本發明涉及一種光學設備,具體涉及拉曼光譜儀器設計及拉曼光譜測試技術領域,尤其涉及一種小型化,適宜野外現場作業的激光拉曼光譜儀。
背景技術:
拉曼散射現象自1928年被發現以來,由于拉曼光譜具有信息豐富、譜峰帶通較狹窄、拉曼位移與入射光頻率無關、分析效率高和樣品消耗少等優點而備受關注,國內外已相繼設計、研發出多種拉曼光譜儀器,廣泛應用于現代科學實驗、生物醫學、食品安全、油氣勘探,環境監測,化學分析以及考古研究等眾多領域中(胡曉紅、周金池.拉曼光譜的應用及其進展,分析儀器,2011(6),1-4)。隨著激光技術、光電子材料、微電子、計算機技術等高科技的發展和眾多前沿學科的相互交叉、融合,對拉曼光譜儀器的微型化、集成化、輕量化等性能提出了更高要求,使其具有更強的使用靈活性和環境適應性,以及更低的生產成本。
目前,適于實驗室研究或專門用途的光譜儀由于體積龐大不便于攜帶,制約著其在航空航天等領域中的應用,而高昂的價格限制了其在眾多民用領域的發展。常見的拉曼光譜儀結構中,光學元器件與儀器機械結構之間通常是調整好幾何位置關系后采用膠粘的方式進行光學零件固定,能較好的適用于實驗室環境,但對于有振動、沖擊、高低溫等惡劣工況下并不合適。CN 102313729 A(袁丁趙喜吳紅彥紀軍.一種便攜式拉曼光譜儀,2012.01.11)的專利公開了一種帶有顯微鏡光學系統的便攜式拉曼光譜儀,可以實現樣品表面的微米級分析,但沒有電池系統,不適于野外作業分析場合;CN 202533371 U(白燕張幼文.深紫外激光拉曼光譜儀,2012.11.14)的專利公開了一種靈敏度高、照明點大、分辨率高、不損傷眼睛視力的深紫外激光拉曼光譜儀,能有效去除熒光干擾,但系統體積較大,不便于攜帶。
因此,有鑒于現有技術的不足,開發一款體積小巧、價格便宜、智能化分析水平高的拉曼光譜儀,適用于野外作業分析、現場在線檢測等場合,推動光譜儀器向更廣的領域發展,是目前急需解決的技術問題。
技術實現要素:
本發明的目的是提供一種小型化激光拉曼光譜儀,以提高檢測靈敏度和智能化水平。
本發明的目的是通過這樣的技術方案實現的,一種小型化激光拉曼光譜儀,包括半導體激光器、拉曼探頭、色散系統、探測系統、信號分析處理系統以及顯示與輸出系統,半導體激光器發出一定波長的激光通過拉曼探頭后照射到待測物體上,同時拉曼探頭將拉曼散射信號收集到色散系統中,然后探測系統對色散系統輸出的信號進行光電信號轉換,信號分析處理系統將探測系統輸出的信號分析處理形成光譜數據,光譜數據在顯示屏上生成拉曼光譜并輸出。
進一步,所述色散系統包括準直鏡、光柵和聚焦鏡,拉曼探頭采集的拉曼散射信號依次經過準直鏡、光柵和聚焦鏡,然后進入到探測系統中。
進一步,所述色散系統還包括入射狹縫部件,拉曼探頭收集到的拉曼信號經過入射狹縫部件進入到準直鏡中。
進一步,所述聚焦鏡設置于準直鏡裝調件上,聚焦鏡鏡片的焦距、聚焦鏡鏡片的俯仰角度和聚焦鏡鏡片的擺動角度通過聚焦鏡裝調件調節,所述聚焦鏡裝調件包括聚焦鏡底板502和設置于聚焦鏡底板上的聚焦鏡裝調架,所述聚焦鏡裝調架包括聚焦鏡框架501、第一撓性調節板509和擺動調節板,所述第一撓性調節板設置于聚焦鏡框架的底部且位于擺動調節板上;聚焦鏡507放置在聚焦鏡框架的內腔中,所述撓性調節板兩側各設一個擺動限位槽508,擺動限位槽設置于擺動調節板上;所述聚焦鏡底板上設置有兩個螺釘孔506,擺動限位槽的中心位置與螺釘孔的中心軸線重合;所述第一撓性調節板上設置有兩個通孔,所述擺動調節板上設置有一個螺紋孔,該螺紋孔與其中一個通孔同軸設置;所述聚焦鏡底板的兩側各設置一個第一行程限位槽503和導向槽504。
進一步,所述探測系統包括CCD探測器,所述CCD探測器設置于CCD探測器裝調部件上,CCD探測器的側傾角度、俯仰角度和焦距通過CCD探測器裝調部件調節;所述CCD探測器裝調部件包括CCD框架601,所述CCD探測器設置于CCD框架中,所述CCD探測器裝調部件還包括調節板,所述調節板包括第一調節板6071和第二調節板6072,所述第一調節板由CCD框架下部邊緣向外延伸形成,第一調節板的一端設置有兩個通孔,該通孔遠離第一調節板與第二調節板的連接端設置,所述第二調節板的一端與第一調節板連接,另一端與第一調節板分離,所述第二調節板上設置有螺紋孔,該螺紋孔與其中一個通孔同軸設置;所述調節板還包括第二撓性調節板608和底板610,所述第二調節板設置于底板上,第二撓性調節板設置于底板與第二調節板之間,所述第二撓性調節板上設置有兩個通孔,底板上設置有一個螺紋孔,螺紋孔與其中一個通過同軸設置;所述第二撓性調節板的兩個各設置一個第二行程限位槽609,第二行程限位槽位于底板上。
由于采用上述技術方案,本發明具有如下的優點:
1.本發明的色散系統中所有光學組件通過調節機構便于光路裝調,同時將光學組件密封在殼體內實現系統的小型化,輕量化;
2.拉曼光譜儀系統保證了拉曼光譜檢測的高精度、高分辨率,適于野外采集探測以及現場在線檢測的需求,提高了測量效率。
附圖說明
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚,下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述,其中:
圖1為一種小型化激光拉曼光譜儀的結構組成示意圖;
圖2為一種小型化激光拉曼光譜儀的光機布局示意圖;
圖3為一種小型化激光拉曼光譜儀的聚焦鏡裝調部件結構示意圖;
圖4為一種小型化激光拉曼光譜儀的聚焦鏡裝調架示意圖
圖5為一種小型化激光拉曼光譜儀的聚焦鏡裝調底板;
圖6為一種小型化激光拉曼光譜儀的CCD探測器裝調部件結構示意圖;
圖7為一種小型化激光拉曼光譜儀的CCD裝調部件結構示意圖;
圖8為一種小型化激光拉曼光譜儀測試的金剛石拉曼光譜圖;
圖9為一種小型化激光拉曼光譜儀測試的乙醇拉曼光譜圖;
圖10為一種小型化激光拉曼光譜儀的軟件處理流程圖;
圖中,1.分光儀底殼;2.入射狹縫部件;3.準直鏡裝調部件;4.光柵裝調部件;5.聚焦鏡裝調部件;501.聚焦鏡框架;502.聚焦鏡底板;503.第一行程限位槽;504.導向槽;505.圓柱銷定位孔;506.鎖緊螺釘孔;507.聚焦鏡;508.擺動限位槽;509.第一撓性調節板;6.CCD探測器裝調部件;601.CCD框架;602.CCD探測器;603.彈性墊圈;604.連接螺釘;605.散熱器;606.驅動電路板;6071.第一調節板;6072第二調節板;608.第二撓性調節板;609.第二行程限位槽;610.底板。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚,下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述。
如圖1所示,一種小型化激光拉曼光譜儀,包括半導體激光器、拉曼探頭、色散系統、探測系統、信號分析處理系統以及顯示與輸出系統,半導體激光器發出一定波長的激光通過拉曼探頭后照射到待測物體上,同時拉曼探頭將拉曼散射信號收集到色散系統中,然后探測系統對色散系統輸出的信號進行光電信號轉換,信號分析處理系統將探測系統輸出的信號分析處理形成光譜數據,光譜數據在顯示屏上生成拉曼光譜并輸出。
在本實施例中,半導體激光器的激發波長可為532nm,785nm,1064nm,優選的是785nm,所述半導體激光器的激光輸出端與拉曼探頭的采集端相連接,拉曼探頭的輸出端則與色散系統相耦合,所述的拉曼探頭采集接收拉曼散射光可采取前向接收式/側向接收式或背向接收式,優選的是背向接收式。
所述色散系統采用的光路結構可為對稱交叉式C-T結構,非對稱交叉式C-T結構,為抑制高階衍射及雜散光的干擾,縮小系統體積,優選的是非對稱交叉式C-T結構。
所述色散系統包括入射狹縫部件、準直鏡、光柵和聚焦鏡,拉曼探頭采集的拉曼散射信號依次經過入射狹縫部件、準直鏡、光柵和聚焦鏡,然后進入到探測系統中。所述的準直鏡和聚焦鏡的焦距分別為100mm和110mm。在色散系統中光柵采用離子刻蝕平面閃耀光柵,其刻線密度可為600mm-1,1200mm-1,1800mm-1,根據光譜檢測范圍和系統分辨率的需求優選的是1200mm-1。
所述的準直鏡、光柵和聚焦鏡分別安裝在準直鏡裝調件3、光柵裝調件4和聚焦鏡裝調件5上,所述的入射狹縫部件2、準直鏡裝調部件3、光柵裝調部件4、聚焦鏡裝調部件5、CCD探測器裝調部件6均固定在分光儀底殼1上,保證整個光路的中心高度一致,同時通過分光儀上蓋內設置的擋光光闌有效濾除雜散光對探測系統的影響,并由分光儀底殼和上蓋將色散系統形成光密封。
裝調過程中準直鏡和聚焦鏡507需要進行焦距微調、鏡片的俯仰角度和擺動角度的微調;光柵需要進行擺動角度、俯仰角度和側傾角度的微調。準直鏡裝調件3、光柵裝調件4和聚焦鏡裝調件5的結構相類似,以聚焦鏡裝調件5為例說明其結構。
聚焦鏡裝調件包括聚焦鏡底板502和設置于聚焦鏡底板上的聚焦鏡裝調架,所述聚焦鏡裝調架包括聚焦鏡框架501、第一撓性調節板509和擺動調節板,所述第一撓性調節板設置于聚焦鏡框架的底部且位于擺動調節板上。聚焦鏡507放置在聚焦鏡框架的內腔中。在本發明中,內腔底部和側壁放置有聚乙烯墊片以減少對聚焦鏡鏡片的應力集中,然后通過緊定螺釘鎖緊聚焦鏡。
所述撓性調節板兩側各設一個擺動限位槽508,擺動限位槽設置于擺動調節板上;所述聚焦鏡底板上設置有兩個螺釘孔506,擺動限位槽的中心位置與螺釘孔的中心軸線重合。在本實施例中,擺動限位槽508的中心位置與螺釘孔506的中心軸線重合,通過擰松螺釘,使聚焦鏡框架501以圓柱銷定位孔505上的定位銷為中心沿著擺動限位槽508左右擺動,調節到合適位置后擰緊螺釘孔506上的螺釘即可實現擺動角度的微調。
所述第一撓性調節板上設置有兩個通孔,所述擺動調節板上設置有一個螺紋孔,該螺紋孔與其中一個通孔同軸設置;所述聚焦鏡底板的兩側各設置一個第一行程限位槽503和導向槽504。第一撓性調節板的兩個通孔其一個直徑為2mm,另一個直徑為2.5mm,螺紋孔的直徑為2mm。在緊固的過程中有通孔的這個螺釘是將撓性板往下壓,另一個螺釘則是擰過撓性板后將它往上頂,即實現一壓一頂的功能,從而帶動聚焦鏡507俯仰角度的微調。
導向槽504主要是為了與底殼1底面上的圓柱銷裝配時能有一定的余量,并進行調焦,通過聚焦鏡底板502上的導向槽504和底殼上的圓柱銷釘進行裝調架的前后移動。由于是該導向槽在聚焦鏡底板502的內部,在裝配過程中將被裝調架所遮擋,因而無法將調節好焦距的裝調架固定在外殼底面上,因此需在不被聚焦鏡框架501遮擋的地方開設行程限位槽503,由行程限位槽503控制其焦距位移量。通過螺釘將調焦后的聚焦鏡調節件5固定在底殼1上。
所述探測系統包括CCD探測器602、散熱器605及驅動電路板606,所述探測系統還包括CCD溫度控制電路,CCD探測器驅動電路等,用于對拉曼散射信號進行光電轉換。
所述CCD探測器和驅動電路板606設置于CCD探測器裝調部件上,散熱器605固定在CCD探測器602的散熱端面上,通過連接螺釘604連接與CCD探測器裝調部件形成一個整體,并在連接螺釘處設置有彈性墊圈603,CCD探測器的側傾角度、俯仰角度和焦距通過CCD探測器裝調部件調節;所述CCD探測器裝調部件包括CCD框架601,所述CCD探測器設置于CCD框架中,所述CCD探測器裝調部件還包括調節板,所述調節板包括第一調節板6071和第二調節板6072,所述第一調節板由CCD框架下部邊緣向外延伸形成,第一調節板的一端設置有兩個通孔(其中一個直徑為2mm,另一個直徑為2.5mm),該通孔遠離第一調節板與第二調節板的連接端設置,所述第二調節板的一端與第一調節板連接,另一端與第一調節板分離,所述第二調節板上設置有螺紋孔(2mm),該螺紋孔與其中一個通孔同軸設置。在緊固的過程中有通孔的這個螺釘是將第一調節板往下壓,另一個螺釘則是擰過第一調節板后將它往上頂,即實現一壓一頂的功能,從而帶動CCD探測器的側傾角度的微調。
在本發明中,所述調節板還包括第二撓性調節板608和底板610,所述第二調節板設置于底板上,第二撓性調節板設置于底板與第二調節板之間,所述第二撓性調節板上設置有兩個通孔,底板上設置有一個螺紋孔,螺紋孔與其中一個通過同軸設置。通過底板與第二撓性板上的孔帶動CCD探測器的俯仰角度的微調。
所述第二撓性調節板的兩個各設置一個第二行程限位槽609,第二行程限位槽位于底板上。通過第二行程限位槽可以進行焦距的微調。
所述信號分析處理系統包括信號調理電路,A/D轉換電路,以及嵌入式處理單元,主要完成拉曼信號的去噪、預處理、定性檢測和定量分析。
所述顯示與輸出系統通過LCD顯示屏將分析處理后的被測物質成分、含量、濃度等信息顯示出來,并對超標濃度、危險物質進行報警提示。
最后說明的是,以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制,盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明,本領域的普通技術人員應當理解,可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換,而不脫離本技術方案的宗旨和范圍,其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。