一种体全息光栅型空间外差拉曼成像光谱仪光路结构

摘要

本发明提出一种体全息光栅型空间外差拉曼成像光谱仪光路结构，成像光谱仪包括载物台、第一准直透镜、第一拉曼滤光片、第一反射镜、第一聚焦透镜、第一分光板、第二分光板、两个第二反射镜、两个体全息棱栅、第二拉曼滤光片、第二准直透镜、第三反射镜、第二聚焦透镜、出射光瞳、场镜和面阵探测器。本发明提出的体全息光栅型空间外差拉曼光谱仪结合了色散型拉曼光谱仪和傅里叶变换拉曼光谱仪的优点，利用分光板将光路分成两臂光路，获得空间外差拉曼干涉光，并利用空间外差干涉光获得成像光谱信息；而且采用体全息棱栅提高系统的光通量和增大系统的视场，整个结构紧凑、无移动部件、性能稳定、可靠性强。

说明书

技术领域

本发明涉及光谱分析仪器技术领域，特别涉及一种体全息光栅型空间外差拉曼成像光谱仪光路结构。

背景技术

拉曼光谱技术是一种基于光与物质相互作用的特性而利用非弹性拉曼光散射来进行无损伤探测的方法。入射激光激励被测分子体系，从而产生与入射光频率不同的拉曼散射光。通过测量拉曼散射光谱中特定谱成分的相对强度及其相对于入射光的频移，就可以获得被测分子体系的相关信息。然而，一些化学物质具有相似的拉曼光谱特征，需要高分辨率的拉曼光谱仪才能分辨。根据拉曼光谱仪的工作原理，可分为：色散型拉曼光谱仪、傅里叶变换拉曼光谱仪和可调谐滤波器拉曼光谱仪。色散型的拉曼光谱仪需要非常小的狭缝才能获得较高的分辨率，所以色散型拉曼光谱仪无法获得较高的光通量；傅里叶变换拉曼光谱仪不需要入射狭缝，可以实现高分辨率和高通量特点，但是该种光谱仪需要使用运动部件获得光程差；可调谐滤波器拉曼光谱仪具有无运动固件且体积小的优点，但是其分辨率低且不能工作在紫外波段。

为了克服上述缺点，设计一种新的体全息光栅型空间外差拉曼成像光谱仪光路结构。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了提供种低成本、高分辨率、高通量、无运动部件、结构紧凑、重量轻的体全息光栅型空间外差拉曼成像光谱仪光路结构。

本发明实施例中提供一种体全息光栅型空间外差拉曼成像光谱仪光路结构，包括：前置成像系统，所述前置成像系统包括载物台、第一准直透镜、第一拉曼滤光片、第一反射镜和第一聚焦透镜，其中所述载物台位于所述第一准直透镜的焦平面处；干涉仪，所述干涉仪位于所述前置成像系统的后方，所述干涉仪包括第一分光板、第二分光板、两个第二反射镜和两个体全息棱栅；后置成像系统，所述后置成像系统位于所述干涉仪的后方，所述后置成像系统包括第二拉曼滤光片、第二准直透镜、第三反射镜、第二聚焦透镜和出射光瞳；接收系统，所述接收系统位于所述后置成像系统的下方，所述接收系统包括场镜和探测器。

可选地，沿所述第一准直透镜的出射光线方向放置所述第一拉曼滤光片，沿着所述第一拉曼滤光片的出射光线方向放置所述第一反射镜，在所述第一反射镜的反射光方向放置所述第一聚焦透镜，在所述第一聚焦透镜的出射光线方向放置所述第一分光板，沿所述第一分光板的两个出射光线方向分别放置两个所述第二反射镜，之后沿两个所述第二反射镜的反射光线方向分别放置两个所述体全息棱栅，在两个所述体全息棱栅的出射光线方向放置所述第二分光板。

可选地，沿所述第二分光板的出射光线方向放置所述第二拉曼滤光片，之后沿所述第二拉曼滤光片的出射光线方向放置所述第二准直透镜，在所述第二准直透镜的出射光线方向放置所述第三反射镜，之后在所述第三反射镜的反射光方向放置所述第二聚焦透镜，沿所述第二聚焦透镜的出射光线方向放置所述出射光瞳，之后沿所述出射光瞳的出射光线方向放置所述场镜，最后在所述场镜的出射光线方向放置所述探测器。

可选地，所述第一准直镜的焦平面处用于放置物品，物品反射或透射的光束经所述第一准直透镜入射到所述前置成像系统。

可选地，每一个所述体全息棱栅包括两个棱镜以及一个体全息光栅，所述体全息光栅位于两个所述棱镜之间。

可选地，所述第一准直透镜为消像差非球面透镜。

可选地，所述第一聚焦透镜以及所述第二聚焦透镜都为消像差透镜，所述第一聚焦透镜用于实现待检测物品上的任一点聚焦到所述体全息棱栅上的唯一一点上，所述第二聚焦透镜用于所述后置成像系统射出来的光聚焦到所述探测器上的唯一一点。

可选地，还包括激光器以及扩束器，所述扩束器位于所述激光器后方，用于将所述激光器照射的光斑直径扩大，使得所述激光器照射的光斑直径大于物品直径的两倍。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

1、每一个所述体全息棱栅包括两个棱镜以及一个体全息光栅，所述体全息光栅位于两个所述棱镜之间，所述体全息棱栅制作工艺简单，而且其中的所述体全息光栅具有较高的衍射效率，可以提高系统的光通量，两个所述棱镜既可以增大系统的视场，也可以补偿系统的像差。

2、利用阵探测器并依靠推扫获得两维空间信息和一维光谱信息。沿x轴方向移动所述载物台使光谱仪以推扫形式扫描物品，对于视场中的每一点，随着所述载物台沿Y轴步进运动，其相对于干涉仪的视场角将发生变化，当体全息光栅型空间外差拉曼光谱仪扫过一个全视场的面积时，将得到每一点的干涉图，对干涉图实施傅里叶变换就得到物品上每一物点的拉曼光谱分布。

3、所述激光器照射的光斑直径要大于物品直径的2倍，保证所述载物台在移动的过程中，物品一直在激光照射的光斑内，物品上每一点经激光照射后反射或透射的光束经过该光谱仪最终会被聚焦在探测器阵列对应点上。

附图说明

图1为本发明的体全息光栅型空间外差拉曼成像光谱仪光路结构的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参看图1，为本发明的体全息光栅型空间外差拉曼成像光谱仪光路结构，其既可以测量物品的反射拉曼光谱，也可以测量物品的透射拉曼光谱。

请参看图1，体全息光栅型空间外差拉曼成像光谱仪光路结构包括：前置成像系统、干涉仪、后置成像系统以及接收系统。所述前置成像系统包括第一准直透镜1、所述第一拉曼滤光片2、第一反射镜3和所述第一聚焦透镜4。所述干涉仪位于所述前置成像系统的后方，所述干涉仪包括所述第一分光板5、第二分光板6、两个第二反射镜7、8和两个体全息棱栅9、10。所述后置成像系统位于所述干涉仪的后方，所述后置成像系统包括第二拉曼滤光片11、第二准直透镜12、第三反射镜13、第二聚焦透镜14和出射光瞳15。所述接收系统位于所述后置成像系统的下方，所述接收系统包括场镜16和探测器17。

其中，第一反射镜3、第二反射镜7、8以及第三反射镜13为平面反射镜，探测器17为面探测器。

其中，所述前置成像系统：第一准直透镜1的作用是把物品反射的光束变成平行光束，第一拉曼滤光片2的作用是只允许拉曼光入射到系统中，所述第一聚焦透镜4的作用是把拉曼光聚焦到体全息光栅上。

其中，干涉仪：所述第一分光板5和所述第二分光板6的作用是将入射光束分成两束，然后再调制两束光获得空间外差拉曼干涉光。两个体全息棱栅9、10的作用是增大系统的视场和提高系统的光通量。

其中，后置成像系统：第二拉曼滤光片11的目的是对从干涉仪射出的空间外差拉曼干涉光束作进一步的拉曼光过滤。第二准直镜12的作用是将经过进一步过滤的空间外差拉曼干涉光束变成平行光束。第二聚焦透镜14的作用是将平行空间外差拉曼干涉光束聚焦到探测器17的阵列上。

其中，接收系统：采用探测器阵列接收成像系统获得的光谱信息。另外，场镜16的主要目的是校正系统畸变。

请参照图1，沿所述第一准直透镜1的出射光线方向放置所述第一拉曼滤光片2，沿着所述第一拉曼滤光片2的出射光线方向放置所述第一反射镜3，在所述第一反射镜3的反射光方向放置所述所述第一聚焦透镜4，在所述所述第一聚焦透镜4的出射光线方向放置所述第一分光板5，沿所述第一分光板5的两个出射光线方向分别放置两个所述第二反射镜7和8，之后沿两个所述第二反射镜7和8的反射光线方向分别放置两个所述体全息棱栅9和10，在两个所述体全息棱栅9和10的出射光线方向放置所述第二分光板6。沿所述第二分光板6的出射光线方向放置所述第二拉曼滤光片11，之后沿所述第二拉曼滤光片11的出射光线方向放置所述第二准直透镜12，在所述第二准直透镜12的出射光线方向放置所述第三反射镜13，之后在所述第三反射镜13的反射光方向放置所述第二聚焦透镜14，沿所述第二聚焦透镜14的出射光线方向放置所述出射光瞳15，之后沿所述出射光瞳15的出射光线方向放置所述场镜16，最后在所述场镜16的出射光线方向放置所述探测器17。

请参照图1，所述第一准直透镜1的焦平面处用于放置物品，物品反射或透射的光束经所述第一准直透镜1入射到所述前置成像系统，还包括载物台19，所述载物台19位于所述第一准直透镜1的焦平面处，还包括激光器21以及扩束器20，所述扩束器20位于所述激光器21后方，用于将所述激光器21照射的光斑直径扩大，使得所述激光器21照射的光斑直径大于物品直径的2倍。所述激光器21经所述扩束器20照射物品，沿x轴方向移动所述载物台19使光谱仪以推扫形式扫描物品被激光照射的区域。其中，激光器21照射的光斑直径要大于物品直径的2倍，保证所述载物台19在沿Y轴步进运动过程中物品一直在激光照射的光斑内，物品上每一点经激光照射后反射或透射的光束经过该光谱仪最终会被聚焦在探测器阵列对应点上，所述载物台19相对于干涉仪的视场角将发生变化，当所述载物台19扫过一个全视场的运动距离时，将得到每一点的干涉图，对干涉图实施傅里叶变换就得到样品上每一物点的拉曼光谱分布。物品上任意一点经激光照射后反射或透射的光束经过所述第一准直透镜1变成平行光束照射所述第一拉曼滤光片2，之后从所述第一拉曼滤光片2出射的拉曼光束经所述第一反射镜3反射后被所述第一聚焦透镜4聚焦在体全息光栅上，从所述第一聚焦透镜4出射的拉曼光照射所述第一分光板5，经所述第一分光板5分成的两束拉曼光分别经所述第二反射镜7和8反射后照射所述体全息棱栅9和10，经所述体全息棱栅9和10折射和衍射后的出射拉曼光束照射所述第二分光板6，经所述第二分光板6合成的空间外差拉曼干涉光照射所述第二拉曼滤波片11，从所述第二拉曼滤波片11出射的空间外差拉曼干涉光束照射所述第二准直透镜12，从所述第二准直透镜12出射的平行空间外差拉曼干涉光经所述第三反射镜13反射后照射所述第二聚焦透镜14，从所述第二聚焦透镜14出射的光束经过所述出射光瞳15照射所述场镜16，从所述场镜16出射的光束最后由探测器阵列17接收。

本发明采用扩束的激光光斑可保证任意时刻均照射到被测样品的全表面，并采用聚焦透镜4实现样品上任一点聚焦到体全息光栅9上的唯一一点，再经过干涉仪和成像透镜组等光学元件聚焦到面阵探测器17上的唯一一点，从而实现样品上任一点与面阵探测器17上的唯一一点的一一对应关系，再经过将所述载物台19沿Y轴方向进行不断的步进运动且面阵探测器17在所述载物台19每次步进运动停止时进行一次外差拉曼干涉图拍摄和存储，从而获得与具有被测样品表面位置坐标信息的外差拉曼干涉图立方体，通过将被测样品表面每个点对应的外差拉曼干涉图立方体数据进行提取，即可获得被测样品表面每个点的拉曼光谱信息，从而实现被测样品表面各位置的拉曼光谱的快速测量。

在其中一个实施例中，本发明中的所述第二聚焦透镜14的作用是对样品外差拉曼干涉光在Z轴方向(即垂直于纸面方向)起到压缩作用，使样品外差拉曼干涉光在Z轴方向占有较少的面阵探测器像元数(比如只占有100个像元数)，从而实现面阵探测器每一帧外差拉曼干涉光的快速采集。

在实际测量过程中，所述载物台19运动次数与面阵探测器17的X轴方向的像元数一致。本实例中的面阵探测器17为Andor公司的iKon-M_934BU2产品，该探测器17的X轴方向的像元数为1024。因此，所述载物台19的运动次数为1024，所述载物台19每次的步进距离为样品的一次拉曼测量面积在Y轴方向的长度除以探测器X轴方向的像元数，即1.5cm除以1024,约为1.46微米。所述载物台19每步进一次，面阵探测器17进行一次拉曼图像采集，可移动载物台共步进1024次，因此面阵探测器12共采集1024幅拉曼图像。

本发明的优点是可在很短的时间内实现具有被测样品全表面任一点位置信息的拉曼光谱测量(一次拉曼图像采集时间约为0.2秒，采集1024幅图像并进行拉曼数据分析只需3至5分钟左右)，从而避免了传统拉曼光谱仪需采用逐点二维扫描才能实现被测样品全表面拉曼光谱测量而导致的测量效率低(传统方法的采集效率约为本发明方法的几百分之一甚至几千分之一)等问题，有效节约了被测样品表面各位置的拉曼光谱的测量时间，大大提高了工作效率。

在其中一个实施例中，每一个所述体全息棱栅9包括两个棱镜以及一个体全息光栅，所述体全息光栅位于两个所述棱镜之间。所述体全息棱栅制作工艺简单，而且其中的体全息光栅具有较高的衍射效率，可以提高系统的光通量；两个棱镜既可以增大系统的视场，也可以补偿系统的像差。另外，系统中干涉条纹的获取无需运动部件，这可以有效地增强仪器拉曼光谱成像探测的可靠性。

在其中一个实施例中，所述第一准直透镜1为消像差非球面透镜，非球面消像差透镜可以实现最大程度的拉曼光收集，所述第一聚焦透镜4以及所述第二聚焦透镜14都为消像差透镜，可以减少系统像差对拉曼光谱还原精度的影响。

本发明提出的体全息光栅型空间外差拉曼光谱仪结合了色散型拉曼光谱仪和傅里叶变换拉曼光谱仪的优点，同时具有分辨率高、光通量大、测量波段范围宽、无运动部件等优点，同时利用分光板将光路分成两臂光路，获得空间外差拉曼干涉光，并利用空间外差干涉光获得成像光谱信息；而且采用体全息棱栅提高系统的光通量和增大系统的视场，整个结构紧凑、无移动部件、性能稳定、可靠性强。本发明的体全息光栅型空间外差拉曼成像光谱仪光路结构具有独特的优越性，它结构紧凑、重量轻、视场大、光通量高、分辨率高、探测速度快、耗能耗材少、性能稳定、可批量生产，特别是它易于实现模块化，具有二次开发性能，可以用来进一步制造其他分析仪器。

同时，本发明为拉曼光谱分析提供了一种体全息光栅型空间外差拉曼成像光谱仪光路结构，采用高衍射效率的体全息光栅和棱镜组合的棱栅以及面阵CCD来接收二维光谱信息，该结构形式很好的保证了高分辨率和高通量的使用要求。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。