CN113390509A - 超微量Raman-Stokes散射光传感器 - Google Patents

超微量Raman-Stokes散射光传感器 Download PDF

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Abstract

超微量Raman‑Stokes散射光传感器采用高灵敏度设计，使得散射光收集率提高6个数量级，达到单光子量子级的超微量拉曼系列散射光谱检测，提供高达2000根光纤的光纤束用以改变光斑形状和聚焦散射光。设计包括：1、超微量散射光传感器设计；2、提高散射光传感灵敏度；3、椭球形及CPC聚光罩以聚集散射光；4、O‑I光纤束改变光斑形状和聚焦散射光；5、变焦、变光斑、差分、异频激发光产生及控制，以适应各种检测需要；6、直接狭缝、CPC狭缝和柱面透镜狭缝聚集形成狭缝散射光；7、提供灵活的接口和一体化结构，适合通用光谱仪；8、极大光纤束聚焦的专用设备；9、拉曼斯托克斯、拉曼反斯托克斯和瑞利三种模式散射光应用。特别适合医用IVD设备实现无损体外检测。

Description

超微量Raman-Stokes散射光传感器
技术领域
本发明涉及互联网和新能源领域，尤其涉及光学量子级别的超微量散射光检测和传感器子领域，可用于医学活体检测和超微量含量的混合物质检测。
背景技术
拉曼效应Raman（英文名称：Raman scattering，中文简称：拉曼散射或拉曼效应。Chandrasekhara Venkata Raman, 1888-1970，印度物理学家）作为诺贝尔奖成果，问世于1930年。拉曼效应的核心原理是指一定频率的激光照射到被检测物质时，物质中的分子与光子发生能量转移，即产生弹性碰撞散射和非弹性碰撞散射，弹性碰撞散射又称为瑞利散射（英文名称：Rayleigh scattering，中文简称：瑞利散射），此时的散射光频率与激发光频率一致，非弹性碰撞散射又称为斯托克斯散射（英文名称：Stokes scattering，中文简称：斯托克斯散射）和反斯托克斯散射（英文名称：Anti-Stokes scattering，中文简称：反斯托克斯散射），其中，斯托克斯散射的散射光频率低于激发光频率，而反斯托克斯散射的散射光频率高于激发光频率。瑞利散射、斯托克斯散射和反斯托克斯散射被统称为拉曼散射，在实际拉曼效应的描述中，通常所指的拉曼散射又被约定俗成地特指为Raman-Stokes和Raman- Anti-Stokes，甚至还被特指为拉曼-斯托克斯Raman-Stokes散射。本发明申请中所述拉曼散射特指拉曼-斯托克斯散射。
由于拉曼散射是基于物质分子级别的物理效应，并且每种分子都有特定的散射光光谱，被称为分子的“指纹光谱”，所以，拉曼散射可用于检测特定的物质分子。
限于当时的技术手段、对于拉曼效应的应用研究的滞后以及拉曼光谱检测设备造价的极其昂贵，长期以来，基于拉曼效应的应用，也只是近十多年才逐渐开始出现从顶尖科研机构走向普及应用的势头。据悉，以2020年统计，基于拉曼效应的各种检测设备的市场销售量，在中国也只是每年几百套，并且，其设备也只是以定性检测为主，尚未进入定量测量的程度。
现有技术的不足，究其原因分析如下。
首先，发明人认为，现有拉曼光谱检测设备的检测灵敏度低是最关键的不足。
1、基于Raman-Stokes/ Raman- Anti-Stokes的散射光本身就是极微量级，通常只有入射光或者瑞利散射光的10-6～10-9量级，而Raman-Stokes/ Raman- Anti-Stokes与Raman-Rayleigh又是同时发生的，不仅信号量极其微弱，并且信噪比也极其微弱。
2、现有技术中，检测拉曼散射都是采用单根光纤采集散射光，无论从纤芯直径还是从数值孔径看，这个步骤的散射光吸收率都是小的惊人。以常规芯径10μm、NA=0.22的单模光纤计算，物镜直径4mm计算，单根光纤的散射光吸收率仅为6.25×10-8，灵敏度严重不足，无法实现对于低浓度物质的监测。
3、现有技术中，光谱分析系统中，狭缝是必不可少的，从光谱检测分辨率上看，狭缝是越窄越好，通常狭缝的宽度都是在10μm～50μm之间。由于狭缝在光路上，是在上述光纤的后端，因此，又加重了散射光吸收率的降低。
从上述分析可见，现有技术使得拉曼散射光检测灵敏度极其微弱，因此，还造成了现有拉曼光谱检测设备大多用于定性检测，无法实现定量测量的弊病。此外，由于为了实现在如此微弱的灵敏度情况下实现检测，所以，对于拉曼光谱检测设备的制造就提出了非常严苛的要求，因此，使得拉曼光谱检测设备就变得十分昂贵，其造价动辄几十万元，造成了拉曼光谱检测设备无法普及应用的窘境。
其次，发明人认为，现有的拉曼光谱检测设备对于类似于IVD（英文名称：In VitroDiagnostic products，缩写：IVD，中文简称：体外诊断产品）类的应用开发，也存在着严重的不足，这就是激发光光源的功率太大，通常其激光器的功率都在500mW左右，并且大多还采用聚焦方式照射到活体组织（例如皮肤、体内组织器官等），这样的功率一方面是由于现有的拉曼光谱检测设备灵敏度太低，需要加大激发光的能量，另外一方面，这样的激发光以聚焦方式照射到活体组织，将产生严重的伤害。此外，在关于激光类设备的3C标准中，500mW的功率是严格禁止的。
第三，现有拉曼光谱检测设备体积较大，不适合携带。
发明内容
1、基本说明。
超微量Raman-Stokes散射光传感器，主要包括：散射光传感器本体、狭缝窗口、滤光镜。
所述散射光传感器本体上安装有聚光罩、检测窗口、发光器、控制电路、O-I光纤束。
所述发光器受所述控制电路的控制产生激发光，所述激发光照射到处于所述检测窗口外侧的被检测物质，由所述被检测物质产生散射光，所述散射光通过所述聚光罩汇聚到所述O-I光纤束的面状窗口，再由光纤编组方法依据所述面状窗口和所述狭缝窗口的位置对应关系汇聚到所述狭缝窗口输出。
所述滤光镜包括第一滤光镜和第二滤光镜。
所述第一滤光镜为带通滤光镜，安装在所述激发光到所述检测窗口的光路中，放行所述散射光中的中心频率光线，阻止所述散射光中的非中心频率光线通过。
所述第二滤光镜安装在所述O-I光纤束的所述狭缝窗口，按照过滤模式过滤所述散射光。
所述控制电路接受指令，控制所述发光器产生激发光的开启、停止、输出功率调节。
这里的O-I光纤束，是指光纤束的一头的光纤编组成平面的形状，全部光纤做垂直切割，形成面状窗口，用于接收由聚光罩聚集的面状散射光光斑。另外一头的光纤编组成线条状，全部光纤切割，形成条状窗口，在后续的狭缝窗口的聚光后，形成狭缝窗口，输出聚焦成条状光斑，供后续光谱仪使用。本发明不仅通过光纤束实现了面状光斑到狭缝光斑的转换，还能够依据两头的每根的不同光纤编组方法，实现两头光纤的一一对应，以适合不同的光谱检测需求。
2、聚光罩说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述聚光罩包括内反射腔、由所述内反射腔形成包括第一焦点的第一焦平面和包括第二焦点的第二焦平面。
在所述第一焦平面处封装对于所述激发光和所述散射光透明的材料形成所述检测窗口，并置所述第一焦平面于所述检测窗口的外测面。
所述内反射腔的形状由数学模型决定，所述内反射腔执行将所述第一焦平面处由所述被检测物质发出的散射光汇聚到所述第二焦平面的步骤。
所述数学模型包括椭圆球形或椭圆槽形或复合抛物面圆桶形或复合抛物面槽形。
所述椭圆球形由椭圆线条绕长轴旋转一周而成的封闭的椭球形，在椭圆的两个焦点处垂直切割形成所述第一焦平面和所述第二焦平面，保留中间部分成为反射腔体。
所述椭圆槽形由椭圆线条沿椭圆面垂直平移宽度距离而成的椭圆槽形，在椭圆的两个焦点处垂直切割形成所述第一焦平面和所述第二焦平面，保留中间部分成为反射腔体。
所述复合抛物面圆桶形由复合抛物面线条沿轴向旋转一周而成，将所述复合抛物面的大口作为所述第一焦平面，将所述复合抛物面的小口作为所述第二焦平面。
所述复合抛物面槽形由复合抛物面线条沿所述复合抛物面垂直平移宽度距离而成，将所述复合抛物面的大口作为所述第一焦平面，将所述复合抛物面的小口作为所述第二焦平面。
所述反射腔体内壁磨光或镀反光膜，以反射所述散射光。
所述反射腔体包括开孔，用于所述发光器发出的激发光通过。
所述聚光罩由硬质材料制成，或在所述本体上加工而成。
3、发光器说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述发光器包括激光器，在所述控制电路的控制下，产生包括可见光、红外光、紫外光特定波长的激发光。
所述发光器还包括光学元件，执行所述激发光在所述检测窗口形成光斑的步骤，所述光学元件具体包括支架、透镜、反射镜及其组合。
所述控制电路包括指令接口、处理器电路、驱动电路，以控制所述激光器工作。
所述指令接口接收所述指令，由所述处理器电路解析并驱动所述驱动电路，使得所述发光器工作的步骤。
所述指令包括通信协议，包括开启激发光、关闭激发光、改变激发光输出功率。
所述指令接口还包括输出控制指令控制后续光谱仪，改变所述后续光谱仪中感光器积分时间长短的步骤。
所述发光器具体还包括：
能够分时产生多路频率的所述激发光的单路多频激光器，或，
只能产生单路频率的所述激发光的单路单频激光器，
所述激发光的频率模式包括差分模式和异频模式，所述差分模式为两个频率之间相差小于1%，所述异频模式为两个频率之间相差大于10%。
所述控制电路还包括控制所述发光器工作于所述差分模式或异频模式的步骤。
4、变焦机构说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述发光器还包括变焦机构。
所述变焦机构在所述控制电路的控制下，通过在光轴方向上移动所述光学元件实现变焦，以实现改变所述光斑大小的步骤。
所述光斑大小的改变包括分档改变、连续改变，所述分档改变包括从所述激发光聚焦至所述激发光的所述光斑扩大的一个以上档次的改变，所述连续改变包括所述激发光从聚焦成点状光斑到覆盖所述检测窗口的面状光斑的连续改变。
所述指令还包括所述光斑的控制指令，以实现所述光斑大小的所述分档改变和所述连续改变。
所述变焦机构包括步进电机或者超声波电机提供所述变焦的动力。
5、制冷机构说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述控制电路还包括制冷元件、温度控制电路。
所述制冷元件安装在所述聚光罩或者所述超微量Raman-Stokes散射光传感器本体上，由所述温度控制电路控制所述制冷元件，为所述聚光罩或者所述散射光传感器本体降温并控制温度。
所述控制电路还包括输出温度控制状态的步骤，输出类容至少包括所述聚光罩或者所述散射光传感器本体的即时温度。
6、O-I光纤束说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述O-I光纤束至少包括1根以上光纤，当光纤的根数在7根及以上时，所述O-I光纤束按照所述光纤编组方法编组，两头分别构成面状窗口和狭缝窗口，并做垂直切割成面状截面和条状截面。
所述面状窗口的外形包括圆形、椭圆形或正多边形，其中所述圆形或者正多边形的相切圆的直径小于或等于所述第二焦平面的直径。
所述光纤包括多模光纤，纤芯直径与包层直径比大于0.2，纤芯直径介于8.0μm至2.0mm之间，数值孔径介于0.05至0.95。
所述面状截面固定安装在所述第二焦平面，并且使得所述面状截面的中心点与所述第二焦点对齐，以接收所述散射光。
所述O-I光纤束的外部，采用弹簧式螺线管护套封装，以保护所述O-I光纤束。
所述面状截面采用对于所述散射光透明的材料封装，以保护所述面状截面。
在本发明中，O-I光纤束中光纤的根数极其重要，虽然最小可以是1根光纤，但在实际使用中，需要根据聚光罩的第二焦平面的形状、大小和纤芯的直径，确定光纤的根数和面状窗口的形状。这里需要提醒二次设计的业内中级技术人员的是，O-I光纤束中光纤的根数越多越好，形状和尺寸要尽可能与聚光罩的第二焦平面的形状、大小保持一致。作为一种优选，对于纤芯直径200μm的光纤，在采用椭球状聚光罩并且焦平面为直径2.4mm的情况下，光纤的根数应大于61根，此时可获得61倍的散射光聚集光通量。
7、光纤编组方法说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述O-I光纤束编组方法是所述O-I光纤束中每一根所述光纤在所述面状窗口中位置与所述狭缝窗口中位置的对应方法，具体包括：
中心-单层编组法包括，所述狭缝窗口中光纤按照单层实心紧密排列，建立垂直于所述面状窗口的线状投影，所述线状投影中各点的位置与所述狭缝窗口中各点的位置建立对应关系，其中以所述面状窗口中心点与所述狭缝窗口中心点作为对应基点，建立具体每根光纤的对于关系。或，
螺线-单层编组法包括，所述狭缝窗口中光纤按照单层实心紧密排列，在所述面状窗口中，以中心点为起点，建立由内向外的螺旋线，直到遍历完成全部光纤，在所述狭缝窗口中，以中心点为起点1，向上按照单数序列编号1、3、5、7、…，向下按照双数序列编号2、4、6、8、…，直到全部光纤编号完毕，再以螺旋线上的光纤顺序，对应于编号，建立具体每根光纤的对于关系。或，
中心-多层编组法包括，所述狭缝窗口中光纤按照一层以上实心紧密排列，其它步骤按照所述中心-单层编组法建立具体每根光纤的对于关系。或，
螺线-多层编组法包括，所述狭缝窗口中光纤按照一层以上实心紧密排列，其它步骤按照所述螺线-单层编组法建立具体每根光纤的对于关系。或，
中心-多层成像编组法包括，所述多层成像是指按照所述面状窗口中光纤排列的位置与所述狭缝窗口中光纤排列的位置一一对应，此时的所述狭缝窗口宽度加大，与所述面状窗口形状一致，形成散射光成像的排列。
8、狭缝窗口基本说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述狭缝窗口的宽度包括2μm～2mm，所述狭缝窗口的标准支持通用光谱仪的标准光学接口，包括SMA905、GBIC、LC、SC、FC，还包括用户自定义的接口。
所述狭缝窗口包括直接狭缝模式、柱面透镜聚焦狭缝模式和反射镜聚焦狭缝模式。
所述狭缝窗口的宽度包括手动调节或电动调节。
所述直接狭缝模式是当所述纤芯的直径较小，介于8.0μm至100.0μm时，直接将所述条状截面作为狭缝窗口，输出所述散射光。
9、柱面透镜聚焦狭缝模式。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
在所述纤芯直径大于狭缝的宽度的情况下，采用聚光透镜聚光减小狭缝宽度。
所述聚光透镜包括单柱面透镜，所述单柱面透镜用于将所述竖条狭缝发出的光线按照条状方向聚焦成条状光斑，其中所述条状光斑的宽度介于2μm～2mm范围内，长度介于1毫米至100毫米之间，焦距介于2毫米至100毫米之间。
所述聚光透镜还包括复合柱面透镜，所述复合柱面透镜是在单柱面透镜的基础上，沿所述竖条方向做向垂直与所述竖条的中心线聚光，以控制所述竖条光斑的长度介于1毫米至100毫米之间。或，
所述聚光透镜还包括双单柱面透镜，其中第一单柱面透镜和第二单柱面透镜在光路上垂直安装。
10、反射镜聚焦狭缝模式。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
在所述纤芯直径大于狭缝的宽度的情况下，采用反射镜聚光减小狭缝宽度。
所述反射镜包括面对面平行安装的2片曲面反射镜，一头连接所述竖条狭缝，另外一头形成宽度介于2μm～2mm范围的狭缝，所述狭缝的长度介于1毫米至100毫米之间。
所述曲面反射镜的曲面方式包括抛物面、球面、双曲面、平面。
所述曲面反射镜采用复合抛物面聚光镜模式，其中第一复合抛物面反射镜小边连接第二复合抛物面反射镜小边，其中所述第一复合抛物面反射镜的大边紧接所述狭缝窗口的光纤截面，光线从截面射出后，经过所述第一复合抛物面反射镜的汇聚，进入到所述第二复合抛物面反射镜的小边，再次经过所述第二复合抛物面反射镜的反射汇聚，从所述第二复合抛物面反射镜的大边输出，使得光纤截面射出的光线，收窄汇聚成为宽度减小的光斑。
11、手动调节和电动调节。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述手动调节，采用反射镜方式，在所述2片曲面反射镜上安装由机械组件构成的连续可调部件，采用包括螺杆、齿轮构成的旋转件，手动旋转所述旋转件，以改变所述2片曲面反射镜在狭缝处的间隙。
所述电动调节，采用反射镜方式，在所述2片曲面反射镜上安装由步进电机和机械组件构成的连续可调部件，所述步进电机由控制电路控制，所述控制电路包括控制信号输入接口，接收外部的控制信号，完成对于所述2片曲面反射镜在狭缝处的间隙的调节。
12、滤光镜及过滤模式说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述第一滤光镜的所述带通滤光镜允许中心频率为
Figure 39287DEST_PATH_IMAGE001
、误差为
Figure 44152DEST_PATH_IMAGE002
的所述激发光光线通过，阻止其它频率的光线通过，其中
Figure 482087DEST_PATH_IMAGE003
。
所述第二滤光镜的所述过滤模式包括拉曼-斯托克斯模式、拉曼-反斯托克斯模式、瑞利模式。
所述拉曼-斯托克斯模式为选定所述第二滤光镜为低通滤光镜，即通过频率为：
Figure 902704DEST_PATH_IMAGE004
Figure 437591DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 551040DEST_PATH_IMAGE006
为所述低通滤光镜的通过频率，即频率小于或等于
Figure 476271DEST_PATH_IMAGE007
的所述散射光光线允许通过，频率大于
Figure 762896DEST_PATH_IMAGE008
的所述散射光光线阻止通过，
Figure 824392DEST_PATH_IMAGE009
为所述低通滤光镜的保守频率。
所述拉曼-反斯托克斯模式为选定所述第二滤光镜为高通滤光镜，即通过频率为：
Figure 171060DEST_PATH_IMAGE010
Figure 583587DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 611586DEST_PATH_IMAGE012
为所述高通滤光镜的通过频率，即频率大于或等于
Figure 855485DEST_PATH_IMAGE013
的所述散射光光线允许通过，频率小于
Figure 45158DEST_PATH_IMAGE014
的所述散射光光线阻止通过，
Figure 944981DEST_PATH_IMAGE015
为所述高通滤光镜的保守频率。
所述瑞利模式为选定所述第二滤光镜为带通滤光镜，即通过频率为：
Figure 511092DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 875077DEST_PATH_IMAGE017
为所述带通滤光镜的通过频率，即频率介于
Figure 235651DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 622770DEST_PATH_IMAGE019
之间的所述散射光光线允许通过，其它频率的所述散射光光线阻止通过，
Figure 57818DEST_PATH_IMAGE020
为所述带通滤光镜的保守频率。
13、控制接口说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述控制电路提供外部通信接口，以实现包括：
外部向所述散射光传感器发布的控制命令和通信信号、
外部向所述散射光传感器索取状态信息、
向后续光谱仪提供包括光电转换器积分时间控制、工作状态通信的联动信息。
14、发明目的和意图。
发明人通过长期的观察、实验和研究，提出超微量Raman-Stokes散射光传感器，本发明的目的和意图在于：
1、给出超微量的Raman-Stokes散射光传感器设计方案；
2、极大地提高散射光传感灵敏度；
3、设计椭球形及CPC聚集散射光；
4、设计O-I光纤束聚集散射光和改变光斑形状；
5、设计变焦、变光斑、差分、异频激发光产生及控制以适应各种检测需要；
6、设计直接狭缝、CPC狭缝和柱面透镜狭缝聚集形成狭缝散射光；
7、提供灵活的接口和一体化设计，适合通光谱仪；
8、提供极大光纤束聚焦的专用设备；
9、提供拉曼斯托克斯、拉曼反斯托克斯和瑞利等三种模式散射光应用。
15、发明的有益效果。
1、充分实现发明目的和意图，提高散射光吸收率高达6个数量级。
以10mm×3.5mm的椭球形聚光罩计算，全向散射光聚光效率为64.44%，第二焦平面直径为2.45mm，选用芯径200μm，包层直径220μm，效率82.644%，总体效率为82.644%×64.44%＝53.26%，与现有技术的散射光吸收率6.25×10-8相比，理论计算可提高散射光吸收率高达8.5216×106倍。
2、实现散射光传感器一体化、小型化额通用化。
3、实现高达2000根光纤的散射光面状-条状转换和聚焦，适合专用设备。
4、简化了光谱仪系统，降低了制造成本。
5、特别适用于医学活体检测和其它特种检测。
附图说明
本发明的示图包括图1至图13。
图1：超微量Raman-Stokes散射光传感器原理图。
图2：超微量Raman-Stokes散射光传感器结构图。
图3：椭球形聚光罩结构图。
图4：CPC聚光罩结构图。
图5：发光器组件。
图6：O-I光纤束结构图。
图7：面状窗口结构图。
图8：双CPC狭缝窗口结构图。
图9：双CPC狭缝窗口光路图。
图10：双CPC连接光路图。
图11：柱面透镜狭缝窗口结构图。
图12：控制电路原理图。
图13：光谱仪连接图。
具体实施方式
本发明的目的和意图是采用如下4个实施例的技术方案实现的，这里需要特别说明的是，由于每个具体的实施例都有具体的用途和工业实用性。所以，以下实施例中的任何一个，并不能包括本发明的所有特征和步骤，本发明权利要求书的描述，是对于发明的总结。
实施例一、椭球形超微量拉曼散射光传感器。
本发明超微量Raman-Stokes散射光传感器的应用实施例之一是超高灵敏度的椭球形超微量拉曼散射光传感器，它连接拉曼光谱仪，使得系统获得极高的检测灵敏度。尤其是对于超低含量的物质检测和混合物质微量检测，具有可提高系统的灵敏度1～3个数量级。例如用于包括但不限于IVD（英文名称：In Vitro Diagnostic products，缩写：IVD，中文简称：体外诊断产品）的人体体外检测诊断产品、高灵敏度其它拉曼光谱检测设备等。
在本实施例中，是本发明的一个典型应用，由图2中的2001构成一个本体，它将2002的发光器的组件、2003的聚光罩和2004的O-I光纤束的面状窗口的一端，以及图12的控制电路的电路板组件，固定成为本实施例的本体——椭球形超微量拉曼散射光传感器。此外，作为狭缝窗口，由于采用SMA905标准的通用光谱仪光纤接口，所以，本实施例具有连接通用光谱仪的工业实用性。
在本实施例给定的设计方案，只涉及本发明在创造性和实用性方面的叙述，不作为一个实际系统的工业完整性设计，也不是对于本发明的限定。
1、示图说明。
本实施例内容主要包括由以下附图构成，它们是：图1、图2、图3、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图12。作为后续应用的举例，图13是本实施例的一个应用举例。
图1是本发明的原理示意图，主要包括变光斑激发光的发光器、聚光罩、O-I光纤束、狭缝窗口，工作步骤主要是由发光器产生可变光斑的激发光，聚焦成光斑，照射到被检测物质，由被检测物质产生散射光，经过聚光罩汇聚散射光到达O-I光纤束的面状窗口（详见下图），由O-I光纤束通过光纤编组方法，到达狭缝窗口，由狭缝窗口聚焦成符合后续光谱仪要求的条状散射光。
图2是本发明的超微量结构图示意图，其中：2001是本发明超微量Raman-Stokes散射光传感器结构图的本体；2002是发光器的组件；2003是聚光罩；2004是O-I光纤束；2005是检测窗口和第一焦平面；2006是被检测物质；2007是第二焦平面；2008是散射光聚焦光轴；2009是激发光光轴。
图3是椭球形聚光罩结构图，其中：3001是椭球形聚光罩；3002是发光器组件；3003是发光器组件中的用于聚焦的光学元件，包括透镜、透镜组，还包括反射镜构成的镜组；3004是激发光的光线及光路；3005是用于变焦的驱动机构；3006是O-I光纤束；3007是第二焦平面；3008是散射光在聚光罩中的反射光路；3009是第一焦平面；OO’是椭球的长轴，与光纤束的光轴O’P重合，OP是激发光的光轴。
图5是发光器组件结构图，其中：其中，5001是激光管或由激光管传递出的光纤的光纤头；5002是光学元件，包括透镜、反射镜等，其功能是聚焦激发光的光线，形成聚焦光斑或者面状光斑；5003是聚焦的光斑；5004是光路的焦点；5005是步进电机，步进电机接收控制电路的控制，如图12中的12002；5006是螺杆，由步进电机驱动旋转，带动光学元件的运动，从而实现变焦动作；5007是驱动机构；5008是光学元件的支架，可在5007的驱动下实现变焦；5009是套筒，使得5008在其中运动，以实现变焦。
图6是本发明O-I光纤束结构图，主要包括面状窗口和狭缝窗口。其中：6001是光纤，也表示面状窗口中的光纤切割以后的截面。6002、6003是光纤束的保护套管，它在光纤束的两头即面状窗口和狭缝窗口附近由硬质材料构成，完成对于光纤束的保护，在光纤束的两头之间，采用带有光纤束弯曲保护的例如弹簧套管和软塑料保护。6004是连接狭缝窗口处的变形保护套管。需要注意的是，面状窗口和狭缝窗口，均包括设计成标准光纤接口所要求的参数，其标准至少包括SMA905、GBIC等。6005是狭缝窗口的支架，由它固定狭缝窗口处的光纤，成单排或者多拍做竖条状固定。6006是狭缝窗口处的光纤及其切割截面。需要注意的是，面状窗口和狭缝窗口处光纤的切割方式，包括垂直切割、倾斜切割、圆头状切割和打磨。
图7是本发明的面状窗口的结构，其中：光纤束中的光纤，在这里被排列成正多边形或者圆形，并且包扎和固定。7001是光纤和切割截面，7002是护套，7003是透明材料构成的保护，7004是面状窗口的安装固定件，7005是调节光纤束切割截面在轴向移动的调节器，该调节器的目的是在面状窗口安装到聚光罩时，用于调节光纤束切割截面到聚光罩的焦点或者焦平面。
图8是本发明中狭缝窗口的设计方案之一，即采用双CPC对接模式。聚集从狭缝窗口的光纤射出来的散射光，成为光谱仪所需要的精准狭缝的光像。其中：8001是光纤的纤芯，8002是光纤的包层，8003是狭缝窗口处光纤的切割截面，8004和8005分别是两块第一CPC反射镜，它将从光纤截面处射出的光线，从光纤直径的尺寸，压缩到小于光纤直径的尺寸，目的是使得狭缝的宽度更窄。8007和8008分别是两块第二CPC反射镜，它的作用是整理从第一CPC汇聚出来的光线，使得出射角度大大压缩，起到汇聚光线的作用。8009是狭缝的所在处。8006是CPC支架，8010是CPC支架连接狭缝光纤的紧固件。
图9是基于CPC的光路及工作原理示意。其中：9001是狭缝窗口的光纤束套管，9002是竖排光纤的包层，9003是纤芯。9004和9005分别是两块第一CPC反射镜，它将从光纤截面处射出的光线，从光纤直径的尺寸，压缩到小于光纤直径的尺寸，目的是使得狭缝的宽度更窄。9006和9007分别是两块第二CPC反射镜，它的作用是整理从第一CPC汇聚出来的光线，使得出射角度大大压缩，起到汇聚光线的作用。9008是从纤芯发出的光线，经过9004的反射，达到9007，再经过9007的反射，改变方向，呈现汇聚的作用。
需要注意的是，这里的双CPC反射镜，是尾对尾反向安装的，第一路CPC起到压缩狭缝的宽度，使得从第一CPC尾部出来的光线的宽度，小于纤芯的直径。第二路CPC起到聚焦和平直入口处的光线。
图10是前后两级CPC连接处的放大图，它显示了光路的细节。其中：10001和10002分别是第一级CPC的上下两片反光镜，10003和10004分别是第二级CPC的上下两片反光镜，10005是两级CPC的交接面，PQ是两级CPC的光轴平面。举例说明：一根光线10006经过10002的CPC反光镜反射成10007光线，穿过10005交接面，由10003的CPC反光镜反射，成为10008，离开第二级CPC，成为狭缝射出的光线。
图12是本发明的控制电路的原理图。其中：12001是MCU（英文名称：Microcontroller Unit，英文缩写：MCU，中文简称：微控制单元），它是控制电路的控制中心，存储和扩展所述控制电路的工作步骤；12002是步进电机控制，它输出步进电机的控制和驱动；12003是控制接口，负责对外通信，连接例如后续电脑等设备；12004是狭缝控制，驱动狭缝控制机构，控制狭缝的宽度；12005是制冷控制，包括制冷元件，例如制冷二极管，并负责依据温度控制指令，控制制冷元件，达到控制本发明的超微量Raman-Stokes散射光传感器的工作温度。
图13是本发明在拉曼光谱仪的应用举例，其中：散射光传感器是由激光作为激发光，采用离轴方式照射处于检测窗口的被检测物质，产生的散射光汇聚到本发明的导光组件的面状窗口，由光纤束传递到狭缝窗口，接入到光谱仪，由光谱仪进行光谱解析，再由计算机和软件进行光谱分析。具体是：13001是检测窗口，13002是散射光传感器，13003是光纤束的面状窗口，13004是光纤束，13005是光纤束的狭缝窗口，13006是光谱仪或分光器，13007是显示器，13008是计算机，13009是外接电源，13010是电源转换器。
2、方案及步骤。
2.1、基本说明。
超微量Raman-Stokes散射光传感器，主要包括：散射光传感器本体、狭缝窗口、滤光镜。
所述散射光传感器本体上安装有聚光罩、检测窗口、发光器、控制电路、O-I光纤束。
所述发光器受所述控制电路的控制产生激发光，所述激发光照射到处于所述检测窗口外侧的被检测物质，由所述被检测物质产生散射光，所述散射光通过所述聚光罩汇聚到所述O-I光纤束的面状窗口，再由光纤编组方法依据所述面状窗口和所述狭缝窗口的位置对应关系汇聚到所述狭缝窗口输出。
所述滤光镜包括第一滤光镜和第二滤光镜。
所述第一滤光镜为带通滤光镜，安装在所述激发光到所述检测窗口的光路中，放行所述散射光中的中心频率光线，阻止所述散射光中的非中心频率光线通过。
所述第二滤光镜安装在所述O-I光纤束的所述狭缝窗口，按照过滤模式过滤所述散射光。
所述控制电路接受指令，控制所述发光器产生激发光的开启、停止、输出功率调节。
这里的O-I光纤束，是指光纤束的一头的光纤编组成平面的形状，全部光纤做垂直切割，形成面状窗口，用于接收由聚光罩聚集的面状散射光光斑。另外一头的光纤编组成线条状，全部光纤切割，形成条状窗口，在后续的狭缝窗口的聚光后，形成狭缝窗口，输出聚焦成条状光斑，供后续光谱仪使用。本发明不仅通过光纤束实现了面状光斑到狭缝光斑的转换，还能够依据两头的每根的不同光纤编组方法，实现两头光纤的一一对应，以适合不同的光谱检测需求。
2.2、聚光罩说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述聚光罩包括内反射腔、由所述内反射腔形成包括第一焦点的第一焦平面和包括第二焦点的第二焦平面。
在所述第一焦平面处封装对于所述激发光和所述散射光透明的材料形成所述检测窗口，并置所述第一焦平面于所述检测窗口的外测面。
所述内反射腔的形状由数学模型决定，所述内反射腔执行将所述第一焦平面处由所述被检测物质发出的散射光汇聚到所述第二焦平面的步骤。
所述数学模型包括椭圆球形或椭圆槽形。
所述椭圆球形由椭圆线条绕长轴旋转一周而成的封闭的椭球形，在椭圆的两个焦点处垂直切割形成所述第一焦平面和所述第二焦平面，保留中间部分成为反射腔体。
所述椭圆槽形由椭圆线条沿椭圆面垂直平移宽度距离而成的椭圆槽形，在椭圆的两个焦点处垂直切割形成所述第一焦平面和所述第二焦平面，保留中间部分成为反射腔体。
所述反射腔体内壁磨光或镀反光膜，以反射所述散射光。
所述反射腔体包括开孔，用于所述发光器发出的激发光通过。
所述聚光罩由硬质材料制成，或在所述本体上加工而成。
在本实施例中，聚光罩采用镀金方式，以增加对于散射光的反射效果。至于椭球形的聚光罩或者椭圆槽形的聚光罩，用户可以自行选择。需要注意的是，聚光罩的选型可以依据本发明的具体使用确定，例如，对于活体检测或者IVD的使用，发明人建议采用椭球方式，并且在光斑的设计上，采用聚焦和覆盖第一焦平面的圆形光斑结合的方式，这样做的好处是，既能够用聚焦方式实现高精度检测，以便于后续人工智能软件的深度学习，有可以由面状光斑来减轻激光照射对于活体或者皮肤的伤害。至于椭圆槽形的聚光罩的设计，可用于条状光斑扫描检测方案的应用。
2.3、发光器说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述发光器包括激光器，在所述控制电路的控制下，产生包括可见光、红外光、紫外光特定波长的激发光。
所述发光器还包括光学元件，执行所述激发光在所述检测窗口形成光斑的步骤，所述光学元件具体包括支架、透镜、反射镜及其组合。
所述控制电路包括指令接口、处理器电路、驱动电路，以控制所述激光器工作。
所述指令接口接收所述指令，由所述处理器电路解析并驱动所述驱动电路，使得所述发光器工作的步骤。
所述指令包括通信协议，包括开启激发光、关闭激发光、改变激发光输出功率。
所述指令接口还包括输出控制指令控制后续光谱仪，改变所述后续光谱仪中感光器积分时间长短的步骤。
所述发光器具体还包括：
能够分时产生多路频率的所述激发光的单路多频激光器，或，
只能产生单路频率的所述激发光的单路单频激光器，
所述激发光的频率模式包括差分模式和异频模式，所述差分模式为两个频率之间相差小于1%，所述异频模式为两个频率之间相差大于10%。
所述控制电路还包括控制所述发光器工作于所述差分模式或异频模式的步骤。
如上所述，光斑的设计和使用，可兼顾检测精度、AI学习和对于活体组织的保护。
在一些基于差分光谱仪的设计中，可以采用差分模式，此时差分的频率要约接近越好，例如采用1～10个波数，以便于消除荧光干扰。对于需要采用异频模式，例如785nm和532nm双频工作时，采用本发明的异频模式。
2.4、变焦机构说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述发光器还包括变焦机构。
所述变焦机构在所述控制电路的控制下，通过在光轴方向上移动所述光学元件实现变焦，以实现改变所述光斑大小的步骤。
所述光斑大小的改变包括分档改变、连续改变，所述分档改变包括从所述激发光聚焦至所述激发光的所述光斑扩大的一个以上档次的改变，所述连续改变包括所述激发光从聚焦成点状光斑到覆盖所述检测窗口的面状光斑的连续改变。
所述指令还包括所述光斑的控制指令，以实现所述光斑大小的所述分档改变和所述连续改变。
所述变焦机构包括步进电机或者超声波电机提供所述变焦的动力。
变焦的目的之一，在于改变激发光光斑的大小，在医学活体检测应用中，如上所述，建议采用聚焦和覆盖第一焦平面的圆形光斑结合的方式。变焦方式在实际应用中，不限于医学活体检测。
2.5、制冷机构说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述控制电路还包括制冷元件、温度控制电路。
所述制冷元件安装在所述聚光罩或者所述超微量Raman-Stokes散射光传感器本体上，由所述温度控制电路控制所述制冷元件，为所述聚光罩或者所述散射光传感器本体降温并控制温度。
所述控制电路还包括输出温度控制状态的步骤，输出类容至少包括所述聚光罩或者所述散射光传感器本体的即时温度。
制冷机构是本发明方案的一种选项，制冷的目的在于减轻热噪声，提高信噪比。但是由于设备的体积、成本等因素，用户可以酌情选用。
2.6、O-I光纤束说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述O-I光纤束至少包括1根以上光纤，当光纤的根数在7根及以上时，所述O-I光纤束按照所述光纤编组方法编组，两头分别构成面状窗口和狭缝窗口，并做垂直切割成面状截面和条状截面。
所述面状窗口的外形包括圆形、椭圆形或正多边形，其中所述圆形或者正多边形的相切圆的直径小于或等于所述第二焦平面的直径。
所述光纤包括多模光纤，纤芯直径与包层直径比大于0.2，纤芯直径介于8.0μm至2.0mm之间，数值孔径介于0.05至0.95。
所述面状截面固定安装在所述第二焦平面，并且使得所述面状截面的中心点与所述第二焦点对齐，以接收所述散射光。
所述O-I光纤束的外部，采用弹簧式螺线管护套封装，以保护所述O-I光纤束。
所述面状截面采用对于所述散射光透明的材料封装，以保护所述面状截面。
在本发明中，O-I光纤束中光纤的根数极其重要，虽然最小可以是1根光纤，但在实际使用中，需要根据聚光罩的第二焦平面的形状、大小和纤芯的直径，确定光纤的根数和面状窗口的形状。这里需要提醒二次设计的业内中级技术人员的是，O-I光纤束中光纤的根数越多越好，形状和尺寸要尽可能与聚光罩的第二焦平面的形状、大小保持一致。作为一种优选，对于纤芯直径200μm的光纤，在采用椭球状聚光罩并且焦平面为直径2.4mm的情况下，光纤的根数应大于61根，此时可获得61倍的散射光聚集光通量。
在本实施例中，如果需要尽可能提高散射光吸收率、提后续高光谱仪检测的灵敏度，光纤的根数可以在数百乃至数千根。
2.7、光纤编组方法说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述O-I光纤束编组方法是所述O-I光纤束中每一根所述光纤在所述面状窗口中位置与所述狭缝窗口中位置的对应方法，具体包括：
中心-单层编组法包括，所述狭缝窗口中光纤按照单层实心紧密排列，建立垂直于所述面状窗口的线状投影，所述线状投影中各点的位置与所述狭缝窗口中各点的位置建立对应关系，其中以所述面状窗口中心点与所述狭缝窗口中心点作为对应基点，建立具体每根光纤的对于关系。或，
螺线-单层编组法包括，所述狭缝窗口中光纤按照单层实心紧密排列，在所述面状窗口中，以中心点为起点，建立由内向外的螺旋线，直到遍历完成全部光纤，在所述狭缝窗口中，以中心点为起点1，向上按照单数序列编号1、3、5、7、…，向下按照双数序列编号2、4、6、8、…，直到全部光纤编号完毕，再以螺旋线上的光纤顺序，对应于编号，建立具体每根光纤的对于关系。或，
中心-多层编组法包括，所述狭缝窗口中光纤按照一层以上实心紧密排列，其它步骤按照所述中心-单层编组法建立具体每根光纤的对于关系。或，
螺线-多层编组法包括，所述狭缝窗口中光纤按照一层以上实心紧密排列，其它步骤按照所述螺线-单层编组法建立具体每根光纤的对于关系。或，
中心-多层成像编组法包括，所述多层成像是指按照所述面状窗口中光纤排列的位置与所述狭缝窗口中光纤排列的位置一一对应，此时的所述狭缝窗口宽度加大，与所述面状窗口形状一致，形成散射光成像的排列。
在光纤编组方法的选择，还需要基于以下情况综合考虑。
1、根据光纤根数、纤芯直径、包层直径。
2、狭缝窗口的设计通盘考虑。
3、激发光是聚焦还是大光斑，以及散射光出现位置及其概率。
2.8、狭缝窗口基本说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述狭缝窗口的宽度包括2μm～2mm，所述狭缝窗口的标准支持通用光谱仪的标准光学接口，包括SMA905、GBIC、LC、SC、FC，还包括用户自定义的接口。
所述狭缝窗口包括直接狭缝模式、和反射镜聚焦狭缝模式。
所述狭缝窗口的宽度包括手动调节或电动调节。
所述直接狭缝模式是当所述纤芯的直径较小，介于8.0μm至100.0μm时，直接将所述条状截面作为狭缝窗口，输出所述散射光。
发明人提示，如果本发明的超微量Raman-Stokes散射光传感器是用于和通用光谱仪连接，建议狭缝窗口选用SMA905标准，以便直接连接通用光谱仪。如果光谱仪的光纤接口支持其它标准，或者支持自定义标准，则可以自行确定。
2.9、反射镜聚焦狭缝模式。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
在所述纤芯直径大于狭缝的宽度的情况下，采用反射镜聚光减小狭缝宽度。
所述反射镜包括面对面平行安装的2片曲面反射镜，一头连接所述竖条狭缝，另外一头形成宽度介于2μm～2mm范围的狭缝，所述狭缝的长度介于1毫米至100毫米之间。
所述曲面反射镜的曲面方式包括抛物面、球面、双曲面、平面。
所述曲面反射镜采用复合抛物面聚光镜模式，其中第一复合抛物面反射镜小边连接第二复合抛物面反射镜小边，其中所述第一复合抛物面反射镜的大边紧接所述狭缝窗口的光纤截面，光线从截面射出后，经过所述第一复合抛物面反射镜的汇聚，进入到所述第二复合抛物面反射镜的小边，再次经过所述第二复合抛物面反射镜的反射汇聚，从所述第二复合抛物面反射镜的大边输出，使得光纤截面射出的光线，收窄汇聚成为宽度减小的光斑。
作为本发明重要优势之一，是采用大数量光纤构成光纤束，以便于最大限度地提高散射光吸收率，由于狭缝的宽度直接影响着光谱的分辨率，太多根数的光纤，无法直接满足狭缝的宽度，因此，这里需要采用基于CPC模型的反射镜，来聚焦过宽过长的狭缝窗口，使得狭缝的宽度和长度适合后续光谱仪的要求。
此外，对于光纤根数和纤芯直径允许的情况下，例如纤芯直径为10μm，光纤根数不超出后续光谱仪对于狭缝长度的要求的情况下，可以直接采用狭缝截面对接光谱仪，而不需要采用反射镜聚光。
2.10、手动调节和电动调节。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述手动调节，采用反射镜方式，在所述2片曲面反射镜上安装由机械组件构成的连续可调部件，采用包括螺杆、齿轮构成的旋转件，手动旋转所述旋转件，以改变所述2片曲面反射镜在狭缝处的间隙。
所述电动调节，采用反射镜方式，在所述2片曲面反射镜上安装由步进电机和机械组件构成的连续可调部件，所述步进电机由控制电路控制，所述控制电路包括控制信号输入接口，接收外部的控制信号，完成对于所述2片曲面反射镜在狭缝处的间隙的调节。
作为一些科研的需要，需要经常改变狭缝的宽度时，采用手动调节或电动调节狭缝的宽度。
2.11、滤光镜及过滤模式说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述第一滤光镜的所述带通滤光镜允许中心频率为
Figure 948414DEST_PATH_IMAGE001
、误差为
Figure 745468DEST_PATH_IMAGE002
的所述激发光光线通过，阻止其它频率的光线通过，其中
Figure 416621DEST_PATH_IMAGE003
。
所述第二滤光镜的所述过滤模式包括拉曼-斯托克斯模式、拉曼-反斯托克斯模式、瑞利模式。
所述拉曼-斯托克斯模式为选定所述第二滤光镜为低通滤光镜，即通过频率为：
Figure 590114DEST_PATH_IMAGE004
Figure 600795DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 631068DEST_PATH_IMAGE006
为所述低通滤光镜的通过频率，即频率小于或等于
Figure 727200DEST_PATH_IMAGE008
的所述散射光光线允许通过，频率大于
Figure 438804DEST_PATH_IMAGE008
的所述散射光光线阻止通过，
Figure 366309DEST_PATH_IMAGE009
为所述低通滤光镜的保守频率。
所述拉曼-反斯托克斯模式为选定所述第二滤光镜为高通滤光镜，即通过频率为：
Figure 505166DEST_PATH_IMAGE010
Figure 88594DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 400627DEST_PATH_IMAGE021
为所述高通滤光镜的通过频率，即频率大于或等于
Figure 385900DEST_PATH_IMAGE014
的所述散射光光线允许通过，频率小于
Figure 695659DEST_PATH_IMAGE014
的所述散射光光线阻止通过，
Figure 828700DEST_PATH_IMAGE015
为所述高通滤光镜的保守频率。
所述瑞利模式为选定所述第二滤光镜为带通滤光镜，即通过频率为：
Figure 882107DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 721887DEST_PATH_IMAGE017
为所述带通滤光镜的通过频率，即频率介于
Figure 264863DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 557304DEST_PATH_IMAGE022
之间的所述散射光光线允许通过，其它频率的所述散射光光线阻止通过，
Figure 414402DEST_PATH_IMAGE023
为所述带通滤光镜的保守频率。
由于滤光镜的选择，直接涉及光谱仪的工作原理，发明人提醒用户，必须根据光谱仪的需求进行确定。
2.12、控制接口说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述控制电路提供外部通信接口，以实现包括：
外部向所述散射光传感器发布的控制命令和通信信号、
外部向所述散射光传感器索取状态信息、
向后续光谱仪提供包括光电转换器积分时间控制、工作状态通信的联动信息。
通常情况下，这一步骤是针对特别设计的工作步骤，由定制软件完成，例如，用于体外血糖监测的系统，需要约定接口协议。
实施例二、CPC超微量拉曼散射光传感器。
1、简介。
本实施例是本发明的一种采用CPC聚光罩和柱面透镜形成狭缝窗口的设计的案例。需要强调的是，关于狭缝窗口的选型，并非与聚光罩选型相关，本实施例只是一种选项的举例，并不是对于本发明的限定。
2、示图说明。
本实施例内容包括由以下附图构成，它们是：图1、图2、图4、图5、图6、图7、图11、图12。作为后续应用的举例，图13是本实施例的一个应用举例。
本实施例的示图与实施例一相比，相同之处不予复述，不同之处在于图4和图11。
图4是CPC聚光罩结构图，其中：CPC（英文名称：Compound ParabolicConcentrator，英文简称：CPC，中文简称：复合抛物面聚光器）。其中，OP是发光器发出的激发光的轴线，OQ是接收器接收的散射光的轴线，O点是第一焦点。7001是CPC聚光罩内反射腔，7002是发光器，7003是接收器，7004是发光器镜头，7005是检测窗口。
图11是本发明中狭缝窗口的设计方案之二，即采用柱面透镜狭缝模式。其中：11001和11002是狭缝窗口中的竖条排列的光纤，11001是纤芯，11002是包层。11003是柱面透镜组，包括单柱面透镜和垂直摆放的双柱面透镜的镜组或其它柱面透镜的镜组，它将竖条排列的多根光纤射出的光线11005，汇聚成条状光斑11006，11007是狭缝挡板，它安装在由柱面透镜聚焦形成的条状光斑处，强化狭缝的边界。11008是光纤的截面图。
3、差异化说明。
与实施例一相同之处这里不予叙述，不同之处在于：聚光罩的形式改为CPC，即由图3改为图4，此外，作为一个选择项，狭缝窗口处改为由图11所示的柱面透镜方式。
其它差异化主要波以下聚光罩、狭缝窗口、柱面透镜聚焦狭缝模式，具体说明如下。
3.1、聚光罩说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述聚光罩包括内反射腔、由所述内反射腔形成包括第一焦点的第一焦平面和包括第二焦点的第二焦平面。
在所述第一焦平面处封装对于所述激发光和所述散射光透明的材料形成所述检测窗口，并置所述第一焦平面于所述检测窗口的外测面。
所述内反射腔的形状由数学模型决定，所述内反射腔执行将所述第一焦平面处由所述被检测物质发出的散射光汇聚到所述第二焦平面的步骤。
所述数学模型包括或复合抛物面圆桶形或复合抛物面槽形。
所述复合抛物面圆桶形由复合抛物面线条沿轴向旋转一周而成，将所述复合抛物面的大口作为所述第一焦平面，将所述复合抛物面的小口作为所述第二焦平面。
所述复合抛物面槽形由复合抛物面线条沿所述复合抛物面垂直平移宽度距离而成，将所述复合抛物面的大口作为所述第一焦平面，将所述复合抛物面的小口作为所述第二焦平面。
所述反射腔体内壁磨光或镀反光膜，以反射所述散射光。
所述反射腔体包括开孔，用于所述发光器发出的激发光通过。
所述聚光罩由硬质材料制成，或在所述本体上加工而成。
3.2、狭缝窗口基本说明。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述狭缝窗口的宽度包括2μm～2mm，所述狭缝窗口的标准支持通用光谱仪的标准光学接口，包括SMA905、GBIC、LC、SC、FC，还包括用户自定义的接口。
所述狭缝窗口包括直接狭缝模式、柱面透镜聚焦狭缝模式。
所述狭缝窗口的宽度包括手动调节或电动调节。
所述直接狭缝模式是当所述纤芯的直径较小，介于8.0μm至100.0μm时，直接将所述条状截面作为狭缝窗口，输出所述散射光。
3.3、柱面透镜聚焦狭缝模式。
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
在所述纤芯直径大于狭缝的宽度的情况下，采用聚光透镜聚光减小狭缝宽度。
所述聚光透镜包括单柱面透镜，所述单柱面透镜用于将所述竖条狭缝发出的光线按照条状方向聚焦成条状光斑，其中所述条状光斑的宽度介于2μm～2mm范围内，长度介于1毫米至100毫米之间，焦距介于2毫米至100毫米之间。
所述聚光透镜还包括复合柱面透镜，所述复合柱面透镜是在单柱面透镜的基础上，沿所述竖条方向做向垂直与所述竖条的中心线聚光，以控制所述竖条光斑的长度介于1毫米至100毫米之间。或，
所述聚光透镜还包括双单柱面透镜，其中第一单柱面透镜和第二单柱面透镜在光路上垂直安装。
实施例三、通用接口的超微量拉曼散射光传感器。
1、简介。
本实施例是本发明的一种采用通用接口的设计案例。所述通用接口，是包括狭缝窗口与后续光谱仪的接口和与光谱仪电脑的电信号接口，他们分别采用SMA905的光谱仪常用光纤接口和USB接口。至于聚光罩的选型和狭缝聚光的选型，用户可以根据各自的需求，依照权利要求书选择。
2、差异化说明。
关于本实施例的示图及其步骤描述，与前述实施例一或实施例二相同之处不予复述，不同之处在于：
2.1、狭缝窗口接口。
如图12所示，狭缝窗口的接口，采用SMA905的光纤接口，狭缝窗口模式的选择包括：
2.1.1、直接狭缝模式的SMA905接口：由条状光纤束截面直接构成直接狭缝模式，只是发明人提醒的是，此时由于SMA905的尺寸限制，此时的光纤的根数和纤芯的直径小于满足这个限制，发明人特别建议，考虑到后续光谱仪的分别率要求，这里的纤芯直径选择5μm～40μm，光纤的根数选择7～37根。此时由于纤芯足够小，无需采用狭缝聚光，直接采用将排列成条状的光纤束，做垂直截面，直接生成狭缝窗口。
2.1.2、柱面透镜聚焦模式的SMA905接口：如图11，当纤芯的直径较大，例如在100μm以上时，此时这个尺寸已经不适合直接做为光谱仪的狭缝输入，因此，选用柱面透镜将宽度为100μm以上的光斑宽度，收缩聚焦到5μm～40μm之间，再采用SMA905封装完成。
如果在此条件下，光纤的根数多于SMA904的光斑长度时，可采用由多排光纤条状排列，此时可在采用一个柱面透镜，与上述柱面透镜在光路上垂直设置，对长度进行聚焦压缩。
2.1.3、反射镜聚焦模式的SMA905接口：如图8、图9、图10，当光纤束中光纤的根数以及纤芯直径很多的情况下，选择采用双CPC板，对于条状排列的狭缝光纤截面进行聚焦。此时，由于在较小的尺寸下，改变狭缝宽度并不会改变双CPC板的反射光路特性，而狭缝宽度的改变，将影响光谱仪的分辨率。
这里CPC板狭缝的调节，可选择手动调节和电动调节。当采用电动调节时，可与后续光谱仪采集及分析软件互动，以提高整体性能。
实施例四、2000芯超微量拉曼散射光传感器。
关于本实施例的示图及其步骤描述，与前述三个实施例相同之处不予复述，不同之处在于。
对于一些在灵敏度方面具有较高要求的应用场景，本实施例提供了具有2000芯的大芯径O-I光纤束设计。用户还可以依据这个思路，采用更多芯数的光纤束和较高的芯包比（纤芯直径与包层直径的比例）设计光纤束。
在本实施例中，选用椭球形聚光罩，检测窗口和第二焦平面为直径6.5mm，采用0.22mm外径，纤芯0.20mm的光纤，2000根光纤构成的光纤束，狭缝窗口端光纤按照200行并排排成10列，成为长44mm，,2.2mm的狭缝光纤束，采用两块柱面透镜垂直交叉聚光，将收集到的散射光聚焦成长4mm宽20μm的狭缝光斑，在光纤编组方法中，可根据实际应用的需求，采用螺线-多层编组法和中心-多层成像编组法对光纤编组。
此外，如果面向IVD设备，由于激光对于人体组织的伤害较大，所以，本实施例采用变光斑检测，即不仅改变激发光的大小，还将在直径13mm的检测窗口中，由控制电路移动光斑，使得把检测对于人体组织的伤害减到最小。此时的控制电路和图3中3005的驱动电路增加光斑移动功能，这一功能业内中级技术人员应该能够实现。
依据驱动电路的通信接口设计、狭缝窗口设计，选用一台具有矩阵分布的光电转换阵列，采用一台计算机对控制电路和光谱仪和进行联合控制，使之成为一台超高灵敏度和分辨率的拉曼系列光谱仪。
发明人需要提醒用户的是，在这种狭缝窗口的设计中，SMA905的光纤连接标准无法满足尺寸要求，因此从狭缝窗口到光谱仪的接口，需要另行设计。

Claims (13)

1.超微量Raman-Stokes散射光传感器，包括：散射光传感器本体和狭缝窗口和滤光镜，
所述散射光传感器本体上安装有聚光罩和检测窗口和发光器和控制电路和O-I光纤束；
所述发光器受所述控制电路的控制产生激发光，所述激发光照射到处于所述检测窗口外侧的被检测物质，由所述被检测物质产生散射光，所述散射光通过所述聚光罩汇聚到所述O-I光纤束的面状窗口，再由光纤编组方法依据所述面状窗口和所述狭缝窗口的位置对应关系汇聚到所述狭缝窗口输出；
所述滤光镜包括第一滤光镜和第二滤光镜；
所述第一滤光镜为带通滤光镜，安装在所述激发光到所述检测窗口的光路中，放行所述散射光中的中心频率光线，阻止所述散射光中的非中心频率光线通过；
所述第二滤光镜安装在所述O-I光纤束的所述狭缝窗口，按照过滤模式过滤所述散射光；
所述控制电路接受指令，控制所述发光器产生激发光的开启和停止和输出功率调节；
所述聚光罩包括内反射腔和由所述内反射腔形成包括第一焦点的第一焦平面和包括第二焦点的第二焦平面。
2.根据权利要求1 所述的超微量Raman-Stokes散射光传感器，其特征在于：
所述聚光罩包括内反射腔和由所述内反射腔形成包括第一焦点的第一焦平面和包括第二焦点的第二焦平面；
所述内反射腔的形状由数学模型决定，所述内反射腔执行将所述第一焦平面处由所述被检测物质发出的散射光汇聚到所述第二焦平面的步骤；
所述数学模型包括椭圆球形或椭圆槽形或复合抛物面圆桶形或复合抛物面槽形；
所述椭圆球形由椭圆线条绕长轴旋转一周而成的封闭的椭球形，在椭圆的两个焦点处垂直切割形成所述第一焦平面和所述第二焦平面，保留中间部分成为反射腔体；
所述椭圆槽形由椭圆线条沿椭圆面垂直平移宽度距离而成的椭圆槽形，在椭圆的两个焦点处垂直切割形成所述第一焦平面和所述第二焦平面，保留中间部分成为反射腔体；
所述复合抛物面圆桶形由复合抛物面线条沿轴向旋转一周而成，将所述复合抛物面的大口作为所述第一焦平面，将所述复合抛物面的小口作为所述第二焦平面；
所述复合抛物面槽形由复合抛物面线条沿所述复合抛物面垂直平移宽度距离而成，将所述复合抛物面的大口作为所述第一焦平面，将所述复合抛物面的小口作为所述第二焦平面；
所述反射腔体内壁磨光或镀反光膜，以反射所述散射光；
所述反射腔体包括开孔，用于所述发光器发出的激发光通过；
所述聚光罩由硬质材料制成，或在所述本体上加工而成。
3.根据权利要求1所述的超微量Raman-Stokes散射光传感器，其特征在于：
所述发光器包括激光器，在所述控制电路的控制下，产生包括可见光或红外光或紫外光特定波长的激发光；
所述发光器还包括光学元件，执行所述激发光在所述检测窗口形成光斑的步骤，所述光学元件具体包括支架和透镜和反射镜及其组合；
所述控制电路包括指令接口和处理器电路和驱动电路，以控制所述激光器工作；
所述指令接口接收所述指令，由所述处理器电路解析并驱动所述驱动电路，使得所述发光器工作的步骤；
所述指令包括通信协议，包括开启激发光和关闭激发光和改变激发光输出功率；和／或，
所述指令接口还包括输出控制指令控制后续光谱仪，改变所述后续光谱仪中感光器积分时间长短的步骤；和／或，
所述发光器具体还包括：
能够分时产生多路频率的所述激发光的单路多频激光器，或，
只能产生单路频率的所述激发光的单路单频激光器，
所述激发光的频率模式包括差分模式和异频模式，所述差分模式为两个频率之间相差小于1%，所述异频模式为两个频率之间相差大于10%；
所述控制电路还包括控制所述发光器工作于所述差分模式或异频模式的步骤。
4.根据权利要求3所述的超微量Raman-Stokes散射光传感器，其特征在于：
所述发光器还包括变焦机构；
所述变焦机构在所述控制电路的控制下，通过在光轴方向上移动所述光学元件实现变焦，以实现改变所述光斑大小的步骤；
所述光斑大小的改变包括分档改变或连续改变，所述分档改变包括从所述激发光聚焦至所述激发光的所述光斑扩大的一个以上档次的改变，所述连续改变包括所述激发光从聚焦成点状光斑到覆盖所述检测窗口的面状光斑的连续改变；
所述指令还包括所述光斑的控制指令，以实现所述光斑大小的所述分档改变和所述连续改变；
所述变焦机构包括步进电机或者超声波电机提供所述变焦的动力。
5.根据权利要求3或4所述的超微量Raman-Stokes散射光传感器，其特征在于：
所述控制电路还包括制冷元件和温度控制电路；
所述制冷元件安装在所述聚光罩或者所述散射光传感器本体上，由所述温度控制电路控制所述制冷元件，为所述聚光罩或者所述散射光传感器本体降温并控制温度；
所述控制电路还包括输出温度控制状态的步骤，输出类容至少包括所述聚光罩或者所述散射光传感器本体的即时温度。
6.根据权利要求1所述的超微量Raman-Stokes散射光传感器，其特征在于：
所述O-I光纤束至少包括1根以上光纤，当光纤的根数在7根及以上时，所述O-I光纤束按照所述光纤编组方法编组，两头分别构成面状窗口和狭缝窗口，并做垂直切割成面状截面和条状截面；
所述面状窗口的外形包括圆形或椭圆形或正多边形，其中所述圆形或者正多边形的相切圆的直径小于或等于所述第二焦平面的直径；
所述光纤包括多模光纤，纤芯直径与包层直径比大于0.2，纤芯直径介于8.0μm至2.0mm之间，数值孔径介于0.05至0.95；
所述面状截面固定安装在所述第二焦平面，并且使得所述面状截面的中心点与所述第二焦点对齐，以接收所述散射光；
所述O-I光纤束的外部，采用弹簧式螺线管护套封装，以保护所述O-I光纤束；和／或，
所述面状截面采用对于所述散射光透明的材料封装，以保护所述面状截面。
7.根据权利要求6所述的超微量Raman-Stokes散射光传感器，其特征在于：所述O-I光纤束编组方法是所述O-I光纤束中每一根所述光纤在所述面状窗口中位置与所述狭缝窗口中位置的对应方法，具体包括：
中心-单层编组法包括，所述狭缝窗口中光纤按照单层实心紧密排列，建立垂直于所述面状窗口的线状投影，所述线状投影中各点的位置与所述狭缝窗口中各点的位置建立对应关系，其中以所述面状窗口中心点与所述狭缝窗口中心点作为对应基点，建立具体每根光纤的对于关系；或，
螺线-单层编组法包括，所述狭缝窗口中光纤按照单层实心紧密排列，在所述面状窗口中，以中心点为起点，建立由内向外的螺旋线，直到遍历完成全部光纤，在所述狭缝窗口中，以中心点为起点1，向上按照单数序列编号1、3、5、7、…，向下按照双数序列编号2、4、6、8、…，直到全部光纤编号完毕，再以螺旋线上的光纤顺序，对应于编号，建立具体每根光纤的对于关系；或，
中心-多层编组法包括，所述狭缝窗口中光纤按照一层以上实心紧密排列，其它步骤按照所述中心-单层编组法建立具体每根光纤的对于关系；或，
螺线-多层编组法包括，所述狭缝窗口中光纤按照一层以上实心紧密排列，其它步骤按照所述螺线-单层编组法建立具体每根光纤的对于关系；或，
中心-多层成像编组法包括，所述多层成像是指按照所述面状窗口中光纤排列的位置与所述狭缝窗口中光纤排列的位置一一对应，此时的所述狭缝窗口宽度加大，与所述面状窗口形状一致，形成散射光成像的排列。
8.根据权利要求6所述的超微量Raman-Stokes散射光传感器，其特征在于：
所述狭缝窗口的宽度包括2μm～2mm，所述狭缝窗口的标准支持通用光谱仪的标准光学接口，包括SMA905或GBIC或LC或SC或FC，还包括用户自定义的接口；
所述狭缝窗口包括直接狭缝模式或柱面透镜聚焦狭缝模式或反射镜聚焦狭缝模式；
所述狭缝窗口的宽度包括手动调节或电动调节；
所述直接狭缝模式是当所述纤芯的直径较小，介于8.0μm至100.0μm时，直接将所述条状截面作为狭缝窗口，输出所述散射光。
9.根据权利要求8所述的超微量Raman-Stokes散射光传感器，其特征在于：
在所述纤芯直径大于狭缝的宽度的情况下，采用聚光透镜聚光减小狭缝宽度；
所述聚光透镜包括单柱面透镜，所述单柱面透镜用于将所述狭缝窗口发出的光线按照条状方向聚焦成条状光斑，其中所述条状光斑的宽度介于2μm～2mm范围内，长度介于1毫米至100毫米之间，焦距介于2毫米至100毫米之间；和／或，
所述聚光透镜还包括复合柱面透镜，所述复合柱面透镜是在单柱面透镜的基础上，沿所述竖条方向做向垂直与所述竖条的中心线聚光，以控制所述竖条光斑的长度介于1毫米至100毫米之间；或，
所述聚光透镜还包括双单柱面透镜，其中第一单柱面透镜和第二单柱面透镜在光路上垂直安装。
10.根据权利要求8所述的超微量Raman-Stokes散射光传感器，其特征在于：
在所述纤芯直径大于狭缝的宽度的情况下，采用反射镜聚光减小狭缝宽度；
所述反射镜包括面对面平行安装的2片曲面反射镜，一头连接所述狭缝窗口，另外一头形成宽度介于2μm～2mm范围的狭缝，所述狭缝的长度介于1毫米至100毫米之间；和／或，
所述曲面反射镜的曲面方式包括抛物面或球面或双曲面或平面；和／或，
所述曲面反射镜采用复合抛物面聚光镜模式，其中第一复合抛物面反射镜小边连接第二复合抛物面反射镜小边，其中所述第一复合抛物面反射镜的大边紧接所述狭缝窗口的光纤截面，光线从截面射出后，经过所述第一复合抛物面反射镜的汇聚，进入到所述第二复合抛物面反射镜的小边，再次经过所述第二复合抛物面反射镜的反射汇聚，从所述第二复合抛物面反射镜的大边输出，使得光纤截面射出的光线，收窄汇聚成为宽度减小的光斑。
11.根据权利要求8所述的超微量Raman-Stokes散射光传感器，其特征在于：
所述手动调节，采用反射镜方式，在2片所述曲面反射镜上安装由机械组件构成的连续可调部件，采用包括螺杆和齿轮构成的旋转件，手动旋转所述旋转件，以改变所述2片曲面反射镜在狭缝处的间隙；
所述电动调节，采用反射镜方式，在所述2片曲面反射镜上安装由步进电机和机械组件构成的连续可调部件，所述步进电机由控制电路控制，所述控制电路包括控制信号输入接口，接收外部的控制信号，完成对于所述2片曲面反射镜在狭缝处的间隙的调节。
12.根据权利要求1所述的超微量Raman-Stokes散射光传感器，其特征在于：
所述第一滤光镜的所述带通滤光镜允许中心频率为
Figure 709826DEST_PATH_IMAGE002
和误差为
Figure 334843DEST_PATH_IMAGE004
的所述激发光光线通过，阻止其它频率的光线通过，其中
Figure 131897DEST_PATH_IMAGE006
；
所述第二滤光镜的所述过滤模式包括拉曼-斯托克斯模式或拉曼-反斯托克斯模式或瑞利模式；
所述拉曼-斯托克斯模式为选定所述第二滤光镜为低通滤光镜，即通过频率为：
Figure 662105DEST_PATH_IMAGE008
Figure 570018DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure 580699DEST_PATH_IMAGE012
为所述低通滤光镜的通过频率，即频率小于或等于
Figure 345393DEST_PATH_IMAGE014
的所述散射光光线允许通过，频率大于
Figure 175946DEST_PATH_IMAGE015
的所述散射光光线阻止通过，
Figure 887550DEST_PATH_IMAGE017
为所述低通滤光镜的保守频率；
所述拉曼-反斯托克斯模式为选定所述第二滤光镜为高通滤光镜，即通过频率为：
Figure 424841DEST_PATH_IMAGE019
Figure 298119DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 881548DEST_PATH_IMAGE023
为所述高通滤光镜的通过频率，即频率大于或等于
Figure 647695DEST_PATH_IMAGE025
的所述散射光光线允许通过，频率小于
Figure 957454DEST_PATH_IMAGE026
的所述散射光光线阻止通过，
Figure 949549DEST_PATH_IMAGE028
为所述高通滤光镜的保守频率；
所述瑞利模式为选定所述第二滤光镜为带通滤光镜，即通过频率为：
Figure 737377DEST_PATH_IMAGE030
其中，
Figure 577157DEST_PATH_IMAGE032
为所述带通滤光镜的通过频率，即频率介于
Figure 854555DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 146996DEST_PATH_IMAGE036
之间的所述散射光光线允许通过，其它频率的所述散射光光线阻止通过，
Figure 738514DEST_PATH_IMAGE038
为所述带通滤光镜的保守频率。
13.根据权利要求1、3、4、5、11任一项所述的超微量Raman-Stokes散射光传感器，其特征在于：
所述控制电路提供外部通信接口，以实现包括：
外部向所述散射光传感器发布的控制命令和通信信号和，
外部向所述散射光传感器索取状态信息和，
向后续光谱仪提供包括光电转换器积分时间控制和工作状态通信的联动信息。
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