本發(fā)明涉及光譜檢測技術領域，尤其涉及一種空間偏移量可調(diào)的拉曼光譜系統(tǒng)及拉曼光譜探測方法。

背景技術：

傳統(tǒng)的拉曼光譜只能探測樣品的淺表信息或者只能穿透透明的表層來探測底層。而新型的空間位移拉曼光譜(Spatially Offset Raman Spectroscopy，簡稱SORS)技術可以深入探測樣品若干毫米，以分析不透明樣品內(nèi)部的化學信息。許多分析應用需要很高的化學專屬性，以及穿透多層不透明樣品或不透明包材的能力，比如無損傷檢測骨骼疾病、搜索隱蔽的爆炸物、識別包裝內(nèi)的假藥。傳統(tǒng)的拉曼光譜是背向散射形式的，易于實現(xiàn)，但是穿透深度很淺(比如幾百微米厚的生物組織)。最近，隨著空間位移拉曼光譜SORS的誕生，穿透深度大大增加了。

空間位移拉曼光譜SORS是英國人提出的一種專利拉曼技術(參考專利號：參考專利號：US7652763，CN101115987，EP1828753，US7911604，GB2457212，AU2005313145，JP5449712007)，可以透過厚的覆蓋層檢測到高質(zhì)量的拉曼光譜信號，可以明確的區(qū)分物料和容器的拉曼光譜，實現(xiàn)物料和容器的同時鑒別。

空間位移拉曼光譜可以獲得一個適當?shù)穆⑸錁悠分饘拥睦庾V，且激光功率較低。SORS方法原理是在樣品表面離開激光照射點一定位移處收集拉曼信號，位移ΔS越大，所得拉曼信號中更深層樣品的貢獻越多。熒光的情況也是類似的。

逆向SORS是SORS的一種特殊形式。標準的SORS是以中心點作為激光照射點，該中點為圓心，半徑為ΔS的圓環(huán)區(qū)域為收集區(qū)域進行采集的；而逆向SORS則剛好相反，圓環(huán)區(qū)域為激光照射區(qū)，中心點處作為收集區(qū)。逆向SORS的優(yōu)點在于，當對激光照明強度有嚴格限制，比如為了避免樣品過熱、或者為了控制在對人體或動物進行活體檢查的劑量范圍之內(nèi)，可以使用逆SORS降低單位面積的強度而保持總功率不變，從而獲得更高的穿透拉曼信號。

SORS不但具有拉曼光譜的化學專屬性，而且能提供樣品深層的信息，有著巨大而廣泛的應用前景，能廣泛應用在非侵入骨骼拉曼光譜、癌癥診斷工具的開發(fā)、探測漫散射塑料瓶中的假藥、郵件安檢、探測液態(tài)和固態(tài)爆炸物等領域。

空間偏移量可以通過改變圓環(huán)光斑的半徑進行調(diào)節(jié)。如圖1所示的現(xiàn)有技術中圓錐透鏡方案中，圓環(huán)光斑可以通過圓錐透鏡實現(xiàn)，圓環(huán)的半徑(對應空間偏移量)可以通過后續(xù)的可變擴束比的擴束鏡進行連續(xù)改變。

現(xiàn)有技術中，單一的光纖束只能設計固定的空間偏移量，而實際應用中，不同的穿透深度所對應的空間偏移量要求并不相同，為了實現(xiàn)對不同偏移量的采樣，通常需要相應的移動采樣的光纖端口或移動激光光斑的位置進行分時采集，或布置更多的采樣光纖以覆蓋足夠大的偏移量范圍，這些手段會導致光纖束設計復雜或大大增加傳感器的數(shù)量。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術中的上述技術問題，本發(fā)明提供了一種空間偏移量可調(diào)的拉曼光譜系統(tǒng)及拉曼光譜探測方法。

本發(fā)明提供了一種空間偏移量可調(diào)的拉曼光譜系統(tǒng)，包括：激光器、二維光柵片、激光擴束裝置、光路轉換裝置、聚焦采集光學系統(tǒng)、耦合光學系統(tǒng)、光纖束、至少一光譜儀；

所述激光器用于輸出準直平行的激光光束；

所述二維光柵片用于使激光光束透射的光斑衍射圖像為預設光斑圖樣；

所述激光擴束裝置用于調(diào)節(jié)所述激光光束的發(fā)散角；

所述光路轉換裝置用于對所述激光光束進行反射；

所述聚集采集光學系統(tǒng)以垂直于所述光路轉換裝置反射的激光光束的方式設置于所述光路轉換裝置的一側，用于聚集所述光路轉換裝置反射后的光束并且采集信號光束并準直為平行光束；

所述耦合光學系統(tǒng)以垂直于所述光路轉換裝置透射的激光光束的方式設置于所述光路轉換裝置的另一側，用于將接收到的光束進行匯聚成像并耦合至光纖束的輸入端；

所述光纖束的輸入端設置于所述耦合光學系統(tǒng)的焦平面處，所述光纖束的輸入端的光纖呈所述預設光斑圖樣分布，中心處設置至少一根光纖，外環(huán)位置設置多根與中心處的光纖的距離相同并且構成所述預設光斑圖樣排列的光纖；所述光纖束的輸出端連接所述光譜儀。

上述空間偏移量可調(diào)的拉曼光譜系統(tǒng)還具有以下特點：

所述光譜儀為成像光譜儀時，所述光譜儀的個數(shù)為1個，所述光纖束具有一個輸出端，所述光纖束的輸出端的光纖呈所述預設光斑圖樣分布并且與所述光譜儀的狹縫耦合，所述光纖束的輸入端的中心光纖的另一端位于所述光纖束的輸出端的一端。

上述空間偏移量可調(diào)的拉曼光譜系統(tǒng)還具有以下特點：

所述光譜儀為非成像光譜儀時，所述光譜儀的個數(shù)為2個，所述光譜儀包括第一光譜儀和第二光譜儀，所述光纖束為Y型光纖束具有兩個輸出端，第一輸出端的光纖呈所述預設光斑圖樣分布并且與第一光譜儀的狹縫耦合，第一輸出端的光纖的數(shù)量為所述光纖束的輸入端的外環(huán)位置的光纖的數(shù)量，第二輸出端的光纖呈線狀分布并且與所述第二光譜儀的狹縫耦合，第二輸出端的光纖的數(shù)量為所述光纖束的輸入端的中心位置的光纖的數(shù)量。

上述空間偏移量可調(diào)的拉曼光譜系統(tǒng)還具有以下特點：

所述拉曼光譜儀還包括設置于所述激光器和所述光路轉換裝置之間的與所述激光器的激光光束垂直的凈化濾光片；還包括設置于所述光路轉換裝置和耦合光學系統(tǒng)之間的陷波濾光片。

上述空間偏移量可調(diào)的拉曼光譜系統(tǒng)還具有以下特點：

所述預設光斑圖樣為圓形圖樣、線形圖樣、矩形圖樣。

使用上述空間偏移量可調(diào)的拉曼光譜系統(tǒng)的拉曼光譜探測方法，包括：

將樣品放置于聚焦采集光學系統(tǒng)的焦點處；

通過激光器發(fā)射準直平行的激光光束；

通過二維光柵片使激光光束透射的光斑圖像為第一預設光斑圖樣；

通過激光擴束裝置調(diào)節(jié)所述激光光束的擴束比；

通過光路轉換裝置將接收到的激光光束反射到聚焦采集光學系統(tǒng)，所述聚焦采集光學系統(tǒng)將所述光路轉換裝置反射的激光光束聚集在放置有樣品的焦點處，并透射從樣品散射回的光束；

所述耦合光學系統(tǒng)將接收到的光束進行匯聚成像并耦合至光纖束的輸入端，

通過光譜儀采集光譜信號。

上述拉曼光譜探測方法還具有以下特點：

所述方法還包括：如果當前空間偏移量不符合采集要求，通過調(diào)節(jié)擴束鏡的擴束比調(diào)整空間偏移的大小后再次采集。

上述拉曼光譜探測方法還具有以下特點：

所述光譜儀為成像光譜儀時，所述光譜儀的個數(shù)為1個，所述光纖束具有一個輸出端，所述光纖束的輸出端的光纖呈所述預設光斑圖樣分布并且與所述光譜儀的狹縫耦合，所述光纖束的輸入端的中心光纖的另一端位于所述光纖束的輸出端的一端。

上述拉曼光譜探測方法還具有以下特點：

所述光譜儀為非成像光譜儀時，所述光譜儀的個數(shù)為2個，所述光譜儀包括第一光譜儀和第二光譜儀，所述光纖束為Y型光纖束具有兩個輸出端，第一輸出端的光纖呈所述預設光斑圖樣分布并且與第一光譜儀的狹縫耦合，第一輸出端的光纖的數(shù)量為所述光纖束的輸入端的外環(huán)位置的光纖的數(shù)量，第二輸出端的光纖呈線狀分布并且與所述第二光譜儀的狹縫耦合，第二輸出端的光纖的數(shù)量為所述光纖束的輸入端的中心位置的光纖的數(shù)量。

本發(fā)明提出一種利用二維光柵片的方法同時產(chǎn)生非SORS照明和SORS照明，通過調(diào)節(jié)擴束鏡進行空間偏移量的連續(xù)調(diào)節(jié)，結合光纖束和光譜儀，實現(xiàn)空間位移拉曼和非空間位移拉曼的同時采集的空間位移拉曼光譜儀；能夠在不需要移動采樣光纖或增加采樣光纖的數(shù)量的情況下，方便地實現(xiàn)空間偏移量的可連續(xù)調(diào)節(jié)，而且可以適應包括圓形光斑的各種形狀的不同光斑形狀的需求。

本發(fā)明方案相對于現(xiàn)有技術中的圓錐透鏡方案的優(yōu)點在于：

1、二維光柵片為衍射光學元器件，可采用全息影印方式大規(guī)模生產(chǎn)，結構非常簡單，成本極低；

2、二維光柵的投射光斑圖像可自由設計，而圓錐透鏡投射圖案固定；

3、能同時實現(xiàn)SORS和非SORS信號的采集。

附圖說明

構成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中：

圖1是實施例一中空間偏移量可調(diào)的拉曼光譜系統(tǒng)的結構圖；

圖2是圓環(huán)型光斑圖像示意圖；

圖3是與圓環(huán)型光斑圖像對應的光纖束輸入端的光纖排布圖；

圖4是線型光斑圖像示意圖；

圖5是與線型光斑圖像對應的光纖束輸入端的光纖排布圖；

圖6是實施例二中空間偏移量可調(diào)的拉曼光譜系統(tǒng)的結構圖；

圖7是使用空間偏移量可調(diào)的拉曼光譜系統(tǒng)的拉曼光譜探測方法的流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)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(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互任意組合。

實施例一

圖1是實施例一中空間偏移量可調(diào)的拉曼光譜系統(tǒng)的結構圖，此拉曼光譜系統(tǒng)包括：激光器1、二維光柵片2、激光擴束裝置3、光路轉換裝置4、聚焦采集光學系統(tǒng)5、耦合光學系統(tǒng)6、光纖束7、至少一光譜儀8。

激光器1用于輸出準直平行的激光光束；

二維光柵片2用于使激光光束透射的光斑衍射圖像為預設光斑圖樣；

激光擴束裝置3用于調(diào)節(jié)激光光束的發(fā)散角，即調(diào)節(jié)光斑圖樣的大小從而可連續(xù)調(diào)節(jié)空間偏移量；

光路轉換裝置4用于對激光光束進行反射；

聚集采集光學系統(tǒng)5以垂直于光路轉換裝置4反射的激光光束的方式設置于光路轉換裝置4的一側，用于聚集光路轉換裝置4反射后的光束并且采集信號光束并準直為平行光束；

耦合光學系統(tǒng)6以垂直于光路轉換裝置4透射的激光光束的方式設置于光路轉換裝置4的另一側，用于將接收到的光束進行匯聚成像并耦合至光纖束7的輸入端；

光纖束7的輸入端設置于耦合光學系統(tǒng)6的焦平面處，光纖束7的輸入端的光纖呈預設光斑圖樣分布，中心處設置至少一根光纖，外環(huán)位置設置多根與中心處的光纖的距離相同并且構成預設光斑圖樣排列的光纖；光纖束5的輸出端連接光譜儀8。

光譜儀8為成像光譜儀，光譜儀8的個數(shù)為1個。光纖束7具有一個輸出端，光纖束7的輸出端的光纖呈線狀分布并且與光譜儀8的狹縫耦合，光纖束7的輸入端的中心光纖的另一端位于光纖束7的輸出端的一端。此光纖可以與相鄰的光纖緊密排布，為了與其他光纖更好的區(qū)分，也可以與相鄰的光纖留100-200um的間隔。

本實施例中，激光通過二維光柵片2所投射的光斑圖像可根據(jù)需求自由設計，典型的光斑圖像有圓環(huán)光斑和線光斑。聚焦采集光學系統(tǒng)5和耦合光學系統(tǒng)6組成一光學系統(tǒng)，將被測物體處的圖像成像在光纖束的輸入端,故光纖束輸入端處的光纖排布需參考激光通過二維光柵片2所投射的光斑圖像設計。

圓環(huán)型光斑圖像如圖2所示，其對應的光纖束輸入端的光纖排布如圖3所示。圖2中，實線部分為實際光斑，虛線部分為光纖輸入端在物面處的共軛像，即外環(huán)半徑為Rs的深色圓環(huán)和中心圓點為激光投射光斑，中間按半徑R₁環(huán)形排布的虛線圓點為光纖輸入端上按半徑R₀排布的光纖端面在物面上所成的像所對應的位置，滿足R₁＝R₀*f5/f6,f5為聚焦采集光學系統(tǒng)5的焦距，f6為耦合光學系統(tǒng)6的焦距，中心光纖端面與光斑中心點是共軛位置關系。空間偏移量ΔS＝Rs-R₁,通過可連續(xù)調(diào)節(jié)擴束比的擴束鏡3可實現(xiàn)對Rs的連續(xù)調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)不同的空間偏移量ΔS的設置。

線型光斑圖像如圖4所示，其對應的光纖束輸入端的光纖排布如圖5所示。實線部分為實際光斑，虛線部分為光纖束輸入端在物面處的共軛像，空間偏移量ΔS為虛線像位置與實際光條之間的距離，光纖束輸出端的光纖排布也呈直線形狀。

本實施例中，光譜儀8為成像光譜儀，能將光譜儀的狹縫處的光纖陣列成像在其面陣傳感器陣列上，且能在空間維度上分開。該光譜儀能同時分析空間偏移量為零時的拉曼光譜信號，和空間偏移量為ΔS時的SORS拉曼光譜信號，兩信號落在其面陣探測器的不同位置。

實施例二

圖6是實施例二中空間偏移量可調(diào)的拉曼光譜系統(tǒng)的結構圖，實施例二中拉曼光譜系統(tǒng)與實施例一的區(qū)別是光譜儀8為非成像光譜儀。為了同時采集零偏移信號及SORS信號，需要使用兩臺非成像光譜儀即光譜儀8的個數(shù)為2個，光譜儀8包括第一光譜儀和第二光譜儀，光纖束7為Y型光纖束具有兩個輸出端，第一輸出端的光纖呈預設光斑圖樣分布并且與第一光譜儀的狹縫耦合，第一輸出端的光纖的數(shù)量為光纖束7的輸入端的外環(huán)位置的光纖的數(shù)量，第二輸出端的光纖呈線狀分布并且與第二光譜儀的狹縫耦合，第二輸出端的光纖的數(shù)量為光纖束7的輸入端的中心位置的光纖的數(shù)量。

上述實施例中拉曼光譜系統(tǒng)還包括設置于激光器1和光路轉換裝置4之間的與激光器1的激光光束垂直的凈化濾光片，用于凈化激光波長成分，濾除雜光干擾；還包括設置于光路轉換裝置4和耦合光學系統(tǒng)6之間的陷波濾光片，用于阻隔采集的瑞麗散射散射光，用于消除干擾波段的雜散光信號。

預設光斑圖樣為圓形圖樣、線形圖樣、矩形圖樣。

圖7是使用上述空間偏移量可調(diào)的拉曼光譜系統(tǒng)的拉曼光譜探測方法，此方法，包括：

步驟701，將樣品放置于聚焦采集光學系統(tǒng)5的焦點處；通過激光器1發(fā)射準直平行的激光光束；

步驟702，通過二維光柵片2使激光光束透射的光斑圖像為第一預設光斑圖樣；通過激光擴束裝置3調(diào)節(jié)激光光束的擴束比；

步驟703，通過光路轉換裝置4將接收到的激光光束反射到聚焦采集光學系統(tǒng)5，聚焦采集光學系統(tǒng)5將光路轉換裝置4反射的激光光束聚集在放置有樣品的焦點處，并透射從樣品散射回的光束；耦合光學系統(tǒng)6將接收到的光束進行匯聚成像并耦合至光纖束7的輸入端；

步驟704，通過光譜儀8采集光譜信號。

此方法還包括：如果當前空間偏移量不符合采集要求，通過調(diào)節(jié)擴束鏡的擴束比調(diào)整空間偏移的大小后再次采集。

其中，

光譜儀8為成像光譜儀時，光譜儀8的個數(shù)為1個，光纖束7具有一個輸出端，光纖束7的輸出端的光纖呈預設光斑圖樣分布并且與光譜儀8的狹縫耦合，光纖束7的輸入端的中心光纖的另一端位于光纖束7的輸出端的一端。

光譜儀8為非成像光譜儀時，光譜儀8的個數(shù)為2個，光譜儀8包括第一光譜儀和第二光譜儀，光纖束7為Y型光纖束具有兩個輸出端，第一輸出端的光纖呈預設光斑圖樣分布并且與第一光譜儀的狹縫耦合，第一輸出端的光纖的數(shù)量為光纖束7的輸入端的外環(huán)位置的光纖的數(shù)量，第二輸出端的光纖呈線狀分布并且與第二光譜儀的狹縫耦合，第二輸出端的光纖的數(shù)量為光纖束7的輸入端的中心位置的光纖的數(shù)量。

本發(fā)明提出一種利用二維光柵片的方法產(chǎn)生非SORS照明和SORS照明，通過更換二維光柵片可以實現(xiàn)不同形狀的投射光斑在空間位移拉曼光譜儀上的應用，通過調(diào)節(jié)擴束鏡進行空間偏移量的連續(xù)調(diào)節(jié)，結合光纖束和光譜儀，實現(xiàn)空間位移拉曼和非空間位移拉曼的同時采集的空間位移拉曼光譜儀；能夠在不需要移動采樣光纖或增加采樣光纖的數(shù)量的情況下，方便地實現(xiàn)空間偏移量的可連續(xù)調(diào)節(jié)，而且可以適應包括圓形光斑的各種形狀的不同光斑形狀的需求。

本發(fā)明方案相對于圓錐透鏡方案的優(yōu)點在于：

1、二維光柵片為衍射光學元器件，可采用全息影印方式大規(guī)模生產(chǎn)，結構非常簡單，成本極低；

2、二維光柵的投射光斑圖像可自由設計，而圓錐透鏡投射圖案固定；

3、能同時實現(xiàn)SORS和非SORS信號的采集。

上面描述的內(nèi)容可以單獨地或者以各種方式組合起來實施，而這些變型方式都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

本領域普通技術人員可以理解上述方法中的全部或部分步驟可通過程序來指令相關硬件完成，程序可以存儲于計算機可讀存儲介質(zhì)中，如只讀存儲器、磁盤或光盤等?？蛇x地，上述實施例的全部或部分步驟也可以使用一個或多個集成電路來實現(xiàn)，相應地，上述實施例中的各模塊/單元可以采用硬件的形式實現(xiàn)，也可以采用軟件功能模塊的形式實現(xiàn)。本發(fā)明不限制于任何特定形式的硬件和軟件的結合。

需要說明的是，在本文中，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，僅僅參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明。本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。