一种多波长阵列式快速高空间分辨率拉曼成像方法和装置制造方法及图纸

一种多波长阵列式快速高空间分辨率拉曼成像方法和装置，该方法包括将n台不同波长的激光器所发出的激光组合成一个扫描阵列，n台不同波长的激光器发出的n束波长不同的激光分别聚焦于n个待测量位置，同一扫描阵列中不同激光聚焦位置之间的距离小于物镜的光学分辨率；将m个扫描阵列组成测量系统，每个扫描阵列分别接入不同的光栅及CCD模块；扫描成像时，由m个扫描阵列在同一测量时间内同时获得m×n个测量位置的拉曼光谱信息；以及记录每个测量位置的拉曼光谱信息，并绘制成拉曼扫描图像。上述方案在保留高空间分辨率优势的基础上，显著提高拉曼扫描成像速度，解决了现有技术不能同时具备高空间分辨率表征和快速表征的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种多波长阵列式快速高空间分辨率拉曼成像方法和装置
本专利技术涉及拉曼成像
，尤其涉及一种多波长阵列式快速高空间分辨率拉曼成像方法和装置。
技术介绍
拉曼光谱检测是一种研究材料结构与性质的重要手段，不同的待测样品具有不同的拉曼特征峰，当其组分分布变化、所处环境变化或发生化学反应时，待测样品的拉曼特征峰也会产生相应的变化，通过拉曼空间扫描成像，即可揭示待测样品中组分、温度、应力、化学反应等因素在空间的分布信息及变化规律，因此，拉曼扫描成像技术被广泛应用于生物、医药、化学、材料等领域的研究。然而，高空间分辨率快速成像是拉曼成像技术始终面临的挑战。以活细胞成像为例：细胞内部结构复杂，需要以较高的空间分辨率进行测量，现有的单点式扫描成像技术，可通过移动位移平台或物镜，实现优于光学分辨率的空间分辨率，但单点扫描成像需要使单个测量激光遍历待测样品上每个待测位置，测量时间较长，由于细胞存活时间有限，单个细胞的测量时间可能超出其存活时间，因此难以实现活细胞成像；线扫描技术可以使光斑以直线形式聚焦在待测样品表面，则其可同时获得直线上多点的拉曼光谱信息，采用多组CCD像元同时收集多条光谱，即可极大缩短测量时间，然而，受限于光学空间分辨率极限，线扫描方法无法区分直线形光斑内光学极限空间分辨率以下的信号变化，同时，此方法仅适用于平整表面，对表面不平整的待测样品，一条直线很难同时满足聚焦要求，因此，此方法也无法实现高空间分辨率快速成像。此外，由于聚焦方法限制(柱面镜或狭缝)，单条直线上激光功率不均匀，则不同点的信号强度基准存在差异，影响成像可靠性和质量。与线扫描技术相似，现有的拉曼“面测量”技术可通过组合复眼式物镜等方法，快速获得待测样品在某个平面区域内的拉曼信号均值，然而，面扫描方法同样无法区分光学极限空间分辨率以下的信号变化，不满足高空间分辨率成像的需求。综上所述，现有拉曼成像方法尚不能同时具备高空间分辨率表征和快速表征两项优势，亟需开发可实现快速高空间分辨率拉曼成像的方法及装置。此外，在快速表征方法中，缺乏由于激发激光引起的信号强度差异的修正方法。
技术实现思路
为了实现高空间分辨率的快速拉曼成像，以满足生物、化学、材料等领域的测量需求，本专利技术提出了一种多波长阵列式快速高空间分辨率拉曼成像方法，并设计了相应测量装置。本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的第一个目的在于提出一种多波长阵列式快速高空间分辨率拉曼成像方法，该方法通过扫描阵列将n束不同波长的激光分别聚焦于n个点，由于激光波长不同，在聚焦位置间距小于光学分辨率极限的条件下，仍可根据激发波长区分每个聚焦位置产生的拉曼信号，从而实现了高空间分辨率多点拉曼信号捕捉，组合m个扫描阵列，同时对待测样品进行拉曼扫描，即可将拉曼扫描成像时间缩短至单点扫描成像的1/mn，在保留高空间分辨率的基础上，显著提高拉曼扫描成像速度。本专利技术的另一个目的在于提出一种多波长阵列式快速高空间分辨率拉曼成像装置。为达到上述目的，本专利技术第一方面实施例提出了一种多波长阵列式快速高空间分辨率拉曼成像方法，该方法包括以下步骤：步骤S10，将n台不同波长的激光器所发出的激光组合成一个扫描阵列，所述n台不同波长的激光器发出的n束波长不同的激光分别聚焦于n个待测量位置，同一扫描阵列中不同激光聚焦位置之间的距离小于物镜的光学分辨率；步骤S20，将m个所述的扫描阵列组成测量系统，每个所述的扫描阵列分别接入不同的光栅及电荷耦合器件CCD模块；步骤S30，扫描成像时，由m个所述扫描阵列在同一测量时间内同时获得m×n个测量位置的拉曼光谱信息；以及步骤S40，记录每个所述测量位置的拉曼光谱信息，并绘制成拉曼扫描图像。另外，根据本专利技术上述实施例的多波长阵列式快速高空间分辨率拉曼成像方法还可以通过下述方式实现：进一步地，在本专利技术第一方面实施例中，所述n和m为大于等于1的正整数，且不同时为1，则采用此多波长阵列式方法，拉曼成像时间可缩短为原有单点扫描成像时间的1/mn。进一步地，在本专利技术第一方面实施例中，所述扫描阵列的实现方法为采用光纤耦合方法，将所述n束波长不同的激光通过光纤分别引入n个不同的微型物镜。进一步地，在本专利技术第一方面实施例中，所述扫描阵列的实现方法为采用开放式光路，将n束波长不同的激光分别经过不同的扫描振镜，再聚焦于同一个物镜，通过调整扫描振镜角度改变不同激光器的聚焦位置。进一步地，在本专利技术第一方面实施例中，每个所述扫描阵列所收集的拉曼光谱使用同一光栅分光并测量，或者使用不同光栅分光测量。进一步地，在本专利技术第一方面实施例中，在所述步骤S30中，扫描成像的实现方法为待测样品固定，m个扫描阵列分别独立移动或同步移动；或者为m个扫描阵列固定，支撑待测样品的位移平台移动。进一步地，在本专利技术第一方面实施例中，在所述步骤S20之后，还包括步骤S21，在同一测量位置采用不同波长的激光预先获得同一测量位置的拉曼光谱信号，再根据不同波长的激光所激发拉曼光谱信号的强度比例关系，处理修正图像。为达上述目的，本专利技术第二方面实施例提出了一种多波长阵列式快速高空间分辨率拉曼成像装置，包括：多波长耦合聚焦模块、测量模块和样品模块；所述多波长耦合聚焦模块包括m个扫描阵列，每个扫描阵列由n台不同波长的激光器所发出的激光组成，所述n台不同波长的激光器发出的n束波长不同的激光分别聚焦于n个待测量位置，同一扫描阵列中不同激光器聚焦位置之间的距离小于物镜的光学分辨率，其中，每个所述扫描阵列分别接入不同的光栅及CCD模块；所述测量模块包括滤波片、光栅及CCD图像传感器、拉曼光谱信号处理模块及组成光路的光学元件；以及所述样品模块包括可支撑并移动待测样品的位移平台。另外，根据本专利技术上述实施例的多波长阵列式快速高空间分辨率拉曼成像装置还可以通过下述方式实现：进一步地，在本专利技术第二方面实施例中，所述滤波片为截止滤波片，或者为陷波滤波片；单个所述扫描阵列连接单个或多个所述光栅，不同所述扫描阵列连接不同所述光栅，在所述光栅之前安装截止滤波片，所述截止滤波片为通过所述光栅的最长波长λn的截止滤波片；或者在所述光栅之前安装通过所述光栅的对应每个波长的陷波滤波片的组合。进一步地，在本专利技术第二方面实施例中，还包括预处理模块，所述预处理模块用于修正由激发波长不同引起的拉曼信号强度差异。上述实施例的方法和装置，通过扫描阵列，可将n束激光可分别聚焦于n个待测量位置，实现一个模块下多点信号的同步采集，由于激光波长不同，在聚焦位置间距小于光学分辨率极限的条件下，仍可根据激发波长区分每个聚焦位置产生的拉曼信号，从而实现了高空间分辨率多点拉曼信号捕捉；组合m个扫描阵列，同时对待测样品进行拉曼扫描，即可将拉曼扫描成像时间缩短至单点扫描成像的1/mn，即可在保留高空间分辨率的基础上，实现快速成像。同时，考虑到不同波长激光通过不同的光路测量，可能对信号强度基准有所影响，本专利技术开发了预处理模块及方法，通过测量前采用不同激本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多波长阵列式快速高空间分辨率拉曼成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n步骤S10，将n台不同波长的激光器所发出的激光组合成一个扫描阵列，所述n台不同波长的激光器发出的n束波长不同的激光分别聚焦于n个待测量位置，同一扫描阵列中不同激光聚焦位置之间的距离小于物镜的光学分辨率；/n步骤S20，将m个所述的扫描阵列组成测量系统，每个所述的扫描阵列分别接入不同的光栅及电荷耦合器件CCD模块；/n步骤S30，扫描成像时，由m个所述扫描阵列在同一测量时间内同时获得m×n个测量位置的拉曼光谱信息；以及/n步骤S40，记录每个所述测量位置的拉曼光谱信息，并绘制成拉曼扫描图像。/n

【技术特征摘要】
1.一种多波长阵列式快速高空间分辨率拉曼成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S10，将n台不同波长的激光器所发出的激光组合成一个扫描阵列，所述n台不同波长的激光器发出的n束波长不同的激光分别聚焦于n个待测量位置，同一扫描阵列中不同激光聚焦位置之间的距离小于物镜的光学分辨率；
步骤S20，将m个所述的扫描阵列组成测量系统，每个所述的扫描阵列分别接入不同的光栅及电荷耦合器件CCD模块；
步骤S30，扫描成像时，由m个所述扫描阵列在同一测量时间内同时获得m×n个测量位置的拉曼光谱信息；以及
步骤S40，记录每个所述测量位置的拉曼光谱信息，并绘制成拉曼扫描图像。


2.根据权利要求1所述的多波长阵列式快速高空间分辨率拉曼成像方法，其特征在于，所述n和m为大于等于1的正整数，且不同时为1。


3.根据权利要求1所述的多波长阵列式快速高空间分辨率拉曼成像方法，其特征在于，所述扫描阵列的实现方法为采用光纤耦合方法，将所述n束波长不同的激光通过光纤分别引入n个不同的微型物镜。


4.根据权利要求1所述的多波长阵列式快速高空间分辨率拉曼成像方法，其特征在于，所述扫描阵列的实现方法为采用开放式光路，将n束波长不同的激光分别经过不同的扫描振镜，再聚焦于同一个物镜，通过调整扫描振镜角度改变不同激光器的聚焦位置。


5.根据权利要求1所述的多波长阵列式快速高空间分辨率拉曼成像方法，其特征在于，每个所述扫描阵列所收集的拉曼光谱使用同一光栅分光并测量，或者使用不同光栅分光测量。


6.根据权利要求1所述的多波长阵列式快速高空间分辨率拉曼成像方法，其特征在于，在所述步骤S30中，扫描成像的实现方法为待测样品固定，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴，樊傲然，张晓宇，马维刚，王海东，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11