用于光谱检测的复眼仿生微透镜光源的制作方法

本发明涉及微弱光谱信号检测领域，尤其涉及一种用于光谱检测的复眼仿生微透镜光源。

背景技术：

近红外光谱检测技术广泛的应用于农业、工业、食品和环境检测等领域。随着光谱仪便携性、检测范围及检测精度要求的提高，设计一种能够有效提高信息光接收功率，改善成像质量且结构小巧的集成光源成为光谱仪检测领域最佳配件的发展趋势。目前，大多数光谱仪采用“Y”型光纤探头连接分光系统的方式，采集检测物的反射光信息；市面上售卖的“Y”型光纤探头长度多为2m，经过光纤的光功率衰减大；光源额定功率高，发热多，功耗大；探测端面积仅25mm²，可探测面积小，接收检测物信息不全面；探头在使用过程中需固定其位置，不适于多变的检测环境；为了提高光功率，“Y”型光纤探头使用多根光纤合成光纤束，存在多次耦合大损耗问题；而且探头价格昂贵，局限性大，不利于提高光谱仪的光能利用率、检测精度和便携度。

技术实现要素：

本发明的目的就在于克服现有光信息传输及耦合过程中产生的光功率衰减，探头低探测能力，光谱仪使用环境条件苛刻，操作过程严苛复杂等问题，提供一种用于光谱检测的复眼仿生微透镜光源。

本发明的目的是这样实现的：

具体地说，本光源包括卤钨灯、复眼仿生微透镜、连接器、驱动电路、光源外壳、保护盖和螺纹柱；

其位置和连接关系是：

复眼仿生微透镜设置于光源外壳5的前中部；

2个卤钨灯呈25～35°分布在复眼仿生微透镜的两侧；

在光源外壳内设置有螺纹柱用于固定驱动电路；

驱动电路和卤钨灯连接；

连接器啮合在光源外壳尾端，保护盖啮合在光源外壳前端；

其光路是：两个卤钨灯以固定夹角发出的光照射到检测物上，复眼仿生微透镜用于聚焦检测物反射的信息光，增加光通量

本发明具有下列优点和积极效果：

1、本光源的卤钨灯的功率为2～5W/个，2个共4W就可达到普通光谱仪独立光源10W以上的探测需求，且使用的卤钨灯，个数少，光色低，所以发热少，无需散热模块；

2、不接入光纤，使用连接器直接连接光谱仪，无需添加光纤耦合光路，降低了耦合损耗，减小了光源体积，还降低了成本；

3、增加了复眼仿生微透镜，减少入射杂散光，增加检测物信息光通量，提高了能量利用率；

4、设计了驱动电路，使2个卤钨灯正常稳定工作，降低了复杂度；

5、整个光源外壳结构紧凑简单，可贴近被测物表面进行检测，防止操作不当产生的光谱误差。

总之，本发明将光源直接与光谱仪连接，并增加复眼仿生微透镜等光学器件，实现了减少信息光功率衰减、降低光源复杂度、增大探测面积、获取更加全面的光谱信息和提高近红外光谱仪的便携度，从而有利于近红外光谱检测、减小近红外光谱仪器的体积和降低仪器的开发成本。

附图说明

图1为本光源的结构框图；

图2为本光源的结构爆炸图；

图3为复眼仿生微透镜的结构示意图；

图4为连接器的结构示意图；

图5为驱动电路原理图；

图6为本发明的结构外观图。

图中：

1—卤钨灯；

2—复眼仿生微透镜，

2.1—基底透镜，2.2—子眼透镜；

3—连接器；

4—驱动电路，

4.1—可调升压电路，4.2—可调降压稳压电路；

5—光源外壳；

6—保护盖；

7—螺纹柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、光源

1、总体

如图1、2、3、4、5、6，本光源包括卤钨灯1、复眼仿生微透镜2、连接器3、驱动电路4、光源外壳5、保护盖6和螺纹柱7；

其位置和连接关系是：

复眼仿生微透镜2设置于光源外壳5的前中部；

2个卤钨灯1呈25～35°分布在复眼仿生微透镜2的两侧；

在光源外壳5内设置有螺纹柱7用于固定驱动电路4；

驱动电路4和卤钨灯1连接；

连接器3啮合在光源外壳尾端，保护盖6啮合在光源外壳前端。

其光路是：两个卤钨灯1以固定夹角发出的光照射到检测物上，复眼仿生微透镜2用于聚焦检测物反射的信息光，增加光通量。

工作机理：

驱动电路4为2个卤钨灯1供电，使其发光；复眼仿生微透镜2用于聚焦检测物反射的信息光，增加光通量；连接器3用于连接本光源和光谱仪，减小光谱仪体积；光源外壳5用于封装所有光源器件；保护盖6用于保护卤钨灯1和复眼仿生微透2，使其免受灰尘污染；螺纹柱7用于固定驱动电路4。

2、功能部件

1)卤钨灯1

卤钨灯1是一种常用照明灯泡，外购件，功率为2W，用作光源。

两卤钨灯1按照25～35°分布在复眼仿生微透镜2的两侧，使光能集中照射于前方焦点，增强光照度。

2)复眼仿生微透镜2

如图3，复眼仿生微透镜2是一种多结构的聚焦透镜，包括基底透镜2.1和子眼透镜2.2；在基底透镜2.1上设置有整齐排列的若干(个数不同会影响光功率大小)子眼透镜2.2。

其功能是用于聚焦检测物反射光。

*基底透镜2.1是一种圆形透镜；其曲率半径为10.5mm，中心子眼焦距为10mm，材料为BK7光学玻璃；

*子眼透镜2.2是一种圆形透镜、正四边形透镜或正六边形透镜。

圆形透镜直径为1.3mm，中心厚度为1.1mm；

正四边形透镜和正六边形透镜的直径相同，圆形内接正四边形或正六边形状(形状不同对于光功率的增强效果不同)，材料为BK7光学玻璃。

3)连接器3

如图4，连接器3是一种通用的连接光纤接口的器件，用于连接光谱仪。

4)驱动电路4

如图5，驱动电路4由可调升压电路4.1和可调降压稳压电路4.2两部分组成；驱动电路5输出为12V/0.34A，输出功率为2个卤钨灯1的额定功率4.08W。

其连接关系是：

光谱仪的输入电源电压经过可调升压电路4.1升压后再与降压稳压电路4.2连接，得到适当稳定的电压为光源供电。

(1)可调升压电路4.1

可调升压电路4.1由升压型稳压型芯片LM2557T-ADJ U1，肖特基二极管IN5821D1，第3、5、7电阻R3、R5、R7和第5、6、7电容C5、C6、C7组成；

芯片U1的4脚、电感L1和芯片U1的5脚形成反馈电路，芯片U1的1脚、第5电阻R5和第7电容C7组成输入比较电压电路。

(2)降压稳压电路4.2

降压稳压电路4.2由低压差线性稳压器TPS73801U2，电容C1、C2、C3、C4和电阻R1组成；

第1、2、3、4电容C1、C2、C3、C4为滤波电路，第1、2电阻R1、R2为可调降压分压输出电路。

5)光源外壳5

光源外壳5是一种金属外壳，用于封装卤钨灯1和复眼仿生微透镜2等器件，且便于拿持。

6)保护盖6

保护盖6是一种金属盖子，用于保护卤钨灯1及复眼仿生微透镜2，使其免受灰尘污染。

7)螺纹柱7

如图2，螺纹柱7是一种金属柱体，用于固定简单驱动电路4。

三、工艺设计

整体用料为6061-T6铝合金，氧化发黑处理防止再度氧化，保护铝合金内部金属。

卤钨灯1直径为10.6mm，功率2W，额定电压12V，分布在复眼仿生微透两侧，与其呈30°角是为了使光照更集中，增强光能利用率。

如图6，本光源全部设计由SolidWorks2014完成，按照GB/T1804-2000m等级标注，表面粗糙度为1.6，表面滚花。