CN106225926B - 一种小型化激光拉曼光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化激光拉曼光谱仪，包括半导体激光器、拉曼探头、色散系统、探测系统、信号分析处理系统以及显示与输出系统，半导体激光器发出一定波长的激光通过拉曼探头后照射到待测物体上，同时拉曼探头将拉曼散射信号收集到色散系统中，然后探测系统对色散系统输出的信号进行光电信号转换，信号分析处理系统将探测系统输出的信号分析处理形成光谱数据，光谱数据在显示屏上生成拉曼光谱并输出。本发明所有光学组件通过调节机构便于光路装调，同时将光学组件密封在壳体内实现系统的小型化，轻量化。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学设备，具体涉及拉曼光谱仪器设计及拉曼光谱测试技术领域，尤其涉及一种小型化，适宜野外现场作业的激光拉曼光谱仪。
背景技术
拉曼散射现象自1928年被发现以来，由于拉曼光谱具有信息丰富、谱峰带通较狭窄、拉曼位移与入射光频率无关、分析效率高和样品消耗少等优点而备受关注，国内外已相继设计、研发出多种拉曼光谱仪器，广泛应用于现代科学实验、生物医学、食品安全、油气勘探，环境监测，化学分析以及考古研究等众多领域中(胡晓红、周金池.拉曼光谱的应用及其进展，分析仪器，2011(6)，1-4)。随着激光技术、光电子材料、微电子、计算机技术等高科技的发展和众多前沿学科的相互交叉、融合,对拉曼光谱仪器的微型化、集成化、轻量化等性能提出了更高要求，使其具有更强的使用灵活性和环境适应性，以及更低的生产成本。
目前，适于实验室研究或专门用途的光谱仪由于体积庞大不便于携带，制约着其在航空航天等领域中的应用，而高昂的价格限制了其在众多民用领域的发展。常见的拉曼光谱仪结构中，光学元器件与仪器机械结构之间通常是调整好几何位置关系后采用胶粘的方式进行光学零件固定，能较好的适用于实验室环境，但对于有振动、冲击、高低温等恶劣工况下并不合适。CN 102313729 A(袁丁赵喜吴红彦纪军.一种便携式拉曼光谱仪，2012.01.11)的专利公开了一种带有显微镜光学系统的便携式拉曼光谱仪，可以实现样品表面的微米级分析，但没有电池系统，不适于野外作业分析场合；CN 202533371 U(白燕张幼文.深紫外激光拉曼光谱仪，2012.11.14)的专利公开了一种灵敏度高、照明点大、分辨率高、不损伤眼睛视力的深紫外激光拉曼光谱仪，能有效去除荧光干扰，但系统体积较大，不便于携带。
因此，有鉴于现有技术的不足，开发一款体积小巧、价格便宜、智能化分析水平高的拉曼光谱仪，适用于野外作业分析、现场在线检测等场合，推动光谱仪器向更广的领域发展，是目前急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种小型化激光拉曼光谱仪，以提高检测灵敏度和智能化水平。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种小型化激光拉曼光谱仪，包括半导体激光器、拉曼探头、色散系统、探测系统、信号分析处理系统以及显示与输出系统，半导体激光器发出一定波长的激光通过拉曼探头后照射到待测物体上，同时拉曼探头将拉曼散射信号收集到色散系统中，然后探测系统对色散系统输出的信号进行光电信号转换，信号分析处理系统将探测系统输出的信号分析处理形成光谱数据，光谱数据在显示屏上生成拉曼光谱并输出。
进一步，所述色散系统包括准直镜、光栅和聚焦镜，拉曼探头采集的拉曼散射信号依次经过准直镜、光栅和聚焦镜，然后进入到探测系统中。
进一步，所述色散系统还包括入射狭缝部件，拉曼探头收集到的拉曼信号经过入射狭缝部件进入到准直镜中。
进一步，所述聚焦镜设置于准直镜装调件上，聚焦镜镜片的焦距、聚焦镜镜片的俯仰角度和聚焦镜镜片的摆动角度通过聚焦镜装调件调节，所述聚焦镜装调件包括聚焦镜底板502和设置于聚焦镜底板上的聚焦镜装调架，所述聚焦镜装调架包括聚焦镜框架501、第一挠性调节板509和摆动调节板，所述第一挠性调节板设置于聚焦镜框架的底部且位于摆动调节板上；聚焦镜507放置在聚焦镜框架的内腔中，所述挠性调节板两侧各设一个摆动限位槽508，摆动限位槽设置于摆动调节板上；所述聚焦镜底板上设置有两个螺钉孔506，摆动限位槽的中心位置与螺钉孔的中心轴线重合；所述第一挠性调节板上设置有两个通孔，所述摆动调节板上设置有一个螺纹孔，该螺纹孔与其中一个通孔同轴设置；所述聚焦镜底板的两侧各设置一个第一行程限位槽503和导向槽504。
进一步，所述探测系统包括CCD探测器，所述CCD探测器设置于CCD探测器装调部件上，CCD探测器的侧倾角度、俯仰角度和焦距通过CCD探测器装调部件调节；所述CCD探测器装调部件包括CCD框架601，所述CCD探测器设置于CCD框架中，所述CCD探测器装调部件还包括调节板，所述调节板包括第一调节板6071和第二调节板6072，所述第一调节板由CCD框架下部边缘向外延伸形成，第一调节板的一端设置有两个通孔，该通孔远离第一调节板与第二调节板的连接端设置，所述第二调节板的一端与第一调节板连接，另一端与第一调节板分离，所述第二调节板上设置有螺纹孔，该螺纹孔与其中一个通孔同轴设置；所述调节板还包括第二挠性调节板608和底板610，所述第二调节板设置于底板上，第二挠性调节板设置于底板与第二调节板之间，所述第二挠性调节板上设置有两个通孔，底板上设置有一个螺纹孔，螺纹孔与其中一个通过同轴设置；所述第二挠性调节板的两个各设置一个第二行程限位槽609，第二行程限位槽位于底板上。
由于采用上述技术方案，本发明具有如下的优点：
1.本发明的色散系统中所有光学组件通过调节机构便于光路装调，同时将光学组件密封在壳体内实现系统的小型化，轻量化；
2.拉曼光谱仪系统保证了拉曼光谱检测的高精度、高分辨率，适于野外采集探测以及现场在线检测的需求，提高了测量效率。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为一种小型化激光拉曼光谱仪的结构组成示意图；
图2为一种小型化激光拉曼光谱仪的光机布局示意图；
图3为一种小型化激光拉曼光谱仪的聚焦镜装调部件结构示意图；
图4为一种小型化激光拉曼光谱仪的聚焦镜装调架示意图
图5为一种小型化激光拉曼光谱仪的聚焦镜装调底板；
图6为一种小型化激光拉曼光谱仪的CCD探测器装调部件结构示意图；
图7为一种小型化激光拉曼光谱仪的CCD装调部件结构示意图；
图8为一种小型化激光拉曼光谱仪测试的金刚石拉曼光谱图；
图9为一种小型化激光拉曼光谱仪测试的乙醇拉曼光谱图；
图10为一种小型化激光拉曼光谱仪的软件处理流程图；
图中，1.分光仪底壳；2.入射狭缝部件；3.准直镜装调部件；4.光栅装调部件；5.聚焦镜装调部件；501.聚焦镜框架；502.聚焦镜底板；503.第一行程限位槽；504.导向槽；505.圆柱销定位孔；506.锁紧螺钉孔；507.聚焦镜；508.摆动限位槽；509.第一挠性调节板；6.CCD探测器装调部件；601.CCD框架；602.CCD探测器；603.弹性垫圈；604.连接螺钉；605.散热器；606.驱动电路板；6071.第一调节板；6072第二调节板；608.第二挠性调节板；609.第二行程限位槽；610.底板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，一种小型化激光拉曼光谱仪，包括半导体激光器、拉曼探头、色散系统、探测系统、信号分析处理系统以及显示与输出系统，半导体激光器发出一定波长的激光通过拉曼探头后照射到待测物体上，同时拉曼探头将拉曼散射信号收集到色散系统中，然后探测系统对色散系统输出的信号进行光电信号转换，信号分析处理系统将探测系统输出的信号分析处理形成光谱数据，光谱数据在显示屏上生成拉曼光谱并输出。
在本实施例中，半导体激光器的激发波长可为532nm,785nm,1064nm，优选的是785nm，所述半导体激光器的激光输出端与拉曼探头的采集端相连接，拉曼探头的输出端则与色散系统相耦合，所述的拉曼探头采集接收拉曼散射光可采取前向接收式/侧向接收式或背向接收式，优选的是背向接收式。
所述色散系统采用的光路结构可为对称交叉式C-T结构，非对称交叉式C-T结构，为抑制高阶衍射及杂散光的干扰，缩小系统体积，优选的是非对称交叉式C-T结构。
所述色散系统包括入射狭缝部件、准直镜、光栅和聚焦镜，拉曼探头采集的拉曼散射信号依次经过入射狭缝部件、准直镜、光栅和聚焦镜，然后进入到探测系统中。所述的准直镜和聚焦镜的焦距分别为100mm和110mm。在色散系统中光栅采用离子刻蚀平面闪耀光栅，其刻线密度可为600mm-1,1200mm-1,1800mm-1，根据光谱检测范围和系统分辨率的需求优选的是1200mm-1。
所述的准直镜、光栅和聚焦镜分别安装在准直镜装调件3、光栅装调件4和聚焦镜装调件5上，所述的入射狭缝部件2、准直镜装调部件3、光栅装调部件4、聚焦镜装调部件5、CCD探测器装调部件6均固定在分光仪底壳1上，保证整个光路的中心高度一致，同时通过分光仪上盖内设置的挡光光阑有效滤除杂散光对探测系统的影响，并由分光仪底壳和上盖将色散系统形成光密封。
装调过程中准直镜和聚焦镜507需要进行焦距微调、镜片的俯仰角度和摆动角度的微调；光栅需要进行摆动角度、俯仰角度和侧倾角度的微调。准直镜装调件3、光栅装调件4和聚焦镜装调件5的结构相类似，以聚焦镜装调件5为例说明其结构。
聚焦镜装调件包括聚焦镜底板502和设置于聚焦镜底板上的聚焦镜装调架，所述聚焦镜装调架包括聚焦镜框架501、第一挠性调节板509和摆动调节板，所述第一挠性调节板设置于聚焦镜框架的底部且位于摆动调节板上。聚焦镜507放置在聚焦镜框架的内腔中。在本发明中，内腔底部和侧壁放置有聚乙烯垫片以减少对聚焦镜镜片的应力集中，然后通过紧定螺钉锁紧聚焦镜。
所述挠性调节板两侧各设一个摆动限位槽508，摆动限位槽设置于摆动调节板上；所述聚焦镜底板上设置有两个螺钉孔506，摆动限位槽的中心位置与螺钉孔的中心轴线重合。在本实施例中，摆动限位槽508的中心位置与螺钉孔506的中心轴线重合，通过拧松螺钉，使聚焦镜框架501以圆柱销定位孔505上的定位销为中心沿着摆动限位槽508左右摆动，调节到合适位置后拧紧螺钉孔506上的螺钉即可实现摆动角度的微调。
所述第一挠性调节板上设置有两个通孔，所述摆动调节板上设置有一个螺纹孔，该螺纹孔与其中一个通孔同轴设置；所述聚焦镜底板的两侧各设置一个第一行程限位槽503和导向槽504。第一挠性调节板的两个通孔其一个直径为2mm，另一个直径为2.5mm，螺纹孔的直径为2mm。在紧固的过程中有通孔的这个螺钉是将挠性板往下压，另一个螺钉则是拧过挠性板后将它往上顶，即实现一压一顶的功能，从而带动聚焦镜507俯仰角度的微调。
导向槽504主要是为了与底壳1底面上的圆柱销装配时能有一定的余量，并进行调焦，通过聚焦镜底板502上的导向槽504和底壳上的圆柱销钉进行装调架的前后移动。由于是该导向槽在聚焦镜底板502的内部，在装配过程中将被装调架所遮挡，因而无法将调节好焦距的装调架固定在外壳底面上，因此需在不被聚焦镜框架501遮挡的地方开设行程限位槽503，由行程限位槽503控制其焦距位移量。通过螺钉将调焦后的聚焦镜调节件5固定在底壳1上。
所述探测系统包括CCD探测器602、散热器605及驱动电路板606，所述探测系统还包括CCD温度控制电路，CCD探测器驱动电路等，用于对拉曼散射信号进行光电转换。
所述CCD探测器和驱动电路板606设置于CCD探测器装调部件上，散热器605固定在CCD探测器602的散热端面上，通过连接螺钉604连接与CCD探测器装调部件形成一个整体，并在连接螺钉处设置有弹性垫圈603，CCD探测器的侧倾角度、俯仰角度和焦距通过CCD探测器装调部件调节；所述CCD探测器装调部件包括CCD框架601，所述CCD探测器设置于CCD框架中，所述CCD探测器装调部件还包括调节板，所述调节板包括第一调节板6071和第二调节板6072，所述第一调节板由CCD框架下部边缘向外延伸形成，第一调节板的一端设置有两个通孔(其中一个直径为2mm，另一个直径为2.5mm)，该通孔远离第一调节板与第二调节板的连接端设置，所述第二调节板的一端与第一调节板连接，另一端与第一调节板分离，所述第二调节板上设置有螺纹孔(2mm)，该螺纹孔与其中一个通孔同轴设置。在紧固的过程中有通孔的这个螺钉是将第一调节板往下压，另一个螺钉则是拧过第一调节板后将它往上顶，即实现一压一顶的功能，从而带动CCD探测器的侧倾角度的微调。
在本发明中，所述调节板还包括第二挠性调节板608和底板610，所述第二调节板设置于底板上，第二挠性调节板设置于底板与第二调节板之间，所述第二挠性调节板上设置有两个通孔，底板上设置有一个螺纹孔，螺纹孔与其中一个通过同轴设置。通过底板与第二挠性板上的孔带动CCD探测器的俯仰角度的微调。
所述第二挠性调节板的两个各设置一个第二行程限位槽609，第二行程限位槽位于底板上。通过第二行程限位槽可以进行焦距的微调。
所述信号分析处理系统包括信号调理电路，A/D转换电路，以及嵌入式处理单元，主要完成拉曼信号的去噪、预处理、定性检测和定量分析。
所述显示与输出系统通过LCD显示屏将分析处理后的被测物质成分、含量、浓度等信息显示出来，并对超标浓度、危险物质进行报警提示。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种小型化激光拉曼光谱仪，其特征在于：包括半导体激光器、拉曼探头、色散系统、探测系统、信号分析处理系统以及显示与输出系统，半导体激光器发出一定波长的激光通过拉曼探头后照射到待测物体上，同时拉曼探头将拉曼散射信号收集到色散系统中，然后探测系统对色散系统输出的信号进行光电信号转换，信号分析处理系统将探测系统输出的信号分析处理形成光谱数据，光谱数据在显示屏上生成拉曼光谱并输出；所述色散系统包括准直镜、光栅和聚焦镜，拉曼探头采集的拉曼散射信号依次经过准直镜、光栅和聚焦镜，然后进入到探测系统中；所述聚焦镜设置于聚焦镜装调件上，聚焦镜镜片的焦距、聚焦镜镜片的俯仰角度和聚焦镜镜片的摆动角度通过聚焦镜装调件调节，所述聚焦镜装调件包括聚焦镜底板（502）和设置于聚焦镜底板上的聚焦镜装调架，所述聚焦镜装调架包括聚焦镜框架（501）、第一挠性调节板（509）和摆动调节板，所述第一挠性调节板设置于聚焦镜框架的底部且位于摆动调节板上；聚焦镜（507）放置在聚焦镜框架的内腔中，所述挠性调节板两侧各设一个摆动限位槽（508），摆动限位槽设置于摆动调节板上；所述聚焦镜底板上设置有两个螺钉孔（506），摆动限位槽的中心位置与螺钉孔的中心轴线重合；所述第一挠性调节板上设置有两个通孔，所述摆动调节板上设置有一个螺纹孔，该螺纹孔与其中一个通孔同轴设置；所述聚焦镜底板的两侧各设置一个第一行程限位槽（503）和导向槽（504）。
2.根据权利要求1所述的一种小型化激光拉曼光谱仪，其特征在于：所述色散系统还包括入射狭缝部件，拉曼探头收集到的拉曼信号经过入射狭缝部件进入到准直镜中。
3.根据权利要求1所述的一种小型化激光拉曼光谱仪，其特征在于：所述探测系统包括CCD探测器，所述CCD探测器设置于CCD探测器装调部件上，CCD探测器的侧倾角度、俯仰角度和焦距通过CCD探测器装调部件调节；所述CCD探测器装调部件包括CCD框架（601），所述CCD探测器设置于CCD框架中，所述CCD探测器装调部件还包括调节板，所述调节板包括第一调节板（6071）和第二调节板（6072），所述第一调节板由CCD框架下部边缘向外延伸形成，第一调节板的一端设置有两个通孔，该通孔远离第一调节板与第二调节板的连接端设置，所述第二调节板的一端与第一调节板连接，另一端与第一调节板分离，所述第二调节板上设置有螺纹孔，该螺纹孔与其中一个通孔同轴设置；所述调节板还包括第二挠性调节板（608）和底板（610），所述第二调节板设置于底板上，第二挠性调节板设置于底板与第二调节板之间，所述第二挠性调节板上设置有两个通孔，底板上设置有一个螺纹孔，螺纹孔与其中一个通过同轴设置；所述第二挠性调节板的两个各设置一个第二行程限位槽（609），第二行程限位槽位于底板上。
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