光谱仪的制作方法

光谱仪
【技术领域】
1.本发明是有关于一种光学装置，且特别是有关于一种光谱仪。


背景技术：

2.一般而言，光谱仪的取样模块包括至少一个灯泡及收光镜片，其中灯泡将光线投向待侧样品，光线进入待侧样品后经由漫反射反向经过收光透镜，最后进入光谱仪取得样品的光谱信息。
3.然而，已知的取样模块经由漫反射后的收光效率差，通常经由增加灯泡的瓦数或是增加灯泡的数量以加强光源的强度，达到增加收光效率，但增加光源强度或增加灯泡会增加系统电源的负荷且增加耗电量，同时增加热能，造成测量上误差。
4.另有一种取样模块是采用具有反射灯杯的灯泡来增加照射于待测物的光强度，但使用包含反射灯杯的灯泡体积过大，对于反射式模块的设计造成体积上的冲突，不利于手持式光谱仪的应用。此外，灯泡的配置也较难集中，每一个灯泡的距离增加，灯泡到待测物体平面的距离也增加，虽然反射灯杯可以增加出光效率，但随着灯泡到待测物体平面的距离增加，光程变长，收光效率也跟着减少，并且有更严重的杂散光会影响光谱质量。


技术实现要素：

5.本发明提供一种光谱仪，其可达到高的光谱质量，且能够具有较小的体积。
6.本发明的一实施例提出一种光谱仪，用于测量待测物的光谱，光谱仪包括光谱仪主体及取样模块。光谱仪主体具有入光口，取样模块配置于光谱仪主体上。取样模块包括光源固定座及至少一光源。光源固定座具有至少一杯状反射曲面。光源设置于光源固定座上，且杯状反射曲面环绕光源。光源所发出的照明光被杯状反射曲面反射与会聚而传递至待测物，待测物将照明光漫反射成待测光，待测光经由入光口进入光谱仪主体而被光谱仪主体测量。
7.本发明的一实施例提出一种取样模块，用于收集待测物的光谱。取样模块包括：光源固定座与至少一光源，光源固定座具有至少一杯状反射曲面。至少一光源，设置于光源固定座上，其中杯状反射曲面环绕光源，光源所发出的照明光被杯状反射曲面反射与会聚而传递至待测物，待测物将照明光漫反射成待测光，待测光传递回取样模块。
8.本发明的一实施例提出一种光谱仪，用于测量待测物的光谱。光谱仪包括：光谱仪主体以及取样模块。光谱仪主体，具有入光口。取样模块，配置于光谱仪主体上。取样模块包括：多个透镜，设于待测物与光谱仪主体的入光口之间。外部光传递至待测物而形成待测光，待测光依序经由多个透镜及入光口进入光谱仪主体而被光谱仪主体测量。
9.在本发明的实施例的光谱仪中，由于取样模块的光源固定座具有杯状反射曲面，以将光源所发出的光集中于待测物上，因此可提升进入光谱仪主体的待测光的强度，进而提升光谱质量。此外，由于杯状反射曲面是光源固定座的表面，因此无需采用含有灯杯的灯泡，如此既可减少使用的灯泡的成本，又可缩小取样模块的体积，进而缩小光谱仪的体积。
此外，由于光谱仪的体积可以较小，使得光程较短，因此光效率与光谱质量都可以提升。
【附图说明】
10.图1为本发明的一实施例的光谱仪的剖视示意图。
11.图2为图1的光谱仪的部分取样模块的正视图。
12.图3本发明的另一实施例的光谱仪的部分元件光路示意图。
13.图4与图5分别图示了两种将图1的光谱仪中的光源固定座拆离的使用情境。
14.图6为采用图1的光谱仪与采用不含杯状反射曲面的光谱仪所收集到的待测光的光强度比较图。
15.【符号说明】
16.50:待测物
17.52:待测光
18.60:外部光
19.100:光谱仪
20.200:光谱仪主体
21.230:入光口
22.300:取样模块
23.310:光源固定座
24.312:第一开口
25.314:第二开口
26.316:杯状反射曲面
27.318:环状延伸反射面
28.319:外表面
29.320:光源
30.321:照明光
31.322、420、420a:透镜
32.330:遮光片
33.332:通光孔
34.400:镜头模块
35.410:镜筒
36.422、422a:第一透镜
37.424、424a:第二透镜
38.426:第三透镜
39.430:通光开孔
40.a1、a2:光轴
41.d1、d2、d3:直径
42.s1:出光截面
43.s2:收束口。
【具体实施方式】
44.图1为本发明的一实施例的光谱仪的剖视示意图，而图2为图1的光谱仪的部分取样模块的正视图。请参照图1与图2，本实施例的光谱仪100用于测量待测物50的光谱，光谱仪100包括光谱仪主体200及取样模块300。光谱仪主体200具有入光口230，取样模块300配置于光谱仪主体200上以形成光谱仪100。取样模块300包括光源固定座310及至少一光源320(在本实施例中是以多个光源320为例)。光源固定座310具有相对的第一开口312与第二开口314及至少一杯状反射曲面316(在本实施例中是以多个杯状反射曲面316为例)，其中至少一杯状反射曲面316的数量对应于至少一光源320的数量。光源固定座310还包括在第一开口312周围的外表面319。第二开口314位于第一开口312与光谱仪主体200的入光口230之间。光源320设置于光源固定座310，且杯状反射曲面316环绕光源320。在本实施例中，光源320为灯泡，其在朝向第一开口312的一端可具有透镜322。然而，在其他实施例中，灯泡在朝向第一开口312的一端也可以不具有透镜。在其他实施例中，光源320例如可以是发光二极管(light emitting diode，led)，本发明不以此为限。
45.光源320所发出的照明光321被杯状反射曲面316反射与会聚而经由第一开口312传递至待测物50内，待测物50将照明光漫反射成待测光52，待测光52依序经由第一开口312、第二开口314及入光口230进入光谱仪主体200而被光谱仪主体200所测量。在本实施例中，第一开口312的直径例如是落在6毫米至20毫米的范围内。
46.在本实施例中，杯状反射曲面316具有出光截面s1，而光源320位于出光截面s1内，且杯状反射曲面316例如为抛物面，用于将照明光321形成平行光。杯状反射曲面316具有与出光截面s1相对的收束口s2，光源320穿过收束口s2，其中出光截面s1的直径d1大于收束口s2的直径d2。在本实施例中，出光截面s1的直径d1是落在4毫米至9毫米的范围内。收束口s2的直径d2是落在3毫米至4毫米的范围内。此外，在本实施例中，光源320在垂直于其光轴a1的方向(照明光的主光线的方向)上的直径d3小于收束口s2的直径d2，而杯状反射曲面316的光轴a2与光源320的光轴a1共轴。另外，光源固定座310还具有环状延伸反射面318，从出光截面s1的边缘往远离收束口s2的方向延伸。在本实施例中，直径d3是落在2.5毫米至3.5毫米的范围内。
47.在本实施例的光谱仪100中，由于取样模块300的光源固定座310具有杯状反射曲面316，以将光源320所发出的照明光321集中于待测物50上，因此可提升进入光谱仪主体200的待测光52的强度，进而提升光谱质量。此外，由于杯状反射曲面316是光源固定座310的表面，因此无需采用含有灯杯的灯泡，如此既可减少使用的灯泡的成本，又可缩小取样模块300的体积，进而缩小光谱仪100的体积。此外，由于取样模块300的体积较小，待测光52由待测物50至光谱仪主体200的光程距离较短，因此光效率与光谱质量都可以提升。
48.在本实施例中，杯状反射曲面316的光轴a2倾斜地通过第一开口312。此外，在本实施例中，这些杯状反射曲面316的光轴a2倾斜地通过第一开口312且相交于第一开口312外。换言之，这些光轴a2相交于待测物50的内部，以使部分的照明光321可深入到待测物50的内部，待测物50内部的物质接收照明光而反射待测光52，这样有助光谱仪100测量到待测物50内部的物质的光谱。
49.在本实施例中，取样模块300还包括遮光片330，配置于第一开口312周围，且具有暴露出第一开口312的通光孔332，而遮光片330的吸光度(absorbance)大于或等于1.5，其
中此处的吸光度是指光谱学中的吸光度，其定义为-log
10
(t)，其中t为透光率，也就是透射光光强除以入射光光强后所得到的比值。遮光片可避免待测物50周围的杂散光进入光谱仪100而干扰了光谱的正确性。在本实施例中，通光孔332的直径可以是落在2毫米至20毫米的范围内。
50.在本实施例中，取样模块还包括镜头模块400，配置于光源固定座310与光谱仪主体200之间。镜头模块400包括镜筒410及多个透镜420，其中这些透镜420设于光源固定座310的第二开口314与光谱仪主体200的入光口230之间，且设于镜筒410的通光开孔430内。这些透镜420包括沿着从第一开口312往第二开口314的方向依序排列的第一透镜422、第二透镜424及第三透镜426，其中第一透镜422为平凸透镜(例如为平面朝向第一开口312的平凸透镜)，第二透镜424为双凸透镜，且第三透镜426为凹凸透镜(例如为凹面朝向第一开口312的正弯月形透镜。在本实施例中，第二透镜424与第三透镜426形成胶合透镜。此外，第一透镜422的凸面的通光孔径(clear aperture)落在6毫米至8毫米的范围内，第二透镜424的通光孔径落在6毫米至8毫米的范围内，而第三透镜426的通光孔径落在6毫米至9毫米的范围内。第一透镜422的平面与待测物50在光轴上的间距落在5毫米至10毫米的范围内，第一透镜422与第二透镜424在光轴上的镜间距落在0.03毫米至2毫米的范围内，第三透镜426与光谱仪主体200的入光口230在光轴上之间距落在1毫米至6毫米的范围内。第一透镜422至第三透镜426例如均为球面透镜，其适用于波长范围落在400纳米至2500纳米的待测光52，但本发明不以此为限。这些透镜420的用途在于将大角度的待测光52收束进入光谱仪主体200的入光口230中，以避免大角度的待测光52无法被测量到，且这些透镜420能够有效增加收光效率，进而提高信噪比。入光口230例如为狭缝，其后方可设有例如分光镜、光检测器等光谱仪中的常见光学元件或其他适当的光学元件。
51.图3是本发明的另一实施例的光谱仪的部分元件光路示意图。请参照图1与图3，图3中的多个透镜420a可用来取代图1中的多个透镜420，以形成另一实施例的光谱仪。在本实施例中，这些透镜420a包括依序排列的第一透镜422a及第二透镜424a，第一透镜422a为凹凸透镜(例如为凸面朝向待测物50的正弯月形透镜)，且第二透镜424a为双凸透镜。
52.在本实施例中，第一透镜422a的凸面的通光孔径落在4毫米至7毫米的范围内，第一透镜422a的凹面的通光孔径落在2毫米至4毫米的范围内。第一透镜422a的凸面与待测物50在光轴上的间距落在10毫米至15毫米的范围内。第一透镜422a与第二透镜424a在光轴上的镜间距是落在0.03毫米至2毫米的范围内。第二透镜424a与光谱仪主体200的入光口230在光轴上的间距是落在1毫米至5毫米的范围内。第一透镜422a与第二透镜424a均为球面透镜，其适用于波长范围落在400纳米至2500纳米的待测光52。
53.图4与图5分别图示了两种将图1的光谱仪中的光源固定座拆离的使用情境。请参照图1、图4及图5，在本实施例中，光源固定座310是可拆卸地安装于镜头模块400的镜筒410上。因此，当不需要利用光源固定座310及其上的光源320提供照明光321时，或光源固定座310及其上的光源320所提供的光强度不够而需要采用光强度更强的外部光源时，可以将光源固定座310连同其上的光源320拆离镜头模块400，而仅以光谱仪主体200及其上的镜头模块400来测量待测物50的光谱。在图4的情境下，外部光60传递至待测物50而形成待测光52。详细而言，外部光60(例如其他的光源所发出的光)透射待测物50而形成待测光52，而待测光52经由透镜420及入光口230进入光谱仪主体200内部。在图5的情境下，外部光60被待测
物50吸收部份光谱而漫反射未吸收的光谱而形成待测光52，待测光52经由透镜420及入光口230进入光谱仪主体200内部。
54.图6为采用图1的光谱仪与采用不含杯状反射曲面的光谱仪所收集到的待测光的光强度比较图。请先参照图1与图6，从图6可明显看出，图1的光谱议100所收到的待测光52的光强度比采用不含杯状反射曲面的光谱仪所收集到的待测光的光强度约高出50％左右，因此图1的光谱仪100具有良好的光效率。
55.综上所述，在本发明的实施例的光谱仪中，由于取样模块的光源固定座具有杯状反射曲面，以将光源所发出的光集中于待测物上，因此可提升进入光谱仪主体的待测光的强度，进而提升光谱质量。此外，由于杯状反射曲面是光源固定座的表面，因此无需采用含有灯杯的灯泡，如此既可减少使用的灯泡的成本，又可缩小取样模块的体积，进而缩小光谱仪的体积。此外，由于光谱仪的体积可以较小，使得光程较短，因此光效率与光谱质量都可以提升。
56.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求及发明说明内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外，本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所公开的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。