CN114846383A - 可调节的扩展焦点拉曼系统 - Google Patents

Abstract

描述了一种系统的实施例，该系统包括：光源，其被配置成产生光束；准直透镜，其安置在可移动座架上，其中所述准直透镜被配置为捕获所述光束并产生基本上准直的光束；以及非球面漫射环光学器件，其被配置为接收所述准直光束并在表面上产生包括不均匀径向强度分布的光点。

Description

可调节的扩展焦点拉曼系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年12月19日提交的第62/950,837号美国专利申请的优先权权益，出于所有目的，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及一种用于进行拉曼光谱法的设备，该设备利用产生非球面漫射环的光学器件或ADRPO来产生具有可变径向强度的照射光点且利用简单可移动光学器件来改变照射光点的直径。

背景技术

例如拉曼光谱法等光学扫描方法可以提供有关未知材料的有用信息。通过识别未知材料，可以减少或消除危险材料带来的某些威胁。虽然可以通过从其容器中取出材料来完全避免荧光问题，但在现场应用中，这通常不是一种选择。取样也可能导致样品污染或未经培训的人员对取样方法的完整性产生怀疑。

理想情况下，拉曼光谱法系统可以在样品仍在其包装容器中时对其进行测试。通过容器壁取样的一个基本问题是包装材料会导致过度的荧光信号，从而可能会掩盖来自被测材料的拉曼信号(例如漫散射)。

在许多常见应用中经常遇到这种漫散射包装材料。这样的实例包含但不限于塑料瓶、纸标签、袋子、小瓶、泡罩包装等。在这些应用中遇到的漫散射包装材料通常是高度异质的，并且可以由具有不同化学成分的各个层制成。

因此，分析光谱法的主要目标是提供一种能够以非破坏性方式确定包装材料的化学组成的系统。

发明内容

本文关于说明性、非限制性实施方案来描述解决这些和其它需求的系统、方法和产品。各种替代方案、修改和等效物是可能的。

一般而言，在第一方面，本公开的特征在于一种在样品表面上产生照射光点的设备，该照射光点具有可以进一步调节直径的不均匀径向强度分布。该光点可以具有均匀的径向强度，但直径比取样光学器件视场大得多。或者，该光点可以具有不均匀的径向强度，靠近收集区域的部分较弱。这些较弱的部分会产生较低的背景或干扰拉曼信号，从而允许样品信号中可能存在较高的信噪比。可能需要将光源光束聚焦到精确地在收集区域的紧密焦点，以便在更传统的拉曼布置中直接测量封装的拉曼光谱。然后可以使用此封装光谱从包含封装和内容信号的任何其它光谱中去除背景信号。本公开示出了如何移动系统中的单个透镜以改变分布式聚焦和紧密聚焦条件之间的激发。

光点的大小可以从紧凑(例如约50微米)变为大(例如约5mm)，同时在同一位置保持在中心。取样光学器件的尺寸也可以随着照射光点的尺寸变化而改变。取样光学器件可以与照射光点的变化一起交替移动或调整大小。

用于紧凑尺寸有利的手持式分析装置。可以使用额外的镜和聚焦元件，以使光学器件设计适应可用的约束条件。发明人已经考虑使用这种现成的组件来操纵光束路径。

用于关注分析速度的紧急情况。最大限度地减少所需时间，特别是收集数据所需的时间，这对于可能在危险环境中操作的现场人员来说非常重要。

用于其中移动元件的简单性和坚固性受欢迎的手持式分析装置。在光学设计中仅移动单个组件是有利的，因为它降低了装置的复杂性并减少了机械故障的机会。简单的线性运动还允许更坚固的解决方案适合于手持应用空间。

本发明旨在供户外环境中的现场人员使用，而不是供受控环境中的实验室人员使用。这种使用模式需要高度的自动化、坚固性和高价值易用性。光点尺寸和/或检测尺寸的自动化系统控制允许使用具有最低光谱法专业知识水平的装置。在现场使用的应用中也可以理解最小化复杂性和增加稳健性的需要。

我们已经公开了一种在中心附近产生具有较低强度的分布式照射光点的设计，以及一种将光点折叠成紧密焦点的方法。靠近中心的分布光点的较低强度允许收集包装内材料的拉曼散射光谱，而更紧密的焦点允许对包装材料光谱进行取样，以便以后可以从包含样品和包装成分的光谱中减去它。

该设备和方法的实施例还可包含本文公开的任何其它特征或步骤，视情况而定。在附图和以下描述中阐述一个或多个实施例的细节。根据说明书、附图和权利要求书，其它特征和优点将显而易见。

附图说明

为了容易地识别对任何特定元件或动作的讨论，附图标记中的一个或多个最高有效数位是指其中首次引入所述元件的附图编号。

图1示出了包含彼此通信的光学器件102、用户104、计算机108和拉曼光谱仪106的项目100。

图2是光学器件102的光学配置200的一个实施例的图示，所述光学器件被配置为实现可变焦点分布式照射光点。

图3示出了根据一个实施例的光点强度分布300。

图4示出了根据一个实施例的累积强度曲线图400，其示出了相对强度和与质心的半径距离。

图5示出了根据一个实施例的累积强度曲线图500。

图6示出了根据一个实施例的光学布置600。

图7示出了根据一个实施例的假彩色光点图像700。

图8示出了根据一个实施例的可调节的照射光点直径800。

具体实施方式

““传统”拉曼测量”是指照射光点直径保持固定大小并具有均匀径向分布的拉曼系统

“产生非球面漫射环的光学器件”是指用于产生分布式光点的一个实施例包含产生非球面漫射环的光学器件或ADRPO。例如，非球面光学器件的实施例可以包含所谓的轴锥或锥形光学器件，其产生强度环但具有更高阶的非球面项以产生扩展图案。在所描述的实例中，非球面光学器件可以具有系数A1＝-.01、A2＝-.06和A4＝.002，所有其它项为零。

“准直透镜”是指将入射光方向变换为平行路径的光学元件

“滤光器”是指去除某些入射光波长的光学元件

“聚焦光学器件”是指将入射光方向变换为空间点的光学元件

“光源”是指在光谱法应用中用于激发的光源。可以包含适用于拉曼光谱法的激光器，例如785nm或1064nm。光源还可以包含例如LED之类的宽带源。

“移动座架”是指允许光学元件以线性方式移动的机械组合件

“不均匀径向光点分布”是指从中心到边缘具有有意变化的均匀性的照射区域

“样品表面平面”是指被测样品的照射区域所指向的表面

“转向镜”是指用于改变光路径的方向的光学元件

“均匀径向光点分布”是指从中心到边缘具有标称一致的均匀性的照射区域

“音圈”是指音圈致动器(VCA)是直接驱动的有限运动装置，其利用永久磁场和线圈绕组(导体)产生与施加到线圈的电流成比例的力。

现参考图式描述本发明，其中相同参考数字贯穿全文用于指相同元件。在以下描述中，出于解释的目的，阐述许多特定细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，可显而易见，可在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其它情况下，以框图形式展示熟知结构和装置以便促进描述本发明。

如本文所使用，术语“或”旨在是指包含性的“或”而非排除性的“或”。也就是说，除非另有说明或从上下文显而易见，否则“X采用A或B”旨在是指任何自然的包含性排列。也就是说，如果X使用A，X使用B，或X使用A和B两者，那么在任何前述例子下满足“X使用A或B”。此外，除非另外规定，或者从上下文清楚可见涉及单数形式，否则如在中使用的冠词“一”应一般解释为意味着“一个或多个”。

拉曼光谱法系统可用于在各种环境中识别未知材料，评估未知材料带来的威胁，提供包装原材料的正面识别，并提供各种物质的一般安全筛查功能。拉曼光谱法系统的尺寸范围很广，从便携式手持仪器到永久性实验室中的更大型系统。

如图1所示，用户104与拉曼光谱仪106和计算机108交互以便使用该系统进行拉曼光谱法测量。在一个实施例中，计算机108和拉曼光谱仪106被封装在一起作为便携式系统，该便携式系统可以在实验室环境外使用电池电力进行操作。该系统可以是完全集成式装置，或可以被配置为用于计算机108和拉曼光谱仪106的单独单元。在一些实施例中，计算机108可以与拉曼光谱仪106分开定位，从而提供在中心位置增加计算能力的机会。本领域技术人员可以设想系统的组件之间的物理的和无线的各种互连。

用于产生分布式光点的一个实施例包含产生非球面漫射环的光学器件或ADRPO。例如，非球面光学器件的实施例可以包含所谓的轴锥或锥形光学器件，其产生强度环但具有更高阶的非球面项以产生扩展图案。在所描述的实例中，非球面光学器件可以具有系数A1＝-.01、A2＝-.06和A4＝.002，所有其它项为零。

转到图2。可以操纵光学布置以改变光点的直径。例如，将准直透镜204向左(朝向光纤输入)移动大约3.0mm，如下图所示，会导致光点直径减小。

图2元件描述：光学器件102可以包含光学配置200，其具有耦合到光源202的各种元件，所述光源包含本领域已知的产生可用于拉曼光谱法的光束的任何类型的光源。光源202可以被配置为直接输入到光学配置200，或者光源202可以光纤耦合到光学配置200。准直透镜204可以被设计成最佳地捕获来自从光源202输出的光束的基本上所有的光，并且产生基本上准直的光束。准直透镜204可以被可移动地安装，使得它可以沿着光学路径的轴线改变位置。例如，所描述的实施例中的运动范围为约0.1mm至约10mm，以允许样品表面上的光点尺寸变化范围为约10微米至约10mm。准直透镜204将基本上准直的光束引导到产生非球面漫射环的光学器件208中，该光学器件被配置为产生径向漫射的光图案。来自产生非球面漫射环的光学器件208的输出的强度在所得图案的外边缘处比在中心处更强烈。虽然此图案可以直接投影到样品表面平面216上，但在实际应用中，使用一个或多个转向镜210、一个或多个滤光器206以及诸如凹聚焦透镜212和聚焦光学器件214等聚焦元件来将径向漫射光图案引导到样品表面平面216上是有利的。

图3示出了光点强度分布300的图像。不均匀分布显示外边缘处的相对强度高于中心(例如质心)。来自光学配置200的样品输出，其显示了光点强度的不均匀分布。特别值得注意的是，光点在分布的中心仍然具有一定水平的强度，所述强度向着强度水平最高的边缘逐渐增加。光点的直径可以控制在约10微米到直径约10mm大的范围内。

图4是1.5mm直径光点的从质心输出到750微米半径的累积强度对半径距离的曲线图400的说明性实例。从图中可以看出，中心区的强度相当低，产生的强度刚好高于背景水平。强度朝着轮廓的外部范围迅速增加，这在本文中被称为“漫射环型图案”。中心处的特定照射水平以及漫射环曲线的特性可以根据光学配置200的一个或多个特性(例如准直透镜204和产生非球面漫射环的光学器件208之间的相对距离)而改变，所述特性可以包含产生非球面漫射环的光学器件208(ADRPO)的光学性质。

图5在曲线图500中比较了漫射光点与均匀光点的累积强度。在传统的拉曼光谱法布置中，照射光点在其直径上具有基本上均匀的强度。如您在图5中可见，传统的均匀径向光点分布504的强度从其起点到其边缘基本上是线性的。比较而言，产生非球面漫射环的光学器件208产生不均匀的径向光点分布502，其显示从起点到边缘的基本上非线性的累积强度。

图6是光学布置600的说明性实例，其中使用准直透镜移动座架602移动准直透镜204影响光点直径。在一些实施例中，准直透镜移动座架602包括能够达到微米分辨率的线性定位组合件。在一些情况下，准直透镜移动座架602包括音圈，但是可以采用本领域已知的其它类型的移动座架。例如，准直透镜移动座架602可以包含压电、马达或本领域已知的其它类型的线性定位组合件。

随着准直透镜204与产生非球面漫射环的光学器件208之间的距离改变(例如，准直透镜204相对于产生非球面漫射环的光学器件208的位置移动)，光点直径将改变。例如，随着距离的增加，光点直径变得更小，而随着距离的减小，光点直径变得更大。

图7是使用光学配置200聚焦到约900微米直径的光点的说明性实例(使用假彩色光点图像700)，其中准直透镜204与产生非球面漫射环的光学器件208之间的距离被配置为产生具有对于“传统”拉曼测量具有足够均匀性的强度分布的光点。因此，光学配置200能够实现“传统”拉曼测量，以及使光点变大而随着直径的增加产生更明显的漫射环型图案的测量。

图8是包括不同直径的可调节的照射光点直径800的实施例的说明性实例。紧密聚焦的光点802示出了基本上均匀的强度，但可以理解存在一些强度分布；中等光点804说明可辨别的漫射环型图案(例如，比光点802更高程度的强度分布/不均匀性)；中等-大光点806示出比中等光点804更明显的漫射环型图案(例如，比光点804更高程度的强度分布/不均匀性)；并且大直径光点808示出了明确定义的漫射环型图案(例如，最高程度的强度分布/不均匀性)。重要的是，光点802、804、806和808中的每一个在所有尺寸下都维持一定程度的不均匀径向强度分布。换句话说，强度分布的不均匀程度与光点的直径直接相关。

虽然已通过描述示例性实施例说明本发明且虽然已相当详细地描述此实施例，但本申请人并不意图将所附权利要求书的范围约束或以任何方式限制为此类细节。所属领域的技术人员将容易地看出额外优点和修改。因此，本发明在其较广方面并不限于所展示且描述的具体细节、代表性设备和方法及说明性实例。因此，可在不脱离申请人的一般发明概念的精神或范围的情况下对此类细节进行变更。

Claims (12)

1.一种系统，其包括：

光源，其被配置成产生光束；

准直透镜，其被配置成捕获所述光束且产生基本上准直的光束；以及

非球面漫射环光学器件，其被配置成接收所述准直光束且在表面上产生包括不均匀径向强度分布的光点。

2.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述非球面漫射环光学器件的非球面系数包括A1＝-0.01、A2＝-0.06和A4＝0.002。

3.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述准直透镜安置在可移动座架上。

4.根据权利要求3所述的系统，其中：

所述可移动座架被配置成将所述准直透镜平移至多10mm的距离。

5.根据权利要求3所述的系统，其中：

所述可移动座架被配置成调节所述准直透镜与所述非球面漫射环光学器件之间的相对位置以产生直径在约10微米到约10mm的范围内的所述光点。

6.根据权利要求5所述的系统，其中：

所述光点包括某一程度的所述不均匀径向强度分布，其中所述程度与所述直径相关联。

7.根据权利要求3所述的系统，其中：

所述可移动座架包括音圈。

8.根据权利要求3所述的系统，其中：

所述可移动座架包括具有微米分辨率的线性定位组合件。

9.根据权利要求1所述的系统，还包括：

一个或多个转向镜和一个或多个聚焦光学器件，其被配置成将所述光点引导到所述表面上。

10.一种方法，其包括：

产生光束；

从所述光束产生基本上准直的光束；以及

从所述准直的光束在表面上产生包括不均匀径向强度分布的光点。

11.根据权利要求10所述的方法，其中：

在从约10微米到约10mm的范围内改变所述光点的直径。

12.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述光点包括某一程度的所述不均匀径向强度分布，其中所述程度与所述直径相关联。

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