CN106092914A - 一种光谱分析仪及其组合光源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光谱分析仪及其组合光源，组合光源包括第一光源、第二光源、离轴抛物面反射镜及融石英透镜和其他透镜，离轴抛物面反射镜包括抛物面形顶面、圆形底面，以及连接顶面和底面的圆柱面，顶面为反射面；其本身具有一个对称面，反射面的中心位置开有第二通光孔，底面或圆柱面上开有第一通光孔，第一通光孔与第二通光孔之间构成锥形光通道。即离轴抛物面反射镜同时具有透光功能和反射光功能，从而将第一光源和第二光源发射的两个光束合并为一个宽光谱光束。由于本发明提供的组合光源仅包括第一光源、第二光源、离轴抛物面反射镜以及辅助透镜，因此，组合光源的结构简单，无需运动的机械结构，进而能够减小组合光源的体积。

Description

一种光谱分析仪及其组合光源

技术领域

本发明涉及光源领域，尤其涉及一种光谱分析仪及其组合光源。

背景技术

在生物检测和成分分析中，会经常用到从紫外光到可见光甚至从紫外光到红外光的宽光谱的检测光源。传统大型的分光光度计中使用的宽光谱光源通常为氘灯和钨灯的组合光源，现有技术中是利用机械结构在氘灯光源和钨灯光源间来回切换实现宽光谱的。由于需要在设定好的波长启动机械装置换灯，造成不能全时段提供宽光谱光源，而且在换灯波长附近的测量值会产生错误，且实现换灯的机械结构较为复杂，组合光源的体积较大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种光谱分析仪及其组合光源，以解决现有技术中氘钨组合光源结构复杂且体积较大的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种组合光源，包括：第一光源、第二光源、至少一个透镜、离轴抛物面反射镜、融石英透镜；

所述离轴抛物面反射镜包括顶面、底面，以及连接所述顶面和所述底面的圆柱面，其中，所述底面为圆形，所述顶面为抛物面形的反射面；

所述离轴抛物面反射镜具有对称面，所述反射面的中心位置开有第二通光孔，所述底面或所述圆柱面上开有第一通光孔，所述第一通光孔与所述第二通光孔之间构成锥形光通道，所述锥形光通道的光轴位于所述离轴抛物面反射镜的对称面内，且与所述底面或所述圆柱面垂直，其中，所述第一通光孔的孔径大于所述第二通光孔的孔径；

所述第一光源正对所述第一通光孔；

所述至少一个透镜位于所述第一光源与所述离轴抛物面反射镜之间，用于将所述第一光源发出的光汇聚成像在所述离轴抛物面反射镜的反射面的中心；

所述第二光源位于所述离轴抛物面反射镜的反射面侧，且所述第二光源发出的光经过所述反射面反射后，形成平行于所述锥形光通道光轴的平行光；

所述融石英透镜位于所述离轴抛物面反射镜的反射面侧，且所述融石英透镜的光轴与所述至少一个透镜的光轴重叠。

优选地，所述第一光源为钨灯，所述第二光源为氘灯。

优选地，所述第二光源与所述离轴抛物面反射镜之间还包括滤光片。

优选地，所述第一光源为氘灯，所述第二光源为钨灯。

优选地，位于所述第一光源与所述离轴抛物面反射镜之间的至少一个透镜为一个凸透镜。

优选地，位于所述第一光源与所述离轴抛物面反射镜之间的至少一个透镜为两个透镜，所述两个透镜的光轴重叠。

优选地，所述融石英透镜为消色差融石英透镜。

优选地，所述第一通光孔位于所述圆柱面上，所述锥形光通道的光轴与所述圆柱面的柱轴垂直。

优选地，所述第一通光孔位于所述底面的圆心。

本发明还提供一种光谱分析仪，包括光源，所述光源为上面所述的组合光源。

经由上述的技术方案可知，本发明提供的光谱分析仪及其组合光源中，所述组合光源包括第一光源、第二光源、离轴抛物面反射镜及融石英透镜和其他透镜，所述离轴抛物面反射镜包括顶面、底面，以及连接所述顶面和所述底面的圆柱面，其中，所述底面为圆形，所述顶面为抛物面形的反射面；所述离轴抛物面反射镜具有对称面，所述反射面的中心位置开有第二通光孔，所述底面或所述圆柱面上开有第一通光孔，所述第一通光孔与所述第二通光孔之间构成锥形光通道，所述锥形光通道的光轴位于所述离轴抛物面反射镜的对称面内，且与所述底面或所述圆柱面垂直，其中，所述第一通光孔的孔径大于所述第二通光孔的孔径。即所述离轴抛物面反射镜同时具有透光功能和反射光功能，从而作为合束器将第一光源和第二光源发射的两个光束合并为一个宽光谱光束。由于本发明提供的组合光源仅包括第一光源、第二光源、离轴抛物面反射镜以及辅助透镜，因此，所述组合光源的结构简单，无需运动的机械结构，进而能够减小组合光源的体积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种组合光源示意图；

图2为本发明提供的反射面中心开设有通光孔的离轴抛物面反射镜；

图3为本发明提供的组合光源中第二光源和离轴抛物面反射镜的位置示意图；

图4为本发明提供的另一种组合光源示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

发明人在发明过程中发现现有技术中还有一种小型化轻量化宽光谱组合光源，即背透式氘灯光源，包括氘灯和钨灯，其中氘灯通过特殊设计，在氘灯上开设透光的通孔，将钨灯置于氘灯的后面，在氘灯发射紫外光的同时，钨灯发射可见光通过氘灯上的透光通孔，从而得到两个光束的合束，实现宽光谱。由于将两个光源设置在一起，且无需在两个灯之间通过机械结构换灯，从而实现了组合光源的小型化和轻量化。但由于所述氘灯通过特殊设计，造成价格昂贵，成本较高。

基于此，本发明提供的一种结构简单，体积小且成本较低的组合光源，如图1所示，包括第一光源4、第二光源2、至少一个透镜、离轴抛物面反射镜1、融石英透镜6。

需要说明的是，本实施例中提供的组合光源主要用于实现宽光谱，所述宽光谱可以是紫外光到可见光之间的光谱，也可以是紫外光到红外光之间的光谱，因此，本实施例中不限定所述第一光源和第二光源。优选的，所述组合光源为能够得到紫外光到可见光之间的宽光谱的氘钨组合光源，即所述第一光源为钨灯，所述第二光源为氘灯；或所述第一光源为氘灯，所述第二光源为钨灯。

如图2所示，为本实施例中所述离轴抛物面反射镜1，包括顶面、底面12，以及连接顶面和底面12的圆柱面11，其中，底面12为圆形，顶面为抛物面形的反射面7，反射面7的中心位置开有第二通光孔8。

本实施例中离轴抛物面反射镜的底面或圆柱面上开设有第一通光孔，所述第一通光孔与所述第二通光孔之间构成锥形光通道，所述锥形光通道的光轴位于所述离轴抛物面反射镜的对称面内，且与所述底面或所述圆柱面垂直，其中，所述第一通光孔的孔径大于所述第二通光孔的孔径。

本实施例中提供的离轴抛物面反射镜是一块表面镀有反射膜，且中心带有通光孔的离轴抛物面反射镜。其中，所述反射膜根据第二光源发射的光而设计，当第二光源发射可见光时，所述反射膜为可见光反射膜，即对可见光具有较高反射率的反射膜，用于反射可见光。当所述第二光源发射紫外光时，所述反射膜为紫外光反射膜，即对紫外光具有较高反射率的反射膜，用于反射紫外光。

需要说明的是，离轴抛物面反射镜1的对称面为如图2中所示的沿A-A切开的平面。此时，所述锥形光通道的光轴位于所述离轴抛物面反射镜的对称面内，且与所述底面或所述圆柱面垂直。若所述锥形光通道的光轴与底面垂直时，则所述第一通光孔位于所述底面的圆心。若所述锥形光通道的光轴与圆柱面垂直，则第一通光孔位于圆柱面上，如图1中第一通光孔9所示。本实施例中对此不做限定，可以依据实际情况进行选择开设所述第一通光孔的位置。

本实施例中反射面7中心的第二通光孔8与圆柱面11上的第一通光孔9起到光阑作用，将第一光源发射的光进行过滤。孔径光阑大小可以根据实际需求进行更改，本实施例中对所述两个孔径光阑的大小不做限定。

第一光源4位于离轴抛物面反射镜1的圆柱面侧，且正对离轴抛物面反射镜1上的锥形光通道的第一通光孔9。即第一光源4发射出的光的光轴与锥形光通道平行，第一光源4发射的光能够直接通过所述锥形光通道。

本实施例中还包括至少一个透镜，所述至少一个透镜位于第一光源4与离轴抛物面反射镜1之间，用于将第一光源4发出的光汇聚成像在离轴抛物面反射镜1的反射面中心。

需要说明的是，本实施例中不限定透镜的个数，可以是一个透镜或多个透镜的组合，只要其能够实现将第一光源4发出的光汇聚成像在离轴抛物面反射镜1的反射面中心即可。本实施例中考虑到组合光源的小型化，可以优选采用一个凸透镜实现将第一光源4发出的光汇聚成像在离轴抛物面反射镜1的反射面中心，如图1中的透镜5。在本发明的其他实施例中，位于所述第一光源与所述离轴抛物面反射镜之间的至少一个透镜还可以是包括两个透镜的透镜组合，所述两个透镜的光轴重叠。所述透镜组合中可以包括凸透镜，还可以包括凹透镜，但只要透镜组合能够将第一光源4发出的光汇聚成像在离轴抛物面反射镜1的反射面中心即可。

第二光源2位于离轴抛物面反射镜1的反射面侧，且第二光源2发出的光经过离轴抛物面反射镜1的反射面7反射后，形成平行于所述锥形光通道光轴的平行光。如图3中所示，第二光源2发出光的光轴与离轴抛物面反射镜1的反射面7的法线夹角θ为-135°的，当θ＝-135°时，且第二光源2位于离轴抛物面反射镜1的反射面的反射焦点位置，从而使得第二光源2发出的光经过离轴抛物面反射镜1的反射面反射后形成平行于所述锥形光通道光轴的平行光出射。

若第一通光孔位于离轴抛物面反射镜的底面圆心，则第二光源位于所述离轴抛物面反射镜的反射面侧，且所述第二光源发出的光经过所述反射面反射后，形成平行于所述锥形光通道光轴的平行光，即所述第二光源位于所述离轴抛物面反射镜的另外一个反射焦点处。本实施例中第一光源和第二光源的位置依据锥形光通路的方向对应设置，本实施例中对此不做详细描述。

由于第一光源出射的光汇聚成像在离轴抛物面反射镜1的反射面中心后，相当于第一光源的实像在离轴抛物面反射镜1的反射面中心发出光，此时发射的光为发散光，而光源产生的光最后要耦合到光纤中，再用光谱分析仪进行分析。因此，如图1所示，本实施例中在所述离轴抛物面反射镜的反射面侧还包括融石英透镜6，且其光轴与透镜5的光轴重叠，从而将第一光源发射的光实现汇聚，同时将经过反射后的第二光源的光也进行汇聚。本实施例中，融石英透镜对紫外光的吸收较少，能够保证紫外光的透过率，因此适用于氘钨组合光源。在紫外光到红外光的宽光谱仪器中，也可以设置所述融石英透镜，避免紫外光被吸收。

需要说明的是，由几何光学中位置色差的概念，以及薄透镜的焦距公式，同一薄透镜对不同的色光有不同的焦距：

n(λ)＝A+B/λ²+C/λ⁴——公式2

其中，f'为薄透镜的焦距，n(λ)为不同波长光波下薄透镜折射率，其中A、B、C为与薄透镜的材质相关的常数，ρ1、ρ2为薄透镜的两个曲面的曲率。由上面公式1、2可知，波长越短折射率越高，短波长的光焦距相对于长波长的光焦距要短，这样会造成两个光的位置色差。氘灯的光谱在200nm-400nm左右，而钨灯的光谱在300nm-800nm左右，就氘钨组合光源的使用来看，氘灯使用波长比钨灯使用波长短，所以对于氘灯光束的汇聚效果比钨灯光束的汇聚效果要好。另外，通过通光孔的光阑作用后，光的能量会有所降低，而钨灯的光能量高于氘灯的光能量，为保证氘灯的光能量，本实施例中优选的，所述第一光源为钨灯，所述第二光源为氘灯。此时，所述离轴抛物面反射镜的反射面上镀的反射膜为紫外光反射膜。

如图4所示，当第二光源为氘灯时，所述第二光源和所述离轴抛物面反射镜之间还包括滤光片3，滤光片3为低通滤光片，可以把由第二光源2发射出的氘灯光谱中一定波长以上的光谱滤掉，使光谱平滑不影响后续探测器或分析仪的检测。

本实施例中，优选的，融石英透镜6为消色差融石英透镜，能够消除第一光源发出的光和第二光源发出的光之间存在的色差，从而将第一光源和第二光源的光汇聚到一点上，进而耦合到光纤10中，以便后续使用。

本实施例提供的氘钨组合光源的具体使用过程如下：

(1)固定好离轴抛物面反射镜，测量出反射焦点的位置；

(2)调整氘灯的位置，使得氘灯位于反射焦点处且发出的光线的方向与反射面法向夹角-135°，通过反射面中心；

(3)在离轴抛物面反射镜的侧面的通光孔的一侧放置钨灯和透镜，调整钨灯和透镜的位置，使得可以在反射面的通光孔处成钨灯的像，固定钨灯和透镜的位置；

(4)在离轴抛物面反射镜的反射面侧，固定消色差融石英透镜，将氘灯发射的光和钨灯发射的光耦合到光纤输出。

本实施例中提供的组合光源，包括第一光源、第二光源、离轴抛物面反射镜及融石英透镜和其他透镜，所述离轴抛物面反射镜包括顶面、底面，以及连接所述顶面和所述底面的圆柱面，其中，所述底面为圆形，所述顶面为抛物面形的反射面；所述离轴抛物面反射镜具有对称面，所述反射面的中心位置开有第二通光孔，所述底面或所述圆柱面上开有第一通光孔，所述第一通光孔与所述第二通光孔之间构成锥形光通道，所述锥形光通道的光轴位于所述离轴抛物面反射镜的对称面内，且与所述底面或所述圆柱面垂直，其中，所述第一通光孔的孔径大于所述第二通光孔的孔径。

即所述离轴抛物面反射镜同时具有透光功能和反射光功能，从而作为合束器将第一光源和第二光源发射的两个光束合并为一个宽光谱光束。由于本发明提供的组合光源仅包括第一光源、第二光源、离轴抛物面反射镜以及辅助透镜，因此，所述组合光源的结构简单，无需运动的机械结构，进而能够减小组合光源的体积，减小了结构尺寸，便于和微型光谱仪等构成小型化的光谱、生物检测***。

相对于背透式氘灯光源，由于本实施例中的氘灯为普通氘灯，因此，不需要使用复杂工艺制作氘灯，从而实现小型化的同时，没有增加氘灯的成本，使得小型化氘钨组合光源适于商业生产。

另外，现有技术中还有一种氘钨组合光源，使用分光板作为合束器，将氘灯和钨灯的光合束，所述分光板透射一部分光，反射一部分光，从而将两束光合为一束。

需要说明的是，本实施例提供的组合光源，使用中间带有通光孔的离轴抛物面反射镜作为合束器，由于通光孔对进入到通光孔的光是全部通过，没有能量损耗，因此，相对于分光板作为合束器，本实施例提提供的组合光源，能够保证一定的光能量。而且，本实施例提供的离轴抛物面反射镜的反射面具有一定曲率，能够对反射光起到一定的汇聚作用，进一步减少了光能量的损失。

因此，本实施例提供的组合光源结构简单，成本低，且能够降低光能量的损耗。

本发明还提供一种光谱分析仪，所述光谱分析仪包括上面所述的组合光源，由于所述组合光源结构简单，成本低，从而可以使所述光谱分析仪的结构小型化，同时保证了成本不增加，还能保证光源的光能量。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种组合光源，其特征在于，包括：第一光源、第二光源、至少一个透镜、离轴抛物面反射镜、融石英透镜；

所述离轴抛物面反射镜包括顶面、底面，以及连接所述顶面和所述底面的圆柱面，其中，所述底面为圆形，所述顶面为抛物面形的反射面；

所述离轴抛物面反射镜具有对称面，所述反射面的中心位置开有第二通光孔，所述底面或所述圆柱面上开有第一通光孔，所述第一通光孔与所述第二通光孔之间构成锥形光通道，所述锥形光通道的光轴位于所述离轴抛物面反射镜的对称面内，且与所述底面或所述圆柱面垂直，其中，所述第一通光孔的孔径大于所述第二通光孔的孔径；

所述第一光源正对所述第一通光孔；

所述至少一个透镜位于所述第一光源与所述离轴抛物面反射镜之间，用于将所述第一光源发出的光汇聚成像在所述离轴抛物面反射镜的反射面的中心；

所述第二光源位于所述离轴抛物面反射镜的反射面侧，且所述第二光源发出的光经过所述反射面反射后，形成平行于所述锥形光通道光轴的平行光；

所述融石英透镜位于所述离轴抛物面反射镜的反射面侧，且所述融石英透镜的光轴与所述至少一个透镜的光轴重叠。

2.根据权利要求所述的组合光源，其特征在于，所述第一光源为钨灯，所述第二光源为氘灯。

3.根据权利要求2所述的组合光源，其特征在于，所述第二光源与所述离轴抛物面反射镜之间还包括滤光片。

4.根据权利要求1所述的组合光源，其特征在于，所述第一光源为氘灯，所述第二光源为钨灯。

5.根据权利要求1所述的组合光源，其特征在于，位于所述第一光源与所述离轴抛物面反射镜之间的至少一个透镜为一个凸透镜。

6.根据权利要求1所述的组合光源，其特征在于，位于所述第一光源与所述离轴抛物面反射镜之间的至少一个透镜为两个透镜，所述两个透镜的光轴重叠。

7.根据权利要求1所述的组合光源，其特征在于，所述融石英透镜为消色差融石英透镜。

8.根据权利要求1所述的组合光源，其特征在于，所述第一通光孔位于所述圆柱面上，所述锥形光通道的光轴与所述圆柱面的柱轴垂直。

9.根据权利要求1所述的组合光源，其特征在于，所述第一通光孔位于所述底面的圆心。

10.一种光谱分析仪，其特征在于，包括光源，所述光源为权利要求1-9任意一项所述的组合光源。