高效散射光聚光组件的制作方法

技术特征：
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接收率和所述散射光二的接收率大于等于特定值，所述特定值至少不小于5％；所述光纤的端点采用垂直切面，所述切面被安置在所述镜头的出光焦点处，以接收出射光；所述镜头设计为圆形同轴复合镜头，包括其中心采用小尺寸凹透镜，使得所述散射光一经过所述凹凸镜折射后，收缩其角度，所述凹透镜之外采用凸透镜，使得所述散射光二经
过所述凸透镜聚焦到所述光纤的端点；调整所述凹透镜和所述凸透镜的设计参数，使得所述散射光被所述光纤收集到的光强度最大；或，所述镜头设计为一个同轴镜头组，至少包括一个凸透镜和一个凹透镜，由凹透镜收缩所述散射光一的角度，由凸透镜汇聚所述散射光二；调整所述复合镜头或镜头组的参数，使得透射后的所述散射光一和散射光二的光腰重合，被所述光纤接收。8.根据权利要求1所述，其特征在于，所述线光路包括：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二次方程函数，沿着与所述二次方程函数的轴线垂直的线段运动而成的包括两个以上焦点构成的三维曲面形状；所述线段包括直线段、折线端、曲线段，所述线段包括封闭和不封闭；以所述检测窗口定位于所述第一焦点，以所述聚焦处定位于所述第二焦点；在所述第一焦点处截除所述三维曲面形状的小半形状，以留下的形状的内壁为所述内反射腔，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；所述发光器的所述光源产生所述激发光，由所述发光器的光学元件将所述激发光调整为与所述线段相同的所述线状光斑，投射到所述检测窗口，以照射所述检测物质，由检测物质受到所述激发光的激发而产生线状发光源的所述散射光；所述线状发光源中的各个点产生的所述散射光以180度半球的朝向所述检测串口内任意角度发射，所述散射光经过所述内反射腔反射和直射以汇聚到所述聚焦处；所述发光器的光学元件包括带通滤光镜，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：所述镜头设计为广角镜头或鱼眼镜头，放置在所述第二焦点，尺寸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；和/或，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。9.根据权利要求7或8所述，其特征在于，包括拉曼光谱工作方式：采用单色光发生器或激光发生器作为所述发光器的光源，产生所述激发光；采用带通滤光镜作为所述发光器的光学元件，过滤所述激发光，使得所述激发光的中心波长为λ1的所述激发光通过，阻止所述中心波长之外的所述激发光通过；采用低通滤光镜或高通滤光镜或带阻滤光镜用于所述接收器，以阻止所述中心波长为λ1的所述激发光，放行波长大于等于λ1的或不等于λ1的散射光；采用基于拉曼散射光谱的光谱仪连接所述导光器，采集拉曼位移光谱，所述导光器和
光谱仪的连接，包括直接连接和光纤连接。10.根据权利要求7或8或9所述，其特征在于，包括差分拉曼光谱工作方式：采用两组单色光发生器或激光发生器作为所述发光器的光源，产生所述激发光；设定所述激发光的波长分别为λ1和λ2的，采用差分算法消除荧光方式的所述散射光，保留所述拉曼方式的所述散射光，其中，所述中心波长λ1和所述中心波长λ2之间的差值小于1％，即；|λ1‑
λ2|/λ1≤0.01；所述差分算法包括积分算法、插值积分算法和卷积算法。11.根据权利要求7或8所述，其特征在于，包括荧光光谱或瑞利光谱的工作方式：所述荧光光谱的工作方式为依据所述荧光光谱的设计要求，所述接收器采用所述荧光光谱的设计要求的滤光镜或不采用滤光镜；所述瑞利光谱的工作方式为，所述接收器采用所述瑞利光谱的设计要求的滤光镜或不采用滤光镜。12.根据权利要求4或9或10所述，其特征在于，还包括：所述可调聚光组件设定为所述点光斑和所述面光斑交互工作，以用于所述拉曼光谱工作方式和所述差分拉曼光谱工作方式的步骤，其中所述点光斑设定为长时间积分以获得高精度拉曼光谱数据，所述面光斑用于短时间积分，以提高检测速度并减轻对于活体的伤害，所获得低精度拉曼光谱数据，再以高精度的拉曼光谱数据校验低精度的拉曼光谱数据。13.根据权利要求1或3或4或5或6或7所述，其特征在于，还包括：所述本体采用硬质材料制作，所述内反射腔采用多次方程函数旋转一周而成的三维曲面形状，所述多次方程函数包括一个中心对称轴，所述旋转是围绕着所述中心对称轴旋转，所述三维曲面形状包括大圆面和小圆面，所述大圆面采用透明材料封装成为检测窗口，所述发光器安装在所述本体上，产生的所述激发光照射到所述检测窗口，所述接收器安装在所述小圆面，并且包括所述固定聚光组件和可调聚光组件；和/或，所述多次方程函数包括一级抛物线函数，所生成的三维曲面形状包括复合抛物面聚光器；和/或，所述多次方程函数包括二级以上的多级抛物线函数，所生成的三维曲面形状包括多级复合抛物面聚光器。

技术总结
提供一种高效散射光聚光罩发明，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。


技术研发人员：丁贤根 丁远彤 汪小丹
受保护的技术使用者：港湾之星健康生物（深圳）有限公司
技术研发日：2021.06.25
技术公布日：2021/11/8