拉曼信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)以及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種拉曼信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)以及方法，所述系統(tǒng)包括拉曼探頭、數(shù)控位移樣品臺(tái)、控制器；所述拉曼探頭安裝于數(shù)控位移樣品臺(tái)上，拉曼探頭與數(shù)控位移樣品臺(tái)可相對(duì)移動(dòng)，所述拉曼探頭的信號(hào)輸出側(cè)設(shè)有光強(qiáng)探測(cè)單元；所述光強(qiáng)探測(cè)單元的輸出端連接至控制器，控制器驅(qū)動(dòng)數(shù)控位移樣品臺(tái)改變測(cè)量距離，根據(jù)所述光強(qiáng)探測(cè)單元輸出信號(hào)的變化判斷測(cè)量距離是否最佳。所述拉曼探頭包括第一透鏡、第一濾光片、第二濾光片、第四透鏡、第三濾光片、第四濾光片、第二透鏡、光強(qiáng)探測(cè)單元。本發(fā)明能夠使測(cè)得的拉曼信號(hào)最大化且穩(wěn)定，本發(fā)明特別適合于固體樣品測(cè)量。對(duì)表面粗糙不平的樣品進(jìn)行直接檢測(cè)，而不需要樣品前處理。
【專(zhuān)利說(shuō)明】拉曼信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)以及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)機(jī)械、儀器學(xué)領(lǐng)域，具體地，涉及一種可以調(diào)整測(cè)量距離到最佳狀態(tài)的拉曼探頭，以及在激光拉曼光譜測(cè)量或拉曼光譜儀中使用的拉曼信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)與方法。

【背景技術(shù)】
[0002]便攜式拉曼光譜儀具有體積小、速度快、現(xiàn)場(chǎng)化等優(yōu)點(diǎn)，在藥品、食品安全、安檢等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。便攜式拉曼光譜儀一般由小型半導(dǎo)體激光器、拉曼光纖探頭、光譜儀及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。其中，拉曼探頭的功能主要有兩方面，一方面將激光高效傳導(dǎo)并聚焦于待檢測(cè)樣品，另一方面高效收集和過(guò)濾拉曼散射信號(hào)并將其傳導(dǎo)至光譜儀。
[0003]拉曼光譜的激發(fā)效率與激光線寬以及能量密度等有關(guān)。為了獲得較強(qiáng)的拉曼信號(hào)，需要將激光精確地對(duì)準(zhǔn)聚焦于被測(cè)樣品以獲得較高的激光能量密度。因此，在大型拉曼測(cè)量系統(tǒng)中都配置了顯微聚焦系統(tǒng)，操作人員借助顯微圖像進(jìn)行人工對(duì)焦。目前，商品化便攜式拉曼光譜儀系統(tǒng)因體積限制一般不含顯微聚焦系統(tǒng)，而拉曼光纖探頭僅能通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)的方式對(duì)焦，操作麻煩，無(wú)法精確對(duì)焦，導(dǎo)致拉曼強(qiáng)度減弱，信號(hào)不穩(wěn)定等等。
[0004]商品化的一種固定距離探頭通過(guò)在探頭前加裝固定長(zhǎng)度套筒來(lái)固定測(cè)量距離從而確保合適的距離的新型探頭。這種探頭在一定程度上簡(jiǎn)化了對(duì)焦操作過(guò)程，但使用這種探頭進(jìn)行測(cè)量時(shí)，套筒必須與樣品進(jìn)行接觸，如果樣品表面不平整，將不能精確聚焦。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)量距離使收集到的拉曼信號(hào)最大化的拉曼探頭、拉曼信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)以及方法。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種拉曼探頭，所述拉曼探頭包括第一透鏡、第一濾光片、第二濾光片、第四透鏡、第三濾光片、第四濾光片、第二透鏡、光強(qiáng)探測(cè)單元；其中:激光從光纖傳導(dǎo)進(jìn)入拉曼探頭后，由第一透鏡將其變成平行光，然后經(jīng)過(guò)第一濾光片對(duì)光譜進(jìn)行純化處理，再經(jīng)過(guò)第二濾光片透射，最后由第四透鏡將激光聚焦于被測(cè)樣品；被測(cè)樣品被激光激發(fā)后發(fā)生拉曼散射，散射光和反射光反方向進(jìn)入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光經(jīng)過(guò)由第二濾光片及第四濾光片構(gòu)成的鏡片組，再經(jīng)由第二透鏡會(huì)聚耦合進(jìn)入光纖，非拉曼信號(hào)光由第二濾光片及第四濾光片構(gòu)成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達(dá)第二透鏡，其中被樣品反射回來(lái)的激光由第二濾光片低反射，第三濾光片高透射，進(jìn)入光強(qiáng)探測(cè)單元；
[0007]所述光強(qiáng)探測(cè)單元包括:第三透鏡、小孔以及光電轉(zhuǎn)換器件，所述小孔處于第三透鏡的焦點(diǎn)處；第三濾光片透射的激光經(jīng)第三透鏡聚焦，會(huì)聚后再經(jīng)過(guò)小孔，通過(guò)小孔照射在光電轉(zhuǎn)換器件上，被光電探測(cè)器件接收探測(cè)。
[0008]優(yōu)選地，所述第二濾光片、所述第三濾光片平行設(shè)置且與光路成45°，所述第二第三濾光片為45° 二色鏡，第二、第三濾光片的作用是高透射激光而高反射拉曼光。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供第二種拉曼探頭，所述拉曼探頭包括第一透鏡、第一濾光片、第二濾光片、第四透鏡、第三濾光片、第四濾光片、第二透鏡、光強(qiáng)探測(cè)單元；其中:激光從光纖傳導(dǎo)進(jìn)入拉曼探頭后，由第一透鏡將其變成平行光，然后經(jīng)過(guò)第一濾光片對(duì)光譜進(jìn)行純化處理，再依次經(jīng)過(guò)與平行光呈45°設(shè)置的第二濾光片反射、最后由第四透鏡將激光聚焦于被測(cè)樣品；被測(cè)樣品被激光激發(fā)后發(fā)生拉曼散射，散射光和反射光反方向進(jìn)入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光透過(guò)第二濾光片，由第三濾光片反射，經(jīng)過(guò)與光路垂直的第四濾光片，再經(jīng)由第二透鏡會(huì)聚耦合進(jìn)入光纖，非拉曼信號(hào)光由第三濾光片及第四濾光片構(gòu)成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達(dá)第二透鏡，其中被樣品反射回來(lái)的激光由第二濾光片透射和第三濾光片透射，進(jìn)入光強(qiáng)探測(cè)單元；
[0010]所述光強(qiáng)探測(cè)單元包括:第三透鏡、小孔以及光電轉(zhuǎn)換器件，所述小孔處于第三透鏡的焦點(diǎn)處；第三濾光片透射的激光經(jīng)第三透鏡聚焦，會(huì)聚后再經(jīng)過(guò)小孔，通過(guò)小孔照射在光電轉(zhuǎn)換器件上，被光電探測(cè)器件接收探測(cè)。
[0011]所述第二濾光片、所述第三濾光片平行設(shè)置且與光路成45°，所述第二濾光片和第三濾光片為45° 二色鏡,第二濾光片反射激光而透射拉曼光,第三濾光片透射激光而反射拉曼光。
[0012]上述拉曼探頭，當(dāng)被測(cè)樣品不在所述拉曼探頭的焦點(diǎn)處時(shí)，激光將通過(guò)光路會(huì)聚于小孔的前方或后方處，僅小部分光能通過(guò)小孔，樣品離焦點(diǎn)越遠(yuǎn)，能通過(guò)小孔的反射光越少；僅當(dāng)激光光斑正好聚焦于物體上時(shí)，反射的激光的光斑將通過(guò)光路會(huì)聚于小孔，幾乎全部的反射光能將通過(guò)小孔，光電轉(zhuǎn)換器件接收到的光強(qiáng)信號(hào)最大。由于小孔的空間選擇性，在對(duì)焦?fàn)顟B(tài)下，大部分能量能夠通過(guò)小孔，此時(shí)光電轉(zhuǎn)換器件得到光強(qiáng)最大。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種上述拉曼探頭組成的可自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)量距離到最佳狀態(tài)的拉曼信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)，包括拉曼探頭、數(shù)控位移樣品臺(tái)、控制器；所述拉曼探頭安裝于數(shù)控位移樣品臺(tái)上，拉曼探頭與數(shù)控位移樣品臺(tái)可相對(duì)移動(dòng)，所述拉曼探頭的信號(hào)輸出側(cè)設(shè)有光強(qiáng)探測(cè)單元；所述光強(qiáng)探測(cè)單元的輸出端連接至控制器，控制器驅(qū)動(dòng)數(shù)控位移樣品臺(tái)改變測(cè)量距離，根據(jù)所述光強(qiáng)探測(cè)單元輸出信號(hào)的變化判斷測(cè)量距離是否最佳。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種拉曼信號(hào)探測(cè)方法，所述方法步驟如下:
[0015]a)將待測(cè)樣品置于數(shù)控位移樣品臺(tái)上；
[0016]b)將拉曼探頭置于數(shù)控位移樣品臺(tái)上方大于拉曼探頭焦距處；
[0017]c)打開(kāi)激光器輸出一激光，經(jīng)光纖進(jìn)入拉曼探頭，由第一透鏡將其變成平行光，然后經(jīng)過(guò)第一濾光片對(duì)光譜進(jìn)行純化處理，再經(jīng)過(guò)第二濾光片透射，最后由第四透鏡將激光聚焦于被測(cè)樣品；
[0018]d)被測(cè)樣品被激光激發(fā)后發(fā)生拉曼散射，散射光和反射光反方向進(jìn)入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光經(jīng)過(guò)由第三濾光片及第四濾光片構(gòu)成的鏡片組，再經(jīng)由第二透鏡會(huì)聚耦合進(jìn)入光纖；非拉曼信號(hào)光由第三濾光片及第四濾光片構(gòu)成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達(dá)第二透鏡，其中被樣品反射回來(lái)的激光由第三濾光片透射后進(jìn)入光強(qiáng)探測(cè)單元；
[0019]e)光強(qiáng)探測(cè)單元將信號(hào)輸出到控制器，經(jīng)控制器控制數(shù)控位移樣品臺(tái)移動(dòng)，直至收集到的信號(hào)最大，完成對(duì)焦。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供另一種可自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)量距離到最佳狀態(tài)的拉曼信號(hào)探測(cè)方法，所述方法步驟如下:
[0021]a)將待測(cè)樣品置于數(shù)控位移樣品臺(tái)上；
[0022]b)將拉曼探頭置于數(shù)控位移樣品臺(tái)上方大于拉曼探頭焦距處；
[0023]c)打開(kāi)激光器輸出一激光，經(jīng)光纖進(jìn)入拉曼探頭，由第一透鏡將其變成平行光，然后經(jīng)過(guò)第一濾光片對(duì)光譜進(jìn)行純化處理，再經(jīng)過(guò)第二濾光片反射，最后由第四透鏡將激光聚焦于被測(cè)樣品；
[0024]d)被測(cè)樣品被激光激發(fā)后發(fā)生拉曼散射，散射光和反射光反方向進(jìn)入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光由第二濾光片透射，經(jīng)第三濾光片及第四濾光片構(gòu)成的鏡片組，再經(jīng)由第二透鏡會(huì)聚耦合進(jìn)入光纖；非拉曼信號(hào)光由第三濾光片及第四濾光片構(gòu)成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達(dá)第二透鏡，其中被樣品反射回來(lái)的激光由第二濾光片低透射再經(jīng)第三濾光片高透射后進(jìn)入光強(qiáng)探測(cè)單元；
[0025]e)光強(qiáng)探測(cè)單元將信號(hào)輸出到控制器，經(jīng)控制器控制數(shù)控位移樣品臺(tái)移動(dòng)，直至收集到的信號(hào)最大。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0027]本發(fā)明中的技術(shù)創(chuàng)新避免了人為手動(dòng)操作，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)量距離到最佳狀態(tài)，使拉曼信號(hào)最大化且穩(wěn)定；對(duì)比于現(xiàn)有商品化的增加固定距離套筒的探頭，本發(fā)明技術(shù)可對(duì)表面粗糙不平的樣品進(jìn)行直接檢測(cè)，而不需要樣品前處理。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0029]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例可自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)量距離到最佳狀態(tài)的拉曼探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明另一實(shí)施例可自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)量距離到最佳狀態(tài)的拉曼探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖3為本發(fā)明一實(shí)施例中位移調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)流程圖；
[0032]圖4為拉曼探頭與樣品之間的距離與測(cè)得的拉曼信號(hào)強(qiáng)度及光強(qiáng)的關(guān)系曲線；
[0033]圖中:100為拉曼探頭，200為數(shù)控位移樣品臺(tái)，300為控制器；1為光纖，2為第一透鏡，3為第一濾光片，5為第四透鏡，6’、6”為第二濾光片，7’、7”為第三濾光片，8為第四濾光片，9為第二透鏡，10為光強(qiáng)探測(cè)單元，11為樣品，12為樣品臺(tái)，13為控制器，14為第三透鏡，15為小孔,16為光電探測(cè)器件。

【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0035]如圖1所示，在本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施方式中，可自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)量距離到最佳狀態(tài)的拉曼探測(cè)裝置包括拉曼探頭100，數(shù)控位移樣品臺(tái)200，控制器300 ;所述拉曼探頭100安裝于數(shù)控位移樣品臺(tái)200上，拉曼探頭100與數(shù)控位移樣品臺(tái)200可相對(duì)移動(dòng)。
[0036]其中所述的拉曼探頭100包括第一透鏡、第一濾光片、第二濾光片、第四透鏡、第三濾光片、第四濾光片、第二透鏡、光強(qiáng)探測(cè)單元。
[0037]圖中:由第一透鏡2、第一濾光片3、第二濾光片6’、作為激光聚焦用的第四透鏡5構(gòu)成的傳導(dǎo)激光組件一，由作為拉曼光收集用的第四透鏡5、第二濾光片6’、第三濾光片7’、第四濾光片8、第二透鏡9構(gòu)成的傳導(dǎo)拉曼光及抑制雜散光組件二，由作為激光準(zhǔn)直用的第四透鏡5、第二濾光片6’、第三濾光片7’、光強(qiáng)探測(cè)單元10構(gòu)成的激光自動(dòng)測(cè)距對(duì)焦組件三。組件一、組件二和組件三構(gòu)成拉曼探頭100，所述拉曼探頭100安裝于數(shù)控位移樣品臺(tái)200上。
[0038]沿著光纖I輸出光的方向依次設(shè)置第一透鏡2、第一濾光片3、第二濾光片6’和第四透鏡5,第一透鏡2、第一濾光片3、第四透鏡5與光路垂直,第二濾光片6’與光路成45度，由樣品11散射或反射后的光反方向經(jīng)過(guò)第四透鏡5后，由第二濾光片6’反射，沿第二濾光片6’反射光路方向設(shè)置第三濾光片7’、光強(qiáng)探測(cè)單元10，第三濾光片V與第二濾光片6’平行設(shè)置，沿著第三濾光片V反射光方向依次設(shè)置第四濾光片8、和第二透鏡9，第二透鏡9的另一側(cè)設(shè)置光纖。第四濾光片8和第二透鏡9與光路垂直，沿著第三濾光片7’的透射光路一側(cè)依次設(shè)置第三透鏡14、小孔15以及光電轉(zhuǎn)換器件16，第三透鏡14、小孔15以及光電轉(zhuǎn)換器件16構(gòu)成光強(qiáng)探測(cè)單元10。
[0039]圖1所示的激光輸出口置于左側(cè)通道，激光從光纖I傳導(dǎo)進(jìn)入拉曼探頭100后，由第一透鏡2將其變成平行光，然后經(jīng)過(guò)第一濾光片3對(duì)光譜進(jìn)行純化處理，經(jīng)第二濾光片6’透射，最后由第四透鏡5將激光聚焦于被測(cè)樣品；被測(cè)樣品11被激光激發(fā)后發(fā)生拉曼散射，散射光和反射光反方向進(jìn)入拉曼探頭100由第四透鏡5收集，其中的拉曼散射光經(jīng)第二濾光片6’反射和第三濾光片7’反射，透過(guò)光路垂直的第四濾光片8，再經(jīng)由第二透鏡9會(huì)聚耦合進(jìn)入光纖，非拉曼信號(hào)光由第三濾光片V及第四濾光片8構(gòu)成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達(dá)第二透鏡9，其中被樣品反射回來(lái)的激光由第三濾光片V透射，進(jìn)入光強(qiáng)探測(cè)單元10 ；
[0040]所述光強(qiáng)探測(cè)單元10包括:第三透鏡14、小孔15以及光電轉(zhuǎn)換器件16，所述小孔15處于第三透鏡14的焦點(diǎn)處；第三濾光片7’透射的激光經(jīng)第三透鏡14聚焦，會(huì)聚后再經(jīng)過(guò)小孔15，通過(guò)小孔15照射在光電轉(zhuǎn)換器件16上，被光電探測(cè)器件16接收探測(cè)。
[0041]光強(qiáng)探測(cè)單元10的信號(hào)經(jīng)前置處理、放大、AD轉(zhuǎn)換后送至控制器300，控制器300根據(jù)信號(hào)比較判斷樣品是否在焦點(diǎn)處，如果不在焦點(diǎn)處，發(fā)出指令控制數(shù)控位移樣品臺(tái)200作相應(yīng)的位移，如此反復(fù)多次，直至樣品調(diào)節(jié)在探頭焦距處或設(shè)定的精度范圍內(nèi)。同時(shí)，數(shù)控位移樣品臺(tái)200還可以進(jìn)行另外兩維的調(diào)節(jié)，以使探頭工作在一個(gè)固定平面上。
[0042]如圖2所示，在本發(fā)明第二種實(shí)施方式中，拉曼探頭包括第一透鏡、第一濾光片、第二濾光片、第四透鏡、第三濾光片、第四濾光片、第二透鏡、光強(qiáng)探測(cè)單元；激光輸出口垂直于左側(cè)通道，可適用于不同的安裝條件。沿著光纖I輸出光的方向依次設(shè)置第一透鏡2、第一濾光片3、第二濾光片6”,第一透鏡2、第一濾光片3與光路垂直,第二濾光片6”與光路成45度，沿第二濾光片6”的反射光路方向設(shè)置第四透鏡5，由樣品11散射或反射后的光反方向經(jīng)過(guò)第四透鏡5后，由第二濾光片6”透射，沿著透射光路方向依次設(shè)置第三濾光片7”和光強(qiáng)探測(cè)單元10，第三濾光片7”與第二濾光片6”平行設(shè)置，沿著第三濾光片7”反射光方向依次設(shè)置第四濾光片8、和第二透鏡9，第二透鏡9的另一側(cè)設(shè)置光纖，第四濾光片8和第二透鏡9與光路垂直。沿著第三濾光片7”的透射光路一側(cè)依次設(shè)置第三透鏡14、小孔15以及光電轉(zhuǎn)換器件16，第三透鏡14、小孔15以及光電轉(zhuǎn)換器件16構(gòu)成光強(qiáng)探測(cè)單元10。
[0043]激光從光纖I傳導(dǎo)進(jìn)入拉曼探頭100后，由第一透鏡2將其變成平行光，然后經(jīng)過(guò)第一濾光片3對(duì)光譜進(jìn)行純化處理，再經(jīng)過(guò)與平行光呈45°設(shè)置的第二濾光片6”反射、最后由第四透鏡5將激光聚焦于被測(cè)樣品；被測(cè)樣品11被激光激發(fā)后發(fā)生拉曼散射，散射光和反射光反方向進(jìn)入拉曼探頭100由第四透鏡5收集，其中的拉曼散射光透過(guò)第二濾光片6”，由第三濾光片7”反射，經(jīng)過(guò)與光路垂直的第四濾光片8，再經(jīng)由第二透鏡9會(huì)聚耦合進(jìn)入光纖，非拉曼信號(hào)光由第三濾光片7”及第四濾光片8構(gòu)成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達(dá)第二透鏡9，其中被樣品反射回來(lái)的激光由第二濾光片6”透射和第三濾光片7”透射，進(jìn)入光強(qiáng)探測(cè)單元10。
[0044]需要注意的是，為了達(dá)到前述的功能和目的，圖1、2中采用的第二、第三濾光片的光譜特性有所區(qū)別，圖1所示濾光片6’、7’為透射激光而反射拉曼光；圖2所示濾光片6”反射激光而透射拉曼光，濾光片7 ”透射激光而反射拉曼光。
[0045]為了使結(jié)構(gòu)更加緊湊、減少部件、降低成本，第二透鏡5同時(shí)作為組件一中的激光聚焦透鏡、組件二中的拉曼光收集透鏡、組件三中的激光準(zhǔn)直透鏡，即同一個(gè)透鏡，由于光路的可逆性，該透鏡對(duì)于正方向和反方向通過(guò)它的不同類(lèi)型的光所起的作用并不相同，從功能上區(qū)分為聚焦激光、收集拉曼光和準(zhǔn)直激光。具體如圖1所示部件5。第四透鏡5可以與光路垂直設(shè)置，也可以其他設(shè)置方式。
[0046]如圖1所示，所述光強(qiáng)探測(cè)單元10包括與第四透鏡5相同焦距的第三透鏡14、小孔15以及光電轉(zhuǎn)換器件16。該光強(qiáng)探測(cè)單元10用以探測(cè)收集光路的光強(qiáng)，并將信號(hào)輸入控制器300，由控制器300調(diào)節(jié)數(shù)控位移樣品臺(tái)200，直至光強(qiáng)最大。具體地，傳導(dǎo)拉曼光及抑制雜散光組件的激光先經(jīng)過(guò)一個(gè)與第四透鏡5焦距一樣的第三透鏡14會(huì)聚后再經(jīng)過(guò)小孔15，最后被光電探測(cè)器件16接收探測(cè)。所述光電轉(zhuǎn)換器件16可以采用光電池，光電二極管，PSD，C⑶或其他光強(qiáng)探測(cè)器件。如附圖1所示，第四透鏡5、第二濾光片6和第三濾光片7、第三透鏡14將第四透鏡5焦面圖像成像于其共軛面上及小孔14上；由于小孔的空間選擇性，在對(duì)焦?fàn)顟B(tài)下，大部分能量能夠通過(guò)小孔14，此時(shí)光電探測(cè)器件16得到光強(qiáng)最大。
[0047]上述實(shí)施例中所述光強(qiáng)探測(cè)單元10的原理相同，以圖1所示實(shí)施例為例，光強(qiáng)探測(cè)單元10具體工作為:
[0048]a)經(jīng)光路準(zhǔn)直聚焦的激光作用于被測(cè)樣品上；
[0049]b)經(jīng)物體反射后的激光，經(jīng)第四透鏡5進(jìn)行拉曼收集，透過(guò)45度放置的第二濾光片6’，并在第三濾光片7’上部分反射，反射光經(jīng)第三透鏡14聚焦，通過(guò)小孔15照射在光電轉(zhuǎn)換器件16上；所述第三透鏡14與第四透鏡5焦距一致；所述小孔15處于第三透鏡14的焦點(diǎn)處；
[0050]c)當(dāng)被測(cè)樣品不在探頭焦點(diǎn)處時(shí)，反射的激光將通過(guò)光路會(huì)聚于小孔15的前方或后方處，僅小部分光能通過(guò)小孔15，樣品離焦點(diǎn)越遠(yuǎn)，能通過(guò)小孔的反射光越少；僅當(dāng)激光光斑正好聚焦于物體上時(shí)(此時(shí)光斑最小，即處于對(duì)焦?fàn)顟B(tài))，反射的激光的光斑將通過(guò)光路會(huì)聚于小孔15，幾乎全部的反射光能將通過(guò)小孔15，探測(cè)器接收到的光強(qiáng)信號(hào)最大。
[0051]圖2所示實(shí)施例中的光強(qiáng)探測(cè)單元10與上述實(shí)現(xiàn)基本相同，此處不再詳細(xì)說(shuō)明。
[0052]在本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施方式中，所述數(shù)控位移樣品臺(tái)200中設(shè)有位移調(diào)節(jié)裝置和樣品臺(tái)12，該位移調(diào)節(jié)裝置是一種可在三維移動(dòng)的精確調(diào)整裝置，尤其是指能在三維移動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)控制或壓電陶瓷控制的三維移動(dòng)裝置。由于探頭與樣品存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可將探頭固定，樣品作三維移動(dòng)，也可以反過(guò)來(lái)將樣品固定，探頭作三維運(yùn)動(dòng)，或者也可以采取探頭作一維運(yùn)動(dòng)與樣品作二維運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的方式，樣品在與探頭輸出光束垂直的平面作二維相對(duì)移動(dòng)的情況特別適合于需要對(duì)多個(gè)位置進(jìn)行掃描檢測(cè)的情形，例如當(dāng)拉曼與薄層色譜等技術(shù)進(jìn)行聯(lián)用時(shí)，需要對(duì)展開(kāi)在薄層板上多個(gè)位置樣品進(jìn)行拉曼光譜測(cè)量。
[0053]本發(fā)明上述實(shí)施例中的可自動(dòng)對(duì)焦的拉曼信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)，所述位移調(diào)節(jié)裝置可與拉曼探頭100以及樣品臺(tái)12固定連接，拉曼探頭100可以與樣品臺(tái)12相對(duì)移動(dòng)。
[0054]在本發(fā)明再一優(yōu)選實(shí)施方式中，基于圖1所示探測(cè)裝置，其采用的可自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)量距離到最佳狀態(tài)的拉曼信號(hào)探測(cè)方法，步驟如下:
[0055]a)將待測(cè)樣品置于數(shù)控位移樣品臺(tái)上；
[0056]b)將拉曼探頭置于數(shù)控位移樣品臺(tái)上方大于拉曼探頭焦距處；
[0057]c)打開(kāi)激光器輸出一激光，經(jīng)光纖進(jìn)入拉曼探頭，由第一透鏡將其變成平行光，然后經(jīng)過(guò)第一濾光片對(duì)光譜進(jìn)行純化處理，再經(jīng)過(guò)第二濾光片透射，最后由第四透鏡將激光聚焦于被測(cè)樣品；
[0058]d)被測(cè)樣品被激光激發(fā)后發(fā)生拉曼散射，散射光和反射光反方向進(jìn)入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光經(jīng)過(guò)由第三濾光片及第四濾光片構(gòu)成的鏡片組，再經(jīng)由第二透鏡會(huì)聚耦合進(jìn)入光纖；非拉曼信號(hào)光由第三濾光片及第四濾光片構(gòu)成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達(dá)第二透鏡，其中被樣品反射回來(lái)的激光由第三濾光片透射后進(jìn)入光強(qiáng)探測(cè)單元；
[0059]e)光強(qiáng)探測(cè)單元將信號(hào)輸出到控制器，經(jīng)控制器控制數(shù)控位移樣品臺(tái)移動(dòng)，直至收集到的信號(hào)最大。
[0060]類(lèi)似的，基于圖2所示的探測(cè)裝置，其采用的自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)量距離到最佳狀態(tài)的拉曼信號(hào)探測(cè)方法，具體步驟如下:
[0061]a)將待測(cè)樣品置于數(shù)控位移樣品臺(tái)上；
[0062]b)將拉曼探頭置于數(shù)控位移樣品臺(tái)上方大于拉曼探頭焦距處；
[0063]c)打開(kāi)激光器輸出一激光，經(jīng)光纖進(jìn)入拉曼探頭，由第一透鏡將其變成平行光，然后經(jīng)過(guò)第一濾光片對(duì)光譜進(jìn)行純化處理，再經(jīng)過(guò)第二濾光片反射，最后由第四透鏡將激光聚焦于被測(cè)樣品；
[0064]d)被測(cè)樣品被激光激發(fā)后發(fā)生拉曼散射，散射光和反射光反方向進(jìn)入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光由第二濾光片透射，經(jīng)第三濾光片及第四濾光片構(gòu)成的鏡片組，再經(jīng)由第二透鏡會(huì)聚耦合進(jìn)入光纖；非拉曼信號(hào)光由第三濾光片及第四濾光片構(gòu)成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達(dá)第二透鏡，其中被樣品反射回來(lái)的激光由第二濾光片低透射再經(jīng)第三濾光片高透射后進(jìn)入光強(qiáng)探測(cè)單元；
[0065]e)光強(qiáng)探測(cè)單元將信號(hào)輸出到控制器，經(jīng)控制器控制數(shù)控位移樣品臺(tái)移動(dòng)，直至收集到的信號(hào)最大。
[0066]上述實(shí)施例中，控制器采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，光電轉(zhuǎn)換器件16的信號(hào)經(jīng)放大電路、AD轉(zhuǎn)換進(jìn)入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)運(yùn)算控制位移調(diào)節(jié)裝置移動(dòng)(比如機(jī)控制位移調(diào)節(jié)裝置在豎直方向推進(jìn)等)，直至收集到的信號(hào)最大，此時(shí)完成對(duì)焦。
[0067]在本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施方式中，上述探測(cè)裝置中涉及的位移調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行位移調(diào)整時(shí)按照以下步驟，如圖3所示:
[0068]a)拉曼探頭位于樣品臺(tái)外焦點(diǎn)距離外3_5mm處，初始光強(qiáng)信號(hào)為Xtl ；
[0069]b)控制位移調(diào)節(jié)裝置每向下移動(dòng)一個(gè)步距，測(cè)量此時(shí)光強(qiáng)信號(hào)為Xi ；
[0070]c)當(dāng)相鄰兩次光強(qiáng)信號(hào)差值X1-Xp1大于O時(shí)，繼續(xù)控制位移調(diào)節(jié)裝置移動(dòng)，直至X1-X1-1小于0，位移控制器控制反向移動(dòng)；
[0071]d)根據(jù)實(shí)際對(duì)焦精度，可控制步驟c)過(guò)程中X1-Xp1小于O時(shí)縮小步進(jìn)值，并反復(fù)多次，直至光強(qiáng)差小于設(shè)定的最小值esp。
[0072]圖4為采用本發(fā)明裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:拉曼探頭100與樣品11之間的距離與測(cè)得的拉曼信號(hào)強(qiáng)度及光強(qiáng)的關(guān)系。由圖可知，光強(qiáng)出現(xiàn)極值的距離位置正是拉曼信號(hào)最大值的距離位置。
[0073]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種拉曼探頭,其特征在于,包括第一透鏡、第一濾光片、第二濾光片、第四透鏡、第三濾光片、第四濾光片、第二透鏡、光強(qiáng)探測(cè)單元；其中:激光從光纖傳導(dǎo)進(jìn)入拉曼探頭后，由第一透鏡將其變成平行光，然后經(jīng)過(guò)第一濾光片對(duì)光譜進(jìn)行純化處理，經(jīng)第二濾光片透射，最后由第四透鏡將激光聚焦于被測(cè)樣品；被測(cè)樣品被激光激發(fā)后發(fā)生拉曼散射，散射光和反射光反方向進(jìn)入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光經(jīng)第二濾光片反射和第三濾光片反射，透過(guò)與光路垂直的第四濾光片，再經(jīng)由第二透鏡會(huì)聚耦合進(jìn)入光纖，非拉曼信號(hào)光由第三濾光片及第四濾光片構(gòu)成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達(dá)第二透鏡，其中被樣品反射回來(lái)的激光由第三濾光片透射，進(jìn)入光強(qiáng)探測(cè)單元； 所述光強(qiáng)探測(cè)單元包括:第三透鏡、小孔以及光電轉(zhuǎn)換器件，所述小孔處于第三透鏡的焦點(diǎn)處；第三濾光片反射的激光經(jīng)第三透鏡聚焦，會(huì)聚后再經(jīng)過(guò)小孔，通過(guò)小孔照射在光電轉(zhuǎn)換器件上，被光電探測(cè)器件接收探測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拉曼探頭，其特征在于，所述第二濾光片、第三濾光片為二色鏡、平行設(shè)置且與光路成45°，第二濾光片、第三濾光片均高透射激光而高反射拉曼光。
3.—種拉曼探頭,其特征在于,包括第一透鏡、第一濾光片、第二濾光片、第四透鏡、第三濾光片、第四濾光片、第二透鏡、光強(qiáng)探測(cè)單元；其中:激光從光纖傳導(dǎo)進(jìn)入拉曼探頭后，由第一透鏡將其變成平行光，然后經(jīng)過(guò)第一濾光片對(duì)光譜進(jìn)行純化處理，再依次經(jīng)過(guò)與光路呈45°設(shè)置的第二濾光片反射、最后由第四透鏡將激光聚焦于被測(cè)樣品；被測(cè)樣品被激光激發(fā)后發(fā)生拉曼散射，散射光和反射光反方向進(jìn)入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光透過(guò)第二濾光片，由第三濾光片反射，經(jīng)過(guò)與光路垂直的第四濾光片，再經(jīng)由第二透鏡會(huì)聚耦合進(jìn)入光纖，非拉曼信號(hào)光由第三濾光片及第四濾光片構(gòu)成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達(dá)第二透鏡，其中被樣品反射回來(lái)的激光由第二濾光片透射和第三濾光片透射，進(jìn)入光強(qiáng)探測(cè)單元； 所述光強(qiáng)探測(cè)單元包括:第三透鏡、小孔以及光電轉(zhuǎn)換器件，所述小孔處于第三透鏡的焦點(diǎn)處；第三濾光片透射的激光經(jīng)第三透鏡聚焦，會(huì)聚后再經(jīng)過(guò)小孔，通過(guò)小孔照射在光電轉(zhuǎn)換器件上，被光電探測(cè)器件接收探測(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的拉曼探頭，其特征在于，所述第二、第三濾光片為二色鏡、平行設(shè)置且與光路成45°，第二濾光片高反射激光而高透射拉曼光，第三濾光片高透射激光而高反射拉曼光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的拉曼探頭，其特征在于，當(dāng)被測(cè)樣品不在所述拉曼探頭的焦點(diǎn)處時(shí)，激光將通過(guò)光路會(huì)聚于小孔的前方或后方處，僅小部分光能通過(guò)小孔，樣品離焦點(diǎn)越遠(yuǎn)，能通過(guò)小孔的反射光越少；僅當(dāng)激光光斑正好聚焦于物體上時(shí)，反射的激光的光斑將通過(guò)光路會(huì)聚于小孔，幾乎全部的反射光能將通過(guò)小孔，光電轉(zhuǎn)換器件接收到的光強(qiáng)信號(hào)最大。
6.一種包含權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述拉曼探頭的拉曼信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括拉曼探頭、數(shù)控位移樣品臺(tái)、控制器；所述拉曼探頭安裝于數(shù)控位移樣品臺(tái)上，拉曼探頭與數(shù)控位移樣品臺(tái)可相對(duì)移動(dòng)，所述拉曼探頭的信號(hào)輸出側(cè)設(shè)有光強(qiáng)探測(cè)單元；所述光強(qiáng)探測(cè)單元的輸出端連接至控制器，控制器驅(qū)動(dòng)數(shù)控位移樣品臺(tái)改變測(cè)量距離，根據(jù)所述光強(qiáng)探測(cè)單元輸出信號(hào)的變化判斷測(cè)量距離是否最佳。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的拉曼信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)控位移樣品臺(tái)中設(shè)有位移調(diào)節(jié)裝置和樣品臺(tái)，該位移調(diào)節(jié)裝置是一種可在三維移動(dòng)的精確調(diào)整裝置，所述位移調(diào)節(jié)裝置與拉曼探頭以及樣品臺(tái)固定連接，拉曼探頭能與樣品臺(tái)相對(duì)移動(dòng)。
8.一種拉曼信號(hào)探測(cè)方法，其特征在于所述方法步驟如下: a)將待測(cè)樣品置于數(shù)控位移樣品臺(tái)上； b)將拉曼探頭置于數(shù)控位移樣品臺(tái)上方大于拉曼探頭焦距處； c)打開(kāi)激光器輸出一激光，經(jīng)光纖進(jìn)入拉曼探頭，由第一透鏡將其變成平行光，然后經(jīng)過(guò)第一濾光片對(duì)光譜進(jìn)行純化處理，再經(jīng)過(guò)第二濾光片透射，最后由第四透鏡將激光聚焦于被測(cè)樣品； d)被測(cè)樣品被激光激發(fā)后發(fā)生拉曼散射，散射光和反射光反方向進(jìn)入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光由第二濾光片反射，經(jīng)第三濾光片及第四濾光片構(gòu)成的鏡片組，再經(jīng)由第二透鏡會(huì)聚耦合進(jìn)入光纖；非拉曼信號(hào)光由第三濾光片及第四濾光片構(gòu)成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達(dá)第二透鏡，其中被樣品反射回來(lái)的激光由第二濾光片低反射再經(jīng)第三濾光片高透射后進(jìn)入光強(qiáng)探測(cè)單元； e)光強(qiáng)探測(cè)單元將信號(hào)輸出到控制器，經(jīng)控制器控制數(shù)控位移樣品臺(tái)移動(dòng)，直至收集到的信號(hào)最大。
9.一種拉曼信號(hào)探測(cè)方法，其特征在于所述方法步驟如下: a)將待測(cè)樣品置于數(shù)控位移樣品臺(tái)上； b)將拉曼探頭置于數(shù)控位移樣品臺(tái)上方大于拉曼探頭焦距處； c)打開(kāi)激光器輸出一激光，經(jīng)光纖進(jìn)入拉曼探頭，由第一透鏡將其變成平行光，然后經(jīng)過(guò)第一濾光片對(duì)光譜進(jìn)行純化處理，再經(jīng)過(guò)第二濾光片反射，最后由第四透鏡將激光聚焦于被測(cè)樣品； d)被測(cè)樣品被激光激發(fā)后發(fā)生拉曼散射，散射光和反射光反方向進(jìn)入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光由第二濾光片透射，經(jīng)第三濾光片及第四濾光片構(gòu)成的鏡片組，再經(jīng)由第二透鏡會(huì)聚耦合進(jìn)入光纖；非拉曼信號(hào)光由第三濾光片及第四濾光片構(gòu)成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達(dá)第二透鏡，其中被樣品反射回來(lái)的激光由第二濾光片低透射再經(jīng)第三濾光片高透射后進(jìn)入光強(qiáng)探測(cè)單元； 光強(qiáng)探測(cè)單元將信號(hào)輸出到控制器，經(jīng)控制器控制數(shù)控位移樣品臺(tái)移動(dòng)，直至收集到的信號(hào)最大。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的拉曼信號(hào)探測(cè)方法，其特征在于，所述控制器控制數(shù)控位移樣品臺(tái)移動(dòng)，所述數(shù)控位移樣品臺(tái)設(shè)有位移調(diào)節(jié)裝置和樣品臺(tái)，所述位移調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行位移調(diào)整時(shí)按照以下步驟: a)拉曼探頭位于樣品臺(tái)外焦點(diǎn)距離外3-5_處，初始光強(qiáng)信號(hào)為X(l； b)控制位移調(diào)節(jié)裝置向下移動(dòng)一個(gè)步距，測(cè)量此時(shí)光強(qiáng)信號(hào)為Xi； C)當(dāng)相鄰兩次光強(qiáng)信號(hào)差值X1-Xg大于0時(shí)，繼續(xù)控制位移調(diào)節(jié)裝置移動(dòng)，直至X1-XH小于0,位移控制器控制反向移動(dòng)； d)根據(jù)實(shí)際對(duì)焦精度，可控制步驟c)過(guò)程中X1-Xg小于0時(shí)縮小步進(jìn)值，并反復(fù)多次，直至光強(qiáng)差小于設(shè)定的最小值esp。
【文檔編號(hào)】G01J3/44GK104316507SQ201410542095
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】黃梅珍, 汪洋, 孫振華, 余鎮(zhèn)崗, 劉天元 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)