用于具有自适应光学系统的拉曼散射光学显微镜的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于拉曼散射显微镜的光学设备，该光学设备包括：激光源(10)，其适于以激发波长λ发射激光束(11)；显微镜物镜(14)，其适于接收激光束(11)，并且将激光束聚焦到显微镜物镜(14)的像平面中，所聚焦的激光束(21)旨在照射样品(20)；光学系统，其适于收集拉曼散射光束(22)；以及检测部件(16，17)，其适于检测收集的拉曼散射束(22)。更特别地，本发明专利技术提出了拉曼散射显微镜设备，其进一步包括自适应光学系统(31，32，33)，该自适应光学系统(31，32，33)位于激发激光束(11)的光路上，位于拉曼散射束(22)的光路上，或位于对激发激光束(11)和拉曼散射光束(22)公用的光路上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于材料或生物样品的分析的光学显微镜或拉曼显微测谱术的领域。
技术介绍
在拉曼显微镜中，样品由一般是激光束的激发束照射，并且观察到以与激发束的波长不同的波长散射的光。拉曼显微镜因而不同于传统的显微镜技术，在传统的显微镜技术中观察到由样品以相同波长反射、透射或弹性散射的光。存在拉曼显微镜设备，其包括例如光学显微镜、激光源、显微镜物镜和光谱仪。显微镜物镜将激光束聚焦在样品上的焦点处，并形成散射束。散射束包括称为在激发激光的波长处的弹性散射分量或瑞利散射分量的分量，以及称为在与激发激光的波长不同并且取决于样品的性质和结构的波长处的拉曼散射分量的分量。瑞利散射的强度比拉曼散射的强度高得多，其中强度比一般约为106。选择性波长滤波器，例如陷波滤波器，允许拉曼散射与瑞利散射分离，以便允许检测并分析拉曼散射束的光谱。拉曼显微镜在材料的微量分析和生物芯片分析中具有多种用途，在生物芯片分析中大量的生物细胞在载玻片上以矩阵形式放置。自适应光学系统是已知的，其具有可以以电子方式修改以例如实时校正某些光学干扰或像差的影响的反射或折射的光学特性。存在包含反射镜或微镜的自适应光学系统，其中微致动器允许反射光学表面被引导或变形。同样存在经由透射起作用的自适应光学系统，例如包含液晶的调制器(SLM或空间光调制器)，其允许束的分量根据强度、相位和/或偏振而在空间上修改。特别是具有可变形反射镜的自适应光学系统已经在天文学上使用了数年，例如以实时校正在望远镜中的光学像差。最近以来，自适应光学系统已经在传统的光学显微镜中实现，以校正显微镜本身的光学像差或由样品中的非均匀性导致某些光学像差。2007年365期的2829-843的英国皇家学会生物科学的出版物booth，M.J.的“在显微镜中的自适应光学装置”(ThepublicationBooth,M.J.,“Adaptiveopticsinmicroscopy”,Phil.Trans.R.Soc.A2007365,2829-843)公开了在共焦荧光显微镜中可变形反射镜(DM)的实施，以校正由样品导致的变形。国际光学工程学会会议记录2008-02-07第6860卷第68600T-1-68600T-9、XP55139955的出版物Girkin、JohnM等人的“应用到相干反斯托克斯拉曼散射显微镜的自适应光学装置”(ThepublicationGirkin,JohnM.etal.,“Adaptiveopticsappliedtocoherentanti-StokesRamanscatteringmicroscopy”,Proc.SPIE,vol.6860,2008-02-07,pages68600T-1-68600T-9,XP55139955)公开了一种相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微镜，其包括具有位于两个激发激光束的路径上的可变形反射镜的自适应光学系统。此外，专利文献US2013/278744A1描述了包括自适应光学装置的共焦光学显微镜设备。然而，已知的是，自适应光学系统引起了某些困难：它们使用起来非常复杂，并且需要波前检测器或复杂的信号处理算法。在一般情况下，自适应光学系统的使用需要非常复杂的校准程序。自适应光学系统本身导致同样需要进行补偿的光学像差。在束成形用途中，激光束的尺寸必须适配于可变形反射镜的大小、具有可调节焦距的液体透镜的大小，或液晶反射镜的大小，因为在样品上的衍射图案的分辨率取决于该尺寸。最后，透射自适应光学系统被配置成在相当宽的波长范围内操作，但并不覆盖从紫外线(UVB)到近红外(NIR)的整个光谱范围，该整个光谱范围是拉曼光谱测定法的光谱范围。在现有技术的拉曼显微测谱术设备中获得令人满意的信噪比的困难对本领域的技术人员是已知的。因此，任何附加光学系统必然导致经由反射或透射的损耗。诸如相位调制系统的某些自适应光学系统具有不相互补偿的缺点：在前向路径上导致的相移没有由返回路径的相移补偿。因此，有必要在入射激光束的路径上放置相位调制系统，并且在拉曼束的路径上放置另一个相位调制系统，这将使困难和装置的成本加倍。此外，拉曼信号对其穿过的光学材料特别敏感，并且玻璃有时在光谱中引入荧光或寄生峰，污染样品的分析。本领域的技术人员因此通常受阻于将附加光学系统(特别是复杂的自适应光学系统)插入到激发激光束或拉曼散射束的光路中，因为该光学系统可进一步减少拉曼显微测谱术信号的信噪比。然而，在一般情况下，期望提高拉曼散射显微测谱术设备的亮度、空间分辨率和光谱分辨率，以便允许样品的更精确分析，或允许(就像落射萤光)获得具有更好的空间分辨率和较小的采集时间的拉曼地图(拉曼映射)，这是因为它们带来更好的功率密度同时限制光学像差。此外，拉曼显微测谱术设备对可随温度上或振动上的变化出现的光学对准缺陷非常敏感。存在基于平面反射镜用于校正光学未对准的系统，该平面反射镜的取向根据参考光谱的拉曼信号的强度可自动调节。然而，这种系统不允许实时校正所有的光学对准缺陷。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点，本专利技术提出了一种拉曼显微镜设备或拉曼显微测谱设备，包括：激光源，其适于以激发波长λ发射激光束；显微镜物镜，其适于接收激光束，并且将激光束聚焦到显微镜物镜的像平面中，所聚焦的激光束旨在照射样品；光学系统，其适于收集在样品上的拉曼散射光束；检测部件，其适于检测收集的拉曼散射束；以及滤波部件，其适于接收散射光束并且将散射光束分离成瑞利散射束和拉曼散射束。更特别地，本专利技术提出了拉曼显微镜或拉曼显微测谱设备，其进一步包括自适应光学系统，该自适应光学系统位于激发激光束的光路上，位于拉曼散射束的光路上，或位于对激发激光束和拉曼散射光束公用的光路上。有利地，本专利技术允许提高拉曼显微镜或拉曼显微测谱设备的空间分辨率(PSF或点扩散函数)，和/或获得拉曼散射信号的更好信噪比。本专利技术还允许执行样品的形态分析。根据各种实施例的特定和有利的方面：-拉曼显微镜或拉曼显微测谱设备是共焦的并包括位于显微镜物镜和检测部件之间的共焦孔，以及所述自适应光学系统位于共焦孔的上游和/或下游的拉曼散射束的光路上。-激光束具有高斯横截面，共焦孔具有非圆形或角形状，并且所述自适应光学系统被配置成在共焦孔的平面中将在样品上聚焦的激光束的横截面适配于共焦孔的形状。-拉曼显微镜或拉曼显微测谱设备进一步包括位于由样品反射的激光束的光路上的波前检测器，该波前检测器位于与显微镜物镜的像平面光学共轭的平面中，以及该波前检测器适于检测在显微镜物镜的像平面中的样品的位置。-所述自适应光学系统包括串联地位于在激光源和显微镜物镜之间的激光束的光路上的至少两个自适应反射镜，所述自适应反射镜每一个具有可变焦距，并且以形成具有可变横向放大率的聚焦自适应光学系统或具有可变放大率的远焦自适应光学系统的这种方式被定位，并且自适应光学系统被配置成根据显微镜物镜的入口光瞳的直径和/或根据激发波长来修改在显微镜物镜的入口光瞳上的激光束的直径。-所述自适应光学系统位于激光源和显微镜物镜的像平面之间，并且自适应光学系统被配置成在空间上调制在显微镜物镜的像平面中的激光束的强度。-所述自适应光学系统被配置成根据分析的样品来动态调制在显微镜物镜的像平面中或在显微镜物镜的光瞳平面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种拉曼显微镜或拉曼显微测谱设备(100)，包括：‑激光源(10)，其适于以激发波长λ发射激光束(11)；‑显微镜物镜(14)，其适于接收所述激光束(11)，并且将所述激光束聚焦到所述显微镜物镜(14)的像平面中，所聚焦的激光束(21)旨在照射样品(20)；‑光学系统(14)，其适于收集在所述样品上的散射光束(22)；‑滤波部件，其适于接收所述散射光束(22)并且将所述散射光束(22)分离成瑞利散射束和拉曼散射束(220)；以及‑检测部件(16，17)，其适于检测收集的所述拉曼散射束(220)，其特征在于，所述拉曼显微镜或拉曼显微测谱术设备(100)进一步包括：‑自适应光学系统(31，32，33，33A，33B)，其位于所述激光束(11)的光路上，位于所述拉曼散射束(220)的光路上，和/或位于对所述激光束(11)和所述拉曼散射光束(220)公用的光路上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.27 FR 14515971.一种拉曼显微镜或拉曼显微测谱设备(100)，包括：-激光源(10)，其适于以激发波长λ发射激光束(11)；-显微镜物镜(14)，其适于接收所述激光束(11)，并且将所述激光束聚焦到所述显微镜物镜(14)的像平面中，所聚焦的激光束(21)旨在照射样品(20)；-光学系统(14)，其适于收集在所述样品上的散射光束(22)；-滤波部件，其适于接收所述散射光束(22)并且将所述散射光束(22)分离成瑞利散射束和拉曼散射束(220)；以及-检测部件(16，17)，其适于检测收集的所述拉曼散射束(220)，其特征在于，所述拉曼显微镜或拉曼显微测谱术设备(100)进一步包括：-自适应光学系统(31，32，33，33A，33B)，其位于所述激光束(11)的光路上，位于所述拉曼散射束(220)的光路上，和/或位于对所述激光束(11)和所述拉曼散射光束(220)公用的光路上。2.根据权利要求1所述的拉曼显微镜或拉曼显微测谱设备，其中所述显微镜设备是共焦的，并包括位于所述显微镜物镜(14)和所述检测部件(16，17)之间的共焦孔(19)，以及所述自适应光学系统(33，33A，33B)位于所述共焦孔(19)的上游和/或下游的所述拉曼散射束(220)的所述光路上。3.根据权利要求2所述的拉曼显微镜或拉曼显微测谱设备，其中所述激光束(11)具有高斯横截面，所述共焦孔(19)具有非圆形或角形状，并且所述自适应光学系统(33A)被配置成在所述共焦孔(19)的平面中将在所述样品上聚焦的所述激光束的横截面适配于所述共焦孔(19)的所述形状。4.根据权利要求1至3中一项所述的拉曼显微镜或拉曼显微测谱设备，进一步包括位于由所述样品(20)反射的所述激光束(31)的光路上的波前检测器(18)，其中所述波前检测器(18)位于与所述显微镜物镜(14)的所述像平面(P1)光学共轭的平面中，以及所述波前检测器(18)适于检测在所述显微镜物镜(14)的像平面(P1)中的所述样品的位置。5.根据权利要求1至4中一项所述的拉曼显微镜或拉曼显微测谱设备，其中所述自适应光学系统(31)包括串联地位于在所述激光源和所述显微镜物镜之间的所述激光束的所述光路上的至少两个自适应反射镜，所述至少两个自适应反射镜每一个具有可变焦距并且以形成具有可变放大率的聚焦自适应光学系统或具有可变放大率的远焦自适应光学系统的这种方式被定位，并且所述自适应光学系统被配置成根据所述显微镜物镜(14)的所述入口光瞳的直径来修改在...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·狄代特，D·卡特兰，E·弗勒泰尔，
申请(专利权)人：堀场乔宾伊冯公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR