一种自动对焦系统及拉曼探测系统与方法

技术领域

本发明属于拉曼光谱检测技术领域，具体涉及一种自动对焦系统及拉曼探测系统与方法。

背景技术

拉曼光谱(Raman spectra)作为物体的一种“指纹”散射光谱，具有分析效率高、样品用量少、适用性强的特点，能够反映物质分子结构的情况，并提供物质结构的丰富信息。因此，拉曼光谱仪(Raman spectrometer)广泛应用于科研院所、高等院校、化学实验、安防、公共安全、生物和医学领域，研究物质成分的判定和确认，还可以应用于刑侦及珠宝玉石行业，进行毒品的检测和珠宝玉石的鉴定。拉曼光谱仪上具有拉曼探头，用于发射检测信号。拉曼探头有较多形式，如有光纤输出形式的拉曼探头，有激光空间输出形式的拉曼探头等，但是原理基本一样，拉曼探头的主要工作流程是：激光器出射的激光经二向色镜反射和收集光路的聚焦传输到探测样品上，探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。

但是当样品处于离焦状态时，拉曼探头产生的激发光并不聚焦在样品上时，而是以离散光斑的形式传输在样品上，被激发出的光谱散射信号，经过光学系统之后，也以离散光斑的形式传输在狭缝上，从而拉曼光谱仪无法检测。现有的解决方法是，设计一个可伸缩的探头帽，通过探头帽伸缩来调节与样品的距离，但是，当测量不规则形状样品时，通过探头帽依然无法使焦点聚焦在样品上。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种自动对焦系统及拉曼探测系统与方法。

其一，本发明为了解决上述技术问题提供一种自动对焦系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种自动对焦系统，包括：用于滤波耦合的狭缝、用于聚焦的聚光部件、用于调节聚焦点的调节部件和用于检测是否对焦的相机系统；

所述调节部件的输出端与所述聚光部件连接，所述聚光部件的一端用于接收拉曼光，所述拉曼光经所述聚光部件聚焦到所述狭缝上，再传输到所述相机系统上，通过所述相机系统检测所述狭缝的成像宽度，所述调节部件根据所述成像宽度与所述狭缝(8)的宽度调节所述聚光部件。

本发明的自动对焦系统的有益效果是：本自动对焦系统，对焦方便，对焦精度高，能够适用各种形状的检测样品，不会受到检测样品的形状以及性质的影响，能够准确对焦；另外对焦调节非常方便，通过调节部件即可调整，操作简单，效果直接。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述聚光部件包括聚光镜，所述调节部件的输出端与所述聚光镜连接，通过所述调节部件调节所述聚光镜在光路上移动，调节所述聚光镜的会聚点。

采用上述进一步方案的有益效果是:调节聚光镜非常方便实现对焦，调节简单。

进一步，所述调节部件包括调节器和调节电机，所述调节器的输出端与所述聚光镜连接，所述调节电机的输出端与所述调节器连接，所述调节电机通过所述调节器带动所述聚光镜在光路上移动。

采用上述进一步方案的有益效果是:利于调节聚光镜的会聚点，实现对焦，非常方便。

进一步，所述狭缝与所述相机系统之间还设有用于校直光线的第一反射镜。

采用上述进一步方案的有益效果是:利于成像检测。

进一步，所述相机系统包括成像镜和第一光学传感器，经所述第一反射镜校直的光线传输到所述成像镜，经所述成像镜成像传输到所述第一光学传感器上。

采用上述进一步方案的有益效果是:通过成像镜和第一光学传感器能够方便检测是否对焦，非常高效准确。

其二，本发明为了解决上述技术问题提供一种拉曼探测系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种拉曼探测系统，包括：如上述的自动对焦系统、用于产生激发光的拉曼探头、用于调整检测光方向的光线方向调节部件、用于检测光谱信号的拉曼光谱仪和控制系统；

所述光线方向调节部件、所述相机系统和所述调节部件与所述控制系统电连接，通过所述控制系统控制所述调节部件移动所述聚光部件将光聚焦到所述狭缝上；

所述拉曼探头产生激发光传输到样品上，激发光在样品上反射后形成检测光，检测光穿过所述聚光部件，经所述聚光部件聚焦到所述狭缝上，再传输到所述光线方向调节部件，通过所述控制系统控制所述光线方向调节部件将检测光反射到所述相机系统或所述拉曼光谱仪。

本发明的拉曼探测系统的有益效果是：(1)通过设置的相机系统和光线方向调节部件配合，当需要对焦时，通过光线方向调整器将检测光反射到相机系统进行检测，实现对焦，对焦完成后，再通过光线方向调节部件将检测光反射回到拉曼光谱仪，实现对焦，非常方便；

(2)本拉曼探测系统采用自动对焦系统，不需要人为干预，并且对焦精度高，拉曼收集效率高，由于是自动对焦系统，所有对焦操作均自动完成，不存在人为误操作的可能。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述拉曼探头包括用于产生激光的激光器、直透镜、二向色镜和第一会聚透镜，所述激光器产生的激光穿过所述直透镜形成平行光，平行光传输到所述二向色镜上反射到所述第一会聚透镜，经所述第一会聚透镜会聚传输到样品上，在样品上反射形成检测光。

采用上述进一步方案的有益效果是:利于形成用于检测的激发光，利于对样品检测。

进一步，所述二向色镜与光路成45度角，所述平行光在所述二向色镜上反射，所述检测光穿过所述二向色镜传输到所述聚光部件上。

采用上述进一步方案的有益效果是:利于激光的方向调整，利于形成激发光，同时利于样品反射的检测光穿过。

进一步，所述光线方向调节部件包括第二反射镜和转向电机，所述转向电机的输出端与所述第二反射镜连接，所述转向电机与所述控制系统电连接，通过所述转向电机带动所述第二反射镜转动角度，将检测光反射到所述相机系统或所述拉曼光谱仪。

采用上述进一步方案的有益效果是:非常方便的调节第二反射镜的角度，使得检测光能够在相机系统和拉曼光谱仪之间切换，非常方便。

进一步，所述拉曼光谱仪包括用于色散分光的光栅、第二会聚透镜和用于将光学信号转化成电信号的第二光学传感器，所述光栅朝向所述光线方向调节部件，经所述光栅色散分光的检测光传输到所述第二会聚透镜，经所述第二会聚透镜会聚到所述第二光学传感器上。

采用上述进一步方案的有益效果是:利于对样品进行拉曼光谱检测。

其二，本发明为了解决上述技术问题提供一种自动对焦的拉曼探测方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种采用如上述的拉曼探测系统的拉曼探测方法，包括以下步骤：

S1、启动拉曼探头，拉曼探头产生激发光传输到样品上；

S2、样品反射激发光形成检测光，传输到聚光部件上，经所述聚光部件会聚到狭缝上，通过狭缝滤波耦合后，传输到光线方向调节部件上；

S3、所述光线方向调节部件将检测光反射到相机系统，所述相机系统检测到信号传输到控制系统，所述控制系统对所述相机系统检测经过所述狭缝成像的宽度进行判断，若宽度大于阈值宽度，则样品未在激发光的焦点上，处于离焦状态，反之若宽度等于阈值宽度时，则样品处于对焦状态；

S4、当样品未在激发光的焦点上时，所述控制系统控制调节部件带动聚光部件移动，调节所述聚光部件在狭缝上的会聚点，直至所述相机系统检测到所述狭缝成像的宽度等于阈值宽度时，完成对焦；

S5、当完成对焦后，所述控制系统调节所述光线方向调节部件的角度，将检测光反射到拉曼光谱仪，进行光谱检测。

本发明的方法有益效果是：能够自动实现对焦检测，并进行调整，并不需要人工过多的操作，减小了检测误差，同时提高了检测效率。

附图说明

图1为本发明自动对焦系统的结构示意图；

图2本发明相机系统检测状态的拉曼探测系统的结构示意图；

图3为本发明对焦完成后的拉曼探测系统的结构示意图；

图4为本发明未离焦的拉曼探测系统的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、激光器；2、直透镜；3、二向色镜；4、第一会聚透镜；5、样品；6、滤镜；7、聚光镜；8、狭缝；9、第一反射镜；10、第二反射镜；11、转向电机；12、成像镜；13、第一光学传感器；14、光栅；15、第二光学传感器；16、调节器；17、调节电机；18、控制系统；20、第二会聚透镜，21、拉曼光源输入端。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

如图1所示，图1为对焦系统的结构示意图。

本实施例提供一种自动对焦系统，包括：用于滤波耦合的狭缝8、用于聚焦的聚光部件、用于调节聚焦点的调节部件和用于检测是否对焦的相机系统；

调节部件的输出端与聚光部件连接，聚光部件的一端用于接收拉曼光，拉曼光经聚光部件聚焦到狭缝8上，再传输到相机系统上，通过相机系统检测狭缝8的成像宽度，调节部件根据成像宽度与狭缝(8)的宽度调节聚光部件。。其中，拉曼光源输入端21产生拉曼光传输到聚光部件。

优选地，本实施例中，聚光部件包括聚光镜7，调节部件的输出端与聚光镜7连接，通过调节部件调节聚光镜7在光路上移动，调节聚光镜7的会聚点。

其中，聚光镜7用于将光会聚成一点传输在狭缝8上，通过调节部件带动聚光镜7在光路上移动，改变会聚点，使得光会聚到狭缝8上，实现对焦。通过调节部件来调节聚光镜7非常方便实现对焦，调节简单。

优选地，本实施例中，调节部件包括调节器16和调节电机17，调节器16的输出端与聚光镜7连接，调节电机17的输出端与调节器16连接，调节电机17通过调节器16带动聚光镜7在光路上移动。

其中，调节器16用于与聚光镜7连接，使得调节器16来动聚光镜7移动，其中调节电机17用于带动调节器16在光路上移动，使得聚光镜7靠近或远离狭缝8。其中调节器16和调节电机17均为现有技术。

优选地，本实施例中，狭缝8与相机系统之间还设有第一反射镜9，通过第一反射镜9将穿过狭缝8的光反射成平行光。其中，第一反射镜9可为凹面镜。

优选地，本实施例中，相机系统包括成像镜12和第一光学传感器13，经第一反射镜9校直的光线传输到成像镜12，经成像镜12成像传输到第一光学传感器13上。

其中，通过设置的成像镜12能够将反射过来的平行光形成具有的影像，在通过第一光线传感器检测影像的宽度，从而实现对是否对焦进行检测。

如图2-4所示，图2为相机系统检测状态的拉曼探测系统的结构示意图。图3为对焦完成后的拉曼探测系统的结构示意图。图4为未离焦的拉曼探测系统的结构示意图。

本实施例还提供一种拉曼探测系统，包括：用于产生激发光的拉曼探头，用于调整检测光方向的光线方向调节部件，用于滤波耦合的狭缝8、用于聚焦的聚光部件、用于调节聚焦点的调节部件，用于检测是否对焦的相机系统，用于检测光谱信号的拉曼光谱仪和控制系统18；

调节部件的输入端与聚光部件连接，光线方向调节部件、相机系统和调节部件与控制系统18电连接，通过控制系统18带动聚光部件将光聚焦到狭缝8上；

拉曼探头产生激发光传输到样品5上，激发光在样品5上反射后形成检测光，检测光穿过聚光部件，经聚光部件聚焦到狭缝8上，再传输到光线方向调节部件，通过控制系统18控制光线方向调节部件将检测光反射到相机系统或拉曼光谱仪。

其中，拉曼探头能够产生激发光传输到样品5上，样品5位于拉曼探头的检测光路上。其中聚光部件用于对样品5上反射的检测光进行会聚，使其通过狭缝8过滤耦合。光线方向调节部件用于调整检测光的反射方向，当需要对焦时，通过光线方向调节部件将检测光反射到相机系统，通过相机系统进行对焦，当对焦完成后，通过光线方向调节部件将检测光反射到拉曼光谱仪进行光谱检测分析，使用非常方便。其中调节部件用于调节聚光部件的聚焦点，使得聚光部件的聚焦点在狭缝8上，实现对焦。其中，控制系统18为PLC控制器，能够根据反馈进行实时调节，实现自动对焦，不需要人工过多干涉。其中狭缝8为具有透光缝隙的小块，通过其的透光缝隙实现滤波耦合，检测光需要经聚光部件聚光通过狭缝8，当检测光通过狭缝8后，形成分散光，再传输到光线方向调节部件上，调整光照方向。

现有的拉曼探测对焦问题的解决方法是，设计一个可伸缩的探头帽，当探头帽处于拉伸状态时，此时探头的前焦点位置正好与探头帽端口处平齐，此时用来探测形状规则的固体样品5，固体样品5紧贴探头帽；当探头帽处于收缩状态时，探头焦点处于探头帽端口前端一定距离，此时用来测量形状不规则或者容器装的液体样本，容器紧贴探头帽。

事实上，当固体样品5形状不规则，或者盛装液体样品5的容器壁厚度位置，很难准确通过伸缩探头帽，使激光焦点正好聚焦在样品5上。而且固体样品5和液体样品5需要手动伸缩探头帽，这种手动切换存在问题一是效率低，二是容易误操作，即测样品5时，忘记手动伸缩探头帽，一旦使用测液体的模式来测固体，或者测固体的模式来测液体，将直接导致激光焦点以离焦的形式传输样品5，大大降低探测效率，特别是当样品5的拉曼活性低时，甚至无法获取有效的样品5信号。

而本实施例的技术方案的有益效果是，通过设置的相机系统和光线方向调节部件配合，当需要对焦时，通过光线方向调整器将检测光反射到相机系统进行检测，实现对焦，对焦完成后，再通过光线方向调节部件将检测光反射回到拉曼光谱仪，实现对焦，非常方便。本拉曼探测系统采用自动对焦系统，不需要人为干预，并且对焦精度高，拉曼收集效率高，由于是自动对焦系统，所有对焦操作均自动完成，不存在人为误操作的可能。

优选地，本实施例中，拉曼探头包括用于产生激光的激光器1、直透镜2、二向色镜3和第一会聚透镜4，激光器1产生的激光穿过直透镜2形成平行光，平行光传输到二向色镜3上反射到第一会聚透镜4，经第一会聚透镜4会聚传输到样品5上，在样品5上反射形成检测光。

其中，激光器1用于产生激光，产生的激光首先穿过直透镜2，直透镜2将激光分散成平行光，然后平行光传输到二向色镜3上，经二向色镜3反射到第一会聚透镜4，第一会聚透镜4将平行光会聚成激发光，由于第一会聚透镜4与样品5之间的距离不定，同时由于样品5的形状不规则的问题，会出现第一会聚透镜4会聚的激发光会聚点无法正确在样品5的表面，而是会出现离散光斑的形式传输到样品5表面，而样品5表面发射的光也是离散状态，从而出现离焦状态，因此需要进行对焦。通过设置的激光器1和第一会聚透镜4形成会聚的激发光，用于作用在样品5的表面，对样品5进行检测。其中二向色镜3能够对激光进行反射，对样品5反射的检测光进行穿透，从而便于对检测光进行收集处理。

优选地，本实施例中，二向色镜3与光路成45度角，平行光在二向色镜3上反射，检测光穿过二向色镜3传输到聚光部件上。

其中，二向色镜3与激光的光路成45度角，二向色镜3为现有技术。通过二向色镜3利于激光的方向调整，利于形成激发光，同时利于样品5反射的检测光穿过。

优选地，本实施例中，光线方向调节部件包括第二反射镜10和转向电机11，转向电机11的输出端与第二反射镜10连接，转向电机11与控制系统18电连接，通过转向电机11带动第二反射镜10转动角度，将检测光反射到相机系统或拉曼光谱仪。

其中，第二反射镜10用于直接反射光线，转向电机11的转动能够调整第二反射镜10的角度，转向电机11为现有技术，为步进电机。从而非常方便的调节第二反射镜10的角度，使得检测光能够在相机系统和拉曼光谱仪之间切换，非常方便。

优选地，本实施例中，聚光部件包括聚光镜7，调节部件的输出端与聚光镜7连接，通过调节部件调节聚光镜7在光路上移动，调节聚光镜7的会聚点。

其中，聚光镜7用于将检测光会聚成一点，当激发光以离散光斑传输在样品5上时，聚光镜7会聚的检测光同样会以离散光斑的形式传输在狭缝8上，因此，通过调节部件带动聚光镜7在光路上移动，改变会聚点，使得检测光会聚到狭缝8上，实现对焦。通过调节部件来调节聚光镜7非常方便实现对焦，调节简单。

优选地，本实施例中，聚光部件还包括滤镜6，滤镜6位于二向色镜3和聚光镜7之间，通过滤镜6能够滤除日光、荧光、瑞利散射等干扰信号，滤镜6可为陷波滤光器。

优选地，本实施例中，调节部件包括调节器16和调节电机17，调节器16的输出端与聚光镜7连接，调节电机17的输出端与调节器16连接，调节电机17与控制系统18电连接，调节电机17通过调节器16带动聚光镜7在光路上移动。

其中，调节器16用于与聚光镜7连接，使得调节器16来动聚光镜7移动，其中调节电机17用于带动调节器16在光路上移动，使得聚光镜7靠近或远离狭缝8。其中调节器16和调节电机17均为现有技术。

优选地，本实施例中，狭缝8与光线方向调节部件之间还设有第一反射镜9，通过第一反射镜9将穿过狭缝8的检测光反射成检测平行光，传输到光线方向调节部件上。

其中，其中第一反射镜9位于光路上，通过第一反射镜9将狭缝8发射的检测光反射成检测平行光，使得其能够准确的传输到光线方向调节部件上，便于对光的吸收反射。

优选地，本实施例中，相机系统包括成像镜12和第一光学传感器13，第一光学传感器13的输入端朝向光线方向调节部件，成像镜12位于第一光学传感器13和光线方向调节部件之间并位于光路上。

其中，通过设置的成像镜12能够将经光线方向调节部件反射过来的检测平行光形成具有的影像，在通过第一光线传感器检测影像的宽度，从而实现对是否对焦进行检测。其中第一光线传感器与控制系统18电连接，第一光线传感器检测到的信号输送到控制系统18，经控制系统18判断，当宽度大于阈值宽度时，则判定为离焦状态。通过成像镜12和第一光学传感器13能够方便检测是否对焦，非常高效准确。

优选地，本实施例中，拉曼光谱仪包括用于色散分光的光栅14、第二会聚透镜20和用于将光学信号转化成电信号的第二光学传感器15，光栅14朝向光线方向调节部件，经光栅14色散分光的检测光传输到第二会聚透镜20，经第二会聚透镜20会聚到第二光学传感器15上。

其中，光栅14用于色散分光，即按波长的不同将复色光分开，通过第二反射镜10反射过来的检测平行光，在光栅14的作用下色散分光，然后传输到第二会聚透镜20，通过第二会聚透镜20将光全部会聚成像到第二光学传感器15上，第二光学传感器15将接受到光学信号转化成电信号，以便后续的光谱分析。

本实施例还提供一种采用如上述的拉曼探测系统的拉曼探测方法，包括以下步骤：

S1、启动激光器1，激光器1产生激光，传输到直透镜2上，经直透镜2折射成平行光，传输到二向色镜3上，经二向色镜3反射到第一会聚透镜4，通过第一会聚透镜4会聚成激发光，传输到样品5上。

S2、样品5反射激发光形成检测光，即为拉曼散射信号，检测光重新反射到第一会聚透镜4，经第一会聚透镜4折射成平行状态，传输到二向色镜3，穿过二向色镜3，再穿过滤镜6，过滤掉日光、荧光、瑞利散射等干扰信号，然后传输聚光镜7上，经聚光镜7会聚到狭缝8上，通过狭缝8滤波耦合后，传输到第一反射镜9，通过第一反射镜9矫直成检测平行光后，传输到第二反射镜10上。

S3、通过转向电机11带动第二反射镜10转动，使得检测平行光反射到成像镜12，经成像镜12成像后传输到第一光学传感器13，检测成像的宽度，经成像镜12所成的像即为狭缝8的成像，因此成像的宽度与狭缝8的宽度应一致，第一光学传感器13检测到信号传输到控制系统18中，通过控制系统18进行判断相机系统检测经过狭缝8成像的宽度，若宽度大于阈值宽度，则样品5未在激发光的焦点上，处于离焦状态，反之若宽度等于阈值宽度时，则样品5处于对焦状态，此时不需要调焦。

S4、当样品5未在激发光的焦点上时，控制系统18控制转向电机11，转向电机11带动调节器16，带动聚光镜7在光路上移动，当宽度大于阈值宽度时，调节聚光镜7靠近或远离狭缝8，使得聚光镜7在狭缝8上的会聚点落在狭缝8上，直至相机系统检测到狭缝8成像的宽度等于阈值宽度时，完成对焦。需要说明的，在聚光镜7移动时，检测平行光一直传输在成像镜12上，使得能够同步实时监控狭缝8成像质量。

S5、当完成对焦后，控制系统18调节第二反射镜10的角度，将检测平行光反射到光栅14，经光栅14作用下色散分光，然后传输到第二会聚透镜20，通过第二会聚透镜20将光全部会聚成像到第二光学传感器15上，第二光学传感器15将接受到光学信号转化成电信号，进行光谱检测。

需要说明的，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样品5上，而且由于拉曼光谱仪的光谱分辨率一般较高，在1nm左右，为了达到高分辨率，拉曼光谱仪所用的狭缝8一般不会超过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5上的会聚光斑尺寸与拉曼光谱仪所用的狭缝8尺寸在同等量级即微米量级。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

需要注意的是，本发明中的“包括”意指其除所述成分外，还可以包括其他成分，所述的“包括”，还可以替换为封闭式的“为”或“由……组成”。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。