CN1740776B - 用于测量样本光吸收特性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

按照本发明用于测量样本光吸收特性的装置包括：光源；光波导和光反射面，光波导有相对的输入面和输出面，而在光反射面上设置被测的样本，光传输通过光波导，并通过全反射被反射到样本上；一个或多个光传输装置，它安排在光波导输出面与光波导输入面之间，使光再次进入光波导；和处理装置，它从光波导接收通过其输出面再次射出的光，并基于接收的光，检测样本的光吸收特性，其中传输通过光波导的光再次被引导到光波导，该光再次进入光波导，和该光再次被反射到样本上。

Description

用于测量样本光吸收特性的方法和装置

技术领域

本发明涉及利用光波导测量样本光吸收特性的方法，该样本中有极少可供测量的量。本发明还涉及利用光波导测量样本光吸收特性的装置，该样本中有极少可供测量的量。

背景技术

我们知道一种测量样本光吸收特性的方法，该方法包括：引导光到样本上，通过全反射使光反射到样本上；接收样本上反射的光；和基于接收的光，检测样本的光吸收特性，为的是基于样本的光吸收特性，至少确定样本中目标物质状态，样本中目标物质种类，样本中目标物质浓度，和样本中目标物质数量中的任何一种。

在上述常规测量方法中，光波导用于通过全反射反射在样本上被反射的光。

常规的光波导包括：梯形体或长方体的光波导，使光在光波导中通过全反射多次反射。

在图12(a)中，它表示包含梯形体的这种常规光波导。如图12(a)所示，该光波导有相对的一对输入面31和输出面32，和相对的一对上反射面33和下反射面34。在下反射面34上设置被测的样本35。

在图12(a)中没有画出，来自光源的激光或白光通过输入面31进入光波导，并且该光在上反射面33和下反射面34通过全反射连续地被反射。光通过全反射多次反射到下反射面34上设置的样本，因此，通过每次全反射产生光的吸收。光吸收特性取决于样本中目标物质的种类。所以，光在光波导中通过全反射被反射到样本上，并从光波导射出，通过检测样本的光吸收特性，可以确定样本中目标物质的状态，目标物质的种类，目标物质的浓度，和目标物质的数量(请参阅Japanese Patent No.2807777)。例如，光吸收特性可以是光吸收量，光吸收强度，和光吸收谱中的任何一种。

上述测量方法的测量灵敏度取决于反射次数。更具体地说，若反射的次数增多，则测量灵敏度也增大。相反地，若反射的次数减少，则测量灵敏度也下降。所以，为了增大测量灵敏度，需要加长光波导，或减薄光波导，从而使反射的次数增多。

然而，减薄光波导受到技术上的限制。

所以，为了提高测量灵敏度，实际上需要加长光波导。然而，出现这样一个问题，若加长光波导，则应当使用大尺寸的测量光吸收特性装置。

若加长光波导，如图12(b)所示，则反射的次数就增多。然而，反射面的面积也增大，从而使测量所需的样本数量增多。因为提取包含仅仅可以制备微量试料的任何种类样本是困难的，就出现这样一个严重的问题，如果需要增加测量所需的试料数量，则测量这种试料就变得很困难。

本发明的目的是解决上述的问题，并提供用于测量样本光吸收特性的方法和用于测量样本光吸收特性的装置，它可以使被测样本的数量减至最小，并利用有最小尺寸的光波导可以适当地设定全反射的次数。

发明内容

为了实现以上的目的，按照本发明用于测量样本光吸收特性的方法包括：引导来自光源的光到光波导和反射面，光波导有相对的光输入面和光输出面，而在反射面上放置被测的样本；光传输通过光波导并通过全反射被反射到样本上；传输从光波导通过其输出面射出的光到光波导的输入面，使光至少一次再进入光波导；接收从光波导再次射出的光；和基于接收的光，检测样本的光吸收特性。

按照本发明用于测量样本光吸收特性的装置包括：光源；光波导和光反射面，光波导有相对的光输入面和光输出面，而在光反射面上放置被测的样本，光传输通过光波导并通过全反射被反射到样本上；一个或多个光传输装置，它安排在光波导输出面与光波导输入面之间，使光再次进入光波导；和处理装置，它从光波导接收通过其输出面再次射出的光，并基于接收的光，检测样本的光吸收特性，其中传输通过光波导的光再次被引导到光波导，该光再次进入光波导，和该光再次被反射到样本上。

附图说明

图1是按照本发明第一个实施例用于测量样本光吸收特性的装置侧视图。

图2是图1中所示用于测量样本光吸收特性的装置顶视图。

图3是按照本发明第二个实施例用于测量样本光吸收特性的装置侧视图。

图4是按照本发明第三个实施例用于测量样本光吸收特性的装置侧视图。

图5是按照本发明第四个实施例用于测量样本光吸收特性的装置侧视图。

图6是按照本发明第五个实施例用于测量样本光吸收特性的装置透视图。

图7说明图6中所示测量样本光吸收特性装置的功能。

图8说明图6中所示测量样本光吸收特性装置的功能。

图9说明图6中所示测量样本光吸收特性装置的功能。

图10是按照本发明第六个实施例用于测量样本光吸收特性的装置侧视图。

图11是按照本发明第七个实施例用于测量样本光吸收特性的装置示意图。

图12(a)和12(b)表示常规的光波导。

具体实施方式

现在参照附图所示的几个实施例，我们描述按照本发明测量样本光吸收特性的实施方法模式和装置。

图1是按照本发明第一个实施例用于测量样本光吸收特性的装置侧视图，为的是解释按照本发明用于测量样本光吸收特性方法的原理。图2是图1所示装置的顶视图。

在附图中，参考数字1表示光波导。光波导1是截顶六边角锥形。截顶六边角锥形光波导1有六个侧面2，即，三对相对的两个侧面。在这个实施例中，第一对相对的两个侧面2a和2b用作第一输入面2a和第一输出面2b，而第二对相对的两个侧面2c和2d用作第二输入面2c和第二输出面2d。所述第二输出面2d是这个实施例中最后的输出面。

光波导1是由透明材料制成，其折射率可以使光通过全反射被引导通过光波导1，例如，石英玻璃或高折射率玻璃。

在光波导的底面(反射面)3上放置被测的样本4。

光源5是这样安排的，激光通过第一输入面2a的预定第一输入点进入光波导1。因此，光进入到光波导。该光通过全反射被反射到反射面3上设置样本的预定反射点。然后，激光通过第一输出面2b的预定第一输出点从光波导1射出。第一输入点与第一输出点相对于中心轴“a”是对称的，中心轴“a”垂直地延伸通过反射面3的预定反射点。

作为光传输装置的光纤6被安排在第一输出面2b与第二输入面2c之间。光纤6从光波导1接收通过第一输出面2b第一输出点射出的激光，并传输该光到第二输入面2c预定第二输入点。

光纤6传输的光通过第二输入面2c第二输入点再次进入光波导。再次进入的光又通过全反射被反射到反射面3上设置样本的所述反射点。然后，该光通过第二输出面2d的第二输出点再次从光波导1射出，其中第二输出面2d的第二输出点与第二输入面2c的第二输入点相对于中心轴“a”是对称的。

处理装置7是这样安排的，它接收光波导中样本上全反射两次反射的激光，然后通过最后输出点(在这个实施例中，最后输出点是第二输出面2d的第二输出点)从光波导1射出。处理装置基于该光检测样本的光吸收特性，为的是确定样本中目标物质的状态，目标物质的种类，目标物质的浓度和目标物质的数量。例如，光吸收特性至少可以是光吸收量，光吸收强度，和光吸收谱中的任何一种。

在以上的实施例中，来自光源的光在样本的相同反射点通过全反射被反射两次，因此，其测量灵敏度高于利用与以上实施例相同光波导的常规方法中得到的测量灵敏度，其中光在样本的一个反射点上仅通过全反射被反射一次。

在以上的实施例中，光是从光源5直接地进入光波导1，从光波导1射出的光被光纤6直接地接收，和光是从光纤6直接地再次进入光波导1。然而，所述光源5的结构，光波导1和光纤6不局限于以上的实施例。如果需要，为了有效地通过光波导和光纤传输光，可以在光波导1与光纤6之间配置会聚透镜，或光纤6的端面可以制成类似透镜的形状。

在以上的实施例中，用于测量光吸收特性的装置具有这样的结构，光在光波导1中通过全反射两次反射到样本上。然而，光反射的次数不局限于以上的实施例。例如，在以上的实施例中，可以配置另一条光纤，它能够传输从光波导通过第二输出面2d射出的光到第三输入面2e，因此，光是两次进入光波导，且它在光波导1中通过全反射被三次反射到样本的相同反射点上。在这种情况下，处理装置7必须是这样安排的，它从光波导1接收通过第三输出面2f第三输出点射出的激光，其中第三输出面2f的第三输出点与第三输入面2e的第三输入点相对于中心轴“a”是对称的。在这个原理的基础上，光反射的次数可以任意地增大到4次，5次或更多次，这是通过把光波导制成为截顶八边角锥形或截顶十边角锥形，并增加相对两个面的对数实现的，相对两个面是光波导的输入面和输出面。如图3所示，光波导可以制成半球形。在这种情况下，可以确定没有侧面的光输入点和光输出点。

此外，利用上述实施例中提到的截顶型光波导，不管是截顶圆锥形或截顶角锥形，可以利用与上述实施例中相反位置的光波导。

图4表示截顶角锥形光波导用在与图1所示实施例相反位置上的情况.在图4所示的实施例中，入射光被反射到光波导的倾斜反射面1a并被引导到样本4.然后，光通过全反射被反射到样本4上并被反射到倾斜面1b.反射光是从光波导1射出.在图4所示的实施例中，倾斜面1a和倾斜面1b仅仅用于光的反射.或者，样本4可以设置在倾斜面1a和1b上.这些倾斜面1a和1b以及底面3可以形成光的全反射.

此外，光波导不必是截顶型光波导。或者，它可以是圆锥形或角锥形光波导(见图5)。

在以上的实施例中，输入点和输出点分别位于不同的表面上。然而，输入点和输出点的位置不局限于以上的实施例。例如，可以这样安排多条光纤的矩阵组合，从矩阵的每条光纤中光进入和再次进入光波导的多个输入点安排在相同的输入面上，而光从光波导中射出和再次射出的多个输出点安排在相同的输出面上。

图6至9表示按照本发明第五个实施例用于测量样本光吸收特性的装置。用于测量样本光吸收特性的装置有利用四条光纤构成的矩阵组合。该矩阵组合安排在作为光波导的棱镜21输入面与和输出面之间，使4个输入点位于棱镜21的相同输入面上，和4个输出点位于棱镜21的相同输出面上。在这些附图中，数字编号20a至20e表示光纤，而数字编号22表示棱镜的反射面，在此反射面上放置被测的样本。

如图6所示，来自光源的光A通过光纤20a进入棱镜21，然后，光A通过全反射被反射到反射面22上的样本。借助于全反射，光A从棱镜21射出，并被光纤20b接收。

如图7所示，光纤20b传输光到棱镜21的输入面。来自光纤20b的光B再次进入棱镜21，然后，光B通过全反射再次被反射到反射面22上的样本。借助于全反射，光B从棱镜21再次射出，并被光纤20c接收。光纤20c传输该光到棱镜21的输入面。

如图8所示，来自光纤20c的光C再次进入棱镜21，然后，光C通过全反射再次被反射到反射面22上的样本。在此之后，光C再次从棱镜21射出，并被光纤20d接收。光纤20d传输该光到棱镜21的输入面。

如图9所示，来自光纤20d的光D再次进入棱镜21，然后，光D通过全反射再次被反射到反射面22上的样本。在此之后，光D再次从棱镜21射出，并被光纤20e接收。光纤20e连接到附图中没有画出的处理装置。

在以上的实施例中，矩阵组合是由4条光纤构成。然而，矩阵中光纤的数目不局限于以上的实施例。例如，矩阵组合可以由100条光纤构成，每条光纤的直径为0.1mm，因此，在1mm²面积内光可以100次被反射到样本上。

在图6至图9所示的实施例中，不可能在相同的反射点反射光。然而，如图6至图9所示，所有的反射点之间非常接近，因此，该棱镜的尺寸小于常规光吸收测量装置中所用棱镜的尺寸，以及上述本发明装置中所需的样本数量小于常规测量装置中所需的样本数量。

通过组合图1中描述的实施例与图6至图9中描述的实施例，可以增大光反射的次数。更具体地说，例如，光波导是截顶型四边角锥体，即，它有两对输入面和输出面。此外，一个矩阵组合是由100条光纤构成，每条光纤的直径为0.1mm，该矩阵组合安排在光波导的第一输入面与光波导的第一输出面之间，而另一个矩阵组合是由100条光纤构成，每条光纤的直径为0.1mm，该矩阵组合安排在光波导的第二输入面与光波导的第二输出面之间。借助于这种结构，可以在1mm²面积内光反射200次到样本上。

在上述实施例中，光垂直地进入输入面和光垂直地射出输出面。然而，光的输入角和输出角不局限于以上的实施例，例如，如图10所示，利用光波导1的倾斜输入面2a和输出面2b，光可以被折射，为的是引导光到样本4上。

参照图11描述按照本发明第七个实施例用于测量样本光吸收特性的装置。

对于与以上实施例中相同的元件，我们采用相同的数字编号。

用于测量光吸收特性的装置包括：外壳10，其中配置光源5，光纤6和光接收元件7。

用于测量光吸收特性的装置还包括：光波导，其中放置被测的样本。

光纤6传输从光波导射出的光再次进入光波导，使光再次进入到光波导中，且光再次被反射到光波导上设置的样本。

用于测量光吸收特性的装置还包括：处理装置11，基于在光波导中几次被反射到样本上的光，该光从光波导射出，并被光接收元件7接收，它检测光波导上放置样本的光吸收特性。在显示器12上显示处理装置11的处理结果。

在上述用于测量光吸收特性的装置中，光源5，光纤6，光接收元件7，处理装置11和显示器12配置在外壳10内，因此，它可以提供一种新颖的用于测量光吸收特性的一体化便携式装置。用于测量光吸收特性的一体化便携式装置尺寸取决于光波导的尺寸。上述用于测量光吸收特性的装置有光纤6，光通过光纤6从输出面返回到光波导的输入面，使光再次进入光波导，并再次被反射到光波导中的样本上。所以，在一个反射点或互相接近的几个反射点，光通过全反射几次被反射到样本上，因此，光波导的尺寸非常小。所以，用于测量光吸收特性的装置尺寸也非常小。此外，因为测量样本光吸收特性的装置是一体化型装置，这种光吸收特性的装置可以是便携式装置。

在图11所示的以上实施例中，光源5，光纤6，光接收元件7，处理装置11和显示器12配置在一个外壳内，然而，用于测量样本光吸收特性的装置结构不局限于上述的实施例。

在图11所示的以上实施例中，利用显示器显示得到的结果。然而，按照本发明用于测量光吸收特性的装置结构不局限于上述实施例，例如，利用打印机，任何类型存储媒体，集总，或扩音器，可以输出该结果。

在图11所示的以上实施例中，光纤配置在外壳内，为的使来自光波导输出面的光到返回光波导的输入面，使光再次进入光波导。然而，光传输装置的结构不局限于图11中的实施例。例如，若干条光纤的矩阵组合可以配置在外壳内以代替光纤，因此，可以获得大量反射次数。

如果需要，P型光偏振器(纵波)或S型光偏振器(横波)可以设置在光纤与光波导之间，因此，我们能够检测反射面上安排的样本中分子的方向。

Claims (13)

1.一种测量样本光吸收特性的方法，包括：

引导来自光源的光到光波导和反射面，光波导有相对的光输入面和光输出面，而在反射面上放置被测的样本，光通过光波导并通过全反射被反射到样本上；

将通过光波导的光输出面从该光波导射出的光传输到光波导的光输入面，使光至少一次再进入光波导；

接收从光波导再次射出的光；和

基于接收到的光，检测样本的光吸收特性。

2.按照权利要求1的测量样本光吸收特性方法，其中

光吸收特性至少是样本的光吸收量、样本的光吸收谱和样本的光吸收强度中的任何一种。

3.一种测量样本光吸收特性的装置，包括：

光源；

光波导和光反射面，光波导有相对的光输入面和光输出面，而在光反射面上放置被测的样本，光通过光波导并通过全反射被反射到样本上；

一个或多个光传输装置，它们安排在光波导的光输出面与光波导的光输入面之间，使光再次进入光波导；和

处理装置，它接收通过所述光输出面从光波导再次射出的光，并基于接收到的光，检测样本的光吸收特性；

其中通过光波导的光再次被引导到光波导，该光再次进入光波导，并且该光再次被反射到样本上。

4.按照权利要求3的测量样本光吸收特性装置，其中

光吸收特性至少是样本的光吸收量、光吸收谱和光吸收强度中的任何一种。

5.按照权利要求3或4的测量样本光吸收特性装置，其中

光传输装置包括一条或多条光纤。

6.按照权利要求3的测量样本光吸收特性装置，其中

光波导至少有两对光输入面和光输出面，每对中的光输入面和光输出面是相对的；

传输装置将通过一个光输出面从光波导射出的光传输到另一个光输入面，该另一个光输入面不与所述光输出面相对。

7.按照权利要求6的测量样本光吸收特性装置，其中

通过所述一个光输入面再次进入光波导的光被反射到与光波导反射面反射点相同点的样本上，其中通过所述另一个光输入面进入或再次进入光波导的光被反射。

8.按照权利要求3的测量样本光吸收特性装置，其中

光波导有一个光输入面和一个光输出面；

光通过相同的光输入面进入或再次进入光波导，并且光通过相同的光输出面从光波导射出或再次射出。

9.按照权利要求3的测量样本光吸收特性装置，其中

光波导是由透明材料制成的。

10.按照权利要求3的测量样本光吸收特性装置，其中

光波导是角锥形状，它至少有两对相对的侧面。

11.按照权利要求10的测量样本光吸收特性装置，其中

光波导是截顶角锥形状。

12.按照权利要求3的测量样本光吸收特性装置，其中

光波导是圆锥形状。

13.按照权利要求12的测量样本光吸收特性装置，其中

光波导是截顶圆锥形状。

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