CN110286117A - 一种基于复眼透镜的拉曼探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于复眼透镜的拉曼探头，包括依序设置的入射光源、窄带滤光片和二向色镜，还包括沿光路方向位于所述二向色镜一侧的第一聚光镜、位于所述二向色镜另一侧的第二聚光镜和出射狭缝，所述拉曼探头还包括复眼透镜，所述复眼透镜位于所述二向色镜和所述第一聚光镜之间，用于扩大视场范围、降低光能量密度。本发明的拉曼探头通过应用复眼透镜，将光束进行匀化，有效扩大视场范围，降低传输的光能量密度，在实际使用中，可以有效降低引燃或引爆探测深色敏感物质样品的风险，同时扩展了探测非均匀混合物样品的功能。

Description

一种基于复眼透镜的拉曼探头

技术领域

本发明涉及拉曼检测技术领域，尤其涉及一种基于复眼透镜的拉曼探头。

背景技术

拉曼光谱作为物体的一种“指纹”散射光谱，具有分析效率高、样品用量少、适用性强的特点，能够反映物质分子结构的情况，并提供物质结构的丰富信息。因此，拉曼光谱仪广泛应用于科研院所、高等院校、化学实验、安防、公共安全、生物和医学领域，研究物质成分的判断和确认，还可以应用于刑侦及珠宝玉石行业，进行毒品的检测和珠宝玉石的鉴定。

拉曼探头是拉曼光谱仪的基础检测部件，目前具有较多形式，例如，光纤输出形式的拉曼探头、激光空间输出形式的拉曼探头等，虽然形式不同，但其原理基本一样，都是单点探测，也就是将激发光源会聚到一点进行检测。其主要工作流程是：激光器出射的激光经二向色镜反射和收集光路的聚焦照射到探测样品上，探测样品产生的散射光经收集光路收集、再经会聚光路会聚到拉曼光谱仪的狭缝处，最后拉曼散射信号由狭缝耦合至拉曼光谱仪进行光谱分析。

由于拉曼光谱仪的光谱分辨率普遍较高，一般都达到了1nm以下，因此光谱仪使用的狭缝一般为25μm、50μm等微米量级的窄狭缝，由成像光学物像共轭关系可知，拉曼探头的视场很小，拉曼探头会聚的激光光斑一般都是和狭缝同等量级，这样就造成了探测点的能量密度很大，而探测的面积太小等问题。由此带来两个问题，一是，在测量深色敏感物质时，由于探测点的能量密度太高，有可能光分解深色物质，进而导致有引燃、甚至引爆样品的风险；二是，由于探测视场太小，在测多种物质构成的非均匀混合物样品时，有可能导致只探测到单种物品，进而造成测量错误。

针对上述单点探测存在的问题，市场上出现了一些改进方案，比如逐格扫描技术(ORS)，即轨道光栅扫描，其基本原理是通过在一个大区域上快速移动一个紧密聚焦光束的光栅，从而实现光束扫描的功能，ORS技术可以在保持高分辨率的同时又增大了样品的扫描范围，只需要通过依次扫描即可段时间内获得样品的所有成分信息，该技术确实解决了非均匀混合样品的探测，获得了较大的探测视场，但只是减少了单点能量的时间积累，并没有降低单点的能量密度，因此，对于深色敏感物质的探测，还是存在引燃引爆的风险，而且该方案中采用了微机械传动结构，其结构复杂，稳定性很难保证，成本也高。

另一种解决方案是投射拉曼光谱(TRS)技术，即投射拉曼光谱仪收集沿着激光入射方向传播的拉曼散射光，激发激光从一边照射样品，而拉曼信号则从另一边收集。这种技术也可以在一定程度上解决非均匀混合样品的测量问题，因为光束穿透了整个样品，但是测量点能量密度的问题仍没有解决，而且该技术对样品的要求较高，需要将样品预处理成薄片型，如果样品太厚，激发光激发的拉曼散射信号将无法穿透整个样品。

发明内容

本发明旨在解决上面描述的问题。本发明的一个目的是提供一种解决以上问题中的任何一个的拉曼探头。具体地，本发明提供一种能量密度低、兼具大视场探测范围、降低探测深色敏感样品的引燃引爆风险的拉曼探头。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于复眼透镜的拉曼探头，所述拉曼探头包括依序设置的入射光源、窄带滤光片和二向色镜，还包括沿光路方向位于所述二向色镜一侧的第一聚光镜、位于所述二向色镜另一侧的第二聚光镜和出射狭缝，所述拉曼探头还包括复眼透镜，所述复眼透镜位于所述二向色镜和所述第一聚光镜之间，用于扩大视场范围、降低光能量密度。

其中，所述拉曼探头还包括准直镜，所述准直镜位于所述窄带滤光片和所述二向色镜之间。

其中，所述拉曼探头还包括陷波滤光片，所述陷波滤光片位于所述二向色镜与所述第二聚光镜之间。

其中，所述复眼透镜为透射式单排复眼透镜或透射式双排复眼透镜。

其中，所述复眼透镜包括相互平行、且相对设置的第一复眼透镜阵列和第二复眼透镜阵列。

其中，所述入射光源包括激光器或输出光纤。

本发明的拉曼探头通过应用复眼透镜，将光束进行匀化，有效扩大视场范围，降低传输的光能量密度，在实际使用中，可以有效降低引燃或引爆探测深色敏感物质样品的风险，同时扩展了探测非均匀混合物样品的功能。

参照附图来阅读对于示例性实施例的以下描述，本发明的其他特性特征和优点将变得清晰。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示例性地示出了本发明的拉曼探头的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

复眼透镜有被称作蝇眼透镜或透镜阵列，它是由一系列参数一致的小透镜组合而成的透镜阵列。将复眼透镜应用于照明系统可以获得较高的光能利用率和大面积的均匀照明，以双排复眼透镜为例，复眼透镜实现均匀照明的原理是：与光轴平行的光束通过第一排复眼透镜后聚焦在第二排复眼透镜的透镜中心处，第一排复眼透镜将光源形成多个光源像进行照明，第二排复眼透镜的每个小透镜将第一排复眼透镜形成的光源像重叠成像于照明面。由于第一排复眼透镜将光源的整个宽光束分为多个细光束照明，且每个细光束范围内的垂轴不均匀性由于处于对称位置细光束的相互叠加，使细光束的垂轴不均匀性获得补偿，从而使得整个孔径内的光能量得到有效均匀的利用。

本发明利用复眼透镜对光束的匀化作用，将复眼透镜应用于拉曼探头中，对探测光束进行拓宽、匀化，有效扩大探测光的照射范围，即扩大视场范围，降低传输的光能量密度，进而有效降低引燃或引爆探测深色敏感物质样品的风险；并且，扩大视场范围的同时，也就扩展了拉曼探头探测非均匀混合物样品的功能。

下面结合附图，以透射式双排复眼透镜为例，对根据本发明所提供的基于复眼透镜的拉曼探头进行详细描述。

图1示出了本发明的基于复眼透镜的拉曼探头的一种具体实施例的结构示意图，参照图1所示，该拉曼探头包括依序设置的入射光源1、窄带滤光片2和二向色镜3，还包括沿光路方向位于二向色镜3一侧的第一聚光镜4、位于二向色镜3另一侧的第二聚光镜5和出射狭缝6；另外，该拉曼探头还包括位于二向色镜3和第一聚光镜4之间的复眼透镜7，用于扩大视场范围、降低光能量密度。

该拉曼探头的工作过程为：开启入射光源1，入射光源1发出的激发光束经窄带滤光片滤去干扰波后，经过二向色镜3反射，再经过复眼透镜7完成光束均匀化，经过匀化的激发光束经第一聚光镜4投影到拉曼探头的探测面100上；探测面100被光束激发的拉曼散射信号根据光路可逆原理，依次经过第一聚光镜4、复眼透镜7后出射的为平行光，然后再由二向色镜3高通后，由第二聚光镜5投影到出射狭缝6；最后拉曼散射信号经出射狭缝6耦合至拉曼光谱仪进行光谱分析。

以透射式双排复眼透镜为例，复眼透镜7包括相互平行、且相对设置的第一复眼透镜阵列71和第二复眼透镜阵列72。第一复眼透镜阵列71和第二复眼透镜阵列72的光学、结构参数完全一致，包括材料、小透镜的曲率、尺寸等。

透射式双排复眼透镜利用了许多细光束的均匀性大于整个宽光束的均匀性的原理，二向色镜3反射后的光束经过第一复眼透镜阵列71分列成若干细光束，并会聚在第二复眼透镜阵列72的各个透镜单元的中心位置。由于光路系统沿光轴对称，每个细光束范围内的微小不均匀性由处于对称位置的细光束相互叠加而得到补偿，从而使得整个孔径内的光能量得到有效均匀利用。从第二复眼透镜阵列72出射的光斑经过第一聚光镜4投影到探测面100上，探测面100上光斑的每一点均受到光源所有点发出光束的照射，同时，光源上每一点发出的光束又都交汇重叠到照明光斑上的同一视场范围内，从而得到均匀的照明光斑。

复眼透镜7不仅将入射光源1发出的光束进行匀化，同时扩大了光束投影到探测面100上的视场范围，有效降低光能量密度，进而大大降低引燃或引爆探测深色敏感物质样品的风险；并且，视场范围的扩大，也就提高了探测非均匀混合的混合物样品能力。

需要指出的是，探测面100上的光斑均匀性与复眼透镜7的透镜单元阵列个数有关，阵列个数越多，照明越均匀；与此同时，在第一聚光镜4的光学聚焦一定的条件下，透镜单元阵列的个数与探测面100的面积负相关，即透镜单元的阵列个数越多，探测面100的面积越小，因此在实际应用中，应根据具体应用场景和设计要求来决定透镜单元的阵列个数。

由于双排复眼透镜对入射光的平行度有较高的要求，因此该拉曼探头还包括准直镜8，准直镜8位于窄带滤光片2和二向色镜3之间，经过窄带滤光片2滤光之后的激发光束经过准直镜8准直后，满足复眼透镜阵列的要求，再由二向色镜3高度反射。探测面100的探测面积和亮度由准直镜8准直后的光斑尺寸、复眼透镜7以及第一聚光镜4决定，可以根据实际需求自由设计。

另外，本发明的拉曼探头还包括陷波滤光片9，陷波滤光片9位于二向色镜3与第二聚光镜5之间，用于滤除出射光信号中的瑞利散射光，保证检测结果的精确性。

第二聚光镜5的光学参数与拉曼光谱仪的数值孔径相关，选择原则是，经第二聚光镜5会聚之后的拉曼散射信号的发散角与拉曼光谱仪的数值孔径匹配。

在本发明中，复眼透镜7可以为单排复眼透镜或双排复眼透镜。单排复眼透镜与双排复眼透镜的光束匀化原理相同，因此应用单排复眼透镜的原理和实现方法与图1所示的原理和方法相同。

需要指出的是，在本发明的拉曼探头的激发光可以是激光空间输出光束，也可以是光纤输出光束，即入射光源1可以是激光器或输出光纤。

传统的拉曼探头由于拉曼光谱仪狭缝的视场限制，只能在探测面的中心处保持较高的数值孔径，即仅在探测面的中心处能量收集效率较高；而本发明的拉曼探头，由于视场范围扩大、且视场范围内的光束均匀，因此，在整个探测面100的视场范围内都能保持高数值孔径，即保持高的能量收集效率。因此，与传统拉曼探头相比，拉曼光谱仪欲获得相同的能量，使用本发明的拉曼探头所需的光源功率(例如激光器的激光功率)可以大大降低。同时，由于传统拉曼探头是单点探测，其探测面积为微米量级，所以探测点的功率密度就会很大，会造成探测深色敏感物质时会有引燃引爆样品的风险；而本发明的拉曼探头探测面积可以达到厘米级别，比传统拉曼探头高1～2个数量级，再加上光源功率也要比传统拉曼探头的光源功率低，因此，本发明的拉曼探头是一种能量密度低，同时又兼具大视场范围的拉曼探头，在实际使用过程中，可以有效降低引燃引爆探测深色敏感物质样品的缝隙，同时扩展了探测非均匀混合物样品的功能。

上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于复眼透镜的拉曼探头，包括依序设置的入射光源(1)、窄带滤光片(2)和二向色镜(3)，还包括沿光路方向位于所述二向色镜(3)一侧的第一聚光镜(4)、位于所述二向色镜(3)另一侧的第二聚光镜(5)和出射狭缝(6)，其特征在于，所述拉曼探头还包括复眼透镜(7)，所述复眼透镜(7)位于所述二向色镜(3)和所述第一聚光镜(4)之间，用于扩大视场范围、降低光能量密度。

2.如权利要求1所述的拉曼探头，其特征在于，所述拉曼探头还包括准直镜(8)，所述准直镜(8)位于所述窄带滤光片(2)和所述二向色镜(3)之间。

3.如权利要求1所述的拉曼探头，其特征在于，所述拉曼探头还包括陷波滤光片(9)，所述陷波滤光片(9)位于所述二向色镜(3)与所述第二聚光镜(5)之间。

4.如权利要求1所述的拉曼探头，其特征在于，所述复眼透镜(7)为透射式单排复眼透镜或透射式双排复眼透镜。

5.如权利要求1所述的拉曼探头，其特征在于，所述复眼透镜(7)包括相互平行、且相对设置的第一复眼透镜阵列(71)和第二复眼透镜阵列(72)。

6.如权利要求1所述的拉曼探头，其特征在于，所述入射光源(1)包括激光器或输出光纤。