CN111257301A - 一种基于低成本制冷型cmos探测器的拉曼光谱仪系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，拉曼光谱仪系统包括：由前向后依次设置的共聚焦激光显微信号收集系统、分光系统和低成本制冷型CMOS探测器；共聚焦激光显微信号收集系统收集拉曼散射的激光信号，激光信号经分光系统分光聚焦后由低成本制冷型CMOS探测器读取；低成本制冷型CMOS探测器包括：CMOS成像模块、半导体制冷模块和液体循环模块，CMOS成像模块外接计算机模块。本发明采用低成本制冷型CMOS探测器，不仅读取速度快、单片集成度高、成本低，还能够实现制冷和散热。
Description
技术领域
本发明涉及拉曼光谱仪领域，具体涉及一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统。
背景技术
拉曼光谱是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家拉曼所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。拉曼光谱技术与常规化学分析技术相比，具有无损、快速、环保、水的干扰性小、可检测同分异构物、无需制样且所需样品量少等特点，因而在石油化工、生物医学、地质考古、刑事司法、宝石鉴定、环境监测等领域得以大力发展。
当一束单色光入射待测样品上时，从样品中有散射光向四面八方射出。散射光中较强的是瑞利散射，其频率与入射光频率相同，其强度和数量级约为入射光强10-3～10-4，除瑞利散射外还有拉曼散射，拉曼散射的散射光频率与入射光频率相比有明显的变化，其强度数量级约为瑞利散射的10-8～10-6，故拉曼散射的信号非常微弱，对拉曼信号的探测需要灵敏度极高的图像传感器。
图像传感器的分类有两种：CCD(Charge Coupled Device)图像传感器和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器。拉曼光谱仪通常使用CCD图像传感器以追求较高的信噪比。
电荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)，是一种集成电路，上有许多排列整齐的电容，能感应光线，当光投射到其表面时，将有信号电荷产生。电荷信号可以转换成电压，并按指定的时序将图像信息输出。
应用CCD图像传感器的拉曼光谱系统具有如下问题：1、成本高，需要特殊工作机台进行制作，且线路质量严重影响成品率，增加了拉曼光谱仪的成本；2、单片集成度低，像素尺寸和阵列规模受限，不利于拉曼光谱仪集成化；3、读取速度慢，通常采用逐行扫描模式。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，成本低、单片集成度高、读取速度快。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，所述拉曼光谱仪系统包括：由前向后依次设置的共聚焦激光显微信号收集系统、分光系统和低成本制冷型CMOS探测器；
所述共聚焦激光显微信号收集系统收集拉曼散射的激光信号，所述激光信号经所述分光系统分光聚焦后由所述低成本制冷型CMOS探测器读取；
所述低成本制冷型CMOS探测器包括：CMOS成像模块、半导体制冷模块和液体循环模块，所述CMOS成像模块外接计算机模块；
所述CMOS成像模块，用于产生成像信号，并在所述计算机模块的控制下控制所述半导体制冷模块的工作；
所述半导体制冷模块，用于在所述CMOS成像模块的控制下对所述CMOS成像模块进行降温；
所述液体循环模块，用于通过循环冷却液将所述半导体制冷模块产生的热量带走；
所述计算机模块，用于采集所述CMOS成像模块的成像信号，并对所述成像信号进行可视化处理。
进一步，如上所述的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，所述CMOS成像模块包括：CMOS芯片，以及与所述CMOS芯片连接的支持电路；
所述CMOS芯片，用于产生成像信号；
所述支持电路，用于接收所述CMOS芯片的成像信号，探测所述CMOS芯片的温度，在所述计算机模块的控制下控制所述半导体制冷模块的工作，与所述计算机模块通信。
进一步，如上所述的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，所述半导体制冷模块包括：半导体制冷片、导热硅脂和导热硅胶垫；
所述半导体制冷片的制冷面通过所述导热硅胶垫与所述CMOS芯片接触，制热面通过所述导热硅脂与所述液体循环系统接触；
所述半导体制冷片，用于在所述支持电路的控制下对所述CMOS芯片进行降温。
进一步，如上所述的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，所述液体循环模块包括：液体冷头底座、液体冷头上盖、干燥腔盖；
所述液体冷头底座通过所述导热硅脂与所述半导体制冷片的制热面接触；
所述液体冷头上盖上设有两个螺纹孔，分别连接外部的两个液体管，所述两个液体管与所述液体冷头底座装配完成后，在内部形成液体道，所述两个液体管包括输入管和输出管，循环冷却液通过所述输入管流入，经所述液体道从所述输出管流出，同时将所述半导体制冷片的热量带走；
所述干燥腔盖固定在所述液体冷头底座上，用于将所述CMOS成像模块和所述半导体制冷模块与外界空间分隔开。
进一步，如上所述的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，所述计算机模块包括：计算机，以及运行于所述计算机上的相关软件；
所述相关软件，用于根据预先设定的温度和所述支持电路传回的所述CMOS芯片的温度，将所述半导体制冷片工作或停止的控制指令发送给所述支持电路，还用于采集所述CMOS成像模块的成像信号，并对所述成像信号进行可视化处理。
进一步，如上所述的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，所述计算机通过USB接口与所述CMOS成像模块通信。
进一步，如上所述的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，所述共聚焦激光显微信号收集系统包括：激光通道和拉曼散射收集通道，所述激光通道包括：封装完成的窄线宽激光器和二向色镜；所述拉曼散射收集通道包括：由后向前依次设置的准直物镜、高通滤光片和聚焦透镜；所述激光通道用于将发射出的激光信号导入到所述拉曼散射收集通道。
进一步，如上所述的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，所述分光系统包括：由前向后依次设置的狭缝、准直镜、光栅和聚焦镜。
进一步，如上所述的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，所述狭缝的宽度为50微米，长度10毫米；所述光栅的规格为300～2400线每毫米。
进一步，如上所述的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，所述低成本制冷型CMOS探测器的尺寸为3/4寸、显示规格为4648×3506像素，像素尺寸为3.8微米×3.85微米。
本发明的有益效果在于：本发明采用低成本制冷型CMOS探测器，不仅读取速度快、单片集成度高，还能够实现制冷和散热，实现极低光强的成像和极少的热噪点，分辨率高，性能稳定，使用方便；本发明的拉曼光谱仪系统工艺先进，稳定可靠，性能强劲，成本低廉，性价比高。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的低成本制冷型CMOS探测器的结构示意图；
图3为本发明实施例中提供的液体循环模块的俯视示意图；
图4为本发明实施例中提供的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统采集的某样品的拉曼光谱曲线图。
附图中：1-导热硅脂；2-半导体制冷片；3-导热硅胶垫；4-CMOS芯片；5-干燥腔盖；6-液体冷头底座；7-液体冷头上盖。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
为了解决现有技术中使用CCD传感器的各个缺点，为了降低成本，本发明采用互补性氧化金属半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)传感器。CMOS传感器是利用工艺制造的图像传感器，主要利用了半导体的光电效应，每个CMOS成像点包含一个光电二极管、一个电荷/电压转换单元、一个重新设置和选择晶体管，以及一个放大器。无数个CMOS成像点加上处理线路构成CMOS图像传感器。
一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，拉曼光谱仪系统包括：由前向后依次设置的共聚焦激光显微信号收集系统、分光系统和低成本制冷型CMOS探测器；
共聚焦激光显微信号收集系统收集拉曼散射的激光信号，激光信号经分光系统分光聚焦后由低成本制冷型CMOS探测器读取；
低成本制冷型CMOS探测器包括：CMOS成像模块、半导体制冷模块和液体循环模块，CMOS成像模块外接计算机模块；
CMOS成像模块，用于产生成像信号，并在计算机模块的控制下控制半导体制冷模块的工作；
半导体制冷模块，用于在CMOS成像模块的控制下对CMOS成像模块进行降温；
液体循环模块，用于通过循环冷却液将半导体制冷模块产生的热量带走；
计算机模块，用于采集CMOS成像模块的成像信号，并对成像信号进行可视化处理。
CMOS成像模块包括：CMOS芯片，以及与CMOS芯片连接的支持电路；
CMOS芯片，用于产生成像信号；
支持电路，用于接收CMOS芯片的成像信号，探测CMOS芯片的温度，在计算机模块的控制下控制半导体制冷模块的工作，与计算机模块通信。
半导体制冷模块包括：半导体制冷片、导热硅脂和导热硅胶垫；
半导体制冷片的制冷面通过导热硅胶垫与CMOS芯片接触，制热面通过导热硅脂与液体循环系统接触；
半导体制冷片，用于在支持电路的控制下对CMOS芯片进行降温。
液体循环模块包括：液体冷头底座、液体冷头上盖、干燥腔盖；
液体冷头底座通过导热硅脂与半导体制冷片的制热面接触；
液体冷头上盖上设有两个螺纹孔，分别连接外部的两个液体管，两个液体管与液体冷头底座装配完成后，在内部形成液体道，两个液体管包括输入管和输出管，循环冷却液通过输入管流入，经液体道从输出管流出，同时将半导体制冷片的热量带走；
干燥腔盖固定在液体冷头底座上，用于将CMOS成像模块和半导体制冷模块与外界空间分隔开。
计算机模块包括：计算机，以及运行于计算机上的相关软件；
相关软件，用于根据预先设定的温度和支持电路传回的CMOS芯片的温度，将半导体制冷片工作或停止的控制指令发送给支持电路，还用于采集CMOS成像模块的成像信号，并对成像信号进行可视化处理。
计算机通过USB接口与CMOS成像模块通信。
共聚焦激光显微信号收集系统包括：激光通道和拉曼散射收集通道，激光通道包括：封装完成的窄线宽激光器和二向色镜；拉曼散射收集通道包括：由后向前依次设置的准直物镜、高通滤光片和聚焦透镜；激光通道用于将发射出的激光信号导入到拉曼散射收集通道。
分光系统包括：由前向后依次设置的狭缝、准直镜、光栅和聚焦镜。
狭缝的宽度为50微米，长度10毫米；光栅的规格为300～2400线每毫米。
低成本制冷型CMOS探测器的尺寸为3/4寸、显示规格为4648×3506像素，像素尺寸为3.8微米×3.85微米。
实施例一
如图1所示，一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，包括：由前向后依次设置的共聚焦激光显微信号收集系统、分光系统和低成本制冷型CMOS探测器；这三个部件之间通过一个带有外螺纹金属的圆管相连接。
共聚焦激光显微信号收集系统包括：激光通道和拉曼散射收集通道，激光通道包括：封装完成的窄线宽激光器和二向色镜；拉曼散射收集通道包括：由后向前依次设置的准直物镜、高通滤光片、聚焦透镜。激光通道将发射出的激光导入到拉曼散射收集通道，具体地，激光通道将窄线宽激光器发出来的光，通过二向色镜导入到拉曼散射收集通道里面。拉曼散射收集通道从中收集到拉曼散射的激光信号并导入分光系统。
分光系统包括：由前向后依次设置的狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜。狭缝的宽度设置为50微米，长度10毫米；光栅的规格设置为300～2400线每毫米。
低成本制冷型CMOS探测器选用机器视觉领域常用的规格，CMOS探测器的尺寸为3/4寸、显示规格为4648×3506像素，像素尺寸为3.8微米×3.85微米。其中，根据不同的光路参数和测量的物质的不同可匹配其它规格的CMOS探测器。
市面上的常规CMOS探测器并不具备制冷效果，灵敏度较制冷型CMOS探测器更低，具有较高的热噪声。鉴于这个原因，为了提高灵敏度、降低热噪声，一般会选用制冷型CMOS探测器。目前，制冷型CMOS探测器几乎均使用风冷的方式进行散热，其散热效率低下，制冷效果差且温度不稳定，对探测器使用环境有很高的要求，同时散热风扇带来的振动和相机附近温度不均的气流会对成像质量造成极大的干扰。因此，本发明选用的低成本制冷型CMOS探测器采用半导体制冷和液体循环散热的方式，克服以上困难。具体结构如下。
本实施例中，低成本制冷型CMOS探测器包括：CMOS成像模块、半导体制冷模块、液体循环模块和外接的计算机模块。上述的部件被集合在一个整体的外壳上。集成的外壳最后通过螺丝固定在本发明整套系统的框架上。
如图2所示，CMOS成像模块包括：CMOS芯片4及其支持电路；
半导体制冷模块包括：半导体制冷片2、导热硅脂1和导热硅胶垫3；
液体循环模块包括：液体冷头底座6、液体冷头上盖7和干燥腔盖5；
计算机模块包括：计算机，运行于计算机上、用于控制CMOS成像模块和半导体制冷模块的相关软件。
半导体制冷片2的制冷面通过导热硅胶垫3与CMOS芯片4接触，使CMOS芯片4降温，半导体制冷片2的制热面通过导热硅脂1与液体冷头底座6接触，使液体冷头底座6升温。液体冷头上盖7上有两个螺纹孔，可供用户连接液体管,其与液体冷头底座装配后，内部形成液体道，循环冷却液体从液体冷头上盖上的一个螺纹孔流入，经内部液体道从另一个螺纹孔流出，高效率地将热量带走，如图3所示，凸起位于液体冷头底座6靠近液体冷头上盖7的一侧，用于形成液体道，增加表面积，有利于散热。干燥腔盖5固定在液体冷头底座6上，将CMOS成像模块和半导体制冷模块与外界空间分隔开，防止因低温在CMOS芯片4上结霜。
支持电路接收CMOS芯片4的成像信号并探测CMOS芯片4的温度，在计算机模块的指令下控制半导体制冷片2的工作，与计算机模块进行通信。相关软件根据预先设定的温度和支持电路传回的CMOS芯片4的温度，将使半导体制冷片2工作或停止的指令发送给支持电路，由支持电路控制半导体制冷片2工作，进而实现对成像范围和时间进行选择、调节冷冻温度。相关软件采集CMOS芯片4的成像信号，对成像信号进行图像化呈现和去除底噪等处理操作。
本实施例中，计算机模块可以通过USB接口实现与CMOS成像模块之间的通信，实现对后者的控制以及对成像信号进行采集、处理与图像化呈现。
本实施例中，用户还可通过输入预先冷却过的循环冷却液体以使相机达到更低的温度，获得更好的性能。
如图4所示，上述基于低成本制冷型CMOS的拉曼光谱仪系统所采集的某样品的拉曼光谱曲线图。
在拉曼光谱系统中，与CCD传感器相比，应用CMOS传感器具有以下明显的优势：
(1)成本低，可使用现有的大规模半导体集成电路生产工艺，且成品率高，有利于降低拉曼光谱仪的成本；
(2)单片集成度高，可以获得更大规模的阵列和更小的像素尺寸，有利于增加拉曼光谱仪的频率检测范围和提高光谱分辨率，有利于拉曼光谱仪设备的集成化；
(3)读取速度快，CMOS传感器的信号是以点为单位的电荷信号，可提高拉曼光谱仪的采样速度。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述拉曼光谱仪系统包括：由前向后依次设置的共聚焦激光显微信号收集系统、分光系统和低成本制冷型CMOS探测器；
所述共聚焦激光显微信号收集系统收集拉曼散射的激光信号，所述激光信号经所述分光系统分光聚焦后由所述低成本制冷型CMOS探测器读取；
所述低成本制冷型CMOS探测器包括：CMOS成像模块、半导体制冷模块和液体循环模块，所述CMOS成像模块外接计算机模块；
所述CMOS成像模块，用于产生成像信号，并在所述计算机模块的控制下控制所述半导体制冷模块的工作；
所述半导体制冷模块，用于在所述CMOS成像模块的控制下对所述CMOS成像模块进行降温；
所述液体循环模块，用于通过循环冷却液将所述半导体制冷模块产生的热量带走；
所述计算机模块，用于采集所述CMOS成像模块的成像信号，并对所述成像信号进行可视化处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述CMOS成像模块包括：CMOS芯片，以及与所述CMOS芯片连接的支持电路；
所述CMOS芯片，用于产生成像信号；
所述支持电路，用于接收所述CMOS芯片的成像信号，探测所述CMOS芯片的温度，在所述计算机模块的控制下控制所述半导体制冷模块的工作，与所述计算机模块通信。
3.根据权利要求2所述的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述半导体制冷模块包括：半导体制冷片、导热硅脂和导热硅胶垫；
所述半导体制冷片的制冷面通过所述导热硅胶垫与所述CMOS芯片接触，制热面通过所述导热硅脂与所述液体循环系统接触；
所述半导体制冷片，用于在所述支持电路的控制下对所述CMOS芯片进行降温。
4.根据权利要求3所述的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述液体循环模块包括：液体冷头底座、液体冷头上盖、干燥腔盖；
所述液体冷头底座通过所述导热硅脂与所述半导体制冷片的制热面接触；
所述液体冷头上盖上设有两个螺纹孔，分别连接外部的两个液体管，所述两个液体管与所述液体冷头底座装配完成后，在内部形成液体道，所述两个液体管包括输入管和输出管，循环冷却液通过所述输入管流入，经所述液体道从所述输出管流出，同时将所述半导体制冷片的热量带走；
所述干燥腔盖固定在所述液体冷头底座上，用于将所述CMOS成像模块和所述半导体制冷模块与外界空间分隔开。
5.根据权利要求3所述的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述计算机模块包括：计算机，以及运行于所述计算机上的相关软件；
所述相关软件，用于根据预先设定的温度和所述支持电路传回的所述CMOS芯片的温度，将所述半导体制冷片工作或停止的控制指令发送给所述支持电路，还用于采集所述CMOS成像模块的成像信号，并对所述成像信号进行可视化处理。
6.根据权利要求5所述的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述计算机通过USB接口与所述CMOS成像模块通信。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述共聚焦激光显微信号收集系统包括：激光通道和拉曼散射收集通道，所述激光通道包括：封装完成的窄线宽激光器和二向色镜；所述拉曼散射收集通道包括：由后向前依次设置的准直物镜、高通滤光片和聚焦透镜；所述激光通道用于将发射出的激光信号导入到所述拉曼散射收集通道。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述分光系统包括：由前向后依次设置的狭缝、准直镜、光栅和聚焦镜。
9.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述狭缝的宽度为50微米，长度10毫米；所述光栅的规格为300～2400线每毫米。
10.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于低成本制冷型CMOS探测器的拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述低成本制冷型CMOS探测器的尺寸为3/4寸、显示规格为4648×3506像素，像素尺寸为3.8微米×3.85微米。
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