CN112763067A - 用于照明试样的照明反射器机构、光学分析装置以及用于制造照明反射器机构的方法 - Google Patents

用于照明试样的照明反射器机构、光学分析装置以及用于制造照明反射器机构的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于对试样进行照明以对由试样反射的光进行光谱分析的照明反射器机构（1），其包括反射器壳体，该反射器壳体还包括：至少一个空腔，该空腔具有在反射器壳体的端侧（4）上的指向的开口和光源镶嵌部（2）并且设置用于利用来自光源镶嵌部（2）中的光源（LQ）的光来照射试样（P）；探测器孔径（3），所述探测器孔径作为凹部在所述端侧（4）中开设并且横向地与所述至少一个空腔（K）的开口错开；反射面（5），其在端侧（4）上在探测器孔径（3）与空腔（K）的开口之间横向地延伸，并且与由试样（P）到反射面（5）上的经反射的光的入射方向相比，将由试样反射的光沿基本上相同的方向返回辐射到试样（P）上。

Description

用于照明试样的照明反射器机构、光学分析装置以及用于制 造照明反射器机构的方法
技术领域
本发明涉及一种用于照明试样的照明反射器机构、一种用于对来自试样的光进行分析的光学分析装置以及一种用于制造照明反射器机构的方法。
背景技术
光谱测定系统可以包括一个传感器系统，该传感器系统由一个照明和探测部件组成。在此，可以应用一个或多个光源并且照明待分析的试样的区域。探测器通常在空间上与光源分离地布置，并且能够接收从被照明的区域反射或散射的光，其中探测器的视野（Sichtfeld）通常仅局部地与试样上的被照明的区域一致。在多个光源的情况下，这些光源的照明区域通常也仅局部地重叠。光源可以位于反射器的槽中，这可以形成照明反射器。在通常的系统中，探测器的位置又可以直接看到照明区域的仅一个部分区域，尤其是高强度区域的仅一个部分区域，这由光源的和探测器的空间分离引起。由于通常短的测量间距，大部分光通常落在探测器的视野旁，在那里光不再能够被探测器检测到。另外，由于视野对应于试样上的面，在试样和系统（探测器）之间的某个距离处，视野可以由接收角（Akzeptanzwinkel）描述，其中具有相对于探测路径的光轴的较大的入射角的光不被探测到。
照明应用可以用于形成通常在建筑物、车辆、手电筒或其它应用中的光分布。为此，这些照明应用可以具有LED或传统的白炽灯作为光源。照明应用通常具有透镜和/或反射的光学元件，并且可以在具有有源照明的光学传感器中使用，例如在小型化光谱仪和/或接近传感器中使用。就此而言，折射光学器件、如透镜可以有利地并且大批量地例如由塑料并且以注塑方法制成。
在DE 196 81 285 T1 中描述了一种用于红外微光谱仪的附加设备，其中透镜装置将辐射能量由试样聚焦到视频摄像机的有效面上。
发明内容
本发明提供一种根据权利要求1所述的用于照明试样的照明反射器机构、一种根据权利要求8所述的用于分析来自试样的光的光学分析装置以及一种根据权利要求9所述的用于制造照明反射器机构的方法。
优选的改进方案是从属权利要求的主题。
本发明所基于的构思在于，给出如下一种照明反射器机构，利用该照明反射器机构可以将尽可能多的光由试样的被照射的区域偏转到探测器孔径（Detektorapertur）中，并且可以扩宽光学探测器机构的视野。以这种方式，能够在探测器处实现对于在试样处反射的或散射的光的更高的光输出。
根据本发明，用于对试样进行照明以对由试样反射的光进行光谱分析的照明反射器机构包括反射器壳体，该反射器壳体还包括：至少一个空腔，所述空腔具有在反射器壳体的端侧上的指向的开口和光源镶嵌部（Lichtquelleneinfassung）并且设置用于以来自在光源镶嵌部中的光源的光来照射试样；探测器孔径，其作为凹部在所述端侧中开设并且与所述至少一个空腔的开口横向地错开；反射面，其在该端侧上在该探测器孔径与该空腔的开口之间横向地延伸，并且与由该试样到反射面上的经反射的光的入射方向相比，将由该试样反射的光沿基本上相同的方向返回辐射到试样上。
具有指向的开口的空腔有利地可以是指壳体中的凹部，例如至少局部呈抛物线的凹部，其可以将来自光源的光在该凹部中沿特定的射出方向射出。在此，所射出的光能够位于围绕射出轴线的至少一个射出角度范围中，例如围绕射出轴线直至30°的一个射出角度范围中。凹部能够至少局部地形成椭圆体，其中光源在此能够定位在壳体之内的椭圆体的第一焦点中，以便将椭圆体的射出偏转到假想的第二焦点上，所述第二焦点能够位于壳体之外并且朝向试样或处于试样上。反射器壳体能够由对于光反射的材料形成或者在凹部的区域中涂覆有反射材料。反射器壳体的端侧朝向光的射出方向，换句话说朝向试样的位置。探测器孔径可以包括位于反射器壳体的端侧上的开口，其中探测器孔径的开口的形状可以是圆形的或者也可以具有其他形状。从端侧出发，探测器孔径还可以包括入射通道、例如柱形的入射通道，该入射通道可以延伸穿过反射器壳体并且可以使得从试样入射的光偏转直至到达反射器壳体的背离端侧的一侧上的探测器机构。就此而言，反射器壳体可以包括反射材料或者可以在入射通道中被反射地涂覆。
反射面可以有利地具有这种反射的结构或这种涂层，使得具有特定入射角的光可以几乎相同的角度被反射回试样的方向。这例如可以通过如下逆反射（retroreflektierend）结构来进行，所述逆反射结构可以包括子面，所述子面可以这样朝彼此旋转，使得整体上入射的光可以基本上沿相同的方向被返回反射。光源例如可以射出近红外光以分析试样。在光在试样上反射之后，其可以具有特定的吸收光谱，该吸收光谱可以由光与试样和存在于试样中的物质的相互作用而产生。
照明反射器机构可以作为用于分析试样的吸收光谱的光学装置的附件（Aufsatz）而被成型。照明反射器机构因此可以用于光学传感装置，例如用于具有有源照明的红外传感器，例如用于小型化光谱仪。
照明反射器机构在此可以影响由光源射出的光在试样上的分布，有利地以特定的方式在试样上形成并且改进所探测的光输出，其方式是，虽然光漫反射地由试样朝着反射器壳体的方向返回辐射，然而每种在探测器孔径之外射到端侧上的光又可以返回到试样上的相同的照明区域上并且然后可以重新由试样反射，所述光具有又产生的吸收光谱。通过这种方式，由于至少在反射面上反射的光大部分可以沿相同的方向返回到试样上而不是漫反射地损失到空间中，所以光可以在试样和反射器壳体之间多次来回反射，从而所述光较少地由于漫反射的射出而损失到空间中。在没有指向的返回反射的情况下，光在每次反射时将具有更宽的角度分布，因为反射以镜面反射的方式（spekular）并且以漫反射的方式进行，这至少在反射面处的反射的情况下可以被减少，并且如果多次反射之后光最终落在探测器孔径中，则可以增加多次来回反射的光的总输出。通过逆反射反射面，可以绝大部分地在试样上维持初始由光源产生的光分布，并且有利地总是保持照明探测器机构在试样上的相同的视野（FOV）。
与在照明中使用塑料透镜相比，在根据本发明的照明反射器机构中可忽略在那里出现的近红外辐射的吸收。
根据照明反射器机构的一种优选的实施方式，反射器壳体包括多个分别具有自身的光源镶嵌部的空腔，其中空腔的开口对准所述试样可在其上定位的共同的交点，并且其中到端侧上的和穿过探测器孔径的法线与交点相交。
探测器孔径可以居中地在反射器壳体中在空腔之间成型，并且可以看到试样上的大部分照明区域或者可以采集试样的光。在此，这些空腔可以朝相同的照明区域定向。
根据照明反射器机构的一种优选的实施方式，反射面包括逆反射微结构。
逆反射微结构可以有利地基本上沿相同的方向有利地与入射方向无关地返回辐射入射的光。
根据照明反射器机构的一种优选的实施方式，单个逆反射微结构包括三个相互垂直的面。
借助于三个彼此垂直的面，在入射的光多次反射之后，当光射入到三个面的开口中时，所述开口能够使这三个面相对于彼此成形，于是能够有利地与入射角无关地在所述面上再次沿相同的方向射出入射的光。
根据照明反射器机构的一种优选的实施方式，反射面包括反射涂层。
反射面能够通过使逆反射结构的成型并且随后将所述逆反射结构用反射材料来涂层来实现。
根据照明反射器机构的一种优选的实施方式，反射面包括逆反射薄膜。
代替涂层，薄膜本身已经可以包括逆反射结构并且简单地施加、例粘接到端侧上。
根据照明反射器机构的一种优选的实施方式，反射器壳体包括柱体形状。
柱体形状可以有利地例如通过注塑简单地制造并且具有有利的对称性，例如以用于将多个光源布置在空腔中。
根据本发明，用于分析来自试样的光的光学分析装置包括至少一个光源，通过所述光源可以在至少一个照射区域中以特定角度照射试样；根据本发明的照明反射器机构，其被如此布置，使得由照射区域反射的光射到反射面和探测器孔径上；探测器机构，其布置在探测器孔径中或在射出方向上布置在该探测器孔径后面并且设置用于探测由照明反射器机构透射的光；和测评机构（Auswerteeinrichtung），其被设置用于光谱地分析由探测器机构探测的光。
根据本发明，在用于制造照明反射器机构的方法中，提供具有至少一个空腔的反射器壳体，所述空腔具有在反射器壳体的端侧上的指向的开口和光源镶嵌部，并且设置用于利用来自在光源镶嵌部中的光源的光来照射试样并且具有如下探测器孔径，所述探测器孔径在端侧中作为凹部开设并且横向地与至少一个空腔的开口错开；以及在所述端侧上提供反射面，所述反射面在所述探测器孔径与所述空腔的开口之间横向地延伸，并且与从试样到反射面上的经反射的光的入射方向相比，将由试样反射的光沿着基本上相同的方向返回辐射到所述试样上。
根据本方法的一种优选的实施方式，提供反射器壳体利用注塑方法实现。
利用注塑能够有利地简单地并且在一个步骤中制造反射器壳体。
根据本方法的一种优选的实施方式，反射面的提供通过在反射器壳体中成型反射结构或通过将反射材料或反射结构施加到反射器壳体上来实现。
该方法和分析装置的特征也可以在于结合照明反射器机构所提及的特征和其优点，反之亦然。
本发明的实施方式的其他特征和优点从以下参照附图的描述中得出。
附图说明
下面借助于在附图的示意图中说明的实施例进一步阐述本发明。其中示出：
图1示出根据本发明的一个实施例的用于分析来自试样的光的照明反射器机构中的光学分析装置的示意性侧视图；
图2示出根据本发明的一个实施例的照明反射器机构中的逆反射微结构的示意图；
图3示出根据本发明的一个实施例的用于制造照明反射器机构的方法的方法步骤的方框图；
图4示出根据本发明的另一个实施例的照明反射器机构的示意图；并且
图5示出根据本发明的另一个实施例的照明反射器机构的示意图。
在附图中相同的附图标记表示相同的或功能相同的元件。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一个实施例的用于分析来自试样的光的照明反射器机构中的光学分析装置的示意性侧视图。
用于对试样P进行照明以对由试样反射的光LR进行光谱分析的照明反射器机构1包括反射器壳体RG，该反射器壳体RG还包括至少一个空腔K，所述空腔具有在反射器壳体RG的端侧4上的指向的开口和光源镶嵌部2并且设置用于利用来自光源镶嵌部2中的光源LQ的光来照射试样P，其中，反射器壳体RG包括至少一个第一空腔K1和第二空腔K2，所述空腔分别具有一个光源镶嵌部2和一个光源LQ。此外，照明反射器机构1包括探测器孔径3以及反射面5，所述探测器孔径在端侧4中作为凹部开设并且横向地与空腔K1和K2的开口错开，所述反射面在端侧4上横向地在探测器孔径3和两个空腔K1和K2的开口之间延伸并且与从试样P到反射面5上的反射的光LR的入射方向相比，将由试样反射的光LR沿着基本上相同的方向返回辐射到试样P上。探测器孔径3可以具有能够被柱形地成型并延伸穿过反射器壳体RG的光入射通道。探测器孔径3可以横向地位于两个空腔K1和K2之间。
反射器壳体RG可以这样成型，使得空腔K1和K2 （或者还有其它）的开口对准一个共同的交点SP，其中到端侧4上的和通过探测器孔径3的法线N可以与交点SP相交。
用于分析来自试样P的光的光学分析装置10包括：至少一个光源LQ，有利地在第一空腔K1和第二空腔K2中分别包括一个光源，借助于该光源能够在至少一个照射区域E中以特定的角度照射试样P；根据本发明的照明反射器机构1，其如此布置，使得由照射区域E反射的光LR射到反射面5上和探测器孔径3上；探测器机构DE，其布置在探测器孔径3中或在射出方向上布置在该探测器孔径之后并且设置用于探测由照明反射器机构1透射的光；以及测评机构AE，其设置用于光谱地分析由探测器机构DE探测的光。
反射面5能够包括逆反射微结构，例如单独地布置在端侧4上的例如作为薄膜的结构，或者在端侧4上成型到反射器壳体RG的材料中的结构。
通过用分析装置10的光照明试样P，即使在试样和反射面5之间重新或多次反射光之后，也可以照明在横向伸展范围上大部分形状稳定的照明区域E。在此，取决于试样的材料特性，光的特定的光谱份额可以由试样的材料吸收。通过可以将尽可能多的光集中在照明区域E上和探测器孔径的视野FOV中集中，可以在探测器机构DE上实现尽可能高的信噪比（SNR、“信号噪声比例”），换言之，照明反射器机构1现在可以如此形成光，使得尽可能多的光落到传感器的FOV中。
从照明区域E返回反射的光的一部分可以穿过探测器孔径3，但是大部分射到端面4上并且再次返回反射到试样P上，其中在没有根据本发明的反射面5的情况下二次光将会射到FOV之外的试样上。然后，光将横向地进一步散射并且将再次射向FOV的概率将降低，因为光将在足够数量的反射循环下被吸收，或者所述光通过将被完全反射经过试样或反射器而完全离开由传感器和试样构成的系统。
通过端侧4上的根据本发明的反射面5，光现在可以有针对性地偏转回到其在试样P上的FOV中的初始位置，并且因此获得又由试样进入到探测机构DE中的第二机会。由此可以反作用于由于不受控的漫反射或镜面反射的多重反射引起的有效照明分布的增宽。
反射面5也可以由许多小的反射性的棱锥构成，它们也可以分别成型空间角（Raumecke）。
图2示出了根据本发明的一个实施例的照明反射器机构中的逆反射微结构的示意图。
逆反射微结构能够形成空间角，其中当光沿空间角的打开方向入射时，入射的光ER能够基本上再次沿相同的方向或至少以相同的角度、可能以小的平行位移相对于试样返回。
在此，单个的逆反射微结构能够包括三个彼此垂直的面。这种空间角或者至少逆反射微结构能够在一个步骤中在端侧上成型反射面时实现。在进一步的步骤中，然后可以将具有逆反射微结构的端侧反射地涂层，例如蒸镀铝。对此替代地，薄膜也可以包括逆反射微结构并且施加到端侧上。这种薄膜可以相应于交通指示牌的薄膜。
图3示出根据本发明的一个实施例的用于制造照明反射器机构的方法的方法步骤的方框图。
在用于制造照明反射器机构的方法中，提供S1具有至少一个空腔的反射器壳体，所述空腔具有在反射器壳体的端侧上的指向的开口和光源镶嵌部并且设置用于用来自在光源镶嵌部中的光源的光照射试样并且具有如下探测器孔径，所述探测器孔径在端侧中作为凹部开设并且横向地与至少一个空腔的开口错开；以及在所述端侧上提供S2反射面，所述反射面在所述探测器孔径隙与所述空腔的开口之间横向地延伸，并且与从试样到反射面上的经反射的光的入射方向相比，将由试样反射的光沿基本上相同的方向返回辐射到试样上。
图4示出根据本发明的另一个实施例的照明反射器机构的示意图。
图4的照明反射器机构1在与空腔的射出方向相反的俯视图中可以具有圆形的、尤其是柱形的形状。柱体可以具有例如30 mm的直径和例如7 mm的厚度（高度）。
照明反射器机构1分别针对一个光源能够包括具有第一光源镶嵌部2-1的第一空腔K1、具有第二光源镶嵌部2-2的第二空腔K2、具有第三光源镶嵌部2-3的第三空腔K3和具有第四光源镶嵌部2-4的第四空腔K4。这些空腔可以关于探测器孔径3彼此相邻或者相对置，分别沿着圆形走向相邻的空腔尤其是可以等距地布置。空腔可以有利地具有抛物线形的凹部，例如作为椭圆体。
图4a以俯视图示出照明反射器机构1并且图4b以透视斜视图示出该照明反射器机构。
图5示出根据本发明的另一个实施例的照明反射器机构的示意图。
图4的照明反射器机构1可以在空腔的形状方面与图4的那个不同。在此示出两个关于探测器孔径3相对置的第一空腔K1和第二空腔K2，它们分别具有在反射器壳体RG中的不同于抛物线的凹部。因此，空腔中的每一个（这针对其他空腔也是可行的）可以都成型有朝向探测器孔径3倾斜的开口，这可以使探测器孔径3相对于垂直于端侧的方向倾斜40°。这可以对应于所谓的复合抛物面聚光器（CPC）。凹部可以从反射器壳体RG切割出。CPC 可以包括下部的圆形面，该下部的圆形面可以小于端侧，并且例如具有1.5 mm的半径。
照明反射器机构1还可以具有10 mm-25 mm的长度和10°的接收角。
虽然本发明借助于优选的实施例在前面充分地被描述，但是本发明不局限于此，而是可以以多种方式和方法被修改。

Claims (11)

1.一种用于照明试样（P）以对由试样反射的光（LR）进行光谱分析的照明反射器机构（1），该照明反射器机构包括反射器壳体（RG），该反射器壳体（RG）此外包括
- 至少一个空腔（K），所述空腔具有在反射器壳体（RG）的端侧（4）上的指向的开口和光源镶嵌部（2）并且设置用于利用来自光源镶嵌部（2）中的光源（LQ）的光来照射试样（P）；
- 探测器孔径（3），所述探测器孔径作为凹部在所述端侧（4）中开设并且横向地与所述至少一个空腔（K）的开口错开；
- 反射面（5），所述反射面在所述端侧（4）上在所述探测器孔径（3）与所述空腔（K）的开口之间横向地延伸，并且与由所述试样（P）到所述反射面（5）上的经反射的光（LR）的入射方向（ER）相比，将由所述试样反射的光（LR）沿基本上相同的方向返回辐射到所述试样（P）上。
2.根据权利要求1所述的照明反射器机构（1），其中，所述反射器壳体（RG）包括多个空腔（K1、K2、…、Kn），所述空腔分别具有自身的光源镶嵌部（2），其中所述空腔（K1、K2、…、Kn）的开口对准共同的交点（SP），所述试样（P）能够定位在该交点上，并且其中，到所述端侧（4）上的和穿过所述探测器孔径（3）的法线（N）与所述交点（SP）相交。
3.根据权利要求1或2所述的照明反射器机构（1），其中，所述反射面（5）包括逆反射微结构。
4.根据权利要求3所述的照明反射器机构（1），其中，单个逆反射微结构包括三个相互垂直的面。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的照明反射器机构（1），其中，所述反射面（5）包括反射涂层。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的照明反射器机构（1），其中，所述反射面（5）包括逆反射薄膜。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的照明反射器机构（1），其中，所述反射器壳体（RG）具有柱体形状。
8.一种用于分析试样（P）的光的光学分析装置（10），包括：
- 至少一个光源（LQ），利用所述光源能够在至少一个照射区域（E）中以特定的角度照射试样（P）；
- 根据权利要求1至7中任一项所述的照明反射器机构（1），该照明反射器机构如此布置，使得由照射区域（E）反射的光（LR）射到反射面（5）上和探测器孔径（3）上；
- 探测器机构（DE），其布置在探测器孔径（3）中或在射出方向上布置在探测器孔径后面，并且设置用于探测由照明反射器机构（1）透射的光；和
- 测评机构（AE），所述测评机构被设置用于光谱地分析由所述探测器机构（DE）探测的光。
9.一种用于制造照明反射器机构（1）的方法，该方法包括以下步骤：
- 提供（S1）具有至少一个空腔（K）的反射器壳体（RG），所述至少一个空腔具有在反射器壳体（RG）的端侧（4）上的指向的开口和光源镶嵌部（2）并且设置用于利用来自光源镶嵌部（2）中的光源（LQ）的光来照射试样（P）并且具有探测器孔径（3），所述探测器孔径在端侧（4）中作为凹部开设并且横向地与至少一个空腔（K）的开口错开；
- 在端侧（4）上提供（S2）反射面（5），所述反射面在探测器孔径（3）与空腔（K）的开口之间横向地延伸，并且与由试样（P）到反射面（5）上的经反射的光（LR）的入射方向（ER）相比，将由试样（P）反射的光（LR）沿基本上相同的方向返回辐射到试样（P）上。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，提供（S1）反射器壳体（RG）利用注塑方法实现。
11.根据权利要求9或10中任一项所述的方法，其中，提供（S2）反射面（5）通过在反射器壳体（RG）中成型反射结构或通过将反射材料或反射结构施加到反射器壳体（RG）上来实现。
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