CN107807118A - 一种基于制冷型背照式ccd的手持式拉曼光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪，包括壳体，壳体内开设有前置槽和后置槽，前置槽内设有控制模块、与控制模块电路连接的拉曼探头和激光器，后置槽内连有与控制模块电路连接且内封装有热电制冷器的制冷型背照式CCD探测器；通过控制模块调节激光器的激光功率和制冷型背照式CCD探测器的曝光时间；拉曼光信号通过拉曼探头收集进入光路盒内，实现对拉曼信号分光的作用；分光后的拉曼信号光反射至制冷型背照式CCD探测器进行成像，利用背照式感光原理，实现增大光电转换效率的目的，通过封装的热电制冷器，实现制冷型背照式CCD探测器工作温度恒定不受外界环境温度影响，进而实现提高测量的高灵敏度、高准确率的目的。

Description

一种基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪
技术领域
本发明涉及拉曼光谱检测装置技术领域，更具体地说，它涉及一种基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪。
背景技术
拉曼光谱仪被誉为“生物指纹”，因其在检测过程具有快速、非接触、无损的特性，被应用于科研院所、高等院校物理和化学实验室、生物及医学领域等光学方面，研究物质成分的判定与确认、刑侦及珠宝行业进行毒品的检测及宝石的鉴定。其以结构简单、操作简便、测量快速高效准确，以低波数测量能力著称；采用共焦光路设计以获得更高分辨率，可对样品表面进行um级的微区检测，也可用此进行显微影像测量；因此，无论是需要定性或定量的数据，通过对其拉曼光谱进行分析，都能够快速、简便的得到被检物质的重要信息。基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪是一种便携式的拉曼光谱仪，进一步拓展了拉曼技术检测的使用场景，可以现场快速取证，更是成为海关、各边检及出入境口岸的执法利器。
目前，市场上公告号为CN206540831的中国专利公开了一种手持型拉曼检测装置，包括壳体；激光器，设置在壳体内，拉曼探头；用于将激光器发射的激光投射至样品的表面从而获得该样品的拉曼散光，该拉曼探头包括用于将激光会聚至样品上的透镜；CCD阵列光谱仪，用于对拉曼散射光进行检测从而得到拉曼光谱；控制模块，用于对拉曼探头及CCD阵列光谱仪的检测过程进行控制，以及存储模块，其中，壳体上与透镜相对应的位置上设置有鼻锥构件，用于接触样品并让透镜汇聚后的激光投射至样品表面；通过鼻锥构件能够有在接触样品后让透镜会聚后的激光有效地投射至样品表面，使样品接受到强度足够的激光，因此能够提高检测灵敏度。然而，拉曼光是非常微弱的光，由于体积及重量的限制，此基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪采用的CCD阵列光谱仪光电转换效率低，且在面对低浓度、高掺杂的样品检测应用上，容易受到环境的干扰，误检率较高。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪，具有高灵敏度、高准确率的优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪，包括壳体，所述壳体内开设有前置槽和后置槽，所述前置槽内设置有控制模块、与所述控制模块电路连接的拉曼探头和激光器，所述后置槽内连接有制冷型背照式CCD探测器和用于拉曼光信号分光且呈一体式结构设置的光路盒，所述制冷型背照式CCD探测器与所述控制模块电路连接，所述光路盒与所述拉曼探头光路连接，所述制冷型背照式CCD探测器内封装有热电制冷器。
如此设置，首先，通过将待测样品摆放至设置于壳体前置槽内的拉曼探头前，通过控制模块控制设置于前置槽内的激光器和设置于后置槽内的制冷型背照式CCD探测器，实现调节激光器的激光功率和制冷型背照式CCD探测器的曝光时间的功能；然后，拉曼光信号通过拉曼探头收集进入光路盒内，实现对拉曼信号进行分光的作用；最后，分光后的拉曼信号光通过呈一体式结构设置的光路盒反射到达制冷型背照式CCD探测器进行成像，利用背照式感光原理，实现增大光电转换效率的目的，通过制冷型背照式CCD探测器内封装的热电制冷器，实现探测器工作温度恒定的功能，确保探测器效率不受外界环境温度影响，进而实现提高测量的高灵敏度、高准确率的目的。
进一步设置：所述光路盒包括聚焦镜、光栅和准直镜，所述光栅为刻划光栅。
如此设置，进入光路盒的入射光首先通过准直镜准直成一束平行光入射至光栅上，然后，通过入射至光栅实现对拉曼光信号的色散作用，最后通过聚焦镜将光栅的一级衍射光线聚焦到探测器上，进而实现光路盒对拉曼光信号的分光作用，光栅采用刻划光栅，利用刻画光栅高灵敏度和高反射的优点，进一步实现提高基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪灵敏度的特点。
进一步设置：所述拉曼探头与所述光路盒之间连接有光纤线，所述光路盒靠近所述激光器的一端连接有用于固定所述光纤线的连接器，所述连接器与所述准直镜光路连接。
如此设置，光路盒通过与准直镜光路连接的连接器连接，连接于拉曼探头的光纤线与连接器连接，起到降低拉曼光信号能量的损耗，同时，省去FC转接头，降低成本的作用。
进一步设置：所述连接器内设置有控制拉曼光信号进入所述光路盒的狭缝。
如此设置，通过连接器内设置的狭缝控制进入光路盒内的拉曼光通量，进而实现提高制冷型背照式CCD探测器的分辨率的目的。
进一步设置：所述后置槽的内侧壁上开设有用于滤除一级杂散光的一级滤光槽，所述一级滤光槽位于所述聚焦镜靠近所述光栅的一侧。
如此设置，色散后的拉曼光信号通过后置槽内侧壁上开设的一级滤光槽，实现将光栅入射至聚焦镜上的一级杂散光滤除的功能。
进一步设置：所述后置槽靠近所述准直镜内侧壁开设有用于消除二级杂散光的二级滤光槽，所述二级滤光槽位于所述准直镜靠近所述制冷型背照式CCD探测器的一侧。
如此设置，经过聚焦镜分光后的拉曼光信号通过后置槽靠近光路盒的准直镜内侧壁开设的二级滤光槽，实现将聚焦镜入射至探测器上的二级杂散光滤除的功能。
进一步设置：所述控制模块包括触摸操作屏和核心电路板，所述触摸操作屏与所述核心电路板电路连接，所述核心电路板电路连接有用于定位的GPS模块和北斗模块。
如此设置，通过核心电路板电路连接的GPS模块和北斗模块，实现定位功能，当在偏远地区或需要发送所在位置而切换定位模块时，通过触摸操作屏进行切换GPS模块和北斗模块的功能。
进一步设置：所述核心电路板电路连接有用于数据传输的WiFi模块和蓝牙模块。
如此设置，基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪通过核心电路板电路连接的WiFi模块和蓝牙模块连接具有无线功能的笔记本、平板电脑等操作终端进行控制测量及数据传输，便于数据的采集。
通过采用上述技术方案，发明相对现有技术相比：首先，通过将待测样品摆放至设置于壳体前置槽内的拉曼探头前，通过控制模块控制设置于前置槽内的激光器和设置于后置槽内的制冷型背照式CCD探测器，实现调节激光器的激光功率和制冷型背照式CCD探测器的曝光时间的功能；然后，拉曼光信号通过拉曼探头收集进入光路盒内，进入光路盒的入射光首先通过准直镜准直成一束平行光入射至光栅上，然后，通过入射至光栅实现对拉曼光信号的色散作用，最后通过聚焦镜将光栅的一级衍射光线聚焦到探测器上，进而实现光路盒对拉曼光信号的分光作用；光栅采用刻划光栅，利用刻画光栅高灵敏度和高反射的优点，进一步实现提高基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪灵敏度的特点；最后，分光后的拉曼信号光通过呈一体式结构设置的光路盒反射到达制冷型背照式CCD探测器进行成像，利用背照式感光原理，实现增大光电转换效率的目的，通过制冷型背照式CCD探测器内封装的热电制冷器，实现探测器工作温度恒定的功能，确保探测器效率不受外界环境温度影响，进而实现提高测量的高灵敏度、高准确率且便携的目的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的部分结构示意图；
图3为本发明的光路示意图。
图中：1、壳体；2、前置槽；3、后置槽；4、控制模块；5、拉曼探头；6、激光器；7、制冷型背照式CCD探测器；8、光路盒；9、热电制冷器；10、聚焦镜；11、光栅；12、准直镜；13、光纤线；14、连接器；15、狭缝；16、一级滤光槽；17、二级滤光槽；18、触摸操作屏；19、核心电路板；20、GPS模块；21、北斗模块；22、WiFi模块；23、蓝牙模块。
具体实施方式
参照图1至图3对基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪做进一步说明。
一种基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪，如图1所示，包括壳体1，壳体1内开设有前置槽2和后置槽3，前置槽2内设置有控制模块4、与控制模块4电路连接的拉曼探头5和激光器6。
如图1所示，控制模块4包括触摸操作屏18和核心电路板19，触摸操作屏18与核心电路板19电路连接，核心电路板19电路连接有用于定位的GPS模块20和北斗模块21；核心电路板19电路连接有用于数据传输的WiFi模块22和蓝牙模块23。
如图1和图2所示，后置槽3内连接有制冷型背照式CCD探测器7和用于拉曼光信号分光且呈一体式结构设置的光路盒8；光路盒8包括聚焦镜10、光栅11和准直镜12，光栅11为刻划光栅11；光路盒8与拉曼探头5光路连接；拉曼探头5与光路盒8之间连接有光纤线13，光路盒8靠近激光器6的一端连接有用于固定光纤线13的连接器14，连接器14与准直镜12光路连接；连接器14内设置有控制拉曼光信号进入光路盒8的狭缝15。制冷型背照式CCD探测器7内封装有热电制冷器9。后置槽3的内侧壁上开设有用于滤除一级杂散光的一级滤光槽16，一级滤光槽16位于聚焦镜10靠近光栅11的一侧。后置槽3靠近准直镜12的内侧壁开设有用于消除二级杂散光的二级滤光槽17，二级滤光槽17位于准直镜12靠近制冷型背照式CCD探测器7的一侧。
如图3所示，待测样品摆放至拉曼探头5前，通过激光器6发射的激光在待测样品表面产生反映待测样品成分的拉曼光信号，通过拉曼探头5收集进入光路盒8内，通过光路盒8对拉曼光信号进行分光，拉曼信号完成分光后入射至制冷型背照式CCD探测器7。
工作原理：首先，通过将待测样品摆放至设置于壳体1前置槽2内的拉曼探头5前，通过控制模块4控制设置于前置槽2内的激光器6和设置于后置槽3内的制冷型背照式CCD探测器7，实现调节激光器6的激光功率和制冷型背照式CCD探测器7的曝光时间的功能；然后，拉曼光信号通过拉曼探头5收集进入光路盒8内，其中，光路盒8通过与准直镜12光路连接的连接器14连接，连接于拉曼探头5的光纤线13与连接器14连接，起到降低拉曼光信号能量的损耗，同时，省去FC转接头，实现降低成本的作用；通过连接器14内设置的狭缝15控制进入光路盒8内的拉曼光通量，进而实现提高制冷型背照式CCD探测器7的分辨率的目的；之后，进入光路盒8的入射光首先通过准直镜12准直成一束平行光入射至光栅11上；然后，通过入射至光栅11实现对拉曼光信号的色散作用，色散后的拉曼光信号通过后置槽3内侧壁上开设的一级滤光槽16，实现将光栅11入射至聚焦镜10上的一级杂散光滤除的功能；最后通过聚焦镜10将光栅11的一级衍射光线聚焦到探测器上，经过聚焦镜10分光后的拉曼光信号通过后置槽3靠近光路盒8的准直镜12内侧壁开设的二级滤光槽17，实现将聚焦镜10入射至探测器上的二级杂散光滤除的功能，进而实现光路盒8对拉曼光信号的分光作用；光栅11采用刻划光栅11，利用刻画光栅11高灵敏度和高反射的优点，进一步实现提高基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪灵敏度的特点；最后，分光后的拉曼信号光通过呈一体式结构设置的光路盒8反射到达制冷型背照式CCD探测器7进行成像，利用背照式感光原理，实现增大光电转换效率的目的，通过制冷型背照式CCD探测器7内封装的热电制冷器9，实现探测器工作温度恒定的功能，确保探测器效率不受外界环境温度影响，进而实现提高测量的高灵敏度、高准确率且便携的目的。
另外，通过核心电路板19电路连接的GPS模块20和北斗模块21，进而实现定位功能，当在偏远地区或需要发送所在位置而切换定位模块时，通过触摸操作屏18进行切换GPS模块20和北斗模块21的功能；基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪通过核心电路板19电路连接的WiFi模块22和蓝牙模块23连接具有无线功能的笔记本、平板电脑等操作终端进行控制测量及数据传输，便于数据的采集，光路盒呈一体式结构设置，进一步使基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪体积减小且轻便。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪，包括壳体(1)，所述壳体(1)内开设有前置槽(2)和后置槽(3)，所述前置槽(2)内设置有控制模块(4)、与所述控制模块(4)电路连接的拉曼探头(5)和激光器(6)，其特征在于：所述后置槽(3)内连接有制冷型背照式CCD探测器(7)和用于拉曼光信号分光且呈一体式结构设置的光路盒(8)，所述制冷型背照式CCD探测器(7)与所述控制模块(4)电路连接，所述光路盒(8)与所述拉曼探头(5)光路连接，所述制冷型背照式CCD探测器(7)内封装有热电制冷器(9)。
2.根据权利要求1所述的一种基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪，其特征在于：所述光路盒(8)包括聚焦镜(10)、光栅(11)和准直镜(12)，所述光栅(11)为刻划光栅。
3.根据权利要求2所述的一种基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪，其特征在于：所述拉曼探头(5)与所述光路盒(8)之间连接有光纤线(13)，所述光路盒(8)靠近所述激光器(6)的一端连接有用于固定所述光纤线(13)的连接器(14)，所述连接器(14)与所述准直镜(12)光路连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪，其特征在于：所述连接器(14)内设置有控制拉曼光信号进入所述光路盒(8)的狭缝(15)。
5.根据权利要求2所述的一种基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪，其特征在于：所述后置槽(3)的内侧壁上开设有用于滤除一级杂散光的一级滤光槽(16)，所述一级滤光槽(16)位于所述光聚焦镜(10)靠近所述光栅(11)的一侧。
6.根据权利要求2所述的一种基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪，其特征在于：所述后置槽(3)靠近所述准直镜(12)的内侧壁开设有用于消除二级杂散光的二级滤光槽(17)，所述二级滤光槽(17)位于所述准直镜(12)靠近所述制冷型背照式CCD探测器(7)的一侧。
7.根据权利要求1所述的一种基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪，其特征在于：所述控制模块(4)包括触摸操作屏(18)和核心电路板(19)，所述触摸操作屏(18)与所述核心电路板(19)电路连接，所述核心电路板(19)电路连接有用于定位的GPS模块(20)和北斗模块(21)。
8.根据权利要求7所述的一种基于制冷型背照式CCD的手持式拉曼光谱仪，其特征在于：所述核心电路板(19)电路连接有用于数据传输的WiFi模块(22)和蓝牙模块(23)。
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