用于测量移动样品材料的分光仪及其方法技术

本发明专利技术涉及一种适用于工业、农业、野外、商业及其它类似应用的在线测量的光学或红外（ＩＲ）分光仪。光学分光仪对于各种分析测量而言是非常有用的。为了获得实时信息需要进行在线操作，其例如对于过程自动化和质量控制需求而言是有用的。本发明专利技术基于下述光学设计，该光学设计被优化以用于测量在一定距离处的移动样品（３），并且本发明专利技术包括用于使信号均化的光导（６），用于定义多个测量波长的线性可变滤波器（１１）、以及用于探测与不同波长相关的光学信号的线性探测器阵列（１２）。还存在当分光仪在变化的环境条件下工作时，用于对所述线性探测器阵列（１２）和所述线性可变滤波器（１１）二者的工作温度进行冷却和稳定化处理的装置（１３）。由于有被设计以使探测器处的辐射最大化的光学信号链，所提出的分光仪可以提供高的信噪比和高的速度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种适用于工业、农业、野外、商业及其它类似应用的在线测量的光学 或红外(IR)分光仪。光学分光仪对于各种分析测量而言是非常有用的。为了获得实时信 息需要进行在线操作，其例如对于过程自动化和质量控制需求而言是有用的。更具体而言，本专利技术是基于被优化以用于测量在一定距离处的移动样品的光学设 计，并且本专利技术包括用于信号均化的光导，用于定义多个测量波长的线性可变滤波器，以及 用于探测与不同波长相关的光学信号的线性探测器阵列。
技术介绍
经过最近的发展，可以得到小型分光仪模块，其基于光纤输入连接，该光纤输入连 接将光提供给摄谱仪(其中光学器件基于衍射光栅)，并将光信号递送给用于探测的线性 探测器阵列。在美国专利No. 5159404中给出了这些分光仪模块的一个例子。由于有对波 长的并行探测，这些分光仪已经成为用于实时分析测量的流行工具。然而，该技术被限制到 较短的波长，在该较短的波长的情况下，可利用合适的、高性能的线性探测器阵列(Si探测 器λ < llOOnm，InGaAs探测器λ < 1600nm)，以及在该较短的波长的情况下可利用高质量 光纤(石英λ < 2300nm)。另一方面，在较长的近红外(NIR，高达2500nm)和IR波长(> 2500nm)处，存在大量的可利用的分析信息，当高性能且成本效率高的仪器变得可用时，可 以使用该大量的可利用的分析信息来用于实时过程控制和质量监控。也针对较长红外波长 提出了基于光纤的分光仪方案，然而，可利用的红外光纤昂贵且在机械方面易碎。线性可变滤波器(LVF)是另一种用于实现分光仪光学器件的方法，其可以为基于 线性探测器阵列的分光仪提供波长分离。美国专利No. 5166755公开了一种分光仪装置，其 包括图像转移光学器件或者透镜系统、光闸、感光元件的光电阵列，以及以与该阵列呈重叠 关系设置的连续线性可变滤波器。线和面阵列被呈现作为感光阵列的选择。当采用后一选 择时，阵列的二维被称为波长轴和空间轴，在该情况下，该专利技术可以用作用于空间应用的成 像辐射计。该专利技术的另一个应用是通过单独的光源照明，该单独的光源旨在用作光谱反射 计。然而，该系统不适合用于在线工业测量，其经常需要监控快速移动的非均勻材料。在该 应用中，沿波长轴的各像素将被成像在移动样品的不同的点上。用户将会把该情形看作所 测量的光谱中的显著增加的噪声。此外，该专利技术并没有给出一种解决方案，其中可以使用冷 却的较低噪声感光阵列，此外该冷却的较低噪声感光阵列对于尤其是在IR波长下的高速 在线应用而言可能是非常重要的。W001/31304公开了一种用于光谱分析的集成光学探头，其旨在用于需要对较大样 品区域(例如农产品的百分比浓度)进行光谱测量以及对诸如墙纸之类的样品进行色度 计分析的应用。该给出的装置包括设置在第一腔室中的多色光源，其被配置为采用大照 明光斑尺寸来辐照样品；设置在第二腔室中的波长分离器，其分离接收到的不同波长的光； 以及具有宽取景孔的探测器，其也设置在第二腔室中，并被定位以接收来自波长分离器的 光，以便探测在多个所选波长处的强度。提出线性可变滤波器以用于波长分离器，并提出线性探测器阵列以用于探测设备。在优选实施例中，存在用于照明和探测腔室二者的单独的窗口以实现一种结构，在该结构中，在样品测量期间，来自探测装置自身内部的探测器无法 接收来自灯的杂散光。此外，在探测腔室中，在从所辐照的样品接收的光的路径上设置漫射 器，从而确保只测量光谱信息而不对样品成像。对于需要高空间分辨率、高测量速度以及同 时存在的高信噪比的在线测量而言，本专利技术不是最优的。对样品上较大区域的照明导致样 品上的辐射或亮度的减小，并最终导致较低的信噪比。在探测腔室中还存在高的光学损失， 因为只有从样品反射的光中的一小部分进入到波长分离和探测设备。使用漫射器将产生所 探测到的信号的进一步的损失，所有这些特征导致被损害的信噪比性能，尤其是在需要高 速即短的积分时间时，对于用于过程自动化目的的在线测量而言经常是如此。美国专利No. 6505775公开了一种具有增强的LVF分光仪的生产数据采集器，其旨 在用于与产品检验设备相结合地识别未采用条形码进行标记的生产物品。根据该专利技术的典 型分光仪包括线性可变滤波器，其将入射光分成具有不同波长的多个部分；靠近线性可 变滤波器的光电探测器，其对光部分进行取样并产生包含信息的电信号；具有足以使由线 性可变滤波器的内表面引起的散射最小化的宽度的光学狭缝部件；以及在光学狭缝部件上 方的滤波器，其过滤出在工作波长范围以外的光。如果考虑在一定距离处移动的样品板或 样品带上的在线光谱学，则该专利技术也具有若干缺陷没有办法对所测量的辐射进行有效均 化，在这样的情况下，样品移动和距离变化可能导致所测量的光谱中的赝象。此外，没有办 法来稳定波长轴和所测量的信号电平以抵御线性可变滤波器和线性探测器阵列中的热导 致变化。同时，由于光学采集损失，即呈现在样品上的照明辐射没有被直接成像在线性可变 滤波器和线性探测器阵列上，所以信号电平和信噪比得以减小。EP1498708A1公开了 一种小封装传感器单元，其用于非破坏性地检查物体的内部 品质(包括成分)，其旨在检查水果、蔬菜、植物叶子、鱼、肉等等。该传感器单元通过光纤束 来接收从检查光源发出并漫透射通过检查物体的光，利用光谱方法将接收到的光分离成光 谱，并通过阵列型传感器检查该光谱以得到检查物体的内部品质，其中，在光纤束之后提供 光漫射器、连续可变干涉滤波器和光电转换单元。此外，光纤束中的光纤被拧在一起，以均 勻化所接收到的光中的不规则性。在优选实施例中，还存在由光学玻璃组成的光漫射器，在 该光漫射器中，该光漫射器将从光纤束的光发射端传入的光漫反射，并在与连续可变干涉 滤波器相对的一侧将光射出。然而，对于在一定距离处的测量即在线应用而言，该专利技术不是 最优的，因为在光纤束中接收到的光随着测量距离的增加而迅速减少。在线应用要求分析 结果不受通过的样品流的距离变化影响。此外，由于基于光纤的设计，所以该传感器最适合 用于由石英光纤传输的较短波长，而不太适用于需要红外光纤的较长波长(> 2300nm)。美国专利No. 6420708B2公开了一种在测量中使用的、采用探测器阵列的光谱学 分析仪，其使用了衰减全反射(ATR)技术。该专利技术的典型实施方式包括细长光源、样品台、 用于产生光谱的设备以及感光元件阵列。在优选实施例中，ATR晶体用作样品台，并且线性 可变滤波器用作用于产生光谱的设备。ATR技术还允许在红外波长下进行测量，但是其被限 制为使样品与ATR晶体接触，例如液体测量。因此，该专利技术不适合用于在离通过的样品板或 样品带一定距离处进行在线测量。W02004/013621公开了一种用于对固体、液体或气体介质进行IR光谱测定分析的 设备。根据该专利技术的处理探头包括至少一个光源、至少一个连接到样品的光波导、线性可变滤波器、至少一个探测器以及调节器/分析单元。在测量操作期间，光入射到线性可变滤 波器的规定区域中，随后探测器移动到相对于线性可变滤波器的不同位置中，并且调节器/ 分析单元根据由探测器元件提供的测量值来确定介质的光谱。根据操作原理，该分光仪记 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量来自在一定距离处移动的样品材料的信息的分光仪，该分光仪包括：ａ）宽带光源，其用于将辐照递送至在一定距离处的移动样品材料上的小区域；ｂ）具有输入端和出口端的光导，其将来自样品的经背反射、散射或透射的辐射接收至输入端，并且在光导内部的多次反射之后，将该辐射空间地均化至出口端；ｃ）线性可变滤波器，其接收来自光导出口端的被空间地均化的辐射，以便将宽带辐射分为波长成分；ｄ）线性探测器阵列，其用于将光学辐射转换为可测量的电信号，其中所述阵列的每个像素接收不同的波长成分；ｅ）用于将来自像素的电信号处理为光谱信息的装置；和ｆ）传感器模块，其包括所述线性可变滤波器、所述线性探测器阵列、以及当分光仪在变化的环境条件下工作时，用于对所述线性探测器阵列和所述线性可变滤波器二者的工作温度进行冷却和稳定化处理的装置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J马利南，K卡塔贾，S基维，H瓦萨马，R库塞拉，
申请(专利权)人：芬兰技术研究中心，霍尼韦尔有限公司，
类型：发明
国别省市：FI[芬兰]