CN114002146A - 三探头巡检仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于手机或独立的红外、拉曼、可见三探头巡检仪，其包括拉曼前端结构与中继透镜组成的光路系统，光路系统设在激光器与狭缝之间；光纤束探头把形状与狹缝一致的拉曼光聚焦在狹缝上且不会引爆，色散后狹缝由成谱系统成象到探测器上，探测器输出成谱信号；信号处理器与探测器信号连接；移动装置与信号处理器信号连接；红外成像系统和可见光成象系统与移动装置连接；便于找到光轴，显示样品的红外、可见图像及拉曼光谱。

Description

三探头巡检仪
技术领域
本发明涉及拉曼光谱仪、红外热像仪及可见光相机技术领域，尤其涉及了拉曼光谱仪、红外热像仪及可见光相机融合的三探头巡检仪。
背景技术
一种设在手机上，不引人注目带有红外、拉曼和可见三个探头的巡检仪。可见光可作前后方加密网络通信。三探头的移动装置是安检人员必不可少的巡检仪。由于微型或便携式拉曼光谱仪的物镜F数 (焦距与直径之比)必须在1左右，以使采样点得到足够的能量，因此，物镜焦距最多就只有几厘米。此外，很强的激光聚焦到爆炸品上也易引爆。
目前，大多数拉曼光谱仪都使用两根单光纤构成的双光纤探头，由两根单光纤、分束器、长通滤光片、中继镜和物镜在一起做成的双光纤探头。它不但零件多、体积大而且由于这些零件都是非常精密和贵重的器件，频繁移动会造成损坏和松动，从而使拉曼光谱仪无法正常工作。
此外，双光纤探头还有其它缺点:(1)光纤送到狭缝的拉曼光斑很大，直径有1mm左右，而狭缝很窄，只有25μm左右，因此，90％的拉曼光都会被狭缝挡掉，光通量很小；(2)光纤没有改变激光照射束的形状，由于它能量密度过高，会点燃爆炸品，使拉曼光无法被安检单位接受。
在目前的拉曼设计中，单色仪是两块球面反射镜的T-C结构，F＝4, 光通量很低，体积大，不可能做手机拉曼。
到目前为止，任何拉曼光谱仪，尤其是做在手机上的微型拉曼光谱仪都没有融合的红外热象仪作夜视和测温功能。
如专利申请号为：CN201520752208.9的实用新型专利；由于红外热象仪体积较大，难与拉曼光谱仪一起装到手机上；虽然网上报道，美国FLIR和中国英睿公司曾单独把红外热象仪与手机相连，但他们还没有发明出与拉曼光谱仪和可见光相机融合的手机。
因受体积限制，所有与手机差不多大小的拉曼光谱仪，其谱宽都在1800cm-1以下，申请人的I型手机拉曼光谱宽也只有2000cm-1。虽然大多数物质的拉曼光谱宽度在2000cm-1以下，但水和翡翠这些物质的拉曼峰在3000cm-1以上。此外，由于使用Semrock等的分束器和滤光片，低波数只能做到155cm-1，无法测晶体等物质，在不加大体积的前提下，使用特别的设计，把带有红外和可见传感器的手机拉曼光谱的宽度增加到35-3500cm-1，这样就可应用于安检、部队、农业、医药、海关和其它行业。
发明内容
本发明针对现有固定安检无法检查行李中危险品的问题技，提供了由拉曼光谱仪、红外热像仪及可见光相机融合而成的三探头巡检仪，拉曼光谱仪与红外热像仪共用一个物镜作点对点融合，或拉曼光谱仪与红外热像仪不共用一个物镜，它们与可见光相机作画中画融合。
三探头巡检仪：其包括激光器、窄帶滤光片、光路系统、狭缝、成谱系统、探测器、信号处理器、移动装置(例如手机)和红外及可见成像系统；
光路系统设在激光器与狭缝之间，用于将激光器发射的激光转换成拉曼光，拉曼光聚焦到狭缝上，形成光斑；成谱系统设在狭缝与探测器之间，光斑经成谱系统成象到探测器上，探测器输出成谱信号；
信号处理器与探测器信号连接，用于处理探测器输出的成谱信号；
移动装置与信号处理器信号连接，用于出谱以及作寻峰、判读等处理；
移动装置还与红外成像系统及可见光相机连接，用于显示红外图像、透烟救火以及测量温度；移动装置还可以与云计算机连接；
红外成像系统与光路系统连接与拉曼作点对点融合，红外成像系统用于红外成像，测量温度和寻找光轴；或者红外成像系统不与光路系统连接，红外成像系统单独用于红外成像和测量温度、透烟救火，但拉曼、红外与可见在移动装置上可作画中画融合。
作为优选，三通道巡检仪也可以单独成为一个系统，与移动装置 (例如任何手机)及云端无线相连。
作为优选，光路系统包括第一分束器、第一物镜、第二分束器、一个或两个纳米截止长通滤光片(Nano Edge Long-pass Filter，NELF) 和中继镜；第一分束器设在激光器后，用于反射激光；
第一物镜设在第一分束器的反射面，用于将激光聚焦在样品上；样品反射激光、散射拉曼光和样品自身发射的红外光经第一物镜收集后准直成平行光，拉曼光和红外光透过第一分束器，但第一分束器反射激光；第二分束器设在第一分束器的透射面，用于反红外光和透拉曼光；红外成像系统设在第二分束器的反射面，用于红外光成像，测量温度和寻找光轴；因共用一个ZnSe物镜,红外与拉曼可点对点融合.
NELF设在第二分束器的透射面，用于透过波数大于等于155 cm-1的拉曼光，滤去残余的激光；中继镜设在NELF与狭缝之间，用于将波数大于等于155cm-1的拉曼光聚焦到狭缝上。
作为优选，光路系统还可包括第一分束器、涂在第一分束器中心的小反射镜或为不涂在分束器上的独立的小反射镜、第二分束器、一个或两个NELF、中继镜和第一物镜；
小反射镜位于激光器后，小反射镜设置在第一分束器与入射激光交叉的光轴上，用于反射激光；小反射镜的拉曼过渡带极窄，可做到 5cm-1。
第一物镜设在小反射镜一侧，用于将激光聚焦在样品上；样品反射激光、散射拉曼光和样品自身发射的红外光经第一物镜收集后准直成平行光，若小反射镜是独立的，激光、拉曼光和红外光透过除小反射镜外的自由空间；
第二分束器设在背离反射镜的一侧，用于反红外光和透拉曼光及激光；红外成像系统设在第二分束器的反射面，用于红外光成像，测量温度和寻找光轴；NELF设在第二分束器的透射面，用于透过波数大于等于35cm-1的拉曼光滤去激光；中继镜设在NELF与狭缝之间，用于将波数大于等于35cm-1的拉曼光聚焦到狭缝上。
小反射镜的直径≤1mm，视不扩束的激光束的大小而定，挡光极少；拉曼光可透过自由空间，理论上对低波数可做到5cm-1，低波数只做到35cm-1是由于NELF的限制。
融合系统中的拉曼光谱仪和红外热像仪也可以是两个分别与手机相连的独立的系统，红外光与拉曼光不共用一个物镜，红外成像系统与第一物镜并排紧靠，被测样品在红外视场内，拉曼光谱和红外图象在手机上作画中画显示，这时红外可对远处目标(例如200米)成热象作夜视，近距离可正确测温达到0.5℃精确度。可见象与红外象及拉曼谱，在移动装置上作画中画融合。
作为优选，光路系统还包括第二物镜和光纤束；由多根光纤组成的光纤束设在第一物镜与第二物镜之间，用于接收第一物镜聚焦的激光束，光纤束可将许多光纤排列成狹縫形状再将激光束传输到第二物镜的焦点，经第二物镜把激光束分散聚焦到样品上，以防点燃爆炸品. 由于光线的可逆性，样品反射激光、散射拉曼光依次经第二物镜、光纤束和第一物镜收集后准直成平行光。此时拉曼、红外与可见作画中画融合。在不移动整机任何部件的情况下使激光探测点能任意移动到较远的距离和任何位置，便于探测不同位置不同形状不同距离的目标.
不同于现有的双光纤探头，本发明首次提出的光纤束探头，不但可以使本发明的融合系统去探测一定距离(距离取决于光纤束长度) 外任意位置的物体，还可以将原来容易引爆的能量密度较高的激光照射点分散成许多小光点，以避免本发明的融合系统探测爆炸品时发生爆炸。同时，本发明的单光纤束探头也可以使收集的拉曼光点的形状与狭缝完全匹配，使光全部通过，比原来使用单光纤的双光纤探头的光通量高。此外，不同于双光纤的是使用单光纤束可使整个光谱仪的所有部件不动，这样就不会损坏关键另部件和使光路失准。要强调的是若光纤束没有第二物镜是不会工作的。此光纤束探头是现有专利和论文中从未提到的.
光纤束由多根光纤组成，排列后激光照射点可以是任何想要的形状，光纤束把激光传输到第二物镜的焦点或物点上，第二物镜将第一物镜聚焦的光斑分散成多个小点，小点的个数由能否激发拉曼光以及是否会引爆决定，多个小点的排列形状可以是线状，以与狭缝的形状相匹配，也可以原來是线状变成园形，根据光线的可逆性在第一物镜的焦点上会变回成线状使成象到狭縫上的光点也是线形与狭缝完全匹配不挡光，使拉曼光的光斑全部通过狭缝。
当第二物镜为一个，焦距为f，光纤束头放在第二物镜的2f处，第二物镜把激光成象在2f处的样品上。当第二物镜为二个镜头，光纤束头放在第二物镜的第一个镜头的焦点f1处变成平行光再由第二个镜头聚焦到f2处的焦点即样品上，它们的焦距f1和f2可以不一样, 以便控制照到样品上的许多小光点的大小,不引起爆炸，但能激发样品的拉曼光。
作为优选，红外成像系统包括红外焦平面阵列(FPA)，红外透镜和电路板；红外透镜设在第二分束器的反射面，用于会聚红外光；红外焦平面阵列设在红外透镜后，用于红外光成像，测量温度和寻找光轴。
若红外系统已是一个相机则不需要红外透镜。点对点融合系统聚焦到近处目标时，红外成像系统可以看到激光聚焦到目标上的发热点和光轴，便于系统装校。
当融合系统不聚焦到近处目标，而是观察远处目标时，物镜与红外透镜组成一个成象系统。成象系统包括主平面和焦距f，f＝f1f2/ Δ，f1和f2分别为物镜与红外镜的焦距，Δ为物镜的后焦点与红外镜的前焦点之间的距离。当FPA靠近焦点时，即象距L’接近焦距f时，根据公式1/L+1/L’＝1/f，物距L可以很大，例如200米，这时FPA 可对远处目标成象，并且物镜可以移动调焦去观察不同距离的目标。此时拉曼光通道不起作用，因它不能作远距离测量。
作为优选，光路系统还包括扩束准直镜，扩束准直镜设在激光器后，用于扩散激光器发射的激光，得到平行光；第一分束器设在扩束准直镜后，用于反射激光。第一物镜设在第一分束器的反射面，把平行的激光聚焦在样品上。
作为优选，NELF倾斜放置，NELF与NELF之间的角度约为3-5°，通过此设计，防止拉曼光在两个平行面间不断反射，避免由于标准具效应造成的损失；由于NELF可转，转动NELF可使其透过的拉曼光向低波数移动，因此，有利于探测更低波数的拉曼光，低波数可做到35cm-1以下。
作为优选，第一分束器包括介质分束片，第一分束器的中心位置处涂覆的材质为银或铝，第一分束器的剩余位置涂覆大于激光波长的增透膜。
虽然布拉格滤光片BPF的低波数可以做到<10cm-1，但是价格昂贵，透过率很低，极少有人使用；Semrock介质分束片的低波数只能做到155cm-1，当第一分束片采用Semrock介质分束片时，即使NELF 可以做到35cm-1也没有用，低波数仍是155cm-1，因此小反射镜是得到低波数的关键。
介质分束片的的中心位置处涂覆银或铝，使介质分束片的中心位置形成反射镜，反射镜的直径不大于1mm，视不扩束激光的大小而定，介质分束片剩余位置为涂覆拉曼增透膜的石英玻璃。
由于反射镜全反激光，没有过渡带，拉曼光可以透过增透的石英玻璃的过渡带也极窄，第一分束器可以透过波数低达5cm-1的拉曼光， 35cm-1的限制只由NELF(或NEF)引起。
作为优选，探测器为背照致冷CMOS、背照非致冷CMOS、背照致冷sCMOS、背照非致冷sCMOS和背照CCD中的一种，探测器可以是线阵，也可以是面阵。
作为优选，成谱系统包括光栅和成谱镜，光栅的线数为 600/mm-1200/mm；成谱镜包括透镜和球面反射镜中的一种或两种；F 数为2-4，F数由拉曼光谱宽度决定；当选择合适光栅线数和入射角度为0-5°以及第二成谱镜的F数为4时(折叠放置)，使拉曼光谱由1800cm-1扩展到3500cm-1，但不会扩大本发明的融合系统的体积。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
本发明的拉曼光谱仪与红外热像仪及可见光相机的手机融合系统可以将样品的拉曼光谱和红外热像及可见图象融合在手机上，实现红外图像与拉曼光谱的点对点融合或拉曼、红外、可见的画中画融合。
本发明通过带反射镜的介质分束片和一个或二个NELF就可以将波数做到35cm-1，其使用成本低。
本发明利用透镜或反射镜或两者结合的成谱系统可以达到 3500cm-1。因此，本发明的融合系统能够实现从紫外到近红外任何激光的拉曼探测，被探测谱宽可从35cm-1到3500cm-1。
本发明的拉曼光谱仪F数小，灵敏度高，利用单光纤束探头代替传统的双光纤探头，可以使拉曼光谱仪保持不动，既减小了移动部件的重量，也大大增加了系统的可靠性。
此外，由于光纤束采样光斑形状与狭缝完全一致，拉曼光与狭缝直接耦合，可以使拉曼光全部通过狭缝，而传统的单光纤耦合会使窄而长的狭缝把圆而大的光纤传输的拉曼光大部分挡掉，因此，本发明的单光纤束探头比传统的双单光纤探头提高光通量90％以上。
本发明的光纤束不但便于不同距离、不同位置目标的探测，而且由于把激光分成许多小点探测后，再收集总的拉曼光，因此拉曼光在小点上的热量很小，不会引爆。
本发明不但使用小反射镜和NELF达到35cm-1的低波数，采用较低线数光栅600/mm-1200/mm和透镜或球面反射镜或两者的组合的成谱系统，既不会增大体积，又可使拉曼光谱宽达到3500cm-1，而即使是体积较大的手提式拉曼光谱仪甚至很大的台式拉曼也无法达到本申请的35-3500cm-1这样大的谱宽。
附图说明
图1是现有使用双光纤探头的拉曼光谱仪的结构示意图。
图2是实施例1的结构示意图，其中图2(a)为实施例1的连接关系图，
图2(b)为成谱系统的连接关系图。
图3是物镜的透过率曲线图。
图4是不同分束器能达到的低波数曲线图。
图5是实施例2的结构示意图。
图6是sCMOS对探测不同波长的拉曼光的量子效率曲线图。
图7是实施例2的样机外形示意图。
图8是实施例5的结构示意图，其中图8(a)为用光纤束的实施例5的连接关系图，图8(b)为第二物镜有二个透镜的光纤束连接关系图。
图9是实施例5的连接关系图。
图10是实施例5的样机外形示意图。
图11是实施例5的样机内部示意图。
图12是实施例6的设计图。
图13是手机拉曼加超浓缩基底的拉曼光谱。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
拉曼光谱仪、红外热像仪及可见光相机的融合系统，其中包括激光器、窄帶滤光片、光路系统、狭缝、单色仪、探测器、信号处理器、移动装置、红外成像系统和可见成像系统；光路系统设在激光器与狭缝之间，用于将激光器发射的激光转换成拉曼光，拉曼光聚焦到狭缝上，形成光斑；单色仪设在狭缝与探测器之间，光斑经单色仪成象到探测器上，探测器输出成谱信号；信号处理器与探测器信号连接，用于处理探测器输出的成谱信号；移动装置与信号处理器信号连接，用于出谱以及作寻峰、判读处理；移动装置还与红外成像系统连接，用于显示红外图像、寻找光轴以及测量温度；可见成象系统可刷脸用加密网络跟踪。
本实施例的移动装置可为手机。三探头巡检仪的信号通过USB、 WiFi或蓝牙与手机做在一起相连,然后由手机把数据通过网络无线发到云计算机，同时也可接收云的数据。
光路系统包括第一物镜、第一分束器、第二分束器、两个长通 NELF和中继镜；第一分束器设在激光器后，用于反射的激光；第一物镜设在第一分束器的反射面，用于将激光聚焦在样品上，样品反射激光、散射拉曼光和样品自身发射的红外光经第一物镜收集后准直成平行光，拉曼光和红外光透过第一分束器；第二分束器设在第一分束器的透射面，用于反红外光和透过拉曼光和激光；红外相机设在第二分束器的反射面，用于红外光成像，测量温度和寻找光轴；NELF设在第二分束器的透射面，用于透过波数大于等于155cm-1的拉曼光，滤去残余的激光；中继镜设在NELF与狭缝之间，用于将波数大于等于155cm-1的拉曼光聚焦到狭缝上。
光路系统还包括扩束准直镜，扩束准直镜设在激光器后，用于扩散激光器发射的激光，得到平行光；第一分束器设在扩束准直镜后，用于反射激光,第一物镜会聚激光到样品上。
红外成像系统为FPA 75，光路系统还包括红外透镜70，红外透镜70设在第二分束器的反射面，用于会聚红外光，FPA 75设在红外透镜70后，用于红外光成像，测量温度和寻找光轴。
如图2a所示，含窄帶滤光片的激光器10发出的光斑近似一个矩形A，经扩束准直镜20和第一分束器30后，由物镜40聚焦在样品 55的光斑为B，光斑B的X方向窄，Y方向高；由光斑B反射的激光、散射的拉曼光和样品自身发射的红外光被物镜40收集，并准直成不同角度的平行光；平行光经反射激光的第一分束器30后，碰到第二分束器60，它反波长大于7μ的红外光，透低于7μ的拉曼光和激光，红外光由红外透镜70成象到8-14μ的FPA 75上。
NELF倾斜放置，NELF与NELF之间的角度约为3-5°。透过第二分束器60的拉曼光和残余的激光经两片NELF 90后，激光全部过滤干净，拉曼光通过NELF，中继镜100把拉曼光直接聚焦到狭缝110 上，由于拉曼光的光斑形状与狭缝一致，拉曼光全部通过狭缝。若用图1那样的双光纤探头的光纤连到狭缝上，从光纤输出的大而圆的光斑(1mm)有90％被狭而窄(25μm)的狭缝挡掉，光通量极低。
成谱系统120详见图2b，成谱系统120包括光栅210、第一成谱镜200和第二成谱镜220，光栅的线数为600/mm-1200/mm；第一成谱镜200和第二成谱镜220均为透镜，F数为2-4，F数由拉曼谱宽决定。拉曼光经第一成谱镜200准直成平行光射到光栅210上，入射角度小于15°，色散后取第1级，射到第二成谱镜220后被成象在探测器130上。
探测器130为背照致冷CMOS、背照非致冷CMOS、背照致冷 sCMOS、背照非致冷sCMOS和致冷或非致冷CCD中的一种。若探测器130是面阵，Y方向的许多象元在接收到拉曼光后，可以作积累提高信噪比，若是64象元，信噪比可提高8倍。从探测器130输出的成谱信号经信号处理器140处理后用USB或蓝牙连到手机150上出谱，并作寻峰、判读处理。手机与红外FPA75用USB或WiFi相连，用于显示样品红外图象，测量温度和找出光轴，作系统校正。
物镜40，材质为热压ZnSe晶体，ZnSe物镜40的透过率见图3，它从0.5μ到16μ的透过率达70％，可兼顾0.785μ的激光及8-14μ的红外光；第二分束器60为低通分束器，反红外透拉曼；红外透镜70 为Ge透镜。
对近目标，采样点及其拉曼光谱在红外图象中心点对点融合，用红外图像也可校正和对准所有部件的光轴。目标与红外焦平面是物象关系，中间没有狭缝，若物镜看远处目标，看到的目标的远近和大小由物镜40和红外透镜70的组合决定，移动物镜可以调焦，看清不同距离的目标。
由于第二分束器60的截止波长是7μ，离拉曼光谱很远，它不存在拉曼过渡带陡不陡的问题，不会影响透过60的拉曼光在遇到两片 NELF 90时去获得低波数，低波数完全由NELF决定。
若第一分束器30是介质分束片，具体为Semrock的RU-edge分束片，如图4所示，由于拉曼光过渡带不陡(见图4中的Semrock 曲线)，即使用NELF 90也不能获得35cm-1的低波数，只能获得155 cm-1的低波数。可见相机80与拉曼物镜垂直放置，与拉曼及红外在手机上作画中画融合。
实施例2
如图5所示，在实施例1基础上，与实施例1所不同的是本实施例中的光路系统中的第一分束器30的中心位置35涂覆银或铝，使介质分束片的中心位置形成反射镜，反射镜的直径约为1mm左右由不扩束的打到第一分束器的激光班的大小决定，介质分束片剩余部分为涂覆增透膜的石英玻璃，拉曼光的透过率达95％以上；如图4所示，由于反射镜全反激光，没有过渡带，拉曼光可以透过增透的石英玻璃的过渡带也极窄，因此本实施例的第一分束器可以透过波数低达5 cm-1的拉曼光(见图4中的New BS曲线)，35cm-1的限制只由NELF (见图4中的NEF曲线)引起。
如图4所示，本实施例的第一分束器能做到低波数5cm-1，并对任何波长的激光都适用。但若用布拉格分束片BPF(见图4中的BPF 曲线)，拉曼光的透过率只有30％，比本实施的第一分束器低得多。虽然，本实施例利用便宜得多小得多的NELF做长通滤光片，最低波数只能达到35cm-1，不是5cm-1，但本实施例的透过率比BPF高得多。
本实施例的光路系统中不包括扩束准直镜。如图5所示，激光器 10前面不加扩束准直镜，直接把光斑形状为A的激光打到分束器30 的中心部分反射镜35，然后由物镜40的中心部分会聚到目标55上的采样点B，B的形状类似A，但比A小。从B发出的散射的拉曼光和红外光被整个物镜40收集，然后通过整个第一分束器30，射向短通分束器60把红外光与拉曼光分开。
透过两片NELF 90的拉曼光已基本上没有激光，由中继透镜100 聚焦到狭缝110上的光斑C，其形状与采样点B完全一样，X方向窄，例如25μm，由单色仪120中的光栅色散出谱，Y方向高，例如1mm，可以全部通过形状和大小完全一样的狭缝110，然后被面阵探测器 130全部收集。
如图6所示，若探测器选用sCMOS，它对从紫外到近红外的拉曼都有很高的量子效率，透镜全用石英玻璃做，这样针对不同波长的从紫外到近红外的拉曼光谱仪，只需换激光器、光栅和NELF就可以了，其它部分可以不动。
本实施例的样机外形如图7所示。
实施例3
在上述实施例基础上，本实施例的第一分束器被独立的小反射镜取代，小反射镜不涂在介质膜上,小反射镜旁是自由空间。光路系统包括小反射镜、第二分束器、两个NELF、中继镜和第一物镜；小反射镜设在激光器后，小反射镜设置在激光入射光路的光轴上，用于反射激光；第一物镜设在小反射镜一侧，用于将激光聚焦在样品上，样品反射激光、散射拉曼光和样品自身发射的红外光经第一物镜收集后准直成平行光，除小反射镜外，激光、拉曼光和红外光透过自由空间；第二分束器设在背离反射镜的一侧，用于反红外光和透拉曼光和激光；红外成像系统设在第二分束器的反射面，用于红外光成像，测量温度和寻找光轴；二片NELF设在第二分束器的透射面，用于透过波数大于等于35cm-1的拉曼光並滤去激光；中继镜设在NELF与狭缝之间，用于将波数大于等于35cm-1的拉曼光聚焦到狭缝上。
反射镜的直径约为1mm由不扩束的打到第一分束器的激光班的大小决定，由于反射镜的光谱极陡，石英玻璃或自由空间对拉曼光的过渡带也极陡，因此，可做到5cm-1的低波数(见图5的New BS曲线)，波数限制只取决于长通滤光片NEPF 90，因此，低波数可以做到35cm-1。
从目标散射回来的拉曼光透过直径为50mm的物镜只被直径为 1mm的反射镜挡掉4×10-4(即0.52/252)，等于不挡，其透过率比原来的介质分束片还高。采用直径为6.35mm的物镜，反射镜也只能挡 0.52/3.1752＝2.5％，可以忽略不计。
实施例4
在上述实施例基础上，本实施例即使物镜直径是50mm，F＝1，探测距离也只有50mm，探测远一点的目标要移动整台仪器，要探测凹下去的地方或物体反面基本上不可能，也就是说，即使手机拉曼光谱仪体积很小，质量很轻，使用仍然不方便。此外，激光容易引爆。
如图8(a)所示，本实施例中在第一物镜前面附加光纤束探头,其余同实施例2。
光纤束探头包括光纤束和第二物镜，第二物镜可以是一个也可以是二个，若是一个，光纤束头放在第二物镜的2f处，f是焦距，激光成象在2f处；若是二个，如图8(b)所示，光纤束头放在第二物镜的第一个镜头62的f1上，f1是焦距，第二个镜头65与第一个镜头62 间是平行光，激光聚焦在第二个镜头65的焦点f2上，二个焦距可以不一样，以便控制照到样品上的许多小光点的大小，不引起爆炸。
由多根光纤组成的光纤束50设在第一物镜40与第二物镜62之间，用于接收第一物镜40聚焦的激光B，传输到第二物镜的物点C，再经第二物镜聚焦到象点即样品上的目标D55，由于照射点由许多能产生拉曼的能量较低的小光点组成，就不会引爆，若照度低可用增大积分时间弥补。目标D反射激光、散射拉曼光依次经第二物镜62、光纤束50和第一物镜40收集后准直成平行光，通过NELF 90、中继镜100和狭缝110进入成谱系统。光纤束探头只用于拉曼不用于红外。
本实施例用几根数值孔径与第一物镜和第二物镜匹配的光纤做光纤束，光纤束的直径与狭缝一样宽(X方向)，排成与狭缝一样高 (Y方向)的光纤束可以很长，例如1米到10米，光纤束的两端可以用标准光纤束接头与两个物镜方便的连接。由于光线是可逆的，从目标D反射的光由第二物镜62收集到C，由光纤束50传输到第一物镜40的焦点B时，与它发出时的路径完全一样但方向相反，可完全被第一物镜40接收。
单光纤(不是光纤束)探头把很大的聚焦点的光节使全部送到狭缝，由于狭缝很窄，例如25微米，大部分被挡掉，透过的连10％都不到。本实施例的光纤束可以使狭缝通过所有从被测点发出的光，并使原来的拉曼光谱仪一点不动，只是含有第二物镜和一部分光纤束的部分作移动，这样就可避免关键部件的损坏和松动，同时由于无光纤连接激光器，激光也没有一点光的损失。
其余探测过程同实施例2。若没有第二物镜，光用光纤束是不能工作的，这种光纤束探头在世上也是第一次提出。
实施例5
在上述实施例基础上，本实施例由于手机型拉曼的体积小，拉曼光谱宽只能做到1800cm-1，不能测量水和翡翠这些拉曼谱宽在3000 cm-1以上的物质。
如图9所示，本实施例的光路系统包括第一分束器、两个NELF、中继镜和第一物镜；第一分束器设在激光器后，用于反射激光透拉曼光；第一物镜设在第一分束器的反射面，用于聚焦第一分束器反射的激光到样品，样品反射激光、散射拉曼光第一物镜收集后准直成平行光；NELF设在第一分束器的透射面，用于透过波数大于等于35cm-1的拉曼光；中继镜设在NELF与狭缝之间，用于将波数大于等于35cm-1的拉曼光聚焦到狭缝上。
拉曼光谱仪与红外热像仪不共用一个物镜，是两个独立的系统，只是都装在手机上，与手机相连，作数据处理和显示图象。这时，红外成像系统75为红外摄像头，由于红外摄像头与拉曼光谱仪的第一物镜40靠得很近，而红外摄像头具有较大视场角，完全可以看清拉曼光谱的测量目标和目标中的采样点D。因此，两个系统也可以融合在一起，但不是点对点的融合，而是画中画的融合。可见相机80与拉曼及红外作画中画融合。
成谱系统120包括光栅210、第一成谱镜200和第二成谱镜220，光栅210的线数为600/mm-1200/mm；第一成谱镜200为透镜，第一成谱镜200的F数为2，与上述实施例所不同的是第二成谱镜220为球面反射镜。
如图9所示，拉曼光经第一成谱镜200准直成平行光射到光栅 210上，以0-5°的入射角入射，色散后取第1级，射到F数比2大、焦距240比第一成谱镜200大的第二成谱反射镜220后被成象在探测器130上。若反射镜的F数在4以内,从反射镜220到探测器130的距离小于50mm,比手机宽度70mm小得多,整个拉曼光谱仪可放在手机内只是厚一点。
从探测器130输出的信号经信号处理器140处理后用USB或蓝牙连到手机150上出谱，并作寻峰、判读处理。手机150也与红外摄像头75和可见摄像头80用USB或WiFi相连，显示目标的可见与红外图象，测出温度。
由F＝2的第一成谱镜、线数为600-1200/mm的光栅和F＝4的球面反射镜组成的成谱系统120可使拉曼光谱宽达到3500cm-1这样的宽光谱因这时落到探测器的宽度变宽了。由于3500cm-1波数以后，CMOS 或CCD的响应率几乎为0，再扩展波数已无可能，也无必要。其余探测过程同实施例1。
本实施例的样机外形如图10所示。本实施例的样机内部光机结构如图11所示。
实施例6
在上述实施例基础上，本实施例依据图12所示从激光二极管(LD) 10发出的光被反射镜20反到透拉曼光反激光的分束片30然后由物镜40聚焦到样品55上，从样品反射的激光和拉曼光由物镜40准直成平行光，分束片30过滤激光透过拉曼光，经二片长通滤光片NELF 90后把残余的激光滤掉，通过的拉曼光由中继透镜(RL)100聚焦到狹縫110上，然后由F＝2的第一成谱透镜200准直成平行光射到 600-1200/mm的光栅210上,光栅法线与光轴的夾角θ<15°,根据谱宽要求155-3500cm-1可算出第1级的最小，最大和平均洐射角，把第二成谱镜220的光轴沿平均衍射角安放，取F＝4，这样在CMOS上占有很大线度可以做到3500cm-1谱宽的要求，因透镜焦距长要加反射镜225折到侧面,CMOS130也要斜放。
CMOS信号接到输出电路板140，然后通过USB接到总电路板150 或手机。总电路板通过USB接红外模块和镜头75它们与手机平面垂直安放，易于观察目标，在以前的实施例中和图中是平行安放的。
为节省空间把手机盖板去掉，但保留一只与拉曼镜头垂直的可见光模块和镜头80及一只USB插孔180作充电用，另外还要加一个USB 接红外机芯，另一个USB接收拉曼信号，共3个USB插头。
手机电池现已有7000mhr的,电池190可不加或只在空隙区加个小的供LD专用。图13是此手机拉曼加超浓缩基底用5秒钟测出的浓度为2ng/ml的拉曼光谱。
实施例7
在上述实施例基础上，本实施例三探头做成一个独立系统，然后通过蓝牙或wifi与手机相连,手机与云相连，对本实施例，三探头系统可与任何手机相连，只要在手机端下载相应的app就行。

Claims (10)

1.三探头巡检仪，其特征在于：包括激光器、光路系统、狭缝、成谱系统、探测器、信号处理器、移动装置、红外成像系统和可见光相机；
光路系统设在激光器与狭缝之间，用于将激光器发射的激光由被测物质转换成拉曼光，拉曼光聚焦到狭缝上，形成光斑；
成谱系统设在狭缝与探测器之间，光斑经成谱系统成象到探测器上，探测器输出成谱信号；
信号处理器与探测器信号连接，用于处理探测器输出的成谱信号；
移动装置与信号处理器信号连接，用于出谱以及作寻峰、判读处理；移动装置还与红外成像系统和可见光相机连接；
红外成像系统与光路系统连接，红外成像系统用于红外成像，测量温度和寻找光轴；红外成像系统与移动装置相连；可见光相机，位于移动装置背面，与红外成象系统及拉曼光谱仪作画中画融合。
2.根据权利要求1所述的三探头巡检仪，其特征在于：光路系统包括第一分束器、第一物镜、第二分束器、一个或一个以上的Nano EdgeLongpassFilter NELF和中继透镜；
第一分束器设在激光器后，用于反射激光；
第一物镜设在第一分束器的反射面，用于将激光聚焦在样品上，样品反射激光、散射拉曼光和样品自身发射的红外光，经第一物镜收集后准直成平行光，激光被第一分束器反射,拉曼光和红外光透过第一分束器；
第二分束器设在第一分束器的透射面，用于反红外光和透拉曼光；
红外成像系统设在第二分束器的反射面，用于红外光成像，测量温度和寻找光轴；
NELF设在第二分束器的透射面，用于透过波数大于等155cm-1的拉曼光；中继透镜设在NELF与狭缝之间，用于将波数大于等于155cm-1的拉曼光聚焦到狭缝上。
3.根据权利要求1所述的三探头巡检仪，其特征在于：光路系统包括第一分束器、在第一分束器中心的或独立的小反射镜、第一物镜、第二分束器、一个或一个以上的NELF和中继透镜；反射镜用于反射不扩束的激光；
第一物镜设在反射面一侧，用于将激光聚焦在样品上；样品反射激光、散射拉曼光和样品自身发射的红外光经第一物镜收集后准直成平行光；
第二分束器设在背离反射镜的一侧，用于反红外光和透拉曼光；红外成像系统设在第二分束器的反射面，用于红外光成像、测量温度和寻找光轴；
NELF设在第二分束器的透射面，用于透过波数大于等于35cm-1的拉曼光；中继透镜设在NELF与狭缝之间，用于将波数大于等于35cm-1的拉曼光聚焦到狭缝上。
4.根据权利要求1-3任一所述的三探头巡检仪，其特征在于：光路系统还包括第一分束器，涂在第一分束器中心的或独立的小反射镜、第一物镜、一个或一个以上的NELF和中继透镜；
第一分束器设在激光器后，用于反射激光，透拉曼光和红外光；
第一物镜设在第一分束器的反射面，用于聚焦第一分束器反射的激光到样品，样品反射激光、散射拉曼光,经第一物镜收集后准直成平行光；
NELF设在第一分束器的透射面，用于透过波数大于等于35cm-1的拉曼光；中继透镜设在NELF与狭缝之间，用于将波数大于等于35cm-1的拉曼光聚焦到狭缝上。
5.根据权利要求1-4任一所述的三探头巡检仪，其特征在于：光路系统还包括第二物镜和光纤束；
光纤束设在第一物镜与第二物镜之间，用于接收第一物镜聚焦的激光束，将激光束变成狹縫一样的形状传输到第二物镜，经第二物镜把激光束分散聚焦到样品上不会引爆；样品反射激光、散射拉曼光,依次经第二物镜、光纤束和第一物镜收集后准直成平行光,经一个或二个NELF由中继镜成象在狭縫上。
6.根据权利要求1所述的三探头巡检仪，其特征在于：红外成像系统包括红外焦平面阵列和红外透镜；红外透镜用于会聚红外光；红外焦平面阵列设在红外透镜后，用于红外光成像，测量温度,对准光轴。
7.根据权利要求1-4任一所述的三探头巡检仪，其特征在于：光路系统还包括扩束准直镜，扩束准直镜设在激光器后，用于扩散激光器发射的激光，得到平行光；第一分束器设在扩束准直镜后，用于反射扩束的激光，物镜将平行的激光聚焦在样品上。
8.根据权利要求1-4任一所述的三探头巡检仪，其特征在于：NELF与NELF之间的角度约为3-5°,NELF可以转动增加谱宽。
9.根据权利要求1-4任一所述的三探头巡检仪，其特征在于：第一分束器包括介质分束片，在第一分束器的中心位置处与不扩束的激光一样大小的区域涂覆银或者铝膜形成小反射镜，第一分束器的剩余区域涂覆反激光和透拉曼光的增透膜。小反射镜也可以是独立的,第一分束器的其余部分为自由空间。
10.根据权利要求1所述的三探头巡检仪，其特征在于：巡检仪单独成为一个系统，与移动装置及云端无线相连。
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