CN107356581A - 全深度远端扫描的拉曼光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全深度远端扫描的拉曼光谱仪，其包括照明单元，其用于输出近红外光照射样品上；空间光调制单元，其位于所述照明单元的输出端，对样品上散射的拉曼光进行光斑大小进行选择以输出不同深度的拉曼光谱；光谱收集单元，其位于所述空间光调制单元输出端，用于对不同深度的拉曼光谱进行收集和数据处理，输出不同深度的拉曼光谱电信号。本发明提供的拉曼光谱仪，无需移动样品的平台进行扫描，可远端式扫描，有利于拉曼光谱仪在内窥成像中的探头设计。

Description

全深度远端扫描的拉曼光谱仪

技术领域

本发明涉及法医刑侦和生物医学领域，更具体地说，本发明涉及一种全深度远端扫描的拉曼光谱仪。

背景技术

拉曼光谱仪在食品检测、石油检测、物质分析、法医刑侦以及生命安全等诸多领域都具有重要的应用前景。拉曼光谱仪最早被应用于物质成分的分析，随着技术的进步，显微成像拉曼光谱仪的出现，使得拉曼光谱仪的应用范围拓宽至成像领域。

最早的显微拉曼成像光谱仪是基于点扫描方式的，由于拉曼散射属于非弹性散射，其信号相对于瑞利散射呈数量级的衰减，所以拉曼光谱信号单个光谱的探测时间就在毫秒量级，成像级拉曼光谱仪需要对成像区域进行点扫描成像，所以获得单幅拉曼图像需要在X-Y-Z三个方向添加机械扫描结构，使得拉曼成像系统中样品探测端结构复杂，机械尺寸大，难以应用于在体内窥成像。

随后发展起来的线扫拉曼光谱仪用柱面镜代替显微物镜，在X-Y方向利用线扫描替代了点扫描，使得样品端的机械扫描机构减少，简化了样品臂的机械设计，然而在深度方向仍然需要电动位移平台实现深度扫描。

空间偏移型拉曼光谱仪利用光纤或锥透镜将光入射到样品的不同深度，通过在横向上设置多个光纤探头实现一次全深度的拉曼光谱探测，这种探测方式通过入射光纤以一定的入射角入射到样品中，将接收光纤偏离入射光纤一定的横向距离实现一定深度范围内的拉曼光谱的探测，该方法无法探测全深度范围内的拉曼光谱，并且光纤之间的串扰导致系统的分辨率相对较差。

所以总体来看，目前拉曼光谱仪的深度扫描仍然依赖于在样品臂对电机的精确控制，在内窥成像中，样品无法移动，所以深度扫描只能通过控制显微物镜实现，这就需要实现对显微物镜的精确控制，使得系统的光学设计以及机械设计复杂化，另外近端扫描式探头由于机械扫描结构的存在，使得探头的尺寸相应地增大，不利于其在内窥成像领域的应用。

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种全深度远端扫描的拉曼光谱仪，无需移动样品的平台进行扫描，可远端式扫描，有利于拉曼光谱仪在内窥成像中的探头设计。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明通过以下技术方案实现：

本发明提供一种全深度远端扫描的拉曼光谱仪，其包括：

照明单元，其用于输出近红外光照射样品上；

空间光调制单元，其位于所述照明单元的输出端，对样品上散射的拉曼光光斑大小进行选择以输出不同深度的拉曼光谱；

光谱收集单元，其位于所述空间光调制单元输出端，用于对不同深度的拉曼光谱进行收集和数据处理，输出不同深度的拉曼光谱电信号。

优选的是，所述照明单元包括依次设置的激光器和锥透镜，所述空间光调制单元包括依次设置的光调制器、第一透镜以及近红外反射式的衍射光栅；

其中，所述激光器产生的近红外光经所述锥透镜聚焦后照射到样品上；

样品上散射的拉曼光经所述锥透镜聚焦后输出至所述光调制器；

调节所述光调制器的孔径，获得与不同孔径对应的不同焦深处的拉曼光，经所述第一透镜聚焦后入射到所述衍射光栅上对应输出不同深度的拉曼光谱。

优选的是，所述照明单元还包括依次位于所述激光器和所述锥透镜之间的光束耦合组件、干涉滤光片以及瑞利滤光片；

其中，所述激光器产生的近红外光，依次经所述光束耦合组件的耦合、所述干涉滤光片滤除非激光频率的光、所述瑞利滤光片的反射以及所述锥透镜的聚焦照射到样品上；

样品上散射的拉曼光，依次经所述锥透镜聚焦、所述瑞利滤光片的过滤与透射输出至所述光调制器。

优选的是，所述照明单元还包括：

衰减片，其位于所述干涉滤光片和所述瑞利滤光片之间，用于调节滤光后的近红外光的光功率。

优选的是，还包括用于调整光路方向的反射镜单元，其包括依次设置于所述衰减片和所述瑞利滤光片之间的第一反射镜和第二反射镜以及设置于所述瑞利滤光片和所述光调制器之间的第三反射镜。

优选的是，所述第一透镜包括依次设置的两个，两个所述第一透镜之间还设置有共焦针孔；

不同波长的拉曼光经第一个所述第一透镜聚焦到所述共焦针孔后到达第二个所述第一透镜实现准直。

优选的是，所述激光器包括波段为785nm、功率大于200m W的光纤激光器或半导体激光器或固体激光器。

优选的是，所述锥透镜的锥角大于0.5°，所述锥透镜镀有厚度为680-1300nm的增透膜。

优选的是，所述光调制器包括光阑或光学开关或声光调制器或电光调制器，所述光调制器的孔径调节范围是100μm-12mm。

优选的是，所述光谱收集单元包括依次设置的第二透镜和CCD；

其中，所述空间光调制单元输出的不同深度的拉曼光谱经所述第二透镜聚焦、所述CCD的光电转换后，输出不同深度的拉曼光谱电信号。

本发明至少包括以下有益效果：

1)本发明提供的全深度远端扫描的拉曼光谱仪，照明单元输出近红外光照射样品上，空间光调制单元对样品上散射的拉曼光进行不同波长地分光以输出不同深度的拉曼光谱至光谱收集单元进行数据处理，输出不同深度的拉曼光谱电信号供后续分析；因此，通过照明单元对空间光调制单元的配合，无需移动样品的平台进行扫描，即可远端式扫描，实现深度方向的全深度成像，有利于拉曼光谱仪在内窥成像中的探头设计；

2)激光器产生的近红外光经锥透镜聚焦后照射到样品上；样品上散射的拉曼光经锥透镜聚焦后输出至光调制器；因此，通过远程调节光调制器的孔径获得与不同孔径对应的不同焦深处的拉曼光，再经第一透镜聚焦后入射到衍射光栅上，对应输出不同深度的拉曼光谱。

3)光束耦合组件对近红外光进行耦合，干涉滤光片滤除非激光频率的光、瑞利滤光片用于反射近红外光、透射过滤拉曼光；

4)位于涉滤光片和瑞利滤光片之间的衰减片，用于调节滤光后的近红外光的光功率，避免样品被近红外光照射、烧坏；

5)反射镜单元包括依次设置于衰减片和瑞利滤光片之间的第一反射镜和第二反射镜以及设置于瑞利滤光片和光调制器之间的第三反射镜，用于调整光路方向，以拉曼光谱仪的体积空间；

6)第一透镜包括依次设置的两个，两个第一透镜之间还设置有共焦针孔，不同波长的拉曼光经第一个第一透镜聚焦到共焦针孔后到达第二个第一透镜实现准直，有利于入射到衍射光栅上的光斑扩束。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的全深度远端扫描的拉曼光谱仪的光路示意图；

图中：

11-激光器；12-锥透镜；13-光束耦合组件；14-干涉滤光片；

15-瑞利滤光片；16-衰减片；

21-光调制器；22-第一透镜；23-衍射光栅；24-共焦针孔；

31-第一反射镜；32-第二反射镜；33-第三反射镜；

41-第二透镜；42-CCD。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，本发明提供一种全深度远端扫描的拉曼光谱仪，其包括照明单元、空间光调制单元以及光谱收集单元。照明单元用于输出近红外光照射样品上，对样品实现近红外光照明。空间光调制单元位于照明单元的输出端，对样品上散射的拉曼光进行光斑大小的选择以输出不同深度的拉曼光谱。光谱收集单元位于空间光调制单元输出端，用于对不同深度的拉曼光谱进行收集和数据处理，输出不同深度的拉曼光谱电信号。

该实施方式中，通过空间光调制单元远程对样品上散射的拉曼光进行光斑大小的选择以输出不同深度的拉曼光谱，无需移动样品平台进行扫描，即可实现深度方向的全深度成像，有利于拉曼光谱仪在内窥成像中的探头设计。

作为上述实施方式的优选，照明单元包括依次设置的激光器11和锥透镜12，空间光调制单元包括依次设置的光调制器21、第一透镜22以及近红外反射式的衍射光栅23。激光器11产生的近红外光经锥透镜12聚焦后照射到样品上。样品上散射的拉曼光经锥透镜12聚焦后输出至光调制器21。调节光调制器21的孔径，获得与不同孔径对应的不同焦深处的拉曼光，经第一透镜22聚焦后入射到衍射光栅23上对应输出不同深度的拉曼光谱。

该实施方式中，激光器11优选波段为785nm、功率大于200m W的光纤激光器或半导体激光器或固体激光器。785nm波段的近红外光，产生的荧光背景相对较小，有利于拉曼光谱远离荧光背景较强的区域。采用锥透镜12代替传统拉曼光谱仪中的显微物镜，有利于拓展后续第一透镜22的焦深。作为进一步优选，锥透镜的锥角大于0.5°，锥透镜镀有厚度为680-1300nm的增透膜，有利于实现更大深度的探测。基于孔径可调的性质，光调制器21可以是光阑或光学开关或声光调制器或电光调制器，光调制器21的半径调节补偿决定了拉曼光谱的深度分辨率，光调制器的孔径调节范围优选100μm-12mm，以实现更好地分离不同深度的拉曼光谱。为了获得较好的拉曼光谱，衍射光栅23优选为1200lp/mm的近红外反射式衍射光栅，对近红外光反射、拉曼光透射。785nm近红外的照射、锥透镜12的聚焦、光调制器21的孔径调节以及衍射光栅23的配合，在深度方向上实现无扫描成像方式，不需要电动位移平台进行扫描，而是通过可远程、连续控制光调制器21的孔径来实现深度扫描，因此，实现拉曼光谱仪的远端式扫描，有利于拉曼光谱仪在内窥成像的探头中的应用。作为进一步优选，第一透镜22包括依次设置的两个，两个透镜之间还设置有共焦针孔24，则不同波长的拉曼光经第一个第一透镜22聚焦到共焦针孔24后到达第二个第一透镜22实现准直。两个第一透镜22的设置，是为了入射到衍射光栅上的光斑扩束，例如，两个第一透镜22可以实现光斑的5倍扩束，实现入射到衍射光栅23上的光斑大小达到10mm，光谱仪的光谱分辨率为0.067nm。

作为上述实施方式的优选，照明单元还包括依次位于激光器11和锥透镜12之间的光束耦合组件13、干涉滤光片14以及瑞利滤光片15。该实施方式中，激光器11产生的近红外光，依次经光束耦合组件13的耦合、干涉滤光片14滤除非激光频率的光、瑞利滤光片15的反射以及锥透镜12的聚焦照射到样品上。样品上散射的拉曼光，依次经锥透镜12聚焦、瑞利滤光片15的过滤与透射输出至光调制器21。作为一种优选，光束耦合组件13包括光隔离器和耦合透镜。

作为上述实施方式的优选，照明单元包括位于干涉滤光片14和瑞利滤光片15之间的衰减片16，用于调节滤光后的近红外光的光功率。衰减片16用于调节滤光后的近红外光的光功率，避免样品被近红外光照射烧坏。

作为上述实施方式的优选，拉曼光谱仪还包括用于调整光路方向的反射镜单元，其包括依次设置于衰减片16和瑞利滤光片15之间的第一反射镜31和第二反射镜32以及设置于瑞利滤光片15和光调制器21之间的第三反射镜33。该实施方式中，反射镜单元中的多个反射镜，是为了调整光路方向，以促进拉曼光谱仪的结构紧凑、体积小。

作为上述实施方式的优选，光谱收集单元包括依次设置的第二透镜41和CCD 42。该实施方式中，空间光调制单元输出的不同深度的拉曼光谱经第二透镜41聚焦、CCD 42的光电转换后，输出不同深度的拉曼光谱电信号。CCD42对不同孔径下的拉曼光谱进行数据处理的方法包括化学计量学方法、特定峰位等值相减等，本发明优选特定峰值等值相减法，可以得到固定深度处拉曼光谱。例如，不同深度的拉曼光谱是通过采集到的不同孔径的拉曼光谱相减得到的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种全深度远端扫描的拉曼光谱仪，其特征在于，其包括：

照明单元，其用于输出近红外光照射样品上；

空间光调制单元，其位于所述照明单元的输出端，对样品上散射的拉曼光光斑大小进行选择以输出不同深度的拉曼光谱；

光谱收集单元，其位于所述空间光调制单元输出端，用于对不同深度的拉曼光谱进行收集和数据处理，输出不同深度的拉曼光谱电信号。

2.如权利要求1所述的全深度远端扫描的拉曼光谱仪，其特征在于，所述照明单元包括依次设置的激光器和锥透镜，所述空间光调制单元包括依次设置的光调制器、第一透镜以及近红外反射式的衍射光栅；

其中，所述激光器产生的近红外光经所述锥透镜聚焦后照射到样品上；

样品上散射的拉曼光经所述锥透镜聚焦后输出至所述光调制器；

调节所述光调制器的孔径，获得与不同孔径对应的不同焦深处的拉曼光，经所述第一透镜聚焦后入射到所述衍射光栅上对应输出不同深度的拉曼光谱。

3.如权利要求2所述的全深度远端扫描的拉曼光谱仪，其特征在于，所述照明单元还包括依次位于所述激光器和所述锥透镜之间的光束耦合组件、干涉滤光片以及瑞利滤光片；

其中，所述激光器产生的近红外光，依次经所述光束耦合组件的耦合、所述干涉滤光片滤除非激光频率的光、所述瑞利滤光片的反射以及所述锥透镜的聚焦照射到样品上；

样品上散射的拉曼光，依次经所述锥透镜聚焦、所述瑞利滤光片的过滤与透射输出至所述光调制器。

4.如权利要求2或3所述的全深度远端扫描的拉曼光谱仪，其特征在于，所述照明单元还包括：

衰减片，其位于所述干涉滤光片和所述瑞利滤光片之间，用于调节滤光后的近红外光的光功率。

5.如权利要求4所述的全深度远端扫描的拉曼光谱仪，其特征在于，还包括用于调整光路方向的反射镜单元，其包括依次设置于所述衰减片和所述瑞利滤光片之间的第一反射镜和第二反射镜以及设置于所述瑞利滤光片和所述光调制器之间的第三反射镜。

6.如权利要求2所述的全深度远端扫描的拉曼光谱仪，其特征在于，所述第一透镜包括依次设置的两个，两个所述第一透镜之间还设置有共焦针孔；

不同波长的拉曼光经第一个所述第一透镜聚焦到所述共焦针孔后到达第二个所述第一透镜实现准直。

7.如权利要求2所述的全深度远端扫描的拉曼光谱仪，其特征在于，所述激光器包括波段为785nm、功率大于200m W的光纤激光器或半导体激光器或固体激光器。

8.如权利要求2所述的全深度远端扫描的拉曼光谱仪，其特征在于，所述锥透镜的锥角大于0.5°，所述锥透镜镀有厚度为680-1300nm的增透膜。

9.如权利要求2所述的全深度远端扫描的拉曼光谱仪，其特征在于，所述光调制器包括光阑或光学开关或声光调制器或电光调制器，所述光调制器的孔径调节范围是100μm-12mm。

10.如权利要求1所述的全深度远端扫描的拉曼光谱仪，其特征在于，所述光谱收集单元包括依次设置的第二透镜和CCD；

其中，所述空间光调制单元输出的不同深度的拉曼光谱经所述第二透镜聚焦、所述CCD的光电转换后，输出不同深度的拉曼光谱电信号。