CN101925806B - 行扫描拉曼光谱仪 - Google Patents

Abstract

在一种拉曼光谱仪中，激发光作为线聚焦(38)被聚焦在样品(26)上。来自所述线聚焦中的点的光谱在CCD检测器(34)上的行46中发生色散，所述CCD检测器(34)具有二维的像素阵列。线聚焦在相对于样品的方向Y上发生纵向移动。同时并且同步地，电荷在CCD中在平行方向Y’中移动，从而来自样品中给定点的数据继续积累。为了在快速的、低分辨率的扫描期间在X方向上提供均化处理，线聚焦以Z字形方式在样品上在边界线60之间扫过。

Description

行扫描拉曼光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱仪及其方法。其特别地可用于拉曼分光镜中，但是同样可以用于其它形式的分光镜中，例如，使用荧光、窄线的光致发光(narrow-line photoluminescence)或电子致发光(cathodoluminescence)。

背景技术

美国专利No.5,442,438(Batchelder等人)公开了拉曼光谱仪的例子。来自激光源的光被聚焦到样品上的点上。光和样品分子之间的交互作用导致进入光谱的拉曼散射，所述光谱具有相对于激发激光频率发生变化的频率和波数。在过滤出激光频率之后，例如衍射光栅的色射装置(dispersive device)通过二维光检测器阵列对这个散射的拉曼光谱进行色射。不同的分子类型具有不同特性的拉曼光谱，所以可以利用这个效应来分析分子类型。拉曼光谱还可以给出其它信息，例如样品中的局部应力或张力。光电检测器阵列可以采用例如具有像素阵列的电荷耦合器件(CCD)的形式，其中，电荷与接收到的光成比例地积累。

如果希望映射样品的一个区域而不是仅是单个点，则已知的是，将该样品安装到可以在垂直的方向X和Y上移动的台阶上。可替代地，可移动镜体可以在X和Y方向上通过样品的表面使光束发生偏转。因此，样品的光栅扫描可以发生，并且在扫描中的每个点上给出拉曼光谱。

为了减少扫描所花费的时间，已知的是，不是利用点聚焦而是利用线聚焦(line focus)来照亮样品。这能够同时捕获来自线中多个点的光谱。在CCD检测器上，进行配置使得线的图像与光谱色散的方向相垂直地延伸。这能够有效地使用检测器的二维属性来同时捕获多个光谱。

我们同时处于未决状态的国际专利申请WO 2008/090350描述了这样的装置，其中，在线聚焦的轴向方向上对样品进行扫描。同时，CCD中的电荷在相同的方向上朝着CCD的输出寄存器从一个像素移动到另一个像素，并且在扫描进行时继续累积。这个纵向线扫描在横向间隔的位置上重复进行。这能够获得样品的一个区域的光谱图，而不用执行“一步一缝合”(step and stitch)的处理(在一个轴上)，从而有助于避免不连续和光谱误差。

当使用这种装置时，散射光通常使用具有尽可能高放大率的显微镜物镜从样品收集。这使得光收集的效率最大化。如果以较低分辨率快速地映射样品，例如50μm，则数据沿着线聚焦的长度在其被捕获时被平均化，从而获得需要的分辨率。但是，在横向方向上(垂直于线聚焦的方向)，没有发生这种均化处理。纵向的线扫描仅在稀疏的窄条带中重复发生，在这个例子中其相隔50μm。其限制性在于，没有数据在这些条带之间从样品获得。

发明内容

本发明提供一种光谱仪，包括：激发光源，用于在样品上产生聚焦并且从所述样品产生散射光的光谱，所述聚焦和所述样品能够相对移动；检测器，其具有多个设置在二维阵列中的检测器元件；所述样品和所述检测器之间的光径，所述光径设置为使得从所述聚焦散射的光被导向所述阵列中的检测器元件；其中，所述聚焦设置为在第一方向上相对于所述样品发生移动；其中，有关检测器从所述样品26中给定区域接收到的光的数据与所述聚焦相对于所述样品的相对移动相同步地积累，并且其中，所述聚焦还设置为在与所述第一方向相横切的第二方向上相对于所述样品移动，从而使得数据积累的所述给定区域包括在横向方向上相互间隔的点。

数据可以在对应于所述第一方向的方向上在所述检测器内移动，从而来自所述样品的给定区域的所述数据与所述相对移动同步地积累。可选择地，数据可以被读出所述检测器并且随后进行组合，从而来自所述样品的给定区域的所述数据与所述相对移动相同步地积累。

在优选的实施例中，所述样品上的所述聚焦是线聚焦。优选地，所述线聚焦在所述第一方向上延伸。所述线聚焦可以与所述检测器元件的行或列相对齐，从而使得从所述线聚焦的不同部分散射的光被导向所述行或列中各个不同的检测器元件。所述数据可以沿着所述行或列按次序从一个元件通过到下一个元件。

优选地，所述线聚焦在其在所述第二方向上移动时扫过所述样品的区域。在一个优选的实施例中，所述线聚焦相对于所述样品以Z字形方式移动。

优选地，来自线聚焦中任何给定点的光谱在垂直于所述第一方向的方向上通过检测器发生色散。因此，在所述二维阵列的各行或各列中，表示在所述光谱上传播的多个波数的数据被同时获得，而与样品上所述线聚焦的相对移动相同步，沿着各个列或行移动每个波数的数据。

附图说明

现在将参照附图以示例的方式描述本发明的优选实施例，其中：

图1是光谱仪的示意图；

图2是将要由图1的装置进行分析的样品的一个区域的平面图；

图3为表示沿着图1所示装置中的线聚焦的光束强度的变化示意图；

图4A、4B和4C分别表示相对于样品发生移动的线聚焦、CCD检测器内电荷的相应移动以及从线聚焦中的一个点接收到的光谱；

图5表示图1所示的装置的一部分的替代配置；以及

图6是表示本发明优选技术的样品的一个区域的平面图。

具体实施方式

参照图1，光谱仪包括激光器10，其用作激发光的来源。激发光通过光束扩展器12、柱面透镜13、镜体14、16、18以及过滤器20进入显微镜22。显微镜22的物镜24将激光束聚焦到安装在台体或桌体28上的样品26上。台体28具有电动机30，台体28可以通过电动机30在计算机32的控制下在方向X和Y上移动。

激发激光束的照明产生散射光，例如不同频率/波数上的拉曼散射光。它由显微镜的物镜24收集并且被导向二维光检测器阵列34。其通过镜体18、过滤器20、狭缝35(可以共焦点地作用以便控制仪器的深度分辨率)、镜体36、衍射光栅39和聚焦透镜37。

优选的二维光检测器34为CCD检测器。衍射光栅39在X’方向上通过CCD 34的表面对散射光的光谱进行色散。

过滤器20用作两个目的。首先，它反射来自激光器10的激发激光照明，从而将其朝着显微镜22和样品26注入光路径。第二，它拒绝与照明激光束具有相同频率的Rayleigh散射光并且朝着CCD检测器34仅通过感兴趣的拉曼光谱。可以使用具有这种属性的各种不同类型的电介质滤波器，包括例如全息滤波器(其可以与光路径呈小角度入射角放置，如图所示)。如果需要，可以串联提供一个以上这种滤波器，从而提高对于Rayleigh散射光的拒绝能力。

这里所描述的配置的许多特性可以在美国专利No.5,442,438中找到，该美国专利引入本说明书作为进一步细节的参考。

并非仅在某一时刻利用激光束在样品26上照亮一个单个的点，柱面透镜13配置为能够产生线聚焦。然后同时照明样品激发来自样品上多个点的拉曼散射。

如图2所示，典型地，要进行分析的位于样品上的区域37具有比照明线聚焦38的长度更大的尺寸。因此，线聚焦38用于执行区域37的光栅扫描。在实践中，照明光的线聚焦和样品之间的相对移动通过在计算机32的控制下使用电动机30移动台体28得以实现。但是，可选择地，照明光束自身可以使用电动化的扫描镜体横过静态样品的表面进行扫描从而反射光束。同样，这个过程由计算机32进行控制。

在常规的系统中，线聚焦将首先相对于样品在X方向上移动，如箭头41所示，从而对条带40进行扫描。然后，指向Y方向，如箭头42所示，从而针对连续的条带40重复这种扫描。

在引入本说书作为参考的我们同时未决的国际专利申请WO2008/090350中描述的系统中，采用了以下方法。与首先在垂直其长度的X方向上移动照明线不同，它首先在平行于其长度(即纵向方向)的Y方向上连续移动。在Y方向(箭头42)中的每个完整扫描之后，线聚焦步进到X方向(箭头41)上样品上的相邻位置上，而Y方向上的另一个扫描发生。重复这个过程直至已经扫描了将要研究的整个区域37。这都在计算机32的控制下发生。最终不再有条带40将会是理想的。

下面将参照图4A、图4B和图4C对我们共同未决的国际专利申请WO 2008/090350中使用的方法进行进一步的描述。

图4A表示样品26的表面的一部分，为了进行讨论的目的，其上覆盖有CCD 34的假想的像素栅格。如图中所示的栅格仅覆盖将要研究的样品的区域37的一小部分。图4A中还示出了照明激光束的线聚焦38。箭头48表示样品相对于线聚焦38的移动方向，如前所述。

图4B表示CCD检测器34的检测器元件(像素)的相应阵列。对于图4A中线聚焦38中的每个点，拉曼光谱在沿着CCD检测器阵列的行的X’方向上发生色散，例如如箭头46所示。如图4C中所示，这个光谱可能对应于样品26的相应位置上所感兴趣的物质。应当理解，图4A和图4B中所示的像素的大小与图4C相比已经被放大，在实际情况下，在像素的数量上要比这个像素数量多很多倍。

CCD暴露在光中导致电荷在每个检测器元件(像素)中的积累。这个电荷表示数据并且与其暴露期间已经接收到的光量成比例。通常，在暴露之后，通过将电荷从一个检测器元件传递至下一个检测器元件，电荷被依次读出。在每个这些电荷移动步骤中，来自阵列边缘处像素的电荷被读入移位寄存器，电荷可以从该移位寄存器被读出并被传送给电脑。

在图4B中的当前实施例中，电荷在箭头50所示的方向上发生移动，即对应于样品移动的Y方向的Y’方向(图4A中的箭头48)。在某一时刻，它的一行被读入移位寄存器52，它可以被读出到计算机32，如标号54所示。因此，在读出过程的任一时刻，移位寄存器52保持线38上一点上的一个完整光谱的数据。

在计算机32的控制下，箭头50所示的电荷的移位与箭头48所示的Y方向上线38的扫描同时并且同步发生。CCD的曝光在这个扫描期间连续进行，并且当电荷从CCD阵列的一个检测器元件移动到下一个检测器元件时它连续进行积累。由于电荷的移动与样品与线聚焦38的相对移动同步并且在相同的方向上进行，所以来自样品26中给定点的光连续积累作为该点的光谱，如图4C中所示。CCD和台体的这种同步扫描在图2中箭头42所示的Y方向上连续进行，直至线聚焦已经横贯将要分析的区域37的整个长度。然后，线聚焦38步进到箭头41所示的相邻位置，并且发生相同的过程直至已经对整个区域37进行光栅扫描。

已经描述了来自样品26中的一个点的电荷(数据)的积累。但是，在较低分辨率的系统中，电荷可以从样品的小区域积累，如下面参照图6所作的描述。

前面所描述的技术存在几个优点。

将参照图3对第一个优点进行解释。其显示了沿着线聚焦38的长度照亮激光束的强度属性。当然，在理想状态下，它具有“高帽”(top hat)函数，在线38的整个长度上具有均匀的强度。但是，实际上这是不可能的，强度曲线44沿着线从一个位置到另一个位置是变化的。在常规的技术中，结果是沿着线体从不同点同时得到的光谱具有不同的强度。这使得很难进行比较光谱的定量分析，也很难推断出分子组成和有关沿着线的各个被照亮点的其它信息。为了实现合适的“高帽”函数，将需要具有衍射光学元件的点源激光器，这将会是昂贵的。

但是，利用现有的技术，样品26上的给定点由来自线聚焦38的长度中的每个位置的光连续地照明。因此，样品上的每个点受到来自图3中曲线44所示的每个不同强度的照明。效果是能够集合所有这些强度从而使得它们之间的差异没有影响。

第二个优点是在区域37的Y方向上存在照明线38的平滑变换，从而在不同条带40之间察觉不到差别，如所描述的现有技术中的情况。数据被无缝地获得，并且不需要试图在条带40的边缘将数据缝合在一起。

第三个优点是，如果在CCD阵列34的不同检测器元件的反应之间存在任何差异或者在不同像素之间的仪器传递函数之间存在任何变化，则这也会在样品的整个区域上得以集合。所以这在作为结果的输出上没有作用，正如现有技术中一样，并且有助于对结果进行准确的分析。事实上，即使是没有给出信号输出的有缺陷的检测器元件也是可以容忍的。

第四个优点是，与点到点的扫描相比较，扫描线聚焦会导致对样品区域的更快映射。在每个点上仅利用短的曝光时间对大的样品区域进行映射的情况下，可以看出，本发明的方法甚至比之前已知的线聚焦扫描的方法更快。

将会注意到，图4B中电荷移动的方向50垂直于美国专利No.5,442,438的图8描述的现有技术的同步扫描方法。在该在先方法中，电荷在光谱色散的方向上移动，对应于本申请的图4B中的X’方向。因此，本发明与之前专利相比获得不同的效果。

计算机32被编程以便与电动机30相同步地控制电荷的移动。它还控制从移位寄存器52的读出54以及作为结果的数据收集。如果希望通过在静态样品上扫描光束来实现线聚焦38和样品之间的相对移动，则计算机32可以对镜体的扫描进行控制，而对镜体的扫描会导致对照亮光束的扫描以及从样品收集散射光。

如果希望具有如前面实施例中所描述的同步扫描的功能以及美国专利No.5,442,438中描述的光谱尺寸中的同步扫描的功能，则存在几种可能性。

优选地，我们使用在我们的共同未决的国际专利申请PCT/GB2008/001582(该专利引入本说明书作为参考，其主张英国专利申请No.0708582.2的优先权)中所描述的技术。

另外一种这种可能性是利用CCD检测器阵列，其能够在X′和Y′两个方向上将电荷移动到阵列的垂直边缘上的各个移位寄存器。然后电荷可以如前所述在Y′方向上移动，或者如果希望执行根据在先专利的方法而在X′方向上移动。

可选择地，如图1所示，CCD检测器34可以安装在可选择的可旋转固定件56上。它可以在能够执行前面所述方法的位置和可以执行在先专利的方法的正交位置之间旋转90度。为了确保这两个正交位置中每个位置处的检测器的可重复性的重新定位，可旋转固定件可以在两个位置中的每个位置处包括动态支架。如果需要，可旋转固定件56可以由电动机驱动并且能够在计算机32的控制下运动，从而将扫描模式从一个位置改变到另一个位置。

可选择地，如图5所示，可以使用两个CCD检测器34。一个用于执行前面所描述的技术，而另一个则执行之前专利的技术。光可以由可移动镜体58从一个检测器切换至另一个检测器，可移动镜体58可以移入或移出光束路径。同样，如果需要，它也可以由电动机驱动并且可以在计算机32的控制下工作。在一个CCD检测器和另一个CCD检测器之间进行切换的其它方法也是可能的，例如将它们并肩安装在线性滑板上从而希望的一个CCD检测器可以被置于光束路径上。

现在将参照图6对本发明的优选技术进行描述。其与前面所述的技术以及我们共同未决的国际专利申请WO 2008/090350中描述的技术相类似，除了以下方面。旨在与前面技术相比以较低的分辨率R在X方向上从样品收集数据，例如50μm。

图6示出了平行于线聚焦38并且相隔离横向分辨率R(50μm)的两条纵向扫描边界线60。计算机32被编程为同时移动台体28的X，Y电动机30，从而样品与线聚焦38之间的相对移动在两条边界线之间以Z字形前进，如图6所示。因此，在利用台体的Y电动机将样品移动线聚焦38的长度的同时，台体的X电动机从中央位置横向移动R/2的距离至一个边界线60，调转方向并且移动R的距离直至另一条边缘线，然后移回至中央位置。这确保了边界线60之间的整个区域被线聚焦38扫过。

这个Z字形移动在将要扫描的区域37的Y方向中的整个长度上(图2中的箭头42)在边界线60之间重复。然后台体在X方向上步进距离R(图2中的箭头41)，并且重复Z字形移动。在这种方式中，整个区域37被扫描覆盖。

如前所述，来自线38的各个点的光谱通过CCD 34在X’方向上发生色散。积累在CCD 34中的表示这些光谱的电荷与台体28的Y移动同时并同步地在Y’方向上移动，并且通过输出移位寄存器52被读出到计算机32。

由于线聚焦相对于样品的横向Z字形移动，每个被收集光谱的数据在横向分辨率距离R上得到平均。如果当数据通过寄存器52被读出时没有执行装箱处理(来自相邻像素的电荷的组合处理)，则结果数据将等同于宽斑点(wide spot)(Y方向上一个像素，X方向上n个像素，其中n是距离R中像素的个数)。但是，可以在计算机32的控制下实施装箱操作，从而改变在Y方向上分辨率。然后将来自这些宽斑点的数据添加到一起，从而给出变化纵横比的分辨率，直到成为正方形或超出正方形。

如图6中所示，线聚焦38利用双向通过的方式扫描了样品的每个部分。这有助于保证区域的取样得以平均地进行。在线62之上在第一线长度L上收集的原始数据不是双向的，并认为是预扫描，其被丢弃。

这个技术的优点是，可以获得任何所希望分辨率的表示样品整个区域的数据，而不会略去扫描边界线之间的任何区域。因此，小颗料的物质将影响到平均结果，而如果扫描在对应于分辨率R的稀疏的窄条带中进行，则它将被错过。

除了CCD 34，也可以使用其它检测器，例如二维CMOS光检测器阵列。在这种情况下，在检测器芯片自身内部的电荷的转移是不可能的，所以多个曝光的数据被读出检测器，然后在计算机32中被组合并依次进行操作。计算机被编程为以好像与前面所述的积累在检测器芯片中相同的方式组合数据。也就是说，有关来自样品26中给定区域的光的数据与扫描同步地发生积累，以作为该区域的数据，即使是当扫描进行时从检测器的不同像素收集。如果要实现最好的结果，则建议使用高速检测器芯片，这可能会导致更高层级的读出噪声。

Claims (13)

1.一种光谱仪，包括：

激发光源，用于在样品上产生线聚焦并且从所述样品产生散射光的光谱，所述线聚焦和所述样品能够相对彼此移动；

检测器，其具有多个设置在二维阵列中的检测器元件；

所述样品和所述检测器之间的光径，设置为使得从所述线聚焦散射的光被导向所述阵列中的检测器元件；

其中，所述线聚焦设置为在第一方向上相对于所述样品发生移动；

其中，代表由所述检测器从所述样品中给定区域接收到的光的量的数据与所述线聚焦相对于所述样品的给定区域的相对移动相同步地积累在相应的检测器元件中或从相应的检测器元件积累，

并且其中，所述线聚焦还设置为在与所述第一方向相横向的第二方向上相对于所述样品移动，从而使得数据积累的所述给定区域包括在横向方向上相互间隔的点。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，数据在对应于所述第一方向的方向上在所述检测器内移动，从而来自所述样品的给定区域的所述数据与所述相对移动同步地积累。

3.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，数据被读出所述检测器并且随后进行组合，从而来自所述样品的给定区域的所述数据与所述相对移动相同步地积累。

4.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述线聚焦在所述第一方向上延伸。

5.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述线聚焦与所述检测器元件的行或列相对齐，从而使得从所述线聚焦的不同部分散射的光被导向所述行或列中的各个不同检测器元件。

6.根据权利要求5所述的光谱仪，其中，所述数据沿着所述行或列按次序从一个元件通过到下一个元件。

7.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述线聚焦在所述第二方向上的相对移动期间扫过所述样品的区域。

8.根据权利要求7所述的光谱仪，其中，所述线聚焦双向扫过所述样品的所述区域。

9.根据权利要求7所述的光谱仪，其中，所述线聚焦相对于所述样品以Z字形方式移动。

10.根据权利要求7要求所述的光谱仪，其中，所述线聚焦在平行于所述线聚焦的两个边界线之间扫过所述样品的整个区域，而不会略去所述边界线之间的任何区域。

11.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，来自所述线聚焦的点的光谱在与所述第一方向垂直的方向上通过检测器发生色散。

12.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，来自所述线聚焦中任何给定点的光谱在与所述第一方向垂直的方向上通过检测器发生色散。

13.根据权利要求12所述的光谱仪，其中，在所述二维阵列的各行或各列中，表示通过所述光谱传播的多个波数的数据被同时获得，而与样品上所述线聚焦的相对移动相同步，沿着各个列或行移动每个波数的数据。

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