CN118150527A - 一种散射特性分析的光谱收集装置和光谱系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种散射特性分析的光谱收集装置和光谱系统，涉及光谱测量技术领域，包括参比窗片、样品窗片、椭球面反射镜组、检测器、样品架，椭球面反射镜组包括两个相对设置的椭球面反射镜，检测器和样品架分别位于两个椭球面反射镜的焦点，检测器和样品架之间设置有用于反射光束或吸收光束的光束处理器；样品光束经样品窗片照射样品，经样品反射发出镜面反射光和漫反射光；检测器根据镜面反射光和漫反射光得到样品的全反射能量值、根据漫反射光得到样品的漫反射能量值；参比光束经参比窗片照射样品，经样品透射发出规则透射光和散射透射光；检测器根据规则透射光和散射透射光得到样品的全透射能量值、根据散射透射光得到样品的漫透射能量值。

Description

一种散射特性分析的光谱收集装置和光谱系统

技术领域

本申请涉及光谱测量技术领域，具体涉及一种散射特性分析的光谱收集装置和光谱系统。

背景技术

用户在使用分光光度计对平面固体和粉末状样品表面的漫反射光谱特征及镜片、膜等固体样品的透过光谱特征进行测量时，通常选择积分球附件来进行分析测试；但是，由于受限于积分球的能量利用率较低的问题，对于一些散射能量较低的样品无法进行测试，这就给分析测试工作带来了很大的困扰；散射特性分析一直以来是分析仪器的重要功能之一，虽然国外已有一些不同于积分球的其他测试附件，但是其功能上仅能局限于对样品的漫反射光谱特征、即反射散射的测试，无法同时对样品的透过光谱特征、即散射透射进行分析。这样一来，就限制了分光光度计的应用领域，影响分析测试工作的方便快捷性，增加了用户的负担。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种散射特性分析的光谱收集装置和光谱系统，能够同时完成漫反射、全反射及散射透射、全透射的分析测量。

本申请实施例的一方面，提供了一种散射特性分析的光谱收集装置，包括参比窗片、样品窗片、椭球面反射镜组、检测器以及用于放置样品的样品架，所述椭球面反射镜组包括两个相对设置的椭球面反射镜，所述检测器和所述样品架分别位于两个所述椭球面反射镜的焦点，所述检测器和所述样品架之间设置有用于反射光束或吸收光束的光束处理器；

样品光束经所述样品窗片照射所述样品架上的样品，经所述样品反射后发出镜面反射光和漫反射光；所述漫反射光经所述椭球面反射镜组的椭球面反射向所述检测器，所述镜面反射光入射所述光束处理器，经所述光束处理器反射后入射所述检测器，所述检测器根据所述镜面反射光和所述漫反射光得到所述样品的全反射能量值；所述光束处理器吸收所述镜面反射光时，所述检测器根据所述漫反射光得到所述样品的漫反射能量值；

参比光束经所述参比窗片照射所述样品架上的样品，经所述样品透射后发出规则透射光和散射透射光；所述散射透射光入射所述椭球面反射镜组的椭球面并反射向所述检测器，所述规则透射光入射所述光束处理器，经所述光束处理器反射后入射所述检测器，所述检测器根据所述规则透射光和所述散射透射光得到所述样品的全透射能量值；所述光束处理器吸收所述规则透射光时，所述检测器根据所述散射透射光得到所述样品的漫透射能量值。

可选地，所述光束处理器为第一反射镜或光阱，所述第一反射镜用于反射光束，所述光阱用于吸收光束。

可选地，两个所述椭球面反射镜分别具有第一椭球面和第二椭球面，所述第一椭球面和所述第二椭球面位于椭球上相对的两表面。

可选地，两个所述椭球面反射镜之间形成间隔。

可选地，所述样品窗片和所述样品架之间、所述参比窗片和所述样品架之间分别设置有反射镜组，所述样品光束依次经所述样品窗片、所述反射镜组照射所述样品架上的样品；所述参比光束依次经所述参比光窗、所述反射镜组照射所述样品架上的样品。

可选地，所述样品窗片和所述样品架之间的反射镜组包括平面镜和非球面镜，入射所述样品窗片的所述样品光束依次经所述平面镜和所述非球面镜入射所述样品架上的样品。

可选地，所述参比窗片和所述样品架之间的反射镜组为非球面镜，入射所述参比窗片的所述参比光束经所述非球面镜入射所述样品架上的样品。

可选地，所述第一反射镜为非球面镜。

可选地，还包括调节结构，所述样品架位于所述调节结构上，以使所述样品架的角度可调节。

本申请实施例的另一方面，提供了一种光谱系统，包括：光谱仪，以及依次设置在所述光谱仪出光侧的分光器和上述的散射特性分析的光谱收集装置，所述光谱仪出射的光束经所述分光器后形成样品光束和参比光束。

可选地，所述分光器至少包括半透半反镜和斩光镜。

本申请实施例提供的散射特性分析的光谱收集装置和光谱系统，可接收双光束，分别为样品光束和参比光束。当样品光束出射时，参比光束被遮挡，样品光束经样品窗片入射样品架上的样品，经样品反射后发出镜面反射光和漫反射光；此时，检测器和样品架之间设置的光束处理器反射镜面反射光，反射后镜面反射光入射检测器，而漫反射光入射椭球面反射镜组的椭球面并反射向检测器，检测器根据镜面反射光和漫反射光得到样品的全反射能量值；光束处理器吸收镜面反射光时，仅有漫反射光入射椭球面反射镜组的椭球面并反射向检测器，检测器根据漫反射光得到样品的漫反射能量值；由此，实现样品漫反射、全反射的指标分析检测。当参比光束出射时，样品光束被遮挡，参比光束经参比窗片入射样品架上的样品，经样品透射后发出规则透射光和散射透射光；光束处理器反射规则透射光，反射后规则透射光入射检测器，散射透射光入射椭球面反射镜组的椭球面并反射向检测器，检测器根据规则透射光和散射透射光得到样品的全透射能量值；光束处理器吸收规则透射光时，仅有散射透射光入射椭球面反射镜组的椭球面并反射向检测器，检测器根据散射透射光得到样品的漫透射能量值；由此，实现样品的散射透射、全透射的指标分析测量。这样一来，通过本申请实施例提供的散射特性分析的光谱收集装置，能同时实现对样品的漫反射、全反射及散射透射、全透射的分析测量；并且，采用了高精度的椭球面反射镜，提升了散射光收集效率，提高装置检测灵敏度，扩展样品测量范围，为用户提供更好的使用体验。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本实施例提供的椭球面反射镜的光学特性图；

图2是本实施例提供的散射特性分析的光谱收集装置结构示意图之一；

图3是本实施例提供的散射特性分析的光谱收集装置结构示意图之二；

图4是本实施例提供的散射特性分析的光谱收集装置样品光束光路图；

图5是本实施例提供的散射特性分析的光谱收集装置参比光束光路图。

图标：101-参比窗片；102-样品窗片；201、203、204-非球面镜；202-平面镜；3-椭球面反射镜组；30-椭球面反射镜；301-椭球面；4-检测器；5-样品架。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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申请中的具体含义。

在分析测试过程中，技术人员通常使用积分球作为分光光度计的附件用于对平面固体和粉末状样品表面的漫反射光谱特征及镜片、膜等固体样品的透过光谱特征进行测量，但积分球的能量利用率较低，对于一些散射能量较低的样品无法进行测试，这就给分析测试工作带来了很大的困扰。

有鉴于此，本申请实施例提供一种散射特性分析的光谱收集装置，旨在克服现有技术的不足，充分利用双光束分光光度计(光谱仪)的两路入射光束的特点，其中一束为参比光束，一束为样品光束。结合椭球面反射镜30的重要光学特性，即由一个焦点上投射到椭球面301上的任一光线，经反射后，必定无球差地通过另一焦点。若将待测样品置于F1，待测样品所发的散射光线经椭球面301反射后必交于F2，如图1所示。由此，基于椭球面反射镜30并通过设计优化光路结构实现对样品的紫外、可见、近红外宽光谱范围的漫反射、全反射及散射透射、全透射的分析测量。

具体地，请参照图2所示，本申请实施例提供一种散射特性分析的光谱收集装置，参比窗片101、样品窗片102、椭球面反射镜组3、检测器4以及用于放置样品的样品架5，椭球面反射镜组3包括两个相对设置的椭球面反射镜30，检测器4和样品架5分别位于两个椭球面反射镜30的焦点，检测器4和样品架5之间设置有用于反射光束或吸收光束的光束处理器；

样品光束经样品窗片102照射样品架5上的样品，经样品反射后发出镜面反射光和漫反射光；漫反射光经椭球面反射镜组3的椭球面301反射向检测器4，镜面反射光入射光束处理器，光束处理器反射的镜面反射光入射检测器4，检测器4根据镜面反射光和漫反射光得到样品的全反射能量值；光束处理器吸收镜面反射光时，检测器4根据漫反射光得到样品的漫反射能量值；

参比光束经参比窗片101照射样品架5上的样品，经样品透射后发出规则透射光和散射透射光；散射透射光入射椭球面反射镜组3的椭球面301并反射向检测器4，规则透射光入射光束处理器，光束处理器反射的规则透射光入射检测器4，检测器4根据规则透射光和散射透射光得到样品的全透射能量值；光束处理器吸收规则透射光时，检测器4根据散射透射光得到样品的漫透射能量值。

如图3所示，两个椭球面反射镜30形成椭球面反射镜组3，每个椭球面反射镜30具有一个椭球面301，两个椭球面反射镜30沿椭球方程对称式摆放；换言之，两个椭球面反射镜30分别具有第一椭球面301和第二椭球面301，第一椭球面301和第二椭球面301位于椭球上相对的两表面。

进一步地，两个椭球面反射镜30均由相同的单点金刚石车床加工而成，也就是说，两个椭球面反射镜30基本为相同的两片镜子，两个椭球面反射镜30的精度极高，以便于提升散射光收集效率和装置的检测灵敏度。

此外，为了让镜面反射光及规则透射光不被椭球面反射镜组3接收，两片椭球面反射镜30中间留有空隙以形成间隔。

检测器4位于其中一个椭球面反射镜30的焦点，样品架5位于另一个椭球面反射镜30的焦点，以符合由一个焦点上投射到椭球面301上的任一光线，经反射后，必定无球差地通过另一焦点的特性。

样品架5位于调节结构上，通过调节结构能够调节样品架5的角度，以便调节样品的角度，使样品满足测试需求。

此外，检测器4和样品架5之间设置光束处理器，光束处理器用于反射光束或吸收光束的光束处理器；具体地，光束处理器为第一反射镜或光阱，第一反射镜用于反射光束，示例地，第一反射镜可具体为非球面镜204,光阱用于吸收光束。而散射特性分析的光谱收集装置的入射光为两束光路，一路为样品光束，一路为参比光束。

其原理为，当需要测量样品的漫反射、全反射指标时，如图4所示(图4中实线为主光线、虚线为样品的散射光线)，用挡板将参比光路窗片挡住，此时散射特性分析的光谱收集装置接收样品光束。样品光束经样品窗片102照射样品架5上的样品，按照反射定律样品会发出镜面反射光，同时因为样品表面凹凸不平，样品还会发出漫反射光；换言之，样品光束照射样品后，经样品的反射形成镜面反射光和漫反射光。

可先在检测器4和样品架5之间设置第一反射镜，镜面反射光经第一反射镜入射检测器4，漫反射光入射椭球面反射镜组3的椭球面301并反射向检测器4，检测器4根据镜面反射光和漫反射光得到样品的全反射能量值，实现对样品的全反射特性分析。

再将第一反射镜换成光阱，光阱的作用是不让样品发出的镜面反射光被检测器4接收，此时仅有漫反射光入射椭球面反射镜组3的椭球面301，并反射向检测器4，检测器4根据漫反射光得到样品的漫反射能量值，实现对样品的漫反射特性分析。

当需要测量样品的散射透射、全透射指标时，如图5所示(图5中实线为主光线、虚线为样品的散射光线)，用挡板将样品窗片102挡住，此时散射特性分析的光谱收集装置接收参比光束。参比光束经参比窗片101照射样品架5上的样品，按照光的透射规律样品会发出规则透射光，同时会因为样品自身材料的原因，发出散射透射光；此时，参比光束照射样品，经样品透射后形成规则透射光和散射透射光。

检测器4和样品架5之间设置第一反射镜时，规则透射光经第一反射镜入射检测器4，散射透射光入射椭球面反射镜组3的椭球面301并反射向检测器4，检测器4根据规则透射光和散射透射光得到样品的全透射能量值，实现对样品的全透射特性分析。

检测器4和样品架5之间设置光阱时，光阱的作用是不让样品发出的规则透射光被检测器4接收，散射透射光入射椭球面反射镜组3的椭球面301并反射向检测器4，检测器4根据散射透射光得到样品的漫透射能量值，实现对样品的散射透射特性分析。

由此，通过上述设置，就实现了同时对漫反射、全反射及散射透射、全透射的分析测量。

综上，本申请实施例提供的散射特性分析的光谱收集装置，可接收双光束，分别为样品光束和参比光束。当样品光束出射时，参比光束被遮挡，样品光束经样品窗片102入射样品架5上的样品，经样品反射后发出镜面反射光和漫反射光；此时，检测器4和样品架5之间设置的光束处理器反射镜面反射光，反射后镜面反射光入射检测器4，而漫反射光入射椭球面反射镜组3的椭球面301并反射向检测器4，检测器4根据镜面反射光和漫反射光得到样品的全反射能量值；光束处理器吸收镜面反射光时，仅有漫反射光入射椭球面反射镜组3的椭球面301并反射向检测器4，检测器4根据漫反射光得到样品的漫反射能量值；由此，实现样品漫反射、全反射的指标分析检测。

当参比光束出射时，样品光束被遮挡，参比光束经参比窗片101入射样品架5上的样品，经样品透射后发出规则透射光和散射透射光；光束处理器反射规则透射光，反射后规则透射光入射检测器4，散射透射光入射椭球面反射镜组3的椭球面301并反射向检测器4，检测器4根据规则透射光和散射透射光得到样品的全透射能量值；光束处理器吸收规则透射光时，仅有散射透射光入射椭球面反射镜组3的椭球面301并反射向检测器4，检测器4根据散射透射光得到样品的漫透射能量值；由此，实现样品的散射透射、全透射的指标分析测量。这样一来，通过本申请实施例提供的散射特性分析的光谱收集装置，能同时实现对样品的漫反射、全反射及散射透射、全透射的分析测量；并且，采用了高精度的椭球面反射镜30，提升了散射光收集效率，提高装置检测灵敏度，扩展样品测量范围，为用户提供更好的使用体验。

更进一步地，在样品窗片102和样品架5之间、参比窗片101和样品架5之间分别设置有反射镜组，样品光束依次经样品窗片102、反射镜组照射样品架5上的样品；参比光束依次经参比光窗、反射镜组照射样品架5上的样品。

具体地，样品窗片102和样品架5之间的反射镜组包括平面镜202和非球面镜，入射样品窗片102的样品光束依次经平面镜202和非球面镜203反射后入射样品架5上的样品。

而参比窗片101和样品架5之间的反射镜组为非球面镜，入射参比窗片101的参比光束经非球面镜201入射样品架5上的样品。

另一方面，在此基础上，本申请实施例还公开了一种光谱系统，包括光谱仪，以及依次设置在光谱仪出光侧的分光器和如上任意一项的散射特性分析的光谱收集装置，光谱仪出射的光束经分光器后形成样品光束和参比光束。

本申请中的光谱仪可出射紫外、可见、近红外宽光谱范围内的光束，上述的散射特性分析的光谱收集装置放置于样品室内，测量时，将样品放在样品架5上；光谱仪出射的光束由分光器分成两束光束，一束为样品光束，一束为参比光束，再入射样品室内的上述散射特性分析的光谱收集装置，有效利用椭球面反射镜30的光学特性，大幅提升检测灵敏度的同时，实现对样品的紫外、可见、近红外宽光谱范围的漫反射、全反射及散射透射、全透射的分析测量。

进一步地，分光器至少包括半透半反镜和斩光镜。

斩光镜一般安装在仪器内电机旋转的支架上，光谱仪出射的光束在透过斩光镜后会分成多束光，有的光束被反射，有的光束透过斩光镜，有的光束被吸收，经斩光镜反射和透射的光束形成样品光束和参比光束。

半透半反镜同理，光谱仪出射的光束经半透半反镜后，部分被反射、部分透过半透半反镜，以形成样品光束和参比光束。

至于样品光束为反射还是透射、参比光束为反射还是透射，本实施例中具体不限定；当样品光束经分光器反射时，则参比光束经分光器透射；当样品光束经分光器透射时，则参比光束经分光器反射。

该光谱系统包含与前述实施例中的散射特性分析的光谱收集装置相同的结构和有益效果。散射特性分析的光谱收集装置的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种散射特性分析的光谱收集装置，其特征在于，包括：参比窗片、样品窗片、椭球面反射镜组、检测器以及用于放置样品的样品架，所述椭球面反射镜组包括两个相对设置的椭球面反射镜，所述检测器和所述样品架分别位于两个所述椭球面反射镜的焦点，所述检测器和所述样品架之间设置有用于反射光束或吸收光束的光束处理器；

样品光束经所述样品窗片照射所述样品架上的样品，经所述样品反射后发出镜面反射光和漫反射光；所述漫反射光经所述椭球面反射镜组的椭球面反射向所述检测器，所述镜面反射光入射所述光束处理器，经所述光束处理器反射后入射所述检测器，所述检测器根据所述镜面反射光和所述漫反射光得到所述样品的全反射能量值；所述光束处理器吸收所述镜面反射光时，所述检测器根据所述漫反射光得到所述样品的漫反射能量值；

参比光束经所述参比窗片照射所述样品架上的样品，经所述样品透射后发出规则透射光和散射透射光；所述散射透射光入射所述椭球面反射镜组的椭球面并反射向所述检测器，所述规则透射光入射所述光束处理器，经所述光束处理器反射后入射所述检测器，所述检测器根据所述规则透射光和所述散射透射光得到所述样品的全透射能量值；所述光束处理器吸收所述规则透射光时，所述检测器根据所述散射透射光得到所述样品的漫透射能量值。

2.根据权利要求1所述的散射特性分析的光谱收集装置，其特征在于，所述光束处理器为第一反射镜或光阱，所述第一反射镜用于反射光束，所述光阱用于吸收光束。

3.根据权利要求1所述的散射特性分析的光谱收集装置，其特征在于，两个所述椭球面反射镜分别具有第一椭球面和第二椭球面，所述第一椭球面和所述第二椭球面位于椭球上相对的两表面。

4.根据权利要求3所述的散射特性分析的光谱收集装置，其特征在于，两个所述椭球面反射镜之间形成间隔。

5.根据权利要求1至4任一项所述的散射特性分析的光谱收集装置，其特征在于，所述样品窗片和所述样品架之间、所述参比窗片和所述样品架之间分别设置有反射镜组，所述样品光束依次经所述样品窗片、所述反射镜组照射所述样品架上的样品；所述参比光束依次经所述参比光窗、所述反射镜组照射所述样品架上的样品。

6.根据权利要求5所述的散射特性分析的光谱收集装置，其特征在于，所述样品窗片和所述样品架之间的反射镜组包括平面镜和非球面镜，入射所述样品窗片的所述样品光束依次经所述平面镜和所述非球面镜入射所述样品架上的样品。

7.根据权利要求5所述的散射特性分析的光谱收集装置，其特征在于，所述参比窗片和所述样品架之间的反射镜组为非球面镜，入射所述参比窗片的所述参比光束经所述非球面镜入射所述样品架上的样品。

8.根据权利要求2所述的散射特性分析的光谱收集装置，其特征在于，所述第一反射镜为非球面镜。

9.根据权利要求1至4任一项所述的散射特性分析的光谱收集装置，其特征在于，还包括调节结构，所述样品架位于所述调节结构上，以使所述样品架的角度可调节。

10.一种光谱系统，其特征在于，包括光谱仪，以及依次设置在所述光谱仪出光侧的分光器和如权利要求1至9任一项所述的散射特性分析的光谱收集装置，所述光谱仪出射的光束经所述分光器后形成样品光束和参比光束。

11.根据权利要求10所述的光谱系统，其特征在于，所述分光器至少包括半透半反镜和斩光镜。