拉曼信號探測系統(tǒng)以及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種拉曼信號探測系統(tǒng)以及方法，所述系統(tǒng)包括拉曼探頭、數(shù)控位移樣品臺、控制器；所述拉曼探頭安裝于數(shù)控位移樣品臺上，拉曼探頭與數(shù)控位移樣品臺可相對移動，所述拉曼探頭的信號輸出側(cè)設(shè)有光強(qiáng)探測單元；所述光強(qiáng)探測單元的輸出端連接至控制器，控制器驅(qū)動數(shù)控位移樣品臺改變測量距離，根據(jù)所述光強(qiáng)探測單元輸出信號的變化判斷測量距離是否最佳。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)探測單元。本發(fā)明能夠使測得的拉曼信號最大化且穩(wěn)定，本發(fā)明特別適合于固體樣品測量。對表面粗糙不平的樣品進(jìn)行直接檢測，而不需要樣品前處理。
【專利說明】拉曼信號探測系統(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)整測量距離到最佳狀態(tài)的拉曼探頭，以及在激光拉曼光譜測量或拉曼光譜儀中使用的拉曼信號探測系統(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)并聚焦于待檢測樣品，另一方面高效收集和過濾拉曼散射信號并將其傳導(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，需要將激光精確地對準(zhǔn)聚焦于被測樣品以獲得較高的激光能量密度。因此，在大型拉曼測量系統(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手動調(diào)節(jié)的方式對焦，操作麻煩，無法精確對焦，導(dǎo)致拉曼強(qiáng)度減弱，信號不穩(wěn)定等等。
[0004]商品化的一種固定距離探頭通過在探頭前加裝固定長度套筒來固定測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化了對焦操作過程，但使用這種探頭進(jìn)行測量時，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調(diào)節(jié)測量距離使收集到的拉曼信號最大化的拉曼探頭、拉曼信號探測系統(tǒng)以及方法。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，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)過第一濾光片對光譜進(jìn)行純化處理，再經(jīng)過第二濾光片透射，最后由第四透鏡將激光聚焦于被測樣品；被測樣品被激光激發(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)由第二透鏡會聚耦合進(jìn)入光纖，非拉曼信號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)探測單元；
[0007]所述光強(qiáng)探測單元包括: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，會聚后再經(jīng)過小孔，通過小孔照射在光電轉(zhuǎn)換器件上，被光電探測器件接收探測。
[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)過第一濾光片對光譜進(jìn)行純化處理，再依次經(jīng)過與平行光呈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樣品；被測樣品被激光激發(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第二濾光片，由第三濾光片反射，經(jīng)過與光路垂直的第四濾光片，再經(jīng)由第二透鏡會聚耦合進(jìn)入光纖，非拉曼信號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)探測單元；
[0010]所述光強(qiáng)探測單元包括: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，會聚后再經(jīng)過小孔，通過小孔照射在光電轉(zhuǎn)換器件上，被光電探測器件接收探測。
[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)被測樣品不在所述拉曼探頭的焦點(diǎn)處時，激光將通過光路會聚于小孔的前方或后方處，僅小部分光能通過小孔，樣品離焦點(diǎn)越遠(yuǎn)，能通過小孔的反射光越少；僅當(dāng)激光光斑正好聚焦于物體上時，反射的激光的光斑將通過光路會聚于小孔，幾乎全部的反射光能將通過小孔，光電轉(zhuǎn)換器件接收到的光強(qiáng)信號最大。由于小孔的空間選擇性，在對焦?fàn)顟B(tài)下，大部分能量能夠通過小孔，此時光電轉(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調(diào)節(jié)測量距離到最佳狀態(tài)的拉曼信號探測系統(tǒng)，包括拉曼探頭、數(shù)控位移樣品臺、控制器；所述拉曼探頭安裝于數(shù)控位移樣品臺上，拉曼探頭與數(shù)控位移樣品臺可相對移動，所述拉曼探頭的信號輸出側(cè)設(shè)有光強(qiáng)探測單元；所述光強(qiáng)探測單元的輸出端連接至控制器，控制器驅(qū)動數(shù)控位移樣品臺改變測量距離，根據(jù)所述光強(qiáng)探測單元輸出信號的變化判斷測量距離是否最佳。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種拉曼信號探測方法，所述方法步驟如下:
[0015]a)將待測樣品置于數(shù)控位移樣品臺上；
[0016]b)將拉曼探頭置于數(shù)控位移樣品臺上方大于拉曼探頭焦距處；
[0017]c)打開激光器輸出一激光，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)過第一濾光片對光譜進(jìn)行純化處理，再經(jīng)過第二濾光片透射，最后由第四透鏡將激光聚焦于被測樣品；
[0018]d)被測樣品被激光激發(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)由第二透鏡會聚耦合進(jìn)入光纖；非拉曼信號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的激光由第三濾光片透射后進(jìn)入光強(qiáng)探測單元；
[0019]e)光強(qiáng)探測單元將信號輸出到控制器，經(jīng)控制器控制數(shù)控位移樣品臺移動，直至收集到的信號最大，完成對焦。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供另一種可自動調(diào)節(jié)測量距離到最佳狀態(tài)的拉曼信號探測方法，所述方法步驟如下:
[0021]a)將待測樣品置于數(shù)控位移樣品臺上；
[0022]b)將拉曼探頭置于數(shù)控位移樣品臺上方大于拉曼探頭焦距處；
[0023]c)打開激光器輸出一激光，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)過第一濾光片對光譜進(jìn)行純化處理，再經(jīng)過第二濾光片反射，最后由第四透鏡將激光聚焦于被測樣品；
[0024]d)被測樣品被激光激發(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)由第二透鏡會聚耦合進(jìn)入光纖；非拉曼信號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)探測單元；
[0025]e)光強(qiáng)探測單元將信號輸出到控制器，經(jīng)控制器控制數(shù)控位移樣品臺移動，直至收集到的信號最大。
[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)新避免了人為手動操作，能夠自動調(diào)節(jié)測量距離到最佳狀態(tài)，使拉曼信號最大化且穩(wěn)定；對比于現(xiàn)有商品化的增加固定距離套筒的探頭，本發(fā)明技術(shù)可對表面粗糙不平的樣品進(jìn)行直接檢測，而不需要樣品前處理。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(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)將會變得更明顯:
[0029]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例可自動調(diào)節(jié)測量距離到最佳狀態(tài)的拉曼探測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明另一實(shí)施例可自動調(diào)節(jié)測量距離到最佳狀態(tài)的拉曼探測裝置的結(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得的拉曼信號強(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，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)探測單元，11為樣品，12為樣品臺，13為控制器，14為第三透鏡，15為小孔,16為光電探測器件。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。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，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，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，可自動調(diào)節(jié)測量距離到最佳狀態(tài)的拉曼探測裝置包括拉曼探頭100，數(shù)控位移樣品臺200，控制器300 ;所述拉曼探頭100安裝于數(shù)控位移樣品臺200上，拉曼探頭100與數(shù)控位移樣品臺200可相對移動。
[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)探測單元10構(gòu)成的激光自動測距對焦組件三。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)過第一濾光片3對光譜進(jìn)行純化處理，經(jīng)第二濾光片6’透射，最后由第四透鏡5將激光聚焦于被測樣品；被測樣品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，透過光路垂直的第四濾光片8，再經(jīng)由第二透鏡9會聚耦合進(jìn)入光纖，非拉曼信號光由第三濾光片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的激光由第三濾光片V透射，進(jìn)入光強(qiáng)探測單元10 ；
[0040]所述光強(qiáng)探測單元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，會聚后再經(jīng)過小孔15，通過小孔15照射在光電轉(zhuǎn)換器件16上，被光電探測器件16接收探測。
[0041]光強(qiáng)探測單元10的信號經(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，數(shù)控位移樣品臺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)過第一濾光片3對光譜進(jìn)行純化處理，再經(jīng)過與平行光呈45°設(shè)置的第二濾光片6”反射、最后由第四透鏡5將激光聚焦于被測樣品；被測樣品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第二濾光片6”，由第三濾光片7”反射，經(jīng)過與光路垂直的第四濾光片8，再經(jīng)由第二透鏡9會聚耦合進(jìn)入光纖，非拉曼信號光由第三濾光片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，即同一個透鏡，由于光路的可逆性，該透鏡對于正方向和反方向通過它的不同類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)探測單元10用以探測收集光路的光強(qiáng)，并將信號輸入控制器300，由控制器300調(diào)節(jié)數(shù)控位移樣品臺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)過一個與第四透鏡5焦距一樣的第三透鏡14會聚后再經(jīng)過小孔15，最后被光電探測器件16接收探測。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，在對焦?fàn)顟B(tài)下，大部分能量能夠通過小孔14，此時光電探測器件16得到光強(qiáng)最大。
[0047]上述實(shí)施例中所述光強(qiáng)探測單元10的原理相同，以圖1所示實(shí)施例為例，光強(qiáng)探測單元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)被測樣品不在探頭焦點(diǎn)處時，反射的激光將通過光路會聚于小孔15的前方或后方處，僅小部分光能通過小孔15，樣品離焦點(diǎn)越遠(yuǎn)，能通過小孔的反射光越少；僅當(dāng)激光光斑正好聚焦于物體上時(此時光斑最小，即處于對焦?fàn)顟B(tài))，反射的激光的光斑將通過光路會聚于小孔15，幾乎全部的反射光能將通過小孔15，探測器接收到的光強(qiáng)信號最大。
[0051]圖2所示實(shí)施例中的光強(qiáng)探測單元10與上述實(shí)現(xiàn)基本相同，此處不再詳細(xì)說明。
[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200中設(shè)有位移調(diào)節(jié)裝置和樣品臺12，該位移調(diào)節(jié)裝置是一種可在三維移動的精確調(diào)整裝置，尤其是指能在三維移動的步進(jìn)電機(jī)控制或壓電陶瓷控制的三維移動裝置。由于探頭與樣品存在相對運(yùn)動，可將探頭固定，樣品作三維移動，也可以反過來將樣品固定，探頭作三維運(yùn)動，或者也可以采取探頭作一維運(yùn)動與樣品作二維運(yùn)動相結(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移動的情況特別適合于需要對多個位置進(jìn)行掃描檢測的情形，例如當(dāng)拉曼與薄層色譜等技術(shù)進(jìn)行聯(lián)用時，需要對展開在薄層板上多個位置樣品進(jìn)行拉曼光譜測量。
[0053]本發(fā)明上述實(shí)施例中的可自動對焦的拉曼信號探測系統(tǒng)，所述位移調(diào)節(jié)裝置可與拉曼探頭100以及樣品臺12固定連接，拉曼探頭100可以與樣品臺12相對移動。
[0054]在本發(fā)明再一優(yōu)選實(shí)施方式中，基于圖1所示探測裝置，其采用的可自動調(diào)節(jié)測量距離到最佳狀態(tài)的拉曼信號探測方法，步驟如下:
[0055]a)將待測樣品置于數(shù)控位移樣品臺上；
[0056]b)將拉曼探頭置于數(shù)控位移樣品臺上方大于拉曼探頭焦距處；
[0057]c)打開激光器輸出一激光，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)過第一濾光片對光譜進(jìn)行純化處理，再經(jīng)過第二濾光片透射，最后由第四透鏡將激光聚焦于被測樣品；
[0058]d)被測樣品被激光激發(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)由第二透鏡會聚耦合進(jìn)入光纖；非拉曼信號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的激光由第三濾光片透射后進(jìn)入光強(qiáng)探測單元；
[0059]e)光強(qiáng)探測單元將信號輸出到控制器，經(jīng)控制器控制數(shù)控位移樣品臺移動，直至收集到的信號最大。
[0060]類似的，基于圖2所示的探測裝置，其采用的自動調(diào)節(jié)測量距離到最佳狀態(tài)的拉曼信號探測方法，具體步驟如下:
[0061]a)將待測樣品置于數(shù)控位移樣品臺上；
[0062]b)將拉曼探頭置于數(shù)控位移樣品臺上方大于拉曼探頭焦距處；
[0063]c)打開激光器輸出一激光，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)過第一濾光片對光譜進(jìn)行純化處理，再經(jīng)過第二濾光片反射，最后由第四透鏡將激光聚焦于被測樣品；
[0064]d)被測樣品被激光激發(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)由第二透鏡會聚耦合進(jìn)入光纖；非拉曼信號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)探測單元；
[0065]e)光強(qiáng)探測單元將信號輸出到控制器，經(jīng)控制器控制數(shù)控位移樣品臺移動，直至收集到的信號最大。
[0066]上述實(shí)施例中，控制器采用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)，光電轉(zhuǎn)換器件16的信號經(jīng)放大電路、AD轉(zhuǎn)換進(jìn)入計算機(jī)，計算機(jī)通過運(yùn)算控制位移調(diào)節(jié)裝置移動(比如機(jī)控制位移調(diào)節(jié)裝置在豎直方向推進(jìn)等)，直至收集到的信號最大，此時完成對焦。
[0067]在本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施方式中，上述探測裝置中涉及的位移調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行位移調(diào)整時按照以下步驟，如圖3所示:
[0068]a)拉曼探頭位于樣品臺外焦點(diǎn)距離外3_5mm處，初始光強(qiáng)信號為Xtl ；
[0069]b)控制位移調(diào)節(jié)裝置每向下移動一個步距，測量此時光強(qiáng)信號為Xi ；
[0070]c)當(dāng)相鄰兩次光強(qiáng)信號差值X1-Xp1大于O時，繼續(xù)控制位移調(diào)節(jié)裝置移動，直至X1-X1-1小于0，位移控制器控制反向移動；
[0071]d)根據(jù)實(shí)際對焦精度，可控制步驟c)過程中X1-Xp1小于O時縮小步進(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之間的距離與測得的拉曼信號強(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最大值的距離位置。
[0073]以上對本發(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)過第一濾光片對光譜進(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樣品；被測樣品被激光激發(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，透過與光路垂直的第四濾光片，再經(jīng)由第二透鏡會聚耦合進(jìn)入光纖，非拉曼信號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的激光由第三濾光片透射，進(jìn)入光強(qiáng)探測單元； 所述光強(qiáng)探測單元包括: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，會聚后再經(jīng)過小孔，通過小孔照射在光電轉(zhuǎn)換器件上，被光電探測器件接收探測。
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)過第一濾光片對光譜進(jìn)行純化處理，再依次經(jīng)過與光路呈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樣品；被測樣品被激光激發(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第二濾光片，由第三濾光片反射，經(jīng)過與光路垂直的第四濾光片，再經(jīng)由第二透鏡會聚耦合進(jìn)入光纖，非拉曼信號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)探測單元； 所述光強(qiáng)探測單元包括: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，會聚后再經(jīng)過小孔，通過小孔照射在光電轉(zhuǎn)換器件上，被光電探測器件接收探測。
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)被測樣品不在所述拉曼探頭的焦點(diǎn)處時，激光將通過光路會聚于小孔的前方或后方處，僅小部分光能通過小孔，樣品離焦點(diǎn)越遠(yuǎn)，能通過小孔的反射光越少；僅當(dāng)激光光斑正好聚焦于物體上時，反射的激光的光斑將通過光路會聚于小孔，幾乎全部的反射光能將通過小孔，光電轉(zhuǎn)換器件接收到的光強(qiáng)信號最大。
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探測系統(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、控制器；所述拉曼探頭安裝于數(shù)控位移樣品臺上，拉曼探頭與數(shù)控位移樣品臺可相對移動，所述拉曼探頭的信號輸出側(cè)設(shè)有光強(qiáng)探測單元；所述光強(qiáng)探測單元的輸出端連接至控制器，控制器驅(qū)動數(shù)控位移樣品臺改變測量距離，根據(jù)所述光強(qiáng)探測單元輸出信號的變化判斷測量距離是否最佳。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的拉曼信號探測系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)控位移樣品臺中設(shè)有位移調(diào)節(jié)裝置和樣品臺，該位移調(diào)節(jié)裝置是一種可在三維移動的精確調(diào)整裝置，所述位移調(diào)節(jié)裝置與拉曼探頭以及樣品臺固定連接，拉曼探頭能與樣品臺相對移動。
8.一種拉曼信號探測方法，其特征在于所述方法步驟如下: a)將待測樣品置于數(shù)控位移樣品臺上； b)將拉曼探頭置于數(shù)控位移樣品臺上方大于拉曼探頭焦距處； c)打開激光器輸出一激光，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)過第一濾光片對光譜進(jìn)行純化處理，再經(jīng)過第二濾光片透射，最后由第四透鏡將激光聚焦于被測樣品； d)被測樣品被激光激發(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)由第二透鏡會聚耦合進(jìn)入光纖；非拉曼信號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)探測單元； e)光強(qiáng)探測單元將信號輸出到控制器，經(jīng)控制器控制數(shù)控位移樣品臺移動，直至收集到的信號最大。
9.一種拉曼信號探測方法，其特征在于所述方法步驟如下: a)將待測樣品置于數(shù)控位移樣品臺上； b)將拉曼探頭置于數(shù)控位移樣品臺上方大于拉曼探頭焦距處； c)打開激光器輸出一激光，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)過第一濾光片對光譜進(jìn)行純化處理，再經(jīng)過第二濾光片反射，最后由第四透鏡將激光聚焦于被測樣品； d)被測樣品被激光激發(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)由第二透鏡會聚耦合進(jìn)入光纖；非拉曼信號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)探測單元； 光強(qiáng)探測單元將信號輸出到控制器，經(jīng)控制器控制數(shù)控位移樣品臺移動，直至收集到的信號最大。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的拉曼信號探測方法，其特征在于，所述控制器控制數(shù)控位移樣品臺移動，所述數(shù)控位移樣品臺設(shè)有位移調(diào)節(jié)裝置和樣品臺，所述位移調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行位移調(diào)整時按照以下步驟: a)拉曼探頭位于樣品臺外焦點(diǎn)距離外3-5_處，初始光強(qiáng)信號為X(l； b)控制位移調(diào)節(jié)裝置向下移動一個步距，測量此時光強(qiáng)信號為Xi； C)當(dāng)相鄰兩次光強(qiáng)信號差值X1-Xg大于0時，繼續(xù)控制位移調(diào)節(jié)裝置移動，直至X1-XH小于0,位移控制器控制反向移動； d)根據(jù)實(shí)際對焦精度，可控制步驟c)過程中X1-Xg小于0時縮小步進(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】G01J3/44GK104316507SQ201410542095
【公開日】2015年1月28日 申請日期: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 申請人:上海交通大學(xué)
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