技术领域
本发明涉及一种医疗检验分析仪器的光路系统，特别是涉及微型单色器作为医疗检验分析仪器分光系统的医疗检验分析仪器。
技术背景
光学分析法作为临床医疗检验分析中最常用的检测手段之一，其中光电比色法和分光光度法最为突出，已经广泛应用于多种医学分析仪器中，如生化分析仪，酶标仪，酶免，血凝，及药敏设备。比色法和分光光度法是基于不同分子结构的特质对电磁辐射的选择性吸收而建立起来的分析方法。这种分析方法实现前提就是如何产生所需的辐射波长，也即单色光。产生单色光的方法有多种多样，依据不同精度要求和应用场合，目前实现技术有：1ed单色光源，干涉滤光片分光技术，棱镜分光技术和光栅分光技术，其中干涉滤光片分光技术和光栅分光技术所能实现单色光的精度较高，即光谱带宽都能小于12nm，因此这两种技术完全满足临床检验仪器的要求。在临床检验仪器，如生化分析仪和酶标分析仪，大多数使用干涉滤光片分光技术产生单色波长。这种光路结构简单，适合各种小型检验分析仪器。但其有缺点，干涉滤光片寿命短，需要经常更换。另外，单色光波长个数有限，一个滤光片对应一个波长，大多情况只能装配8个滤光片，最多12个滤光片。对于特殊波长需要的场合来说，则需增配相应波长。而采用光栅分光技术的分光系统，一般称为单色器，则可以实现波长连续可调，即在使用光谱范围内，可实现1nm步进的波长选择。另外单色器是密闭型的，不易受潮，寿命在2年以上。
光栅分光技术作为一种日渐成熟技术，已经广泛应用到大型高精密分光光度计，但在常规医疗检验设备的应用相对较少。在最近几年，设计人员才开始考虑把该技术应用到常规医疗检验仪器。在分光光度计上，经常能见过Cerny-Turner光路结构，Fastie-Ebert光路结构两种光路结构。Cerny-Turner光路结构是通过两片独立的凹面反射镜来准直和聚焦光束。而在Fastie-Ebert光路结构里，则是把这两片凹面反射镜合成一片，同时起到准直和聚焦功能。Cerny-Turner光路结构适合对波长准确性和像差要求严格的场合。而Fastie-Ebert光路结构也可用在波长准确性较高的场合，但其像差较大。对于常规临床检验仪器来说，可允许波长带宽小于12nm，且可允许较大的像差，因此Fastie-Ebert光路结构比较适合于小型仪器，如生化分析仪。
在国内市场上，已有少数几个生产临床检验仪器的厂家使用光栅分光的光路结构。为了缩小光路结构和简化光路系统，他们采用凹面反射光栅，但因为凹面反射光栅刻线密度偏小，普遍在1200L/mm下，又因为要求光谱带宽小于12nm，因此与1200L/mm的刻线密度配合的焦距必需在90mm以上，因此最终实现的光路结构尺寸较大，导致最后仪器造型偏大。另外，在凹面反射光栅的制作上不合格率较高，导致凹面光栅成本较高。采用平面反射光栅实现分光则是较常见的光栅分光方式，它需要凹面反射镜配合。在制作工艺上也相对简单，通过率较高。
对于波长连续可调的光栅分光方式，根据光栅方程，
2sin(α+β2)cos(Dv2)=1016*Knλ]]>
需要采用正弦机构实现上述方程的正弦变化。所谓正弦变化就是实现波长与光栅转角的正弦变化，一般采用精密的传动机械结构实现此功能。但在实现方式，各有差异。大多数是增加结构，对丝杆螺母进行水平面上的限位，以保证丝杆螺母运动平稳，另外，对精密传动机构的原点位置探测，也是相差较大。在本发明中，则是利用现有的结构实现丝杆螺母的水平面上限位。另外，在一些光路系统中，通过探测丝杆螺母的原点位置和外部步进电机来保证波长准确性，而本发明则是对光栅转台和步进电机的原点探测来保证波长准确性，提高探测的可信度。
单色器的调试是相当烦琐的，包括各个镜片光斑的调试，波长准确性的调试和原点位置的调试。每一步调试都需要相关工装才能完成，而且要求调试人员具有一定专业技能。随着对采用光栅分光的临床检验仪器的需要不断增加，要求调试人员在规定时间完成一定数量光路调试。因此在整个光路系统设计上，包括微型单色器的结构设计，需要充分考虑如何减少调试工作量和提高调试速度。
为了克服现有技术的不足，在本发明中，采用模块化和组件形式设计整套光路系统，即整套光路系统分成几个模块，在模块里采用组件形式设计，方便调试人员装配与调试。
技术实现要素：
本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：本发明包含有辐射连续光谱的光源模块、用于消杂光和二级衍射光谱的滤色模块、波长连续可调的微型单色器、恒温槽模块、光电接收模块，其特征在于所述光源模块射出复合光，经过所述滤色模块，滤掉不相关的光谱，聚焦到所述微型单色器的入缝，从所述微型单色器的出缝射出所需要的单色光，单色光经过所述恒温槽模块进行比色，最后由所述光电接收模块接收。
本发明所述微型单色器实现光路系统的分光，所述微型单色器光路结构中，采用Fastie-Ebert光路结构，所述Fastie-Ebert光路结构需含有一个平面反射光栅和一个外形尺寸相对较大的球面反射镜。所述微型单色器含有球面反射镜、反射光栅、两片平面反射镜和一组驱动反射光栅旋转的精密传动机构，其中两片所述平面反射镜的作用是改变光线方向，优化所述光路结构布局。所述微型单色器的精密传动机构中，采用步进电机、精密丝杆，特殊滑块、特殊正弦臂，拉伸弹簧和光栅转台，实现所述步进电机的转角与所需要单色波长的正比关系。在所述微型单色器中，采用双光耦原点探测方式，探测光栅转台和外部步进电机的原点位置，提高微型单色器的波长准确性和重复性。在微型单色器内部，装配一个传感器探测光栅转台的原点位置，而不是丝杆螺母的原点位置，进行粗糙探测所述精密传动机构的原点位置。紧接着在微型单色器外部增加一个传感器，通过探测步进电机的转角，进行精确探测传动机构的原点位置。由内外部传感器配合探测，提高微型单色器的波长准确。因为微型单色器是封闭式，内部传感器不易受外界人为影响而发生位置偏移，从而引起波长偏差。另外内部传感器本身具有一定的准确性，因此只需配合特殊软件控制，可通过内部传感器来调试外部传感器的位置，即方便外部传感器的调试。因此本发明的微型单色器与现有技术相比，具有精度高、可靠性强、维护性好等特点。
本发明所述滑块具有一个φ6.0mm孔的特征；所述正弦臂是一个前端带有φ6.0mm球状体特征的螺纹杠。要求所述φ6.0mm孔与所述φ6.0mm球状体间隙配合，配合间隙不大于0.1mm。所述正弦臂旋入光栅转台，可通过所述正弦臂旋入所述光栅转台的深度，来调节所述微型单色器的波长准确性。所述光栅转台的旋转可通过标准钢球或者轴承来完成。
本发明在所述光源模块中，含有光源微调机械结构、聚焦透镜、一个辐射连续光谱的光源和斩光器。所述光源微调机械结构可用于微调所述光源在光路中的位置，确保所述光源的辐射出的能量最大可能通过所述聚焦透镜聚焦于所述微型单色器的入缝。
本发明所述滤色模块需包含滤色玻璃选择机构和有色玻璃。所述滤色玻璃选择机构含有电磁铁和用于装配有色玻璃的座子，通过控制所述电磁铁的开与关两种状态，把正确的有色玻璃置于光路之中，以消除杂光或二级衍射光谱的影响。所述有色玻璃中，选择紫外透过可见吸收玻璃，青蓝色玻璃和金黄色玻璃等三种有色玻璃，用于消除杂光、二级衍射光的影响和平衡光谱区域里的波长间光能量。
本发明所述恒温槽模块用于装配样品比色皿和保持样品恒定温度。比色皿可包含流动比色池和比色杯。所述恒温槽模块里，采用两个φ3.0mm小钢球，当插拔所述比色皿时，起到阻尼效果，可防止测试时出现所述比色皿松动。
本发明与现有技术相比具有采用模块化和组件形式设计整套光路系统，即整套光路系统分成几个模块，在模块里采用组件形式设计，方便调试人员装配与调试等优点。
附图简要说明
图1是本发明的光路系统图，图中分成5个模块
图2是本发明的光源模块图，
图3是本发明的滤色模块图
图4是本发明的微型单色器爆炸图
图5是本发明的微型单色器内部示意图
图6是本发明的微型单色器光学原理图
图7是本发明的丝杆组件示意图
图8是本发明的光栅转台组件示意图
图9是本发明的微型单色器与外围零件装配关系图
图10是本发明的恒温槽模块图
图11是本发明的恒温槽
具体实施方式
下面将结合图型详细描述本发明。
本发明是一种新颖的、采用了微型单色器实现分光的临床检验分析仪器光路系统。其包含光源模块1，滤色模块2，微型单色器3，恒温槽模块4和接收模块5。如图1所示，光源模块1射出一束复合光，此复合光经过光源模块1里的斩光器调制成规律性快速连续通断的光束，此光束经过滤色模块2，滤掉不相关的光谱，成为一束光谱范围较窄的复合光，最后聚焦到微型单色器3的入缝。微型单色器3的分光系统结构采用了Fastie-Ebert光路结构。进入单色器的复合光，经过分光系统，最后从微型单色器3的出缝射出所需要的单色光。单色光经过恒温槽模块4进行比色，最后由光电接收模块5接收。下面将更详细描述各模块的组成和功能。
如图2所示，光源模块1包含灯泡6，直流微电机7，斩光器8，聚光镜9，光源座10，压缩弹簧11，灯座调节螺母12和光源固定板13。灯泡6向四周辐射连续光谱。一部分连续光谱经过聚光镜9聚焦成一束汇聚光束。斩光器位于聚光镜后面，将对这束汇聚光束进行调制，调制成一束连续快速通断的光束。这一束光束最终汇聚到微型单色器3的入缝处。在图2中，光源座10上的导轨，可以保证光源座10在光源固定板13上小范围水平方向自由移动。通过压缩弹簧11和灯座调节螺母12微调光源座的位置，可以让灯泡6的灯丝位于聚光镜9的光轴，从而让尽可能多的光能量进入微型单色器3。
由于光栅分光自身因素，例如存在二级衍射光谱影响和背景光程度很难达到10-6，因此在本发明中增加了滤色模块2，一是消除在近紫外波段下可见光的影响，二是消除二级衍射光谱的影响，三是一定程度上平衡单色波长间的光能量。在图3中，滤色模块包含了电磁铁14，紫外透过可见吸收玻璃15，滤色玻璃座16，金黄色玻璃17和青蓝色玻璃18.金黄色玻璃17和青蓝色玻璃18叠加装配滤色玻璃座16里。通过对电磁铁14通断控制，可自由选择紫外透过可见吸收玻璃15或金黄色玻璃17与青蓝色玻璃18置于光路之中。滤色玻璃座16紧贴着微型单色器3。
微型单色器作为本发明的核心部件，是一个袖珍型的、具有精密传动机构的光学仪器。为了方便描述，我们将微型单色器3分成：丝杆组件19，左侧板组件20，光栅转台组件21和右侧板组件22，如图4微型单色器的爆炸图所示。如图5微型单色器的内部示意图所示，当旋转丝杆23，将带动滑块24水平移动。由于正弦臂25的球形端与滑块24的φ6.0mm孔接触配合，滑块24的水平移动将带动正弦臂25的球形端在φ6.0mm内槽滑动，从而推动光栅转台组件21旋转，实现滑块移动距离与光栅旋转角度的正弦变化。根据光栅方程，
2sin(α+β2)cos(Dv2)=1016*Knλ]]>
单色波长λ与光栅旋转角度(α+β)成正弦关系，因此通过步进电机44控制丝杆，而带动光栅转台的旋转，就能得到所需要的目标波长。基于光栅方程，本发明采用了Fastie-Ebert光路结构，如图6所示。来自光源模块1的复合光聚焦到入缝26，经过平面反射镜27反射，射到球面反射镜28.此时球面反射镜28将入射光束改变行进方向，并准直射向平面反射光栅29。通过控制丝杆23旋转，让平面反射光栅29处在特定角度(α+β)，则在β方向上衍射出特定单色波长。特定单色波长平行射向球面反射镜28的另半部分，再经过平面反射镜27，最终从出缝30射出微型单色器3。
上述粗略介绍微型单色器3的工作原理，接下来将详细介绍微型单色器3的实现方式，即驱动平面反射光栅29旋转的精密传动机构。它是本发明的一大亮点。在本发明的精密传动机构中，采用精密丝杆、特殊的滑块、特殊的正弦臂和光栅转台，来驱动平面反射光栅29旋转。如图7所示，丝杆组件19的示意图。特殊滑块24是一个特殊的结构，钻一个φ6.0mm的孔，用于与正弦臂25配合。滑块24锁紧于丝杆23的螺母上，右限位器31和左限位器32起到了限制丝杆23的螺母移动范围，防止破坏光栅转台组件21。丝杆组件19装配于左侧板组件20和右侧板组件22。通过微小调节丝杆调节座39的位置，可保持丝杆组件19的同心度，同时也方便丝杆组件19的拆装。
如图8光栅转台组件21的示意图。光栅转台34的上下分别装配较小轴承37和较大轴承33；平面反射光栅29粘贴于光栅转台34；正弦臂25旋入光栅转台34；两个锁紧螺母36中间有一个弹簧座。正弦臂25一端为球形体，该球体与滑块24配合。正弦臂25的φ6.0mm球体与滑块24的φ6.0mm的孔配合，配合间隙小于0.1mm。通过拉伸弹簧46拉住正弦臂25另一端，让正弦臂25的球体紧贴滑块24的孔内壁，当丝杆向相反方向旋转，正弦臂25的球体始终紧贴于滑块24的内臂，从而不产生回向间隙而影响波长准确性。
另外在光栅转台上装配一个扇形片35，用于标记光栅转台的起始位置，即精密传动机构的原点位置。装配于右侧板组件22里的位置传感器40探测扇形片35的位置，即原点位置。由于平面反射光栅29的色散角约为0.07°/nm，即14.3nm/1°，因此如果要满足±2nm波长准确性，则位置传感器40探测扇形片35的角度精度需在±0.14°里，但对普通的传感器，即光电耦合器，很难实现此精度。为了提高原点位置的探测精度，在单色器外部再安置一个传感器。如图9所示，在联轴器43上装配一个同步轮42，同步轮42的圆盘上开一个宽1mm的通光槽。同时在固定步进电机44的侧板45上装配角度传感器41，通过角度传感器41探测同步轮42的通光槽。同步轮42的通光槽1mm宽度，对应丝杆23的旋转精度±3°。由于丝杆23旋转一周，微型单色器3产生的波长约46nm，经换算同步轮42旋转1°产生0.128nm。因此通过角度传感器41探测，将能达到±0.4nm的探测精度。此精度完成满足临床检验仪器要求，即波长精度±2nm，重复性小于1.5nm。总之，微型单色器3的内部位置传感器40粗糙探测原点位置，精度误差控制在±4nm内，然后再通过微型单色器3外部角度传感器41精确探测，将精度误差从±4nm缩小到±0.4nm。
图10是恒温槽模块4的装配图，包含风扇47，散热器48，帕尔帖49，恒温槽50，恒温槽盖棉51，保温棉52和温度传感器53。帕尔帖49装配于恒温槽50和散热器48之间。通过帕尔帖49和温度传感器53的控制对恒温槽50进行制热或制冷恒定稳定控制。散热器48和风扇47则是把多余的热量散出去。在恒温槽50内部装配有两个φ3.0mm滚珠55，起到阻尼效果。恒温槽50的左右两边的通过孔为锥形形状，通光孔径φ2.5mm。
另外在恒温槽模块装配一个接收模块安装座54，用于装配接收模块5。
接收模块5里的光电接收器件采用紫外增强型硅光二极管，光谱响应范围190～900nm。