光谱探测装置的制作方法

本实用新型涉及光谱探测领域，尤其涉及一种光谱探测装置。

背景技术：

光谱探测技术在物质的鉴定和分析中应用十分广泛。光谱探测装置可以通过采集从待测样品获得的光信号来生成待测样品的光谱图，例如可以通过将实际探测到的光谱图与已有的光谱库中的已知物质的光谱图进行对比来确定待测样品的成分。光谱仪是一种常用的光谱探测设备，其可以利用色散元件将不同波长混合在一起的光信号分解并排列到探测器上，最终得到代表着不同波长处的信号强度分布的光谱图线。光谱仪的分辨率表征了仪器对两个相邻波长信号间的分辨能力，决定了最终光谱图携带特征信息的精细程度。在光谱探测和分析中，光谱仪的分辨率参数对于精确地鉴别物质、确定其化学组成和相对含量有着重要的意义。为了获得高的分辨率，往往希望采用比较狭窄的狭缝。而这又可能导致光的强度被狭缝显著地削弱而影响光学效率。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种光谱探测装置，其通过采用与狭缝匹配的照射光斑，能够提高光学效率和光谱检测的信噪比。

本实用新型的实施例提供了一种光谱探测装置，包括：

激光源，布置用于发射光束；

聚焦透镜，布置用于将所述光束会聚至待测样品上；

光束收集装置，布置用于收集待测样品被所述光束激发的光束信号以形成收集光束并将该收集光束进行会聚以形成长条形光斑；

狭缝，布置用于接收经过光束收集装置会聚的收集光束并将所述收集光束向光路的下游耦合；

准直装置，布置用于对来自狭缝的收集光束进行准直；

色散装置，布置用于对经过准直装置准直的收集光束进行分色，以形成具有不同波长的多个子光束；

成像装置和阵列式光子探测器，所述成像装置布置用于将所述多个子光束分别成像在所述阵列式光子探测器上，所述阵列式光子探测器用于将成像到其上的多个子光束的光信号转换成电信号，所述电信号用于形成光谱图，

其中，由激光源发出的光束具有矩形的横截面，所述聚焦透镜是柱面透镜，所述长条形光斑照射到狭缝上，且所述长条形光斑的长度小于狭缝的长度以使长条形光斑在长度方向上能够完全落入狭缝。

在一实施例中，所述长条形光斑在宽度方向上完全覆盖所述狭缝。

在一实施例中，所述色散装置布置成将所述多个子光束在第一方向上分离开，所述阵列式光子探测器具有多列探测单元，其中每列探测单元沿着与第一方向垂直的第二方向布置。

在一实施例中，每列探测单元在第二方向上的长度大于或等于狭缝经由成像装置在所述阵列式光子探测器的表面上所成的像的沿着第二方向的高度。

在一实施例中，所述长条形光斑沿着第二方向的高度和狭缝沿着第二方向的高度与每列探测单元在第二方向上的长度一致。

在一实施例中，光谱图中的每条谱线由一列探测单元中的所有探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成。

在一实施例中，所述光束收集装置包括：

第一透镜，布置用于接收来自所述待测样品的光束；

第二透镜，布置用于将该收集光束会聚至所述狭缝上；以及

滤光片，位于所述第一透镜和第二透镜之间，布置用于使收集光束中选定波长范围的光通过而滤除其它波长范围的光。

在一实施例中，所述聚焦透镜的焦点与所述第一透镜的焦点重合。

在一实施例中，所述阵列式光子探测器由二维电荷耦合器件阵列形成。

在一实施例中，所述准直装置包括准直透镜或凹面反射镜，所述色散装置包括分色光栅，所述成像装置包括会聚透镜或凹面反射镜。

如本实用新型的上述至少一个实施例中所述的光谱探测装置，通过矩形截面的光束和柱面透镜的组合来在待测样品上形成狭长光斑。并通过会聚在待测样品上的狭长光斑、位于狭缝处的长条形光斑、狭缝以及阵列式光子探测器的尺寸的匹配来提高光学信号的信噪比。

附图说明

图1示意性地示出根据本实用新型的一实施例的光谱探测装置；

图2示意性地示出根据本实用新型的一实施例的光谱探测装置的狭缝与照射在其上的光斑；

图3示意性地示出经过狭缝的光束经过色散装置之后成像在阵列式光子探测器上的图案的示例；

图4示意性地示出光谱图中的谱线；

图5示意性地示出根据本实用新型的一实施例的光谱探测装置的沿着y方向的局部视图；以及

图6示意性地示出根据本实用新型的一实施例的光谱探测装置中的聚焦透镜和光束收集装置的示例性布置。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号表示相同或相似的部件。下述参照附图对本实用新型实施方式的说明旨在对本实用新型的总体实用新型构思进行解释，而不应当理解为对本实用新型的一种限制。

根据本实用新型的总体构思，提供一种光谱探测装置，包括：激光源，布置用于发射光束；聚焦透镜，布置用于将所述光束会聚至待测样品上；光束收集装置，布置用于收集待测样品被所述光束激发的光束信号以形成收集光束并将该收集光束进行会聚以形成长条形光斑；狭缝，布置用于接收经过光束收集装置会聚的收集光束并将所述收集光束向光路的下游耦合；准直装置，布置用于对来自狭缝的收集光束进行准直；色散装置，布置用于对经过准直装置准直的收集光束进行分色，以形成具有不同波长的多个子光束；成像装置和阵列式光子探测器，所述成像装置布置用于将所述多个子光束分别成像在所述阵列式光子探测器上，所述阵列式光子探测器用于将成像到其上的多个子光束的光信号转换成电信号，所述电信号用于形成光谱图，其中，由激光源发出的光束具有矩形的横截面，所述聚焦透镜是柱面透镜，所述长条形光斑照射到狭缝上，且所述长条形光斑的长度小于狭缝的长度以使长条形光斑在长度方向上能够完全落入狭缝。

另外，在下面的详细描述中,为便于解释,阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或更多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。

图1示意性地示出根据本实用新型的一实施例的光谱探测装置100。该光谱探测装置100可以包括：激光源10，布置用于发射光束20，所述光束20具有矩形的横截面；聚焦透镜30，布置用于将所述光束20会聚至待测样品40上；光束收集装置50，布置用于收集待测样品40被该光束20激发的光束信号以形成收集光束21并将该收集光束21进行会聚以形成长条形光斑25；狭缝60，布置用于接收经过光束收集装置50会聚的收集光束21并将所述收集光束21向光路的下游耦合(如将收集光束21传导向位于光路下游的准直装置70、色散装置71等)；准直装置70，布置用于对来自狭缝60的收集光束21进行准直；色散装置71，布置用于对经过准直装置70准直的收集光束21进行分色，以形成具有不同的波长的多个子光束81、82；成像装置80和阵列式光子探测器90，所述成像装置80布置用于将所述多个子光束81、82分别成像在所述阵列式光子探测器90上，所述阵列式光子探测器90用于将成像到其上的多个子光束81的光信号转换成电信号，所述电信号用于形成光谱图，其中，所述长条形光斑25照射到狭缝60上，且所述长条形光斑25的长度小于狭缝60的长度以使长条形光斑25在长度方向(图2中示出的y方向)上能够完全落入狭缝60。所述聚焦透镜30是柱面透镜。图1中示出的xyz表示直角坐标系的各个轴线。

图2中示出了长条形光斑25和狭缝60的示例。狭缝60是决定最终得到的光谱图的分辨率的重要部件。狭缝60的宽度越小，所得到的光谱图的分辨率就越高。因此，狭缝60通常可以设置成狭长形状以获得比较小的宽度。狭缝60处的通光量也是重要的指标，如果狭缝60处的通光量低，则可能导致在阵列式光子探测器90上获得的光学信号强度低，而导致信噪比较低，从而影响检测精度。最常用的圆形光斑与狭缝60的形状的匹配程度较低，往往会有绝大部分的光能被狭缝60遮挡而损失掉，而长条形光斑25可以与狭缝60的狭长形状进行良好的匹配。长条形光斑25的长度方向可以设置成与狭缝60的长度方向一致(如图2中示出的y方向)。长条形光斑25的长度小于狭缝60的长度，从而使得在长度方向上，狭缝60基本上不遮挡该长条形光斑25。这有助于提升狭缝60处的通光量，而使载有待测样品的光谱信息的更多的光能够穿过狭缝60到达阵列式光子探测器90，从而到达提高信噪比的目的。

为了获得上述长条形光斑25，可以选用具有能够发射具有矩形的横截面的光束的激光源，例如，半导体激光二极管。半导体激光二极管发射的激光束由于快慢轴发散角不同，可以被整形成具有矩形的横截面的平行光束。这种整形可以由本领域的已知的光束整形技术来实现。该具有矩形的横截面的光束经过聚焦透镜30(柱面透镜)会聚之后在待测样品40上形成狭长光斑(或称为线状光斑)。在横穿聚焦透镜30的柱形表面的方向上(图1中示出为x方向)，形成在待测样品40上的光斑的尺度显著变窄。相应地，该狭长光斑经过光束收集装置50在狭缝60所在的平面上形成了长条形光斑25。

作为示例，所述长条形光斑25的宽度小于所述狭缝60的宽度的5倍，例如小于所述狭缝60的宽度的3倍，小于所述狭缝60的宽度的2倍，甚至更小。所述长条形光斑25的宽度越接近狭缝60的宽度，其被狭缝60遮挡的光量也就越小，经由狭缝60的通光比例也就越大。在一示例中，所述长条形光斑25在宽度方向上完全覆盖所述狭缝60。也就是说，狭缝60的宽度小于所述长条形光斑25的宽度，如图2所示。这可以尽可能地利用长条形光斑25的光能来获取尽可能大的分辨率。

在一示例中，色散装置71(例如可以为分色光栅)可以布置成将所述多个子光束81、82在第一方向(如图3中所示的x方向)上分离开，所述阵列式光子探测器90具有多列探测单元91、92，其中每列探测单元91、92沿着与第一方向垂直的第二方向(如图3中所示的y方向)布置。这意味着具有不同的波长的子光束81、82在空间上被分列开，从而阵列式光子探测器90可以独立地接收收集光束中的不同波长成分的光信号。

作为示例，每列探测单元91、92在第二方向上的长度L可以大于或等于狭缝60经由成像装置80在所述阵列式光子探测器90的表面上所成的像61、62的沿着第二方向(如图3中所示的y方向)的高度H。在图3中示出的狭缝60的像61、62分别对应于波长为λ₁和λ₂的子光束81、82。作为示例，可以采用探测单元的二维阵列(即每列探测单元中都包括多个探测单元)，而不是探测单元的一维阵列，可以显著地提高阵列式光子探测器90在第二方向上的尺寸。对于普通的圆形光斑，由于其在狭缝60的长度方向上的尺寸通常较短(如果过长会导致光能损失过大的问题)，可以采用沿着第一方向(在图3中示出的x方向)排列的探测单元的一维阵列。但对于根据本实用新型的实施例的长条形光斑，其可以在狭缝60的长度方向上获得更大的长度以争取更多的光量通过狭缝60，而如果采用探测单元的一维阵列，阵列式光子探测器90在第二方向上的尺寸可能会收到单个探测单元的尺寸的限制。采用探测单元的二维阵列，能够提高与狭缝60和长条形光斑25的匹配程度，有助于更充分地利用长条形光斑所带来的通光量的优势。作为示例，所述阵列式光子探测器90可以由二维电荷耦合器件(CCD)阵列形成。

在一示例中，所述长条形光斑25沿着第二方向的高度和狭缝60沿着第二方向的高度与每列探测单元91、92在第二方向上的长度一致。在这种示例中，可以在成像装置80的放大率为1的情况下对长条形光斑25、狭缝60和阵列式光子探测器90的尺寸进行理想的匹配，以保证光信号完全被探测器捕捉。但是，本实用新型的实施例不限于此，其它的示例也是可以采用的，例如，长条形光斑25沿着第二方向的高度小于或等于狭缝60沿着第二方向的高度且小于或等于每列探测单元91、92在第二方向上的长度。也可以结合成像装置80的放大率来设定长条形光斑25、狭缝60及每列探测单元91、92的上述尺寸以获得期望的匹配。

在一示例中，尤其是在每列探测单元中包括多个探测单元的情况下，光谱图中的每条谱线可以由一列探测单元中的所有探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成。

在一示例中，所述光束收集装置50可以包括第一透镜51、第二透镜52以及滤光片53。该第一透镜51布置用于接收来自所述待测样品的光束。该第二透镜52布置用于将该收集光束会聚至所述狭缝60上。该滤光片53位于所述第一透镜51和第二透镜52之间，布置用于使收集光束中选定波长范围的光通过而滤除其它波长范围的光。作为示例，在对于拉曼光谱进行检测时，滤光片53可以为长通滤光片，用于使波长较长的拉曼散射光通过，而滤除如瑞利散射光等其他干扰光。但是，滤光片53并不是必须的，在一些实施例中，可以不包含滤光片53，例如测量连续光谱(例如荧光光谱)时。

作为示例，聚焦透镜30的焦点可以与第一透镜51的焦点重合。在此情况下，收集光束21中的拉曼光的信号强度大，有利于提高检测精度。

虽然在图2示出的实施例中，狭缝60被示出为矩形狭缝形状，但是这不是必须的，例如狭缝60也可以多个具有不同宽度的狭缝部分，成阶梯状或梯形等形状，以实现多分辨率成像。

在一示例中，光谱图中的每条谱线101、102(如图4所示)可以由一列探测单元91、92中的所有探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成。在这种情况下，可以形成单一的光谱图。

在根据本实用新型的实施例的光谱探测装置100中，准直装置70例如可以包括准直透镜或凹面反射镜，色散装置71例如可以包括分色光栅，成像装置80例如可以包括会聚透镜或凹面反射镜。然而，本实用新型的实施例不限于此，准直装置70、色散装置71和成像装置80也可以采用本领域已知的任何其它形式的准直装置、色散装置和成像装置。

图5示意性地示出根据本实用新型的一实施例的光谱探测装置的沿着y方向的局部视图。从图5中可以清楚地看出色散装置71将光束20分解成具有不同的波长的子光束，例如具有波长λ₁和λ₂的子光束81、82。

根据本实用新型的实施例的光谱探测装置，采用了矩形截面的光束和柱面透镜的组合来在待测样品40上形成狭长光斑。该狭长光斑可以降低焦点处的功率密度而保护待测样品40不被强激光损坏。在一示例中，会聚在待测样品40上的狭长光斑、位于狭缝处的长条形光斑、狭缝以及阵列式光子探测器的尺寸设置成满足对应的匹配关系，能够保证待测样品处的信号光能够最大限度地被探测以提高光的利用率，从而提高光学信号的信噪比及系统的灵敏度。

作为示例，由激光源10发出的光束经过聚焦透镜30(柱透镜)聚焦后形成长度和该光束的矩形截面等高的狭长光斑，阵列式光子探测器高度方向上的尺寸足以保证样品被激发的信号被尽可能多地接收。

虽然图1将激光器10、聚焦透镜30、待测样品40以及光束收集装置50示出在一纸面中示出，但是本领域技术人员应当理解，这种图示仅仅是为了更清楚地表示光路，而不是要将光谱探测装置中的各个光学部件的空间位置限定成沿着一条直线。例如，由聚焦透镜30聚焦的光束20和光束收集装置50所收集的收集光束21之间可以成任意角度(由于待测样品40受到光束20的激发之后散射出的拉曼光是可以向各个方向发射的，而不是普通的反射，因此，不受反射定律的限制)，如图6所示。

在本申请所记载的上述实施例除非存在技术冲突或障碍，均可以相互组合而形成新的实施例。这些新的实施例也在本实用新型的保护范围内。

虽然结合附图对本实用新型进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本实用新型优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本实用新型的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本实用新型的限制。

虽然本实用新型总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体实用新型构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本实用新型的范围以权利要求和它们的等同物限定。