CN106770153B - 一种空间偏移量可调的拉曼光谱系统及拉曼光谱探测方法 - Google Patents

一种空间偏移量可调的拉曼光谱系统及拉曼光谱探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了空间偏移量可调的拉曼光谱系统及拉曼光谱探测方法，系统包括：激光器(1)、二维光栅片(2)、激光扩束装置(3)、光路转换装置(4)、聚焦采集光学系统(5)、耦合光学系统(6)、光纤束(7)、至少一光谱仪(8)。光纤束(7)的输入端设置于耦合光学系统(6)的焦平面处，光纤呈预设光斑图样分布，中心处设置至少一根光纤，外环位置设置多根与中心处的光纤的距离相同并且构成预设光斑图样排列的光纤；光纤束(7)的输出端连接光谱仪(8)。本发明能够在不需要移动采样光纤或增加采样光纤的数量的情况下，方便地实现空间偏移量的可连续调节，可以适应包括圆形光斑的各种形状的不同光斑形状的需求。

Description

一种空间偏移量可调的拉曼光谱系统及拉曼光谱探测方法
技术领域
本发明涉及光谱检测技术领域，尤其涉及一种空间偏移量可调的拉曼光谱系统及拉曼光谱探测方法。
背景技术
传统的拉曼光谱只能探测样品的浅表信息或者只能穿透透明的表层来探测底层。而新型的空间位移拉曼光谱(Spatially Offset Raman Spectroscopy，简称SORS)技术可以深入探测样品若干毫米，以分析不透明样品内部的化学信息。许多分析应用需要很高的化学专属性，以及穿透多层不透明样品或不透明包材的能力，比如无损伤检测骨骼疾病、搜索隐蔽的爆炸物、识别包装内的假药。传统的拉曼光谱是背向散射形式的，易于实现，但是穿透深度很浅(比如几百微米厚的生物组织)。最近，随着空间位移拉曼光谱SORS的诞生，穿透深度大大增加了。
空间位移拉曼光谱SORS是英国人提出的一种专利拉曼技术(参考专利号：参考专利号：US7652763，CN101115987，EP1828753，US7911604，GB2457212，AU2005313145，JP5449712007)，可以透过厚的覆盖层检测到高质量的拉曼光谱信号，可以明确的区分物料和容器的拉曼光谱，实现物料和容器的同时鉴别。
空间位移拉曼光谱可以获得一个适当的漫散射样品逐层的拉曼光谱，且激光功率较低。SORS方法原理是在样品表面离开激光照射点一定位移处收集拉曼信号，位移ΔS越大，所得拉曼信号中更深层样品的贡献越多。荧光的情况也是类似的。
逆向SORS是SORS的一种特殊形式。标准的SORS是以中心点作为激光照射点，该中点为圆心，半径为ΔS的圆环区域为收集区域进行采集的；而逆向SORS则刚好相反，圆环区域为激光照射区，中心点处作为收集区。逆向SORS的优点在于，当对激光照明强度有严格限制，比如为了避免样品过热、或者为了控制在对人体或动物进行活体检查的剂量范围之内，可以使用逆SORS降低单位面积的强度而保持总功率不变，从而获得更高的穿透拉曼信号。
SORS不但具有拉曼光谱的化学专属性，而且能提供样品深层的信息，有着巨大而广泛的应用前景，能广泛应用在非侵入骨骼拉曼光谱、癌症诊断工具的开发、探测漫散射塑料瓶中的假药、邮件安检、探测液态和固态爆炸物等领域。
空间偏移量可以通过改变圆环光斑的半径进行调节。如图1所示的现有技术中圆锥透镜方案中，圆环光斑可以通过圆锥透镜实现，圆环的半径(对应空间偏移量)可以通过后续的可变扩束比的扩束镜进行连续改变。
现有技术中，单一的光纤束只能设计固定的空间偏移量，而实际应用中，不同的穿透深度所对应的空间偏移量要求并不相同，为了实现对不同偏移量的采样，通常需要相应的移动采样的光纤端口或移动激光光斑的位置进行分时采集，或布置更多的采样光纤以覆盖足够大的偏移量范围，这些手段会导致光纤束设计复杂或大大增加传感器的数量。
发明内容
为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种空间偏移量可调的拉曼光谱系统及拉曼光谱探测方法。
本发明提供了一种空间偏移量可调的拉曼光谱系统，包括：激光器、二维光栅片、激光扩束装置、光路转换装置、聚焦采集光学系统、耦合光学系统、光纤束、至少一光谱仪；
所述激光器用于输出准直平行的激光光束；
所述二维光栅片用于使激光光束透射的光斑衍射图像为预设光斑图样；
所述激光扩束装置用于调节所述激光光束的发散角；
所述光路转换装置用于对所述激光光束进行反射；
所述聚集采集光学系统以垂直于所述光路转换装置反射的激光光束的方式设置于所述光路转换装置的一侧，用于聚集所述光路转换装置反射后的光束并且采集信号光束并准直为平行光束；
所述耦合光学系统以垂直于所述光路转换装置透射的激光光束的方式设置于所述光路转换装置的另一侧，用于将接收到的光束进行汇聚成像并耦合至光纤束的输入端；
所述光纤束的输入端设置于所述耦合光学系统的焦平面处，所述光纤束的输入端的光纤呈所述预设光斑图样分布，中心处设置至少一根光纤，外环位置设置多根与中心处的光纤的距离相同并且构成所述预设光斑图样排列的光纤；所述光纤束的输出端连接所述光谱仪。
上述空间偏移量可调的拉曼光谱系统还具有以下特点：
所述光谱仪为成像光谱仪时，所述光谱仪的个数为1个，所述光纤束具有一个输出端，所述光纤束的输出端的光纤呈所述预设光斑图样分布并且与所述光谱仪的狭缝耦合，所述光纤束的输入端的中心光纤的另一端位于所述光纤束的输出端的一端。
上述空间偏移量可调的拉曼光谱系统还具有以下特点：
所述光谱仪为非成像光谱仪时，所述光谱仪的个数为2个，所述光谱仪包括第一光谱仪和第二光谱仪，所述光纤束为Y型光纤束具有两个输出端，第一输出端的光纤呈所述预设光斑图样分布并且与第一光谱仪的狭缝耦合，第一输出端的光纤的数量为所述光纤束的输入端的外环位置的光纤的数量，第二输出端的光纤呈线状分布并且与所述第二光谱仪的狭缝耦合，第二输出端的光纤的数量为所述光纤束的输入端的中心位置的光纤的数量。
上述空间偏移量可调的拉曼光谱系统还具有以下特点：
所述拉曼光谱仪还包括设置于所述激光器和所述光路转换装置之间的与所述激光器的激光光束垂直的净化滤光片；还包括设置于所述光路转换装置和耦合光学系统之间的陷波滤光片。
上述空间偏移量可调的拉曼光谱系统还具有以下特点：
所述预设光斑图样为圆形图样、线形图样、矩形图样。
使用上述空间偏移量可调的拉曼光谱系统的拉曼光谱探测方法，包括：
将样品放置于聚焦采集光学系统的焦点处；
通过激光器发射准直平行的激光光束；
通过二维光栅片使激光光束透射的光斑图像为第一预设光斑图样；
通过激光扩束装置调节所述激光光束的扩束比；
通过光路转换装置将接收到的激光光束反射到聚焦采集光学系统，所述聚焦采集光学系统将所述光路转换装置反射的激光光束聚集在放置有样品的焦点处，并透射从样品散射回的光束；
所述耦合光学系统将接收到的光束进行汇聚成像并耦合至光纤束的输入端，
通过光谱仪采集光谱信号。
上述拉曼光谱探测方法还具有以下特点：
所述方法还包括：如果当前空间偏移量不符合采集要求，通过调节扩束镜的扩束比调整空间偏移的大小后再次采集。
上述拉曼光谱探测方法还具有以下特点：
所述光谱仪为成像光谱仪时，所述光谱仪的个数为1个，所述光纤束具有一个输出端，所述光纤束的输出端的光纤呈所述预设光斑图样分布并且与所述光谱仪的狭缝耦合，所述光纤束的输入端的中心光纤的另一端位于所述光纤束的输出端的一端。
上述拉曼光谱探测方法还具有以下特点：
所述光谱仪为非成像光谱仪时，所述光谱仪的个数为2个，所述光谱仪包括第一光谱仪和第二光谱仪，所述光纤束为Y型光纤束具有两个输出端，第一输出端的光纤呈所述预设光斑图样分布并且与第一光谱仪的狭缝耦合，第一输出端的光纤的数量为所述光纤束的输入端的外环位置的光纤的数量，第二输出端的光纤呈线状分布并且与所述第二光谱仪的狭缝耦合，第二输出端的光纤的数量为所述光纤束的输入端的中心位置的光纤的数量。
本发明提出一种利用二维光栅片的方法同时产生非SORS照明和SORS照明，通过调节扩束镜进行空间偏移量的连续调节，结合光纤束和光谱仪，实现空间位移拉曼和非空间位移拉曼的同时采集的空间位移拉曼光谱仪；能够在不需要移动采样光纤或增加采样光纤的数量的情况下，方便地实现空间偏移量的可连续调节，而且可以适应包括圆形光斑的各种形状的不同光斑形状的需求。
本发明方案相对于现有技术中的圆锥透镜方案的优点在于：
1、二维光栅片为衍射光学元器件，可采用全息影印方式大规模生产，结构非常简单，成本极低；
2、二维光栅的投射光斑图像可自由设计，而圆锥透镜投射图案固定；
3、能同时实现SORS和非SORS信号的采集。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是实施例一中空间偏移量可调的拉曼光谱系统的结构图；
图2是圆环型光斑图像示意图；
图3是与圆环型光斑图像对应的光纤束输入端的光纤排布图；
图4是线型光斑图像示意图；
图5是与线型光斑图像对应的光纤束输入端的光纤排布图；
图6是实施例二中空间偏移量可调的拉曼光谱系统的结构图；
图7是使用空间偏移量可调的拉曼光谱系统的拉曼光谱探测方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
实施例一
图1是实施例一中空间偏移量可调的拉曼光谱系统的结构图，此拉曼光谱系统包括：激光器1、二维光栅片2、激光扩束装置3、光路转换装置4、聚焦采集光学系统5、耦合光学系统6、光纤束7、至少一光谱仪8。
激光器1用于输出准直平行的激光光束；
二维光栅片2用于使激光光束透射的光斑衍射图像为预设光斑图样；
激光扩束装置3用于调节激光光束的发散角，即调节光斑图样的大小从而可连续调节空间偏移量；
光路转换装置4用于对激光光束进行反射；
聚集采集光学系统5以垂直于光路转换装置4反射的激光光束的方式设置于光路转换装置4的一侧，用于聚集光路转换装置4反射后的光束并且采集信号光束并准直为平行光束；
耦合光学系统6以垂直于光路转换装置4透射的激光光束的方式设置于光路转换装置4的另一侧，用于将接收到的光束进行汇聚成像并耦合至光纤束7的输入端；
光纤束7的输入端设置于耦合光学系统6的焦平面处，光纤束7的输入端的光纤呈预设光斑图样分布，中心处设置至少一根光纤，外环位置设置多根与中心处的光纤的距离相同并且构成预设光斑图样排列的光纤；光纤束5的输出端连接光谱仪8。
光谱仪8为成像光谱仪，光谱仪8的个数为1个。光纤束7具有一个输出端，光纤束7的输出端的光纤呈线状分布并且与光谱仪8的狭缝耦合，光纤束7的输入端的中心光纤的另一端位于光纤束7的输出端的一端。此光纤可以与相邻的光纤紧密排布，为了与其他光纤更好的区分，也可以与相邻的光纤留100-200um的间隔。
本实施例中，激光通过二维光栅片2所投射的光斑图像可根据需求自由设计，典型的光斑图像有圆环光斑和线光斑。聚焦采集光学系统5和耦合光学系统6组成一光学系统，将被测物体处的图像成像在光纤束的输入端,故光纤束输入端处的光纤排布需参考激光通过二维光栅片2所投射的光斑图像设计。
圆环型光斑图像如图2所示，其对应的光纤束输入端的光纤排布如图3所示。图2中，实线部分为实际光斑，虚线部分为光纤输入端在物面处的共轭像，即外环半径为Rs的深色圆环和中心圆点为激光投射光斑，中间按半径R1环形排布的虚线圆点为光纤输入端上按半径R0排布的光纤端面在物面上所成的像所对应的位置，满足R1＝R0*f5/f6,f5为聚焦采集光学系统5的焦距，f6为耦合光学系统6的焦距，中心光纤端面与光斑中心点是共轭位置关系。空间偏移量ΔS＝Rs-R1,通过可连续调节扩束比的扩束镜3可实现对Rs的连续调节，从而实现不同的空间偏移量ΔS的设置。
线型光斑图像如图4所示，其对应的光纤束输入端的光纤排布如图5所示。实线部分为实际光斑，虚线部分为光纤束输入端在物面处的共轭像，空间偏移量ΔS为虚线像位置与实际光条之间的距离，光纤束输出端的光纤排布也呈直线形状。
本实施例中，光谱仪8为成像光谱仪，能将光谱仪的狭缝处的光纤阵列成像在其面阵传感器阵列上，且能在空间维度上分开。该光谱仪能同时分析空间偏移量为零时的拉曼光谱信号，和空间偏移量为ΔS时的SORS拉曼光谱信号，两信号落在其面阵探测器的不同位置。
实施例二
图6是实施例二中空间偏移量可调的拉曼光谱系统的结构图，实施例二中拉曼光谱系统与实施例一的区别是光谱仪8为非成像光谱仪。为了同时采集零偏移信号及SORS信号，需要使用两台非成像光谱仪即光谱仪8的个数为2个，光谱仪8包括第一光谱仪和第二光谱仪，光纤束7为Y型光纤束具有两个输出端，第一输出端的光纤呈预设光斑图样分布并且与第一光谱仪的狭缝耦合，第一输出端的光纤的数量为光纤束7的输入端的外环位置的光纤的数量，第二输出端的光纤呈线状分布并且与第二光谱仪的狭缝耦合，第二输出端的光纤的数量为光纤束7的输入端的中心位置的光纤的数量。
上述实施例中拉曼光谱系统还包括设置于激光器1和光路转换装置4之间的与激光器1的激光光束垂直的净化滤光片，用于净化激光波长成分，滤除杂光干扰；还包括设置于光路转换装置4和耦合光学系统6之间的陷波滤光片，用于阻隔采集的瑞丽散射散射光，用于消除干扰波段的杂散光信号。
预设光斑图样为圆形图样、线形图样、矩形图样。
图7是使用上述空间偏移量可调的拉曼光谱系统的拉曼光谱探测方法，此方法，包括：
步骤701，将样品放置于聚焦采集光学系统5的焦点处；通过激光器1发射准直平行的激光光束；
步骤702，通过二维光栅片2使激光光束透射的光斑图像为第一预设光斑图样；通过激光扩束装置3调节激光光束的扩束比；
步骤703，通过光路转换装置4将接收到的激光光束反射到聚焦采集光学系统5，聚焦采集光学系统5将光路转换装置4反射的激光光束聚集在放置有样品的焦点处，并透射从样品散射回的光束；耦合光学系统6将接收到的光束进行汇聚成像并耦合至光纤束7的输入端；
步骤704，通过光谱仪8采集光谱信号。
此方法还包括：如果当前空间偏移量不符合采集要求，通过调节扩束镜的扩束比调整空间偏移的大小后再次采集。
其中，
光谱仪8为成像光谱仪时，光谱仪8的个数为1个，光纤束7具有一个输出端，光纤束7的输出端的光纤呈预设光斑图样分布并且与光谱仪8的狭缝耦合，光纤束7的输入端的中心光纤的另一端位于光纤束7的输出端的一端。
光谱仪8为非成像光谱仪时，光谱仪8的个数为2个，光谱仪8包括第一光谱仪和第二光谱仪，光纤束7为Y型光纤束具有两个输出端，第一输出端的光纤呈预设光斑图样分布并且与第一光谱仪的狭缝耦合，第一输出端的光纤的数量为光纤束7的输入端的外环位置的光纤的数量，第二输出端的光纤呈线状分布并且与第二光谱仪的狭缝耦合，第二输出端的光纤的数量为光纤束7的输入端的中心位置的光纤的数量。
本发明提出一种利用二维光栅片的方法产生非SORS照明和SORS照明，通过更换二维光栅片可以实现不同形状的投射光斑在空间位移拉曼光谱仪上的应用，通过调节扩束镜进行空间偏移量的连续调节，结合光纤束和光谱仪，实现空间位移拉曼和非空间位移拉曼的同时采集的空间位移拉曼光谱仪；能够在不需要移动采样光纤或增加采样光纤的数量的情况下，方便地实现空间偏移量的可连续调节，而且可以适应包括圆形光斑的各种形状的不同光斑形状的需求。
本发明方案相对于圆锥透镜方案的优点在于：
1、二维光栅片为衍射光学元器件，可采用全息影印方式大规模生产，结构非常简单，成本极低；
2、二维光栅的投射光斑图像可自由设计，而圆锥透镜投射图案固定；
3、能同时实现SORS和非SORS信号的采集。
上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种空间偏移量可调的拉曼光谱系统，其特征在于，包括：激光器(1)、二维光栅片(2)、激光扩束装置(3)、光路转换装置(4)、聚焦采集光学系统(5)、耦合光学系统(6)、光纤束(7)、至少一光谱仪(8)；
所述激光器(1)用于输出准直平行的激光光束；
所述二维光栅片(2)用于使激光光束透射的光斑衍射图像为预设光斑图样；
所述激光扩束装置(3)用于调节所述激光光束的扩束比，从而改变预设光斑图样的大小，实现空间偏移量的调节；
所述光路转换装置(4)用于对所述激光光束进行反射；
所述聚焦采集光学系统(5)以垂直于所述光路转换装置(4)反射的激光光束的方式设置于所述光路转换装置(4)的一侧，用于聚集所述光路转换装置(4)反射后的光束并且采集信号光束并准直为平行光束；
所述耦合光学系统(6)以垂直于所述光路转换装置(4)透射的激光光束的方式设置于所述光路转换装置(4)的另一侧，用于将接收到的光束进行汇聚成像并耦合至光纤束(7)的输入端；
所述光纤束(7)的输入端设置于所述耦合光学系统(6)的焦平面处，所述光纤束(7)的输入端的光纤呈所述预设光斑图样分布，中心处设置至少一根光纤，外环位置设置多根与中心处的光纤的距离相同并且构成所述预设光斑图样排列的光纤；所述光纤束(7)的输出端连接所述光谱仪(8)。
2.如权利要求1所述的空间偏移量可调的拉曼光谱系统，其特征在于，
所述光谱仪(8)为成像光谱仪时，所述光谱仪(8)的个数为1个，所述光纤束(7)具有一个输出端。
3.如权利要求1所述的空间偏移量可调的拉曼光谱系统，其特征在于，
所述光谱仪(8)为非成像光谱仪时，所述光谱仪(8)的个数为2个，所述光谱仪(8)包括第一光谱仪和第二光谱仪，所述光纤束(7)为Y型光纤束具有两个输出端，第一输出端的光纤呈所述预设光斑图样分布并且与第一光谱仪的狭缝耦合，第一输出端的光纤的数量为所述光纤束(7)的输入端的外环位置的光纤的数量，第二输出端的光纤呈线状分布并且与所述第二光谱仪的狭缝耦合，第二输出端的光纤的数量为所述光纤束(7)的输入端的中心位置的光纤的数量。
4.如权利要求1所述的空间偏移量可调的拉曼光谱系统，其特征在于，
所述拉曼光谱仪还包括设置于所述激光器(1)和所述光路转换装置(4)之间的与所述激光器(1)的激光光束垂直的净化滤光片；还包括设置于所述光路转换装置(4)和耦合光学系统(6)之间的陷波滤光片。
5.使用权利要求1至4中任一权利要求所述的空间偏移量可调的拉曼光谱系统的拉曼光谱探测方法，其特征在于，包括：
将样品放置于聚焦采集光学系统(5)的焦点处；
通过激光器(1)发射准直平行的激光光束；
通过二维光栅片(2)使激光光束透射的光斑图像为第一预设光斑图样；
通过激光扩束装置(3)调节所述激光光束的扩束比，从而改变第一预设光斑图样的大小，实现空间偏移量的调节；
通过光路转换装置(4)将接收到的激光光束反射到聚焦采集光学系统(5)，所述聚焦采集光学系统(5)将所述光路转换装置(4)反射的激光光束聚集在放置有样品的焦点处，并透射从样品散射回的光束；
所述耦合光学系统(6)将接收到的光束进行汇聚成像并耦合至光纤束(7)的输入端，
通过光谱仪(8)采集光谱信号。
6.使用权利要求5所述的拉曼光谱探测方法，其特征在于，
所述方法还包括：如果当前空间偏移量不符合采集要求，通过调节激光扩束装置的扩束比调整空间偏移的大小后再次采集。
7.使用权利要求5所述的拉曼光谱探测方法，其特征在于，
所述光谱仪(8)为成像光谱仪时，所述光谱仪(8)的个数为1个，所述光纤束(7)具有一个输出端。
8.使用权利要求5所述的拉曼光谱探测方法，其特征在于，
所述光谱仪(8)为非成像光谱仪时，所述光谱仪(8)的个数为2个，所述光谱仪(8)包括第一光谱仪和第二光谱仪，所述光纤束(7)为Y型光纤束具有两个输出端，第一输出端的光纤呈所述预设光斑图样分布并且与第一光谱仪的狭缝耦合，第一输出端的光纤的数量为所述光纤束(7)的输入端的外环位置的光纤的数量，第二输出端的光纤呈线状分布并且与所述第二光谱仪的狭缝耦合，第二输出端的光纤的数量为所述光纤束(7)的输入端的中心位置的光纤的数量。
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