CN111007054A - 具有白光成像功能的拉曼光谱检测装置 - Google Patents

具有白光成像功能的拉曼光谱检测装置 Download PDF

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卢念航
吴森
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    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering

Abstract

本发明公开了一种具有白光成像功能的拉曼光谱检测装置，包括：激光器、准直器、照明光源、光谱仪和CCD相机，激光器和准直器之间连接有一第一光纤，在平行光的光路上先后依次固装有一扩束镜和二向色镜，在第一光路上先后依次固装有一物镜和样品台，第一光路在样品表面激发出的拉曼散射光在透过物镜和二向色镜后形成第二光路，在第二光路上固装有一耦合透镜以及与光谱仪连接的第二光纤；在白光的光路上固装有一薄膜分束器，在第三光路上安装一能够拆卸的第一反射镜，在第四光路上固装一套筒透镜。本发明拉曼光谱检测装置能在CCD相机上得到清晰的图像，便于观察样品和搜寻样品上的待测区域。两种工作模式切换方便，且相互独立，互不干扰。

Description

具有白光成像功能的拉曼光谱检测装置
技术领域
本发明属于拉曼光谱探测技术领域，具体来说涉及一种具有白光成像功能的拉曼光谱检测装置。
背景技术
光散射是一种普遍存在的物理过程和自然现象。当一束频率为v0的单色光辐射到散射体上时，入射光与散射体发生相互作用而偏离原入射方向甚至发生能量改变，即发生散射现象。散射光主要由与入射光频率v0相同的成分组成，这部分散射光在与散射体相互作用后没有发生能量变化，是弹性散射，通常被称为瑞利散射，而散射光中还包含强度极其微弱的、频率对称分别在瑞利谱线两侧的(v0-vk)和(v0+vk)频率的散射光成分，这部分光的能量在与散射体的相互作用过程中发生了变化，是一种非弹性散射，称为拉曼散射。其中频率为(v0-vk)的散射光相对较强，拉曼光谱分析技术中主要采集的就是这部分的光谱信号。拉曼光谱是由散射体系的结构和性质决定的，与入射光频率无关，能够特异性地反映样品物质的固有振动和转动能级结构。因此，拉曼光谱具有与物质结构相对应的“指纹”特性，可实现对样品化学成分的定性、定量分析。拉曼光谱检测技术还具有操作简单方便，适用范围广，检测成本低，无需特殊样品制备和无损检测等优点，目前已被广泛应用于物理、化学、材料科学以及环境科学等领域。
为提高拉曼光谱的空间分辨力，激发光的光斑直径通常在几十到几微米量级。在测试微小样品或大样品的特定位置时，就需要白光成像光路的辅助，用来观测样品和搜寻待测区域。由于白光成像光路的照明光源对拉曼光谱检测的影响巨大，所以在同一时间只能选择白光成像和光谱检测中的一种工作模式。目前常使用分光镜将白光成像光路耦合到拉曼光谱光路中，通过打开或关闭白光成像光路的照明光源，即可切换工作模式。这种方式结构简单，易于实现，但是会损失一定比例的激发光和拉曼散射光的能量，造成信噪比的降低。另外还有许多设计者使用一个带有反光镜的转盘来耦合两个光路，通过转动转盘，即可切换系统的工作模式。这种方式效率高，操作方便，但是占用的空间较大。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有白光成像功能的拉曼光谱检测装置，该拉曼光谱检测装置使白光成像光路更方便地耦合到拉曼光谱检测装置中，可快速地切换白光成像光路和拉曼光谱光路，保证样品成像与光谱检测功能相互独立，互不干扰，同时保证第一反射镜和第二反射镜在光路中的重复定位精度，进而能更高效地得到目标区域的拉曼光谱信号。本发明的拉曼光谱检测装置结构紧凑，占用空间小，可清晰地对样品成像，便于观察样品和定位拉曼光谱的成像区域，激发光和拉曼散射光的能量损失小，系统信噪比高，工作模式切换方便。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种具有白光成像功能的拉曼光谱检测装置，包括：激光器、准直器、照明光源、光谱仪和CCD相机，
所述激光器和准直器之间连接有一第一光纤，以使所述激光器发射的激光经过所述第一光纤传输至所述准直器后形成平行光，在所述平行光的光路上先后依次固装有一扩束镜和二向色镜，以使所述平行光在被所述扩束镜扩大后再被所述二向色镜反射形成第一光路，在所述第一光路上先后依次固装有一物镜和样品台，以使所述第一光路在经过物镜后聚焦在所述样品台的样品上，所述第一光路在样品表面激发出的拉曼散射光在透过所述物镜和所述二向色镜后形成第二光路，在所述第二光路上固装有一耦合透镜以及与所述光谱仪连接的第二光纤，以使所述第二光路被所述耦合透镜耦合至所述第二光纤中且所述光谱仪得到拉曼光谱信号；
所述照明光源用于发射白光，在所述白光的光路上固装有一薄膜分束器，以使所述白光在透过所述薄膜分束器后形成第三光路，在所述第三光路上安装一能够拆卸的第一反射镜，当安装所述第一反射镜后：
所述第三光路被所述第一反射镜反射后再先后依次透过所述二向色镜和所述物镜并照射到所述样品台的样品上，所述第三光路被所述样品反射和散射的光透过所述物镜和二向色镜再先后依次被所述第一反射镜和薄膜分束器反射后形成第四光路，在所述第四光路上固装一用于将所述第四光路聚焦后投射在所述CCD相机的感光面上的套筒透镜。
在上述技术方案中，所述激光器发射的激光波长为X，在所述二向色镜和耦合透镜之间的第二光路上固装有一长波通滤光片，所述长波通滤光片的起始波长(大于起始波长的光可以透过该长波通滤光片)大于所述X，用于阻隔波长小于所述起始波长的光通过所述长波通滤光片。
在上述技术方案中，在所述长波通滤光片和耦合透镜之间的第二光路上固装有一陷波滤光片，所述陷波滤光片中心波长等于X(位于中心波长左右两侧的阻带内的光会被衰减)，以使透过大多数波长，而有效衰减波长在阻带范围内的光线。
在上述技术方案中，所述二向色镜为长波通二向色镜，截止波长大于X，用于高透射波长大于截止波长的光线，而高反射波长小于截止波长的光线。
在上述技术方案中，在所述套筒透镜与所述CCD相机之间固装一第二反射镜，用于对从所述套筒透镜透过的第四光路进行反射且反射后投射在所述CCD相机的感光面上。
在上述技术方案中，所述第二反射镜与所述平行光的夹角为45°。
在上述技术方案中，所述二向色镜与所述平行光的夹角为45°。
在上述技术方案中，所述第一反射镜与所述平行光的夹角为45°。
在上述技术方案中，所述X为400～900nm。
在上述技术方案中，所述第一反射镜通过一安装架可拆卸的安装在所述第三光路上，所述安装架包括：固装在所述第三光路上的固定座以及可从所述固定座上拆卸的镜座，其中，所述固定座的底面用于固定以使第一反射镜位于所述第三光路上，在所述固定座的顶面上形成有多个第一结构；所述镜座的底面在与每一个第一结构相对应的位置形成有第二结构，所述第一结构与第二结构凹凸配合且相吸，在所述镜座的顶面固装有所述第一反射镜。
在上述技术方案中，所述镜座的顶面固装有一环形的镜架，所述第一反射镜嵌装在该镜架内。
在上述技术方案中，所述第一结构和第二结构的材质分别为铁和磁铁。
本发明拉曼光谱检测装置的有益效果如下：
1、能在CCD相机上得到清晰的图像，便于观察样品和搜寻样品上的待测区域。
2、激发光和拉曼散射光的能量损失小，系统信噪比高。
3、结构紧凑，占用空间小。
4、两种工作模式切换方便，且相互独立，互不干扰。
附图说明
图1为本发明拉曼光谱检测装置的结构示意图；
图2为本发明拉曼光谱检测装置白光成像光路的结构示意图；
图3为本发明拉曼光谱检测装置拉曼检测光路的结构示意图；
图4a为本发明安装架的结构示意图；
图4b为本发明镜座的结构示意图；
图4c为本发明固定座的结构示意图。
其中，
1：激光器 2：第一光纤
3：准直器 4：扩束镜
5：样品台 6：二向色镜
7：物镜 8：样品
9：第一反射镜 10：长波通滤光片
11：陷波滤光片 12：耦合透镜
13：第二光纤 14：光谱仪
15：照明光源 16：薄膜分束器
17：套筒透镜 18：第二反射镜
19：CCD相机 20：安装架
20-1：固定座 20-1-1：第一结构
20-2：镜座 20-2-1：第二结构
20-2-2：镜架。
具体实施方式
本发明的拉曼光谱检测装置能够实两个工作模式，两个工作模式分别是拉曼检测光路和白光成像光路。拉曼检测光路包括激光器1、第一光纤2、准直器3、扩束镜4、二向色镜6、物镜7、长波通滤光片10、陷波滤光片11、耦合透镜12、第二光纤13和光谱仪14。白光成像光路包括照明光源15、薄膜分束器(薄膜分光镜)16、第一反射镜9、二向色镜6、物镜7、套筒透镜17(Tube Lens)、第二反射镜18和CCD相机19。两个光路共用二向色镜6和物镜7，并通过拆装第一反射镜9来实现两种工作模式的切换。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的具有白光成像功能的拉曼光谱检测装置。
实施例1
如图1～3所示，包括：激光器1、准直器3、照明光源15、光谱仪14和CCD相机19，激光器1和准直器3之间连接有一第一光纤2，以使激光器1发射的激光经过第一光纤2传输至准直器3后形成平行光，在平行光的光路上先后依次固装有一扩束镜4和二向色镜6，以使平行光在被扩束镜4扩大后再被二向色镜6反射形成第一光路，扩束镜4将平行光的直径扩大到与物镜出瞳的直径相等，以便在样品5上得到最小的激光会聚光斑，在第一光路上先后依次固装有一物镜7和样品台5，以使第一光路在经过物镜7后聚焦在样品台5的样品8上，第一光路在样品8表面激发出的拉曼散射光在透过物镜7和二向色镜6后形成第二光路，在第二光路上固装有一耦合透镜12以及与光谱仪14连接的第二光纤13，以使第二光路被耦合透镜12耦合至第二光纤13中且光谱仪14得到拉曼光谱信号，至此得到拉曼检测光路，如图3所示。
照明光源15用于发射白光，在白光的光路上固装有一薄膜分束器16，以使白光在透过薄膜分束器16后形成第三光路，在第三光路上安装一能够拆卸的第一反射镜9，当安装第一反射镜9后：
第三光路被第一反射镜9反射后再先后依次透过二向色镜6和物镜7并照射到样品台5的样品8上，第三光路被样品8反射和散射的光透过物镜7(被物镜收集)和二向色镜6再先后依次被第一反射镜9和薄膜分束器16反射后形成第四光路，在第四光路上固装一用于将第四光路聚焦后投射在CCD相机19的感光面上的套筒透镜17，CCD相机得到样品的表面图像，至此得到白光成像光路，如图2所示。
其中，薄膜分束器16与常用的分光镜片相比可消除重影，提高成像质量。照明光源发射的白光中波长大于二向色镜的透过截止波长的光线可以透射通过二向色镜6，白光成像光路就利用这部分波长大于透过截止波长的光线来成像。
实施例2
在实施例1的基础上，激光器1发射的激光波长为X，X的范围为400～900nm。拉曼检测光路常用的激光器波长为532nm、633nm或780nm，针对不同波长的激光器，需要选择相应波长的二向色镜、滤光片、陷波滤光片等镜片。
在二向色镜6和耦合透镜12之间的第二光路上固装有一长波通滤光片10，长波通滤光片10的起始波长大于激光器的波长X，起始波长的范围为450～950nm,针对波长为532nm、633nm和780nm的激光器，可相应依次选用起始波长为550nm、650nm和800nm的长波通滤光片。
在长波通滤光片10和耦合透镜12之间的第二光路上固装有一陷波滤光片11，陷波滤光片11的中心波长等于激光器的波长X，中心波长的范围为400～900nm,针对波长为532nm、633nm和780nm的激光器，可相应依次选用中心波长为532nm、633nm和780nm的陷波滤光片。二向色镜6、长波通滤光片10和陷波滤光片11，三者相互配合可以充分地滤除从样品返回的光束中波长小于或等于激光器波长的光线，从而使采集的拉曼光谱有较好的信噪比。
二向色镜6为长波通二向色镜，截止波长大于激光器的波长X，截止波长的范围为450～950nm,针对波长为532nm、633nm和780nm的激光器，可相应依次选用截止波长为550nm、650nm和800nm的长波通二向色镜，即二向色镜6的截止波长稍大于激光器1的波长，可高反射激光器1发射的激光，并高透射大于截止波长的拉曼散射光。
在套筒透镜17与CCD相机19之间固装一第二反射镜18，用于对从套筒透镜17透过的第四光路进行反射，且反射后投射在CCD相机19的感光面上。白光成像光路是一个无限远校正光学系统，从物镜7返回的光线是平行光，套筒透镜17到物镜7的光路长度不受限制，而套筒透镜17到CCD相机19的光路长度则由套筒透镜17的焦距决定，套筒透镜17的焦距又与物镜的设计焦距相等，物镜常用的焦距有165mm、180mm及200mm等，造成套筒透镜17到CCD相机19的光路较长，为了节省纵向的空间，加入了一个与水平面成45°角的第二反射镜18。
第二反射镜18与平行光的夹角为45°；二向色镜6与平行光的夹角为45°，第一反射镜9与平行光的夹角为45°。
实施例3
本发明一个关键部件是第一反射镜9，在实施例2的基础上，第一反射镜9通过一安装架20可快速拆卸的安装在第三光路上，如图4a～4c所示，安装架20包括：固装在第三光路上的固定座20-1以及可从固定座20-1上拆卸的镜座20-2，其中，固定座20-1由铝合金加工而成,固定座20-1的底面上有多个沉孔，用于固定在支架(支架用于安装第一反射镜，图中未示出)等结构上以使第一反射镜9位于第三光路上，在固定座20-1的顶面上形成有多个铁质的第一结构20-1-1；镜座20-2的底面在与每一个第一结构20-1-1相对应的位置形成有磁铁材质的第二结构20-2-1，第一结构20-1-1与第二结构20-2-1凹凸配合且相吸，例如：第一结构20-1-1为圆柱形定位凹槽，第二结构20-2-1为圆柱形磁铁。镜座20-2的顶面固装有一环形的镜架20-2-2，第一反射镜9嵌装在该镜架20-2-2内。
拆除第一反射镜9，打开激光器1，关闭照明光源15，本发明的拉曼光谱检测装置工作在光谱检测模式(即工作的为拉曼检测光路)；而装入第一反射镜9，打开照明光源15，并关闭激光器1，本发明的拉曼光谱检测装置则工作在白光成像模式(即工作的为白光成像光路)。
下面仅针对633nm波长的激光器列举一种本方案的最佳实施方式。
激光器1选用Thorlabs公司的氦氖激光器，型号为HNL210LB，最大功率为21mW，中心波长632.8nm。
第一光纤2和第二光纤13均选用镀有增透膜的单模光纤跳线。
准直器选用Thorlabs公司的非球面透镜准直器，型号为F240FC-B，设计波长为633nm，NA为0.25。
扩束镜4选用Thorlabs公司的消色差伽利略扩束器，型号为GBE02-A，镀有400nm-650nm增透膜，可将一束准直光的直径扩大2倍。
长波通滤光片10选用Thorlabs公司的介质膜滤光片，型号为FELH0650，起始波长为650nm，在截至区域的光学密度(OD)大于5，在透过区域内的透过率大于90％。
陷波滤光片11选用Thorlabs公司的陷波滤光片，型号为NF633-25，中心波长为633nm，阻带峰值光密度大于6。
耦合透镜12选用Thorlabs公司非球面聚光透镜，型号为ACL25416U-B，焦距为16mm，NA为0.79，镀有650nm-1050nm增透膜。
光谱仪14选用Andor公司的光谱仪，型号为Shamrock 500i,焦距500mm，光圈比F/6.5，解析度0.06nm。
照明光源15选用带有准直器的冷光源卤素灯。
薄膜分束器16选用Thorlabs公司的薄膜分束器，型号为CM1-BP150，分光比为50：50，镀膜为635nm。
第一反射镜9选用Thorlabs公司的圆形镀银膜反射镜，型号为PF10-03-P01，直径为1英寸，该第一反射镜在可见光波段反射率>90％。
二向色镜6选用Thorlabs公司的长波通二向色镜，型号为DMLP650，截止波长为650nm，在透射波段685nm-1600nm绝对透射率>85％，在反射波段400nm-633nm绝对反射率>90％。
物镜选用三丰公司的平场复消色差物镜，50倍放大倍率，数值孔径0.55，工作距离13mm，焦距为200mm。
套筒透镜17选用Thorlabs公司的无限远矫正套筒透镜，型号为TTL200，焦距为200，适合宽场成像。
第二反射镜18选用Thorlabs公司的圆形镀银膜反射镜，型号为PF10-03-P01，直径为1英寸，该第二反射镜在可见光波段反射率>90％。
CCD相机选用Thorlabs公司的彩色CCD相机，型号为DCU223C，1024×768分辨率，帧率为30fps。
按照上述型号组装而成的本发明拉曼光谱检测装置与使用50：50分束比的分光镜耦合白光成像光路的方式相比，本发明的拉曼光谱检测装置的系统信噪比可提高4倍以上，由此可见本发明激发光和拉曼散射光的能量损失小，系统信噪比高。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有白光成像功能的拉曼光谱检测装置，其特征在于，包括：激光器(1)、准直器(3)、照明光源(15)、光谱仪(14)和CCD相机(19)，
所述激光器(1)和准直器(3)之间连接有一第一光纤(2)，以使所述激光器(1)发射的激光经过所述第一光纤(2)传输至所述准直器(3)后形成平行光，在所述平行光的光路上先后依次固装有一扩束镜(4)和二向色镜(6)，以使所述平行光在被所述扩束镜(4)扩大后再被所述二向色镜(6)反射形成第一光路，在所述第一光路上先后依次固装有一物镜(7)和样品台(5)，以使所述第一光路在经过物镜(7)后聚焦在所述样品台(5)的样品(8)上，所述第一光路在样品(8)表面激发出的拉曼散射光在透过所述物镜(7)和所述二向色镜(6)后形成第二光路，在所述第二光路上固装有一耦合透镜(12)以及与所述光谱仪(14)连接的第二光纤(13)，以使所述第二光路被所述耦合透镜(12)耦合至所述第二光纤(13)中且所述光谱仪(14)得到拉曼光谱信号；
所述照明光源(15)用于发射白光，在所述白光的光路上固装有一薄膜分束器(16)，以使所述白光在透过所述薄膜分束器(16)后形成第三光路，在所述第三光路上安装一能够拆卸的第一反射镜(9)，当安装所述第一反射镜(9)后：
所述第三光路被所述第一反射镜(9)反射后再先后依次透过所述二向色镜(6)和所述物镜(7)并照射到所述样品台(5)的样品(8)上，所述第三光路被所述样品(8)反射和散射的光透过所述物镜(7)和二向色镜(6)再先后依次被所述第一反射镜(9)和薄膜分束器(16)反射后形成第四光路，在所述第四光路上固装一用于将所述第四光路聚焦后投射在所述CCD相机(19)的感光面上的套筒透镜(17)。
2.根据权利要求1所述的拉曼光谱检测装置，其特征在于，所述激光器(1)发射的激光波长为X，在所述二向色镜(6)和耦合透镜(12)之间的第二光路上固装有一长波通滤光片(10)，所述长波通滤光片(10)的起始波长大于X。
3.根据权利要求2所述的拉曼光谱检测装置，其特征在于，在所述长波通滤光片(10)和耦合透镜(12)之间的第二光路上固装有一陷波滤光片(11)，所述陷波滤光片(11)的中心波长等于X。
4.根据权利要求3所述的拉曼光谱检测装置，其特征在于，所述二向色镜(6)为长波通二向色镜，截止波长大于X。
5.根据权利要求4所述的拉曼光谱检测装置，其特征在于，在所述套筒透镜(17)与所述CCD相机(19)之间固装一第二反射镜(18)，用于对从所述套筒透镜(17)透过的第四光路进行反射且反射后投射在所述CCD相机(19)的感光面上。
6.根据权利要求5所述的拉曼光谱检测装置，其特征在于，所述第二反射镜(18)与所述平行光的夹角为45°；
所述二向色镜(6)与所述平行光的夹角为45°。
7.根据权利要求6所述的拉曼光谱检测装置，其特征在于，所述第一反射镜(9)与所述平行光的夹角为45°。
8.根据权利要求7所述的拉曼光谱检测装置，其特征在于，所述X为400～900nm。
9.根据权利要求8所述的拉曼光谱检测装置，其特征在于，所述第一反射镜(9)通过一安装架(20)可拆卸的安装在所述第三光路上，所述安装架(20)包括：固装在所述第三光路上的固定座(20-1)以及可从所述固定座(20-1)上拆卸的镜座(20-2)，其中，所述固定座(20-1)的底面用于固定以使第一反射镜(9)位于所述第三光路上，在所述固定座(20-1)的顶面上形成有多个第一结构(20-1-1)；所述镜座(20-2)的底面在与每一个第一结构(20-1-1)相对应的位置形成有第二结构(20-2-1)，所述第一结构(20-1-1)与第二结构(20-2-1)凹凸配合且相吸，在所述镜座(20-2)的顶面固装有所述第一反射镜(9)。
10.根据权利要求9所述的拉曼光谱检测装置，其特征在于，所述镜座(20-2)的顶面固装有一环形的镜架(20-2-2)，所述第一反射镜(9)嵌装在该镜架(20-2-2)内。
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