CN111175282A - 一种基于物镜信号采集的拉曼光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于物镜信号采集的拉曼光谱仪，可以对待测样品进行准确的拉曼光谱测量。本发明包括激光器光源、拉曼光谱仪光路系统、色散系统以及信号处理系统组成。本发明的各个模块之间高度耦合，尤其是基于物镜信号采集的光路系统，可以有效增加拉曼信号收集的效率。而且本发明可以针对激光光源的瑞利散射干扰进行大幅度抑制，减少干扰以保证其高信噪比。根据本发明研发的拉曼光谱系统，极大简化了常规拉曼光谱仪的光学系统同时保证较高的灵敏度。可用于生物、物理、化学以及医药方面的检测和分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学检测仪器领域，特别涉及一种基于物镜信号采集的拉曼光谱仪。
背景技术
拉曼光谱（Raman spectra）是一种基于散射的光谱。拉曼光谱可以提供分子的振动、转动等方面的结构信息。拉曼光谱在化学中常用于提供分子识别的结构指纹。它依赖于单色光的非弹性散射（拉曼散射），能量的转移给出了系统中振动模式的信息。因此，拉曼光谱广泛用于化学鉴定分子，研究化学键和分子内键。此外拉曼光谱用于表征材料、测量温度和确定样品的晶体取向等。在生物制药工业中，拉曼光谱不仅可以用来鉴定活性药物成分，而且还可以用来鉴定其多晶型。拉曼光谱结果通常不会受到水分子的干扰，因此其在生物学和医学上有着广泛的应用。例如应用拉曼光谱研究蛋白质的折叠状态以及DNA中低频集体运动及其生物学功能。在艺术品以及考古学中，拉曼光谱也是一种有效且非破坏性的研究方法。简言之，拉曼光谱是无损测量、速度检测、应用广泛的检测分析手段。
但是，自发拉曼散射通常非常弱，其强度一般小于入射光强的10-6。因此拉曼光谱的主要困难在于将弱的非弹性散射光与强瑞利散射激光分开并且对于拉曼光谱有效采集。就拉曼光谱仪器本身而言，目前提高拉曼散射光收集效率的主要方法是采用共聚焦拉曼的方法。共聚焦拉曼是将拉曼光谱与显微镜相结合，可将激发光的光斑聚焦到微米量级，进而对样品的微区进行精确分析。共聚焦拉曼价格昂贵且操作相对复杂。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于物镜信号采集的拉曼光谱仪，可以对待测样品进行准确的拉曼光谱测量。本发明的各个部分的集成程度更高，更容易缩小设备体积和重量。而且本发明基于物镜信号采集可以大大提升拉曼信号采集效率。同时光路可以对杂散光进行严格的抑制，保证信噪比。
为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
一种基于物镜信号采集的拉曼光谱系统，其特征在于，包括激光器光源、拉曼光谱仪光路系统、色散系统以及信号采集系统。
所述采激光器光源用于发出拉曼光谱激发光。
所述拉曼光谱仪光路系统用于将激发激光聚焦照射到待测样品上，同时收集样品上产生的拉曼散射光。
所述色散系统主要包括单色仪系统，通过单色仪配备的光栅系统将收集到的散射光将不同波长的光以不同的空间角衍射。
所述信号采集系统，通过电荷耦合器件Charge-coupled Device（CCD）将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。
进一步的，所述激光器采用波长为785 nm 稳频半导体激光器，输出功率为 0-100mW连续可调，线宽小于0.005cm-1,模式为TEM00, 光斑直径为1.5 mm。
进一步的，所述的拉曼光谱仪光路系统包括反射镜，二向色镜、边通滤光片、物镜。入射激光
经过反射镜反射，再经过二向色镜和物镜聚焦在样品上，照射样品产生的散射光经物镜收集，然后经过二向色镜和边通滤波片，边通滤波片滤除其中的瑞利散射光，得到的拉曼散射光再经过透镜汇聚，聚焦到单色仪狭缝处。
进一步的，所述单色仪为320mm焦距，相对孔径为f/4.2，狭缝缝宽为0.01-3mm连续手动可调，缝高为14mm，双出口，双入口可同时加装两个滤光片轮，采用C-T结构设计，采用超环面影像校准设计；三光栅塔台，更好的发挥了仪器覆盖UV-VIS-IR，可根据需要选择光谱范围和分辨率；光栅采用68×68mm（68×84mm）大面积光栅，提高了光收集效率；
进一步的，信号采集系统为CCD探测器。光谱响应范围为200-1100nm，分辨率为2000×256，像素尺寸是15um×15um，有效面积为 30mm×3.8mm。采用半导体制冷,制冷温度为 -60℃。最大光谱速度每秒30，芯片类型为背感光、深耗尽，低噪声，带有anti-fringing镀膜（消除干涉条纹）。
本发明的有益效果：
本发明提供一种基于物镜信号采集的拉曼光谱仪，可以对待测样品进行准确的拉曼光谱测量。本发明的各个部分的集成程度更高，更容易缩小设备体积和重量。而且本发明基于物镜信号采集可以大大提升拉曼信号采集效率。同时光路可以对杂散光进行严格的抑制，保证信噪比。根据本发明研发的拉曼光谱系统，极大简化了常规拉曼光谱仪的光学系统同时保证较高的灵敏度。可用于生物、物理、化学以及医药方面的监测和分析。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构示意图；
图2为本发明一个实施例的物镜采集系统示意图；
图3为本发明一个实施例的光谱采集示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：如图1所示，本实施例提供一种基于物镜信号采集的拉曼光谱仪，包括包括激光器光源、拉曼光谱仪光路系统、色散系统以及信号采集系统。
所述采激光器光源用于发出拉曼光谱激发光。
所述拉曼光谱仪光路系统用于将激发激光聚焦照射到待测样品上，同时收集样品上产生的拉曼散射光。
所述色散系统主要包括单色仪系统，通过单色仪配备的光栅系统将收集到的散射光将不同波长的光以不同的空间角衍射。
所述信号采集系统，通过电荷耦合器件Charge-coupled Device（CCD）将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。
如图1所示，作为拉曼激发光的激光光源选择为为785 nm稳频半导体激光器，输出功率为 0-100 mW连续可调，线宽小于0.005cm-1,模式为TEM00, 光斑直径为1.5 mm。激光经过反射镜反射后，在经过二向色镜，二向色镜的作用是透过785 nm的激发光，反射大于785nm的光。激光经过二向色镜透射后，进入目镜。
如图2所示，目镜在本发明的拉曼光谱系统中被利用两次，首先，激光经过物镜后被聚焦在样品上。激光打在样品上后会发生散射同时激发拉曼散射。此后散射光（包括瑞利散射和拉曼散射）会经过物镜再次汇聚收集。一个物镜同时起到两次汇聚的作用，大大减少光路中的光学元件。本发明中，物镜选用50X/0.50长距离眀场金相物镜，以保证激光穿透样品效率和信号收集效果。
物镜收集的散射光经过二向色镜，二向色镜反射大于785 nm的光。大于785 nm的拉曼散射光进一步经过反射镜而进一步经过边通滤波片，边通滤波片滤除其中的瑞利散射光（785 nm），得到纯净的拉曼散射光再经过透镜汇聚，聚焦到单色仪狭缝处。
如图3所示，收集的拉曼散射光通过透镜聚焦到单色仪的狭缝上，而单色仪都是有一定的 F 数(镜子的焦距与镜子尺寸的比值)，所必须选用匹配单色仪F数的透镜。本发明选用单色仪为320mm焦距，相对孔径为f/4.2，狭缝缝宽为0.01-3mm连续手动可调，缝高为14mm，双出口，双入口可同时加装两个滤光片轮，采用C-T结构设计，采用超环面影像校准设计；三光栅塔台，更好的发挥了仪器覆盖UV-VIS-IR，可根据需要选择光谱范围和分辨率；光栅采用68×68mm（68×84mm）大面积光栅，提高了光收集效率。
最终的拉曼信号通过CCD探测器采集分析。本发明CCD为光谱响应范围为200-1100nm，分辨率为2000×256，像素尺寸是15um×15um，有效面积为 30mm×3.8mm。采用半导体制冷,制冷温度为 -60℃。最大光谱速度每秒30，芯片类型为背感光、深耗尽，低噪声，带有anti-fringing镀膜（消除干涉条纹）。
Claims (5)
1.一种基于物镜信号采集的拉曼光谱系统，其特征在于，包括激光器光源、拉曼光谱仪光路系统、色散系统以及信号采集系统，所述采激光器光源用于发出拉曼光谱激发光，
所述拉曼光谱仪光路系统用于将激发激光聚焦照射到待测样品上，同时收集样品上产生的拉曼散射光，
所述色散系统主要包括单色仪系统，通过单色仪配备的光栅系统将收集到的散射光将不同波长的光以不同的空间角衍射，
所述信号采集系统，通过电荷耦合器件Charge-coupled Device（CCD）将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。
2.根据权利要求1所述的一种基于物镜信号采集的拉曼光谱仪，其特征在于，所述激光器采用波长为785 nm 稳频半导体激光器，输出功率为 0-100 mW连续可调，线宽小于0.005cm-1,模式为TEM00, 光斑直径为1.5 mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于物镜信号采集的拉曼光谱仪，其特征在于，所述的拉曼光谱仪光路系统包括反射镜，二向色镜、边通滤光片、物镜，入射激光经过反射镜反射，再经过二向色镜和物镜聚焦在样品上，照射样品产生的散射光经物镜收集，然后经过二向色镜和边通滤波片，边通滤波片滤除其中的瑞利散射光，得到的拉曼散射光再经过透镜汇聚，聚焦到单色仪狭缝处。
4.根据权利要求1所述的一种基于物镜信号采集的拉曼光谱仪，其特征在于，所述单色仪为320mm焦距，相对孔径为f/4.2，狭缝缝宽为0.01-3mm连续手动可调，缝高为14mm，双出口，双入口可同时加装两个滤光片轮，采用C-T结构设计，采用超环面影像校准设计；三光栅塔台，更好的发挥了仪器覆盖UV-VIS-IR，可根据需要选择光谱范围和分辨率；光栅采用68×68mm（68×84mm）大面积光栅，提高了光收集效率。
5.根据权利要求1所述的一种基于物镜信号采集的拉曼光谱仪，其特征在于信号采集系统为CCD探测器，光谱响应范围为200-1100nm，分辨率为2000×256，像素尺寸是15um×15um，有效面积为 30mm×3.8mm，采用半导体制冷,制冷温度为 -60℃，最大光谱速度每秒30，芯片类型为背感光、深耗尽，低噪声，带有anti-fringing镀膜（消除干涉条纹）。
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