CN209745804U - 一种基于分时点亮的多通道便携光谱系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于分时点亮的多通道便携光谱系统。本实用新型的光谱系统采用线性滤波片替代光栅，大大节约了光栅对输入光色散展开所需要的空间，与光栅光谱仪相比，增加了光谱系统的可携带性；采用分时点亮技术，让多个光源在样品槽内依次闪烁，数秒时间内完成测量，与光栅光谱仪相比，增加了光谱系统的测量速度和每次所测量的检测样品数量，大大提高了光谱系统的工作效率；光谱系统采用n合一光纤分束器，使多个通道的检测样品的信息光均能传输到一个线性CCD元件上，与光栅光谱仪相比，简化了实验操作，进一步节省了空间，增加了可携带性；本实用新型制作成本和制作难度大大降低。

Description

一种基于分时点亮的多通道便携光谱系统

技术领域

本实用新型涉及光谱检测技术，具体涉及一种基于分时点亮的多通道便携光谱系统。

背景技术

光作用于物质会产生光的透射、散射、吸收和发射光谱等多种光谱现象。根据光谱特性，可以获得所研究物质的成分、含量等相关信息，因此光谱检测技术被普遍应用于生化检测、生物医学、环境监测、卫生检疫、食品制药、工农业生产、天文观测等诸多领域。光谱仪是实现光谱检测的手段之一，它是利用光电倍增管等光电探测器获得谱线不同波长位置强度的科学仪器。光谱仪一般由入射狭缝，色散系统，成像系统和出射狭缝组成。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。

目前各种光谱系统均是特定光源发光，透过被测物质后输入到光谱仪中。光栅将输入进来的光信号进行空间色散，展开后的光束照射覆盖CCD等检测器上，最后由电脑将检测器采集到的光谱信息绘制成光谱图像。这样的光谱仪被应用在各个生物化检等诸多领域，但因为光栅需要空间色散，因此这类光谱仪的体积相对较大，使其在使用上有诸多限制。

现有光谱仪存在的问题和不足之处在于：

(1)现有的光栅光谱仪，成本高，制作条件苛刻；

(2)现有的光栅光谱仪，体积相对较大，使用环境、使用地点遭受限制；

(3)现有的光栅光谱仪，测量方法繁琐，操作方法相对复杂，测量速度十分缓慢。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本实用新型提出了一种基于分时点亮的多通道便携光谱系统，装置简单，检测速度快。

本实用新型的基于分时点亮的多通道便携光谱系统包括：控制电路、n个光源、样品台、比色皿、n合一光纤分束器、线性滤波片、线性CCD元件和计算机；其中，样品台沿横向依次设置有n个样品槽；在每一个样品槽上开设有沿垂直于样品台横向方向的通光孔，通光孔贯穿样品槽的前后表面；控制电路连接n个光源，光源采用白光；每一个光源对应一个样品槽，贴合样品槽的前表面，正对相应的通光孔；n合一光纤分束器为多根光纤形成的光纤束，光纤束的一端粘合，作为出光口，在出光口的后端贴合一个出光口凸透镜，光纤束的另一端与样品槽相对应分开成n股，每一股光纤束又由多根光纤组成，以此作为入光口；在每一个入光口的前端贴合一个入光口凸透镜，分别安装在相应的样品槽的后表面的通光孔；线性滤波片平贴在线性CCD元件的感光表面上；粘贴有线性滤波片的线性CCD元件固定在出光口前方，感光表面与出光口水平对齐，n合一光纤分束器的出射光完全包裹住线性CCD元件的感光表面；线性CCD元件连接至计算机；n个装满检测样品的比色皿分别插入相应的样品槽中，其中，n为≥2的自然数。

通过控制电路，控制n个光源按照时间先后顺序依次闪烁；光源发出的白光透过比色皿中的检测样品后，信息光经入光口凸透镜汇聚，由n合一光纤分束器的入光口，通过光纤束传送到出光口；光纤束发出的发散光经出光口凸透镜的会聚作用后变成近似平行光，最后覆盖在线性CCD元件的感光表面上的线性滤波片上；信息光透过线性滤波片后，由线性CCD元件按照时间先后顺序顺次接收，并传输至计算机，计算机按照时间先后顺序依次得到每一个样品槽中的检测样品的光谱图像。

滤波片是用来选取所需辐射波段的光学器件。线性滤波片具有在不同空间位置透过不同波长色光的特性，它的每一不同的空间位置对应于不同透光通道谱段的窄带滤波片。这种线性滤波片在不同空间处的光谱通道只在特定的波段允许光信号通过，而偏离这个波段以外的两侧光信号被阻止，其每个通道的通带在中心波长的5％以下。

控制电路包括电源、开关和单片机；其中，电源通过开关与单片机连接，单片机提供n个能够输出高低电平的引脚，每一个引脚与一个光源对应连接。按下开关，电源给单片机通电，单片机分别控制n个光源顺次闪烁。

光源采用白光LED灯泡。

控制电路和n个光源设置在电路板上。

样品台采用易成型、不反射特定波段色光的不透光材料，如塑料、铝合金或木材等。

本实用新型的优点：

本实用新型在结构上摈弃了传统光谱仪的光栅结构，目的在于降低制作成本及使用线性滤波片代替光栅，使得空间结构大大简化，解决了光栅光谱仪结构复杂、携带困难问题；在结构上使用了多个光源以及多个样品槽，提高了野外测量的工作效率；在工作机制上，为了统一多个光源的输出特性，提出了统一多个光源输出特性的修正方法，提高了测量结果的可靠性，最终，实现低成本、易加工、易携带、工作高效的多通道便携光谱系统。

(1)光谱系统采用线性滤波片替代光栅，大大节约了光栅对输入光色散展开所需要的空间，与光栅光谱仪相比，增加了光谱系统的可携带性；

(2)光谱系统采用了分时点亮技术，让多个光源在样品槽内依次闪烁，数秒时间内完成测量，与光栅光谱仪相比，增加了光谱系统的测量速度和每次所测量的检测样品数量，大大提高了光谱系统的工作效率；

(3)光谱系统采用n合一光纤分束器，使多个通道的检测样品的信息光均能传输到一个线性CCD元件上，与光栅光谱仪相比，简化了实验操作，进一步节省了空间，增加了可携带性；

(4)光谱系统能够使用普通的塑料作为样品台的材料，光纤束采用的是市面上较为便宜的光纤束，相比于光栅光谱仪，其制作成本和制作难度大大降低。

附图说明

图1为本实用新型的基于分时点亮的多通道便携光谱系统的一个实施例的俯视图；

图2～图9分别为本实用新型的基于分时点亮的多通道便携光谱系统的一个实施例得到的八个样品槽的检测光谱图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本实用新型。

如图1所示，本实施例的基于分时点亮的多通道便携光谱系统包括：控制电路1、八个光源2、样品台3、八合一光纤分束器4、线性滤波片5、线性CCD元件6和计算机7；其中，样品台3沿横向依次设置有八个样品槽；在每一个样品槽上开设有沿垂直于样品台3横向方向的直径为9mm的通光孔，通光孔贯穿样品槽的前后表面；控制电路1连接八个光源2，光源采用白光；每一个光源对应一个样品槽，贴合样品槽的前表面，正对相应的通光孔；八合一光纤分束器4为多根光纤形成的光纤束，光纤束的一端粘合，作为出光口，胶皮包裹在出光口的后端用贴合一个凸透镜，光纤束的另一端与样品槽相对应分开成八股，作为入光口，胶皮包裹在每一个入光口的前端贴合一个凸透镜，分别通过螺丝固定安装在相应的样品槽的后表面的通光孔；线性滤波片5平贴在线性CCD元件6的感光表面上，并将处理好的线性CCD元件6固定在出光口前方5～6cm位置处，感光表面恰与出光口水平对齐，使得出射光恰好完全包裹住感光表面即可；线性CCD元件6连接至计算机7。

线性滤波片5每个光谱通道的半高宽为4.5～9.0nm，其自左而右以渐进的方式分别分布着1024个能透过380nm～700nm的光谱通道。将线性滤波片5按照自左向右的光谱通道半高宽逐渐递增的方向平贴在线性CCD元件6的感光表面上。

本实施例中，光源采用白光LED灯泡，样品台3采用塑料。

线性CCD元件为独立的元件，在开机前就将CCD元件打开；或者，线性CCD元件连接至控制电路1的开关，在开机时，由控制电路1的开关同时控制线性CCD元件启动开始采集信号。

本实用新型采用多个光源分时点亮的方案最大缺陷在于多个光源的特性，寿命、发光强度和衰减效率等不同，而光谱系统采取光源和暗噪声时只能接受一个样品槽(设定为校验槽)的光源，这就导致在其他样品槽的测量结果都是使用不同的光源而在校验槽的暗噪声等基础上得到的测量结果，即各样品槽的光源都在对校验槽的光源进行参考计算测量。

本实施例的基于分时点亮的多通道便携光谱系统的检测方法，包括以下步骤：

1)开机进入自检及校验标定流程，第1个光源开始闪烁的同时，线性CCD元件同时启

动信息采集工作，从而对不同的样品槽进行修正：

a)置空所有样品槽，多通道便携光谱系统开机，即按下控制电路的开关；

b)选定n个样品槽中的第k个样品槽作为校验槽，校验槽任意选取，k∈1,2,……,8；

c)通过控制电路1，控制八个光源2按照时间先后顺序依次闪烁，光源发出的白光通过样品槽后，信息光经凸透镜汇聚，由八合一光纤分束器的入光口，通过光纤束传送到出光口，光纤束发出的发散光经出光口的凸透镜后变成近似平行光，最后覆盖在线性CCD元件6的感光表面上的线性滤波片5上，信息光透过线性滤波片5后，由线性CCD元件6按照时间先后顺序顺次接收，并传输至计算机7，计算机7按照时间先后顺序依次得到八个样品槽的吸收，其中第i个样品槽的吸收度为A_xi(λ)，i＝1,……,8。

d)计算得到八个样品槽的修正因子，第i个样品槽的修正因子为η_xi，其中A_xk(λ)为作为校验槽的第k个样品槽的吸收度；

2)8个装满检测样品的比色皿分别插入相应的样品槽中，检测样品为溶液；

3)通过控制电路1，控制八个光源2按照时间先后顺序依次闪烁；

4)光源发出的白光透过比色皿中的检测样品后，信息光经凸透镜汇聚，由八合一光纤分束器的入光口，通过光纤束传送到出光口；

5)光纤束发出的发散光经出光口的凸透镜后变成近似平行光，最后覆盖在线性CCD元件6的感光表面上的线性滤波片5上；

6)信息光透过线性滤波片5后，由线性CCD元件6按照时间先后顺序顺次接收，并传输至计算机7，计算机7按照时间先后顺序依次得到每一个样品槽中的检测样品的吸收度，第i个样品槽的吸收度为a_xi(λ)，对吸收度a_xi(λ)进行修正，得到修正后的吸收度，第i个样品槽的修正后的吸收度作为最终的检测样品的吸收度，从而在数秒的时间内检测出八个样品槽中八个样品的光谱图像，分别如图2～9所示。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种基于分时点亮的多通道便携光谱系统，其特征在于，所述多通道便携光谱系统包括：控制电路、n个光源、样品台、比色皿、n合一光纤分束器、线性滤波片、线性CCD元件和计算机；其中，所述样品台沿横向依次设置有n个样品槽；在每一个样品槽上开设有沿垂直于样品台横向方向的通光孔，通光孔贯穿样品槽的前后表面；所述控制电路连接n个光源，光源采用白光；每一个光源对应一个样品槽，贴合样品槽的前表面，正对相应的通光孔；所述n合一光纤分束器为多根光纤形成的光纤束，光纤束的一端粘合，作为出光口，在出光口的后端贴合一个出光口凸透镜，光纤束的另一端与样品槽相对应分开成n股，每一股光纤束又由多根光纤组成，以此作为入光口；在每一个入光口的前端贴合一个入光口凸透镜，分别安装在相应的样品槽的后表面的通光孔；所述线性滤波片平贴在线性CCD元件的感光表面上；粘贴有线性滤波片的线性CCD元件固定在出光口前方，线性CCD元件的感光表面与出光口水平对齐，n合一光纤分束器的出射光完全包裹住感光表面；所述线性CCD元件连接至计算机；n个装满检测样品的比色皿分别插入相应的样品槽中，其中，n为≥2的自然数。

2.如权利要求1所述的基于分时点亮的多通道便携光谱系统，其特征在于，所述控制电路包括电源、开关和单片机；其中，电源通过开关与单片机连接，单片机提供n个能够输出高低电平的引脚，每一个引脚与一个光源对应连接。

3.如权利要求1所述的基于分时点亮的多通道便携光谱系统，其特征在于，所述光源采用白光LED灯泡。

4.如权利要求1所述的基于分时点亮的多通道便携光谱系统，其特征在于，所述控制电路和n个光源设置在电路板上。

5.如权利要求1所述的基于分时点亮的多通道便携光谱系统，其特征在于，所述样品台采用塑料、铝合金或木材。