光学分析仪的制作方法
【专利摘要】提供了一种光学分析仪，用于对从作为光源的LED发射的光量进行反馈控制，其中，使得光学系统的结构简单并且确保光学系统布置的自由度。在从光投射单元1到样品单元3的光路上设置用于在将作为未聚焦光的光部分释放同时聚焦大多数光的光学部件2。可以使用简单的配置(例如，彼此间隔开预定距离的两个球透镜)来实现光学部件2。光学部件2聚焦的光作为测量光被投射到样品单元3中。同时，第二光电探测器5布置在未聚焦光到达的位置。第二光电探测器5根据已经进入第二光电探测器5的光(作为监测光)的量来产生探测信号，并且通过驱动电流控制单元6和电流源7来控制要供应给LED的驱动电流，使得将光量维持在固定级别。
【专利说明】
光学分析仪
技术领域
[0001]本发明涉及一种光学分析仪，用于将光投射到样品中或样品上，并且探测响应于投射光而从样品获得的透射光、反射光、散射光、荧光和其他形式的光。
【背景技术】
[0002]在测量液体样品或气体样品的吸光率时，通常使用光学分析仪，例如，紫外线-可见光分光光度计或光电二极管阵列探测器。例如，紫外线-可见光分光光度计通常包括包括氘放电管作为针对紫外线波长区域的光源以及卤素灯作为针对可见光波长区域的光源。近年来，还已经开发了包括氙气闪光灯作为光源的紫外线-可见光分光光度计，氙气闪光灯的寿命比卤素灯和氘放电管的寿命更长。在任意情况下，包括这些光源的光学分析仪通常被配置为使得单色光由包括衍射光栅或类似器件的单色仪提取并且被投射到样品中或样品上，或者使得从样品获得的光被引入光色散器件并且散色为波长分量，然后波长分量被部分地或全部地引入到探测器中并由探测器探测。
[0003]近年来，随着发光二极管(LED)技术的进步和迅速普及，LED也已经越来越多得用作光学分析仪中的光源。因为LED在其发射频谱中具有相当窄的峰值，因此它们不太适合于需要扫描宽波长范围的应用。然而，如吸收计和荧光计的情况中一样，LED适于将具有特定波长的光投射到样品中或上的光学分析仪。LED不仅比上述光源便宜得多，而且还具有较长的寿命并且以高可靠性操作。另一方面，通常从LED发出的光量随着环境温度改变显著地波动。在光学分析仪中，这种光量的波动使得测量结果不太准确。因此，到目前为止，调整针对LED的驱动电流以将光量维持在固定级别的反馈控制已经被认为是用于减小光量的温度依赖性的这种影响的方法之一。
[0004]例如，在专利文献I中所述的设备，在样品与用于对从LED发射的光进行聚焦的透镜之间设置了狭缝组件，并且将监测光电探测器附接到狭缝组件。监测光电探测器探测由透镜聚焦并且应用于狭缝组件的光中未通过狭缝组件的开口(也即是说，未用作测量光)的光。然后，控制用于使LED发光的驱动电流，使得监测光电探测器探测到的监测光的量处于固定级别。根据该配置，因为透镜聚焦的光用作监测光，因此可以提高光量的探测准确度，并且可以通过反馈控制使得光量稳定。
[0005]引用列表
[0006]专利文献
[0007][专利文献I]JP2011-237384 A
【发明内容】
[0008]技术问题
[0009]然而，在专利文献I中所述的设备的情况下，因为由透镜聚焦以投射到样品中或样品上的光用作监测光，因此监测光电探测器的安装位置受到相当大的限制，从而导致光学系统设计的自由度较低。虽然聚焦光实质上需要被投射到样品中或样品上而尽可能不被浪费，并且需要用作测量光，但是在专利文献I中所述的设备中，由透镜聚焦的光的一部分并未用作测量光，并且这对于样品的吸光率和其他特性的测量准确度的提高是不利的。
[0010]本发明的目的(为了解决上述问题而提出该目的)在于提供一种光学分析仪，用于基于监测光电探测器探测到的监测光的探测结果来控制从光源发出的光量，该光学分析仪具有简单的配置并且实现监测光电探测器的安装位置的高自由度和光学系统设计的高自由度。
[0011]问题的解决方案
[0012]根据本发明的光学分析仪(为了解决上述问题而提出该光学分析仪)是一种光学分析仪，用于通过将光从光投射单元投射到目标样品中或样品上并且将响应于投射光从所述样品获得的光引入光电探测器来对所述样品进行分析，所述光投射单元包括作为光源的发光半导体器件，所述光学分析仪包括:
[0013]a)光学部件，用于将接收的光聚焦到所述样品上而同时在所述接收的光的一部分没有被聚焦的情况下产生未聚焦光，所述光学部件布置在从所述光投射单元到所述样品的光路上；
[0014]b)第二光电探测器，布置在所述光学部件产生的所述未聚焦光到达的位置处；以及
[0015]c)控制单元，用于基于所述第二光电探测器产生的强度信号控制要供应给所述发光半导体器件的驱动电流，使得光量处于固定级别。
[0016]发光半导体器件的不例包括发光二极管(LED)、超福射发光二极管(SLD)和激光二极管(LD)，所有这些二极管均是释放(discharge)单色光或者与单色光相当并且具有峰值宽度相当窄的窄波段的光的光源。
[0017]在根据本发明的光学分析仪中，通过向诸如LED等的发光半导体器件提供驱动电流从光投射单元发出的光进入光学部件。光学部件包括例如彼此间隔开预定距离的多个球面透镜。这里的球面透镜包括球面凸透镜和球透镜。已经进入光学部件的大部分光被聚焦，并且聚焦光被投射到样品中或上。同时，例如，在光投射单元中，从偏离光学部件的光学轴的延长轴的位置发出的光成为未由光学部件聚焦的未聚焦光，并且沿与聚焦光的方向不同的方向释放未聚焦光。未聚焦光部分作为监测光进入第二光电探测器，并且根据入射光的量来产生强度信号。控制单元基于第二光电探测器产生的强度信号来控制要供应给发光半导体器件的驱动电流，使得光量与例如目标值相一致。
[0018]如果从照明开始随着时间的流逝，由于发光半导体器件的自身发热，发光半导体器件的环境温度改变或者如果发光半导体器件的温度改变，则从发光半导体器件发出的光量改变，即使驱动电流处于固定级别也是如此。为了处理该情况，在根据本发明的光学分析仪中，对驱动电流执行反馈控制，使得光量处于固定级别，并且因此投射到样品中或上的光量维持在实质上固定级别，而不论温度如何。
[0019]在这种情况下，由于进入第二光电探测器的光部分在整个发射光中非常少，因此入射光可能是微弱的，同时随着温度改变的光量的时间波动相当缓慢，因而可以以低速度执行反馈控制。因此，在第二光电探测器中，光接收时间(电荷累积时间)可以被设置为较长，由此可以补偿入射光的量的缺乏。此外，具有低操作速度但是具有大光接收面积的器件可以用作第二光电探测器，或者多个压电转换器件可以并联作为第二光电探测器，由此可以补偿每单位面积的光量的缺乏。
[0020]发明的有益效果
[0021]利用根据本发明的光学分析仪，可以抑制随着温度改变从光源发出的光量的波动，并且可以确保测量准确度。此外，在根据本发明的光学分析仪中，由光学部件沿宽方向排出未聚焦光，并且可以通过对光学部件的配置和布置来调整未聚焦光的释放方向。因此，可以以高自由度布置用于探测监测光的第二光电探测器。此外，例如，足以将两个球透镜布置为彼此间隔开预定距离作为光学部件，因此光学部件的配置本身可以是简单的。因此，可以使用简单的配置和光学系统设计的高自由度获得光学分析仪。
【附图说明】
[0022]图1是作为根据本发明的光学分析仪的实施例的吸收计的示意性配置图。
[0023]图2是示出了本实施例的吸收计中的聚焦/未聚焦光学部件的示例的图。
【具体实施方式】
[0024]在下文中参照附图描述根据本发明的光学分析仪的实施例。
[0025]图1是作为本发明的实施例的吸收计的示意性配置图。
[0026]从光投射单元I发出的光被引入到聚焦/未聚焦光学部件2，并且大多数引入光被聚焦并且作为测量光投射到样品单元3中，要测量的样品溶液通过该样品单元3。光投射单元I的光源是例如深紫外线LED。当通过样品单元3时，测量光根据样品单元3中的样品的成分、浓度和其他特性经历吸收。这种吸收之后的光进入光电探测器4，并且光电探测器4产生与入射光的量相对应的探测信号。探测信号由模数转换器(ADC)S转换为数字数据，并且数据处理单元9基于数字数据来计算样品单元3中的样品的吸光率。
[0027]聚焦/未聚焦光学部件2将从光投射单元I接收的除了作为测量光反射的聚焦光之外的光部分作为未聚焦光释放。第二光电探测器5被布置在从聚焦/未聚焦光学部件2释放未聚焦光的范围内的任意位置处。未聚焦光部分作为监测光进入第二光电探测器5，并且第二光电探测器5产生与入射的监测光的量相对应的探测信号。驱动电流控制单元6将与入射的监测光的量相对应的探测信号与预定的光量设置值进行比较，并且调整由电流源7产生的驱动电流，使得两者之差为零。因此，要供应给光投射单元I的LED的驱动电流改变，并且从LED发出的光量改变。换言之，在本实施例的吸收计中，通过基于聚焦/未聚焦光学部件2释放的光量(在没有被聚焦的情况下)进行的反馈控制，从LED发出的光量被控制为处于实质上固定级别。
[0028]图2是示出了聚焦/未聚焦光学部件2的示例的图。
[0029]在该示例中，在聚焦/未聚焦光学部件2中，具有相同直径的两个球透镜21和22彼此间隔开距离L。连接两个球透镜21和22的中心点的线被定义为光轴，并且光投射单元I与聚焦/未聚焦光学部件2之间的位置关系被定义使得光投射单元I的LED芯片(发光部件)位于光轴的延长线上。从LED芯片Ia的中心(光轴的延长线上的位置)发出并且径向扩散的光由前级球透镜21折射为实质上平行的光通量，并且由后级球透镜22折射并聚焦。由此产生的光作为聚焦光A投射到样品单元3 (未示出)中。
[0030]如图2所示，从偏离LED芯片的中心的位置发射的光由两个球透镜21和22中的每一个折射，并且作为未聚焦光B释放。未聚焦光B沿各个方向释放，并且未聚焦光B的释放方向和释放角度取决于LED芯片Ia的尺寸、球透镜21和22的尺寸、球透镜21和22之间的间距L、LED芯片Ia与球透镜21之间的距离、以及其他因素。因此，可以根据第二光电探测器5的期望安装位置来确定聚焦/未聚焦光学部件2的配置(球透镜21和22的尺寸以及球透镜21和22之间的间距L)、聚焦/未聚焦光学部件2与LED之间的间距以及其他设计。相反地，可以首先确定聚焦/未聚焦光学部件2的配置、聚焦/未聚焦光学部件2与LED之间的距离和其他设计，然后可以确定第二光电探测器5的安装位置。在任意情况下，可以至少独立于聚焦光从聚焦/未聚焦光学部件2的释放方向来确定第二光电探测器5的安装位置，使得光学系统设计的自由度较高。
[0031]当然，聚焦/未聚焦光学部件2不限于图2中所示的配置。例如，可以使用两个(或更多个)球形凸透镜替代球透镜。备选地，如果使用非球面透镜，则可以通过一个透镜来产生聚焦光和未聚焦光二者。
[0032]在本实施例的吸收计中，从LED发射的光中进入第二光电探测器5的光部分非常少，因此入射光的量通常较小。而从LED发出的光量随温度改变的时间波动相当小，因此可以以低速度对驱动电流执行反馈控制。因此，在第二光电探测器5中，电荷累积时间可以被设置为较长，由此即使光量较小，也可以获得足够大的探测信号。因此，即使光量较小，也可以实现高准确度的反馈控制。
[0033]在上述实施例中，从光投射单元I发出的光作为测量光投射到样品单元3中，而不会改变光的波段。虽然用作光源的LED的峰值宽度在此时相当窄，但是为了提高从LED发出的光的单色性，具有适合的传输特性的光学滤波器可以被布置在从光投射单元I到样品单元3的光路上的任意位置处，并且例如移除了具有特定波长或波段的光的测量光可以被投射到样品单元3中。利用该配置，例如，在280nm周围呈现出最高强度的独立峰值的测量光(也即是说，具有高单色性的测量光)可以被投射到样品单元3中。
[0034]虽然在本实施例的吸收计中LED用作光源，但是可以使用具有更高亮度的超辐射发光二极管(SLD)、单色性更佳的激光二极管(LD)或其他这种二极管作为光源。
[0035]虽然在上述实施例中本发明应用于吸收计，但是显而易见，本发明也可以应用于用于将类似的测量光投射到样品单元3中并且测量从样品单元3中的样品获得的反射光、散射光、荧光和其他形式的光的装置。
[0036]应当注意的是，上述实施例及其变型仅是本发明的示例，并且在本发明的精神内对本发明适当进行的任何改变、修改或添加将自然落入本申请的权利要求的范围内。
[0037]附图标记列表
[0038]1...光投射单元
[0039]la...LED 芯片
[0040]2...聚焦/未聚焦光学部件[0041 ] 21,22...球透镜
[0042]3...样品单元
[0043]4...光电探测器
[0044]5...第二光电探测器
[0045]6...驱动电流控制单元
[0046]7...电流源
[0047]8...模数转换器
[0048]9...数据处理单元
[0049]A...聚焦光
[0050]B...未聚焦光。
【主权项】
1.一种光学分析仪，用于通过将光从光投射单元投射到目标样品中或样品上并且将响应于投射光从所述样品获得的光引入光电探测器来对所述样品进行分析，所述光投射单元包括作为光源的发光半导体器件，所述光学分析仪包括: a)光学部件，用于将接收的光聚焦到所述样品上而同时在所述接收的光的一部分没有被聚焦的情况下产生未聚焦光，所述光学部件布置在从所述光投射单元到所述样品的光路上； b)第二光电探测器，布置在所述光学部件产生的所述未聚焦光到达的位置处；以及 c)控制单元，用于基于所述第二光电探测器产生的强度信号来控制要供应给所述发光半导体器件的驱动电流，使得光量处于固定级别。2.根据权利要求1所述的光学分析仪，其中，所述光学部件包括彼此间隔开预定距离的多个透镜。3.根据权利要求1所述的光学分析仪，其中，所述光学部件包括球面透镜。
【文档编号】G01N21/01GK105866029SQ201610079436
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年2月4日
【发明人】长井悠佑, 小川佳祐, 渡边真人, 神宫句实子, 藤原理悟, 山崎智之
【申请人】株式会社岛津制作所