CN113552090A - 一种基于微型扫描光栅微镜的近红外荧光光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于微型扫描光栅微镜的近红外荧光光谱仪，包括检测室、荧光激发模块和近红外荧光分光与光谱获取模块；本发明通过集成扫描光栅微镜实现近红外全谱信息的快速获取，结合荧光激发模块可在1分钟时间内获得被测物质的三维全谱，通过荧光激发模块可有效降低慧差的影响，利用近红外荧光分光与光谱获取模块中的平凸柱面镜确保近红外荧光光谱的成像质量，大大消减荧光光谱信息采集过程中光学系统导致的像差，提升光谱分辨率和信噪比，利用单管探测器实现近红外光谱信息探测，在保证了光谱信息采集速度的同时简化了光学系统结构、降低了成本，具有模块化、微型化、宽光谱、高分辨率、高信噪比、低成本、探测速度快等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光谱仪技术领域，尤其涉及一种基于微型扫描光栅微镜的近红外荧光光谱仪。
背景技术
光谱仪是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线，阳光中的七色光是肉眼能分的部分，但若通过光谱仪将阳光分解，按波长排列，可见光只占光谱中很小的范围，其余都是肉眼无法分辨的光谱，如红外线、微波、紫外线、X射线等等，通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影，或电脑化自动显示数值仪器显示和分析，从而测知物品中含有何种元素，这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中；
现有的一些光谱仪的光学系统大都结构复杂，成本较高，且在荧光光谱信息采集过程中光学系统导致的像差较大，从而使光谱分辨率和信噪比较低，另外现有的光谱仪获取光谱信息的的速度较慢，降低了光谱信号的稳定性，提高了系统装调难度，使用不方便，不值得广泛推广，因此，本发明提出一种基于微型扫描光栅微镜的近红外荧光光谱仪用以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于微型扫描光栅微镜的近红外荧光光谱仪，该基于微型扫描光栅微镜的近红外荧光光谱仪基于模块化的设计思想，简化了系统光学结构，系统装调更加便捷，该光谱仪具有模块化、微型化、宽光谱、高分辨率、高信噪比、低成本、探测速度快等优点，真正实现了近红外波段荧光光谱的连续分光扫描探测和近红外荧光光谱仪模块化设计。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种基于微型扫描光栅微镜的近红外荧光光谱仪，包括检测室、荧光激发模块和近红外荧光分光与光谱获取模块，其特征在于：所述荧光激发模块包括依次分布在光路上的第一光源、第一入射狭缝、准直反射系统、扫描光栅、第一聚焦透镜、第一出射狭缝、第二聚焦透镜、分光镜和第一探测器，所述准直反射系统由离轴抛物面反射镜和平面反射镜构成，所述离轴抛物面反射镜与第一光源以及第一入射狭缝呈三点一线分布；
所述近红外荧光分光与光谱获取模块包括依次分布在光路上的第二光源、第二入射狭缝、凹面准直透镜、微型集成扫描光栅微镜、凹面成像透镜、平凸柱面透镜、第二出射狭缝和第二探测器，所述第二光源为检测室中被测样品被激发后发射的荧光且位于凹面准直透镜焦点处，所述第二入射狭缝置于凹面准直透镜焦点处，所述第二光源和第二入射狭缝之间设有双凸透镜，所述凹面准直透镜和微型集成扫描光栅微镜之间设有全反射镜。
进一步改进在于：所述第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、离轴抛物面反射镜和平面反射镜均采用25.4mm口径的反射镜，所述离轴抛物面反射镜和聚焦透镜焦距分别为25.4mm和50mm，所述分光镜为透反比70：30的分光镜。
进一步改进在于：所述第一入射狭缝和第二入射狭缝均为入射硅基狭缝，所述第一出射狭缝和第二出射狭缝均为出射硅基狭缝，所述探测器采用单管硅光电二极管。
进一步改进在于：所述扫描光栅采用1200g/mm全息刻线平面光栅，闪耀波长500nm，由微型步进电机驱动，采用波长范围300-1200nm，速度150nm/s的扫描，光谱分辨率小于1nm。
进一步改进在于：所述凹面准直透镜和凹面成像透镜均采用25.4mm口径的反射镜，焦距分别为50mm和75mm，所述平凸柱面透镜长度12mm，高度10mm，焦距12.69mm。
进一步改进在于：所述微型集成扫描光栅微镜选自微型集成MOEMS扫描光栅微镜和FR4电磁式扫描光栅微镜中的一种，所述微型集成扫描光栅微镜的扫描角度为±7°，扫描精度优于0.05°，衍射光栅的闪耀角8.6°，闪耀波长1170nm。
进一步改进在于：所述第二探测器采用单管近红外探测器，所述单管近红外探测器选自覆盖800-1800nm的二级TE制冷型InGaAs PIN光电二极管和覆盖800-2500nm近红外全波段的二级TE制冷长波长型InGaAs PIN光电二极管中的一种，感光面积为Ф1mm。
本发明的有益效果为：本发明包括检测室、荧光激发模块和近红外荧光分光与光谱获取模块，通过集成扫描光栅微镜实现近红外全谱信息的快速获取，结合荧光激发模块可在1分钟时间内获得被测物质的三维全谱，通过荧光激发模块可有效降低慧差的影响，利用近红外荧光分光与光谱获取模块中的平凸柱面镜确保近红外荧光光谱的成像质量，大大消减荧光光谱信息采集过程中光学系统导致的像差，提升光谱分辨率和信噪比，利用单管探测器实现近红外光谱信息探测，在保证了光谱信息采集速度的同时简化了光学系统结构、降低了成本，具有模块化、微型化、宽光谱、高分辨率、高信噪比、低成本、探测速度快等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明实施二的结构示意图。
其中：1、检测室；2、第一光源；3、第一入射狭缝；4、准直反射系统；5、扫描光栅；6、第一聚焦透镜；7、第一出射狭缝；8、第二聚焦透镜；9、分光镜；10、第一探测器；11、第二光源；12、第二入射狭缝；13、凹面准直透镜；14、微型集成扫描光栅微镜；15、凹面成像透镜；16、平凸柱面透镜；17、第二出射狭缝；18、第二探测器；19、双凸透镜；20、全反射镜；21、测控电路；22、上位机。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例一
根据图1所示，本实施例提供了一种基于微型扫描光栅微镜的近红外荧光光谱仪，包括检测室1、荧光激发模块和近红外荧光分光与光谱获取模块，其特征在于：荧光激发模块包括依次分布在光路上的第一光源2、第一入射狭缝3、准直反射系统4、扫描光栅5、第一聚焦透镜6、第一出射狭缝7、第二聚焦透镜8、分光镜9和第一探测器10，准直反射系统4由离轴抛物面反射镜和平面反射镜构成，离轴抛物面反射镜与第一光源2以及第一入射狭缝3呈三点一线分布，通过第一光源2发出的复合光经第一入射狭缝3入射，经过离轴抛物面反射镜90°离轴准直成平行光束进入平面反射镜，该平行光经平面反射镜反射后入射到扫描光栅5上，扫描光栅5在微型步进电机驱动下进行扫描，将不同波长的单色光经第一聚焦透镜6聚焦后依次通过第一出射狭缝7出射，出射光由第二聚焦透镜8聚焦后，经分光镜9分成两束，其中一束用于激发检测室1内的待测物质，另一束进入第一探测器10实现探测，荧光激发模块的光学结构采用离轴抛物面反射镜结合交叉式Czerny-Turner结构，通过离轴抛物面反射镜来达到消除球差和慧差的目的，使谱线更加对称，同时可有效提高出射光的信噪比和分辨率；
近红外荧光分光与光谱获取模块包括依次分布在光路上的第二光源11、第二入射狭缝12、凹面准直透镜13、微型集成扫描光栅微镜14、凹面成像透镜15、平凸柱面透镜16、第二出射狭缝17和第二探测器18，第二光源11为检测室1中被测样品被激发后发射的荧光且位于凹面准直透镜13焦点处，第二入射狭缝12置于凹面准直透镜13焦点处，所述第二光源11和第二入射狭缝12之间设有双凸透镜19，所述凹面准直透镜13和微型集成扫描光栅微镜14之间设有全反射镜20，检测室1内被测物质发射的荧光作为第二光源11经双凸透镜19并由第二入射狭缝12入射至凹面准直透镜13，再经全反射镜20反射至微型集成扫描光栅微镜14，微型集成扫描光栅微镜14放置在凹面准直透镜13后面的平行光路中，该微型集成扫描光栅微镜14将入射的荧光衍射分光并进行周期性扫描，凹面成像透镜15将微型集成扫描光栅微镜14衍射产生的不同波长的单色光经平凸柱面透镜16二次聚焦后，通过第二出射狭缝17成像于第二探测器18中，实现对不同波长单色光的连续扫描探测，近红外荧光分光与光谱获取模块光学结构采用平凸柱面透镜16结合非对称式Czerny-Turner结构进行改进设计，针对传统的非交叉非对称式Czerny-Turner结构虽然能在一定波段内消除球差、慧差的影响，但无法满足近红外宽光谱范围内高分辨率、高信噪比、小像差要求的问题，通过在凹面成像透镜15和第二探测器18之间加入平凸柱面透镜16，利用柱面镜对聚焦后的光束整形，以改善弧矢像差并兼顾改善子午像差，在提高成像质量的同时使进入第二探测器18的光能量更集中，从而提高光谱探测的信噪比和分辨率。
第一聚焦透镜6、第二聚焦透镜8、离轴抛物面反射镜和平面反射镜均采用25.4mm口径的反射镜，离轴抛物面反射镜和聚焦透镜焦距分别为25.4mm和50mm，分光镜9为透反比70：30的分光镜。
第一入射狭缝3和第二入射狭缝12均为入射硅基狭缝，第一出射狭缝7和第二出射狭缝17均为出射硅基狭缝，探测器采用单管硅光电二极管。
扫描光栅5采用1200g/mm全息刻线平面光栅，闪耀波长500nm，由微型步进电机驱动，采用波长范围300-1200nm，速度150nm/s的扫描，光谱分辨率小于1nm。
凹面准直透镜13和凹面成像透镜15均采用25.4mm口径的反射镜，焦距分别为50mm和75mm，平凸柱面透镜16长度12mm，高度10mm，焦距12.69mm。
微型集成扫描光栅微镜14选自微型集成MOEMS扫描光栅微镜和FR4电磁式扫描光栅微镜中的一种，微型集成扫描光栅微镜14的扫描角度为±7°，扫描精度优于0.05°，衍射光栅的闪耀角8.6°，闪耀波长1170nm，其中微型集成MOEMS扫描光栅微镜基于MEMS加工工艺，将闪耀光栅、微镜、电磁微驱动器、角度传感器、扭转粱、连接粱和固定框架集成在同一单晶硅片的表面，FR4电磁式扫描光栅微镜基于PCB制版工艺，将电磁驱动器、角度传感器、中心镜板和扭转粱集成到一FR4板上，再基于MEMS技术以硅片为基底材料刻蚀形成光栅微镜，最后通过环氧树脂将光栅微镜黏贴在FR4板的中心镜板上，基于微型集成扫描光栅微镜14，经过凹面准直透镜13准直后的复合平行入射光经闪耀光栅衍射后分光，电磁驱动器驱动扭转粱带动微型集成扫描光栅微镜14进行周期性扫描，集成于微型集成扫描光栅微镜14背面的磁电式角度传感器在磁场的往返运动过程中产生感应信号，该信号与电磁驱动信号实现微型集成扫描光栅微镜14的闭环控制系统，通过角度传感信号和探测器探测的光谱信号实现荧光光谱的重构。
第二探测器18采用单管近红外探测器，单管近红外探测器选自覆盖800-1800nm的二级TE制冷型InGaAs PIN光电二极管和覆盖800-2500nm近红外全波段的二级TE制冷长波长型InGaAs PIN光电二极管中的一种，感光面积为Ф1mm，基于微型集成扫描光栅微镜14的周期性扫描，不同波长的单色光依次进入第二探测器18以实现光谱的连续探测。
所述二级TE制冷型InGaAs PIN光电二极管(800-1800nm)位于微型集成扫描光栅微镜14静止时的中心波长1300nm处所聚焦成像的焦点位置，通过对称式扫描探测光谱信号，基于本发明设计的光路结构，当扫描光栅微镜机械转角＜3°，即可实现800-1800nm波长范围的光谱探测，将所述二级TE制冷长波长型InGaAs PIN光电二极管位于微型集成扫描光栅微镜14静止时的中心波长1650nm处所聚焦成像的焦点位置，通过对称式扫描探测光谱信号，本发明采用的±7°扫描光栅微镜，可满足800-2500nm波长范围的近红外全谱段光谱检测，在第二探测器18和平凸柱面镜16中间安装第二出射狭缝，基于本发明设计的非交叉非对称式Czerny-Turner结构，可实现800-1800nm波长范围光谱分辨率优于12nm，800-2500nm波长范围光谱分辨率优于15nm，信噪比＞200：1，光谱波长稳定性优于±2nm。
所述微型集成扫描光栅微镜14扫描频率≥700Hz，0.75ms时间内即可获得完整的光谱曲线。
实施例二
根据图2所示，一种基于微型扫描光栅微镜的近红外荧光光谱仪，还包括测控电路21和上位机22，第二探测器18与测控电路21电性连接，测控电路21与上位机22电性连接，通过第二探测器18将探测得到的数据传输至测控电路21，再由测控电路21传输至上位机22。
使用时，第一光源2发出的复合光经第一入射狭缝3入射，经过离轴抛物面反射镜90°离轴准直成平行光束进入平面反射镜，该平行光经平面反射镜反射后入射到扫描光栅5上，扫描光栅5在微型步进电机驱动下进行扫描，将不同波长的单色光经第一聚焦透镜6聚焦后依次通过第一出射狭缝7出射，出射光由第二聚焦透镜8聚焦后，经分光镜9分成两束，其中一束用于激发检测室1内的待测物质，另一束进入第一探测器10实现探测；
检测室1内被测物质发射的荧光作为第二光源11经双凸透镜19并由第二入射狭缝12入射至凹面准直透镜13，再经全反射镜20反射至微型集成扫描光栅微镜14，微型集成扫描光栅微镜14放置在凹面准直透镜13后面的平行光路中，该微型集成扫描光栅微镜14将入射的荧光衍射分光并进行周期性扫描，凹面成像透镜15将微型集成扫描光栅微镜14衍射产生的不同波长的单色光经平凸柱面透镜16二次聚焦后，通过第二出射狭缝17成像于第二探测器18中，实现对不同波长单色光的连续扫描探测，最后通过第二探测器18将探测得到的数据传输至测控电路21，再由测控电路21传输至上位机22。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种基于微型扫描光栅微镜的近红外荧光光谱仪，包括检测室(1)、荧光激发模块和近红外荧光分光与光谱获取模块，其特征在于：所述荧光激发模块包括依次分布在光路上的第一光源(2)、第一入射狭缝(3)、准直反射系统(4)、扫描光栅(5)、第一聚焦透镜(6)、第一出射狭缝(7)、第二聚焦透镜(8)、分光镜(9)和第一探测器(10)，所述准直反射系统(4)由离轴抛物面反射镜和平面反射镜构成，所述离轴抛物面反射镜与第一光源(2)以及第一入射狭缝(3)呈三点一线分布；
所述近红外荧光分光与光谱获取模块包括依次分布在光路上的第二光源(11)、第二入射狭缝(12)、凹面准直透镜(13)、微型集成扫描光栅微镜(14)、凹面成像透镜(15)、平凸柱面透镜(16)、第二出射狭缝(17)和第二探测器(18)，所述第二光源(11)为检测室(1)中被测样品被激发后发射的荧光且位于凹面准直透镜(13)焦点处，所述第二入射狭缝(12)置于凹面准直透镜(13)焦点处，所述第二光源(11)和第二入射狭缝(12)之间设有双凸透镜(19)，所述凹面准直透镜(13)和微型集成扫描光栅微镜(14)之间设有全反射镜(20)。
2.根据权利要求1所述的一种基于微型扫描光栅微镜的近红外荧光光谱仪，其特征在于：所述第一聚焦透镜(6)、第二聚焦透镜(8)、离轴抛物面反射镜和平面反射镜均采用25.4mm口径的反射镜，所述离轴抛物面反射镜和聚焦透镜焦距分别为25.4mm和50mm，所述分光镜(9)为透反比70：30的分光镜。
3.根据权利要求1所述的一种基于微型扫描光栅微镜的近红外荧光光谱仪，其特征在于：所述第一入射狭缝(3)和第二入射狭缝(12)均为入射硅基狭缝，所述第一出射狭缝(7)和第二出射狭缝(17)均为出射硅基狭缝，所述探测器采用单管硅光电二极管。
4.根据权利要求1所述的一种基于微型扫描光栅微镜的近红外荧光光谱仪，其特征在于：所述扫描光栅(5)采用1200g/mm全息刻线平面光栅，闪耀波长500nm，由微型步进电机驱动，采用波长范围300-1200nm，速度150nm/s的扫描，光谱分辨率小于1nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于微型扫描光栅微镜的近红外荧光光谱仪，其特征在于：所述凹面准直透镜(13)和凹面成像透镜(15)均采用25.4mm口径的反射镜，焦距分别为50mm和75mm，所述平凸柱面透镜(16)长度12mm，高度10mm，焦距12.69mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于微型扫描光栅微镜的近红外荧光光谱仪，其特征在于：所述微型集成扫描光栅微镜(14)选自微型集成MOEMS扫描光栅微镜和FR4电磁式扫描光栅微镜中的一种，所述微型集成扫描光栅微镜(14)的扫描角度为±7°，扫描精度优于0.05°，衍射光栅的闪耀角8.6°，闪耀波长1170nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于微型扫描光栅微镜的近红外荧光光谱仪，其特征在于：所述第二探测器(18)采用单管近红外探测器，所述单管近红外探测器选自覆盖800-1800nm的二级TE制冷型InGaAs PIN光电二极管和覆盖800-2500nm近红外全波段的二级TE制冷长波长型InGaAs PIN光电二极管中的一种，感光面积为Ф1mm。
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