CN103499391B - 光谱测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光谱测量系统，主要包括：光源模组，用以产生单色光；斩光器，用以将光源模组产生的单色光分成一参考光及一测量光两路光束；参考样品模组，包括一参考样品池及一衰减片依次设置于所述参考光的光路上；反射模组，设置于所述测量光的光路上，以改变测量光入射到待测样品的方向，使入射到待测样品的测量光与从待测样品散射的测量光形成一夹角；样品池，设置于从所述反射模组出射的测量光的光路上，用以承载待测样品；以及光电探测及处理单元，用于对两束光进行处理，得到消光光谱及散射光谱。

Description

光谱测量系统

技术领域

本发明涉及光谱信息测量领域，尤其涉及一种应用于消光光谱、散射光谱和吸收光谱信息测量的双光束光谱测量系统。

背景技术

随着技术的不断进步，人们对物质消光光谱信息的计量要求日益提高。在过去的数十年里，分光光度计作为光谱测量领域重要的科研仪器得到了广泛的应用。现有的分光光度计主要有：单光束，双光束和双波长三种类型。它们被广泛应用于许多行业，包括半导体，激光和光学制造，印刷和法医检验，以及在实验室进行的化学物质的研究等。

消光光谱包括散射光谱和吸收光谱，随着人类对物质特性的研究不断加深，人们发现物质的消光光谱、散射光谱和吸收光谱中含有大量的不同信息，这些信息可以帮助人们对诸如物质的成分进行定量分析，对物质的形态进行定量标定等。研究和发展对物质的消光光谱、散射光谱和吸收光谱分别进行定量测量的多功能双光束光谱系统，能够有效提高测量精度和分辨率，为科学技术的发展与应用提供了可靠的技术保障，具有重要的科研价值和巨大的经济价值。

然而，现有的分光光度计仅能对物质的反射、透射和荧光光谱进行直接测量，因此仅可以间接得到物质的消光光谱，并且，现有的分光光度计无法分离物质的吸收光谱和散射光谱，因此无法进行吸收光谱和散射光谱的定量测量。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种能够测量消光光谱尤其是散射光谱信息测量的双光束光谱测量系统。

一种光谱测量系统，主要包括：光源模组，用以产生单色光；斩光器，用以将光源模组产生的单色光分成一参考光及一测量光两路光束；参考样品模组，包括一参考样品池及一衰减片依次设置于所述参考光的光路上，所述参考样品池用以承载参考样品，所述衰减片用以减弱从参考样品池出射的参考光；反射模组，设置于所述测量光的光路上，以改变测量光入射到待测样品的方向，使入射到待测样品的测量光与从待测样品散射的测量光形成一夹角；样品池，设置于从所述反射模组出射的测量光的光路上，用以承载待测样品；以及光电探测及处理单元，用于探测从样品池出射的测量光以及从衰减片出射的测量光，并对两束光进行处理，得到消光光谱及散射光谱。

与现有技术相比较，本发明提供的光谱测量系统，利用参考光及测量光双光束对待测样品进行测量，并通过改变测量光入射到待测样品的方向，实现了直接得到消光光谱、散射光谱，进而可推导出吸收光谱，并且使得测量结果误差很小。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的光谱测量系统的结构示意图。

图2为本发明第二实施例提供的光谱测量系统的结构示意图。

图3为本发明第三实施例提供的光谱测量系统的结构示意图。

图4为本发明第四实施例提供的光谱测量系统的结构示意图。

主要元件符号说明

光谱测量系统	100，200，300，400
		光源模组	20
参考样品模组	30
		反射模组	40
光源	1
		单色仪	2
样品池	3
		参考样品池	4
光电探测及处理单元	5
		斩光器	6
第一反射镜	7
		第二反射镜	8
吸收层	9
		第三反射镜	10
偏振片	11
		检偏器	12
衰减片	13
		第一光纤探头	14
第二光纤探头	15
		圆形滑轨	16
积分球	17
		第一通孔	171
第二通孔	173
		第三通孔	172

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明提供的光谱测量系统。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一种光谱测量系统100，所述光谱测量系统100包括一光源模组20，斩光器6，参考样品模组30，反射模组40，样品池3以及一光电探测及处理单元5。所述光源模组20发出的光经过斩光器6分光后，形成两束光束。其中一束光束经过参考样品模组30后进入光电探测及处理单元5；另一束光经过反射模组40反射后，进入样品池3，经过样品池3后进入光电探测及处理单元5。

所述光源模组20用以产生单色光，本实施例中，所述光源模组20包括一光源1以及一单色仪2，由光源1产生的光经单色仪2产生单色光。所述光源模组20还可为一激光器，以产生单色光。

所述斩光器6用于将光源模组20输出的单色光分成两路光束，包括测量光和参考光。所述两路光束可形成一夹角。本实施例中，所述测量光的传播方向与所述参考光的传播方向垂直。定义所述参考光的传播方向为X方向，则测量光的传播方向即为Y方向。

所述参考样品模组30设置于所述参考光的传播光路上，所述参考样品模组30包括一参考样品池4以及一衰减片13沿所述参考光的传播光路依次设置。所述参考样品池4中可包括一比色皿（图未示）用以承载参考样品，其具体形状可根据参考样品的具体形态进行选择。所述衰减片13用以减弱从参考样品池出射的参考光，其作用在于，由于从待测样品表面散射出来的散射光光强很弱，与从参考样品池4中出射参考光的光强不在同一数量级（约相差10⁴）。因此为保证光电探测及处理单元5能够同时探测到输入的测量光及参考光光强，需要增加所述衰减片13，使得入射到光电探测及处理单元5的参考光及测量光的光强在同一数量级，以保证光电探测及处理单元5在探测接收的测量光及参考光光强时，工作在同一状态，即同样的响应时间、同样的增益。

所述反射模组40设置于所述测量光的传播光路上，用以改变所述测量光入射到样品池3的入射方向，并且在测量散射光谱的过程中，使得从所述样品池3出来的测量光与入射到样品池3的测量光的方向形成一定夹角进入到光电探测及处理单元5中，以避免在测量散射光谱的过程中，从斩光器6输出的测量光直接入射到光电探测及处理单元5，进而影响探测结果。本实施例中，所述测量光沿Y方向入射到所述样品池3，从所述样品池3出射的散射光沿X方向入射到所述光电探测及处理单元5中，即从所述样品池3出射的所述散射光与所述入射到样品池3的测量光的方向形成的夹角为90°，所得到的散射光谱即为待测样品90°附近的散射光谱。具体的，所述反射模组40包括一第一反射镜7、第二反射镜8、第三反射镜10。所述第一反射镜7、第二反射镜8及第三反射镜10可均采用平面镜。从所述斩光器6出射的测量光经过第一反射镜7、第二反射镜8及第三反射镜10反射后，沿垂直于所述参考光的方向入射入所述样品池3。进一步，由于所述光源模组20中从所述单色仪出射的光并非严格意义上的平行光，因此入射到样品池3的光已经开始发散而导致强度很弱。因此所述第一反射镜7、第二反射镜8可采用平面镜，而所述第三反射镜10可采用一凹面镜，以使入射到样品池3的光得到聚焦而增强，进而增强从所述样品池3出来的散射光的光强。

所述样品池3用以承载待测样品，具体的，所述样品池3内部设置有一比色皿（图未示）以承载待测样品。从斩光器6输出的测量光经过反射模组40反射后，入射到所述样品池3中的待测样品。所述样品池3及所述比色皿的具体形状可以根据待测样品进行选择。

所述光电探测及处理单元5用于探测从所述样品池3出射的测量光，以及从所述参考样品池4出射并经过衰减片13之后的参考光，并处理为光谱信息。最终光电探测及处理单元5得到的测量光及参考光经过电路和电脑的放大和处理后输出数据和图谱，进而得到消光光谱及散射光谱。

进一步，由于测量光入射到所述样品池3中待测样品后，部分测量光被反射，并透射出所述样品池3。为防止从样品池3出射的透射光及其他方向的散射光再次反射回所述样品池3，对所述待测样品形成二次散射，可在除所述测量光的入射方向、散射光的待测方向之外的其他方向的样品池3表面，均设置吸收层9，以吸收穿过样品池3的透射光以及其他方向的多余的散射光。

进一步，为测量待测样品对不同偏振光的响应，可在所述第三反射镜10与所述样品池3之间设置一偏振片11，在所述样品池3与所述光电探测及处理单元5之间设置一检偏器12。所述偏振片11设置于入射到所述样品池3的测量光的光路上，使入射到所待测样品的光为偏振光。所述检偏器12设置于从所述样品池3出射的测量光的光路上，所述测量光光经过检偏器12后，入射到所述光电探测及处理单元50中进行分析。

本发明进一步提供一种利用所述光谱测量系统100测量消光光谱及散射光谱的测量方法，包括以下步骤：

步骤S10，校准光谱测量系统100，得到参考光与测量光的强度比，作为基准。

具体的，所述光谱测量系统100的校准包括将第二反射镜8、吸收层9检偏器12及衰减片13移除，并且不放入任何待测样品；经过斩光器6分光后的参考光和测量光直接被光电探测及处理单元5接收。通过这种方法可以直接测量所述参考光及测量光双光束的强度比，作为基准。所述基准的表达式如下：

。

其中，I_m0为所述光电探测及处理单元5探测到的测量光强度，I_r0为所述光电探测及处理单元5探测到的参考光强度。

步骤S20，测量待测样品的透过率，计算待测样品的消光光谱。

在步骤S20中，由于待测样品自身无法在样品池3及参考样品池4分散，因此可将所述待测样品分散于一溶剂中或悬浮于一气体中。本实施例中，所述待测样品分布于一溶剂中，并且基本不溶于所述溶剂，形成混合液。进一步将偏振片11移除，将含有待测样品的混合液放入样品池3，所述溶剂作为参考样品放入参考样品池4，进行测量。所述待测样品的透过率T(λ)可以表述如下：

，

其中，I_m1为所述光电探测及处理单元5探测到的测量光强度，I_r1为所述光电探测及处理单元5探测到的参考光强度，并且。再利用公式计算得到消光光谱。

步骤S30，将含有待测样品的混合液设置于参考样品池4及样品池3中，光电探测及处理单元5探测测量光光强及参考光光强。

将第二反射镜8、吸收层9、及衰减片13设置于光路中，使得测量光偏转90°后入射进入样品池3。具体的，将含有待测样品的混合液分别放置在样品池3和参考样品池4中。此时，所述光电探测及处理单元5探测到的测量光光强与所述参考光光强的强度比为：

；

其中，为光电探测及处理单元5探测到的测量光光强，即散射光强，所述为光电探测及处理单元5探测到的参考光光强。

其中，所述散射光强的表达式如下：

其中为第二反射镜8的反射率，为第三反射镜10的反射率，为90°方向的微分散射系数，，r为待测样品与光电探测及处理单元5之间的距离，为待测样品及所述溶剂形成的混合液的消光系数。

为消除待测样品及所述液体形成的混合液的消光系数的影响，将同样的含有待测样品的混合液置于参考光路，则到达光电探测及处理单元5的参考光光强为，其中，为衰减片13的透过率。则

步骤S40，标定第二反射镜8的反射率、第三反射镜10的反射率及待测样品与光电探测及处理单元5之间的距离r，计算得到待测样品90°附近的散射光谱。

将待测样品换成无吸收的标准样品，重复S30步骤，所述光电探测及处理单元5探测到测量光光强I_s2(λ)及参考光光强I_r3(λ)，此时，测量光光强I_s2(λ)及参考光光强I_r3(λ)强度比为：

；

则由于，

因此有：

；

即：

。

最后，由于所述标准样品无吸收，因此它的消光光谱和散射光谱完全重合。因此将待测样品换成无吸收的标准样品，重复S20步骤，可得到所述标准样品的消光光谱，从而可求得：

，

其中为所述标准样品的穆勒矩阵(也叫Mueller矩阵)的第一个元素（第一行第一列的元素），可利用Mie理论求得，是已知量。从而可以求得待测样品的浓度及微分散射截面：

。

通过所述浓度及微分散射截面，即可表征所述待测样品的散射光谱。

本发明提供的光谱测量系统及测量方法，利用参考光及测量光对待测样品进行测量，能够直接得到消光光谱、散射光谱，进而可推导出吸收光谱，并且光源波动、杂散光、电子噪声等对所述光谱测量系统及测量方法产生的影响都能够抵消，所以其杂散光、光度噪声的影响都很小，从而使得测量结果误差很小。

请一并参阅图2，图2提供一种光谱测量系统200，所述光谱测量系统200与所述光谱测量系统100基本相同，其不同在于，进一步包括一第一光纤探头14、一第二光纤探头15以及一圆形滑轨16。所述第二光纤探头15用以接收从参考样品室池4输出的参考光，所述第二光纤探头15通过光纤与所述光电探测及处理单元5连接以传导探测到的参考光。所述圆形滑轨16环绕所述样品池3设置，进一步，所述样品池3设置于所述圆形滑轨16的中心位置处。所述第一光纤探头14设置于所述圆形滑轨16上，并且能够沿所述圆形滑轨16滑动，从而接收被待测样品散射的360°范围内的测量光，并通过光纤传导入所述光电探测及处理单元5。

进一步，所述偏振片11可设置于所述第一反射镜7与所述样品池3之间所述测量光的入射光路上，所述检偏器12可设置于所述样品池3与所述第二光纤探头15之间的所述测量光的出射光路上。

请一并参阅图3，本发明第三实施例提供一种光谱测量系统300，所述光谱测量系统300的结构与第二实施例所述光谱测量系统300的结构基本相同，其不同在于，所述样品池3设置于一积分球17中。

具体的，积分球17为内表面涂有高反射率涂层的球形壳体。所述积分球17在测量光的入射方向上包括两个相对贯穿设置的第一通孔171及第二通孔173，以使测量光能够从所述第一通孔171入射到待测样品，并使从所述样品池3透射出的光从所述第二通孔173透射出来，避免透射光在积分球17内被反射而影响散射光谱的测量。所述第一光纤探头14固定于所述积分球17上除所述第一通孔171及第二通孔173之外的任意一点。进一步，所述积分球17包括一第三通孔172，所述第一光纤探头14固定于所述第三通孔172中，以接收从待测样品散射出来的测量光。所述测量光被所述待测样品散射后，在所述积分球17内部经过多次反射，进入到所述第一光纤探头14中。

所述光谱测量系统300可用于测量待测样品全立体角内的散射光谱。

请一并参阅图4，本发明第四实施例提供一种光谱测量系统400，所述光谱测量系统400与所述第三实施例提供的光谱测量系统300的结构基本相同，其不同在于，所述样品池3设置于所述积分球17的球壳上。

具体的，所述积分球17具有相对贯穿设置的第一通孔171及第二通孔173，所述测量光从第一通孔171入射入所述积分球17中。所述样品池3设置于第二通孔173中，从所述第一通孔171入射的测量光直接入射到所述样品池3中。所述测量光部分透射出所述样品池3，而另一部分则进入所述积分球17中，经过积分球17的多次反射后，进入所述第一光纤探头14中。

所述光谱测量系统400可用于测量待测样品半立体角内的散射光谱。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (5)

1.一种光谱测量系统，主要包括：

光源模组，用以产生单色光；

斩光器，用以将光源模组产生的单色光分成一参考光及一测量光两路光束，所述参考光沿从光源模组出射的单色光的方向传播，所述测量光与从光源模组出射的单色光的传播方向形成一夹角；

参考样品模组，包括一参考样品池及一衰减片沿从光源模组出射的单色光的传播方向设置，且依次设置于所述参考光的光路上，所述参考样品池用以承载参考样品，所述衰减片用以减弱从参考样品池出射的参考光；

反射模组，设置于所述测量光的光路上，以改变测量光入射到待测样品的方向，使入射到待测样品的测量光与从待测样品出射的测量光形成一夹角，所述反射模组包括一第一反射镜、第二反射镜及一第三反射镜沿所述测量光的出射光路依次设置，所述第一反射镜、第二反射镜为平面镜，所述第三反射镜为凹面镜；从所述斩光器出射的测量光经过第一反射镜、第二反射镜及第三反射镜反射后，沿垂直于所述参考光的方向入射入所述样品池，并且在测量散射光谱的过程中，使得从所述样品池出射的测量光与入射到样品池的测量光的方向形成90度的夹角；

样品池，设置于从所述反射模组出射的测量光的光路上，用以承载待测样品；以及

一个光电探测及处理单元，用于同时探测从样品池出射的测量光以及从衰减片出射的参考光，并对两束光进行处理，得到消光光谱及散射光谱。

2.如权利要求1所述的光谱测量系统，其特征在于，所述斩光器对所述单色光分光后形成的参考光及测量光的出射方向垂直。

3.如权利要求1所述的光谱测量系统，其特征在于，进一步包括一偏振片设置于所述第三反射镜与样品池之间的测量光的光路上，一检偏器设置于从样品池出射的测量光的光路上，且设置于所述样品池与光电探测及处理单元之间。

4.如权利要求1所述的光谱测量系统，其特征在于，所述光电探测及处理单元接收的参考光及测量光位于同一数量级。

5.如权利要求1所述的光谱测量系统，其特征在于，进一步包括一吸收层设置于所述样品池表面，以吸收从待测样品表面散射的多余的散射光，所述吸收层设置于除测量光的入射方向及测量光的出射方向之外的样品池表面。