CN216770793U - 一种双光束近红外光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双光束近红外光谱仪，其包括光源、分束单元、包括被测样品架和参考样品架的样品架、光束切换器、光汇聚单元、分光单元、光检测单元、马达驱动单元、信号处理和数据采集单元、下位机和上位机。其特征在于光束切换器的切换叶轮为开有扇形通光孔的圆盘，圆盘面与光路垂直；光汇聚单元包括若干个平面反射镜、椭球镜和网镜；光束切换器让样品光束和参考光束分时交替进入到光汇聚单元，有效避免双光束杂散光之间的相互影响。光检测单元中采用窗口为近红外透过率高材料的热释电探测器为近红外光探测器。因此，本实用新型提高了光学系统的信噪比，并且能在整个近红外波段不需要更换探测器，电噪声得到一致的控制。

Description

一种双光束近红外光谱仪

技术领域

本实用新型涉及一种双光束近红外光谱仪，属于光谱分析测定技术领域。

背景技术

现有的双光束红外（含近红外）光谱仪中，大多采用一个转动的扇形镜来实现样品光束和参考光束的切换。在授权专利CN205620029U和CN203606278U中，样品光束和参考光束是来自于光源的复色光，利用带一个转动扇形镜的光束汇聚器将双光束变成一个光路上的光束分时进入单色器中进行分光。在利用扇形镜进行光束切换的过程中，由于两个光束都进入了光束汇聚器，扇形镜的正面对一个光束发生镜面反射的时候，其反面会对另外一个光束发生漫发射，漫反射光在光路中形成较强的杂散光，这样会影响整个光学系统的信噪比。在授权专利CN205749270U中，样品光束和参考光束是来自于单色器的单色光，利用一个转动的扇形镜对双光束进行切换，虽然可以避免双光束之间杂散光的影响，但是由于采用了双探测器，不同探测器的电噪声大小不同，由探测器带来的电噪声会超过单探测器情形。

另外，在现有的近红外光谱仪中，大多采用 InGaAs 探测器检测短波近红外光（800 - 1500 纳米），PbS 探测器检测长波近红外光（1500 -2500 纳米）。在实现800 -2500 纳米宽波长范围测试时，要切换探测器，不仅带来了不便，而且仪器在整个波段的电噪声难以统一，导致在切换探测器的波长处的光谱数据会发生一定程度的“跳跃”，不利于后续的数据分析。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种双光束近红外光谱仪。

本实用新型提供的技术方案如下：一种双光束近红外光谱仪，其包括光源、与光源光路连接的分束单元、与分束单元光路连接的包括被测样品架和参考样品架的样品架、信号处理和数据采集单元、马达驱动模块、下位机、上位机；其特征在于其还包括光束切换器、光汇聚单元、分光单元和光检测单元；

所述光束切换器与样品架光路连接，包括转动电机和通过联接件与转动电机相连的切换叶轮，切换叶轮为开有扇形通光孔的圆盘，圆盘面与光路垂直；

所述光汇聚单元与光束切换器光路连接，包括若干个平面反射镜、第一椭球镜和网镜；

所述分光单元与光汇聚单元光路连接，包括单色器和长波通滤光片；

所述光检测单元与分光单元光路连接，包括若干个平面反射镜、第二椭球镜和探测器；

所述信号处理和数据采集单元与光检测单元的探测器相连；

所述马达驱动模块与分光单元相连；

所述下位机分别与信号处理和数据采集单元、马达驱动模块、上位机相连。

进一步地，所述的网镜为一个带有孔阵列的金属薄板，金属薄板上镀有高反射率的铝膜或金膜。

进一步地，所述的分束单元包括每束光路上均设有的平面镜和球面镜。

进一步地，所述的光汇聚单元的平面反射镜为4个。

进一步地，所述的光检测单元的平面反射镜为2个。

进一步地，所述的光检测单元的探测器为带有近红外透明窗口的热释电探测器。

进一步地，所述的分光单元的单色器为李特洛式单色器或C-T式单色器。

本实用新型的有益效果是：为了在使用单检测器的近红外双光束光谱仪中尽量降低双光束杂散光的影响，本实用新型的光汇聚单元中采用了一种具有半透半反功能的金属网镜和一个光束切换器，取代了传统光谱仪中的转动扇形镜。光束切换器的切换叶轮上有一个扇形通光孔，切换叶轮的叶轮面与双光束垂直。通过切换叶轮的转动，让样品光束和参考光束分时进入光汇聚单元中，这样可以有效避免样品光束和参考光束杂散光之间的相互影响，提高整个光学系统的信噪比。且采用了具有近红外光透过率高的窗口（如石英、玻璃或硒化锌等）的热释电探测器作为光接受器，不仅可以满足整个近红外波长范围（760纳米-2.5微米）的测试，而且能有效避免了传统光谱仪中由于双探测器切换带来的不便和光谱数据的“跳跃”，并且能在整个近红外波段电噪声能得到一致的控制。

附图说明：

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型的光束切换器的切换叶轮的结构示意图；

图3为本实用新型的光汇聚单元的网镜的结构示意图；

图4为本实用新型的光路原理示意图；

图5为本实用新型对一近红外带通滤光片透过率的实测结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细说明：

如图1-图3所示，一种双光束近红外光谱仪，其包括：

光源1：可以采用溴钨灯，用于产生近红外光。

分束单元2：与光源1光路连接，每束光路上均设有一个平面镜和一个球面镜，分别为第一平面镜21、第二平面镜22和第一球面镜23、第二球面镜24，从光源1引出两束光分别聚集在被测样品架6和参考样品架7上。

样品架：与分束单元2光路连接，包括被测样品架6和参考样品架7各一个，从光源1引出的光通过分束单元2后分别聚集在被测样品架6和参考样品架7上后形成样品光束和参考光束。

光束切换器8：与样品架光路连接，包括一个转动电机和通过联接件与转动电机相连的一个切换叶轮，切换叶轮是开有扇形通光孔82的圆盘81，圆盘81的圆盘中心孔83和四个圆孔84用于将切换叶轮通过联接件垂直固定在转动电机的电机轴上。切换叶轮的圆盘面与光路垂直，通过切换叶轮的转动，让样品光束和参考光束分时交替通过扇形通光孔82进入光汇聚单元3。

光汇聚单元3：与光束切换器8光路连接，由4个平面反射镜（第一平面反射镜31、第二平面反射镜32、第三平面反射镜33和第四平面反射镜34）、一个第一椭球镜12和一个网镜11（带网状结构的金属反射镜）构成。网镜11是一个带有孔阵列的金属薄板，金属薄板上镀有高反射率的铝膜或金膜。光束可以穿过孔阵列出射，也可以由孔阵列以外的区域反射，通过合理设计孔的数量和大小，可以让网镜具有半透半反的功能。双光束中的一束光直接通过网镜11的网孔射向第一椭球镜12，而另外一束由网镜11的镜片反射向第一椭球镜12。在网镜11和第一椭球镜12之间，双光束的光路完全一致，实现光路的汇聚。第一椭球镜12的作用是将双光束聚集到分光单色元4的入射狭缝处。

分光单元4：由单色器和长波通滤光片19构成，与光汇聚单元3光路连接，将复色的样品光和参考光转换成单色光，输出至光检测单元5。单色器可以采用李特洛式单色器，也可以采用C-T式单色器，包括闪耀光栅。在单色器后放置长波通滤光片19，以过滤高次衍射光，根据测量光谱的范围选择长波通滤光片19的截止波长和数量。

光检测单元5：与分光单元4光路连接，由2个平面反射镜（第五平面反射镜51、第六平面反射镜52）、一个第二椭球镜54和一个探测器53构成。从分光单元4出射的单色光经一个第二椭球镜54汇聚到探测器53的靶面上，从探测器53输出的光电电压信号输出到信号处理和数据采集单元9。探测器53采用带有近红外透明窗口的热释电探测器，窗口可以由石英、玻璃或硒化锌等材料制作而成。

信号处理和数据采集单元9：与光检测单元5的探测器53及下位机13相连，内包括电压放大器、滤波器和AD 转换器，分别对探测器53输出的微弱电压信号进行放大、滤波和AD转换。AD转换后的数据传输给下位机13。探测器53输出的微弱电压信号经过放大和滤波后的输出波形与样品光束和参考光束的强度比有关。根据输出波形，采用常用的比例计数法计算样品的透过率，即样品光束与参考光束的强度比。当不放置样品时，输出波形是一频率为叶轮转动频率2倍的正弦波，透射率设定为100%；当样品光束完全被挡住时，输出波形为一频率为叶轮转动频率的正弦波，透射率设定为0%。

马达驱动模块10：与分光单元4与下位机13相连，用于控制分光单元4中单色器的入射狭缝及出射狭缝的宽度、闪耀光栅的转动角度及选择相应的长波通滤光片19。马达驱动模块10的输入脉冲由下位机13提供。

下位机13：与信号处理和数据采集单元9相连，由单片机和USB通信模块构成，用于信号处理和数据采集单元9转换后的数据处理及采集。通过控制马达驱动模块10，根据测量光谱的波长范围，控制单色器的入射狭缝及出射狭缝的宽度、闪耀光栅的转动角度，选择相应截止波长的长波通滤光片19。

上位机14：与下位机13通过USB进行通信，实现下位机13的操作、光谱数据的显示和保存（功能。

如图4所示，光源（溴钨灯）1产生复色光，光谱分布范围一般在400 nm - 4500 nm之间甚至更宽。第一平面镜21、第二平面镜22和第一球面镜23、第二球面镜24构成分束单元2，将光源1的两束光引出并分别聚集在被测样品架6和参考样品架7上。光束切换器8的切换叶轮面与电机的转轴垂直，也与样品光束和参考光束垂直。通过光束切换器8的转动电机带动切换叶轮转动，当切换叶轮的扇形通光孔82经过样品光束时，样品光束进入光汇聚单元3，而参考光束被完全挡在光汇聚单元3之外。当切换叶轮的扇形通光孔82经过参考光束时，参考光束进入光汇聚单元3，而样品光束被完全挡在光汇聚单元3之外。用这种方式，让样品光束和参考光束分时交替进入到光汇聚单元3中，就可以避免一束光束的杂散光对另外一束光束的影响。样品光束经过第一平面反射镜31后通过网镜11的孔阵列射向第一椭球镜12，而参考光束经过第二平面反射镜32反射后再经过网镜11的非孔部分反射，在网镜11和第一椭球镜12之间，样品光束和参考光束开始走同一个光路，完成光汇聚的功能。值得注意的是，样品光束和参考光束是分时交替进入光汇聚单元3的。从第一椭球镜12出射的复色光先后经过第三平面反射镜33和第四平面反射镜34后聚焦在入射狭缝15上。分光单元4的单色器采用李特洛式单色器，包括入射狭缝15、离轴抛物镜16、闪耀光栅17、出射狭缝18。为了检测近红外光，闪耀光栅17采用闪耀波长为1.5微米或2微米的光栅，这样只需一块光栅可以覆盖近红外的整个波段（760纳米-2500纳米）。复色光经过单色器的入射狭缝15、离轴抛物镜16、闪耀光栅17、出射狭缝18和长波通滤光片19后形成的单色光再经过第五平面反射镜51、第六平面反射镜52和第二椭球镜54后聚焦在窗口为硒化锌材料的热释电探测器53的靶面上。探测器53输出的微弱电压信号通过信号处理和数据采集单元9处理。通过下位机13控制马达驱动模块10来控制单色器的入射狭缝15及出射狭缝18宽度及闪耀光栅17的转动角度，选择相应的长波通滤光片19。

采用常用的比例计数法计算样品的透过率，将不同衍射波长处的透过率绘制成曲线，即可得到样品的透过率光谱。利用下位机13和上位机14的通信，在上位机14显示并保存光谱数据。

选用窗口为硒化锌的钽酸锂热释电探测器，设定切换叶轮的转动频率为10HZ，选用一个截止波长为650纳米的长波通滤光片，我们用样机测量了一片从市场上购买的标称中心波长为1064纳米的带通滤光片在950纳米-1200纳米之间的透射光谱，如图5所示。所测光谱显示,中心波长在1072nm,在950纳米到1050纳米之间透过率几乎为零，而在1100纳米到1200纳米之间滤光片的截止深度不够。该光谱的成功测试，证明了本实用新型技术方案的可行性。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分都属于现有技术。以上的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种双光束近红外光谱仪，其包括光源、与光源光路连接的分束单元、与分束单元光路连接的包括被测样品架和参考样品架的样品架、信号处理和数据采集单元、马达驱动模块、下位机、上位机；其特征在于其还包括光束切换器、光汇聚单元、分光单元和光检测单元；

所述光束切换器与样品架光路连接，包括转动电机和通过联接件与转动电机相连的切换叶轮，切换叶轮为开有扇形通光孔的圆盘，圆盘面与光路垂直；

所述光汇聚单元与光束切换器光路连接，包括若干个平面反射镜、第一椭球镜和网镜；

所述分光单元与光汇聚单元光路连接，包括单色器和长波通滤光片；

所述光检测单元与分光单元光路连接，包括若干个平面反射镜、第二椭球镜和探测器；

所述信号处理和数据采集单元与光检测单元的探测器相连；

所述马达驱动模块与分光单元相连；

所述下位机分别与信号处理和数据采集单元、马达驱动模块、上位机相连。

2.根据权利要求1所述的一种双光束近红外光谱仪，其特征在于所述的网镜为一个带有孔阵列的金属薄板，金属薄板上镀有高反射率的铝膜或金膜。

3.根据权利要求1所述的一种双光束近红外光谱仪，其特征在于所述的分束单元包括每束光路上均设有的平面镜和球面镜。

4.根据权利要求1所述的一种双光束近红外光谱仪，其特征在于所述的光汇聚单元的平面反射镜为4个。

5.根据权利要求1所述的一种双光束近红外光谱仪，其特征在于所述的光检测单元的平面反射镜为2个。

6.根据权利要求1所述的一种双光束近红外光谱仪，其特征在于所述的光检测单元的探测器为带有近红外透明窗口的热释电探测器。

7.根据权利要求1所述的一种双光束近红外光谱仪，其特征在于所述的分光单元的单色器为李特洛式单色器或C-T式单色器。

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