CN115389485A - 一种拉曼显微设备以及拉曼光谱检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种拉曼显微设备以及拉曼光谱检测方法，所述拉曼显微设备包括：依次层叠的第一层支架、第二层支架和第三层支架；载物片，安装在所述第三层支架，用于放置待测样品；激光发射组件，安装在所述第二层支架，用于激发所述待测样品产生拉曼光信号；明场系统组件，安装在所述第一层支架，用于获取所述待测样品的明场光信号；拉曼系统组件，安装在所述第一层支架，用于获取所述待测样品受激光信号激发产生的所述拉曼光信号。在依次层叠的三层支架中分层安装放置所述拉曼显微设备的组件，降低了拉曼显微设备的体积，增强了便携性。

Description

一种拉曼显微设备以及拉曼光谱检测方法

技术领域

本申请涉及光学显微领域，更具体的说，涉及一种拉曼显微设备以及拉曼光谱检测方法。

背景技术

拉曼光谱测量技术是近些年来发展起来的微尺度实验测量新技术。该技术可以通过采集拉曼散射信号并分析其光谱，以获得材料的化学成分、晶相、以及应力或应变等信息，被广泛的应用于诸多领域的实验分析。

拉曼显微系统是已经成熟商业化开发与应用的光谱测量系统。这些系统通常能够具备优良的光谱探测性能，如高空间分辨率、高拉曼信噪比等，在分析化学、细胞生物学、材料物理学等领域的应用研究中已经取得一系列成功成果。然而现有的拉曼显微系统体积较大，通常是在固定位置使用，便携性较差。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种拉曼显微设备以及拉曼光谱检测方法，方案如下：

一种拉曼显微设备，包括：

依次层叠的第一层支架、第二层支架和第三层支架；

载物片，安装在所述第三层支架，用于放置待测样品；

激光发射组件，安装在所述第二层支架，用于激发所述待测样品产生拉曼光信号；

明场系统组件，安装在所述第一层支架，用于获取待测样品的明场光信号；

拉曼系统组件，安装在所述第一层支架，用于获取所述待测样品受激光信号激发产生的所述拉曼光信号。

优选的，在上述拉曼显微设备中，所述明场系统组件包括：

第一透镜，用于对所述明场光信号进行汇聚；

第一相机，用于接收所述第一透镜出射的明场光信号。

优选的，在上述拉曼显微设备中，所述拉曼系统组件包括：

空间滤波组件，用于对所述拉曼光信号进行空间滤波；

第二反射镜，用于反射进行空间滤波后的拉曼光信号；

棱镜，用于将所述第二反射镜反射后的拉曼光信号进行色散；

第二透镜，用于将所述棱镜色散后的所述拉曼光信号进行汇聚；

第二相机，用于探测所述第二透镜出射的拉曼光信号。

优选的，在上述拉曼显微设备中，所述第一层支架水平放置，所述第二层支架水平固定在所述第一层支架上方，所述第三层支架水平固定在所述第二层支架上方；

所述第三层支架上安装有用于采集光信号的物镜，所述物镜的光轴垂直水平方向；

其中，所述光信号包括所述拉曼光信号和所述明场光信号；

所述第三层支架与所述第二层支架对应所述光轴的区域具有用于透过所述光信号的透光孔。

优选的，在上述拉曼显微设备中，所述载物片位于所述物镜的上方，在所述载物片的上方具有可见光光源器件，用于照射所述待测样品，形成所述明场光信号。

优选的，在上述拉曼显微设备中，所述第二层支架对应所述透光孔的区域具有第一选择透光元件，能够反射所述激光发射组件发射的所述激光信号，使得所述激光信号依次通过所述第三层支架上的透光孔、所述物镜以及所述载物片，照射到所述待测样品；

所述第一选择透光元件能够透射所述明场光信号以及所述拉曼光信号，以使得所述明场光信号通过所述第二层支架上的透光孔入射到所述明场系统组件，使得所述拉曼光信号通过所述第二层支架上的透光孔入射到所述拉曼系统组件。

优选的，在上述拉曼显微设备中，在所述第一层支架对应所述透光孔的区域具有第一反射镜，用于将所述物镜竖直出射的光信号转换为水平传输的光信号。

优选的，在上述拉曼显微设备中，在所述第一层支架上具有第二选择透光元件，能够透射所述拉曼光信号，使得所述拉曼光信号入射到所述拉曼系统组件；

所述第二选择透光元件能够反射明场光信号，使得所述明场光信号入射到所述明场系统组件。

优选的，在上述拉曼显微设备中，还包括机械驱动装置，用于调节所述待测样品在水平面上的位置以及明场图像焦距。

一种拉曼光谱检测方法，包括：

采用上述任一项所述的拉曼显微设备获取所述待测样品的拉曼光信号，以获取拉曼光谱。

通过上述描述可知，本申请提供了一种拉曼显微设备以及拉曼光谱检测方法，所述拉曼显微设备包括：依次层叠的第一层支架、第二层支架和第三层支架；载物片，安装在所述第三层支架，用于放置待测样品；激光发射组件，安装在所述第二层支架，用于激发所述待测样品产生拉曼光信号；明场系统组件，安装在所述第一层支架，用于获取所述待测样品的明场光信号；拉曼系统组件，安装在所述第一层支架，用于获取所述待测样品受激光激信号发产生的拉曼光信号。在依次层叠的三层支架中放置所述拉曼显微设备的组件，降低了拉曼显微设备的体积，增强了便携性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本申请实施例提供的一种拉曼显微设备的光路示意图；

图2为本申请实施例提供的一种拉曼显微设备的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的一种拉曼光谱检测方法的方法流程图；

图4A-图4E为本申请实施例提供的一种处理明场图像的原理示意图；

图5A-图5D为本申请实施例提供的另一种处理明场图像的原理示意图；

图6为本申请实施例提供的一种拉曼光谱示意图；

图7A-图7L为本申请实施例提供的一种拉曼显微设备的系统性能标定示意图；

图8A-图8D为本申请实施例提供的一种基于拉曼光谱对物质分类的示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请中的实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

现有的拉曼光谱仪一般有两种实现方式，分别是传统的拉曼显微镜和激光共焦拉曼显微镜。

拉曼显微镜的拉曼系统组件和明场系统组件是独立的，在聚焦的时候需要分别对所述拉曼系统组件和所述明场系统组件进行聚焦，因此会导致测量时间较长。

激光共焦拉曼显微镜的拉曼系统组件与明场系统组件耦合，保留了明场系统组件的目镜，相较于传统的拉曼显微镜，其灵敏度和数据采集速度大大提高，总效率提高了三个数量级。由于激光共焦显微镜的拉曼系统组件与明场系统组件耦合，其内部光学器件数量减少，操作难度降低，并且占地面积减小，受到了更为广泛的应用，本申请的实施例将以激光共焦显微镜的原理为基础，对本申请的拉曼显微设备进行介绍，需要注意的是，本申请提供的拉曼显微设备并不仅仅适用于激光共焦显微镜，对于传统的拉曼显微镜同样适配。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

参考图1和图2，图1为本申请实施例提供的一种拉曼显微设备的光路示意图。图2为本申请实施例提供的一种拉曼显微设备的结构示意图。

本申请实施例提供的拉曼显微设备包括：依次层叠的第一层支架A1、第二层支架A2和第三层支架A3；载物片10，安装在所述第三层支架A3，用于放置待测样品；激光发射组件11，安装在所述第二层支架A2，用于激发所述待测样品产生拉曼光信号；明场系统组件12，安装在所述第一层支架A1，用于获取待测样品的明场光信号；拉曼系统组件13，安装在所述第一层支架A1，用于获取所述待测样品受激光信号激发产生的所述拉曼光信号。

其中，所述拉曼显微设备的三层支架是通过3D打印得到的，并且预留了安装所述载物片10、激光发射组件11、明场系统组件12以及拉曼系统组件13的位置，保证了在所述拉曼显微设备的各个组件安装完成之后，位于同一层支架的各个元器件的光轴位于同一平面。同时采用3D打印技术打印支架，不仅降低了成本，还便于后续对组件的调整。而在依次层叠的三层支架中分层安装放置所述拉曼显微设备的组件，降低了拉曼显微设备的体积，增强了便携性。

参考图1和图2，本申请实施例所述的明场系统组件12包括：第一透镜121，用于对所述明场光信号进行汇聚；第一相机122，用于接收所述第一透镜121出射的明场光信号。

其中，所述明场光信号依次经过所述载物片10、物镜14、第一选择透光元件15、第一反射镜16、第二选择透光元件17、所述第一透镜121后，到达所述第一相机122。所述第一相机122的镜头与所述第一透镜121位于同一光轴面，并且所述第一相机122位于所述第一透镜121的焦点处，此时能够完整接收明场光信号。

所述第一相机122采用了低成本的CCD相机，所述第一透镜121采用35mm的透镜，在测量时，所述第一相机122基于获取的明场光信号产生明场图像，根据所述明场图像确定待测样品的位置，同时观察激光信号照射位置，然后多次调整所述待测样品的位置，直至所述待测样品位置与所述激光信号照射位置重叠。

参考图1和图2本申请实施例中的拉曼系统组件13包括：空间滤波组件131，用于对所述拉曼光信号进行空间滤波；第二反射镜132，用于反射进行空间滤波后的所述拉曼光信号；棱镜133，用于将所述第二反射镜132反射后的拉曼光信号进行色散；第二透镜134，用于将棱镜133色散后的所述拉曼光信号进行汇聚；第二相机135，用于探测所述第二透镜134出射的拉曼光信号。

当所述待测样品与激光待照射位置重叠后，打开激光发射组件11，向所述待测样品发射激光信号，激发待测样品发生拉曼衍射产生拉曼光信号，所述待测样品的拉曼光信号通过所述物镜14、所述第一选择透光元件15、所述第一反射镜16，经过所述第二选择透光元件17进入所述拉曼系统组件13，在拉曼系统组件13中，首先进入空间滤波组件131，所述空间滤波组件131包括：在拉曼光信号传输方向上依次设置的长通滤波片LPF、第三透镜131a、小孔131b和第四透镜131c。拉曼光信号通过所述第三透镜131a将所述拉曼光信号汇聚，经过汇聚的所述拉曼光信号经过所述小孔131b，进行空间滤波，然后通过所述第四透镜131c将空间滤波后的拉曼信号发散成平行拉曼光信号。经过所述空间滤波组件131进行空间滤波后的拉曼光信号经过所述第二反射镜132的反射进入所述棱镜133，其中，所述第二反射镜132用于改变拉曼光信号的传递方向，降低所述拉曼显微设备的横向长度。

所述棱镜133用于将拉曼光信号色散，所述棱镜133色散后的拉曼光信号经过所述第二透镜134，汇聚到所述第二相机135中，所述第二相机135采用的是COMS探测器，所述COMS探测器能够获取拉曼光信号，还能将拉曼光信号进行处理转变为拉曼电信号，以便于后续绘制拉曼光谱。

由于拉曼光信号是高度稀疏的，所以降低光谱分辨率并不影响器件的分析能力，因此为了降低成本，可以将传统的拉曼显微镜中高精度的价格昂贵的相机、激光器、以及滤波器等器件替换为低精度的价格更低的器件，且不影响对拉曼光信号的光谱分析结果。在本申请实施例中，所述第一相机122采用的是低成本CCD相机，而所述物镜采用的规格为60倍放大倍数，孔径为0.8NA的物镜，所述激光发射组件11包括激光器111和带通滤波片（BPF）112，激光器111采用的是532nm的连续激光器，然后通过带通滤波片112去除所述连续激光器发射激光的旁瓣，所述第二相机135采用的是CMOS探测器。

在上述申请实施例中介绍的拉曼显微设备中，所述第一层支架A1水平放置，所述第二层支架A2水平固定在所述第一层支架A1上方，所述第三层支架A3水平固定在所述第二层支架A2上方；所述第三层支架A3上安装有用于采集光信号的物镜14，所述物镜14的光轴垂直水平方向；其中，所述光信号包括所述拉曼光信号和所述明场光信号；所述三层支架A3与所述第二层支架A2对应所述光轴的区域具有用于透过所述光信号的透光孔。

通过三层支架将所述拉曼显微设备中各个部件进行分层放置，为了便于操作和观察，将所述明场系统组件12和所述拉曼系统组件13安装在所述第一层支架A1上，同时将所述载物片10安装在第三层支架A3上，便于放置所述待测样品，在所述第二层支架A2放置所述激光发射组件11，由于激光信号在传输过程中的能量会损耗，因此所述激光发射组件11与所述载物片10放置在相邻的两层支架，能够保证经过激光发射组件11发射的激光信号在经过反射达到待测样品时，有足够的能量激发待测样品发生拉曼衍射。

还可以在所述第三层支架上安装握持部件，从而使得移动所述拉曼显微设备更加容易。

本申请实施例介绍的拉曼显微设备中，所述载物片10位于所述物镜14的上方，在所述载物片10的上方具有可见光光源器件20，用于照射所述待测样品，形成所述明场光信号。

明场光信号需要物体反射明场光才能接收到，因此为了保证成像效果，在载物片10上方放置一可见光光源器件20，用于提供明场光信号成像所需要的可见光。当环境光足够亮的时候，所述可见光光源器件20可以不开启。同时为了保证照射所述待测样品的可见光的强度不会过大，在所述待测样品与所述可见光光源器件20之间还可以具有一个遮光片，通过所述遮光片可以根据需求选择不同程度的遮光效果。

在上述申请实施例介绍的拉曼显微设备中，所述第二层支架A2对应所述透光孔的区域具有第一选择透光元件15，能够反射所述激光发射组件11发射的激光信号，使得所述激光信号依次通过所述第三层支架A3上的透光孔、所述物镜14以及所述载物片10，照射到所述待测样品；所述第一选择透光元件15能够透射所述明场光信号以及所述拉曼光信号，以使得所述明场光信号通过所述第二层支架A2上的透光孔入射到所述明场系统组件12，使得所述拉曼光信号通过所述第二层支架A2上的透光孔入射到所述拉曼系统组件13。

所述第一选择透光元件15具有反射激光，透射拉曼光信号和明场光信号的作用，通过所述第一选择透光元件15就可以将所述激光发射组件11与所述待测样品放置在不同层支架上，并且可以将所述激光信号与所述待测样品的拉曼光信号和所述明场光信号置于同一光路中，减少了光路器件，从而降低了所述拉曼显微设备的体积。而在第二层支架A2预留的透光孔是用于透过所述拉曼光信号和所述明场光信号的，而第三层支架A3预留的透光孔是用于透过所述激光、所述拉曼光信号和所述明场光信号。

根据预留在支架上的透光孔，合理的安装所述拉曼显设备的器件，保证所述透光孔与所述物镜14处于同一竖直光轴，并且能保证所述激光发射组件11发射的激光信号，经过第一选择透光元件15的反射，能够透过所述第三层支架A3的透光孔，照射到所述待测样品上，使所述待测样品发生拉曼衍射。同时能够保证所述待测样品的光信号能够透过所述透光孔进行传递。从而减少了用于改变光信号传播方向的光学器件，进而降低了调整所述物镜14的难度。

在上述申请实施例中介绍的拉曼显微设备中，在所述第一层支架A1对应所述透光孔的区域具有第一反射镜16，用于将所述物镜14竖直出射的光信号转换为水平传输的光信号。

由于所述第一反射镜16能够改变光信号的传播方向，通过调整所述第一反射镜16的放置位置以及角度，能够将竖直方向的光信号改变成水平方向的光信号，因此可以将所明场系统组件12和拉曼系统组件13安装在所述第一层支架A1上，而所述明场光信号是通过物镜收集，经过位于所述第三层支架A3的透光孔进入所述第一选择透光元件15，然后经过位于所述第二层支架A2的透光孔到达所述第一反射镜16，所述第一反射镜16将竖直传递的明场光信号转变为水平传递的明场光信号，然后进入所述明场系统组件12，降低了所述明场光信号在竖直方向的传播的路径，减少了器件的高度，提高了便携性。

在上述申请实施例介绍的拉曼显微设备中，在所述第一层支架A1上具有第二选择透光元件17，能够透射所述拉曼光信号，使得所述拉曼光信号入射到所述拉曼系统组件13；所述第二选择透光元件17能够反射明场光信号，使得所述明场光信号入射到所述明场系统组件12。

所述第二选择透光元件17能够透射拉曼光信号，反射明场光信号，因此在所述第二选择透光元件17的透射方向对应设置所述拉曼系统组件13，反射方向对应设置所述明场系统组件12。其中，所述拉曼光信号经过所述物镜14收集后出射，再经过位于所述第三层支架A3的透光孔进入所述第一选择透光元件15，然后经过位于所述第二层支架A2的透光孔到达所述第一反射镜16，所述第一反射镜16将竖直传递的拉曼光信号转变为水平传递的拉曼光信号，然后经过所述第二选择透光元件17的透射进入所述拉曼系统组件13。通过设置第二选择透光元件17，可以让所述明场系统组件12与所述拉曼系统组件13 共用从载物片10到第二选择透光元件17之间的光学器件，减少了光学器件的数量，降低了器件体积，同时从载物片10到第二选择透光元件17之间的光路器件共用，因此降低了调整光路所需的步骤，简化了操作流程。

在上述申请实施例介绍的拉曼显微设备中，还包括机械驱动装置18，用于调节所述待测样品在水平面上的位置以及明场图像焦距。

所述机械驱动装置18安装在所述第三层支架A3上，能够控制所述载物片10在水平方向的移动，使位于所述载物片10上的待测样品与所述激光的照射位置重叠。并且，所述机械驱动装置18还能够控制所述物镜14在竖直方向移动，使所述待测样品处于所述物镜14的焦距处，从而得到更加清晰的明场光信号和拉曼光信号。为了保证移动的精度并且控制成本，本申请使用的机械驱动装置18包括步进电机和驱动器，通过驱动器驱动步进电机对所述载物片10以及所述物镜14进行调节，由于所述机械驱动装置18的精度较高，因此使用机械驱动装置18控制所述物镜14的聚焦，以及移动所述载物片10上的待测样品与所述激光信号的照射位置重叠时更为精准，因此测量结果就更为准确。

基于上述拉曼显微设备，本申请还提供了一种拉曼光谱检测方法，所述拉曼光谱检测方法采用上述实施例中任一种所述的拉曼显微设备获取所述待测样品的拉曼光信号，以获取拉曼光谱。

参考图3，图3是本申请实施例提供的一种拉曼光谱检测方法的方法流程图，该拉曼光谱检测方法包括：

首先，将所述拉曼显微设备初始化。

其次，打开LED灯，获取明场图像。

在本申请实施例中，所述可见光光源器件20为LED灯，所述LED灯用于提供待测样品产生明场光信号的可见光。需要注意的是，所述可见光光源器件20不仅可以采用LED灯，还可以采用如白炽灯、日光灯等器件来提供可见光。

进一步的，将上述步骤中获取的明场图像进行分割。

将分割后的图像进行识别，将识别出来的N个目标进行编号，其中，N是大于1的正整数，该N个目标编号依次从1到N，其中i代表N个编号中的任一编号，i是不大于N的正整数。获取每个目标的图像坐标值，然后将所述目标的坐标值与所述编号对应。

最后，基于编号检测目标对应的拉曼光谱。

在该步骤中，首先要加载第i个待采集样品的位置，从i=1开始测量。然后阻挡激光，当i>1时，打开可见光光源器件20。然后移动载物片和物镜，判断所处位置是否为强度最大位置，若不是，则继续移动载物片和物镜，若是，则将拍摄的明场图像与预设的模板匹配。当匹配成功之后，计算激光信号位置和当前待测样品位置的欧氏距离（L[P_L(x,y),P_s(x₀,y₀)]）。其中，P_L(x,y)代表的是在拍摄到的明场图像中激光信号照射的位置坐标，而P_s(x₀,y₀)则是当前待测样品的位置坐标，而两个位置坐标共用同一坐标系。L(P_L(x,y), P_S(x₀,y₀))代表激光信号位置和待测样品位置在明场图像中的欧氏距离。当所述L[P_L(x,y),P_s(x₀,y₀)] 的数值大于3时，需要计算补偿脉冲，然后基于补偿脉冲重新调整载物片和物镜。当所述L[P_L(x,y),P_s(x₀,y₀)]的数值小于或等于3的时候关闭可见光光源器件20，打开激光信号，获取拉曼信号，然后判断编号是否为第N个。若不是则i=i+1，然后重复上述步骤，若是，则测量完成，移动待测样品，进行其他区域的测量。

其中，当判断所述待测样品位置是否为强度最大位置时，需要通过拍摄多组明场图像进行对比，通过机械驱动装置18在水平方向上不断移动所述载物片10以及所述物镜14，直至载物片10所处的位置拍摄的明场图像亮度最高。

其中，对所述明场图像进行分割编号处理的方式参考图4A-图4E，图4A-图4E是本申请实施例提供的一种处理明场图像的原理示意图。其中图4A是拍摄的明场图像，图4B是对拍摄的明场图像进行编号，而图4C则是打开激光，确定激光信号位置与所述待测样品的位置，其中C1表示的是激光信号位置。图4D是图4C中100区域的局部放大图，其中，所述载物片10根据激光位置进行了初步移动，使所述待测样品接近所述激光信号位置。图4E是激光信号位置与待测样品位置重叠后的示意图。先计算待测样品与所述激光信号位置之间的欧式距离，然后不断移动载物片10，当所述激光信号位置与所述待测样品之间的距离小于3个像素时，认为激光信号位置与待测样品位置重叠，此时停止移动载物片10。

其中，对于拍摄的明场图像进行编号的步骤参考图5A-图5D，图5A-图5D是本申请实施例提供的另一种处理明场图像的原理示意图。其中图5A是拍摄的待处理明场图像，图5B是对拍摄的明场图像进行二值化处理的图像，图5C是对进行二值化处理的图像进行开操作，图5D是计算图像的灰度重心，并对图像中的样品进行编号。

计算移动待测样品后与之前测量点位的欧式距离。通过上述步骤对所述待测样品进行测量，测量结果参考图6，图6为本申请实施例提供的一种拉曼光谱示意图。

为了更加直观的看到所述待测样品的拉曼性状，通常会外接处理装置和显示装置，将所述拉曼光信号经由第二相机135转换成的拉曼电信号，绘制成拉曼光谱并显示出来。

可以在拉曼显微设备中集成显示设备，或通过一个与拉曼显微设备分离的终端进行图像显示以及人机交互。

在本申请实施例中，还提供了一种能够将所述拉曼显微设备自动化的方式，在该拉曼显微设备中，可以预留放置控制终端19的位置，本申请中采用的是树莓派（RaspberryPi）控制终端，通过Python编写自动测量系统。

其中，还可以根据Qt框架开发用户交互界面，本申请基于树莓派以及自动测量系统的数据，使用Qt框架开发了一种用户交互界面。在所述用户交互界面中，分为三个操作区域，分别是B1区、B2区和B3区。其中，B1区用于操控所述第二相机135，并显示所述拉曼显微设备测量的拉曼光谱，B2区域用于操控所述第一相机122，并显示所述明场图像。而B3区域用于操控所述机械驱动装置18移动所述载物片10和所述物镜14，以及控制所述可见光光源器件以及激光发射组件11的开关。在对所述待测样品进行测量时，只需在用户交互界面内输入所需参数，所述控制终端19就能根据预设程序以及用户输入的参数，控制所述拉曼显微设备对所述待测样品进行测量。

需要注意的是，在本申请实施例中，不局限于采用树莓派控制终端来实现所述拉曼显微设备自动化，还可以采用如VIM 2 SBC by Khadas、ASUS Tinker Board S、NVIDIAJetson Nano Developer Kit、Odroid-XU4等任一控制终端实现对所述拉曼显微设备的自动化控制。

基于本申请实施例中提供的拉曼显微设备以及控制终端19，能够在没有用户干涉的情况下采集大量的数据。同时排除了人为操作产生的误差，从而能获得更加准确的测量结果。

参考图7A-图7L，图7A-图7L是本申请实施例提供的一种拉曼显微设备的系统性能标定示意图。其中图7A-图7B是光谱分辨率的标定示意图。其中图7A表示采集到的标准Neon光谱示意图，横坐标表示波数，纵坐标表示强度。图7B是对图7A中的200区域的波峰做洛伦兹拟合得到的结果示意图，横坐标表示波数，纵坐标表示强度。其系统分辨率大约为56.8cm^-1。

图7C-7F是自动聚焦性能的示意图。在本申请实施例中通过测量1μm的PS和PMMA小球的混合样品，来阐述本系统自动聚焦的性能，图7C中曲线D1是对11个不同z方向位置得到的图像Brenner梯度值做洛伦兹拟合的结果示意图。其中黑色的点划线D2代表算法认为的最聚焦的位置，横坐标表示脉冲数，纵坐标表示Brenner值。图7D是手动得到的最聚焦的位置示意图。图7E是自动聚焦算法得到的最聚焦的位置图像。在图7F中，M1是本申请实施例中提供的拉曼显微设备测量的PS小球的拉曼光谱，M2是常规的拉曼光谱仪测量的PS小球的拉曼光谱，M3是本申请实施例中提供的拉曼显微设备测量的PMMA小球的拉曼光谱，M4是常规的拉曼光谱仪测量的PMMA小球的拉曼光谱，其中横坐标表示波数，纵坐标表示标准化强度。通过对比可以发现，本申请实施例提供的拉曼显微设备和常规的拉曼光谱仪测量相同物质的光谱除了分辨率上的差异，没有其他的差异，这说明本申请实施例中提供的拉曼显微设备能够准确的获取物质的拉曼光谱。

图7G-图7L是位移精度测量示意图。在本申请实施例中，使用基于图像测试的方法来评价所述拉曼显微设备的定位精度。即所述载物片10在机械驱动装置18的控制下，在A和B两个位置之间重复移动，在每个位置拍摄一幅明场图像。然后计算目标在连续图像上的偏移量来表示定位精度，当测量X轴方向精度时，A、B两个位置的Y坐标相同，仅X坐标有差异，测量Y轴方向精度时同理。图7G是仅X轴方向移动时在A位置的计算误差示意图，图7H是仅X轴方向移动时在B位置的计算误差示意图。图7G和图7H中横坐标表示X轴方向误差，纵坐标表示在Y轴方向的误差。图7I是仅X轴方向移动时的7个独立实验共1440次的移动结果示意图，其中，横坐标表示定位误差，纵坐标表示特定误差出现的频次。其中曲线Q1代表Y轴方向的误差曲线，Q2代表X轴方向的误差曲线。图7J是仅Y轴方向移动时在A位置的计算误差示意图，横坐标表示X轴方向误差，纵坐标表示在Y轴方向的误差。图7K是仅Y轴方向移动时在B位置的计算误差示意图，横坐标表示X轴方向误差，纵坐标表示在Y轴方向的误差。图7L是仅Y轴方向移动时的7个独立实验共1440次的移动结果示意图，横坐标表示定位误差，纵坐标表示特定误差出现的频次。通过测量，本申请实施例所采用的机械驱动装置18控制载物片10在X和Y方向所能达到的定位精度分别为2和3微米。

基于本申请实施例中提供的拉曼显微设备以及控制终端19，能够在没有用户干涉的情况下采集大量的数据。同时排除了人为操作产生的误差，从而能获得更加准确的测量结果。

本申请实施例提供的拉曼显微设备获取的拉曼光信号，经过控制终端19进行处理，能够获得拉曼光信号的信号图谱。

参考图8A-图8D，图8A-图8D是本申请实施例提供的一种基于拉曼光谱对物质分类的示意图。

将10μm的PS和PMMA母液按照1:1的体积比混合进行测量。图8A是本申请提供的PS和PMMA小球的拉曼光谱图。其中W1曲线是PMMA小球的拉曼光谱，W2曲线是PS小球的拉曼光谱，图中横坐标表示波数，纵坐标表示强度。图8B是10μm的PS和PMMA小球的明场图像示意图。其中X1是PS小球的明场图像，X2是PMMA小球的明场图像。

图8C是通过拉曼显微设备采集到的1572个光谱通过K-means（K均值聚类）算法得到的两个特征光谱示意图。图中横坐标表示波数，纵坐标表示强度。其中Y1曲线是PMMA小球的特征光谱，Y2曲线是PS小球的特征光谱。

图8D是采集到的1572个光谱在图8C中得到两个特征光谱组成的特征空间上的投影示意图。其中，横坐标表示的是Y2曲线的特征光谱，纵坐标表示Y1曲线的特征光谱，Z1是PMMA小球的特征光谱在特征空间的投影，Z1中的星号是PMMA小球的中心，Z2是PS小球的特征光谱在特征空间的投影，位于Z2中的叉号是PS小球的中心。对采集到的1572个光谱向该特征空间进行投影得到的裕度值，可以明显的看到聚类现象，能够将两种不同的物质区分开，同时也能说明本申请方案能够自动化的对单个微米尺度的样品进行检测和分类。

本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的设备相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见设备部分说明即可。

需要说明的是，在本申请的描述中，需要理解的是，幅图和实施例的描述是说明性的而不是限制性的。贯穿说明书实施例的同样的幅图标记标识同样的结构。另外，处于理解和易于描述，幅图可能夸大了一些层、膜、面板、区域等厚度。同时可以理解的是，当诸如层、膜、区域或基板的元件被称作“在”另一元件“上”时，该元件可以直接在其他元件上或者可以存在中间元件。另外，“在…上”是指将元件定位在另一元件上或者另一元件下方，但是本质上不是指根据重力方向定位在另一元件的上侧上。

术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种拉曼显微设备，其特征在于，包括：

依次层叠的第一层支架、第二层支架和第三层支架；

载物片，安装在所述第三层支架，用于放置待测样品；

激光发射组件，安装在所述第二层支架，用于激发所述待测样品产生拉曼光信号；

明场系统组件，安装在所述第一层支架，用于获取所述待测样品的明场光信号；

拉曼系统组件，安装在所述第一层支架，用于获取所述待测样品受激光信号激发产生的所述拉曼光信号。

2.根据权利要求1所述的拉曼显微设备，其特征在于，所述明场系统组件包括：

第一透镜，用于对所述明场光信号进行汇聚；

第一相机，用于接收所述第一透镜出射的明场光信号。

3.根据权利要求1所述的拉曼显微设备，其特征在于，所述拉曼系统组件包括：

空间滤波组件，用于对所述拉曼光信号进行空间滤波；

第二反射镜，用于反射进行空间滤波后的拉曼光信号；

棱镜，用于将所述第二反射镜反射后的拉曼光信号进行色散；

第二透镜，用于将所述棱镜色散后的所述拉曼光信号进行汇聚；

第二相机，用于探测所述第二透镜出射的拉曼光信号。

4.根据权利要求1所述的拉曼显微设备，其特征在于，所述第一层支架水平放置，所述第二层支架水平固定在所述第一层支架上方，所述第三层支架水平固定在所述第二层支架上方；

所述第三层支架上安装有用于采集光信号的物镜，所述物镜的光轴垂直水平方向；

其中，所述光信号包括所述拉曼光信号和所述明场光信号；

所述第三层支架与所述第二层支架对应所述光轴的区域具有用于透过所述光信号的透光孔。

5.根据权利要求4所述的拉曼显微设备，其特征在于，所述载物片位于所述物镜的上方，在所述载物片的上方具有可见光光源器件，用于照射所述待测样品，形成所述明场光信号。

6.根据权利要求4所述的拉曼显微设备，其特征在于，所述第二层支架对应所述透光孔的区域具有第一选择透光元件，能够反射所述激光发射组件发射的所述激光信号，使得所述激光信号依次通过所述第三层支架上的透光孔、所述物镜以及所述载物片，照射到所述待测样品；

所述第一选择透光元件能够透射所述明场光信号以及所述拉曼光信号，以使得所述明场光信号通过所述第二层支架上的透光孔入射到所述明场系统组件，使得所述拉曼光信号通过所述第二层支架上的透光孔入射到所述拉曼系统组件。

7.根据权利要求4所述的拉曼显微设备，其特征在于，在所述第一层支架对应所述透光孔的区域具有第一反射镜，用于将所述物镜竖直出射的光信号转换为水平传输的光信号。

8.根据权利要求7所述的拉曼显微设备，其特征在于，在所述第一层支架上具有第二选择透光元件，能够透射所述拉曼光信号，使得所述拉曼光信号入射到所述拉曼系统组件；

所述第二选择透光元件能够反射明场光信号，使得所述明场光信号入射到所述明场系统组件。

9.根据权利要求1所述的拉曼显微设备，其特征在于，还包括机械驱动装置，用于调节所述待测样品在水平面上的位置以及明场图像焦距。

10.一种拉曼光谱检测方法，其特征在于，包括：

采用如权利要求1-9任一项所述的拉曼显微设备获取所述待测样品的拉曼光信号，以获取拉曼光谱。

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