基于數(shù)字微鏡元件的微型固化拉曼光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光譜分析儀器【技術(shù)領(lǐng)域】，為提供一種微型固化拉曼光譜儀，降低拉曼光譜儀的制造成本；增大狹縫處的光通量，提高信噪比，突破信噪比和光譜分辨率之間的相互限制；實現(xiàn)微型固化，提高穩(wěn)定性，為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于數(shù)字微鏡元件的微型固化拉曼光譜儀，由拉曼散射采集模塊、分光檢測模塊和計算機三部分構(gòu)成，拉曼散射采集模塊為前向散射方式并包括：連續(xù)激光器(1)，第一濾光片(2)，第一會聚透鏡(3)，第二會聚透鏡(4)，柱面會聚透鏡(5)，樣品池(6)，第三會聚透鏡(7)，二向色鏡(8)，第二濾光片(9)，平面反射鏡(10)。本發(fā)明主要應(yīng)用于光譜分析。
【專利說明】基于數(shù)字微鏡元件的微型固化拉曼光譜儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光譜分析儀器【技術(shù)領(lǐng)域】。具體講，涉及基于數(shù)字微鏡元件的微型固化拉曼光譜儀。

【背景技術(shù)】
[0002]拉曼散射效應(yīng)是拉曼光譜檢測技術(shù)得以發(fā)展的基礎(chǔ)，由印度物理學(xué)家C.V.Raman于1928年通過實驗發(fā)現(xiàn)。拉曼散射產(chǎn)生的原理是光照射到物質(zhì)上發(fā)生的非彈性散射，具體而言，單色光束的入射光光子與物質(zhì)的分子相互作用時可以發(fā)生彈性碰撞和非彈性碰撞，當發(fā)生彈性碰撞時，光子與分子間沒有能量交換，光子只改變運動方向而不改變頻率，產(chǎn)生瑞利散射；當發(fā)生非彈性碰撞時，光子與分子間發(fā)生能量交換，光子不僅改變運動方向，而且頻率發(fā)生變化，產(chǎn)生拉曼散射。由于分子能級初始狀態(tài)的不同，導(dǎo)致能量傳遞方向的不同，拉曼散射光光子能量相對于入射光光子能量可能減小或者增大，從而，拉曼散射分為斯托克斯散射和反斯托克斯散射兩種，分別對應(yīng)于能量減小和增大的情況。
[0003]拉曼光譜檢測技術(shù)的有效應(yīng)用主要依據(jù)拉曼散射效應(yīng)對物質(zhì)分子能級變化的精確反映，因為物質(zhì)分子能級的變化與物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的特征緊密聯(lián)系，所以拉曼光譜可以識別不同的物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)，區(qū)分不同的物質(zhì)分子，同時，結(jié)合不斷發(fā)展的化學(xué)計量學(xué)方法，可以實現(xiàn)物質(zhì)成分含量信息的準確測定，實現(xiàn)定性分析和定量檢測的應(yīng)用目標。拉曼光譜檢測技術(shù)屬于分子光譜檢測技術(shù)，具有顯著的特點，包括:對樣本制備要求低，對樣本不接觸、不損傷，適合黑色樣本和含水樣本的分析，適應(yīng)高溫、低溫和高壓等惡劣環(huán)境，光譜成像快速、簡便、實時。目前，拉曼光譜檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和藥學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)、食品科學(xué)、環(huán)境保護、地質(zhì)考古、刑偵鑒定等領(lǐng)域，為各領(lǐng)域的發(fā)展提供了先進的分析和檢測技術(shù)。
[0004]拉曼光譜儀是拉曼光譜檢測技術(shù)得以應(yīng)用的載體，結(jié)構(gòu)上主要分為拉曼散射采集模塊和分光檢測模塊兩部分。由于拉曼散射光強度僅為激發(fā)光強度的10-6倍，拉曼光譜儀的分光檢測模塊需要滿足弱光檢測的要求，具有較高的信噪比。目前，通常采用陣列式探測器——電荷耦合元件(CCD)檢測分光后的拉曼散射光信號，具有較高的信噪比，但是，CCD的價格較高，增加了拉曼光譜儀的制造成本。然而，數(shù)字微鏡元件(DMD)的出現(xiàn)為拉曼光譜儀的發(fā)展提供了新的思路，DMD是通過底層CMOS電路控制微鏡，當DMD加電壓后，由于上下電極間靜電力的驅(qū)動作用，微鏡鏡面發(fā)生±10°的偏轉(zhuǎn)，使得出射光偏離，對應(yīng)“0”和“1”兩種狀態(tài)，實現(xiàn)譜面分割，結(jié)合阿達瑪數(shù)字變換技術(shù)控制微鏡的偏轉(zhuǎn)組合，利用單點式探測器進行分時檢測，實現(xiàn)分光檢測的功能，在保證較高的信噪比的同時，可以實現(xiàn)制造成本的降低。同時，拉曼光譜儀中的狹縫寬度通常需要根據(jù)信噪比和光譜分辨率的權(quán)衡進行設(shè)置，較窄的狹縫，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，需要新的技術(shù)，在較窄的狹縫時，增加光通量，提高信噪比，突破信噪比與光譜分辨率的相互限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微型固化拉曼光譜儀，降低拉曼光譜儀的制造成本；增大狹縫處的光通量，提高信噪比，突破信噪比和光譜分辨率之間的相互限制；實現(xiàn)微型固化，提高穩(wěn)定性，為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于數(shù)字微鏡元件的微型固化拉曼光譜儀，由拉曼散射采集模塊、分光檢測模塊和計算機三部分構(gòu)成，拉曼散射采集模塊為前向散射方式并包括:連續(xù)激光器(1)，第一濾光片(2),第一會聚透鏡(3),第二會聚透鏡
(4)，柱面會聚透鏡(5)，樣品池￠)，第三會聚透鏡(7)，二向色鏡(8)，第二濾光片(9)，平面反射鏡(10);分光檢測模塊包括:狹縫(11)，準直透鏡(12)，衍射光柵(13)，第四會聚透鏡(14)，數(shù)字微鏡元件(DMD) (15)，數(shù)字微鏡元件控制器(16)，第五會聚透鏡(17)，單點式探測器(18)，放大器(19)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) (20)；
[0006]由連續(xù)激光器⑴產(chǎn)生高功率、窄線寬的激發(fā)光束；
[0007]第一濾光片(2)濾除連續(xù)激光器(1)本身的雜散光；
[0008]第一會聚透鏡(3)，第二會聚透鏡(4)組合調(diào)節(jié)激發(fā)光束的直徑，與狹縫(11)高度相匹配；
[0009]柱面會聚透鏡(5)將圓狀激發(fā)光束會聚成線狀光束，與線狀狹縫(11)相匹配，實現(xiàn)虛擬狹縫的設(shè)置，提高狹縫(11)處拉曼散射光束的光通量；
[0010]樣品池(6)放置待測樣品，收集前向散射光束；
[0011]第三會聚透鏡(7)將樣品池(6)處的線狀入射光斑成像在狹縫(11)處，樣品池
(6)和狹縫(11)呈物像共軛關(guān)系；
[0012]二向色鏡(8)讓激發(fā)光束透射通過，并反射轉(zhuǎn)折拉曼散射光束光路；
[0013]第二濾光片(9)濾除夾雜在拉曼散射光束中的激發(fā)光束；
[0014]平面反射鏡(10)轉(zhuǎn)折拉曼散射光束光路；
[0015]狹縫(11)限制拉曼散射光束通過，影響光譜分辨率，較窄的寬度，對應(yīng)較高的分辨率；
[0016]準直透鏡(12)對通過狹縫(11)的拉曼散射光束進行準直；
[0017]衍射光柵(13)通過衍射作用對拉曼散射光束進行分光；
[0018]第四會聚透鏡(14)將經(jīng)過衍射光柵(13)分光的拉曼散射光束按不同波長入射到數(shù)字微鏡元件(DMD) (15)微鏡面的不同位置；
[0019]數(shù)字微鏡元件(DMD) (15)對已分光的拉曼散射光束進行譜面分割；
[0020]數(shù)字微鏡元件控制器(16)通過阿達瑪變換算法控制數(shù)字微鏡元件(DMD) (15)；
[0021]會聚透鏡(17)將數(shù)字微鏡元件(DMD) (15)的微鏡面成像在單點式探測器(18)的探測面上，數(shù)字微鏡元件(DMD) (15)和單點式探測器(18)呈物像共軛關(guān)系；
[0022]單點式探測器(18)將拉曼散射光信號轉(zhuǎn)換成電信號；
[0023]放大器(19)將電信號放大由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) (20)將模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并輸出到計算機進行數(shù)據(jù)處理。
[0024]狹縫(11)與數(shù)字微鏡元件(DMD) (15)呈物像共軛關(guān)系。
[0025]數(shù)字微鏡元件(DMD) (15)由MXN的微鏡陣列構(gòu)成，每個微鏡可以發(fā)生±10°的偏轉(zhuǎn)，入射光束入射到DMD的不同微鏡時，反射光束會具有不同的偏離角度，當微鏡發(fā)生+10°偏轉(zhuǎn)時，反射光束可以從DMD出射，進入后續(xù)光路，對應(yīng)狀態(tài)“1”;當微鏡發(fā)生-10°偏轉(zhuǎn)時，反射光束不能從DMD出射，無法進入后續(xù)光路，對應(yīng)狀態(tài)“0” ；DMD的微鏡陣列是通過底層CMOS電路進行數(shù)字控制的，未加電壓時，微鏡不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，屬初始狀態(tài)；加電壓時，由于上下電極間的靜電力作用，微鏡發(fā)生±10°的偏轉(zhuǎn)，分別對應(yīng)狀態(tài)“0”和狀態(tài)“1”;數(shù)字微鏡元件控制器(16)在計算機(21)的控制下通過底層CMOS電路根據(jù)阿達瑪數(shù)字變換技術(shù)通過阿達瑪變換算法控制數(shù)字微鏡元件(DMD)(15)的偏轉(zhuǎn)，將波長按照一定的規(guī)則進行分組，單點式探測器(18)使用光電倍增管(PMT)或雪崩光電二極管，接收多個波長組合的拉曼散射光束。
[0026]拉曼散射采集模塊為后向散射方式，結(jié)構(gòu)為:連續(xù)激光器(22)和濾光片(23)共同作用，產(chǎn)生中心波長為785nm、功率不小于50mW和線寬不大于0.6nm的激發(fā)光束；
[0027]第24會聚透鏡(24)、第25會聚透鏡(25)為焦距長短不一樣的會聚透鏡組合，對激發(fā)光束的直徑進行縮小調(diào)節(jié)，第24會聚透鏡(24)的像方焦點與第25會聚透鏡(25)的物方焦點相重合，第24會聚透鏡(24)的焦距比第25會聚透鏡(25)的焦距長；
[0028]柱面會聚透鏡(26)對圓狀激光光束進行會聚，在位于柱面會聚透鏡(26)的像方焦平面處的樣品池(28)上形成線狀入射光斑，實現(xiàn)虛擬狹縫的設(shè)置，激發(fā)出拉曼散射光束；二向色鏡(27)允許波長較短的激發(fā)光束透射通過，而反射轉(zhuǎn)折波長較長的拉曼散射光束；樣品池(28)上的線狀入射光斑通過會聚透鏡(29)成像在狹縫(11)處，與狹縫(11)的50 μπι寬度相匹配，樣品池(28)和狹縫(11)呈物像共軛關(guān)系，并且放大率約等于10 ;樣品池(28)和會聚透鏡(29)離二向色鏡(27)較近，有利于后向拉曼散射光束的收集；濾光片
(30)濾除拉曼散射光束中存在的后向散射的激發(fā)光；
[0029]平面反射鏡(31)轉(zhuǎn)折拉曼散射光束光路。
[0030]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)特點與效果:
[0031]本發(fā)明在數(shù)字微鏡元件和阿達瑪數(shù)字變換技術(shù)的共同作用下，單點式探測器對拉曼散射光束的分時檢測不僅滿足較高信噪比的要求，而且相對于陣列式探測器具有較低價格的優(yōu)勢；通過虛擬狹縫的設(shè)置，在具有較窄的狹縫的情況下，增加了拉曼散射光的光通量，提高了信噪比，突破了信噪比和光譜分辨率之間的相互限制；內(nèi)部元器件的固定化和小型化以及內(nèi)部光路的緊湊化，實現(xiàn)了微型固化的優(yōu)勢，提高了拉曼光譜儀的穩(wěn)定性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是本發(fā)明提供的基于數(shù)字微鏡元件的微型固化拉曼光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，拉曼散射采集模塊采用前向散射方式。
[0033]圖中，1為連續(xù)激光器,2為濾光片,3、4為會聚透鏡,5為柱面會聚透鏡,6為樣品池，7為會聚透鏡,8為二向色鏡,9為濾光片，10為平面反射鏡，11為狹縫，12為準直透鏡，13為衍射光柵，14為會聚透鏡，15為數(shù)字微鏡元件DMD，16為數(shù)字微鏡元件控制器，17為會聚透鏡，18為單點式探測器，19為放大器，20為模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，21為計算機，*表示物像共軛關(guān)系。
[0034]圖2是采用后向散射方式的拉曼散射采集模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖中，22為連續(xù)激光器，23為濾光片，24、25為會聚透鏡，26為柱面會聚透鏡，27為二向色鏡，28為樣品池，29為會聚透鏡，30為濾光片，31為平面反射鏡，*表示物像共軛關(guān)系。

【具體實施方式】
[0036]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0037]基于數(shù)字微鏡元件的微型固化拉曼光譜儀在結(jié)構(gòu)上分為拉曼散射采集模塊和分光檢測模塊兩部分，其中，拉曼散射米集模塊可以分為兩種方式:前向散射方式和后向散射方式。
[0038]采用前向散射方式的拉曼光譜儀系統(tǒng)包括:連續(xù)激光器1，濾光片2，會聚透鏡3、4，柱面會聚透鏡5，樣品池6，會聚透鏡7，二向色鏡8，濾光片9，平面反射鏡10，狹縫11，準直透鏡12，衍射光柵13，會聚透鏡14，數(shù)字微鏡元件DMD15，數(shù)字微鏡元件控制器16，會聚透鏡17，單點式探測器18，放大器19，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC20，計算機21。
[0039]由連續(xù)激光器1產(chǎn)生高功率、窄線寬的激發(fā)光束。
[0040]濾光片2濾除連續(xù)激光器1本身的雜散光。
[0041]會聚透鏡3、4組合調(diào)節(jié)激發(fā)光束的直徑，與狹縫11高度相匹配。
[0042]柱面會聚透鏡5將圓狀激發(fā)光束會聚成線狀光束，與線狀狹縫11相匹配，實現(xiàn)虛擬狹縫的設(shè)置，提高狹縫11處拉曼散射光束的光通量。
[0043]樣品池6放置待測樣品，收集前向散射光束。
[0044]會聚透鏡7將樣品池6處的線狀入射光斑成像在狹縫11處，樣品池6和狹縫11
呈物像共軛關(guān)系。
[0045]二向色鏡8讓激發(fā)光束透射通過，并反射轉(zhuǎn)折拉曼散射光束光路。
[0046]濾光片9濾除夾雜在拉曼散射光束中的激發(fā)光束。
[0047]平面反射鏡10轉(zhuǎn)折拉曼散射光束光路。
[0048]狹縫11限制拉曼散射光束通過，影響光譜分辨率，較窄的寬度，對應(yīng)較高的分辨率。
[0049]準直透鏡12對通過狹縫11的拉曼散射光束進行準直。
[0050]衍射光柵13通過衍射作用對拉曼散射光束進行分光。
[0051]會聚透鏡14將經(jīng)過衍射光柵13分光的拉曼散射光束按不同波長入射到數(shù)字微鏡元件DMD15微鏡面的不同位置。
[0052]數(shù)字微鏡元件DMD15對已分光的拉曼散射光束進行譜面分割。
[0053]數(shù)字微鏡元件控制器16通過阿達瑪變換算法控制數(shù)字微鏡元件DMD15。
[0054]會聚透鏡17將數(shù)字微鏡元件DMD15的微鏡面成像在單點式探測器18的探測面上，數(shù)字微鏡元件DMD15和單點式探測器18呈物像共軛關(guān)系。
[0055]單點式探測器18將拉曼散射光信號轉(zhuǎn)換成電信號。
[0056]放大器19將電信號放大。
[0057]模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC20將模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
[0058]計算機21進行系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理。
[0059]采用后向散射方式的拉曼散射采集模塊包括:連續(xù)激光器22，濾光片23，會聚透鏡24、25，柱面會聚透鏡26，二向色鏡27，樣品池28，會聚透鏡29，濾光片30，平面反射鏡31，狹縫11。
[0060]連續(xù)激光器22產(chǎn)生高功率、窄線寬的激發(fā)光束。
[0061]濾光片23濾除連續(xù)激光器22本身的雜散光。
[0062]會聚透鏡24、25組合調(diào)節(jié)激發(fā)光束的直徑，與狹縫11高度相匹配。
[0063]柱面會聚透鏡26將圓狀激發(fā)光束會聚成線狀光束，與線狀狹縫11相匹配，實現(xiàn)虛擬狹縫的設(shè)置，提高狹縫11處拉曼散射光束的光通量。
[0064]二向色鏡27讓激發(fā)光束透射通過，并反射轉(zhuǎn)折拉曼散射光束光路。
[0065]樣品池28放置待測樣品，收集后向散射光束。
[0066]會聚透鏡29將樣品池28處的線狀入射光斑成像在狹縫11處，樣品池28和狹縫11呈物像共軛關(guān)系。
[0067]濾光片30濾除夾雜在拉曼散射光束中的后向散射的激發(fā)光。
[0068]平面反射鏡31轉(zhuǎn)折拉曼散射光束光路。
[0069]狹縫11限制拉曼散射光束通過，影響光譜分辨率，較窄的寬度，對應(yīng)較高的分辨率。
[0070]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】進一步詳細說明本發(fā)明。
[0071]本發(fā)明提出了一種基于數(shù)字微鏡元件的微型固化拉曼光譜儀，針對傳統(tǒng)拉曼光譜儀的分光檢測模塊，引入了數(shù)字微鏡元件DMD，同時，針對拉曼散射采集模塊，引入了虛擬狹縫的新技術(shù)，結(jié)合附圖，詳細說明如下。此處所描述的主要是基于數(shù)字微鏡元件的微型固化拉曼光譜儀的實現(xiàn)方法。
[0072]圖1示出了本發(fā)明提供的基于數(shù)字微鏡元件的微型固化拉曼光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，拉曼散射采集模塊采用前向散射方式，詳述如下。
[0073]連續(xù)激光器1和濾光片2共同作用，產(chǎn)生中心波長為785nm、功率不小于50mW和線寬不大于0.6nm的激發(fā)光束。
[0074]會聚透鏡3、4為焦距長短不一樣的會聚透鏡組合，對激發(fā)光束的直徑進行縮小調(diào)節(jié)，會聚透鏡3的像方焦點與會聚透鏡4的物方焦點相重合，會聚透鏡3的焦距比會聚透鏡4的焦距長。柱面會聚透鏡5對圓狀激光光束進行會聚，在位于柱面會聚透鏡5的像方焦平面處的樣品池6上形成線狀入射光斑，實現(xiàn)虛擬狹縫的設(shè)置，激發(fā)出拉曼散射光束，線狀入射光斑的寬度約為5 μπι。
[0075]樣品池6上的線狀入射光斑通過會聚透鏡7成像在狹縫11處，與狹縫11的50 μ m寬度相匹配，樣品池6和狹縫11呈物像共軛關(guān)系，并且放大率約等于10。
[0076]二向色鏡8允許波長較短的激發(fā)光束透射通過，而反射轉(zhuǎn)折波長較長的拉曼散射光束，去除拉曼散射光束中的激發(fā)光束，但是，激發(fā)光并未完全去除，需要濾光片9進一步濾除激發(fā)光。
[0077]平面反射鏡10轉(zhuǎn)折拉曼散射光束光路。
[0078]準直透鏡12對經(jīng)過狹縫11的拉曼散射光束進行準直，狹縫11位于準直透鏡12的物方焦平面處，準直后的拉曼散射光束入射到反射式的衍射光柵13上，通過衍射作用，拉曼散射光束被分光，由會聚透鏡14會聚，按不同波長入射到數(shù)字微鏡元件DMD15的微鏡面的不同位置，數(shù)字微鏡元件DMD15位于會聚透鏡14的像方焦平面處。狹縫11通過準直透鏡12和會聚透鏡14成像在數(shù)字微鏡元件DMD15的微鏡面上，狹縫11與數(shù)字微鏡元件DMD15呈物像共軛關(guān)系。數(shù)字微鏡元件DMD15的工作原理是:DMD是由MXN的微鏡陣列構(gòu)成，每個微鏡可以發(fā)生±10°的偏轉(zhuǎn)，入射光束入射到DMD的不同微鏡時,反射光束會具有不同的偏離角度。當微鏡發(fā)生+10°偏轉(zhuǎn)時，反射光束可以從DMD出射，進入后續(xù)光路，對應(yīng)狀態(tài)“1”；當微鏡發(fā)生-10°偏轉(zhuǎn)時，反射光束不能從DMD出射，無法進入后續(xù)光路，對應(yīng)狀態(tài)“0”。DMD的微鏡陣列是通過底層CMOS電路進行數(shù)字控制的，未加電壓時，微鏡不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，屬初始狀態(tài)；加電壓時，由于上下電極間的靜電力作用，微鏡發(fā)生±10°的偏轉(zhuǎn)，分別對應(yīng)狀態(tài)“0”和狀態(tài)“1”。
[0079]數(shù)字微鏡元件控制器16在計算機21的控制下根據(jù)阿達瑪數(shù)字變換技術(shù)通過阿達瑪變換算法控制數(shù)字微鏡元件DMD15的偏轉(zhuǎn)，將波長按照一定的規(guī)則進行分組，單點式探測器18使用光電倍增管PMT或雪崩光電二極管，接收多個波長組合的拉曼散射光束，不僅增加光通量，提高信噪比，而且將隨機誤差進行平均，提高準確性。
[0080]會聚透鏡17將數(shù)字微鏡元件DMD15的微鏡面成像在單點式探測器18的探測面上，數(shù)字微鏡元件DMD15和單點式探測器18呈物像共軛關(guān)系。
[0081]單點式探測器18將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過放大器19進行放大，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC20將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳輸給計算機21進行數(shù)據(jù)處理，獲得光譜信息。
[0082]圖2示出了本發(fā)明提供的采用后向散射方式的拉曼散射采集模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，詳述如下。連續(xù)激光器22和濾光片23共同作用，產(chǎn)生中心波長為785nm、功率不小于50mW和線寬不大于0.6nm的激發(fā)光束。
[0083]會聚透鏡24、25為焦距長短不一樣的會聚透鏡組合，對激發(fā)光束的直徑進行縮小調(diào)節(jié)，會聚透鏡24的像方焦點與會聚透鏡25的物方焦點相重合，會聚透鏡24的焦距比會聚透鏡25的焦距長。
[0084]柱面會聚透鏡26對圓狀激光光束進行會聚，在位于柱面會聚透鏡26的像方焦平面處的樣品池28上形成線狀入射光斑，實現(xiàn)虛擬狹縫的設(shè)置，激發(fā)出拉曼散射光束，線狀入射光斑的寬度約為5 μπι。
[0085]二向色鏡27允許波長較短的激發(fā)光束透射通過，而反射轉(zhuǎn)折波長較長的拉曼散射光束。
[0086]樣品池28上的線狀入射光斑通過會聚透鏡29成像在狹縫11處，與狹縫11的50 μ m寬度相匹配，樣品池28和狹縫11呈物像共軛關(guān)系，并且放大率約等于10。
[0087]樣品池28和會聚透鏡29離二向色鏡27較近，有利于后向拉曼散射光束的收集。
[0088]濾光片30濾除拉曼散射光束中存在的后向散射的激發(fā)光。
[0089]平面反射鏡31轉(zhuǎn)折拉曼散射光束光路。
【權(quán)利要求】
1.一種基于數(shù)字微鏡元件的微型固化拉曼光譜儀，其特征是，由拉曼散射采集模塊、分光檢測模塊和計算機三部分構(gòu)成，拉曼散射采集模塊為前向散射方式并包括:連續(xù)激光器(I)，第一濾光片(2)，第一會聚透鏡(3)，第二會聚透鏡(4)，柱面會聚透鏡(5)，樣品池(6)，第三會聚透鏡(7)，二向色鏡(8)，第二濾光片(9)，平面反射鏡(10);分光檢測模塊包括:狹縫(11)，準直透鏡(12)，衍射光柵(13)，第四會聚透鏡(14)，數(shù)字微鏡元件(DMD) (15)，數(shù)字微鏡元件控制器(16)，第五會聚透鏡(17)，單點式探測器(18)，放大器(19)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) (20)； 由連續(xù)激光器(I)產(chǎn)生高功率、窄線寬的激發(fā)光束； 第一濾光片(2)濾除連續(xù)激光器(I)本身的雜散光； 第一會聚透鏡(3)，第二會聚透鏡(4)組合調(diào)節(jié)激發(fā)光束的直徑，與狹縫(11)高度相匹配； 柱面會聚透鏡(5)將圓狀激發(fā)光束會聚成線狀光束，與線狀狹縫(11)相匹配，實現(xiàn)虛擬狹縫的設(shè)置，提高狹縫(11)處拉曼散射光束的光通量； 樣品池(6)放置待測樣品，收集前向散射光束； 第三會聚透鏡(7)將樣品池(6)處的線狀入射光斑成像在狹縫(11)處，樣品池(6)和狹縫(11)呈物像共軛關(guān)系； 二向色鏡(8)讓激發(fā)光束透射通過，并反射轉(zhuǎn)折拉曼散射光束光路； 第二濾光片(9)濾除夾雜在拉曼散射光束中的激發(fā)光束； 平面反射鏡(10)轉(zhuǎn)折拉曼散射光束光路； 狹縫(11)限制拉曼散射光束通過，影響光譜分辨率，較窄的寬度，對應(yīng)較高的分辨率； 準直透鏡(12)對通過狹縫(11)的拉曼散射光束進行準直； 衍射光柵(13)通過衍射作用對拉曼散射光束進行分光； 第四會聚透鏡(14)將經(jīng)過衍射光柵(13)分光的拉曼散射光束按不同波長入射到數(shù)字微鏡元件(DMD) (15)微鏡面的不同位置； 數(shù)字微鏡元件(DMD) (15)對已分光的拉曼散射光束進行譜面分割； 數(shù)字微鏡元件控制器(16)通過阿達瑪變換算法控制數(shù)字微鏡元件(DMD) (15);會聚透鏡(17)將數(shù)字微鏡元件(DMD) (15)的微鏡面成像在單點式探測器(18)的探測面上，數(shù)字微鏡元件(DMD) (15)和單點式探測器(18)呈物像共軛關(guān)系； 單點式探測器(18)將拉曼散射光信號轉(zhuǎn)換成電信號； 放大器(19)將電信號放大由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) (20)將模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并輸出到計算機進行數(shù)據(jù)處理。
2.如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字微鏡元件的微型固化拉曼光譜儀，其特征是，狹縫(II)與數(shù)字微鏡元件(DMD)(15)呈物像共軛關(guān)系；數(shù)字微鏡元件(DMD) (15)由MXN的微鏡陣列構(gòu)成，每個微鏡可以發(fā)生±10°的偏轉(zhuǎn),入射光束入射到DMD的不同微鏡時,反射光束會具有不同的偏離角度，當微鏡發(fā)生+10°偏轉(zhuǎn)時，反射光束可以從DMD出射，進入后續(xù)光路，對應(yīng)狀態(tài)“I”；當微鏡發(fā)生-10°偏轉(zhuǎn)時，反射光束不能從DMD出射，無法進入后續(xù)光路，對應(yīng)狀態(tài)“0”;DMD的微鏡陣列是通過底層CMOS電路進行數(shù)字控制的，未加電壓時，微鏡不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，屬初始狀態(tài)；加電壓時，由于上下電極間的靜電力作用，微鏡發(fā)生±10°的偏轉(zhuǎn)，分別對應(yīng)狀態(tài)“O”和狀態(tài)“I”;數(shù)字微鏡元件控制器(16)在計算機(21)的控制下通過底層CMOS電路根據(jù)阿達瑪數(shù)字變換技術(shù)通過阿達瑪變換算法控制數(shù)字微鏡元件(DMD)(15)的偏轉(zhuǎn)，將波長按照一定的規(guī)則進行分組，單點式探測器(18)使用光電倍增管(PMT)或雪崩光電二極管，接收多個波長組合的拉曼散射光束。
3.如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字微鏡元件的微型固化拉曼光譜儀，其特征是，拉曼散射采集模塊為后向散射方式，結(jié)構(gòu)為:連續(xù)激光器(22)和濾光片(23)共同作用，產(chǎn)生中心波長為785nm、功率不小于50mW和線寬不大于0.6nm的激發(fā)光束； 第24會聚透鏡(24)、第25會聚透鏡(25)為焦距長短不一樣的會聚透鏡組合，對激發(fā)光束的直徑進行縮小調(diào)節(jié)，第24會聚透鏡(24)的像方焦點與第25會聚透鏡(25)的物方焦點相重合，第24會聚透鏡(24)的焦距比第25會聚透鏡(25)的焦距長； 柱面會聚透鏡(26)對圓狀激光光束進行會聚，在位于柱面會聚透鏡(26)的像方焦平面處的樣品池(28)上形成線狀入射光斑，實現(xiàn)虛擬狹縫的設(shè)置，激發(fā)出拉曼散射光束；二向色鏡(27)允許波長較短的激發(fā)光束透射通過，而反射轉(zhuǎn)折波長較長的拉曼散射光束；樣品池(28)上的線狀入射光斑通過會聚透鏡(29)成像在狹縫(11)處，與狹縫(11)的50μπι寬度相匹配，樣品池(28)和狹縫(11)呈物像共軛關(guān)系，并且放大率約等于10 ；樣品池(28)和會聚透鏡(29)離二向色鏡(27)較近，有利于后向拉曼散射光束的收集; 濾光片(30)濾除拉曼散射光束中存在的后向散射的激發(fā)光； 平面反射鏡(31)轉(zhuǎn)折拉曼散射光束光路。
【文檔編號】G01N21/65GK104458696SQ201410722626
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】李奇峰, 王慧捷, 陳達, 王洋 申請人:天津大學(xué)