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申请/专利权人：荧飒光学科技(上海)有限公司

摘要：一种光纤探头装置，外观是一个基于光纤、电源线及控制线外连的柱状壳体，壳体内包括第一准直近红外光源和第二准直近红外光源，在该壳体的底面的中央是同心的小圆光窗，在该小圆光窗的两侧是第一透光窗和第二透光窗，在所述的小圆光窗的上方由下而上依次相连的是缩束套管、会聚套管和导出光纤,所述的导出光纤的外端与所述的光纤相连，实现接收光路与光纤的优化耦合和反射信号的向外传导。本发明具备了主动、非接触、接收纯净漫反射光、采集反射光区域面积大、通量高、光谱信号强、自带背景参考反射光路、一体化和便携的特点，结构不复杂，批量生产。在物理、化学、材料、地质、生物医学等领域具有广阔应用前景，被测样本形态不限，尤其适于非镜面材料的在线高灵敏检测。

主权项：1.一种光纤探头装置，其特征在于：该装置外观是一个基于光纤、电源线及控制线外连的柱状壳体（BX），壳体内包括：第一准直近红外光源（1S）和第二准直近红外光源（2S），在该柱状壳体（BX）的底面的中央是同心的小圆光窗（5W），在该小圆光窗（5W）的两侧是第一透光窗（3W）和第二透光窗（4W），在所述的小圆光窗（5W）的上方由下而上依次相连的是缩束套管（6T）、会聚套管（8T）和导出光纤（9F）,所述的导出光纤（9F）的外端与所述的光纤相连，所述的缩束套管（6T）内含光束束径变换聚透组，所述的会聚套管（8T）内含会聚透镜，所述的第一准直近红外光源（1S）和第二准直近红外光源（2S）发出的光经第一透光窗（3W）和第二透光窗（4W）在所述的柱状壳体（BX）的正下方一定距离处交叠为椭圆形辐照面（SS）并以柱状壳体中轴线（0L）为对称中心分布，所述的椭圆形辐照面（SS）、小圆光窗（5W）、缩束套管（6T）、会聚套管（8T）和导出光纤（9F）共中轴线（0L），所述的第一准直近红外光源（1S）、第二准直近红外光源（2S）、第一透光窗（3W）和第二透光窗（4W）关于所述的中轴线（0L）对称分布，当所述的第一准直近红外光源（1S）、第二准直近红外光源（2S）发出的光束依次经所述的第一透光窗（3W）和第二透光窗（4W）在所述的柱状壳体（BX）的正下方一定距离处交叠为椭圆形辐照面（SS）辐照待测物体，待测物体的产生的漫反射光经所述的小圆光窗（5W）、缩束套管（6T）、会聚套管（8T）、导出光纤（9F）和光纤输出；在所述的柱状壳体（BX）中还有反射组件（7M）和电控驱动机构，所述的反射组件（7M）由四块平面反射镜构成山字形反射结构，在所述的电控驱动机构的驱动下，所述的反射组件（7M）可置换所述的缩束套管（6T），所述的反射组件（7M）的中心对准所述的会聚套管（8T）和导出光纤（9F），所述的第一准直近红外光源（1S）、第二准直近红外光源（2S）发出的光束经所述的反射组件（7M）的四块平面反射镜反射通过所述的会聚套管（8T）、导出光纤（9F）和光纤输出。

全文数据：光纤探头装置技术领域本发明涉及光谱分析，特别一种光纤探头装置。背景技术近红外光谱作为发展快、关注多的测试分析技术，具有操作简单、分析便捷、样品不需预处理、精确度、结果准确度逼近标准方法、可实时监控多种指标等优点，在农业、林业、造纸、烟草、石化、中草药等领域得到广泛应用。近红外光谱测试效果的优劣，依赖于光信号的有效收集和光谱特征的可靠解析。光谱特征的可靠解析通过配置适当光谱仪比如近红外傅里叶变换光谱仪加以实现。光信号的有效收集则需要借助于特定优化光路的设计来保障，这其中基于光纤连接的光探头在各领域在线检测方面具有独特优势，得到多方发展和应用，却也存在技术局限。透射式探头是光谱分析仪器中对液体样本进行光谱分析的一个重要组成部件，其发展保障了在液体吸收的测量、颜色的测量、水体有机物的测量和浑浊度的测量等方面的广泛应用。近年来，在水果等固形物检测方面也有技术发展。CN106841125A公开了一种基于透射测量的光纤一体化液体探头，近红外光束由入射光纤进入准直透镜以产生平行并准直的光束；在液体探头主体的下部设置有切口，液体在切口处对液体探头主体反射回来的光进行吸收；会聚镜将反射回来的光汇聚馈入出射光纤并从出射光纤另一端进入外接的光谱仪。可实现对流经液体探头切口处液体的透射光谱测量。属于插入式、接触型测试，限于相对透明液体的测试，也不适于远场非接触测量。CN102566533B公开了一种烟用香精香料调配的在线监控装置，该在线监控装置是在一个以上的工艺监控点分别设置取样管道，取样管道后分别安装有与近红外光谱仪相连接的近红外光纤探头，实现近红外光谱技术在烟用香精香料调配工艺的在线实时监控中的应用。但未见关于近红外光纤探头的具体描述。CN104251837B公开了一种水果内部品质近红外透射光谱在线检测系统及方法，该系统所涉光源套件包括光源、透镜，用于提供光照；光谱采集单元包含光纤探头的第一端与光纤光谱仪连接，第二端与光源套件组构成的平面与传送皮带所在直线垂直，从而实现透射光谱信号采集。因为是透射光谱采集，光源和光纤探头组件是分立于待测样本两侧的；可收集透射光信号也会受限于待测样本的几何形状、表面反射和光学厚度。相对于透射式探头，基于漫反射的反射式探头不需将发射光与收集光部分空间隔离，因而理论上可以一体化集成；不太受被测样本的几何形状、强弱吸收限制。可以在透射式探头无法适用的场合发挥有效作用。因而，其技术得到多方发展和应用。CN102590103A公开了一种近红外肉品检测仪，包括用于向被测肉照射光的光源、用于接收经漫反射光的漫反射探头以及通过光纤连接的光谱处理系统。关于漫反射探头，仅见“漫反射探头的光斑直径就尽量大”描述。选定光源及输出功率，单位面积的辐照度与光斑直径平方成反比，光斑大并不简单意味着可采集漫反射信号增强。从其图示光源与光纤探头位置关系看，在采集漫反射光信号同时，也会接收镜面反射光且随光斑增大快速增多。这反而会抑制来自样本的漫反射光信号，进而影响真实光谱检测灵敏度和可靠性。另外，也没有涉及背景参考光谱的测试。完整反射光谱的测量，除了测量来自样本的光谱信号，还需要测量背景参考光谱信号，二者的比谱才是严格意义的反射光谱，藉此可以消除测试系统本身传输函数的可能干扰。CN105806232B公开了一种基于近红外光的猪劈半胴体脂肪瘦肉厚度无损测量系统，包括近红外发射光源、近红外反射光谱采集仪器、发射及反射光传导、探头等模块；发射光与反射光均通过光纤传导，光纤封装于探头内。可对生产线上的生猪脂肪和瘦肉厚度进行非接触无损随线测量。所及传导光纤为Y形双模光纤，包括光源光纤芯和反射接收光纤芯，却并未涉扩大光辐照、光收集面积的会聚光学如透镜或离轴抛物面镜等元件，信号强度、被测样本性状的统计效果等均易受限。同样地，其也涉及背景参考光谱的测试，因而所获得的也不是纯净的样本反射谱。CN104007084A公开了一种近红外漫反射有机磷农药残留快速无损检测装置，包括光源、光纤探头、微型光谱仪、主控机、外壳，其中光源、光纤探头、微型光谱仪、主控机集成在外壳内，外壳内还设有检测室及被检样品托盘。所述光纤探头内含多根光纤，一端连接红外光源或微型光谱仪，另一端为同轴形状光学探头，置于被检样品托盘下方。其特征是光发射和光接收均通过同一同轴光纤来实现。考虑到单根光纤纤芯直径在百微米量级，有限光纤数反射和接受信号强度会受较大限制；置于外壳内的封闭空间应用也不利于在线如传送带式实时连续监测。同样地，其也未涉及背景参考光谱的测试。CN108582580A公开了一种基于近红外技术的塑料在线分拣装置，包括照明单元、探头单元和机械手，探头单元依次连接有光纤合束器、分光单元、控制器等。所及光源与矩形光束整形器组合将光源发出的光变为能量均匀且覆盖传送带宽度的矩形光束，也使得光辐照面密度及反射光信号强度降低；单个光学探头的小视场特征易限制反射光收集效率。使用多个小视场光学探头，使其总体视场范围覆盖传送带的宽度范围，也不适于颗粒状、离散型样本的在线检测。另外，同样也未涉及背景参考光谱的测试。发明内容针对上述问题，本发明的目的在于，提供一种光纤探头装置，该装置具有主动、非接触、接收纯净漫反射光、采集反射光的区域面积大、通量高、光谱信号强、自带背景参考反射光路、一体化、便携的特点，结构不复杂适于批量生产，通过单一光纤导出待测物体的漫反射光信号，易与近红外傅里叶变换光谱仪或分光光谱仪结合，本发明在物理、化学、材料、地质、生物医学等领域具有广阔应用前景，被测样本形态不限，尤其适于非镜面材料的在线高灵敏检测。本发明的技术解决方案如下：一种光纤探头装置，其特点在于：该装置外观是一个基于光纤、电源线及控制线外连的柱状壳体，壳体内包括第一准直近红外光源和第二准直近红外光源，在该壳体的底面的中央是同心的小圆光窗，在该小圆光窗的两侧是第一透光窗和第二透光窗，在所述的小圆光窗的上方由下而上依次相连的是缩束套管、会聚套管和导出光纤,所述的导出光纤的外端与所述的光纤相连，所述的缩束套管内含光束束径变换聚透组，所述的会聚套管内含会聚透镜，所述的第一准直近红外光源和第二准直近红外光源发出的光经第一透光窗和第二透光窗在所述的柱状壳体的正下方一定距离处交叠为椭圆形辐照面并以柱状壳体中轴线为对称中心分布，所述的椭圆形辐照面、小圆光窗、缩束套管、会聚套管和导出光纤共中轴线，所述的第一准直近红外光源、第二准直近红外光源、第一透光窗和第二透光窗关于所述的中轴线对称分布，当所述的第一准直近红外光源、第二准直近红外光源发出的光束依次经所述的第一透光窗和第二透光窗在所述的柱状壳体的正下方一定距离处交叠为椭圆形辐照面辐照待测物体，待测物体的产生的漫反射光经所述的小圆光窗、缩束套管、会聚套管、导出光纤和光纤输出；在所述的柱状壳体中还有反射组件和电控驱动机构，所述的反射组件由四块平面反射镜构成山字形反射结构，在所述的电控驱动机构的驱动下，所述的反射组件置换所述的缩束套管，所述的反射组件的中心对准所述的会聚套管和导出光纤，所述的第一准直近红外光源、第二准直近红外光源发出的光束经所述的反射组件的四块平面反射镜反射通过所述的会聚套管、导出光纤和光纤输出。本发明在物理、化学、材料、地质、生物医学等领域具有广阔应用前景，被测样本形态不限，尤其适于非镜面材料的在线检测。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明采用准直双近红外光源直接输出的方式，可使反射光谱测量的入射光强相对于光纤输出方式得到数量级的提升，从而显著增强基于所述光探头的近红外光谱测试灵敏度信噪比。2、本发明采用双光源以一定角度对称地安装在柱状壳体中轴线两侧、其输出光在探头外一定距离柱状壳体中轴线上重叠的方式，明确定义待测样本部分的空间位置，可保证纯净漫反射信号的最优化收集，从而避免非待测样本的镜面反射干扰。3、本发明采用会聚套管及内含会聚透镜与导出光纤匹配耦合的方式，可以避免镜面反射及其它任何环境杂散光干扰，显著增强漫反射光的收集效率、增强光谱信号强度，有利于提升光谱信噪比分辨率。4、本发明采用缩束套管及套管内含光束束径变换聚透组的方式，可以将无干扰视场扩大到所述准直双近红外光源的光束截面亦即近乎二者在探头外一定距离中轴线上交叠形成的辐照入射面，保证漫反射光的最大化收集，既可进一步提升光谱信号强度，又能增强待测样本的宏观统计平均水平，保障所述光探头在颗粒状、离散型样本在线检测应用。5、本发明采用由4个平面反射镜面按一定几何位形排放构成的反射组件，并辅以电控，通过电控移到缩束套管位置，将所述准直双近红外光源的部分输出光馈入到会聚套管，从而实现背景参考光谱测试。藉此，通过待测样本光谱与其相除，可获得待测样本的纯净反射光谱。本发明具有主动、非接触、接收纯净漫反射光、采集反射光的区域面积大、通量高、光谱信号强、自带背景参考反射光路、一体化、便携的特点，结构不复杂适于批量生产，通过单一光纤导出待测物体的漫反射光信号，易与近红外傅里叶变换光谱仪或分光光谱仪结合，本发明在物理、化学、材料、地质、生物医学等领域具有广阔应用前景，被测样本形态不限，尤其适于非镜面材料的在线高灵敏检测。附图说明图1为本发明光纤探头装置光路构成及与待测样本的相对位置示意图。图2为本发明主动式非接触高通量漫反射光纤探头装置测量背景参考光谱时的光路构成示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。图1为本发明光纤探头装置光路构成及与待测样本的相对位置示意图。由图可见，本发明光纤探头装置，外观是一个基于光纤、电源线及控制线外连的柱状壳体BX，壳体内包括：第一准直近红外光源1S和第二准直近红外光源2S，在该柱状壳体BX的底面的中央是同心的小圆光窗5W，在该小圆光窗5W的两侧是第一透光窗3W和第二透光窗4W，在所述的小圆光窗5W的上方由下而上依次相连的是缩束套管6T、会聚套管8T和导出光纤9F,所述的导出光纤9F的外端与所述的光纤相连；所述的缩束套管6T内含光束束径变换聚透组，所述的会聚套管8T内含会聚透镜，所述的第一准直近红外光源1S和第二准直近红外光源2S发出的光经第一透光窗3W和第二透光窗4W在所述的柱状壳体BX的正下方一定距离处交叠为椭圆形辐照面SS并以柱状壳体中轴线0L为对称中心分布，所述的椭圆形辐照面SS、小圆光窗5W、缩束套管6T、会聚套管8T和导出光纤9F共中轴线0L，所述的第一准直近红外光源1S、第二准直近红外光源2S、第一透光窗3W和第二透光窗4W关于所述的中轴线0L对称分布，当所述的第一准直近红外光源1S、第二准直近红外光源2S发出的光束依次经所述的第一透光窗3W和第二透光窗4W在所述的柱状壳体BX的正下方一定距离处交叠为椭圆形辐照面SS辐照待测物体，待测物体的产生的漫反射光经所述的小圆光窗5W、缩束套管6T、会聚套管8T、导出光纤9F和光纤输出；在所述的柱状壳体BX中还有反射组件7M和电控驱动机构，所述的反射组件7M由四块平面反射镜构成山字形反射结构，在所述的电控驱动机构的驱动下，所述的反射组件7M置换所述的缩束套管6T，所述的反射组件7M的中心对准所述的会聚套管8T和导出光纤9F，所述的第一准直近红外光源1S、第二准直近红外光源2S发出的光束经所述的反射组件7M的四块平面反射镜构成山字形反射结构，在所述的电控驱动机构的驱动下，所述的反射组件7M置换所述的缩束套管6T，所述的反射组件7M的中心对准所述的会聚套管8T和导出光纤9F，所述的第一准直近红外光源1S、第二准直近红外光源2S发出的光束经所述的反射组件7M的四块平面反射镜反射通过所述的会聚套管8T、导出光纤9F和光纤输出。光纤探头装置，其外观是一个基于光纤、电源线及控制线外连的柱状壳体BX，内置：准直双近红外光源1S和2S输出光1SL和2SL经由所述壳体底面透光侧窗3W和4W无障碍射出壳体以提供反射光谱测试所必须的入射光；所述两束出射光在柱状壳体BX正下方一定距离出交叠为椭圆形辐照面SS，该椭圆形辐照面SS以柱状壳体中轴线0L为对称中心分布，并定义被测样本的漫反射面；被测样本的漫反射光经由柱状壳体BX底面同心小圆光窗5W进入壳体内接收光路；壳体BX内接收光路主光轴与柱状壳体中轴线重合，包括顺序安放的缩束套管6T和会聚套管8T，缩束套管内含光束束径变换聚透组，会聚套管内含会聚透镜；会聚套管的远端与外导光纤9F共轴连接，实现接收光路与光纤的优化耦合和反射信号的向外传导，经由与探头连用的近红外光谱仪未标出获得被测样本光谱；缩束套管可电控移位未标示，其应用与否决定了所采集漫反射面的大小和信号强弱。图2示出本发明主动式非接触高通量漫反射光纤探头装置测量背景参考光谱时的光路构成示意图。由图可见，本发明光纤探头装置测量背景参考光谱时的光路构成，其反射组件7M通过电控未标出移到缩束套管位置，可以借助四个反射面将前述准直双近红外光源1S和2S的部分输出光1SLP和2SLP馈入到会聚套管8T，并经会聚和导出光纤9F馈入与探头连用近红外光谱仪未标出，从而实现背景参考光谱测试。结合前述所得被测样本光谱，可以获得消除了背景干扰的纯净漫反射光谱！所有光学元组件封闭于一个壳体内，具备了可测量参考光谱扣除背景干扰、高光通量、紧凑便携可移动的特点。实验表明，本发明具有主动、非接触、接收纯净漫反射光、采集反射光的区域面积大、通量高、光谱信号强、自带背景参考反射光路、一体化、便携的特点，结构不复杂适于批量生产，通过单一光纤导出待测物体的漫反射光信号，易与近红外傅里叶变换光谱仪或分光光谱仪结合，本发明在物理、化学、材料、地质、生物医学等领域具有广阔应用前景，被测样本形态不限，尤其适于非镜面材料的在线高灵敏检测。依据本发明目前优选的构成，所及所有光学元组件均以适当机械支撑方式固定以满足前述空间位置的不同要求；依需配备三维调节机构以保证前述各特定取向的精确设置。

权利要求：1.一种光纤探头装置，其特征在于：该装置外观是一个基于光纤、电源线及控制线外连的柱状壳体BX，壳体内包括：第一准直近红外光源1S和第二准直近红外光源2S，在该柱状壳体BX的底面的中央是同心的小圆光窗5W，在该小圆光窗5W的两侧是第一透光窗3W和第二透光窗4W，在所述的小圆光窗5W的上方由下而上依次相连的是缩束套管6T、会聚套管8T和导出光纤9F,所述的导出光纤9F的外端与所述的光纤相连，所述的缩束套管6T内含光束束径变换聚透组，所述的会聚套管8T内含会聚透镜，所述的第一准直近红外光源1S和第二准直近红外光源2S发出的光经第一透光窗3W和第二透光窗4W在所述的柱状壳体BX的正下方一定距离处交叠为椭圆形辐照面SS并以柱状壳体中轴线0L为对称中心分布，所述的椭圆形辐照面SS、小圆光窗5W、缩束套管6T、会聚套管8T和导出光纤9F共中轴线0L，所述的第一准直近红外光源1S、第二准直近红外光源2S、第一透光窗3W和第二透光窗4W关于所述的中轴线0L对称分布，当所述的第一准直近红外光源1S、第二准直近红外光源2S发出的光束依次经所述的第一透光窗3W和第二透光窗4W在所述的柱状壳体BX的正下方一定距离处交叠为椭圆形辐照面SS辐照待测物体，待测物体的产生的漫反射光经所述的小圆光窗5W、缩束套管6T、会聚套管8T、导出光纤9F和光纤输出；在所述的柱状壳体BX中还有反射组件7M和电控驱动机构，所述的反射组件7M由四块平面反射镜构成山字形反射结构，在所述的电控驱动机构的驱动下，所述的反射组件7M置换所述的缩束套管6T，所述的反射组件7M的中心对准所述的会聚套管8T和导出光纤9F，所述的第一准直近红外光源1S、第二准直近红外光源2S发出的光束经所述的反射组件7M的四块平面反射镜反射通过所述的会聚套管8T、导出光纤9F和光纤输出。

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