专利名称：一种微型拉曼光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学检测仪器领域，尤其涉及一种微型拉曼光谱仪。
背景技术：
拉曼光谱反映了分子结构中原子的振动特征，被称为分子的指纹光谱。拉曼检测 技术作为一种无与伦比的、有力的分析手段，具有无损测量、检测速度快、制样简单、可实现 现场检测等优点，有望应用于现实的生产和生活中。但是，由于拉曼散射的强度很弱，其强 度是瑞利散射光强度的10_卜10_3倍，因此，拉曼光谱仪的结构一般比较复杂，并且价格昂 贵，动辄百万人民币，这些阻碍了拉曼光谱在实际检测中的应用，拉曼光谱仪器的小型化和 简单化将是未来的发展方向。
如图1为拉曼光谱仪的工作原理图，各模块按实现的功能可分为获取拉曼信号 的探头光路模块1、分光光路模块2和电子控制部分。拉曼光谱仪的体积主要由探头光路模 块I和分光光路模块2决定，因此，拉曼光谱仪的微型化问题主要是解决这两个光路模块的 微型化问题。
目前，采用光栅分光的微型拉曼光谱仪得到了一定的发展，较传统的拉曼光谱仪， 微型拉曼光谱仪需要解决微型化和集成化的问题。微型化的拉曼光谱仪在工作原理上与传 统的光谱仪相同，所以无论以何种形式实现微型化，系统都必须包含拉曼光谱仪的基本组 成。一般而言，系统的微型化有两种途径第一，将各部分集成加工，仅利用一个或较少的元 件来实现所有的功能；第二，采用微型化的元件和系统结构来实现整体系统的微型化。本发 明结合这两种途径的特点，实现光谱仪的微型化设计。发明内容
为克服上述问题，本发明提出一种体积小、携带方便、成本低的微型拉曼光谱仪， 可广泛应用于食品安全检查、生物医疗、宝石鉴定、文物鉴定、刑事鉴定、公共安全、地质探 矿、材料科学和环境监测等领域。
为达到上述目的，本发明所提出的技术方案为一种微型拉曼光谱仪，包括探头光 路模块、分光光路模块和电子控制部分，所述探头光路模块为一集成有激光器的准直滤波 系统；所述分光光路模块集成有入射狭缝、凹面全息反射光栅和CCD探测器，所述CCD探测 器位于凹面全息反射光栅的焦平面上；所述入射狭缝与CCD探测器分别处于分光光路的共 轭面上。
进一步的，所述分光光路模块还包括用于折叠光路的反射镜。
进一步的，所述分光光路模块还包括一机械模具，入射狭缝、凹面全息反射光栅和 CCD探测器固定于机械模具的相应位置；或者，该分光光路模块为一棱镜结构，所述入射狭 缝、凹面全息反射光栅和反射镜加工于该棱镜结构上，所述CCD探测器贴于凹面全息反射 光栅的焦平面上。
进一步的，所述棱镜结构为一实心棱镜，或者为多片反射镜胶合的中空结构。
进一步的，信号光在所述实心棱镜内多次反射，该实心棱镜对应于凹面全息反射 光栅的次级衍射光的反射面处镀增透膜。或者，信号光在所述中空结构内多次反射，该中空 结构对应于凹面全息反射光栅的次级衍射光的角度方向上不设置反射镜，或者在该次级衍 射光的反射面处镀增透膜。
进一步的，所述准直滤波系统还包括一准直系统、45° 二向色镜、长波通滤波片、 信号收集透镜和聚焦透镜；所述45° 二向色镜反射激光器发射的光，透射其他波长的光； 所述激光器发射的光经准直系统准直后照射到45° 二向色镜上，由45° 二向色镜反射后 经信号收集透镜聚焦后照射到待测样品上；激发出的拉曼信号光经信号收集透镜聚焦收集 后透过45° 二向色镜和长波通滤波片后，经聚焦透镜会聚进入分光光路模块。
优选的，所述激光器为TO封装的785nm波长的半导体激光器。
本发明的有益效果本发明的一种微型拉曼光谱仪，基于平场凹面全息反射光栅 分光，采用反射镜将光路折叠，并将拉曼信号的激发光源与整个准直滤波系统集成在一个 模块中，在保持较高的光谱分辨率的情况下进一步缩小了光路的体积；根据实际光路的特 点采用模块化设计，方便了光路的调节，增加了系统的可靠性，适合批量化生产；具有体积 小、携带方便、成本低等优点。


图1为本发明中拉曼光谱仪的结构原理图；图2为本发明的拉曼光谱仪的分光光路模块示意图；图3为本发明的拉曼光谱仪中光路折叠的分光光路模块示意图；图4为本发明的拉曼光谱仪的探头光路模块示意图。
标号说明1.探头光路模块；101.激光器；102.准直系统；103.45° 二向色镜；104.信号收集透镜；105.长波通滤波片；106.聚焦透镜；2.分光光路模块；201.入射狭缝；202.凹面全息反射光栅；203. C⑶探 测器；204.机械模具；211.入射狭缝；212.凹面全息反射光栅；213.反射镜；214. C⑶探测 器；215.棱镜结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
，对本发明做进一步说明。
本发明的一种微型拉曼光谱仪的工作原理同传统拉曼光谱仪相同，如图1所示， 由拉曼激光器发射的激光经镜头聚焦到样品上，从样品发射的拉曼散射光信号和瑞利散射 光信号通过镜头的准直作用进入拉曼探头。在拉曼探头内，瑞利散射光被滤除，拉曼散射光 信号经过光谱仪模块的分光作用以后，通过光电探测器记录拉曼信号，再经过电子控制部 分的控制采集电路、控制/显示模块和输入/输出端口的处理获得拉曼散射光信号数据。本 发明将拉曼激光器、镜头和滤波系统集成为一个整体模块，作为探头光路模块I ;将光谱仪 模块和光电探测器集成为一个整体模块，作为分光光路模块2。通过集成化的模块系统，使 用较少的光学元件，结构简单，性能良好，是一种非常合适的光谱仪微型化的解决方案，而 且光路调节简单，成本低，适合批量生产。
如图2所示，为本发明微型拉曼光谱仪中分光光路模块2的一种具体实施方式
，该分光光路模块2集成有入射狭缝201、凹面全息反射光栅202和CXD探测器203，该CXD探 测器203位于凹面全息反射光栅202的焦平面上；入射狭缝201与CXD探测器203分别处 于分光光路的共轭面上。本实施例中，根据具体的光路结构设计有一机械模具204,直接将 入射狭缝201、凹面全息反射光栅202和CXD探测器203固定到该机械模具204的相应位 置，该结构的光谱仪调节简单，有利于提高系统的可靠性，适合批量化生产。在光谱仪中，信 号光通过入射狭缝201照射到凹面全息反射光栅202上，经过凹面全息反射光栅202的色 散和聚光作用后，被处于凹面全息反射光栅202的焦平面上的CCD探测器203接收。入射 狭缝201和CCD探测器203为关于分光系统的一对共轭面。由于凹面全息反射光栅202同 时具有衍射分光和聚焦成像的作用，在整个光路系统中只使用了这一个光学元件，这对于 减少系统的杂散光非常有利，并且光路结构简单，提高了微型拉曼光谱仪的性能。
为了使系统进一步微型化，还可以在光路中加入一反射镜，对凹面全息反射光栅 202聚焦成像的光路进行折叠，使结构更加紧凑，进一步缩小分光系统的体积。
如图3所示，为本发明微型拉曼光谱仪中分光光路模块2的另一种具体实施方式
， 同样集成有入射狭缝211、凹面全息反射光栅212和CXD探测器214，还加入一反射镜213对 成像光路进行折叠，进一步缩小分光系统的体积；该CCD探测器214位于凹面全息反射光栅 212的焦平面上；入射狭缝211与CCD探测器214分别处于分光光路的共轭面上。本实施例 中，将入射狭缝211、凹面全息反射光栅212和反射镜213加工在一棱镜结构215上，将CXD 探测器214贴在凹面全息反射光栅212的焦平面处。其光路原理同图2所示的光路一致， 只是在聚焦成像光路中利用反射镜折叠光路，以进一步缩小系统体积。该结构可以通过优 化棱镜结构215的角度使光路经过一次或者多次的反射，从而在不降低系统的分辨率的情 况下大幅压缩光路系统的体积，而且该结构为整体式的模块化设计，增加了系统的可靠性， 通过采用高精度的棱镜结构215，系统装配时只需进行简单的位置调节，适合用于批量化生 产。
图3中的棱镜结构215可以采用实心的光学棱镜，也可以采用多片反射镜胶合而 成的中空结构。如果凹面全息反射光栅214的次级衍射光也在棱镜结构215内部多次内反 射，将极大的影响系统的信噪比，为此，可以通过调节主级衍射和次级衍射的角度，并将棱 镜结构215对应于凹面全息反射光栅212的次级衍射光的反射面处镀增透膜，这样便可降 低次级衍射光的干扰。如果该棱镜结构215采用的是多片反射镜胶合而成的中空结构，则 只需在次级衍射光的角度方向上不设置反射镜即可；或者，也可以在该次级衍射光的反射 面处镀增透膜。
图4为本发明微型拉曼光谱仪中探头光路模块I的一种具体实施方式
，为一集成 有激光器101的准直滤波系统，该准直滤波系统还包括一准直系统102、45° 二向色镜103、 长波通滤波片105、信号收集透镜104和聚焦透镜106 ;该45° 二向色镜103反射激光器101 发射的光，透射其他波长的光；激光器101发射的光经准直系统102准直后照射到45° 二 向色镜103上，由45° 二向色镜103反射后经信号收集透镜104聚焦后照射到待测样品上； 激发出的拉曼信号光经信号收集透镜104聚焦收集后透过45° 二向色镜103和长波通滤波 片105后,经聚焦透镜106会聚进入分光光路模块2,作为分光光路模块2的输入信号。本 实施例选用的激光器101为TO封装的785nm波长的半导体激光器，该45° 二向色镜103对 其发射的785nm波长的激光的反射率> 98%，对于其它波长光的透射率> 94%。该系统中，散射信号光经过45° 二向色镜103和长波通滤波片105的两次滤波，能够比较彻底的滤除 了由于漫反射而被信号收集透镜104收集的激光信号和激发样品产生的瑞利散射光信号， 使得经过该系统得到的拉曼信号具有比较高的信噪比。该结构将拉曼信号的激发光源与探 头系统集成到一个模块中，进一步缩小光谱仪的整体体积，结构更加紧凑、轻便，有望应用 于现实的生产和生活中。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明 白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发 明做出的各种变化，均为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种微型拉曼光谱仪，包括探头光路模块、分光光路模块和电子控制部分，其特征在于所述探头光路模块为一集成有激光器的准直滤波系统；所述分光光路模块集成有入射狭缝、凹面全息反射光栅和CCD探测器，所述CCD探测器位于凹面全息反射光栅的焦平面上；所述入射狭缝与CCD探测器分别处于分光光路的共轭面上。
2.如权利要求1所述的一种微型拉曼光谱仪，其特征在于所述分光光路模块还包括用于折叠光路的反射镜。
3.如权利要求1或2所述的一种微型拉曼光谱仪，其特征在于所述分光光路模块还包括一机械模具，入射狭缝、凹面全息反射光栅和CCD探测器固定于机械模具的相应位置。
4.如权利要求1或2所述的一种微型拉曼光谱仪，其特征在于所述分光光路模块为一棱镜结构，所述入射狭缝、凹面全息反射光栅和反射镜加工于该棱镜结构上，所述CCD探测器贴于凹面全息反射光栅的焦平面上。
5.如权利要求4所述的一种微型拉曼光谱仪，其特征在于所述棱镜结构为一实心棱镜。
6.如权利要求5所述的一种微型拉曼光谱仪,其特征在于信号光在所述实心棱镜内多次反射，该实心棱镜对应于凹面全息反射光栅的次级衍射光的反射面处镀增透膜。
7.如权利要求4所述的一种微型拉曼光谱仪，其特征在于所述棱镜结构为多片反射镜胶合的中空结构。
8.如权利要求7所述的一种微型拉曼光谱仪，其特征在于信号光在所述中空结构内多次反射，该中空结构对应于凹面全息反射光栅的次级衍射光的角度方向上不设置反射镜，或者在该次级衍射光的反射面处镀增透膜。
9.如权利要求1所述的一种微型拉曼光谱仪，其特征在于所述准直滤波系统还包括一准直系统、45° 二向色镜、长波通滤波片、信号收集透镜和聚焦透镜；所述45° 二向色镜反射激光器发射的光，透射其他波长的光；所述激光器发射的光经准直系统准直后照射到45° 二向色镜上，由45° 二向色镜反射后经信号收集透镜聚焦后照射到待测样品上；激发出的拉曼信号光经信号收集透镜聚焦收集后透过45° 二向色镜和长波通滤波片后，经聚焦透镜会聚进入分光光路模块。
10.如权利要求1或9所述的一种微型拉曼光谱仪，其特征在于所述激光器为TO封装的785nm波长的半导体激光器。
全文摘要
本发明公开了一种微型拉曼光谱仪，包括探头光路模块、分光光路模块和电子控制部分，所述探头光路模块为一集成有激光器的准直滤波系统；所述分光光路模块集成有入射狭缝、凹面全息反射光栅和CCD探测器，所述CCD探测器位于凹面全息反射光栅的焦平面上；所述入射狭缝与CCD探测器分别处于分光光路的共轭面上。该结构基于平场凹面全息反射光栅分光，采用反射镜将光路折叠，并将拉曼信号的激发光源与整个准直滤波系统集成在一个模块中，在保持较高的光谱分辨率的情况下进一步缩小了光路的体积；根据实际光路的特点采用模块化设计，方便了光路的调节，增加了系统的可靠性，适合批量化生产；具有体积小、携带方便、成本低等优点。
文档编号G01N21/01GK102998295SQ20111026667
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月9日 优先权日2011年9月9日
发明者林志强, 吴砺, 林磊, 李俊梅, 代会娜, 任策, 刘鸿飞 申请人:福州高意光学有限公司