一种积分球装置和积分球系统的制作方法

本发明属于光学测试领域，具体是涉及到一种积分球装置和积分球系统。

背景技术：

现有的测试透射、反射率的方式是，制备样品后，将样品从溶液中取出，加载到测试仪上测试，存在将样品转移的过程，特别是在测试一些反应时间对样品透过率、反射率影响的试验中，需要先制备不同反应时间的样品，再进行测试。反应时间不同的同一系列样品需要制备多个，导致浪费样品制备时间和试剂成本。而且不同的样品之间可能存在试剂品质、用量和样品自身的差异，使实验的不确定性增加。

申请号为201310498479.1的发明专利公开了一种用于光学系统镜片透过率和反射率检测的新系统，其工作原理为，白光光源发出的光线进入单色仪中，出射的单色光谱经球面反射镜形成平行光，经过旋转反射镜分光调制，将连续光辐射分成两路交变光脉冲，一路作为参考光束，另一路作为测量光束，再经过聚光镜耦合注入光纤。两束光交替进入积分球，经探测器转换输出两路交替变化的交变电信号，此信号经过信号分拣、锁相放大、a/d转换处理后，最终得到被试品的白光或光谱的透过率和反射率。但是在该测试系统中，测试样品被放置在积分球内，这就限制了样品的状态，不便于测试液态样品。此外，该测试系统中不含有遮光配件，为了排除外界光的影响，需要在暗室中或者暗箱中使用，且该检测系统的积分球和探测器的数量均较多，会带来成本的上升。

此外，现有的积分球模块，例如日立uv4100分光光谱仪，在测试完透过率后，测试反射率之前需要打开机盖，将样品加载到积分球的另一个光口。由于两次测试中样品的固定方式和位置不一样，因此需要额外增加一次样品安装和调整配置时间，导致样品转移过程中，安装样品、调整配置耗时。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种设计简单，节约测试时间及成本，在反射率与透过率测试模式转换过程中可自动配置测试系统的积分球装置和积分球系统。

本发明提供的积分球装置，包括本体和标准白板ⅰ，本体内部设置有球形空腔，还包括设置在本体上的连通外界和球形空腔的输入孔、测试孔以及安装有输出光探测器的输出孔；

当积分球装置正常工作，输出孔处于最上端，测试孔处于最右端时，连接输入孔和球形空腔的球心的轴线和水平面的角度为5-80°，优选为10-30°。

本发明提供的积分球系统，包括光源装置、上述积分球装置、联动装置、样品架移动装置和输入光探测装置；

所述联动装置包括电机、和电机的传动轴连接的导轨ⅰ、固定在导轨ⅰ上的连接杆以及用于遮挡测试孔的遮光板，所述导轨ⅰ上设置有白板架ⅰ，白板架ⅰ上安装有标准白板ⅰ；所述传动轴通过水平轴或者涡轮传动带动导轨ⅰ移动，导轨ⅰ移动的同时，带动标准白板ⅰ和遮光板移动，这部分属于现有技术。所述遮光板优选设置在连接杆上。

当标准白板ⅰ不密封输入孔时，遮光板遮挡测试孔，光不能从外界穿过测试孔进入球形空腔；当标准白板ⅰ密封输入孔时，遮光板不遮挡测试孔，光从外界穿过测试孔进入球形空腔；标准白板ⅰ密封输入孔的意思是标准白板ⅰ位于输入孔位置时，标准白板ⅰ成为球形空腔的内壁的一部分。遮光板遮挡测试孔的意思是，光线被遮光板挡住，不能照射到测试孔。

本发明优选将遮光板和标准白板ⅰ的位置进行直接的联动，调整好标准白板ⅰ的移动进程以及遮光板的高度，可以很方便的实现上述目的。

所述样品架移动装置位于遮光板和测试孔之间，包括电机、和电机的传动轴连接的导轨ⅱ以及设置在导轨ⅱ上的白板架ⅱ和样品架，所述白板架ⅱ安装有标准白板ⅱ。

优选的，所述输入光探测装置包括半透半反镜以及检测透过半透半反镜的光线的输入光探测器，用于检测输入光的光强。

优选的，所述光源装置包括光源、半透半反镜和全反射镜，所述光源发出的光穿过半透半反镜后，分成两束光，两束光在全反射镜的作用下分别进入输入光探测装置和积分球装置，从而保证输入光探测装置检测到的光强就是进入积分球装置内的光的光强。

优选的，所述本体的外表面设置有供标准白板ⅰ滑动的平面，所述输入孔位于上述平面上。标准白板ⅰ位于标准白板架上，标准白板架可以有多种形状，比如外表面为球面，内侧为平面的形状，其和本体组合在一起正好构成球体，或者矩形，等等。所述平面上优选设置有供标准白板ⅰ滑动的凹槽。

当处于反射率测试模式时，标准白板ⅰ不遮挡输入孔，遮光板遮挡测试孔；当处于透过率测试模式时，标准白板ⅰ遮挡输入孔，遮光板不遮挡测试孔。

优选的，所述输入孔和测试孔的孔径为5～8mm。

优选的，所述本体的材料为铝、陶瓷或铜。

优选的，所述球形空腔的内壁上涂覆的材料为氧化镁或硫酸钡。

本发明还提供一种应用所述的积分球系统的测试方法，所述测试方法为测试待测样品的反射率，包括两个步骤，先进行背景测试，再进行样品测试：

a背景测试：启动电机，使标准白板ⅰ不遮挡输入孔，遮光板遮挡测试孔，标准白板ⅱ位于测试孔处，光源装置发出的光经过输入孔，从输出孔射出，计算得到背景参数b＝i1b/i2b，i1b、i2b分别为输出光探测器和输入光探测装置检测得到的光强；

b样品测试：样品架内放置样品，启动电机，使样品位于测试孔处，光源装置发出的光经过输入孔，从输出孔射出，计算得到样品的反射率r＝(i1/i2)/b＝(i1/i2)/(i1b/i2b)，i1、i2分别为输出光探测器和输入光探测装置检测得到的光强。

本发明还提供一种应用所述的积分球系统的测试方法，所述测试方法为测试待测样品的透过率，包括两个步骤，先进行背景测试，再进行样品测试：

a背景测试：样品架不放置样品，启动电机，使标准白板ⅰ位于输入孔处，遮光板不遮挡测试孔，样品架位于测试孔处，光源装置发出的光经过测试孔，从输出孔射出，计算得到背景参数b＝i1b/i2b，i1b、i2b分别为输出光探测器和输入光探测装置检测得到的光强；

b样品测试：样品架放置样品，启动电机，使样品位于测试孔处，光源装置发出的光经过测试孔，从输出孔射出，计算得到样品的透过率t＝(i1/i2)/b＝(i1/i2)/(i1b/i2b)，i1、i2分别为输出光探测器和输入光探测装置检测得到的光强。

本发明的有益效果是：

(1)通过设置联动装置和样品架移动装置，可在反射率测试模式和透过率测试模式之间自动快速的切换，无需重新安装样品和调整配置，节约测试时间及成本。

(2)通过设置联动装置和样品架移动装置，可使整个装置模块化，方便光路搭建。

(3)通过设有斜输入孔的积分球，使得转换测试模式时无需调整样品的角度，节约测试时间。

(4)联动装置将导轨ⅰ和遮光板连接起来，使遮光板与标准白板ⅰ的动作一致，整个联动装置一体化，可以减少电机数量，设计巧妙合理。

(5)标准白板ⅰ和标准白板ⅱ均为与积分球装置本体匹配的弧形，弧形面的内壁材质与积分球装置本体的内壁材质相同，标准白板架ⅰ和标准白板架ⅱ的材质与积分球装置的基底材料材质相同，弧形面内壁与本体内壁构成完整的球面，这样的结构设计可使在透过率测试模式时，本体内部光线分布更加均匀，有助于提高测试的准确度。

(6)本发明中连接输入孔和球形空腔的球心的轴线和水平面的角度为5-80°，优选为10-30°，与角度为0°时相比，由于角度为0°相当于光线垂直入射到样品表面，部分光线会沿着原路返回，导致反射率的测试结果有偏差，特别是对于镜面反射率较高的样品，这种偏差将会相当大，因此测试反射率时，需要光线以一定的角度斜入射到样品表面，而本发明中的积分球已经自带斜入射孔，因此在搭建测试光路或安放样品时，不用采取另外的措施，实现了装置的最优化，节约人力资源。

附图说明

图1为本发明的积分球系统的结构示意图。

图2为本发明的本体的剖视图。

图3为本发明的输入孔的结构示意图。

图4为本发明的本体与标准白板ⅰ的结构示意图。

图5为本发明的本体与标准白板ⅰ的结构示意图。

图6为本发明的积分球系统的外壳的结构示意图。

图7为本发明在反射率的背景测试模式下的结构示意图。

图8为本发明在反射率的样品测试模式下的结构示意图。

图9为本发明在透过率的背景测试模式下的结构示意图。

图10为本发明在透过率的样品测试模式下的结构示意图。

图11为本发明的光源装置的结构示意图。

图12为本发明的积分球装置的一种立体结构图。

图13为图12的横截面剖视结构示意图。

图14为本发明的积分球装置的另一种立体结构示意图。

图15为图14的竖截面剖视结构示意图。

在图中，1入光口ⅰ、2反射镜、3电机、4本体、41输入孔、42测试孔、43输出孔、5输出光探测器、6联动装置、61连接杆、62导轨ⅰ、63白板架ⅰ、631标准白板ⅰ、7样品架移动装置、71导轨ⅱ、72白板架ⅱ、721标准白板ⅱ、73样品架、8半透半反镜、9输入光探测器、10入光口ⅱ、11待测样品插入口、12光源。

具体实施方式

下面结合附图1-15对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，本发明提供的积分球系统，包括光源装置、积分球装置、联动装置6、样品架移动装置7和输入光探测装置；

包括本体4，本体4内部设置有球形空腔，还包括设置在本体4上的连通外界和球形空腔的输入孔41、设置有样品的测试孔42以及安装有输出光探测器5的输出孔43；

当积分球装置正常工作，输出孔43处于最上端，测试孔42处于最右端时，连接输入孔41和球形空腔的球心的轴线和水平面的角度为5-80°，优选为10-30°。积分球装置的截面剖视示意图见图2和图3。

所述联动装置6包括电机3、和电机3的传动轴连接的导轨ⅰ62、固定在导轨ⅰ62上的连接杆61以及固定在连接杆61上的用于遮挡测试孔42的遮光板65，所述导轨ⅰ62上设置有白板架ⅰ63，白板架ⅰ63上安装有标准白板ⅰ631；

所述样品架移动装置7位于遮光板65和测试孔42之间，包括电机3、和电机3的传动轴连接的导轨ⅱ71以及设置在导轨ⅱ71上的白板架ⅱ72和样品架73，所述白板架ⅱ72安装有标准白板ⅱ721。

所述标准白板ⅰ631和标准白板ⅱ721均为与积分球装置本体4匹配的弧形，弧形面的内壁材质与积分球装置本体4的内壁材质相同，标准白板架ⅰ和标准白板架ⅱ的材质与积分球装置的基底材料材质相同，弧形面内壁与本体4内壁构成完整的球面，这样的结构设计可使在透过率测试模式时，本体4内部光线分布更加均匀，有助于提高测试的准确度，见图4和图5。

所述输入光探测装置包括半透半反镜8以及检测透过半透半反镜8的光线的输入光探测器9。

所述光源装置包括光源、半透半反镜和全反射镜，所述光源发出的光穿过半透半反镜后，分成两束光，两束光在全反射镜的作用下分别进入输入光探测装置和输入孔41。

所述本体4的外表面设置有供标准白板ⅰ631滑动的平面，所述输入孔41位于上述平面上，所述平面上设置有供标准白板ⅰ631滑动的凹槽。

当积分球装置正常工作，输出孔43处于最上端，测试孔42处于最右端时，输入孔41位于积分球装置的左半部分且不正对测试孔，连接输入孔41和球形空腔的球心的轴线与连接测试孔42和球形空腔的球心的轴线之间的夹角为5-80°，优选为10-30°。

优选的，输入孔41、测试孔42与球形空腔的球心构成的面为水平面，具体结构示意图见图12和图13；或者输入孔41、测试孔42与球形空腔的球心构成的面为垂直于水平面的竖直面，具体结构示意图见图14和图15。

当处于反射率测试模式时，标准白板ⅰ631不遮挡输入孔41，遮光板65遮挡测试孔42，此时光可以从输入孔41进入积分球装置的球形空腔，但是透过半透半反镜8的光被遮光板65遮挡，不能通过测试孔42进入积分球装置的球形空腔；当处于透过率测试模式时，标准白板ⅰ631遮挡输入孔41，遮光板65不遮挡测试孔42，此时光不能通过输入孔41进入积分球装置的球形空腔，透过半透半反镜8的光可以通过测试孔42进入积分球装置的球形空腔。

本发明还包括控制器，其可以为单片机或者cpu，人为或者在控制器的控制下，电机3开启或关闭，使在各种不同的测试模式下，标准白板ⅰ631、遮光板65、标准白板ⅱ721和样品处于合适的位置，进行测试样品的反射率或透过率。

所述输入孔41和测试孔42的孔径为5～8mm，避免开口过大时光从输入孔41和测试孔42漏出，同时避免开口过小时影响光的输入，从而进一步影响测试结果的准确性。

所述本体4的材料为铝、陶瓷或铜。

所述球形空腔的内壁上涂覆的材料为氧化镁或硫酸钡。

还包括外壳，外壳上设有对应样品架移动装置7的待测样品插入口11，通过此处将待测的样品放入样品架73上。

如图7-10所示，本发明还提供一种应用所述的积分球系统的测试方法，所述测试方法为测试待测样品的反射率，见图7和图8，包括两个步骤，先进行背景测试，再进行样品测试：

a背景测试：启动电机3，使标准白板ⅰ631不遮挡输入孔41，遮光板65遮挡测试孔42，标准白板ⅱ721位于测试孔42处，光源装置发出的光经过输入孔41进入积分球装置的本体4，从输出孔43射出，输出光探测器5检测到的光强记录为i1b；同时遮光板65阻止透过半透半反镜8的光通过测试孔42进入积分球装置的本体4，输入光探测装置检测得到的光强记录为i2b；计算得到背景参数b＝i1b/i2b；

b样品测试：样品架73内放置样品，启动电机3，使样品位于测试孔42处，光源装置发出的光经过输入孔41进入积分球装置的本体4，从输出孔43射出，输出光探测器5检测到的光强记录为i1；输入光探测装置检测得到的光强记录为i2b；计算得到样品的反射率r＝(i1/i2)/b＝(i1/i2)/(i1b/i2b)。

本发明还提供一种应用所述的积分球系统的测试方法，所述测试方法为测试待测样品的透过率，如图9和图10所示，包括两个步骤，先进行背景测试，再进行样品测试：

a背景测试：样品架73不放置样品，启动电机3，使标准白板ⅰ631位于输入孔41处，遮光板65不遮挡测试孔42，此时光源装置发出的光不能经过输入孔41进入积分球装置的本体4，样品架73位于测试孔42处，光源装置发出的光经过测试孔42进入积分球装置的本体4，从输出孔43射出，输出光探测器5、输入光探测装置检测到的光强分别记录为i1b、i2b；计算得到背景参数b＝i1b/i2b；

b样品测试：样品架73放置样品，启动电机3，使样品位于测试孔42处，光源装置发出的光经过测试孔42进入积分球装置的本体4，从输出孔43射出，计算得到样品的透过率t＝(i1/i2)/b＝(i1/i2)/(i1b/i2b)，i1、i2分别为输出光探测器5和输入光探测装置检测得到的光强。

如图11所示，同一束光经过半透半反镜8后，化为两束，分别在反射镜2的作用下，从入光口ⅰ1和入光口ⅱ10进入本发明的积分球系统，进行测试。本发明只需要启动或关闭电机3，以及适时的插入或取出样品，大大简化了样品的透过率或反射率的测试流程和装置，减少了装置的摆动幅度，减少了人为操作失误的可能性，提高了测试数据的准确性，大大缩短了检测时间。