[发明专利]空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法与装置

摘要

本发明涉及空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法与装置，属于空间光学成像和光谱测量技术领域。该空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法与装置，对瑞利散射光和拉曼散射光进行无损分离，利用探测器差动共焦响应曲线过零点与焦点位置精确对应的特性，通过寻找响应过零点来精确控制望远系统自动调整焦点，使激发光束自动聚焦到被测对象，同时获取激光光斑焦点位置的光谱信息、并且通过图像探测器获取目标的图像图形信息，装置实现空间自动调焦的光谱探测、图像获取，构成一种可实现样品空间自调焦光谱、图像探测的方法和装置。本发明具有自动调焦、定位准确，大空间范围、光谱探测灵敏度高、目标图像获取等优点。 1

主权项

1.空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1、通过激光光束产生系统(1)产生激发光，经过二向色分光系统(9)、望远调焦系统(10)后，照射在被测样品(14)上，并激发出瑞利散射光和载有样品(14)光谱特性的拉曼散射光；

步骤2、通过望远调焦机构(12)，使差动共焦探测系统(53)的响应到达过零点，完成激发光束自动聚焦在样品(14)上，同时获得样品(14)的位置信息[α、β、l]；

步骤3、使对应被测样品区域的瑞利散射光及拉曼散射光再次经过望远调焦系统(10)，并被望远调焦系统(10)整形成平行光透射至二向色分光系统(9)，经二向色分光系统(9)对瑞利散射光和拉曼散射光进行分离；

步骤4、部分瑞利散射光及自然光被二向色分光系统(9)透射，经第一分光系统(15)反射进入差动共焦探测系统(53)，利用差动共焦探测系统(53)中的第一探测器(18)，差动共焦探测系统(53)中的第四探测器(46)，测得反映样品(14)位置信息的强度响应I[α、β、l]，即可进行望远调焦系统(10)焦点位置的判定，从而完成望远调焦系统(10)的自动调焦，将激发光束聚焦在样品(14)上；

步骤5、拉曼散射光经二向色分光系统(9)透射，经第一分光系统(15)透射进入拉曼光谱探测系统(22)，利用拉曼光谱探测系统(22)测得载有被测样品(14)特性的拉曼散射信号I(λ)，即可进行光谱测试，其中λ为波长；

步骤6、自然光经第一分光系统(15)部分反射，经第二分光系统(16)反射进入成像光学系统(33)，获取目标区域图像信息；

步骤7、将I(λ)传送到数据处理模块进行数据处理，从而获得包含被测样品(14)对应区域位置的光谱信息I(λ)，物体位置信息[α、β、l]；

步骤8、转动探测系统，对空间进行沿α、β方向扫描，望远调焦系统(10)进行沿l方向扫描调焦，重复上述步骤测得对应物镜焦点位置的一组n个包含位置信息[α、β、l]和I(λ)的序列测量信息[I(λ)、α、β、l]；

步骤9、利用可分辨区域δn对应的位置信息[α、β、l]，找出对应δn区域的光谱信息In(λ)值，再根据与空间坐标[α、β、l]的关系，重构反映被测物微区δn三维结构和光谱特性的信息In(αn、βn、ln、λn)，即实现了微区δmin的光谱探测和三维几何位置探测，以及对应的图像信息；

步骤10、对应最小可分辨区域δmin的三维尺度和光谱特性由下式确定：

2.根据权利要求1所述的空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法，其特征在于：所述差动共焦响应曲线(52)过零点O处对应望远调焦系统(10)焦点F，此处聚焦光斑尺寸最小，探测的区域最小，差动共焦响应曲线(52)其他位置对应望远调焦系统(10)的离焦区域，在焦前或焦后区域内的聚焦光斑尺寸随离焦量增大而增大，利用此特点，通过调整望远调焦系统(10)的望远调焦机构(12)，精确的将激发光束聚焦在样品(14)上。

3.根据权利要求1所述的空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法，其特征在于：所述激发光束可以是偏振光束：线偏振、圆偏振、径向偏振光等，还可以是由光瞳滤波技术生成的结构光束，其与偏振调制技术联用可以压缩测量聚焦光斑的尺寸，提高系统角向分辨力。

4.空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱成像探测装置，其特征在于：包括激发光束产生系统(1)、望远调焦系统(10)、二向色分光系统(9)、第一分光系统(15)、拉曼光谱探测系统(22)、差动共焦探测系统(53)、光学成像系统(33)、及数据处理模块(59)及计算机控制系统(35)，其中，激发光束产生系统(1)、望远调焦系统(10)、沿光路依次放置在二向色分光系统(9)的反射方向，第一分光系统(15)处于二向色分光系统(9)的透射方向，拉曼光谱探测系统(22)位于第一分光系统(15)的透射方向，差动共焦探测系统(53)位于第一分光系统(15)的反射方向，光学成像系统(33)位于第二分光系统(16)的反射方向，数据处理模块(59)与拉曼光谱探测系统(22)和差动共焦探测系统(53)及望远调焦系统(10)和空间周视扫描系统(54)连接，用于融合并处理拉曼光谱探测系统(22)与差动共焦探测系统(53)采集到的数据及完成望远调焦系统(10)的自动调焦。

5.根据权利要求4所述的空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱成像探测装置，其特征在于：所述激发光束产生系统(1)还可以包括偏振调制器及光瞳滤波器，用于产生偏振光及空间结构光束，用于提高系统的光学性能。

6.根据权利要求4所述的空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱成像探测装置，其特征在于：所述用于压缩激发光斑的光瞳滤波器可以位于偏振控制器与二向色分光系统(9)之间，还可以位于二向色分光系统(9)与望远调焦系统(10)之间。

7.根据权利要求4所述的空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱成像探测装置，其特征在于：所述激发光束产生系统(1)还可以放在二向色分光系统(9)的透射方向，望远调焦系统(10)依次放置在二向色分光系统(9)的透射方向，第一分光系统(15)依次放置在二向色分光系统(9)的反射方向，拉曼光谱探测系统(22)位于第一分光系统(15)的透射方向，差动共焦探测系统(53)位于第一分光系统(15)的反射方向，成像光学系统(33)可以位于第二分光系统(16)的反射方向，数据处理模块(59)连接差动共焦探测系统(53)与拉曼光谱探测系统(22)及望远调焦系统(10)。

8.根据权利要求4所述的空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱成像探测装置，其特征在于：所述拉曼光谱探测系统(22)可以是普通的拉曼光谱探测系统，包括沿光路依次放置的第五聚光镜(24)，位于第五聚光镜(24)焦点位置的第一光谱仪(25)及位于第一光谱仪(25)后的第二探测器(23)，用于被测样品(14)的表面光谱的探测，还可以是共焦拉曼光谱探测系统(22)，包括沿光路依次放置的第七聚光镜(38)，位于第七聚光镜(38)焦点位置的第三针孔(39)，位于第三针孔(39)后的第八聚光镜(40)，位于第八聚光镜(40)焦点位置的第二光谱仪(41)及位于第二光谱仪(41)后的第三探测器(42)，用于提高系统信噪比和空间分辨力，完成对被测样品(14)的光谱探测。

9.根据权利要求4所述的空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱成像探测装置，其特征在于：所述数据处理模块(59)包括用于处理位置信息的差动共焦数据处理模块和用于处理位置信息和光谱信息的数据融合模块，还包括用于控制望远调焦系统(10)调焦的数据控制模块、用于图像信息获取的图像传感模块。