CN109975210A - 一种手持式拉曼光谱仪的光机模块 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种手持式拉曼光谱仪光机模块，包括激光器、拉曼探头、单色仪及其相关的结构，激光器：用于发射激励激光。激光器发出激光经镜片1准直后通过窄带滤波片到达二向色镜，二向色镜将激光反射至镜片2，聚焦于被测物表面，由于激光的激发所产生的散射光及反射的部分激光经过透镜2，到达二向色镜，二向色镜将所需拉曼光波长透过，再经高通滤波器透过纯度高的所需拉曼光，最后经镜片3聚焦于光纤之中。所得的拉曼光经镜片4准直后在光栅处发生衍射，衍射光再经过镜片5，到达探测器，将得到的拉曼光谱信号转换成电信号。本专利在保证分辨率、整机大小等性能参数的前提下，使得最终测得的拉曼光谱的强度、纯度得到了提高。
Description
技术领域
本发明属于拉曼光谱领域，是一种手持式拉曼光谱仪，属于分析仪器中的一类。
背景技术
拉曼光谱反映了被测物质的分子振动信息，属于物质的指纹光谱。在对物质的检测中，拉曼光谱技术具有检测时间短、准确度高、可透过透明或半透明包装测试、可测固态，液态，气态三种状态的物质、样品无需预处理等优点。现在的拉曼光谱技术应用的十分广泛，已经包括了药品、食品安全、化学物品、安检、文物鉴定、宝石鉴定等各个方面。
当激光透过被测物质时，其产生的拉曼光信号非常弱，因此对系统拉曼光信号的收集非常重要。虽然现在有表面增强拉曼光谱技术(SERS)等一些可将拉曼信号增强的技术，但是光谱仪本身对拉曼信号的精度、强度的收集仍然非常重要。
一般的拉曼光谱仪体积较大、操作复杂、价格昂贵，导致了其在现场检测的应用上收到了很大程度上的限制。近年来各公司都在大力研发便携式/手持式拉曼光谱仪，例如国外的必达泰克公司的ChemRam、GE公司的StreetLab Mobile、赛默飞的TruScan RM、瑞士万通的Mira DS等。国内的也有一些产品，如同方威视的RT6000S、卓立汉光的Finder Edge、简智的Easy-Raman、谱识科技的PERS-F960等。
经检索，专利号201721858770.5、拉曼光谱检测设备201610634478.9等，(专利中探头出射至样品的部分都是固定的，对于固体、液体的测试都是一样的，本专利中探头的第三部分为可更换部件，针对不同的样品，可选用不同的部件，增加了灵活性，同时随着与样品之间的距离的缩短，收集到的拉曼信号将变强。
拉曼探头测试的部件即出射至样品出的部分由于裸露于外面，同时裸露的镜片位于腔内，为清洗带来了极大的不便。本专利中，拉曼探头第三部分的出射表面有一块高度透光的玻璃平面镜片：一方面保护了探头内部光路；另一方面也便于清洗，让获得的拉曼信号的强度与准确性更好。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种使得拉曼光谱的能量、纯度等得到提高，而且还具有体积小巧、分辨率高、防震等一系列优点的方法。本发明的技术方案如下：
一种一种手持式拉曼光谱仪的光机模块，包括激光器、拉曼探头及单色仪，所述激光器用于发射激励激光，所述拉曼探头用于收集激光所激发的拉曼信号，单色仪用于将拉曼信号转换成拉曼光谱，其特征在于，所述拉曼探头包括可拆分的第一部分、第二部分、第三部分及第四部分，所述第一部分包括第一镜片(1)、窄带滤波片，第二部分包括二向色镜及高通滤波片，第三部分包括第二镜片(2)，第四部分包括第三镜片(3)及光纤，所述激光器发出的激光通过第一光纤传输到第一镜片进行准直成一个半径范围为2.5mm的光斑，然后光斑通过窄带滤波片到达呈45度倾斜放置的二向色片，二向色镜将激光反射至第二镜片(2)，激光聚焦于被测样品表面，由于激光的激发所产生的散射光及反射的部分激光经过第二镜片(2)到达二向色镜，二向色片将激发的拉曼光透过，再经高通滤波器透过纯度高的拉曼光，最后经第三镜片(3)聚焦于第二光纤之中，所得的拉曼光通过狭缝到达第四镜片(4)，经过准直后在光栅处发生衍射，衍射光再经过第五镜片(5)反射到达探测器，将得到的拉曼光谱信号转换成电信号。
进一步的，根据测试物品的不同，拉曼探头的第三部分可更换，使得测试固体、液体不同状态的物质时，采用不同的部件聚焦，使得聚焦更加准确；针对不同状态的物质的进行不同的聚焦，可使收集的拉曼光更多，能量更强。
进一步的，拉曼探头第三部分的出射表面有一块高度透光的玻璃平面镜片：一方面保护了探头内部光路；另一方面便于清洗，保证测量的拉曼光的强度。
进一步的，所述二向色片的下方设置有一个透射孔，孔表面安装一个带通滤光片，用于将探头中透过二向色片的残余的激光透射出去，同时阻止外面的杂散光进入到探头，提高收集到的散射光中拉曼光的精度。
进一步的，所述第一镜片(1)准直成一个光斑，通过将光纤端面放于镜片焦点上来实现；
所述第四镜片(4)准直是通过将狭缝放于镜片的焦平面上来实现。
进一步的，所述拉曼探头外形设计为“T”字型，探头与单色仪中的各光学元件采用黑硅胶固定，黑硅胶是黑色的，对光全吸收，避免了因反射了部分光而对光路有所影响；黑硅胶具有韧性，温度对其的影响不大，减小了由于温度变化引起形变，从而提高光路的精度，以各元件加工时在前表面特意留的平面作为定位面，当遇反射镜时，通过前表面定位更加准确，同时后表面也更加容易固定，所以在后表面使用黑硅胶固定，拉曼探头的尺寸为厚10mm，长50mm,宽35mm。
进一步的，所述拉曼探头放置第一镜片、第二镜片、第三镜片的位置设为圆柱形，镜片沿内壁向里安装。
进一步的，所述拉曼探头的第一部分、第二部分、第三部分及第四部分，组成时每两部分使用四个孔来定位和连接。
进一步的，所述单色仪使用“M”型光路，体积仅为107mm x70mm x23mm。
进一步的，所述单色仪的表面与电路板之间有一块薄盖板，用于保护光路，不让杂光进入系统。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明通过改进手持式拉曼光谱仪的光学结构，使得拉曼光谱的能量、纯度等得到提高，而且还具有体积小巧、分辨率高、防震等一系列优点。具体体现在：探头二向色片处留有的消除以激光为主的杂光；单色仪表面加盖薄板，以防止其他光进入系统；探头处的数值孔径较大，可以接收更多的拉曼信号；探头使用在圆筒内壁安装，增强了其防震能力。
本发明的创新点主要包括以下几个方面：
1、可拆式探头结构，并且探头第三部分可更换，可以灵活测量各种物质，同时也可选用不同的配件提高所收集的拉曼信号能量。
2、探头的激光出射表面增加了一片对拉曼信号具有高透过率的透射平面，可有效的保护探头内部光路，同时也便于清洁，以获得更强、更准确的拉曼信号。
3、单色仪中在光路层与电路板之间加入黑化的薄板，来隔绝杂散光，保证光路的准确性。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例提供的拉曼光谱仪的拉曼探头的整体结构图；
图2是本发明提供的拉曼光谱仪的单色仪的整体结构图；
图3是本发明提供的拉曼光谱仪的探头镜片安装图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本次申请专利的总体思想是改进一种手持式拉曼光谱的光路结构，主要包括拉曼探头和单色仪(光谱模块)两部分。激光经光纤传入探头后照射到物品上产生拉曼信号，拉曼信号经过探头传入光纤之中，再由光纤传入单色仪，在单色仪中分光后传到CCD探测器中，将光信号转为电信号。
图1表示了激光从光纤进入拉曼探头，照射物品后，产生拉曼信号，并接收、过滤拉曼信号的过程，其过程为：激光器发出的激光经光纤后射到镜片1，镜片1将激光准直为一个大光斑，以减小由于激光的高强度对系统产生损坏，以至影响最终结果；准直后的激光照到45°放置的二向色片后发生反射，其中有小部分透过了二向色片，从下方预留的孔“1”射出；发射后的激光经过镜片2，会聚于物品表面，激发出拉曼光谱；拉曼光谱(小部分)与反射的激光再经由镜片2准直，并回到探头中；准直后的光信号经由二向色片以及高通滤波片过滤后，留下比较纯净的拉曼信号，然后经镜片3会聚于光纤之中。
图2示出了拉曼信号进入单色仪发生分光后，由光信号转为电信号的过程，具体的步骤为：拉曼信号由光纤传到狭缝后，经过48.80mm到达镜片4，并将其准直为平行光，然后经42.58mm到达衍射元件，并发生衍射，衍射光再经过62.20mm到达镜片5，再传播86.12mm传到探测器上的光窗面，经探测器将光信号转为电信号(其中的距离为各元件工作面中点间的距离)。
其中图2中光路系统的表面盖有极薄的一层隔板，以防止其他光进入单色仪中。隔板上面为电路板，再由顶盖封闭。
本次发明主要包括拉曼探头和拉曼光谱模块(单色仪)。
激光与探头，探头与光谱模块之间使用光纤连接。
优选的，光纤使用的是多模光纤。
优选的，所描述的探头设计为“T”型，元件不用固定架，缩小了整个探头的体积和重量。
优选的，所描述的探头的镜片沿圆筒内壁安装。
优选的，所描述的探头可拆卸为四部分。
优选的，所描述的探头在二向色片处留有消除杂散光的孔。
优选的，所描述的单色仪的狭缝使用四孔定位。
优选的，所描述的单色仪的镜片定位面为前表面(凹面加工前所在的平面)。
优选的，所描述的单色仪表面设有一层很薄的盖板，以保证拉曼信号的纯度。
优选的，所描述的单色仪内无用的部分全部掏空，以减轻整机重量。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.一种手持式拉曼光谱仪的光机模块，包括激光器、拉曼探头及单色仪，所述激光器用于发射激励激光，所述拉曼探头用于收集激光所激发的拉曼信号，单色仪用于将拉曼信号转换成拉曼光谱，其特征在于，所述拉曼探头包括可拆分的第一部分、第二部分、第三部分及第四部分，所述第一部分包括第一镜片(1)、窄带滤波片，第二部分包括二向色镜及高通滤波片，第三部分包括第二镜片(2)，第四部分包括第三镜片(3)及光纤，所述激光器发出的激光通过第一光纤传输到第一镜片进行准直成一个半径范围为2.5mm的光斑，然后光斑通过窄带滤波片到达呈45度倾斜放置的二向色片，二向色镜将激光反射至第二镜片(2)，激光聚焦于被测样品表面，由于激光的激发所产生的散射光及反射的部分激光经过第二镜片(2)到达二向色镜，二向色片将激发的拉曼光透过，再经高通滤波器透过纯度高的拉曼光，最后经第三镜片(3)聚焦于第二光纤之中，所得的拉曼光通过狭缝到达第四镜片(4)，经过准直后在光栅处发生衍射，衍射光再经过第五镜片(5)反射到达探测器，将得到的拉曼光谱信号转换成电信号。
2.根据权利要求1所述的一种手持式拉曼光谱仪的光机模块，其特征在于，根据测试物品的不同，拉曼探头的第三部分可更换，使得测试固体、液体不同状态的物质时，采用不同的部件聚焦，使得聚焦更加准确；针对不同状态的物质的进行不同的聚焦，可使收集的拉曼光更多，能量更强。
3.根据权利要求1所述的一种手持式拉曼光谱仪的光机模块，其特征在于，拉曼探头第三部分的出射表面有一块高度透光的玻璃平面镜片：一方面保护了探头内部光路；另一方面便于清洗，保证测量的拉曼光的强度。
4.根据权利要求1所述的一种手持式拉曼光谱仪的光机模块，其特征在于，所述二向色片的下方设置有一个透射孔，孔表面安装一个带通滤光片，用于将探头中透过二向色片的残余的激光透射出去，同时阻止外面的杂散光进入到探头，提高收集到的散射光中拉曼光的精度。
5.根据权利要求1所述的一种手持式拉曼光谱仪的光机模块，其特征在于，所述第一镜片(1)准直成一个光斑，通过将光纤端面放于镜片焦点上来实现；
所述第四镜片(4)准直是通过将狭缝放于镜片的焦平面上来实现。
6.根据权利要求1-5之一所述的一种手持式拉曼光谱仪的光机模块，其特征在于，所述拉曼探头外形设计为“T”字型，探头与单色仪中的各光学元件采用黑硅胶固定，黑硅胶是黑色的，对光全吸收，避免了因反射了部分光而对光路有所影响；黑硅胶具有韧性，温度对其的影响不大，减小了由于温度变化引起形变，从而提高光路的精度，以各元件加工时在前表面特意留的平面作为定位面，当遇反射镜时，通过前表面定位更加准确，同时后表面也更加容易固定，所以在后表面使用黑硅胶固定，拉曼探头的尺寸为厚10mm，长50mm,宽35mm。
7.根据权利要求1-5之一所述的一种手持式拉曼光谱仪的光机模块，其特征在于，所述拉曼探头放置第一镜片、第二镜片、第三镜片的位置设为圆柱形，镜片沿内壁向里安装。
8.根据权利要求1-5之一所述的一种手持式拉曼光谱仪的光机模块，其特征在于，所述拉曼探头的第一部分、第二部分、第三部分及第四部分，组成时每两部分使用四个孔来定位和连接。
9.根据权利要求1-5之一所述的一种手持式拉曼光谱仪的光机模块，其特征在于，所述单色仪使用“M”型光路，体积仅为107mm x70 mm x23mm。
10.根据权利要求1-5之一所述的一种手持式拉曼光谱仪的光机模块，其特征在于，所述单色仪的表面与电路板之间有一块薄盖板，用于保护光路，不让杂光进入系统。
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