CN110658175A - 拉曼光谱仪与红外热像仪的手机融合系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及拉曼光谱仪和红外热像仪技术领域，公开了一种拉曼光谱仪与红外热像仪的手机融合系统，包括激光器、光路系统、狭缝、成谱系统、探测器、信号处理器、手机和红外成像系统；光路系统用于将激光器发射的激光照射到样品上并收集样品发出的拉曼光，拉曼光聚焦到狭缝上，形成光斑；成谱系统设在狭缝与探测器之间，光斑经成谱系统成谱到探测器上，探测器输出成谱信号；信号处理器与探测器信号连接；手机与信号处理器信号连接；红外成像系统与手机连接。本发明可将拉曼光谱仪和红外热像仪融合在手机上，同时在手机上显示样品的红外图像和拉曼光谱，实现红外图像与拉曼光谱的画中画或点对点融合，被探测波数可从35cm‑1到3500cm‑1。

Description

拉曼光谱仪与红外热像仪的手机融合系统
技术领域
本发明涉及拉曼光谱仪和红外热像仪技术领域，尤其涉及了一种拉曼光谱仪与红外热像仪的手机融合系统。
背景技术
由于微型或便携式拉曼光谱仪的物镜F数(焦距与直径之比)必须在1左右，以使采样点得到足够的能量，因此，物镜焦距最多就只有几厘米，从而不能远距离探测目标。另一方面，由于物镜不能移动，当要探测凹坑、高处的目标或物体底部反面的物质时，就不容易，除非移动整个拉曼光谱仪。
为了不移动整个光谱仪，目前，大多数拉曼光谱仪使用两根单光纤构成的双光纤探头，如图1所示，第一光纤连接激光器，为了便于对准，第二光纤连接狭缝，通过移动第一光纤与第二光纤之间的分束器、物镜、长通滤光片和中继透镜这些部件就能够将物镜移动至待测目标处。
但是由于两根单光纤、分束器、长通滤光片、中继透镜和物镜在一起做成的双光纤探头不但体积大，而且由于它们都是非常精密和贵重的器件，频繁移动会造成损坏和松动，从而使拉曼光谱仪无法正常工作。另一方面，这种双光纤探头的两个缺点是：(1)光纤送到狭缝的拉曼光斑很大，直径有1mm，而狭缝很窄，只有25μm，因此，90％的拉曼光都会被狭缝挡掉，光通量很低；(2)光纤没有改变激光照射束的形状，由于它能量密度过高，会点燃爆炸品，使拉曼光无法被安检单位接受。此外，单色仪是两块球面反射镜的T-C结构，F＝4，光通量很低，体积也很大，不可能做手机拉曼。
直到目前为止，任何拉曼光谱仪，尤其是做在手机上的微型拉曼光谱仪都没有融合的红外热象仪作夜视和测温，如申请号为2015207522089的实用新型专利，而且红外热象仪体积较大，很难与拉曼光谱仪一起装到手机上；虽然据网上报道，美国FLIR和中国艾锐公司曾单独把红外热象仪与手机相连，但他们还没有发明出与红外热象仪作点对点融合的拉曼光谱仪，至今未见任何专利和报道。
目前，因受体积限制，所有与手机差不多大小的拉曼光谱仪，其谱宽都在1800cm-1以下，申请人的I型手机拉曼光谱宽也只有2000cm-1。虽然大多数物质的拉曼光谱宽在2000cm-1以下，但水和翡翠这些物质的拉曼峰在3000cm-1以上。因此，我们必须在不加大体积的前提下，把带有红外的手机拉曼光谱宽增加到3500cm-1左右，这样才能被海关等用户接受。
此外，目前，不管拉曼光谱仪的体积是大还是小，都不能测低波数(<35cm-1)物质，除非使用十分昂贵的体全息做的布拉格分束器和滤光片(BPF)。因此，怎样用廉价器件做出低波数也是目前需要解决的难题。
因聚焦的激光能量密度很高，碰到某些爆炸品就会点燃，使它无法在爆炸品探测中应用。因此，如何使聚焦的激光能够用于爆炸品的探测，这也是一个急需解决的问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺点，提供了一种拉曼光谱仪与红外热像仪的手机融合系统，本发明的拉曼光谱仪与红外热像仪可以共用一个物镜，也可以是两个分别与手机相连的独立的系统。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
拉曼光谱仪与红外热像仪的手机融合系统，包括激光器、光路系统、狭缝、成谱系统、探测器、信号处理器、手机和红外成像系统；激光器用于发射激发样品发出拉曼光的激光，光路系统设在激光器与狭缝之间，用于将激光器发射的激光照射到样品上并收集样品发出的拉曼光，拉曼光聚焦到狭缝上，形成光斑；成谱系统设在狭缝与探测器之间，光斑经成谱系统成象到探测器上，探测器输出成谱信号；信号处理器与探测器信号连接，用于处理探测器输出的成谱信号；手机与信号处理器信号连接，用于出谱以及作寻峰、判读处理；手机还与红外成像系统连接，拉曼光谱与红外光谱在手机中作画对画融合；红外成像系统与光路系统连接，用于红外成像，测量温度和寻找光轴，红外系统与光路系统共用一个物镜，作点对点融合；或者红外成像系统不与光路系统连接，红外成像系统单独用于红外成像和测量温度。
作为优选，光路系统包括第一分束器、第一物镜、第二分束器、一个或一个以上纳米截止长通滤光片(Nano Edge Longpass Filter，NELF)和中继透镜；第一分束器设在激光器后，用于反射激光；第一物镜设在第一分束器的反射面，用于将激光聚焦在样品上，样品反射激光、散射拉曼光和样品自身发射的红外光经第一物镜收集后准直成平行光，拉曼光和红外光透过第一分束器；第二分束器设在第一分束器的透射面，用于反红外光和透拉曼光和激光；红外成像系统设在第二分束器的反射面，用于红外光成像，测量温度和寻找光轴；NELF设在第二分束器的透射面，用于透过波数大于等于35cm-1的拉曼光，滤去激光；中继透镜设在NELF与狭缝之间，用于将波数大于等于35cm-1的拉曼光聚焦到狭缝上。
作为优选，光路系统包括反射镜、第二分束器、一个或一个以上NELF、中继透镜和第一物镜；反射镜设在激光器后，反射镜设置在激光入射光路的光轴上，用于反射激光；第一物镜设在反射镜一侧，用于将激光聚焦在样品上，样品反射激光、散射拉曼光和样品自身发射的红外光经第一物镜收集后准直成平行光，激光、拉曼光和红外光透过自由空间，自由空间为平行光的光路中不包括反射镜的光路空间，反射镜的面积为自由空间截面积的1％；第二分束器设在反射镜背离第一物镜的一侧，用于反红外光和透拉曼光及激光；红外成像系统设在第二分束器的反射面，用于红外光成像，测量温度和寻找光轴；NELF设在第二分束器的透射面，用于透过波数大于等于35cm-1的拉曼光，滤去激光；中继透镜设在NELF与狭缝之间，用于将波数大于等于35cm-1的拉曼光聚焦到狭缝上。
反射镜的直径小于等于1mm，视激光束的大小而定，拉曼光可透过自由空间，理论上对低波数没有任何限制，低波数只能做到35cm-1是由于NELF的限制。
作为优选，光路系统包括第一分束器、第一物镜、一个或一个以上NELF和中继透镜；第一分束器设在激光器后，用于反射激光透拉曼光；第一物镜设在第一分束器的反射面，用于聚焦第一分束器反射的激光照射样品，样品反射的激光和散射的拉曼光经第一物镜收集后准直成平行光；NELF设在第一分束器的透射面，用于透过波数大于等于35cm-1的拉曼光，滤去激光；中继透镜设在NELF与狭缝之间，用于将波数大于等于35cm-1的拉曼光聚焦到狭缝上。
此时，本发明的融合系统中的拉曼光谱仪和红外热像仪是两个分别与手机相连的独立的系统，红外光与拉曼光不共用一个物镜，红外成像系统与第一物镜并排紧靠，拉曼光被测样品在红外视场内，拉曼光谱和红外图象在手机作画中画显示，这时红外可对远处目标，例如200米以外，成热象作夜视并测温。
作为进一步优选，为了把激光聚焦点分散不触发爆炸，并在不移动整机任何部件的情况下，使激光探测点能任意移动到较远的距离和任何位置，便于探测不同位置不同形状不同距离的目标，光路系统还包括第二物镜和光纤束；光纤束设在第一物镜与第二物镜之间，用于接收第一物镜聚焦的激光束，将激光束传输到第二物镜的焦点，经第二物镜把激光束分散聚焦到样品上，以防点燃爆炸品，并使照明点的形状与狭缝一样，由于光线的可逆性，样品反射的激光和散射的拉曼光依次经第二物镜、光纤束和第一物镜收集后准直成平行光。
不同于现有的双光纤探头，本发明首次提出的单光纤束探头，不但可以使本发明的融合系统去探测一定距离(距离取决于光纤束长度)外任意位置的物体，还可以将原来容易引爆的能量密度较高的激光照射点分散成许多小光点，以避免本发明的融合系统探测爆炸品时发生爆炸。同时，本发明的单光纤束探头也可以使收集的拉曼光点的形状与狭缝完全匹配，使光完全通过，比原来使用单光纤的双光纤探头的光通量提高90％以上。
光纤束由多根光纤组成，形状与激光照射点的形状一样，光纤束把激光传输到第二物镜的象点上，第二物镜将第一物镜聚焦的光斑分散成多个小点，小点的个数由能否激发拉曼光以及是否引爆决定，多个小点的排列形状可以是线状，以与狭缝的形状相匹配，使拉曼光的光斑全部通过狭缝。第二物镜可以是一个也可以是两个，若是一个，光纤束放在第二物镜的2f处，f是焦距；若是两个，光纤束放在第二物镜的f处，f是焦距，两个镜头间是平行光，它们的焦距可以不一样，以便控制照到样品上的许多小光点的大小，不引起爆炸。
作为进一步优选，红外成像系统包括红外透镜、红外焦平面阵列和电路板；红外透镜用于会聚红外光；红外焦平面阵列设在红外透镜后，用于红外光成像以及测量温度；电路板与红外焦平面阵列连接，用于信号处理；手机与电路板连接，用于红外图象和温度显示。此时，FPA的测温系统需要装斩波器或挡片作定标用。
当本发明的点对点融合系统聚焦到近处目标时，红外成像系统可以看到激光聚焦到目标上的热点和光轴，便于系统装校。
当本发明的融合系统不聚焦到近处目标，而是观察远处目标时，拉曼光通道不起作用，此时，物镜与红外透镜组成一个成象系统。该成象系统有一个主平面和一个焦距f，f＝f1 f2/Δ，f1和f2分别为物镜与红外镜的焦距，Δ为物镜的后焦点与红外镜的前焦点之间的距离。当FPA靠近焦点时，即象距L’接近焦距f时，根据公式1/L+1/L’＝1/f，物距L可以很大，例如100米，这时FPA可对远处目标成象，并且物镜可以移动调焦去观察不同距离的目标。
作为进一步优选，光路系统还包括扩束准直镜，扩束准直镜设在激光器后，用于扩散激光器发射的激光，得到平行光；第一分束器设在扩束准直镜后，用于反射激光。
作为优选，NELF的个数为1个时，NELF垂直于光轴设置；NELF的个数为2个或2个以上时，NELF倾斜放置，NELF与NELF之间的角度为3-5°。此时，可以防止拉曼光在两个平行面间不断反射，以消除标准具效应，避免由于标准具效应造成的损失；由于NELF可转，转动NELF可使其透过的拉曼光向低波数移动，更靠近激光，因此，有利于探测更低波数的拉曼光，低波数可做到35cm-1以下。
作为优选，第一分束器包括介质分束片，第一分束器的中心位置处涂覆银或者铝，银或者铝的涂覆面积与不扩束的激光光斑面积相等，第一分束器的剩余位置涂覆透激光和拉曼光的增透膜。
虽然BPF的低波数可以做到<10cm-1，但是其价格昂贵；Semrock介质分束片的低波数只能做到155cm-1，当第一分束片采用Semrock介质分束片时，即使NELF可以做到35cm-1也没有用，低波数仍是155cm-1。
为解决这个问题，本发明在介质分束片的的中心位置处涂覆银或者铝，使介质分束片的中心位置形成反射镜，反射镜的直径不大于1mm，视不扩束激光的光斑大小而定，介质分束片剩余位置为涂覆增透膜的石英玻璃。
由于反射镜全反激光，没有过渡带，拉曼光可以透过增透的石英玻璃的过渡带极窄，因此本发明的第一分束器(New BS)可以透过波数低达5cm-1的拉曼光，35cm-1的限制只由NELF引起。
作为优选，探测器为背照致冷CMOS、背照非致冷CMOS、背照致冷sCMOS、背照非致冷sCMOS、致冷CCD和非致冷CCD中的一种，探测器可以是线阵探测器，也可以是面阵探测器。
作为优选，成谱系统包括光栅和成谱镜，光栅的线数为600/mm-1200/mm；成谱镜包括透镜和球面反射镜中的一种或两种；F数为2-4，F数由拉曼光谱宽决定；当选择入射角度为0-5°时，通过选择光栅和成谱镜可以使拉曼光谱由1800cm-1扩展到3500cm-1，但不会扩大本发明的融合系统的体积。
把红外热像仪与拉曼光谱仪融合在一起有不少用途。例如，救火时，要用红外热象仪透过浓烟、黑暗和灰尘去看清被困的人和物体，并测出燃烧的、即将燃烧的、还会死灰复燃的物体的温度；也要用拉曼光谱仪去测出可疑物质是不是爆炸品、毒品、化学品和危险品，及时作出处理。在打仗和反恐时,战士要用红外热象仪作夜视，也要用拉曼光谱仪去照一照前面疏松的泥土里有沒有地雷，照一照房门把手和车门把手有沒有爆炸品残留物以免开门时被炸死。警察缉毒时要躲在暗处用红外热象仪监视毒贩，在检查时要用拉曼光谱仪来证明他带的是毒品。海关、地铁、高铁、机场和快递要用红外热象仪透过包裹看看里面有没有走私的小动物的热象和温度异常的物品，要用拉曼光谱仪查一查打开来看的物品或快递的物品中有没有伪装的毒品、爆炸品、化学品和违禁品。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
本发明的拉曼光谱仪与红外热像仪的手机融合系统可以将拉曼光谱仪和红外热像仪融合在手机上，同时在手机上显示样品的红外图像和拉曼光谱，实现红外图像与拉曼光谱的画中画或者点对点融合。
本发明不需要利用3个单色仪串联，也可以不需要价格昂贵的BPF，只用一只价格低廉的带反射镜的介质分束片和一个或一个以上NELF就可以将波数做到35cm-1，本发明利用透镜或反射镜或两者结合的成谱系统可以达到3500cm-1。因此，本发明的融合系统能够实现从紫外到近红外任何激光的拉曼探测，被探测波长可从35cm-1到3500cm-1，对构建不同的拉曼光谱仪要更换的仅仅是激光器、光栅和NELF，十分方便，这是目前为止，其他微型拉曼光谱仪都无法做到的。
本发明的拉曼光谱仪F数小，灵敏度高，利用单光纤束探头代替传统的双光纤探头，可以使拉曼光谱仪保持不动，既减小了移动部件的重量，也大大增加了系统的可靠性。
此外，由于采样光斑形状与狭缝完全一致，拉曼光与狭缝直接耦合，可以使拉曼光全部通过狭缝，而传统的单光纤耦合会使窄而长的狭缝把圆而大的光纤传输的拉曼光大部分挡掉，因此，本发明的单光纤束探头比传统的双单光纤探头提高光通量90％以上。本发明的光纤束不但便于不同距离、不同位置目标的探测，而且由于把激光分成许多小点探测后，再收集总的拉曼光，因此拉曼光在小点上的热量很小，不会引爆。
本发明不但使用直径小于等于1mm的反射镜和NELF达到35cm-1的低波数，同时还采用较低线数光栅(600/mm-1200/mm)和透镜或球面反射镜或两者的组合的成谱系统，既不会增大体积，又可使拉曼光谱宽达到3500cm-1，而即使是体积较大的手提式拉曼光谱仪也无法达到本申请的35-3500cm-1这样的谱宽。
附图说明
图1是现有使用双光纤探头的拉曼光谱仪的结构示意图。
图2是实施例1的连接关系图。
图3是实施例1的成谱系统的连接关系图。
图4是物镜的透过率曲线图。
图5是不同分束器能达到的低波数曲线图。
图6是实施例2的结构示意图。
图7是sCMOS对探测不同波长的拉曼光的量子效率曲线图。
图8是实施例2的样机外形示意图。
图9是实施例5的结构示意图，其中图9(a)为实施例5的连接关系图，图9(b)为成谱系统的连接关系图。
图10是实施例5的样机外形示意图。
附图中各数字标号所指代的部位名称如下：10—激光器、20—扩束准直镜、30—第一分束器、35—反射镜、40—第一物镜、50—光纤束、60—第二分束器、70—红外透镜、80—FPA、90—NELF、100—中继透镜、110—狭缝、120—成谱系统、200—第一成谱镜、210—光栅、220—第二成谱镜、130—探测器、140—信号处理器、150—手机、160—第一光纤、170—第二光纤、180—红外摄像头、300—第二物镜。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
拉曼光谱仪与红外热像仪的手机融合系统，包括激光器10、光路系统、狭缝110、成谱系统120、探测器130、信号处理器140、手机150和红外成像系统，成谱系统120为单色仪120；激光器10用于发射激发样品发出拉曼光的激光，光路系统设在激光器10与狭缝110之间，用于将激光器10发射的激光照射到样品上并收集样品发出的拉曼光，拉曼光聚焦到狭缝110上，形成光斑；单色仪120设在狭缝110与探测器130之间，光斑经单色仪120成象到探测器130上，探测器130输出成谱信号；信号处理器140与探测器130信号连接，用于处理探测器130输出的成谱信号；手机150与信号处理器140信号连接，用于出谱以及作寻峰、判读处理；手机150还与红外成像系统连接，用于显示红外图像以及测量温度，拉曼光谱与红外光谱在手机140中作画对画融合；红外成像系统与光路系统连接，用于红外成像，测量温度和寻找光轴。
光路系统包括第一分束器30、第一物镜40、第二分束器60、两个NELF 90和中继透镜100；第一分束器30设在激光器10后，用于反射激光；第一物镜40设在第一分束器30的反射面，用于将激光聚焦在样品上，样品反射激光、散射拉曼光和样品自身发射的红外光经第一物镜40收集后准直成平行光，拉曼光和红外光透过第一分束器30；第二分束器60设在第一分束器30的透射面，用于反红外光和透拉曼光和激光；红外成像系统设在第二分束器60的反射面，用于红外光成像，测量温度和寻找光轴；两个NELF 90设在第二分束器60的透射面，用于透过波数大于等于35cm-1的拉曼光，滤去残余的激光；中继透镜100设在NELF 90与狭缝110之间，用于将波数大于等于35cm-1的拉曼光聚焦到狭缝110上。
光路系统还包括扩束准直镜20，扩束准直镜20设在激光器10后，用于扩散激光器10发射的激光，得到平行光；第一分束器30设在扩束准直镜20后，用于反射激光。
红外成像系统包括红外透镜70、红外焦平面阵列(FPA)80和电路板；红外透镜70设在第二分束器60的反射面，用于会聚红外光；FPA 80设在红外透镜70后，用于红外光成像以及测量温度；电路板与FPA 80连接，用于信号处理；手机与电路板连接，用于红外图象和温度显示。
如图2所示，激光器10发出的光斑近似一个矩形A，经扩束准直镜20和第一分束器30后，由第一物镜40聚焦在样品50的光斑为B，光斑B的X方向窄，Y方向高；由光斑B反射的激光、散射的拉曼光和样品自身发射的红外光被第一物镜40收集，并准直成不同角度的平行光；平行光经反射激光的第一分束器30后，碰到第二分束器60，它反波长大于7μ的红外光，透低于7μ的拉曼光和激光，红外光由红外透镜70成象到8-14μ的FPA 80上。
NELF 90倾斜放置，NELF 90与NELF 90之间的角度为3-5°。透过第二分束器60的拉曼光和残余的激光经两片以3-5°的角度放置的ENLF 90后，激光全部过滤干净，拉曼光通过两个ENLF 90，中继透镜100把拉曼光直接聚焦到狭缝110上，由于拉曼光的光斑形状与狭缝110一致，拉曼光全部通过狭缝110。若用图1那样的双光纤探头的光纤连到狭缝110上，从光纤输出的大而圆的光斑有90％被狭而窄(25μm)的狭缝110挡掉，光通量极低。
成谱系统120详见图3，成谱系统120包括光栅210、第一成谱镜200和第二成谱镜220，光栅的线数为600/mm-1200/mm；第一成谱镜200和第二成谱镜220均为透镜，F数为2-4，F数由拉曼光谱宽决定。拉曼光经第一成谱镜200准直成平行光射到光栅210上，入射角度小于15°，色散后取第1级，射到第二成谱镜220后被成象在探测器130上。
探测器130为背照致冷CMOS、背照非致冷CMOS、背照致冷sCMOS、背照非致冷sCMOS、致冷CCD和非致冷CCD中的一种。
若探测器130是面阵探测器，Y方向的许多象元在接收到拉曼光后，可以作积累提高信噪比，若是64象元，信噪比可提高8倍。从探测器130输出的成谱信号经信号处理器140处理后用USB或蓝牙连到手机150上出谱，并作寻峰、判读处理。手机也与FPA80用USB或WiFi相连，用于显示样品红外图象，测量温度和找出光轴，作系统校正。
第一物镜40的材质为热压ZnSe晶体，第一物镜40的透过率见图4，它从0.5μ到16μ的透过率达70％，可兼顾0.785μ的激光及8-14μ的红外光；第二分束器60为低通分束器，反红外透拉曼；红外透镜70为Ge透镜。
对近目标，采样点及其拉曼光谱在红外图象中心点对点融合，用红外图像也可校正和对准所有部件的光轴。这里要强调的是，目标与红外焦平面是物象关系，中间没有狭缝，若物镜看远处目标，看到的目标的远近和大小由第一物镜40和红外透镜70决定，移动物镜可以调焦，看清不同距离的目标。
还有一点要指出的是，由于第二分束器60的截止波长是7μ，离拉曼光谱很远，它不存在拉曼过渡带陡不陡的问题，不会影响透过60的拉曼光在遇到两片NELF 90时去获得低波数，低波数完全由NELF 90决定。
第一分束器30是介质分束片30，具体为Semrock的RU-edge分束片，如图5所示，由于拉曼光过渡带不陡(见图5中的Semrock曲线)，即使用NELF 90也不能获得35cm-1的低波数，只能获得155cm-1的低波数。
实施例2
如图6所示，同实施例1，所不同的是本实施例中的光路系统中的第一分束器30的中心位置涂覆银或者铝，使第一分束器30的中心位置形成反射镜35，反射镜35的直径小于等于1mm，由不扩束的打到第一分束器30的激光光斑的大小决定，第一分束器30剩余位置为涂覆增透膜的石英玻璃，拉曼光的透过率达95％以上；如图5所示，由于反射镜35全反激光，没有过渡带，拉曼光可以透过增透的石英玻璃的过渡带极窄，因此本实施例的第一分束器30可以透过波数低达5cm-1的拉曼光(见图5中的New BS曲线)，35cm-1的限制只由NELF 90(见图5中的NEF曲线)引起。
如图5所示，本实施例的第一分束器30能做到低波数5cm-1，并对任何波长的激光都适用。但若用BPF(见图5中的BPF曲线)，拉曼光的透过率只有30％，比本实施的第一分束器30低得多。虽然，本实施例利用便宜得多小得多的NELF 90做长通滤光片，最低波数只能达到35cm-1，不是5cm-1，但本实施例的透过率比BPF高得多。
另一个不同的是，本实施例的光路系统中不包括扩束准直镜20。如图6所示，激光器10前面不加扩束准直镜20，直接把光斑形状为A的激光打到分束器30的中心部分反射镜35，然后由第一物镜40的中心部分会聚到目标50上的采样点B，B的形状类似A，但比A小。从B发出的拉曼光和红外光被整个第一物镜40收集，然后通过整个第一分束器30，射向第二分束器60把红外光与拉曼光分开，第二分束器60是短通分束器。
透过两片NELF 90的拉曼光已基本上没有激光，由中继透镜100聚焦到狭缝110上的光斑C，其形状与采样点B完全一样，X方向窄(例如25μm)，由单色仪120中的光栅色散出谱，Y方向高(例如1mm)，可以全部通过形状和大小完全一样的狭缝110，然后被面阵探测器130全部收集。
如图7所示，若探测器130选用sCMOS，它对从紫外到近红外的拉曼都有很高的量子效率，透镜全用石英玻璃做，这样针对不同波长的拉曼光谱仪，只需换激光器10、光栅和NELF 90就可以了，其它部分可以不动。
本实施例的样机外形如图8所示。
实施例3
同实施例1，所不同的是，本实施例的第一分束器30被反射镜取代，反射镜的直径小于等于1mm，反射镜不涂介质膜，反射镜旁是自由空间，自由空间为平行光的光路中不包括反射镜的光路空间，反射镜的面积为自由空间截面积的1％。光路系统包括反射镜、第二分束器60、两个NELF 90、中继透镜和第一物镜40；反射镜设在激光器10后，反射镜设置在激光入射光路的光轴上，用于反射激光；第一物镜40设在反射镜一侧，用于将激光聚焦在样品上，样品反射激光、散射拉曼光和样品自身发射的红外光经第一物镜40收集后准直成平行光，激光、拉曼光和红外光透过自由空间；第二分束器60设在反射镜背离第一物镜40的一侧，用于反红外光和透拉曼光及激光；红外成像系统设在第二分束器60的反射面，用于红外光成像，测量温度和寻找光轴；两片NELF 90设在第二分束器60的透射面，用于透过波数大于等于35cm-1的拉曼光并滤去激光；中继透镜设在NELF 90与狭缝之间，用于将波数大于等于35cm-1的拉曼光聚焦到狭缝上。
反射镜的直径小于等于1mm，由不扩束的打到第一分束器30的激光光斑的大小决定，由于反射镜的光谱极陡，石英玻璃或自由空间对拉曼光的过渡带也极陡，因此，本实施例可以做到5cm-1的低波数(见图6的New BS曲线)，波数限制只取决于NELF 90，因此，低波数可以做到35cm-1。
从目标散射回来的拉曼光透过直径为50mm的第一物镜40只被直径为1mm的反射镜挡掉4×10-4(即0.52/252)，等于不挡，其透过率比原来的介质分束片30还高。即使，本实施例采用直径为6.35mm的第一物镜40，反射镜也只能挡0.52/3.1752＝2.5％，可以忽略不计。
实施例4
即使第一物镜40直径是50mm，F＝1，探测距离也只有50mm，探测远一点的目标要移动整台仪器，要探测凹下去的地方或物体反面基本上不可能，也就是说，即使手机拉曼光谱仪体积很小，质量很轻，使用仍然不方便。此外，激光容易引爆。
为解决这些问题，本实施例中在第一物镜40前面附加光纤束探头，其余同实施例2。
光纤束探头包括光纤束50和第二物镜300，第二物镜300可以是一个也可以是两个，若是一个，光纤束50放在第二物镜300的2f处，f是焦距；若是两个，光纤束50放在第二物镜300的f处，f是焦距，两个镜头间是平行光，两个镜头的焦距可以不一样，以便控制照到样品上的许多小光点的大小，不引起爆炸。
由多根光纤组成的光纤束50设在第一物镜40与第二物镜300之间，用于接收第一物镜40聚焦的激光B，传输到第二物镜300的象点C，再经第二物镜300聚焦到物点即样品上的目标D，由于照射点由许多能产生拉曼光的能量较低的小光点组成，就不会引爆，若照度低可用增大积分时间弥补。目标D反射激光、散射拉曼光依次经第二物镜300、光纤束50和第一物镜40收集后准直成平行光，通过NELF 90、中继透镜100和狭缝110进入成谱系统。光纤束探头只用于拉曼光不用于红外光。
本实施例用几根数值孔径与第一物镜40和第二物镜300匹配的光纤做光纤束50，光纤束50的直径与狭缝一样宽(X方向)，排成与狭缝一样高(Y方向)的光纤束可以很长，例如1米到10米，光纤束50的两端可以用标准光纤束接头与两个物镜方便的连接。由于光线是可逆的，从目标D反射的光由第二物镜300收集到C，由光纤束50传输到第一物镜40的焦点B时，与它发出时的路径完全一样但方向相反，可完全被第一物镜40接收。
而老式的单光纤，不是光纤束50，探头把很大的聚焦点的光节使全部送到狭缝，由于狭缝很窄，例如25微米，大部分被挡掉，透过的连10％都不到。本实施例的光纤束50可以使狭缝通过所有从被测点发出的光，并使原来的拉曼光谱仪一点不动，只是含有第二物镜300和一部分光纤束50的部分作移动，这样就可避免关键部件的损坏和松动，同时由于无光纤连接激光器10，激光也没有一点光的损失。
其余探测过程同实施例2。
实施例5
由于手机的体积小，因此将拉曼光谱仪集成在手机时，拉曼光谱宽只能做到1800cm-1，不能测量水和翡翠这些拉曼光谱宽在3000cm-1以上的物质。
为了解决这个问题，如图9(a)所示，本实施例同实施例1，所不同的是，本实施例的光路系统包括第一分束器30、两个NELF 90、中继透镜和第一物镜40；第一分束器30设在激光器10后，用于反射激光透拉曼光；第一物镜40设在第一分束器30的反射面，用于聚焦第一分束器30反射的激光到样品，样品反射激光、散射拉曼光第一物镜40收集后准直成平行光；NELF 90设在第一分束器30的透射面，用于透过波数大于等于35cm-1的拉曼光，滤去激光；中继透镜设在NELF 90与狭缝之间，用于将波数大于等于35cm-1的曼光聚焦到狭缝上。
本实施例中，拉曼光谱仪与红外热像仪不共用一个物镜，是两个独立的系统，只是都装在手机上，与手机相连，作数据处理和显示图象。这时，红外成像系统为红外摄像头180，由于红外摄像头与拉曼光谱仪的第一物镜40靠得很近，而红外摄像头具有28°的视场角，完全可以看清拉曼光谱的测量目标和目标中的采样点D。因此，两个系统也可以融合在一起，但不是点对点的融合，而是画中画的融合。
成谱系统120包括光栅210、第一成谱镜200和第二成谱镜220，光栅210的线数为600/mm-1200/mm；第一成谱镜200为透镜，第一成谱镜200的F数为2，与前面这些实施例不同，第二成谱镜220为球面反射镜。
如图9(b)所示，拉曼光经第一成谱镜200准直成平行光射到光栅210上，以0-5°的入射角入射，色散后取第1级，射到F数比2大、焦距240比第一成谱镜200大的第二成谱镜220后被成象在探测器130上。第二成谱镜220为反射镜220，若反射镜220的F数在4以内，则从反射镜220到探测器130的距离小于50mm，比一般手机的宽度——70mm小得多，因此，整个拉曼光谱仪可放在手机内。
从探测器130输出的信号经信号处理器140处理后用USB或蓝牙连到手机150上出谱，并作寻峰、判读处理。手机150也与红外摄像头180用USB或WiFi相连，显示目标红外图象，测出温度。
这种由F＝2的第一成谱镜200、线数为600-1200/mm的光栅和F>2的球面反射镜组成的成谱系统120可使拉曼光谱宽达到3500cm-1这样的宽光谱，因这时落到探测器130的宽度变宽了。由于3500cm-1波数以后，CMOS或CCD的响应率几乎为0，再扩展波数已无可能，也无必要。
其余探测过程同实施例1。
本实施例的样机外形如图10所示。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (10)

1.拉曼光谱仪与红外热像仪的手机融合系统，其特征在于：包括激光器、光路系统、狭缝、成谱系统、探测器、信号处理器、手机和红外成像系统；激光器用于发射激发样品发出拉曼光的激光，光路系统设在激光器与狭缝之间，用于将激光器发射的激光照射到样品上并收集样品发出的拉曼光，拉曼光聚焦到狭缝上，形成光斑；成谱系统设在狭缝与探测器之间，光斑经成谱系统成象到探测器上，探测器输出成谱信号；信号处理器与探测器信号连接，用于处理探测器输出的成谱信号；手机与信号处理器信号连接，用于出谱以及作寻峰、判读处理；手机与红外成像系统连接；红外成像系统与光路系统连接，用于红外成像，测量温度和寻找光轴；或者红外成像系统不与光路系统连接，红外成像系统用于红外成像和测量温度。
2.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪与红外热像仪的手机融合系统，其特征在于：光路系统包括第一分束器、第一物镜、第二分束器、一个或一个以上NELF和中继透镜；第一分束器设在激光器后，用于反射激光；第一物镜设在第一分束器的反射面，用于将激光聚焦在样品上，样品反射激光、散射拉曼光和样品自身发射的红外光经第一物镜收集后准直成平行光，拉曼光和红外光透过第一分束器；第二分束器设在第一分束器的透射面，用于反红外光和透拉曼光和激光；红外成像系统设在第二分束器的反射面，用于红外光成像，测量温度和寻找光轴；NELF设在第二分束器的透射面，用于透过波数大于等于35cm-1的拉曼光，滤去激光；中继透镜设在NELF与狭缝之间，用于将波数大于等于35cm-1的拉曼光聚焦到狭缝上。
3.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪与红外热像仪的手机融合系统，其特征在于：光路系统包括反射镜、第一物镜、第二分束器、一个或一个以上NELF和中继透镜；反射镜设在激光器后，用于反射激光，反射镜的直径小于等于1mm；第一物镜设在反射镜一侧，用于将激光聚焦在样品上，样品反射激光、散射拉曼光和样品自身发射的红外光经第一物镜收集后准直成平行光，激光、拉曼光和红外光透过自由空间；第二分束器设在反射镜背离第一物镜的一侧，用于反红外光和透拉曼光及激光；红外成像系设在第二分束器的反射面，用于红外光成像，测量温度和寻找光轴；NELF设在第二分束器的透射面，用于透过波数大于等于35cm-1的拉曼光，滤去激光；中继透镜设在NELF与狭缝之间，用于将波数大于等于35cm-1的拉曼光聚焦到狭缝上。
4.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪与红外热像仪的手机融合系统，其特征在于：光路系统包括第一分束器、第一物镜、一个或一个以上NELF和中继透镜；第一分束器设在激光器后，用于反射激光透拉曼光；第一物镜设在第一分束器的反射面，用于聚焦第一分束器反射的激光照射样品，样品反射的激光和散射的拉曼光经第一物镜收集后准直成平行光；NELF设在第一分束器的透射面，用于透过波数大于等于35cm-1的拉曼光，滤去激光；中继透镜设在NELF与狭缝之间，用于将波数大于等于35cm-1的拉曼光聚焦到狭缝上。
5.根据权利要求2-4所述的拉曼光谱仪与红外热像仪的手机融合系统，其特征在于：光路系统还包括第二物镜和光纤束；光纤束设在第一物镜与第二物镜之间，用于接收第一物镜聚焦的激光束，将激光束传输到第二物镜，经第二物镜把激光束分散聚焦到样品上，样品反射的激光和散射的拉曼光依次经第二物镜、光纤束和第一物镜收集后准直成平行光。
6.根据权利要求2-4任一项所述的拉曼光谱仪与红外热像仪的手机融合系统，其特征在于：光路系统还包括扩束准直镜，扩束准直镜设在激光器后，用于扩散激光器发射的激光，得到平行光；第一分束器设在扩束准直镜后，用于反射激光。
7.根据权利要求2-4任一项所述的拉曼光谱仪与红外热像仪的手机融合系统，其特征在于：NELF的个数为1个时，NELF垂直于光轴设置；NELF的个数为2个或2个以上时，NELF倾斜放置，NELF与NELF之间的角度为3-5°。
8.根据权利要求2-4任一项所述的拉曼光谱仪与红外热像仪的手机融合系统，其特征在于：第一分束器包括介质分束片，第一分束器的中心位置处涂覆银或者铝，第一分束器的剩余位置涂覆透激光和拉曼光的增透膜。
9.根据权利要求4所述的拉曼光谱仪与红外热像仪的手机融合系统，其特征在于：红外成像系统包括红外透镜、红外焦平面阵列和电路板；红外透镜用于会聚红外光；红外焦平面阵列设在红外透镜后，用于红外光成像以及测量温度；电路板与红外焦平面阵列连接，用于信号处理；手机与电路板连接，用于红外图象和温度显示。
10.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪与红外热像仪的手机融合系统，其特征在于：成谱系统包括光栅和成谱镜，光栅的线数为600/mm-1200/mm；成谱镜包括透镜和球面反射镜中的一种或两种。
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