CN101589297B - 光谱仪 - Google Patents

Abstract

在拉曼光谱仪中，激发光作为线聚焦(38)被聚焦在样品(26)上。来自线聚焦中的点的光谱散射在CCD检测器(34)上的行(46)上，CCD检测器(34)具有二维的像素阵列。线聚焦相对于样品在Y方向上(箭头48)纵向移动。电荷在CCD内在平行的Y’方向(箭头50)上同时并同步地漂移，从而来自样品中给定点的数据持续地积累。这确保了来自每个样品点的数据发生于沿着线聚焦结合的照明，并且使得随后能够更容易地将数据结合到一起以便形成样品的图像。

Description

光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱仪和分光方法。其具体地用于拉曼分光法中，但是同样也可以用于其它形式的分光法中，例如，使用荧光窄线光激发光或阴极发光。 

背景技术

拉曼光谱仪的一个例子在美国专利No.5,442,438(Batchelder等人)中进行了公开。来自激光源的光被聚集从而照射在样品上。光和样品分子之间的相互作用使得拉曼散射到具有相对于激发激光频率变动的频率和波数的光谱中。在滤出激光频率之后，例如衍射光栅的色散装置将这个散射的拉曼光谱通过二维光检测器阵列进行色散，所述光检测器阵列的形式例如为电荷耦合装置(CCD)。不同的分子种类具有不同特征的拉曼光谱，从而其效应可用于分析当前的分子种类。拉曼光谱还可以给出其它的信息，例如样品中的本地压力和张力。 

如果希望能够对样品的区域而不是仅仅针对单个点进行映射，已知的是将样品放置在镜台上，该镜台可以在正交方向X，Y上移动。可选择地，可移动镜子可以在X和Y方向上通过样品的表面偏转光束。因此，样品的光栅扫描可以发生，从而在扫描的每个点上给出拉曼光谱。 

在这种光栅扫描中的每个点上，光束必须照亮样品足够长的时间，从而允许获得拉曼光谱。因此在大面积的样品上获得映射可能是消耗时间的。 

因此，已知的是不以点聚焦的方式照亮样品，而以线聚焦的方式照亮样品。这使得同时在线内从多个点上获得光谱成为可能。在CCD检测器上，设置为，线图像正交地延伸到光谱色射的方向。这使得能够有效地使用二维特性的检测器来同时获得多个光谱。在CCD阵列的多个行和列中同时形成多个光谱。 

这种线聚焦设置的一个问题是，在沿着线的不同位置上照明激光必然会具有不同的亮度。因此，在线上的不同位置上产生的光谱相互并没有规格化，从而难以直接进行比较。 

如果要映射样品的大区域，非常可能的是线的长度将仅仅是要映射的区域的宽度或深度的一小部分。因此，即使是这样的线聚焦也必须在一系列连续的条纹中进行光栅扫描。当将产生的条纹放入二维映射的区域中时，在线聚焦的端部无缝地结合数据是有困难的。 

将数据结合在一起中的困难具有几个不同的原因。一个原因是沿着线聚焦的不同位置上的亮度的不同。事实上，需要去除靠近线的端部所产生的数据，因为在端部附近亮度下降得比较厉害，并且这产生了不连续。另一个原因是周围环境可能在一个条纹的扫描和下一个条纹的扫描之间发生变化，从而产生不匹配。还有，已知为“漂白”的现象发生作用：如果样品被暴露在激光束中，则由于时间或激光能量的作用，光谱的荧光背景可能蒸发或漂白。 

发明内容

本发明提供一种光谱仪，包括： 

激发光源，用于在样品上产生线聚焦并且从中产生散射光的光谱，所述线聚焦以及所述样品可以相对移动； 

检测器，所述检测器具有设置在至少一行或一列中的多个检测器元件； 

所述样品和所述检测器之间的光径，所述线聚焦和所述行或列相对齐，从而从所述线聚焦的不同位置散射的光被引导至所述行或列中的各个不同检测器元件； 

其特征在于，所述线聚焦设置为至少在所述线聚焦的纵向方向上相对于所述样品移动； 

以及，与样品上的所述线聚焦的相对移动相同步，数据在所述检测器中移动，从而在所述相对移动期间，来自样品的给定点或区域的数据发生积累。 

优选地，数据从检测器元件的行或列的一端按顺序被读取。在一个优选实施例中，来自每个元件的数据沿着所述行或列按顺序地从一个元件经过到下一个元件。然而，也不是总是这样的，例如，如果线聚焦和样品之间的相对移动更加复杂并且包括横向于纵向方向的方向上的分量以及在纵向方向上的移动。 

优选地，所述检测器包括二维阵列的检测器元件，并且优选地，分析器在垂直于所述行或列的方向上将来自通过检测器的所述线聚焦中的任何给定点或区域的光谱进行色射。因此，在二维阵列的各个行或列中，同时获得表示通过光谱发生色散的多个波数的数据，并且，与样品上线聚焦的相对移动相同步地，沿着各个行或列移动每个波数的数据。 

在另一个优选实施例中，检测器可以通过90°旋转。然后在需要的时候检测器可以旋转，从而数据的移位可以在光谱的色射方向上进行，如前面所述的美国专利No.5,442,438中所描述的。 

附图说明

现在将借助示例，参照附图来描述本发明，其中： 

图1为光谱仪第一个实施例的示意图； 

图2为将要由图1所示装置进行分析的样品的一个区域的平面图； 

图3为示出了沿着图1所示装置中的线聚焦的光束的亮度变化的示意图； 

图4A、4B和4C分别示出了线聚焦相对于样品移动，CCD检测器内的电荷的漂移，以及在线聚焦中的一个点上接收到的光谱；以及 

图5表示图1所示装置的一部分的可替代设置。 

具体实施方式

参照图1，光谱仪包括激光10，激光10用作激发光的光源。这通过光束扩展器12、柱面透镜13、镜子14、16、18以及过滤器20进入显微镜22。显微镜22的物镜24将激光束聚焦到安装在镜台或桌台28上的样品26上。镜台28具有电动机30，镜台28通过电动机30在计算机32的控制下可以在X和Y方向上移动。 

激发激光的照亮产生了散射光，例如不同频率/波数的拉曼散射光。其由显微镜的物镜24收集并且转至二维光检测器阵列34。它通过镜子18、过滤器20、狭缝35(可以以相同焦点工作从而控制设备的深度分辨率)、镜子36、衍射光栅39和聚焦透镜37。 

优选的二维光检测器34为CCD检测器。但是，其它的检测器也是可以的，例如二维CMOS光检测器阵列。衍射光栅39在X′方向上通过CCD 34的表面色散散射光的光谱。 

过滤器20具有两个作用。首先，它将来自激光10的激发激光照明进行反射，从而朝着显微镜22和样品26的方向将其注入到光径中。第二，它抵制与照明激光束具有相同频率的Rayleigh散射光，而仅通过感兴趣的朝着CCD检测器34的拉曼光谱。可以使用各种不同的具有这种属性的电介质过滤器，包括例如全息滤波器(可以放置在与图中所示的光径呈低入射角的位置上)。如果需要，可以串联地提供一个以上的这种过滤器，从而改进Rayleigh散射光的排斥。 

前面所述的许多特征可以在美国专利No.5,442,438中找到，该专利引入本说明书作为参考。 

柱面透镜13在某个时间不仅仅使用激光束在样品26上照亮单个点，而是配置为形成线聚焦。然后，柱面透镜13在样品上同时照亮多个点并激活来自多个点的拉曼散射。 

如图2中所示，典型地，将要进行分析的样品上的区域37具有比照亮线聚焦38的长度更大的尺寸。因此，线聚焦38用于执行区域37的光栅扫描。在实践中，照明光的线聚焦和样品之间的相对移动通过使用计算机32控制下的电动机30移动镜台28来形成。然而，可选择地，照明光束本身可以使用电动机操作的扫描镜片在静止样品表面上被扫描，从而偏转光束。再次说明，这通过计算机32进行控制。 

在常规的***中，线聚焦会首先在X方向上相对于样品移动，如箭头41所示，从而扫描条纹40。然后在方向Y上扫描，如箭头42所示，从而针对连续的条纹40重复这种扫描。 

但是，在本发明的实施例中，采用了下述方法。与首先垂直于其长度而在X方向上移动照明线不同，首先在Y方向上平行于其长度(即在 纵向方向上)连续地移动。作为连续移动的替代方案，可以进行楼梯式移动，在每个台阶上停留希望的暴露时间。在每个Y方向(箭头42)上的完整扫描之后，线聚焦在X方向上(箭头41)往前移动一步到样品上的相邻位置上，然后在Y方向上进行另一次扫描。重复这个过程直至已经扫描了将要研究的整个区域37。所有这些步骤均在计算机32的控制下进行。可以理解，最终会没有条纹40。 

以下将参照图4A、4B和4C进一步描述所使用的方法。 

图4A示出了样品26的一部分表面，为了进行讨论，该表面上具有叠加上其上的CCD 34的像素的想象栅格。图中所示的栅格仅覆盖将要研究的样品的区域37的一部分。图4A中还示出了照明激光束的线聚焦38。箭头48表示如前所述的样品相对于线聚焦38的移动方向。 

图4B表示对应的CCD检测器34的检测器元件(像素)阵列。对于图4A的线38中的每个点，拉曼光谱沿着CCD检测器阵列在X’的方向上色散，例如行46所示。如图4C所示，这个光谱可以对应于样品26中的对应位置上所感兴趣的物质。应当理解，图4A和图4B中所示的像素大小与图4C相比已经经过了夸大处理，并且在实际中比这里的像素数量要多得多。 

CCD暴露在光中导致在每个检测器元件(像素)中的电荷积累。这个电荷代表数据并且与其在暴露期间所接收到的光量成比例。通常，这个电荷在暴露之后通过将其从一个检测器元件传递到下一个检测器元件而被按顺序读取。在这些电荷移动步骤中的每个步骤中，来自于阵列边缘的像素的电荷被读到移位寄存器中，电荷从该移位寄存器中被读取并且被传递给计算机。 

在图4B所示的本发明的实施例中，在对应于样品移动的Y方向(图4A中的箭头48)的Y’方向上，电荷在箭头50所示的方向上移动。在某个时间读取一行到移位寄存器52中，从移位寄存器52将其读取到计算机32中，如54所示。因此，在读取过程中的任一个时间点上，移位寄存器52在线38上的一个点上保持一个完整光谱的数据。 

箭头50所表示的电荷的移动与箭头48表示的Y方向上的线38的扫描是在计算机32的控制下同时并且同步进行的。在这个扫描期间CCD 持续地暴露至光中，并且电荷在它从CCD阵列的一个检测器元件移动到另一个检测器元件时持续地积累。由于电荷与样品和线聚焦38的相对移动同步地进行移动，并且在相同的方向上进行，所以来自样品26中的给定点的光持续地积累为该点的光谱，如图4C所示。CCD及镜台的这种同步扫描在Y方向上持续进行，如图2中的箭头42所示，直至线聚焦已经穿过将要分析的区域37的整个长度。然后，线聚焦38步进到箭头41所示的邻近的位置，同样的过程进行直至整个区域37的光栅扫描已经建成。 

已经描述了来自样品26中的点的电荷(数据)的积累。然而，在较低分辨率的***中，电荷可以从样品的小面积或区域积累。 

上述技术具有几个好处。 

第一个好处将参照图3进行解释。这显示出了沿着线聚焦38的长度的照明激光束的亮度特征。当然理想地，它会是“大礼帽”(top hat)的功能，在整个线38的长度上具有均匀的亮度。然而实际上，这是不可能的，亮度曲线44从沿线的一个位置到另一个位置发生变化。在常规的技术中，结果是从沿线的不同点上同时拍摄的光谱具有不同的亮度。这使得比较光谱的定量分析以及推导沿线各个照亮点的分子组成及其它信息变得非常困难。为了实现适当的“大礼帽”的功能，需要具有衍射光学元件的点源激光(point source laser)，这将会比较昂贵。 

然而，利用本发明的技术，样品26上的任意给定点能够由来自线聚焦38的长度内每个位置的光连续照亮。因此，样品上的每个点由图3中的曲线44所示的每个不同亮度照明。效果是结合了所有这些亮度从而它们之间的差异不会产生影响。 

第二个好处是，在区域37的整个Y方向上存在照明线38的平滑过渡，从而与上述现有技术中相比不同条纹40之间不会察觉到不同。从而能够无缝地获得数据，并且不需要在条纹40的边缘将数据结合到一起。 

第三个好处是，如果在CCD阵列34的不同检测器元件的响应之间存在任何差异或者在不同像素之间设备传递功能中存在任何不同，则也在整个样品区域上将这些进行结合。所以与现有技术中不同的是这在最 终的输出上没有影响，并且有利于对结果进行准确的分析。事实上，即使是不能给出信号输出的有缺陷的检测器元件也可以容忍。 

第四个好处是，与点到点的扫描相比，对线聚焦进行扫描能够使得对于样品区域的映射更加快速。如果将要对样品的大面积进行映射，而每个点仅暴露短的时间，则可以看出，本发明的实施例甚至比之前已知的线聚焦扫描的方法更加快速。 

应当注意的是，图4B中的电荷漂移的方向50与参照美国专利No.5,442,438的图8所描述的现有技术中的同步扫描方法垂直。在该现有技术中的方法中，电荷在对应于本申请图4B中的X’方向的光谱分射的方向上漂移。因此，本发明与上述现有技术专利中描述相比取得了不同的效果。 

计算机32被编程以便控制与电动机30的移动同步的电荷漂移。它还控制从移位寄存器52的读出数据54以及最终的数据获得。如果希望通过在静态样品上扫描光束产生线聚焦38和样品之间的相对移动，则计算机32可以控制扫描镜，扫描镜导致照明光束的扫描并从样品收集散射光。 

如果希望能够提供上述实施例中描述的同步扫描以及美国专利No.5,442,438中描述的光谱范围中的同步扫描，则有几种可能性。 

一种可能是利用CCD检测器阵列，该CCD检测器阵列能够在X’和Y’方向上将电荷移到正交的阵列边缘上的各个移位寄存器。然后可以如前所述在Y’方向上移动电荷，或者如果希望执行根据现有技术专利的方法则可以在X’方向上移动。 

可选择地，如图1中所示，CCD检测器34可以安装在可选择的可旋转安装部件56上。这可以在可以执行上述方法的位置和可以执行现有技术专利的方法的正交位置之间通过90°进行标记。为了确保在两个正交位置的每个位置上的检测器的可重复的重新定位，可旋转的安装部件可以在两个所标记位置中的每个位置上包括运动安装件。如果需要，可旋转安装部件56可以通过电动机进行操作并且在计算机32的控制下进行操作，从而将扫描模式从一个位置改变为另一个位置。 

可选择地，如图5中所示，可以使用两个CCD检测器34。一个CCD 检测器用于执行上述技术，而另一个CCD检测器则用于执行现有技术的专利中的技术。光可以由可移动镜子58从一个检测器切换到另一个检测器，可移动镜子58可以移入或移出光径。还有，这可以通过电动机进行操作，并且在需要的情况下可以由计算机32进行控制。在一个CCD检测器和另一个CCD检测器之间进行切换的其它方法也是可能的，例如，将它们并行安装在线性滑块上从而所需要的一个CCD检测器可以在光径中被定位。 

Claims (10)

1.一种光谱仪，包括：

激发光源，用于在样品上产生线聚焦并且从中产生散射光的光谱，所述线聚焦和所述样品能够相对移动；

检测器，所述检测器具有设置在至少一行或一列中的多个检测器元件；

所述样品和所述检测器之间的光径，所述线聚焦和所述行或列相对齐，从而从所述线聚焦的不同部分散射的光被引导至所述行或列中的各个不同检测器元件；

其特征在于，所述线聚焦设置为至少在所述线聚焦的纵向方向上相对于所述样品移动；

以及，与样品上的所述线聚焦的相对移动相同步，数据在所述检测器中移位，从而在所述相对移动期间，来自样品的给定点或区域的数据发生积累。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，数据从检测器元件的行或列的一端按顺序被读取。

3.根据权利要求1或2所述的光谱仪，其中，来自每个检测器元件的数据沿着所述行或列按顺序地从一个检测器元件传递到下一个检测器元件。

4.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述检测器包括二维阵列的检测器元件。

5.根据权利要求4所述的光谱仪，其中，所述检测器包括电荷耦合装置。

6.根据权利要求4所述的光谱仪，其中，分析器在垂直于所述行或列的方向上对来自通过检测器的所述线聚焦中的任何给定点或区域的光谱进行色射。

7.根据权利要求6所述的光谱仪，其中，在二维阵列的各个行或列中，同时获得表示通过光谱发生色散的多个波数的数据，并且，与样品上线聚焦的相对移动相同步地，沿着各个行或列移动每个波数的数据。

8.根据权利要求6所述的光谱仪，其中，检测器可以通过90°旋转，从而可以在需要的时候旋转检测器，从而数据的移位可以在光谱的色射方向上进行。

9.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述光谱为拉曼散射光的光谱。

10.一种光谱仪，包括：

激发光源，用于在样品上产生线聚焦并且从中产生散射光的光谱，所述线聚焦和所述样品能够相对移动；

检测器，所述检测器具有设置在至少一行或一列中的多个检测器元件；

所述样品和所述检测器之间的光径，所述线聚焦和所述行或列相对齐，从而从所述线聚焦的不同部分散射的光被引导至所述行或列中的各个不同检测器元件；

其特征在于，所述线聚焦设置为至少在所述线聚焦的纵向方向上相对于所述样品移动，使得所述样品上的点能够被来自所述线聚焦的每个部分的光连续照亮，从而结合了来自所述线聚焦的每个部分的光的亮度。

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