用于实施拉曼光谱术的方法和装置的制作方法

专利名称：用于实施拉曼光谱术的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及用于识别和表征物质的方法和装置，具体涉及 利用拉曼光谱术识别和表征物质的方法和装置。
背景技术：
拉曼光谱术是用于识别和表征大量物质的可行技术。拉曼光镨 术广泛应用于科学和商业领域。例如Y旦不限于，商业领域的用途目 前包括医学、生物工艺学、药品、安全和地质学。另外，最新的技 术进步使得利用拉曼光谱术通过减小尺寸和成本增加应用范围成为 可能。例如，便携式单元目前已经可以在实验室外使用，比如测量 和识别粉末、丸状物、液体等。
不幸的是，目前的拉曼光谱术系统存在有许多的问题。例如， 现有拉曼光谱术系统中持续的问题是激光传递至标本以及来自标本 的拉曼特征标记的收集。其中，这些问题包括便携式拉曼系统中的 空间限制、由于来自激光源的放大的自发发射(ASE)而引入系统 的信号失真等。
同样，对于距离光源和检光器较远的标本的拉曼光谱术来说， 光纤通常用来传递激发光并收集拉曼信号。然而，这些光纤的使用 可引入通过光纤中的相互作用产生的瑞利和拉曼散射以及焚光。
因此，本发明的主要目的是提供改进的拉曼光谱术系统，该系 统克服了目前可用系统的缺点。

发明内容
在本发明的一个优选实施例中，提供了一种改进的拉曼光谱术 系统(有时在下文中称为拉曼探头)，其中一组光学元件被用来使泵 浦光源与拉曼信号分离并且将拉曼信号引导至远程光谱仪或检测
器。拉曼探头还优选地被配置成以便能够过滤来自激光源的ASE背 景，以及过滤通过光纤中的相互作用产生的瑞利和拉曼散射以及焚 光。
在本发明的另一种形式中，提供了一种拉曼探头，包含 第一光纤，用于接收来自光源的激光激发光并传输该激光激发
光；
第一滤光器，用于接收来自第一光纤的光并且适于通过激光激
发光以及阻挡与该光相关联的乱真信号；
第二滤光器，用于接收来自第 一滤光器的光并且适于引导光朝 向标本；
聚焦装置，用于接收来自第二滤光器的光，使光在标本上聚焦 以便生成拉曼信号，并且使拉曼信号返回到第二滤光器；
其中第二滤光器还被配置成以使在笫二滤光器接收来自聚焦装
置的拉曼信号时，第二滤光器在将拉曼信号引导至第二光纤之前过 滤掉不想要的激光激发光；以及
第二光纤，用于接收来自第二滤光器的拉曼信号并且将拉曼信 号传输至光分析器。
并且在本发明的 一个优选实施例中，提供了 一种新颖的光学揮L 头传递系统，该系统提供三种独特的使用模式用于激发和收集来自 测试中的标本的光，所有这些都包括在一个光学探头设计中。在第
一使用模式中，拉曼探头通过利用锥形支座允许用户维持与标本的 距离，这通过限制暴露的光束提供了距离控制和激光安全。第二使 用模式允许用户移去锥形支座以便于通过手工或其他手段维持距离 控制。第三使用模式允许标本瓶直接插入探头光学组件中。
在本发明的另一种形式中，提供了一种拉曼探头，包含 光源，用于生成激光激发光；
聚焦装置，用于接收来自光源的激光激发光，使激光激发光在 标本上聚焦以便生成拉曼信号，以及使拉曼信号返回到光分析器； 以及
光分析器，用于分析标本的拉曼特征标记，椐此识别标本； 其中聚焦装置被配置成可允许标本驻留在小瓶容器中或者在远 离小瓶容器的目标位置处。
在本发明的又一种形式中，提供了一种用于实施标本的拉曼光 谱术的方法，包含
利用光源生成激光激发光；
使激光激发光穿过第一滤光器以便阻挡与该光相关联的乱真信
号；
将激光激发光引导至第二滤光器以便引导激光激发光朝向标
本；
接收来自第二滤光器的光，使光在标本上聚焦以便生成拉曼信
号，以及使拉曼信号返回到第二滤光器；
其中第二滤光器还被配置成以使在第二滤光器接收来自标本的
拉曼信号时，第二滤光器过滤掉不想要的激光激发光；
将从第二滤光器接收的过滤的光传递至光分析器；以及
分析标本的拉曼特征标记以便识别标本。
在本发明的另一种形式中，提供了一种拉曼探头，包含
外壳；
光源，被设置在外壳内，用于生成激光激发光；
聚焦装置，被设置在外壳内，用于接收来自光源的激光激发光，
使激光激发光在标本上聚焦以便生成拉曼信号，以及使拉曼信号返
回到光分析器；以及
光分析器，被设置在外壳内，用于分析标本的拉曼特征标记， 据此识别标本；
其中聚焦装置被配置成可允许标本驻留在远离外壳的目标位置
处；
并且还包含光屏蔽，其被安装到外壳上以便被设置在标本和用 户之间，据此将用户与光源光屏蔽。
在本发明的又一种形式中，提供了一种拉曼^:头，包含
外壳；
光源，被设置在外壳内，用于生成激光激发光；
聚焦装置，被设置在外壳内，用于接收来自光源的激光激发光，
使激光激发光在标本上聚焦以便生成拉曼信号，以及使拉曼信号返
回到光分析器；以及
光分析器，被设置在外壳内，用于分析标本的拉曼特征标记，
据此识別标本；
其中聚焦装置被配置成可允许标本驻留在远离外壳的目标位置
处；
并且还包含相机，其被安装到外壳上以使其视场包括目标位置； 还包含显示器，其被安装到外壳上，用于显示被相机俘获的图像， 据此允许用户相对于标本来放置探头同时观看显示器。


通过下面对本发明的优选实施例的详细说明并考虑附图，本发 明的这些和其他特征将被充分公开或者被清楚反映，其中相同的数 字指相同的部分，并且其中
图1说明了新颖的拉曼光学探头；
图1A以示意图的形式说明了整个拉曼光谱术系统；
图2说明了过滤掉ASE、来自光纤的瑞利和拉曼散射以及荧光 的薄膜设计；
图3说明了为反射(阻挡)激光谱线和传输拉曼信号设计的薄
膜；
图4说明了用来引导拉曼信号并阻挡激光谱线的附加的宽带反 射器；
图5说明了另一种拉曼探头布置，其中通过重新布置收集光纤 省略了宽带反射器；
图6说明了本发明的另一个实施例，其中光纤和信号收集光学 部件是共线的(与相互垂直相反)；
图7说明了除将5度的入射角(AOI)用于滤光器之外，与图l 实施例类似的另 一个实施例；
图8说明了除将5度的入射角(AOI)用于滤光器之外，与图5 实施例类似的另 一个实施例；
图9说明了除将10度的AOI用于滤光器之外，图6变形的另 一个实施例；
图10说明了拉曼探头的另一个实施例，通过利用表面具有不同 涂层的两个棱镜而将其设计得更紧凑；
图11说明了便携式拉曼探头，其被配置成可允许三种不同的4吏 用模式；
图12和13说明了图11的便携式拉曼探头，其被配置成可利用 锥形支座允许用户维持与标本的距离；
图14说明了图11的便携式拉曼探头，其净皮配置成可允许用户 移去锥形支座以便通过手工或其他手段维持距离控制；
图14A说明了具有另一种形式的锥形支座的新颖的便携式拉曼 探头；
图15-17说明了图11的便携式拉曼探头，其被配置成可允许用 户将标本瓶直接插入探头光学组件内；
图18示出的是直接插入探头光学组件内的标本瓶的示意图，其 中标本瓶结合了光闸以此防止漫射逆光进入小^f瓦容器；以及
图19示出的是安装到拉曼探头前面的相机的示意图。
具体实施例方式
新颖的拉曼分光镜
首先来看图1,示出了新颖的拉曼探头5。在这种布置中激发光 源LS可以是比如具有有限谱线宽度的一个或多个785nm半导体激 光器。然而，拉曼探头5还可以使用任何其他的激光光源作为激发 光源LS,只要激光光源与拉曼光谱术检测技术相适应即可。激发光 源LS的输出通过光纤10被传递并且通过透镜15被准直。带通滤光 器20 (或带通滤光器20A、 20B的多重组合)用来通过激光激发光 并且阻挡与激光器、光纤和/或两者相关联的乱真信号。与激光器相 关联的乱真信号通常包含来自激光器的ASE，并且与光纤相关联的 乱真信号通常包含在光纤10内部生成的瑞利和拉曼散射以及荧光。 优选地带通滤光器20适于阻挡与激光器和光纤相关联的乱真信号。 激光激发光接着被滤光器25 (以22.5度的光学入射角，AOI)和30
(以22.5度的AOI)反射，并且接下来通过透镜35被聚焦以此激 发标本40。在这方面，应当意识到，出于本z^开的目的，使用了某 些AOI的值，然而，依照本发明，AOI可以从一个实施例到另一个 实施例发生改变。此外，因为输入光纤和输出光纤的几何形状不必 是平行或垂直的，所以AOI的值可以随所使用的特定几何特征发生 变化，比如AOI值可以在任何地方由5度的AOI到50度的AOI发 生变化。在本发明的一个优选实施例中，滤光器25和30优选地为 长通滤光器。在这方面，还应当意识到，滤光器25可以坤支简单反射 器替代以此反射激光。在激光激发光已经投射到标本上之后，拉曼 信号通过透镜35 -波重新准直并且穿过滤光器30。另一方面，拉曼 信号还可穿过多个滤光器(即，除了穿过滤光器30之外，拉曼信号 还可以22.5度的AOI穿过附加的滤光器45 )。在本发明的一个优选
实施例中，附加的滤光器45优选地也是长通滤光器。在来自标本的 拉曼信号穿过滤光器30时，滤光器30此时用作第二用途，即它阻 挡了激光谱线。在光通过宽带反射器50 (以45度的AOI)和聚焦透镜55被重定向进入收集光纤60之前，滤光器30和45可提供激 光谱线的直到XDDIO的过滤。光纤60将拉曼信号传输至分析标本 的拉曼特征标记的光分析器LA,据此识别标本。光分析器LA可包 含具有本领域公知类别的相关的分析装置的光谱仪。例如，参见图
1A，该图以示意图的形式示出了整个拉曼光谱术系统。除了反射拉 曼信号之外，宽带反射器50还过滤过滤掉激光激发光(0D1 )。
介电薄膜滤光器
上述各种不同的过滤可以通过下列介电薄膜滤光器来完成。在 这方面，出于本公开的目的，将假定所关注的拉曼信号大于300cm-1。接近激发源的拉曼信号(即大约lOOcm-l至大约300cm-l)还可 通过另一組滤光器来检测。 (1 )带通滤光器设计
如上面所注意到的， 一个或多个带通滤光器20A、 20B可用来 通过激光并阻挡与激光器、光纤和/或两者相关联的乱真信号。带通 滤光器可利用介电薄膜构造来构建。例如，参见图2，该图说明了 薄膜设计的传输特征，所述薄膜设计被配置成可过滤掉激光器ASE 和光纤中的瑞利和拉曼散射以及荧光。 (2)滤光器设计
同样如上面所注意到的，滤光器25、 30和/或45 (在本发明一 个优选实施例中，优选地为长通滤光器)可用来反射或阻挡激光镨 线并且通过拉曼信号。这种滤光器可利用介电薄膜构造来构建。该 设计优选地针对800nm-1100nm的范围进行配置；CCD检测器通常 在这个范围之外是不敏感的。例如，参见图3,该图说明了用于反 射(和/或阻挡)激光谱线并且用于传输拉曼信号的滤光器薄膜设计 的传输特征。
(3)附加的宽带反射器
附加的宽带反射器50用来将拉曼信号重定向至收集光纤。另 外，附加的宽带反射器50在使光传至收集光纤之前还过滤激光激发 光(ODM)。宽带反射器50同样可利用介电薄膜构造来构建。例如，
参见图4，该图说明了附加的宽带反射器50的传输特征，所述附加 的宽带反射器50被配置成可引导拉曼信号并阻挡激光谱线。
附加的新颖构造
现在来看图5，示出了另一种新颖的拉曼探头布置105，除了通 过重新布置收集光纤而省略了宽带反射器50之外，该布置在构造上 通常与图1所示的类似。因此，在图5所示的构造中，激发光源LS 的输出通过光纤110被传递并且通过透镜115被准直。带通滤光器120 (或带通滤光器120A、 120B的多重组合)用来通过激光激发光并 且阻挡与激光器、光纤和/或两者相关联的乱真信号。与激光器相关 联的乱真信号通常包含来自激光器的ASE，并且与光纤相关联的乱 真信号通常包含在光纤110内部生成的瑞利和拉曼散射以及荧光。 优选地带通滤光器120适于阻挡与激光器和光纤相关联的乱真信 号。激光激发光接着被滤光器125 (以22.5度的AOI )和130(以22.5 度的AOI )反射，并且接下来通过透镜135被聚焦以此激发标本140。 在这方面，应当意识到，出于本公开的目的，使用了某些AOI的值， 然而，依照本发明，AOI可以从一个实施例到另一个实施例发生改 变。此外，因为输入光纤和输出光纤的几何形状不必是平行或垂直 的，所以AOI的值可以随所使用的特定几何特征发生变化，比如AOI 值可以在任何地方由5度的AOI到50度的AOI发生变化。在本发 明的一个优选实施例中，滤光器125和130优选地为长通滤光器， 在这方面，还应当意识到，滤光器125可以被简单反射器替代以此 反射激光。在激光激发光已经投射到标本上之后，拉曼信号通过透 镜135被重新准直并且穿过滤光器130。另一方面，拉曼信号还可 穿过多个滤光器(即，除了穿过滤光器130之外，拉曼信号还以22.5 度的AOI穿过附加的滤光器145)。在本发明的一个优选实施例中， 附加的滤光器145优选地也是长通滤光器。在来自标本的拉曼信号 穿过滤光器130时，滤光器130此时用作第二用途，即它阻挡了激 光语线。在光被聚焦透镜155重定向进入收集光纤160之前，滤光 器130和145可提供激光谱线的直到〉OD10的过滤。光纤160将拉
曼信号传输至分析标本的拉曼特征标记的光分析器LA,据此识别标 本。光分析器LA可包含具有本领域公知类别的相关的分析装置的 光语仪。例如，参见图1A，该图以示意图的形式示出了整个拉曼光 谱术系统。
接下来看图6，示出了另一种新颖的拉曼探头布置205,其通常 类似于图5所示的构造；然而，利用这种新颖的布置，光纤和信号 收集光学部件彼此同轴(而不是彼此垂直)。因此，在图6所示的构 造中，激发光源LS的输出通过光纤210被传递并且通过透镜215 #1 准直。带通滤光器220 (或带通滤光器220A、 220B的多重组合)用 来通过激光激发光并且阻挡与激光器、光纤和/或两者相关联的乱真 信号。与激光器相关联的乱真信号通常包含来自激光器的ASE，并 且与光纤相关联的乱真信号通常包含在光纤210内部生成的瑞利和 拉曼散射以及荧光。优选地带通滤光器220适于阻挡与激光器和光 纤相关联的乱真信号。激光激发光接着被滤光器225 (以22.5度的 AOI)和230 (以22.5度的AOI)反射，并且接下来通过透镜235 被聚焦以此激发标本240。在这方面，应当意识到，出于本/〉开的 目的，使用了某些AOI的值，然而，依照本发明，AOI可以从一个 实施例到另一个实施例发生改变。此外，因为输入光纤和输出光纤 的几何形状不必是平行或垂直的，所以AOI的值可以随所使用的特 定几何特征发生变化，比如AOI值可以在任何地方由5度的AOI到 50度的AOI发生变化。在本发明的一个优选实施例中，滤光器225 和230优选地为长通滤光器，在这方面，还应当意识到，滤光器225 可以被简单反射器替代以此反射激光。在激光激发光已经投射到标 本上之后，拉曼信号通过透镜235被重新准直并且穿过滤光器230。 另一方面，拉曼信号还可穿过多个滤光器(即，除了穿过滤光器230 之外，拉曼信号还可以22.5度的AOI穿过附加的滤光器245 )。在 本发明的一个优选实施例中，附加的滤光器245优选地也是长通滤 光器。在来自标本的拉曼信号穿过滤光器230时，滤光器230此时 用作第二用途，即它阻挡了激光谱线。在光被聚焦透镜255重定向 进入收集光纤260之前，滤光器230和245可提供激光谱线的直到 〉OD10的过滤。光纤260将拉曼信号传输至分析标本的拉曼特征标 记的光分析器LA,据此识别标本。光分析器LA可包含具有本领域 公知类别的相关的分析装置的光镨仪。例如，参见图1A，该图以示 意图的形式示出了整个拉曼光语术系统。
应当意识到，利用图1-6所示的构造，该配置优选地利用滤光 器25、 30和/或45 (或125、 130和/或145等)的22.5度的光学入 射角(AOI)。然而，正如上面所注意到的，任何其他AOI同样可以 被配置成利用某些制造容限。
例如，并且现在来看图7,示出了另一种新颖的拉曼探头配置 305，该配置使用滤光器的不同的AOI滤光器。利用这种构造，激 发光源LS的输出通过光纤310被传递并且通过透镜315被准直。带 通滤光器320 (或带通滤光器320A、 320B的多重组合)用来通过激 光激发光并且阻挡与激光器、光纤和/或两者相关联的乱真信号。与 激光器相关联的乱真信号通常包含来自激光器的ASE,并且与光纤 相关联的乱真信号通常包含在光纤310内部生成的瑞利和拉曼散射 以及焚光。优选地带通滤光器320适于阻挡与激光器和光纤相关联 的乱真信号。激光激发光接着被在这个配置中可能是激光谱线反射 器的滤光器325 (以40度的光学入射角，AOI)以及滤光器330 (以 5度的AOI)反射，并且接下来通过透镜335坤皮聚焦以此激发标本 340。在这方面，应当意识到，出于本公开的目的，使用了某些AOI 的值，然而，依照本发明，AOI可以从一个实施例到另一个实施例 发生改变。此外，因为输入光纤和输出光纤的几何形状不必是平行 或垂直的，所以AOI的值可以随所使用的特走几何特征发生变化， 比如AOI值可以在任何地方由5度的AOI到50度的AOI发生变化。 在本发明的一个优选实施例中，滤光器330优选地为长通滤光器。 在这个实施例中，激光谱线反射器325优选地为筒单反射器以此反 射激光。在激光激发光已经投射到标本上之后，拉曼信号通过透镜 335被重新准直并且穿过滤光器330。另一方面，拉曼信号还可穿过
多个滤光器(即，除了穿过滤光器330之外，拉曼信号还以5度的 AOI穿过附加的滤光器345)。在本发明的一个优选实施例中，附加 的滤光器345优选地也是长通滤光器。在来自标本的拉曼信号穿过 滤光器330时，滤光器330此时用作第二用途，即它阻挡了激光谱 线。在光通过宽带反射器350 (以45度的AOI)和聚焦透镜355重 定向进入收集光纤360之前，滤光器330和345可提供激光谱线的 直到X3D10的过滤。光纤360将拉曼信号传输至分析标本的拉曼特 征标记的光分析器LA,据此识别标本。光分析器LA可包含具有本 领域公知类别的相关的分析装置的光语仪。例如，参见图1A，该图 以示意图的形式示出了整个拉曼光谱术系统。除了反射拉曼信号之 外，宽带反射器50还过滤过滤掉激光激发光(0D1)。
正如上面所注意到的，拉曼^:头配置305使用滤光器330和345 的5度的AOI。这样小的AOI可减小与大AOI角度相关联的s和p 偏振差异。通过利用更小的AOI值，大约 300cm-l (或更小)处的 拉曼信号可以很容易分解。在这种配置中，激光谱线反射器(或滤 光器)325针对40度AOI来设计。激光诿线反射器325可以是简单 的激光谱线分布布拉才各反射器(DBR)。
应当意识到，利用更窄的带通滤光器和具有更小AOI的滤光器， 同样可容易利用如100cm-l —样近的拉曼信号。
现在来看图8，示出了另一种新颖的拉曼探头配置405，其同样 使用更小的滤光器(这些滤光器优选地为长通滤光器)的AOI。更 具体地说，利用这种配置，激发光源LS的输出通过光纤410浮皮传递 并且通过透镜415被准直。带通滤光器420 (或带通滤光器420A、 420B的多重组合)用来通过激光激发光并且阻挡与激光器、光纤和 /或两者相关联的乱真信号。与激光器相关联的乱真信号通常包含来 自激光器的ASE，并且与光纤相关联的乱真信号通常包含在光纤410 内部生成的瑞利和拉曼散射以及荧光。优选地带通滤光器420适于 阻挡与激光器和光纤相关联的乱真信号。激光激发光接着被激光谱 线反射器425 (以40度的光学入射角，AOI)以及滤光器430 (以5
度的AOI )反射，并且接下来通过透镜435被聚焦以此激发标本440。 在这个实施例中，激光谱线反射器425优选地为筒单反射器以此反 射激光。在这方面，应当意识到，出于本公开的目的，使用了某些 AOI的值，然而，依照本发明，AOI可以从一个实施例到另一个实 施例发生改变。此外，因为输入光纤和输出光纤的几何形状不必是 平行或垂直的，所以AOI的值可以随所使用的特定几何特征发生变 化，比如AOI值可以在^f壬何地方由5度的AOI到50度的AOI发生 变化。在本发明的一个优选实施例中，滤光器430优选地为长通滤 光器。在激光激发光已经投射到标本上之后，拉曼信号通过透镜435 被重新准直并且穿过滤光器430。另一方面，拉曼信号还可穿过多 个滤光器(即，除了穿过滤光器430之外，拉曼信号还以5度的A01 穿过附加的滤光器445 )。在本发明的一个优选实施例中，附加的滤 光器445优选地也是长通滤光器。在来自标本的拉曼信号穿过滤光 器430时，滤光器430此时用作第二用途，即它阻挡了激光谱线。 在光被聚焦透镜455重定向进入收集光纤460之前，滤光器430和 445可提供激光谱线的直到X)DIO的过滤。光纤460将拉曼信号传 输至分析标本的拉曼特征标记的光分析器LA，据此识别标本。光分 析器LA可包含具有本领域公知类别的相关的分析装置的光谱仪。 例如，参见图1A，该图以示意图的形式示出了整个拉曼光镨术系统。 正如上面所注意到的，滤光器中的任何其他角度也可用来配置 拉曼探头，其中光纤和信号收集光学部件彼此同轴。因此，在图9 所示的构造中，激发光源LS的输出通过光纤51(H皮传递并且通过透 镜515一皮准直。带通滤光器520 (或带通滤光器520A、 520B的多重 组合)用来通过激光激发光并且阻挡与激光器、光纤和/或两者相关 联的乱真信号。与激光器相关联的乱真信号通常包含来自激光器的 ASE，并且与光纤相关联的乱真信号通常包含在光纤510内部生成 的瑞利和拉曼散射以及荧光。优选地带通滤光器520适于阻挡与激
光器和光纤相关联的乱真信号。激光激发光接着被滤光器525 (以10 度的光学入射角，AOI)和530 (以10度的AOI)反射，并且接下
来通过透镜535 ;故聚焦以此激发标本540。在这方面，应当意识到， 出于本公开的目的，使用了某些AOI的值，然而，依照本发明，AOI 可以从一个实施例到另一个实施例发生改变。此外，因为输入光纤 和输出光纤的几何形状不必是平行或垂直的，所以AOI的值可以随 所使用的特定几何特征发生变化，比如AOI值可以在任何地方由5 度的AOI到50度的AOI发生变化。在本发明的一个优选实施例中， 滤光器525和530优选地为长通滤光器。在这方面，还应当意识到， 滤光器525可以#1筒单反射器替代以此反射激光。在激光激发光已 经投射到标本上之后，拉曼信号通过透镜535被重新准直并且穿过 滤光器530。另一方面，拉曼信号还可穿过多个滤光器(即，除了 穿过滤光器530之外，拉曼信号还W 10度的AOI穿过附加的滤光 器545 )。在本发明的一个优选实施例中，附加的滤光器545优选地 也是长通滤光器。在来自标本的拉曼信号穿过滤光器530时，滤光 器530此时用作第二用途，即它阻挡了激光谱线。在光被聚焦透镜 555重定向进入收集光纤560之前，滤光器530和545可提供激光 谱线的直到X)DIO的过滤。光纤560将拉曼信号传输至分析标本的 拉曼特征标记的光分析器LA,据此识别标本。光分析器LA可包含 具有本领域公知类别的相关的分析装置的光谱仪。例如，参见图1A,
该图以示意图的形式示出了整个拉曼光谱术系统。
通过利用在其表面具有各种不同涂层的两个棱镜还可以将拉曼 探头做得明显更加紧凑。图10说明了一个这样的实施例。在这种配 置中，各种不同涂层的功能与上面所讨论的相同。更具体地说，在 图10中，示出了拉曼探头配置605 。激发光源LS的输出通过光纤610 被传递并且通过透镜615 #1准直。笫一棱镜675上的带通滤光器涂 层665用来通过激光激发光并且阻挡与激光器、光纤和/或两者相关 联的乱真信号。与激光器相关联的乱真信号通常包含来自激光器的 ASE，并且与光纤相关联的乱真信号通常包含在光纤610内部生成 的瑞利和拉曼散射以及荧光。优选地带通滤光器620适于阻挡与激
光器和光纤相关联的乱真信号。激光激发光接着被分色光束分离器
涂层680以45度AOI反射，穿过宽带减反射(AR)涂层670,并 且接下来通过透镜635被聚焦以此激发标本640。在这方面，应当 意识到，出于本公开的目的，使用了某些AOI的值，然而，依照本 发明，AOI可以从一个实施例到另一个实施例发生改变。此外，因 为输入光纤和输出光纤的几何形状不必是平行或垂直的，所以AOI 的值可以随所使用的特定几何特征发生变化，比如AOI值可以在任 何地方由5度的AOI到50度的AOI发生变化。在激光激发光已经 投射到标本上之后，拉曼信号通过透镜635被重新准直并且穿过宽 带AR涂层670。在来自标本的拉曼信号穿过宽带AR涂层670时， 宽带AR涂层670此时用作第二用途，即它阻挡了激光谱线。在光 被聚焦透镜655重定向进入收集光纤660之前，光穿过第二棱镜685, 并且接着穿过滤光器涂层690。光纤660将拉曼信号传输至分析标 本的拉曼特征标记的光分析器LA，据此识别标本。光分析器LA可 包含具有本领域公知类别的相关的分析装置的光镨仪。例如，参见
图1A，该图以示意图的形式示出了整个拉曼光谱术系统。 具有串列式小瓶能力的便携式拉曼探头
图1-10所示类型的拉曼光学探头可用于在各种设置下传递和收 集来往于标本的光。然而，当试图在便携式野外应用中利用这样的 拉曼光学探头时，可能会出现可用性问题。
例如，利用图1所示的构造，距传递/收集透镜35和标本40的 距离通常必须保持在透镜35的焦距的大约+A0.5mm内以便使信号 强度最大。
另外，许多用户可能期望使标本40保持接近透镜35，同时实 际上未触碰标本，以便避免标本污染拉曼探测仪器。
同样地，在测量期间，某些用户可能喜欢将他们的标本放置到 玻璃瓶内。利用现有技术的拉曼探头，这可能是不方便的。
为了解决这些和其他所关注的问题，本发明提供了新颖的拉曼 探头，该拉曼探头可用于三种不同的使用模式。在第一模式下，拉 曼探头利用锥形支座允许用户维持与标本的距离，其通过限制暴露的射束提供了距离控制和激光安全。第二使用^t式允许用户移去锥 形支座以便于通过手工或其他手段维持距离控制。第三使用模式允 许标本^JJ妄插入^^头光学组件中。
更具体地，并且现在来看图11,示出了新颖的拉曼探头配置
705，其提供了三种前述的使用模式。利用这种构造，激发光源LS 的输出通过光纤710被传递并且通过透镜715被准直。带通滤光器 720 (或带通滤光器720A、 720B的多重组合)用来通过激光激发光 并且阻挡与激光器、光纤和/或两者相关联的乱真信号。与激光器相 关联的乱真信号通常包含来自激光器的ASE,并且与光纤相关联的 乱真信号通常包含在光纤710内部生成的瑞利和拉曼散射以及荧 光。优选地带通滤光器720适于阻挡与激光器和光纤相关联的乱真 信号。激光激发光接着被激光谱线反射器725 (比如以22.5度的光 学入射角，AOI)和滤光器730 (比如以22.5度的AOI)反射，并 且接下来通过透镜735在标本瓶容器805上聚焦，或者穿过标本瓶 容器805并且穿过聚焦透镜800,以及接下来穿过另一个聚焦透镜 795,到达标本位置740。在这方面，应当意识到，出于本^^开的目 的，使用了某些AOI的值，然而，依照本发明，AOI可以从一个实 施例到另一个实施例发生改变。此外，因为输入光纤和输出光纤的 几何形状不必是平行或垂直的，所以AOI的值可以随所使用的特定 几何特征发生变化，比如AOI值可以在任何地方由5度的AOI到50 度的AOI发生变化。在本发明的一个优选实施例中，滤光器730优 选地为长通滤光器。在这个实施例中，激光谱线反射器725优选地 为简单反射器以此反射激光。在激光激发光已经投射到标本上之后， 拉曼信号通过透镜735(其中标本位于小瓶容器805内)、或透镜795、 800和735 (其中标本位于标本位置740处)帔重新准直并且穿过滤 光器730。另一方面，拉曼信号还可穿过多个滤光器(即，除了穿 过滤光器730之外，拉曼信号还以比如22.5度的AOI穿过附加的滤 光器745 )。在本发明的一个优选实施例中，附加的滤光器745优选 地也是长通滤光器。在来自标本的拉曼信号穿过滤光器730时，滤
光器730此时用作第二用途，即它阻挡了激光谱线。在光被聚焦透 镜755重定向进入收集光纤760之前，滤光器730和745可提供激 光语线的直到XDDIO的过滤。光纤760将拉曼信号传输至分析标本 的拉曼特征标记的光分析器LA，据此识别标本。光分析器LA可包 含具有本领域公知类别的相关的分析装置的光谱仪。例如，参见图
1A，该图以示意图的形式示出了整个拉曼光谱术系统。在本发明的 一个优选实施例中，滤光器730和/或745可包含长通滤光器。 新颖的拉曼探头705可以按如下方式实现和使用。 首先来看图12、 13、 14和14A，在第一使用才莫式下，新颖的拉 曼探头705允许用户利用锥形支座810维持与标本的距离，锥形支 座810被安装到邻近输出光纤760的拉曼探头的外壳815上。锥形 支座810被设计成可提供距离控制和激光安全(通过限制射束暴 露)。锥形支座810可以制成一次性元件以便减轻污染问题，或者它 可以是拉曼探头的更持久的元件。在一种优选构造中，探头和锥形 支座包括用于将持久的或一次性的锥形支座连至便携式拉曼单元和 将其从拉曼单元中移去的机构。其中，锥形支座按压固定到探头的
其余部分(见图14),或者锥形支座可以枢轴式地连接到探头的其 余部分以使其根据期望可以旋转进、出位置。
锥形支座810可包含各种不同配置，比如图12-14和14A所示 的那些配置。在本发明的一种优选形式中，锥形支座810包含充当 距离支座的外锥形810A (图13)和提供眼部安全的内锥形810B。 优选地，内锥形810B^^皮背面涂漆以此隐蔽激光。锥形支座可以由塑 料或金属或两种材料的组合制成。玻璃窗口 810C (图12)可以设在 激光发射点处以防止标本渗进锥形物。可选地，可以设置锥形支座 810中的开关来触发与样本接触的激光发射。如果期望的话，锥形 支座810可包含环绕外锥形810A的外周边的半月形滤光器810D(图 14A)，其中滤光器元件810E被配置成可过滤掉激光的工作波长以 便防止激光束的直接观看并且因此设置了操作者安全。
第二使用模式允许用户移去锥形支座810以便通过手工或其他
手段维持所期望的距离。该模式还使得用户避免不得不触碰标本， 这又可以帮助减轻污染问题。在第二模式中，还可能结合电子/光学 方法的使用以提供反馈信号，所述的反馈信号与标本和透镜之间的 距离成比例以便于优化拉曼信号。
在第三使用模式中，并且现在来看图15-17，小瓶820可插入小 瓶容器805内以使小瓶820位于探头光学组件内。附加的光学部件 允许光在容器805内的小并瓦820上聚焦(如果小并瓦存在的话)，或者 使光传递至740处的支座标本(如果小瓶不存在的话)。容器805优 选地结合了容器内部和探头的工作元件之间的水密屏障。窗口 822 (图18)允许光进出容器805。
如果期望的话，小瓶820可包括"光闸"825，用来隔离邻近透 镜800的窗口 822以便在标本留在容器805中时防止漫射逆光进入 容器805。
接下来看图19，可将相机830添加到探头的前面，其中来自相 机的图像被显示在探头的屏幕835上(图14A)。利用这种构造，操 作者可相对于支座位置740处的标本来放置探头同时观看屏幕835。 这种特征可提高眼部安全，并且另外通过设置相机放大率，可帮助 使拉曼泵浦射束定位于正确的位置。此外，来自相机830的数据可 以连同日期和时间信息等一起存进可移动存储芯片(如闪存卡)以 便允许探头测试的文档编制。
另外的构造
将会了解，本发明不受限于这里所公开的和/或图中所示的特定 构造，而是包含本发明范围内的任何修改或等同物。
权利要求
1.一种拉曼探头，包含第一光纤，用于接收来自光源的激光激发光并传输所述激光激发光；第一滤光器，用于接收来自所述第一光纤的光并且适于通过所述激光激发光以及阻挡与所述光相关联的乱真信号；第二滤光器，用于接收来自所述第一滤光器的光并且适于引导所述光朝向标本；聚焦装置，用于接收来自所述第二滤光器的光，使所述光在所述标本上聚焦以便生成拉曼信号，以及使所述拉曼信号返回到所述第二滤光器；其中所述第二滤光器还被配置成以使在所述第二滤光器接收来自所述聚焦装置的所述拉曼信号时，所述第二滤光器在将所述拉曼信号引导至第二光纤之前过滤掉不想要的激光激发光；以及第二光纤，用于接收来自所述第二滤光器的所述拉曼信号并且将所述拉曼信号传输至光分析器。
2. 如权利要求1所述的拉曼探头，还包含光源。
3. 如权利要求2所述的拉曼探头，其中所述光源包含至少一个 具有有限语线宽度的785nm半导体激光器。
4. 如权利要求3所述的拉曼探头，其中所述光源具有小于0.2nm FWHM的谱线宽度。
5. 如权利要求1所述的拉曼探头，还包含纟皮设置在所述第一光 纤和所述第一滤光器之间的透镜，用于准直来自所述第一滤光器上 的所迷第一光纤的光。
6. 如权利要求1所述的拉曼探头，其中与光相关联的所述乱真 信号包含与激光器、光纤和/或两者相关联的乱真信号。
7. 如权利要求6所述的拉曼探头，其中与所述激光器相关联的 乱真信号包含ASE。
8. 如权利要求1所述的拉曼探头，其中与光相关联的所迷乱真 信号包含与光纤相关联的乱真信号。
9. 如权利要求8所述的拉曼探头，其中与光纤相关联的所述乱 真信号包含荧光。
10. 如权利要求8所述的拉曼探头，其中与光纤相关联的所述 乱真信号包含瑞利和拉曼散射。
11. 如权利要求1所述的拉曼探头，其中与光相关联的所述乱 真信号包含与激光器和光纤相关联的乱真信号。
12. 如权利要求1所述的拉曼探头，其中所迷第一滤光器适于 阻挡来自激光器的ASE和所述第一光纤内生成的荧光以及瑞利和拉 曼散射。
13. 如权利要求1所述的拉曼探头，其中所述第一滤光器包含 带通滤光器。
14. 如权利要求13所述的拉曼探头，其中所述带通滤光器包含 彼此一起工作的多个带通滤光器单元。
15. 如权利要求1所述的拉曼探头，其中所述第一滤光器适于 在大于300cm-l的拉曼域中过滤掉ASE背景。
16. 如权利要求1所述的拉曼探头，其中所述第二滤光器包含 彼此一起工作的多个滤光器单元。
17. 如权利要求16所述的拉曼探头，其中所述第二滤光器包含 彼此一起工作的三个或多个滤光器单元。
18. 如权利要求1所述的拉曼探头，其中所述第二滤光器包含 与反射器单元一起工作的滤光器单元。
19. 如权利要求1所述的拉曼探头，其中所述第二滤光器被配 置成22.5度的光学入射角(AOI)。
20. 如权利要求1所述的拉曼探头，其中所述第二滤光器被配 置成5度的光学入射角(AOI)。
21. 如权利要求1所述的拉曼探头，其中所述第二滤光器被配 置成10度的光学入射角(AOI)。
22. 如权利要求1所述的拉曼探头，其中所述第二滤光器包含 长通滤光器。
23. 如权利要求22所述的拉曼探头，其中所述长通滤光器适于 在大于300cm-l的拉曼域中过滤掉ASE背景。
24. 如权利要求22所述的拉曼探头，其中所述长通滤光器包含 彼此一起工作的多个长通滤光器单元。
25. 如权利要求24所述的拉曼探头，其中所述长通滤光器包含 彼此一起工作的三个或多个长通滤光器单元。
26. 如权利要求22所述的拉曼探头，其中所述长通滤光器包含 与反射器单元一起工作的长通滤光器单元。
27. 如权利要求1所述的拉曼探头，其中所述聚焦装置包含被 设置在所述第二滤光器和所述标本之间的透镜。
28. 如权利要求1所述的拉曼探头，其中所述聚焦装置包含用 于接收来自所述第二滤光器的光的第一透镜、用于接收来自所述第 一透镜的光的小瓶容器、用于接收来自所述小瓶容器的光的第二透 镜、用于接收来自所述第二透镜的光并使所述光在目标位置上聚焦 的第三透镜，据此所述聚焦装置适于(i)当标本位于所述小瓶容器 内时，使光在所迷标本上聚焦，以及(ii)当没有标本位于所述小瓶 容器内时，使光在所述目标位置上聚焦。
29. 如权利要求28所述的拉曼探头，其中所述第一透镜、小瓶 容器、第二透镜、笫三透镜和目标位置全都彼此对准。
30. 如权利要求1所述的拉曼探头，其中所述第二滤光器适于 在将所述拉曼信号引导至第二光纤之前提供激光激发光的直到 >OD10的过滤。
31. 如权利要求1所述的拉曼探头，其中宽带反射器^皮设置在 第二滤光器和所述第二光纤之间。
32. 如权利要求31所述的拉曼探头，其中所述宽带反射器适于 在将所述拉曼信号引导至第二光纤之前提供激光激发光的直到OD10 的过滤。
33. 如权利要求31所述的拉曼探头，其中所述宽带反射器反射 拉曼信号并通过激光激发光。
34. 如权利要求31所述的拉曼探头，其中所述宽带反射器反射 >300cm-l的拉曼信号并通过0至300cm-l的拉曼信号。
35. 如权利要求31所述的拉曼探头，其中所述宽带反射器被配 置成45度的光学入射角(AOI)。
36. 如权利要求1所述的拉曼探头，还包含被设置在所述第二 滤光器和所述第二光纤之间的透镜。
37. 如权利要求l所述的拉曼探头，还包含光分析器。
38. 如权利要求37所述的拉曼探头，其中所述光分析器包含光 谙仪。
39. 如权利要求37所述的拉曼探头，其中所述光分析器包含光 谱仪和适于分析所迷标本的拉曼特征标记的相关分析装置，据此识 别所述标本。
40. —种拉曼探头，包含 光源，用于生成激光激发光；聚焦装置，用于接收来自所述光源的所述激光激发光，使所述 激光激发光在标本上聚焦以便生成拉曼信号，以及使所述拉曼信号 返回到光分析器；以及光分析器，用于分析所述标本的拉曼特征标记，据此识别所述 标本；其中所述聚焦装置被配置成可允许所述标本驻留在小瓶容器中 或者在远离所述小瓶容器的目标位置处。
41. 如权利要求40所述的拉曼探头，其中所述小瓶容器和所述目标位置彼此对准。
42. 如权利要求40所述的拉曼探头，其中所述聚焦装置包含用 于接收来自所述光源的光的第一透镜、用于接收来自所述第一透镜 的光的小瓶容器、用于接收来自所述小瓶容器的光的笫二透镜、用 于接收来自所迷第二透镜的光并使所述光在目标位置上聚焦的第三 透镜，据此所迷聚焦装置适于(i)当标本位于所述小瓶容器内时，使光在所述标本上聚焦，以及(ii)当没有标本位于所述小瓶容器内 时，使光在所迷目标位置上聚焦。
43. 如权利要求42所述的拉曼探头，其中所述第一透镜、小瓶 容器、第二透镜、第三透镜和目标位置全都彼此对准。
44. 如权利要求42所述的拉曼探头，还包含适于安置在所述小 瓶容器内的小瓶。
45. 如权利要求42所述的拉曼探头，其中所述容器还包含光闸， 用于当所述小瓶被设置在所述小瓶容器中时防止漫射逆光进入所迷 小瓶容器。
46. 如权利要求40所述的拉曼探头，其中所述聚焦装置包含位 于所述小瓶容器和所述目标位置之间的锥形支座。
47. 如权利要求46所述的拉曼探头，其中所述锥形支座包含位 于所述小瓶容器和所述目标位置之间的窗口 。
48. 如权利要求46所述的拉曼探头，其中所述锥形支座可移动 连接至所述探头的其余部分。
49. 如权利要求46所述的拉曼探头，其中所迷锥形支座可枢轴 式地连接至所述探头的其余部分。
50. —种实施标本的拉曼光i普术的方法，所述方法包含 利用光源生成激光激发光；使所述激光激发光穿过第一滤光器以便阻挡与所述光相关联的 乱真信号；将所述激光激发光引导至第二滤光器以便引导所述激光激发光 朝向所述标本；接收来自所述第二滤光器的光，使所述光在所述标本上聚焦以 便生成拉曼信号，以及使所述拉曼信号返回到所述第二滤光器；其中所述第二滤光器还被配置成以使在所述第二滤光器接收来 自所述标本的拉曼信号时，所述第二滤光器过滤掉不想要的激光激 发光； 将从所述第二滤光器接收的过滤的光传递至光分析器；以及 分析所述标本的拉曼特征标记以便识别所述标本。
51. —种拉曼探头，包含 外壳；光源，被设置在所述外壳内，用于生成激光激发光；聚焦装置，被设置在所述外壳内，用于接收来自所述光源的激 光激发光，使所述激光激发光在标本上聚焦以便生成拉曼信号，以 及使所述拉曼信号返回到光分析器；以及光分析器，被设置在所述外壳内，用于分析所述标本的拉曼特 4正标记，4居此识别所述标本；其中所述聚焦装置被配置成可允许所述标本驻留在远离所述外 壳的目标位置处；并且还包含光屏蔽，所述光屏蔽被安装到所述外壳上以便被设 置在所述标本和用户之间，据此将用户与所述光源光屏蔽。
52. 如权利要求51所述的拉曼探头，其中所述光屏壁适于阻挡 所述光源的工作波长。
53. 如权利要求51所述的拉曼探头，其中所述光屏蔽具有半圆 形配置。
54. —种拉曼探头，包含 外壳；光源，被设置在所述外壳内，用于生成激光激发光；聚焦装置，被设置在所迷外壳内，用于接收来自所述光源的激 光激发光，使所述激光激发光在标本上聚焦以便生成拉曼信号，以 及使所述拉曼信号返回到光分析器；以及光分析器，被设置在所迷外壳内，用于分析所述标本的拉曼特 征标记，据此识别所述标本；其中所述聚焦装置被配置成可允许所述标本驻留在远离所述外 壳的目标位置处；并且还包含相机，所述相机4皮安装到所述外壳上以使其视场包 括所述目标位置；还包含显示器，所述显示器被安装到所述外壳上， 用于显示被所述相机俘获的图像，据此允许用户相对于所述标本来 放置所述探头同时观看所述显示器。
全文摘要
一种拉曼探头，包含用于接收和传输来自光源的激光激发光的第一光纤；用于接收来自第一光纤的光、通过激光激发光以及阻挡与光相关联的乱真信号的第一滤光器；用于接收来自第一滤光器的光并且引导光朝向标本的第二滤光器；用于接收来自第二滤光器的光、使光在标本上聚焦以便生成拉曼信号、以及使拉曼信号返回到第二滤光器的聚焦装置；用于接收来自第二滤光器的拉曼信号并且将拉曼信号传输至光分析器的第二光纤；其中当第二滤光器接收来自聚焦装置的拉曼信号时，第二滤光器在将拉曼信号引导至第二光纤之前过滤掉不想要的激光激发光。
文档编号G01J3/44GK101166957SQ200580021026
公开日2008年4月23日 申请日期2005年4月29日 优先权日2004年4月30日
发明者D·瓦克肖里, K·J·克诺普, M·阿齐米, W·培东, Y·沈 申请人:阿胡拉公司