CN117405646A - 拉曼光谱设备和方法 - Google Patents

Abstract

拉曼光谱设备包括成像光学系统，该成像光学系统沿着光学路径将光从物体透射到摄谱仪。扫描装置与光学路径相交并且能相对于光学路径移动。光被引导到扫描装置上，以在多个照亮点处照亮物体。成像光学系统将在照亮点处从物体发射的拉曼散射光透射到中间图像平面，扫描装置位于中间图像平面处，并且将拉曼散射光从中间图像平面透射到摄谱仪。与常规共焦拉曼光谱相比，该设备可以更快地执行样品的拉曼分析，并且与常规线扫描拉曼光谱相比，该设备可以更准确地执行拉曼分析。

Description

拉曼光谱设备和方法

技术领域

本发明涉及拉曼光谱。本发明特别地涉及共焦拉曼光谱。

背景技术

使用激光和共焦显微镜的共焦拉曼光谱是已知的。共焦拉曼光谱涉及引导激光通过单个针孔以用单个激光点照亮样品，并通过同一个针孔或另一个针孔从样品收集所得到的拉曼散射光。所收集的拉曼光被发送到光谱仪，该光谱仪执行单点拉曼光谱采集。如果需要拉曼图像，则样品通常使用电动的XY或XYZ载物台相对于静态激光点来移动。替代地，激光可以相对于样品来扫描。在任何情况下，图像由从各个采样点单独获得的拉曼光谱来构建，采样点一次照亮一个。对于每个点获得的光谱提供表示所得到的多光谱拉曼图像的单个相应像素的图像数据。然而，传统的点扫描拉曼共焦光谱是缓慢的。样品必须进行光栅扫描，并且在每个载物台位置处需要足够的停留时间来进行光收集。与其他电磁效应相比，拉曼效应相当弱，这进一步导致图像数据的缓慢收集。因此，多光谱拉曼图像往往相对较小，因为多光谱拉曼图像的获取较慢。

使用样品的宽场照亮或全局照亮的非共焦拉曼光谱也是已知的。然而，宽场拉曼光谱通常由于两个主要原因导致模糊的图像。首先，实现样品的均匀宽场照亮非常具有挑战性，因此激光亮度可以在整个视场中变化。其次，大多数拉曼样品非常散射。大多数入射光子经受弹性散射，并且在经受非弹性散射成为拉曼光子之前可能会反弹几次。拉曼光子在被收集和检测之前可能会在样品周围反弹。这意味着从某个分子种类不存在的位置观察到该种类的拉曼信号有很大的范围。这样做的结果是得到模糊的图像。

线扫描拉曼光谱或线照亮拉曼光谱是拉曼光谱的一种混合形式，由此样品用一束光照亮，并且拉曼散射被引导朝向用于检测拉曼信号的光谱仪的焦平面处的狭缝，并通过用于检测拉曼信号的光谱仪的焦平面处的狭缝聚焦。在这种形式的拉曼显微镜中，狭缝在垂直于摄谱仪狭缝的轴线上用作共焦孔径，但是在狭缝的轴线上没有共焦孔径。这种形式的拉曼光谱不能被认为是真正的共焦。

希望能够缓解上述问题。

发明内容

从一个方面，本发明提供一种拉曼光谱设备，该设备包括：

摄谱仪；

成像光学系统，该成像光学系统被配置成沿着光学路径将来自物体的光透射到摄谱仪；

照射光学系统，该照射光学系统包括光源，并且被配置成通过沿着所述光学路径的至少一部分将来自所述光源的光引导到物体来照亮所述物体；

包括多个孔径的扫描装置，该扫描装置与所述光学路径相交并且能够相对于光学路径移动，

其中，所述照射光学系统被配置成将所述光引导到所述扫描装置，以在多个照亮点处照亮所述物体，

并且其中，所述成像光学系统被配置成将在所述照亮点处从所述物体发射的拉曼散射光透射到中间图像平面，所述扫描装置位于所述中间图像平面处，并且将所述拉曼散射光从所述中间图像平面透射到所述摄谱仪。

与常规共焦拉曼光谱相比，该设备的优选实施例可以更快地执行样品的拉曼分析，并且与常规线扫描拉曼光谱相比，该设备的优选实施例可以更准确地执行拉曼分析。

优选地，所述成像光学系统被配置成将所述拉曼散射光聚焦到所述摄谱仪的输入焦平面。

在一些实施例中，该设备被配置成使得所述摄谱仪接收光束的线性阵列，每个光束包括来自所述照亮点中的相应一个照亮点的拉曼散射光。

所述摄谱仪可以被配置成或可配置成接收光束的线性阵列。所述摄谱仪可以包括入口孔径，该入口孔径成形为限定用于接收所述光束的线性阵列的狭缝，所述入口孔径优选地位于摄谱仪的输入焦平面处。

在一些实施例中，所述照射光学系统被配置成使得所述多个照亮点被布置成线性阵列。所述成像光学系统可以被配置成使来自照亮点的线性阵列的光成像，或将来自照亮点的线性阵列的光透射到所述狭缝。

在一些实施例中，所述设备被配置成对所述拉曼散射光进行至少一次测量，其中，在每次测量中，设备对多个拉曼光谱进行检测，每个拉曼光谱对应于所述照亮点中的相应一个照亮点。所述设备可以被配置成进行多次所述测量，其中，在每次测量中，所述拉曼光谱对应于照亮点中的相应一组照亮点，照亮点中的每组照亮点对应于所述物体的不同区域，照亮点中的每组照亮点优选地对应于所述物体的相应线性区域。可选地，所述设备被配置成对所述物体进行扫描，使得所述区域共同覆盖所述物体的目标区域。可选地，所述设备包括扫描构件，该扫描构件用于在物体和物体的区域之间实现相对移动，每次测量都是针对该区域进行的。典型地，所述扫描构件包括以下中的任一个或多个：用于使所述物体相对于所述照射光学系统移动的构件；被配置成相对于物体扫描来自所述光源的光的扫描系统；和/或用于使所述摄谱仪的入口孔径移动的构件。

在一些实施例中，光学检测器设置在摄谱仪的出口孔径处，通常设置在摄谱仪的出口焦平面处。

在优选实施例中，该设备被配置成或可配置成执行拉曼光谱和/或拉曼成像，并且在拉曼成像模式下，照射光学系统被配置成在多个照亮点处照亮所述物体的目标区域，并且成像光学系统被配置成通过检测来自所述照亮点的在所选择的一个或多个波长范围内的拉曼散射光来捕获所述目标区域的至少一个拉曼图像。所述成像光学系统可以包括光谱滤波器，该光谱滤波器可以被配置成使仅在多个可选择波长范围中的所选择的一个或多个波长范围中的光透射。在所述拉曼成像模式下，所述光谱滤波器可以位于到所述摄谱仪的光学路径中，并且被配置成在所述所选择的一个或多个波长范围中将光透射到所述摄谱仪。可选地，所述光谱滤波器能移动至到所述摄谱仪的光学路径中并且能移动出到所述摄谱仪的光学路径之外，或者所述光谱滤波器可配置成使在所有所述可选择波长范围中的光同时通过。

可选地，在拉曼光谱模式下，所述摄谱仪被配置成按波长使所述拉曼散射光色散，并且在所述拉曼成像模式下，所述摄谱仪被配置成不按波长使所述拉曼散射光色散，所述摄谱仪优选地被配置成将拉曼图像从所述摄谱仪的入口传递到出口。所述摄谱仪可以包括至少一个色散元件，并且其中，所述至少一个色散元件能够移动到摄谱仪的入口和出口之间的光的路径中，并且能够移动到摄谱仪的入口和出口之间的光的路径之外，所述至少一个色散元件在拉曼光谱模式下位于所述光的路径中，在拉曼成像模式下位于所述光的路径之外，或者其中，所述至少一个色散元件可被配置成在色散状态和非色散状态之间。可选地，所述摄谱仪包括至少一个非色散元件，至少一个非色散元件能移动到光的路径中并且能移动到光的路径之外，其中，在所述拉曼成像模式下，所述至少一个非色散元件代替所述光的路径中的所述至少一个色散元件。可选地，所述至少一个色散元件和所述至少一个非色散元件设置在组件上，该组件能够在色散状态和非色散状态之间移动，在所述色散状态下，所述至少一个色散元件位于光的路径中，在所述非色散状态下，所述至少一个非色散元件位于光的路径中。

在一些实施例中，光谱滤波器位于光学检测器之前的光学路径中，成像光学系统包括用于将所述拉曼散射光引导到摄谱仪和/或光学检测器的引导构件。典型地，引导构件包括分束器、镜或一个或多个任何其他合适的光束切换或光束引导元件。可选地，引导构件能相对于光学路径移动，或者能调节使得在拉曼光谱模式下，至少一些拉曼散射光被引导到摄谱仪，并且在拉曼成像模式下，至少一些拉曼散射光被引导到光学检测器。

在典型的实施例中，所述扫描装置包括与所述多个孔径对准的多个透镜，以将所述光聚焦在所述孔径上。优选地，所述扫描装置包括能旋转的扫描盘。优选地，所述扫描装置包括能旋转的透镜盘，在能旋转的透镜盘中，提供了所述多个透镜，透镜盘能与扫描盘一起旋转。

典型地，所述光源是激光光源，并且被配置成产生激光光束。

在一些实施例中，该设备包括分束器，该分束器位于光学路径中，并且使所述光源的光和所述拉曼散射光中的一个透射，并且使所述光源的光和所述拉曼散射光中的另一个反射，所述成像光学系统被配置成使所述物体成像，或者通过分束器将来自所述物体的光透射到光学检测器，并且照射光学系统被配置成通过分束器照亮所述物体。所述分束器优选地使所述光源的光透射并使所述散射拉曼光反射。优选地，分束器位于扫描装置和摄谱仪之间。

优选地，所述光谱滤波器是能调节的或能调谐的，以使仅在多个可选择波长范围中的所选择的一个或多个波长范围中的光透射。

在优选实施例中，所述照射光学系统和所述成像光学系统被配置成使所述物体共焦地照亮和成像。

优选地，所述照射光学系统包括激光带通滤波器，所述激光带通滤波器优选地位于所述光源和所述扫描装置之间。

优选地，所述成像光学系统包括滤波器，该滤波器优选地位于所述扫描装置和所述光学检测器之间的所述光学路径中，被配置成阻挡来自所述光源的与所述光对应的波长带中的光。

该光学检测器或每个光学检测器可以包括电子图像传感器(例如包括CCD或EMCCD检测器)或任何其他合适的数字图像传感器，并且可以可选地结合到数码摄像机中或者可以包括数码摄像机，和/或其中，所述光学检测器包括光谱分析器(例如包括光谱仪或摄谱仪)。

所述光谱滤波器可以包括以下中的任何一个：被配置成在一个或多个固定波长带中使光通过的光学滤波器、或者可调谐光学滤波器(例如液晶可调谐滤波器(LCTF))、声光可调谐滤波器(AOTF)、滤波器轮或其它可移动托架上的多个不同的滤波器、可枢转滤波器轮上的多个波长/角度可调谐滤波器、与法布里珀罗标准器结合使用的多个宽带通滤波器、或者减法双单色仪。

所述光谱滤波器和/或所述至少一个光谱分析器可以位于所述扫描装置和所述光学检测器之间的光学路径中，或者其中，所述至少一个光谱分析器用作所述光学检测器。

分束器通常位于扫描盘和摄谱仪之间，优选地邻近扫描盘定位。

一个或多个光学偏振器可以设置在照射光学系统中，该偏振器或每个偏振器优选地位于光源和扫描装置之间。

一个或多个偏振分析器可以设置在成像光学系统中，偏振分析器优选地位于光谱滤波器或光谱分析器之前。

从另一个方面，本发明提供一种拉曼光谱方法，该方法包括：

沿着光学路径将来自物体的光透射到摄谱仪；

通过沿着所述光学路径的至少一部分将来自光源的光引导到物体来照亮所述物体；

将所述光引导到扫描装置上，以在多个照亮点处照亮所述物体，其中，所述扫描装置包括多个孔径，与光学路径相交并且能相对于光学路径移动；

将在所述照亮点处从所述物体发射的拉曼散射光透射到中间图像平面，所述扫描装置位于所述中间图像平面处；以及

将所述拉曼散射光从所述中间图像平面透射到所述摄谱仪。

该方法可以包括对所述散射拉曼光进行至少一次测量，其中，在每次测量中，对多个拉曼光谱进行检测，每个拉曼光谱对应于所述照亮点中的相应一个照亮点。该方法可以包括进行多次所述测量，其中，在每次测量中，所述拉曼光谱对应于照亮点中的相应一组照亮点，照亮点中的每组照亮点对应于所述物体的不同区域，照亮点中的每组照亮点优选地对应于所述物体的相应线性区域。可选地，该方法包括对所述物体进行扫描，使得所述区域共同覆盖所述物体的目标区域。

该方法可以包括执行拉曼光谱和/或拉曼成像，并且在拉曼成像模式下，该方法包括：在多个照亮点处照亮所述物体的目标区域，以及通过检测来自所述照亮点的在所选择的一个或多个波长范围内的拉曼散射光来捕获所述目标区域的至少一个拉曼图像。

可选地，在拉曼光谱模式下，该方法包括：按波长使所述拉曼散射光色散，并且在所述拉曼成像模式下，不按波长使所述拉曼散射光色散。

通过研究以下具体实施例的描述并参照附图，本发明的其他有利方面对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。

附图说明

现在将以示例性的方式并且参照附图来描述本发明的实施例，在附图中，相同的附图标记用于表示相同的部件，并且在附图中：

图1是体现本发明一个方面的扫描盘共焦拉曼光谱设备的示意图；

图2示出了样品、作为线扫描数据收集的一部分而被分析的样品的一部分、在摄像机处收集的图像的示意图、以及与收集光的点处的样品的成分对应的相关拉曼光谱；

图3是作为图1的设备的一部分的摄谱仪的侧视图；

图4是摄谱仪的平面视图；

图5是摄谱仪的第一替代实施例的平面视图；

图6是摄谱仪的第二替代实施例的平面视图；

图7是体现本发明的替代扫描盘共焦拉曼光谱设备的示意图；

图8是适用于图1或图7的设备的扫描盘组件的第一实施例的示意图；

图9是适用于图1或图7的设备的扫描盘组件的第二实施例的示意图；

图10是适用于图1或图7的设备的扫描盘组件的第三实施例的示意图；

图11A是当使用图8的扫描盘组件照亮样品时，处于狭缝孔径配置的摄谱仪的入口孔径的正视图；

图11B是当使用图9的扫描盘组件照亮样品时，处于狭缝孔径配置的摄谱仪的入口孔径的正视图；以及

图11C是当使用图9的扫描盘组件照亮样品时，处于宽孔径配置的摄谱仪的入口孔径的正视图。

具体实施方式

现在参照附图，示出了体现本发明的一个方面的拉曼光谱设备，该拉曼光谱设备总体上用100表示。设备100可以包括光学显微镜，该光学显微镜在优选实施例中是旋转盘(或扫描盘)共焦显微镜。在优选实施例中，设备100可以被称为共焦拉曼光谱设备。在一些实施例中，如在下文中更详细描述的，设备100可以被配置为使用拉曼散射光捕获样品的图像，并且因此可作为拉曼成像设备，特别是共焦拉曼成像设备来操作。

设备100包括用于接纳待分析的物体或样品55的载物台20。样品55通常包括样本，典型地是生物样本、半导体样本、晶体样本或化学样本，并且可以位于载玻片或其他保持器(未示出)中，或者位于载玻片或其他保持器(未示出)上。物体55位于物体平面中。

设备100包括摄谱仪14或光学光谱分析器。摄谱仪14典型地具有入口孔径74和至少一个色散元件(图1中未示出)，光可以通过该入口孔径进入摄谱仪14，至少一个色散元件用于按波长使所接收的光色散或分离以产生一个或多个对应的光谱。这可以被称为色散。所色散的光被引导到通常位于出口孔径78处或邻近出口孔径78的检测器76，该检测器检测该光谱或每个光谱。特别地，检测器76可以位于出口焦平面处，摄谱仪14被配置成将所色散的光聚焦到出口焦平面上。典型地，提供一个或多个衍射光栅(这可以是反射的或透射的)、或者一个或多个棱镜、或者一个或多个光栅和一个或多个棱镜的组合，以使光色散。摄谱仪14通常包括用于根据需要对光进行聚焦、准直、定向、散布和/或调节的一个或多个其他光学元件，例如一个或多个镜和/或一个或多个透镜。摄谱仪14可以是常规的或基本常规的配置，例如具有中阶梯光栅配置、切尼-特纳配置或施密特切尼-特纳配置，这取决于应用。在优选实施例中，摄谱仪14被配置成仅使光色散在一个维度上，优选地使得光色散在单个平面上。

在优选实施例中，检测器76包括电子图像传感器(未示出)或者任何其他合适的数字图像传感器(例如InGaAs检测器、CMOS检测器、InSb检测器、Ge检测器或MCD检测器)，这取决于被分析的光谱范围，该电子图像传感器例如包括CCD检测器或EMCCD检测器。检测器76可以结合到数码摄像机或包括数字图像传感器的其他设备中，或者可以包括数码摄像机或包括数字图像传感器的其他设备。在其他实施例中(未示出)，检测器76不一定包括图像传感器，并且可以替代地包括一个或多个其他常规的光学检测设备，例如一个或多个单像素检测器或线检测器。

设备100包括成像光学系统30，该成像光学系统被配置成沿着光学路径将物体55处的图像传递到摄谱仪14。优选的配置是使得来自样品55的拉曼光聚焦到摄谱仪14的输入焦平面，该输入焦平面通常位于入口孔径74处。可以说成像光学系统30将物体或样品55成像到摄谱仪14，或者将物体或样品55的图像光学传输或光学传递到摄谱仪。

成像光学系统30包括一系列光学装置，一系列光学装置通常包括至少一个透镜和可选的至少一个镜，至少一个透镜和可选的至少一个镜被布置成将光从物体55引导到摄谱仪14。成像光学系统30的光学系列包括物透镜7，该物透镜可以被称为物镜。物镜7具有通常与物平面垂直的光轴。便利地，物镜7是显微镜物镜(例如复合显微镜物透镜)，但是可以使用平凸(plano convex，PCX)透镜、消色差透镜、非球面透镜、卡塞格伦透镜或其他物透镜。对于技术人员来说显而易见的是，光学系列的具体组成和配置可以随实施例的不同而变化，并且在此仅示出和描述有助于理解本发明的那些部件。

在优选实施例中，成像光学系统30的光学系列被配置成在中间图像平面上形成物体55的中间图像。为此，成像光学系统30通常包括管透镜或一个或多个其他透镜(未示出)，管透镜或一个或多个其他透镜被配置成与物镜7一起形成中间图像。扫描盘11位于中间图像平面中，与光学路径相交。扫描盘11是可旋转的并且包括孔径阵列，通常被称为针孔阵列。因此，扫描盘11可以被称为旋转盘或旋转针孔盘。优选地，第二可旋转盘15被联接到扫描盘11，以与该扫描盘一起旋转。盘11、15通常固定到共用轴9，并且与该轴一致地旋转。第二盘15包括透镜阵列或微透镜阵列，并且可以被称为旋转透镜盘或收集盘。盘11、15一起形成旋转盘组件，并且盘11、15的布置使得透镜阵列和针孔阵列彼此对准，使得入射到透镜上的光聚焦在针孔上。可以省略透镜盘15，尽管这导致光的低效使用并且可能不利地影响所得到的图像的信噪比。盘11、15中的一个或两个可以是通常被称为Nipkow盘的类型。

设备100可以包括用于使盘组件11、15围绕其中心轴线(例如通过轴9)旋转的任何合适的驱动构件(未示出)。驱动构件通常包括联接到盘组件的轴上的马达(通常是电动马达)。盘11、15可以以适合应用需求的任何速度旋转。例如，在一些实施例中，盘11、15可以以大约400RPM或大约20000RPM旋转。典型地，盘11、15以高达大约20000RPM的任何期望速度旋转。

在替代实施例中(未示出)，扫描盘组件11、15可以用具有可移动结构的替代扫描装置来代替，该可移动结构通常是板状的，具有形成在其中的多个孔或针孔，优选地联接到对应的对准透镜结构，并且相对于光学路径可移动，以便以与盘组件11、15相同或相似的方式对物体55进行点照亮。扫描装置不一定是可旋转的，但可以替代地被配置成相对于光学路径来往复或振荡移动。为此可以提供任何合适的驱动构件。针孔可以以与针对盘11、15所描述的相同或相似的方式布置。

成像光学系统30的光学系列通常包括光学中继器，该光学中继器包括用于将来自物体55的光传递到摄谱仪14的至少一个中继透镜13、13’。在所示的实施例中，光学中继器位于旋转盘组件11、15和摄谱仪14之间，在该实施例中，光学中继器包括第一中继透镜13和第二中继透镜13’。应当理解，成像光学系统的光学系列可以包括透镜的任何其他合适的布置，如果需要，还可以包括一个或多个镜和/或一个或多个分束器。

设备100包括用于照射样品55的照射光学系统45。照射光学系统45包括光源25或可连接到光源25，在优选实施例中，光源25包括一个或多个激光装置，但可以替代地包括任何其他合适的常规光源，例如一个或多个LED。光源25可以被配置成产生一个或多个频带中的光，这适合应用并且对于技术人员来说是显而易见的。例如，用于拉曼光谱和成像的合适的波长是488nm、532nm、785nm，但是更一般地，拉曼散射可以使用在波长的UV-可见-近IR范围内(例如在200nm至1600nm的范围内)的光(优选地激光)来检测。

在优选实施例中，照射光学系统45被配置成通过将通常呈激光光束65形式的光沿着由成像光学系统30限定的光学路径的至少一部分引导到物体55来对物体55进行照射。

可选地，一个或多个光学偏振器26(例如包括一个或多个偏振滤波器和/或一个或多个其他光学偏振部件)设置在照射光学系统45中，以使照射光65偏振。偏振器26使进入样品55的光偏振。偏振器26可以设置在光学照射路径中的任何合适位置。优选地，偏振器26位于光源25和扫描盘组件11、15之间。例如，如果希望获得关于被研究的分子对称性的信息，则可能需要使用偏振光进行拉曼实验。

可选地，准直透镜29设置在光源和盘组件之间，以使光束65准直。

可选地，可以设置一个或多个光学滤波器(例如带通滤波器)，以调节光束65以适合应用。在优选实施例中，带通滤波器27便利地设置在光源25和盘组件11、15之间，以确保只有适当窄的波长带中的激发光65透射到样品55。例如，带通滤波器27可以被配置成在激发光的所选择的波长周围具有介于1nm至4nm之间的通带。有时被称为激光线清理滤波器的类型的滤波器可以被用作滤波器27。在没有带通滤波器27的情况下，则存在来自不希望的波长的光可能入射到样品上的风险，这可能导致所得到的散射光的光谱污染。

在优选实施例中，照射光学系统45被配置成通过物镜7照射物体55。为了便于实现这一点，分束器12可以包括在成像光学系统30中。分束器12被配置成使与由光源25产生的光对应的一个或多个频带中的光透射，并且使与当被照射时从物体55发射的光(特别是拉曼散射光)对应的一个或多个波长带中的光反射(或至少部分地反射)。在这方面，拉曼散射光相对于激光波长通常介于大约-1000cm^-1至+4000cm^-1之间，其中负cm^-1表示反斯托克斯散射光。可以说分束器12具有与从物体55发射的光对应的一个或多个反射带，以及与由光源25产生的光对应的透射带。典型地，分束器12包括二向色滤波器、二向色镜或其它二向色光学部件。光源25被布置成引导激光光束65穿过分束器12并到达光学路径上，在光学路径上，激光光束65通过物镜7被引导到物体55。分束器12位于扫描针孔盘11和摄谱仪14之间，通常邻近扫描针孔盘11定位。在优选实施例中，分束器12位于扫描盘11和透镜盘15之间。分束器12被布置成反射沿着光学路径从样品55引导并穿过扫描盘11引导到摄谱仪14(在本示例中通过光学中继器13、13’引导到摄谱仪14)的光。在替代实施例(未示出)中，分束器12可以使激光反射并使拉曼散射光透射，并且照射光学系统45和成像系统30可以相应地被配置(例如，关于图1，摄谱仪14和光源25的位置可以交换)。

在优选实施例中，设备100被配置成执行旋转盘共焦显微镜检查，并且光源25被布置成将激光光束65引导到旋转盘组件11、15上，并且特别地引导到透镜盘15(当透镜盘存在时)上。来自光源25的光束65入射到透镜盘15上，并且同时照亮多个透镜17(或者如果透镜盘不存在，则照亮针孔)。每个所照亮的透镜17将相应的光束65A聚焦在扫描盘11的相应的针孔19上，每个透镜17通常与相应的针孔19对准。因此，多个针孔被同时照亮。相应的光束65B从每个所照亮的针孔19射出，并通过物镜7聚焦在物体55上，以同时照亮物体55上的相关点66或斑点。因此，物透镜7将针孔盘11的出口侧的图像传递到样品55上，从而在样品55上产生光(通常是激光)斑点66阵列。入射到物体55上的光65B可以被称为入射光或激发光。当盘11、15旋转时，不同组的透镜17和针孔19被照亮，从而导致物体55上的对应组的点66被照亮。这与透镜17和针孔19的布置图案相结合，导致样品55的不同部分被点照亮。因此，旋转盘11或旋转盘组件被配置成用作扫描仪，从而导致当盘11、15旋转时物体55被点照亮。注意，物体55可以在该照亮期间保持静止，或者更具体地，在物镜7和物体55(或载物台20)之间可以没有相对移动。光源25通常也是固定的或非扫描的。

通常，针孔19(以及优选实施例中的对应的透镜17)的总数量约为数百或数千(尽管根据实施例该总数量可以更高或更低，例如约为数十或数万)，并且当盘11旋转时，针孔19的一部分(通常介于总数量的大约十二分之一至大约二十分之一之间)可以在任何时间被照亮。例如，在优选实施例中，400至2000个针孔19被同时照亮。因此，在任何给定的时刻，物体55的多个(例如，高达数百或数千个)点被同时照亮。对应地，并且如在下文中更详细的描述，可以同时从物体55获得数据的多个(例如，高达数百或数千个)实例。因此，可以比使用常规的单点扫描设备更快地从样本中收集数据。此外，与单点扫描设备相比，扫描盘11的使用使得能够使用相对高功率的激光。

光束65优选地是准直的并且通常包括激光。入射到透镜盘15上的光不需要准直；非准直光也可以使用，在这种情况下，如果需要，可以调整透镜盘15和针孔盘11之间的间距以进行补偿和/或可以相应地调整透镜17的焦距。入射到透镜盘15上但未入射到透镜上的光被阻挡(通常被非透射涂层阻挡)。入射到针孔盘11上但错过针孔17的光也被阻挡(通常被非透射涂层阻挡)。可以省略透镜盘15，在这种情况下，光束65可以直接撞击在扫描盘11上。

在典型的实施例中，透镜17和针孔19被布置在从共用中心点辐射的多个螺旋臂(例如阿基米德图案或尼普科图案)中。优选的布置使得可以实现物体55的均匀照亮。应当理解，可以使用其他图案来创建上述扫描照亮。在优选实施例中，透镜17的图案与针孔的图案匹配，并且透镜17和针孔19在光的行进方向上彼此对准。

优选地，针孔19的尺寸被确定成使得物体55上的照亮点66或斑点受到衍射限制。替代地，针孔19的尺寸可以比产生衍射限制斑点所需的尺寸更大，这提供了照亮光的增加的光学吞吐量和散射光的增加的吞吐量，但是牺牲了空间分辨率/共聚焦性。

针孔19的直径通常在10μm至100μm的范围内。针孔19之间的间距通常为1000μm，但可以更高或更低，这取决于诸如针孔的数量和/或正穿过光学系统的图像的大小等因素。与荧光显微镜检查相比，拉曼显微镜检查涉及对产生相当多的反弹光子(镜面散射光或漫射散射光)的样品进行分析，因此，典型的实施例具有比在荧光显微镜中发现的针孔间距更宽的针孔间距。因此，对于给定的照亮场/视场，较少的针孔被照亮。然而，一些经分析的样品可能具有非常低水平的反弹光子，因此与荧光显微镜的针孔间距相同或相似的针孔间距可能是可行的。透镜17可以具有对应的尺寸，并且透镜17被间隔开。

可选地，旋转盘11或旋转盘组件(如适用)可通过任何合适的转移构件(未示出)移动到光学路径中或光学路径之外。当旋转盘11(或旋转盘组件)在光学路径中时，设备100处于共焦模式，在该共焦模式中，设备100可以执行旋转盘共焦激光显微镜检查。当旋转盘11(或旋转盘组件)在光学路径之外时，设备100可以执行其他类型的显微镜检查，包括宽场拉曼光谱、差分相差显微镜检查、明场显微镜检查或落射荧光显微镜检查。

当光65B入射到物体55上时，根据样品/样本的性质或成分和/或根据入射光65B的特性，可能发生一种或多种电磁现象(包括反射、透射、荧光、非拉曼光散射、拉曼散射等)。设备100被配置成检测拉曼散射光(特别是自发拉曼散射光(也被称为正常或远场拉曼散射光))和增强或近场拉曼散射光。设备100还可以检测共振拉曼光和/或表面增强拉曼光(如果存在)。

拉曼散射光包括由样品/样本55散射的光，其波长与入射光65B的波长不同，即入射光子与样品/样本55中的一个或多个分子相互作用，从而导致能量改变并因此导致波长改变。拉曼散射也被称为非弹性散射，并响应于入射光在样品/样本中自发地发生。拉曼散射光包括斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光，斯托克斯散射光包括在激发光子与样品/样本中的分子相互作用以使得散射光子的能量比激发光子的能量更少(即散射光子的波长-红移比激发光子的波长-红移更长)的情况下的拉曼散射光，反斯托克斯散射光包括在激发光子与样品/样本中的分子相互作用以使得散射光子的能量比激发光子的能量更多(即散射光子的波长-蓝移比激发光子的波长-蓝移更短)的情况下的拉曼散射光。拉曼散射光由物体55发射，并如下文描述的那样被检测。由于拉曼散射光是与被分析的样品/样本55的分子相互作用的结果，则拉曼散射光的特性可用于提供物体55的特性(例如化学成分)的指示。物体55的温度也可以由拉曼散射光确定，并且例如可以由给定拉曼带的斯托克斯信号强度和反斯托克斯信号强度的比率导出。

非拉曼散射光包括弹性散射光，该弹性散射光是由样品/样本55散射的光，由此波长不改变，即入射光子与样品中的分子相互作用，但没有改变能量(波长)。

响应于光65B对物体55的照射，散射光从物体55沿所有方向发射，并且该光的一部分穿过物透镜7。注意，物体55在该光的收集期间保持静止，或者更具体地，在物镜7和物体55(或载物台20)之间没有相对移动。光源25也是固定的或非扫描的。成像光学系统30将这部分散射光引导到扫描盘11所处的中间图像平面。成像光学系统30的配置使得仅从物体55的当前照亮点66发出的光被聚焦在中间图像平面上，并且因此穿过针孔19。特别地，该布置使得从物体上的每个照亮点66发出的光穿过相应的针孔19，每个照亮点通过相应的针孔被照亮。不从照亮斑点66发出的光(例如来自二次(或多次)反射的光)聚焦在中间图像平面的上方或下方，或者入射到针孔盘11上但不入射到针孔上，因此不从照亮斑点66发出的光被扫描盘11阻挡，通常被盘11上的不透明涂层阻挡。

因此，光被共焦地收集。注意，物透镜7的针孔大小和放大倍数确定了样品55上的激光斑点66的大小，因此确定了所收集的拉曼光谱的空间分辨率。应该适当地选择光学检测器76的图像传感器的像素，以确保检测器76不会对拉曼光谱进行欠采样并导致分辨率的损失。在一些实施例中，使用相对较大的针孔可能是有益的，这些针孔没有被优化以产生或收集来自衍射限制斑点的光(这在执行共焦显微镜检查时是典型的)。这种布置有助于收集一些反射/反弹光子(在照亮点66的附近反射)，从而测量更多的拉曼光子。这种方法会在损害分辨率的情况下给出优越的信号强度。

穿过针孔19的散射光包括散射光子，散射光子包括弹性散射光子(弹性散射光子的波长与激光65的波长相同)和非弹性散射拉曼光子(非弹性散射拉曼光子的波长与激发光65的波长不同)。穿过扫描盘11的散射光入射到分束器12上，该分束器被配置成使得仅拉曼散射光到达摄谱仪14。在所示的实施例中，分束器12被配置成使得弹性散射光能够穿过该分束器并朝着光源25行进返回(或者以其他方式远离摄谱仪14)，但是在该示例中，分束器12被配置成通过光学中继器13、13’将拉曼散射光反射或以其他方式引导到摄谱仪14。成像光学系统30被配置成将来自中间图像平面(扫描盘11位于该中间图像平面中)的拉曼光传递或引导到摄谱仪14。

对于大多数自发的拉曼成像应用，微晶材料的样品的散射高于单晶或非晶体材料的样品的散射。因此，优选的使用扫描盘11，该扫描盘被配置成在针孔19的大小、针孔19的数量、针孔19之间的间距和/或针孔19的图案中的任何一个或多个方面适合应用。可选地，提供多个不同的扫描盘11(以及如果适用，对应的透镜盘15)，相应的扫描盘被选择并安装在设备100中以适应应用，以优化来自特定样品类型(例如用于对硅片或单层石墨烯进行分析的间隔相对紧密的针孔，或用于对司法类型粉末样品或药物片剂进行分析的间隔相对较宽的针孔)的拉曼光收集。例如，根据应用，扫描盘11被设置成每个盘可以具有2个至12个嵌套针孔螺旋部，尽管可以替代地使用单个针孔螺旋部或多于12个的嵌套针孔螺旋部。对于特定的盘旋转速度，较少的嵌套螺旋部会降低成像速度。对于1/n个嵌套螺旋部，可以获取图像，其中，n是嵌套螺旋部的数量(例如，具有10个嵌套螺旋部的盘每旋转10圈就产生完整的样品照亮图案，2个嵌套螺旋部意味着盘每旋转1/2圈才能收集图像)。

在优选实施例中，设备100包括用于保持多个扫描盘组件的料盒(未示出)和动力操作致动系统，该动力操作致动系统被配置成通常在控制器50的控制下将盘组件中的任何所选择的盘组件安装在光学路径中。替代地，所选择的盘组件可以布置在可移动的盒中，该盒可以根据需要手动地安装或更换。仍替代地，还可以存在一个或多个扫描盘组件，其中，该盘或每个盘具有多个区段，每个区段具有针孔/透镜的不同布置。

分束器12可以被配置成用作滤波器，例如根据需要用作短通滤波器、长通滤波器、带通滤波器或陷波滤波器，以控制使得哪些波长的光能够到达摄谱仪14。例如，为了便于斯托克斯拉曼散射光的收集，分束器12可以被配置成短通滤波器，该短通滤波器使较短侧或蓝色侧的特定波长上的所有光透射，并且将斯托克斯散射光子(斯托克斯散射光子被红移并具有较长的波长)反射到摄谱仪14。替代地，分束器12可以被配置成用作陷波滤波器，该陷波滤波器使处于激发光65的波长的光透射并使其他光(包括斯托克斯(红)移位光和反斯托克斯(蓝)移位光)反射。替代地，分束器12可以被配置成用作仅使反斯托克斯自发拉曼发射反射的长通滤波器。应当理解，在成像系统30(特别是分束器12)被配置成具有到达摄谱仪14的透射光和被引导远离摄谱仪14的反射光的替代实施例中，分束器12可以以与上述配置相反的方式被配置。

可选地，分束器12是可移除的，并且可以由具有不同的透射/反射特性的替代分束器来代替，以适应不同的应用。可选地，设备100包括设置在传送装置(未示出)上的多个分束器12，每个分束器12具有不同的透射/反射特性，该传送装置可操作以一次将分束器12中的任何一个分束器定位在光学路径中。传送装置可以采取任何合适的形式(例如包括轮传送器或线性传送器)，并且可以手动地移动或动力操作(例如通过电动马达)以将分束器12中的所选择的一个分束器移动到光学路径中。支持不同的分束器12的使用是有利的，不仅因为不同的分束器12的使用有助于对来自物体55的不同类型的发射(例如，在斯托克斯散射的收集、或反斯托克斯散射的收集、或同时斯托克斯/反斯托克斯散射的收集之间切换)进行分析，而且还因为不同的分束器12的使用有助于使用不同的光源25，即产生具有不同波长的光65，这可能是期望的，因为当分析某些类型的样品时，某些激光器更敏感。

可选地，成像光学系统30可以包括光学路径中的一个或多个光学滤波器32，一个或多个光学滤波器32被配置成从物体55发出的光中移除波长不是正在执行的分析所期望的波长的光。在所示的实施例中，光学滤波器32位于分束器12和摄谱仪14之间，便利地位于中继透镜13、13’之间。一个或多个滤波器32可以位于分束器12的检测器侧上的光学路径中的其他地方。作为示例，一些弹性散射光子可以被分束器12反射，并且滤波器32可以被配置成阻挡该弹性散射激光，以防止该弹性散射激光到达摄谱仪14。滤波器32通常是陷波滤波器或边缘滤波器，优选地被配置成阻挡与由光源25产生的光束65对应的波长带中的光。

可选地，一个或多个偏振分析器33(例如包括一个或多个偏振滤波器和/或一个或多个其他光学偏振部件)设置在成像光学系统30中。偏振分析器33可以设置在光学成像路径中的任何合适位置。优选地，偏振分析器33位于分束器12和摄谱仪14之间。偏振器26和偏振分析器33的相对定向影响在输出端处观察到的光谱图案。例如，当偏振分析器33平行于偏振器26定向时，存在特定的光谱图案，而如果两个光学部件26、33定向成使得偏振交叉(即不平行)，则观察到不同的光谱图案。在这两种偏振中观察到的不同峰强度可能对应于分子振动的对称性。

从前文可以明显看出，在优选实施例中，用激发光照亮扫描尼普科盘对，以对样品55(通常是样品表面)上的多个点进行扫描，并通过相同的盘针孔收集自发拉曼散射光，并将所收集的光引导到摄谱仪14。本发明的实施例还可以检测共振拉曼光和/或表面增强拉曼光。

在优选实施例中，在摄谱仪14处接收的光由拉曼光子组成，因为从物体55同时收集的任何其他光子在到达摄谱仪14之前被成像光学系统30(特别是分束器12和/或一个或多个滤波器32)移除或阻挡。注意，相对低水平的残余激光/瑞利光子可能不会被成像光学系统30阻挡或移除，并且可能仍然存在。然而，光主要或基本上由拉曼光子组成。

由成像光学系统30收集并传送到摄谱仪14的拉曼光包含多个不同波长的光或光子，这些光或光子从物体55的不同位置同时发出，这些位置由照亮斑点66的位置确定。所收集的光的波长通常在波长的UV-可见光-近IR范围内。摄谱仪14同时接收所收集的光的多个光束67。典型地，每个光束67对应于相应的同时照亮的斑点66，即，每个光束67包括从相应的同时照亮的斑点66发出的拉曼光。光束67通过成像光学系统30被同时引导到摄谱仪14的入口孔径74。摄谱仪14被配置成使每个所接收的光束67色散以产生相应的拉曼光谱。然后，拉曼光谱通过检测器76来检测。

根据照射光学系统45的配置，同时照亮的斑点66可以布置成一行(或一维阵列)(如图8中的示例所示)，或者可以布置成二维阵列(如图9所示)。当同时照亮的斑点66布置成一行时，这个行可以是直的，但替代地可以是弯曲的或具有任何其他线性形状。当同时照亮的斑点66布置成二维阵列时，该阵列可以是规则阵列，但不必是规则阵列，并且可以采取任何便利形状。典型地，斑点66的行或阵列的形状取决于针孔19在扫描盘11中的布置，并且还可以取决于从光源25被引导到旋转盘组件11、15(并且特别是引导到透镜盘15(当透镜盘存在时))上的光束25的形状。在图8的示例中，光束25具有直线或窄矩形横截面，该直线或窄矩形横截面可以使用一个或多个任何合适的常规光束成形光学元件79(可以设置为代替准直透镜29)，例如圆柱透镜来创建。在图9的示例中，光束25具有圆形横截面，该圆形横截面可以使用一个或多个任何合适的常规光束成形光学元件29(例如可以是准直透镜29)来创建。在每种情况下，光束25对盘组件11、15的对应的成形部分进行照射，这确定了在任何给定时间照射哪组针孔19，这又确定了斑点66的数量和空间布置。

在优选实施例中，由摄谱仪14接收的光束67布置成线性阵列。典型地，这通过将入口孔径74配置为狭缝来实现，狭缝通常是直的或直线的，光束67穿过该狭缝进入摄谱仪14。特别地参照图11A，在同时照射的斑点66布置成线性阵列的情况下(例如如图8所示)，对应的光束67布置成与狭缝74对准的对应的线性阵列，使得光束67穿过狭缝74。特别地参照图11B，在同时照射的斑点66布置成二维阵列的情况下(例如如图9所示)，对应的光束67、67’布置成对应的二维阵列，但是仅与入口孔径74对准的那些光束67穿过狭缝并且被摄谱仪14接收。狭缝74通过对未入射到狭缝74上的光进行阻挡来限制进入摄谱仪14的光。通常，狭缝74的宽度为10μm至300μm。成像光学系统30和/或摄谱仪14(或至少摄谱仪的入口孔径74)可以以任何便利的方式配置，以根据需要便于光束67、67’和入口孔径74的对准。

在优选实施例中，入口孔径74位于摄谱仪14的输入焦平面中，并且成像光学系统30被布置成将光束67、67’聚焦到输入焦平面上。

图3和图4示出了摄谱仪14的示例性配置。每个所接收的光束67被引导到色散元件90上，在该示例中，色散元件90包括衍射光栅，特别是反射光栅。典型地，光栅90以其标准的一阶衍射入射角模式使用。每个所接收的光束67可以通过任何便利的构件(通常包括一个或多个镜91、92和/或一个或多个其他光学元件)被引导到色散元件90上。在所示的示例中，镜92是被配置成使所接收的光准直并将所接收的光引导到光栅90上的准直镜92。色散元件90使每个光束67色散，以产生相应的色散光束67D。色散光束67D被聚焦到摄谱仪14的出口焦平面上。在所示的实施例中，这通过聚焦镜93来实现，但是替代地可以通过任何其他便利的聚焦构件来实现。应当理解，在替代实施例(未示出)中，可以便利地使用摄谱仪的不同配置或摄谱仪的替代类型。例如，在替代实施例中，可以使用一个或多个镜和/或一个或多个光栅的不同布置。除了或代替一个或多个镜，还可以使用一个或多个透镜，除了或代替一个或多个反射光栅，还可以使用一个或多个透射光栅、一个或多个棱镜或一个或多个其他光学色散元件，或者可以使用单个凹反射光栅代替光栅和一个或多个镜的布置。更一般地，摄谱仪14被配置成按波长或色度使在入口孔径74处接收的每个光束67色散，并且将所色散的光束67D聚焦到出口孔径78处的出口焦平面上。

特别地参照图2，由摄谱仪14同时接收的光束67对应于样品55的区域80，该区域80在任何给定时间(即在由设备100执行的任何给定测量期间)通过设备100来分析。区域80是样品55的包含同时照亮的斑点66的部分，同时照亮的斑点66与在测量期间由摄谱仪14接收的光束67相对应。因此，在优选实施例中，区域80是大致线性的。在优选实施例中，区域80的大小和形状取决于入口孔径74的大小和形状。在图2中，区域80被示出为矩形或狭缝状，但是可以采取其他形状。典型地，区域80具有毫米或厘米量级的长度，但具有微米量级的宽度。与常规线扫描拉曼光谱学不同，区域80不被连续的光线照亮，而是被间隔开的光斑点66的阵列照亮。对应的光束67通过成像光学系统30同时且分开地引导到摄谱仪14的入口孔径74。注意，对应于区域80的斑点66优选地形成线性阵列或一维阵列。阵列可以是直的，但不一定是直的，因为阵列的形状取决于针孔19所布置的图案。摄谱仪14按波长使每个所接收的光束67同时色散，以产生每个光束67的相应的拉曼光谱82。典型地，对于区域80中的每个照亮斑点，产生相应的单个拉曼光谱。每个光谱通常包含在相应的照亮斑点处的所有化学种类的光谱信息。例如，如果样品55是微晶的，那么从相应的单个衍射限制照亮点产生的相应的单个光谱可以是多个化学种类的光谱的共同相加。优选的仅用一行斑点66(例如如图8所示)照亮样品55，以对应于样品的通过摄谱仪狭缝74成像的区域80，这提供了照亮光的有效利用(例如与更浪费光的图9的布置相比)。

拉曼光谱82通过检测器76来检测，该检测器76通常位于摄谱仪14的出口焦平面处。色散光束67D通过摄谱仪被聚焦到出口焦平面上，因此被聚焦到检测器76上。典型地，检测器76包括图像传感器77，该图像传感器77包括像素阵列81，图像传感器77典型地是数码摄像机的一部分。图像传感器77位于摄谱仪14的出口焦平面中。对于每个色散光束67D，即对于每个拉曼光谱82，图像传感器77可以具有一行或多行像素81、一排或多排像素81或其他组像素81。在图2的示例中，对于每个光谱82，传感器77具有一排像素81，尽管每个光谱82可以以任何其他便利的方式由一行或多行像素81、一排或多排像素81或一组或多组像素81产生。例如，作为盘11旋转的结果，一行或多行像素81、一排或多排像素81或一组或多组像素81可以检测来自多个照亮斑点66的拉曼光。在任何情况下，检测器76可以包括处理器(未示出)，该处理器被配置成根据需要由通过像素81检测到的拉曼光产生拉曼光谱82。该配置使得摄谱仪14将相应的色散光束67D引导到传感器77的相应的一排或多排像素或一行或多行像素上，以检测相应的光谱82。

从前面可以明显看出，设备100将多个拉曼光束67同时共焦地收集。因此，与常规共焦拉曼光谱相比，设备100更快地执行样品55的拉曼分析，并且与常规线扫描拉曼光谱相比，设备100更准确地执行拉曼分析。旋转盘组件11、15的使用提供共焦切片，使得狭缝74不需要像常规线扫描拉曼光谱的情况那样在平面之外执行阻挡，并且因此与标准方法不同，设备100真正共焦地操作。

在每次测量中，设备100收集关于样品55的线性区域80的多个拉曼光谱。在所示的实施例中，区域80对应于样品55上的这行斑点66(参见图8)。在图2中，区域80被示出为矩形，因为盘11的旋转导致传感器77检测到矩形的均匀照亮的光。为了收集整个样品55或至少样品55的整个目标区域的拉曼光谱，对于每次测量，设备100在样品55的不同位置处使用样品区域80执行多次测量。优选地，这通过在轴向方向上相对于样品55扫描区域80来实现，该轴向方向垂直于区域80的纵向轴线。例如，在图2中，假设区域80的纵向轴线沿着Y轴线，并且在沿着垂直的X轴线的方向上扫描区域80。对于沿着X轴线的每个位置，进行相应的测量，从而获得对应的Y轴线光谱。注意，在执行每次测量时，区域80和样品55之间没有相对移动，相反，在测量之间使区域80移动。区域80和样品55之间的相对移动可以通过任何便利的构件来实现。例如，样品55可以相对于物镜7移动。该移动可以通过使载物台20移动便利地实现。为此，载物台20可以是可移动载物台，并且可以联接到用于使载物台20移动的任何常规动力驱动构件(通常包括马达)。在该示例中，载物台20至少可沿着X轴线移动，尽管该载物台20也可沿着Y轴线和/或Z轴线移动。参考图10，替代地或附加地，照射光学系统45可以包括扫描系统84，该扫描系统84被配置成相对于样品55移动或扫描入射光65B。扫描系统84可以采取任何便利的形式，例如包括一个或多个扫描(例如可倾斜的)镜85。优选地，扫描系统84位于针孔盘11和物镜7之间。扫描系统84优选地是电动的。替代地或另外地，区域80的位置可以通过在测量之间移动入口孔径74的位置来移动。任何便利的扫描速率可以用于区域80，以适合应用。典型地，区域80的扫描速率比照亮斑点66的扫描速率慢。

因此，在优选实施例中，设备100执行线扫描共焦拉曼光谱，由此提供样品55的真正共焦拉曼光谱分析。

可选地，体现本发明的拉曼光谱设备可以被配置成不仅执行如上所述的共焦拉曼光谱，而且替代地执行样品55的拉曼成像。这种设备可在拉曼光谱模式和拉曼成像模式中的任一模式下操作。在拉曼光谱模式下，设备可以如上所述的配置，除非下文另有指示。在拉曼成像模式下，设备被配置成捕获整个样品55的至少一个拉曼图像，或者至少捕获样品55的整个目标区域。每个拉曼图像包括根据同时或基本同时照亮的点66从样品55上的不同位置同时或基本同时收集的拉曼光子。特别地，在扫描盘11旋转以对整个样品55(即待分析的整个目标区域)进行点照亮时，即在扫描盘11对样品55的整个目标区域进行点照亮所花费的时间内，拉曼图像由基本上同时从样品55的整个目标区域上的所有照亮点66收集的拉曼散射光组成。因此，与拉曼光谱模式相反，在成像模式中，拉曼光子不是仅在任何给定时刻从给定线性样品部分80收集的。在一些实施例中，设备可以被配置成同时执行拉曼光谱和拉曼成像。

与拉曼光谱相反，特别是例如出于过程控制或质量控制的目的，当预期的成分是已知的时，捕获拉曼图像对于分析样品55的成分是有用的。这是因为在一个或多个给定波长范围内的拉曼光的存在可以与样品55中的对应的化学物质或其它可检测物质的存在相关联。此外，由于产生了拉曼图像，因此检测出样品55中的相应的物质的空间分布。注意，在拉曼成像模式下，设备不检测整个拉曼光谱，而是捕获与该所选择的波长带或每个所选择的波长带对应的相应的拉曼图像。有利地，每个波长带被选择成对应于在给定目标物质或种类的拉曼光谱中存在峰值的波长，并且优选地还对应于可能存在于样品55中的一种或多种其他物质或种类的相应的拉曼光谱中没有峰值的波长。在这种情况下，峰值可以限定为高于合适的阈值水平的拉曼散射光的存在。阈值水平可以根据应用来设置，并且可以根据经验或通过计算和/或通过任何合适的校准过程来确定。

为了执行拉曼成像，优选的形式为光谱分析器滤波器70的光谱滤波器装置设置在成像光学系统30的光学路径中。在图1的实施例中，光谱分析器滤波器70位于分束器12和摄谱仪14之间，但是也可以位于光学成像系统30中的其他地方。优选的光谱分析器滤波器70是可调节的或可调谐的，使得该光谱分析器滤波器使仅在多个可选择波长范围中的所选择的一个或多个波长范围中的光透射。光谱分析器滤波器70可以包括任何合适的可调节的光谱滤波器装置。例如，光谱分析器滤波器70可以包括但不限于以下装置中的任何一个：液晶可调谐滤波器(LCTF)、声光可调谐滤波器(AOTF)、滤波器轮或其它可移动托架上的多个不同的滤波器、可枢转滤波器轮上的多个波长/角度可调谐滤波器、与法布里珀罗标准器结合使用的多个宽带通滤波器、一对法布里珀罗滤波器、或者减法双单色仪(例如，第一摄谱仪可以被配置成使光色散，然后将光重新聚焦到第一摄谱仪和第二摄谱仪之间的中间焦平面中，其中，提供物理块以仅使得特定波长范围能够通过，第二摄谱仪被配置成不使光色散，并且单色或滤波图像被布置在第二摄谱仪的输出端处)。

光谱分析器滤波器70的优选可调节性使得滤波器70以及因此设备100在成像模式下根据所收集的拉曼光的波长被调节以对特定目标物质进行成像。在替代实施例中，光谱分析器滤波器70不必是可调节的或可调谐的，而是可以被配置成使固定波长带中的光通过，或者优选地使多个不同的(优选地离散的)或不重叠的固定波长带中的光通过。可以选择一个或多个固定波长带来分析包含感兴趣的一种或多种特定物质的样品55，例如，其中，一个或多个波长带对应于使用期间从样品55发出的拉曼光的一个或多个特定波长。可以提供多个这样的固定滤波器，每个滤波器具有不同的通带特性，并且多个这样的固定滤波器可以根据被分析的样品的成分，根据需要安装和移除。

在成像模式下，成像光学系统30被配置成使得来自样品55的整个照亮区域的拉曼光穿过光谱分析器滤波器70。根据光谱分析器滤波器70的设置，除了在所选择的波长范围中或每个所选择的波长范围中的波长之外的所有波长被滤波器70阻挡，并且单个所选择的波长带或多个所选择的波长带中的拉曼光被允许通过。随后可以调节光谱分析器滤波器70，以使得来自一个或多个不同波长范围的拉曼光能够通过。根据应用，可以根据需要对多个或少数波长范围执行该过程。因此，在优选实施例中，滤波器70是可调谐的，以使得多个不同波长带中的任何一个波长带中的光能够同时穿过该滤波器。因此，如果样品55中的目标物质与多个波长带中的拉曼散射光相关联，那么滤波器70可以被调谐，以使得这些带中的每一个带中的光能够同时穿过该滤波器。替代地，可以调节滤波器70，使得每个带中的光一次一个带地依次穿过该滤波器。样品55中的一种或多种化学物质或其他物质的存在可以通过将光谱分析器滤波器70设置为使得一个或多个相应波长范围中的拉曼光能够通过来检测。

在被配置成支持拉曼成像模式和拉曼光谱模式的优选实施例中，光谱分析器滤波器70可相对于光学路径移动(如图1中的箭头A所示)，使得该光谱分析器滤波器可以移动到光学路径中以在成像模式下操作，并且移动到光学路径之外以在光谱模式下操作。为此，可以提供任何便利的致动构件(未示出)，优选地动力致动构件。例如，滤波器70可以设置在可移动的托架或载物台上，该托架或载物台优选地联接到马达或其他驱动构件以实现移动。替代地，光谱分析器滤波器70可以被配置成采用宽带通模式，在宽带通模式下，该光谱分析器滤波器使包括所有感兴趣的拉曼波长(例如，从200nm至1600nm或更宽的通带)的范围内的波长通过，并且可以在拉曼光谱模式期间采用宽带通模式。在不支持拉曼成像的实施例中，可以省略光谱分析器滤波器70。例如，在摄谱仪14被配置成如图4所示(即仅被配置成执行光谱学)的实施例中，可以省略或忽视光谱分析器滤波器70(例如通过提供可操作以选择性地使滤波器70被忽视或不被忽视的一个或多个可移动镜)。

拉曼图像可以通过检测器76来捕获。然而，在成像模式下，不希望使已经穿过滤波器70的拉曼光色散。图5和图6示出了适合在设备100中使用以支持拉曼成像模式和拉曼光谱模式的摄谱仪14的替代配置的示例。图5和图6的摄谱仪14与图4的摄谱仪类似，并且适用相同或类似的描述，其中，相同的附图标记被用于表示相同的部件，除非如本领域技术人员所理解的另有指示。在该实施例中，色散元件90(通常包括衍射光栅)可移动到穿过摄谱仪14的光的路径之外，或者可调谐或以其他方式可重新配置成非色散的，和/或用非色散元件代替，使得在成像模式下，光不是色散的。在所示的实施例中，色散元件90可由非色散元件94代替，非色散元件94便利地是镜或一个或多个其他光学反射和/或中继元件，镜或一个或多个其他光学反射和/或中继元件将光传递到出口焦平面而不使光色散。在优选实施例中，在光谱模式下，色散元件90除了使光色散之外还将光反射到镜93，并且在成像模式下，非色散元件94(以镜的优选形式)被配置成代替色散元件90将光反射到镜93。优选地以零阶使用的光栅(特别是反射光栅)可以用于提供与镜相同的光学反射功能，因此可以用作非色散元件94。在替代实施例中，色散元件90可以包括可调谐衍射光栅(例如可调谐反射光栅)，该可调谐衍射光栅可调谐为色散或非色散的，在这种情况下，不需要单独的色散元件和非色散元件。在色散元件90是可调谐的或可以以其他方式配置成非色散的实施例中，不需要使色散元件90移动。

在色散元件90和非色散元件94是可移动的实施例中(例如图5和图6的实施例)，元件90、94可以通过任何便利的方式移动到光的路径中和光的路径之外。在所示的实施例中，色散元件90和非色散元件94设置在组件95中，组件95可在色散状态(图5)和非色散状态(图6)之间移动，在色散状态下，色散元件90位于光的路径中以使光色散，在非色散状态下，非色散元件94位于光的路径中。组件95可在色散状态和非色散状态之间旋转。在所示的示例中，元件90、94设置在组件95的相对侧，并且组件是可旋转的，使得元件90、94中的一个或另一个位于光束67的路径中。替代地，组件95可以在色散状态和非色散状态之间线性地或可枢转地移动，并且因此元件90、94可以相对于彼此定位(例如，在线性移动的情况下并排定位)。替代地，色散元件90和非色散元件94可以根据需要单独地移动到光的路径中和光的路径之外。优选地，动力致动构件(例如包括一个或多个马达)联接到组件95，或者在适用的情况下单独联接到元件90、94，以实现相关的移动。替代地，元件90、94可以根据期望的操作模式手动地交换。在任何情况下，当设备100处于拉曼光谱模式下时，色散元件90处于光的路径中，因此摄谱仪14使光色散以产生如上所述的拉曼光谱，并且当设备100处于拉曼成像模式下时，非色散元件94处于光的路径中，使得摄谱仪14不对拉曼光执行色散。相反，在拉曼成像模式下，可以说摄谱仪14被配置成用作图像中继装置，该图像中继装置将在输入焦平面处接收的光传递到出口焦平面，而不执行色散。

在拉曼成像模式下，不希望使用在光谱模式中使用的狭缝孔径74来限制进入摄谱仪14的拉曼光，如图11A和图11B所示。相反，使用更宽的入口孔径74，例如如图11C所示。这可以通过使用不同的结构来限定每个模式下的孔径74，或者通过使用可配置成提供不同尺寸的孔径74的可调节孔径装置来实现。优选地，可调节孔径装置是动力操作的，例如电动的。优选地，在成像模式下，入口孔径74足够大以使得来自样品55的整个目标区域的拉曼光能够进入摄谱仪74。作为示例，在成像模式下，孔径74的宽度可以介于300μm至32mm之间。

图7示出了体现本发明的替代拉曼光谱设备100’。设备100’与设备100相同或类似，其中，相同的附图标记被用于表示相同的部件，并且除非另有指示，否则适用相同或类似的描述。设备100’不仅包括摄谱仪14(该摄谱仪可便利地如图4所示)和检测器76，而且还包括第二检测器76’，该第二检测器可以与检测器76相同。光谱分析器滤波器70被包括在成像光学系统30’中，并且位于第二检测器76’之前的光学路径中，但是不位于到摄谱仪14的光学路径中。成像光学系统30’包括用于将所收集的拉曼光引导到摄谱仪14和/或第二检测器76’的构件97。引导构件97可以包括分束器(例如二向色镜)、镜或一个或多个任何其他合适的光束切换或光束引导元件。引导构件97可以相对于光学路径移动，或者可以以其他方式可调节，使得在光谱模式下，至少一些(优选地全部)所收集的拉曼光被引导到摄谱仪14，并且在成像模式下，至少一些(优选地全部)所收集的拉曼光被引导到第二检测器76’。在光谱模式下，设备100’可以使用摄谱仪14执行如上所述的拉曼光谱。在拉曼成像模式下，设备100’可以使用第二检测器76’执行如上所述的拉曼成像。可选地，引导构件97(例如，当引导构件为分束器的形式时)可以被配置成使得所收集的光的相应部分被引导到摄谱仪14和第二检测器76’中的每一个，在这种情况下，设备100’可以执行拉曼光谱和拉曼成像两者。

可选地，引导构件97可以移动到光学路径中或光学路径之外，使得当引导构件位于光学路径中时(例如如图7所示)，引导构件将至少一些光引导到检测器76’或摄谱仪14中的一个(图7的示例中的检测器76’)，并且当引导构件在光学路径之外时，光被引导到摄谱仪14或检测器76’中的另一个(图7的示例中的摄谱仪14)。引导构件97可以通过任何便利的构件(优选地动力驱动构件，该动力驱动构件例如包括马达(未示出))移动。当引导构件在光学路径中时，引导构件97可以位于位于分束器12和摄谱仪14之间，便利地位于中继透镜13、13’之间。第三中继透镜13’可以设置在光谱分析器滤波器70和第二检测器76’之间。

在成像模式下，整个物体55(或至少整个目标区域)的拉曼图像聚焦在光学检测器76的焦平面上(在优选实施例中已经通过摄谱仪14传递)，仅由一个或多个所选择的波长范围内的拉曼光组成。此外，共焦地捕获图像(因为所有拉曼光已经穿过旋转盘11中的针孔)。与构建拉曼图像的常规方法相比，以上述方式捕获拉曼图像非常快速，但是不能收集所有的拉曼光谱信息。样品55上的每个照亮点的整个拉曼光谱入射到光谱分析器滤波器70上，但是在任何一个时间仅一个或多个所选择的波长范围内的拉曼光能够到达光学检测器76。通过在对应的不同波长范围拍摄多个拉曼图像，可以从每个像素提取图像和光谱的超立方体或数据立方体。可以在由设备100支持的每个波长处捕获相应的拉曼图像，以便在所有数据点处提供所有光谱信息。特别地，通过根据波长依次布置所捕获的信息，可以由图像中的每个像素构建完整(或部分)光谱。所得到的数据组包含XY像素信息(可选地也包含Z数据)和光谱或部分光谱。这种类型的数据组可以被称为数据的超立方体或超光谱图像数据立方体。该技术可以涉及收集包括单个波长的所有XY数据的完整图像，并且可以通过对光谱分析器进行扫描来收集缺失的光谱数据。对于大图像，该过程将比传统的点扫描快得多。更一般地，捕获拉曼图像的波长带数量越多，获取的光谱信息就越多。根据应用，可以选择捕获拉曼图像的波长带的数量以给出足够的光谱信息，以确保不存在错误识别的样品，同时可以足够快地执行以在实用的时间尺度内拍摄图像(并且仍然比传统的点扫描快得多)。这种方法适用于从不包含孤立光谱特征的混合物中以化学计量或单变量方式分离光谱贡献。

相反，在拉曼光谱模式下，每次测量提供具有用于每个照亮点66的波长数据的共焦Y轴线成像。为了获得数据立方体，可以通过如上所述的扫描(如果需要，沿着Z轴线)来获得共焦X轴线数据(以及如果需要，可选地Z轴线数据)。

因此，成像模式和光谱模式都可以提供信息的数据组，对于样品55的任何焦点位置，该数据组包括关于空间X、空间Y、可选地空间Z和波长的信息，即具有多达四个维度(X、Y、Z和λ)的数据组。每种模式具有相对的优点，这取决于用户是否偏向于(X、Y、Z)中的成像速度或获得高度的光谱信息(λ)。

设备100、100’典型地包括控制系统，该控制系统包括一个或多个控制器50，该控制器被配置成控制如本文所述的设备100、100’的操作，特别是控制动力操作的任何部件。其他部件可以根据需要手动地控制。典型地，控制器50被配置成控制该光学检测器或每个光学检测器76、76’、摄谱仪14、载物台20、引导构件97和光谱分析器滤波器70(如果适用的话)的操作。在典型的实施例中，控制器50使载物台20移动，因此使样品55移动，以获取样品的相关数据组。控制器50可以例如被配置成控制光谱分析器70的带通位置和/或光谱范围，以便于在不同波长下进行测量。可选地，控制器50被配置成控制光源25和/或扫描盘组件11、15。在所示的实施例中，不需要使光源25或扫描盘组件11、15的操作与设备100的其他部件(特别是光谱分析器70、摄谱仪14或光学检测器76、76’)同步，因此在这方面不需要控制器50控制光源25或扫描盘组件11、15的操作。然而，可选地，控制器50可以根据需要用于启动和关闭对光源25和/或扫描盘组件11、15的控制。该控制器或每个控制器50可以采取任何常规形式，通常包括适当编程的处理器，例如微处理器或微控制器，并且可以连接到需要以任何常规方式控制的一个或多个部件。

本发明不限于本文所描述的一个或多个实施例，而是可以在不脱离本发明的范围的情况下进行修改或改变。

Claims (34)

1.一种拉曼光谱设备，所述设备包括：

摄谱仪；

成像光学系统，所述成像光学系统被配置成沿着光学路径将来自物体的光透射到所述摄谱仪；

照射光学系统，所述照射光学系统包括光源，并且被配置成通过沿着所述光学路径的至少一部分将来自所述光源的光引导到所述物体来照亮所述物体；

包括多个孔径的扫描装置，所述扫描装置与所述光学路径相交并且能够相对于所述光学路径移动，

其中，所述照射光学系统被配置成将所述光引导到所述扫描装置，以在多个照亮点处照亮所述物体，

并且其中，所述成像光学系统被配置成将在所述照亮点处从所述物体发射的拉曼散射光透射到中间图像平面，所述扫描装置位于所述中间图像平面处，并且将所述拉曼散射光从所述中间图像平面透射到所述摄谱仪。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述成像光学系统被配置成将所述拉曼散射光聚焦到所述摄谱仪的输入焦平面。

3.根据权利要求1或2所述的设备，所述设备被配置成使得所述摄谱仪接收光束的线性阵列，每个光束包括来自所述照亮点中的相应一个照亮点的拉曼散射光。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述摄谱仪被配置成接收光束的线性阵列。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述摄谱仪包括入口孔径，所述入口孔径成形为限定用于接收所述光束的线性阵列的狭缝，所述入口孔径优选地位于所述摄谱仪的所述输入焦平面处。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述照射光学系统被配置成使得所述多个照亮点被布置成线性阵列。

7.根据从属于权利要求5的权利要求6所述的设备，其中，所述成像光学系统被配置成使来自所述照亮点的线性阵列的光成像，或将来自所述照亮点的线性阵列的光透射到所述狭缝。

8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述设备被配置成对所述拉曼散射光进行至少一次测量，其中，在每次测量中，所述设备对多个拉曼光谱进行检测，每个拉曼光谱对应于所述照亮点中的相应一个照亮点。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述设备被配置成进行多次所述测量，其中，在每次测量中，所述拉曼光谱对应于所述照亮点中的相应一组照亮点，所述照亮点中的每组照亮点对应于所述物体的不同区域，所述照亮点中的每组照亮点优选地对应于所述物体的相应线性区域。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述设备被配置成对所述物体进行扫描，使得所述区域共同覆盖所述物体的目标区域。

11.根据权利要求9所述的设备，其中，所述设备包括扫描构件，所述扫描构件用于在所述物体和所述物体的所述区域之间实现相对移动，每次测量都是针对所述区域进行的。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述扫描构件包括以下中的任一个或多个：用于使所述物体相对于所述照射光学系统移动的构件；被配置成相对于所述物体扫描来自所述光源的光的扫描系统；和/或用于使所述摄谱仪的入口孔径移动的构件。

13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，光学检测器设置在所述摄谱仪的出口孔径处，通常设置在所述摄谱仪的出口焦平面处。

14.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述设备被配置成或能配置成执行拉曼光谱和/或拉曼成像，并且在拉曼成像模式下，所述照射光学系统被配置成在多个照亮点处照亮所述物体的目标区域，并且所述成像光学系统被配置成通过检测来自所述照亮点的在所选择的一个或多个波长范围内的拉曼散射光来捕获所述目标区域的至少一个拉曼图像。

15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述成像光学系统包括光谱滤波器，所述光谱滤波器能配置成使仅在多个可选择波长范围中的所选择的一个或多个波长范围中的光透射。

16.根据权利要求15所述的设备，其中，在所述拉曼成像模式下，所述光谱滤波器位于到所述摄谱仪的所述光学路径中，并且被配置成在所述所选择的一个或多个波长范围中将光透射到所述摄谱仪。

17.根据权利要求15或16所述的设备，其中，所述光谱滤波器能移动至到所述摄谱仪的光学路径中并且能移动出到所述摄谱仪的所述光学路径之外，或者所述光谱滤波器能配置成使在所有所述可选择波长范围中的光同时通过。

18.根据权利要求14至17中任一项所述的设备，其中，在拉曼光谱模式下，所述摄谱仪被配置成按波长使所述拉曼散射光色散，并且在所述拉曼成像模式下，所述摄谱仪被配置成不按波长使所述拉曼散射光色散，所述摄谱仪优选地被配置成将拉曼图像从所述摄谱仪的入口传递到出口。

19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述摄谱仪包括至少一个色散元件，并且其中，所述至少一个色散元件能够移动到所述摄谱仪的所述入口和所述出口之间的光的路径中，并且能够移动到所述摄谱仪的所述入口和所述出口之间的光的路径之外，所述至少一个色散元件在所述拉曼光谱模式下位于所述光的路径中，在所述拉曼成像模式下位于所述光的路径之外，或者其中，所述至少一个色散元件能被配置成在色散状态和非色散状态之间。

20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述摄谱仪包括至少一个非色散元件，所述至少一个非色散元件能移动到所述光的路径中并且能移动到所述光的路径之外，其中，在所述拉曼成像模式下，所述至少一个非色散元件代替所述光的路径中的所述至少一个色散元件。

21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述至少一个色散元件和所述至少一个非色散元件设置在组件上，所述组件能够在色散状态和非色散状态之间移动，在所述色散状态下，所述至少一个色散元件位于所述光的路径中，在所述非色散状态下，所述至少一个非色散元件位于所述光的路径中。

22.根据权利要求15所述的设备，其中，所述光谱滤波器位于光学检测器之前的所述光学路径中，所述成像光学系统包括用于将所述拉曼散射光引导到所述摄谱仪和/或所述光学检测器的引导构件。

23.根据权利要求22所述的设备，其中，所述引导构件包括分束器、镜或一个或多个任何其他合适的光束切换或光束引导元件。

24.根据权利要求22或33所述的设备，其中，所述引导构件能相对于所述光学路径移动，或者能调节使得在拉曼光谱模式下，至少一些所述拉曼散射光被引导到所述摄谱仪，并且在所述拉曼成像模式下，至少一些所述拉曼散射光被引导到所述光学检测器。

25.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述扫描装置包括与所述多个孔径对准的多个透镜，以将所述光聚焦在所述孔径上。

26.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述扫描装置包括能旋转的扫描盘。

27.根据从属于权利要求25的权利要求26所述的设备，其中，所述扫描装置包括能旋转的透镜盘，在能旋转的透镜盘中，提供了所述多个透镜，所述透镜盘能与所述扫描盘一起旋转。

28.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述光源是激光光源，并且被配置成产生激光光束。

29.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备还包括分束器，所述分束器位于所述光学路径中，并且使所述光源的光和所述拉曼散射光中的一个透射，并且使所述光源的光和所述拉曼散射光中的另一个反射，所述成像光学系统被配置成使所述物体成像，或者通过所述分束器将来自所述物体的光透射到所述光学检测器，并且所述照射光学系统被配置成通过所述分束器照亮所述物体。

30.根据权利要求29所述的设备，其中，所述分束器使所述光源的光透射并使所述散射拉曼光反射。

31.根据权利要求29或30所述的设备，其中，所述分束器位于所述扫描装置和所述摄谱仪之间。

32.根据权利要求15所述的设备，其中，所述光谱滤波器是能调节的或能调谐的，以使仅在多个可选择波长范围中的所选择的一个或多个波长范围中的光透射。

33.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述照射光学系统和所述成像光学系统被配置成使所述物体共焦地照亮和成像。

34.一种拉曼光谱方法，所述拉曼光谱方法包括：

沿着光学路径将来自物体的光透射到摄谱仪；

通过沿着所述光学路径的至少一部分将来自光源的光引导到所述物体来照亮所述物体；

将所述光引导到扫描装置上，以在多个照亮点处照亮所述物体，其中，所述扫描装置包括多个孔径，与所述光学路径相交并且能相对于所述光学路径移动；

将在所述照亮点处从所述物体发射的拉曼散射光透射到中间图像平面，所述扫描装置位于所述中间图像平面处；以及

将所述拉曼散射光从所述中间图像平面透射到所述摄谱仪。