光谱成像装置和方法与流程

本发明总体上涉及光学检测技术，以及更具体地，涉及用于获得待检测样品的光谱图像的方法和装置。

背景技术：

光谱分析是根据物质的光谱来鉴别物质，确定其化学成分、相对含量等的分析方法。近年来，基于拉曼光谱、荧光光谱、暗场散射光谱等的光谱分析吸引了越来越多的研究兴趣。例如，光入射到物质表面时，一部分入射光与物质发生非弹性相互作用，在光与物质之间发生能量的转移，使得出射光的频率相对于入射光的频率发生一定的偏移，这被称为拉曼散射。目前，拉曼光谱分析技术已广泛应用于物理、化学、材料、生物医学、考古学、地质学、刑侦、缉毒、法医等多学科领域。

拉曼光谱分析技术可以与显微分析技术相结合，形成显微拉曼光谱技术。通过对待检测样品进行微区检测获得的光谱信息进行分析，获得待检测样品的材料成分和结构的相关信息。由于光谱图像能够显示出普通的光学显微镜下观察不到的化学成分分布，因此，在化学、物理学、生物医学等领域，显微光学成像技术发挥着越来越为重要的作用。

技术实现要素：

根据本公开的实施例，提供了一种光谱成像装置，包括：发光单元，所述发光单元用于生成激发光；二维振镜组，所述二维振镜组用于使得所述激发光在第一维度上形成线激发光，并且使得所述激发光在第二维度上步进以在所述第一维度上依次形成线激发光，以扫描待检测样品的待检测区域；光学部件，所述光学部件用于将在所述第一维度上依次形成的线激发光的至少一部分引导至所述待检测区域；光谱检测装置，所述光谱检测装置用于收集所述依次形成的线激发光在所述待检测样品上激发的光信号，所激发的光信号经由所述光学部件引导至所述光谱检测装置；以及移动装置，所述移动装置用于与所述光谱检测装置配合，以使得所述光谱检测装置能够当所述激发光在所述第二维度上步进时同步地收集所述依次形成的线激发光在所述待检测区域上激发的光信号，以形成所述待检测区域的光谱图像。

在一些实施例中，所述光学部件包括双带边滤光片。

在一些实施例中，所述二维振镜组包括用于使所述激发光在所述第一维度上扫描的压电驱动振镜和用于使所述激发光在所述第二维度上步进以在所述第一维度上依次形成线激发光的电机驱动振镜。

在一些实施例中，所述光谱检测装置包括光谱仪和光学成像装置。

在一些实施例中，所述同步地收集所述依次形成的线激发光在所述待检测区域上激发的光信号包括：根据所述依次形成的线激发光在所述第二维度上步进扫描的距离来驱动所述光谱检测装置，以保持由所述依次形成的线激发光激发的光信号经由所述光学部件引导至所述光谱仪的狭缝。

在一些实施例中，所述光谱仪包括透射式光栅光谱仪。

在一些实施例中，所述光学成像装置用于针对每一行像元采用一条光谱，以同时采集由所述线激发光激发的光信号。

在一些实施例中，所述狭缝具有可调缝宽，用于与所述光学成像装置配合以实现针孔共聚焦。

在一些实施例中，所述移动装置包括导轨。

在一些实施例中，还包括控制装置，所述控制装置控制所述二维振镜组、所述光谱检测装置和所述移动装置，以使得所述光谱检测装置能够当所述激发光在所述第二维度上步进时同步地收集所述依次形成的线激发光在所述待检测区域上激发的光信号，其中，所述控制装置用于控制所述振镜的驱动频率和方位角中的至少一种。

在一些实施例中，所述线激发光在所述待检测区域上激发的光信号包括拉曼散射光或荧光。

根据本公开的实施例，提供了一种光谱成像方法，包括：使激发光在第一维度上形成线激发光，并且使所述激发光在第二维度上步进以在所述第一维度上依次形成线激发光；将在所述第一维度上依次形成的线激发光的至少一部分引导至待检测样品的待检测区域，以扫描所述待检测区域；以及当所述激发光在所述第二维度上步进时，同步地收集所述依次形成的线激发光在所述待检测区域上激发的光信号，以形成所述待检测区域的光谱图像。

附图说明

附图被并入本文并形成说明书的一部分，例示了本公开的实施例并与说明书一起进一步用以解释本公开的原理，并使相关领域的技术人员能够做出和使用本公开。

图1示出了一种光谱成像装置的示意图。

图2示出了另一种光谱成像装置的示意图。

图3示出了根据本发明实施例的一种拉曼光谱成像装置的示意图。

图4示出了根据本发明实施例的一种光谱成像方法的流程图。

将参考附图描述各实施例。

具体实施方式

尽管对具体配置和布置进行了讨论，但应当理解，这只是出于示例性目的而进行的。相关领域中的技术人员将认识到，在不脱离本公开的实质和范围的情况下，可使用其它的配置和布置。

要指出的是，在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“一些实施例”等表示所述的实施例可包括特定的特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的措辞用语未必是指相同的实施例。另外，在结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其它实施例实现此类特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围之内。

图1示出了一种光谱成像装置100的示意图，其采用二维电动位移台来实现对待检测样品的单点扫描。在一个实施例中，该二维电动位移台可以在一个水平面中的彼此相互垂直的x轴方向和y轴方向移动。由于拉曼散射是一种非常微弱的光信号，因此需要使用具有较强功率的入射光来激发待检测样品，以便获得拉曼光谱。在图1所示的光谱成像装置100中，使用激光器产生激发光来对样品进行单点激发，从而获得样品的待检测微区中单个点的拉曼光谱信息。激光器101发出的激光通过双带边（edge）滤光片102和显微物镜105聚焦到样品106表面。样品106经过单点激发产生的光信号通过显微物镜105、滤光片102和耦合透镜108聚焦到光谱仪110入口处的狭缝109的中央，然后通过光谱仪110分光并聚焦到探测器111，实现样品106的单点光谱检测。二维电动位移台107可以在两个不同维度上移动，以在不改变激发光路的情况下通过改变样品106的位置来实现单点扫描，使得光谱成像装置100可以获得样品106不同检测点处的光谱信息，并且通过数据整合与处理，获得反映样品106化学成分和结构分布的光谱图像。光谱成像装置100还包括显微照明部件103和显微监控部件104。

图2示出了另一种光谱成像装置200的示意图，其采用由两个一维振镜构成的二维振镜组来实现两个维度上的单点扫描。在一个实施例中，该两个维度可以是在一个水平面中的彼此相互垂直的x轴方向和y轴方向。通过控制该两个一维振镜的驱动频率，可以控制该二维振镜组在x轴方向和y轴方向的扫描速度。在光谱成像装置200中，在双edge滤光片202与显微物镜205之间具有二维振镜组207。二维振镜组207可以在保持样品206位置不变的情况下，通过改变激发光在样品206上的聚焦位点同时保证单点激发的光信号聚焦在狭缝209上的光斑位置不变，来实现单点扫描。光谱成像装置200中的部件201、202、203、204、205、208、209、210和211可以分别对应于图1中的光谱成像装置100中的部件101、102、103、104、105、108、109、110和111。

通过这种单点扫描的方式，获得待检测样品微区的光谱图像的速度较慢。特别是由于拉曼散射是一种弱信号，对于每个单点激发的拉曼光谱的采集都需要一定的积分时间，通常在0.1-1秒左右，因此采集例如128×128分辨率的拉曼光谱图像通常需要0.5-5小时，效率较低。单点扫描的方式已不能满足当前市场对光谱成像装置的需求，极大限制了光谱成像技术的应用。因此，需要一种新的快速光谱成像技术。

图3示出了根据本发明实施例的一种拉曼光谱成像装置300的示意图。在图3中，拉曼光谱成像装置300包括发光单元301、双带边滤光片302、显微照明部件303、显微监控部件304、显微物镜305、待测样品306、二维振镜组307、耦合透镜308、狭缝309、透射式光栅光谱仪310、探测器311和移动装置312。

在一个实施例中，发光单元301包括一个激光器以生成激发光。从发光单元301发射的激发光经由二维振镜组307入射至双带边滤光片302。双带边滤光片302将入射至其上的激发光的至少一部分经由显微物镜305引导至待检测样品306的待检测区域。

二维振镜组307可以改变发光单元301发射的激发光的方向，使得激发光照射到待检测样品306的待检测区域上时在第一维度上形成线激发光，并且激发光可以在第二维度上步进，从而在第一维度上依次形成线激发光。随着激发光在第二维度上的步进，激发光可以通过线激发光的形式扫描待检测样品306的待检测区域。在一个实施例中，该第一维度和该第二维度可以分别是在一个水平面中的彼此相互垂直的x轴方向和y轴方向。

在一些实施例中，二维振镜组307可以包括两个不同的一维振镜，即高频振镜和低频振镜。高频振镜是通过压电驱动的，驱动频率约为千赫兹数量级，使得发光单元301发射的激发光在待检测样品306的待检测区域上在第一维度上形成线激发光；低频振镜是通过电机驱动的，驱动频率约为百赫兹数量级，使得发光单元301发射的激发光在待检测样品306的待检测区域上在第二维度上步进，以在待检测区域上形成第一维度的另外的线激发光，从而实现线激发光对待检测样品306的面扫描。

在图3所示的实施例中，发光单元301、二维振镜组307、双带边滤光片302、显微物镜305构成拉曼光谱成像装置300的激发光路。在该激发光路中，由双带边滤光片302和显微物镜305组成的光学部件，将在第一维度上依次形成的线激发光的至少一部分引导至待检测样品306的待检测区域。在另一实施例中，该光学部件还可以包括其它部件，例如：光学透镜，以将在第一维度上依次形成的线激发光更好地聚焦到待检测样品306的待检测区域。如本领域技术人员可知，图3所示实施例中的组成光学部件的双带边滤光片302和/或显微物镜305还可以被其它部件替换以实现将在第一维度上依次形成的线激发光的至少一部分引导至待检测样品306的待检测区域。

激发光在待检测样品306上激发出拉曼光信号，所激发的拉曼光信号的位点可以通过显微照明部件303和显微监控部件304进行监测。所激发的拉曼光信号经由显微物镜305、双带边滤光片302和耦合透镜308引导至透射式光栅光谱仪310入口处的狭缝309上，然后通过透射式光栅光谱仪310分光并聚焦到探测器311。透射式光栅光谱仪310可以与移动装置312配合，以同步收集激发光在待检测区域上激发的拉曼光信号，从而形成待检测区域的拉曼光谱图像。

如图3所示，双带边滤光片302、显微物镜305和耦合透镜308构成拉曼光谱成像装置300的收集光路。待检测样品上所激发的拉曼光信号经由收集光路引导至透射式光栅光谱仪310入口处的狭缝309。由于二维振镜组307未被放置在收集光路中，因此，当由高频振镜导致的激发光在第一维度上形成的线激发光的位置变化时，经由该收集光路收集的聚焦到透射式光栅光谱仪310入口处的狭缝309上的信号光斑的位置亦会相应地发生变化。此外，由低频振镜导致的激发光在待检测区域的在第二维度上的步进，也需要透射式光栅光谱仪310在第二维度上与低频振镜同步地移动，才能收集线激发光在待检测区域上进行面扫描时激发的拉曼光信号。

对于由于该线激发光的位置变化导致聚焦到透射式光栅光谱仪310入口处的狭缝309上的信号光斑的位置相应的变化，通过对位于透射式光栅光谱仪310的出口位置处的探测器311的工作模式进行设置，可以实现对该线激发光的收集。

在一个实施例中，当二维振镜组307处于静态模式下时，激发光经由显微物镜305聚焦后照射到待检测样品306上为一激光点，此时经收集光路聚焦到狭缝309上的也是一激光点；当旋转高频振镜使得激发光在待检测样品306的待检测区域上在第一维度上扫描时，照射到待检测样品306的激发光为一条线，即线激发光，此时经收集光路聚焦到狭缝309上的是一条与狭缝309平行的激光线。当高频振镜进行扫描的同时，旋转低频振镜使得线激发光在第二维度上步进时，激发光在待检测样品306的待检测区域上扫描经过一个矩形面，此时聚焦在狭缝309上的激光线也会同步地移动。将探测器311设置为多跟踪（multitrack）模式，每一行像元采集一条光谱，能够实现对该线激发光的收集。

在一些实施例中，狭缝309的缝宽是可以调节的以限制进入光谱仪的通光孔径，从而提升光谱分辨率；另外，狭缝与探测器311的multitrack模式相结合，可实现针孔共聚焦的效果，从而提高系统的空间分辨率。在一些实施例中，探测器311可以是ccd探测器。

如图3所示，二维振镜组307未被放置在由双带边滤光片302、显微物镜305和耦合透镜308构成的收集光路中。从待检测样品306激发的拉曼光信号经由该收集光路被直接引导至由狭缝309、透射式光栅光谱仪310、探测器311组成的光谱检测装置。因此，由低频振镜导致的激发光在待检测区域的在第二维度上的步进，需要透射式光栅光谱仪310在第二维度上与低频振镜同步地移动。

在图3中示出了一个移动装置312。在一些实施例中，该移动装置312是线性导轨。由狭缝309、透射式光栅光谱仪310、探测器311构成的光谱检测装置可以在该线性导轨上移动。在另一些实施例中，该移动装置312可以与该光谱检测装置装配在一起。通过驱动移动装置312来进一步驱动光谱检测装置。通过移动装置312与光谱检测装置之间的配合，实现透射式光栅光谱仪310与低频振镜之间的同步移动。从而，当激发光在第二维度上步进时，光谱检测装置能够同步地收集在第一维度上依次形成的线激发光在待检测区域上激发的光信号以形成待检测区域的光谱图像。

透射式光栅光谱仪310与低频振镜之间的同步移动，可以通过一个控制装置(图3未示出)实现。在一个实施例中，首先，发光单元301发射单点激光，使通过显微物镜305、双带边滤光片302、耦合透镜308收集的激光点通过狭缝309进入透射式光栅光谱仪310；通过二维振镜组307的高频振镜将激光点扩展成第一维度上的一条线激发光，此时在狭缝309位置处的激光点也变成一条激光线，使收集的激光线通过狭缝309进入透射式光栅光谱仪310，记录下此时低频振镜的方位角和透射式光栅光谱仪310在移动装置312上的位置；以一定的步长（例如15）使激发光在第二维度上步进，扫描可检测区域，此时狭缝309处的激光线也在第二维度上移动，通过移动装置312与透射式光栅光谱仪310配合，使收集的激光线时刻经狭缝309进入透射式光栅光谱仪310。即，根据线激发光在第二维度上步进扫描的距离来驱动透射式光栅光谱仪310，以保持由所述线激发光激发的光信号经由显微物镜305、双带边滤光片302、耦合透镜308引导至透射式光栅光谱仪310入口处的狭缝309。在一个实施例中，上述低频振镜的方位角，可以通过该控制装置的控制来实现。在另一个实施例中，该控制装置还可以分别控制二维振镜组307的高频振镜和低频振镜的驱动频率。

在完成对可检测区域的扫描后，能够获得在可检测区域上线激发光在第二维度上各步进位置与透射式光栅光谱仪310相应位置的映射关系，以及低频振镜的方位角与透射式光栅光谱仪310的相应位置的映射关系。在一个实施例中，基于低频振镜的方位角与透射式光栅光谱仪310的相应位置的映射关系，控制装置通过调节光谱检测装置在移动装置312(例如线性导轨)上的位置，实现低频振镜与光谱检测装置中的透射式光栅光谱仪310之间的同步移动。在另一个实施例中，基于低频振镜的方位角与透射式光栅光谱仪310的相应位置的映射关系，控制装置通过驱动与该光谱检测装置装配在一起的移动装置312，实现透射式光栅光谱仪310与低频振镜之间的同步移动。通过控制二维振镜组307(振镜的方位角和/或驱动频率)、光谱检测装置和移动装置312，当激发光在第二维度上步进时，该光谱检测装置能够同步地收集依次形成的线激发光在待检测区域上激发的光信号。

本领域技术人员可以理解，为了实现透射式光栅光谱仪310与低频振镜之间的同步移动，还可以采用其它方式实现。例如，在驱动光谱检测装置移动的过程中，通过检测线激发光激发的最强信号来实时确定移动装置312需要移动的距离。

在一些实施例中，透射式光栅光谱仪310的光圈系数可以设置为f/2.4，以具有较高的通光量，适用于对较弱信号的采集。此外，在一些实施例中，该透射式光栅光谱仪310还可以配合伺服驱动精密电机，与移动装置312配合，实现在第二维度上与低频振镜同步地移动。

上述控制装置可以由计算机软件实现，亦可以由计算机硬件或固件或其组合实现。在一些实施例中，该计算机软件(例如：指令)可以存储在图3所示的拉曼光谱成像装置300的计算机可读介质中。一个处理器通过执行该计算机可读介质中的指令，该处理器可以被配置为用于控制透射式光栅光谱仪310与低频振镜之间的同步移动。在另一些实施例中，该处理器运行的计算机软件还可以经由网络下载和更新。

根据图3所示的实施例，将扫描振镜耦合到激发光路中，利用线激发替代了传统的点激发模式，有效地提高了激发效率；同时在收集光路中引入透射式光栅光谱仪和移动装置，通过线性推扫，实现了激发光扫描和收集光汇聚的同步联动，使得信号光时刻经狭缝的中央进入光谱仪，实现整条线激发位点的同时探测，将采集拉曼光谱图像的时间控制在分钟量级，例如1~5分钟；由于待检测样品的位置保持不变，所以可以实现其它检测手段的原位测量。

如本领域技术人员所知，图3所示的拉曼光谱成像装置300，还可以用于荧光光谱或其它光谱的成像。

图4示出了根据本发明实施例的一种光谱成像方法400的流程图。利用图4所示的光谱成像方法400，可以实现拉曼光谱、荧光光谱或其它光谱的快速成像。图4中所示的光谱成像方法400包括：使激发光在第一维度上形成线激发光，并且使所述激发光在第二维度上步进以在所述第一维度上依次形成线激发光（在410中）；将在所述第一维度上依次形成的线激发光的至少一部分引导至待检测样品的待检测区域，以扫描所述待检测区域（在420中）；以及当所述激发光在所述第二维度上步进时，同步地收集所述依次形成的线激发光在所述待检测区域上激发的光信号，以形成所述待检测区域的光谱图像（在430中）。

提供本公开内容的前述描述，以使本领域技术人员能够实现或使用本公开内容。对本公开内容的各种修改对于本领域的技术人员将是显而易见的，以及在不背离本公开内容的精神或范围的情况下，本文所定义的通用原则可以应用到其它变形中。因此，本公开内容不旨在受限于本文描述的例子和设计，而是要符合与本文所公开的原则和新颖性特征相一致的最宽的范围。