CN212341010U - 可视化拉曼探头、探测仪及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可视化拉曼探头、探测仪及系统，涉及拉曼检测领域。探头包括：拉曼光谱仪的入射狭缝和探测面之间的拉曼光路，探测面处设置有待测样品，拉曼光路中依次设置有第一滤光片、第二滤光片、复眼透镜和第一会聚透镜，还包括：激发光源、照明光源和成像装置。本实用新型能够有效避免因探测点的能量密度很大而探测的面积太小导致的烧毁损坏珠宝玉石等待测样品的问题，并能够在进行拉曼探测时实时地观察待测样品，在待测样品出现异常或出现损坏痕迹时，及时停止检测，从而能够更好地保护珠宝玉石等待测样品，防止待测样品损坏。

Description

可视化拉曼探头、探测仪及系统

技术领域

本实用新型涉及拉曼检测领域，尤其涉及一种可视化拉曼探头、探测仪及系统。

背景技术

近年，拉曼光谱技术因其具有无需制备样品、方便快捷的优势，已被成功地应用于珠宝玉石学研究和珠宝玉石鉴定领域。

然而，传统拉曼光谱仪的检测方式一般都是单点探测，都是将激发光源会聚到一点，由于拉曼光谱仪的光谱分辨率普遍较高，因此光谱仪使用的狭缝都会使用25um、50um等微米量级的窄狭缝，拉曼探头会聚的激光光斑一般都是和狭缝同等量级，这样就造成了探测点的能量密度很大，而探测的面积太小等问题，因此可能损坏珠宝玉石等待测样品。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种可视化拉曼探头、探测仪及系统。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种可视化拉曼探头，包括：拉曼光谱仪的入射狭缝和探测面之间的拉曼光路，所述探测面处设置有待测样品，所述拉曼光路中依次设置有第一滤光片、第二滤光片、复眼透镜和第一会聚透镜，还包括：激发光源、照明光源和成像装置，其中：

所述第一滤光片与所述拉曼光路呈第一预设角度，用于将所述激发光源发出的激发光射入所述拉曼光路；所述复眼透镜用于调整射向所述待测样品的激发光的光斑大小和能量密度；所述第一会聚透镜用于将调整后的激发光射向所述待测样品；所述第一滤光片还用于将所述待测样品反射的信号中，高于所述激发光源频率的信号射入所述入射狭缝；

所述照明光源用于向所述探测面发射照明光，所述第二滤光片与所述拉曼光路呈第二预设角度，用于将所述探测面反射的照明光射入所述成像装置；

所述成像装置用于根据接收到的照明光成像。

本实用新型解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种可视化拉曼探测仪，包括如上述技术方案所述的可视化拉曼探头。

本实用新型解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种可视化拉曼探测系统，包括如上述技术方案所述的可视化拉曼探头。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过在拉曼光路中加入复眼透镜，对射向待测样品的光束进行均匀化处理，能够调整激发光的光斑大小和能量密度，从而能够有效避免因探测点的能量密度很大而探测的面积太小导致的烧毁损坏珠宝玉石等待测样品的问题，并通过加入照明光照亮待测样品，通过滤光片将拉曼光路中的照明光反射至成像装置，能够在进行拉曼探测时实时地观察待测样品，在待测样品出现异常或出现损坏痕迹时，及时停止检测，从而能够更好地保护珠宝玉石等待测样品，防止待测样品损坏。

本实用新型附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型实践了解到。

附图说明

图1为本实用新型可视化拉曼探头的实施例提供的结构框架示意图；

图2为本实用新型可视化拉曼探头的实施例提供的复眼透镜结构示意图；

图3为本实用新型可视化拉曼探头的其他实施例提供的结构示意图；

图4为传统拉曼探头的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

近年来，拉曼光谱技术作为一种微区无损分析技术，已被成功地应用于珠宝玉石学研究和珠宝玉石鉴定领域，更因其具有无需制备样品、方便快捷的优势，获得珠宝鉴定专家的肯定，但是传统拉曼光谱仪的检测方式一般都是单点探测，不管是空间输出的拉曼探头，还是光纤输出的拉曼探头，都是将激发光源会聚到一点，由于拉曼光谱仪的光谱分辨率普遍较高，一般都达到了1nm以下，因此光谱仪使用的狭缝都会使用25um、50um等微米量级的窄狭缝，由成像光学物像共轭关系可知，拉曼探头的视场很小，拉曼探头会聚的激光光斑一般都是和狭缝同等量级，这样就造成了探测点的能量密度很大，而探测的面积太小等问题，因此在测量珠宝玉石时，尤其是颜色较深的珠宝玉石，由于探测点的能量密度太高，有可能光分解珠宝玉石，从而损害珠宝玉石，达不到相对无损的检测，由于激光能量很强，难以直接观察其表面，因此，当珠宝玉石表面出现微小损坏时，难以及时止损。

而且，常规拉曼探头是单点探测，每一次测量只能针对微米量级的点探测，但是珠宝玉石的鉴定，不光只针对某一个很小的部位，更希望得到面探测的鉴定，即拉曼探测能覆盖到整个珠宝玉石。

然而，目前市面上用于珠宝玉石探测的拉曼光谱检测设备，多采用便携式激光拉曼光谱仪，或者激光共聚焦显微拉曼光谱仪，不管是便携式拉曼光谱仪还是共聚焦显微拉曼光谱仪，拉曼探头的主要工作流程都是：激光器出射的激发光经二向色镜反射和收集光路的聚焦照射到待测样品上，待测样品产生的散射光经收集光路收集，并经二向色镜和陷波滤光片滤除其中的瑞利散射光，得到拉曼散射光再经会聚光路，会聚到拉曼光谱仪的狭缝处。最后拉曼散射信号由狭缝耦合至拉曼光谱仪进行光谱分析。

如图4所示，提供了一种示例性的传统拉曼探头结构示意图，激光器1提供拉曼光谱仪的激发光源，发出的激发光经过准直透镜2进行准直，经准直后的平行光束经过二向色镜3，二向色镜3高反激光器1发出的激发光，经二向色镜3高反之后的平行光，通过会聚透镜4会聚至待测样品5上，待测样品5被激发后，产生拉曼散射信号，拉曼散射信号再由会聚透镜4准直，由会聚透镜4准直后的拉曼散射信号，再次经过二向色镜3，此时二向色镜3将会高通拉曼散射信号，经过二向色镜3高通后的拉曼散射信号，经过滤镜7滤除日光、荧光、瑞利散射等干扰信号，最后经会聚透镜8会聚至拉曼光谱仪系统9，经过光谱分析。

其中，激光器1、准直透镜2、二向色镜3和会聚透镜4共同构成拉曼探头6，从图4可以看出，激光器1发出的激光，经过系列光学系统之后，会以汇聚光束的形式汇聚在待测样品5上，而且由于拉曼光谱仪9的光谱分辨率一般较高，在1nm左右，为了达到高分辨率，拉曼光谱仪9所用的狭缝一般不会超过50um，根据物像共轭的关系，激光器1发出的激光经过各光学系统之后，会聚到待测样品上的会聚光斑尺寸与拉曼光谱仪所用的狭缝尺寸在同等量级即微米量级，所以待测样品5上所承受的激发光能量密度很大，特别是对于深色物质包括深色物质玉石，存在“点燃”样品的风险。

鉴于此，本实用新型提供了一种可视化、低能量密度的拉曼探头，可以实现相对无损的检测，而且还可以实现面探测，下面结合实例具体说明。

如图1所示，为本实用新型可视化拉曼探头的实施例提供的结构框架示意图，该探头适用于测量颜色较深的珠宝玉石等待测样品300，能够有效防止待测样品300损坏，可以实现相对无损的检测，而且还可以实现面探测，该探头包括：拉曼光谱仪的入射狭缝100和探测面200之间的拉曼光路，探测面200处设置有待测样品300，拉曼光路中依次设置有第一滤光片11、第二滤光片12、复眼透镜13和第一会聚透镜14，还包括：激发光源10、照明光源20和成像装置30，其中：

第一滤光片11与拉曼光路呈第一预设角度，用于将激发光源10发出的激发光射入拉曼光路；复眼透镜13用于调整射向待测样品300的激发光的光斑大小和能量密度；第一会聚透镜14用于将调整后的激发光射向待测样品300；第一滤光片11还用于将待测样品300反射的信号中，高于激发光源10频率的信号射入入射狭缝100；

照明光源20用于向探测面200发射照明光，第二滤光片12与拉曼光路呈第二预设角度，用于将探测面200反射的照明光射入成像装置30；

成像装置30用于根据接收到的照明光成像。

应理解，该探头通过加入复眼透镜13，可以实现面探测，探测面200的面积可以根据需求灵活设计，可以达到厘米量级，探测面200积的宽度与第一会聚透镜14和复眼透镜13的焦距有关，本领域技术人员能够根据实际需求进行设置，在此不再赘述。

可选地，第一滤光片11可以为二向色镜，第二滤光片12可以为高通滤光片，复眼透镜13可以为透射式双排复眼透镜13或透射式单排复眼透镜13，激发光源10可以为激光器，照明光源20可以为白炽灯、日光灯、LED灯等，成像装置30可以为能够接收光线并显示的终端设备，如摄像机、照相机、计算机等。

需要说明的是，复眼透镜13又被称作为蝇眼透镜或透镜阵列，它是由一些列参数一致的小透镜组合而成的透镜阵列。将复眼透镜13阵列应用于照明系统可以获得高的光能利用率和大面积的均匀照明，复眼透镜13阵列实现均匀照明的原理是：与光轴平行的光束通过第一块透镜后聚焦在第二块透镜的中心处，第一排复眼透镜13将光源形成多个光源像进行照明，第二排复眼透镜13的每个小透镜将第一排复眼透镜13形成的光源像重叠成像于照明面。由于第一排复眼透镜13将光源的整个宽光束分为多个细光束照明，且每个细光束范围内的垂轴不均匀性由于处于对称位置细光束的相互叠加，使细光束的垂轴不均匀性获得补偿，从而使得整个孔径内的光能量得到有效均匀的利用。

如图2所示，以透射式双排复眼透镜13为例进行说明，透射式双排复眼透镜13利用了许多细光束的均匀性大于整个宽光束的均匀性的原理，因为系统沿光轴对称，所以每个细光束内的微小不均匀性由于细光束的相互叠加而得到补偿，从而得到照度均匀的照明面，如图2所示，前排复眼透镜阵列131和后排复眼透镜阵列132可以互相平行设置，准直宽光束经前排复眼透镜阵列131分列成小光束，会聚在后排复眼透镜阵列132的各个小透镜的中心位置，前排复眼透镜阵列131和后排复眼透镜整列132的光学、结构参数完全一致，包括材料、小透镜的曲率、尺寸等，后排复眼透镜阵列132充当场镜，由于前排复眼透镜阵列131将整个宽光束分为多个细光束，且每个细光束范围内的微小不均匀性由于处于对称位置细光束的相互叠加，使细光束的微小不均匀性获得补偿，从而使整个孔径内的光能量得到有效均匀的利用。从后排复眼透镜阵列132出射的光斑通过聚光镜133投影到照明面134上，照明面134上光斑的每一点均受到光源所有点发出光束的照射，同时，光源上每一点发出的光束又都交会重叠到照明光斑上的同一视场范围内，所以得到的均匀的照明光斑。

照明面134上的光斑均匀性与复眼透镜13阵列的单元阵列个数有关，单元阵列个数越多，照明越均匀，与此同时，在聚光镜133的光学焦距一定的条件下，单元阵列个数与照明面134的面积负相关，即单元阵列个数越多，照明面134的面积越小，因此在实际应用中，可以根据具体设计要求，决定单元阵列的个数。

下面对该探头的工作原理进行说明，首先，激发光源10发射出激发光，依次经过第一滤光片11和第二滤光片12后，照射在复眼透镜13上，复眼透镜13将激发光源10发出的高斯激光进行“去高斯”化，即由一个高斯光斑均匀成一个面光斑，该面光斑位于第一会聚透镜14的前焦面上，成像至探测面200上。

为了实现拉曼探头的可视化，整个拉曼光路还引入了视频监控，整个视频监控可以采用旁轴照明，照明光源20采用旁轴照明的方式照亮探测面200，散射光依次经过第一会聚透镜14和复眼透镜13后被准直成平行光，照明平行光再经过第二滤光片12后被反射至成像装置30，由成像装置30形成探测面200的像。

可选地，由于第二滤光片12反射的是平行光，因此，还可以在第二滤光片12与成像装置30之间加入会聚透镜，该会聚透镜与第一会聚透镜14共同组成一套放大光学系统，光学放大倍率等于该会聚透镜的焦距与第一会聚透镜14的焦距之比，通常，第一会聚透镜14一般不做调整，放大倍率可以根据该会聚透镜的焦距灵活调整，从而起到显微放大的功能，得到更为清晰的探测面200的像。

探测面200上的待测样品300被激发光源10激发出拉曼散射信号，以及包括瑞利散射等噪声干扰信号，根据光路可逆原则，这些信号依次经过第一会聚透镜14和复眼透镜13后变为平行光，经过第二滤光片12时，照明光路被高反至视频监控光路，射入成像装置30，至此，待测样品300被激发光源10激发的信号与照明光束被高通滤光片分束，拉曼散射信号和瑞利散射等信号沿主光路传播至第一滤光片11，第一滤光片11将高于激发光源10频率的信号高通至入射狭缝100，由入射狭缝100空间滤波最后耦合至拉曼光谱仪，完成拉曼信号的光谱分析。

可选地，由于高通至入射狭缝100的信号除了拉曼散射信号外，还包括瑞利散射等干扰噪声信号，因此，可以在第一滤光片11与入射狭缝100之间加入滤除瑞利散射信号的滤光片，提高拉曼检测的效果。

可选地，由于入射狭缝100较窄，因此，还可以在入射狭缝100前设置会聚透镜，对拉曼散射信号进行会聚。

需要说明的是，当通过成像装置30发现被测样品表面出现异常时，可以直接关闭激发光源10，停止拉曼检测，从而避免被测样品进一步损坏，也可以减少激发光源10的激发光的功率，继续检测，也能够避免被测样品进一步损坏。

应理解，可以通过人工观察的方式，判断被测样品表面是否出现异常，例如，判断被测样品表面进行拉曼探测的部位是否发生颜色变化或是否发生形状变化等。

也可以通过机器自动判断识别。例如，可以通过编程实现在进行拉曼检测之前，拍摄被测样品的参考图像，然后在进行拉曼检测的过程中，实时地获取被测样品的图像，然后与参考图像进行比对，从而判断被测样品是否出现形状或颜色的改变。

可选地，可以选择在进行拉曼检测后，成像装置30接收到的第一帧图像作为参考图像。

本实施例通过在拉曼光路中加入复眼透镜13，对射向待测样品300的光束进行均匀化处理，能够调整激发光的光斑大小和能量密度，从而能够有效避免因探测点的能量密度很大而探测的面积太小导致的烧毁损坏珠宝玉石等待测样品300的问题，并通过加入照明光照亮待测样品300，通过滤光片将拉曼光路中的照明光反射至成像装置30，能够在进行拉曼探测时实时地观察待测样品300，在待测样品300出现异常或出现损坏痕迹时，及时停止检测，从而能够更好地保护珠宝玉石等待测样品300，防止待测样品300损坏。

如图3所示，提供了一种示例性的可视化拉曼探头的其他实现方式，下面结合图3，对本实用新型其他的可选改进进行说明。

可选地，在一些可能的实现方式中，拉曼光路中还设置有第二会聚透镜15，第二会聚透镜15设置在入射狭缝100和第一滤光片11之间。

可选地，在一些可能的实现方式中，拉曼光路中还设置有第三滤光片16，第三滤光片16设置在第二会聚透镜15与第一滤光片11之间，用于滤除待测样品300反射的信号中的瑞利散射信号。

通过设置第三滤光片16，能够提高拉曼检测的准确性。

可选地，在一些可能的实现方式中，还包括：第四滤光片17，第四滤光片17设置在激发光源10与第一滤光片11之间，用于滤除激发光的噪声。

通过滤除激发光中的噪声，能够提高拉曼检测的准确性。

可选地，第四滤光片17可以为窄带宽滤光片。

可选地，在一些可能的实现方式中，还包括：准直镜18，准直镜18设置在第四滤光片17与第一滤光片11之间，用于对激发光进行准直。

可选地，在一些可能的实现方式中，还包括：第三会聚透镜19，第三会聚透镜19设置在成像装置30与第二滤光片12之间。

可选地，在一些可能的实现方式中，复眼透镜13为单排复眼透镜或双排复眼透镜。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。

在本实用新型的其他实施例中，还提供一种可视化拉曼探测仪，包括如上述任意实施方式所述的可视化拉曼探头。

在本实用新型的其他实施例中，还提供一种可视化拉曼探测系统，包括如上述任意实施方式所述的可视化拉曼探头。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种可视化拉曼探头，包括：拉曼光谱仪的入射狭缝和探测面之间的拉曼光路，所述探测面处设置有待测样品，其特征在于，所述拉曼光路中依次设置有第一滤光片、第二滤光片、复眼透镜和第一会聚透镜，还包括：激发光源、照明光源和成像装置，其中：

所述第一滤光片与所述拉曼光路呈第一预设角度，用于将所述激发光源发出的激发光射入所述拉曼光路；所述复眼透镜用于调整射向所述待测样品的激发光的光斑大小和能量密度；所述第一会聚透镜用于将调整后的激发光射向所述待测样品；所述第一滤光片还用于将所述待测样品反射的信号中，高于所述激发光源频率的信号射入所述入射狭缝；

所述照明光源用于向所述探测面发射照明光，所述第二滤光片与所述拉曼光路呈第二预设角度，用于将所述探测面反射的照明光射入所述成像装置；

所述成像装置用于根据接收到的照明光成像。

2.根据权利要求1所述的可视化拉曼探头，其特征在于，所述拉曼光路中还设置有第二会聚透镜，所述第二会聚透镜设置在所述入射狭缝和所述第一滤光片之间。

3.根据权利要求2所述的可视化拉曼探头，其特征在于，所述拉曼光路中还设置有第三滤光片，所述第三滤光片设置在所述第二会聚透镜与所述第一滤光片之间，用于滤除所述待测样品反射的信号中的瑞利散射信号。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的可视化拉曼探头，其特征在于，还包括：第四滤光片，所述第四滤光片设置在所述激发光源与所述第一滤光片之间，用于滤除所述激发光的噪声。

5.根据权利要求4所述的可视化拉曼探头，其特征在于，还包括：准直镜，所述准直镜设置在所述第四滤光片与所述第一滤光片之间，用于对所述激发光进行准直。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的可视化拉曼探头，其特征在于，还包括：第三会聚透镜，所述第三会聚透镜设置在所述成像装置与所述第二滤光片之间。

7.根据权利要求1所述的可视化拉曼探头，其特征在于，所述复眼透镜为单排复眼透镜或双排复眼透镜。

8.一种可视化拉曼探测仪，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的可视化拉曼探头。

9.一种可视化拉曼探测系统，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的可视化拉曼探头。

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