拉曼光谱设备和方法与流程

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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、希望能够缓解上述问题。

技术实现思路

1、从一个方面，本发明提供一种拉曼光谱设备，该设备包括：

2、摄谱仪；

3、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；

4、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；

5、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，

6、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，

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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。

15、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。

16、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。

17、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。

18、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。

19、典型地，所述光源是激光光源，并且被配置成产生激光光束。

20、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。

21、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。

22、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。

23、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。

24、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。

25、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)。

26、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。

27、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。

28、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。

29、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。

30、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。

31、从另一个方面，本发明提供一种拉曼光谱方法，该方法包括：

32、沿着光学路径将来自物体的光透射到摄谱仪；

33、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；

34、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；

35、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

36、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。

37、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。

38、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。

39、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。

40、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。