CN105806823A - 整合式拉曼光谱量测系统与模块化激光模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种整合式拉曼光谱量测系统与模块化激光模块。模块化激光模块包括激光发射器与轴调整机构。激光发射器用以发出激光束。轴调整机构连接至激光发射器，用以调整激光发射器的坐标轴与方位等参数中的至少二参数。分光器配置在激光束的激光径上。信号收集单元用以收集来自分光器的至少一部分的信号光，其中信号光是在物体接收部分激光束后，被物体转换而来的散射光。本发明提供的整合式拉曼量测系统易于设置与操作，模块化激光模块便于调整激光发射的位置和方位。

Description

整合式拉曼光谱量测系统与模块化激光模块

技术领域

本发明涉及一种光谱仪与光源模块，尤其涉及一种整合式拉曼光谱量测系统与模块化激光模块。

背景技术

拉曼光谱仪是一种用以观察系统中的震动、旋转与其他低频的模式的光谱仪，其通常应用于化学上，以提供让分子可被辨别的特征。

拉曼光谱仪应用了单色光的非弹性散射或拉曼散射的特性，此单色光通常是来自于可见光、近红外光或近紫外光等波长范围内的激光。激光束和系统内的分子震动、声子或其他激发(excitations)发生交互作用，导致激光光子的能量增加或减少。此能量的改变提供了系统中关于震荡模式的信息。

近年来，发展出一种微拉曼光谱仪(microRamanspectrometer)。然而，传统的微拉曼光谱仪的体积庞大，且在激光波长的选择性上受到限制。再者，在微拉曼光谱仪中的透镜与反射镜的位置难以被调整与设置。

发明内容

本发明提供一种易于设置与操作的整合式拉曼量测系统。

本发明还提供一种模块化激光模块，便于调整激光发射的位置和方位。

本发明的一实施例提供一种整合式拉曼光谱量测系统，用以量测物体。整合式拉曼光谱量测系统包括模块化激光模块、分光器以及信号收集单元。模块化激光模块包括激光发射器与轴调整机构。激光发射器用以发出激光束。轴调整机构连接至激光发射器，用以调整激光发射器的坐标轴与方位等参数中的至少二参数。分光器配置在激光束的激光径上。信号收集单元用以收集分光器传来的至少一部分的信号光，其中信号光是在物体接收部分激光束后，被物体转换而来的。

本发明的一实施例提供一种模块化激光模块，包括激光发射器、轴调整机构以及散热片。激光发射器用以发出激光束。轴调整机构连接于激光发射器，用以调整激光发射器的坐标轴与方位等参数中的至少二参数。散热片连接至激光发射器。

本发明的一实施例提供一种可携式整合式拉曼光谱量测系统。可携式整合式拉曼量测系统包括激光发射器、轴调整机构、分光器、信号收集单元、照明组件、影像切换模块以及影像捕获设备。激光发射器用以发出激光束。轴调整机构连接于激光发射器，用以调整激光发射器的坐标轴与方位等参数中的至少二参数。分光器配置在激光束的激光径上。信号收集单元用以收集至少一部分的由分光器传来的信号光，其中信号光是在物体接收部分激光束后，被物体转换而来的散射光。照明组件用以发出照明光束。影像切换模块可切入或切出激光径。影像捕获设备用以当影像切换模块被切入激光径时，接收由物体传来的影像光束。

在本发明的实施例的整合式拉曼光谱量测系统中，使用了模块化激光模块，由于轴调整机构可调整激光发射器的坐标轴与方位等参数中的至少二参数，所以藉由模块化激光模块，可容易达成整合式拉曼光谱量测系统中光路的设定与调整。因此，整合式拉曼光谱量测系统容易被设置和操作。在模块化激光模块中，因为使用轴调整机构，所以可以调整模块化激光模块中激光发射器的坐标轴与方位，增进了模块化激光模块的应用性。在本发明的实施例的整合式拉曼光谱量测系统中，由于影像切换模块可切入或切出激光径，所以用户能容易地切换整合式拉曼光谱量测系统至量测模式或观察模式。因此，整合式拉曼光谱量测系统容易被操作。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1A是依照本发明一实施例的整合式拉曼光谱量测系统的光路示意图；

图1B是图1A中的整合式拉曼光谱量测系统在垂直模式时的立体示意图；

图1C是图1A中整合式拉曼光谱量测系统在水平模式时的立体示意图；

图2是图1A中的模块化激光模块的示意图；

图3A是图1A中的减光镜模块的示意图；

图3B是图1A中的拉曼滤光片模块的示意图；

图4是本发明另一实施例的平台的俯视示意图；

图5是本发明另一实施例的平台的俯视示意图；

图6是依照本发明另一实施例的整合式拉曼光谱量测系统的示意图；

图7是依照本发明另一实施例的整合式拉曼光谱量测系统的立体示意图。

附图标记：

50：物体

60：屏幕

70、70’：载玻片

72：导线

74：条形码

100、100a：整合式拉曼光谱量测系统

110：分光器

120：物镜

130：信号收集单元

140：反射镜

150：照明组件

152：照明光束

154：影像光束

160：影像切换模块

162、332a、332b、332c：减光镜片

164：第一分光器

166：第二分光器

170：影像捕获设备

180：外壳

200：模块化激光模块

210：激光发射器

212：激光束

214：信号光

220：轴调整机构

230：散热片

240：冷却气体管

242：冷却气体

310：基座

320：平台

322’：电极

330：减光镜模块

332：孔

340：拉曼滤光片模块

342a、342b、342c、342d：滤光片

350：控制单元

360：定位机构

370：触发器

380：条形码扫描仪

390：容器

P：测量点

具体实施方式

图1A是依照本发明一实施例的整合式拉曼光谱量测系统的光路示意图，图1B是图1A中的整合式拉曼光谱量测系统在垂直模式时的立体示意图，而图1C是图1A中整合式拉曼光谱量测系统在水平模式时的立体示意图。图2是图1A中的模块化激光模块的示意图。请参照图1A至图1C以及图2，在本实施例中，整合式拉曼光谱量测系统100用以量测物体50。整合式拉曼光谱量测系统100包括模块化激光模块200、分光器110、物镜120、以及信号收集单元130。模块化激光模块200包括激光发射器210以及轴调整机构220。激光发射器210用以发出激光束212。在本实施例中，激光发射器210为激光二极管或是二极管激发固态激光器(diode-pumpedsolid-statelaser,DPSSlaser)。然而，在其他的实施例中，激光发射器210可以是其他合适种类的激光。轴调整机构220连接至激光发射器210，用以调整激光发射器的坐标轴与方位等参数中的至少二参数。在本实施例中，轴调整机构220用以沿着三个彼此垂直的坐标轴移动激光发射器210。然而，在其他实施例中，轴调整机构220可以绕着三个彼此垂直的旋转轴旋转激光发射器210。上述提到的坐标轴与方位等参数是指位置参数(包括例如XYZ等三个轴)以及绕任何旋转轴的旋转方位。所述调整激光发射器的坐标轴与方位等参数中的至少二参数是指激光发射器210可以至少在两个坐标轴、一个坐标轴及一个方位、两个方位或是其任何组合上被调整。

激光束212由激光发射器210发出，接着经由分光器110以及物镜120传至物体50(例如待测样本)。在本发明的一实施例中，物镜120是位于激光束212的激光径上的组件，且为可拆式地装置在整合式拉曼光谱量测系统100上的组件。分光器110也配置在激光束212的激光径上，且传递至少一部分的激光束212至物体50。在一实施例中，分光器110可以是部分穿透部分反射镜，或是偏振分光镜(polarizingbeamsplitter)。

接着，物体50将至少一部分的激光束212转换为信号光214，例如是将至少一部分的激光束212散射成信号光214。物镜120传递信号光214至分光器110，其中分光器110传递至少部分信号光214至信号收集单元130。在一实施例中，分光器110可以是部分穿透部分反射镜，其允许部分信号光214穿过并传递至信号收集单元130。

在一实施例中，信号收集单元130可以是准直器(collimator)，其使信号光214准直化，且传递信号光214至光谱仪。然而，在另一实施例中，信号收集单元130可以是光谱仪。

在一实施例中，多个反射镜140配置在激光束212的激光径和信号光214的信号光径上，以改变激光径与信号光径。

因为轴调整机构220可调整激光发射器210的坐标轴与方位等参数中的至少二参数，如此可以有效地简化整合式拉曼光谱量测系统100中分光器110、物镜120以及其他光学组件(例如反射镜140)的调整。

除此之外，模块化激光模块200可以配合量测的对象，容易地置换成另一不同激光波长的模块化激光模块。在一实施例中，模块化激光模块200可以安装上可发出不同激光波长的激光发射器210，其中激光波长例如为405、473、488、532、633、785、808或1064纳米。

在一实施例中，模块化激光模块200还包括散热片230和冷却气体管240，以提升稳定性和可靠度。散热片230连接至激光发射器210，且冷却气体管240用以供应流经散热片230的冷却气体242。在一实施例中，气体帮浦可连接至冷却气体管240的一端，以供应流进冷却气体管240的冷却气体，接着冷却气体从冷却气体管240的另一端排出，并流经散热片230。

在一实施例中，整合式拉曼光谱量测系统100还包括照明组件150、影像切换模块160及影像捕获设备170。照明组件150用以提供照明光束152，而影像切换模块160包括第一分光器164与第二分光器166。在一实施例中，照明组件150可包括至少一个发光二极管(LED)。影像切换模块160可切入或切出激光径。当影像切换模块160被切入激光径时，第一分光器164(如图1A的虚线所示)反射至少一部分的照明光束152，其经由物镜120传递至物体50。接着，物体50将至少一部分的照明光束152转换成影像光束154，其中影像光束154也会经由物镜120传递至影像切换模块160，且第二分光器166(如图1A的虚线所示)反射部分影像光束154至影像捕获设备170。在一实施例中，第一分光器164或第二分光器166为部分穿透部分反射镜，或者是偏振分光镜。

在一实施例中，影像切换模块160还包括减光镜片162，例如为中性灰度滤镜(neutraldensityfilter)。当影像切换模块160被切入激光径时，减光镜片162(如图1A的虚线所示)也会切入激光径，以减少激光束212入射影像捕获设备170的强度。

影像切换模块160可容易地被切入或切出激光径，使得用户容易切换至量测模式或观察模式。具体而言，在量测模式时，减光镜片162、第一分光器164以及第二分光器166是位于图1A中的实线的位置上，因此信号光214可被传递至信号收集单元130，且物体50的拉曼信号可以被测量。在观察模式时，减光镜片162、第一分光器164以及第二分光器166是位于图1A中的虚线的位置上，因此影像光束154可以被传递至影像捕获设备170，便于用户观察到物体50。在一实施例中，影像捕获设备170例如是相机，或被取代为目镜，让使用者可以经由目镜来观察物体50。

在一实施例中，整合式拉曼光谱量测系统100还包括减光镜模块330，其配置于激光发射器210和分光器110之间的激光径上，如图1A和图3A所示。减光镜模块330包括多个拥有不同穿透率的减光镜片332a、减光镜片332b、减光镜片332c，其用以选择性地切入激光径。举例来说，减光镜片332a可以有1/2的穿透率，减光镜片332b可以有1/10的穿透率，而减光镜片332c可以有1/100的穿透率。再者，减光镜模块330可以包括没有镜片之孔332提供约略百分之百之穿透率。减光镜片332a、减光镜片332b、减光镜片332c以及孔332可被切入激光径，以调整激光束212的强度。在减光镜模块330中的减光镜片数量并没有被限制为三个。

在一实施例中，整合式拉曼光谱量测系统100还包括拉曼滤光片模块340，其配置于分光器110和信号收集单元130之间的信号光214的信号光径上，如图1A和图3B所示。拉曼滤光片模块340包括了多片具不同穿透光谱的滤光片342a、滤光片342b、滤光片342c以及滤光片342d。这些滤光片滤光片342a、滤光片342b、滤光片342c、滤光片342d可分别被选择性地切入信号光径上，以滤除不同特定波长范围的光，因此可对应具不同峰值波长的激光发射器210。举例来说，当激光束212的峰值波长是473纳米时，能够滤掉波长为473纳米的光的滤光片342a可被选择为切入信号光径，以滤掉信号光214内波长为473纳米的部分。拉曼滤光片模块340中的滤光片的数量并没有被限至为四个。

在一实施例中，整合式拉曼光谱量测系统100包括外壳180、基座310(见图1B)以及平台320(见图1B)。外壳180容置模块化激光模块200、分光器110以及信号收集单元130。在一实施例中，外壳180可容置影像切换模块160、照明组件150、影像捕获设备170以及反射镜140。基座310可拆卸地连接至外壳180，平台320可移动地连接到基座310，并用以承载物体50。如图1B所示，当基座310接上外壳180时，整合式拉曼光谱量测系统100即是在垂直模式下量测物体50。如图1C所示，当基座310从外壳180分离时，整合式拉曼光谱量测系统100即是在水平模式下量测物体50。

在一实施例中，整合式拉曼光谱量测系统100还包括控制单元350以及定位机构360。控制单元350电性连接至影像捕获设备170，定位机构360电性连接至控制单元350。平台320连接至定位机构360。当用户选择电性连接至控制单元350的屏幕60上的测量点P时，控制单元350使定位机构360移动平台320，以使测量点P显示于屏幕60的中心区域或特定区域上。在本实施例中，用户可以藉由鼠标、触控笔或是手指触控等来选择测量点P。再者，在屏幕60显示的影像即为影像捕获设备170检测到的影像。

在一实施例中，具有光滑表面的校正板可先配置在平台320上。校正板可反射激光束212，所以在屏幕60上有清楚的光点。接下来，使用者可选择此清楚的光点作为测量点P，并标记测量点P的位置。此后，以物体50取代校正板，而在物体50的影像上标记的位置即为物体50的测量点P。也就是说，被量测的拉曼信号是来自于物体50的测量点P。使用者可手动或自动地移动平台320，以改变物体50上被视为是测量点P的位置。

在本实施例中，整合式拉曼光谱量测系统100拥有小尺寸、弹性的波长切换以及现场分析(in-situanalysis)的特色，可以被运用在非常小的样本上，其建构于表面增强拉曼散射技术(surfaceenhancedRamanscatteringtechnique)，且拉曼光谱可藉由石英、玻璃或塑料基板来量测。

图4是另一实施例的平台的俯视示意图。请参照图1A、图1B、图2以及图4，在本实施例中，整合式拉曼光谱量测系统100还包括配置在平台320上的触发器370。当物体50放置在平台320上时，触发器370启动激光发射器210，以发射激光束212。在本实施例中，物体50放置于载玻片70上，且载玻片70上形成有导线72。当载玻片70放置在平台320上并且导线72碰触到触发器370时，则产生一个闭合电路，以启动激光发射器310，并且光谱仪连接至信号收集单元130或位于信号收集单元130上。也就是说，当物体50被放置在平台320上时，量测就自动开始了。在另一实施例中，触发器370可以是按钮，而当载玻片70放置在平台320上时，载玻片70压下按钮，以启动激光发射器210及光谱仪。

图5是另一实施例的平台的俯视示意图。请参照图5，在本实施例中，平台320’用以供应电压或电流至物体50。具体而言，在本实施例中，载玻片70’可以是可导电的载玻片或是拥有导电图案，而平台320’的电极322’提供载玻片70’电压或电流，以供应电压或电流至物体50。电压或电流可活化物体50，例如生物样本，以提高生物样本的光谱信号。再者，经由电极322’，整合式拉曼光谱量测系统100可读取该生物样本的信息。

图6是依照本发明另一实施例的整合式拉曼光谱量测系统的示意图。请参照图6，在本实施例中，整合式拉曼光谱量测系统100a和图1B中的整合式拉曼光谱量测系统100类似，而两者的主要差异如下所描述。在本实施例中，整合式拉曼光谱量测系统100a还包括条形码扫描仪380，用以检测物体50的条形码74。条形码扫描仪380可电性连接至控制单元350，且控制单元350可经由条形码74辨别物体50。量测结果可以与在条形码中的样本信息整合，接着送至数据库。条形码74可以是一维的条形码或是二维的条形码，例如快速响应码(QRcode)。在另一实施例中，条形码74可被物镜120以及影像捕获设备170所检测，而整合式拉曼光谱量测系统100没有上述条形码扫描仪380。

图7是依照本发明另一实施例的整合式拉曼光谱量测系统的立体示意图。请参照图1A、图1B以及图7，在本实施例中，基座310是用来作为整合式拉曼光谱量测系统100的容器390，以容置平台320和外壳180。举例来说，基座310可被转换为容器390，且容器390可做为抗腐蚀的保护盒。在另一实施例中，基座310、平台320以及外壳180可被放置在作为抗腐蚀保护盒的容器390之内。因此，整合式拉曼光谱量测系统100可以是可携带的。

综上所述，在本发明的实施例的整合式拉曼光谱量测系统中，使用了模块化激光模块，并且和轴调整机构整合在一起，以只调整激光发射器的坐标轴和方位等少数参数，进而容易地达成整合式拉曼光谱量测系统中光路的设定和调整。在本发明的实施例的整合式拉曼光谱量测系统中，由于影像切换模块可切入或切出激光径，因此用户能容易地切换整合式拉曼光谱量测系统至量测模式或观察模式。所以，整合式拉曼光谱量测系统容易被操作。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的改动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求界定范围为准。

Claims (20)

1.一种整合式拉曼光谱量测系统，用以量测物体，其特征在于，所述整合式拉曼光谱量测系统包括：

模块化激光模块，包括：

激光发射器，用以发出激光束；以及

轴调整机构，连接到所述激光发射器，用以调整所述激光发射器的坐标轴与方位等参数中的至少二参数；

分光器，配置在所述激光束的激光径上；以及

信号收集单元，用以收集由所述分光器传来的至少一部分的信号光，其中所述信号光是在所述物体接收部分所述激光束后，被所述物体转换而来的散射光。

2.根据权利要求1所述的整合式拉曼光谱量测系统，其特征在于，还包括：

物镜，用以传递至少一部分所述激光束由所述分光器到所述物体，以及接收来自所述物体的所述信号光，并将所述信号光传送至所述分光器。

3.根据权利要求1所述的整合式拉曼光谱量测系统，其特征在于，还包括：

照明组件，用以发出照明光束；

影像切换模块，可切入或切出所述激光径；以及

影像捕获设备，用以当所述影像切换模块被切入所述激光径时，接收由所述物体传来的影像光束。

4.根据权利要求3所述的整合式拉曼光谱量测系统，其特征在于，所述影像切换模块包括：减光镜片，当所述影像切换模块被切入所述激光径时，所述减光镜片亦切入所述激光径，以减少所述激光束入射所述影像捕获设备的强度。

5.根据权利要求4所述的整合式拉曼光谱量测系统，其特征在于，所述影像切换模块还包括：

第一分光器，用以当所述影像切换模块被切入所述激光径时，传送至少一部分的所述照明光束至物镜；以及

第二分光器，用以当所述当影像切换模块被切入所述激光径时，传送至少一部分的所述影像光束至所述影像捕获设备。

6.根据权利要求3所述的整合式拉曼光谱量测系统，其特征在于，还包括：

控制单元，电性连接至所述影像捕获设备；

定位机构，电性连接至所述控制单元；以及

平台，承载所述物体且连接至所述定位机构，其中当使用者选择电性连接至所述控制单元的屏幕上的测量点时，所述控制单元使所述定位机构移动所述平台，以使所述测量点显示于所述屏幕的中心区域或特定区域上。

7.根据权利要求1所述的整合式拉曼光谱量测系统，其特征在于，还包括减光镜模块，配置在位于所述激光发射器和所述分光器之间的所述激光径上，其中所述减光镜模块包括拥有不同穿透率的多个减光镜片，用以被选择性地切入所述激光径。

8.根据权利要求1所述的整合式拉曼光谱量测系统，其特征在于，还包括拉曼滤光片模块，配置在所述分光器和所述信号收集单元之间的所述信号光的信号光径上，其中所述拉曼滤光片模块包括多片具不同穿透光谱的滤光片，所述多个滤光片可分别被选择性地切入所述信号光径上，以滤除不同特定波长范围的光，因此可对应于具不同峰值波长的激光发射器。

9.根据权利要求1所述的整合式拉曼光谱量测系统，其特征在于，所述模块化激光模块还包括：

散热片，连接至所述激光发射器；以及

冷却气体管，用以供应流经所述散热片的冷却气体。

10.根据权利要求9所述的整合式拉曼光谱量测系统，其特征在于，还包括：

触发器，配置在平台上，其中当所述物体放置在所述平台上时，所述触发器启动所述激光发射器以发射所述激光束。

11.根据权利要求9所述的整合式拉曼光谱量测系统，其特征在于，还包括平台，用以供应电压或电流至所述物体。

12.根据权利要求9所述的整合式拉曼光谱量测系统，其特征在于，还包括基座，用以作为所述整合式拉曼光谱量测系统的容器，以容置所述整合式拉曼光谱量测系统的平台和外壳。

13.根据权利要求1所述的整合式拉曼光谱量测系统，其特征在于，还包括条形码扫描仪，用以检测所述物体的条形码。

14.一种模块化激光模块，其特征在于，包括：

激光发射器，用以发射激光束；

轴调整机构，连接到所述激光发射器，且用以调整所述激光发射器的坐标轴与方位等参数中的至少二参数；以及

散热片，连接至所述激光发射器。

15.根据权利要求14所述的模块化激光模块，其特征在于，所述模块化激光模块用以嵌入拉曼光谱仪。

16.根据权利要求14所述的模块化激光模块，其特征在于，还包括：

冷却气体管，以用来供应流经所述散热片的冷却气体。

17.一种可携式整合式拉曼光谱量测系统，其特征在于，包括：

激光发射器，用以发出激光束；

轴调整机构，连接到所述激光发射器，且用以调整所述激光发射器的坐标轴与方位等参数中的至少二参数；

分光器，配置在所述激光束的激光径上；

信号收集单元，用以收集至少一部分的由所述分光器传来的信号光，其中所述信号光是在所述物体接收一部分的所述激光束之后，被所述物体转换而来的散射光；

照明组件，用以发出照明光束；

影像切换模块，可切入或切出所述激光径；以及

影像捕获设备，用以当所述影像切换模块被切入所述激光径时，接收由所述物体传来的影像光束。

18.根据权利要求17所述的可携式整合式拉曼光谱量测系统，其特征在于，所述影像切换模块包括减光镜片，当所述影像切换模块被切入所述激光径时，所述减光镜片亦切入所述激光径，以减少所述激光束入射所述影像捕获设备的强度。

19.根据权利要求18所述的可携式整合式拉曼光谱量测系统，其特征在于，所述切换模块还包括：

第一分光器，用以当所述影像切换模块被切入所述激光径时，传送至少一部分的所述照明光束至物镜；以及

第二分光器，用以当所述当影像切换模块被切入所述激光径时，传送至少一部分的所述影像光束至所述影像捕获设备。

20.根据权利要求17所述的可携式整合式拉曼光谱量测系统，其特征在于，还包括：

控制单元，电性连接至所述影像捕获设备；

定位机构，电性连接至所述控制单元；以及

平台，承载所述物体且连接至所述定位机构，其中当使用者选择电性连接至所述控制单元的屏幕上的测量点时，所述控制单元使所述定位机构移动所述平台，以使所述测量点显示于所述屏幕的中心区域或特定区域上。