專利名稱：快速測量光譜的分光光度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光譜測量儀器，特別是一種快速測量光譜的分光光度計(jì)。
背景技術(shù)：
分光光度計(jì)作為光譜測量儀器，可以測量樣品的反射、透射、吸收等光譜曲線，在物理、化學(xué)以及生命科學(xué)等學(xué)科中是一種很重要的測試儀器。
現(xiàn)有的分光光度計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，它主要是通過衍射光柵12進(jìn)行色散分離，然后利用狹縫3選取某單一波長的光作為測量光。通過旋轉(zhuǎn)光柵12的角度，使得不同波長的光通過狹縫3，這樣就可以得到連續(xù)的單色光。由于探測器18每采集一次數(shù)據(jù)只能得到單一波長的數(shù)據(jù)，這樣就使得現(xiàn)有分光光度計(jì)的測量速度很慢，每測量一個(gè)樣品一般要花費(fèi)幾分鐘的時(shí)間，如果測量的精度要求比較高，并且掃描的波長范圍比較大，則花費(fèi)的時(shí)間更多，有的甚至長達(dá)十幾分鐘。同時(shí)該的分光光度計(jì)由于測量速度較慢，也就不能用于實(shí)時(shí)測量。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的問題克服上述現(xiàn)有分光光度計(jì)測量時(shí)間比較長的困難，提供一種快速測量光譜的分光光度計(jì)，它應(yīng)能一次測量一個(gè)波長范圍，并可以快速，精確的給出樣品的光譜曲線，尤其是可以實(shí)現(xiàn)樣品的實(shí)時(shí)測量。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種快速測量光譜的分光光度計(jì)，包括一光源，在該光源輸出的主光路上，依次是由第二半透半反鏡、樣品臺(tái)、第一反射鏡、第二反射鏡和第三半透半反鏡組成的分光光度系統(tǒng)，色輪，第三反射鏡，凹面反射鏡，衍射光柵，狹縫和接收器，該接收器的輸出端接一數(shù)據(jù)處理及控制器，該數(shù)據(jù)處理及控制器有軟件，控制第二半透半反鏡和第三半透半反鏡同步工作并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其特征在于所述的光源由一寬光譜鹵鎢燈、一氘燈和在光源輸出光路的切換式第一半透半反鏡構(gòu)成，該切換式第一半透半反鏡的旋轉(zhuǎn)軸與主光路成45°，所述的寬光譜鹵鎢燈的光軸位于主光路上，所述的氘燈的光軸與該切換式第一半透半反鏡的旋轉(zhuǎn)軸平行；所述的狹縫位于所述的光源和第二半透半反鏡之間，在所述的狹縫和第二半透半反鏡之間還有一準(zhǔn)直組合透鏡；所述的凹面反射鏡和所述的接收系統(tǒng)之間還有一會(huì)聚透鏡；所述的接收器是一列陣CCD。
所述的寬光譜鹵鎢燈作可見以及近紅外的光源，其波長范圍為350nm-3200nm，所述的氘燈作紫外光源，其波長范圍為170-350nm。
所述的切換式第一半透半反鏡是一個(gè)圓形的反射鏡，其中一半圓是鍍鋁的反射鏡，另一半圓是掏空的空白部分，光束可以直接通過。
所述的色輪是一具有10個(gè)濾光片的組合圓盤，每個(gè)濾光片的通光對應(yīng)一特定的波長，即某一波段的光透過，而其他波段的光則被反射過濾。
所述的衍射光柵只能旋轉(zhuǎn)一些特定的角度，每個(gè)角度與色輪相應(yīng)的濾光片相對應(yīng)，使每個(gè)濾光片中心波長光束在所述的會(huì)聚透鏡的視場角為0°。
所述的數(shù)據(jù)處理及控制器是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。
本實(shí)用新型快速測量分光光度計(jì)，與上述現(xiàn)有分光光度計(jì)相比，主要區(qū)別在于現(xiàn)有的分光光度計(jì)信號接受器一般采用光電倍增管或者是PbS探測器，這種探測器一次只能測量單一波長，而本實(shí)用新型快速測量分光光度計(jì)信號的接受器采用了列陣CCD，利用該列陣CCD的不同探測元探測不同波長的信號，這樣就可以一次測量一個(gè)波段，從而大大提高了樣品的測量速度。為了實(shí)現(xiàn)采用該列陣CCD探測信號，我們的分光光度計(jì)與現(xiàn)有的分光光度計(jì)不同在于首先，用列陣CCD代替?zhèn)鹘y(tǒng)分光光度計(jì)的接收器的光電倍增管或PbS探測器。
其次，將狹縫放在衍射光柵的前面，而不是像現(xiàn)有分光光度計(jì)一樣放在衍射光柵后面。
第三，引入了準(zhǔn)直組合透鏡，可以獲得平行度較好的平行光。
第四，會(huì)聚透鏡的引入，使狹縫成像在CCD上，不同波長的光成像在CCD陣列的不同位置，可一次完成一個(gè)波段的測量。
本實(shí)用新型分光光度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型分光光度計(jì)可以快速的測量待測樣品的光譜曲線，與傳統(tǒng)的分光光度計(jì)相比，測量速度大大提高。
2、切換式第一半透半反鏡、第二半透半反鏡和第三半透半反反鏡的引入，簡化了光路，也簡化了儀器，降低了成本。
3、準(zhǔn)直組合透鏡的引入，解決了測量時(shí)由于發(fā)散角太大所帶來的測量誤差。
4、色輪的引入，對光束進(jìn)行了初步的過濾，降低了衍射光柵(13)高級次衍射帶來的影響，提高了測量的精度。
5、CCD列陣的引入，可以一次測量一個(gè)波段范圍的光譜曲線，大大提高了測量速度。
6、本實(shí)用新型分光光度計(jì)利用電腦控制，可以快速精確的測量出樣品的光譜曲線。
7、本實(shí)用新型不僅可以用來測量樣品光譜曲線，不僅可以提高測量速度，而且可進(jìn)行一些場合的光譜曲線的實(shí)時(shí)監(jiān)控。


圖1是本實(shí)用新型分光光度計(jì)的原理圖和主光路圖；圖2是本實(shí)用新型分光光度計(jì)中半透半反鏡的平面結(jié)構(gòu)圖；圖3是本實(shí)用新型分光光度計(jì)中色輪的平面示意圖；圖4是本實(shí)用新型分光光度計(jì)不同波長的光通過會(huì)聚透鏡聚焦在CCD上的部分光路圖；圖5是本實(shí)用新型分光光度計(jì)測量樣品反射率時(shí)的樣品臺(tái)示意圖。
圖6是現(xiàn)有的分光光度計(jì)原理圖和主光路圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
先請參閱圖1，圖1是本實(shí)用新型快速測量的分光光度計(jì)實(shí)施例的原理圖和主光路圖；由圖可見，本實(shí)用新型快速測量光譜的分光光度計(jì)，包括一光源，在該光源輸出的主光路上，依次有由第二半透半反鏡5、樣品臺(tái)6、第一反射鏡7、第二反射鏡8和第三半透半反鏡9組成的分光光度系統(tǒng)，色輪10，第三反射鏡11，凹面反射鏡12，衍射光柵13，狹縫3和接收系統(tǒng)，該接收系統(tǒng)的輸出端接一數(shù)據(jù)處理及控制器，該數(shù)據(jù)處理及控制器有軟件控制第二半透半反鏡5和第三半透半反鏡9同步工作并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其特征在于所述的光源由一寬光譜鹵鎢燈1-1、一氘燈1-2和在光源輸出光路的切換式第一半透半反鏡2構(gòu)成，該切換式第一半透半反鏡2的旋轉(zhuǎn)軸與主光路成45°，所述的寬光譜鹵鎢燈1-1的光軸位于主光路上，所述的氘燈1-2的光軸與該切換式第一半透半反鏡2的旋轉(zhuǎn)軸平行；所述的狹縫3位于所述的光源和第二半透半反鏡5之間，在所述的狹縫3和第二半透半反鏡5之間還有一準(zhǔn)直組合透鏡4；所述的凹面反射鏡12和所述的接收系統(tǒng)之間還有一會(huì)聚透鏡14；所述的接收系統(tǒng)是一列陣CCD15。
所述的寬光譜鹵鎢燈1-1作可見以及近紅外的光源，其波長范圍為350nm-3200nm，所述的氘燈1-2作紫外光源，其波長范圍為170-350nm。
所述的切換式第一半透半反鏡2是一個(gè)圓形的反射鏡，如圖2所示，其中一半圓是鍍了一層鋁的反射鏡，另一半圓是掏空的空白部分，光束可以直接通過。
所述的色輪10有10個(gè)濾光片組合而成，如圖3所示，每個(gè)濾光片用來對入射光特定波長范圍的光做初步過濾，使某一波段的光透過，而其他波段的光則被反射過濾出去。
所述的衍射光柵13只能旋轉(zhuǎn)并處于一些特定的角度，每個(gè)角度與色輪10的每個(gè)濾光片相對應(yīng)，使每個(gè)濾光片中心波長光束在會(huì)聚透鏡14的視場角為0°。
所述的數(shù)據(jù)處理及控制器是一臺(tái)計(jì)算機(jī)16，用來控制整個(gè)分光光度計(jì)，并作數(shù)據(jù)處理，顯示或打印出測試樣品的光譜。
所述的光源包括寬光譜鹵鎢燈1-1和氘燈1-2之間的轉(zhuǎn)換通過一切換式第一半透半反鏡2來切換。當(dāng)測量光譜需要氘燈1-2作光源時(shí)，旋轉(zhuǎn)該第一半透半反鏡2，使氘燈1-2發(fā)出的光入射到該第一半透半反鏡2的反射部分反射到測量光路上去，而寬光譜鹵鎢燈1-1發(fā)出的光則被擋住，不能進(jìn)入測量光路；當(dāng)測量光譜需要寬光譜鹵鎢燈1-1發(fā)出的光時(shí)，將該第一半透半反鏡2繞其軸旋轉(zhuǎn)180°，正好使寬光譜鹵鎢燈1-1發(fā)出的光通過該第一半透半反鏡2中的空白部分而直接進(jìn)入到測量光路，同時(shí)氘燈1-2發(fā)出的光也直接通過該第一半透半反鏡2中的空白部分，而射離測量光路，對測量不會(huì)造成影響。這樣就可以根據(jù)測量光譜的需要，旋轉(zhuǎn)所述的第一半透半反鏡2來選擇不同的光源。
所述的狹縫3用來擋住光源發(fā)出的一部分光，使只有通過狹縫的光才能進(jìn)入儀器的光路。所述的準(zhǔn)直系統(tǒng)4是一個(gè)準(zhǔn)直組合透鏡，用來使通過狹縫3的發(fā)散光通過該準(zhǔn)直系統(tǒng)后得到較平行的平行光。
所述的分光光度系統(tǒng)由第二半透半反鏡5、第一反射鏡7、第二反射鏡8、第三半透半反反鏡9構(gòu)成，其中第一反射鏡7和第二反射鏡8是一般的平板反射鏡，用來改變光束的傳播方向；第二半透半反鏡5和第三半透半反反鏡9是和第一半透半反鏡2結(jié)構(gòu)相同，請參閱圖1，所述的第二半透半反鏡5用來將一束光分成兩束，其中一束作為樣品的測試光束，用來測試樣品，另外一束作為參考光束。第三半透半反反鏡9用來將兩束光合成一束，通過電腦控制，第二半透半反鏡5和第三半透半反反鏡9同步旋轉(zhuǎn)，也就是它們同時(shí)提供反射或者透射的功能，并且在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候加以區(qū)分，就可以同時(shí)得到兩束光路的能量。
所述的衍射光柵13是用來對入射到它表面的光束做精確的波長分離，使不同波長的入射光按照不同的角度衍射出去，與傳統(tǒng)的分光光度計(jì)不同，本實(shí)用新型的衍射光柵只旋轉(zhuǎn)一些特定的角度，每個(gè)角度與所述的色輪10的每個(gè)濾光片相對應(yīng)，使每個(gè)濾光片的中心波長光束在會(huì)聚透鏡14的場角為0°。
所述的會(huì)聚透鏡14為一個(gè)石英柱面鏡，主要用來將入射到它表面的平行光會(huì)聚到后面的CCD15上，如圖4所示。
所述的CCD15用來接受通過會(huì)聚透鏡14后的光束，由于不同波長的光通過衍射光柵后13反射出來的角度稍有不同，這樣，通過會(huì)聚透鏡14聚焦在CCD15上的光斑位置也不同，通過采集CCD15陣列不同位置的能量，我們就可以得到不同波長光的信息。CCD15每次采集的光譜范圍與色輪10的每個(gè)濾光片相對應(yīng)，即CCD15每采集一次數(shù)據(jù)可以得到與色輪10相對應(yīng)的濾光片光譜范圍相對應(yīng)的光譜曲線。
本實(shí)用新型裝置的工作情況如下測量透過率時(shí)，在樣品臺(tái)6上先不放入樣品，對裝置進(jìn)行校零根據(jù)樣品要測量的波長范圍通過旋轉(zhuǎn)第一半透半反鏡2選擇寬光譜鹵鎢燈1-1或者氘燈1-2作為光源，然后使光源發(fā)出的光束通過狹縫3以及準(zhǔn)直組合透鏡4將光變成準(zhǔn)直平行光，然后通過第二半透半反鏡5，該第二半透半反鏡5的快速旋轉(zhuǎn)，將輸入光束分成兩個(gè)光束，一束為反射光束，另一束為透射光束，反射光束經(jīng)第二反射鏡8作為參考光束，透射光束經(jīng)過樣品臺(tái)6和第一反射鏡7作為測量光束，反射光束和透射光束走過的光程基本相同，然后通過第三半透半反鏡9再將它們組合成一束光，然后該光束入射到色輪10上，根據(jù)測量光譜的需要旋轉(zhuǎn)色輪10選擇不同的濾光片進(jìn)行過濾，然后通過第三反射鏡11和凹面反射鏡12，光束入射到衍射光柵13上經(jīng)衍射到所述的凹面反射鏡12上，反射后，該衍射光束經(jīng)會(huì)聚透鏡14聚焦在CCD15上，其中衍射光柵13的旋轉(zhuǎn)角度都是設(shè)定好的，使色輪10正在工作的濾光片中心波長的光在會(huì)聚透鏡14的場角為0°。由于不同波長的光在衍射光柵13的衍射角不一樣，通過同一塊濾光片的不同波長的光在會(huì)聚透鏡14的視場角就不一樣，這樣，不同波長的光就會(huì)匯聚在CCD15不同的探測元上，CCD15上不同位置的光強(qiáng)信息就對應(yīng)著當(dāng)前濾光片不同波長的透過率信息T(λ1)，T(λ2)，T(λ3)，......，T(λN)，同樣，通過改變?yōu)V光片我們就可以得到所要測量的波長范圍的透過率信息T(λstart)，，......，T(λend)。校零完畢。
校零完畢后我們在樣品臺(tái)6上放入樣品，用同樣的方法進(jìn)行測量，也可以得到一組透過率的信息(T’(λstart)，，......，T’(λend))。最后將所獲得的兩次測量的兩個(gè)數(shù)組一一相除，就可以得到樣品的透過率光譜，即樣品的透過率t(λi)＝T’(λi)/T(λi)，其中λi的范圍為λstart到λend。
測量吸收的方法和測量透過率一樣，只不過是用公式A=lg1t]]>(A為樣品的吸收，t為樣品的透過率)進(jìn)行一次換算，就可以得到樣品的吸收率。
測量反射時(shí)，也是用同樣的方法，只不過要換一個(gè)樣品臺(tái)，如圖5所示，校零時(shí)，先在樣品臺(tái)6上放上一個(gè)已知反射率數(shù)組為R(λi)的反射鏡(6-3)，校零后得到一個(gè)測量光束與參考光束在全部要測波長范圍的能量比值的譜線，校零后，在原來反射鏡(6-3)處放上待測的樣品，用測量透射率相同的方法就可以得到待測樣品的反射率數(shù)組Rs(λi)，最后樣品的反射率光譜r(λi)＝Rs(λi)*R(λi)，其中λi的范圍為λstart到λend。
權(quán)利要求1.一種快速測量光譜的分光光度計(jì)，包括一光源，在該光源輸出的主光路上，依次是由第二半透半反鏡(5)、樣品臺(tái)(6)、第一反射鏡(7)、第二反射鏡(8)和第三半透半反鏡(9)組成的分光光度系統(tǒng)，色輪(10)，第三反射鏡(11)，凹面反射鏡(12)，衍射光柵(13)，狹縫(3)和接收系統(tǒng)，該接收系統(tǒng)的輸出端接一數(shù)據(jù)處理及控制器，其特征在于所述的光源由一寬光譜鹵鎢燈(1-1)、一氘燈(1-2)和在光源輸出光路的切換式第一半透半反鏡(2)構(gòu)成，該切換式第一半透半反鏡(2)的旋轉(zhuǎn)軸與主光路成45°，所述的寬光譜鹵鎢燈(1-1)的光軸位于主光路上，所述的氘燈(1-2)的光軸與該切換式第一半透半反鏡(2)的旋轉(zhuǎn)軸平行；所述的狹縫(3)位于所述的光源和第二半透半反鏡(5)之間，在所述的狹縫(3)和第二半透半反鏡(5)之間還有一準(zhǔn)直組合透鏡(4)；所述的凹面反射鏡(12)和所述的接收系統(tǒng)之間還有一會(huì)聚透鏡(14)；所述的接收系統(tǒng)是一列陣CCD(15)；所述的數(shù)據(jù)處理及控制器是一臺(tái)計(jì)算機(jī)(16)，可自動(dòng)控制本分光光度計(jì)各部件協(xié)同工作并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速測量光譜的分光光度計(jì)，其特征在于所述的寬光譜鹵鎢燈(1-1)作可見以及近紅外的光源，其波長范圍為350nm-3200nm，氘燈(1-2)作紫外光源，其波長范圍為170-350nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速測量光譜的分光光度計(jì)，其特征在于所述的切換式第一半透半反鏡(2)是一個(gè)圓形的反射鏡，其中一半圓是鍍了一層鋁的反射鏡，另一半圓是掏空的空白部分，光束可以直接通過。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速測量光譜的分光光度計(jì)，其特征在于所述的色輪(10)是10個(gè)濾光片的組合，每個(gè)濾光片用來對入射光特定波長范圍的光做初步過濾，使某一波段的光透過，而其他波段的光則被反射過濾出去。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的快速測量光譜的分光光度計(jì)，其特征在于所述的衍射光柵(13)只能旋轉(zhuǎn)一些特定的角度，每個(gè)角度與色輪(10)的每個(gè)濾光片相對應(yīng)，使每個(gè)濾光片中心波長光束在會(huì)聚透鏡(14)的視場角為0°。
專利摘要一種快速測量光譜的分光光度計(jì)，包括一光源，在該光源輸出的主光路上，依次是分光光度系統(tǒng)，色輪，第三反射鏡，凹面反射鏡，衍射光柵，狹縫和接收器，該接收器的輸出端接一數(shù)據(jù)處理及控制器，其特征在于所述的光源由一寬光譜鹵鎢燈、一氘燈和在光源輸出光路的切換式第一半透半反鏡構(gòu)成，所述的狹縫位于所述的光源和第二半透半反鏡之間，在所述的狹縫和第二半透半反鏡之間還有一準(zhǔn)直組合透鏡；所述的凹面反射鏡和所述的接收系統(tǒng)之間還有一會(huì)聚透鏡；所述的接收器是一列陣CCD。本實(shí)用新型快速測量光譜的分光光度計(jì)的特點(diǎn)是能一次測量一個(gè)波長范圍的光譜，可快速、精確的給出樣品的光譜曲線，可以實(shí)現(xiàn)樣品的實(shí)時(shí)測量。
文檔編號G01J3/00GK2837834SQ20052004581
公開日2006年11月15日 申請日期2005年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月21日
發(fā)明者傅小勇, 易葵, 朱美萍, 王丹, 申雁鳴, 畢軍, 邵建達(dá), 范正修 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所