專利名稱：一種微型拉曼光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)檢測(cè)儀器領(lǐng)域，尤其涉及一種微型拉曼光譜儀。
背景技術(shù)：
拉曼光譜反映了分子結(jié)構(gòu)中原子的振動(dòng)特征，被稱為分子的指紋光譜。拉曼檢測(cè) 技術(shù)作為一種無與倫比的、有力的分析手段，具有無損測(cè)量、檢測(cè)速度快、制樣簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn) 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，有望應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)和生活中。但是，由于拉曼散射的強(qiáng)度很弱，其強(qiáng) 度是瑞利散射光強(qiáng)度的10_卜10_3倍，因此，拉曼光譜儀的結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，并且價(jià)格昂 貴，動(dòng)輒百萬人民幣，這些阻礙了拉曼光譜在實(shí)際檢測(cè)中的應(yīng)用，拉曼光譜儀器的小型化和 簡(jiǎn)單化將是未來的發(fā)展方向。
如圖1為拉曼光譜儀的工作原理圖，各模塊按實(shí)現(xiàn)的功能可分為獲取拉曼信號(hào) 的探頭光路模塊1、分光光路模塊2和電子控制部分。拉曼光譜儀的體積主要由探頭光路模 塊I和分光光路模塊2決定，因此，拉曼光譜儀的微型化問題主要是解決這兩個(gè)光路模塊的 微型化問題。
目前，采用光柵分光的微型拉曼光譜儀得到了一定的發(fā)展，較傳統(tǒng)的拉曼光譜儀， 微型拉曼光譜儀需要解決微型化和集成化的問題。微型化的拉曼光譜儀在工作原理上與傳 統(tǒng)的光譜儀相同，所以無論以何種形式實(shí)現(xiàn)微型化，系統(tǒng)都必須包含拉曼光譜儀的基本組 成。一般而言，系統(tǒng)的微型化有兩種途徑第一，將各部分集成加工，僅利用一個(gè)或較少的元 件來實(shí)現(xiàn)所有的功能；第二，采用微型化的元件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的微型化。本發(fā) 明結(jié)合這兩種途徑的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)光譜儀的微型化設(shè)計(jì)。發(fā)明內(nèi)容
為克服上述問題，本發(fā)明提出一種體積小、攜帶方便、成本低的微型拉曼光譜儀， 可廣泛應(yīng)用于食品安全檢查、生物醫(yī)療、寶石鑒定、文物鑒定、刑事鑒定、公共安全、地質(zhì)探 礦、材料科學(xué)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所提出的技術(shù)方案為一種微型拉曼光譜儀，包括探頭光 路模塊、分光光路模塊和電子控制部分，所述探頭光路模塊為一集成有激光器的準(zhǔn)直濾波 系統(tǒng)；所述分光光路模塊集成有入射狹縫、凹面全息反射光柵和CCD探測(cè)器，所述CCD探測(cè) 器位于凹面全息反射光柵的焦平面上；所述入射狹縫與CCD探測(cè)器分別處于分光光路的共 軛面上。
進(jìn)一步的，所述分光光路模塊還包括用于折疊光路的反射鏡。
進(jìn)一步的，所述分光光路模塊還包括一機(jī)械模具，入射狹縫、凹面全息反射光柵和 CCD探測(cè)器固定于機(jī)械模具的相應(yīng)位置；或者，該分光光路模塊為一棱鏡結(jié)構(gòu)，所述入射狹 縫、凹面全息反射光柵和反射鏡加工于該棱鏡結(jié)構(gòu)上，所述CCD探測(cè)器貼于凹面全息反射 光柵的焦平面上。
進(jìn)一步的，所述棱鏡結(jié)構(gòu)為一實(shí)心棱鏡，或者為多片反射鏡膠合的中空結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步的，信號(hào)光在所述實(shí)心棱鏡內(nèi)多次反射，該實(shí)心棱鏡對(duì)應(yīng)于凹面全息反射 光柵的次級(jí)衍射光的反射面處鍍?cè)鐾改?。或者，信?hào)光在所述中空結(jié)構(gòu)內(nèi)多次反射，該中空 結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于凹面全息反射光柵的次級(jí)衍射光的角度方向上不設(shè)置反射鏡，或者在該次級(jí)衍 射光的反射面處鍍?cè)鐾改ぁ?br> 進(jìn)一步的，所述準(zhǔn)直濾波系統(tǒng)還包括一準(zhǔn)直系統(tǒng)、45° 二向色鏡、長(zhǎng)波通濾波片、 信號(hào)收集透鏡和聚焦透鏡；所述45° 二向色鏡反射激光器發(fā)射的光，透射其他波長(zhǎng)的光； 所述激光器發(fā)射的光經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直后照射到45° 二向色鏡上，由45° 二向色鏡反射后 經(jīng)信號(hào)收集透鏡聚焦后照射到待測(cè)樣品上；激發(fā)出的拉曼信號(hào)光經(jīng)信號(hào)收集透鏡聚焦收集 后透過45° 二向色鏡和長(zhǎng)波通濾波片后，經(jīng)聚焦透鏡會(huì)聚進(jìn)入分光光路模塊。
優(yōu)選的，所述激光器為TO封裝的785nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的一種微型拉曼光譜儀，基于平場(chǎng)凹面全息反射光柵 分光，采用反射鏡將光路折疊，并將拉曼信號(hào)的激發(fā)光源與整個(gè)準(zhǔn)直濾波系統(tǒng)集成在一個(gè) 模塊中，在保持較高的光譜分辨率的情況下進(jìn)一步縮小了光路的體積；根據(jù)實(shí)際光路的特 點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，方便了光路的調(diào)節(jié)，增加了系統(tǒng)的可靠性，適合批量化生產(chǎn)；具有體積 小、攜帶方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明中拉曼光譜儀的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為本發(fā)明的拉曼光譜儀的分光光路模塊示意圖；圖3為本發(fā)明的拉曼光譜儀中光路折疊的分光光路模塊示意圖；圖4為本發(fā)明的拉曼光譜儀的探頭光路模塊示意圖。
標(biāo)號(hào)說明1.探頭光路模塊；101.激光器；102.準(zhǔn)直系統(tǒng)；103.45° 二向色鏡；104.信號(hào)收集透鏡；105.長(zhǎng)波通濾波片；106.聚焦透鏡；2.分光光路模塊；201.入射狹縫；202.凹面全息反射光柵；203. C⑶探 測(cè)器；204.機(jī)械模具；211.入射狹縫；212.凹面全息反射光柵；213.反射鏡；214. C⑶探測(cè) 器；215.棱鏡結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
本發(fā)明的一種微型拉曼光譜儀的工作原理同傳統(tǒng)拉曼光譜儀相同，如圖1所示， 由拉曼激光器發(fā)射的激光經(jīng)鏡頭聚焦到樣品上，從樣品發(fā)射的拉曼散射光信號(hào)和瑞利散射 光信號(hào)通過鏡頭的準(zhǔn)直作用進(jìn)入拉曼探頭。在拉曼探頭內(nèi)，瑞利散射光被濾除，拉曼散射光 信號(hào)經(jīng)過光譜儀模塊的分光作用以后，通過光電探測(cè)器記錄拉曼信號(hào)，再經(jīng)過電子控制部 分的控制采集電路、控制/顯示模塊和輸入/輸出端口的處理獲得拉曼散射光信號(hào)數(shù)據(jù)。本 發(fā)明將拉曼激光器、鏡頭和濾波系統(tǒng)集成為一個(gè)整體模塊，作為探頭光路模塊I ;將光譜儀 模塊和光電探測(cè)器集成為一個(gè)整體模塊，作為分光光路模塊2。通過集成化的模塊系統(tǒng)，使 用較少的光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能良好，是一種非常合適的光譜儀微型化的解決方案，而 且光路調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，成本低，適合批量生產(chǎn)。
如圖2所示，為本發(fā)明微型拉曼光譜儀中分光光路模塊2的一種具體實(shí)施方式
，該分光光路模塊2集成有入射狹縫201、凹面全息反射光柵202和CXD探測(cè)器203，該CXD探 測(cè)器203位于凹面全息反射光柵202的焦平面上；入射狹縫201與CXD探測(cè)器203分別處 于分光光路的共軛面上。本實(shí)施例中，根據(jù)具體的光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一機(jī)械模具204,直接將 入射狹縫201、凹面全息反射光柵202和CXD探測(cè)器203固定到該機(jī)械模具204的相應(yīng)位 置，該結(jié)構(gòu)的光譜儀調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，有利于提高系統(tǒng)的可靠性，適合批量化生產(chǎn)。在光譜儀中，信 號(hào)光通過入射狹縫201照射到凹面全息反射光柵202上，經(jīng)過凹面全息反射光柵202的色 散和聚光作用后，被處于凹面全息反射光柵202的焦平面上的CCD探測(cè)器203接收。入射 狹縫201和CCD探測(cè)器203為關(guān)于分光系統(tǒng)的一對(duì)共軛面。由于凹面全息反射光柵202同 時(shí)具有衍射分光和聚焦成像的作用，在整個(gè)光路系統(tǒng)中只使用了這一個(gè)光學(xué)元件，這對(duì)于 減少系統(tǒng)的雜散光非常有利，并且光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高了微型拉曼光譜儀的性能。
為了使系統(tǒng)進(jìn)一步微型化，還可以在光路中加入一反射鏡，對(duì)凹面全息反射光柵 202聚焦成像的光路進(jìn)行折疊，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，進(jìn)一步縮小分光系統(tǒng)的體積。
如圖3所示，為本發(fā)明微型拉曼光譜儀中分光光路模塊2的另一種具體實(shí)施方式
， 同樣集成有入射狹縫211、凹面全息反射光柵212和CXD探測(cè)器214，還加入一反射鏡213對(duì) 成像光路進(jìn)行折疊，進(jìn)一步縮小分光系統(tǒng)的體積；該CCD探測(cè)器214位于凹面全息反射光柵 212的焦平面上；入射狹縫211與CCD探測(cè)器214分別處于分光光路的共軛面上。本實(shí)施例 中，將入射狹縫211、凹面全息反射光柵212和反射鏡213加工在一棱鏡結(jié)構(gòu)215上，將CXD 探測(cè)器214貼在凹面全息反射光柵212的焦平面處。其光路原理同圖2所示的光路一致， 只是在聚焦成像光路中利用反射鏡折疊光路，以進(jìn)一步縮小系統(tǒng)體積。該結(jié)構(gòu)可以通過優(yōu) 化棱鏡結(jié)構(gòu)215的角度使光路經(jīng)過一次或者多次的反射，從而在不降低系統(tǒng)的分辨率的情 況下大幅壓縮光路系統(tǒng)的體積，而且該結(jié)構(gòu)為整體式的模塊化設(shè)計(jì)，增加了系統(tǒng)的可靠性， 通過采用高精度的棱鏡結(jié)構(gòu)215，系統(tǒng)裝配時(shí)只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的位置調(diào)節(jié)，適合用于批量化生 產(chǎn)。
圖3中的棱鏡結(jié)構(gòu)215可以采用實(shí)心的光學(xué)棱鏡，也可以采用多片反射鏡膠合而 成的中空結(jié)構(gòu)。如果凹面全息反射光柵214的次級(jí)衍射光也在棱鏡結(jié)構(gòu)215內(nèi)部多次內(nèi)反 射，將極大的影響系統(tǒng)的信噪比，為此，可以通過調(diào)節(jié)主級(jí)衍射和次級(jí)衍射的角度，并將棱 鏡結(jié)構(gòu)215對(duì)應(yīng)于凹面全息反射光柵212的次級(jí)衍射光的反射面處鍍?cè)鐾改?，這樣便可降 低次級(jí)衍射光的干擾。如果該棱鏡結(jié)構(gòu)215采用的是多片反射鏡膠合而成的中空結(jié)構(gòu)，則 只需在次級(jí)衍射光的角度方向上不設(shè)置反射鏡即可；或者，也可以在該次級(jí)衍射光的反射 面處鍍?cè)鐾改ぁ?br> 圖4為本發(fā)明微型拉曼光譜儀中探頭光路模塊I的一種具體實(shí)施方式
，為一集成 有激光器101的準(zhǔn)直濾波系統(tǒng)，該準(zhǔn)直濾波系統(tǒng)還包括一準(zhǔn)直系統(tǒng)102、45° 二向色鏡103、 長(zhǎng)波通濾波片105、信號(hào)收集透鏡104和聚焦透鏡106 ;該45° 二向色鏡103反射激光器101 發(fā)射的光，透射其他波長(zhǎng)的光；激光器101發(fā)射的光經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)102準(zhǔn)直后照射到45° 二 向色鏡103上，由45° 二向色鏡103反射后經(jīng)信號(hào)收集透鏡104聚焦后照射到待測(cè)樣品上； 激發(fā)出的拉曼信號(hào)光經(jīng)信號(hào)收集透鏡104聚焦收集后透過45° 二向色鏡103和長(zhǎng)波通濾波 片105后,經(jīng)聚焦透鏡106會(huì)聚進(jìn)入分光光路模塊2,作為分光光路模塊2的輸入信號(hào)。本 實(shí)施例選用的激光器101為TO封裝的785nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器，該45° 二向色鏡103對(duì) 其發(fā)射的785nm波長(zhǎng)的激光的反射率> 98%，對(duì)于其它波長(zhǎng)光的透射率> 94%。該系統(tǒng)中，散射信號(hào)光經(jīng)過45° 二向色鏡103和長(zhǎng)波通濾波片105的兩次濾波，能夠比較徹底的濾除 了由于漫反射而被信號(hào)收集透鏡104收集的激光信號(hào)和激發(fā)樣品產(chǎn)生的瑞利散射光信號(hào)， 使得經(jīng)過該系統(tǒng)得到的拉曼信號(hào)具有比較高的信噪比。該結(jié)構(gòu)將拉曼信號(hào)的激發(fā)光源與探 頭系統(tǒng)集成到一個(gè)模塊中，進(jìn)一步縮小光譜儀的整體體積，結(jié)構(gòu)更加緊湊、輕便，有望應(yīng)用 于現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)和生活中。
盡管結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明 白，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)本發(fā) 明做出的各種變化，均為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種微型拉曼光譜儀，包括探頭光路模塊、分光光路模塊和電子控制部分，其特征在于所述探頭光路模塊為一集成有激光器的準(zhǔn)直濾波系統(tǒng)；所述分光光路模塊集成有入射狹縫、凹面全息反射光柵和CCD探測(cè)器，所述CCD探測(cè)器位于凹面全息反射光柵的焦平面上；所述入射狹縫與CCD探測(cè)器分別處于分光光路的共軛面上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種微型拉曼光譜儀，其特征在于所述分光光路模塊還包括用于折疊光路的反射鏡。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種微型拉曼光譜儀，其特征在于所述分光光路模塊還包括一機(jī)械模具，入射狹縫、凹面全息反射光柵和CCD探測(cè)器固定于機(jī)械模具的相應(yīng)位置。
4.如權(quán)利要求1或2所述的一種微型拉曼光譜儀，其特征在于所述分光光路模塊為一棱鏡結(jié)構(gòu)，所述入射狹縫、凹面全息反射光柵和反射鏡加工于該棱鏡結(jié)構(gòu)上，所述CCD探測(cè)器貼于凹面全息反射光柵的焦平面上。
5.如權(quán)利要求4所述的一種微型拉曼光譜儀，其特征在于所述棱鏡結(jié)構(gòu)為一實(shí)心棱鏡。
6.如權(quán)利要求5所述的一種微型拉曼光譜儀,其特征在于信號(hào)光在所述實(shí)心棱鏡內(nèi)多次反射，該實(shí)心棱鏡對(duì)應(yīng)于凹面全息反射光柵的次級(jí)衍射光的反射面處鍍?cè)鐾改ぁ?br> 7.如權(quán)利要求4所述的一種微型拉曼光譜儀，其特征在于所述棱鏡結(jié)構(gòu)為多片反射鏡膠合的中空結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求7所述的一種微型拉曼光譜儀，其特征在于信號(hào)光在所述中空結(jié)構(gòu)內(nèi)多次反射，該中空結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于凹面全息反射光柵的次級(jí)衍射光的角度方向上不設(shè)置反射鏡，或者在該次級(jí)衍射光的反射面處鍍?cè)鐾改ぁ?br> 9.如權(quán)利要求1所述的一種微型拉曼光譜儀，其特征在于所述準(zhǔn)直濾波系統(tǒng)還包括一準(zhǔn)直系統(tǒng)、45° 二向色鏡、長(zhǎng)波通濾波片、信號(hào)收集透鏡和聚焦透鏡；所述45° 二向色鏡反射激光器發(fā)射的光，透射其他波長(zhǎng)的光；所述激光器發(fā)射的光經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直后照射到45° 二向色鏡上，由45° 二向色鏡反射后經(jīng)信號(hào)收集透鏡聚焦后照射到待測(cè)樣品上；激發(fā)出的拉曼信號(hào)光經(jīng)信號(hào)收集透鏡聚焦收集后透過45° 二向色鏡和長(zhǎng)波通濾波片后，經(jīng)聚焦透鏡會(huì)聚進(jìn)入分光光路模塊。
10.如權(quán)利要求1或9所述的一種微型拉曼光譜儀，其特征在于所述激光器為TO封裝的785nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微型拉曼光譜儀，包括探頭光路模塊、分光光路模塊和電子控制部分，所述探頭光路模塊為一集成有激光器的準(zhǔn)直濾波系統(tǒng)；所述分光光路模塊集成有入射狹縫、凹面全息反射光柵和CCD探測(cè)器，所述CCD探測(cè)器位于凹面全息反射光柵的焦平面上；所述入射狹縫與CCD探測(cè)器分別處于分光光路的共軛面上。該結(jié)構(gòu)基于平場(chǎng)凹面全息反射光柵分光，采用反射鏡將光路折疊，并將拉曼信號(hào)的激發(fā)光源與整個(gè)準(zhǔn)直濾波系統(tǒng)集成在一個(gè)模塊中，在保持較高的光譜分辨率的情況下進(jìn)一步縮小了光路的體積；根據(jù)實(shí)際光路的特點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，方便了光路的調(diào)節(jié)，增加了系統(tǒng)的可靠性，適合批量化生產(chǎn)；具有體積小、攜帶方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/01GK102998295SQ20111026667
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月9日
發(fā)明者林志強(qiáng), 吳礪, 林磊, 李俊梅, 代會(huì)娜, 任策, 劉鴻飛 申請(qǐng)人:福州高意光學(xué)有限公司