一种积分球内置的紧凑型近红外在线检测系统

摘要

本发明揭示了一种积分球内置的紧凑型近红外在线检测系统，其包括光源、将所述光源发出的光反射出呈设定扩散角度的柱状光束的反射罩、设置在所述柱状光束路径中的积分球、位于所述积分球正下方的集光器、以及与所述积分球通过光纤连接的光谱检测器，所述柱状光束经过一个出光窗口打在样品表面上，样品表面上发生的漫反射光经过所述集光器后进入所述积分球内。本发明可以有效地避免镜面反射光，适应性地调整有效照射范围，最大程度地提取有效光强，因而获得显著提升的系统灵敏度和信噪比。

说明书

【技术领域】

本发明属于光谱信息测量技术领域，特别是涉及一种积分球内置的紧凑型近红外在线检测系统。

【背景技术】

近红外光谱测量应用广泛，但是其吸收弱，灵敏度低。所以现有技术中发明了不同的方法来提高信噪比，提高测量的灵敏度。

发明专利申请CN201910503942.4公布了一种主动式非接触高通量漫反射光纤探头装置测量近红外光谱，虽然陈述了其具有采集反射光的区域面积大、通量高、光谱信号强等特点，但是其导光光路是基于光纤设计，通常的光纤直径是200～300微米，石英光纤可以做到10mm直径，但即使是石英玻璃光纤跟基于100mm尺度的空间光学的光引擎相比，光通量也是低两个数量级，普通光纤则更低两个数量级，所以相对来讲光通量是很低的。反映到信噪比的影响上，由于光强分布可能不均匀，或者光学呈不同的发散角度，实际对信噪比的影响也至少式一个量级以上。这种情况下通过准直照射出来的光斑按照作者的描述区域面积大，则光强更弱。另外光引擎内部还包括了可移动装置来提供背景参考光的校准光路，仪器的稳定性，准确性，台间差无法保障。

专利US5406084A设计了一个基于空间光学的光引擎，内置高速旋转的轮盘和布利希球(积分光度计)，其样品窗口贴合在积分球下端，直接隔离了仪器和样品。这样会允许部分镜面反射光进到积分球，并且混合在有效信号里面，影响到信噪比。运动轮盘的存在也使得仪器在长期使用的稳定性降低，延长了单次采样所需的时间。

专利CN206601328采用了中央设置一根发射光纤，周围包裹五根采集光纤，五根采集光纤外侧呈正六边形排列一圈发射光纤，如此类推的方式设计探头。这样紧密的探头结构除非探头浸没或紧贴样品，否则会有大量镜面反射光进入采集光纤束，这样限制了近红外光谱仪的应用范围。

因此，有必要提供一种新的积分球内置的紧凑型近红外在线检测系统来解决上述问题。

【发明内容】

本发明的主要目的在于提供一种积分球内置的紧凑型近红外在线检测系统，结构紧凑，可以有效地避免镜面反射光，适应性地调整有效照射范围，最大程度地提取有效光强，因而获得显著提升的系统灵敏度和信噪比。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种积分球内置的紧凑型近红外在线检测系统，其包括光源、将所述光源发出的光反射出呈设定扩散角度的柱状光束的反射罩、设置在所述柱状光束路径中的积分球、位于所述积分球正下方的集光器、以及与所述积分球通过光纤连接的光谱检测器，所述柱状光束经过一个出光窗口打在样品表面上，样品表面上发生的漫反射光经过所述集光器后进入所述积分球内。

进一步的，还包括与所述反射罩围绕形成一个中空腔体的外壳，所述积分球与所述集光器设置在所述中空腔体内，所述出光窗口设置在所述外壳一端。

进一步的，所述积分球上设置由供所述漫反射光进入形成信号光的第一开口、供部分所述柱状光束进入形成参比光的第二开口、用于与所述光谱检测器内部的校准光源连接的第三开口以及用于与所述光谱检测器连接的第四开口。

进一步的，所述第四开口为SMA95光纤接口，通过光纤与所述光谱检测器连接。

进一步的，所述第三开口为SMA95光纤接口，通过光纤连接一校准光源。

进一步的，所述第一开口、所述第二开口、所述第三开口分别配有第一快门、第二快门、第三快门。

进一步的，所属集光器为凹凸镜，且位于所述第一开口的正下方。

进一步的，其可通过调节工作距离或焦距提高至少一个数量级的信噪比，且在样品表面形成的光斑直径D为：

其中：μ为物距，即所述集光器到所述积分球信号采集口的距离，W

与现有技术相比，本发明一种积分球内置的紧凑型近红外在线检测系统的有益效果在于：提供了一种紧凑的设计，巧妙地把积分球放置在光源正下方，并且通过小扩散角设计，有效回避了镜面反射光，有效地扩大了有效光斑范围，使得有效光斑基本上与可见光斑重合，进而使得有效光强提高了至少一个数量级，因而提高了系统灵敏度，同时提高了信噪比；本方案整体结构紧凑，空间占用小，可实现在线的近红外光谱检测，大大提高了适用范围；本方案还提供了一个根据实际需要的照射面积，通过调整工作距离W

【附图说明】

图1为本发明实施例的结构示意图。

【具体实施方式】

实施例：

请参照图1，本实施例一种积分球内置的紧凑型近红外在线检测系统100，其包括一个光源10、反射罩11、与反射罩11围绕形成一个中空腔体15的外壳16、设置在中空腔体15内的积分球20与集光器14，外壳16的一端形成有一出光窗口13。积分球20上开设有四个开口，分别为第一开口21、第二开口23、第三开口25、第四开口27，其中的第一开口21、第二开口23、第三开口25分别配了各自相关的快门为第一快门22、第二快门24、第三快门26。第一开口21朝向出光窗口13方向设置，第三开口25水平朝外设置。集光器14位于第一开口21的正下方。

第四开口27可以是SMA95光纤接口，通过一根光纤31连接到光谱检测器30以测出光谱数据。第三开口25通过第三快门26控制其开合，第三快门26通过连接到SMA95光纤接口的一根光纤32连接到校准光源33，如氙气灯或其它种类校准光源，对波长或者是光谱线形进行必要的校准。

第二开口23通过第二快门24形成一个可开合的口，允许光源10的部分光线进入到积分球20以提供参比光的测量数据。第一开口21结合第一快门22形成一个可开合的口，接收信号光进入。

我们知道信号通路里面很大一部分影响到信号的杂散光是由镜面反射导致的，所以本实施例通过反射罩11提供了大约6度左右的微小扩散角，如图1所示，由于光通路的中间被积分球20遮挡，光线只能从周边射出，射出的方向略微向外发散。这样保证了照射到样品表面的镜面反射光都不会进入到信号通道，即镜面反射光线进不到第一开口21中。本实施例提供了一种集光的方式同样达到了这样的效果。本实施例通过一种扩散式的新方式，结合集光器14，把有效区域扩展到了整个可见光斑区PQ，区别于现有方案，虽然可见光斑可能做得足够大，但是可以真正进入到信号收集区域的面积其实非常有限，本实例实现了可见光斑与有效光斑的完美融合，极大地提高了有效信号强度。

集光器14是把光线扩散的一个光学器件，如单凹透镜或双凹透镜，图1中画的是双凹透镜的示例。集光器14也可以是一组光学器件，实现把PQ区域的光线导入到第一开口21的目的。

凹透镜集光器14的焦距为f负数，成的虚像为负，假设物距为μ，满足如下关系：

其中ν是像距。参考图1中相似三角形的关系，则有

其中W

物距μ是确定值，即积分球20的第一开口21到集光器14中心点的距离，如果工作距离W

实际应用中，我们根据需要照射的样品表面面积，确定D，反推出需要的f。或者如果仪器中f固定了，则可以通过调整工作距离W

例如使用者如果测量苹果，可以根据苹果的平均尺寸，估算出需要的照射范围，设置系统有效地测量苹果内部需要测量的成分信息。如果测量西瓜，照射面积可能比苹果大数倍，也可以相应设置系统参数，例如工作距离或焦距，实现有效的测量。

本实施例一种积分球内置的紧凑型近红外在线检测系统100的工作原理为：光源10发射出的光，通过反射罩11反射成圆形分布的且具有设定角度扩散角的扩散光，然后经过出光口窗口13射出打在样品表面；其中一部分扩散光会从第二开口23进入积分球20，提供参比光的测量数据；打在样品表面上的光线发生漫反射，经过集光器14汇聚于第一开口21处，并接入积分球20内，提供信号光进行测量。

本实施例一种积分球内置的紧凑型近红外在线检测系统100的有益效果在于：将积分球内置在一个壳体内，并在该壳体内设置光源与反射罩，利用反射罩将光源的光反射成一个带有设定扩散角度的光束，并让该光束经过积分球后打在样品表面，然后在积分球的信号光进入口下方设置一个集光器，将样品表面产生的漫反射光汇聚在该信号光进入口处，然后接入积分球，形成信号光，同时，利用扩散光束经过积分球，通过积分球的参比光进入口采集参比光，再利用与积分球通过光纤连接的光谱检测器进行光谱测量分析；本方案整体结构紧凑，空间占用小，可实现在线的近红外光谱检测，大大提高了适用范围；本方案成倍地提高了有效照射区域，因而提高了信噪比和灵敏度；而且本方案还提供了一个根据实际需要的照射面积，通过调整工作距离W

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。