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CN111912524B - 一种拉曼光谱成像方法和成像装置 - Google Patents

一种拉曼光谱成像方法和成像装置 Download PDF

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CN111912524B CN201911356312.5A CN201911356312A CN111912524B CN 111912524 B CN111912524 B CN 111912524B CN 201911356312 A CN201911356312 A CN 201911356312A CN 111912524 B CN111912524 B CN 111912524B
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Abstract

本发明涉及一种拉曼光谱成像装置，属于光谱成像技术领域，现有技术中，没有针对不同基底专门设计对应的物镜，本发明提供成像装置包括激光光源、对比选择单元、第一基底、第一物镜、第二基底、第二物镜以及光谱分析单元；应用广泛，可根据检测对象的特性进行选择，也可进行对比做科学研究之用。

Description

一种拉曼光谱成像方法和成像装置
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，具体涉及一种拉曼光谱成像装置。
背景技术
拉曼光谱是一种散射光谱，是印度科学家C.V.拉曼所发现的。基于拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面的信息，并应用于分子结构研究具有很大的价值。
但是拉曼散射效应是个非常弱的过程，所以拉曼信号都很弱，要对表面吸附物种进行拉曼光谱研究几乎都要利用某种增强效应。现有技术中，最常见的表面增强拉曼光谱效应，表面增强拉曼光谱的基底是关键技术，大致有纳米颗粒基底、纳米线基底等，不同的基底之间在增强机理和增强的效果之间有显著差别，现有技术中没有针对这些差别针对性的提供光学系统。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种拉曼光谱成像方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤(1)将检测对象分别置于纳米线阵列基底和纳米颗粒基底上；
步骤(2)当选择纳米线阵列基底时，光源发出的光依次经过所述纳米线阵列基底、第一物镜和成像单元；当选择纳米颗粒基底时，光源发出的光依次经过所述纳米颗粒基底、第二物镜和所述成像单元；
步骤(3)所述成像单元将图像信息传输给上位机进行比较分析；
其中，所述第一物镜从物方到像方依次包括由正屈光度的第一透镜和负屈光度的第二透镜组成的第一胶合透镜、由正屈光度的第三透镜和负屈光度的第四透镜组成的第二胶合透镜以及负屈光度的第五透镜；
并满足d1/TTL>0.45，其中d1为所述所述第一透镜的半径，TTL为所述第一物镜的光学总长；
所述第二物镜从物方到像方依次包括由正屈光度的第六透镜和负屈光度的第七透镜组成的第三胶合透镜、由正屈光度的第八透镜和负屈光度的第九透镜组成的第四胶合透镜以及负屈光度的第十透镜；
所述第二物镜的视场角θ满足，110°>θ>70°，所述第二物镜的数值孔径NA>0.6。
优选地，所述第一物镜满足以下条件：1.9>f1/f40>1.2；
3.7>f1/f2>1.1；
5.1>f1/f3>2.4；
其中，所述第一胶合透镜的焦距为f1,所述第二胶合透镜的焦距为f2，所述第五透镜的焦距为f3，所述第一物镜的总焦距为f40。
优选地，所述第二物镜满足以下条件：1.7>f5/f60>1.3；
2.7>f6/f60>1.5；
-1.2>f7/f60>-1.6；
其中，所述第三胶合透镜的焦距为f5,所述第四胶合透镜的焦距为f6，所述第十透镜的焦距为f7，所述第二物镜的总焦距为f60。
本发明还提供了一种拉曼光谱成像装置，其特征在于：所述装置包括激光光源、对比选择单元、第一基底、第一物镜、第二基底、第二物镜以及成像单元；
当所述对比选择单元选择第一基底时，所述光源发出的光依次经过所述第一基底、所述第一物镜和所述成像单元；其中第一基底是纳米线阵列基底；
当所述对比选择单元选择第二基底时，所述光源发出的光依次经过所述第二基底、所述第二物镜和所述成像单元；其中第二基底是纳米颗粒基底；
所述第一物镜从物方到像方依次包括由正屈光度的第一透镜和负屈光度的第二透镜组成的第一胶合透镜、由正屈光度的第三透镜和负屈光度的第四透镜组成的第二胶合透镜以及负屈光度的第五透镜；
并满足d1/TTL>0.45，其中d1为所述所述第一透镜的半径，TTL为所述第一物镜的光学总长；
所述第二物镜从物方到像方依次包括由正屈光度的第六透镜和负屈光度的第七透镜组成的第三胶合透镜、由正屈光度的第八透镜和负屈光度的第九透镜组成的第四胶合透镜以及负屈光度的第十透镜；
所述第二物镜的视场角θ满足，110°>θ>70°，所述第二物镜的数值孔径NA>0.6。
优选地，所述第一基底和所述第二基底都位于样品台上，所述样品台可通过旋转来替换所述第一基底和所述第二基底，所述样品台还可在X、Y、Z三个方向上进行微调。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下发明点及相应的有益效果：
(1)本发明根据纳米线基底和纳米颗粒基底的不同特性，针对性的设计了两组物镜，使用者可根据对象和基底的不同特性选择亦或是进行对比，该装置应用范围十分广泛。相比于现有技术，本发明针对的是纳米线和纳米颗粒的比较而对物镜进行了特别的设计。这一设计包括有对两种针对性的物镜的变换，采用了适于快速切换的旋转机构。该旋转机构可以在完成第一基底检测后快速切换成第二基底所需的物镜，这一点在纳米线和纳米颗粒的检测中非常重要。因为纳米线和纳米颗粒制备完成后需要快速完成检测，时间拖长，在封装前有引入杂质的风险，影响检测精度。因此使用例如旋转机构，利用旋转部件能够快速切换到所需的物镜，满足以上检测的需要。
(2)第一物镜组具体透镜的设计以及具体参数可最大化纳米线基底有效孔径大的优点。
(3)第二物镜组具体透镜的设计以及具体参数针对纳米颗粒基底存在的缺陷，尽量提高分辨率，抑制该基底的缺陷。
需要提出的是，这一物镜是针对拉曼光谱而进行的特别设计，并不是采用其他领域的物镜所能代替的。这是因为拉曼光谱有其自身的特点，其需要适应的波长范围宽，同时还要满足成像的要求。另外，拉曼光散射角大，需要的物镜数值孔径也要大。上述但不仅限于上述的特点决定了物镜需要特别定制，并不是通用的物镜能完成基底检测需求的。
附图说明
图1是本发明提供的拉曼光谱成像装置的框架图；
图2是本发明第一物镜透镜组的结构图；
图3是本发明第一物镜场曲和畸变图；
图4是本发明第一物镜色像差图；
图5是本发明第二物镜透镜组的结构图；
图6是本发明第二物镜镜场曲和畸变图；
图7是本发明第二物镜色像差图；
图中：10、激光光源，20、对比选择单元，30、第一基底，40、第一物镜，50、第二基底，60、第二物镜，70、CCD成像单元，80、上位机，11、第一物镜第一透镜，12、第一物镜第二透镜，13、第一物镜第三透镜，第一物镜21、第一物镜第四透镜，3、第一物镜第五透镜，51、第二物镜第一透镜、52、第二物镜第二透镜，61、第二物镜第三透镜，62、第二物镜第四透镜，7、第二物镜第五透镜。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
在本实施例中，如图1所示，拉曼光谱成像装置包括激光光源10、对比选择单元20、第一基底30、第一物镜40、第二基底50、第二物镜60、CCD成像单元70以及上位机80。
其中当对比选择单元20选择第一基底30来承载样品时，激光光源10发出的光线经过第一基底30，再依次通过第一物镜40、最终光线达到CCD成像单元，并将图像信息传输给上位机进行存储；
当对比选择单元20选择第二基底50来承载样品时，激光光源10发出的光线经过第二基底50，再依次通过第二物镜60、最终光线达到CCD成像单元，并将图像信息传输给上位机进行存储。
需要指出的是，第一基底30检测完成后，可以利用物镜转换装置例如旋转机构快速完成物镜从第一物镜40切换成第二物镜60，这样对于刚制备出的需要快速检测的基底特别适用。这样可以避免因等待第二物镜60的调试而造成基底材料在封装前引入杂质的风险。
对比选择单元20可以根据被检测材料的具体性质，结合纳米线基底和纳米颗粒基底的特性，来选择第一物镜40或是第二物镜60，也可用同一种样品分别在第一物镜40和第二物镜60下进行检测，对被检测对象和基底材料做进一步的科学研究。
其中第一基底30是在硅衬底上形成高质量的金属纳米线阵列，其中金属可以是金、银或铜等贵金属；其中纳米线为规律的周期性结构，当采用的激光光源的波长略大于上述纳米线的周期，入射的点光源的能量耦合到表面等离子体波上，显著的增大出射的有效孔径光阑。
对应第一基底30，特设计第一物镜40具体如下：从物方到像方依次包括具有正折射率的第一透镜11、具有负折射率的第二透镜12、具有正折射率的第三透镜21、具有负折射率的第四透镜22、具有负折射率的第五透镜3；其中第一透镜11和第二透镜12是胶合透镜，第三透镜21和第四透镜22是胶合透镜，其中通过两个正负透镜组合而成的胶合透镜，最大程度的减小了色差；各透镜参数如下：
表一：纳米线基底物镜参数
Figure GDA0003808297490000071
如图3所示，本发明第一物镜的场曲图和畸变图；
如图4所示，本发明第一物镜的色像差图；
此外，第一透镜11、第二透镜12的透镜半径是d1，第一物镜的光学系统总长为TTL，d1/TTL>0.45，使得第一物镜具有较大的有效孔径，在该实施例中，第一透镜11、第二透镜12的透镜半径d1＝5mm，光学系统总长为TTL为9mm；
第一物镜中第一透镜11和第二透镜12组成的胶合透镜的焦距为f1,第三透镜21和第四透镜22组成的胶合透镜的焦距为f2，第五透镜3的焦距为f3，第一物镜的总焦距为f40，以上各焦距满足以下关系：
1.9>f1/f40>1.2；
3.7>f1/f2>1.1；
5.1>f1/f3>2.4。
其中第二基底50是在硅衬底上形成高质量的纳米颗粒薄膜，其中金属可以是金、银或铜等贵金属；由于纳米颗粒的尺寸较小,会发生只出现电偶极子共振模式的情况,光谱上出现一个SPR峰，当颗粒的尺寸增加时,该SPR峰红移,在短波区域出现新的高阶的SPR峰，但是,在一般情况下,这些共振峰有相当的光谱宽度,彼此之间会互相重叠,各自所占的比例不好区分.在某些特殊情况下,有些共振峰不太好辨认其物理根源。
对应第二基底50，特设计第二物镜60具体如下：
特设计第二物镜具体如下：从物方到像方依次包括具有正折射率的第一透镜51、具有负折射率的第二透镜52、具有正折射率的第三透镜61、具有负折射率的第四透镜62、具有负折射率的第五透镜7；其中第一透镜51和第二透镜52是胶合透镜，第三透镜61和第四透镜62是胶合透镜，其中通过两个正负透镜组合而成的胶合透镜，最大程度的减小了色差；各透镜参数如下：
表二：纳米颗粒基底物镜参数
Figure GDA0003808297490000091
如图6所示，本发明第二物镜的场曲图和畸变图；
如图7所示，本发明第二物镜的色像差图；
其中第二物镜的视场角θ满足，110°>θ>70°，第二物镜的数值孔径NA>0.6，使得透镜组具有高分辨率；
第二物镜中第一透镜51和第二透镜52组成的胶合透镜的焦距为f5,第三透镜61和第四透镜62组成的胶合透镜的焦距为f6，第五透镜7的焦距为f7，第二物镜的总焦距为f60，以上各焦距满足以下关系：
1.7>f5/f60>1.3；
2.7>f6/f60>1.5；
-1.2>f7/f60>-1.6。
在上述光谱成像装置中，第一基底和第二基底都位于样品台(图中未示出)上，所述样品台可通过旋转来替换第一基底和第二基底，所述样品台还可在X、Y、Z三个方向上根据使用者的需要进行微调，以应对不同的物镜的不同焦距和/或对准检测样品、调整检测样品的角度。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (3)

1.一种拉曼光谱成像方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤(1)将检测对象分别置于纳米线阵列基底和纳米颗粒基底上；
步骤(2)当选择纳米线阵列基底时，光源发出的光依次经过所述纳米线阵列基底、第一物镜和成像单元；当选择纳米颗粒基底时，光源发出的光依次经过所述纳米颗粒基底、第二物镜和所述成像单元；
步骤(3)所述成像单元将图像信息传输给上位机进行比较分析；
其中，所述第一物镜从物方到像方依次包括由正屈光度的第一透镜和负屈光度的第二透镜组成的第一胶合透镜、由正屈光度的第三透镜和负屈光度的第四透镜组成的第二胶合透镜以及负屈光度的第五透镜；
并满足d1/TTL>0.45，其中d1为所述第一透镜的半径，TTL为所述第一物镜的光学总长；
所述第二物镜从物方到像方依次包括由正屈光度的第六透镜和负屈光度的第七透镜组成的第三胶合透镜、由正屈光度的第八透镜和负屈光度的第九透镜组成的第四胶合透镜以及负屈光度的第十透镜；
所述第二物镜的视场角θ满足，110°>θ>70°，所述第二物镜的数值孔径NA>0.6；
所述第一物镜满足以下条件：1.9>f1/f40>1.2；
3.7>f1/f2>1.1；
5.1>f1/f3>2.4；
其中，所述第一胶合透镜的焦距为f1,所述第二胶合透镜的焦距为f2，所述第五透镜的焦距为f3，所述第一物镜的总焦距为f40；
所述第二物镜满足以下条件：1.7>f5/f60>1.3；
2.7>f6/f60>1.5；
-1.2>f7/f60>-1.6；
其中，所述第三胶合透镜的焦距为f5,所述第四胶合透镜的焦距为f6，所述第十透镜的焦距为f7，所述第二物镜的总焦距为f60。
2.一种拉曼光谱成像装置，其特征在于：所述装置包括激光光源、对比选择单元、第一基底、第一物镜、第二基底、第二物镜以及成像单元；
当所述对比选择单元选择第一基底时，所述光源发出的光依次经过所述第一基底、所述第一物镜和所述成像单元；其中第一基底是纳米线阵列基底；
当所述对比选择单元选择第二基底时，所述光源发出的光依次经过所述第二基底、所述第二物镜和所述成像单元；其中第二基底是纳米颗粒基底；
所述第一物镜从物方到像方依次包括由正屈光度的第一透镜和负屈光度的第二透镜组成的第一胶合透镜、由正屈光度的第三透镜和负屈光度的第四透镜组成的第二胶合透镜以及负屈光度的第五透镜；
并满足d1/TTL>0.45，其中d1为所述第一透镜的半径，TTL为所述第一物镜的光学总长；
所述第二物镜从物方到像方依次包括由正屈光度的第六透镜和负屈光度的第七透镜组成的第三胶合透镜、由正屈光度的第八透镜和负屈光度的第九透镜组成的第四胶合透镜以及负屈光度的第十透镜；
所述第二物镜的视场角θ满足，110°>θ>70°，所述第二物镜的数值孔径NA>0.6；
所述第一物镜满足以下条件：1.9>f1/f40>1.2；
3.7>f1/f2>1.1；
5.1>f1/f3>2.4；
其中，所述第一胶合透镜的焦距为f1,所述第二胶合透镜的焦距为f2，所述第五透镜的焦距为f3，所述第一物镜的总焦距为f40；
所述第二物镜满足以下条件：1.7>f5/f60>1.3；
2.7>f6/f60>1.5；
-1.2>f7/f60>-1.6；
其中，所述第三胶合透镜的焦距为f5,所述第四胶合透镜的焦距为f6，所述第十透镜的焦距为f7，所述第二物镜的总焦距为f60。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述第一基底和所述第二基底都位于样品台上，所述样品台可通过旋转来替换所述第一基底和所述第二基底，所述样品台还可在X、Y、Z三个方向上进行微调。
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