本發(fā)明涉及一種光學(xué)檢測(cè)儀器領(lǐng)域，特別涉及一種MEMS微型拉曼光譜儀。

背景技術(shù)：

拉曼光譜反映了分子結(jié)構(gòu)中原子的振動(dòng)特征，被稱為分子的指紋光譜。拉曼檢測(cè)技術(shù)作為一種無(wú)與倫比的、有力的分析手段，具有無(wú)損測(cè)量、檢測(cè)速度快、制樣簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，有望應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)和生活中。但是，由于拉曼散射的強(qiáng)度很弱，其強(qiáng)度是瑞利散射光強(qiáng)度的10-6～10-3倍，因此，拉曼光譜儀的結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，并且價(jià)格昂貴，動(dòng)輒百萬(wàn)人民幣，這些阻礙了拉曼光譜在實(shí)際檢測(cè)中的應(yīng)用，拉曼光譜儀器的小型化和簡(jiǎn)單化將是未來(lái)的發(fā)展方向。

而目前用于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急檢測(cè)的微型拉曼光譜儀，為保證系統(tǒng)的緊湊性，樣品的激光照明系統(tǒng)與拉曼散射光的透鏡通常共光路，從而不可避免地產(chǎn)生照明光在集光透鏡內(nèi)的多次反射，形成瑞利散射光以外的雜散光，但是拉曼光譜的探測(cè)屬于弱信號(hào)檢測(cè)，需要對(duì)系統(tǒng)中的雜散光嚴(yán)格抑制，另外現(xiàn)有的便攜式拉曼光譜儀一般采用便攜式電腦完成數(shù)據(jù)處理的功能，無(wú)法脫離電腦獨(dú)立工作，而且現(xiàn)有的光譜儀由于光柵色散技術(shù)固有的分辨率與焦距之間的矛盾，無(wú)法保證在較寬的自由光譜范圍的同時(shí)，又能夠獲得較窄的半峰全寬。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種MEMS微型拉曼光譜儀，本發(fā)明的各個(gè)模塊的集成程度更高，更容易縮小設(shè)備體積，可以做成手持式光譜儀，而且本發(fā)明可以對(duì)激光照明系統(tǒng)與拉曼散射光的透鏡共光路產(chǎn)生的雜散光進(jìn)行嚴(yán)格的抑制，本發(fā)明采用嵌入式操作系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)處理功能，可以實(shí)現(xiàn)手持式使用，完全脫離電腦而獨(dú)立工作，本發(fā)明采用采用MEMS技術(shù)光柵與可動(dòng)F-P腔集成的色散，可以保證在較寬的自由光譜范圍的同時(shí)，又能夠獲得較窄的半峰全寬，獲得高的光譜分辨率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)手段：

本發(fā)明提供一種MEMS微型拉曼光譜儀，包括采樣模塊、控制顯示模塊、MEMS色散模塊；

所述采樣模塊包括激光器、采樣鏡頭/拉曼探頭系統(tǒng)；

所述控制顯示模塊包括數(shù)據(jù)庫(kù)單元、嵌入式操作系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)連接單元、顯示模塊；

所述MEMS色散模塊包括色散模塊、光電探測(cè)器單元；

所述激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)采樣鏡頭/拉曼探頭系統(tǒng)，照射在樣品上激發(fā)拉曼光譜，上述拉曼光譜經(jīng)過(guò)采樣鏡頭/拉曼探頭系統(tǒng)收集、濾波后輸送到色散模塊，再通過(guò)色散模塊色散后傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器單元，得到新拉曼光譜，通過(guò)將新拉曼光譜與數(shù)據(jù)庫(kù)單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，在顯示模塊顯示被測(cè)物的身份信息；

通過(guò)所述控制顯示模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)儀器的系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)交換與處理，數(shù)據(jù)庫(kù)單元通過(guò)USB接口對(duì)外進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

進(jìn)一步的，所述激光器采用波長(zhǎng)為785nm的窄帶激光器作為照明光源，其帶寬為0.2nm，光斑尺寸2mm×2mm，光強(qiáng)遵循平均分布。

進(jìn)一步的，所述采樣鏡頭/拉曼探頭系統(tǒng)包括透鏡(O₁)、二向色鏡(DSS)、陷波濾光片(NF)、會(huì)聚系統(tǒng)(O₂)，入射激光經(jīng)過(guò)二向色鏡反射(DSS)再經(jīng)過(guò)透鏡(O₁)聚焦在樣品上，照射樣品產(chǎn)生的散射光經(jīng)透鏡(O₁)收集，并經(jīng)二向色鏡(DSS)、陷波濾光片(NF)濾除其中的瑞麗散射光，得到的拉曼散射光再經(jīng)過(guò)會(huì)聚系統(tǒng)(O₂)，聚焦到狹縫處。

進(jìn)一步的，所述狹縫寬度為0.05mm，長(zhǎng)度為2mm。

進(jìn)一步的，根據(jù)雜散光聚焦大小和位置、出射方向、到達(dá)狹縫處能量大小，所述采樣鏡頭/拉曼探頭系統(tǒng)中設(shè)置有黑點(diǎn)板。

進(jìn)一步的，所述色散模塊采用MEMS技術(shù)光柵與可動(dòng)F-P腔集成的色散，狹縫處的拉曼散射光通過(guò)透鏡準(zhǔn)直后入射平而光柵，經(jīng)光柵色散后的-1級(jí)衍射光再通過(guò)F-P腔進(jìn)行濾波，F(xiàn)-P腔后設(shè)置聚焦透鏡，使波長(zhǎng)滿足條件的光波在CCD形成光譜條紋。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的各個(gè)模塊的集成程度更高，更容易縮小設(shè)備體積，可以做成手持式光譜儀，而且本發(fā)明可以對(duì)激光照明系統(tǒng)與拉曼散射光的透鏡共光路產(chǎn)生的雜散光進(jìn)行嚴(yán)格的抑制，本發(fā)明采用嵌入式操作系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)處理功能，可以實(shí)現(xiàn)手持式使用，完全脫離電腦而獨(dú)立工作，本發(fā)明采用采用MEMS技術(shù)光柵與可動(dòng)F-P腔集成的色散，可以保證在較寬的自由光譜范圍的同時(shí)，又能夠獲得較窄的半峰全寬，獲得高的光譜分辨率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的模塊框圖示意圖；

圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的探頭系統(tǒng)示意圖；

圖3為激光在透鏡上多次反射的示意圖；

圖4為透射瑞利散射光和透鏡上多次反射瑞利光示意圖；

圖5為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的實(shí)際光線經(jīng)二向色鏡的追蹤情形；

圖6為整個(gè)探頭系統(tǒng)后聚焦光線的分析模型；

圖7為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的嵌入式操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖8為光柵和可動(dòng)F-P集成的光調(diào)制器的光譜分光光路示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1：如圖1所示，本實(shí)施例提供一種MEMS微型拉曼光譜儀，包括采樣模塊、控制顯示模塊、MEMS色散模塊；

所述采樣模塊包括激光器、采樣鏡頭/拉曼探頭系統(tǒng)；

所述控制顯示模塊包括數(shù)據(jù)庫(kù)單元、嵌入式操作系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)連接單元、顯示模塊；

所述MEMS色散模塊包括色散模塊、光電探測(cè)器單元；

所述激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)采樣鏡頭/拉曼探頭系統(tǒng)，照射在樣品上激發(fā)拉曼光譜，上述拉曼光譜經(jīng)過(guò)采樣鏡頭/拉曼探頭系統(tǒng)收集、濾波后輸送到色散模塊，再通過(guò)色散模塊色散后傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器單元，得到新拉曼光譜，通過(guò)將新拉曼光譜與數(shù)據(jù)庫(kù)單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，在顯示模塊顯示被測(cè)物的身份信息；

通過(guò)所述控制顯示模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)儀器的系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)交換與處理，數(shù)據(jù)庫(kù)單元通過(guò)USB接口對(duì)外進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

如圖2所示，所述采樣鏡頭/拉曼探頭系統(tǒng)包括透鏡(O₁)、二向色鏡(DSS)、陷波濾光片(NF)、會(huì)聚系統(tǒng)(O₂)，入射激光經(jīng)過(guò)二向色鏡反射(DSS)再經(jīng)過(guò)透鏡(O₁)聚焦在樣品上，照射樣品產(chǎn)生的散射光經(jīng)透鏡(O₁)收集，并經(jīng)二向色鏡(DSS)、陷波濾光片(NF)濾除其中的瑞麗散射光，得到的拉曼散射光再經(jīng)過(guò)會(huì)聚系統(tǒng)(O₂)，聚焦到狹縫處。

根據(jù)雜散光聚焦大小和位置、出射方向、到達(dá)狹縫處能量大小，所述采樣鏡頭/拉曼探頭系統(tǒng)中設(shè)置有黑點(diǎn)板。

進(jìn)行追蹤光線分析，激光器采用波長(zhǎng)為785nm的窄帶激光器作為照明光源，其帶寬為0.2nm，光斑尺寸2mm×2mm，光強(qiáng)遵循平均分布，可以減小拉曼光譜的熒光背景，狹縫寬度為0.05mm，長(zhǎng)度為2mm，陷波濾光片的波長(zhǎng)選擇785nm,光密度為6。

如圖3所示為照明激光在透鏡O₁上多次反射產(chǎn)生雜散光的情況，其中m為入射光，b為激光經(jīng)O₁前表面反射之后的一次反射光，c為三次反射光，d為五次反射光，e為七次反射光,p為激光經(jīng)透鏡O₁后表面反射之后的一次反射光。

如圖4所示為透射瑞利散射光及其在透鏡O₁上多次反射形成的雜散光，其中k為散射光，f為透射瑞利散射光，g為二次反射瑞利光，h為四次反射瑞利光。

利用子午面內(nèi)光線光路計(jì)算公式對(duì)照明激光及透射瑞麗散射光及透射瑞麗散射光在透鏡O₁上多次反射形成的雜散光進(jìn)行光線追蹤，追跡初始物距為l，孔徑角為u，經(jīng)過(guò)透鏡O₁后，出射光線孔徑角為u₀，出射光線截距為l₀，經(jīng)過(guò)透鏡O₁后，雜散光初步能量計(jì)算結(jié)果，得到I_m為0.98，I_b為9.8x10^-3,I_c為9.8x10^-7,I_d為9.8x10^-11,I_e為9.8x10^-15,I_p為10^-2,I_f為9.6x10^-4-9.6x10^-6，I_g為9.6x10^-8-9.6x10^-10,I_h為9.6x10^-12-9.6x10^-14,I₁為9.6x10^-7-9.6x10^-12,其中I₁拉曼散射光強(qiáng)度，分析對(duì)比可知，在激光反射光中只需要分析激光在O₁后表面的一次反射光和經(jīng)O₁前表面反射的一次反射光、三次反射光和五次反射光，在散射光中只需要分析透射瑞麗散射光和二次瑞反射瑞麗光。

如圖5所示為實(shí)際光線經(jīng)二向色鏡的追蹤形式，根據(jù)二向色鏡出射光線的孔徑角u₂和截距l(xiāng)₂信息，可得限光濾波片與會(huì)聚系統(tǒng)O₂的入射光線信息，再利用子午面內(nèi)光線光路計(jì)算公式進(jìn)行光線追跡，最終得到通過(guò)匯聚系統(tǒng)O₂后的孔徑角和截距信息，即可知道整個(gè)探頭系統(tǒng)的孔徑角和截距信息。

為了獲得準(zhǔn)確的黑點(diǎn)板放置位置，需要分析任意入射角光線在光路中的聚焦位置，如圖6所示為整個(gè)探頭系統(tǒng)后聚焦光線的分析模型，焦點(diǎn)位置S為彌散斑直徑最小處，即上邊緣光線和下邊緣光線交點(diǎn)在光軸上的位置，l₀₀為截距，r_S為焦點(diǎn)S處的彌散斑半徑，S₁為上邊緣光線與光軸的交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的孔徑角為u₁₁、截距為l₁₁，S₂為下邊緣光線與光軸的交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的孔徑角為u₂₂、截距為l₂₂，D為狹縫處的彌散斑，z為偏移距離，其長(zhǎng)度等于r_s,根據(jù)幾何關(guān)系，可以得到焦點(diǎn)S處的截距l(xiāng)₀₀和彌散斑半徑r_S的信息，如圖6所示只要狹縫長(zhǎng)度y滿足D-z<y,即可認(rèn)為有雜散光進(jìn)入狹縫中，需要進(jìn)行抑制。通過(guò)對(duì)狹縫處雜散光的能量計(jì)算可得，只需對(duì)精光經(jīng)透鏡O₁前表面反射的一次反射光和經(jīng)O₁后表面的一次放射光做進(jìn)一步雜散光抑制，通過(guò)對(duì)激光反射雜散光理論分析可知，經(jīng)透鏡O₁前表面的一次反射光，在距O₁后表面3.5072mm處形成一次鬼像，可在其一次鬼像處設(shè)置黑點(diǎn)板，此時(shí)一次鬼像在在O₁后表面上的光線直徑為0.055mm，經(jīng)透鏡O₁后表面的一次反射光從O₁出射后是發(fā)散的，若在O₁后表面加黑點(diǎn)板，則黑點(diǎn)板的直徑最小為0.138mm。

如圖7所示為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的嵌入式操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，基于Android操作系統(tǒng)的嵌入式Raman光譜信號(hào)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速的光譜信號(hào)采集處理、友好的人機(jī)交互接口和智能的譜線識(shí)別技術(shù)；手持式拉曼光譜儀還可以通過(guò)USB、Internet或者無(wú)線傳輸與電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接受來(lái)自電腦、網(wǎng)絡(luò)的命令，將采集到的拉曼光譜數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化、在線化、無(wú)人化工作，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)拉曼光譜數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程共享。

嵌入式操作系統(tǒng)模塊主要包括了電源管理、CCD驅(qū)動(dòng)及信號(hào)處理、激光驅(qū)動(dòng)、嵌入式處理器平臺(tái)、人機(jī)界面等子模塊，軟件部分包括了操作系統(tǒng)、嵌入式應(yīng)用程序等，可以完成數(shù)據(jù)處理功能，可以實(shí)現(xiàn)手持式使用，完全脫離電腦而獨(dú)立工作。

如圖8所示為光柵和可動(dòng)F-P集成的光調(diào)制器的光譜分光光路示意圖，所述色散模塊采用MEMS技術(shù)光柵與可動(dòng)F-P腔集成的色散，狹縫處的拉曼散射光通過(guò)透鏡準(zhǔn)直后入射平而光柵，經(jīng)光柵色散后的-1級(jí)衍射光再通過(guò)F-P腔進(jìn)行濾波，F(xiàn)-P腔后設(shè)置聚焦透鏡，使波長(zhǎng)滿足條件的光波在CCD形成光譜條紋，可以保證在較寬的自由光譜范圍的同時(shí)，又能夠獲得較窄的半峰全寬，獲得高的光譜分辨率。