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

背景技術：

基于近紅外光譜技術的分析方法以快速、無損傷、無試劑、適用樣品范圍廣、可多組分同時分析等特點，在農業(yè)、食品、石油化工、醫(yī)學等領域得到了廣泛的應用。當近紅外光入射到待測樣品后，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構的信息，再經(jīng)過色散元件分為不同波長的單色光，由探測器接收樣品光譜信號，最后利用化學計量學軟件對樣品的光譜進行定性、定量分析。近紅外光譜分析技術是近紅外光譜儀、化學計量學軟件和應用模型三者的結合，而光譜儀器是該技術的基礎和前提，它的性能直接影響著對光譜信號的有效分析。目前，許多國家已經(jīng)建立了專門的科研團隊進行相關應用領域的儀器研發(fā)，而降低儀器成本且保持足夠的分析性能成為當今近紅外光譜儀器研制的主導方向。近紅外光譜技術在我國應用范圍廣、市場容量大，但是目前國內生產(chǎn)的近紅外商用儀器還不多，大部分是國外公司產(chǎn)品。因此，在我國開發(fā)近紅外光譜儀器基礎軟硬件，進行降低儀器成本、提高儀器性能等研究具有重要的現(xiàn)實意義。

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，但是由于內部有可移動的分光器件，其抗震性差，機械軸易磨損，影響波長重復性，并且系統(tǒng)結構復雜，對加工的精度要求高，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、結構簡單、堅固穩(wěn)定、光通量大等特點，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，能滿足光譜儀對光源低損耗、高亮度、長壽命、易控制的要求，再配合濾光片，可用來設計更小型化的光譜儀器。

技術實現(xiàn)要素：

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

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案是：

一種基于復合拋物面聚光器的小型近紅外光譜儀光學系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一個光學平臺，所述光學平臺上依次設置有：光源、濾光裝置、第一聚焦機構、樣品室、第二聚焦機構和光譜探測器；所述光源能夠發(fā)出多個不同波長的近紅外光；所述濾光裝置與光源對應設置，近紅外光經(jīng)過濾光裝置后形成單色近紅外光；所述第一聚焦機構對所述單色近紅外光進行第一次聚焦，產(chǎn)生聚焦光斑；所述樣品室設置在聚焦光斑處，用于放置待測樣品；所述第二聚焦機構左右成非對稱結構，對待測樣品透射的發(fā)散近紅外光進行第二次聚焦；所述光譜探測器接收并檢測不同波長的近紅外光譜信號。

進一步的，所述光源包括光源盤及固定在光源盤上的9個led，9個led排列為3×3的正方形，每個led等間隔分布；由電路控制9個led在不同時刻分別發(fā)出不同波長的近紅外光。

進一步的，所述濾光裝置包括濾光片盤以及固定在濾光片盤上的9個濾光片，每個濾光片與所述每個led一一對應設置，9個濾光片排列為3×3的正方形結構，每個濾光片等間隔分布，不同位置處的濾光片的中心波長與對應的led的峰值波長一致。

進一步的，所述第一聚焦機構為聚焦透鏡，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樣品上；所述第一聚焦機構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成。

進一步的，所述第二聚焦機構是內部鍍有高反射膜的復合拋物面聚光器，由左反射鏡和右反射鏡組成，所述左反射鏡為全尺寸結構的復合拋物面反射鏡，所述右反射鏡為截短型結構的復合拋物面反射鏡，所述左反射鏡將待測樣品透射的發(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一步會聚到光譜探測器上。

進一步的，所述左反射鏡與所述右反射鏡對接，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；透過待測樣品的發(fā)散近紅外光線從左反射鏡的小口端進入，在左反射鏡內表面發(fā)生第一次反射，再由左反射鏡的大口端進入右反射鏡，在右反射鏡內表面發(fā)生第二次反射，最后通過右反射鏡的小口端會聚到光譜探測器上。

進一步的，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°。

進一步的，所述光譜探測器是象元數(shù)為1的單元式探測器，同一時刻采集單一波長的光譜。

由于采用上述技術方案，本發(fā)明提供的一種基于復合拋物面聚光器的小型近紅外光譜儀光學系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術相比，其優(yōu)勢在于：儀器設備結構簡單、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。采用復合拋物面聚光器的結構，大大增強了系統(tǒng)的光學效率，并且改善了入射到探測器上的光照度均勻性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種基于復合拋物面聚光器的小型近紅外光譜儀光學系統(tǒng)結構框圖；

圖2為本發(fā)明的光源結構示意圖；

圖3為本發(fā)明的濾光裝置結構示意圖；

圖4為本發(fā)明的第二聚焦機構的結構示意圖；

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

圖中：1-光源；2-濾光裝置；3-第一聚焦機構；4-樣品室；5-第二聚焦機構；6-光譜探測器；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。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

實施例1：

如圖1至圖5所示，為本發(fā)明的一種基于復合拋物面聚光器的小型近紅外光譜儀光學系統(tǒng)的一種結構，系統(tǒng)包括一個光學平臺，光學平臺上依次設置有：光源1、濾光裝置2、第一聚焦機構3、樣品室4、第二聚焦機構5和光譜探測器6；光源1能夠發(fā)出多個不同波長的近紅外光；濾光裝置2與光源1對應設置，近紅外光經(jīng)過濾光裝置2后形成單色近紅外光；第一聚焦機構3對單色近紅外光進行第一次聚焦，產(chǎn)生聚焦光斑；樣品室4設置在聚焦光斑處，用于放置待測樣品；第二聚焦機構5左右成非對稱結構，對待測樣品透射的發(fā)散近紅外光進行第二次聚焦；光譜探測器6接收并檢測不同波長的近紅外光譜信號。

光源1包括光源盤8及固定在光源盤8上的9個led7，9個led7排列為3×3的正方形，每個led7等間隔分布，間距為4mm。由電路控制9個led7在不同時刻分別發(fā)出不同波長的近紅外光。9個led7發(fā)出的中心波長分別為λ1＝910nm，λ2＝940nm，λ3＝980nm，λ4＝1050nm，λ5＝1070nm，λ6＝1200nm，λ7＝1300nm，λ8＝1450nm，λ9＝1550nm，每個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個濾光片10，每個濾光片10與每個led7一一對應設置，濾光片10的直徑為5.5mm。9個濾光片10排列為3×3的正方形結構，每個濾光片10等間隔分布，不同位置處的濾光片10的中心波長與對應的led7的峰值波長一致。

第一聚焦機構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中的待測樣品上，其中第一聚焦機構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。本實施例中聚焦透鏡采用兩片結構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成。

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

本實施例中第二聚焦機構5采用材料為高硼硅3.3玻璃、內部鍍有高反射銀膜的復合拋物面聚光器，由左反射鏡11和右反射鏡12組成，左反射鏡11為全尺寸結構的復合拋物面反射鏡。右反射鏡12為截短型結構的復合拋物面反射鏡，所述截短型結構采用截頂法而成，可縮小聚光器尺寸。經(jīng)過待測物后的透射光發(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將其會聚到光譜探測器6上。

左反射鏡11與右反射鏡12對接，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，本實施例中復合拋物面聚光器總長度為68mm，復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°。

光譜探測器6是象元數(shù)為1的單元式探測器，同一時刻采集單一波長的光譜。本實施例選用日本濱松公司生產(chǎn)的g8605-15ingaaspin探測器，感光面為直徑5mm的圓，光譜響應范圍為0.9～1.67μm，采用一級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種不同波長的led7在不同時刻分別發(fā)出近紅外光，經(jīng)過對應的中心波長的濾光片10后，形成單色性好的光波并照射到樣品室4中的待測樣品上，透射光攜帶著待測樣品的成分信息，再由復合拋物面聚光器將這種發(fā)散角度很大的透射光會聚至光譜探測器6上，光譜探測器6接收到的近紅外光被轉換為電信號，通過預處理電路和采集電路將光譜信號傳輸至電腦，最后利用化學計量學軟件完成數(shù)據(jù)處理分析。

上述實施例可在不脫離本發(fā)明的保護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構應視為示例性，而非用以限制本發(fā)明申請專利的保護范圍。