高效散射光聚光组件制造技术

提供一种高效散射光聚光罩发明专利技术，以提高散射光的检测灵敏度。采用椭球类高次曲线构成的内反射腔，置发光器产生的激发光于第一焦点或焦平面照射检测物质，置接收器或其镜头于第二焦点，散射光经过内反射腔的反射和直射，经过特别设计的镜头的汇聚，由光纤传出远高于传统的透镜方案的散射光聚光强度。发明专利技术的优势在于：1、采用面状激发光光斑，有利于降低对于皮肤或生物组织的伤害；2、设计的聚光罩和镜头能够提高聚光效率最高达2个数量级。3、采用点状光斑实现高精度采集和可调的面状光斑的快速采集相结合和校准，实现采样速度、采样精度和舒适度的统一。发明专利技术不仅可用于人体的拉曼光谱检测，还可用于荧光类散射光、瑞利类反射光的高效检测。高效检测。高效检测。

【技术实现步骤摘要】
高效散射光聚光组件


[0001]本专利技术涉及光学计量领域和激光生物学领域，尤其涉及散射光检测和传感器，尤其是涉及基于拉曼光谱用于活体检测的高效散射光聚光组件，例如用于人体无创伤的非成像激光拉曼光谱检测产品。

技术介绍

[0002]一、散射光检测
技术介绍

[0003]依据专利技术人的研究发现，以往的散射光检测，可归纳为同轴聚焦法、离轴聚焦法、同轴大光斑光纤束法、离轴大光斑光纤束法，它们的特点分别如下：
[0004]1、同轴聚焦法
[0005]激发光的一次光路和散射光产生和采集的二次光路采用同一个光轴。在一次光路中，发光器产生激发光，通过半反半透镜和聚焦透镜聚焦激发光于焦点处的检测物质上；在二次光路中，由焦点处的检测物质受激发光的激发产生散射光，由聚焦透镜按照一个圆锥形汇聚散射光，通过半反半透镜，将收集到的散射光或平直或聚焦到全反射光纤上，传导部分散射光能量，供后续光谱仪分析。
[0006]这种方法对于散射光总能量的采集，有以下两点不利因素：
[0007]1)、半反半透镜将激发光的能量减半，同时又将收集到的散射光的能量减半，从激发光到散射光的全程，能量损失高达75％，收益仅有25％，损失高达4倍。
[0008]2)、设聚光镜到焦点处的距离为R，此处半球的面积为S
R
，聚光镜的有效半径为r，此处圆形的面积为S
r
，散射光的总能量为E
R
，假设散射光为半球状均匀分布，则在聚光镜处，吸收的散射光能量为E
r
为公式(1.1)所示：
[0009][0010][0011]由公式(1.2)可见，这一不利因素散射光能量损失高达倍。
[0012]由此可见，这两个不利因素将给散射光能量的采集带来总体损失高达倍！，假设R＝10mm，r＝1mm，则总体损失估算倍数为K＝800。
[0013]2、离轴聚焦法
[0014]激发光的一次光路和散射光产生和采集的二次光路采用交叉的两个光轴。在一次光路中，发光器产生激发光，通过聚焦透镜聚焦激发光于焦点处的检测物质上；在二次光路中，由焦点处的检测物质受激发光的激发产生散射光，由聚焦透镜按照一个圆锥形汇聚散射光，将收集到的散射光或平直或聚焦到全反射光纤上，传导部分散射光能量，供后续光谱仪分析。交叉点为焦点。
[0015]由此可见，离轴聚焦法与同轴聚焦法的差别之一是光路中没有采用半反半透镜，
因此这一环节没有能量损失。
[0016]由于二次光路的聚焦环境与同轴聚焦法相同，因此，总体的散射光能量损失为倍，假设R＝10mm，r＝1mm，则总体损失估算倍数为K＝200。
[0017]3、同轴大光斑光纤束法
[0018]激发光的一次光路和散射光产生和采集的二次光路采用同一个光轴。在一次光路中，发光器产生激发光，通过透镜汇聚激发光在检测物质上产生一个面积为S0的光斑；在二次光路中，采用光纤束采集散射光，其中光纤束距离光斑为L，假定L＝10mm，光斑在L处的半球面积为S1，如公式(1.3)所示；光纤束总截面积为S2，其中纤芯半径r＝0.05mm，光纤根数为100，全部纤芯总截面积为S3，如公式(1.4)所示，在不考虑光纤全反射临界入射角的情况下，散射光总体能量损失为公式(1.5)：
[0019]S1＝4πL2＝400πmm2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
1.3
[0020]S3＝100
×
2πr2＝0.5πmm2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
1.4
[0021][0022]可见总体散射光能量总体损失估算倍数为800倍。
[0023]4、离轴大光斑光纤束法
[0024]激发光的一次光路和散射光产生和采集的二次光路采用采用交叉的两个光轴。其它方案跟同轴大光斑光纤束法相似，总体散射光能量损失相同，为800倍。
[0025]由此分析可见，现有技术在散射光检测方面，存在200～800倍的能量损失。另一方面，对于基于拉曼光谱检测和荧光光谱检测上，现有技术对于物质含量(例如溶液的浓度)的灵敏度，其上限最多也只有1％。对于一些特别应用，要求的检测灵敏度要达到0.01％，例如对于糖尿病患者的血糖检测，依据国际卫生组织规定，常规安全范围为4～11mmol/L(每升毫摩尔)，折合成血液中的葡萄糖浓度为0.0720％～0.1980％(每100克水中葡萄糖克数的比例)。如果采用激光拉曼光谱检测人体血糖，其灵敏度至少要提高到0.01％，即要将现有的检测灵敏度提高2个数量级，即提高100倍！
[0026]此外，如果方案是采用人体体外无创检测，考虑激发光(通常是采用近红外激光)对于人体皮肤有所伤害，而这个伤害的关键指标是单位面积上激光的照射强度，要求这个单位面积上激光的照射强度越低越好。因此，上述聚焦的方案不适合，应该采用大光斑照射方案，以减轻患者皮肤的伤害。
[0027]5、光纤全反射能量损耗
[0028]基于光纤全反射的光学原理，要求进入光纤端口的光线，其法线入射角必须大于光纤的法线临界角，这对于半球状180
×
360全方向的散射光来说，进入光纤真正起到通信作用的全反射圆锥体来说，圆锥体之外的散射光能量没有通信贡献。因此，需要计算这种情况的损失。以法线临界角
±
32度计算，相对于
±
90度，其理论有效率大约为35％，但是，由于部分散射光的角度实际上与激发光的角度有关，因此，其实际有效率通常大于35％，可按照40％～50％估算。
[0029]为了解决现有技术的这些问题，必须采用大光斑检测，同时需要提高检测灵敏度2个数量级。
[0030]二、光学探头
技术介绍

[0031]专利技术人发现，已经开始有人关注光学探头的设计问题，与本专利技术申请最接近的有以下两个专利申请可作为对比文件，它们是“用于测量拉曼散射的光学探头及其测量方法
‑
CN201611124263.9”、“用于测量拉曼散射的光学探头
‑
CN201621343446.5”。这些申请虽然在技术上有所进步，但是在创造性上，这两个对比文件的特点是：
[0032]1、只是设计了一个光学探头，并没有提出反射腔应该设计成将激发光或散射光汇聚到接收器，同时其
技术实现思路
和实施例中从未提出汇聚散射光能量以提高检测灵敏度问题。
[0033]2、激发光的发射和散射光的接收只是采用同轴方式，没有采用离轴方式，这就造成了接收器镜头无法实现独立设计，从而无法实现聚集散射光的作用。
[0034]3、反射腔只是用于反射激发光到检测物质上，而不是用于反射到接收器上用于增加接收散射光的能量。
[0035]专利技术人还发现，有一些研究报告提出基于复合抛物面聚光器(英文Compound Parabolic Concentrator，英文本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高效散射光聚光组件，包括固定聚光组件或可调聚光组件，其中，所述固定聚光组件包括聚光罩、发光器、接收器；所述聚光罩包括本体、内反射腔、检测窗口，所述发光器和所述接收器固定在所述本体上；所述发光器包括光源和光学元件，产生激发光，照射到所述检测窗口，激发位于所述检测窗口的检测物质产生散射光，所述散射光直射和由所述内反射腔反射到聚焦处；所述接收器用于接收并输出所述散射光，包括置于所述聚焦处的镜头和与所述镜头连接的导光器或置于所述聚焦处的光电传感器；所述可调聚光组件在所述固定聚光组件基础上增加控制器和配套光学元件，由所述控制器调整所述激发光产生点状光斑、面状光斑、线状光斑，以适应点光路、线光路、面光路及组合光路的工作步骤。2.根据权利要求1所述，其特征在于：所述本体采用硬质材料制作，其中设定所述内反射腔为由平面椭圆函数绕长轴旋转而成的椭圆球形，所述长轴包括第一焦点和第二焦点，所述检测窗口定位于过所述第一焦点的所述长轴的垂直面，所述聚焦处定位于过所述第二焦点的所述长轴的垂直面；在所述检测窗口处截除所述椭圆球体的小半椭球，并在截除处封装透明材料成为检测窗口，所述检测物质放置在所述检测窗口外侧；所述内反射腔采用抛光工艺或镀膜工艺产生反射膜以增加光反射能力，其中，所述反射膜包括针对特定波长的所述散射光进行增强反射的设计；所述发光器的光学元件包括滤光镜，以便让特定波长的光线通过，而阻止其它波长的光线通过，所述滤光镜包括带通滤光镜、低通滤光镜、高通滤光镜，所述发光器的光学元件还包括透镜、反射镜、半反半透镜、棱镜、分光镜；所述接收器采用所述镜头和导光器方式，具体包括：所述镜头设计为微型的广角镜头或鱼眼镜头，放置在所述第二焦点，所述微型的尺寸为0.5毫米至50毫米，并且最大不超过所述第二焦点处的所述内反射腔的尺寸，所述导光器采用硬质的全反射光纤，一头与所述镜头连接，收集汇聚后的所述散射光，另外一头引出到所述聚光罩之外，将所述散射光传导出来，供后续光路使用；所述镜头的内部还包括低通滤光镜或高通滤光镜或带阻滤光镜，以便让特定波长的光线通过，而阻止其它波长的光线通过；和/或，所述接收器采用所述光电传感器方式，将所述光电传感器放置在所述第二焦点，以接收所述散射光；所述硬质材料包括金属、塑料和玻璃。3.根据权利要求2所述，其特征在于所述固定聚光组件包括：所述发光器的光源产生所述激发光，经由所述发光器的光学元件将所述激发光调整为固定光斑，投射到所述检测窗口，激发所述检测物质产生所述散射光，以180度半球状朝向所述检测窗口内任意角度发射，经过所述内反射腔反射和直射以汇聚到所述聚焦处；所述固定光斑包括直径小于0.5mm的点状光斑，所述点状光斑为聚焦方式投射到所述第一焦点；或，所述固定光斑包括直径大于等于0.5mm、小于所述检测窗口的直径的所述面状光斑，所
述面状光斑投射到所述检测窗口；或，所述固定光斑包括长度大于等于0.5mm、小于所述检测窗口的尺寸的所述线状光斑，所述线状光斑的线型包括直线和曲线，所述线状光斑投射到所述检测窗口。4.根据权利要求2或3所述，其特征在于所述可调聚光组件包括：所述配套光学元件包括光闸、焦距调节器、光斑形状模板，其中，所述光闸用于在从所述发光器光源开始到所述激发光出口的光路中阻止和通过光线，所述焦距调节器用于调整光斑直径，实现从点状光斑到面状光斑的无极或有级调节，所述光斑形状模板用于改变所述光斑的形状，包括圆形、矩形、多边形，其中点状光斑和圆形光斑无需所述光斑形状模板；所述控制器控制所述光闸、所述焦距调节器、所述光斑形状模板，控制方式包括手动控制和电动控制；所述手动控制为在所述可调聚光套件上设置手动开关和调节器实现控制，所述电动控制为在所述可调聚光套件上设置步进电机或超声波电机或电磁开关实现控制，所述电动控制还包括电信接口和接口通信协议；所述光闸包括采用机械挡板实现光路开关和采用电控液晶实现光路开关；所述控制器的所述电动控制还包括通对所述过接口通信协议的编程，实现所述点状光斑、所述面状光斑和所述现状光斑按照时序进行组合的组合光路的工作步骤。5.根据权利要求3或4所述，其特征在于，包括离轴模式和同轴模式，具体包括：所述离轴模式为所述发光器在所述聚光罩上的安装位置不与所述接收器重合，所述激发光的光轴与所述接收器的光轴不重合在一根轴线；所述同轴模式为所述发光器在所述聚光罩上的安装位置与所述接收器重合，所述激发光的光轴与所述接收器的光轴重合在一根轴线，其中，在所述光路上采用半透半反膜镜分别获取所述激发光和所述散射光。6.根据权利要求2或3或4或5所述，其特征在于，当所述接收器的所述镜头的直径采用与所述聚光罩的第二焦点处的直径相近时，所述聚光罩沿所述第二焦点处截除小半椭球；所述镜头采用广角镜或鱼眼镜，其聚焦角度小于所述导光器的光纤的全反射临界角度，并且所述光纤的接头置于所述镜头的焦点处。7.根据权利要求6所述，其特征在于还包括：散射光一为所述检测物质产生的散射光经过所述内反射腔汇聚到所述第二焦点或第二焦平面的所述散射光，散射光二为所述检测物质产生的散射光经过直接照射到所述第二焦点或第二焦平面的所述散射光，所述接收率为所述散射光一和所述散射光二经过所述镜头后，进入所述导光器的光纤时，所述法线入射角大于等于所述光纤的法线临界角而发生全反射时在各自总的光强度中所占的比例；调整所述镜头参数和/或所述椭圆函数中的长轴和短轴的比例，使得所述散射光一的...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁贤根，丁远彤，汪小丹，
申请(专利权)人：港湾之星健康生物深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：