專利名稱：一種帶反射聚光鏡的生化分析儀光學系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種生化分析儀的光學系統，尤其是帶光源反射聚光鏡的生化分析儀光學系統。
背景技術：
在生化分析儀的光學系統中，光源的強度是個非常重要的問題，增大了光源的強度使得系統的光電信號增強，信號的信噪比就會更大，生化分析儀的分析精度就會提高，而且由于增大了光強，信號放大處理的電路也會相對容易實現，設計加工調試都相對簡便。因此生化分析儀增大光強是一個永遠的追求。而這其中最為重要的是增加紫外波段的光強。本方案是將所有波段光強都增大的方案。
當前提高光強的方法就是增大光源的功率，生化分析儀中的燈泡較多采用的20W的鹵鎢燈，而如果增大到50W，則光源散熱是個大問題，光源部分的體積將會增大，在生化分析中沒有較多的空間安放這個大的光源(含散熱)組件，而且，散熱問題將會增加系統的復雜性，并造成了系統能耗的增加，光源安放在反應盤下面，該散熱部件將會嚴重影響對反應盤的恒溫控制，因此，現在很少采用50W的燈泡，仍然采用20W的燈泡，但由于光強不是很充足，必須通過精心設計光電采集放大電路來實現信號檢出讀取。現有技術采用的無論是增大光源功率的方法還是采用精心設計光電采集放大電路的方法，都有一定的問題，前者會帶來散熱問題，增加系統的復雜性，且有時候沒有空間能夠放置，并會嚴重影響反應盤的溫控。而后者帶來了的問題往往是系統信噪比的不高或者系統信號不穩定，并會增加研發難度，提高研發成本和光電采集放大電路板的成本。本發明提供了一種結構簡單，在結構上的改動極小，只需要簡單增加一個光學反射聚光鏡，就能實現光強近一倍增長的生化分析儀光學系統。
發明內容
本發明方案采用了一個光學反射的方法來實現能量的充分利用，通過在當前生化分析儀使用的光源背面安放一個反射聚光鏡，將這部分光利用起來則會將生化分析儀的光
源功率提高一倍。本發明首先提供了一種帶反射聚光鏡的生化分析儀光學系統，包括光源燈泡，其特征在于在系統的出光方向的相反方向設置有一個反射聚光鏡，該反射聚光鏡具有紫外增強鋁反射層，使得該反射聚光鏡從近紫外到紅外340nm-850nm都具有高反射性，該紫外增強鋁反射層的外邊再鍍上一層防氧化膜。還提供了一種帶反射聚光鏡的生化分析儀光學系統，包括光源燈泡，其特征在于在系統的出光方向的相反方向設置有一個反射聚光鏡，該反射聚光鏡具有紫外增強鋁反射層，使得該反射聚光鏡從近紫外到紅外340nm-850nm都具有高反射性，該紫外增強鋁反射層的外邊再鍍上一層防氧化膜，其中該反射聚光鏡是在K9玻璃基底鍍上一層金屬招。還提供了一種帶反射聚光鏡的生化分析儀光學系統，包括光源燈泡，其特征在于在系統的出光方向的相反方向設置有一個反射聚光鏡，該反射聚光鏡具有紫外增強鋁反射層，使得該反射聚光鏡從近紫外到紅外340nm-850nm都具有高反射性，該紫外增強鋁反射層的外邊再鍍上一層防氧化膜，該防氧化膜為二氧化硅膜。還提供了一種帶反射聚光鏡的生化分析儀光學系統，包括光源燈泡，其特征在于在系統的出光方向的相反方向設置有一個反射聚光鏡，該反射聚光鏡具有紫外增強鋁反射層，使得該反射聚光鏡從近紫外到紅外340nm-850nm都具有高反射性，該紫外增強鋁反射層的外邊再鍍上一層防氧化膜，其中該反射聚光鏡是一個光學反光碗，該光學反光碗的球面頂點到燈絲的距離等于球面半徑R，球面反射聚光鏡的通光口徑D以能讓光學系統在數值孔徑U內的光線都能反射為準，滿足公式
D 彡 2RsinU。還提供了一種帶反射聚光鏡的生化分析儀光學系統，包括光源燈泡，其特征在 于在系統的出光方向的相反方向設置有一個反射聚光鏡，該反射聚光鏡具有紫外增強鋁反射層，使得該反射聚光鏡從近紫外到紅外340nm-850nm都具有高反射性，該紫外增強鋁反射層的外邊再鍍上一層防氧化膜，其中該光學反光碗一側為球面反射面，一側為平面安裝基準面，其中球面半徑R為20. 65mm,外圓直徑為Φ IOmm,最薄處I. 5mm,最厚處2. 11mm。本發明還提供一種提高生化分析儀光學系統光強的方法，該光學系統包括光源燈泡，該方法特征在于在光學系統出光方向的相反方向正對光源開一個安裝孔，將一個反射聚光鏡安裝在該安裝孔內，其中該反射聚光鏡具有紫外增強鋁反射層，使得該反射聚光鏡從近紫外到紅外340nm-850nm都具有高反射性，該紫外增強鋁反射層的外邊再鍍上一層防氧化膜。還提供一種提高生化分析儀光學系統光強的方法，該光學系統包括光源燈泡，該方法特征在于在光學系統出光方向的相反方向正對光源開一個安裝孔，將一個反射聚光鏡安裝在該安裝孔內，其中該反射聚光鏡具有紫外增強鋁反射層，使得該反射聚光鏡從近紫外到紅外340nm-850nm都具有高反射性，該紫外增強鋁反射層的外邊再鍍上一層防氧化膜，其中該反射聚光鏡是在K9玻璃基底鍍上一層金屬鋁。還提供一種提高生化分析儀光學系統光強的方法，該光學系統包括光源燈泡，該方法特征在于在光學系統出光方向的相反方向正對光源開一個安裝孔，將一個反射聚光鏡安裝在該安裝孔內，其中該反射聚光鏡具有紫外增強鋁反射層，使得該反射聚光鏡從近紫外到紅外340nm-850nm都具有高反射性，該紫外增強鋁反射層的外邊再鍍上一層防氧化膜，該防氧化膜為二氧化硅膜。還提供一種提高生化分析儀光學系統光強的方法，該光學系統包括光源燈泡，該方法特征在于在光學系統出光方向的相反方向正對光源開一個安裝孔，將一個反射聚光鏡安裝在該安裝孔內，其中該反射聚光鏡具有紫外增強鋁反射層，使得該反射聚光鏡從近紫外到紅外340nm-850nm都具有高反射性，該紫外增強鋁反射層的外邊再鍍上一層防氧化膜，該反射聚光鏡是一個光學反光碗。還提供一種提高生化分析儀光學系統光強的方法，該光學系統包括光源燈泡，該方法特征在于在光學系統出光方向的相反方向正對光源開一個安裝孔，將一個反射聚光鏡安裝在該安裝孔內，其中該反射聚光鏡具有紫外增強鋁反射層，使得該反射聚光鏡從近紫外到紅外340nm-850nm都具有高反射性，該紫外增強鋁反射層的外邊再鍍上一層防氧化膜，其中該光學反光碗的球面頂點到燈絲的距離等于球面半徑R，球面反射聚光鏡的通光口徑D以能讓光學系統在數值孔徑U內的光線都能反射為準，滿足公式
D 彡 2RsinU。還提供一種提高生化分析儀光學系統光強的方法，該光學系統包括光源燈泡，該方法特征在于在光學系統出光方向的相反方向正對光源開一個安裝孔，將一個反射聚光鏡安裝在該安裝孔內，其中該反射聚光鏡具有紫外增強鋁反射層，使得該反射聚光鏡從近紫外到紅外340nm-850nm都具有高反射性，該紫外增強鋁反射層的外邊再鍍上一層防氧化膜，其中該光學反光碗一側為球面反射面，一側為平面安裝基準面，其中球面半徑R為20. 65mm,外圓直徑為Φ IOmm,最薄處I. 5mm,最厚處2. 11mm。本方案實現方法非常簡單，只需要在背后安放一個反射聚光鏡即可，效果顯著，實現了生化分析儀中的光學系統光強提高近一倍。
圖I鹵鶴燈示意圖
圖2光學反光碗安裝實例圖 I光源2反光碗3鹵鎢燈的后平面
本方案采用了一個光學反射的方法來實現能量的重新利用，實現了生化分析儀中的光學系統光強提高近一倍。當前生化分析儀使用的光源多為鹵鎢燈，如圖I所示，為一個扁平狀的玻璃燈珠，而由于燈泡本身的特點，其頂端因為有玻璃熱縮密封處，不能作為發光方向用，而只有在如圖紙面朝外的方向上發出的光會被利用，但其相反方向(垂直紙面朝內)仍然有相同光強的光，如果能將這部分光利用起來則會將光源功率提高一倍。然而，這部分光的重新利用卻面臨幾個限制
1)、生化分析儀的工作波長范圍涵蓋340nm到850nm，因此采用的反射聚光鏡必須在寬范圍(340nm-850nm)具有高反射率；
2)、鹵鎢燈工作時，燈絲溫度超過2000多度，距離燈絲20mm左右處，溫度就高達三四百度，因此采用的反射聚光鏡必須能夠耐受高溫。3)、由于生化分析儀本身價格不高，所用反射聚光鏡必須成本低廉，制作簡單，力口
工方便。本方案實現方法非常簡單，只需要在生化分析儀的光學系統中如圖I所示的鹵鎢燈背后(垂直紙面朝內)安放一個反射聚光鏡即可。但所用反射聚光鏡必須能夠克服上述的限制，因此，反射聚光鏡的制備是本方案的關鍵。正是由于上述幾個限制，現有技術中并沒有采用反射聚光鏡來增強生化分析儀的光學系統的光強。本發明人經過反復的嘗試，終于解決了這一課題。本發明基本的實施方式如下 首先，選擇反光鏡材料。由于生化分析中紫外波段的極端重要性，要求反射聚光鏡對紫
外光的光強增強作用明顯。因此必須找到一種在紫外波段具有極高反射性的物質。在自然界中只有鋁這種金屬能對于從近紫外到紅外(340nm-850nm)都具有高反射性，特別是紫外，很多金屬不具有高反射性，因此采用鋁作為反光材料。
為了控制成本，該反射聚光鏡優選采用價格最為便宜且最易加工的性能最為穩定的K9光學玻璃作為基底，在K9玻璃基底拋光后，鍍上一層金屬鋁，由此形成鍍鋁紫外增強反射聚光鏡。鍍鋁紫外增強反射聚光鏡克服了上述限制，但由于金屬鋁具有較強的金屬活性，在空氣中很容易氧化，特別是在高溫情況下，氧化速度更快，為了克服這一問題，因此需要在鋁的外邊再鍍上一層防氧化膜。但鹵鎢燈工作時，燈絲溫度超過2000多度，一方面由于光學系統內的空間有限，另一方面要保證反射光能被充分利用，反射聚光鏡距離燈絲只能在20mm左右，但此處溫度高達三四百度，因此該氧化膜優選為二氧化硅鍍層。二氧化硅不但具有良好的防氧化保護作用，更重要的是具有極高的(超過99%)紫外透過率，生化分析儀中紫外光是極其重要的。其次，安裝反射聚光鏡。本方案實現方法非常簡單，只需要在生化分析儀的光學系統中如圖I所示的鹵鎢燈背后(垂直紙面朝內)安放上述的反射聚光鏡即可。如圖2所示，I為光源，在沒采用本方案前，鹵鎢燈的后面是個平面3，且一般作發黑處理，不具有反光性，現在只需要將其上銑出一個槽孔，將反射聚光鏡安裝進去即可，當然槽孔深度要和反射聚 光鏡曲率半徑匹配，使得燈珠背向光能夠沿原路返回。該方案能增加近90%的光強。通過上述基本的實施方式，本發明很好地克服了在生化分析儀的光學系統中設置反射聚光鏡的限制，實現了燈珠背向能量的重新利用，能夠使得生化分析儀中的光學系統光強提高近一倍。
本發明的另一個實施例為使用光學反光碗。首先，系統設計。為了實現燈珠背向光的沿原路返回，將鹵鎢燈發光燈絲看成一個點光源，在其后以該點為球心的球面上放置反射聚光鏡，也就是其后放置的反射聚光鏡是一個球面反射聚光鏡，因此稱為光學反光碗。通過球面反射聚光鏡的反射，燈珠背向光變成向前會聚并通過光學系統的出光孔，能量得到重新利用。由于通常的生化分析儀光學系統中光源能利用的孔徑角很小(數值孔徑O. I左右)，因此只需要將鹵鎢燈發光燈絲看成一個點光源，這種點光源的近似是完全滿足要求的。因為燈絲有大小，如數值孔徑比較大，并不能近似成點光源。該光學反光碗的球面半徑的選擇非常寬松，只需要能和結構匹配即可。光學反光碗的球面半徑有較大的自由選擇空間，只需要保證安放光學反光碗時，使它的球面頂點到燈絲的距離等于球面半徑即可。本方案實現方法非常簡單，只需要在生化分析儀的光學系統中如圖I所示的鹵鎢燈背后(垂直紙面朝內)安放一個反光碗即可。如圖2所示，I為光源，在沒采用本方案前，鹵鎢燈的后面是個平面3，且一般作發黑處理，不具有反光性，現在只需要將其上銑出一個圓槽，將光學反光碗2安裝進去即可，當然圓槽深度要和光學反光碗球面半徑匹配，使得球面頂點到燈絲距離剛好等于球面半徑。該方案能增加90%的光強。本方案的關鍵在于反光碗的制作，首先，為了控制成本，該反光碗優選采用價格最為便宜且最易加工的性能最為穩定的K9光學玻璃作為基底。K9玻璃基底，一側為球面，一側為平面安裝基準面，制作時必須精確控制中心厚度，要求精度為正負O. 03mm，如此才能保證反光碗安裝精度。球面做好良好的拋光處理，接著鍍上一層均勻的金屬鋁作為反射層。鍍鋁，使得反光碗在生化分析儀的工作波長范圍涵蓋340nm到850nm的全波段都具有高反射性，特別是紫外。最后由于金屬鋁具有較強的金屬活性，在空氣中很容易氧化，為了克服這一問題，需要在鋁的外邊再鍍上一層防氧化膜。而由于鹵鎢燈工作時，燈絲溫度超過2000多度，距離燈絲20mm左右處，溫度就高達三四百度，因此，所鍍防氧化膜必須耐高溫，因此優選在鋁層上鍍上一層均勻的二氧化硅作為防氧化保護層。該反光碗的反射面為球面，球面半徑R等于球面頂點到燈絲的距離，球面反射聚光鏡的通光口徑D以能讓光學系統在數值孔徑SinU (光學系統的數值孔徑U為O. I左右)內的光線都能反射為準，滿足公式D 彡 2RsinU。
其次，制作反光碗。本實例中，光學反光碗為大恒薄膜光學加工制作的，一側為球面反射面，一側為平面安裝基準面，它的球面半徑R20. 65mm,外圓直徑為Φ 10 mm,如圖2所不，最薄處I. 5mm,最厚處2. 11mm。必須精確控制反光碗的中心厚度，要求加工精度為正負O. 03mm，才能保證反光碗安裝精度。由上述尺寸，可知R=20. 65mm, U=O. I, D=IOmm,由此可得 2X20. 65X0. 1=4. 13<10 ；
這滿足公式要求，可以保證光學系統在數值孔徑SinU (光學系統的數值孔徑U為O. I左右)內的光線都能反射。
最后，安裝反光碗。本實例中，在生化分析儀的光學系統中安裝反光碗，只需要在鹵鎢燈的后平面3的中心處開一個Φ IOmm安裝孔，將光學反光碗安裝在上面即可，本實例采用的是膠接，但不限于此。安裝反光碗時，使得球面頂點到燈絲距離剛好等于球面半徑，反光碗距離燈絲只能在20_左右。通過上述反光碗的安裝，完成了對光學系統的改造。
效果測試
為了驗證本方案的效果，以下進行了生化分析儀光學系統改造前后的測試。本方案的生化分析儀光學系統還包括信號采集電路板和信號采集儀表6位半表。測試時，首先將生化分析儀光學系統點亮，記錄此時從光電采集放大電路板上得到的340nm處的光電信號值，用6位半表來采集信號，并記錄下來；然后，在生化分析儀光學系統的光源部分的后平面3處正中心開一個直徑Φ IOmm的小孔，該小口與上面所述光學反光碗匹配，在開的孔內安裝光學反光碗，再次記錄下340nm處的光電信號值，并記錄下來，以作對比。實驗數據記錄
權利要求
1.一種帶反射聚光鏡的生化分析儀光學系統，包括鹵鎢燈燈泡，其特征在于在系統的出光方向的相反方向設置有一個反射聚光鏡，該反射聚光鏡具有紫外增強鋁反射層，使得該反射聚光鏡從近紫外到紅外340nm-850nm都具有高反射性，該紫外增強鋁反射層的外邊再鍍上一層防氧化膜。
2.如權利要求I所述的光學系統，其特征在于該反射聚光鏡是在K9玻璃基底鍍上一層金屬鋁。
3.如權利要求I所述的光學系統，其特征在于該防氧化膜為二氧化硅膜。
4.如權利要求I所述的光學系統，其特征在于該反射聚光鏡是一個光學反光碗。
5.如權利要求4所述的光學系統，其特征在于該光學反光碗的球面頂點到燈絲的距離等于球面半徑R，球面反射聚光鏡的通光口徑D以能讓光學系統在數值孔徑U內的光線都能反射為準，滿足公式D彡2RsinU。
6.如權利要求4所述的光學系統，其特征在于該光學反光碗一側為球面反射面，一側為平面安裝基準面，其中球面半徑R為20. 65mm,外圓直徑為Φ IOmm,最薄處I. 5mm,最厚處.2. 11mnin
7.一種提高生化分析儀光學系統光強的方法，該光學系統包括齒鎢燈燈泡，該方法特征在于在光學系統出光方向的相反方向正對光源開一個安裝孔，將一個反射聚光鏡安裝在該安裝孔內，其中該反射聚光鏡具有紫外增強鋁反射層，使得該反射聚光鏡從近紫外到紅外340nm-850nm都具有高反射性，該紫外增強鋁反射層的外邊再鍍上一層防氧化膜。
8.如權利要求7所述的方法,其特征在于該反射聚光鏡是在K9玻璃基底鍍上一層金屬招。
9.如權利要求7所述的方法，其特征在于該防氧化膜為二氧化硅膜。
10.如權利要求7所述的方法,其特征在于該反射聚光鏡是一個光學反光碗。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于該光學反光碗的球面頂點到燈絲的距離等于球面半徑R，球面反射聚光鏡的通光口徑D以能讓光學系統在數值孔徑U內的光線都能反射為準，滿足公式D彡2RsinU。
12.如權利要求10所述的方法，其特征在于該光學反光碗一側為球面反射面，一側為平面安裝基準面，其中球面半徑R為20. 65mm,外圓直徑為Φ IOmm,最薄處I. 5mm,最厚處.2.11mnin
全文摘要
本發明涉及一種生化分析儀的光學系統，尤其是帶光源反射聚光鏡的生化分析儀光學系統。本發明方案采用了一個光學反射的方法來實現能量的充分利用，通過在當前生化分析儀使用的光源背面，在系統的出光方向的相反方向設置一個反射聚光鏡，該反射聚光鏡具有紫外增強鋁反射層，使得該反射聚光鏡從近紫外到紅外340nm-850nm都具有高反射性，該紫外增強鋁反射層的外邊再鍍上一層防氧化膜。本發明通過在光源背面設置反射聚光鏡將這部分光利用起來則會將生化分析儀的光源功率提高近一倍的目的。本方案實現方法非常簡單，只需要在背后安放一個反光鏡即可。
文檔編號G02B5/08GK102866110SQ20121033862
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月13日 優先權日2012年9月13日
發明者不公告發明人 申請人:北京利德曼生化股份有限公司