CN109682791A - 一种基于光空间自由传输的无光纤手持拉曼光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于空间光自由传输的无光纤手持拉曼光谱仪，壳体上设有光谱仪容纳腔、无光纤探头容纳腔、激光腔，光栅装置、光检测装置、透镜、聚焦透镜、控制电路板安装在光谱仪容纳腔内，耦合透镜装置、探头聚焦透镜、分光结构安装在无光纤探头容纳腔内，激光器安装在激光腔内，光谱仪容纳腔与探头容纳腔相邻，光谱仪容纳腔与无光纤探头容纳腔之间设有用于导光的狭缝，无光纤探头容纳腔远离狭缝的一侧设有样品测试附件安装口，样品测试附件安装在样品测试附件安装口处，耦合透镜装置、分光结构、探头聚焦透镜、样品测试附件依次相连，耦合透镜装置远离分光结构的一端与狭缝相连。本发明拉曼光谱仪具有无光纤、探测信号强、仪器尺寸小的优点。

Description

一种基于光空间自由传输的无光纤手持拉曼光谱仪

技术领域

本发明涉及拉曼光谱仪领域，尤其涉及一种基于空间光自由传输的无光纤手持拉曼光谱仪。

背景技术

拉曼光谱仪系统是基于拉曼散射机理设计而成的，拉曼散射是重要的光谱分析手段，通过收集物质成分的拉曼光谱信息，可分析出物质的分子结构信息。拉曼光谱是种强大的光谱分析技术，传统方式的拉曼检测一般体积庞大，只能针对于实验室和固定位置的进行拉曼探测。拉曼光谱仪经多年的发展已发展为可进行现场测试的手持拉曼光谱仪，可现场进行快速取证，广泛用于海关、公安、安检等领域。

目前市面上已有多中手持拉曼光谱仪的商品在出售，并有不少专利已被公开，该类型手持拉曼光谱仪基本为采用光纤探头的手持拉曼光谱仪。专利CN102519937B、专利CN207600943U、专利CN201810837772.9等专利均采用光纤传输光路，而非光空间自由传输的无光纤系统。光纤作为导光器件，在手持拉曼光谱仪中主要用于将激光传输到拉曼探头和将拉曼信号传输到光谱仪盒。光纤的材料对于不同波长的光会有一定的吸收损耗，并且在光纤耦合器体积比较大且耦合效率比较低，一般光纤耦合效率均在80%-90%。采用光纤传输的手持拉曼光谱仪存在以下局限性，第一：由于光纤转弯半径和光纤接头尺寸的限制，仪器小型化设计受限，而小型化是手持式仪器的一个非常重要的指标。第二：由于光纤材料的光吸收和接头光信号耦合损失，仪器的信号强度不高，导致拉曼检测时间长。

基于目前手持拉曼存在的局限性和存在的问题，目前急需一种新型的手持拉曼光路系统来解决现有问题，所以本专利针对性的提出一种基于光空间自由传输的无光纤手持拉曼光谱仪。

发明内容

本发明提供了一种基于空间光自由传输的无光纤手持拉曼光谱仪，以至少解决现有技术的局限性和不足，实现手持拉曼光谱仪无光纤化、拉曼探测信号的增强和仪器尺寸的最小化设计。

本发明提供了一种基于空间光自由传输的无光纤手持拉曼光谱仪，包括壳体、激光器、光栅装置、耦合透镜装置、探头聚焦透镜、样品测试附件、光检测装置、分光结构、透镜、聚焦透镜、控制电路板，所述壳体上设有光谱仪容纳腔、无光纤探头容纳腔、激光腔，所述光栅装置、光检测装置、透镜、聚焦透镜、控制电路板安装在光谱仪容纳腔内，所述耦合透镜装置、探头聚焦透镜、分光结构安装在无光纤探头容纳腔内，所述激光器安装在激光腔内，所述光谱仪容纳腔与无光纤探头容纳腔相邻，所述光谱仪容纳腔与无光纤探头容纳腔之间设有用于导光的狭缝，所述无光纤探头容纳腔远离狭缝的一侧设有样品测试附件安装口，所述样品测试附件安装在样品测试附件安装口处，所述耦合透镜装置、分光结构、探头聚焦透镜、样品测试附件依次相连，所述耦合透镜装置远离分光结构的一端与狭缝相连，所述聚焦透镜、透镜、光检测装置、光栅装置顺时针安装在光谱仪容纳腔内，所述狭缝位于聚焦透镜、光栅装置之间，所述狭缝、透镜、光栅装置、聚焦透镜、光检测装置依次组成光折射路径，所述激光器安装在分光结构的一侧。

进一步地，所述激光器为无光纤半导体激光器。

进一步地，所述光栅装置包括光栅固定座、光谱仪光栅，所述光谱仪光栅安装在光栅固定座上，所述光栅固定座可转动安装在壳体内。

进一步地，所述耦合透镜装置包括耦合透镜固定架、探头耦合透镜、耦合透镜前后调节筒，所述耦合透镜前后调节筒通过耦合透镜固定架安装在壳体内，所述探头耦合透镜安装在耦合透镜前后调节筒内。

进一步地，所述分光结构包括光处理固定座、分光片、长波通滤光片，所述分光片通过光处理固定座安装在壳体内，所述长波通滤光片安装在光处理固定座和耦合透镜装置之间。

进一步地，所述光检测装置包括光谱仪柱透镜、CCD调节座、CCD探测器，所述光谱仪柱透镜安装在CCD探测器上，所述CCD探测器安装在CCD调节座上，所述CCD调节座可转动安装在壳体内。

进一步地，所述透镜为光谱仪准直透镜。

进一步地，所述聚焦透镜为光谱仪聚焦透镜

进一步地，所述拉曼光谱仪还包括供能装置，所述供能装置为电池模块，所述电池模块安装在壳体内，所述电池模块分别与激光器、光检测装置、控制电路板相连，且所述电池模块上设有采集按钮。

进一步地，所述控制电路板包括信息采集电路板、USB接口，所述USB接口安装在壳体上，且所述USB接口与信息采集电路板相连。

本发明相对于现有技术，利用光谱仪特有的光空间自由传输方式实现多项关键性技术的突破，实现拉曼光谱仪的无光纤化，提高系统效率和检测速度，实现仪器尺寸的最小化设计，减少使用器件，降低生产成本。同时，本发明采用无光纤化传输信号，避免了光纤传导的损失，通过特有的自由空间光传输光路来完成激光信号的输出和拉曼信号的接收，两部分的效率都得到了明显提高：第一，激发光能量提高了15%-20%，第二，拉曼信号收集效率提高了15%-20%，综合两者的性能提升，整个系统的信号实际提高了30%-40%。

附图说明

图1为本发明提供基于光空间自由传输的无光纤手持拉曼光谱仪的俯视图；

图2本发明提供基于光空间自由传输的无光纤手持拉曼光谱仪的三维图；

图3本发明提供基于光空间自由传输的无光纤手持拉曼光谱仪的光路示意图；

1—壳体；2—无光纤半导体激光器；3—狭缝；4—光栅固定座；5—CCD调节座；6—CCD探测器；7—耦合透镜固定架；8—耦合透镜前后调节筒；9—光处理固定座；10—样品测试附件；11—电池模块；12—光谱仪柱透镜；13—光谱仪准直透镜；14—光谱仪聚焦透镜；15—光谱仪光栅；16—长波通滤光片；17—分光片；18—探头聚焦透镜；19—探头耦合透镜；20—控制电路板；21—采集按钮。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。

本发明实施例公开了一种基于空间光自由传输的无光纤手持拉曼光谱仪，如图1、图2和图3所示，包括壳体1、激光器2、光栅装置、耦合透镜装置、探头聚焦透镜、样品测试附件10、光检测装置、分光结构、透镜13、聚焦透镜14、控制电路板20，所述壳体1上设有光谱仪容纳腔、无光纤探头容纳腔、激光腔，所述光栅装置、光检测装置、透镜13、聚焦透镜14、控制电路板20安装在光谱仪容纳腔内，所述耦合透镜装置、探头聚焦透镜、分光结构安装在无光纤探头容纳腔内，所述激光器2安装在激光腔内，所述光谱仪容纳腔与无光纤探头容纳腔相邻，所述光谱仪容纳腔与无光纤探头容纳腔之间设有用于导光的狭缝3，所述无光纤探头容纳腔远离狭缝3的一侧设有样品测试附件安装口，所述样品测试附件10安装在样品测试附件安装口处，所述耦合透镜装置、分光结构、探头聚焦透镜18、样品测试附件10依次相连，所述耦合透镜装置远离分光结构的一端与狭缝3相连，所述聚焦透镜14、透镜13、光检测装置、光栅装置顺时针安装在光谱仪容纳腔内，所述狭缝3位于聚焦透镜14、光栅装置之间，所述狭缝3、透镜13、光栅装置、聚焦透镜14、光检测装置依次组成光折射路径，所述激光器2安装在分光结构的一侧。

可选的，如图1、图2和图3所示，所述激光器2为无光纤半导体激光器2。

可选的，如图1、图2和图3所示，所述光栅装置包括光栅固定座4、光谱仪光栅15，所述光谱仪光栅15安装在光栅固定座4上，所述光栅固定座4可转动安装在壳体1内。

可选的，如图1、图2和图3所示，所述耦合透镜装置包括耦合透镜固定架7、探头耦合透镜19、耦合透镜前后调节筒8，所述耦合透镜前后调节筒8通过耦合透镜固定架7安装在壳体1内，所述探头耦合透镜19安装在耦合透镜前后调节筒8内。

可选的，如图1、图2和图3所示，所述分光结构包括光处理固定座9、分光片17、长波通滤光片16，所述分光片17通过光处理固定座9安装在壳体1内，所述长波通滤光片16安装在光处理固定座9和耦合透镜装置之间。

可选的，如图1、图2和图3所示，所述光检测装置包括光谱仪柱透镜12、CCD调节座5、CCD探测器6，所述光谱仪柱透镜12安装在CCD探测器6上，所述CCD探测器6安装在CCD调节座5上，所述CCD调节座5可转动安装在壳体1内。

可选的，所述透镜13为光谱仪准直透镜13。

可选的，所述聚焦透镜14为光谱仪聚焦透镜14

可选的，如图1、图2和图3所示，所述拉曼光谱仪还包括供能装置11，所述供能装置11为电池模块11，所述电池模块11安装在壳体1内，所述电池模块11分别与激光器2、光检测装置、控制电路板20相连，且所述电池模块11上设有采集按钮21。

可选的，所述控制电路板20包括信息采集电路板、USB接口，所述USB接口安装在壳体1上，且所述USB接口与信息采集电路板相连。

其中，无光纤半导体激光器2与电路板20相连。激光器为无光纤输出，通过电路板20驱动激光器2点亮后，激光器直接以近似平行光或一定发散角的方式打在分光片17上，分光片17需要调整角度以保证激光打在探头聚焦透镜18上，从而将激光准确的聚焦在样品测试附件10的测试样品上，实现对待测样品拉曼信号的激发。整个过程没有光纤的参与，半导体激光器2与分光片17的距离可以缩短至几毫米，减小了一个光纤接头和一个准直透镜至少30mm的长度，大大提高了该维度的空间利用率，尺寸更小。

本发明实施例的激光器结构可在缩小体积的同时，省去了光纤和准直透镜（原模型光纤和准直透镜介于激光器2和分光片17之间），这两部分的效率也得到了有效的提高，具体体现在：光纤5-10%传输损失，准直透镜能量损失5%，采用无光纤的空间自由传输，半导体激光器2到分光片17的激光传输效率就提高了10-15%。同时，本发明实施例中无光纤半导体激光器2有两种固定模式，一种是固定不可调节，另一种方式是可调节可固定。所有方式均为了保证与拉曼信号收集光路共焦，保证最大的能量打在样品上，系统接收最大的拉曼信号。

本发明中的分光片17可采用外置调节架或内置的调节结构进行角度调节，保证激光器准确的打在探头聚焦透镜18从而聚焦在待测样品上，通常样品由样品测试附件10紧靠固定，保证最佳的测试效果。

本发明实施例中拉曼探头主要由分光片17、分光片和滤光片固定座9、探头聚焦透镜18、探头耦合透镜19、长波通滤光片16组成。拉曼探头的功能一是，如上所述将激光准确高效的聚焦在样品上；二是，如图3所示，用于将拉曼信号收集到光谱仪模块。具体体现在：激光经探头聚焦透镜18聚焦在样品上，激发出拉曼信号，拉曼信号通过探头聚焦透镜18准直后透过分光片17，经长波通滤光片16将干扰光滤除，再经探头耦合透镜19将拉曼信号直接耦合到光谱仪狭缝3中。通过狭缝3的拉曼信号经光谱仪准直透镜13准直后平行入射到光谱仪光栅15上，拉曼衍射光经光谱仪聚焦透镜14和光谱仪柱透镜12聚焦在光谱仪CCD探测器6上，从而实现拉曼信号的分光聚焦效果。通过电路板20和安卓软件的软件显示出拉曼谱图，这个过程主要是通过一件触发采集按钮实现。

本发明中涉及的拉曼探头采用无光纤的耦合方式，拉曼信号直接通过探头耦合透镜19将拉曼信号耦合到光谱仪狭缝3。这相对于前述提到的专利中，省去了原有的一根传输光纤，原光纤介于狭缝3和耦合透镜固定架7之间。拉曼信号直接通过空间传输耦合到狭缝3中，实现拉曼探头和拉曼光谱仪两部分的直接对接。该方式大大提高了系统的拉曼传输效率，具体体现在：光纤5-10%传输损失，光纤耦合损失10%，本发明中激发出的拉曼信号通过探头部分的耦合透镜直接耦合进光谱仪，排除了对于拉曼信号光纤耦合10%和光纤传输的5-10%衰减，因此拉曼信号收集效率整体提高了15%-20%的。并且中间省去一根光纤，拉曼探头和光谱仪之间可实现超近距离安装，从而实现该维度的小型化设计，设计余量充足。

本发明中拉曼探头与光谱仪的对接尤为重要，通过特有的结构耦合透镜前后调节筒8、耦合透镜固定架7可实现多维度调节，实现快速调节齐焦。该结构方式可采用外置工装进行辅助调节，也可通过本身结构进行调节，或可通过定位销等定位器件直接安装固定。

如上所述的发明，激光器模块与拉曼探头模块的设计使得激光传输提高约15%-20%的能量，拉曼探头和拉曼光谱仪模块的耦合设计使得拉曼信号传输提高了15%-20%。所以本发明通过整体光学方案的改进，仪器的总体效率提高了30%-40%。实现了最难实现的两个维度的尺寸最小化设计，在两维度上留有更多的设计余量。

综上，本发明一种基于光空间自由传输的无光纤手持拉曼光谱仪，通过创新性的光路和结构设计摆脱了拉曼光谱仪对于光纤传输的依赖，实现仪器的无光纤化。同等条件下，总体效率提高30%-40%，同样信号采集时间减少了约30%-40%，更少的器件实现了仪器的最小化设计和更低的生产成本。这就是本发明的意义所在。

如图3所示，光谱仪主要由狭缝、准直镜、光栅、聚焦透镜、CCD等组成，入射的拉曼信号通过狭缝后打在准直镜上，信号光整形为平行光，平行光通过光栅分光打在聚焦透镜上，聚焦透镜将信号光聚焦到CCD感光面上，CCD将光信号转换成电信号，电路板则将CCD采集到的信号进行放大和数字化处理，然后传到上位机进行数据处理和显示。拉曼探头部分主要由三个独立的模块组成，分别是分光模块、准直模块、聚焦模块，三个模块分别承载了不同的用途。

本发明创新性的将激光器、光谱仪、拉曼探头三个模块的光传输从原有的光纤传输提升为光空间自由传输。自由空间半导体激光器输出近似的平行光，激光通过自由空间传输直接照射在探头的二向分色镜上，通过二向色镜将激光反射到探头的聚焦透镜上，从而将激光准确的聚焦在测试样品上，实现对待测样品拉曼信号的激发。市面上出售的手持拉曼光谱仪采用的光纤激光器输出，后端需要1-2片非球面透镜对激光进行准直后方可传输到探头的二向分色镜上，该部分存在光纤5-10%传输损失，准直透镜能量损失5%，所以激光能量损失会达到10%-15%。本发明通过激光光空间自由传输与拉曼探头耦合，提高了10%-15%的激光能量，即激发的拉曼信号提高了10%-15%；再者，本发明中激发出的拉曼信号通过探头部分的耦合透镜直接耦合进光谱仪，排除了对于拉曼信号光纤耦合10%和光纤传输的5-10%衰减，因此拉曼信号收集效率整体提高了15%-20%的。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于空间光自由传输的无光纤手持拉曼光谱仪，其特征在于，所述拉曼光谱仪包括壳体、激光器、光栅装置、耦合透镜装置、探头聚焦透镜、样品测试附件、光检测装置、分光结构、透镜、聚焦透镜、控制电路板，所述壳体上设有光谱仪容纳腔、无光纤探头容纳腔、激光腔，所述光栅装置、光检测装置、透镜、聚焦透镜、控制电路板安装在光谱仪容纳腔内，所述耦合透镜装置、探头聚焦透镜、分光结构安装在无光纤探头容纳腔内，所述激光器安装在激光腔内，所述光谱仪容纳腔与无光纤探头容纳腔相邻，所述光谱仪容纳腔与无光纤探头容纳腔之间设有用于导光的狭缝，所述无光纤探头容纳腔远离狭缝的一侧设有样品测试附件安装口，所述样品测试附件安装在样品测试附件安装口处，所述耦合透镜装置、分光结构、探头聚焦透镜、样品测试附件依次相连，所述耦合透镜装置远离分光结构的一端与狭缝相连，所述聚焦透镜、透镜、光检测装置、光栅装置顺时针安装在光谱仪容纳腔内，所述狭缝位于聚焦透镜、光栅装置之间，所述狭缝、透镜、光栅装置、聚焦透镜、光检测装置依次组成光折射路径，所述激光器安装在分光结构的一侧。

2.根据权利要求1所述的无光纤手持拉曼光谱仪，其特征在于，所述激光器为无光纤半导体激光器。

3.根据权利要求1所述的无光纤手持拉曼光谱仪，其特征在于，所述光栅装置包括光栅固定座、光谱仪光栅，所述光谱仪光栅安装在光栅固定座上，所述光栅固定座可转动安装在壳体内。

4.根据权利要求1所述的无光纤手持拉曼光谱仪，其特征在于，所述耦合透镜装置包括耦合透镜固定架、探头耦合透镜、耦合透镜前后调节筒，所述耦合透镜前后调节筒通过耦合透镜固定架安装在壳体内，所述探头耦合透镜安装在耦合透镜前后调节筒内。

5.根据权利要求1所述的无光纤手持拉曼光谱仪，其特征在于，所述分光结构包括光处理固定座、分光片、长波通滤光片，所述分光片通过光处理固定座安装在壳体内，所述长波通滤光片安装在光处理固定座和耦合透镜装置之间。

6.根据权利要求1所述的无光纤手持拉曼光谱仪，其特征在于，所述光检测装置包括光谱仪柱透镜、CCD调节座、CCD探测器，所述光谱仪柱透镜安装在CCD探测器上，所述CCD探测器安装在CCD调节座上，所述CCD调节座可转动安装在壳体内。

7.根据权利要求1所述的无光纤手持拉曼光谱仪，其特征在于，所述透镜为光谱仪准直透镜。

8.根据权利要求1所述的无光纤手持拉曼光谱仪，其特征在于，所述聚焦透镜为光谱仪聚焦透镜。

9.根据权利要求1所述的无光纤手持拉曼光谱仪，其特征在于，所述拉曼光谱仪还包括供能装置，所述供能装置为电池模块，所述电池模块安装在壳体内，所述电池模块分别与激光器、光检测装置、控制电路板相连，且所述电池模块上设有采集按钮。

10.根据权利要求1所述的无光纤手持拉曼光谱仪，其特征在于，所述控制电路板包括信息采集电路板、USB接口，所述USB接口安装在壳体上，且所述USB接口与信息采集电路板相连。