CN109557078A - 一种快速多通道拉曼光谱重建系统及检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速多通道拉曼光谱重建系统及检测系统，所述检测系统包括激发收集光路和成像光路；所述激发收集光路包括激光发生器、光束扩展器、二向色镜和显微物镜；所述成像光路包括同轴设置的滤光片、第一透镜阵列、第二透镜阵列、滤光片阵列和图像传感器，所述第一透镜阵列和第二透镜阵列结构相同，且均设置有多个透镜，所述滤光片阵列包括多个与所述多个透镜位置对应的带通滤光片，所述多个带通滤光片所选取的波长均不相同，且所述滤光片所选取的波长包含多个带通滤波片所选取的波长。本发明结构简单，成本低，将多通道拉曼光直接耦合于图像传感器上，可以获得良好的动态性能和空间分辨率。

Description

一种快速多通道拉曼光谱重建系统及检测系统

技术领域

本发明涉及光谱重建与检测技术领域，尤其涉及一种快速多通道拉曼光谱重建系统及检测系统。

背景技术

拉曼光谱是在印度科学家C.V.Raman发现的拉曼散射效应的基础上发展起来的，是一种用于分析分子化学成分、结构等信息的检测技术，具有信息丰富、制样简单、水的干扰小、非侵入等特点，可在接近生理条件下获得组织或细胞的光谱信息，从而从分子水平解释生命相关现象，因而在生命科学以及生物医学等领域占据越来越重要的地位。然而，拉曼散射效率低，大多数生物样本中的自发拉曼信号都比荧光信号或弹性散射弱。因此，为获取高空间分辨率的生物样品拉曼光谱是非常耗时，通常为数十分钟至数小时。

现已探索出几种解决方案来克服这种限制：方法1：对待测样本进行线扫描。所谓线扫描是点扫描成像的扩展，通过柱面透镜或者激光扫描装置使光斑沿着X轴或者Y轴方向以直线的形式聚集在样品表面，该线对应的光谱信号将通过光谱仪的入射狭缝经过光栅沿垂直于入射狭缝的方向展开成像于光谱仪的面阵CCD上，实现了同时采集多条光谱的目的，从而有效地提高了扫描速度同点扫描成像模式相比。但成像时间仍相对较长，并且受制于机械装置，其空间分辨率最高只能达到几微米的水平。方法2：宽场成像。通过采用宽场(全局)激发样品，其散射的信号直接耦合收集于面阵列CCD，使用可调谐液晶滤光片71(LCTF)，将通过的信号波长转成单波长成像。同扫描模式相比，宽场模式可获取更高的空间分辨率、更好的动态性能，但是只能收集两个空间维度的单波长光谱。

这些处理方法，各有优点和适用范围，但一个共同的不足在于，这些方法均是相对常规拉曼光谱仪获取拉曼光谱的时间有所提高，但是仍难以实现待测物质随时间变化规律的实时探究，同时不易提高物质在识别中的速度。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种快速多通道拉曼光谱重建系统及检测系统，能够采用宽场模式激发待测物品，并直接耦合于图像传感器上，可以获得良好的动态性能和空间分辨率。

具体方案如下：

一种快速多通道拉曼光谱检测系统，包括激发收集光路和成像光路；

所述激发收集光路包括激光发生器、光束扩展器、二向色镜和显微物镜；

所述激光发生器与所述光束扩展器同轴设置，所述激光发生器产生的激光经过光束扩展器后投射至所述二向色镜上后，所述二向色镜对所述激光进行反射，反射后的所述激光经过所述显微物镜后聚焦至待测物品上；

所述待测物品接收到所述激光后发出散射光，所述散射光包括所述激光和与所述激光不同波长的拉曼光，所述散射光经过所述显微物镜后，投射至所述二向色镜上，所述二向色镜将所述散射光中的所述激光反射后，将所述散射光中的所述拉曼光透射进入所述成像光路；

所述成像光路包括同轴设置的滤光片、第一透镜阵列、第二透镜阵列、滤光片阵列和图像传感器，所述第一透镜阵列和第二透镜阵列结构相同，且均设置有多个透镜，所述滤光片阵列包括多个与所述多个透镜位置对应的带通滤光片，所述多个带通滤光片所选取的波长均不相同，且所述滤光片所选取的波长包含多个带通滤波片所选取的波长；

所述拉曼光进入成像光路后依次经过滤光片、第一透镜阵列的多个透镜、第二透镜阵列的多个透镜和滤光片阵列的多个带通滤光片后投射至图像传感器上，所述图像传感器接收拉曼光的光学信号，并将其转化为该待测物品的多通道光谱数据。

进一步的，所述激发收集光路还包括一个或多个反射镜，用于改变光束扩展器与二向色镜之间的光路方向，和/或改变二向色镜与显微物镜的光路方向。

进一步的，所述反射镜包括两个，分别设为第一反射镜和第二反射镜，激光以45°入射角射入第一反射镜，经第一反射镜的反射后射出至二向色镜，二向色镜射出的激光以45°入射角射入第二反射镜，经第二反射镜的反射后射出至显微物镜，其中，第一反射镜射向二向色镜的方向与第二反射镜射向显微物镜的方向相反。

进一步的，所述成像光路还包括在垂直于光路的平面内位置可调的第二透镜阵列，所述第二透镜阵列与第一透镜阵列结构相同，且设置于第一透镜阵列与滤光片阵列之间。

进一步的，所述第一透镜阵列上的多个透镜相对于所述第一透镜阵列的中心对称设置。

进一步的，所述第一透镜阵列中所述透镜的数目为4个。

进一步的，所述激光发生器与所述光束扩展器之间还包括光纤准直器和/或滤波器，以对激光进行准直和/或净化处理。

一种快速多通道拉曼光谱重建系统，基于本发明实施例所述的快速多通道拉曼光谱检测系统，还包括拉曼光谱重建模块，所述拉曼光谱重建模块接收所述图像传感器采集的待测样本的多通道光谱数据，根据多通道光谱数据与完整拉曼光谱数据的转换公式，计算所述待测样本的完整拉曼光谱。

进一步的，所述转换公式为：r＝W*u，其中，r为完整拉曼光谱数据，u为多通道光谱数据，W为转移矩阵：

W＝RU^T(UU^T)^-1

其中，R为训练样本的完整拉曼光谱数据集R＝{r₁,r₂,...,r_i,...,r_k}，U为训练样本根据本发明实施例所述的快速多通道拉曼光谱检测系统采集的多通道光谱数据集U＝{u₁,u₂,...,u_i,...,u_k}，其中，k为样本容量。

本发明采用如上技术方案，并具有有益效果：

1、结构简单，成本低；

2、能够采用宽场模式激发待测物品，并直接耦合于图像传感器上，可以获得良好的动态性能和空间分辨率；

3、通过高性能精简的光学元件和共轴配置建立一体式的光谱激发、收集和成像光路，简化了光学系统，减少了光路，优化了拉曼光谱仪结构；

4.能够同时获得多个窄带通道的成像数据，进而快速重建完整、高分辨率光谱的拉曼光谱谱图。

附图说明

图1所示为本发明实施例一中系统的结构示意图。

图2所示为本发明实施例一中成像光路的结构示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

实施例一：

如图1～2所示，本发明提供了一种快速多通道拉曼光谱检测系统，包括激发收集光路和成像光路7。

参阅图1，所述激发收集光路包括激光发生器1、光束扩展器2、第一反射镜3a、二向色镜4、第二反射镜3b和显微物镜5。

所述激光发生器1用于产生激光8。所述光束扩展器2用于改变光径的大小，通过增大光径，能够实现待测物品的宽场模式激发，通过减小光径，能够实现待测物品的单点模式激发。所述第一反射镜3a和第二反射镜3b用于对光进行反射，所述二向色镜4用于透过一定波长的光，而反射另一些波长的光。所述显微物镜5用于对光线进行聚焦。

该实施例中，在所述激发收集光路中沿光路方向依次设置激光发生器1、光束扩展器2、第一反射镜3a、二向色镜4、第二反射镜3b、显微物镜5和待测物品6。所述激光发生器1与所述光束扩展器2同轴设置，所述激光发生器1产生的激光8经过光束扩展器2的调节后以45°入射角射入第一反射镜3a，经第一反射镜3a的反射后射出至二向色镜4，所述二向色镜4对所述激光8进行反射，反射后的所述激光8以45°入射角射入第二反射镜3b，经第二反射镜3b的反射后射出至显微物镜5，所述显微物镜5将所述激光8聚焦至所述待测物品6上，其中，第一反射镜3a射向二向色镜4的方向与第二反射镜3b射向显微物镜5的方向相反。

需要说明的是，上述结构中第一反射镜3a和第二反射镜3b的设置是根据该系统所占的空间和结构的需求来对应设置的：由于待测物品6可能为固体或液体，当待测物品6为液体时，其在水平摆放的情况下测试的效果最佳，其分布更加的均匀；而该系统的高度不能太高，因此，所述激光发生器1与光束扩展器2较佳的应水平设置，因此根据上述的需求，将本实施例中的系统设置成上述的结构。在其他的实施方式中，如改变激光发生器1与光束扩展器2的摆放位置时，所述反射镜可以进行删除或增加，在此不做限制。

该实施例中，所述激光发生器1与所述光束扩展器2之间还包括光纤准直器和/或滤波器，以对激光8进行准直和/或净化处理，当然，此为一种优选的实施方式，在其他的实施方式中，也可以不包括准直和净化功能，或只包括两种功能中的其他一种。

所述待测物品6接收到所述激光8后发出散射光，所述散射光包括所述激光8和与所述激光8不同波长的拉曼光9，所述散射光经过所述显微物镜5后，投射至所述二向色镜4上，所述二向色镜4将所述散射光中的所述激光8反射后，将所述散射光中的所述拉曼光9透射进入所述成像光路7。

参阅图2，所述成像光路7包括同轴且依序设置的滤光片71、第一透镜阵列72、第二透镜阵列73、滤光片阵列74和图像传感器75，所述第二透镜阵列73在垂直于光路的平面内位置可调。所述拉曼光9进入成像光路7后依次经过滤光片71、第一透镜阵列72的多个透镜、第二透镜阵列73的多个透镜和滤光片阵列74的多个带通滤光片741后投射至图像传感器75上。

所述滤光片71用于对拉曼光9进行初步过滤，只允许需求波长的拉曼光9通过。

所述第一透镜阵列72和第二透镜阵列73结构相同，且均设置有多个透镜。所述第一透镜阵列72用于形成光通过的通道，使最终投射到图像传感器75上的不同通道的光相互分隔开。所述第二透镜阵列73用于控制光投射在图像传感器75上的大小，通过调节所述第二透镜阵列73在垂直于光路的平面内的位置，可以改变光投射在图像传感器75上的光斑的大小。

需要说明的是，所述第二透镜阵列73为一种优选的实施方式，以使光的大小能够调整，在其他的实施方式中可以不包括所述第二透镜阵列73。

所述透镜的数量可以根据通道数量的需求进行设置，较佳的，所述多个透镜相对于所述第一透镜阵列72的中心对称设置。该实施例中，所述透镜的数量为呈2×2结构分布的四个透镜。在其他实施例中，透镜的数量可以设置为其他数量。

所述滤光片阵列74包括多个与所述多个透镜位置对应的带通滤光片741，所述多个带通滤光片741所选取的波长均不相同，且所述滤光片71所选取的波长包含多个带通滤波片741所选取的波长，即能通过所述多个带通滤光片741的光均能从滤光片71通过。所述多个带通滤波片741和滤光片71的选择取决于待测物质的特征波峰位置。通过所述多个带通滤光片741将不同通道的具有相同波长的光过滤为具有不同波长的光。

所述图像传感器75接收多通道拉曼光的光学信号，并将其转化为该待测物品6的多通道光谱数据。该实施例中，所述图像传感器75为CCD，其是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。

本实施例中，通过激发收集光路进行激光8收集，并将反射的拉曼光9射入成像光路7，通过成像光路7中的多通道设置，以检测具有不同波长的多通道拉曼光。

本系统结构简单，成本低；能够采用宽场模式激发待测物品，并直接耦合于图像传感器上，可以获得良好的动态性能和空间分辨率；通过高性能精简的光学元件和共轴配置建立一体式的光谱激发、收集和成像光路，简化了光学系统，减少了光路，优化了拉曼光谱仪结构。

实施例二：

本发明实施例二提供了一种快速多通道拉曼光谱重建系统，基于实施例一所述的快速多通道拉曼光谱检测系统，还包括拉曼光谱重建模块，所述拉曼光谱重建模块接收所述图像传感器75采集的待测样本的多通道光谱数据，根据多通道光谱数据与完整拉曼光谱数据的转换公式，计算所述待测样本的完整拉曼光谱。

该实施例中，所述转换公式为：r＝W*u，其中，r为完整拉曼光谱数据，u为多通道光谱数据，W为转移矩阵。

所述转移矩阵W为：

W＝RU^T(UU^T)^-1，

其中，R为训练样本的完整拉曼光谱数据集R＝{r₁,r₂,...,r_i,...,r_k}，U为训练样本实施例一中所述快速多通道拉曼光谱检测系统采集的多通道光谱数据集U＝{u₁,u₂,...,u_i,...,u_k}，其中，k为样本容量。

本实施例所述系统能够同时获得多个窄带通道的成像数据，进而快速重建完整、高分辨率光谱的拉曼光谱谱图。

实施例三：

本发明实施例三提供了一种快速多通道拉曼光谱重建系统，与实施例二所述的快速多通道拉曼光谱重建系统大致相同，区别点在于：

所述转移矩阵W为：其计算方法如下：

S1：从拉曼光谱仪获取训练样本的拉曼光谱数据集R：

R＝{r₁,r₂,...,r_i,...,r_k}

其中，R是一n×k维的矩阵，n是采样点个数，k是样本容量。

S2：通过实施例一所述的快速多通道拉曼光谱检测系统，获取训练样本的多通道光谱数据集U：

U＝{u₁,u₂,...,u_i,...,u_k}

其中，U是一g×k维的矩阵，g是通道个数，k是样本容量。

S3：对多通道光谱数据集U中的各元素进行二阶多项式回归拓展，得到结果U₁，则U₁中的任一元素均为U中对应元素经拓展后的结果，设定拓展前的多通道数据u＝[u₁,u₂,...,u_g]，其中g为通道的数目，则拓展后的U₁中元素u_i为：

u_i＝[1,u_i1,u_i2,...,u_ig,u_i1u_i1,u_i1u_i2,...,u_i1u_ig,u_i2u_i2,...,u_i2u_ig,...,u_ig-1u_ig,u_igu_ig] (1)

通过对获取的多通道数据进行二阶多项式回归拓展，可以有效抑制非线性影响因素。

S4：根据维纳(Wiener)估计估算待测物质的拉曼光谱r。

鉴于待测物质的拉曼光谱r与训练样本的拉曼光谱数据r_i是同维的向量，因此该实施例中，通过Tanimoto系数，来判断r与r_i的相似度λ_i，即为该待测物质对应的权重。

该实施例中，为了提高求解精度，优选将相似程度过低的样本直接剔除，采用的具体方法为：设定相似度阈值，将计算的相似度λ_i的值低于相似度阈值的样本剔除。

所述相似度λ_i的计算公式为：

λ_i＝T(r_i,r)＝(r_i*r)/(||r_i||²+||r||²-r_i*r) (2)

根据公式(2)，对训练样本的拉曼光谱数据集R和多通道光谱数据集U中的每个元素均赋予对应的权重λ_i，分别设为R₁和则：得：

R₁＝{λ₁r₁,λ₂r₂,...,λ_ir_i,...,λ_kr_k} (3)

S5：根据维纳估计，计算转移矩阵W：

其中，上标‘T’表示矩阵转置，上标‘-1’表示矩阵求逆。

通过对训练样本赋予对应的权重，能够优化训练样本，提高转移矩阵的精度。

本实施例所述系统能够同时获得多个窄带通道的成像数据，进而快速重建完整、高分辨率光谱的拉曼光谱谱图。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种快速多通道拉曼光谱检测系统，其特征在于：包括激发收集光路和成像光路；

所述激发收集光路包括激光发生器、光束扩展器、二向色镜和显微物镜；

所述激光发生器与所述光束扩展器同轴设置，所述激光发生器产生的激光经过光束扩展器后投射至所述二向色镜上后，所述二向色镜对所述激光进行反射，反射后的所述激光经过所述显微物镜后聚焦至待测物品上；

所述待测物品接收到所述激光后发出散射光，所述散射光包括所述激光和与所述激光不同波长的拉曼光，所述散射光经过所述显微物镜后，投射至所述二向色镜上，所述二向色镜将所述散射光中的所述激光反射后，将所述散射光中的所述拉曼光透射进入所述成像光路；

所述成像光路包括同轴设置的滤光片、第一透镜阵列、第二透镜阵列、滤光片阵列和图像传感器，所述第一透镜阵列和第二透镜阵列结构相同，且均设置有多个透镜，所述滤光片阵列包括多个与所述多个透镜位置对应的带通滤光片，所述多个带通滤光片所选取的波长均不相同，且所述滤光片所选取的波长包含多个带通滤波片所选取的波长；

所述拉曼光进入成像光路后依次经过滤光片、第一透镜阵列的多个透镜、第二透镜阵列的多个透镜和滤光片阵列的多个带通滤光片后投射至图像传感器上，所述图像传感器接收拉曼光的光学信号，并将其转化为该待测物品的多通道光谱数据。

2.根据权利要求1所述的快速多通道拉曼光谱检测系统，其特征在于：所述激发收集光路还包括一个或多个反射镜，用于改变光束扩展器与二向色镜之间的光路方向，和/或改变二向色镜与显微物镜的光路方向。

3.根据权利要求2所述的快速多通道拉曼光谱检测系统，其特征在于：所述反射镜包括两个，分别设为第一反射镜和第二反射镜，激光以45°入射角射入第一反射镜，经第一反射镜的反射后射出至二向色镜，二向色镜射出的激光以45°入射角射入第二反射镜，经第二反射镜的反射后射出至显微物镜，其中，第一反射镜射向二向色镜的方向与第二反射镜射向显微物镜的方向相反。

4.根据权利要求1所述的快速多通道拉曼光谱检测系统，其特征在于：所述成像光路还包括在垂直于光路的平面内位置可调的第二透镜阵列，所述第二透镜阵列与第一透镜阵列结构相同，且设置于第一透镜阵列与滤光片阵列之间。

5.根据权利要求1所述的快速多通道拉曼光谱检测系统，其特征在于：所述第一透镜阵列上的多个透镜相对于所述第一透镜阵列的中心对称设置。

6.根据权利要求1所述的快速多通道拉曼光谱检测系统，其特征在于：所述第一透镜阵列中所述透镜的数目为4个。

7.根据权利要求1所述的快速多通道拉曼光谱检测系统，其特征在于：所述激光发生器与所述光束扩展器之间还包括光纤准直器和/或滤波器，以对激光进行准直和/或净化处理。

8.一种快速多通道拉曼光谱重建系统，其特征在于：基于权利要求1～7中任一所述的快速多通道拉曼光谱检测系统，还包括拉曼光谱重建模块，所述拉曼光谱重建模块接收所述图像传感器采集的待测样本的多通道光谱数据，根据多通道光谱数据与完整拉曼光谱数据的转换公式，计算所述待测样本的完整拉曼光谱。

9.根据权利要求8所述的快速多通道拉曼光谱重建系统，其特征在于：所述转换公式为：r＝W*u，其中，r为完整拉曼光谱数据，u为多通道光谱数据，W为转移矩阵：

W＝RU^T(UU^T)^-1

其中，R为训练样本的完整拉曼光谱数据集R＝{r₁,r₂,...,r_i,...,r_k}，U为训练样本根据权利要求1～7中任一所述的快速多通道拉曼光谱检测系统采集的多通道光谱数据集U＝{u₁,u₂,...,u_i,...,u_k}，其中，k为样本容量。