CN108226131A - 一种空间周视激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法及装置 - Google Patents

一种空间周视激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法及装置 Download PDF

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夏嘉斌
董明利
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Abstract

本发明涉及空间周视激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法及装置，属于空间光学成像和光谱测量技术领域。在光谱探测中引入调焦望远技术、差动共焦技术、图像获取技术、周视扫描技术，并利用二向色分光***，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***自动调整焦点，使激发光束自动聚焦到被测对象，装置实现空间自动调焦的光谱探测、图像获取，通过周视扫描技术，实现全周向空间的光谱探测，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、全周视场、光谱探测灵敏度高、目标图像获取等优点。

Description

一种空间周视激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法及装置
技术领域
本发明涉及空间光学成像和光谱测量技术领域，具体为一种空间周视激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法及装置。
背景技术
激光共焦拉曼光谱测试技术是将空间成像技术与拉曼光谱分析技术结合起来的新技术，它将入射激光通过自调焦望远***聚焦到样品上，从而可以在较远的距离上在不受周围物质干扰的情况下，获得所照样品的物质成分结构和组成等，提供较好的分子“指纹”特征。它不仅可以观测样品同一层面内不同微区的拉曼光谱信号，还能分别观测样品空间深度不同的层面的拉曼信号，对被测样品进行空间扫描，从而在不损伤样品的情况下达到进行图谱探测的效果。激光共焦拉曼光谱测试技术由于其无损光谱层析成像能力及高分辨率，已广泛应用于物理、化学、生物医学、石油化工、环境科学、材料科学、地质、邢侦、考古和珠宝鉴定等领域。
目前，典型的激光共焦拉曼光谱探测仪的原理如图1所示，激光器发出光束后，经第一聚光镜、第一针孔后，经第二聚光镜后扩束成为平行光，透过第一分光***、四分之一波片、第六聚光镜后，聚焦在被测样品上，激发出载有样品光谱特性的拉曼散射光，移动被测样品，使对应被测样品区域的拉曼散射光通过第六聚光镜、四分之一波片后，并被第一分光***反射，经第七聚光镜聚焦到第三针孔后，由第八聚光镜汇聚到第二光谱仪，从而，测得载有被测样品光谱信息的拉曼光谱。
现有激光共焦拉曼光谱仪存在以下问题：1、采用了显微***，限制了***可探测的范围；2、采用了三维移动平台作为样品承载平台，限制了样品尺寸和存在状态；3、在进行样品探测前，需要对样品进行处理；4、为了减小拉曼散射光的能量损失，***中选用的针孔通常在150um-200um之间，***利用共焦方式进行焦点定位，针孔尺寸直接影响共焦轴向定位曲线的半高宽，针孔尺寸较大导致***定焦精度降低，即降低了***空间分辨力；5、利用弱的拉曼散射光进行定位，降低了***的定焦灵敏度；6、在长时间光谱探测过程中，***容易受环境等因素影响发生漂移，产生离焦，降低***长期工作的可靠性；7、***只可进行光谱探测，模式单一；8、测量过程中需要遮避光，工作环境受到限制。上述原因限制了共焦拉曼光谱***探测空间物质的能力，制约了共焦拉曼光谱技术的进一步发展。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种空间周视激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法及装置，解决了限制了共焦拉曼光谱***探测空间物质的能力，制约了共焦拉曼光谱技术的进一步发展的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种空间周视激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法，具体包括以下步骤：
步骤1、通过激光光束产生***产生激发光，经过二向色分光***、望远***后，照射在被测样品上，并激发出瑞利散射光和载有样品光谱特性的拉曼散射光；
步骤2、通过调焦机构，使差动共焦探测***的响应到达过零点，完成激发光束自动聚焦在样品上，同时获得样品的位置信息[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***，并被望远***整形成平行光透射至二向色分光***，经二向色分光***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***透射，经第一分光***反射进入差动共焦探测***，利用差动共焦探测***中的第一探测器，差动共焦探测***中的第四探测器，测得反映样品位置信息的强度响应I[α、β、l]，即可进行望远***焦点位置的判定，从而完成望远***的自动调焦，将激发光束聚焦在样品上；
步骤5、拉曼散射光经二向色分光***透射，经第一分光***透射进入拉曼光谱探测***，利用拉曼光谱探测***测得载有被测样品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***部分反射，经第二分光***反射进入成像光学***，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对应区域位置的光谱信息I(λ)，物***置信息[α、β、l]；
步骤8、转动周视扫描***，对空间进行沿α、β方向扫描，望远***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：
优选的，所述差动共焦曲线过零点O处对应望远***焦点F，此处聚焦光斑尺寸最小，探测的区域最小，差动共焦曲线其他位置对应望远***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***的调焦机构，精确的将激发光束聚焦在样品上。
优选的，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***角向分辨力。
本发明还公开了一种空间周视激光差动共焦拉曼光谱成像探测装置，包括激发光束产生***、望远调焦***、二向色分光***、第一分光***、拉曼光谱探测***、差动共焦探测***、光学成像***、周视扫描***及数据处理模块及计算机控制***，其中，激发光束产生***、望远***、沿光路依次放置在二向色分光***的反射方向，第一分光***处于二向色分光***的透射方向，拉曼光谱探测***位于第一分光***的透射方向，差动共焦探测***位于第一分光***的反射方向，光学成像***位于第二分光***的反射方向，周视扫描***位于望远***的反射方向，数据处理模块与拉曼光谱探测***和差动共焦探测***及望远调焦***和周视扫描***连接，用于融合并处理拉曼光谱探测***与差动共焦探测***采集到的数据及完成望远***的自动调焦及周视扫描***的全周扫描。
优选的，所述激发光束***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***的光学性能。
优选的，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***之间，还可以位于二向色分光***与望远***之间。
优选的，所述激发光束产生***还可以放在二向色分光***的透射方向，望远***依次放置在二向色分光***的透射方向，第一分光***依次放置在二向色分光***的反射方向，拉曼光谱探测***位于第一分光***的透射方向，差动共焦探测***位于第一分光***的反射方向，成像光学***可以位于第二分光***的反射方向，数据处理模块连接共焦探测***与拉曼光谱探测***及望远调焦***。
优选的，所述拉曼光谱探测***可以是普通的拉曼光谱探测***，包括沿光路依次放置的第五聚光镜，位于第五聚光镜焦点位置的第一光谱仪及位于第一光谱仪后的第二探测器，用于被测样品的表面光谱的探测，还可以是共焦拉曼光谱探测***，包括沿光路依次放置的第七聚光镜，位于第七聚光镜焦点位置的第三针孔，位于第三针孔后的第八聚光镜，位于第八聚光镜焦点位置的第二光谱仪及位于第二光谱仪后的第三探测器，用于提高***信噪比和空间分辨力，完成对被测样品的光谱探测。
优选的，所述数据处理模块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***调焦的数据控制模块、用于图像信息获取的图像传感模块，用于控制周视扫描***的模块。
(三)有益效果
本发明提供了一种空间周视激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法及装置。具备以下有益效果：
(1)、该空间周视激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法及装置，通过用现有共焦拉曼光谱探测***收集到的样品散射光中的强于样品拉曼散射光1e3-1e6倍的瑞利散射光束对聚焦光斑的焦点进行实时空间位置跟踪调整，使激光光斑精确聚焦在样品上，拉曼光谱探测***利用***收集到的样品散射光中的拉曼散射光进行光谱探测，通过成像光学***，利用目标反射的自然光，获取目标的图像信息，通过周视扫描装置，获取仪器全周视场内的图像、拉曼光谱探测，然后再将差动共焦探测***信号与拉曼光谱信号、空间图像信息有机融合，利用自调焦望远***，提高***拉曼散射光收集能力，大幅度提高***可探测距离、探测范围，从而实现激光差动共焦拉曼光谱成像***大空间范围的自动物质光谱探测、图像获取。
(2)、该空间周视激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法及装置，通过利用望远***，提高了***光收集能力，提高了***探测距离；利用差动共焦响应曲线控制望远调焦***，完成激发光束自动聚焦在样品上。
(3)、该空间周视激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法及装置，通过利用差动共焦***轴向响应曲线的过零点与望远***焦点位置精确对应这一特性，通过响应曲线过零点来精确获取激发光斑焦点位置的光谱信息，实现大空间范围的光谱探测。
(4)、该空间周视激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法及装置，通过利用第一分光装置对***收集到的瑞利散射光和载有被测样品光谱信息的拉曼散射光进行分光，瑞利散射光进入差动共焦探测***，拉曼散射光进入拉曼光谱探测***，实现光能的完全利用，使微弱的拉曼散射光能够无损的进入拉曼光谱探测***，提高***光谱探测能力。
(5)、该空间周视激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法及装置，通过将差动共焦探测***与自动调焦技术结合在一起，实现了自动化的精密调焦；通过周视扫描***，能够容易的完成仪器所在位置全周向的拉曼光谱探测和成像。
(6)、该空间周视激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法及装置，通过将成像光学技术、差动共焦探测技术与拉曼光谱探测***及周视扫描***在结构和功能上相融合，既可实现样品几何参数的成像，又可实现样品的光谱探测，即同时实现三维空间成像，图谱成像和光谱测试三种模式；样品测试不在需要准备，实现了自动化的即见即测。
附图说明
图1为本发明共焦拉曼光谱成像方法示意图；
图2为本发明差动共焦响应曲线图；
图3为本发明空间周视自调焦差动共焦拉曼光谱成像探测方法示意图；
图4为本发明空间周视自调焦差动共焦拉曼光谱成像探测装置示意图；
图5为本发明空间周视自调焦差动共焦拉曼光谱成像探测方法与装置实施实例图；
图中，1-激发光束产生***，2-激光器，3-第一负透镜，4-第一聚光镜，5-第二聚光镜，6-第一针孔，7-第三聚光镜，8-1/4波片，9-二向色分光***，10-望远调焦***，11-望远准直镜，12-望远调焦机构，13-望远调焦集光镜，14-样品，15-第一分光***，16-第二分光***，17-焦后探测***，18-第一探测器，19-第二针孔，20-第四聚光镜，21-共焦响应曲线，22-拉曼光谱探测***，23-第二探测器，24-第五聚光镜，25-第一光谱仪，26-入射狭缝，27-平面反射镜，28-第一凹面反射聚光镜，29-第二凹面反射聚光镜，30-光谱光栅，31-图像传感***，32-图像传感器，33-光学成像***，34-数据融合模块，35-计算机控制***，36-第三分光***，37-第六聚光镜，38-第七聚光镜，39-第三针孔，40-第八聚光镜，41-第二光谱仪，42-第三探测器，43-共焦响应曲线二，44-三维移动平台，45焦前探测***，46-第四探测器，47-第四针孔，48-第九聚光镜，49-差动共焦分光***，50-焦前响应曲线，51-焦后响应曲线，52-差动共焦响应曲线，53-差动共焦探测***，54-空间周视扫描***，55-光束反射镜一，56-俯仰轴机构，57-周视扫描轴机构，58-周视扫描反射镜，59-数据处理模块。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
本发明的基本思想是利用周视扫描***和望远***提高***的探测范围，利用调焦技术、差动共焦探测实现***的自动聚焦，利用图像传感***获取图像信息，并和拉曼探测相结合，完成空间周视自调焦的拉曼光谱成像探测。
如图2所示，激发光束产生***1产生激发光，经过二向色分光***9反射，经望远***10后进入空间周视扫描***54，经空间周视扫描***54反射后，聚焦在被测样品14上，并在样品上激发出瑞利散射光和载有被测样品光谱特性的拉曼散射光，激发出的拉曼散射光和瑞利散射光及样品反射的自然光被***收集回光路，经空间周视扫描***54反射后经过望远***10后，经二向色分光***9透射后，拉曼散射光、自然光和部分瑞利散射光透射，经第一分光***15分光，部分瑞利散射光被反射进入差动共焦探测***53进行位置探测，拉曼散射光透射进入光谱探测***22进行光谱探测，根据差动共焦响应曲线，数据处理模块控制望远调焦机构调焦，使激发光聚焦在样品上，使差动共焦响应曲线过零，完成激发光束的自动聚焦，自然光被第一分光***15反射后，又被第二分光***16反射到图像传感***，图像传感***利用自然光获取目标的图像信息，利用空间周视扫描系54完成整个仪器所在空间的周视扫描成像和光谱探测。
利用望远调焦***10提高***的光收集能力，二向色分光***9将***收集到的散射光分离为瑞利散射光和拉曼散射光及自然光，瑞利散射光进入差动共焦探测***53进行望远镜焦点位置的调整和激发光的聚焦，拉曼散射光进入拉曼光谱探测***22进行光谱探测，利用差动共焦响应曲线52过零点O与焦点F位置精确对应这一特性，通过寻找过零点来精确控制激发光束聚焦在样品14上，同时获取激发光斑焦点位置的光谱信息，实现大空间范围的自动光谱探测，目标中的自然光部分，进入光学成像***33，从而获取目标图像信息，利用空间周视扫描***54，获取仪器全周视场内的图像、拉曼光谱探测。
本发明实施例提供一种空间周视激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法，具体包括以下步骤：
步骤1、通过激光光束产生***1产生激发光，经过二向色分光***9、望远调焦***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***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***10，并被望远调焦***10整形成平行光透射至二向色分光***9，经二向色分光***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***9透射，经第一分光***15反射进入差动共焦探测***53，利用差动共焦探测***53中的第一探测器18，差动共焦探测***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***10焦点位置的判定，从而完成望远调焦***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***9透射，经第一分光***15透射进入拉曼光谱探测***22，利用拉曼光谱探测***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***15部分反射，经第二分光***16反射进入成像光学***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***置信息[α、β、l]；
步骤8、转动空间周视扫描***54，对空间进行沿α、β方向扫描，望远调焦***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：
本发明中，所述差动共焦响应曲线52过零点O处对应望远调焦***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***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***10的望远调焦机构12，精确的将激发光束聚焦在样品14上。
本发明中，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***角向分辨力。
本发明还公开了一种空间周视激光差动共焦拉曼光谱成像探测装置，包括激发光束产生***1、望远调焦***10、二向色分光***9、第一分光***15、拉曼光谱探测***22、差动共焦探测***53、光学成像***33、空间周视扫描***54及数据处理模块59及计算机控制***35，其中，激发光束产生***1、望远调焦***10、沿光路依次放置在二向色分光***9的反射方向，第一分光***15处于二向色分光***9的透射方向，拉曼光谱探测***22位于第一分光***15的透射方向，差动共焦探测***53位于第一分光***15的反射方向，光学成像***33位于第二分光***16的反射方向，空间周视扫描***54位于望远调焦***10的反射方向，数据处理模块59与拉曼光谱探测***22和差动共焦探测***53及望远调焦***10和空间周视扫描***54连接，用于融合并处理拉曼光谱探测***22与差动共焦探测***53采集到的数据及完成望远调焦***10的自动调焦及空间周视扫描***54的全周扫描。
本发明中，所述激发光束产生***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***的光学性能。
本发明中，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***9之间，还可以位于二向色分光***9与望远调焦***10之间。
本发明中，所述激发光束产生***1还可以放在二向色分光***9的透射方向，望远调焦***10依次放置在二向色分光***9的透射方向，第一分光***15依次放置在二向色分光***9的反射方向，拉曼光谱探测***22位于第一分光***15的透射方向，差动共焦探测***53位于第一分光***15的反射方向，成像光学***33可以位于第二分光***16的反射方向，数据处理模块59连接差动共焦探测***53与拉曼光谱探测***22及望远调焦***10。
本发明中，所述拉曼光谱探测***22可以是普通的拉曼光谱探测***，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***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***信噪比和空间分辨力，完成对被测样品14的光谱探测。
本发明中，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***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，用于控制周视扫描***的模块。
首先，激发光束产生***1中的激光器2产生激发光，经过第一负透镜3发散扩束，经第一聚光镜4准直成为平行光束，经二向色分光***9反射，经望远调焦镜11后发散，经望远调焦集光镜13后，进入空间周视扫描***54，经空间周视扫描系54反射后，聚焦在被测样品14上，并在样品上激发出瑞利散射光和载有被测样品光谱特性的拉曼散射光，激发出的拉曼散射光和瑞利散射光及物体反射的自然光被空间周视扫描***统54反射后，被望远调焦集光镜13收集回光路，经过望远准直镜11后压缩光束口径，经二向色分光***9透射后，拉曼散射光和部分瑞利散射光透射及自然光，经第一分光***15分光，部分瑞利散射光和自然光被反射进入第二分光***16，经第二分光***分光后，部分瑞利散射光进入差动共焦探测***53，部分自然光进入图像传感***31，进入差动共焦探测***53的部分瑞利散射光经差动共焦分光***49透射，经第四聚光镜会聚20，经第二针孔19透射，在第一探测器18上形成焦后响应信号，部分被差动共焦分光***49反射，经第九聚光镜，经过第四针孔47，在第四探测器46上形成焦前响应信号，并被传送到数据处理模块34，然后被处理后传送到计算机控制***35，计算机控制***35处理后，形成控制信号并传送给数据处理模块34，数据处理模块34产生调焦控制信号并控制望远调焦机构12进行调焦，同时第一探测器18、第四探测器46的信号也会跟踪变化，形成新的控制循环，这个过程继续下去，直到差动共焦响应曲线出现过零点，调焦机构12完成激发光的聚焦，此时拉曼散射光透射进入光谱探测***22进行光谱探测，进入图像传感***31的自然光形成图像信息，通过空间周视扫描***54完成整个仪器所在空间的周视扫描成像和光谱探测。
利用空间周视自调焦激光差动共焦拉曼光谱成像探测装置，通过差动共焦探测响应曲线使调焦机构12完成激发光的聚焦，此时拉曼散射光透射进入光谱探测***22进行光谱探测，拉曼散射光被第五聚光镜24会聚进入第一光谱仪25，拉曼散射光经入射狭缝26，平面反射镜27和第一凹面反射聚光镜28反射后到达光谱光栅30，光束经过光谱光栅30衍射后，被第二凹面反射聚光镜29反射聚焦到第二探测器23。由于光栅的衍射作用，拉曼光谱中不同波长的光相互分离，从光谱仪出射出来的即是样品的拉曼光谱。
测量过程中，通过空间周视扫描***54完成整个仪器所在空间的周视扫描，对被测样品14进行空间扫描时，差动共焦探测***53，测得反应被测样品14距离变化的强度响应为I(α，β，l)，将所得强度响应I(α，β，l)传送到数据处理模块34进行处理。
拉曼光谱探测***22中第二探测器23探测到的载有被测样品14光谱信息的拉曼散射光光谱信号为I(λ)，其中λ为波长，同时图像传感***获取目标区域的图像信息IMG(α，β，l)；
将I(λ)，I(α，β，l)，IMG(α，β，l)传送到计算机控制***35进行数据处理，从而获得包含被测样品14位置信息I(α，β，l)和光谱信息I(λ)的三维测量信息I(α，β，l，λ，IMG)。
通过空间周视扫描***54完成整个仪器所在空间的周视扫描，对被测样品14沿α，β向扫描，望远调焦机构12沿l向扫描，重复上述步骤测得对应物镜焦点位置附近的一组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，IMG]。
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.
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：
即实现了空间自调焦激光共焦拉曼光谱成像探测，微区图谱成像
Iσmin(α,β,l)＝In(α,β,l)三维形状成像
Iσmin(α,β,l)＝In(λ)光谱测量
从图4中可以看出，通过差动共焦探测***53响应曲线52的过零点，可精确捕获激发光斑的焦点位置，从测量序列数据中，抽取对应焦点位置F的激发光谱，即实现了微区的光谱探测和三维几何位置探测，同时获取目标微区的图像信息，通过空间周视扫描***54完成整个仪器所在空间的周视扫描，获取全空间的图像信息和拉曼光谱信息。
如图4所示，空间周视自调焦激光差动共焦拉曼光谱成像探测装置包括位于二向色分光***9反射方向的激光光束产生***1，位于二向色分光***9透射方向沿光路依次放置的望远准直镜11，望远调焦集光镜13，空间周视扫描***54，被测样品14，位于二向色分光***9透射方向的第一分光***15，位于第一分光***15透射方向的拉曼光谱探测***22，位于第一分光***反射方向的第二分光***16，位于第二分光***16透射方向的差动共焦探测***53，位于第二分光***16反射方向的图像传感***，及位于差动共焦探测***53与拉曼光谱探测***22及望远调焦机构12的连接处的数据处理模块34；其中，激发光束产生***1用于产生激发光束，包括沿光路依次放置的激光器2，第一负透镜3，第一聚光镜4；拉曼光谱探测***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，其中，第一光谱仪25包括沿光路依次放置的入射狭缝26，平面反射镜27，第一凹面反射聚光镜28，光谱光栅30，第二凹面反射聚光镜29；差动共焦探测***53包括焦后探测***17、焦前探测***45、差动共焦分光***49，其中焦后探测***27包括第四聚光镜20，位于第四聚光镜20焦平面后的第二针孔19，位于第二针孔19后的第一探测器18，焦前探测***45包括第九聚光镜48，位于第九聚光镜48焦平面前的第四针孔47，位于第四针孔47后的第四探测器46；数据处理模块34，及计算机控制***35，用于融合处理采集到的数据并产生控制信号。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种空间周视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***(1)产生激发光，经过二向色分光***(9)、望远调焦***(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***(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***(10)，并被望远调焦***(10)整形成平行光透射至二向色分光***(9)，经二向色分光***(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***(9)透射，经第一分光***(15)反射进入差动共焦探测***(53)，利用差动共焦探测***(53)中的第一探测器(18)，差动共焦探测***(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***(10)焦点位置的判定，从而完成望远调焦***(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***(9)透射，经第一分光***(15)透射进入拉曼光谱探测***(22)，利用拉曼光谱探测***(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***(15)部分反射，经第二分光***(16)反射进入成像光学***(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***置信息[α、β、l]；
步骤8、转动空间周视扫描***(54)，对空间进行沿α、β方向扫描，望远调焦***(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所述的一种空间周视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***(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***(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***(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所述的一种空间周视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***角向分辨力。
4.一种空间周视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***(1)、望远调焦***(10)、二向色分光***(9)、第一分光***(15)、拉曼光谱探测***(22)、差动共焦探测***(53)、光学成像***(33)、空间周视扫描***(54)及数据处理模块(59)及计算机控制***(35)，其中，激发光束产生***(1)、望远调焦***(10)、沿光路依次放置在二向色分光***(9)的反射方向，第一分光***(15)处于二向色分光***(9)的透射方向，拉曼光谱探测***(22)位于第一分光***(15)的透射方向，差动共焦探测***(53)位于第一分光***(15)的反射方向，光学成像***(33)位于第二分光***(16)的反射方向，空间周视扫描***(54)位于望远调焦***(10)的反射方向，数据处理模块(59)与拉曼光谱探测***(22)和差动共焦探测***(53)及望远调焦***(10)和空间周视扫描***(54)连接，用于融合并处理拉曼光谱探测***(22)与差动共焦探测***(53)采集到的数据及完成望远调焦***(10)的自动调焦及空间周视扫描***(54)的全周扫描。
5.根据权利要求4所述的一种空间周视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***(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***的光学性能。
6.根据权利要求4所述的一种空间周视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***(9)之间，还可以位于二向色分光***(9)与望远调焦***(10)之间。
7.根据权利要求4所述的一种空间周视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***(1)还可以放在二向色分光***(9)的透射方向，望远调焦***(10)依次放置在二向色分光***(9)的透射方向，第一分光***(15)依次放置在二向色分光***(9)的反射方向，拉曼光谱探测***(22)位于第一分光***(15)的透射方向，差动共焦探测***(53)位于第一分光***(15)的反射方向，成像光学***(33)可以位于第二分光***(16)的反射方向，数据处理模块(59)连接差动共焦探测***(53)与拉曼光谱探测***(22)及望远调焦***(10)。
8.根据权利要求4所述的一种空间周视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***(22)可以是普通的拉曼光谱探测***，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***(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***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所述的一种空间周视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***(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，用于控制周视扫描***的模块。
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