CN115078283B - 一种一体式紫外分光光谱仪及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一体式紫外分光光谱仪及系统，包括：光源(1)、光源准直镜(2)、第一分束镜(3)、参比池(4)、第一平面反射镜(5)、第二平面反射镜(6)、样品池(7)、第二分束镜(8)、狭缝前聚焦镜(9)、狭缝(10)、光谱仪准直镜(11)、光栅(12)、光谱仪聚焦镜(13)和CCD相机(14)。本发明具有体积小、便于携带及维修的特点，可检测光谱范围200～400nm，分辨率高，且无需外加其他零件即可测量，测试方便；特别地，本发明实现了利用光学设计的技巧和面阵CCD相机的优点，实现了参比光和吸收光同时检测，测试时间短，测试效率高。
Description
技术领域
本发明涉及光分析仪器技术领域，具体涉及一种一体式紫外分光光谱仪及系统。
背景技术
作为水环境监测工作中的一个重要内容，水质监测能够准确、及时、全面地反映水质的现状，评价水质的发展趋势，为后续的水污染控制工作奠定基础。水质监测需要对多种水质监测指标进行测定。以硝酸盐为例，硝酸盐是水质监测的指标之一，硝酸盐浓度过高会导致水体富营养化，更重要的是，低毒性的硝酸盐进入人体后可以被还原成高毒性的亚硝酸盐，从而对人体健康造成潜在威胁，如甲基血红蛋白血症(MetHb)、胃癌和帕金森病等。因此，实现硝酸盐/水质监测指标的准确定性定量分析具有重要意义。
目前对水质监测指标的测定多为现场采样实验室分析的方法，主要用各种化学方法测量，虽然其具有较高的灵敏度，但存在试剂毒性大、测定时间长，监测时间的不连续性、水样易变质等问题。其中，有部分指标的测定可以基于紫外-可见分光光度法，通过紫外-可见吸收光谱来表征水质具有简单直接、测定速度快、环保无污染、无需化学试剂等优点。
但传统的紫外可见光谱例如上海菁华756PC、岛津UV-1780、上海元析UV-9000等，由于体积庞大、操作复杂、需交流供电、携带不方便等原因，在很多的场合都收到了限制。国际上已经具有一些商品化的紫外光谱仪，如美国海洋光学公司生产的usb400、美国B&W Tek光谱仪、爱万提斯Mini4096CL等，光纤、样品池和光源等是分离的，使用时需要现场进行组装测试，程序繁琐且测试时间长。现有相似的专利：CN203191307U-便携式紫外可见光谱仪一体机，采用积分球的形式进行光的收集，积分球需要定制价格较贵且该仪器测量液体吸收谱需要两台紫外可见光谱仪一体机，一台作为辐射源，一台作为光谱仪，还需要一组通用的石英比色皿，测量吸光度需要先测一次参比光谱然后再测一次透射光谱，检测时间长、检测效率低。目前，尚未有一种能快速检测的小型一体式紫外分光光谱仪。
发明内容
本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种一体式紫外分光光谱仪及系统，以解决现有小型紫外分光光谱仪零件集成化的问题、测量次数多测量时间长的问题以及仪器尺寸大和分辨率之间矛盾的问题。
本发明采用如下技术方案：
一方面，一种一体式紫外分光光谱仪，包括：光源、光源准直镜、第一分束镜、参比池、第一平面反射镜、第二平面反射镜、样品池、第二分束镜、狭缝前聚焦镜、狭缝、光谱仪准直镜、光栅、光谱仪聚焦镜和CCD相机；
从光源(1)发出发散光，经过光源准直镜(2)以后成为平行光，平行光进入第一分束镜(3)后进行分光，其中一束光经第二平面反射镜(6)反射进入进入样品池(7)成为吸收光，吸收光经过第二分束镜(8)透射之后进入狭缝前聚焦镜(9)被聚焦在狭缝(10)中心；另一束光进入参比池(4)成为参比光，参比光经过第一平面反射镜(5)反射进入第二分束镜(8)，参比光和吸收光经过第二分束镜(8)后合束，经过狭缝前聚焦镜(9)聚焦到狭缝的不同位置，两束光同时进入光谱仪准直镜(11)后变成两束平行光再入射进入光栅(12)进行分光，分光完进入光谱仪聚焦镜(13)被聚焦到CCD相机(14)的不同位置上，CCD相机(14)中的硅探测器将两束光信号分别转化成两个电信号，并发送给终端设备显示吸收光谱和参比光谱。
优选的，所述光源为光纤光源，波长范围为200-1100nm。优选的，所述光源经过光纤以后可以输出聚焦光或者准直光束；所述光源经过光纤以后输出准直光束时，可以直接进入第一分束镜后进行分光。
优选的，所述第一分束镜和第二分束镜为1:1分束镜，波长范围为200-400nm；所述第一分束镜绕垂直于光轴的方向旋转45°进行分光；所述第二分束镜在绕垂直于光轴的方向旋转45°的基础上再绕光轴的方向旋转1°至3°，以分离参比光和吸收光，从而能在同一块面阵CCD相机同时检测参比光和吸收光，参比光和吸收光聚焦在狭缝(10)上的距离为0.5-2mm。
优选的，所述狭缝的宽度为50μm，长度为3mm，参比光和吸收光聚焦在狭缝上的距离为0.5-2mm。
优选的，所述光栅为闪耀反射光栅，可以把不同波长的光散射向不同方向。
优选的，所述CCD相机为面阵CCD相机，可以将接受到的光子转化成电子，通过设置分区域成像，同时读取两条光谱信息，与终端设备和软件连接可实现光谱显示；
另一方面，一种一体式紫外分光光谱系统，包括所述的一体式紫外分光光谱仪，还包括：终端设备；所述终端设备与CCD相机相连接以接收电信号并进行光谱显示。
优选的，所述终端设备分不同区域将口参比光和吸收光读出并显示。
优选的，所述终端设备包括集成在所述一体式紫外分光光谱仪上的带计算及显示功能的终端设备，或者，所述终端设备包括带显示及计算功能的外部终端设备。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明集成了小型光源、样品池和参比池，解决了小型光谱仪零件集成化的问题；
(2)本发明的参比光与吸收光经第二分束镜后产生一定的角度，参比光进入狭缝前聚焦镜以后聚焦在狭缝的长度方向，此时在狭缝长度方向参比光与吸收光存在一定的距离，从而采用面阵CCD相机实现了参比光和吸收光的同时采集，解决了测量次数多、测量时间长的问题；现有的小型光谱仪来说的，采集需要两次，第一次采集参比光，第二次采集吸收光，然后才能算出吸光度，这将存在时间的不一致性，这个过程中可能样品会被污染，而本发明因为参比光斑和吸收光斑位于面阵CCD相机的不同位置，只需要读取相应位置进行计算即可测一次得到吸光度；
(3)本发明解决了仪器尺寸大和分辨率之间矛盾问题，采用了对称光路和ct式光路结合的方式；ct式光路尺寸利用率高尺寸较小，对称光路对不同波长的光损失相同，对波长响应增强，通过旋转对称光路的第二分束镜就能轻松的将参比光和吸收光分开，旋转角度小(1°至3°)则可以轻松分开两个光斑且保证分辨率。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述及其他目的、优点和特征。
附图说明
图1是本发明的垂直于狭缝分光示意图；
图2是本发明的平行于狭缝非分光示意图；
图3是本发明的狭缝示意图；
图4是本发明的zemax非序列模式整体光路示意图；
图5是本发明的zemax序列模式参比光路以及全视场场点列图；
图6是本发明的zemax序列模式吸收光路以及全视场场点列图；
其中，1、光源；2、光源准直镜；3、第一分束镜；4、参比池；5、第一平面反射镜；6、第二平面反射镜；7、样品池；8、第二分束镜；9、狭缝前聚焦镜；10、狭缝；11、光谱仪准直镜；12、光栅；13、光谱仪聚焦镜；14、CCD相机。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“放入”、“接触”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合说明书附图，对本发明涉及的一体式紫外分光光谱仪及系统，具备该一体式紫外分光光谱仪及系统的显微镜以及搭载该一体式紫外分光光谱仪及系统系统的图像摄取装置进行描述。
参见图1和图2所示，本发明一种一体式紫外分光光谱仪包括：光源1、光源准直镜2、第一分束镜3、参比池4、第一平面反射镜5、第二平面反射镜6、样品池7、第二分束镜8、狭缝前聚焦镜9、狭缝10、光谱仪准直镜11、光栅12、光谱仪聚焦镜13和CCD相机14。
发散的紫外光从紫外光源1发出，经过光源准直镜2以后成为平行光，平行光进入第一分束镜3以后进行分光，其中一束光经第二平面反射镜6反射进入进入样品池7成为吸收光，吸收光经过第二分束镜8透射之后进入狭缝前聚焦镜9被聚焦在狭缝10中心，另一束光进入参比池4成为参比光，参比光经过第一平面反射镜5反射进入第二分束镜8，第二分束镜8绕光轴旋转一个小的角度(绕光轴1-3°，这是一开始安装就设置好的，后续不用在转动)，参比光与吸收光会产生一定的角度，参比光进入狭缝前聚焦镜9以后聚焦在狭缝10(狭缝10为50微米，宽度3mm)的长度方向，此时在狭缝10长度方向参比光与吸收光存在一定的距离，这是因为第二分束镜8绕光轴旋转一个小的角度所以会产生一定的角度。吸收光和参比光同时进入光谱仪准直镜11后变成平行光再入射进入光栅12进行分光，分光完进入光谱仪聚焦镜13被聚焦到CCD相机14上，CCD相机14中的硅探测器将光信号转化成电信号，并发送给终端设备进行光谱显示。
参见图3所示，狭缝10分为两个方向，一个宽度方向和一个长度方向，在宽度方向是用来分离不同波长的光，长度方向用来排列参比光和吸收光。如图1所示，狭缝10的宽度方向与光栅光谱的展开方向相同，才能把不同波长的光进行分开，如图2所示，狭缝10长度的方向排列着参比光和吸收光，成像在CCD相机14上也是参比光和吸收光，然后通过硅探测器光信号转化成电信号被计算软件分不同区域将口参比光和吸收光读出并显示。
本发明基于朗伯比尔定律，参比光比上吸收光然后去负的以十为底对数，样品池放样品测试吸收光，参比池放空白测参比光，空白也叫参考光是指无融资的相同溶剂，即其他与样品池放的都相同只是未放样品。
本实施例中，所述光源1为光纤光源，波长范围为200-1100nm。
所述光源1输出聚焦光或者准直光束；所述光源1输出准直光束时，直接进入第一分束镜3后进行分光。
所述第一分束镜3和第二分束镜8为1:1分束镜，波长范围为200-400nm；
所述第一分束镜3绕垂直于光轴的方向旋转45°进行分光；所述第二分束镜8在绕垂直于光轴的方向旋转45°的基础上再绕光轴的方向旋转1°至3°，以分离参比光和吸收光。所述狭缝10的宽度为50μm，长度为3mm，参比光和吸收光聚焦在狭缝10上的距离为0.5-2mm。
所述光栅12为闪耀反射光栅，可以把不同波长的光散射向不同方向
所述CCD相机14为面阵CCD相机，可以将接受到的光子转化成电子，与终端设备和软件连接可实现光谱显示。
进一步的，参见图4所示，是本发明的zemax非序列模式整体光路示意图。从图可以看出，仿真系统整体图能追迹参比光与吸收光的光线，表明了仿真与预先理论光路设计的一致性。
参见图5所示，是本发明的zemax序列模式参比光路以及全视场场点列图。从图可以看出参比光路在光学仿真软件zemax序列模式仿真及其优化以后点列图显示中心波长的分辨在0.5nm左右，边缘波长的分辨率在1nm左右。
参见图6所示，是本发明的zemax序列模式吸收光路以及全视场场点列图。从图可以看出，吸收光路在光学仿真软件zemax序列模式仿真仿真及其优化以后点列图显示中心波长的分辨在0.2nm左右，边缘波长的分辨率在0.5nm左右。
序列模式下的两个光路图是为了优化光路参数并显示最终结果。如果还需要测量可见光及近红外波长范围(400-1100nm)，则需要将CCD相机的靶面增大，分束镜的分数范围变成可见光及近红外波长范围，更改光栅刻线数就可以实现紫外波段、可见光波长及近红外范围的宽波段范围测量。
本实施例一种一体式紫外分光光谱系统，包括所述的一体式紫外分光光谱仪，还包括：终端设备；所述终端设备与CCD相机14相连接以接收电信号并进行光谱显示。
所述终端设备分不同区域将口参比光和吸收光读出并显示。
所述终端设备包括集成在所述一体式紫外分光光谱仪上的带计算及显示功能的终端设备，或者，所述终端设备包括带显示及计算功能的外部终端设备。
本发明一种小型一体式紫外分光光谱仪，具有如下优先：
(1)体积小(250mm×100mm×25mm)，便于携带及维修，可检测光谱范围200～400nm，分辨率高(中央波长附近的光谱分辨率可达到0.2nm，边缘波长附近的光谱分辨率可达到1nm)；
(2)无需外加其他零件即可测量，测试方便；
(3)参比光和吸收光一次性完成，测试的时间短、测试效率高；
(4)光谱仪尺寸小未来可集成到无人船或者其他对光谱仪尺寸限制的地方，主要可以用于紫外波段的物质测量，后续可以用于实时检测海水中紫外波段的物质测量来表征海水的水质情况，以提前预防海洋的污染情况的发生。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (9)
1.一种一体式紫外分光光谱仪，其特征在于，包括：光源(1)、光源准直镜(2)、第一分束镜(3)、参比池(4)、第一平面反射镜(5)、第二平面反射镜(6)、样品池(7)、第二分束镜(8)、狭缝前聚焦镜(9)、狭缝(10)、光谱仪准直镜(11)、光栅(12)、光谱仪聚焦镜(13)和CCD相机(14)；
从光源(1)发出发散光，经过光源准直镜(2)以后成为平行光，平行光进入第一分束镜(3)后进行分光，其中一束光经第二平面反射镜(6)反射进入样品池(7)成为吸收光，吸收光经过第二分束镜(8)透射之后进入狭缝前聚焦镜(9)被聚焦在狭缝(10)中心；另一束光进入参比池(4)成为参比光，参比光经过第一平面反射镜(5)反射进入第二分束镜(8)，参比光和吸收光经过第二分束镜(8)后合束，经过狭缝前聚焦镜(9)聚焦到狭缝的不同位置，两束光同时进入光谱仪准直镜(11)后变成两束平行光再入射进入光栅(12)进行分光，分光完进入光谱仪聚焦镜(13)被聚焦到CCD相机(14)的不同位置上，CCD相机(14)中的硅探测器将两束光信号分别转化成两个电信号，并发送给终端设备显示吸收光谱和参比光谱；
所述第一分束镜(3)和第二分束镜(8)为1:1分束镜，波长范围为200-400nm；所述第一分束镜(3)绕垂直于光轴的方向旋转45°进行分光；所述第二分束镜(8)在绕垂直于光轴的方向旋转45°的基础上再绕光轴的方向旋转1°至3°，以分离参比光和吸收光。
2.根据权利要求1所述的一体式紫外分光光谱仪，其特征在于，所述光源(1)为光纤光源，波长范围为200-1100nm。
3.根据权利要求2所述的一体式紫外分光光谱仪，其特征在于，所述光源(1)经过光纤后可输出聚焦光或者准直光束；所述光源(1)经过光纤后输出发散光然后经过光源输出准直光束时，直接进入第一分束镜(3)后进行分光。
4.根据权利要求1所述的一体式紫外分光光谱仪，其特征在于，所述狭缝(10)的宽度为50μm，长度为3mm，参比光和吸收光聚焦在狭缝(10)上的距离为0.5-2mm。
5.根据权利要求1所述的一体式紫外分光光谱仪，其特征在于，所述光栅(12)为闪耀反射光栅；可以把不同波长的光散射向不同方向。
6.根据权利要求1所述的一体式紫外分光光谱仪，其特征在于，所述CCD相机(14)为面阵CCD相机，可以将接受到的光子转化成电子，通过设置分区域成像，同时读取两条光谱信息，与终端设备和软件连接可实现光谱显示。
7.一种一体式紫外分光光谱系统，其特征在于，包括如权利要求1至6中任意一项所述的一体式紫外分光光谱仪，还包括：终端设备；所述终端设备与CCD相机(14)相连接以接收电信号并进行光谱显示。
8.根据权利要求7所述的一体式紫外分光光谱系统，其特征在于，所述终端设备分不同区域将口参比光和吸收光读出并显示。
9.根据权利要求7所述的一体式紫外分光光谱系统，其特征在于，所述终端设备包括集成在所述一体式紫外分光光谱仪上的带计算及显示功能的终端设备，或者，所述终端设备包括带显示及计算功能的外部终端设备。
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