CN113189079B - 一种空间外差拉曼光谱仪系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空间外差拉曼光谱仪系统，以解决传统的色散型拉曼光谱仪难以进行高精度、高灵敏度、高光通量的检测分析问题。该系统包括激发光源、拉曼探头和空间外差拉曼光谱仪，激发光源出射的激发光通过光纤传输至拉曼探头，拉曼探头将激发光汇聚于被测样品，并收集激发的拉曼散射光，再将收集的拉曼散射光通过光纤出射至空间外差拉曼光谱仪。空间外差拉曼光谱仪包括前置准直镜头、空间外差干涉仪、条纹成像镜头和探测器，光纤出射的拉曼散射光依次经过前置准直镜头、空间外差干涉仪和条纹成像镜头后，在探测器靶面上形成干涉条纹。该光谱仪在工作波段内可以得到调制度良好的干涉图，能够满足光谱反演的精度要求。

Description

一种空间外差拉曼光谱仪系统
技术领域
本发明涉及拉曼光谱测量分析领域，具体涉及一种空间外差拉曼光谱仪系统。
背景技术
拉曼光谱技术具有简单、快速、特征峰清晰尖锐、重现性好、无需样品制备等特点，利用激光照射组织，产生与入射光频率不同的拉曼散射光，通过分析拉曼散射光得到分子转动、振动方面的信息。由于不同分子的拉曼光谱的谱线特征不同，因此可以作为分子识别的指纹光谱。
传统的拉曼光谱仪多为色散型光谱仪，色散型光谱仪需要非常小的狭缝来提高光谱分辨率，限制了进入光谱仪的光通量，而光谱分辨率的提高也会减少测量的光谱范围，导致拉曼光谱仪难以进行高精度、高灵敏度、高光通量的检测分析。
发明内容
本发明的目的是解决传统的色散型拉曼光谱仪难以进行高精度、高灵敏度、高光通量的检测分析问题，而提供一种空间外差拉曼光谱仪系统。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种空间外差拉曼光谱仪系统，其特殊之处在于：包括激发光源、拉曼探头和空间外差拉曼光谱仪；所述激发光源出射的激发光通过光纤传输至拉曼探头，拉曼探头将激发光汇聚于被测样品，并收集激发的拉曼散射光，再将收集的拉曼散射光通过光纤出射至空间外差拉曼光谱仪；
所述空间外差拉曼光谱仪包括前置准直镜头、空间外差干涉仪、条纹成像镜头和探测器；所述光纤出射的拉曼散射光依次经过前置准直镜头、空间外差干涉仪和条纹成像镜头后，在探测器靶面上形成干涉条纹；
所述前置准直镜头包括沿光路依次设置的第一前置透镜、第二前置透镜、第三前置透镜和滤光片；所述第一前置透镜为双凸正透镜，所述第二前置透镜为凹弯月负透镜，所述第三前置透镜为双凸正透镜，且第二前置透镜与第三前置透镜胶接组成前置胶合透镜；
所述空间外差干涉仪包括设置在前置准直镜头出射光路上的分束棱镜、依次设置在分束棱镜反射光路上的第一视场展宽棱镜和第一闪耀光栅、依次设置在分束棱镜透射光路上的第二视场展宽棱镜和第二闪耀光栅；所述第一闪耀光栅与第一视场展宽棱镜的后表面平行；所述第二闪耀光栅与第二视场展宽棱镜的后表面平行；
所述条纹成像镜头包括沿光路依次设置的第一条纹成像透镜、第二条纹成像透镜、第三条纹成像透镜、第四条纹成像透镜、孔径光阑、第四条纹成像透镜、第三条纹成像透镜、第二条纹成像透镜、第一条纹成像透镜，且关于孔径光阑前后对称；所述第一条纹成像透镜、第二条纹成像透镜及第三条纹成像透镜均为双凸正透镜，所述第四条纹成像透镜为双凹负透镜，且相邻的第三条纹成像透镜与第四条纹成像透镜胶接组成条纹成像胶合透镜。
进一步地，所述前置准直镜头与分束棱镜的间隔为9.84mm±0.04mm；
所述条纹成像镜头与分束棱镜的间隔为13.88mm±0.04mm；
所述条纹成像镜头与探测器的间隔为49.06mm±0.04mm；
所述第一前置透镜与前置胶合透镜的间隔为17.2±0.04mm；
所述前置胶合透镜与滤光片的间隔为5±0.04mm；
所述第一条纹成像透镜与相邻的第二条纹成像透镜的间隔为24±0.04mm；
所述第二条纹成像透镜与相邻的条纹成像胶合透镜的间隔为5.1±0.04mm；
所述条纹成像胶合透镜与孔径光阑的间隔为10±0.04mm。
进一步地，所述激发光源的激发波长为830nm。
进一步地，所述滤光片的中心波长为922nm，峰值半高宽为150nm。
进一步地，所述前置准直镜头的物方孔径NA为0.22，焦距为44.34mm。
进一步地，所述第一视场展宽棱镜和第二视场展宽棱镜为相同的棱镜，其顶角均为4.7255°；
所述第一闪耀光栅和第二闪耀光栅的刻线密度均为150gr/mm，其闪耀角为3.62°。
进一步地，所述条纹成像镜头的工作F/#为9，放大率β为-1，像面大小为13.312mm×13.312mm。
进一步地，所述第一前置透镜和第三前置透镜的玻璃材料均为H-ZBAF50；
所述第二前置透镜的玻璃材料为H-ZF52；
所述第一条纹成像透镜、第二条纹成像透镜及第三条纹成像透镜的玻璃材料均为H-ZK9B；
所述第四条纹成像透镜的玻璃材料为H-ZF4A。
进一步地，所述探测器为科学级的sCOMS相机，其光谱响应范围为400-1000nm，像元数量为2048×2048，像元尺寸为6.5μm×6.5μm。
本发明相比现有技术的有益效果是：
1、本发明提供的空间外差拉曼光谱仪系统，通过空间外差拉曼光谱仪进行光谱的检测分析，由于空间外差拉曼光谱仪不需要狭缝，而且无移动部件，可有效提高光谱分辨率，增加光通量，提高探测灵敏度。
2、本发明可应用于生物医学领域，用于生物医学拉曼光谱检测的激发光源多为785nm、830nm和1064nm，其中1064nm的背景荧光抑制效果最好，但是其拉曼散射光强度较低，需要提高激光功率增加拉曼散射光强度，但是功率过高易对皮肤组织造成一定的损害。830nm相比于785nm的背景荧光抑制效果要好，比1064nm的抑制效果较差，但是拉曼散射光强度要高于1064nm，而且可以使用高分辨率、低噪声的sCMOS探测器进行测量，因此830nm的激发光源更适合进行生物医学的拉曼光谱检测。本发明使用830nm的激发光源可有效抑制背景荧光，提高拉曼散射光信号强度。
3、通过对前置准直镜头、空间外差干涉仪、条纹成像镜头的特殊设计，可以在工作光谱范围内得到具有较好调制度的仿真干涉图，能够满足光谱反演的精度要求，满足生物医学检测方面的需求。
4、本发明的条纹成像镜头采用双远心的设计，放大率为-1，且光学组件关于孔径光阑前后对称，可以有效平衡光学系统的像差，降低加工成本。
5、本发明提供的空间外差拉曼光谱仪光谱分辨率达到2.96cm-1，且前端无入射狭缝，可以实现拉曼光谱的高光谱分辨率、高通量、高灵敏度的检测。
附图说明
图1是本发明空间外差拉曼光谱仪系统的结构示意图；
图2是本发明中前置准直镜头的结构示意图；
图3是本发明中前置准直镜头在不同视场下的点列图；
图4是本发明中前置准直镜头的场曲、畸变图；
图5是本发明中条纹成像镜头的结构示意图；
图6是本发明中条纹成像镜头在不同视场下的点列图；
图7是本发明中条纹成像镜头的场曲、畸变图；
图8是本发明中条纹成像镜头的MTF曲线图；
图9是850nm单色光入射本发明空间外差拉曼光谱仪系统的仿真干涉图；
图10是850nm单色光入射本发明空间外差拉曼光谱仪系统的仿真干涉曲线；
图11是多个波长的复色光入射本发明空间外差拉曼光谱仪系统的仿真光谱图。
图中，1-激发光源，2-光纤，3-拉曼探头，4-前置准直镜头，41-第一前置透镜，42-第二前置透镜，43-第三前置透镜，44-滤光片，5-空间外差干涉仪，51-分束棱镜，52-第一视场展宽棱镜，53-第一闪耀光栅，54-第二视场展宽棱镜，55-第二闪耀光栅，6-条纹成像镜头，61-第一条纹成像透镜，62-第二条纹成像透镜，63-第三条纹成像透镜，64-第四条纹成像透镜，65-孔径光阑，7-探测器。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的空间外差拉曼光谱仪系统作进一步详细说明。
本实施例提供了一种用于生物医学拉曼光谱检测的空间外差拉曼光谱仪系统，如图1所示，包括激发光源1、拉曼探头3和空间外差拉曼光谱仪。激发光源1出射的激发光通过光纤2传输至拉曼探头3，拉曼探头3将激发光汇聚于被测样品，并收集激发的拉曼散射光，再将收集的拉曼散射光通过光纤2出射至空间外差拉曼光谱仪。
激发光源1的激发波长为830nm，更适合进行生物医学的拉曼光谱检测。拉曼探头3包括激发光路与收集光路。
空间外差拉曼光谱仪包括前置准直镜头4、空间外差干涉仪5、条纹成像镜头6和探测器7。光纤2出射的拉曼散射光依次经过前置准直镜头4、空间外差干涉仪5和条纹成像镜头6后，在探测器7靶面上形成干涉条纹。
如图2所示，前置准直镜头4包括沿光路依次设置的第一前置透镜41、第二前置透镜42、第三前置透镜43和滤光片44。
第一前置透镜41为双凸正透镜，第二前置透镜42为凹弯月负透镜，第三前置透镜43为双凸正透镜，且第二前置透镜42与第三前置透镜43胶接组成前置胶合透镜。第一前置透镜41和第三前置透镜43的玻璃材料均为H-ZBAF50，第二前置透镜42的玻璃材料为H-ZF52。滤光片44的中心波长为922nm，峰值半高宽为150nm。前置准直镜头4的物方孔径NA为0.22，焦距为44.34mm，保证能充分照亮光栅。
空间外差干涉仪5包括设置在前置准直镜头4出射光路上的分束棱镜51、依次设置在分束棱镜51反射光路上的第一视场展宽棱镜52和第一闪耀光栅53、依次设置在分束棱镜51透射光路上的第二视场展宽棱镜54和第二闪耀光栅55。
分束棱镜51为半反半透的分束元件；第一闪耀光栅53与第一视场展宽棱镜52的后表面平行，组成干涉仪一臂；第二闪耀光栅55与第二视场展宽棱镜54的后表面平行，组成干涉仪另一臂。第一视场展宽棱镜52和第二视场展宽棱镜54为相同的棱镜，其顶角均为4.7255°；第一闪耀光栅53和第二闪耀光栅55的刻线密度均为150gr/mm，其闪耀角为3.62°。
如图5所示，条纹成像镜头6为双远心镜头，包括沿光路依次设置的第一条纹成像透镜61、第二条纹成像透镜62、第三条纹成像透镜63、第四条纹成像透镜64、孔径光阑65、第四条纹成像透镜64、第三条纹成像透镜63、第二条纹成像透镜62、第一条纹成像透镜61，且关于孔径光阑65前后对称。
第一条纹成像透镜61、第二条纹成像透镜62及第三条纹成像透镜63均为双凸正透镜，第四条纹成像透镜64为双凹负透镜，且相邻的第三条纹成像透镜63与第四条纹成像透镜64胶接组成条纹成像胶合透镜。第一条纹成像透镜61、第二条纹成像透镜62及第三条纹成像透镜63的玻璃材料均为H-ZK9B，第四条纹成像透镜64的玻璃材料为H-ZF4A。条纹成像镜头6的工作F/#为9，放大率β为-1，像面大小为13.312mm×13.312mm。
探测器7为科学级的sCOMS相机，其光谱响应范围为400-1000nm，像元数量为2048×2048，像元尺寸为6.5μm×6.5μm。
前置准直镜头4与分束棱镜51的间隔为9.84mm±0.04mm，条纹成像镜头6与分束棱镜51的间隔为13.88mm±0.04mm，条纹成像镜头6与探测器7的间隔为49.06mm±0.04mm。第一前置透镜41与前置胶合透镜的间隔为17.2±0.04mm，前置胶合透镜与滤光片44的间隔为5±0.04mm。第一条纹成像透镜61与相邻的第二条纹成像透镜62的间隔为24±0.04mm，第二条纹成像透镜62与相邻的条纹成像胶合透镜的间隔为5.1±0.04mm，条纹成像胶合透镜与孔径光阑65的间隔为10±0.04mm。
本实施例中利用拉曼探头3激发并收集拉曼散射光，通过光纤2将收集到的拉曼散射光引入空间外差拉曼光谱仪中，光纤2出射的拉曼散射光经过前置准直镜头4后准直为平行光，同时经过滤光片44获得目标光谱范围内的辐射强度信息，再经过空间外差干涉仪5分光后，在其定域面处产生干涉条纹，最后经过条纹成像镜头6将干涉条纹成像到探测器7上。通过对干涉条纹进行数据反演，可以得到拉曼光谱曲线。
本实施例中，该光学系统的所有透镜面型均为球面，没有非球面镜片，易于加工制造，且成本较低。
该光学系统的具体结构参数如下表所示：
图3为前置准直镜头4的点列图，图4为前置准直镜头4的场曲、畸变图，从图3、图4中可以看出，前置准直镜头4的RMS弥散斑半径在两倍的艾里斑半径内，全视场的畸变在0.2％以内，满足设计的要求。
图6为条纹成像镜头6的点列图，图7为条纹成像镜头6的场曲、畸变图，图8为条纹成像镜头6的MTF曲线图，从图6、图7、图8中可以看出条纹成像镜头6的RMS弥散斑在艾里斑以内，畸变在完全对称的系统结构中消除；在系统奈奎斯特采样频率77lp/mm处，MTF曲线接近衍射极限，满足成像质量要求。
图9、图10分别为850nm单色光入射到该光学系统的仿真干涉图和干涉曲线，根据图9、图10可以计算出干涉图调制度在0.99以上，干涉图的调制度良好。
图11为多波长的复色光入射到该光学系统的仿真反演光谱图，其光谱峰半高宽小于2.96cm-1，光谱峰半高宽即为光谱分辨率，与理论设计值比较满足要求。

Claims (5)

1.一种空间外差拉曼光谱仪系统，其特征在于：包括激发光源(1)、拉曼探头(3)和空间外差拉曼光谱仪；所述激发光源(1)出射的激发光通过光纤(2)传输至拉曼探头(3)，拉曼探头(3)将激发光汇聚于被测样品，并收集激发的拉曼散射光，再将收集的拉曼散射光通过光纤(2)出射至空间外差拉曼光谱仪；
所述空间外差拉曼光谱仪包括前置准直镜头(4)、空间外差干涉仪(5)、条纹成像镜头(6)和探测器(7)；所述光纤(2)出射的拉曼散射光依次经过前置准直镜头(4)、空间外差干涉仪(5)和条纹成像镜头(6)后，在探测器(7)靶面上形成干涉条纹；
所述前置准直镜头(4)包括沿光路依次设置的第一前置透镜(41)、第二前置透镜(42)、第三前置透镜(43)和滤光片(44)；所述第一前置透镜(41)为双凸正透镜，所述第二前置透镜(42)为凹弯月负透镜，所述第三前置透镜(43)为双凸正透镜，且第二前置透镜(42)与第三前置透镜(43)胶接组成前置胶合透镜；
所述空间外差干涉仪(5)包括设置在前置准直镜头(4)出射光路上的分束棱镜(51)、依次设置在分束棱镜(51)反射光路上的第一视场展宽棱镜(52)和第一闪耀光栅(53)、依次设置在分束棱镜(51)透射光路上的第二视场展宽棱镜(54)和第二闪耀光栅(55)；所述第一闪耀光栅(53)与第一视场展宽棱镜(52)的后表面平行；所述第二闪耀光栅(55)与第二视场展宽棱镜(54)的后表面平行；
所述条纹成像镜头(6)包括沿光路依次设置的第一条纹成像透镜(61)、第二条纹成像透镜(62)、第三条纹成像透镜(63)、第四条纹成像透镜(64)、孔径光阑(65)、第四条纹成像透镜(64)、第三条纹成像透镜(63)、第二条纹成像透镜(62)、第一条纹成像透镜(61)，且关于孔径光阑(65)前后对称；所述第一条纹成像透镜(61)、第二条纹成像透镜(62)及第三条纹成像透镜(63)均为双凸正透镜，所述第四条纹成像透镜(64)为双凹负透镜，且相邻的第三条纹成像透镜(63)与第四条纹成像透镜(64)胶接组成条纹成像胶合透镜；
所述前置准直镜头(4)与分束棱镜(51)的间隔为9.84mm±0.04mm；
所述条纹成像镜头(6)与分束棱镜(51)的间隔为13.88mm±0.04mm；
所述条纹成像镜头(6)与探测器(7)的间隔为49.06mm±0.04mm；
所述第一前置透镜(41)与前置胶合透镜的间隔为17.2±0.04mm；
所述前置胶合透镜与滤光片(44)的间隔为5±0.04mm；
所述第一条纹成像透镜(61)与相邻的第二条纹成像透镜(62)的间隔为24±0.04mm；
所述第二条纹成像透镜(62)与相邻的条纹成像胶合透镜的间隔为5.1±0.04mm；
所述条纹成像胶合透镜与孔径光阑(65)的间隔为10±0.04mm；
所述激发光源(1)的激发波长为830nm；
所述前置准直镜头(4)的物方孔径NA为0.22，焦距为44.34mm；
所述第一视场展宽棱镜(52)和第二视场展宽棱镜(54)为相同的棱镜，其顶角均为4.7255°；
所述第一闪耀光栅(53)和第二闪耀光栅(55)的刻线密度均为150gr/mm，其闪耀角为3.62°。
2.根据权利要求1所述的空间外差拉曼光谱仪系统，其特征在于：
所述滤光片(44)的中心波长为922nm，峰值半高宽为150nm。
3.根据权利要求2所述的空间外差拉曼光谱仪系统，其特征在于：
所述条纹成像镜头(6)的工作F/#为9，放大率β为-1，像面大小为13.312mm×13.312mm。
4.根据权利要求3所述的空间外差拉曼光谱仪系统，其特征在于：
所述第一前置透镜(41)和第三前置透镜(43)的玻璃材料均为H-ZBAF50；
所述第二前置透镜(42)的玻璃材料为H-ZF52；
所述第一条纹成像透镜(61)、第二条纹成像透镜(62)及第三条纹成像透镜(63)的玻璃材料均为H-ZK9B；
所述第四条纹成像透镜(64)的玻璃材料为H-ZF4A。
5.根据权利要求4所述的空间外差拉曼光谱仪系统，其特征在于：
所述探测器(7)为sCOMS相机，其光谱响应范围为400-1000nm，像元数量为2048×2048，像元尺寸为6.5μm×6.5μm。
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