阅读说明：本技术 集拉曼光谱快速成像和深层光谱快速检测于一体的便携式光路系统 (Collection Raman spectrum fast imaging and deep layer spectrum are quickly detected on integrated portable light path system ) 是由 王爽 秦杰 余凡 李洁 王凯歌 贺庆丽 于 2019-07-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种集拉曼光谱快速成像和深层光谱快速检测于一体的便携式光路系统,其包括：第一光束准直器、伸缩套筒、带通滤波片、凸透镜、锥透镜、二向色镜、第二光束准直器、成像透镜、光纤束、消色差双胶合透镜对和一维扫描振镜,其中,凸透镜和锥透镜均以可插拔的形式安装在伸缩套筒内,二向色镜的反光面朝向伸缩套筒,第二光束准直器和成像透镜分别安装在二向色镜的反射光和透射光出光口处,光纤束安装在成像透镜的另一端,采集端和检测端的光纤分别呈正方和长方形阵列排布,消色差双胶合透镜对安装在光纤束的光谱检测端,一维扫描振镜安装在透镜对的另一端。本发明的有益之处在于：体积小巧,方便携带移动,并且成像和检测速度较快。(The invention discloses a kind of collection Raman spectrum fast imagings and deep layer spectrum to be quickly detected on integrated portable light path system, comprising: the first beam collimator, extension sleeve, band pass filter, convex lens, axicon lens, dichroscope, second beam collimator, imaging len, fiber optic bundle, achromatic doublet to and one-dimensional scanning galvanometer, wherein, convex lens and axicon lens are mounted in extension sleeve in the form of pluggable, the reflective surface of dichroscope is towards extension sleeve, second beam collimator and imaging len are separately mounted at the reflected light and transmitted light light-emitting window of dichroscope, fiber optic bundle is mounted on the other end of imaging len, collection terminal and the optical fiber of test side are in the arrangement of square and rectangular array respectively, achromatic doublet is to the spectral detection end for being mounted on fiber optic bundle, one-dimensional scanning galvanometer is mounted on lens Pair the other end.The invention has the beneficial effects that: compact is convenient for carrying movement, and is imaged and detects fast speed.)

集拉曼光谱快速成像和深层光谱快速检测于一体的便携式光 路系统

技术领域

本发明涉及一种光路系统，具体涉及一种集拉曼光谱快速成像和深层光谱快速检测于一体的便携式光路系统，属于光电检测技术领域。

背景技术

随着激光技术、光纤探测器件和光电检测技术的发展，拉曼光谱成像(RamanSpectral Imaging，RSI)技术已发展成为一种可将被检测样品生化组成种类、含量和分布等信息进行定性、定量和定位描述的比较成熟的技术。RSI技术融合了光谱与成像两种技术的优点，能够有效突破生物组织结构复杂性对光谱分析结果产生的客观影响，以一种谱(特征光谱)图(光谱图像)结合的方式，高内涵、高特异性、高准确性揭示样品生化组成与组织结构特点。因此，以图像形式观测物质成分、结构等信息的RSI技术在临床癌症早期诊断、组织病理生理分析及成病机制等生物医学领域具有重要的应用价值。

然而，在生物医学研究领域，现有的RSI技术还不够完美，仍存在一些问题，例如：

(1)通常采用点扫描成像，所以成像速度较慢；

(2)因采用显微光路，所以视场比较狭小；

(3)因相干反斯托克斯拉曼光谱(Coherent Anti-strokes Raman Spectroscopy，CRS)与受激拉曼散射(Stimulated Raman Spectroscopy,SRS)需采用脉冲激光光源，故系统结构较为复杂，便携性较差；

(4)因介质内部光子散射输运长度较短，所以只能探测到被检测样品的几百微米内的近表层光谱信息。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种集拉曼光谱快速成像和深层光谱快速检测于一体的便携式光路系统。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种集拉曼光谱快速成像和深层光谱快速检测于一体的便携式光路系统，其特征在于，包括：第一光束准直器、伸缩套筒、带通滤波片、凸透镜、锥透镜、二向色镜、第二光束准直器、成像透镜、光纤束、消色差双胶合透镜对和一维扫描振镜，其中：

伸缩套筒由内筒和外筒两部分组成，内筒在外筒内可沿轴向来回滑动；

第一光束准直器安装在伸缩套筒的内筒的外端；

带通滤波片、凸透镜和锥透镜均安装在伸缩套筒的内筒内，其中，锥透镜的尖端背离第一光束准直器，凸透镜和锥透镜在伸缩套筒内可随意插拔；

二向色镜安装在二向色镜固定盒里，二向色镜固定盒安装在伸缩套筒的外筒的外端，二向色镜与伸缩套筒的轴线呈45度夹角，反光面朝向伸缩套筒；

第二光束准直器安装在二向色镜固定盒的反射光出光口处；

成像透镜安装在透镜固定筒里，透镜固定筒安装在二向色镜固定盒的透射光出光口处；

光纤束安装在成像透镜的另一端，光纤束的光谱采集端的光纤呈正方形阵列排布，光谱检测端的光纤呈长方形阵列排布；

消色差双胶合透镜对安装在透镜对固定筒里，透镜对固定筒安装在光纤束的光谱检测端；

一维扫描振镜安装在振镜固定盒里，振镜固定盒安装在透镜对固定筒的另一端，一维扫描振镜与消色差双胶合透镜对的轴线呈45度夹角。

前述的集拉曼光谱快速成像和深层光谱快速检测于一体的便携式光路系统，其特征在于，前述伸缩套筒的内筒内设置有滤波片安装座和透镜安装座，并且内筒在透镜安装座所在位置处开有用于取放凸透镜和锥透镜的取放口。

前述的集拉曼光谱快速成像和深层光谱快速检测于一体的便携式光路系统，其特征在于，前述伸缩套筒的内筒呈圆筒形，外径为25mm、长度为50mm，外筒也呈圆筒形，外径为30mm、长度为50mm。

前述的集拉曼光谱快速成像和深层光谱快速检测于一体的便携式光路系统，其特征在于，前述二向色镜固定盒呈立方体形，边长为30mm。

前述的集拉曼光谱快速成像和深层光谱快速检测于一体的便携式光路系统，其特征在于，前述透镜固定筒呈圆筒形，外径为25mm、长度为40mm。

前述的集拉曼光谱快速成像和深层光谱快速检测于一体的便携式光路系统，其特征在于，前述光纤束的光谱检测端的光纤的排布尺寸取决于成像光谱仪的狭缝的宽度和高度，另外还需要有效匹配一维扫描振镜的尺寸和偏转角度。

前述的集拉曼光谱快速成像和深层光谱快速检测于一体的便携式光路系统，其特征在于，前述光纤束的长度最短为300mm。

前述的集拉曼光谱快速成像和深层光谱快速检测于一体的便携式光路系统，其特征在于，前述消色差双胶合透镜对的两个透镜之间集成有陷波滤波片或长通滤波片组。

前述的集拉曼光谱快速成像和深层光谱快速检测于一体的便携式光路系统，其特征在于，前述透镜对固定筒呈长筒形，外径为25mm、长度为100mm。

前述的集拉曼光谱快速成像和深层光谱快速检测于一体的便携式光路系统，其特征在于，前述振镜固定盒呈立方体形，边长为40mm。

本发明的有益之处在于：

(1)在拉曼光谱成像光路的基础上，融入了逆向空间偏移拉曼光谱(InverseSpatially Offset Raman Spectroscopy，Inverse SORS)检测方法，实现了浅表层拉曼光谱成像与深层光谱检测的有机结合；

(2)通过优化光谱激发和探测方式，通过控制空间偏移量(环状激发光斑尺寸)的连续变化，探测样品不同深度位置处的拉曼光谱信息，全面准确的反映组织深层生化构成信息，可用于化学、生物、物理等多层材料信息检测与分析；

(3)体积小巧，方便携带移动，并且成像和检测速度较快，适用于活体条件下正常生物组织与癌变生物组织的深层物质成分和结构信息的临床检测。

附图说明

图1是本发明提供的便携式光路系统在拉曼光谱成像时的光路图；

图2是本发明提供的便携式光路系统在深层光谱检测时的光路图；

图3(a)是光纤束的光谱采集端的光纤排布示意图；

图3(b)是光纤束的光谱检测端的光纤排布示意图。

图中附图标记的含义：1-785nm激光器、2-第一光束准直器、3-伸缩套筒、4-带通滤波片、5-凸透镜、6-锥透镜、7-二向色镜、8-第二光束准直器、9-成像透镜、10-光纤束、11-消色差双胶合透镜对、12-一维扫描振镜、13-成像光谱仪、14-背感光深度制冷电子倍增型CCD相机。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参照图1和图2，本发明提供的集拉曼光谱快速成像和深层光谱快速检测于一体的便携式光路系统包括：第一光束准直器2、伸缩套筒3、带通滤波片4、凸透镜5、锥透镜6、二向色镜7、第二光束准直器8、成像透镜9、光纤束10、消色差双胶合透镜对11和一维扫描振镜12。

伸缩套筒3由内筒和外筒两部分组成，内筒在外筒内可沿轴向来回滑动，内筒内设置有滤波片安装座和透镜安装座，并且内筒在透镜安装座所在位置处开有用于取放凸透镜和锥透镜的取放口。内筒和外筒均呈圆筒形，其中，内筒可做成外径为25mm、长度为50mm的圆筒，外筒可做成外径为30mm、长度为50mm的圆筒，当内筒完全缩进到外筒中时，整个伸缩套筒3的长度只有50mm，当内筒最大限度的从外筒中拉出时，整个伸缩套筒3的长度也不会超过100mm。

第一光束准直器2安装在伸缩套筒3的内筒的外端，使用时，第一光束准直器2通过耦合光纤与785nm激光器1连接。

带通滤波片4、凸透镜5和锥透镜6均安装在伸缩套筒3的内筒内，其中，带通滤波片4安装在滤波片安装座上，凸透镜5和锥透镜6安装在透镜安装座上，锥透镜6的尖端背离第一光束准直器2，凸透镜5和锥透镜6在透镜安装座上可随意插拔，当透镜安装座上安装的是凸透镜5时，该光路系统可实现拉曼光谱成像，当透镜安装座上安装的是锥透镜6时，该光路系统可实现深层光谱检测。

二向色镜7安装在二向色镜固定盒里，二向色镜固定盒安装在伸缩套筒3的外筒的外端，二向色镜7与伸缩套筒3的轴线呈45度夹角，反光面朝向伸缩套筒3。二向色镜固定盒呈立方体形，可做成边长为30mm的立方盒。

第二光束准直器8安装在二向色镜固定盒的反射光出光口处。反射光经过第二光束准直器8后形成均匀的准直光束照射在样品表面。

成像透镜9安装在透镜固定筒里，透镜固定筒安装在二向色镜固定盒的透射光出光口处。透镜固定筒呈圆筒形，可做成外径为25mm、长度为40mm的柱状长筒。

光纤束10安装在成像透镜9的另一端，光纤束10的光谱采集端的光纤呈正方形阵列排布(如图3(a)所示，面积4×4mm²，光纤数量400×400个，光纤芯径10μm，NA＝0.6)，可以完整采集组织表面光谱信息，光谱检测端的光纤呈长方形阵列排布(如图3(b)所示，面积2×8mm²，光纤数量200×800个，光纤芯径10μm，NA＝0.6)，长方形阵列的尺寸取决于成像光谱仪13的狭缝的宽度和高度，另外还需要有效匹配一维扫描振镜12的尺寸和偏转角度。光纤的这种排布方案可以提高光谱图像数据采集效率和系统信噪比。光纤束10的长度最短可取300mm。

消色差双胶合透镜对11安装在透镜对固定筒里，透镜对固定筒安装在光纤束10的光谱检测端，两个透镜之间集成有陷波滤波片或长通滤波片组。透镜对固定筒呈圆筒形，可做成外径为25mm、长度为100mm的柱状长筒。

一维扫描振镜12安装在振镜固定盒里，振镜固定盒安装在透镜对固定筒的另一端，一维扫描振镜12与消色差双胶合透镜对11的轴线呈45度夹角。振镜固定盒呈立方体形，可做成边长为40mm的正方盒。

线扫描光谱成像的优势在于：可采用类共聚焦形式，仅用很小的成本就可在很大程度上提高光谱成像速度，并且由于激光功率分布在一条线上，所以可以减小样品热分解或光化学反应的可能性。

我们在光谱检测端采用线扫描模式，实现了快速筛选并记录具有较高光谱分辨率、较宽谱段范围的光谱数据集。

当透镜安装座上安装的是凸透镜5时，参照图1，该光路系统可实现拉曼光谱成像，光谱成像的过程具体如下：

使用785nm激光器1作为激发光源，激发光束(实线)依次经过耦合光纤、第一光束准直器2、带通滤波片4、凸透镜5、二向色镜7和第二光束准直器8后形成均匀准直圆形激发光斑照射在样品表面，通过调整凸透镜5的焦距和空间位置，可以实现照射在样品表面的圆形激发光斑的尺寸调节，该光路系统的最佳工作距离为50-100mm，照射在样品表面的圆形激发光斑的最佳尺寸(直径)为2-3mm，样品表面不同位置处的各向异性散射光(虚线)依次经过第二光束准直器8、二向色镜7和成像透镜9后，完整成像于光纤束10的光谱采集端，所成的像由光纤束10传导给消色差双胶合透镜对11，消色差双胶合透镜对11的两个透镜之间集成有陷波滤波片(或长通滤波片组)，陷波滤波片(或长通滤波片组)过滤瑞利散射后一维扫描振镜12将空间不同位置的拉曼散射光投射于成像光谱仪13，由成像光谱仪13对光谱信息进行记录与分析。

当透镜安装座上安装的是锥透镜6时，参照图2，该光路系统可实现基于逆向空间偏移拉曼光谱(Inverse Spatially Offset Raman Spectroscopy，Inverse SORS)检测方法的深层光谱检测，光谱检测过程具体如下：

使用785nm激光器1作为激发光源，激发光束依次经过耦合光纤、第一光束准直器2、带通滤波片4、锥透镜6、二向色镜7和第二光束准直器8后形成均匀准直环形激发光斑照射在样品表面，通过更换具有不同度数的锥透镜6(根据锥透镜6的度数的不同，激发环状光斑与点状光谱采集区之间的空间偏移量的选择范围也不同，例如，当锥透镜6的度数为5°时，该光路系统的最大偏移距离为10mm)、调整锥透镜6的位置(通过抽拉伸缩套筒3的内筒来实现)以及调整第二光束准直器8到工作面的距离(工作距离)，可以实现照射在样品表面的环形激发光斑的尺寸的调节，环形光斑的半径(空间偏移量ΔS)可控，该光路系统的最佳工作距离为10-100mm，照射在样品表面的环形激发光斑的最佳尺寸(直径)为4-6mm。根据光子迁移理论，点状光谱采集区可对光谱信息采集区(深度约0.5-2mm)内的光学信息进行收集，并由光纤束10传导至成像光谱仪13进行分析，从而，通过控制空间偏移量的连续变化，探测样品不同深度位置处的拉曼光谱信息，即深层光谱检测功能。

通过结合组织光学模型与已有的离体切片拉曼光谱实验结果，建立并完善理论模拟方法，理论描述空间偏移量ΔS与Inverse SORS检测之间的联系，本发明提供的集拉曼光谱快速成像和深层光谱快速检测于一体的便携式光路系统可以实现在活体条件下正常生物组织与癌变生物组织的深层物质成分和结构信息的实验检测。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。