專利名稱：基于數(shù)字微鏡陣列的便攜式拉曼檢測儀以及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光譜檢測儀，尤其是一種基于數(shù)字微鏡陣列的便攜式拉曼檢測儀以及檢測方法。
背景技術(shù)：
拉曼光譜檢測技術(shù)是使用激光得到物質(zhì)分子層面的光譜信息，通過數(shù)據(jù)庫對比分析待測物質(zhì)的成分和濃度的技術(shù)，在無損物性分析及鑒別上具有強(qiáng)大的能力。由于其快速、準(zhǔn)確的檢測性能和無需樣品制備、適于現(xiàn)場使用的特點(diǎn)，該技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用于食品安全檢測、藥品檢驗(yàn)、毒品偵測、司法鑒定、珠寶鑒定和環(huán)境檢測等領(lǐng)域。國外廠家如Thermo, Ocean Optics, B&ff TEK等已推出了多款便攜式拉曼光譜產(chǎn)品,被廣泛應(yīng)用于藥廠的原料檢測等方面。但這些產(chǎn)品的價格高，在國內(nèi)市場上還難以推廣。目前的便攜式拉曼檢測儀中一般使用的是制冷型面陣背照式的CCD來檢測樣品發(fā)出的拉曼散射光，以得到高信噪比的拉曼能譜。但這種制冷型面陣背照式的CCD探測器的成本較高，這也是目前便攜式拉曼檢測儀價格居高不下的主要原因，同時面陣式CCD探測器由于制作工藝限制容易造成CCD響應(yīng)不均勻性并對光譜檢測帶來的不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是·:提供一種體積小，攜帶方便，信噪比高且成本低的基于數(shù)字微鏡陣列的便攜式拉曼檢測儀。本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于數(shù)字微鏡陣列的便攜式拉曼檢測儀，包括激光器，作為樣品檢測的激光光源；拉曼探頭，用于傳輸激光束到樣品，收集樣品發(fā)出的拉曼散射光并傳輸?shù)焦庾V儀；以及光譜儀，用于測量拉曼散射光中不同波長光的相對強(qiáng)度以獲得拉曼光譜；其特征在于，所述光譜儀包括按照拉曼散射光的入射光路依次放置的入射狹縫、準(zhǔn)直透鏡、色散光柵、聚焦透鏡一、數(shù)字微鏡陣列、消色散光柵、聚焦透鏡二以及單點(diǎn)探測器，該單點(diǎn)探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)為電信號并傳輸至信號處理器。優(yōu)選地，所述數(shù)字微鏡陣列包括數(shù)個微鏡單元，所述微鏡單元通過控制電路控制其偏轉(zhuǎn)角度。優(yōu)選地，所述微鏡單元包括平面反射鏡、分別用于固定平面反射鏡的懸臂以及與懸臂連接的電極板，控制電路通過改變電極板上的電壓或電流來調(diào)節(jié)懸臂轉(zhuǎn)動，同時該懸臂帶動平面反射鏡偏轉(zhuǎn)角度。優(yōu)選地，在所述拉曼探頭中、用于收集拉曼散射光的光路上設(shè)有一截止濾光片，用于過濾瑞利散射光。優(yōu)選地，所述激光器為半導(dǎo)體激光器，用于產(chǎn)生高功率、窄線寬的激光束。一種基于數(shù)字微鏡陣列的便攜式拉曼檢測儀檢測方法，其特征在于，包括以下步驟:
(I)首先激光器產(chǎn)生高功率、窄線寬的激光束，然后通過拉曼探頭照射在待測樣品上，同時激發(fā)出該樣品的拉曼散射光；
(2)拉曼探頭收集部分拉曼散射光，同時通過一截止濾光片過濾拉曼散射光中的瑞利散射光；
(3)拉曼散射光通過入射狹縫進(jìn)入光譜儀，入射拉曼散射光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后照射到色散光柵上，色散光柵將復(fù)色光分解為不同波長的單色光，再經(jīng)過聚焦透鏡一會聚到數(shù)字微鏡陣列不同位置的微鏡單元上；
(4)微鏡單元控制電路控制各個微鏡單元的偏轉(zhuǎn)角度，并采用阿達(dá)瑪變換算法對照射到數(shù)字微鏡陣列上的光進(jìn)行編碼；
(5)編碼后的光經(jīng)過消色散光柵和聚焦透鏡二后，形成復(fù)色光會聚至單點(diǎn)探測器上；
(6)單點(diǎn)探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)為電信號并傳輸至信號處理器，信號處理器對其進(jìn)行阿達(dá)瑪變換算法的解碼，得到不同波長光的光譜信息，從而得到樣品的拉曼光譜。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
1.采用基于數(shù)字微鏡陣列的便攜式拉曼檢測儀，通過數(shù)字微鏡陣列對光進(jìn)行阿達(dá)瑪變換編碼，可以提高了該拉曼檢測儀的信噪比，同時由于數(shù)字微鏡陣列的尺寸小，相對的減小了該拉曼檢測儀的體積。.采用單點(diǎn)探測器取代傳統(tǒng)拉曼檢測儀中的制冷型面陣式CCD探測器，由于單點(diǎn)探測器的成本低，大大降低了拉曼檢測儀的成本，同時避免了由于該制冷型面陣式CCD探測器響應(yīng)不均勻帶來的不利影響。



下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明微鏡單元結(jié)構(gòu)示意 其中:1激光器，2拉曼探頭，3樣品，4光譜儀，5入射狹縫，6準(zhǔn)直透鏡，7色散光柵，8聚焦透鏡，9數(shù)字微鏡陣列，10消色散光柵，11聚焦透鏡，12單點(diǎn)探測器，13信號處理器，14控制電路，15平面反射鏡，16懸臂，17電極板。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例:參照圖1、2所示，一種基于數(shù)字微鏡陣列的便攜式拉曼檢測儀，包括激光器1，作為樣品3檢測的激光光源；拉曼探頭2，用于傳輸激光束到樣品3，收集樣品3發(fā)出的拉曼散射光并傳輸?shù)焦庾V儀4 ;以及光譜儀4，用于測量拉曼散射光中不同波長光的相對強(qiáng)度以獲得拉曼光譜；該光譜儀4包括按照拉曼散射光的入射光路依次放置的入射狹縫5、準(zhǔn)直透鏡6、色散光柵7、聚焦透鏡一 8、數(shù)字微鏡陣列9、消色散光柵10、聚焦透鏡二 11以及單點(diǎn)探測器12，該單點(diǎn)探測器12將接收到的光信號轉(zhuǎn)為電信號并傳輸至信號處理器13 ；該數(shù)字微鏡陣列9包括數(shù)個微鏡單元，該微鏡單元又包括兩平面反射鏡15、分別用于固定兩平面反射鏡15的兩懸臂16以及與兩懸臂16連接的電極板17，控制電路14通過改變電極板17上的電壓或電流來調(diào)節(jié)懸臂16轉(zhuǎn)動，同時該懸臂16帶動平面反射鏡15偏轉(zhuǎn)角度；在拉曼探頭2中、用于收集拉曼散射光的光路上設(shè)有一截止濾光片，用于過濾瑞利散射光，該激光器I為半導(dǎo)體激光器，用于產(chǎn)生高功率、窄線寬的激光束。
參照圖2所示，本發(fā)明數(shù)字微鏡陣列9由MEMS工藝制作而成，數(shù)字微鏡陣列9的微鏡單元可以產(chǎn)生±10度的擺角幅度，當(dāng)使用阿達(dá)瑪變換算法對光進(jìn)行編碼時，偏轉(zhuǎn)+10度對應(yīng)“1”，即此光通道為“開”，經(jīng)過該通道的光可以進(jìn)入后續(xù)光路；偏轉(zhuǎn)-10度對應(yīng)“0”，即此光通道為“關(guān)”，經(jīng)過該通道的光不能進(jìn)入后續(xù)光路，微鏡單元控制電路14控制數(shù)字微鏡陣列9上各個微鏡單元的開關(guān)狀態(tài)，將阿達(dá)瑪變換算法編碼于照射到數(shù)字微鏡陣列9的光上。本發(fā)明采用阿達(dá)瑪變換算法對光進(jìn)行編碼和解碼時，其編碼的狀態(tài)通過數(shù)字微鏡陣列9的平面反射鏡15鏡面的不同偏轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)。N階阿達(dá)瑪變換算法對光編碼后得到N個編碼信號，單點(diǎn)探測器12每次測量一個編碼信號，經(jīng)過N次測量后，通過信號處理器13把N個編碼信號進(jìn)行解碼，還原得到不同波長光強(qiáng)信息。在常規(guī)單通道測量中，阿達(dá)瑪變換多通道檢測技術(shù)在同一時間里可以同時檢測多個分辨單元里組合信號的總強(qiáng)度，在
相同的實(shí)驗(yàn)條件下，經(jīng)N階阿達(dá)瑪變換后，信噪比可提高#/2倍，通過數(shù)字微鏡陣列9進(jìn)
行阿達(dá)瑪變換，有效的壓抑背景和干擾信號，特別適用于拉曼微弱信號的處理。一種基于數(shù)字微鏡陣列的便攜式拉曼檢測儀檢測方法，包括以下步驟:首先激光器I產(chǎn)生高功率、窄線寬的激光束，然后通過拉曼探頭2照射在待測樣品3上，同時激發(fā)出該樣品3的拉曼散射光；拉曼探頭2收集部分拉曼散射光，同時通過一截止濾光片過濾拉曼散射光中的瑞利散射光；拉曼散射光通過入射狹縫5進(jìn)入光譜儀4，入射拉曼散射光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡6準(zhǔn)直后照射到色散光柵7上，色散光柵7將復(fù)色光分解為不同波長的單色光，再經(jīng)過聚焦透鏡一 8會聚到數(shù)字微鏡陣列9不同位置的微鏡單元上；微鏡單元控制電路14控制各個微鏡單元的偏轉(zhuǎn)角度，并采用阿達(dá)瑪變換算法對照射到數(shù)字微鏡陣列9上的光進(jìn)行編碼；編碼后的光經(jīng)過消色散光柵10和聚焦透鏡二 11后，形成復(fù)色光會聚至單點(diǎn)探測器12上；單點(diǎn)探測器12將接收到的光信號轉(zhuǎn)為電信號并傳輸至信號處理器13，信號處理器13對其進(jìn)行阿達(dá)瑪變換算法的解碼，得到不同波長光的光譜信息，從而得到樣品3的拉曼光譜。以上所述，僅為發(fā)明的具體實(shí)施方式
。本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求所界定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)字微鏡陣列的便攜式拉曼檢測儀，包括 激光器(I)，作為樣品(3 )檢測的激光光源； 拉曼探頭(2)，用于傳輸激光束到樣品(3)，收集樣品(3)發(fā)出的拉曼散射光并傳輸?shù)焦庾V儀(4)； 以及光譜儀(4)，用于測量拉曼散射光中不同波長光的相對強(qiáng)度以獲得拉曼光譜； 其特征在于，所述光譜儀(4)包括按照拉曼散射光的入射光路依次放置的入射狹縫(5)、準(zhǔn)直透鏡(6)、色散光柵(7)、聚焦透鏡一(8)、數(shù)字微鏡陣列(9)、消色散光柵(10)、聚焦透鏡二(11)以及單點(diǎn)探測器(12)，該單點(diǎn)探測器(12)將接收到的光信號轉(zhuǎn)為電信號并傳輸至信號處理器(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字微鏡陣列的便攜式拉曼檢測儀，其特征在于，所述數(shù)字微鏡陣列(9)包括數(shù)個微鏡單元，所述微鏡單元通過控制電路(14)控制其偏轉(zhuǎn)角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于數(shù)字微鏡陣列的便攜式拉曼檢測儀，其特征在于，所述微鏡單元包括平面反射鏡(15)、分別用于固定平面反射鏡(15)的懸臂(16)以及與懸臂(16)連接的電極板(17)，控制電路(14)通過改變電極板(17)上的電壓或電流來調(diào)節(jié)懸臂(16)轉(zhuǎn)動，同時該懸臂(16)帶動平面反射鏡(15)偏轉(zhuǎn)角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字微鏡陣列的便攜式拉曼檢測儀，其特征在于，在所述拉曼探頭中、用于收集拉曼散射光的光路上設(shè)有一截止濾光片，用于過濾瑞利散射光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字微鏡陣列的便攜式拉曼檢測儀，其特征在于，所述激光器(I)為半導(dǎo)體激光器。
6.一種基于數(shù)字微鏡陣列的便攜式拉曼檢測儀檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: (I)首先激光器(I)產(chǎn)生高功率、窄線寬的激光束，然后通過拉曼探頭(2 )照射在待測樣品(3 )上，同時激發(fā)出該樣品(3 )的拉曼散射光； (2 )拉曼探頭(2 )收集部分拉曼散射光，同時通過一截止濾光片過濾拉曼散射光中的瑞利散射光； (3)拉曼散射光通過入射狹縫(5)進(jìn)入光譜儀(4)，入射拉曼散射光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(6)準(zhǔn)直后照射到色散光柵(7)上，色散光柵(7)將復(fù)色光分解為不同波長的單色光，再經(jīng)過聚焦透鏡一(8)會聚到數(shù)字微鏡陣列(9)不同位置的微鏡單元上； (4)微鏡單元控制電路(14)控制各個微鏡單元的偏轉(zhuǎn)角度，并采用阿達(dá)瑪變換算法對照射到數(shù)字微鏡陣列(9)上的光進(jìn)行編碼； (5 )編碼后的光經(jīng)過消色散光柵(10 )和聚焦透鏡二( 11)后，形成復(fù)色光會聚至單點(diǎn)探測器(12)上； (6)單點(diǎn)探測器(12)將接收到的光信號轉(zhuǎn)為電信號并傳輸至信號處理器(13)，信號處理器(13)對其進(jìn)行阿達(dá)瑪變換算法的解碼，得到不同波長光的光譜信息，從而得到樣品(3)的拉曼光譜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于數(shù)字微鏡陣列的便攜式拉曼檢測儀，包括激光器，作為樣品檢測的激光光源；拉曼探頭，用于傳輸激光束到樣品，收集樣品發(fā)出的拉曼散射光并傳輸?shù)焦庾V儀；以及光譜儀，用于測量拉曼散射光中不同波長光的相對強(qiáng)度以獲得拉曼光譜；其特征在于，所述光譜儀包括按照拉曼散射光的入射光路依次放置的入射狹縫、準(zhǔn)直透鏡、色散光柵、聚焦透鏡一、數(shù)字微鏡陣列、消色散光柵、聚焦透鏡二以及單點(diǎn)探測器，該單點(diǎn)探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)為電信號并傳輸至信號處理器；本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，采用基于數(shù)字微鏡陣列的便攜式拉曼檢測儀，通過數(shù)字微鏡陣列對光進(jìn)行阿達(dá)瑪變換編碼，可以提高了該拉曼檢測儀的信噪比，同時由于數(shù)字微鏡陣列的尺寸小，相對的減小了該拉曼檢測儀的體積。
文檔編號G01N21/65GK103245654SQ201310180069
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月15日
發(fā)明者張克勤, 殷?，|, 許春 申請人:蘇州大學(xué)