專利名稱：便攜式近紅外光源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光源裝置，尤其是適用于近紅外光譜分析儀的便攜式高穩(wěn)定度的光源。
背景技術(shù)：
近紅外光譜分析技術(shù)是一種快速、無(wú)損、多組分同時(shí)檢測(cè)的綠色分析技術(shù)，近年來(lái) 得到了完善和更多領(lǐng)域應(yīng)用的推廣。近紅外光譜儀也得到快速的發(fā)展，并沿著穩(wěn)定、便 攜的方向發(fā)展。儀器要求高穩(wěn)定的近紅外光源不僅要求強(qiáng)度大，而且對(duì)穩(wěn)定性、均勻 性有所要求。目前能發(fā)出近紅外光并且比較穩(wěn)定的是發(fā)光二極管和激光發(fā)光二極管，它 們的特點(diǎn)是效率高、穩(wěn)定性高、使用壽命長(zhǎng)，但是由于其帶寬很窄，很難用它們實(shí)現(xiàn)連 續(xù)的光譜儀的光源。與它們相比，鹵鎢燈具有價(jià)格相對(duì)較低，穩(wěn)定性好，并且光譜的均 勻性好。因此，目前大部分的近紅外光譜儀用的光源都是鹵鎢燈。CN00208512.7公開的乳腺診斷儀中的近紅外光源裝置，其最大的特點(diǎn)是采用了橢 圓型反光面，并且采用光纖輸出，但這種光源其輸出的穩(wěn)定性較差，不適合于做近紅外 光譜儀的光源。CN00208601.8公開的手術(shù)記錄儀的近紅外光源裝置，其光路采用了凹 凸透鏡和濾光片，能產(chǎn)生近紅外光源，與上面一種專利一樣，其光功率穩(wěn)定性較差。. 對(duì)于光源光功率的控制，目前普遍采用"恒流源+溫控"方案，通過(guò)精密恒流源提供電 流，同時(shí)用制冷器進(jìn)行溫控，從而穩(wěn)定光源輸出光功率，但由于影響光強(qiáng)穩(wěn)定的因素有 光源電壓或電流的波動(dòng)、電路元件的老化、外界雜光、環(huán)境溫度以及光源自身老化等， 所以該方案控制精度低、響應(yīng)速度慢、靈活性差、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差。傳統(tǒng)的光控模式是開 環(huán)控制模式，這種控制模式有以下難以解決的問(wèn)題首先，沒(méi)有自動(dòng)修正偏差的能力， 光功率隨時(shí)間的變化而變化；抗干擾能力差，電源電壓的波動(dòng)、電磁干擾、電路元件的 老化對(duì)其輸出都會(huì)產(chǎn)生影響。CN200610080859.3提出了閉環(huán)控制采用全光纖結(jié)構(gòu)的穩(wěn) 定光源光功率輸出裝置，專利中提到采用PIN探測(cè)器檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)交 于DSP (digital signal processing,數(shù)字信號(hào)處理)器處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)傳給D/A (digital convert signal to analog signal,數(shù)模轉(zhuǎn)換)，最后控制電流驅(qū)動(dòng)器。但是其控制 的是LD (laser diode,激光二極管)光源或者ASE (Adaptive Server Enterprise,放大自發(fā) 輻射)光源，發(fā)出的是一個(gè)固定的波長(zhǎng)，不適合于光譜儀器用，并且其控制方式是電流 型控制，不適合于鹵鎢燈的控制，該專利中也未提到光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如果盲目的將系 統(tǒng)的SLD光源換成鹵鎢燈，由于缺少聚光部分，會(huì)造成光能的浪費(fèi)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種便攜式近紅外光源裝置，尤其 是一種適用于近紅外光譜分析儀的穩(wěn)定光源。為近紅外光譜儀提供一個(gè)穩(wěn)定、均勻的大功率光源，以便提高近紅外光譜儀的穩(wěn)定性和重復(fù)性。 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用以下的方案-
控制電路3由電源接口2供電，控制電路3接收光電檢測(cè)7的信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)， 控制電路3經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊4驅(qū)動(dòng)光路系統(tǒng)5中的鹵鎢燈10，經(jīng)光纖接口 6輸出近紅外光。
光路系統(tǒng)5的外殼12是由金屬構(gòu)成的似瓶狀，內(nèi)腔底面為橢圓反光面8或拋物反 光面14，橢圓反光面8或拋物反光面14的焦點(diǎn)裝有鹵鉤燈10，內(nèi)腔底面設(shè)計(jì)為拋物反 光面14的，在距拋物反光面14的三分之二處設(shè)有凸透鏡16，似瓶狀外殼12的上部設(shè) .有出光孔ll，在出光孔ll的外部端設(shè)有光纖接口9;凸透鏡16與外殼12的內(nèi)壁垂直。 出光孔ll與SMA905光纖連接器相接，光纖接口6與光纖相連，把產(chǎn)生的光投到所需 的儀器。
有益效果閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提高了光源的穩(wěn)定性，提高了抗干擾能力，減小了電源 電壓的波動(dòng)、電磁干擾、電路元件的老化的影響；采用鋁作為外殼材料，利于散熱；簡(jiǎn) 單的光路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、牢固；整體設(shè)計(jì)使裝置攜帶方便，既適合于實(shí)驗(yàn)室用，也非常 適合于野外實(shí)驗(yàn)用。
圖1是便攜式近紅外光源的整體框圖。 圖2是光路系統(tǒng)5橢圓反光面8結(jié)構(gòu)圖。 圖3是光路系統(tǒng)5拋物反光面14結(jié)構(gòu)圖。 圖4是控制電路中方案一的電路圖。 圖5是控制電路中方案二的電路圖。
2電源接口， 3控制模塊，4驅(qū)動(dòng)模塊，5光路系統(tǒng)，6光纖接口， 7光電檢測(cè)，8 橢圓反光面，9光纖接口， 10鹵鎢燈，11出光口， 12外殼，14拋物反光面，16凸透鏡。
具體實(shí)施例方式
控制電路3由電源接口2供電，控制電路3接收光電檢測(cè)7的信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)， 控制電路3經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊4驅(qū)動(dòng)光路系統(tǒng)5中的鹵鎢燈10，經(jīng)光纖接口 6輸出近紅外光。
光路系統(tǒng)5的外殼12是由金屬構(gòu)成的似瓶狀，內(nèi)腔底面為橢圓反光面8或拋物反 光面14，橢圓反光面8或拋物反光面14的焦點(diǎn)裝有鹵鉤燈10，內(nèi)腔底面設(shè)計(jì)為拋物反 光面14的，在距拋物反光面14的三分之二處設(shè)有凸透鏡16，似瓶狀外殼12的上部設(shè) '有出光孔ll，在出光孔ll的外部端設(shè)有光纖接口9;凸透鏡16與外殼12的內(nèi)壁垂直。 出光孔11與SMA905光纖連接器相接，光纖接口 6與光纖相連，把產(chǎn)生的光投到所需. 的儀器。
電源接口2是標(biāo)準(zhǔn)的電源接頭，用于與標(biāo)準(zhǔn)的歐洲電源相連，也可以與蓄電池通過(guò) 電源線相連?？刂齐娐?由電源接口2供電，接收光電檢測(cè)7的信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部的電路，.產(chǎn)生控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)模塊4是光源的功率驅(qū)動(dòng)模塊，其控制信號(hào)來(lái)源于控制模塊3。光 路系統(tǒng)5中包括發(fā)光源和聚焦光路，發(fā)光源所需的功率電源來(lái)源于驅(qū)動(dòng)模塊4，并且所 發(fā)出的光未經(jīng)過(guò)聚焦就照在光電檢測(cè)7，發(fā)光源是鹵鎢燈IO。最后由光纖接口6輸出穩(wěn) 定的光。故控制電路3、驅(qū)動(dòng)模塊4、光路系統(tǒng)5、光電檢測(cè)7構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。 控制電路3和驅(qū)動(dòng)模塊4有兩種不同組合方案， 一種是采用模擬電子元件構(gòu)成的反饋環(huán)， 一種是用DSP實(shí)現(xiàn)的數(shù)字式反饋環(huán)。下面對(duì)兩種技術(shù)方案分別進(jìn)行說(shuō)明
(1) 、模擬電子元件構(gòu)成的反饋環(huán)電路中Ul放在還沒(méi)有聚焦的光源前面(也就是反光 鏡的前面)，OPT101的正面與光線垂直。具體的電路連接如下Ul的11腳與12腳、 Ql的l腳接電源接口2的一端，即電源端；U1的7歩P、 U0的3、 8腳、U3的4膽卩、 U2接地；R1的一端連U1的6腳，另一端連U1的5腳；R2的一端連U1的5腳，另 一端接地；Ul的2， 10， 3腳連在一起，并與R3的一端相連，R3的另一端與Ul的4
.腳相連;R4的兩端分別與Ul的4腳和地連接；R5的兩端分別與U2的5、 6腳連接；R7 的兩端分別與Ql的3腳禾卩U2的4腳連接；R8的一端與U2的4腳和地分別連接；R20 的兩端分別與U0的5腳和U3的2腳相連；R21的兩端分別與U3的2腳、6腳相連； Cl的一端與Ul的4腳相連，另一端與Ul的13腳相連；C2的兩端分別與U2的4、 13 腳相連；C3的兩端分別與U0的2、 5腳以及R9的兩端連在一起；U0的一腳、U2的 11、 12腳與U0的IO腳連在一起；Ql的2腳分別與U2的2、 3、 IO腳連在一起。這種 方案的功率輸出端為Ql的3腳，用于驅(qū)動(dòng)光路系統(tǒng)5的鹵鎢燈。Ql通過(guò)絕緣片與鋁外 殼固定在一起。
(2) 、用DSP實(shí)現(xiàn)的數(shù)字式閉環(huán)反饋環(huán)電路中，OPT101所放的位置和方向與方案一一 樣。具體的電路連接如下U8禾卩U9的3腳、Q2的l腳與電源端相連；U8禾口U9的1 腳、U5的3禾卩8勝卩、U6的4腳、U7的28、 49、 85、 128、 3、 41、 66、 76、 95、 125、
140、 117、 114腳與地相連；U8的2腳與U5的1膽P、 U6的7腳連在一起；U9的2勝卩 與U7的29、 50、 86、 129、 4、 42、 67、 77、 95、 141、 115、 116連在一起；R9的兩端 分別與C3的兩端、U5的2禾卩5腳相連；R10的兩端分別與U6的3腳和地相連；RU 的兩端分別與U8的2腳相連；R12的兩端分別與U9的2腳和U7的133腳相連；R20 的兩端分別與U5的5腳和U6的2腳相連；R21的兩端分別與U6的2腳、6腳相連； U5的6腳與U7的112腳相連；C4的兩端分別與地和U7的133腳相連；Q2的2腳與 U7的56腳相連，Q2的3腳與Dl的負(fù)端和Ll的一端相連；Ll的另一端和C10的正 極相連；U7的123腳與Yl、 C5的一端相連，U7的124與C6的一端和Yl的另一端相 連，C5、 C6的另一端接地。U7的軟件采用增量式數(shù)字PID。這種方案的功率輸出端為 Q2的3腳。Ql通過(guò)絕緣片與鋁外殼固定在一起。 實(shí)施例一-
' 如圖2所示，結(jié)構(gòu)如下所示采用橢圓反光鏡，外殼12由鋁構(gòu)成，內(nèi)部打滑光滑，左邊打滑成橢圓面，左端作為橢圓反光面8，右端打滑成錐形；鹵鎢燈10的燈絲置于橢 圓反光面8的一個(gè)焦點(diǎn)上，另一個(gè)焦點(diǎn)置于出光孔11的內(nèi)部端，出光孔11的外部端與 SMA905光纖連接器相接，光纖接口6與光纖相連，把產(chǎn)生的光投到所需的儀器。將鹵 鉤燈的燈絲近似看成點(diǎn)光源，由于在橢圓反光面8的焦點(diǎn)，故發(fā)出的光經(jīng)過(guò)外殼12的
內(nèi)腔的反射后照在橢圓的另一個(gè)焦點(diǎn)上。
如圖4所示，工作原理是U1把光路系統(tǒng)5的LAMP的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然 后通過(guò)U3的反相比例放大，改變U2的反相比較端的電壓，從而使Q1的輸出電壓得到 改變，即達(dá)到閉環(huán)控制的目的。模擬電子元件構(gòu)成的反饋環(huán)電路中U1放在還沒(méi)有聚焦 的光源前面，也就是反光鏡的前面OPT101的正面與光線垂直。具體的電路連接如下 Ul的ll腳與12腳、Ql的l腳接電源接口2的一端，即電源端；Ul的7腳、U0的3、 8腳、U3的4腳、U2接地；Rl的一端連Ul的6腳，另一端連Ul的5腳；R2的一端 連U1的5腳，另一端接地；Ul的2， 10， 3腳連在一起，并與R3的一端相連，R3的 另一端與Ul的4腳相連;R4的兩端分別與Ul的4腳和地連接；R5的兩端分別與U2 的5、 6腳連接；R7的兩端分別與Ql的3腳和U2的4腳連接；R8的一端與U2的4 腳和地分別連接；R20的兩端分別與U0的5腳和U3的2腳相連；R21的兩端分別與
'U3的2腳、6腳相連；Cl的一端與U1的4腳相連，另一端與U1的13腳相連；C2的 兩端分別與U2的4、 13腳相連；C3的兩端分別與U0的2、 5腳以及R9的兩端連在一 起；U0的一腳、U2的11、 12腳與U0的IO腳連在一起；Ql的2腳分別與U2的2、 3、 IO腳連在一起。這種方案的功率輸出端為Q1的3腳，用于驅(qū)動(dòng)光路系統(tǒng)5的鹵鎢燈； Ql通過(guò)絕緣片與鋁外殼固定在一起，便于散熱。 實(shí)施例二
如圖3所示，結(jié)構(gòu)如下所示采用拋物面反光鏡，外殼15由鋁構(gòu)成，內(nèi)部打滑光
滑，左端打滑成拋物面，作為拋物反光面14，右端打滑成錐形。鹵鎢燈13的燈絲置于 拋物反光面14的一個(gè)焦點(diǎn)上，凸透鏡16置于光路系統(tǒng)5的內(nèi)腔，并與外殼15的內(nèi)壁 垂直；出光孔ll的外部端與SMA905光纖連接器相接，光纖接口6與光纖相連，把產(chǎn) 生的光投到所需的儀器。光路是處于拋物面焦點(diǎn)的鹵鎢燈13發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)拋物面反 .光面14的作用，由點(diǎn)光源變成平行光源，透過(guò)凸透鏡16后成像，又聚集在出光孔11 的內(nèi)部端。如圖3所示，近紅外光源l由電源接口2、控制電路3、驅(qū)動(dòng)模塊4、光路系 統(tǒng)5、光纖接口6、光電檢測(cè)7組成。電源接口 2是標(biāo)準(zhǔn)的電源接頭，用于與標(biāo)準(zhǔn)的歐 洲電源相連，也可以與蓄電池通過(guò)電源線相連，放置在電路板的邊緣，外殼留一對(duì)應(yīng)接 頭的小孔，這樣便于給裝置供電。控制電路3將電源接口2的電壓轉(zhuǎn)換成多需要的電壓 給控制電路3供電，接收光電檢測(cè)7的信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部的硬件和軟件作用，產(chǎn)生控制信 號(hào)，控制光功率驅(qū)動(dòng)模塊4，光路系統(tǒng)5中包括發(fā)光源和聚焦光路，發(fā)光源所需的功率 電源來(lái)源于驅(qū)動(dòng)模塊4，并且所發(fā)出的光未經(jīng)過(guò)聚焦就直照在光電檢測(cè)7，其發(fā)光源是鹵鎢燈，發(fā)出的光譜均勻，光源的壽命也長(zhǎng)。最后由光纖接口6輸出穩(wěn)定的光。故控制 電路3、驅(qū)動(dòng)模塊4、光路系統(tǒng)5、光電檢測(cè)7構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)將檢測(cè)信號(hào)與 預(yù)置信號(hào)的比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)，并將該偏差信號(hào)作用于發(fā)光源，使光源穩(wěn)定工作在設(shè) 置的功率工作點(diǎn)上。
如圖5所示，工作原理是U5把光路系統(tǒng)5的LAMP的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然 后通過(guò)U7內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)U7的內(nèi)部增量式PID算法，產(chǎn)生誤差 信號(hào)，控制U7的PWM輸出的占空比，從而改變了 Q2的輸出電壓，即達(dá)到閉環(huán)控制 的目的。用DSP實(shí)現(xiàn)的數(shù)字式閉環(huán)反饋環(huán)電路中，OPT101所放的位置和方向與方案一 一樣。具體的電路連接如下U8禾口U9的3腳、Q2的l腳與電源端相連；U8禾DU9的 l腳、U5的3和8膽卩、U6的4腳、U7的28、 49、 85、 128、 3、 41、 66、 76、 95、 125、 140、 117、 114腳與地相連；U8的2腳與U5的1腳、U6的7腳連在一起；U9的2腳 與U7的29、 5.0、 86、 129、 4、 42、 67、 77、 95、 141、 115、 116連在一起;R9的兩端 分別與C3的兩端、U5的2禾B 5腳相連；R10的兩端分別與U6的3腳和地相連；Rll 的兩端分別與U8的2腳相連；R12的兩端分別與U9的2腳和U7的133腳相連；R20 的兩端分別與U5的5腳和U6的2腳相連；R21的兩端分別與U6的2腳、6腳相連； U5的6腳與U7的112腳相連；C4的兩端分別與地和U7的133腳相連；Q2的2腳與 U7的56腳相連，Q2的3腳與Dl的負(fù)端和Ll的一端相連；Ll的另一端和C10的正 極相連；U7的123腳與Yl、 C5的一端相連，U7的124與C6的一端和Yl的另一端相 .連，C5、 C6的另一端接地；Ql通過(guò)絕緣片與鋁外殼固定在一起，便于散熱。
權(quán)利要求
1、一種便攜式近紅外光源裝置，其特征在于控制電路(3)由電源接口(2)供電，控制電路(3)接收光電檢測(cè)(7)的信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)，控制電路(3)經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊(4)驅(qū)動(dòng)光路系統(tǒng)(5)中的鹵鎢燈(10)，經(jīng)光纖接口(6)輸出近紅外光。
2、 按照權(quán)利要求1所述的便攜式近紅外光源裝置，其特征在于光路系統(tǒng) (5)的外殼(12)是由金屬構(gòu)成的似瓶狀，內(nèi)腔底面為橢圓反光面(8)或拋物反光面(14)，橢圓反光面(8)或拋物反光面(14)的焦點(diǎn)裝有鹵鎢燈(10)， 內(nèi)腔底面設(shè)計(jì)為拋物反光面(14)的，在距拋物反光面(14)的三分之二處設(shè)有 凸透鏡(16)，似瓶狀外殼(12)的上部設(shè)有出光孔(11)，在出光孔(11)的外 部端設(shè)有光纖接口 (9)。
3、 按照權(quán)利要求2所述的便攜式近紅外光源裝置，其特征在于凸透鏡(16) 與外殼(12)的內(nèi)壁垂直。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光源裝置，尤其是適用于近紅外光譜分析儀的便攜式高穩(wěn)定度的光源?？刂齐娐方邮展怆姍z測(cè)的信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)，控制電路經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)光路系統(tǒng)，經(jīng)光纖接口輸出近紅外光。光路系統(tǒng)的內(nèi)腔底面為橢圓反光面或拋物反光面，橢圓反光面或拋物反光面的頂點(diǎn)裝有鹵鎢燈，上部設(shè)有出光孔，在出光孔的外部端設(shè)有光纖接口，把產(chǎn)生的光投到所需的儀器。閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提高了光源的穩(wěn)定性，提高了抗干擾能力，減小了電源電壓的波動(dòng)、電磁干擾、電路元件的老化的影響；采用鋁作為外殼材料，利于散熱；簡(jiǎn)單的光路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、牢固；整體設(shè)計(jì)使裝置攜帶方便，既適合于實(shí)驗(yàn)室用，也非常適合于野外實(shí)驗(yàn)用。
文檔編號(hào)F21L4/00GK101298902SQ20081005085
公開日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2008年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月20日
發(fā)明者凌振寶, 君 王, 王智宏, 竇福印, 趙晨光, 健 陳, 陳鵬飛, 項(xiàng)洪元 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)