一種拉曼光譜面成像設備的製作方法

2023-05-21 02:44:36 1

本發明涉及拉曼光譜技術領域，具體而言，涉及一種拉曼光譜面成像設備。

背景技術：

拉曼光譜作為一種無損的、指紋性的檢測方法已經廣泛應用在科研、生產和生活領域,而圖像可以給人提供直觀的、形象的空間分布信息。拉曼光譜成像技術集成了光譜和圖像兩者的優點，可以通過圖像的方式表達出樣品化學成分空間分布的信息，不僅形象直觀，而且完整的包含了樣品的分子結構信息，特別適合分析具有微納結構的樣品。傳統拉曼光譜儀通過固定波長的雷射激發樣品上的一點、單色儀分光、線陣列CCD(Charge-coupled Device，電荷耦合元件)接收的檢測方式，通過逐點或線掃描實現拉曼光譜成像，成像解析度低且成像速度慢。

成像解析度低及成像速度慢是限制拉曼光譜成像技術廣泛應用的瓶頸問題。成像解析度是成像技術最重要的參數之一，解析度低的圖像不能很好的反應出樣品的真實狀況。而成像速度慢(一般數十分鐘甚至數十小時)則對儀器和樣品穩定性要求極高，使拉曼成像技術難以實用化。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種拉曼光譜面成像設備，能夠有效地提高拉曼光譜成像的空間解析度和成像速度。

為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下：

本發明實施例提供了一種拉曼光譜面成像設備，包括雷射產生裝置、濾光裝置以及面陣檢測器。所述雷射產生裝置發出的雷射光束以面照明的方式照射到樣品表面的預設區域，所述樣品在所述雷射光束的激發下產生的拉曼散射光入射到所述濾光裝置，經所述濾光裝置選通後成像到所述面陣檢測器，被所述面陣檢測器接收，其中，所述雷射產生裝置的輸出波長可調。

進一步的，上述濾光裝置包括帶通濾光片和法布裡-珀羅幹涉器，所述法布裡-珀羅幹涉器設置於所述帶通濾光片與所述面陣檢測器之間，所述樣品在所述雷射光束的激發下產生的拉曼散射光入射到所述帶通濾光片，經所述帶通濾光片的選通後入射到所述法布裡-珀羅幹涉器，由所述法布裡-珀羅幹涉器出射後成像到所述面陣檢測器，其中，所述法布裡-珀羅幹涉器的自由光譜範圍大於所述帶通濾光片帶通寬度的一半。通過在檢測光路上設置法布裡-珀羅幹涉器大幅提高光譜解析度，從而實現兼備高光譜解析度和空間解析度的拉曼光譜快速成像，有利於檢測具有複雜拉曼光譜的樣品，發揮拉曼光譜的指紋特徵的優勢。

進一步的，上述帶通濾光片為窄帶濾光片。

進一步的，入射到所述窄帶濾光片的拉曼散射光的入射角可調。

進一步的，上述帶通濾光片為固定中心波長的帶通濾光片。

進一步的，上述濾光裝置還包括長通濾光片，所述樣品在所述雷射光束的激發下產生的拉曼散射光依次經所述長通濾光片、所述帶通濾光片、所述法布裡-珀羅幹涉器後成像到所述面陣檢測器。

進一步的，上述雷射產生裝置包括可調諧雷射器以及擴束鏡，所述可調諧雷射器發出的雷射光束經所述擴束鏡的擴束後照射到所述樣品表面，所述面照明的方式為科勒式或臨界式或散焦形式的面照明方式。

進一步的，上述拉曼光譜面成像設備還包括會聚透鏡以及物鏡，所述可調諧雷射器發出的雷射光束經所述擴束鏡的擴束後，依次經過所述會聚透鏡和所述物鏡後照射到所述樣品表面。

進一步的，上述拉曼光譜面成像設備還包括二向色鏡，所述雷射產生裝置發出的雷射光束入射到所述二向色鏡，經所述二向色鏡反射後照射到樣品表面的預設區域，所述樣品在所述雷射光束的激發下產生的拉曼散射光入射到所述二向色鏡，透過所述二向色鏡後入射到所述濾光裝置。

進一步的，上述雷射產生裝置的輸出波長連續可調。

相比於現有技術，本發明實施例提供的拉曼光譜面成像設備中，雷射產生裝置輸出的雷射光束以面照明方式照射在樣品的預設區域，所產生的拉曼散射光經濾光裝置進行光譜選通後成像到面陣檢測器，直接得到樣品表面預設區域的拉曼光譜圖像，採用這種面激發、面成像的方式有效地提高了拉曼光譜成像的成像速度以及成像空間解析度。此外，通過調節雷射產生裝置的輸出波長，能夠在不切換濾光裝置的基礎上實現對樣品拉曼位移的選擇和連續掃描，適用於檢測不同物質的拉曼光譜成像。

為使本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附附圖，作詳細說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種拉曼光譜面成像設備的結構示意圖；

圖2為窄帶濾光片的透射光譜示意圖；

圖3為法-珀幹涉器的透射光譜示意圖；

圖4為本發明實施例中法-珀幹涉器與窄帶濾光片配合使用時的透射光譜示意圖。

圖中：10-拉曼光譜面成像設備；110-雷射產生裝置；111-可調諧雷射器；112-擴束鏡；113-短通濾光片；114-第一反射鏡；115-第二反射鏡；120-會聚透鏡；130-二向色鏡；140-物鏡；150-濾光裝置；151-窄帶濾光片；152-法-珀幹涉器；153-長通濾光片；160-成像透鏡；170-面陣檢測器；20-樣品。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「上」、「下」、「左」、「前」、「後」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「設置」應做廣義理解。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

如圖1所示，本發明實施例提供了一種拉曼光譜面成像設備10，包括雷射產生裝置110、濾光裝置150以及面陣檢測器170。雷射產生裝置110發出的雷射光束以面照明的方式照射到樣品20表面的預設區域，該樣品20在雷射光束的激發下產生的拉曼散射光入射到濾光裝置150，經濾光裝置150選通後成像到面陣檢測器170，被面陣檢測器170接收。需要說明的是，圖1中帶箭頭的實線用於示意光束的傳輸方向。

不同於傳統的拉曼光譜儀通過固定波長的雷射激發樣品20上的某一點或線，本發明實施例中，雷射產生裝置110發出的雷射光束照射到樣品20表面的預設區域，該預設區域的具體面積即本拉曼光譜面成像設備10的視場面積可以根據需要設計。例如，該預設區域可以為一個方形區域或圓形區域。本實施例中，將這種激發方式定義為面激發方式，結合面陣檢測器170，能夠直接得到樣品20表面預設區域的拉曼光譜圖像，有效地提高了拉曼光譜成像的成像速度以及成像空間解析度。

本實施例中，雷射產生裝置110用於輸出激發光，其輸出波長可調。優選的，其輸出波長連續可調。具體的，雷射產生裝置110可以包括可調諧雷射器111。其中，可調諧雷射器111可以是但不局限於是染料雷射器、半導體雷射器、Ti藍寶石雷射器、準分子雷射器等連續輸出或脈衝輸出的波長可調諧雷射器111中的任意一種。

為了增加可調諧雷射器111發出的雷射光束的直徑，雷射產生裝置110還包括擴束鏡112，用於對可調諧雷射器111發出的雷射光束進行擴束。

為了抑制螢光背底等影響拉曼成像效果，上述雷射產生裝置110還可以包括短通濾光片113，可調諧雷射器111發出的雷射經過短通濾光片113濾光，去除螢光背底等影響拉曼成像的雜散光。例如，短通濾光片113可以設置在可調諧雷射器111與擴束鏡112之間。

考慮到雷射產生裝置110空間布局的合理性，雷射產生裝置110還可以包括第一反射鏡114和第二反射鏡115，如圖1所示。可調諧雷射器111發出的雷射經第一反射鏡114和第二反射鏡115反射到擴束鏡112，此時，可以將上述短通濾光片113設置在第一反射鏡114和第二反射鏡115之間的光傳播路徑上。

為了使得經過擴束的雷射光束均勻的照射到樣品20上，如圖1所示，本拉曼光譜面成像設備10還可以包括會聚透鏡120以及物鏡140。可調諧雷射器111發出的雷射光束經擴束鏡112的擴束後，入射到會聚透鏡120。會聚透鏡120將入射的雷射光束投射到物鏡140的後焦平面，使得雷射均勻照射到樣品20表面。照在樣品20上的激發光的能量分布均勻，有利於拉曼成像。當然，除了上述利用會聚透鏡120和物鏡140實現的科勒照明方式以外，本實施例也可以採用其他的面照明方式使得雷射光束照射到樣品20上，例如，光纖照明方式、臨界照明方式、散焦形式的面照明方式等。

基於上述內容，本實施例通過擴束鏡112、會聚透鏡120以及物鏡140形成的激發光路使得可調諧雷射器111發出的雷射光束均勻入射到樣品20表面，樣品20被激發產生的拉曼信號，成像到面陣檢測器170上、被面陣檢測器170接收。

需要進一步說明的是，拉曼散射光的接收光路與上述激發光路可以相互獨立，也可以共用部分元件。本發明優選實施例中，為了優化設備的光路結構，接收光路與激發光路可以共用物鏡140。此時，本拉曼光譜面成像設備還可以包括二向色鏡130，二向色鏡130起到反射雷射光束，透過拉曼散射光的作用，可使得接收光路與激發光路共用物鏡140分別實現激發和檢測。也就是說，通過設置二向色鏡130，使得激發光路的光軸與接收光路的光軸重合。如圖1所示，擴束後的雷射光束經會聚透鏡120後入射到二向色鏡130，經二向色鏡130反射後經物鏡140照射到樣品20表面。樣品20在雷射光束的激發下產生的部分拉曼散射光經物鏡140入射到二向色鏡130。透過二向色鏡130的拉曼散射光經過濾光裝置150過濾後成像到面陣檢測器170。

為了方便在接收光路中添加濾波器件，本發明優選採用無限遠成像方式，即雷射光束入射到樣品20後形成的部分散射光(包括瑞利散射光和拉曼散射光)入射到物鏡140後，被物鏡140準直為平行光出射，經二向色鏡130、濾光裝置150後成像到面陣檢測器170、被面陣檢測器170接收。當物鏡140出射的平行光束的直徑較大，與面陣檢測器170的尺寸不適配時，可以在濾光裝置150與面陣檢測器170之間的光路中設置成像透鏡160，成像透鏡160將物鏡140所成的像縮小到適當尺寸後成像到面陣檢測器170上。

本實施例中，濾光裝置150設置於接收光路中，用於抑制樣品20在入射的雷射光束的作用下產生的拉曼特徵峰以外的光，如瑞利散射背景光，選擇性通過特定中心波長的拉曼特徵峰，以實現拉曼光譜成像。具體的，濾光裝置150至少包括帶通濾光片。本實施例中，帶通濾光片可以為固定中心波長的帶通濾光片，該中心波長拉曼特徵峰可以透過帶通濾光片成像到面陣檢測器170。

為了提高拉曼光譜成像的光譜解析度，上述帶通濾光片優選為窄帶濾光片151。為了能夠實現窄帶濾光片151的中心波長的微調，優選的，入射到窄帶濾光片151的拉曼散射光的入射角是可以調節的。通過調節入射到帶通濾光片的拉曼散射光的入射角，對窄帶濾光片151的透射峰的峰值波長進行微調，以得到更精確的拉曼光譜信息。例如，可以通過調節窄帶濾光片151的角度以調節入射到窄帶濾光片151的光束的入射角。

由於窄帶濾光片151的帶通寬度限制，光譜解析度一般不高於7cm-1，使得拉曼光譜成像的光譜解析度有限。因此，本實施例中，濾光裝置150還包括法布裡-珀羅幹涉器，以下簡稱法-珀幹涉器152。法-珀幹涉器152設置於窄帶濾光片151與面陣檢測器170之間。經窄帶濾光片151選通後入射到法-珀幹涉器152的拉曼散射光，進一步經過法-珀幹涉器152的多光束幹涉作用後，由法-珀幹涉器152出射並成像到面陣檢測器170。通過法-珀幹涉器152和窄帶濾光片151的配合使用，實現在大光譜範圍內的超窄線寬的帶通濾光效果，有利於得到更精確的拉曼光譜信息，發揮拉曼光譜指紋特性的優勢。

本實施例中，法-珀幹涉器152可以是但不局限於空氣間隙法-珀幹涉器152、固體間隙法-珀幹涉器152及液晶可調法-珀幹涉器152等中的一種。

如圖2所示，窄帶濾光片151的透過光譜包括一個具有一定帶寬的透射峰，圖2中的橫坐標為波長，縱坐標為光強。而法-珀幹涉器152的透射光譜包括多個分離的透射峰，類似於梳狀結構，如圖3所示。圖3中的橫坐標為波數，縱坐標為光強。相鄰兩個級次的透射峰的波長間距即為法-珀幹涉器152的自由光譜範圍。為了得到高光譜解析度，儘量保證單一中心波長透過，本實施例中，法-珀幹涉器152的自由光譜範圍大於帶通濾光片帶通寬度的一半。

為了增強對瑞利散射背景光的抑制，濾光裝置150還可以包括長通濾光片153。長通濾光片153設置在窄帶濾光片151之前的光路中。此時，樣品20在雷射光束的激發下產生的拉曼散射光入射到濾光裝置150後，具體先入射到長通濾光片153，透過長通濾光片153的光再入射到窄帶濾光片151，透過窄帶濾光片151後進一步入射到法-珀幹涉器152，由法-珀幹涉器152出射後成像到面陣檢測器170。

面陣檢測器170用於將接收到的光學影像轉換為電信號，以得到拉曼光譜圖像。根據拉曼光譜圖像可以進一步得到拉曼光譜信息，從而得到樣品20中與該拉曼光譜信息對應的物質的分布情況。本實施例中，面陣檢測器170可以為常規面陣CCD(Charge-coupled Device，電荷耦合元件)、面陣電子倍增CCD(Electron-Multiplying CCD，EMCCD)、面陣COMS檢測器或面陣增強電荷耦合器件(ICCD)等。

下面將以一個具體示例對本實施例提供的拉曼光譜面成像設備10中各部件的參數要求進行說明。例如，拉曼光譜面成像設備10中，可調諧雷射器111採用YAG雷射器泵浦的連續波染料雷射器，其輸出功率200-2000mW，波長調節範圍535-700nm，假設拉曼光譜成像波長固定為671nm，即帶通濾光片的中心波長為671nm，圖2示出了窄帶濾波裝置的透過光譜。也就是說，能夠通過濾光裝置150的拉曼特徵峰的中心波長為671nm。此時，通過調節雷射器的輸出波長，可以在200-2800cm-1範圍內實現對拉曼位移的選擇和連續掃描，可以在不切換濾光片的基礎上適用於檢測不同物質的拉曼光譜成像，有利於檢測具有複雜拉曼光譜的樣品20。

相應地，短通濾光片113的截止波長可以設計為668nm。二向色鏡130反射波長可以小於667nm，透過波長可以大於670nm。物鏡140為50倍長工作距離物鏡140。面陣檢測器170為EMCCD。濾光裝置150中，長通濾光片153的截止波長可以為668nm。

如圖2所示，窄帶濾光片151中心波長為671nm，帶通寬度約2.5nm約合65cm-1，雖然透過效率高但帶通寬度難以滿足拉曼光譜成像需求。法-珀幹涉器152具有極高的光譜解析度，然而其自由光譜範圍(兩個級次幹涉峰的波長間距)卻非常小，因此需要設計特殊的法-珀腔從而擴大其自由光譜範圍，本實施例中為定製空氣間隙法-珀幹涉器152，其獨立使用時的透光光譜圖如圖3所示，自由光譜範圍較寬為1.3nm，帶通寬度為0.06nm。將法-珀幹涉器152與窄帶濾光片151配合使用時，可實現在大光譜範圍內的超窄線寬的帶通濾光效果，如圖4所示，可達到大光譜範圍內1.5cm-1的帶通寬度。圖4中的橫坐標為波數，縱坐標為光強。當採用帶通寬度更窄的前級濾光片及更高精細度的法-珀幹涉器152可達到亞波數的光譜解析度，從而實現高光譜解析度的拉曼光譜成像，理論上可達到皮米以上的光譜解析度。

綜上所述，本發明實施例提供的拉曼光譜面成像設備10中，雷射產生裝置110輸出的雷射光束以面照明方式照射在樣品20的預設區域，所產生的拉曼散射光經濾光裝置150進行光譜選通後成像到面陣檢測器170，直接得到樣品20表面預設區域的拉曼光譜圖像，採用這種面激發、面成像的方式有效地提高了拉曼光譜成像的成像速度以及成像空間解析度。此外，通過調節雷射產生裝置110的輸出波長，能夠在不切換濾光裝置150的基礎上實現對樣品20拉曼位移的選擇和連續掃描，適用於檢測不同物質的拉曼光譜成像，有利於檢測具有複雜拉曼光譜的樣品20。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。