3设置在装置的顶端，入射光垂直壳体底面入射进装置的内部，入射光可以是各种波段的光或者电磁波，入射光通路3外可以直接接光源或者接光纤，通过光纤将光源的光引入经过入射光通路3引入装置壳体1的内部并照射在待测样品200的表面，出射光通路4设置在入射光通路3的旁边的侧壁上，用于将照射过待测样品200含有被测信息的光引出，导出到探测装置(图中未示出)中，利用装置壳体1内部精密设计的形状和内部的漫反射器件2，以此来消除因光进入到待测样品200的表面所造成的干涉，并通过增加进入到待测样品200的光子数量，来提高待测样品200对光子的吸收，从而增强测量系统的信噪比。进一步地，本申请主要对窄带光源发出的光在进入待测样品200的表面时所产生的干涉、散射以及反射等光学现象进行抑制，从而增强待测样品200的表面入射的光强、扩大入射面积、克服因待测样品200表面不均匀而造成的测量误差，提高入射光与待测样品200的作用效率，以适用于各波段的吸收光谱、激光光谱等测量应用，尤其是对可调谐二极管激光光谱测量疏松介质中的痕量气体时产生的干扰的抑制作用更加显著。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高光学信号信噪比的装置，其特征在于，包括：
装置壳体，所述装置壳体设置在待测样品的表面，在所述装置壳体的内部构造有光学漫反射空间，在所述装置壳体上分别构造有入射光通路和出射光通路，其中，所述入射光通路与所述出射光通路呈间隔式或呈重叠式设置；以及
漫反射器件，所述漫反射器件设置在所述装置壳体的内部。
2.根据权利要求1所述的提高光学信号信噪比的装置，其特征在于，所述入射光通路设置在所述装置壳体的顶端，所述出射光通路设置在所述装置壳体的侧壁上。
3.根据权利要求1所述的提高光学信号信噪比的装置，其特征在于，所述漫反射器件包括漫反射涂层或漫反射镜阵。
4.根据权利要求3所述的提高光学信号信噪比的装置，其特征在于，所述漫反射涂层设置在所述装置壳体的内轮廓面。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的提高光学信号信噪比的装置，其特征在于，所述装置壳体的内轮廓形状为半球形、锥体形、圆柱形和金字塔形之一。
6.根据权利要求1所述的提高光学信号信噪比的装置，其特征在于，在所述入射光通路的前端安装有激光准直装置，在所述出射光通路的前端安装有光纤辅助收集结构。
7.根据权利要求6所述的提高光学信号信噪比的装置，其特征在于，所述光纤辅助收集结构包括余弦校正器和菲涅尔透镜，其中，所述余弦校正器设置在所述菲涅尔透镜的前端，所述菲涅尔透镜设置在所述出射光通路的前端。
8.根据权利要求1所述的提高光学信号信噪比的装置，其特征在于，所述装置还包括入射光纤和出射光纤，其中，所述入射光纤的第一端露至在所述装置壳体的外部，所述入射光纤的第二端插入到所述入射光通路的内部；
所述出射光纤的第一端露至在所述装置壳体的外部，所述出射光纤的第二端插入到所述出射光通路内。
9.一种提高光学信号信噪比的装置，其特征在于，包括：
装置壳体，所述装置壳体设置在待测样品的表面，在所述装置壳体的内部构造有光学漫反射空间，在所述装置壳体的顶端呈间隔式安装有入射纤芯和出射纤芯；
漫反射器件，所述漫反射器件设置在所述装置壳体的内部；以及
反射光收集器件，所述反射光收集器件设置在所述出射纤芯的前端。
10.根据权利要求9所述的提高光学信号信噪比的装置，其特征在于，所述反射光收集器件包括反射光收集透镜。
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