CN109001114A - 多光源多用途探头 - Google Patents

Abstract

多光源多用途探头，由光源头和探测座两部分组成，所述光源头和探测座通过连接机构耦合安装，特征是光源头由光源支架、光源及光源头连接机构组成；其中光源支架上设有若干光源安装孔，光源安装孔的角度可调，能够将该光源安装孔中的光源的发散角在均匀照射和会聚照射两者之间切换；探测座为透镜探测座和/或光纤探测座。本发明可通过更换不同的光源波长，方便的实现激发光源的波长调节。可通过调节光源支架与光源的放置方式，实现对光源的聚焦照明或均匀照明，调节快速方便，照明方式可选择性多。可通过控制光源的发光调节选择对待测物质的照射方式如均匀照射或会聚照射，实现对待测物质的波长扫描；本发明结构简单灵活，体积小，易于便携。

Description

多光源多用途探头

技术领域

本发明涉及微弱信号探测领域，如进行物质的荧光、拉曼探测或者任何发射光采集，主要通过光源头与探测座有效组合和合理结构设计，实现在任何光源下对物质的最大能量激发和对发射波段的有效收集，并且具有体积小，便携式特点，以满足现有仪器发展的小型化、高灵敏度的基本要求。该结构主要应用在微弱信号检测（荧光检测和拉曼检测）领域。

背景技术

近年来，随着科技的发展和前言学科的相互交叉融合，对光谱探测仪器逐渐向着小型化、模块化、便携式、高灵敏度和高精度方向发展，因此一些传统的光谱探测技术，为满足市场化的基本需求，不仅在探测原理和方法上进行了改进，同时在整个探测结构上进行了优化，仪器模块化趋势突出。在光谱探测领域，光纤传输光谱极大减小了仪器的体积，增加了仪器灵活性，特别是在荧光探测或者拉曼探测中，光纤不仅用于激发光的传输，也可用于发射信号的收集和传输，并且市场上出现了各种荧光探头或拉曼探头，多数都是以光纤进行光束传输。

市场上出现的荧光探头或者拉曼探头，基本的设计思想是根据不同滤光片和双色镜的结构组合，通过对激发光实现对样品的有效激发和信息收集。不仅造价高，结构复杂，同时受限于双色镜和滤光片的参数设计，一个荧光探头或拉曼探头多数只针对一种波长进行设计，难以实现在任意波长下的仪器器件的通用性，如现有的拉曼探头最低激发波长为410nm，而对于需要极紫外波长激发的样品，该探头不适用。同时探头很少满足紫外光条件下使用。在激发光源的选择上，探头对于激发光源针对性极强，难以实现激发光源的互换和调整。总之，现有的光谱探测探头不具有通用性，使用极不方便，难以实现仪器的小型化和便携式。

发明内容

本发明提供一种多光源多用途探头设计方案，该探头不仅能够满足在不同波段下的使用要求，同时满足激发光源可调可换，、具有小型化和便携式性质，并结合光纤的光谱传输性质，既可以作为荧光探头，也可以作为拉曼探头，具有多种探测用途，能够应用在任何一个样品信息收集或激发的仪器中。

本发明采用的技术方案如下：一种多光源多用途探头，由光源头和探测座两部分组成，所述光源头和探测座通过连接机构耦合安装，其特征在于，所述光源头由光源支架、光源及光源头连接机构组成；其中光源支架上设有若干光源安装孔，该光源安装孔的角度可调，能够将该光源安装孔中的光源的发散角在均匀照射和会聚照射两者之间切换；所述探测座为透镜探测座和/或光纤探测座。

所述的“连接机构”可以是螺纹连接（通用螺纹）；也可以是卡扣连接、磁性连接或其他连接方式。

所述透镜探测座的结构是：在透镜安装支架上设有连接机构（光源安装螺纹），该连接机构与透镜光源连接；所述透镜安装支架中的光路上依次设有光收集透镜、滤光片及光聚焦透镜；所述光纤探测座的结构是：在光纤安装支架上设有连接机构（光源安装螺纹），该连接机构与透镜光源连接；所述光纤安装支架中的光路上依次设有光纤收集探头及光纤滤光片。

换言之，本发明是一种高效率的多光源多用途探头设计及其使用方法，多用途探头主要分为两部分组成：光源头和探测座。光源头主要对待测物质提供光源激发和照射，探测座主要对物质的发射光进行高效收集和传输。根据待测物质使用条件，探测座和光源头分为两种形式。其中，探测座分为透镜探测座和光纤探测座，透镜探测座包括透镜安装支架1，透镜光源安装螺纹2，光收集透镜3，滤光片4，光聚焦透镜5组成，光纤探测座主要包括光纤安装支架6，光纤收集探头7，光纤光源安装螺纹8，光纤滤光片9，光源头10主要由光源支架10-1、光源10-2及光源头通用螺纹10-3组成。

光源头10是由光源10-2根据一定的角度安装到光源支架10-1上。光源支架10-1成圆环形、多边形、花瓣形或者其他任何形状（本申请以圆环形进行示意），支架上有多个光源安装孔，根据需要，可选择光源安装的波长、类型和安装数量。

光源支架10-1外环上有通用螺纹10-3，主要用于光源头10和探测座的耦合安装。

常用的光源头通过调整光源与光源支架位置，形成两种照射方式，均匀照射和会聚照射。会聚照射时光源倾斜于光源支架放置，如图2所示，光源采用平行光或会聚光光源，单个光源在待测物质处形成近似点斑，所有光源同时发光，增大点光斑强度，增加激发光能量。均匀照射时光源近似垂直于光源支架，如图3所示，光源采用发散光源，发散光在待测物质处形成较大圆形光斑，所有光源支架上的光源同时发光，光斑重叠形成均匀的光斑。

光源支架10-1可安装光源10-2（LED）类型可分为发散型光源和会聚型光源，发散型光源出射光具有较大的发散角，而会聚型光源出射光发散角很小。在光源头均匀照射方式下，光源10-2采用发散型光源形成发散光；在光源头会聚照射方式下，光源10-2采用会聚型光源形成会聚光。

光源可以通过透镜光学系统进行改善发散角，如不带透镜LED形成发散光斑，带透镜LED可形成会聚光斑。LED或LD是常见的可用光源。

透镜探测座中光束收集主要通过透镜实现，光收集透镜3可以是单独透镜，也可以是透镜组，主要收集待测物质的发射光，光收集透镜3选择F数小的透镜（如F数在0.4——0.8之间），可以最大效率的实现发射光收集，物质发射光经过光收集透镜3后变为平行光，通过滤光片4进行滤波，滤光片4的选择根据探头的用途而变化，可选择窄带滤光片、带通滤光片、长通滤光片或短通滤光片。经过滤光片后的收集光经过光聚焦透镜5形成会聚光，耦合到光纤中或者直接接入探测器（如PD、CCD等）。

透镜探测座中的透镜安装支架1对整个光学光路3，4，5进行封装，增加系统稳定性，透镜支架外部可根据实际需求设计成不同的形状外貌。透镜支架1的顶部设计有光源安装螺纹2，主要和光源头10相互连接。光源头螺纹2与透镜安装支架1一体式封闭。将安装好光源的光源头通过光源通用螺纹10-3和透镜安装支架上的螺纹2相互耦合，完成整个透镜式探测探头的安装。如图5所示。

光纤探测座中光束的收集主要通过多模光纤实现，光纤收集探头7是多模光纤，多模光纤的芯径越大，收集效率越高，一般光纤收集探头7采用多模光纤束，通常使用多芯多模光纤束以增加光束收集效率。如果收集光直接进入光谱仪或单色仪等狭缝入射的光学分析仪器，光纤采用圆形光纤束转线型光纤束的多模光纤。

光纤滤光片9主要对光纤收集探头7收集到的光束进行滤波，减小消除外界杂散光和激发光源对信号的影响，提高信噪比。光纤滤光片可放置多种类型滤光片，如长通滤光片、短通滤光片，窄带滤光片等。

光纤安装支架6主要固定光纤收集探头7，其光纤安装支架6的外形设计可根据实际需要进行改变。光纤光源安装螺纹8与光纤安装支架6成整体，主要用于与光源头的耦合。

光纤探测探头安装时，将安装好光源的光源头通过通用螺纹10-3直接与光纤探测座的光源安装螺纹8耦合安装，从而实现探测探头的光源安装。该光纤探测探头关键技术主要有两点：光源头安装到光纤探测座的位置设计应满足光源头会聚焦点最大限度接近与光纤收集探头，从而实现最大限度的增大收集光效率。如图7所示。

本发明具有如下的优点和技术效果：

1，该探头可通过更换不同的光源波长，方便的实现激发光源的波长调节。

2，该探头可通过调节光源支架与光源的放置方式，实现对光源的聚焦照明或均匀照明，调节快速方便，照明方式可选择性多。

3，该探头可通过控制光源的发光调节，选择对待测物质的照射方式如均匀照射或会聚照射：通过对不同光源进行顺序发光，实现对待测物质的波长扫描；通过安装同波长光源使其同时发光，实现对待测物质激发光的增强效果。

4，该探头结构简单灵活，体积小，易于便携，可用于光谱测量、光谱成像、荧光拉曼检测等多种用途。

附图说明

图1-1、图1-2为本发明的光源头组成示意图；

图2 为本发明的光源头会聚照明结构示意图；

图3 为本发明的光源头均匀照明结构示意图；

图4为本发明的透镜探测座结构示意图；

图5 为本发明的透镜探测探头整体结构示意图；

图6 为本发明的光纤探测座结构示意图；

图7 为本发明的光纤探测探头整体结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案更加清楚，将结合附图对本发明的使用做进一步的阐述。

一种高效率的多光源多用途探头设计及其使用方法，多用途探头主要分为两部分，光源头和探测座，光源头主要提供激发光源，激发光照射可选择均匀光照射，会聚光照射；探测座主要为待测物质的发射光进行收集和传输，影响多用途探头的关键在于激发光照射强度和收集光的收集效率，根据不同的使用条件和探测要求，本发明设计了两种探头方案：透镜探测探头和光纤探测探头，其主要的实施方式如下：

实施例1，透镜探测探头的安装和调试。

第一，光源头的调节和安装。如图1所示，光源头主要包括光源支架10-1，光源10-2，及光源支架侧面的通用螺纹10-3组成。光源支架为圆环形（或者任何形状，以圆环形支架作为示意图），圆环上可设有多个可安装光源的光源孔，光源孔平均分布在光源支架圆环上。

光源波长选择：光源波长可选择同一波长，也可以选择不同波长安装，较大方便了光源的波长更换。

光源数量的选择：光源安装可选择单个光源，也可以选择多个光源同时安装，其光源安装的最大数量受限于光源环形支架10-1上的光源孔数。

光源类型选择：光源可选择LED也可选择LD，或者其他任何体积较小的光源。LED可选择不带透镜LED，也可选择带透镜的LED，其光源的种类选择应与光源支架10-1上的光源孔相吻合，目的是使所选光源能够较为稳定安装到光源支架10-1上的光源孔中。

光源照射方式的选择：通过调节光源10-2与光源支架10-1的安装角度，可实现光源的均匀照射和会聚照射。当光源10-2与光源支架10-1具有倾斜斜角安装时，通过调整多个光源10-2的倾斜角，使得所有光源向着同一点即会聚，如图2所示，从而形成了会聚照射。在会聚照射时光源选择会聚型光源，目的是使发射光不发散。当光源10-2与光源支架10-1近似垂直安装时，使得所有光源发散照射，多个光源的光相互重叠，从而形成了均匀照射，如图3所示。在均匀照射时光源选择发散的光源，目的是使激发光发散，从而在照射面内均匀叠加。

光源控制方式的选择：光源控制方式可选择所有光源同时发光，也可以选择光源顺序发光，在光源发光方式上可选择脉冲发光，也可以选择连续发光。

通过以上的光源安装选择，形成探测所需要的探测光光源照射方式。

第二，透镜探测座的安装。

透镜探测座主要包括透镜安装支架1，光源安装螺纹2，光收集透镜3，滤光片4，光聚焦透镜5组成，透镜安装支架1主要起到对整个透镜探测座进行固定、封闭作用，透镜探测座主要对物质的发射光进行收集和光束的传输，物质的发射光经过光收集透镜3后变为平行光，经过滤光片4对光束进行滤波，消除掉激发光或者外界杂散光对发射光的影响，提高信号的信噪比，滤波片4可以是长通滤光片、窄带滤光片等，滤波后的收集光或发射光经光聚焦透镜5聚焦，传输到探测设备中。整个结构如图4所示。

发射光的收集效率主要由光收集透镜3决定。透镜3的F数越小，光收集效率高，在安装和调试时应尽量选择光收集透镜3的F数比较小的透镜最好。

光收集透镜3和光聚焦透镜5可以是单个透镜，也可以是一个透镜组，根据实际需要进行选择。

第三，光源头与透镜探测座的耦合。

根据实际探测的需要，选择好安装合适的光源波长、光源数量和光源照明方式，通过光源头通用螺纹10-3与透镜探测座的光源安装螺纹2相互耦合，从而实现整个透镜探测探头的安装。完整图如图5所示。

在选择光源头会聚照射的条件下，安装时要保证光源的会聚焦点与光收集透镜3的焦点重合，从而获得最大的激发光光强和最大的发射光收集效率。

实施例2，光纤探测探头的安装和调试。

光纤探测探头的光源头安装与透镜探测探头的光源头安装完全相同，包括光源波长、光源数量、光源照明方式等调节。

第四，光纤探测座的安装。

光纤探测座主要包括光纤安装支架6，光纤收集探头7，光源安装螺纹8，光纤滤光片9，光纤收集探头7是进行发射光收集的最主要器件，也是光收集的唯一器件。光纤收集探头端面可以是单芯也可以是多芯光纤端面。芯径,越大，光纤芯越多，发射光收集效率越高，当发射光传输到光谱仪或单色仪上时，收集光纤选择圆形转线性光纤束，其收集光纤探头前端面选择芯径较大的圆形多束光纤，其收集光纤末端的线性光纤束的线性方向和光谱仪的狭缝方向相同，以增大光的收集效率。光纤安装支架6主要固定光纤收集探头，光纤安装支架的外形可根据实际测试需要和环境要求进行设计和改善。光纤滤光片9主要消除或减小外界杂散光和激发光对收集信号的影响，提高收集信号的信噪比。光纤探测座的完整图如图6所示。

第五，光纤探测座与光源头的耦合。

根据实际测试需要调整好光源头的特征参数，将光源头的通用螺纹与光纤探测座的光源安装螺纹8相互耦合，从而实现光源探测探头的安装。如图7所示。

在选择光源头会聚照射的条件下，光纤探测座与光源头的安装时要保证光源的会聚焦点接近于光纤收集探头的端面，从而获得最大的发射光收集效率。

Claims (10)

1.一种多光源多用途探头，由光源头和探测座两部分组成，所述光源头和探测座通过连接机构耦合安装，其特征在于，所述光源头由光源支架、光源及光源头连接机构组成；其中光源支架上设有若干光源安装孔，该光源安装孔的角度可调，能够将该光源安装孔中的光源的发散角在均匀照射和会聚照射两者之间切换；所述探测座为透镜探测座和/或光纤探测座。

2.根据权利要求1所述的多光源多用途探头，其特征在于，所述的“连接机构”是螺纹连接；或卡扣连接，或磁性连接。

3.根据权利要求1所述的多光源多用途探头，其特征在于，所述的光源头是由光源根据一定的角度安装到光源支架上；该光源支架成圆环形、多边形或花瓣形，支架上有多个光源安装孔，根据需要选择光源安装的波长、类型和安装数量。

4.根据权利要求1所述的多光源多用途探头，其特征在于，所述的光源采用LED或LD；其中的LED为带透镜LED或不带透镜LED。

5.根据权利要求1所述的多光源多用途探头，其特征在于，所述透镜探测座的结构是：在透镜安装支架上设有连接机构，该连接机构与透镜光源连接；所述透镜安装支架中的光路上依次设有光收集透镜、滤光片及光聚焦透镜；所述光纤探测座的结构是：在光纤安装支架上设有连接机构，该连接机构与透镜光源连接；所述光纤安装支架中的光路上依次设有光纤收集探头及光纤滤光片。

6.根据权利要求5所述的多光源多用途探头，其特征在于，所述的透镜探测座中光束收集通过透镜实现，光收集透镜是单独透镜，或是透镜组。

7.根据权利要求5所述的多光源多用途探头，其特征在于，所述的光收集透镜选择F数小的透镜，所述的滤光片选择窄带滤光片、带通滤光片、长通滤光片或短通滤光片；经过滤光片后的收集光经过光聚焦透镜5形成会聚光，耦合到光纤中或者直接接入探测器。

8.根据权利要求7所述的多光源多用途探头，其特征在于，所述的F数小的透镜为：F数在0.4——0.8之间的透镜。

9.根据权利要求5所述的多光源多用途探头，其特征在于，所述的光纤探测座中的光纤采用圆形光纤束转线型光纤束的多模光纤。

10.根据权利要求5-9之一所述的多光源多用途探头，其特征在于，所述的光纤滤光片放置有多种类型滤光片，包括长通滤光片、短通滤光片或窄带滤光片。