一種便攜式指向性拉曼光譜采集系統及采集方法與流程

本發明涉及光譜探測技術領域，尤其涉及一種便攜式指向性拉曼光譜采集系統及采集方法。

背景技術：

激光激發光譜探測技術包括拉曼光譜探測技術、熒光光譜探測技術和等離子體光譜探測技術等。激光光源作為這些光學現象的激發光源，其性能特點例如功率、發散角、波長、半峰寬等將直接影響相應探測器的綜合性能。基于光柵/棱鏡的光譜分析儀是目前使用最為廣泛的光譜探測設備，其光學結構主要包括：狹縫、準直光學系統、光柵/棱鏡、收集光學系統、探測器/探測器陣列；激光器種類繁多，有半導體激光器、固體激光器、光纖激光器等。

傳統的手持式拉曼光譜儀，激光束集中在一個小點上，這樣就導致捕捉到的信息僅僅是樣品的一小部分。于是在實踐中，就必須對測量結果的準確性進行妥協，不均勻樣品的測量結果的準確性的誤差比均勻樣品的測量結果的誤差更大。此外，隨著激光的強度增大，會導致樣品被加熱甚至分解的情況發生。

技術實現要素：

為了解決現有技術中單點盲目采集，采集效率低的問題，本發明提供了一種便攜式指向性拉曼光譜采集系統及采集方法。

本發明提供的便攜式指向性拉曼光譜采集系統，包括：拉曼光譜采集裝置、成像照明光源、光信號視頻顯示裝置、移動平臺、夾持器、樣品容納裝置；

所述拉曼光譜采集裝置包括激光器和光譜分析器，所述拉曼光譜采集裝置的采集點對應于所述樣品容納裝置的樣品容納空間內；

成像照明光源的光線照射至所述樣品容納裝置的樣品容納空間或者所述成像照明光源的光線通過所述拉曼光譜采集裝置中光學系統傳輸至所述拉曼光譜采集裝置的所述采集點上；

所述光信號視頻顯示裝置包括成像相機和圖像顯示屏，所述成像相位用于采集所述拉曼光譜采集裝置的樣品成像焦平面內的光信號，將所述光信號轉換為圖像電信號，輸入至用于顯示所述圖像電信號的所述圖像顯示屏；

所述移動平臺包括用于手動調節所述移動平臺位置的螺紋式的位置調節器或者用于電動調節所述移動平臺位置的電動式的位置調節器；

所述夾持器固定于所述移動平臺上，所述樣品容納裝置固定于所述夾持器內。

上述便攜式指向性拉曼光譜采集系統還具有以下特點：

所述樣品容納裝置為樣品瓶，所述夾持器為瓶夾持器；所述夾持器為用于加預設尺寸范圍內的柱狀物體的夾持結構。

上述便攜式指向性拉曼光譜采集系統還具有以下特點：

所述夾持器為包括至少三個可伸縮彈簧片的定心夾持器或者為三角抓盤自定心夾持器。

上述便攜式指向性拉曼光譜采集系統還具有以下特點：

所述樣品容納裝置為擦拭片，所述擦拭片包括用于粘接樣品的粘接區；所述夾持器包括擦拭片槽，所述擦拭片插接于所述擦拭片槽內。

上述便攜式指向性拉曼光譜采集系統還具有以下特點：

所述拉曼光譜采集裝置包括：用于輸出匯聚激光光束和接收樣品拉曼散射的采樣頭、第一匯聚透鏡、分束鏡、第二匯聚透鏡、第三匯聚成像透鏡；其中，所述采樣頭的激光光束匯聚焦點與所述第一匯聚透鏡的匯聚焦點重合，所述第一匯聚透鏡將從匯聚焦點處發射的光束進行準直后輸入至所述分束鏡，所述分束鏡將光束透射至所述第二匯聚透鏡，所述第二匯聚透鏡將接收到的激光光束進行匯聚，所述第二匯聚透鏡的焦點為所述拉曼光譜采集裝置的所述采集點；所述第二匯聚透鏡還將所述第一激光匯聚點處樣品反射的光束準直后輸入至所述分束鏡，所述分束鏡將從所述第二匯聚透鏡接收到的可見光成像光束反射至所述第三匯聚成像透鏡，所述第三匯聚成像透鏡將接收到的光束匯聚至所述樣品成像焦平面內，同時所述分束鏡透射從所述第二匯聚透鏡接收到的拉曼光譜信號至所述第一匯聚透鏡處，并輸入到所述采樣頭。

上述便攜式指向性拉曼光譜采集系統還具有以下特點：

所述拉曼光譜采集裝置包括：用于輸出匯聚激光光束和接收樣品拉曼散射的采樣頭、分束鏡、第二匯聚透鏡、第三匯聚成像透鏡；其中，所述采樣頭輸出平行的激光光束，所述分束鏡將激光光束透射至所述第二匯聚透鏡，所述第二匯聚透鏡將接收到的激光光束進行匯聚，所述第二匯聚透鏡的焦點為所述拉曼光譜采集裝置采集點；所述第二匯聚透鏡還將所述第一激光匯聚點處樣品反射的光束準直后輸入至所述分束鏡，所述分束鏡將從所述第二匯聚透鏡接收到的光束反射至所述第三匯聚成像透鏡，所述第三匯聚成像透鏡將接收到的光束匯聚至所述樣品成像焦平面內。

上述便攜式指向性拉曼光譜采集系統還具有以下特點：

所述拉曼光譜采集裝置還包括設置于所述分束鏡和所述第三匯聚成像透鏡之間的與所述分束鏡平行設置的第二半反半透分束鏡；

所述成像照明光源位于所述第二半反半透分束鏡的一側；

所述成像照明光源的光源光線輸入至所述第二半反半透分束鏡，所述第二半反半透分束鏡將接收到的光源光線反射至所述分束鏡；所述第二半反半透分束鏡還將從分束鏡透射的光束透射至所述第三匯聚成像透鏡。

本發明中使用上述的便攜式指向性拉曼光譜采集系統進行拉曼光譜采集的方法包括：

將樣品放置于樣品容納裝置，打開拉曼光譜采集裝置的激光器，打開所述成像照明光源；

通過所述光信號視頻顯示裝置顯示樣品的視頻圖像，通過拉曼光譜采集裝置的光譜分析器顯示樣品的光譜信號；

根據所述光信號視頻顯示裝置所顯示的樣品的視頻圖像和所述光譜分析器顯示樣品的光譜信號，調節所述移動平臺的位置調節器，

上述方法還具有以下特點：

將樣品放置于樣品容納裝置包括：

所述樣品容納裝置為樣品瓶時，將樣品放置于所述樣品瓶中；

所述樣品容納裝置擦拭片時，將樣品粘接于所述擦拭片的粘接區，將擦拭片插接于所述夾持器的擦拭片卡槽中，并且使樣品區域的中心與所述拉曼光譜采集裝置的采集點所在的光軸同軸。

本發明應用視頻成像技術，通過成像光信號視頻顯示的圖像確定激光光束所對應的樣品的位置，根據拉曼光譜儀的光譜信號來確認對應位置樣品的成分，可以根據掃描需要調整移動平臺，使激光光束掃描樣品的不同位置進行拉曼光譜的精細測量，從而采集到更全面的樣品信號，得到可靠的分析結果。

本發明的系統可以作為各種拉曼光譜儀的配件使用，可實現采樣點位置的精確瞄準，優點包括：

1、無需對測量儀器內部光路及測量模式做任何改變，技術成本低，適用性高；

2、采樣范圍大，結果可靠性高，特別適用于混合物及稀疏樣品的采樣；

3、精準檢測，信號采集效率高。

附圖說明

圖1是實施例一中便攜式指向性拉曼光譜采集系統的結構圖；

圖2是實施例二中便攜式指向性拉曼光譜采集系統的結構圖；

圖3是實施例三中便攜式指向性拉曼光譜采集系統的結構圖；

圖4是實施例四便攜式指向性拉曼光譜采集系統的結構圖；

圖5是實施例五便攜式指向性拉曼光譜采集系統的結構圖；

圖6是實施例中便攜式指向性拉曼光譜采集方法的流程圖；

圖7是實施例中本發明的使用效果示意圖。

具體實施例

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互任意組合。

本發明采用視頻成像技術，通過成像光信號視頻顯示的圖像確定激光光束所對應的樣品的位置，根據拉曼光譜儀的光譜信號來確認對應位置樣品的成分。下面通過多個實施例詳細說明本發明。

實施例一

圖1是實施例一中便攜式指向性拉曼光譜采集系統的結構圖；此系統包括：拉曼光譜采集裝置1、成像照明光源2、光信號視頻顯示裝置3、移動平臺4、夾持器5、樣品容納裝置6。

拉曼光譜采集裝置1包括激光器和光譜分析器，拉曼光譜采集裝置1的采集點對應于樣品容納裝置6的樣品容納空間內。

成像照明光源2的光線照射至樣品容納裝置6的樣品容納空間或者成像照明光源2的光線通過拉曼光譜采集裝置1中光學系統傳輸至拉曼光譜采集裝置1的所述采集點上。

光信號視頻顯示裝置3包括成像相機和圖像顯示屏，成像相位用于采集拉曼光譜采集裝置1的樣品成像焦平面內的光信號，將光信號轉換為圖像電信號，輸入至用于顯示所圖像電信號的圖像顯示屏。

移動平臺4包括用于手動調節所述移動平臺4位置的螺紋式的位置調節器或者用于電動調節移動平臺4位置的電動式的位置調節器。

夾持器5固定于移動平臺4上，樣品容納裝置6固定于夾持器5內。

本實施例一中，拉曼光譜采集裝置1包括：用于輸出匯聚激光光束和接收樣品拉曼散射的采樣頭11、第一匯聚透鏡12、分束鏡13、第二匯聚透鏡14、第三匯聚成像透鏡15。其中，采樣頭11的激光光束匯聚焦點與第一匯聚透鏡12的匯聚焦點重合，第一匯聚透鏡12將從匯聚焦點處發射的光束進行準直后輸入至分束鏡13，分束鏡13將光束透射至第二匯聚透鏡14，第二匯聚透鏡14將接收到的激光光束進行匯聚，第二匯聚透鏡14的焦點為所述拉曼光譜采集裝置的采集點；第二匯聚透鏡14還將第一激光匯聚點處樣品反射的光束準直后輸入至分束鏡13，分束鏡13將從第二匯聚透鏡14接收到的可見光成像光束反射至第三匯聚成像透鏡15，第三匯聚成像透鏡15將接收到的光束匯聚至樣品成像焦平面內，同時分束鏡13透射從第二匯聚透鏡14接收到的拉曼光譜信號至所述第一匯聚透鏡12處，并輸入到采樣頭11。其中分束鏡13與第一匯聚透鏡12輸出的光束的角度為45度，與第二匯聚透鏡14輸出的光束的角度也為45度，也可以是其他角度，其透射激光及拉曼光譜信號，反射部分可見光波段的光用于成像。

樣品容納裝置6為樣品瓶，夾持器5為瓶夾持器；夾持器5為用于加預設尺寸范圍內的柱狀物體的夾持結構。典型的，夾持器5為包括至少三個可伸縮彈簧片的定心夾持器或者為三角抓盤自定心夾持器。例如：夾持器5包括環形外框、均勻固定于環形外框上的至少三個夾持體，夾持體的固定端通過彈簧固定于環形外框上，處于非夾持狀態時各夾持體的自由端集合于夾持器5的中心位置。

實施例二

圖2是實施例二中便攜式指向性拉曼光譜采集系統的結構圖；實施例二與實施例一的不同之處在于拉曼光譜采集裝置1中不包含第一匯聚透鏡12。實施例二中的拉曼光譜采集裝置1包括：用于輸出匯聚激光光束和接收樣品拉曼散射的采樣頭11、分束鏡13、第二匯聚透鏡14、第三匯聚成像透鏡15；其中，采樣頭11輸出平行的激光光束，分束鏡13將激光光束透射至第二匯聚透鏡14，第二匯聚透鏡14將接收到的激光光束進行匯聚，第二匯聚透鏡14的焦點為所述拉曼光譜采集裝置的采集點，第二匯聚透鏡14還將第一激光匯聚點處樣品反射的光束準直后輸入至分束鏡13，分束鏡13將從第二匯聚透鏡14接收到的光束反射至第三匯聚成像透鏡15，第三匯聚成像透鏡15將接收到的光束匯聚至所述樣品成像焦平面內。

實施例三

圖3是實施例三中便攜式指向性拉曼光譜采集系統的結構圖；實施例三與實施例一的不同之處在于樣品容納裝置6的結構不同。實施例三中，樣品容納裝置6為擦拭片，擦拭片包括用于粘接樣品的粘接區，夾持器5包括擦拭片槽，擦拭片插接于擦拭片槽內。擦拭片的基底材料為金屬、無熒光或低熒光的石英玻璃。擦拭片的粘接區的中心可以對應于擦拭片的中心，也可以不對應于擦拭片的中心，例如擦拭片的粘接區位于擦拭片的中心偏下位置，粘接區在未使用狀態時粘貼有無熒光或低熒光的膠水或雙面膠，并在膠水或雙面膠覆蓋有粘膠保護層，使用時去掉粘膠保護層，擦拭樣品使樣品粘接于粘接區即可。粘接區在擦拭片的位置設置需保證粘接區的中心與拉曼光譜采集裝置1的采集點所在的光軸同軸，即與第二匯聚透鏡14的匯聚側的光軸同軸。

實施例四

圖4是實施例四中便攜式指向性拉曼光譜采集系統的結構圖；實施例四與實施例二的不同之處在于樣品容納裝置6的結構不同。實施例四中樣品容納裝置6為與實施例三中樣品容納裝置6結構相同的裝置。

上述實施例一至四均采用了直接照明的方式即成像照明光源2直接從側方位照明被測樣品的方式。實施例一至四中，成像照明光源2可以用單一光源，也可采用多個光源對稱、環形排列在樣品容納裝置6的側方，并可加入散光片使樣品處照明均勻。

以實施例一為例，改變實施例一的照明方式得到實施例五。

實施例五

圖5是實施例四中便攜式指向性拉曼光譜采集系統的結構圖。實施例五與實施一的不同之處在于照明方式的不同。實施例五中，拉曼光譜采集裝置1還包括設置于分束鏡13和第三匯聚成像透鏡15之間的與分束鏡13平行設置的第二半反半透分束鏡16。成像照明光源2位于第二半反半透分束鏡16的一側。成像照明光源2的光源光線輸入至第二半反半透分束鏡16，第二半反半透分束鏡16將接收到的光源光線反射至分束鏡13、第二半反半透分束鏡16還將從分束鏡13透射的光束透射至第三匯聚成像透鏡15。其中，成像照明光源2發射的光源光束通過第二匯聚透鏡14匯聚至第一激光匯聚點101的樣品處，由樣品散射的光束經第二匯聚透鏡14準直后通過分束鏡13反射至第二半反半透分束鏡16，部分光束經由第二半反半透分束鏡16透射至第三匯聚成像透鏡15，第三匯聚成像透鏡15將光束匯聚至光信號視頻顯示裝置3的光信號采集品的焦平面處。

實施例二、三、四中的照明方式均可以更改為實施五中所述的照明方式。此處不再重復描述。

圖6是使用上述便攜式指向性拉曼光譜采集系統進行拉曼光譜采集的方法的流程圖，此方法包括：將樣品放置于樣品容納裝置6內，打開拉曼光譜采集裝置1的激光器，打開成像照明光源2；通過光信號視頻顯示裝置3顯示樣品的視頻圖像，通過拉曼光譜采集裝置1的光譜分析器顯示樣品的光譜信號；根據光信號視頻顯示裝置3所顯示的樣品的視頻圖像和光譜分析器顯示樣品的光譜信號，調節移動平臺4的位置調節器。

本方法中，將樣品放置于樣品容納裝置6的步驟包括：

樣品容納裝置6為樣品瓶時，將樣品放置于樣品瓶中；

樣品容納裝置6擦拭片時，將樣品粘接于所述擦拭片的粘接區，，將擦拭片插接于所述夾持器5的擦拭片卡槽中，并且使樣品區域的中心與拉曼光譜采集裝置1的采集點所在的光軸同軸。

圖7是使用本發明的系統和方法的效果圖。左上部分的圖中方框中為為采樣區域，右上部分的圖中為采樣區域中樣品的放大圖。對于稀疏樣品，激光光束對準圖中左側圓形采樣點時，可采集到樣品的拉曼光譜信號，激光光束對準圖中右圓形采樣點時，無法采集到樣品的拉曼光譜信號。檢測人員可根據光譜儀的光譜信號的強度情況調整移動平臺的位置，從而對稀疏樣品進行盡可能大范圍的采樣。

本發明應用視頻成像技術，通過成像光信號視頻顯示的圖像確定激光光束所對應的樣品的位置，根據拉曼光譜儀的光譜信號來確認對應位置樣品的成分，可以根據掃描需要調整移動平臺，使激光光束掃描樣品的不同位置進行拉曼光譜的精細測量，從而采集到更全面的樣品信號，得到可靠的分析結果。

本發明的系統可以作為各種拉曼光譜儀的配件使用，可實現采樣點位置的精確瞄準，優點包括：

1、無需對測量儀器內部光路及測量模式做任何改變，技術成本低，適用性高；

2、采樣范圍大，結果可靠性高，特別適用于混合物及稀疏樣品的采樣；

3、精準檢測，信號采集效率高。

上面描述的內容可以單獨地或者以各種方式組合起來實施，而這些變型方式都在本發明的保護范圍之內。

在本文中，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，僅僅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，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。