CN113624733A - 高效散射光聚光组件 - Google Patents
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Abstract
提供一种高效散射光聚光罩发明，以提高散射光的检测灵敏度。采用椭球类高次曲线构成的内反射腔，置发光器产生的激发光于第一焦点或焦平面照射检测物质，置接收器或其镜头于第二焦点，散射光经过内反射腔的反射和直射，经过特别设计的镜头的汇聚，由光纤传出远高于传统的透镜方案的散射光聚光强度。发明的优势在于：1、采用面状激发光光斑，有利于降低对于皮肤或生物组织的伤害；2、设计的聚光罩和镜头能够提高聚光效率最高达2个数量级。3、采用点状光斑实现高精度采集和可调的面状光斑的快速采集相结合和校准，实现采样速度、采样精度和舒适度的统一。发明不仅可用于人体的拉曼光谱检测，还可用于荧光类散射光、瑞利类反射光的高效检测。
Description
技术领域
本发明涉及光学计量领域和激光生物学领域，尤其涉及散射光检测和传感器，尤其是涉及基于拉曼光谱用于活体检测的高效散射光聚光组件，例如用于人体无创伤的非成像激光拉曼光谱检测产品。
背景技术
一、散射光检测背景技术
依据发明人的研究发现，以往的散射光检测，可归纳为同轴聚焦法、离轴聚焦法、同轴大光斑光纤束法、离轴大光斑光纤束法，它们的特点分别如下：
1、同轴聚焦法
激发光的一次光路和散射光产生和采集的二次光路采用同一个光轴。在一次光路中，发光器产生激发光，通过半反半透镜和聚焦透镜聚焦激发光于焦点处的检测物质上；在二次光路中，由焦点处的检测物质受激发光的激发产生散射光，由聚焦透镜按照一个圆锥形汇聚散射光，通过半反半透镜，将收集到的散射光或平直或聚焦到全反射光纤上，传导部分散射光能量，供后续光谱仪分析。
这种方法对于散射光总能量的采集，有以下两点不利因素：
1)、半反半透镜将激发光的能量减半，同时又将收集到的散射光的能量减半，从激发光到散射光的全程，能量损失高达75％，收益仅有25％，损失高达4倍。
2)、设聚光镜到焦点处的距离为R，此处半球的面积为SR，聚光镜的有效半径为r，此处圆形的面积为Sr，散射光的总能量为ER，假设散射光为半球状均匀分布，则在聚光镜处，吸收的散射光能量为Er为公式(1.1)所示：
由公式(1.2)可见，这一不利因素散射光能量损失高达
倍。
由此可见，这两个不利因素将给散射光能量的采集带来总体损失高达
倍！，假设R＝10mm，r＝1mm，则总体损失估算倍数为K＝800。
2、离轴聚焦法
激发光的一次光路和散射光产生和采集的二次光路采用交叉的两个光轴。在一次光路中，发光器产生激发光，通过聚焦透镜聚焦激发光于焦点处的检测物质上；在二次光路中，由焦点处的检测物质受激发光的激发产生散射光，由聚焦透镜按照一个圆锥形汇聚散射光，将收集到的散射光或平直或聚焦到全反射光纤上，传导部分散射光能量，供后续光谱仪分析。交叉点为焦点。
由此可见，离轴聚焦法与同轴聚焦法的差别之一是光路中没有采用半反半透镜，因此这一环节没有能量损失。
由于二次光路的聚焦环境与同轴聚焦法相同，因此，总体的散射光能量损失为
倍，假设R＝10mm，r＝1mm，则总体损失估算倍数为K＝200。
3、同轴大光斑光纤束法
激发光的一次光路和散射光产生和采集的二次光路采用同一个光轴。在一次光路中，发光器产生激发光，通过透镜汇聚激发光在检测物质上产生一个面积为S0的光斑；在二次光路中，采用光纤束采集散射光，其中光纤束距离光斑为L，假定L＝10mm，光斑在L处的半球面积为S1，如公式(1.3)所示；光纤束总截面积为S2，其中纤芯半径r＝0.05mm，光纤根数为100，全部纤芯总截面积为S3，如公式(1.4)所示，在不考虑光纤全反射临界入射角的情况下，散射光总体能量损失为公式(1.5)：
S1＝4πL2＝400πmm2 1.3
S3＝100×2πr2＝0.5πmm2 1.4
可见总体散射光能量总体损失估算倍数为800倍。
4、离轴大光斑光纤束法
激发光的一次光路和散射光产生和采集的二次光路采用采用交叉的两个光轴。其它方案跟同轴大光斑光纤束法相似，总体散射光能量损失相同，为800倍。
由此分析可见，现有技术在散射光检测方面，存在200～800倍的能量损失。另一方面，对于基于拉曼光谱检测和荧光光谱检测上，现有技术对于物质含量(例如溶液的浓度)的灵敏度，其上限最多也只有1％。对于一些特别应用，要求的检测灵敏度要达到0.01％，例如对于糖尿病患者的血糖检测，依据国际卫生组织规定，常规安全范围为4～11mmol/L(每升毫摩尔)，折合成血液中的葡萄糖浓度为0.0720％～0.1980％(每100克水中葡萄糖克数的比例)。如果采用激光拉曼光谱检测人体血糖，其灵敏度至少要提高到0.01％，即要将现有的检测灵敏度提高2个数量级，即提高100倍！
此外，如果方案是采用人体体外无创检测，考虑激发光(通常是采用近红外激光)对于人体皮肤有所伤害，而这个伤害的关键指标是单位面积上激光的照射强度，要求这个单位面积上激光的照射强度越低越好。因此，上述聚焦的方案不适合，应该采用大光斑照射方案，以减轻患者皮肤的伤害。
5、光纤全反射能量损耗
基于光纤全反射的光学原理，要求进入光纤端口的光线，其法线入射角必须大于光纤的法线临界角，这对于半球状180×360全方向的散射光来说，进入光纤真正起到通信作用的全反射圆锥体来说，圆锥体之外的散射光能量没有通信贡献。因此，需要计算这种情况的损失。以法线临界角±32度计算，相对于±90度，其理论有效率大约为35％，但是，由于部分散射光的角度实际上与激发光的角度有关，因此，其实际有效率通常大于35％，可按照40％～50％估算。
为了解决现有技术的这些问题，必须采用大光斑检测，同时需要提高检测灵敏度2个数量级。
二、光学探头背景技术
发明人发现，已经开始有人关注光学探头的设计问题，与本发明申请最接近的有以下两个专利申请可作为对比文件，它们是“用于测量拉曼散射的光学探头及其测量方法-CN201611124263.9”、“用于测量拉曼散射的光学探头-CN201621343446.5”。这些申请虽然在技术上有所进步，但是在创造性上，这两个对比文件的特点是：
1、只是设计了一个光学探头，并没有提出反射腔应该设计成将激发光或散射光汇聚到接收器，同时其发明内容和实施例中从未提出汇聚散射光能量以提高检测灵敏度问题。
2、激发光的发射和散射光的接收只是采用同轴方式，没有采用离轴方式，这就造成了接收器镜头无法实现独立设计，从而无法实现聚集散射光的作用。
3、反射腔只是用于反射激发光到检测物质上，而不是用于反射到接收器上用于增加接收散射光的能量。
发明人还发现，有一些研究报告提出基于复合抛物面聚光器(英文CompoundParabolic Concentrator，英文缩写CPC)的方法来实现非成像聚光，例如“1000倍聚光的光伏聚光器的非成像设计，哈尔滨工业大学学报2011.5”、“复合抛物面聚光器(CPC)光学分析研究，能源技术2006.4”、“Optical efficiency study of PV Crossed CompoundParabolic Concentrator，Applied Energy 2013”。基于CPC类的聚光技术，其区别于本发明的特点在于：
1、CPC的聚焦光线的入口角度较小，最大限度不超过±30度，无法做到散射光的±90度半球角度。
2、CPC的底部聚焦的光线角度太大，由于光纤全反射的临界角较小，实际有效聚光比例并不高，聚光贡献率较小。
3、CPC的轴向长度太大，不利于组件的小型化。
为了改进现有技术的这些问题，本发明设计一类新型的聚光罩组件。
三、激发光光源背景技术
发明人发现，对于基于拉曼光谱检测技术的激发光的光源，通常采用单色的激光光源，基于拉曼散射的原理，要求光源的能量越大越好，这样才能有效地激发拉曼散射。因此都是采用激发光源聚焦于检测物的方式，这对于人体、动物活体检测而言，就存在激发效果和伤害的悖论。在FDA(Food and Drug Administration，中文：美国食品和药物管理局，英文简称FDA)认证中，要求IIIb类激光功率限制在5mW5～500mW。而在实际检测中，通常采用300mW的激光，以聚焦方式(聚焦光斑大约在0.5mm2以下)照射人体皮肤，300mW的激光伤害是很大的，如果是类似于人体葡萄糖的连续检测，要求激光是全天连续照射皮肤，这将直接导致皮肤烧坏，因此此法绝无可能采用。
为此，必须大幅度降低单位面积的激光照射功率，为此，在激光功率不变的前提下，采用大光斑激发散射，以大幅度降低照射到皮肤上的单位面积的能量密度是合适的解决方案。
现有技术方法不足
依据上述分析，发明人认为，现有技术和方法存在以下不足：
1、对于受激发光激发而产生的散射光检测，能量检测效率低。
2、对于±90度的半球状散射光，目前没有合适的聚光设计方案。
3、通常的基于激光的激发光聚焦激发工作方式对于人体伤害大。
4、目前的拉曼光谱检测方式混合物质的最大灵敏度仅为1％太低，无法完成超低超微量级的检测。
发明目的和意图
发明人通过长期的观察、实验和研究，提出高效散射光聚光组件的设计，本发明的目的和意图在于：
1、实现基于±90度的半球状散射光的高效聚光罩，提高检测效率。
2、实现聚焦式激发光源和大光斑式激发光源共用的激发光组件。
3、实现一体化高效散射光聚光组件，包括聚光罩和镜头，实现大幅度提高散射光检测灵敏度。
发明的有益效果
1、本发明申请提供的高效散射光聚光罩实现了发明内容及发明目的，并为此提供了详实的实施例。
2、实现了基于±90度的半球状散射光的高效聚光罩，提高了检测效率。
3、实现点状光斑的聚焦式激发光源和面状光斑式激发光源共用的激发光组件，通过点状光斑长时间积分获取高测量精度和面状光斑短时间快速积分的交替方式，校验数据，提高整体测量精度。
4、实现一体化高效散射光聚光组件及其实施例的设计，包括聚光罩、发光器、接收器、接收器镜头等组件的融合，实现提高散射光检测灵敏度数十至数百倍。
发明内容
1、基本说明
高效散射光聚光组件，包括固定聚光组件和可调聚光组件，其中，
所述固定聚光组件包括聚光罩、发光器、接收器。
所述聚光罩包括本体、内反射腔、检测窗口，所述发光器和所述接收器固定在所述本体上。
所述发光器包括光源和光学元件，产生激发光，照射到所述检测窗口，激发位于所述检测窗口的检测物质产生散射光，所述散射光直射和由所述内反射腔反射到聚焦处。
在一些实施例中，还可以有第三个、第四个甚至更多的聚焦处，例如多焦点曲线沿着焦点垂线平移而产生的曲面形。
所述发光器产生激发光，照射到所述第一聚焦处的检测物质，产生散射光，所述散射光直射和由所述内反射腔经反射汇聚所述到所述第二聚焦处。
这里的发光器可以是多个，例如两个以上单色光发光器或多色光发光器或荧光发光器，用于检测物质的荧光光谱。
所述接收器用于接收并输出所述散射光，包括置于所述聚焦处的镜头和与所述镜头连接的导光器或置于所述聚焦处的光电传感器。
这里还可以采用多个接收器，分别在多个焦点处采集散射光，以适合另外的实施例。
所述可调聚光组件在所述固定聚光组件基础上增加控制器和配套光学元件，由所述控制器调整所述激发光产生点状光斑、面状光斑、线状光斑，以适应点光路、线光路、面光路及组合光路的工作步骤。
在本发明中，固定聚光组件是旨在发明一种固定模式的、低成本、小体积的高效散射光聚光组件，也可以归类于一种传感器。其应用对象举例为人体血糖、激素、特种微量物质的检测，所检测的物质都是固定的，而不是像通用物质检测设备那样，去测量很多中物质。由于是固定模式，所以，其设计主要考虑的是针对这些固定物质。
而可调聚光组件，由于其光斑是可调的，这对于人体或者动物活体检测来说，聚焦方式可用于短时间测量超低含量的微量物质，由于聚集的单位面积上能量密度大，所以，相应的测量精度和量程就更加充足，有利于高精度测量。而大光斑方式时，由于单位面积上能量大大减小，有利于提高量程的舒适度，这有利于长时间、高频率地检测，对于例如实时的连续生物指标测量(例如CGM血糖测量)，较为合适。
对于另外一种设计用例，可以将聚焦模式和大光斑模式混合应用，由聚焦模式提供高精度，由大光斑模式提供变化趋势和测量的舒适度，并且采用聚焦模式来校准大光斑模式，特别适合作为人体IVD体外检测设备。
在类似于多光谱检测的应用中，可以依据本发明设计出另外的实施例。
2、扩展说明
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：
所述本体采用硬质材料制作，其中设定所述内反射腔为由平面椭圆函数绕长轴旋转而成的椭圆球形，所述长轴包括第一焦点和第二焦点，所述检测窗口定位于过所述第一焦点的所述长轴的垂直面，所述聚焦处定位于过所述第二焦点的所述长轴的垂直面。
在所述检测窗口处截除所述椭圆球体的小半椭球，并在截除处封装透明材料成为检测窗口，所述检测物质放置在所述检测窗口外侧。
所述内反射腔采用抛光工艺或镀膜工艺产生反射膜以增加光反射能力，其中，所述反射膜包括针对特定波长的所述散射光进行增强反射的设计。
所述发光器的光学元件包括滤光镜，以便让特定波长的光线通过，而阻止其它波长的光线通过，所述滤光镜包括带通滤光镜、低通滤光镜、高通滤光镜，所述发光器的光学元件还包括透镜、反射镜、半反半透镜、棱镜、分光镜。
这里的滤光镜采用的带通滤光镜，这在基于拉曼散射光谱检测中，特别重要。通常选择带通波长为适合拉曼散射光光谱检测的波长，例如535nm、785nm、1064nm等等。
所述接收器采用所述镜头和导光器方式，具体包括：
所述镜头设计为微型的广角镜头或鱼眼镜头，放置在所述第二焦点，所述微型的尺寸为0.5毫米至50毫米，并且最大不超过所述第二焦点处的所述内反射腔的尺寸。
这里的之所以采用广角镜头或鱼眼镜头，目的是采集尽可能多的散射光强度，以增加散射光检测的强度，进而增加散射光采集的灵敏度。
所述导光器采用硬质的全反射光纤，一头与所述镜头连接，收集汇聚后的所述散射光，另外一头引出到所述聚光罩之外，将所述散射光传导出来，供后续光路使用。
所述镜头的内部还包括低通滤光镜或高通滤光镜或带阻滤光镜，以便让特定波长的光线通过，而阻止其它波长的光线通过。
这里采用的低通滤光镜、高通滤光镜、带阻滤光镜，这在基于拉曼散射光谱检测中，特别重要。通常选择低通滤光镜，以阻止发光器发出的激发光的波长，例如535nm、785nm、1064nm等等。
所述接收器采用所述光电传感器方式，将所述光电传感器放置在所述第二焦点，以接收所述散射光。
在光电传感器的感光器上，采用一种简化的镜头设计，例如一个小型球状透明材料制作。
所述硬质材料包括金属、塑料和玻璃。
3、固定光斑说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于以下基于固定模式的聚光组件，具体包括以下步骤或步骤的组合：
所述发光器的光源产生激发光，经由所述发光器的光学元件将所述激发光调整为固定光斑，投射到所述检测窗口，激发所述检测物质产生所述散射光，以180度半球状朝向所述检测窗口内任意角度发射，经过所述内反射腔反射和直射以汇聚到所述聚焦处。
所述固定光斑包括直径小于0.5mm的点状光斑，所述点状光斑为聚焦方式投射到所述第一焦点。
在点光路的方案应用中，虽然没有将激发光的能量密度减小，但是依然通过反光罩和镜头，大幅度提升了散射光的采集能量，因此同时大幅度提高了检测的灵敏度。
所述固定光斑包括直径大于等于0.5mm、小于所述检测窗口的直径的所述面状光斑，所述面状光斑投射到所述检测窗口。
所述固定光斑包括长度大于等于0.5mm、小于所述检测窗口的尺寸的所述线状光斑，所述线状光斑的线型包括直线和曲线，所述线状光斑投射到所述检测窗口。
在面光路的方案应用中，由于面状光斑的面积远大于等于点状光斑，在同等激发光能量的情况下，照射在检测物质(例如人体皮肤)上的单位面积的能量密度大幅度减小，特别有利于人体组织的检测。
4、可调光斑说明
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：
所述配套光学元件包括光闸、焦距调节器、光斑形状模板，其中，所述光闸用于在从所述发光器光源开始到所述激发光出口的光路中阻止和通过光线，所述焦距调节器用于调整光斑直径，实现从点状光斑到面状光斑的无极或有级调节，所述光斑形状模板用于改变所述光斑的形状，包括圆形、矩形、多边形，其中点状光斑和圆形光斑无需所述光斑形状模板。
所述控制器控制所述光闸、所述焦距调节器、所述光斑形状模板，控制方式包括手动控制和电动控制。
所述手动控制为在所述可调聚光套件上设置手动开关和调节器实现控制，所述电动控制为在所述可调聚光套件上设置步进电机或超声波电机或电磁开关实现控制，所述电动控制还包括电信接口和接口通信协议。
所述光闸包括采用机械挡板实现光路开关和采用电控液晶实现光路开关。
这里的电控液晶实现光路开关，是采用一种液晶材料的光线开关器件，以放行和阻止光线的通断，需要注意的是，这里需要考虑液晶材料的光学性能，例如通断光波的波长、衰减程度等。
所述控制器的所述电动控制还包括通对所述过接口通信协议的编程，实现所述点状光斑、所述面状光斑和所述现状光斑按照时序进行组合的组合光路的工作步骤。
这里的手动控制，实际上就是在本聚光罩组件上设置一个便于手指拨动的开关，开关的一头使得光源聚焦成为点状光斑，激发光以聚焦方式激发检测窗口处的检测物质，以较高的单位面积内的能量密度，激发产生散射光。开关的另外一头使得光源聚焦成为覆盖检测窗口的面状光斑，此时主要意图在于减小单位面积内光源的能量密度，以适合人体或者动物活体的检测，减少不适感，进一步的，适合一些安全规范的要求。
这里的电动控制的目的与手动控制相同，只是在实现方式上，是提供一个电动的接口，以约定的通信协议(例如I2C、TTL、USB、或者直接采用高电平低电平等)，让与该接口连接的其它设备或者电路实现对于电光光斑和面状光斑的控制。
进一步，电动控制还可以控制面状光斑的直径大小和光功率的大小，以适应一些多级控制、无级控制，不仅实现光斑大小的调节，同时还实现光源功率大小的调节。
这种点面组合的光路，一个典型实施例是在发光器上加入一个可以手控或者电控的开关，以移动透镜或其它光学元件，改变激发光产生点状光斑或者面状光斑，以适合不同场景的检测需要。
5、同轴与离轴说明
在前述技术方案的基础上，本发明在离轴模式和同轴模式，包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述离轴模式为所述发光器在所述聚光罩上的安装位置不与所述接收器重合，所述激发光的光轴与所述接收器的光轴不重合在一根轴线。
所述同轴模式为所述发光器在所述聚光罩上的安装位置与所述接收器重合，所述激发光的光轴与所述接收器的光轴重合在一根轴线，其中，在所述光路上采用半透半反膜镜分别获取所述激发光和所述散射光。
6、接收器镜头1
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：
当所述接收器的所述镜头的直径采用与所述聚光罩的第二焦点处的直径相近时，所述聚光罩沿所述第二焦点处截除小半椭球。
这里需要注意的是，当镜头跟第二焦平面尺寸相近时，由于此时在第二焦平面后面的，经由椭球形内反射腔反射的散射光由于先必须透过镜头或者被镜头挡住，所以此时的第二焦平面后面的内反射腔就失去反射的效果，所以此时可以截除。
所述镜头采用广角镜或鱼眼镜，其聚焦角度小于所述导光器的光纤的全反射临界角度，并且所述光纤的接头置于所述镜头的焦点处。
这里的广角镜或者鱼眼镜，在简化、小尺寸、非成像的情况下，可以采用球状透明材料制作。
7、接收器镜头说明2
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：
散射光一为所述检测物质产生的散射光经过所述内反射腔汇聚到所述第二焦点或第二焦平面的所述散射光，散射光二为所述检测物质产生的散射光经过直接照射到所述第二焦点或第二焦平面的所述散射光，所述接收率为所述散射光一和所述散射光二经过所述镜头后，进入所述导光器的光纤时，所述法线入射角大于等于所述光纤的法线临界角而发生全反射时在各自总的光强度中所占的比例。
所述焦平面为垂直与光轴过焦点的平面与内反射腔相交的平面。
调整所述镜头参数、所述椭圆函数中的长轴和短轴的比例，使得所述散射光一的接收率和所述散射光二的接收率大于等于特定值，所述特定值至少不小于5％。
其实，作为优化方案，可以使得特定值调整到20％、50％甚至更高。
所述光纤的端点采用垂直切面，所述切面被安置在所述镜头的出光焦点处，以接收出射光。
所述镜头设计为圆形同轴复合镜头，其中心采用小尺寸凹透镜，使得所述散射光一经过所述凹凸镜折射后，收缩其角度，所述凹透镜之外采用凸透镜，使得所述散射光二经过所述凸透镜聚焦到所述光纤的端点。调整所述凹透镜和所述凸透镜的设计参数，使得所述散射光被所述光纤收集到的光强度最大。
所述镜头设计为一个同轴镜头组，至少包括一个凸透镜和一个凹透镜，由凹透镜收缩所述散射光一的角度，由凸透镜汇聚所述散射光二。
调整所述复合镜头或镜头组的参数，使得透射后的所述散射光一和散射光二的光腰重合，被所述光纤接收。
所述镜头设计为一个同轴镜头组，至少包括一个凸透镜和一个凹透镜，由凹透镜收缩所述散射光一的角度，由凸透镜汇聚所述散射光二。
调整所述复合镜头或镜头组的参数，使得透射后的所述散射光一和散射光二的光腰重合，被所述光纤接收。
8、内反射腔说明
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：
所述本体采用硬质材料制作，其中设定所述内反射腔为由平面二次方程函数，沿着与所述二次方程函数的轴线垂直的线段运动而成的包括两个以上焦点构成的三维曲面形状。
所述线段包括直线段、折线端、曲线段，所述线段包括封闭和不封闭。
以所述检测窗口定位于所述第一焦点，以所述聚焦处定位于所述第二焦点。
在所述第一焦点处截除所述三维曲面形状的小半形状，以留下的形状的内壁为所述内反射腔，并在截除处封装透明材料成为检测窗口，所述检测物质放置在所述检测窗口外侧。
所述内反射腔采用抛光工艺或镀膜工艺产生反射膜以增加光反射能力，其中，所述反射膜包括针对特定波长的所述散射光进行增强反射的设计。
所述发光器的所述光源产生激发光，由所述发光器的光学元件将所述激发光调整为与所述线段相同的所述线状光斑，投射到所述检测窗口，以照射所述检测物质，由检测物质受到所述激发光的激发而产生线状发光源的所述散射光。
所述线状发光源中的各个点产生的所述散射光以180度半球的朝向所述检测串口内任意角度发射，所述散射光经过所述内反射腔反射和直射以汇聚到所述聚焦处。
所述发光器的光学元件包括带通滤光镜，以便让特定波长的光线通过，而阻止其它波长的光线通过，所述发光器的光学元件还包括透镜、反射镜、半反半透镜、棱镜、分光镜。
所述接收器采用所述镜头和导光器方式，具体包括：
所述镜头设计为广角镜头或鱼眼镜头，放置在所述第二焦点，尺寸最大不超过所述第二焦点处的所述内反射腔的尺寸，
所述导光器采用硬质的全反射光纤，一头与所述镜头连接，收集汇聚后的所述散射光，另外一头引出到所述聚光罩之外，将所述散射光传导出来，供后续光路使用。，
所述镜头的内部还包括低通滤光镜或高通滤光镜或带阻滤光镜，以便让特定波长的光线通过，而阻止其它波长的光线通过。，
所述接收器采用所述光电传感器方式，将所述光电传感器放置在所述第二焦点，以接收所述散射光。
所述硬质材料包括金属、塑料和玻璃。
9、拉曼模式
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于拉曼光谱工作方式，具体包括以下步骤或步骤的组合：
采用单色光发生器或激光发生器作为所述发光器的光源，产生所述激发光。
采用带通滤光镜作为所述发光器的光学元件，过滤所述激发光，使得所述激发光的中心波长为λ1的所述激发光通过，阻止所述中心波长之外的所述激发光通过。
采用低通滤光镜或高通滤光镜或带阻滤光镜用于所述接收器，以阻止所述中心波长为λ1的所述激发光，放行波长大于等于λ1的或不等于λ1的散射光。
这里采用的激发光中心波长，依据拉曼光谱检测的物质不同而确定，例如535nm、785nm、1064nm等等。同理，低通滤光镜、高通滤光镜、带阻滤光镜的选择，依据该中心波长相应作出选择，这在基于拉曼散射光谱检测中，特别重要。通常选择低通滤光镜或者带通滤光镜，以阻止发光器发出的激发光的波长。
采用基于拉曼散射光谱的光谱仪连接所述导光器，采集拉曼位移光谱，所述导光器和光谱仪的连接，包括直接连接和光纤连接。
所述直接连接，是将所述聚光罩与光谱仪设计为一体化的硬件，光谱仪直接从所述导光器的一头获取散射光，这种方式的优点是光强度损耗小，缺点是结构设计和安装较为麻烦；所述光纤连接，是采用可弯曲的柔性光纤(例如塑料光纤)连接导光器和光谱仪的入口，这种方式的优点是结构设计和安装方便，缺点是光强度有所损耗。
10、差分拉曼模式
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于差分拉曼光谱工作方式，具体包括以下步骤或步骤的组合：
采用两组单色光发生器或激光发生器作为所述发光器的光源，产生所述激发光。
设定所述激发光的波长分别为λ1和λ2的，采用差分算法消除荧光方式的所述散射光，保留所述拉曼方式的所述散射光，其中，所述中心波长λ1和所述中心波长λ2之间的差值小于1％，即。|λ1-λ2|/λ1≤0.01。
所述差分算法包括积分算法、插值积分算法和卷积算法。
在实际设计中，所述中心波长λ1和所述中心波长λ2之间的差值通常采用更小的值，例如小于1nm，以利于更好地消除荧光。
11、荧光与瑞利模式
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于荧光光谱或瑞利光谱的工作方式：具体包括以下步骤步骤组合的改进措施：
所述荧光光谱的工作方式为依据所述荧光光谱的设计要求，所述接收器采用所述荧光光谱的设计要求的滤光镜或不采用滤光镜。
所述瑞利光谱的工作方式为，所述接收器采用所述瑞利光谱的设计要求的滤光镜或不采用滤光镜。
由于荧光和瑞利光的强度远远高于拉曼散射光的强度，所以这里需要考虑后续光谱仪的量程溢出问题，调整镜头和聚光罩的相关参数以及光谱仪的光电积分的时间等参数，避免出现量程溢出。
12、大小光斑校验
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组合的改进措施：
所述可调聚光组件设定为所述点光斑和所述面光斑交互工作，以用于所述拉曼光谱工作方式和所述差分拉曼光谱工作方式的步骤，其中所述点光斑设定为长时间积分以获得高精度拉曼光谱数据，所述面光斑用于短时间积分，以提高检测速度并减轻对于活体的伤害，所获得低精度拉曼光谱数据，再以高精度的拉曼光谱数据校验低精度的拉曼光谱数据。
这种设计的实施例之一是在于整体设备的自校正，例如在人体体外血糖检测的应用中，采用点状光斑和面光斑检测交互式校验，具体如下：
采用点状光斑激发人体皮肤，采用长时间积分以采集拉曼光谱，此时可以获得较高测量精度的血糖数据。此时对于皮肤来说，由于激发光的能量集中在一个很小的焦点上，皮肤将承受较大的激光能量，将产生相应的不适感，甚至产生轻微的伤害。
采用面状光斑激发人体皮肤，采用短时间积分以快速采集拉曼光谱，此时将获得快速响应，但是精度略低的血糖数据。由于激发光的能量分散在一个较大的面状光斑上，皮肤将承受很小的激光能量，不会产生不适感。
对于同一个人体来说，由于皮肤在短时间内(例如几个小时、一天等)，除了血糖变化之外，其它干扰因素的变化很小，所以，这是采用每一个节拍(例如几个小时、一天等)采集一次点状光斑的血糖数据，而在节拍之内，多次采用面状光斑采集血糖数据，然后依据点状光斑的高精度血糖数据来校验面状光斑的血糖数据，既兼顾响应速度、人体舒适度，有能兼顾测量精度。
13、复合抛物面聚光罩选项
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组合的改进措施：
所述本体采用硬质材料制作，所述内反射腔采用多次方程函数旋转一周而成的三维曲面形状，所述多次方程函数包括一个中心对称轴，所述旋转是围绕着所述中心对称轴旋转，所述三维曲面形状包括大圆面和小圆面，所述大圆面采用透明材料封装成为检测窗口，所述发光器安装在所述本体上，产生的激发光照射到所述检测窗口，所述接收器安装在所述小圆面，并且包括所述固定聚光组件和可调聚光组件。
所述多次方程函数包括一级抛物线函数，所生成的三维曲面形状包括复合抛物面聚光器。
所述多次方程函数包括二级以上的多级抛物线函数，所生成的三维曲面形状包括多级复合抛物面聚光器。
附图说明
图1：高效散射光聚光组件原理图
图2：可调椭球聚光组件图
图3：接收器镜头结构示意图
图4：发光器结构示意图
图5：点状光斑椭球光路仿真图
图6：面状光斑椭球光路仿真图
图7：复合抛物面聚光罩组件
图8混合物质拉曼光谱图
图9葡萄糖拉曼光谱图
本发明的目的和意图是采用如下实施例的技术方案实现的：
实施例一、可调椭球聚光组件
本发明高效散射光聚光组件的应用实施例之一是可调椭球聚光组件，它结合了本发明的基本优势，设计成为一种小型的、用于提高拉曼光谱检测灵敏度的设备上。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，只涉及本发明的方法的叙述，不作为一个实际系统的完整设计，也不是对于本发明的限定。
1、图示说明
图1：高效散射光聚光组件原理图。
这是无标注的原理图，用于申请文件中的摘要。
图2：可调椭球聚光组件图。
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，O′点是第二焦点，C点是椭球的中心点。2001是内反射腔，2002是发光器，2003是发光器的透镜，2004是发光器的激发光光路示意，这里包括聚焦成点状光斑的光路示意和面状光斑的光路示意，2005是焦距调节器。2006是接收器中的导光器，2007是接收器的镜头，2008是散射光射向接收器的光路示意，包括散射光经过所述内反射腔汇聚到所述第二焦点的所述散射光一和散射光经过直接照射到所述第二焦点的所述散射光二这两种光路。2009是检测窗口。接收器的镜头包括广角镜、鱼眼镜和小型球状透镜。
工作流程主要是：2002发光器中包括激发光发光管，由发光管发出激发光，经过2003透镜聚焦，射向2009检测窗口，在2005焦距调节器的调节下，激发光在检测窗口处产生聚焦方式的点状光斑聚集到O处的第一焦点，或者激发光以调焦方式产生面状光斑，散发到处于第一焦点处的焦平面上。在2009检测窗口的外测放置检测物质，点状光斑或面状光斑激发检测物质产生散射光，朝向聚光罩做180度任意方向传输。散射光的一部分经过内反射腔的反射，汇聚到O′点所在的第二焦点的焦平面上，散射光的另外一部分直射到第二焦点的焦平面上，这两部分反射或直射的散射光由接收器的镜头接收，通过2006导光器，传导出聚光组件，供后续使用。
图3：接收器镜头和导光器结构示意图。
这是一种广角镜或者鱼眼镜的结构，其中，镜头由一组透镜镜片组构成，如3001和3002，导光器3003是由硬质光纤构成，3004是滤光镜，基于拉曼光谱的应用，这里选用低通滤光镜，或者带阻滤光镜。3005是广角光线光路示意图。
镜头和导光器设计的要领是：1、需要尽可能多地接收散射光，这里的广角镜或者鱼眼镜的激发光轴向视角设计要尽可能大，例如至少达到150度。2、镜头的出口光的散射角度要保持大多数光线能量尽可能集中在一个较小的轴向角度，对于导光器来说，就是激发光角度要有可能多地保持大于等于其全反射的临界角。
图4：发光器结构示意图。
其中，4001是发光器的透镜，它将激发光整形为点光斑或者面光斑。4002是透镜的内套筒，外侧有螺纹，转到螺纹可使得镜头沿广州滑动，以改变焦距，进而改变面光斑的大小或产生点光斑。4003是发光器的支架，内侧有与4002内套筒配套的螺纹套筒。4004是激发光发光管，这里选择单色光的激光管。4005是步进电机或超声波电机，4006是齿轮，4007是步进电机或超声波电机支架，4008是步进电机或超声波电机控制板，4008上还带有对外通信的控制接口。4009是滤光镜，基于拉曼光谱的应用时，这个滤光镜采用带通滤光镜。步进电机或超声波电机在控制板的控制下，做步进旋转，带动齿轮，以驱动透镜内套筒的转到，从而实现光斑的调节，产生点状光斑，或者大小可调的面状光斑。
图5：点状光斑椭球光路仿真图。
激发光以点状光斑聚焦方式照射第一焦点，激发检测窗口处的检测物质，产生散射光，这时的散射光是以第一焦点的点状方式，向内反射腔内以180度球状散射。基于光反射原理，全部散射光将通过内反射腔聚焦到第二焦点。此时，采用接收器镜头置于第二焦点处，将收集到几乎全部的散射光，以获取远高于传统的由凸透镜直接采集散射光的散射光强度。
图6：面状光斑椭球光路仿真图。
激发光以面状光斑聚焦方式照射第一焦点的焦平面，激发检测窗口处的检测物质，产生散射光，这时的散射光是以全部焦平面上所照射的区域中全部的点，向内反射腔内以180度球状散射。基于光反射原理，全部散射光将通过内反射腔聚焦到第二焦点处的焦平面上。设计一种透镜或者反射镜，将第二焦平面上的散射光大部分都汇聚到导光器中，将大幅度增加检测的灵敏度。
图8混合物质拉曼光谱图。
这是直接测量人体皮肤上产生的拉曼光谱，由于皮肤上属于多种物质分子的混合，即这是混合物质的拉曼光谱图。
本实施例结合拉曼光谱仪和特别设计的计算方法，对于浓度低于0.03％的葡萄糖溶液都能够测量出来，而传统的高灵敏度拉曼光谱仪最多只能够检测出浓度高于3％的葡萄糖溶液。图中8001、8002、8003为葡萄糖特征峰。如果不采用本发明的椭球聚光罩组件，现有的高灵敏度拉曼测试仪式无法实现这一检测的。
图9葡萄糖拉曼光谱图。
这是多种浓度的单纯葡萄糖溶液的拉曼光谱图，其中9001-9005分别是浓度依次降低的葡萄糖光谱，9030是葡萄糖的一个特征峰。
2、方案及步骤
2.1：基本说明
高效散射光聚光组件，包括固定聚光组件和可调聚光组件，其中，
所述固定聚光组件包括聚光罩、发光器、接收器。
所述聚光罩包括本体、内反射腔、检测窗口，所述发光器和所述接收器固定在所述本体上。
所述发光器包括光源和光学元件，产生激发光，照射到所述检测窗口，激发位于所述检测窗口的检测物质产生散射光，所述散射光直射和由所述内反射腔反射到聚焦处。
在一些实施例中，还可以有第三个、第四个甚至更多的聚焦处，例如多焦点曲线沿着焦点垂线平移而产生的曲面形。
所述发光器产生激发光，照射到所述第一聚焦处的检测物质，产生散射光，所述散射光直射和由所述内反射腔经反射汇聚所述到所述第二聚焦处。
这里的发光器可以是多个，例如两个以上单色光发光器或多色光发光器或荧光发光器，用于检测物质的荧光光谱。
所述接收器用于接收并输出所述散射光，包括置于所述聚焦处的镜头和与所述镜头连接的导光器或置于所述聚焦处的光电传感器。
这里还可以采用多个接收器，分别在多个焦点处采集散射光，以适合另外的实施例。
所述可调聚光组件在所述固定聚光组件基础上增加控制器和配套光学元件，由所述控制器调整所述激发光产生点状光斑、面状光斑、线状光斑，以适应点光路、线光路、面光路及组合光路的工作步骤。
在本发明中，固定聚光组件是旨在发明一种固定模式的、低成本、小体积的高效散射光聚光组件，也可以归类于一种传感器。其应用对象举例为人体血糖、激素、特种微量物质的检测，所检测的物质都是固定的，而不是像通用物质检测设备那样，去测量很多中物质。由于是固定模式，所以，其设计主要考虑的是针对这些固定物质。
而可调聚光组件，由于其光斑是可调的，这对于人体或者动物活体检测来说，聚焦方式可用于短时间测量超低含量的微量物质，由于聚集的单位面积上能量密度大，所以，相应的测量精度和量程就更加充足，有利于高精度测量。而大光斑方式时，由于单位面积上能量大大减小，有利于提高量程的舒适度，这有利于长时间、高频率地检测，对于例如实时的连续生物指标测量(例如CGM，Continuous Glucose Monitor连续血糖测量)，较为合适。
对于另外一种设计用例，可以将点状光斑聚焦模式和面状大光斑模式混合应用，由聚焦模式提供高精度，由大光斑模式提供变化趋势和测量的舒适度，并且采用聚焦模式来校准大光斑模式，特别适合作为人体IVD体外检测设备。
此外，还可以根据应用和用户的需求，由可调聚光组件，实现光斑大小的无级调节，使得产品更加灵活。
在类似于多光谱检测的应用中，可以依据本发明设计出另外的实施例。
2.2：椭球状内反射腔说明
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组合的改进措施：
所述本体采用硬质材料制作，其中设定所述内反射腔为由平面椭圆函数绕长轴旋转而成的椭圆球形，所述长轴包括第一焦点和第二焦点，所述检测窗口定位于过所述第一焦点的所述长轴的垂直面，所述聚焦处定位于过所述第二焦点的所述长轴的垂直面。
在所述检测窗口处截除所述椭圆球体的小半椭球，并在截除处封装透明材料成为检测窗口，所述检测物质放置在所述检测窗口外侧。
所述内反射腔采用抛光工艺或镀膜工艺产生反射膜以增加光反射能力，其中，所述反射膜包括针对特定波长的所述散射光进行增强反射的设计。
所述发光器的光学元件包括滤光镜，以便让特定波长的光线通过，而阻止其它波长的光线通过，所述滤光镜包括带通滤光镜、低通滤光镜、高通滤光镜，所述发光器的光学元件还包括透镜、反射镜、半反半透镜、棱镜、分光镜。
这里的滤光镜采用的带通滤光镜，这在基于拉曼散射光谱检测中，特别重要。通常选择带通波长为适合拉曼散射光光谱检测的波长，例如535nm、785nm、1064nm等等。
所述接收器采用所述镜头和导光器方式，具体包括：
所述镜头设计为微型的广角镜头或鱼眼镜头，放置在所述第二焦点，所述微型的尺寸为0.5毫米至50毫米，并且最大不超过所述第二焦点处的所述内反射腔的尺寸。
这里的之所以采用广角镜头或鱼眼镜头，目的是采集尽可能多的散射光强度，以增加散射光检测的强度，进而增加散射光采集的灵敏度。
所述导光器采用硬质的全反射光纤，一头与所述镜头连接，收集汇聚后的所述散射光，另外一头引出到所述聚光罩之外，将所述散射光传导出来，供后续光路使用。
所述镜头的内部还包括低通滤光镜或高通滤光镜或带阻滤光镜，以便让特定波长的光线通过，而阻止其它波长的光线通过。
这里采用的低通滤光镜、高通滤光镜、带阻滤光镜，这在基于拉曼散射光谱检测中，特别重要。通常选择低通滤光镜，以阻止发光器发出的激发光的波长，例如535nm、785nm、1064nm等等。
所述接收器采用所述光电传感器方式，将所述光电传感器放置在所述第二焦点，以接收所述散射光。
在光电传感器的感光器上，采用一种简化的镜头设计，例如一个小型球状透明材料制作。
所述硬质材料包括金属、塑料和玻璃。
2.3：固定光斑说明
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组合的改进措施：
所述发光器的光源产生激发光，经由所述发光器的光学元件将所述激发光调整为固定光斑，投射到所述检测窗口，激发所述检测物质产生所述散射光，以180度半球状朝向所述检测窗口内任意角度发射，经过所述内反射腔反射和直射以汇聚到所述聚焦处。
所述固定光斑包括直径小于0.5mm的点状光斑，所述点状光斑为聚焦方式投射到所述第一焦点。
在点光路的方案应用中，虽然没有将激发光的能量密度减小，但是依然通过反光罩和镜头，大幅度提升了散射光的采集能量，因此同时大幅度提高了检测的灵敏度。
所述固定光斑包括直径大于等于0.5mm、小于所述检测窗口的直径的所述面状光斑，所述面状光斑投射到所述检测窗口。
所述固定光斑包括长度大于等于0.5mm、小于所述检测窗口的尺寸的所述线状光斑，所述线状光斑的线型包括直线和曲线，所述线状光斑投射到所述检测窗口。
在面光路的方案应用中，由于面状光斑的面积远大于等于点状光斑，在同等激发光能量的情况下，照射在检测物质(例如人体皮肤)上的单位面积的能量密度大幅度减小，特别有利于人体组织的检测。
2.4：可调光斑说明
在2.3固定光斑的技术方案的基础上，本发明增加可调聚光组件的措施，以实现可调聚光组件。具体包括但不限于以下步骤或步骤组合：
所述配套光学元件包括光闸、焦距调节器、光斑形状模板，其中，所述光闸用于在从所述发光器光源开始到所述激发光出口的光路中阻止和通过光线，所述焦距调节器用于调整光斑直径，实现从点状光斑到面状光斑的无极或有级调节，所述光斑形状模板用于改变所述光斑的形状，包括圆形、矩形、多边形，其中点状光斑和圆形光斑无需所述光斑形状模板。
所述控制器控制所述光闸、所述焦距调节器、所述光斑形状模板，控制方式包括手动控制和电动控制。
所述手动控制为在所述可调聚光套件上设置手动开关和调节器实现控制，所述电动控制为在所述可调聚光套件上设置步进电机或超声波电机或电磁开关实现控制，所述电动控制还包括电信接口和接口通信协议。
所述光闸包括采用机械挡板实现光路开关和采用电控液晶实现光路开关。
这里的电控液晶实现光路开关，是采用一种液晶材料的光线开关器件，以放行和阻止光线的通断，需要注意的是，这里需要考虑液晶材料的光学性能，例如通断光波的波长、衰减程度等。
所述控制器的所述电动控制还包括通对所述过接口通信协议的编程，实现所述点状光斑、所述面状光斑和所述现状光斑按照时序进行组合的组合光路的工作步骤。
这里的手动控制，实际上就是在本聚光罩组件上设置一个便于手指拨动的开关，开关的一头使得光源聚焦成为点状光斑，激发光以聚焦方式激发检测窗口处的检测物质，以较高的单位面积内的能量密度，激发产生散射光。开关的另外一头使得光源聚焦成为覆盖检测窗口的面状光斑，此时主要意图在于减小单位面积内光源的能量密度，以适合人体或者动物活体的检测，减少不适感，进一步的，适合一些安全规范的要求。
这里的电动控制的目的与手动控制相同，只是在实现方式上，是提供一个电动的接口，以约定的通信协议(例如I2C、TTL、USB、或者直接采用高电平低电平等)，让与该接口连接的其它设备或者电路实现对于电光光斑和面状光斑的控制。
进一步，电动控制还可以控制面状光斑的直径大小和光功率的大小，以适应一些多级控制、无级控制，不仅实现光斑大小的调节，同时还实现光源功率大小的调节。
这种点面组合的光路，一个典型实施例是在发光器上加入一个可以手控或者电控的开关，以移动透镜或其它光学元件，改变激发光产生点状光斑或者面状光斑，以适合不同场景的检测需要。
2.5：同轴与离轴说明
在前述技术方案的基础上，本发明在离轴模式和同轴模式，包括但不限于以下步骤或步骤组合的改进措施：
所述离轴模式为所述发光器在所述聚光罩上的安装位置不与所述接收器重合，所述激发光的光轴与所述接收器的光轴不重合在一根轴线。
所述同轴模式为所述发光器在所述聚光罩上的安装位置与所述接收器重合，所述激发光的光轴与所述接收器的光轴重合在一根轴线，其中，在所述光路上采用半透半反膜镜分别获取所述激发光和所述散射光。
基于本发明的优势在于可调光斑模式，建议实施者采用离轴模式。
2.6：接收器镜头说明1
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组合的改进措施：
当所述镜头的直径采用与所述聚光罩的第二焦点处的直径相近时，所述聚光罩沿所述第二焦点处截除小半椭球。
这里需要注意的是，当镜头跟第二焦平面尺寸相近时，由于此时在第二焦平面后面的，经由椭球形内反射腔反射的散射光由于先必须透过镜头或者被镜头挡住，所以此时的第二焦平面后面的内反射腔就失去反射的效果，所以此时可以截除。
所述镜头采用广角镜或鱼眼镜，其聚焦角度小于所述导光器的光纤的全反射临界角度，并且所述光纤的接头置于所述镜头的焦点处。
这里的广角镜或者鱼眼镜，在简化、小尺寸、非成像的情况下，可以采用球状透明材料制作。
2.7：接收器镜头说明2
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组合的改进措施：
散射光一为所述检测物质产生的散射光经过所述内反射腔汇聚到所述第二焦点或第二焦平面的所述散射光，散射光二为所述检测物质产生的散射光经过直接照射到所述第二焦点或第二焦平面的所述散射光，所述接收率为所述散射光一和所述散射光二经过所述镜头后，进入所述导光器的光纤时，所述法线入射角大于等于所述光纤的法线临界角而发生全反射时在各自总的光强度中所占的比例。
所述焦平面为垂直与光轴过焦点的平面与内反射腔相交的平面。
调整所述镜头参数、所述椭圆函数中的长轴和短轴的比例，使得所述散射光一的接收率和所述散射光二的接收率大于等于特定值，所述特定值至少不小于5％。
其实，作为优化方案，可以使得特定值调整到20％、50％甚至更高。
所述光纤的端点采用垂直切面，所述切面被安置在所述镜头的出光焦点处，以接收出射光。
所述镜头设计为圆形同轴复合镜头，其中心采用小尺寸凹透镜，使得所述散射光一经过所述凹凸镜折射后，收缩其角度，所述凹透镜之外采用凸透镜，使得所述散射光二经过所述凸透镜聚焦到所述光纤的端点。调整所述凹透镜和所述凸透镜的设计参数，使得所述散射光被所述光纤收集到的光强度最大。
所述镜头设计为一个同轴镜头组，至少包括一个凸透镜和一个凹透镜，由凹透镜收缩所述散射光一的角度，由凸透镜汇聚所述散射光二。
调整所述复合镜头或镜头组的参数，使得透射后的所述散射光一和散射光二的光腰重合，被所述光纤接收。
所述镜头设计为一个同轴镜头组，至少包括一个凸透镜和一个凹透镜，由凹透镜收缩所述散射光一的角度，由凸透镜汇聚所述散射光二。
调整所述复合镜头或镜头组的参数，使得透射后的所述散射光一和散射光二的光腰重合，被所述光纤接收。
2.8：线状三维内反射腔说明
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于不采用2.2所述的椭球状内反射腔，而采用以下线状三维内反射腔的步骤或步骤组合的改进措施：
所述本体采用硬质材料制作，其中设定所述内反射腔为由平面二次方程函数，沿着与所述二次方程函数的轴线垂直的线段运动而成的包括两个以上焦点构成的三维曲面形状。
所述线段包括直线段、折线端、曲线段，所述线段包括封闭和不封闭。
以所述检测窗口定位于所述第一焦点，以所述聚焦处定位于所述第二焦点。
在所述第一焦点处截除所述三维曲面形状的小半形状，以留下的形状的内壁为所述内反射腔，并在截除处封装透明材料成为检测窗口，所述检测物质放置在所述检测窗口外侧。
所述内反射腔采用抛光工艺或镀膜工艺产生反射膜以增加光反射能力，其中，所述反射膜包括针对特定波长的所述散射光进行增强反射的设计。
所述发光器的所述光源产生激发光，由所述发光器的光学元件将所述激发光调整为与所述线段相同的所述线状光斑，投射到所述检测窗口，以照射所述检测物质，由检测物质受到所述激发光的激发而产生线状发光源的所述散射光。
所述线状发光源中的各个点产生的所述散射光以180度半球的朝向所述检测串口内任意角度发射，所述散射光经过所述内反射腔反射和直射以汇聚到所述聚焦处。
所述发光器的光学元件包括带通滤光镜，以便让特定波长的光线通过，而阻止其它波长的光线通过，所述发光器的光学元件还包括透镜、反射镜、半反半透镜、棱镜、分光镜。
所述接收器采用所述镜头和导光器方式，具体包括：
所述镜头设计为广角镜头或鱼眼镜头，放置在所述第二焦点，尺寸最大不超过所述第二焦点处的所述内反射腔的尺寸，
所述导光器采用硬质的全反射光纤，一头与所述镜头连接，收集汇聚后的所述散射光，另外一头引出到所述聚光罩之外，将所述散射光传导出来，供后续光路使用。，
所述镜头的内部还包括低通滤光镜或高通滤光镜或带阻滤光镜，以便让特定波长的光线通过，而阻止其它波长的光线通过。，
所述接收器采用所述光电传感器方式，将所述光电传感器放置在所述第二焦点，以接收所述散射光。
所述硬质材料包括金属、塑料和玻璃。
本实施例中需要注意的是，如果选择本条(2.8线状内反射腔)的线状光斑的线状三维内反射腔模式，将形成一种不同于椭球形的聚光罩组件，可用于特定的应用中。
2.9：拉曼模式
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于拉曼光谱工作方式，具体包括以下步骤或步骤组合的改进措施：
采用单色光发生器或激光发生器作为所述发光器的光源，产生所述激发光。
采用带通滤光镜作为所述发光器的光学元件，过滤所述激发光，使得所述激发光的中心波长为λ1的所述激发光通过，阻止所述中心波长之外的所述激发光通过。
采用低通滤光镜或高通滤光镜或带阻滤光镜用于所述接收器，以阻止所述中心波长为λ1的所述激发光，放行波长大于等于λ1的或不等于λ1的散射光。
这里采用的激发光中心波长，依据拉曼光谱检测的物质不同而确定，例如535nm、785nm、1064nm等等。同理，低通滤光镜、高通滤光镜、带阻滤光镜的选择，依据该中心波长相应作出选择，这在基于拉曼散射光谱检测中，特别重要。通常选择低通滤光镜或者带通滤光镜，以阻止发光器发出的激发光的波长。
采用基于拉曼散射光谱的光谱仪连接所述导光器，采集拉曼位移光谱，所述导光器和光谱仪的连接，包括直接连接和光纤连接。
所述直接连接，是将所述聚光罩与光谱仪设计为一体化的硬件，光谱仪直接从所述导光器的一头获取散射光，这种方式的优点是光强度损耗小，缺点是结构设计和安装较为麻烦；所述光纤连接，是采用可弯曲的柔性光纤(例如塑料光纤)连接导光器和光谱仪的入口，这种方式的优点是结构设计和安装方便，缺点是光强度有所损耗。
如图8和图9所示的人体葡萄糖体外检测的拉曼光谱数据，具体参见图示说明。
2.10：差分拉曼模式
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于差分拉曼光谱工作方式，具体包括以下步骤步骤组合的改进措施：
采用两组单色光发生器或激光发生器作为所述发光器的光源，产生所述激发光。
设定所述激发光的波长分别为λ1和λ2的，采用差分算法消除荧光方式的所述散射光，保留所述拉曼方式的所述散射光，其中，所述中心波长λ1和所述中心波长λ2之间的差值小于1％，即。|λ1-λ2|/λ1≤0.01。
所述差分算法包括积分算法、插值积分算法和卷积算法。
在实际设计中，所述中心波长λ1和所述中心波长λ2之间的差值通常采用更小的值，例如小于1nm，以利于更好地消除荧光。
如图8和图9所示的人体葡萄糖体外检测的拉曼光谱数据，具体参见图示说明。
2.11：荧光与瑞利模式
在前述技术方案的基础上，本发明包括但不限于荧光光谱或瑞利光谱的工作方式：具体包括以下步骤步骤组合的改进措施：
所述荧光光谱的工作方式为依据所述荧光光谱的设计要求，所述接收器采用所述荧光光谱的设计要求的滤光镜或不采用滤光镜。
所述瑞利光谱的工作方式为，所述接收器采用所述瑞利光谱的设计要求的滤光镜或不采用滤光镜。
由于荧光和瑞利光的强度远远高于拉曼散射光的强度，所以这里需要考虑后续光谱仪的量程溢出问题，调整镜头和聚光罩的相关参数以及光谱仪的光电积分的时间等参数，避免出现量程溢出。此外，对于快速测量或者显微测量，可以采用点状光斑、固定光斑的测量模式。
2.12：大小光斑校验
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组合的改进措施：
所述可调聚光组件设定为所述点光斑和所述面光斑交互工作，以用于所述拉曼光谱工作方式和所述差分拉曼光谱工作方式的步骤，其中所述点光斑设定为长时间积分以获得高精度拉曼光谱数据，所述面光斑用于短时间积分，以提高检测速度并减轻对于活体的伤害，所获得低精度拉曼光谱数据，再以高精度的拉曼光谱数据校验低精度的拉曼光谱数据。
这种设计的实施例之一是在于整体设备的自校正，例如在人体体外血糖检测的应用中，采用点状光斑和面光斑检测交互式校验，具体如下：
采用点状光斑激发人体皮肤，采用长时间积分以采集拉曼光谱，此时可以获得较高测量精度的血糖数据。此时对于皮肤来说，由于激发光的能量集中在一个很小的焦点上，皮肤将承受较大的激光能量，将产生相应的不适感，甚至产生轻微的伤害。
采用面状光斑激发人体皮肤，采用短时间积分以快速采集拉曼光谱，此时将获得快速响应，但是精度略低的血糖数据。由于激发光的能量分散在一个较大的面状光斑上，皮肤将承受很小的激光能量，不会产生不适感。
对于同一个人体来说，由于皮肤在短时间内(例如几个小时、一天等)，除了血糖变化之外，其它干扰因素的变化很小，所以，这是采用每一个节拍(例如几个小时、一天等)采集一次点状光斑的血糖数据，而在节拍之内，多次采用面状光斑采集血糖数据，然后依据点状光斑的高精度血糖数据来校验面状光斑的血糖数据，既兼顾响应速度、人体舒适度，有能兼顾测量精度。
实施例二、固定椭球聚光组件
1、简介
本实施例是本发明的一种低成本设计的案例。
2、图示说明
同实施例一。
3、差异化说明
与实施例一相同之处这里不再复述，不同之处主要有以下几点：
3.1、发光器差异
去掉可调光斑功能，在图4中，去掉4005步进电机或超声波电机，4006齿轮，4007步进电机或超声波电机支架，4008步进电机或超声波电机控制板，并且还去掉4002透镜的内套筒，将4001的透镜直接安装在4003的支架上，以固定输出激发光的光斑。此举可降低成本和简化设备，有利于制造固定模式的散射光测量设备。
3.2、接收器差异
调节接收器镜头，使得针对散射光的固定光斑，在导光器上获得最大比例的散射光强度。
实施例三、CPC聚光组件
1、简介
针对聚光罩内反射腔的形状，本实施例选用CPC形式，包括单级CPC、多级CPC和旋转CPC。所述CPC，是指复合抛物面聚光器(英文名称：Compound Parabolic Concentrator，缩写：CPC，中文简称：复合抛物面聚光器)，它是应用于太阳能聚能方面上的，其特点是在一个特定的角度内，它能够将一个收集光线的端面，将光纤汇聚到另外一个较小的端面。
所述单级CPC，是采用一个复合抛物面聚光器，此时CPC的大的一头为检测窗口，另外小的一头连接接收器。
所述多级CPC是采用多个复合抛物面聚光器，沿光轴连接而成，其中，下一级的CPC大的一头连接上一级CPC的小的一头。最后一级的CPC的大的一头作为检测窗口，小的一头连接接收器，散射光从检测窗口射入多级CPC，最终汇聚到接收器。
所述旋转CPC为在单级CPC的小头，设置一个由一个小的CPC沿偏转轴旋转一周而成的旋转CPC，其中旋转CPC的大头的外边接单级CPC的小头，旋转CPC的小头尽可能小，与接收器相连，从而形成从单级CPC到旋转CPC的一体化聚光器件。
2、图示说明
图3、图4、图5、图6、图8、图9如实施例一所述。
图7：复合抛物面聚光罩组件。
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。
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，O′点是第二焦点，C点是椭球的中心点。
3、差异化说明
针对实施例一，相同之处不予复述，差异之处主要在于聚光罩的内反射腔的函数，其它在于在实施例一技术方案的基础上，本发明的聚光罩内反射腔的设计采用以下步骤或步骤组合的改进措施：
3.1、聚光罩的内反射腔函数类型改为CPC
3.2、具体聚光罩说明：
所述本体采用硬质材料制作，所述内反射腔采用多次方程函数旋转一周而成的三维曲面形状，所述多次方程函数包括一个中心对称轴，所述旋转是围绕着所述中心对称轴旋转，所述三维曲面形状包括大圆面和小圆面，所述大圆面采用透明材料封装成为检测窗口，所述发光器安装在所述本体上，产生的激发光照射到所述检测窗口，所述接收器安装在所述小圆面，并且包括所述固定聚光组件和可调聚光组件。
所述多次方程函数包括一级抛物线函数，所生成的三维曲面形状包括复合抛物面聚光器。
所述多次方程函数包括二级以上的多级抛物线函数，所生成的三维曲面形状包括多级复合抛物面聚光器。
Claims (13)
1.高效散射光聚光组件，包括固定聚光组件或可调聚光组件，其中，
所述固定聚光组件包括聚光罩、发光器、接收器；
所述聚光罩包括本体、内反射腔、检测窗口，所述发光器和所述接收器固定在所述本体上；
所述发光器包括光源和光学元件，产生激发光，照射到所述检测窗口，激发位于所述检测窗口的检测物质产生散射光，所述散射光直射和由所述内反射腔反射到聚焦处；
所述接收器用于接收并输出所述散射光，包括置于所述聚焦处的镜头和与所述镜头连接的导光器或置于所述聚焦处的光电传感器；
所述可调聚光组件在所述固定聚光组件基础上增加控制器和配套光学元件，由所述控制器调整所述激发光产生点状光斑、面状光斑、线状光斑，以适应点光路、线光路、面光路及组合光路的工作步骤。
2.根据权利要求1所述，其特征在于：
所述本体采用硬质材料制作，其中设定所述内反射腔为由平面椭圆函数绕长轴旋转而成的椭圆球形，所述长轴包括第一焦点和第二焦点，所述检测窗口定位于过所述第一焦点的所述长轴的垂直面，所述聚焦处定位于过所述第二焦点的所述长轴的垂直面；
在所述检测窗口处截除所述椭圆球体的小半椭球，并在截除处封装透明材料成为检测窗口，所述检测物质放置在所述检测窗口外侧；
所述内反射腔采用抛光工艺或镀膜工艺产生反射膜以增加光反射能力，其中，所述反射膜包括针对特定波长的所述散射光进行增强反射的设计；
所述发光器的光学元件包括滤光镜，以便让特定波长的光线通过，而阻止其它波长的光线通过，所述滤光镜包括带通滤光镜、低通滤光镜、高通滤光镜，所述发光器的光学元件还包括透镜、反射镜、半反半透镜、棱镜、分光镜；
所述接收器采用所述镜头和导光器方式，具体包括：
所述镜头设计为微型的广角镜头或鱼眼镜头，放置在所述第二焦点，所述微型的尺寸为0.5毫米至50毫米，并且最大不超过所述第二焦点处的所述内反射腔的尺寸，
所述导光器采用硬质的全反射光纤，一头与所述镜头连接，收集汇聚后的所述散射光，另外一头引出到所述聚光罩之外，将所述散射光传导出来，供后续光路使用；
所述镜头的内部还包括低通滤光镜或高通滤光镜或带阻滤光镜，以便让特定波长的光线通过，而阻止其它波长的光线通过；和/或，
所述接收器采用所述光电传感器方式，将所述光电传感器放置在所述第二焦点，以接收所述散射光；
所述硬质材料包括金属、塑料和玻璃。
3.根据权利要求2所述，其特征在于所述固定聚光组件包括：
所述发光器的光源产生所述激发光，经由所述发光器的光学元件将所述激发光调整为固定光斑，投射到所述检测窗口，激发所述检测物质产生所述散射光，以180度半球状朝向所述检测窗口内任意角度发射，经过所述内反射腔反射和直射以汇聚到所述聚焦处；
所述固定光斑包括直径小于0.5mm的点状光斑，所述点状光斑为聚焦方式投射到所述第一焦点；或，
所述固定光斑包括直径大于等于0.5mm、小于所述检测窗口的直径的所述面状光斑，所述面状光斑投射到所述检测窗口；或，
所述固定光斑包括长度大于等于0.5mm、小于所述检测窗口的尺寸的所述线状光斑，所述线状光斑的线型包括直线和曲线，所述线状光斑投射到所述检测窗口。
4.根据权利要求2或3所述，其特征在于所述可调聚光组件包括：
所述配套光学元件包括光闸、焦距调节器、光斑形状模板，其中，所述光闸用于在从所述发光器光源开始到所述激发光出口的光路中阻止和通过光线，所述焦距调节器用于调整光斑直径，实现从点状光斑到面状光斑的无极或有级调节，所述光斑形状模板用于改变所述光斑的形状，包括圆形、矩形、多边形，其中点状光斑和圆形光斑无需所述光斑形状模板；
所述控制器控制所述光闸、所述焦距调节器、所述光斑形状模板，控制方式包括手动控制和电动控制；
所述手动控制为在所述可调聚光套件上设置手动开关和调节器实现控制，所述电动控制为在所述可调聚光套件上设置步进电机或超声波电机或电磁开关实现控制，所述电动控制还包括电信接口和接口通信协议；
所述光闸包括采用机械挡板实现光路开关和采用电控液晶实现光路开关；
所述控制器的所述电动控制还包括通对所述过接口通信协议的编程，实现所述点状光斑、所述面状光斑和所述现状光斑按照时序进行组合的组合光路的工作步骤。
5.根据权利要求3或4所述，其特征在于，包括离轴模式和同轴模式，具体包括：
所述离轴模式为所述发光器在所述聚光罩上的安装位置不与所述接收器重合，所述激发光的光轴与所述接收器的光轴不重合在一根轴线；
所述同轴模式为所述发光器在所述聚光罩上的安装位置与所述接收器重合，所述激发光的光轴与所述接收器的光轴重合在一根轴线，其中，在所述光路上采用半透半反膜镜分别获取所述激发光和所述散射光。
6.根据权利要求2或3或4或5所述，其特征在于，
当所述接收器的所述镜头的直径采用与所述聚光罩的第二焦点处的直径相近时，所述聚光罩沿所述第二焦点处截除小半椭球；
所述镜头采用广角镜或鱼眼镜，其聚焦角度小于所述导光器的光纤的全反射临界角度，并且所述光纤的接头置于所述镜头的焦点处。
7.根据权利要求6所述，其特征在于还包括：
散射光一为所述检测物质产生的散射光经过所述内反射腔汇聚到所述第二焦点或第二焦平面的所述散射光，散射光二为所述检测物质产生的散射光经过直接照射到所述第二焦点或第二焦平面的所述散射光，所述接收率为所述散射光一和所述散射光二经过所述镜头后，进入所述导光器的光纤时，所述法线入射角大于等于所述光纤的法线临界角而发生全反射时在各自总的光强度中所占的比例；
调整所述镜头参数和/或所述椭圆函数中的长轴和短轴的比例，使得所述散射光一的接收率和所述散射光二的接收率大于等于特定值，所述特定值至少不小于5％；
所述光纤的端点采用垂直切面，所述切面被安置在所述镜头的出光焦点处，以接收出射光；
所述镜头设计为圆形同轴复合镜头，包括其中心采用小尺寸凹透镜，使得所述散射光一经过所述凹凸镜折射后，收缩其角度，所述凹透镜之外采用凸透镜，使得所述散射光二经过所述凸透镜聚焦到所述光纤的端点；调整所述凹透镜和所述凸透镜的设计参数，使得所述散射光被所述光纤收集到的光强度最大；或，
所述镜头设计为一个同轴镜头组，至少包括一个凸透镜和一个凹透镜，由凹透镜收缩所述散射光一的角度，由凸透镜汇聚所述散射光二；
调整所述复合镜头或镜头组的参数，使得透射后的所述散射光一和散射光二的光腰重合，被所述光纤接收。
8.根据权利要求1所述，其特征在于，所述线光路包括：
所述本体采用硬质材料制作，其中设定所述内反射腔为由平面二次方程函数，沿着与所述二次方程函数的轴线垂直的线段运动而成的包括两个以上焦点构成的三维曲面形状；
所述线段包括直线段、折线端、曲线段，所述线段包括封闭和不封闭；
以所述检测窗口定位于所述第一焦点，以所述聚焦处定位于所述第二焦点；
在所述第一焦点处截除所述三维曲面形状的小半形状，以留下的形状的内壁为所述内反射腔，并在截除处封装透明材料成为检测窗口，所述检测物质放置在所述检测窗口外侧；
所述内反射腔采用抛光工艺或镀膜工艺产生反射膜以增加光反射能力，其中，所述反射膜包括针对特定波长的所述散射光进行增强反射的设计；
所述发光器的所述光源产生所述激发光，由所述发光器的光学元件将所述激发光调整为与所述线段相同的所述线状光斑，投射到所述检测窗口，以照射所述检测物质，由检测物质受到所述激发光的激发而产生线状发光源的所述散射光；
所述线状发光源中的各个点产生的所述散射光以180度半球的朝向所述检测串口内任意角度发射，所述散射光经过所述内反射腔反射和直射以汇聚到所述聚焦处；
所述发光器的光学元件包括带通滤光镜，以便让特定波长的光线通过，而阻止其它波长的光线通过，所述发光器的光学元件还包括透镜、反射镜、半反半透镜、棱镜、分光镜；
所述接收器采用所述镜头和导光器方式，具体包括：
所述镜头设计为广角镜头或鱼眼镜头，放置在所述第二焦点，尺寸最大不超过所述第二焦点处的所述内反射腔的尺寸，
所述导光器采用硬质的全反射光纤，一头与所述镜头连接，收集汇聚后的所述散射光，另外一头引出到所述聚光罩之外，将所述散射光传导出来，供后续光路使用；和/或，
所述镜头的内部还包括低通滤光镜或高通滤光镜或带阻滤光镜，以便让特定波长的光线通过，而阻止其它波长的光线通过；和/或，
所述接收器采用所述光电传感器方式，将所述光电传感器放置在所述第二焦点，以接收所述散射光；
所述硬质材料包括金属、塑料和玻璃。
9.根据权利要求7或8所述，其特征在于，包括拉曼光谱工作方式：
采用单色光发生器或激光发生器作为所述发光器的光源，产生所述激发光；
采用带通滤光镜作为所述发光器的光学元件，过滤所述激发光，使得所述激发光的中心波长为λ1的所述激发光通过，阻止所述中心波长之外的所述激发光通过；
采用低通滤光镜或高通滤光镜或带阻滤光镜用于所述接收器，以阻止所述中心波长为λ1的所述激发光，放行波长大于等于λ1的或不等于λ1的散射光；
采用基于拉曼散射光谱的光谱仪连接所述导光器，采集拉曼位移光谱，所述导光器和光谱仪的连接，包括直接连接和光纤连接。
10.根据权利要求7或8或9所述，其特征在于，包括差分拉曼光谱工作方式：
采用两组单色光发生器或激光发生器作为所述发光器的光源，产生所述激发光；
设定所述激发光的波长分别为λ1和λ2的，采用差分算法消除荧光方式的所述散射光，保留所述拉曼方式的所述散射光，其中，所述中心波长λ1和所述中心波长λ2之间的差值小于1％，即；|λ1-λ2|/λ1≤0.01；
所述差分算法包括积分算法、插值积分算法和卷积算法。
11.根据权利要求7或8所述，其特征在于，包括荧光光谱或瑞利光谱的工作方式：
所述荧光光谱的工作方式为依据所述荧光光谱的设计要求，所述接收器采用所述荧光光谱的设计要求的滤光镜或不采用滤光镜；
所述瑞利光谱的工作方式为，所述接收器采用所述瑞利光谱的设计要求的滤光镜或不采用滤光镜。
12.根据权利要求4或9或10所述，其特征在于，还包括：
所述可调聚光组件设定为所述点光斑和所述面光斑交互工作，以用于所述拉曼光谱工作方式和所述差分拉曼光谱工作方式的步骤，其中所述点光斑设定为长时间积分以获得高精度拉曼光谱数据，所述面光斑用于短时间积分，以提高检测速度并减轻对于活体的伤害，所获得低精度拉曼光谱数据，再以高精度的拉曼光谱数据校验低精度的拉曼光谱数据。
13.根据权利要求1或3或4或5或6或7所述，其特征在于，还包括：
所述本体采用硬质材料制作，所述内反射腔采用多次方程函数旋转一周而成的三维曲面形状，所述多次方程函数包括一个中心对称轴，所述旋转是围绕着所述中心对称轴旋转，所述三维曲面形状包括大圆面和小圆面，所述大圆面采用透明材料封装成为检测窗口，所述发光器安装在所述本体上，产生的所述激发光照射到所述检测窗口，所述接收器安装在所述小圆面，并且包括所述固定聚光组件和可调聚光组件；和/或，
所述多次方程函数包括一级抛物线函数，所生成的三维曲面形状包括复合抛物面聚光器；和/或，
所述多次方程函数包括二级以上的多级抛物线函数，所生成的三维曲面形状包括多级复合抛物面聚光器。
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