CN108181237A - 一种空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构主要包括：准直透镜、聚焦透镜、第一拉曼滤光片、分束棱镜、两个楔形棱镜、两个闪耀光栅，第二拉曼滤光片、非球面透镜、成像透镜组，面阵探测器，载物台,扩束器和激光器。样品发出的拉曼光经过准直透镜、聚焦透镜和第一拉曼滤光片后被聚焦到干涉仪两臂的闪耀光栅上，之后再次经过分束棱镜合束获得空间外差拉曼干涉光，最后经过第二拉曼滤光片、非球面透镜和成像透镜组后被面阵探测器接收。本发明采用非球面透镜有效提高了面阵探测器每一帧外差拉曼干涉光的采集速度。本发明实现了被测样品表面各位置的拉曼光谱的快速测量，同时具有分辨率高、光通量大、测量波段范围宽等优点。

Description

一种空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构

技术领域

本发明涉及光谱分析仪器技术领域，特别涉及一种空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构。

背景技术

拉曼光谱技术是一种基于光与物质相互作用而产生的拉曼光散射光来进行无损快速检测的方法。入射激光照射至被测物后，会激发出与入射激光频率不抑制且频率在入射光附近的拉曼散射光。通过对该拉曼散射光进行分析，即可获得被测对象的分子体系相关信息。根据物体的分子结构或状态的区别，分子都有与其对应的特征拉曼光谱。拉曼光谱具有非破坏性、非侵入性、不用进行样品加工等优点，因此拉曼光谱已被广泛应用于化学、生物医学、食品安全、航空航天、环境保护等领域。例如，在生物医学领域，通过探测由于人体疾病所产生的组织、体液或者细胞等分子结构变化导致的拉曼光谱差异，可实现对人体疾病的在体或离体检测。

拉曼光谱仪是利用分析物质散射出来的拉曼光谱而了解被测量物质信息的一种光学检测仪器。拉曼光谱仪主要有：色散型拉曼光谱仪、傅里叶变换拉曼光谱仪和空间外差拉曼光谱仪。色散型的拉曼光谱仪需要非常小的狭缝才能获得较高的分辨率，所以色散型拉曼光谱仪无法获得较高的光通量；傅里叶变换拉曼光谱仪不需要入射狭缝，可以实现高通量特点，但是该种光谱仪需要使用运动部件获得光程差。空间外差拉曼光谱仪结合了色散型拉曼光谱仪和傅立叶变换拉曼光谱仪二者的优点，可同时实现无运动部件、高光通量、高分辨率和宽波段范围。但是在现有拉曼光谱仪技术中，均是采用聚焦的激光光斑照射在样品上，对样品上一个具体位置进行拉曼光谱测量；若需要对整个样品表面进行测量，则需要一个位置点接着一个位置点的进行逐点扫描，该方法的缺点是测量效率较低，不适合样品的全表面快速拉曼测量。

为了克服上述缺点，设计一种新的空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种分辨率高、光通量大、测量波段范围宽的空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构。

本发明实施例中提供一种空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构，其包括：前置成像系统：载物台、扩束器、激光器、准直透镜、聚焦透镜以及第一拉曼滤光片；干涉仪，所述干涉仪位于所述前置成像系统的后方，所述干涉仪包括分束棱镜、两个楔形棱镜、两个闪耀光栅；后置成像系统，所述后置成像系统位于所述干涉仪的下方，所述后置成像系统包括第二拉曼滤光片、非球面透镜、成像透镜组；接收系统，所述接收系统位于所述后置成像系统的下方，所述接收系统包括面阵探测器；所述载物台位于所述准直透镜的焦平面处用放置待检测物品且所述载物台用于沿着空间直角坐标系中的Y轴进行步进运动；沿所述准直透镜出射光线方向放置所述聚焦透镜，所述聚焦透镜用于实现待检测物品上的任一点聚焦到所述闪耀光栅上的唯一一点；沿所述聚焦透镜出射光线方向上放置所述第一拉曼滤光片，沿所述第一拉曼滤光片出射光线方向上放置所述分束棱镜，沿所述分束棱镜两出射光线方向上分别放置两个所述楔形棱镜，沿两个所述楔形棱镜出射光线方向上分别放置两个所述闪耀光栅，沿经所述分束棱镜返回光线方向放置所述第二拉曼滤光片，沿所述第二拉曼滤光片出射光线方向上放置所述非球面透镜，沿所述非球面透镜出射光线方向上放置所述成像透镜组且所述非球面透镜用于待检测物品的外差拉曼干涉光在空间直角坐标系中的Z轴方向上被压缩，最后沿着所述成像透镜组出射光线方向放置所述面阵探测器。

可选地，所述载物台步进运动的次数等于所述面阵探测器在空间直角坐标系中的X轴的像元数。

可选地，所述载物台每一次步进运动的距离等于样品的一次拉曼测量面积在Y轴方向的长度除以所述面探测器在X轴方向上的像元数。

可选地，所述激光器经所述扩束器照射待检测物品，所述激光器照射的光斑直径大于检测物品直径的两倍。

可选地，当移动所述载物台使光谱仪以推扫形式扫描待检测物品时，待检测物品上任意一点经激光照射后反射或透射的光束经过所述准直透镜变成平行光束照射所述聚焦透镜，从所述聚焦透镜出射的光束照射所述第一拉曼滤光片，从所述第一拉曼滤光片出射的拉曼光束照射所述分束棱镜，经所述分束棱镜分成的两束拉曼光分别照射两个所述楔形棱镜，经两个所述楔形棱镜折射后的拉曼光自准直照射到两个所述闪耀光栅上，自准直照射两个所述闪耀光栅的拉曼光原路返回，再次经过两个所述楔形棱镜和所述分束棱镜后获得空间外差拉曼干涉光，空间外差拉曼干涉光照射到所述第二拉曼滤光片，从所述第二拉曼滤光片出射的空间外差拉曼干涉光照射至所述非球面透镜，从所述非球面透镜出射的空间外差拉曼干涉光照射至所述成像透镜组，从所述成像透镜组出射的空间外差拉曼干涉光最后由所述面探测器接收。

可选地，所述准直透镜为消像差非球面透镜。

可选地，所述聚焦透镜为消像差透镜。

可选地，所述非球面透镜为柱面透镜或抛物面透镜。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

1、非球面透镜的作用是对样品外差拉曼干涉光在Z轴方向(即垂直于纸面方向)起到压缩作用，使样品外差拉曼干涉光在Z轴方向占有较少的面阵探测器像元数(比如只占有100个像元数)，从而实现面阵探测器每一帧外差拉曼干涉光的快速采集。

2、利用载物台使所述光谱仪依靠推扫获得两维空间信息和一维光谱信息，对于视场中的每一点，随着载物台沿着Y轴进行步进运动，其相对于干涉仪的视场角将发生变化，当光谱仪扫过一个全视场的运动距离时，将得到每一点的干涉图，对干涉图实施傅里叶变换就得到样品上每一物点的拉曼光谱分布。

3、用扩束器把激光的光斑扩大，可保证激光任意时刻均照射到被测样品的全表面，并采用聚焦透镜实现样品上任一点聚焦到闪耀光栅上的唯一一点，再经过非球面透镜和成像透镜组等光学元件聚焦到面阵探测器上的唯一一点，从而实现样品上任一点与面阵探测器上的唯一一点的一一对应关系，再经过将载物台沿Y轴方向进行不断的步进运动且面阵探测器在载物台每次步进运动停止时进行一次外差拉曼干涉图拍摄和存储，从而获得与具有被测样品表面位置坐标信息的外差拉曼干涉图立方体，通过将被测样品表面每个点对应的外差拉曼干涉图立方体数据进行提取，即可获得被测样品表面每个点的拉曼光谱信息，从而实现被测样品表面各位置的拉曼光谱的快速测量。

附图说明

图1为本发明的空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参看图1，为本发明的空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构，其既可以测量物品的反射拉曼光谱，也可以测量物品的透射拉曼光谱。

请参看图1，为本发明的空间直角坐标系的X轴、Y轴如图1所示，Z轴垂直图1的纸面。

请参看图1，空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构包括：前置成像系统、干涉仪、后置成像系统以及接收系统。所述前置成像系统包括载物台14、扩束器15、激光器16、准直透镜1、聚焦透镜2以及第一拉曼滤光片3。所述干涉仪位于所述前置成像系统的后方，所述干涉仪包括分束棱镜4、两个楔形棱镜5和6、两个闪耀光栅7和8。所述后置成像系统位于所述干涉仪的下方，所述后置成像系统包括第二拉曼滤光片9、非球面透镜10、成像透镜组11。所述接收系统位于所述后置成像系统的下方，所述接收系统包括面探测器12。

其中，所述载物台14位于所述准直透镜1的焦平面处用放置待检测物品且载物台14用于沿着空间直角坐标系中的Y轴进行步进运动。沿准直透镜1出射光线方向放置聚焦透镜2，所述聚焦透镜2用于实现待检测物品上的任一点聚焦到所述闪耀光栅7和8上的唯一一点。准直透镜1的作用是把物品反射的光束变成平行光束，所述聚焦透镜2的作用是把进入系统的平行光束聚焦到所述闪耀光栅7和8上，所述第一拉曼滤光片3的作用是过滤掉进入系统中除拉曼光以外的杂光。

其中，干涉仪：所述分束棱镜4的作用是把进入系统的拉曼光分成两臂光路，再调制两臂光路的光束获得空间外差拉曼干涉光；两个所述楔形棱镜5和6的作用是增大系统的视场；两个所述闪耀光栅7和8的作用是提高系统的分辨率和增大系统的光通量。

其中，后置成像系统：所述第二拉曼滤光片9的作用是对空间外差拉曼干涉光束作进一步的拉曼光过滤；所述非球面透镜10的作用是将经过进一步过滤的空间外差拉曼干涉光束变成平行光束。成像透镜组11的作用是将平行空间外差拉曼干涉光束聚焦到面探测器12阵列上。本发明中的非球面透镜10的作用是对样品外差拉曼干涉光在Z轴方向(即垂直于纸面方向)起到压缩作用，使样品外差拉曼干涉光在Z轴方向占有较少的面阵探测器12像元数(比如只占有100个像元数)，从而实现面阵探测器12每一帧外差拉曼干涉光的快速采集。

其中，接收系统：面探测器12的目的是接收系统获得的光谱信息。

本发明为拉曼光谱分析提供了一种空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构，通过采用闪耀光栅7和8、楔形棱镜5和6组合以及面阵CCD12来接收二维光谱信息，该结构形式很好的保证了高分辨率和高通量的使用要求。

请参照图1，沿所述准直透镜1出射光线方向放置所述聚焦透镜2，沿所述聚焦透镜2出射光线方向放置所述第一拉曼滤光片3，沿所述第一拉曼滤光片3出射光线方向放置所述分束棱镜4，沿所述分束棱镜4两出射光线方向分别放置两个所述楔形棱镜5和6，沿两个所述楔形棱镜5和6出射光线方向分别放置两个所述闪耀光栅7和8，沿经所述分束棱镜4返回光线方向放置所述第二拉曼滤光片9，沿所述第二拉曼滤光片9出射光线方向放置所述非球面透镜10，沿所述非球面透镜10出射光线方向放置所述成像透镜组11且所述非球面透镜10用于待检测物品的外差拉曼干涉光在空间直角坐标系中的Z轴方向上被压缩，沿所述成像透镜组11出射光线方向放置所述面阵探测器12。

请参照图1，所述载物台14位于所述准直透镜1的焦平面处用放置待检测物品，物品反射或透射的光束经所述准直透镜1入射到所述前置成像系统，所述扩束器15位于所述激光器16后方，用于将所述激光器16照射的光斑直径扩大，使得所述激光器16照射的光斑直径大于待检测物品直径的2倍，保证载物台14的过程中样品一直在激光照射的光斑内，样品上每一点经激光照射后反射或透射的光束经过该光谱仪最终会被聚焦在面探测器12阵列对应点上。所述激光器16经所述扩束器15照射待检测物品，使得载物台使所述光谱仪在以推扫形式扫描待检测物品的过程中，待检测物品一直在激光照射的光斑内；当所述光谱仪以推扫形式扫描待检测物品时，待检测物品上任意一点经激光照射后反射或透射的光束经过准直透镜1变成平行光束照射聚焦透镜2，从聚焦透镜2出射的光束照射第一拉曼滤光片3，从第一拉曼滤光片3出射的拉曼光束照射分束棱镜4，经分束棱镜4分成的两束拉曼光分别照射两个楔形棱镜5和6，经两个楔形棱镜5和6折射后的拉曼光自准直照射两个闪耀光栅7和8，自准直照射两个闪耀光栅7和8的拉曼光原路返回，再次经过两个楔形棱镜5和6和分束棱镜4后获得空间外差拉曼干涉光，空间外差拉曼干涉光照射第二拉曼滤光片9，从第二拉曼滤光片9出射的空间外差拉曼干涉光照射非球面透镜10，从非球面透镜10出射的空间外差拉曼干涉光照射成像透镜组11，从成像透镜组11出射的空间外差拉曼干涉光最后由面探测器12接收。

在其中一个实施例中，载物台14步进运动的次数等于面阵探测器12在空间直角坐标系中的X轴的像元数。载物台14每一次步进运动的距离等于样品的一次拉曼测量面积在Y轴方向的长度除以面探测器12在X轴方向上的像元数。

在其中一个实施例中，所述第一准直透镜1为消像差非球面透镜。所述聚焦透镜2为消像差透镜。非球面透镜10为柱面透镜或抛物面透镜。所述第一准直透镜1、所述聚焦透镜2中含有二氧化硅材料以消除系统的色差。本发明中的非球面透镜10的作用是对样品外差拉曼干涉光在Z轴方向(即垂直于纸面方向)起到压缩作用，使样品外差拉曼干涉光在Z轴方向占有较少的面阵探测器像元数(比如只占有100个像元数)，从而实现面阵探测器每一帧外差拉曼干涉光的快速采集。

在具体的一个实施例中，样品可选为人体乳腺癌手术中切割下来的疑似乳腺肿瘤块，选择样品中的其中一个面作为拉曼光谱测量面(尺寸约为2.0cm×2.0cm)，将激光器16发出的光经过扩束镜15扩光束后打在该乳腺肿瘤块的测量面上，乳腺肿瘤的待测面的任一点发出的拉曼光谱经过光学元件1至6后分别聚焦在闪耀光栅7和8的不同位置上(即乳腺肿瘤待测面上的任一点均成像于光栅7和8的不同位置)，再经过光栅7和8衍射以及分束棱镜4合束后，再经过拉曼滤光片9滤除掉激光器波长对应的瑞利散射光，最后经过透镜10和11联合形成的聚焦作用，从而聚焦到面阵探测器12上。聚焦透镜2的焦距选择为150mm，光栅7和8的中心分别位于聚焦透镜2的焦点上。乳腺肿瘤的待测面的任一点发出的拉曼光谱先聚焦于光栅7和8上的唯一一点，最终聚焦于面阵探测器12上的唯一一点，从而实现了乳腺肿瘤的待测面的任一点和面阵探测器12的唯一点的一一对应关系，即乳腺肿瘤的待测面的每一个点最终空间外差成像于面阵探测器12的不同位置。

在实际测量过程中，载物台14运动次数与面阵探测器12的X轴方向的像元数一致。本实例中的面阵探测器12为Andor公司的iKon-M_934BU2产品，所述面探测器12的X轴方向的像元数为1024。因此，所述载物台14的运动次数为1024，所述载物台14每次的步进距离为样品的一次拉曼测量面积在Y轴方向的长度除以面探测器12X轴方向的像元数，即1.5cm除以1024,约为1.46微米。所述载物台14每步进一次，面阵探测器12进行一次拉曼图像采集，所述载物台共步进1024次，因此面阵探测器12共采集1024幅拉曼图像。通过对已采集到的1024幅乳腺肿瘤待测面的拉曼图像，即可获得疑似乳腺肿瘤待测面任一一点的空间外差拉曼曲线，通过傅立叶变换即可获得该点的拉曼光谱信息，从而判断出该疑似乳腺肿瘤待测面是否存在乳腺肿瘤残余，而且可以计算出乳腺肿瘤残余所在的具体位置坐标。若该疑似乳腺肿瘤待测面的某位置存在肿瘤残余，则医生可以对患者乳腺的该位置进行进一步手术。

本实施例的优点是可在很短的时间内实现具有被测样品全表面任一点位置信息的拉曼光谱测量(一次拉曼图像采集时间约为0.2秒，采集1024幅图像并进行拉曼数据分析只需3至5分钟左右)，从而避免了传统拉曼光谱仪需采用逐点二维扫描才能实现被测样品全表面拉曼光谱测量而导致的测量效率低(传统方法的采集效率约为本发明方法的几百分之一甚至几千分之一)等问题，有效节约了被测样品表面各位置的拉曼光谱的测量时间，大大提高了工作效率。

本发明采用扩束的激光光斑可保证任意时刻均照射到被测样品的全表面，并采用聚焦透镜2实现样品上任一点聚焦到闪耀光栅7和8上的唯一一点，再经过非球面透镜10和成像透镜组11等光学元件聚焦到面阵探测器12上的唯一一点，从而实现样品上任一点与面阵探测器12上的唯一一点的一一对应关系，再经过将载物台14沿Y轴方向进行不断的步进运动且面阵探测器12在载物台每次步进运动停止时进行一次外差拉曼干涉图拍摄和存储，从而获得与具有被测样品表面位置坐标信息的外差拉曼干涉图立方体，通过将被测样品表面每个点对应的外差拉曼干涉图立方体数据进行提取，即可获得被测样品表面每个点的拉曼光谱信息，从而实现被测样品表面各位置的拉曼光谱的快速测量。

本发明提出的空间外差拉曼成像光谱仪光路结构是采用空间外差干涉原理，因此同时具有分辨率高、光通量大、测量波段范围宽等优点。

本发明的空间外差拉曼成像光谱仪利用面阵探测器12并依靠推扫获得两维空间信息和一维光谱信息。对于视场中的每一点，随着所述载物台14沿着Y轴进行步进运动，其相对于干涉仪的视场角将发生变化，当所述载物台光谱仪扫过一个全视场的运动距离时，将得到每一点的干涉图，对干涉图实施傅里叶变换就得到样品上每一物点的拉曼光谱分布。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构，其特征在于，包括：

前置成像系统：载物台、扩束器、激光器、准直透镜、聚焦透镜以及第一拉曼滤光片；

干涉仪，所述干涉仪位于所述前置成像系统的后方，所述干涉仪包括分束棱镜、两个楔形棱镜、两个闪耀光栅；

后置成像系统，所述后置成像系统位于所述干涉仪的下方，所述后置成像系统包括第二拉曼滤光片、非球面透镜、成像透镜组；

接收系统，所述接收系统位于所述后置成像系统的下方，所述接收系统包括面阵探测器；

所述载物台位于所述准直透镜的焦平面处用放置待检测物品且所述载物台用于沿着空间直角坐标系中的Y轴进行步进运动；

沿所述准直透镜出射光线方向放置所述聚焦透镜，所述聚焦透镜用于实现待检测物品上的任一点聚焦到所述闪耀光栅上的唯一一点；

沿所述聚焦透镜出射光线方向上放置所述第一拉曼滤光片，沿所述第一拉曼滤光片出射光线方向上放置所述分束棱镜，沿所述分束棱镜两出射光线方向上分别放置两个所述楔形棱镜，沿两个所述楔形棱镜出射光线方向上分别放置两个所述闪耀光栅，沿经所述分束棱镜返回光线方向放置所述第二拉曼滤光片，沿所述第二拉曼滤光片出射光线方向上放置所述非球面透镜，沿所述非球面透镜出射光线方向上放置所述成像透镜组且所述非球面透镜用于待检测物品的外差拉曼干涉光在空间直角坐标系中的Z轴方向上被压缩，最后沿着所述成像透镜组出射光线方向放置所述面阵探测器。

2.如权利要求1所述的空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构，其特征在于：所述载物台步进运动的次数等于所述面阵探测器在空间直角坐标系中的X轴的像元数。

3.如权利要求2所述的空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构，其特征在于：所述载物台每一次步进运动的距离等于样品的一次拉曼测量面积在Y轴方向的长度除以所述面探测器在X轴方向上的像元数。

4.如权利要求3所述的空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构，其特征在于：所述激光器经所述扩束器照射待检测物品，所述激光器照射的光斑直径大于检测物品直径的两倍。

5.如权利要求4所述的空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构，其特征在于：当移动所述载物台使光谱仪以推扫形式扫描待检测物品时，待检测物品上任意一点经激光照射后反射或透射的光束经过所述准直透镜变成平行光束照射所述聚焦透镜，从所述聚焦透镜出射的光束照射所述第一拉曼滤光片，从所述第一拉曼滤光片出射的拉曼光束照射所述分束棱镜，经所述分束棱镜分成的两束拉曼光分别照射两个所述楔形棱镜，经两个所述楔形棱镜折射后的拉曼光自准直照射到两个所述闪耀光栅上，自准直照射两个所述闪耀光栅的拉曼光原路返回，再次经过两个所述楔形棱镜和所述分束棱镜后获得空间外差拉曼干涉光，空间外差拉曼干涉光照射到所述第二拉曼滤光片，从所述第二拉曼滤光片出射的空间外差拉曼干涉光照射至所述非球面透镜，从所述非球面透镜出射的空间外差拉曼干涉光照射至所述成像透镜组，从所述成像透镜组出射的空间外差拉曼干涉光最后由所述面探测器接收。

6.如权利要求1所述的空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构，其特征在于：所述准直透镜为消像差非球面透镜。

7.如权利要求1所述的空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构，其特征在于：所述聚焦透镜为消像差透镜。

8.如权利要求1所述的空间外差拉曼成像光谱仪的光路结构，其特征在于：所述非球面透镜为柱面透镜或抛物面透镜。