CN106770154A - 空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测方法与装置，本发明在光谱探测中引入调焦望远技术、差动共焦技术，并利用二向色分光系统，对瑞利散射光和拉曼散射光进行无损分离，利用差动共焦响应曲线过零点与焦点位置精确对应的特性，通过寻找响应过零点来精确控制望远调焦系统自动调整焦点，使激发光束自动聚焦到被测对象，同时获取激光光斑焦点位置的光谱信息，实现空间自动调焦的光谱探测。本发明具有自动调焦、定位准确特点和扩大探测范围及提高光谱探测灵敏度。

Description

空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测方法与装置

技术领域

本发明涉及空间光学成像和光谱测量技术领域，具体涉及一种空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测方法与装置。

背景技术

激光共焦拉曼光谱测试技术是将空间成像技术与拉曼光谱分析技术结合起来的新技术，它将入射激光通过自调焦望远调焦系统聚焦到样品上，从而可以在较远的距离上在不受周围物质干扰的情况下，获得所照样品的物质成分结构和组成等，提供较好的分子“指纹”特征。它不仅可以观测样品同一层面内不同微区的拉曼光谱信号，还能分别观测样品空间深度不同的层面的拉曼信号，对被测样品进行空间扫描，从而在不损伤样品的情况下达到进行图谱探测的效果。激光共焦拉曼光谱测试技术由于其无损光谱层析成像能力及高分辨率，已广泛应用于物理、化学、生物医学、石油化工、环境科学、材料科学、地质、邢侦、考古和珠宝鉴定等领域。

目前现有激光共焦拉曼光谱仪采用了显微系统，限制了系统可探测范围；采用三维移动平台作为样品承载平台，限制了样品尺寸和存在形态；利用弱的拉曼散射光进行定位，降低了系统的定焦灵敏度；；长时间光谱探测过程中，系统容易受环境等因素影响发生漂移，产生离焦，降低系统长期工作的可靠性；系统只可进行光谱探测，模式单一；测量过程中需要遮避光，工作环境受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测方法与装置来克服现有共焦拉曼光谱探测技术探测范围难以提高问题。

本发明的技术方案是：一种空间自调焦差动共焦拉曼光谱探测装置，包括激发光束系统，望远调焦系统，二向色分光系统，第一分光系统，拉曼光谱探测系统，差动共焦探测系统及数据处理模块和计算机控制系统；其中，所述激发光束系统、望远调焦系统沿光路依次置于二向色分光系统的反射方向；所述的第一分光系统置于二向色分光系统的透射方向，拉曼光谱探测系统位于第一分光系统的透射方向，差动共焦探测系统位于第一分光系统的反射方向；所述的数据处理模块与拉曼光谱探测系统和差动共焦探测系统及望远调焦系统连接。

优选的，所述的激发光束系统还包括偏振调制器及光瞳滤波器，用于产生偏振光及空间结构光束，用于提高系统的光学性能。

优选的，用于压缩激发光斑的光瞳滤波器位于偏振控制器与二向色分光系统之间或位于二向色分光系统与望远调焦系统之间。

优选的，激发光束系统和望远调焦系统置于二向色分光系统的透射方向，第一分光系统置于二向色分光系统的反射方向，拉曼光谱探测系统位于第一分光系统的透射方向，差动共焦探测系统位于第一分光系统的反射方向，数据处理模块连接共焦探测系统与拉曼光谱探测系统及望远调焦系统。

优选的，拉曼光谱探测系统是普通拉曼光谱探测系统，包括沿光路依次放置的第五聚光镜，位于第五聚光镜焦点位置的第一光谱仪及位于第一光谱仪后的第二探测器，用于被测样品的表面光谱的探测，或是共焦拉曼光谱探测系统，包括沿光路依次放置的第七聚光镜，位于第七聚光镜焦点位置的第三针孔，位于第三针孔后的第八聚光镜，位于第八聚光镜焦点位置的第二光谱仪及位于第二光谱仪后的第三探测器，用于提高系统信噪比和空间分辨力，完成对被测样品的光谱探测。

优选的，数据处理模块包括用于处理位置信息的差动共焦数据处理模块、用于处理位置信息和光谱信息的数据融合模块和用于控制望远调焦系统调焦的数据控制模块。

一种空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测方法，利用望远调焦系统提高系统的光收集能力；通过二向色分光系统将系统收集到的散射光分离为瑞利散射光和拉曼散射光；所述的瑞利散射光进入差动共焦探测系统进行望远调焦系统焦点位置的调整和激发光的聚焦，所述的拉曼散射光进入拉曼光谱探测系统进行光谱探测；利用差动共焦曲线过零点与焦点位置精确对应这一特性，通过寻找过零点来精确控制激发光束聚焦在样品上，同时获取激发光斑焦点位置的光谱信息，实现大空间范围的自动光谱探测；所述方法包括如下步骤：

1)激发光束系统产生激发光，经过二向色分光系统和望远调焦系统后，照射在被测样品上，并激发出瑞利散射光和载有样品光谱特性的拉曼散射光；

2)通过调焦机构，使差动共焦探测系统的响应到达过零点F，完成激发光束自动聚焦在样品上，同时获得样品的位置信息[α，β，l]；

3)使对应被测样品区域的瑞利散射光及拉曼散射光再次经过望远调焦系统，并被望远调焦系统整形成平行光透射至二向色分光系统，经二向色分光系统对瑞利散射光和拉曼散射光进行分离；

4)部分瑞利散射光被二向色分光系统透射，经第一分光系统反射进入差动共焦探测系统，利用差动共焦探测系统中的第一探测器，差动共焦探测系统中的第四探测器，测得反映样品位置信息的强度响应I[α，β，l]，即可进行望远调焦系统焦点位置O的判定，从而完成望远调焦系统的自动调焦，将激发光束聚焦在样品上；

5)拉曼散射光经二向色分光系统透射，经第一分光系统透射进入拉曼光谱探测系统，利用拉曼光谱探测系统测得载有被测样品特性的拉曼散射信号I(λ)，即可进行光谱测试，其中λ为波长；

6)将I(λ)传送到数据处理模块进行数据处理，从而获得包含被测样品对应区域位置的光谱信息I(λ)，物体位置信息[α，β，l]；

7)对被测样品沿α，β方向扫描，望远调焦系统进行沿l方向扫描调焦，重复上述步骤测得对应物镜焦点位置的一组n个包含位置信息[α，β，l]和I(λ)的序列测量信息[I(λ)，α，β，l]；

8)利用可分辨区域δn对应的位置信息[α，β，l]，找出对应δn区域的光谱信息In(λ)值，再根据与空间坐标[α，β，l]的关系，重构反映被测物微区δn三维结构和光谱特性的信息In(αn，βn，ln，λn)，即实现了微区δmin的光谱探测和三维几何位置探测；

9)对应最小可分辨区域δmin的三维尺度和光谱特性由下式确定：

即实现了大空间范围差动共焦拉曼光谱探测。

优选的，差动共焦曲线过零点位置F对应望远调焦系统焦点位置O，此处聚焦光斑尺寸最小，探测的区域最小，差动共焦曲线其他位置对应望远调焦系统的离焦区域，在焦前或焦后区域内的聚焦光斑尺寸随离焦量增大而增大，利用此特点，通过调整望远调焦系统的调焦机构，精确的将激发光束聚焦在样品上。

优选的，激发光束是偏振光束：线偏振、圆偏振或径向偏振光等，或是由光瞳滤波技术生成的结构光束，其与偏振调制技术联用可以压缩测量聚焦光斑的尺寸，提高系统角向分辨力。

本发明的有益效果是：本发明一种空间自调焦差动共焦拉曼光谱探测方法与装置融合望远技术、调焦技术、差动共焦技术和光谱探测技术，利用望远调焦系统提高系统光收集能力，使系统具有大空间探测范围；利用差动共焦系统对焦点的精确定位，大幅提高光谱探测的空间分辨力；系统融合差动共焦技术、调焦技术，可实现自动聚焦，实现样品的自动聚焦探测；系统同时空间成像、图谱成像及光谱测试三种模式。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示出本发明差动共焦响应曲线；

图2示出本发明空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测方法示意图；

图3示出本发明空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测装置示意图；

图4示出本发明空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测方法与装置实施例1示意图；

图5示出本发明空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测方法与装置实施例2示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

图1示出本发明差动共焦响应曲线，如图1所示，O点为焦点位置，F点为过零点位置。

图2所示为本发明一种空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测方法示意图。如图2所示，激发光束系统600产生激发光，经过二向色分光系统900反射，经望远调焦系统100后，聚焦在被测样品140上，并在样品上激发出瑞利散射光和载有被测样品光谱特性的拉曼散射光，激发出的拉曼散射光和瑞利散射光被系统收集回光路，经过望远调焦系统100和二向色分光系统900透射后，拉曼散射光和部分瑞利散射光经第一分光系统150分光，部分瑞利散射光被反射进入差动共焦探测系统530进行位置探测，拉曼散射光透射进入光谱探测系统220进行光谱探测，根据图1所示的差动共焦响应曲线，数据处理模块340控制望远调焦机构120调焦，使激发光聚焦在样品上，使差动共焦响应曲线过零点，完成激发光束的自动聚焦。

图3所示为本发明空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测装置示意图。如图3所示，本装置包括沿光路依次放置的激发光束系统600，二向色分光系统900，望远调焦系统100，被测样品140，位于二向色分光系统900透射方向的第一分光系统150，位于第一分光系统二150透射方向的光谱探测系统220及反射方向的差动共焦探测系统530，还包括连接光谱探测系统220和差动共焦探测系统530及望远调焦系统100的数据处理模块340和计算机控制系统350。

实施例1

本实施例中二向色分光系统900为光学陷波滤波器，第一分光系统150为具有一定分光比的宽带分光系统，差动共焦分光系统530为等量宽带分光系统。

如图4所示，空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测方法，具体探测方法包括以下步骤：

激光光束系统600中的激光器610产生激发光，经过负透镜620发散扩束，经第一聚光镜630准直成为平行光束。

平行光束经过二向色分光系统900反射，经望远调焦镜110后发散再经过望远集光镜130聚焦在被测样品140上，并在样品上激发出瑞利散射光和载有被测样品光谱特性的拉曼散射光。

激发出的拉曼散射光和瑞利散射光被望远集光镜130收集回光路，经过望远调焦镜110后压缩光束口径，经二向色分光系统900透射，拉曼散射光和部分瑞利散射光第一分光系统150分光。

部分瑞利散射光被反射进入差动共焦探测系统530。其中部分瑞利散射光经差动共焦分光系统490透射和第四聚光镜200会聚，然后经第二针孔190透射，在第一探测器180上形成焦后响应信号；另一部分被差动共焦分光系统490反射，经第九聚光镜480汇聚，然后经过第四针孔470，在第四探测器460上形成焦前响应信号，并被传送到数据处理模块340，然后被处理后传送到计算机控制系统350，计算机控制系统350处理后，形成控制信号并传送给数据处理模块340，数据处理模块340产生调焦控制信号并控制望远调焦机构120进行调焦，同时第一探测器180、第四探测器460的信号也会跟踪变化，形成新的控制循环，这个过程继续下去，直到差动共焦响应曲线出现过零点，调焦机构120完成激发光的聚焦，此时拉曼散射光透射进入光谱探测系统220进行光谱探测。

利用空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测装置，通过差动共焦探测响应曲线使调焦机构120完成激发光的聚焦，此时拉曼散射光透射进入光谱探测系统220进行光谱探测，拉曼散射光被第五聚光镜240会聚进入第一光谱仪250，拉曼散射光经入射狭缝260，平面反射镜270和第一凹面反射聚光镜280反射后到达光谱光栅300，光束经过光谱光栅300衍射后，被第二凹面反射聚光镜290反射聚焦到第二探测器230。由于光栅的衍射作用，拉曼光谱中不同波长的光相互分离，从光谱仪出射出来的即是样品的拉曼光谱。

测量过程中，对被测样品140进行空间扫描时，差动共焦探测系统530，测得反应被测样品140距离变化的强度响应为I(α，β，l)，将所得强度响应I(α，β，l)传送到数据处理模块340进行处理。

拉曼光谱探测系统220中第二探测器230探测到的载有被测样品140光谱信息的拉曼散射光光谱信号为I(λ)，其中λ为波长。

将I(λ)，I(α，β，l)传送到计算机控制系统350进行数据处理，从而获得包含被测样品140位置信息I(α，β，l)和光谱信息I(λ)的三维测量信息I(α，β，l，λ)。

对被测样品140沿α，β向扫描，望远调焦机构120沿l向扫描，重复上述步骤测得对应物镜焦点位置附近的一组n个包含位置信息[α，β，l]和I(λ)的序列测量信息[I(λ)，α，β，l]。

利用可分辨区域δn对应的位置信息[α，β，l]，找出对应δn区域的光谱信息In(λ)值，再根据与空间坐标[α，β，l]的关系，重构反映被测物微区δn三维结构和光谱特性的信息In(αn，βn，ln，λn)，即实现了微区δmin的光谱探测和三维几何位置探测。

对应最小可分辨区域δmin的三维尺度和光谱特性由下式确定：

即实现了空间自调焦激光共焦拉曼光谱探测。

微区图谱成像

I_σmin(α,β,l)＝I_n(α,β,l) 三维形状成像

I_σmin(α,β,l)＝I_n(λ) 光谱测量

从图4中可以看出，通过差动共焦探测系统530响应曲线520的过零点F，可精确捕获激发光斑的焦点位置O，从测量序列数据中，抽取对应焦点位置的激发光谱，即实现了微区的光谱探测和三维几何位置探测。

如图4所示，空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测装置包括位于二向色分光系统900反射方向的激光光束系统600，位于二向色分光系统900透射方向沿光路依次放置的望远调焦镜110，望远集光镜130，被测样品140，位于二向色分光系统900透射方向的第一分光系统150，位于第一分光系统150透射方向的拉曼光谱探测系统220，位于第一分光系统反射方向的差动共焦探测系统530，及与差动共焦探测系统530和拉曼光谱探测系统220及望远调焦机构120的连接处的数据处理模块340和与数据处理模块通过串口连接的计算机控制系统350。

其中，激光光束系统600用于产生激发光束，包括沿光路依次放置的激光器610、负透镜620和第一聚光镜630。

拉曼光谱探测系统包括沿光路依次放置的第五聚光镜240，位于第五聚光镜240焦点位置的第一光谱仪250及位于第一光谱仪250后的第二探测器230，其中，第一光谱仪250包括沿光路依次放置的入射狭缝260，平面反射镜270，第一凹面反射聚光镜280，光谱光栅300和第二凹面反射聚光镜290。

差动共焦探测系统530包括焦后探测系统170、焦前探测系统450和差动共焦分光系统490。

其中焦后探测系统270包括第四聚光镜200、位于第四聚光镜200焦平面后的第二针孔190和位于第二针孔190后的第一探测器180。

焦前探测系统450包括第九聚光镜480、位于第九聚光镜480焦平面前的第四针孔470和位于第四针孔470后的第四探测器460。

数据处理模块340及计算机控制系统350，用于融合处理采集到的数据并产生控制信号。

实施例2

图5示出本发明空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测方法与装置实施例2示意图。本实施例相比较于实施例1的不同之处在于：如图5所示，激发光束系统600置于二向色分光系统900的透射方向，望远调焦系统100置于二向色分光系统900的透射方向，第一分光系统150置于在二向色分光系统900的反射方向。

激光光束系统600中的激光器610产生激发光，经过负透镜620发散扩束，经第一聚光镜630准直成为平行光束，经二向色分光系统900反射，经望远调焦镜110后发散，经望远集光镜130聚焦在被测样品140上，并在样品上激发出瑞利散射光和载有被测样品光谱特性的拉曼散射光，激发出的拉曼散射光和瑞利散射光被望远集光镜130收集回光路，经过望远调焦镜110后压缩光束口径，经二向色分光系统900透射后，拉曼散射光和部分瑞利散射光透射，经第一分光系统150分光。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测装置包括激发光束系统、望远调焦系统、二向色分光系统、第一分光系统、拉曼光谱探测系统、差动共焦探测系统及数据处理模块和计算机控制系统；

其中，所述激发光束系统和望远调焦系统沿光路依次置于二向色分光系统的反射方向；

所述的第一分光系统置于二向色分光系统的透射方向，拉曼光谱探测系统位于第一分光系统的透射方向，差动共焦探测系统位于第一分光系统的反射方向；

所述的数据处理模块与拉曼光谱探测系统、差动共焦探测系统和望远调焦系统连接。

2.根据权利要求1所述的空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测装置，其特征在于，所述的激发光束系统还包括偏振调制器和光瞳滤波器。

3.根据权利要求2所述的空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测装置，其特征在于，所述光瞳滤波器位于偏振控制器与二向色分光系统之间或位于二向色分光系统与望远调焦系统之间。

4.根据权利要求1所述的空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测装置，其特征在于，所述激发光束系统和望远调焦系统还沿光路置于二向色分光系统的透射方向，第一分光系统置于二向色分光系统的反射方向。

5.根据权利要求1所述的空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测装置，其特征在于，所述拉曼光谱探测系统是普通拉曼光谱探测系统，包括沿光路依次放置的第五聚光镜，位于第五聚光镜焦点位置的第一光谱仪及位于第一光谱仪后的第二探测器；或是共焦拉曼光谱探测系统，包括沿光路依次放置的第七聚光镜，位于第七聚光镜焦点位置的第三针孔，位于第三针孔后的第八聚光镜，位于第八聚光镜焦点位置的第二光谱仪及位于第二光谱仪后的第三探测器。

6.根据权利要求1所述的空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测装置，其特征在于，所述数据处理模块包括差动共焦数据处理模块、数据融合模块和数据控制模块。

7.一种利用权利要求1所述的空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测方法，所述方法包括如下步骤：

1)激发光束系统产生激发光束，经过二向色分光系统和望远调焦系统后，照射在被测样品上，并激发出瑞利散射光和载有样品光谱特性的拉曼散射光；

2)通过调焦机构，使差动共焦探测系统的响应到达过零点F，完成激发光束自动聚焦在样品上，同时获得样品的位置信息[α，β，l]；

3)对应被测样品区域的瑞利散射光及拉曼散射光再次经过望远调焦系统，并被望远调焦系统整形成平行光透射至二向色分光系统，经二向色分光系统对瑞利散射光和拉曼散射光进行分离；

4)部分瑞利散射光被二向色分光系统透射，经第一分光系统反射进入差动共焦探测系统，利用差动共焦探测系统中的第一探测器，差动共焦探测系统中的第四探测器，测得反映样品位置信息的强度响应I[α，β，l]，进行望远调焦系统焦点位置O的判定，完成望远调焦系统的自动调焦，将激发光束聚焦在样品上；

5)拉曼散射光经二向色分光系统透射，经第一分光系统透射进入拉曼光谱探测系统，利用拉曼光谱探测系统测得载有被测样品特性的拉曼散射信号I(λ)，其中λ是波长；

6)将I(λ)传送到数据处理模块进行数据处理，获得包含被测样品对应区域位置的光谱信息I(λ)，物体位置信息[α，β，l]；

7)对被测样品进行沿α，β方向扫描，望远调焦系统进行沿l方向扫描调焦，重复上述步骤测得对应物镜焦点位置的一组n个包含位置信息[α，β，l]和I(λ)的序列测量信息[I(λ)，α，β，l]；

8)利用可分辨区域δn对应的位置信息[α，β，l]，找出对应δn区域的光谱信息In(λ)值，再根据与空间坐标[α，β，l]的关系，重构反映被测物微区δn三维结构和光谱特性的信息In(αn，βn，ln，λn)；

9)对应最小可分辨区域δmin的三维尺度和光谱特性由下式确定：

$I_{\mathrm{\σ}min}(\mathrm{\α},\mathrm{\β},l,\mathrm{\λ})=I_n(\mathrm{\α},\mathrm{\β},l,\mathrm{\λ}){|}_{I_n(\mathrm{\α},\mathrm{\β},l)={\left(I_n\right(\mathrm{\α},\mathrm{\β},l\left)\right)}_{max}}.$

8.根据权利要求7所述的空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测方法，其特征在于，差动共焦曲线过零点位置F对应望远调焦系统焦点位置O，此处聚焦光斑尺寸最小，探测的区域最小，差动共焦曲线其他位置对应望远调焦系统的离焦区域，在焦前或焦后区域内的聚焦光斑尺寸随离焦量增大而增大。

9.根据权利要求7所述的空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱探测方法，其特征在于，所述激发光束是偏振光束：线偏振、圆偏振或径向偏振光或是由光瞳滤波技术生成的结构光束。