CN109425572A - 用于光谱仪的收集光学系统和拉曼光谱系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于光谱仪的收集光学系统和一种包括该收集光学系统的拉曼光谱系统。收集光学系统被配置为从目标对象输出的散射光中选择性地收集拉曼信号，该收集光学系统包括：非成像收集单元，被配置为收集拉曼信号并输出拉曼信号，非成像收集单元包括入射面和出射面，散射光入射在入射面上，拉曼信号通过出射面输出；以及拉曼滤波器，设置在非成像收集单元的入射面的一部分上，并且被配置为阻挡包含荧光信号的散射光。因此，收集光学系统可以抑制散射光的荧光信号的接收并选择性地收集拉曼信号。

Description

用于光谱仪的收集光学系统和拉曼光谱系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年8月30日在美国专利局递交的美国临时申请No.62/551,954和2017年11月10日在韩国知识产权局递交的韩国专利申请No.10-2017-0149792的权益，其全部公开内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及一种光谱仪，并且更具体地涉及用于光谱仪的收集光学系统以及包括该收集光学系统的拉曼光谱系统。
背景技术
近来，用于分析身体内物质(例如血糖)的小型拉曼光谱系统已经被开发为用于移动健康的诊断传感器。与仅在特定位置处或在特定区域中进行测量的现有技术相比，使用这样的小型拉曼光谱系统检查身体样本(例如皮肤样本)的技术可以在诸如测量范围或可能的测量数量等方面带来改进。然而，由于身体产生强烈的荧光信号，因此需要仅选择性地检测来自非常少量存在的生物物质(例如血糖)的拉曼信号的技术。
发明内容
提供了用于光谱仪的收集光学系统和包括收集光学系统的拉曼光谱系统。
其他方面将在下面的描述中部分阐述，并且部分将从描述中显而易见，或者可以通过实践所呈现的实施例而了解。
根据一个实施例的一个方面，提供了一种用于光谱仪的收集光学系统，所述收集光学系统被配置为从目标对象输出的散射光中选择性地收集拉曼信号，所述收集光学系统包括：非成像收集单元，被配置为收集拉曼信号并输出拉曼信号，所述非成像收集单元包括入射面和出射面，其中散射光入射在入射面上，拉曼信号通过出射面输出；以及拉曼滤波器，设置在非成像收集单元的入射面的一部分上，并且被配置为阻挡包含荧光信号的散射光，其中，收集光学系统抑制散射光的荧光信号的接收并且选择性地收集拉曼信号。
目标对象可以包括具有浑浊度的材料，并且可以响应于从光源入射到目标对象上的光输出包含荧光信号和拉曼信号的散射光。例如，目标对象可以包括皮肤，并且拉曼信号可以包括血糖拉曼信号。
拉曼滤波器可以设置在非成像收集单元的入射面的中心部分上，所述中心部分是入射有大部分荧光信号的部分。
非成像收集单元的入射面可以具有1cm或更小的尺寸。拉曼滤波器可以具有1mm或更小的尺寸。
拉曼滤波器可以在入射光波长带下透射入射在目标对象上的光，并且可以在散射光波长带下阻挡从目标对象输出的散射光。
拉曼滤波器可以仅在一个波长带下透射入射光。拉曼滤波器可以包括被配置为在多个波长带下透射入射光的多个波长滤波器。在这种情况下，多个波长滤波器可以按照网格形式或同心环形式布置。
被配置为透射包含拉曼信号的散射光的透明构件或被配置为透射特定拉曼波长的带通滤波器可以在非成像收集单元的入射面上围绕拉曼滤波器设置。
例如，非成像收集单元可以包括椭圆形双曲面集中器、圆形双曲面集中器、圆锥集中器、椭圆锥集中器或复合抛物面集中器。
非成像收集单元的入射面的面积可以小于非成像收集单元的出射面的面积。备选地，非成像收集单元的入射面的面积可以大于非成像收集单元的出射面的面积。
根据另一实施例的方面，一种拉曼光谱系统包括：光源，被配置为将光发射到目标对象；收集光学系统，被配置为响应于从光源入射的光，从目标对象输出的散射光中选择性地收集拉曼信号；以及光谱仪，被配置为接收从收集光学系统输出的拉曼信号，其中，该收集光学系统包括：非成像收集单元，被配置为收集拉曼信号并输出拉曼信号，非成像收集单元包括入射面和出射面，其中散射光入射在入射面上，拉曼信号通过出射面输出；以及拉曼滤波器，设置在非成像收集单元的入射面的一部分上，并且被配置为阻挡包含荧光信号的散射光，其中，收集光学系统抑制散射光的荧光信号的接收并且选择性地收集拉曼信号。
拉曼滤波器可以设置在非成像收集单元的入射面的中心部分上，中心部分是入射有大部分荧光信号的部分。
拉曼滤波器可以在入射光波长带下透射入射在目标对象上的光，并且可以在散射光波长带下阻挡从目标对象输出的散射光。
被配置为透射包含拉曼信号的散射光的透明构件或被配置为透射特定拉曼波长的带通滤波器可以在非成像收集单元的入射面上围绕拉曼滤波器设置。
例如，非成像收集单元可以包括椭圆形双曲面集中器、圆形双曲面集中器、圆锥集中器、椭圆锥集中器或复合抛物面集中器。
从光源发出的光可以以直角或斜角入射到目标对象的表面上。
光谱仪可以包括片上光谱仪。光谱仪可以包括色散(dispersive)型光谱仪，在色散型光谱仪中，狭缝形成为接收拉曼信号，并且非成像收集单元的出射面可以插入到狭缝中。
附图说明
通过以下结合附图对实施例的描述，这些和/或其他方面将变得明确并且更容易理解，在附图中：
图1是示出了在用激光照射测试样本时通过使用光纤对从测试样本输出的散射光的测量的视图；
图2是示出了图1所示的光纤的截面图；
图3是示出了光纤从图1所示的第一硅基板输出的散射光收集的拉曼光谱的视图；
图4A是示出了光纤从图1所示的第二硅基板输出的散射光收集的拉曼光谱的视图；
图4B是图4A所示的拉曼光谱的放大视图；
图5A是示出了光纤从图1所示的第三硅基板输出的散射光收集的拉曼光谱的视图；
图5B是图5A所示的拉曼光谱的放大视图；
图6是示出了根据图4A至图5B中的光纤的位置的拉曼信号、噪声和计算出的拉曼信噪比(SNR)的视图；
图7A是示出了光纤从皮肤浑浊度的测试样本输出的散射光收集的拉曼光谱的视图；
图7B是示出了从图7A所示的拉曼光谱计算出的荧光信号强度的视图；
图8A是示出了光纤从真皮输出的散射光收集的拉曼光谱的视图；
图8B是示出了图8A所示的拉曼光谱中的荧光信号强度的视图；
图8C是示出了图8A所示的拉曼光谱中的拉曼信号强度的视图；
图9是示出了根据示例实施例的拉曼光谱系统的视图；
图10是示出了图9所示的非成像收集单元的放大透视图；
图11是示出了图10所示的非成像收集单元的入射面的视图；
图12是示出了在图9所示的拉曼光谱系统中从目标对象输出的散射光的传播路径的视图；
图13A至图13D是示出了可应用于图9所示的拉曼光谱系统的非成像收集单元的变型的视图；
图14A和图14B是示出了可应用于图9所示的拉曼光谱系统的拉曼滤波器的变型的视图；
图15A和图15B是示出了可应用于图9所示的拉曼光谱系统的拉曼滤波器的其他变型的视图；
图16是示出了根据另一示例实施例的拉曼光谱系统的视图；
图17是示出了根据另一示例实施例的拉曼光谱系统的视图；以及
图18是示出了根据另一示例实施例的拉曼光谱系统的视图。
具体实施方式
现在详细参考实施例，在附图中示出了实施例的示例，其中，贯穿附图类似的附图标记表示类似的元件。在这点上，呈现的多个实施例可以具有不同形式，并且不应当被解释为受限于本文所阐明的描述。因此，下面仅通过参考附图描述实施例，以解释各个方面。本文中所使用的术语“和/或”包括关联列出的项目中的一个或多个的任意和所有组合。诸如“......中的至少一个”之类的表述在元素列表之前时修饰整个元件列表，而不是修饰列表中的单独元件。
下文中，将参照附图来描述实施例。在附图中，类似的附图标记表示类似的元件，并且为了清楚说明，每个元件的尺寸可能被放大。另外，当材料层被称为“在”基板或另一层“上方”或“上”时，其可以直接在基板或另一层上，或者也可以存在中间层。在下面的描述中，每层的材料是示例。也就是说，可以使用其他材料。
与一般的反射介质不同，皮肤是具有浑浊度的介质。通过考虑作为皮肤特性之一的各向异性因子提供的散射系数和减小的散射系数可以表示浑浊度。减小的皮肤散射系数可以在约1mm-1至约3mm-1的范围。通常，来自具有浑浊度的介质的拉曼信号的传播比来自反射介质的拉曼信号的传播宽得多。另外，由于从皮肤表面存在的表皮输出的荧光信号达到约100μm至约400μm的深度，因此难以检测来自真皮中强烈存在的血糖的拉曼信号或难以检测其他信号。
图1示出了当光照射测试样本10时，通过使用光纤对从具有浑浊度的测试样本10输出的散射光的测量。图2是示出了图1所示的光纤的截面图。在测量中，具有正常皮肤的散射系数范围的介质用作测试样本10。测试样本10的散射系数和减小的散射系数在755nm的波长下分别为2.4mm-1和1.13mm-1。将具有785nm的波长的激光束作为入射光L投射到测试样本10上。
参考图1，第一硅基板21、第二硅基板22和第三硅基板23距测试样本10的表面在深度方向上放置在测试样本10中。这里，第一硅基板21在测试样本10的表面上。另外，将第二硅基板22放置在距测试样本10的表面0.5mm的深度d处，并且将第三硅基板23放置在距测试样本10的表面1.0mm的深度d处。也就是说，具有浑浊度的介质不在第一硅基板21上方，但具有浑浊度的介质在第二硅基板22和第三硅基板23上方。从光源(未示出)发射的激光束可以作为入射光L投射到测试样本10上，并且从测试样本10输出的散射光S可以由设置在测试样本10上方的光纤束收集。例如，激光束可以通过聚焦透镜40会聚并且可以作为入射光L投射到第一硅基板21、第二硅基板22和第三硅基板23中的每一个上。这里，从聚焦透镜40到测试样本10的表面的距离f是4.5mm。在利用入射光L照射时，从第一硅基板21至第三硅基板23中的每一个输出包含拉曼信号的散射光S，并且可以通过在测试样本10上方排列成行的九个光纤F1至F9来收集散射光S。光纤F1至F9可以被布置为使得位于光纤F1至F9的中心处的第五光纤F5可以处于与散射光S的中心相对应的位置处。光纤F1至F9中的每一个可以包括芯部31和包围芯部31的包覆层32。参考图2，9个光纤F1至F9的芯部31的直径为200μm，并且9个光纤F1至F9以250μm的间隔排列。图3示出了从图1所示的第一硅基板21输出的散射光由光纤F1至F9收集的拉曼光谱。图3示出了在激光束作为入射光L入射到第一硅基板21上之后，从第一硅基板21输出的散射光S由9个光纤F1至F9收集的拉曼光谱。
参考图3，可以理解的是，由于第一硅基板21位于测试样本10的表面上而在其上没有放置具有浑浊度的介质，从第一硅基板21输出的散射光S的拉曼信号大部分由位于光纤F1至F9中心处的第五光纤F5收集。
图4A示出了光纤F1至F9从图1所示的第二硅基板22输出的散射光收集的拉曼光谱。图4B是图4A所示的拉曼光谱的放大视图。图4A和图4B示出了在将激光束作为入射光L入射到放置在距具有与皮肤相似的浑浊度的测试样本10的表面0.5mm的深度d处的第二硅基板22上之后，由9个光纤F1至F9从第二硅基板22输出的散射光S收集的拉曼光谱。
图5A示出了由光纤F1至F9从图1所示的第三硅基板23输出的散射光收集的拉曼光谱。图5B是图5A所示的拉曼光谱的放大视图。图5A和图5B示出了在将激光束作为入射光L入射到放置在距测试样本10的表面1.0mm的深度d处的第三硅基板23上之后，9个光纤F1至F9从第三硅基板23输出的散射光S收集的拉曼光谱。
参照图4A、图4B、图5A和图5B，可以理解，来自放置有浑浊度的介质的第二硅基板22或第三硅基板23的散射光的信号被九个光纤F1至F9广泛地色散和收集。此外，可以检查在远离位于光纤F1至F9中心的第五光纤F5的方向上，荧光信号的强度减弱，并且观察到拉曼信号。
图6示出了根据光纤F1至F9的位置的图4A至图5B所示的拉曼光谱中的拉曼信号、噪声和计算出的拉曼信噪比(SNR)。
参考图6，噪声可以包括读出噪声、散粒噪声和系统噪声，并且如果存在强的荧光信号，则散粒噪声可以引起大部分噪声。因此，如果荧光信号被选择性地降低，则散粒噪声可以降低，并且因此可以改善SNR。另外，虽然拉曼信号在位于光纤F1至F9中心的第五光纤F5处减小，但荧光信号也减小，因此噪声减少。因此，可以检查SNR在与第五光纤F5间隔开0.5mm的距离处增加。
图7A示出了光纤F1至F9从具有皮肤浑浊度的测试样本输出的散射光收集的拉曼光谱。图7B示出了根据图7A所示的拉曼光谱计算出的荧光信号强度。图7A所示的荧光信号强度由如图7A所示的感兴趣峰下的部分的尺寸限定。参照图7A和图7B，可以理解，荧光信号强度在从位于光纤F1至F9的中心的第五光纤F5朝向最外光纤(第一光纤F1或第九光纤F9)的方向上急剧减小。
图8A示出了光纤F1至F9从真皮输出的散射光收集的拉曼光谱。图8B示出了图8A所示的拉曼光谱中的荧光信号强度。图8C示出了图8A所示的拉曼光谱中的拉曼信号强度。在图8C中，A表示由位于光纤F1至F9的中心的第五光纤F5收集的拉曼信号，并且B表示由最外光纤(第一光纤F1或第九光纤F9)收集的拉曼信号。另外，C以10倍的放大率示出了拉曼信号B。
参照图8A至图8C所示，可以理解，荧光信号强度在从位于光纤F1至F9中心的第五光纤F5朝向最外光纤(第一光纤F1或第九光纤F9)的方向上急剧减小。例如，可以检查到由最外光纤(第一光纤F1或第九光纤F1或F9)收集的荧光信号的强度是由第五光纤F5收集的荧光信号的强度的约1/3。另外，如图所示，如图8C所示，可以检查到，随着荧光信号强度降低，拉曼峰的分辨率提高。
如上所述，当激光束作为入射光L投射在包括具有与皮肤相同的浑浊度的材料的测试样本10上时，测试样本10响应于入射光L发射散射光S，并且散射光S包含拉曼信号和阻止拉曼信号接收的荧光信号。然而，由于大部分荧光信号包括在从测试样本10输出的散射光S的中心部分中，所以如果散射光S的中心部分被阻挡，则可以选择性地收集拉曼信号。
图9是示出了根据示例实施例的拉曼光谱系统100的视图。
参考图9，拉曼光谱系统100可以包括被配置为朝向目标对象50发射光L的光源110、被配置为从目标对象50输出的散射光中选择性地收集拉曼信号S1的收集光学系统以及被配置为从收集光学系统接收收集的拉曼信号S1的光谱仪150。这里，目标对象50可以包括具有一定程度的浑浊度的材料。例如，目标对象50可以包括人的皮肤。然而，目标对象50不限于此。
光源110可以朝向目标对象50发射光L。例如，光源110可以发射具有785nm的波长的激光束作为光L。从光源110发出的光L可以被反射镜115朝向目标对象50的测试区域反射。这里，聚焦透镜(未示出)可以设置在光L的光路中以聚焦光L。光L在通过设置在非成像收集单元120(下面描述)的入射面120a上的拉曼滤波器130之后可以到达目标对象50的测试区域。光L可以垂直入射在目标对象50的表面上。
当光L从光源110入射到目标对象50的测试区域上时，目标对象50的测试区域可以输出散射光。在这种情况下，由于目标对象50具有浑浊度，因此从目标对象50输出的散射光包含拉曼信号S1以及阻止拉曼信号S1的接收的荧光信号S2。
收集光学系统可以从目标对象50输出的散射光中选择性地收集拉曼信号S1。为此，收集光学系统可以包括非成像收集单元120和拉曼滤波器130。
图10是示出了图9所示的非成像收集单元120的放大透视图。另外，图11是示出了图10所示的非成像收集单元120的入射面120a的视图。
参照图10和图11，非成像收集单元120可以用于收集从目标对象50输出的散射光。非成像收集单元120是不使用透镜的收集系统，并且被配置为将将从生成光的点优化地传送到目的地。非成像收集单元120的典型应用领域包括太阳能电池和照明。例如，在太阳能电池的领域中，非成像收集单元120可以用于最大化从太阳能集中器转移到太阳能电池的太阳能的量。
图10示出了使用复合抛物面集中器(CPC)作为非成像收集单元120的示例。非成像收集单元120可以包括入射面120a和出射面120b，从目标对象50输出的散射光入射在入射面120a上，出射面120b与入射面120a相对定位且通过出射面120b输出拉曼信号S1。
非成像收集单元120的入射面120a可以具有小于出射面120b的面积的面积。在非成像收集单元120的入射面120a与用于执行测量操作的目标对象50接触的情况下，非成像收集单元120的入射面120a可以具有例如约1cm的直径D1。然而，入射面120a不限于此。
拉曼滤波器130设置在非成像收集单元120的入射面120a的一部分上，以阻挡荧光信号S2。即，拉曼滤波器130可以具有阻挡从目标对象50输出的散射光中包括的荧光信号S2的功能。
如上所述，从具有浑浊度的目标对象50输出的散射光中包括的大部分荧光信号S2位于散射光的中心部分。因此，拉曼滤波器130可以设置在非成像收集单元120的入射面120a的入射大部分荧光信号S2的部分上(即，在入射面120a的中心部分上)，以抑制接收来自目标对象50的荧光信号S2。另外，透明构件140还可以设置在非成像收集单元120的入射面120a上围绕拉曼滤波器130的区域中。透明构件140可以透射从目标对象50输出的散射光，并且可以支撑拉曼滤波器130。另外，被配置为透射特定拉曼波长的带通滤波器(未示出)可以在非成像收集单元120的入射面120a上围绕拉曼滤波器130设置。
图10和图11示出了设置在非成像收集单元120的入射面120a的中心部分上的拉曼滤波器130具有圆形形状的示例。在非成像收集单元120的入射面120a与目标对象50接触以用于执行测量操作的情况下，拉曼滤波器130可以具有约1mm的直径D2。然而，拉曼滤波器130不限于此。
拉曼滤波器130可以在入射光波长带下透射从光源110入射到目标对象50上的光L，并且可以在散射光波长带下阻挡从目标对象50输出的散射光。也就是说，当光L入射到目标对象50的测试区域上时，散射光S从目标对象50的测试区域输出，并且散射光S可以由于拉曼频移而在与入射光的波长带不同的波长带下输出。因此，拉曼滤波器130可以透射入射光L，但是可以阻挡在与入射光L的波长带不同的波长带下输出的散射光S。
例如，拉曼滤波器130可以包括被配置为在特定波长带下透射光的带通滤波器或者被配置为透射具有等于或短于特定值的波长的光的短波通滤波器。例如，当拉曼滤波器130包括带通滤波器时，可以测量斯托克斯拉曼信号和反斯托克斯拉曼信号。另外，当拉曼滤波器130包括短波通滤波器时，可以仅测量斯托克斯拉曼信号。
拉曼滤波器130可以设置在非成像收集单元120的入射面120a的中心部分上。如图9所示，来自目标对象50的入射光L穿过拉曼滤波器130并到达目标对象50的测试区域。然后，利用入射光L照射的目标对象50的测试区域发射散射光。在此，散射光(即，朝向非成像收集单元120的入射面120a的中心部分传播且包含荧光信号S2的散射光)的中心部分可以被拉曼滤波器130阻挡。
图12示出了从目标对象50输出的散射光沿其传播的示例路径。参考图12，从目标对象50朝向非成像收集单元120的入射面120a的中心部分输出的散射光的荧光信号S2被拉曼滤波器130阻挡，并且到达非成像收集单元120的入射面120a的外周部分的拉曼信号S1可以穿过透明构件140并进入非成像收集单元120。然后，非成像收集单元120将入射的拉曼信号S1传送到出射面120b。
由于目标对象50具有浑浊度，因此从目标对象50发射的散射光包含拉曼信号S1以及阻止接收拉曼信号S1的荧光信号S2。由于大部分荧光信号S2包括在从目标对象50发射的散射光的中心部分中，所以如果拉曼滤波器130被设置在非成像收集单元120的入射面120a的中心部分上，则荧光信号S2可以被阻挡，并且因此在非成像收集单元120中可以仅收集拉曼信号S1。
响应于入射光L从目标对象50输出的散射光的角度是随机的，因此散射光可以以除了直角以外的其他角度入射在拉曼滤波器130上。根据仿真实验的结果，当仅透射790nm波长的短波通滤波器用作拉曼滤波器时，从约800nm至约900nm范围的波长以30°和60°的角度入射在拉曼滤波器上，大部分波长没有通过拉曼滤波器。因此，以斜角入射到拉曼滤波器130上的所有散射光可以被阻挡。
包括非成像收集单元120和拉曼滤波器130的收集光学系统可以从目标对象50输出的散射光中选择性地仅收集拉曼信号S1，并且通过出射面120b输出拉曼信号S1。然后，如上所述收集的拉曼信号S1可以被光谱仪150接收并分析。这样，可以抑制从目标对象50输出的散射光中包括的荧光信号S2的接收，并且可以获得仅包含拉曼信号S1的拉曼光谱。这里，通过在基板上集成谐振器或滤波器而具有小尺寸的片上光谱仪可以用作光谱仪150。
如上所述，本实施例的拉曼光谱系统100可以通过使用非成像收集单元120以及拉曼滤波器130在抑制从散射光接收荧光信号S2的同时，从目标对象50输出的散射光中选择性地仅收集拉曼信号S1。也就是说，当诸如皮肤等具有浑浊度的目标对象50被诸如激光束等光L照射时，从目标对象50输出的散射光也包括拉曼信号S1和荧光信号S2，并且大部分荧光信号S2包括在散射光的中心部分中。因此，被配置为阻挡荧光信号S2的拉曼滤波器130设置在非成像收集单元120的入射面120a的与散射光的中心部分相对应的部分上(即，在入射面120a的中心部分上)，使得非成像收集单元120可以选择性地仅收集拉曼信号S1。因此，例如，可以使用拉曼光谱系统100仅有效地检测与皮肤中的血糖有关的拉曼信号。另外，如果使用片上光谱仪作为光谱仪150，则拉曼光谱系统100可以具有小尺寸。
以上描述是针对使用CPC作为非成像收集单元120的情况给出的。然而，本发明构思不限于此。即，非成像收集单元120的示例包括各种集中器。
图13A至图13D示出了可应用于图9中所示的拉曼光谱系统100的非成像收集单元120的变型。图13A示出了椭圆形双曲面集中器(EHC)121，并且图13B示出了圆形双曲面集中器(CHC)122。图13C示出了圆锥形集中器(CCC)123，并且图13D示出了椭圆锥形集中器(ECC)124。上述集中器是示例。也就是说，非成像收集单元120的示例包括其他各种集中器。
在上文中，描述了拉曼滤波器130在仅一个波长带下透射入射光的情况。然而，本发明构思不限于此。例如，光源110可以在多个波长带下发射光，并且可以提供被配置为在多个波长带下透射光的拉曼滤波器。
图14A和图14B示出了可应用于图9所示的拉曼光谱系统100的拉曼滤波器130的变型。
参考图14A，四边形拉曼滤波器131可以设置在非成像收集单元120的入射面120a的中心部分上。拉曼滤波器131可以包括至少一个第一波长滤波器131a和至少一个第二波长滤波器131b。第一波长滤波器131a可以在第一波长带下透射入射光L，并且第二波长滤波器131b可以在第二波长带下透射入射光L。第一波长滤波器131a和第二波长滤波器131b可以各自具有四边形形状并且可以以网格形式排列。
参考图14B，圆形拉曼滤波器132可以设置在非成像收集单元120的入射面120a的中心部分上。拉曼滤波器132可以包括被配置为在第一波长带下透射入射光L的至少一个第一波长滤波器132a以及被配置为在第二波长带下透射入射光的至少一个第二波长滤波器132b。在这种情况下，第一波长滤波器132a和第二波长滤波器132b可以布置为同心环。
图15A和图15B示出了可应用于图9所示的拉曼光谱系统100的拉曼滤波器130的其他变型。
参考图15A，四边形拉曼滤波器133可以包括至少一个第一波长滤波器133a、至少一个第二波长滤波器133b和至少一个第三波长滤波器133c。第一波长滤波器133a可以在第一波长带下透射光，第二波长滤波器133b可以在第二波长带下透射光，并且第三波长滤波器133c可以在第三波长带下透射光。这里，第一波长滤波器133a、第二波长滤波器133b和第三波长滤波器133c可以具有四边形形状并且可以以网格形式排列。
参考图15B中，圆形拉曼滤波器134可以包括被配置为在第一波长带下透射光的至少一个第一波长滤波器134a、被配置为在第二波长带下透射光的至少一个第二波长滤波器134b以及被配置为在第三波长带下透射光的至少一个第三波长滤波器134c。在这种情况下，第一波长滤波器134a、第二波长滤波器134b和第三波长滤波器134c可以被布置为同心环。
在上述示例中，拉曼滤波器131、132、133和134被配置为在两个或三个波长带下透射光。然而，可以实现被配置为在四个或更多个波长带下透射光的拉曼滤波器。另外，尽管在上述示例中拉曼滤波器131、132、133和134具有四边形或圆形形状，但拉曼滤波器131、132、133和134的形状可以进行各种修改。
被配置为在多个波长带下透射光的拉曼滤波器131、132、133和134也可以用于偏移激励拉曼差分光谱(SERDS)和背景减除。另外，由于入射光穿透皮肤的深度根据光的波长而变化，因此被配置为在多个波长带下透射光的拉曼滤波器131、132、133和134可以用于根据皮肤的深度获得拉曼信息。
图16是示出了根据另一示例实施例的拉曼光谱系统200的视图。
参考图16，拉曼光谱系统200可以包括：光源210，被配置为朝向目标对象50发射光L；收集光学系统，被配置为从目标对象50输出的散射光中选择性地收集拉曼信号；以及光谱仪250，被配置为从收集光学系统接收收集的拉曼信号。
从光源210发射的光L可以被反射镜215反射，并且可以通过拉曼滤波器230(下面描述)入射在目标对象50的测试区域上。收集光学系统可以从目标对象50输出的散射光中选择性地收集拉曼信号。收集光学系统可以包括非成像收集单元220和拉曼滤波器230。例如，非成像收集单元220可以包括CPC、EHC、CHC、CCC或ECC。然而，非成像收集单元220不限于此。
非成像收集单元220可以包括入射面220a和出射面220b，从目标对象50输出的散射光入射在入射面220a上，出射面220b与入射面220a相对定位且拉曼信号通过出射面220b输出。在本实施例中，非成像收集单元220的入射面220a可以具有比出射面220b的面积大的面积。
拉曼滤波器230设置在非成像收集单元220的入射面220a的一部分上以阻挡荧光信号。例如，拉曼滤波器230可以设置在非成像收集单元220的入射面220a的入射有大部分荧光信号的部分上。也就是说，拉曼滤波器230可以设置在入射面220a的中心部分上。拉曼滤波器230可以被配置为以一个或多个波长带透射光。另外，透明构件(未示出)还可以在非成像收集单元220的入射面220a上设置在围绕拉曼滤波器230的区域中。另外，被配置为透射特定拉曼波长的带通滤波器(未示出)可以在非成像收集单元220的入射面220a上围绕拉曼滤波器230设置。
包括非成像收集单元220和拉曼滤波器230的收集光学系统可以从目标对象50输出的散射光中选择性地仅收集拉曼信号。然后，如上所述收集的拉曼信号可以由诸如片上光谱仪等光谱仪250接收并且可以被分析。
图17是示出了根据另一示例实施例的拉曼光谱系统300的视图。
参考图17，拉曼光谱系统300可以包括光源(未示出)、被配置为从目标对象50输出的散射光中选择性地收集拉曼信号的收集光学系统以及被配置为从收集光学系统接收收集的拉曼信号的光谱仪350。这里，光谱仪350可以是具有狭缝355的普通色散型光谱仪。
收集光学系统可以包括非成像收集单元320和拉曼滤波器330。非成像收集单元320可以包括入射面320a和出射面320b，从目标对象50输出的散射光入射在入射面320a上，出射面320b与入射面320a相对定位且拉曼信号通过出射面320b输出。在本实施例中，非成像收集单元320的出射面320b可以插入到光谱仪350的狭缝355中。因此，非成像收集单元320的出射面320b可以具有与光谱仪350的狭缝355对应的形状。
拉曼滤波器330可以设置在非成像收集单元320的入射面320a的入射有大部分荧光信号的部分上。也就是说，拉曼滤波器330可以设置在入射面320a的中心部分上。拉曼滤波器330可以被配置为在一个或多个波长带下透射光。包括非成像收集单元320和拉曼滤波器330的收集光学系统可以从目标对象50输出的散射光中选择性地仅收集拉曼信号，并且拉曼信号可以通过狭缝355被光谱仪350接收并被分析。
图18是示出了根据另一示例实施例的拉曼光谱系统400的视图。参考图18，拉曼光谱系统400可以包括：光源410，被配置为朝向目标对象50发射光L；收集光学系统，被配置为从目标对象50输出的散射光中选择性地收集拉曼信号；以及光谱仪450，被配置为从收集光学系统接收收集的拉曼信号。
从光源410发出的光L可以以斜角入射到目标对象50的表面上。收集光学系统可以从目标对象50输出的散射光中选择性地收集拉曼信号。收集光学系统可以包括非成像收集单元420和拉曼滤波器430。例如，非成像收集单元420可以包括CPC、EHC、CHC、CCC或ECC。然而，非成像收集单元420不限于此。
非成像收集单元420可以包括入射面和出射面，从目标对象50输出的散射光入射在入射面，拉曼信号通过出射面输出。这里，非成像收集单元420的入射面的面积可以小于非成像收集单元420的出射面的面积。备选地，非成像收集单元420的入射面的面积可以大于非成像收集单元420的出射面的面积。
拉曼滤波器430可以设置在非成像收集单元420的入射面的入射有大部分荧光信号的部分上。也就是说，拉曼滤波器430可以设置在非成像收集单元420的入射面的中心部分上。拉曼滤波器430可以被配置为在一个或多个波长带下透射光。包括非成像收集单元420和拉曼滤波器430的收集光学系统可以从目标对象50输出的散射光选择性地仅收集拉曼信号。然后，如上所述收集的拉曼信号1可以被光谱仪450接收并分析。
如上所述，根据上述实施例中的一个或多个，非成像收集单元和拉曼滤波器可以用于抑制对从目标对象输出的散射光中包括的荧光信号的接收，并且从散射光选择性地仅收集拉曼信号。例如，当利用激光束照射具有浑浊度的目标对象(例如皮肤)时，从目标对象输出的散射光包括拉曼信号以及阻止接收拉曼信号的荧光信号，并且大部分荧光信号包括在散射光的中心部分。因此，被配置为阻挡拉曼信号的拉曼滤波器设置在非成像收集单元的入射面的与散射光的中心部分相对应的中心部分，由此使得能够抑制荧光信号的接收并且选择性地仅收集拉曼信号。拉曼光谱系统可以用于从皮肤中的血糖中有效地检测拉曼信号。另外，如果使用片上光谱仪，则可以实现小型拉曼光谱系统以用作移动健康的诊断传感器。
另外，可以提供包括被配置为在多个波长带下透射光的拉曼滤波器的拉曼光谱系统用于SERDS以及背景减除。另外，由于从光源发射的光穿透皮肤的深度根据光的波长而变化，因此被配置为在多个波长带下透射光的拉曼滤波器可以用于根据皮肤的深度来获得拉曼信息。
应当理解的是，应仅以描述性意义而不是限制性目的来考虑本文中描述的实施例。对每个实施例中的特征或方面的描述一般应当被看作可用于其他实施例中的其他类似特征或方面。
尽管已参考附图描述了一个或多个实施例，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的多种改变。

Claims (22)

1.一种用于光谱仪的收集光学系统，所述收集光学系统被配置为从目标对象输出的散射光中选择性地收集拉曼信号，所述收集光学系统包括：
非成像收集单元，被配置为收集所述拉曼信号并输出所述拉曼信号，所述非成像收集单元包括入射面和出射面，所述散射光入射在所述入射面上，所述拉曼信号通过所述出射面输出；以及
拉曼滤波器，设置在所述非成像收集单元的入射面的一部分上，并且被配置为阻挡包含荧光信号的散射光，
其中，所述收集光学系统抑制所述散射光的荧光信号的接收，并且选择性地收集所述拉曼信号。
2.根据权利要求1所述的收集光学系统，其中，所述目标对象包括具有浑浊度的材料，并且响应于从光源入射到所述目标对象上的光，输出包含所述荧光信号和所述拉曼信号的散射光。
3.根据权利要求2所述的收集光学系统，其中，所述目标对象包括皮肤，并且所述拉曼信号包括血糖拉曼信号。
4.根据权利要求2所述的收集光学系统，其中，所述拉曼滤波器设置在所述非成像收集单元的入射面的中心部分上，所述中心部分是入射有大部分荧光信号的部分。
5.根据权利要求4所述的收集光学系统，其中，所述非成像收集单元的入射面具有1cm或更小的尺寸。
6.根据权利要求5所述的收集光学系统，其中，所述拉曼滤波器具有1mm或更小的尺寸。
7.根据权利要求4所述的收集光学系统，其中，所述拉曼滤波器在入射光波长带下透射入射在所述目标对象上的光，并且在散射光波长带下阻挡从所述目标对象输出的散射光。
8.根据权利要求7所述的收集光学系统，其中，所述拉曼滤波器仅在一个特定波长带下透射所述入射的光。
9.根据权利要求7所述的收集光学系统，其中，所述拉曼滤波器包括被配置为在多个波长带下透射所述入射的光的多个波长滤波器。
10.根据权利要求9所述的收集光学系统，其中，所述多个波长滤波器以网格形式或同心环形式布置。
11.根据权利要求4所述的收集光学系统，其中，被配置为透射包含所述拉曼信号的散射光的透明构件或被配置为透射特定拉曼波长的带通滤波器在所述非成像收集单元的入射面上围绕所述拉曼滤波器设置。
12.根据权利要求1所述的收集光学系统，其中，所述非成像收集单元包括椭圆形双曲面集中器、圆形双曲面集中器、圆锥集中器、椭圆锥集中器或复合抛物面集中器。
13.根据权利要求1所述的收集光学系统，其中，所述非成像收集单元的入射面的面积小于所述非成像收集单元的出射面的面积。
14.根据权利要求1所述的收集光学系统，其中，所述非成像收集单元的入射面的面积大于所述非成像收集单元的出射面的面积。
15.一种拉曼光谱系统，包括：
光源，被配置为将光发射到目标对象；
收集光学系统，被配置为响应于从所述光源入射的光，从所述目标对象输出的散射光中选择性地收集拉曼信号；以及
光谱仪，被配置为接收从所述收集光学系统输出的拉曼信号，
其中，所述收集光学系统包括：
非成像收集单元，被配置为收集所述拉曼信号并输出所述拉曼信号，所述非成像收集单元包括入射面和出射面，所述散射光入射在所述入射面上，所述拉曼信号通过所述出射面输出；以及
拉曼滤波器，设置在所述非成像收集单元的入射面的一部分上，并且被配置为阻挡包含荧光信号的散射光，
其中，所述收集光学系统抑制所述散射光的荧光信号的接收，并且选择性地收集所述拉曼信号。
16.根据权利要求15所述的拉曼光谱系统，其中，所述拉曼滤波器设置在所述非成像收集单元的入射面的中心部分上，所述中心部分是入射有大部分荧光信号的部分。
17.根据权利要求16所述的拉曼光谱系统，其中，所述拉曼滤波器在入射光波长带下透射入射在所述目标对象上的光，并且在散射光波长带下阻挡从所述目标对象输出的散射光。
18.根据权利要求16所述的拉曼光谱系统，其中，被配置为透射包含所述拉曼信号的散射光的透明构件或被配置为透射特定拉曼波长的带通滤波器在所述非成像收集单元的入射面上围绕所述拉曼滤波器设置。
19.根据权利要求15所述的拉曼光谱系统，其中，所述非成像收集单元包括椭圆形双曲面集中器、圆形双曲面集中器、圆锥集中器、椭圆锥集中器或复合抛物面集中器。
20.根据权利要求15所述的拉曼光谱系统，其中，从所述光源发射的光以直角或斜角入射在所述目标对象的表面上。
21.根据权利要求15所述的拉曼光谱系统，其中，所述光谱仪包括片上光谱仪。
22.根据权利要求15所述的拉曼光谱系统，其中，所述光谱仪包括色散型光谱仪，在所述色散型光谱仪中，狭缝形成为接收所述拉曼信号，并且所述非成像收集单元的出射面插入到所述狭缝中。
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