一種基於微型拉曼光譜儀的外光路光學系統的製作方法

2023-05-25 08:57:06

專利名稱：一種基於微型拉曼光譜儀的外光路光學系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種物方小視場和大數值孔徑、像方小數值孔徑特定要求的近紅外光學系統。
背景技術：
物體受到激發光源的激發，從量子理論來講，物體內部分子與光子會發生彈性碰撞和非彈性碰撞，彈性碰撞產生的散射光頻率與入射光頻率相同，通常這類散射被稱為瑞利散射，非彈性碰撞產生的散射光的頻率與入射光頻率有變化，通常這類散射被稱為拉曼散射，拉曼散射光是由於物質分子的振動和轉動而產生，這種振動和轉動的特點直接影響拉曼散射光的頻移。一般來說，波長為785nm雷射器激發的拉曼散射光頻移在 250^-2875^10拉曼散射光的強度小於入射光的10_6，而瑞利散射光的強度一般在入射光強度的10_3。由於其信號要遠遠弱於瑞利散射光，強烈的瑞利散射光會淹沒拉曼散射光。拉曼光譜儀外光路的前端光學系統，要將激發光束很好地會聚，照射到待測物體上，同時大數值孔徑地收集拉曼散射光；後端光學系統，要將收集到的拉曼散射光，以和光譜儀匹配的小數值孔徑輸出給光譜儀狹縫。通常物方數值孔徑和像方數值孔徑的比值大於 6，因此拉曼光譜儀的外光路設計就格外重要。目前國內大多數搭建拉曼光譜系統的科研院校大多數要麼購買現有國外的拉曼探頭，成本較高，且針對於特定的實驗要求，具有一定的局限性；要麼自己搭建的外光路系統則尺寸很大，需要佔用很大的空間，不能滿足現場檢測的需要。為解決國內拉曼探頭的製造，和進一步提高國內外已有的拉曼探頭的聚光能力， 本發明自主研發了一款拉曼光譜儀外光路，此光學系統和我們研製的一款微型拉曼光譜儀相匹配。

發明內容
本發明為解決現有拉曼光譜儀的外光路系統的實現成本高，並且由於該系統的尺寸大，需要佔用很大空間，因而不能滿足現場檢測的問題，提供一種基於微型拉曼光譜儀的外光路光學系統。—種基於微型拉曼光譜儀的外光路光學系統，該系統包括雷射器、二向色鏡、單透鏡、平行平板、陷波濾光片、第一雙膠合透鏡和第二雙膠合透鏡，所述的雷射器出射雷射光束經反射鏡反射至二向色鏡，經二向色鏡後的光束反射至單透鏡和平行平板，經所述平行平板後的光束會聚至探測樣品；所述會聚光束經探測樣品後發生散射，所述散射光束入射至平行平板和單透鏡，所述散射光束經二向色鏡後依次入射至陷波濾光片、第一雙膠合透鏡和第二雙膠合透鏡，最後光束會聚到微型拉曼光譜儀的入射狹縫處。本發明的工作原理本發明所述的光學系統實現將雷射光源激發的光束經過會聚之後入射到系統前方探測樣品處，照射處的探測樣品內部受到雷射光束的激發，產生與入射光同頻率的瑞利散射光線和與入射光不同頻率的拉曼散射光線，由於瑞利散射光線比拉曼散射光線強，因此需要在該光學系統中加入可以濾除掉瑞利散射光線的陷波濾光片，經過該光學系統收集到的是被探測樣品內部分子非彈性碰撞產生的拉曼散射光，再將收集到的拉曼散射光以1 12像方數值孔徑輸出給光譜儀，該光學系統提高能量的利用率，避免雜散光的引入。本發明的有益效果一、本發明所述的光學系統，成本低，物方數值孔徑能夠達到 0. 33 0. 35，提高拉曼散射光譜探測的靈敏度，二、像面在狹縫方向的光線強度分布均勻， 忽略光源帶來的照度不均勻問題，使狹縫沿譜線方向獲得相對均勻的強度；三、本發明所述的外光路的光學系統與光譜儀的數值孔徑相匹配，針對相對孔徑為1 12的光譜儀可以達到最高的能量利用效率，同時也不產生附加的雜散光。


圖1為本發明所述的一種基於微型拉曼光譜儀的外光路光學系統的原理圖；圖2為本發明所述的一種基於微型拉曼光譜儀的外光路光學系統中二向色鏡的光譜特性曲線；圖3為本發明所述的一種基於微型拉曼光譜儀的外光路光學系統中陷波濾光片的光譜特性曲線；圖4為本發明所述的一種基於微型拉曼光譜儀的外光路光學系統的像面相對照度曲線；圖5為本發明所述的一種基於微型拉曼光譜儀的外光路光學系統中幾何包圍圓能量示意圖；圖6為本發明所述的一種基於微型拉曼光譜儀的外光路光學系統中加入非球面的單透鏡之後系統的像面相對照度示意圖；圖7為本發明所述的一種基於微型拉曼光譜儀的外光路光學系統中加入非球面的單透鏡之後的幾何包圍圓能量示意圖。圖中1-1、雷射器，1-2、反射鏡，1-3、二向色鏡，1-4、單透鏡，1_5、平行平板，1_6、 陷波濾光片，1-7、第一雙膠合透鏡，1-8、第二雙膠合透鏡，1-9、光闌，1-10、狹縫。
具體實施例方式具體實施方式
一、結合圖1至圖7說明本實施方式，一種基於微型拉曼光譜儀的外光路光學系統，該系統包括雷射器1-1、反射鏡1-2、二向色鏡1-3、單透鏡1-4、平行平板 1-5、陷波濾光片1-6、第一雙膠合透鏡1-7和第二雙膠合透鏡1-8，雷射器1-1發出波長為 785nm的雷射，經過反射鏡1_2後改變光路方向，反射到二向色鏡1_3上，二向色鏡1_3反射 785nm雷射波長，經過前組的單透鏡1_4和平行平板1_5會聚到前端的探測樣品；拉曼散射光線經過平行平板1-5和單透鏡1-4之後，形成準直光束，透過二向色鏡1-3進入後面的光學系統，陷波濾光片1-6濾除掉摻雜在收集光路中的瑞利散射光線，經過雙膠合1-7和雙膠合1-8之後將光線會聚到相對孔徑為1 12的光譜儀的入射狹縫1-10上，滿足光譜儀的數值孔徑要求，且像面沿狹縫方向相對照度大於80%。光線在距離像面34mm處的光斑直徑為3mm，這樣能夠滿足光線充分進入光譜儀狹縫，減小環境雜散光的影響。本實施方式所述的反射鏡1-2採用介質反射鏡，在特定的波長可以達到99%的反射率，對入射光小角度變化不敏感，牢固度好，抗損傷能力強。結合圖1進一步說明本實施方式，本實施方式主要實現兩個目的，由雷射器1-1發出的光線要經過反射鏡1-2 平行平板1-5會聚到前方探測樣品，同時二向色鏡1-3 第二膠合透鏡1-8的組合實現拉曼散射光線的收集；所述的二向色鏡1-3、單透鏡1-4和平行平板1-5在兩個目的中都起到作用。單透鏡1-4和雙膠合透鏡1-7組成了前組系統，實現收集大角度的拉曼散射光和滿足要求的平行光。由於該系統中照明光源採用的是雷射器 1-1，為了避免光學元件尤其是膠合面的損傷，導致系統的破壞，將二向色鏡1-3與陷波濾光片1-6安放在第一雙膠合透鏡之前，這裡要保證單透鏡1-4與二向色鏡1-3之間的光束為平行光，即光束在單透鏡1-4與二向色鏡1-3上的高度差值的數量級在IOmm 3，同時保證接收散射光的孔徑角度儘量大。在小視場的情況下，影響單透鏡1-4的像差主要有球差、軸向色差，採用單透鏡1-4在滿足以上條件下，不能完成對自身像差的校正，對於軸上點像差為主的系統，負球差是單透鏡1-4主要的像差。因此在單透鏡1-4之後加入的第一雙膠合透鏡1-7主要校正球差，第一雙膠合透鏡1-7中負透鏡產生的正球差補償單透鏡1-4的負球差，第一雙膠合透鏡1-7的正透鏡和負透鏡的組合，平衡單透鏡1-4帶來的軸向色差。考慮到外光路系統要將拉曼散射光儘量多地輸出到後續的光譜儀系統中，因此需要在狹縫1-10處得到儘可能小的會聚光斑。同時為了得到滿足後續光譜儀特定的數值孔徑，在光闌1-9處的光斑需要在直徑為3mm的圓內，如果沒有後組的第二雙膠合透鏡1_8的限制，僅靠前組中的第一雙膠合透鏡1-7很難達到要求，選用光譜儀的相對孔徑為1 12 時，後組的工作距會很長，不能滿足微型光譜儀的要求。本實施方式中採用正負透鏡組合的第二雙膠合透鏡1-8，所述第二雙膠合透鏡1-8中的正透鏡的加快會聚，負透鏡的發散，兩鏡組成了 「攝遠系統」，這樣結構的目的是將主平面前移，達到增加系統有效焦距和縮短系統尺度的作用，同時可以滿足光譜儀數值孔徑的要求。在第二雙膠合透鏡1-8中，正透鏡承擔主要的光焦度，負透鏡對來自前組的系統帶來的殘餘像差進行補償，並補償正透鏡的像差。對於小相對孔徑、小視場的光學系統，後組「攝遠系統」主要考慮球差，第二雙膠合透鏡 1-8的膠合面產生的正球差補償一、三面的負球差。結合圖2說明本實施方式，當所述二向色鏡1-3的入射角為45°時，反射波長為 785nm的雷射，同時透過其餘波長的光線，在長波段795nm-1214nm的透過率達到90%以上， 所述二向色鏡的鏡片材料折射率為1. 72。結合圖3說明本實施方式，所述的陷波濾光片1-6的作用在於對瑞利散射光線及雷射器1-1反射的785nm光線有很高的衰減率，較窄的禁帶寬度，尖銳的光譜邊緣，光密度達到6以上，對于禁帶之外的波長有著較高的透過率，在590nm-760nm以及810nm_1040nm 兩波段的透過率大於90%。本實施方式中物方收集散射光線的數值孔徑為0.35。壓縮的像方數值孔徑為 0. 04，達到在距離像面34mm處的光斑直徑為3mm的要求，這樣能夠滿足光線充分進入光譜儀狹縫，減小環境雜散光的影響。結合圖5至圖7說明本實施方式，圖5所述的光學系統各個視場的90%以上的幾何包圍圓能量被包圍在半徑35 μ m的圓內。從圖6可以看出本發明所述的光學系統加入了非球面的單透鏡之後，系統物方的數值孔徑可以達到0. 35時，像面相對照度仍可以保持在 80%以上，以達到較高的能量利用率。從圖7中可以看出加入非球面的單透鏡之後，系統物方的數值孔徑可以達到0. 35時，各個視場的90%以上的能量被包圍在半徑30 μ m的圓內。
本發明所述的光學系統中各個面的像差不是獨立的，前組帶來的像差對後組會產生影響。所述的光學系統中單透鏡1-4能夠滿足物方大數值孔徑的要求，但所述的單透鏡 1-4對於自身的球差難以校正，單透鏡1-4自身的像差轉移到了後續的光學系統中。校正球差是非球面主要的應用之一，考慮在單透鏡1-4中引入非球面，可以減少透鏡邊界光線的劇烈折射，本發明所述的單透鏡1-4為圓錐曲面，實現了消球差的目的，同時可以得到更大的收集拉曼散射光的角度，光學性能有進一步的提高。
權利要求
1.一種基於微型拉曼光譜儀的外光路光學系統，該系統包括雷射器(1-1)、反射鏡 (1-2)、二向色鏡(1-3)、單透鏡(1-4)、平行平板(1-5)、陷波濾光片(1-6)、第一雙膠合透鏡(1-7)和第二雙膠合透鏡(1-8)，其特徵是，所述的雷射器(1-1)出射雷射光束經反射鏡(1-2)反射至二向色鏡(1-3)，經二向色鏡(1-3)後的光束反射至單透鏡(1-4)和平行平板(1-5)，經所述平行平板(1-5)後的光束會聚至探測樣品；所述會聚光束經探測樣品後發生散射，所述散射光束入射至平行平板(1-5)和單透鏡(1-4)，所述散射光束經二向色鏡 (1-3)後依次入射至陷波濾光片(1-6)、第一雙膠合透鏡(1-7)和第二雙膠合透鏡(1-8)，最後光束會聚到微型拉曼光譜儀的入射狹縫(1-10)處。
2.根據權利要求1所述的一種基於微型拉曼光譜儀的外光路光學系統，其特徵在於， 所述的單透鏡(1-4)在物方數值孔徑為0. 33時是球面透鏡，在物方數值孔徑為0. 35時是非球面透鏡。
3.根據權利要求1所述的一種基於微型拉曼光譜儀的外光路光學系統，其特徵在於， 所述反射鏡(1-2)、二向色鏡(1-3)、單透鏡(1-4)、平行平板(1-5)、陷波濾光片(1-6)、第一雙膠合透鏡(1-7)和第二雙膠合透鏡(1-8)的材料為K9、ZF2或者BaK6中的任一種光學材料。
4.根據權利要求1所述的一種基於微型拉曼光譜儀的外光路光學系統，其特徵在於， 所述的反射鏡(1-2)為介質反射鏡。
5.根據權利要求1所述的一種基於微型拉曼光譜儀的外光路光學系統，其特徵在於， 所述二向色鏡(1-3)的入射角為45°時，反射波長為785nm的雷射，透射波長為在795nm 1214nm的長波段光束，透過率為90%，所述二向色鏡的鏡片材料折射率為1. 72。
全文摘要
一種基於微型拉曼光譜儀的外光路光學系統，涉及近紅外光學系統。它解決了現有拉曼光譜儀的外光路系統的實現成本高，並且由於該系統的尺寸大，需要佔用很大空間，因而不能滿足現場檢測的問題，該系統包括雷射器、二向色鏡、單透鏡、平行平板、陷波濾光片、第一雙膠合透鏡和第二雙膠合透鏡，雷射器出射雷射光束經反射鏡反射至二向色鏡，經二向色鏡後的光束反射至單透鏡和平行平板，經平行平板後的光束會聚至探測樣品；所述會聚光束經探測樣品後發生散射的光束入射至平行平板和單透鏡，散射光束經二向色鏡後依次入射至陷波濾光片、第一雙膠合透鏡和第二雙膠合透鏡後會聚到微型拉曼光譜儀的入射狹縫處。本發明具有更大的物方數值孔徑，降低了成本。
文檔編號G02F1/35GK102323703SQ20111021231
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月27日 優先權日2011年7月27日
發明者劉 英, 孫強, 安巖, 李淳 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所