CN113702299A - 分光光度计光源整形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种分光光度计光源整形方法，包括通过光源发射测量用光束；通过散射单元收集所述光束并匀化其光强分布；通过准直单元将散射单元的出射光束准直为平行光；通过压缩组件对准直单元的出射光束的直径进行压缩并保持平行状态；通过光阑对压缩组件的出射光束尺寸进行限制，以得到限制尺寸后的出射光束。本发明通过对光源发出的光束先后进行匀化光强、准直、压缩，直至限制出射光束尺寸，再照射到反应皿的方式，既能提高测量光束的能量，也能保证测量光束的平行度，有利于提高检测结果的准确性，降低光电检测信号电路的要求，提高测量的信噪比。

Description

分光光度计光源整形方法
技术领域
本发明属于样本检测技术领域，特别是涉及一种分光光度计光源整形方法。
背景技术
很多样本分析仪或者血液分析仪都会用到分光光度计，例如生化分析仪，生化分析仪是体外诊断检测中常用的分析仪器，分光光度计是其最重要的信号检测系统，分光光度计基于朗伯-比尔定律测量样本中特定物质的含量，在分析检测领域中是最广泛使用的分析装置之一。
分光光度计一般使用卤素灯作为测量光源。卤素灯发出的光波长是连续的，覆盖范围从紫外到近红外波段，能够满足不同的生化检测项目使用不同工作波长的需要。卤素灯发出的光向各方向发散、能量分散，需要对其进行光束整形以满足测量要求。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种分光光度计光源整形方法，用于解决现有技术中光源测量光束整形时能量利用率与测量误差难于达到要求的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种分光光度计光源整形方法，包括：
通过光源发射测量用光束；
通过散射单元收集所述光束并匀化其光强分布；
通过准直单元将散射单元的出射光束准直为平行光；
通过压缩组件对准直单元的出射光束的直径进行压缩并保持平行状态；
通过光阑对压缩组件的出射光束尺寸进行限制，以得到限制尺寸后的出射光束。
本发明的光束整形原理为：光源发出光线，通过散射单元散射后，成为光强分布较为均匀的光束，而后经过准直单元准直为平行光，平行光通过压缩组件后，光束直径被压缩，此时光束仍然保持平行状态，最后光束经光阑限制出射直径，作为测量光束照射到反应皿。
进一步，所述光源、散射单元、准直单元、压缩组件及光阑依次沿光路分布，且所述准直组件、压缩组件及光阑共轴设置。
进一步，所述光源采用卤素灯。
进一步，所述卤素灯的灯丝呈螺旋状。
进一步，所述散射单元对入射的光束产生散射，使所述光束通过散射单元后产生高斯光强分布。
进一步，所述散射单元采用散射片，所述散射片由紫外熔融石英制成，其表面为磨砂面。
进一步，所述准直单元采用非球面透镜或球面透镜，所述光束从曲率半径较大的一侧入射。
进一步，所述压缩组件包括至少两个压缩单元，各个所述压缩单元相互之间共轴设置，形成倒置的光束扩束器，能够使出射光束的直径由宽变窄。
进一步，所述压缩单元采用至少一个凸透镜。
进一步，所述光阑的中心具有用于通过光束的通光孔，所述通光孔为矩形或圆形。
如上所述，本发明具有以下有益效果：
通过对光源发出的光束先后进行匀化光强、准直、压缩，直至限制出射光束尺寸，再照射到反应皿的方式，既能提高测量光束的能量，也能保证测量光束的平行度，有利于提高检测结果的准确性，降低光电检测信号电路的要求，提高测量的信噪比。
附图说明
图1为一种分光光度计的光源整形方法应用系统的结构示意图；
图2为另一种分光光度计的光源整形方法应用系统的结构示意图；
图3为本发明实施例的分光光度计光源整形方法应用系统的结构示意图一；
图4为本发明实施例的光阑的结构示意图一；
图5为本发明实施例的光阑的结构示意图二；
图6为本发明实施例与图1方案的反应曲线对比图；
图7为本发明实施例的分光光度计光源整形方法应用系统的结构示意图二。
零件标号说明
101-光源；102-透镜；103-透镜；104-反应皿；
201-光源；202-透镜；203-光阑；204-反应皿；
301-光源；302-准直组件；3021-散射单元；3022-准直单元；303-压缩组件；3031-压缩单元；304-光阑；3041-通光孔；305-反应皿；
401-光源；402-准直组件；4021-散射片；4022-准直透镜；403-压缩组件；4031-第一压缩透镜；4032-第二压缩透镜；4033-第三压缩透镜；404-光阑；405-反应皿。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
图1和图2所示为两种常用的分光光度计的光源整形方法所采用的系统；图1中，光源101发出的光束经透镜102准直后，再经透镜103对光束进行汇聚，使光束焦点聚焦至反应皿104处，其光束能量利用率较高，但光束在反应皿104处为非平行光，会产生较大的测量误差，尤其是被检物质浓度较高时；图2中，使用透镜202对光源201发出的光束进行准直，然后用适当孔径的光阑203限定出射光斑大小，继而光束照射到反应皿204进行测量，其光束平行度较高，能够减小测量误差，提高光度计的线性测量范围上限，但是光束能量利用率较低，光信号较弱，对后端光信号处理电路的要求较高。
基于此，本发明提供一种分光光度计光源整形方法，包括：
通过光源301发射测量用光束；
通过散射单元3021收集所述光束并匀化其光强分布；
通过准直单元3022将散射单元3021的出射光束准直为平行光；
通过压缩组件303对准直单元3022的出射光束的直径进行压缩并保持平行状态；
通过光阑304对压缩组件303的出射光束尺寸进行限制，以得到限制尺寸后的出射光束。
本发明的光束整形原理为：光源301发出光线，通过散射单元3021散射后，成为光强分布较为均匀的光束，而后经过准直单元3022准直为平行光，平行光通过压缩组件303后，光束直径被压缩，此时光束仍然保持平行状态，最后光束经光阑304限制出射直径，作为测量光束照射到反应皿305。
具体的，请结合图3所示，本发明中所述光源301、散射单元3021、准直单元3022、压缩组件303及光阑304依次沿光路分布，且所述散射单元3021、准直单元3022、压缩组件303及光阑304共轴设置。光源301用于发出测量用光束；散射单元3021与准直单元3022组成准直组件302，用于收集光束并经匀化光强分布后整形为平行光；压缩组件303包括至少两个压缩单元3031，用于压缩准直组件302的出射光束尺寸，且保持其平行状态；光阑304用于限制压缩组件303出射光束的尺寸；经过光阑304后的出射光束用于照射到反应皿305上进行测量。
本实施例中，所述光源301采用卤素灯，且所述卤素灯的灯丝呈螺旋状。其直径为0.6-1.2mm，长度为3.0-4.5mm；
本实施例中，所述散射单元3021对入射的光束产生散射，使所述光束通过散射单元3021后产生高斯光强分布。较佳的，所述散射单元3021采用散射片，所述散射片由紫外熔融石英制成，其表面为磨砂面。此种结构，使散射片可以透过紫外波段光线，并能够对入射光束产生散射作用，使光束通过散射片后产生高斯光强分布，散射片的主要作用是消除灯丝发光所带来的光强分布不均匀问题，起到匀化光强分布的作用。
准直单元3022用于收集匀化后的光束，并将光束准直为平行光；其中，所述准直单元3022采用非球面透镜或球面透镜，所述光束从曲率半径较大的一侧入射。较佳的，所述准直单元3022采用非球面透镜，其准直效果更好。
压缩组件303包括至少两个压缩单元3031，两个或两个以上所述压缩单元3031相互之间共轴设置，用于压缩准直组件302所出射光束的直径。压缩组件303实质是一个倒置的光束扩束器，扩束器的扩束倍数用N＝D/d(N>1)表示，其中，D为入射压缩组件303前的光束直径，d为出射压缩组件303后的光束直径。在本方案中将光束扩束器倒置使用，从而使出射光束的直径由宽变窄，可以将入射平行光束的直径由D缩小为d并保持平行状态，起到光束压缩作用。较佳的，所述压缩单元3031采用至少一个凸透镜。
参阅图4和图5，采用光阑304，用于从压缩组件303出射的光束中选择部分光束，限制从光阑304出射的光束大小。具体的，所述光阑304的中心具有用于通过光束的通光孔3041，所述通光孔3041为矩形或圆形。相应地，通光孔3041的面积为a×b或π/4m^2，光阑304的通光孔3041周围为遮光区域，用于阻挡光线，经过光阑304后的光束照射到反应皿305上用于测量。
用本方案与图1所示的方案测量同一生化检测项目，反应曲线的对比如图6所示，其中，交叉符号表示本方案反应曲线数据，空心圆形符号表示图1方案反应曲线数据，空心菱形符号表示采用日立某机型的全自动生化分析仪测试反应曲线数据，从图中能够明显看出，本方案所得结果与日立某机型测试结构基本相同，可见使用本发明所提出的光源系统测量时，检测结果远高于光束非平行方案，证明了本方案因测量光束平行度高，有助于提高测量准确度。
如图2所示，设光源201(卤素灯)入射到透镜202的光功率为P0，透镜202的透过率为T2，经透镜202准直后的光束直径为D，光阑203的通光直径为m，则入射到反应皿204处的光功率为：
P21＝P0×T2×m/D (1)
如图3所示，设光源301(卤素灯)入射到散射单元3021的光功率同样为P0，散射单元3021的透过率为T1，准直单元3022的透过率为T2，压缩组件303的等效透过率为T3，经过准直组件302后的光束直径为D，经过压缩组件303后的光束直径为d，压缩组件303包括三个压缩单元3031，光阑304的通光直径为m，则入射到反应皿处305的光功率为：
P31＝P0×T1×T2×T3×m/d (2)
由(1)式和(2)式可知：
P31/P21＝D/d×T1×T3 (3)
已知压缩组件303为倒置的扩束器装置，其扩束倍数为N＝D/d(N>1)，故(3)式可变换为：
P31/P21＝N×T1×T3 (4)
为提高入射到反应皿的光能量，需要P31/P21>1，即要求：
N>1/T1/T3 (5)
对于压缩组件303，其透过率取决于所用透镜的数量以及各个透镜的透过率，设其由m片透镜组成，各透镜的透过率均为T，则(5)式变换为：
N>1/T1/Tm (6)
由于散射单元3021为紫外熔融石英制成，其透过率T1在紫外到近红外波段(300-900nm)可大于0.9；而压缩组件303中的透镜透过率一般大于0.9(如透镜使用BK7玻璃制成，当透镜镀增透膜时，其透过率会更高)。因此：
当压缩组件303由两个压缩单元3031(两片透镜)组成时，N>1/0.9/0.92，即N>1.37；当压缩组件303由三个压缩单元3031(三片透镜)组成时，N>1/0.9/0.93，即N>1.52。
由以上推算可知，当N大于1.37(压缩组件303由两个压缩单元3031组成)，或N大于1.52(压缩组件303由两个压缩单元3031组成)时，即可保证本方案所述测量光源301到达反应皿305处的测量光束能量大于图2方案中测量光束能量。
对于压缩组件303，其实质是倒置的扩束器，能够实现2倍以上的扩束倍数。当扩束倍数N＝5时，出射光能量约是图2方案光束能量的3倍。适当选择更大的扩束倍数，可进一步提高入射到反应皿305处的光能量，但最大有效扩束比受到光阑304通光孔3041的孔径m限制，即N≤D/m。
通过以上计算及分析，说明本方案的光源整形系统，其光束整形方式能够在保证光束平行度的同时，提高测量光束的能量。而测量光束能量的提升，可进一步降低对光电检测信号处理电路要求，有利于提高测量的信噪比。
参阅图7，在本实施例中，光源401发出的光束经过准直组件402准直，先由散射片4021散射后由准直透镜4022整形，然后依次经过由第一压缩透镜4031、第二压缩透镜4032及第三压缩透镜4033组成的压缩组件403，将光束直径缩为入射光束直径的1/5，最后经过光阑404照射到反应皿405上，本实施例中各元器件参数如下：
光源401，采用卤素灯，其灯丝长度3.5mm，直径0.8mm，距散射片4021的距离为8-11mm；
散射片4021：其厚度为2mm，300-900nm波段透过率>0.9，散射片4021与准直透镜4022的距离为1-2mm；
准直透镜4022：其为偶次非球面透镜，非球面透镜公式如下式描述，非球面侧曲率半径为10.462mm，圆锥系数k＝-0.626，4阶项A4＝1.5e-5，直径25mm，厚度12mm，其后表面与第一压缩透镜4031的前表面距离为5mm；
第一压缩透镜4031：前表面曲率半径为90mm，后表面曲率半径为256.8mm，直径25mm，厚度5mm，其后表面与第二压缩透镜4032的距离为10mm；
第二压缩透镜4032：前表面曲率半径为36.3mm，后表面曲率半径为305.869mm，直径25mm，厚度5mm，其后表面与第三压缩透镜4033的距离为37mm；
第三压缩透镜4033：且为双凹透镜，前表面曲率半径为-12mm，后表面曲率半径为12mm，厚度5mm，其后表面与光阑404的距离为3-5mm；
光阑404：采用圆形的通光孔，通光孔的直径为1.8mm，厚度1-2mm，其与反应皿405前表面的距离为3-5mm；
本实施例中，由第一压缩透镜4031、第二压缩透镜4032及第三压缩透镜4033组成的压缩组件403，可将直径为10mm的光束压缩成直径为2mm的光束，然后通过光阑404进一步限制出射光束大小，最终照射到反应皿405上用于测量。
综上，在本发明实施例提供的分光光度计光源整形方法中，通过对光源发出的光束先后进行匀化光强、准直、压缩，直至限制出射光束尺寸，再照射到反应皿的方式，既能提高测量光束的能量，也能保证测量光束的平行度，有利于提高检测结果的准确性，降低光电检测信号电路的要求，提高测量的信噪比。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种分光光度计光源整形方法，其特征在于，包括：
通过光源发射测量用光束；
通过散射单元收集所述光束并匀化其光强分布；
通过准直单元将散射单元的出射光束准直为平行光；
通过压缩组件对准直单元的出射光束的直径进行压缩并保持平行状态；
通过光阑对压缩组件的出射光束尺寸进行限制，以得到限制尺寸后的出射光束。
2.根据权利要求1所述的分光光度计光源整形方法，其特征在于：
所述光源、散射单元、准直单元、压缩组件及光阑依次沿光路分布，且所述散射单元、准直单元、压缩组件及光阑共轴设置。
3.根据权利要求2所述的分光光度计光源整形方法，其特征在于：所述光源采用卤素灯。
4.根据权利要求3所述的分光光度计光源整形方法，其特征在于：所述卤素灯的灯丝呈螺旋状。
5.根据权利要求2所述的分光光度计光源整形方法，其特征在于：所述散射单元对入射的光束产生散射，使所述光束通过散射单元后产生高斯光强分布。
6.根据权利要求5所述的分光光度计光源整形方法，其特征在于：所述散射单元采用散射片，所述散射片由紫外熔融石英制成，其表面为磨砂面。
7.根据权利要求2所述的分光光度计光源整形方法，其特征在于：所述准直单元采用非球面透镜或球面透镜，所述光束从曲率半径较大的一侧入射。
8.根据权利要求2所述的分光光度计光源整形方法，其特征在于：所述压缩组件包括至少两个压缩单元，各个所述压缩单元相互之间共轴设置，形成倒置的光束扩束器，能够使出射光束的直径由宽变窄。
9.根据权利要求8所述的分光光度计光源整形方法，其特征在于：所述压缩单元采用至少一个凸透镜。
10.根据权利要求2所述的分光光度计光源整形方法，其特征在于：所述光阑的中心具有用于通过光束的通光孔，所述通光孔为矩形或圆形。
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龙子江 等: "生物化学与分子生物学实验技术教程", 中国科学技术大学出版社, pages: 29 - 30 *

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