CN105765372A - 在光谱仪中移动激光焦点 - Google Patents

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CN105765372A CN201480062277.5A CN201480062277A CN105765372A CN 105765372 A CN105765372 A CN 105765372A CN 201480062277 A CN201480062277 A CN 201480062277A CN 105765372 A CN105765372 A CN 105765372A
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M·布尔卡
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Abstract

在一实施例中，一种设备可包含光源、射束操纵器、光学组件、分析器和检测器。所述光源可以第一频率产生入射光。所述射束操纵器可包含一或多个多面体形状的棱镜，其可使所述入射光偏转以聚焦在样本上的多个点处。所述光学组件可收集所述经偏转入射光，使所述所收集的经偏转入射光聚焦在所述样本上的所述多个点处，且从所述样本收集散射光。所述散射光可包含弹性散射光和/或非弹性散射光。所述非弹性散射光可具有从所述第一频率向上或向下移位的第二频率。所述检测器可检测所述非弹性散射光，且所述分析器可基于所述所检测的非弹性散射光识别所述样本中所含有的物质。

Description

在光谱仪中移动激光焦点
附图说明
附图并入在本说明书中且构成本说明书的一部分，附图说明本文所描述的一或多个实施例并且与描述内容一起阐释这些实施例。图式中：
图1说明具有可用于使光偏转的棱镜的光谱仪的实例实施例以及所述光的标准焦点路径的实例的框图；
图2说明具有可用于使光偏转的棱镜的光谱仪的实例实施例以及所述光的偏移焦点路径的实例的框图；
图3说明由可包含在光谱仪中的棱镜对光进行的实例偏转；以及
图4说明可由光谱仪在样本上产生的图案的实例。
具体实施方式
以下详细描述参考附图。不同图式中的相同参考标号可标识相同或类似的元件。并且，以下详细描述并不限制本发明。
光谱法可用于观察可与样本中可含有的物质相关联的振动、旋转和/或其它低频模式。光谱法可涉及(例如)(1)在样本的一区域上聚焦入射光(例如，激光束)，和(2)观察入射光的散射。入射光的散射可(例如)归因于入射光与可与样本中的一或多个物质相关联的分子振动、声子或其它激励交互而发生。
已进行散射的入射光可被称为散射光。散射光可包含(1)非弹性散射光，其可为已进行非弹性散射(例如，拉曼散射)的入射光；和/或(2)弹性散射光，其可为已进行弹性散射(例如，瑞利散射)的入射光。
非弹性散射光可具有不同于入射光的频率的频率。非弹性散射光的频率可从入射光的频率向上移位(例如，与入射光的频率相比具有较高频率)或从入射光的频率向下移位(例如，与入射光的频率相比具有较低频率)。此频率移位可在入射光与可与一或多个物质相关联的分子振动、声子或其它激励交互时发生。频率移位可用于识别这些物质。拉曼光谱法可涉及观察此频率移位以识别和/或量化所述物质。
拉曼光谱仪可为可采用拉曼光谱法来识别和/或量化样本中的一或多个物质的光谱仪。拉曼光谱仪可包含(例如)光源、透镜、滤波器、分析器和检测器，其可用于识别和/或量化所述物质。所述光源可产生入射光。所产生的入射光可呈激光束的形式。透镜可从由入射光照射的光点收集散射光。所收集的散射光可包含(例如)非弹性散射光和弹性散射光。所收集的散射光可针对滤波器。滤波器可滤出弹性散射激光且使非弹性散射光通过。所通过的非弹性散射光可由分析器分散到检测器上。检测器可检测(例如)与非弹性散射光相关联的一或多个频率。可由拉曼光谱仪基于(例如)非弹性散射光的检测到的频率识别和/或量化样本中的一或多个物质。
拉曼光谱仪可产生与所述经识别和/或量化的物质相关联的信息(例如，数据)。所述信息可包含(例如)(1)可识别物质的识别符，和/或(2)可表示样本中的物质的数量的数量。拉曼光谱仪可包含用于记录(例如，存储)、转移(例如，下载)和/或呈现(例如，绘图)所产生的信息的供应品。
在使用拉曼光谱法识别和/或量化样本的特定物质的过程中，聚焦在样本的特定区域上持续特定时间周期的入射光可导致某些不合需要的结果。举例来说，假定样本的一区域含有爆炸性物质。以激光束的形式在所述区域上聚焦入射光持续一时间周期可致使所述物质归因于(例如)加热效应而爆炸或爆燃，所述加热效应可由于激光束聚焦在样本的所述区域上持续所述时间周期而导致。在某些情形中，物质的爆炸或爆燃可视为不合需要的结果。
一种用以预防可与在样本的特定区域上聚焦入射光持续特定时间周期相关联的不合需要的结果的方式可以是：在样本上移动所述入射光使得入射光不会聚焦在样本的特定区域上持续可导致所述不合需要的结果的时长。举例来说，在以上实例中，可通过将激光束移动到样本的各种区域以防止加热效应致使样本中的物质爆炸或爆燃来预防物质的爆炸或爆燃。激光束可(例如)在已逝去预定时间周期之后或以连续方式移动。所述预定时间周期可小于可致使爆炸或爆燃的时间量。
可实施本文中所描述的一或多种技术的设备可包含光源、射束操纵器和聚焦光学组件。光源可以第一频率产生入射光。射束操纵器可使入射光偏转以聚焦在样本上的多个点处。射束操纵器可包含可使光偏转的一或多个折射光学组件(例如，多面体棱镜)。
聚焦光学组件可收集经偏转的入射光，且使所收集的经偏转入射光聚焦在样本上的所述多个点处。聚焦光学组件还可从样本收集散射光。所收集的散射光可包含(例如)弹性散射光和/或非弹性散射光。所收集的非弹性散射光可具有可从所述第一频率向上或向下移位的第二频率。
所述设备可包含检测器，其可具有用于检测非弹性散射光的电路(例如，电子电路)。可(例如)由所述设备基于所检测的非弹性散射光识别样本中所含有的一或多个物质。
所述设备可包含用于调整棱镜的位置以(例如)预防可能由于将入射光聚焦在样本上的特定点处持续特定时间周期而导致的一或多个不合需要的效应的供应品(例如，马达、驱动机构、控制电路)。所述供应品可在已逝去预定时间周期之后或以连续方式(例如上文描述)调整棱镜的位置。
图1说明具有可用于使光偏转的棱镜的光谱仪100的实例实施例以及所述光的标准焦点路径190的实例的框图。光谱仪100可为(例如)拉曼光谱仪。
参看图1，光谱仪100可包含各种组件，例如检测器105、分析器110、第一光学组件115、滤波器120、光源125、射束操纵器130、第二光学组件140、第三光学组件145和第四光学组件150。应注意，光谱仪100是可实施本文中所描述的一或多种技术的光谱仪的实例实施例。可实施本文中所描述的一或多种技术的光谱仪的其它实施例可包含与图1中说明的组件相比较多的组件或较少的组件。
检测器105可包含可检测非弹性散射光(例如拉曼散射光)的电路。可包含在检测器105中以检测非弹性散射光的电路的实例可包含(但不限于)电荷耦合装置(CCD)、电荷注入装置(CID)和/或近红外(NIR)活性材料装置。
检测器105还可包含用以识别所检测的非弹性散射光的一或多个特性且产生可表示所述一或多个经识别特性的信息(例如，数据)的电路。所识别的特性可包含(例如)所检测的非弹性散射光的频率、波长、波数和/或强度。检测器105还可包含用以基于(例如)所检测的非弹性散射光的所述经识别特性识别正由光谱仪100分析的样本中所含有的一或多个物质的电路。
分析器110可包含(例如)用于将散射光解析成其组成频率的分散机构。分析器110中可包含的分散机构的实例可包含(但不限于)衍射格柵、分散棱镜和/或带通滤波器。分析器110还可包含(例如)准直、反射和聚焦光学器件以将散射光引导到检测器105上。
第一光学组件115可包含透镜，其可从滤波器组件120收集非弹性散射光且将所收集的非弹性散射光引导到分析器110中。所收集的非弹性散射光可分散在(例如)可用于检测非弹性散射光的检测器105中所包含的电路上。
滤波器120可收集由光源125产生的入射光，且沿着路径190朝向射束操纵器130引导所收集的入射光。滤波器120还可从射束操纵器130收集散射光。所收集的散射光可包含弹性散射光和非弹性散射光。滤波器120可阻挡(例如，滤出)弹性散射光且使非弹性散射光通过。可(例如)通过将弹性散射激光沿着路径190反射到光产生器125来阻挡弹性散射激光。非弹性散射光可(例如)沿着路径190朝向第一光学组件115通过。滤波器120可包含(例如)透镜，其可阻挡弹性散射光且使非弹性散射光通过。可用于实施滤波器120的滤波器的实例包含(但不限于)陷波滤波器和边缘滤波器。
光源125可产生针对光谱仪100的入射光。光源125可(例如)包含可产生所述入射光的电路。可(例如)以激光束的形式产生入射光。可以各种波长产生入射光。举例来说，光源125可以532纳米(nm)、633nm和/或785nm的波长产生入射光。应注意，这些波长是可由光源125产生的入射光的波长的实例，且光源125可以其它波长产生入射光。
射束操纵器130可沿着路径190朝向第二光学组件140引导入射光。射束操纵器130可包含(例如)棱镜135a-b，其可用于沿着路径190引导入射光。射束操纵器130可通过定位棱镜135a和/或棱镜135b以使入射光偏转且致使入射光在路径190上朝向第二光学组件140行进来沿着路径190引导入射光。
棱镜135a和/或棱镜135b可为具有可用于折射光的多个平坦表面(有时称为面)的透明物件。棱镜135a和/或棱镜135b的平坦表面中的至少两者可为(例如)非平行的且其间具有一角度。棱镜135a和/或棱镜135b可定形为多面体，所述多面体可具有(例如)平坦表面和/或笔直边缘。棱镜135a和/或棱镜135b可为楔形。举例来说，棱镜135a和/或棱镜135b可为具有两个三角形表面和三个梯形表面的楔形。
射束操纵器130可包含可用于定位棱镜135a和/或棱镜135b的驱动机构。驱动机构可包含(例如)一马达和一或多个组件(例如，齿轮、传送带、轴杆)。马达可用于驱动所述一或多个组件。所述一或多个组件可用于定位棱镜135a和/或棱镜135b。射束操纵器130还可包含可用于控制驱动机构的操作的电路(例如，电子电路)。
棱镜135a-b可包覆在可包含在射束操纵器130中的一或多个壳体中。驱动机构可通过定位所述一或多个壳体来定位棱镜135a和/或棱镜135b。
射束操纵器130还可从第二光学组件140收集散射光。射束操纵器130可经由路径190朝向滤波器120引导所收集的散射光。
第二光学组件140可包含(例如)透镜，其可从射束操纵器130收集入射光且经由路径190朝向第三光学组件145引导所述入射光。第二光学组件140还可从第三光学组件145收集散射光，且经由路径190朝向射束操纵器130引导所收集的散射光。
第三光学组件145可包含(例如)透镜，其可从第二光学组件140收集入射光，且经由路径190朝向第三光学组件145引导所收集的入射光。第三光学组件145还可从第四光学组件150收集散射光，且经由路径190朝向第二光学组件140引导所收集的散射光。
第四光学组件150可包含(例如)透镜，其可从第三光学组件145收集入射光且将所收集的入射光聚焦在样本155上。第四光学组件150还可从样本155收集散射光，且经由路径190朝向第三光学组件145引导所收集的散射光。
操作上，光源125可产生可遵循朝向滤波器120的路径190的入射光。入射光可由滤波器120经由路径190朝向射束操纵器130引导。射束操纵器130可从滤波器120收集入射光，且基于棱镜135a的位置和/或棱镜135b的位置使入射光偏转。具体来说，入射光可穿过棱镜135a和/或棱镜135b，这可基于棱镜135a的位置和/或棱镜135b的位置而使所述光偏转。经偏转的入射光可由射束操纵器130经由路径190朝向第二光学组件140引导。
第二光学组件140可收集经偏转的入射光，且沿着路径190朝向第三光学组件145引导经偏转的入射光。第三光学组件145可从第二光学组件140收集经偏转的入射光，且沿着路径190朝向第四光学组件150引导经偏转的入射光。第四光学组件150可从第三光学组件145收集经偏转的入射光，且将经偏转的入射光聚焦在样本155上的点157a处。
所聚焦的入射光可与样本155上的一或多个物质交互且产生散射光。散射光可包含(例如)弹性散射光和/或非弹性散射光。
第四光学组件150可收集所述散射光，且经由路径190朝向第三光学组件145引导所收集的散射光。第三光学组件145可从第四光学组件150收集散射光，且经由路径190朝向第二光学组件140引导所收集的散射光。第二光学组件可从第三光学组件145收集散射光，且经由路径190朝向射束操纵器130引导所收集的散射光。
射束操纵器130可收集所述散射光，且经由路径190朝向滤波器120引导所收集的散射光。应注意，散射光可穿过棱镜135a-b，其中可基于棱镜135a的位置和/或棱镜135b的位置使散射光偏转。
滤波器120可从射束操纵器130收集散射光，且沿着路径190朝向第一光学组件115引导可包含在所收集的散射光中的非弹性散射光。滤波器组件120还可朝向光产生器125引导可包含在所收集的散射光中的弹性散射激光。第一光学组件115可从滤波器120收集非弹性散射光，且将所收集的非弹性散射光引导到分析器110中。分析器110和检测器105可处理非弹性散射光。处理可包含(例如)基于非弹性散射光检测、识别和/或测量样本155中的物质。
应注意，图1说明用于光谱仪100的光轴192。光轴192可用作用于光谱仪100的参考轴。还应注意，点157a为路径190上的点，其中入射光由光学组件150聚焦在样本155上且路径190在点157a处与光轴192相交。因此，路径190可被称为用于光谱仪100的标准焦点路径。
应注意，射束操纵器130还可用于使由光源125产生的入射光偏转，使得所述入射光可在可从标准焦点路径偏移的路径上行进。此偏移路径可被称为偏移焦点路径。图2说明针对与光谱仪100相关联的光的实例偏移焦点路径290。
参看图2，可调整射束操纵器130以致使由光产生器125产生的光源遵循偏移焦点路径290。具体来说，由光源125产生的入射光可经由路径290行进到射束操纵器130。棱镜135a和/或棱镜135b可经定位(例如，旋转)以使入射光沿着路径290偏转。经偏转光可由第二光学组件140收集且经由路径290导向第三光学组件145。第二光学组件140可收集经偏转光，且经由路径290将所述经偏转光引导到第三光学组件150，第三光学组件150可将光聚焦在样本155上的第二点157b处。应注意，第二点157b从光谱仪100的标准焦点路径190偏移。
如上所述，棱镜135a和/或棱镜135b可使由射束操纵器130收集的入射光沿着特定路径偏转。图3说明此偏转的实例。
参看图3，轴392可提供参考轴。参考轴的实例可为光轴，例如光轴192。光(例如，入射光、散射光)可相对于轴392成角度地θin而在路径390上行进到棱镜135。光可由棱镜135以偏转角δ偏转，且相对于轴392成角度θout而退出棱镜135。
对于由具有折射率n的材料制成且在折射率～1的周围空气中的棱镜135(且具有顶点角度α)，可使用以下公式确定偏转角δ：
δ = θ i n + a r c s i n ( n s i n ( α - a r c s i n ( 1 n s i n ( θ i n ) ) ) ) - α
对于小顶点角度α和小角度θin，可使用小角度近似，且以上偏转公式可简化为(例如)以下公式：
δ≈(n-1)α
射束操纵器130可用于使由光源125产生的入射光偏转以聚焦于样本155上从而在样本155上形成一或多个图案。可(例如)通过定位棱镜135a和/或棱镜135b来产生所述图案。可由射束操纵器130产生的图案的实例为轮盘曲线。可使用射束操纵器130产生的轮盘曲线的实例包含(但不限于)圆外旋轮线、圆内旋轮线和渐伸线。
图4说明可使用射束操纵器130在样本155上产生的图案400的实例。应注意，图4说明可使用射束操纵器130产生的实例图案400，且射束操纵器130可用于产生(例如)与图案400相比较复杂或较简单的图案。
在光谱仪100中，可通过定位棱镜135a和/或棱镜135b以使由光源125产生的入射光偏转从而致使入射光聚焦在样本155上的图案的第一点157处持续第一时间周期，来在样本155上产生图案。然后，棱镜135a和/或棱镜135b可定位成使由光源125产生的入射光偏转以致使入射光聚焦在样本155上的图案的第二点157处持续第二时间周期。然后，棱镜135a和/或棱镜135b可定位成使由光源125产生的入射光偏转以致使入射光聚焦在样本155上的图案的第三点157处持续第三时间周期等等。此技术可继续直至入射光已(例如)照射图案的所有所要点为止。棱镜135a和/或棱镜135b还可保持在运动中以用连续方式照射样本155上的图案的所有所要点。
对于光谱仪100，入射光保持聚焦在样本上的特定点处持续的时间周期可基于各种准则而预先确定。举例来说，可基于预防一或多个不合需要的效应来确定时间周期。此处，(例如)如果不合需要的效应包含物质的爆炸或爆燃，那么所述时间周期可为小于可致使物质的爆炸或爆燃的时间周期的预定时间周期。应注意，其它准则可用于确定所述时间周期。
还应注意，所述时间周期可变化。举例来说，可基于各种条件(例如，入射光的强度、由检测器105检测到的散射光的量)调整所述时间周期。在另一实例中，所述时间周期可点到点变化。举例来说，在以上实例中，第一时间周期、第二时间周期和第三时间周期可全部不同。
实施例的以上描述希望提供说明和描述，但并不希望为详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。有可能根据以上教示内容进行修改和改变，或可以从本发明的实践中获得修改和改变。
除非如此明确描述，否则本文所使用的元件、动作或指令均不应解释为对于本发明是关键或基本的。并且，如本文所使用，冠词“一”希望包含一或多个项目。在仅希望一个项目的情况下，使用术语“一个”或类似语言。此外，除非另外明确陈述，否则短语“基于”希望表示“至少部分地基于”。
希望本发明不限于上文所揭示的特定实施例，而是本发明将包含落在所附权利要求书的范围内的任何和所有特定实施例及等效物。

Claims (20)

1.一种设备，其包括：
光源，用于以第一频率产生入射光；
射束操纵器，具有多面体形状的棱镜，所述棱镜的位置是可调节的以使所述入射光偏转以聚焦在样本上的多个点处；以及
光学组件，用于：
收集所述经偏转的入射光；
将所述所收集的经偏转入射光聚焦在所述样本上的所述多个点处，以及
从所述样本收集散射光。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述散射光包含弹性散射光和非弹性散射光，所述非弹性散射光具有从所述第一频率向上或向下移位的第二频率。
3.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括：
检测器，具有用于以下操作的电路：
检测所述非弹性散射光。
4.根据权利要求3所述的设备，其进一步包括：
分析器，用于：
基于所述所检测的非弹性散射光识别所述样本中所含有的物质。
5.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括：
驱动机构，用于定位所述棱镜。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述驱动机构为传送带驱动、齿轮驱动或轴杆驱动的。
7.根据权利要求5所述的设备，其中所述驱动机构包含马达和由所述马达驱动的组件。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述多面体形状的棱镜为楔形棱镜。
9.一种设备，其包括：
光源，具有用于以第一频率产生入射光的电路；
射束操纵器，具有楔形折射光学组件，所述折射光学组件的位置是可调节的以使所述入射光偏转以聚焦在样本上的多个点处；以及
光学组件，用于：
收集所述经偏转的入射光；
将所述所收集的经偏转入射光聚焦在所述样本上的所述多个点处，以及
从所述样本收集散射光。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述散射光包含弹性散射光和非弹性散射光，所述非弹性散射光具有从所述第一频率向上或向下移位的第二频率。
11.根据权利要求9所述的设备，其进一步包括：
检测器，具有用于以下操作的电路：
检测所述非弹性散射光。
12.根据权利要求9所述的装置，其进一步包括：
驱动机构，用于定位所述楔形折射光学组件。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述驱动机构为传送带驱动、齿轮驱动或轴杆驱动的。
14.根据权利要求12所述的设备，其中所述驱动机构包含马达和由所述马达驱动的组件。
15.根据权利要求14所述的设备，其中由所述马达驱动的所述组件为齿轮、传送带或轴杆。
16.一种设备，其包括：
用于以第一频率产生入射光的装置；
多面体形状的棱镜，用于使所述入射光偏转；以及
用于收集所述经偏转入射光且将所述所收集的经偏转入射光聚焦在样本上的多个点处的装置。
17.根据权利要求16所述的设备，其进一步包括：
用于从所述样本收集散射光的装置。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述散射光包含弹性散射光和非弹性散射光，所述非弹性散射光具有从所述第一频率向上或向下移位的第二频率。
19.根据权利要求16所述的设备，其进一步包括：
用于调整所述棱镜的位置以使所述入射光偏转以聚焦在所述样本上的所述多个点处的装置。
20.根据权利要求16所述的设备，其中所述棱镜为楔形。
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