CN104458696A - 基于数字微镜元件的微型固化拉曼光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光谱分析仪器技术领域，为提供一种微型固化拉曼光谱仪，降低拉曼光谱仪的制造成本；增大狭缝处的光通量，提高信噪比，突破信噪比和光谱分辨率之间的相互限制；实现微型固化，提高稳定性，为此，本发明采取的技术方案是，基于数字微镜元件的微型固化拉曼光谱仪，由拉曼散射采集模块、分光检测模块和计算机三部分构成，拉曼散射采集模块为前向散射方式并包括：连续激光器(1)，第一滤光片(2)，第一会聚透镜(3)，第二会聚透镜(4)，柱面会聚透镜(5)，样品池(6)，第三会聚透镜(7)，二向色镜(8)，第二滤光片(9)，平面反射镜(10)。本发明主要应用于光谱分析。
Description
技术领域
本发明属于光谱分析仪器技术领域。具体讲，涉及基于数字微镜元件的微型固化拉曼光谱仪。
背景技术
拉曼散射效应是拉曼光谱检测技术得以发展的基础，由印度物理学家C.V.Raman于1928年通过实验发现。拉曼散射产生的原理是光照射到物质上发生的非弹性散射，具体而言，单色光束的入射光光子与物质的分子相互作用时可以发生弹性碰撞和非弹性碰撞，当发生弹性碰撞时，光子与分子间没有能量交换，光子只改变运动方向而不改变频率，产生瑞利散射；当发生非弹性碰撞时，光子与分子间发生能量交换，光子不仅改变运动方向，而且频率发生变化，产生拉曼散射。由于分子能级初始状态的不同，导致能量传递方向的不同，拉曼散射光光子能量相对于入射光光子能量可能减小或者增大，从而，拉曼散射分为斯托克斯散射和反斯托克斯散射两种，分别对应于能量减小和增大的情况。
拉曼光谱检测技术的有效应用主要依据拉曼散射效应对物质分子能级变化的精确反映，因为物质分子能级的变化与物质分子结构的特征紧密联系，所以拉曼光谱可以识别不同的物质分子结构，区分不同的物质分子，同时，结合不断发展的化学计量学方法，可以实现物质成分含量信息的准确测定，实现定性分析和定量检测的应用目标。拉曼光谱检测技术属于分子光谱检测技术，具有显著的特点，包括：对样本制备要求低，对样本不接触、不损伤，适合黑色样本和含水样本的分析，适应高温、低温和高压等恶劣环境，光谱成像快速、简便、实时。目前，拉曼光谱检测技术广泛应用于医学和药学、化学和材料科学、食品科学、环境保护、地质考古、刑侦鉴定等领域，为各领域的发展提供了先进的分析和检测技术。
拉曼光谱仪是拉曼光谱检测技术得以应用的载体，结构上主要分为拉曼散射采集模块和分光检测模块两部分。由于拉曼散射光强度仅为激发光强度的10-6倍，拉曼光谱仪的分光检测模块需要满足弱光检测的要求，具有较高的信噪比。目前，通常采用阵列式探测器——电荷耦合元件(CCD)检测分光后的拉曼散射光信号，具有较高的信噪比，但是，CCD的价格较高，增加了拉曼光谱仪的制造成本。然而，数字微镜元件(DMD)的出现为拉曼光谱仪的发展提供了新的思路，DMD是通过底层CMOS电路控制微镜，当DMD加电压后，由于上下电极间静电力的驱动作用，微镜镜面发生±10°的偏转，使得出射光偏离，对应“0”和“1”两种状态，实现谱面分割，结合阿达玛数字变换技术控制微镜的偏转组合，利用单点式探测器进行分时检测，实现分光检测的功能，在保证较高的信噪比的同时，可以实现制造成本的降低。同时，拉曼光谱仪中的狭缝宽度通常需要根据信噪比和光谱分辨率的权衡进行设置，较窄的狭缝，有利于分辨率的提高，但是，降低了拉曼散射光的光通量，限制了信噪比，因此，需要新的技术，在较窄的狭缝时，增加光通量，提高信噪比，突破信噪比与光谱分辨率的相互限制。
发明内容
为克服现有技术的不足，提供一种微型固化拉曼光谱仪，降低拉曼光谱仪的制造成本；增大狭缝处的光通量，提高信噪比，突破信噪比和光谱分辨率之间的相互限制；实现微型固化，提高稳定性，为此，本发明采取的技术方案是，基于数字微镜元件的微型固化拉曼光谱仪，由拉曼散射采集模块、分光检测模块和计算机三部分构成，拉曼散射采集模块为前向散射方式并包括：连续激光器(1)，第一滤光片(2)，第一会聚透镜(3)，第二会聚透镜(4)，柱面会聚透镜(5)，样品池(6)，第三会聚透镜(7)，二向色镜(8)，第二滤光片(9)，平面反射镜(10)；分光检测模块包括：狭缝(11)，准直透镜(12)，衍射光栅(13)，第四会聚透镜(14)，数字微镜元件(DMD)(15)，数字微镜元件控制器(16)，第五会聚透镜(17)，单点式探测器(18)，放大器(19)，模数转换器(ADC)(20)；
由连续激光器(1)产生高功率、窄线宽的激发光束；
第一滤光片(2)滤除连续激光器(1)本身的杂散光；
第一会聚透镜(3)，第二会聚透镜(4)组合调节激发光束的直径，与狭缝(11)高度相匹配；
柱面会聚透镜(5)将圆状激发光束会聚成线状光束，与线状狭缝(11)相匹配，实现虚拟狭缝的设置，提高狭缝(11)处拉曼散射光束的光通量；
样品池(6)放置待测样品，收集前向散射光束；
第三会聚透镜(7)将样品池(6)处的线状入射光斑成像在狭缝(11)处，样品池(6)和狭缝(11)呈物像共轭关系；
二向色镜(8)让激发光束透射通过，并反射转折拉曼散射光束光路；
第二滤光片(9)滤除夹杂在拉曼散射光束中的激发光束；
平面反射镜(10)转折拉曼散射光束光路；
狭缝(11)限制拉曼散射光束通过，影响光谱分辨率，较窄的宽度，对应较高的分辨率；
准直透镜(12)对通过狭缝(11)的拉曼散射光束进行准直；
衍射光栅(13)通过衍射作用对拉曼散射光束进行分光；
第四会聚透镜(14)将经过衍射光栅(13)分光的拉曼散射光束按不同波长入射到数字微镜元件(DMD)(15)微镜面的不同位置；
数字微镜元件(DMD)(15)对已分光的拉曼散射光束进行谱面分割；
数字微镜元件控制器(16)通过阿达玛变换算法控制数字微镜元件(DMD)(15)；
会聚透镜(17)将数字微镜元件(DMD)(15)的微镜面成像在单点式探测器(18)的探测面上，数字微镜元件(DMD)(15)和单点式探测器(18)呈物像共轭关系；
单点式探测器(18)将拉曼散射光信号转换成电信号；
放大器(19)将电信号放大由模数转换器(ADC)(20)将模拟电信号转换成数字信号并输出到计算机进行数据处理。
狭缝(11)与数字微镜元件(DMD)(15)呈物像共轭关系。
数字微镜元件(DMD)(15)由M×N的微镜阵列构成，每个微镜可以发生±10°的偏转，入射光束入射到DMD的不同微镜时，反射光束会具有不同的偏离角度，当微镜发生+10°偏转时，反射光束可以从DMD出射，进入后续光路，对应状态“1”；当微镜发生-10°偏转时，反射光束不能从DMD出射，无法进入后续光路，对应状态“0”；DMD的微镜阵列是通过底层CMOS电路进行数字控制的，未加电压时，微镜不发生偏转，属初始状态；加电压时，由于上下电极间的静电力作用，微镜发生±10°的偏转，分别对应状态“0”和状态“1”；数字微镜元件控制器(16)在计算机(21)的控制下通过底层CMOS电路根据阿达玛数字变换技术通过阿达玛变换算法控制数字微镜元件(DMD)(15)的偏转，将波长按照一定的规则进行分组，单点式探测器(18)使用光电倍增管(PMT)或雪崩光电二极管，接收多个波长组合的拉曼散射光束。
拉曼散射采集模块为后向散射方式，结构为：连续激光器(22)和滤光片(23)共同作用，产生中心波长为785nm、功率不小于50mW和线宽不大于0.6nm的激发光束；
第24会聚透镜(24)、第25会聚透镜(25)为焦距长短不一样的会聚透镜组合，对激发光束的直径进行缩小调节，第24会聚透镜(24)的像方焦点与第25会聚透镜(25)的物方焦点相重合，第24会聚透镜(24)的焦距比第25会聚透镜(25)的焦距长；
柱面会聚透镜(26)对圆状激光光束进行会聚，在位于柱面会聚透镜(26)的像方焦平面处的样品池(28)上形成线状入射光斑，实现虚拟狭缝的设置，激发出拉曼散射光束；二向色镜(27)允许波长较短的激发光束透射通过，而反射转折波长较长的拉曼散射光束；样品池(28)上的线状入射光斑通过会聚透镜(29)成像在狭缝(11)处，与狭缝(11)的50μm宽度相匹配，样品池(28)和狭缝(11)呈物像共轭关系，并且放大率约等于10；样品池(28)和会聚透镜(29)离二向色镜(27)较近，有利于后向拉曼散射光束的收集；滤光片(30)滤除拉曼散射光束中存在的后向散射的激发光；
平面反射镜(31)转折拉曼散射光束光路。
与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：
本发明在数字微镜元件和阿达玛数字变换技术的共同作用下，单点式探测器对拉曼散射光束的分时检测不仅满足较高信噪比的要求，而且相对于阵列式探测器具有较低价格的优势；通过虚拟狭缝的设置，在具有较窄的狭缝的情况下，增加了拉曼散射光的光通量，提高了信噪比，突破了信噪比和光谱分辨率之间的相互限制；内部元器件的固定化和小型化以及内部光路的紧凑化，实现了微型固化的优势，提高了拉曼光谱仪的稳定性。
附图说明
图1是本发明提供的基于数字微镜元件的微型固化拉曼光谱仪的结构示意图，其中，拉曼散射采集模块采用前向散射方式。
图中，1为连续激光器，2为滤光片，3、4为会聚透镜，5为柱面会聚透镜，6为样品池，7为会聚透镜，8为二向色镜，9为滤光片，10为平面反射镜，11为狭缝，12为准直透镜，13为衍射光栅，14为会聚透镜，15为数字微镜元件DMD，16为数字微镜元件控制器，17为会聚透镜，18为单点式探测器，19为放大器，20为模数转换器ADC，21为计算机，*表示物像共轭关系。
图2是采用后向散射方式的拉曼散射采集模块的结构示意图。
图中，22为连续激光器，23为滤光片，24、25为会聚透镜，26为柱面会聚透镜，27为二向色镜，28为样品池，29为会聚透镜，30为滤光片，31为平面反射镜，*表示物像共轭关系。
具体实施方式
本发明的技术方案如下：
基于数字微镜元件的微型固化拉曼光谱仪在结构上分为拉曼散射采集模块和分光检测模块两部分，其中，拉曼散射采集模块可以分为两种方式：前向散射方式和后向散射方式。
采用前向散射方式的拉曼光谱仪系统包括：连续激光器1，滤光片2，会聚透镜3、4，柱面会聚透镜5，样品池6，会聚透镜7，二向色镜8，滤光片9，平面反射镜10，狭缝11，准直透镜12，衍射光栅13，会聚透镜14，数字微镜元件DMD15，数字微镜元件控制器16，会聚透镜17，单点式探测器18，放大器19，模数转换器ADC20，计算机21。
由连续激光器1产生高功率、窄线宽的激发光束。
滤光片2滤除连续激光器1本身的杂散光。
会聚透镜3、4组合调节激发光束的直径，与狭缝11高度相匹配。
柱面会聚透镜5将圆状激发光束会聚成线状光束，与线状狭缝11相匹配，实现虚拟狭缝的设置，提高狭缝11处拉曼散射光束的光通量。
样品池6放置待测样品，收集前向散射光束。
会聚透镜7将样品池6处的线状入射光斑成像在狭缝11处，样品池6和狭缝11呈物像共轭关系。
二向色镜8让激发光束透射通过，并反射转折拉曼散射光束光路。
滤光片9滤除夹杂在拉曼散射光束中的激发光束。
平面反射镜10转折拉曼散射光束光路。
狭缝11限制拉曼散射光束通过，影响光谱分辨率，较窄的宽度，对应较高的分辨率。
准直透镜12对通过狭缝11的拉曼散射光束进行准直。
衍射光栅13通过衍射作用对拉曼散射光束进行分光。
会聚透镜14将经过衍射光栅13分光的拉曼散射光束按不同波长入射到数字微镜元件DMD15微镜面的不同位置。
数字微镜元件DMD15对已分光的拉曼散射光束进行谱面分割。
数字微镜元件控制器16通过阿达玛变换算法控制数字微镜元件DMD15。
会聚透镜17将数字微镜元件DMD15的微镜面成像在单点式探测器18的探测面上，数字微镜元件DMD15和单点式探测器18呈物像共轭关系。
单点式探测器18将拉曼散射光信号转换成电信号。
放大器19将电信号放大。
模数转换器ADC20将模拟电信号转换成数字信号。
计算机21进行系统控制和数据处理。
采用后向散射方式的拉曼散射采集模块包括：连续激光器22，滤光片23，会聚透镜24、25，柱面会聚透镜26，二向色镜27，样品池28，会聚透镜29，滤光片30，平面反射镜31，狭缝11。
连续激光器22产生高功率、窄线宽的激发光束。
滤光片23滤除连续激光器22本身的杂散光。
会聚透镜24、25组合调节激发光束的直径，与狭缝11高度相匹配。
柱面会聚透镜26将圆状激发光束会聚成线状光束，与线状狭缝11相匹配，实现虚拟狭缝的设置，提高狭缝11处拉曼散射光束的光通量。
二向色镜27让激发光束透射通过，并反射转折拉曼散射光束光路。
样品池28放置待测样品，收集后向散射光束。
会聚透镜29将样品池28处的线状入射光斑成像在狭缝11处，样品池28和狭缝11呈物像共轭关系。
滤光片30滤除夹杂在拉曼散射光束中的后向散射的激发光。
平面反射镜31转折拉曼散射光束光路。
狭缝11限制拉曼散射光束通过，影响光谱分辨率，较窄的宽度，对应较高的分辨率。
下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。
本发明提出了一种基于数字微镜元件的微型固化拉曼光谱仪，针对传统拉曼光谱仪的分光检测模块，引入了数字微镜元件DMD，同时，针对拉曼散射采集模块，引入了虚拟狭缝的新技术，结合附图，详细说明如下。此处所描述的主要是基于数字微镜元件的微型固化拉曼光谱仪的实现方法。
图1示出了本发明提供的基于数字微镜元件的微型固化拉曼光谱仪的结构示意图，其中，拉曼散射采集模块采用前向散射方式，详述如下。
连续激光器1和滤光片2共同作用，产生中心波长为785nm、功率不小于50mW和线宽不大于0.6nm的激发光束。
会聚透镜3、4为焦距长短不一样的会聚透镜组合，对激发光束的直径进行缩小调节，会聚透镜3的像方焦点与会聚透镜4的物方焦点相重合，会聚透镜3的焦距比会聚透镜4的焦距长。柱面会聚透镜5对圆状激光光束进行会聚，在位于柱面会聚透镜5的像方焦平面处的样品池6上形成线状入射光斑，实现虚拟狭缝的设置，激发出拉曼散射光束，线状入射光斑的宽度约为5μm。
样品池6上的线状入射光斑通过会聚透镜7成像在狭缝11处，与狭缝11的50μm宽度相匹配，样品池6和狭缝11呈物像共轭关系，并且放大率约等于10。
二向色镜8允许波长较短的激发光束透射通过，而反射转折波长较长的拉曼散射光束，去除拉曼散射光束中的激发光束，但是，激发光并未完全去除，需要滤光片9进一步滤除激发光。
平面反射镜10转折拉曼散射光束光路。
准直透镜12对经过狭缝11的拉曼散射光束进行准直，狭缝11位于准直透镜12的物方焦平面处，准直后的拉曼散射光束入射到反射式的衍射光栅13上，通过衍射作用，拉曼散射光束被分光，由会聚透镜14会聚，按不同波长入射到数字微镜元件DMD15的微镜面的不同位置，数字微镜元件DMD15位于会聚透镜14的像方焦平面处。狭缝11通过准直透镜12和会聚透镜14成像在数字微镜元件DMD15的微镜面上，狭缝11与数字微镜元件DMD15呈物像共轭关系。数字微镜元件DMD15的工作原理是：DMD是由M×N的微镜阵列构成，每个微镜可以发生±10°的偏转，入射光束入射到DMD的不同微镜时，反射光束会具有不同的偏离角度。当微镜发生+10°偏转时，反射光束可以从DMD出射，进入后续光路，对应状态“1”；当微镜发生-10°偏转时，反射光束不能从DMD出射，无法进入后续光路，对应状态“0”。DMD的微镜阵列是通过底层CMOS电路进行数字控制的，未加电压时，微镜不发生偏转，属初始状态；加电压时，由于上下电极间的静电力作用，微镜发生±10°的偏转，分别对应状态“0”和状态“1”。
数字微镜元件控制器16在计算机21的控制下根据阿达玛数字变换技术通过阿达玛变换算法控制数字微镜元件DMD15的偏转，将波长按照一定的规则进行分组，单点式探测器18使用光电倍增管PMT或雪崩光电二极管，接收多个波长组合的拉曼散射光束，不仅增加光通量，提高信噪比，而且将随机误差进行平均，提高准确性。
会聚透镜17将数字微镜元件DMD15的微镜面成像在单点式探测器18的探测面上，数字微镜元件DMD15和单点式探测器18呈物像共轭关系。
单点式探测器18将光信号转换成电信号，通过放大器19进行放大，再通过模数转换器ADC20将模拟信号转换为数字信号，传输给计算机21进行数据处理，获得光谱信息。
图2示出了本发明提供的采用后向散射方式的拉曼散射采集模块的结构示意图，详述如下。连续激光器22和滤光片23共同作用，产生中心波长为785nm、功率不小于50mW和线宽不大于0.6nm的激发光束。
会聚透镜24、25为焦距长短不一样的会聚透镜组合，对激发光束的直径进行缩小调节，会聚透镜24的像方焦点与会聚透镜25的物方焦点相重合，会聚透镜24的焦距比会聚透镜25的焦距长。
柱面会聚透镜26对圆状激光光束进行会聚，在位于柱面会聚透镜26的像方焦平面处的样品池28上形成线状入射光斑，实现虚拟狭缝的设置，激发出拉曼散射光束，线状入射光斑的宽度约为5μm。
二向色镜27允许波长较短的激发光束透射通过，而反射转折波长较长的拉曼散射光束。
样品池28上的线状入射光斑通过会聚透镜29成像在狭缝11处，与狭缝11的50μm宽度相匹配，样品池28和狭缝11呈物像共轭关系，并且放大率约等于10。
样品池28和会聚透镜29离二向色镜27较近，有利于后向拉曼散射光束的收集。
滤光片30滤除拉曼散射光束中存在的后向散射的激发光。
平面反射镜31转折拉曼散射光束光路。
Claims (3)
1.一种基于数字微镜元件的微型固化拉曼光谱仪，其特征是，由拉曼散射采集模块、分光检测模块和计算机三部分构成，拉曼散射采集模块为前向散射方式并包括：连续激光器(1)，第一滤光片(2)，第一会聚透镜(3)，第二会聚透镜(4)，柱面会聚透镜(5)，样品池(6)，第三会聚透镜(7)，二向色镜(8)，第二滤光片(9)，平面反射镜(10)；分光检测模块包括：狭缝(11)，准直透镜(12)，衍射光栅(13)，第四会聚透镜(14)，数字微镜元件(DMD)(15)，数字微镜元件控制器(16)，第五会聚透镜(17)，单点式探测器(18)，放大器(19)，模数转换器(ADC)(20)；
由连续激光器(1)产生高功率、窄线宽的激发光束；
第一滤光片(2)滤除连续激光器(1)本身的杂散光；
第一会聚透镜(3)，第二会聚透镜(4)组合调节激发光束的直径，与狭缝(11)高度相匹配；
柱面会聚透镜(5)将圆状激发光束会聚成线状光束，与线状狭缝(11)相匹配，实现虚拟狭缝的设置，提高狭缝(11)处拉曼散射光束的光通量；
样品池(6)放置待测样品，收集前向散射光束；
第三会聚透镜(7)将样品池(6)处的线状入射光斑成像在狭缝(11)处，样品池(6)和狭缝(11)呈物像共轭关系；
二向色镜(8)让激发光束透射通过，并反射转折拉曼散射光束光路；
第二滤光片(9)滤除夹杂在拉曼散射光束中的激发光束；
平面反射镜(10)转折拉曼散射光束光路；
狭缝(11)限制拉曼散射光束通过，影响光谱分辨率，较窄的宽度，对应较高的分辨率；
准直透镜(12)对通过狭缝(11)的拉曼散射光束进行准直；
衍射光栅(13)通过衍射作用对拉曼散射光束进行分光；
第四会聚透镜(14)将经过衍射光栅(13)分光的拉曼散射光束按不同波长入射到数字微镜元件(DMD)(15)微镜面的不同位置；
数字微镜元件(DMD)(15)对已分光的拉曼散射光束进行谱面分割；
数字微镜元件控制器(16)通过阿达玛变换算法控制数字微镜元件(DMD)(15)；会聚透镜(17)将数字微镜元件(DMD)(15)的微镜面成像在单点式探测器(18)的探测面上，数字微镜元件(DMD)(15)和单点式探测器(18)呈物像共轭关系；
单点式探测器(18)将拉曼散射光信号转换成电信号；
放大器(19)将电信号放大由模数转换器(ADC)(20)将模拟电信号转换成数字信号并输出到计算机进行数据处理。
2.如权利要求1所述的基于数字微镜元件的微型固化拉曼光谱仪，其特征是，狭缝(11)与数字微镜元件(DMD)(15)呈物像共轭关系；数字微镜元件(DMD)(15)由M×N的微镜阵列构成，每个微镜可以发生±10°的偏转，入射光束入射到DMD的不同微镜时，反射光束会具有不同的偏离角度，当微镜发生+10°偏转时，反射光束可以从DMD出射，进入后续光路，对应状态“1”；当微镜发生-10°偏转时，反射光束不能从DMD出射，无法进入后续光路，对应状态“0”；DMD的微镜阵列是通过底层CMOS电路进行数字控制的，未加电压时，微镜不发生偏转，属初始状态；加电压时，由于上下电极间的静电力作用，微镜发生±10°的偏转，分别对应状态“0”和状态“1”；数字微镜元件控制器(16)在计算机(21)的控制下通过底层CMOS电路根据阿达玛数字变换技术通过阿达玛变换算法控制数字微镜元件(DMD)(15)的偏转，将波长按照一定的规则进行分组，单点式探测器(18)使用光电倍增管(PMT)或雪崩光电二极管，接收多个波长组合的拉曼散射光束。
3.如权利要求1所述的基于数字微镜元件的微型固化拉曼光谱仪，其特征是，拉曼散射采集模块为后向散射方式，结构为：连续激光器(22)和滤光片(23)共同作用，产生中心波长为785nm、功率不小于50mW和线宽不大于0.6nm的激发光束；
第24会聚透镜(24)、第25会聚透镜(25)为焦距长短不一样的会聚透镜组合，对激发光束的直径进行缩小调节，第24会聚透镜(24)的像方焦点与第25会聚透镜(25)的物方焦点相重合，第24会聚透镜(24)的焦距比第25会聚透镜(25)的焦距长；
柱面会聚透镜(26)对圆状激光光束进行会聚，在位于柱面会聚透镜(26)的像方焦平面处的样品池(28)上形成线状入射光斑，实现虚拟狭缝的设置，激发出拉曼散射光束；二向色镜(27)允许波长较短的激发光束透射通过，而反射转折波长较长的拉曼散射光束；样品池(28)上的线状入射光斑通过会聚透镜(29)成像在狭缝(11)处，与狭缝(11)的50μm宽度相匹配，样品池(28)和狭缝(11)呈物像共轭关系，并且放大率约等于10；
样品池(28)和会聚透镜(29)离二向色镜(27)较近，有利于后向拉曼散射光束的收集；
滤光片(30)滤除拉曼散射光束中存在的后向散射的激发光；
平面反射镜(31)转折拉曼散射光束光路。
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