本發(fā)明涉及光譜分析儀器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于復(fù)合拋物面聚光器的小型近紅外光譜儀光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

基于近紅外光譜技術(shù)的分析方法以快速、無損傷、無試劑、適用樣品范圍廣、可多組分同時(shí)分析等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)、食品、石油化工、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)近紅外光入射到待測(cè)樣品后，透射光為近紅外光與樣品分子相互作用后的光并且攜帶了樣品組分和結(jié)構(gòu)的信息，再經(jīng)過色散元件分為不同波長(zhǎng)的單色光，由探測(cè)器接收樣品光譜信號(hào)，最后利用化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件對(duì)樣品的光譜進(jìn)行定性、定量分析。近紅外光譜分析技術(shù)是近紅外光譜儀、化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件和應(yīng)用模型三者的結(jié)合，而光譜儀器是該技術(shù)的基礎(chǔ)和前提，它的性能直接影響著對(duì)光譜信號(hào)的有效分析。目前，許多國(guó)家已經(jīng)建立了專門的科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的儀器研發(fā)，而降低儀器成本且保持足夠的分析性能成為當(dāng)今近紅外光譜儀器研制的主導(dǎo)方向。近紅外光譜技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用范圍廣、市場(chǎng)容量大，但是目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的近紅外商用儀器還不多，大部分是國(guó)外公司產(chǎn)品。因此，在我國(guó)開發(fā)近紅外光譜儀器基礎(chǔ)軟硬件，進(jìn)行降低儀器成本、提高儀器性能等研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

按照分光元件不同，近紅外光譜儀器一般分為：濾光片型、光柵色散型、傅里葉變換型和聲光調(diào)制濾光型。光柵色散型、傅里葉變換型光譜儀雖然有信噪比高、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，但是由于內(nèi)部有可移動(dòng)的分光器件，其抗震性差，機(jī)械軸易磨損，影響波長(zhǎng)重復(fù)性，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)加工的精度要求高，不利于小型化、低成本光譜儀器的研制。而濾光片型光譜儀具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固穩(wěn)定、光通量大等特點(diǎn)，成為近紅外光譜儀器研究的重要發(fā)展方向。隨著led性能的提高，能滿足光譜儀對(duì)光源低損耗、高亮度、長(zhǎng)壽命、易控制的要求，再配合濾光片，可用來設(shè)計(jì)更小型化的光譜儀器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于復(fù)合拋物面聚光器的小型近紅外光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，方法簡(jiǎn)單且可操作性強(qiáng)，裝置的成本較低，穩(wěn)定性高，更適合于手提式光譜儀器。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案是：

一種基于復(fù)合拋物面聚光器的小型近紅外光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一個(gè)光學(xué)平臺(tái)，所述光學(xué)平臺(tái)上依次設(shè)置有：光源、濾光裝置、第一聚焦機(jī)構(gòu)、樣品室、第二聚焦機(jī)構(gòu)和光譜探測(cè)器；所述光源能夠發(fā)出多個(gè)不同波長(zhǎng)的近紅外光；所述濾光裝置與光源對(duì)應(yīng)設(shè)置，近紅外光經(jīng)過濾光裝置后形成單色近紅外光；所述第一聚焦機(jī)構(gòu)對(duì)所述單色近紅外光進(jìn)行第一次聚焦，產(chǎn)生聚焦光斑；所述樣品室設(shè)置在聚焦光斑處，用于放置待測(cè)樣品；所述第二聚焦機(jī)構(gòu)左右成非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)待測(cè)樣品透射的發(fā)散近紅外光進(jìn)行第二次聚焦；所述光譜探測(cè)器接收并檢測(cè)不同波長(zhǎng)的近紅外光譜信號(hào)。

進(jìn)一步的，所述光源包括光源盤及固定在光源盤上的9個(gè)led，9個(gè)led排列為3×3的正方形，每個(gè)led等間隔分布；由電路控制9個(gè)led在不同時(shí)刻分別發(fā)出不同波長(zhǎng)的近紅外光。

進(jìn)一步的，所述濾光裝置包括濾光片盤以及固定在濾光片盤上的9個(gè)濾光片，每個(gè)濾光片與所述每個(gè)led一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，9個(gè)濾光片排列為3×3的正方形結(jié)構(gòu)，每個(gè)濾光片等間隔分布，不同位置處的濾光片的中心波長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)的led的峰值波長(zhǎng)一致。

進(jìn)一步的，所述第一聚焦機(jī)構(gòu)為聚焦透鏡，將近紅外光聚焦為比較均勻的光斑并照射到樣品室中的待測(cè)樣品上；所述第一聚焦機(jī)構(gòu)的中心與光源的中心、濾光裝置的中心都在同一條直線上。

進(jìn)一步的，所述樣品室的縱截面為圓形，由透光性好的塑料或玻璃構(gòu)成。

進(jìn)一步的，所述第二聚焦機(jī)構(gòu)是內(nèi)部鍍有高反射膜的復(fù)合拋物面聚光器，由左反射鏡和右反射鏡組成，所述左反射鏡為全尺寸結(jié)構(gòu)的復(fù)合拋物面反射鏡，所述右反射鏡為截短型結(jié)構(gòu)的復(fù)合拋物面反射鏡，所述左反射鏡將待測(cè)樣品透射的發(fā)散近紅外光線的傾斜角度有效減小，再由右反射鏡將光線進(jìn)一步會(huì)聚到光譜探測(cè)器上。

進(jìn)一步的，所述左反射鏡與所述右反射鏡對(duì)接，所述左反射鏡的大口端直徑與所述右反射鏡的大口端直徑相等；透過待測(cè)樣品的發(fā)散近紅外光線從左反射鏡的小口端進(jìn)入，在左反射鏡內(nèi)表面發(fā)生第一次反射，再由左反射鏡的大口端進(jìn)入右反射鏡，在右反射鏡內(nèi)表面發(fā)生第二次反射，最后通過右反射鏡的小口端會(huì)聚到光譜探測(cè)器上。

進(jìn)一步的，所述左反射鏡的最大聚光角大于右反射鏡的最大聚光角，左反射鏡和右反射鏡的最大聚光角均不超過30°。

進(jìn)一步的，所述光譜探測(cè)器是象元數(shù)為1的單元式探測(cè)器，同一時(shí)刻采集單一波長(zhǎng)的光譜。

由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種基于復(fù)合拋物面聚光器的小型近紅外光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)勢(shì)在于：儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，功耗小，光通量大，穩(wěn)定性高，信噪比高，提高了近紅外光譜儀器的分析精度。采用復(fù)合拋物面聚光器的結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的光學(xué)效率，并且改善了入射到探測(cè)器上的光照度均勻性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種基于復(fù)合拋物面聚光器的小型近紅外光譜儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明的光源結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的濾光裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的第二聚焦機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的實(shí)施例1從待測(cè)物透射的近紅外光經(jīng)復(fù)合拋物面聚光器反射后照射到光譜探測(cè)器上的光照度分布圖(假設(shè)待測(cè)物為朗伯輻射面光源)。

圖中：1-光源；2-濾光裝置；3-第一聚焦機(jī)構(gòu)；4-樣品室；5-第二聚焦機(jī)構(gòu)；6-光譜探測(cè)器；7-led；8-光源盤；9-濾光片盤；10-濾光片；11-左反射鏡；12-右反射鏡。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1：

如圖1至圖5所示，為本發(fā)明的一種基于復(fù)合拋物面聚光器的小型近紅外光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)包括一個(gè)光學(xué)平臺(tái)，光學(xué)平臺(tái)上依次設(shè)置有：光源1、濾光裝置2、第一聚焦機(jī)構(gòu)3、樣品室4、第二聚焦機(jī)構(gòu)5和光譜探測(cè)器6；光源1能夠發(fā)出多個(gè)不同波長(zhǎng)的近紅外光；濾光裝置2與光源1對(duì)應(yīng)設(shè)置，近紅外光經(jīng)過濾光裝置2后形成單色近紅外光；第一聚焦機(jī)構(gòu)3對(duì)單色近紅外光進(jìn)行第一次聚焦，產(chǎn)生聚焦光斑；樣品室4設(shè)置在聚焦光斑處，用于放置待測(cè)樣品；第二聚焦機(jī)構(gòu)5左右成非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)待測(cè)樣品透射的發(fā)散近紅外光進(jìn)行第二次聚焦；光譜探測(cè)器6接收并檢測(cè)不同波長(zhǎng)的近紅外光譜信號(hào)。

光源1包括光源盤8及固定在光源盤8上的9個(gè)led7，9個(gè)led7排列為3×3的正方形，每個(gè)led7等間隔分布，間距為4mm。由電路控制9個(gè)led7在不同時(shí)刻分別發(fā)出不同波長(zhǎng)的近紅外光。9個(gè)led7發(fā)出的中心波長(zhǎng)分別為λ1＝910nm，λ2＝940nm，λ3＝980nm，λ4＝1050nm，λ5＝1070nm，λ6＝1200nm，λ7＝1300nm，λ8＝1450nm，λ9＝1550nm，每個(gè)led7發(fā)光面為直徑5.5mm的圓，發(fā)散角為±7°。

濾光裝置2包括濾光片盤9以及固定在濾光片盤9上的9個(gè)濾光片10，每個(gè)濾光片10與每個(gè)led7一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，濾光片10的直徑為5.5mm。9個(gè)濾光片10排列為3×3的正方形結(jié)構(gòu)，每個(gè)濾光片10等間隔分布，不同位置處的濾光片10的中心波長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)的led7的峰值波長(zhǎng)一致。

第一聚焦機(jī)構(gòu)3為聚焦透鏡，將近紅外光聚焦為比較均勻的光斑并照射到樣品室4中的待測(cè)樣品上，其中第一聚焦機(jī)構(gòu)3的中心與光源1的中心、濾光裝置2的中心處于同一條直線上。本實(shí)施例中聚焦透鏡采用兩片結(jié)構(gòu)相同的透鏡組合而成：材料為bk7，r1＝38mm，r2＝-90mm，厚度d＝5mm，通光孔徑d＝28mm，透鏡間隔d’＝3mm；聚焦光斑的直徑為10mm。

樣品室4的縱截面為圓形，由透光性好的塑料或玻璃構(gòu)成。

待測(cè)樣品可以為普通物品，也可以為待測(cè)人體部位如手指、舌頭、耳垂等，本系統(tǒng)能對(duì)普通樣品成分檢測(cè)分析，也能對(duì)人體血液成分信息進(jìn)行無創(chuàng)檢測(cè)。

本實(shí)施例中第二聚焦機(jī)構(gòu)5采用材料為高硼硅3.3玻璃、內(nèi)部鍍有高反射銀膜的復(fù)合拋物面聚光器，由左反射鏡11和右反射鏡12組成，左反射鏡11為全尺寸結(jié)構(gòu)的復(fù)合拋物面反射鏡。右反射鏡12為截短型結(jié)構(gòu)的復(fù)合拋物面反射鏡，所述截短型結(jié)構(gòu)采用截頂法而成，可縮小聚光器尺寸。經(jīng)過待測(cè)物后的透射光發(fā)散角度大，由全尺寸的左反射鏡11將待測(cè)樣品透射的發(fā)散近紅外光線的傾斜角度有效減小，再由截短型的右反射鏡12將其會(huì)聚到光譜探測(cè)器6上。

左反射鏡11與右反射鏡12對(duì)接，左反射鏡11的大口端直徑與右反射鏡12的大口端直徑相等，約為24mm。全尺寸的左反射鏡11的小口端為透過待測(cè)物的發(fā)散角度大的近紅外光的入口，小口端直徑為d1＝10mm,在左反射鏡11內(nèi)表面光線發(fā)生第一次反射，全尺寸的左反射鏡11的大口端為第一次反射后的近紅外光的出口。光線第一次反射后的出口也為截短型右反射鏡12的入口，即右反射鏡12的大口端，在右反射鏡12內(nèi)表面光線發(fā)生第二次反射后從其小口端出射，小口端直徑為d2＝9mm，本實(shí)施例中復(fù)合拋物面聚光器總長(zhǎng)度為68mm，復(fù)合拋物面聚光器的光能利用率為25.4％。

左反射鏡11的最大聚光角大于右反射鏡12的最大聚光角，左反射鏡11和右反射鏡12的最大聚光角均不超過30°。本實(shí)施例中，左反射鏡11的最大聚光角為θ1a＝25°，右反射鏡12的最大聚光角為θ2a＝22°。

光譜探測(cè)器6是象元數(shù)為1的單元式探測(cè)器，同一時(shí)刻采集單一波長(zhǎng)的光譜。本實(shí)施例選用日本濱松公司生產(chǎn)的g8605-15ingaaspin探測(cè)器，感光面為直徑5mm的圓，光譜響應(yīng)范圍為0.9～1.67μm，采用一級(jí)te制冷方式，感光靈敏度為0.95a/w，最大暗電流為12.5na。

本系統(tǒng)的操作方法是：電路控制9種不同波長(zhǎng)的led7在不同時(shí)刻分別發(fā)出近紅外光，經(jīng)過對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)的濾光片10后，形成單色性好的光波并照射到樣品室4中的待測(cè)樣品上，透射光攜帶著待測(cè)樣品的成分信息，再由復(fù)合拋物面聚光器將這種發(fā)散角度很大的透射光會(huì)聚至光譜探測(cè)器6上，光譜探測(cè)器6接收到的近紅外光被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過預(yù)處理電路和采集電路將光譜信號(hào)傳輸至電腦，最后利用化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件完成數(shù)據(jù)處理分析。

上述實(shí)施例可在不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍下加以若干變化，故以上的說明所包含及附圖中所示的結(jié)構(gòu)應(yīng)視為示例性，而非用以限制本發(fā)明申請(qǐng)專利的保護(hù)范圍。