CN209542457U - 一种基于门控单光子相机的快速远程拉曼系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于门控单光子相机的快速远程拉曼系统，包括纳秒脉冲激光器、窄带滤光片、光栅光谱仪、门控单光子相机等。纳秒脉冲激光器与门控单光子相机，以距离选通模式工作；纳秒脉冲激光器出射10Hz频率脉冲激光激发待测目标拉曼信号；经窄带滤光片后过滤掉激光信号，通过物镜收集进入光栅光谱仪；光栅光谱仪将复合光分成线性分布的单色光，并成像在门控单光子相机的靶面上；单光子相机进行数据采集后，将数据反馈给计算机，进行光谱信号分析。本实用新型可用于远程目标拉曼信号的快速检测，具有非接触测量、灵敏度高、信噪比高、检测快速的优势，可广泛应用于违禁物品安检、液体安检及矿石、珠宝、化工制品、生物医药检测等领域。

Description

一种基于门控单光子相机的快速远程拉曼系统

技术领域：

本实用新型涉及一种快速远程拉曼光谱系统，尤其涉及一种基于门控单光子相机进行距离选通的远程拉曼快速检测系统，可广泛应用于违禁物品安检、液体安检及矿石、珠宝、化工制品、生物医药检测等领域。

背景技术：

拉曼光谱是一种分析物质内部分子振动、转动能级信息的无损技术，是一种物质成分识别的“指纹”技术。拉曼光谱因具有非接触测量、检测速度快、无需特殊制样等特点，被广泛应用于生物医药、化工制品、矿石矿物、违禁物品检测等领域。

目前市场上，常用工业、安检等民用领域的拉曼检测仪以连续激光作为信号激发源，所采集的拉曼信号易受样品荧光和环境杂散光的影响，致使拉曼光谱信噪比差。通常，需要增加探测器积分时间，来提高拉曼信号有效性，且难以进行远距离处目标拉曼信号检测。

发明内容：

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于门控单光子相机的快速远程拉曼系统，可用于远程目标拉曼信号的快速检测，具有非接触测量、灵敏度高、信噪比高、检测快速的优势。

计算机，用于控制纳秒脉冲激光器和门控单光子相机的软件，并对所采集拉曼光谱进行数据处理分析。

纳秒脉冲激光器，用于出射纳秒脉冲激光信号、激发待测目标拉曼信号。

窄带滤光片，用于过滤激光信号。

收集物镜，用于提高拉曼信号收集效率。

光栅光谱仪，用于收集拉曼信号的频域分析。

门控单光子相机，用于光信号的门控选通和信号采集。

进一步的，所述纳秒脉冲激光器的激光波长为532nm，脉宽<10ns，重复频率1-20Hz，具有外触发功能。

进一步的，所述的窄带滤光片，中心波长为532nm，带宽±10nm。

进一步的，所述的收集物镜，波段400-700nm。

进一步的，所述的光栅光谱仪，波谱范围200-1100nm。

进一步的，门控单光子相机，具有高达55000倍的光学增益和最短3ns门宽的功能，可实现弱信号的放大和信号的选通功能，仅在拉曼信号脉冲到达相机靶面的时刻开启，有效避免荧光和背向散射等噪声的影响。

进一步的，门控单光子相机，以单光子计数模式采集数据。在单光子计数模式下，探测器读出噪声及暗计数噪声，可以剔除；单帧工作下，有效信号计数为1，无效信号计数为0；多帧采集后，单光子计数进行累加，提高信噪比。

效果较佳的，所述门控单光子相机包括：双层MCP像增强器、光纤锥耦合镜头、探测器、时序控制模块和门控模块；

双层MCP像增强器用于微弱光信号的增益、放大；

光纤锥耦合镜头，利用光纤对光线的全反射将双层MCP像增强器放大后的光信号耦合到探测器的靶面上；

探测器，用于采集光纤锥耦合镜头耦合的光信号；

时序控制模块，用于实现数据外触发的信号开启时序控制，及内部时序的外部导出；

门控模块，用于控制曝光时间及门宽控制。

有益效果

本实用新型的基于门控单光子相机的快速远程拉曼系统，可用于远程目标拉曼信号的快速检测，具有非接触测量、灵敏度高、信噪比高、检测快速的优势。

1)532nm纳秒脉冲激光器与门控单光子相机，以距离选通模式工作，有效避免荧光和背向散射等噪声的影响，适用于远程拉曼探测。

2)门控单光子相机，具有高达55000倍的光学增益能力，灵敏度高，适合微弱和远程拉曼信号探测；且门控单光子相机，以单光子计数模式采集数据，探测器读出噪声及暗计数噪声，信噪比高。

3)因工作在距离选通模式，且探测器具有高增益、高灵敏度及单光子计数模式，拉曼光谱信号纯净度高，其他干扰信号(荧光、背向散射、探测器读出噪声、暗计数噪声等)弱，无需长时间积分，可实现快速远程拉曼检测。

附图说明：

附图1为本实用新型的一种基于门控单光子相机的快速远程拉曼系统示意图；

附图2为本发明的基于双层MCP像增强器的单光子相机工作原理图；

附图3为本发明的基于双层MCP像增强器的单光子相机系统构成图；

附图4为本发明的基于双层MCP像增强器的单光子相机外观图；

附图5为本发明的基于双层MCP像增强器的单光子相机的计数成像原理；

附图6为本发明的基于双层MCP像增强器的单光子相机对单光子信号的捕获结果图(左图为面阵成像；右图为单光子信号成像，具有典型的高斯分布)

附图标记如下：

101-计算机，102-532nm纳秒脉冲激光器，103-待测目标，104-窄带滤光片，105-收集物镜，106-光栅光谱仪，107-门控单光子相机；1-光阴极，2-双层微通道板，3-荧光屏；201-前盖板，202-双层MCP像增强器，203-光纤锥耦合镜头，204-探测器，205-时序控制模块，206-门控模块，207-壳体，208-后盖板。

具体实施方式：

如图1所示，一种基于门控单光子相机的快速远程拉曼系统，其特征在于，包括计算机101、532nm纳秒脉冲激光器102、窄带滤光片104、收集物镜105、光栅光谱仪106和门控单光子相机107。本申请通过计算机101设定532nm纳秒脉冲激光器102与门控单光子相机107的时序，使其以距离选通模式工作，532nm纳秒脉冲激光器102出射10Hz频率脉冲激光激发待测目标103拉曼信号。经窄带滤光片104过滤掉532nm激光信号，然后通过收集物镜105进入光栅光谱仪106；光栅光谱仪106将复合光分成线性分布的单色光，并成像在门控单光子相机107的靶面上；门控单光子相机107仅在待测目标拉曼信号到达时刻打开“选通快门”，并以单光子技术模式进行数据采集后，然后将数据反馈给计算机101，进行光谱信号分析。

上述532nm纳秒脉冲激光器102与门控单光子相机107，均以距离选通模式工作，可有效避免荧光和背向散射等噪声的影响，适用于远程拉曼探测。

门控单光子相机107，具有高达55000倍的光学增益和最短3ns门宽的功能，可实现弱信号的放大和信号的选通功能，仅在拉曼信号脉冲到达相机靶面的时刻开启，有效避免荧光和背向散射等噪声的影响。且门控单光子相机107，以单光子计数模式采集数据。在单光子计数模式下，探测器读出噪声及暗计数噪声，可以剔除；单帧工作下，有效信号计数为1，无效信号计数为0；多帧采集后，单光子计数进行累加，提高信噪比。

效果较佳的，上述门控单光子相机107采用中智科仪(北京)科技有限公司2DSPC型号单光子相机，分辨率：1920*1200，最大帧频：162fps，MCP类型：Hot s20双层，最短光学门宽：3ns，最大光学增益：55000倍，单光子计数率：370Mcps/pixel。

如图2-4所示，一种基于双层MCP像增强器的单光子相机，其包括：前盖板201、双层MCP像增强器202、光纤锥耦合镜头203、探测器204、时序控制模块205、门控模块206、壳体207和后盖板208。双层MCP像增强器202包括：光阴极1、双层微通道板2、荧光屏3。

其中：

双层MCP像增强器202将入射到其光阴极1的微弱光信号转化为电信号，并通过双层微通道板2的多级放大进行电子倍增，倍增后电子打到荧光屏3上，通过电-光信号转化，最终实现光信号的增益、放大。

光纤锥耦合镜头203，利用光纤对光线的全反射将双层MCP像增强器放大后的光信号耦合到探测器204的靶面上。

探测器204，用于采集光纤锥耦合镜头203耦合的光信号；

时序控制模块205，用于实现数据外触发的信号开启时序控制，及内部时序的外部导出。

门控模块206，用于控制曝光时间及门宽控制。

前盖板201、后盖板208及壳体207用于将双层MCP像增强器202、光纤锥耦合镜头203、探测器204、时序控制模块205和门控模块206等硬件进行封装。

作为一种实施例，双层MCP像增强器202采用荷兰Photonics公司Hot s20系列双层像增强器，增益：55000倍，量子效率30％@500nm

效果较佳的，光纤锥耦合镜头203通过融拉法工艺将多跟单模光纤合束形成锥形光纤，传递函数：>60lp/mm，表面光洁度<1/5λ@632nm。

作为一种实施例，探测器204采用德国Image Source公司DFK33UX273型探测器，分辨率：1440*1080，像元尺寸：3.45μm，帧频：238fps。

时序控制模块205，最大外触发频率：125MHz，时间分辨率：10ps，脉冲宽度：2ns-10s。

门控模块206，最短选通时间：3ns，抖动<30ps。

如图5所示，单光子相机以单光子计数模式进行数据采集：单光子计数模式，首先是对探测器204的暗噪声计数，设定计数阈值，进行扣除。单帧采集，对有效光信号的像元区域光信号进行计数为1，其他像元区域计数为0；多帧采集，对单帧计数结果进行累加；通过多帧计数累加，重构成二维大面阵的灰度图，形成图像。本发明的基于双层MCP像增强器的单光子相机可实现大面阵单光子级光信号计数、成像，分辨率为1440*1080，单像素的单光子测试数据见附图6，单光子相机对单光子信号的捕获，左图为面阵成像；右图为单光子信号成像，具有典型的高斯分布。其中，时序是控制激光器与相机的时序信号，时序相对于给相机设置一个高精度时钟，有内部时序和外部时序；门控模块是控制相机的曝光的开门、关门时间，最短可实现3ns的快门；其功能和原理属于比较成熟的技术，再次不再赘述。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种基于门控单光子相机的快速远程拉曼系统，其特征在于，包括计算机、纳秒脉冲激光器、窄带滤光片、收集物镜、光栅光谱仪和门控单光子相机；其中：

纳秒脉冲激光器，用于出射纳秒脉冲激光信号，激发待测目标拉曼信号；

窄带滤光片，用于过滤待测目标拉曼信号；

收集物镜，用于提高窄带滤光片过滤的拉曼信号收集效率；

光栅光谱仪，用于将收集物镜收集的拉曼信号分成线性分布的单色光，并成像在门控单光子相机的靶面上；

门控单光子相机，仅在待测目标拉曼信号到达时刻打开“选通快门”，并以单光子技术模式进行数据采集后，将数据反馈给计算机；

计算机，用于控制纳秒脉冲激光器和门控单光子相机的时序，使其以距离选通模式工作；并对门控单光子相机所采集的拉曼光谱进行数据处理分析。

2.根据权利要求1所述的一种基于门控单光子相机的快速远程拉曼系统，其特征在于，所述的纳秒脉冲激光器的激光波长为532nm，脉宽<10ns，重复频率1-20Hz，具有外触发功能。

3.根据权利要求1所述的一种基于门控单光子相机的快速远程拉曼系统，其特征在于，所述的窄带滤光片，中心波长为532nm，带宽±10nm。

4.根据权利要求1所述的一种基于门控单光子相机的快速远程拉曼系统，其特征在于，所述的收集物镜，波段400-700nm。

5.根据权利要求1所述的一种基于门控单光子相机的快速远程拉曼系统，其特征在于，所述的光栅光谱仪，波谱范围200-1100nm。

6.根据权利要求1所述的一种基于门控单光子相机的快速远程拉曼系统，其特征在于，所述的门控单光子相机的分辨率：1920*1200；最大帧频：162fps；MCP类型：Hot s20双层；最短光学门宽：3ns；最大光学增益：55000倍；单光子计数率：370Mcps/pixel。

7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的一种基于门控单光子相机的快速远程拉曼系统，其特征在于，所述门控单光子相机包括：双层MCP像增强器、光纤锥耦合镜头、探测器、时序控制模块和门控模块；

双层MCP像增强器用于微弱光信号的增益、放大；

光纤锥耦合镜头，利用光纤对光线的全反射将双层MCP像增强器放大后的光信号耦合到探测器的靶面上；

探测器，用于采集光纤锥耦合镜头耦合的光信号；

时序控制模块，用于实现数据外触发的信号开启时序控制，及内部时序的外部导出；

门控模块，用于控制曝光时间及门宽控制。