公开了一种设备，其中激光辐射使用全反射光学器件照亮样本，并且其中使用同样的元件收集来自样本的非弹性散射光。该设备避免了以来自透射的光学器件的不需要的光谱污染激光辐射的问题，同时又提供了激光辐射相对于非弹性散射光的非常高的截止。此外，该设备能够收集和发射具有较高数值孔径和较大视场的光。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及发射和收集用于非弹性光谱法的光。特别地，本专利技术示出了如何利用全反射光学器件来维持所发射的光的光谱纯度，同时又收集来自样本的具有较宽视场的光，重用最靠近样本的反射光学器件和滤光器，该滤光器用于既反射所发射的光又使非弹性散射光通过。
技术介绍
在执行非弹性光谱法时，利用一个波长带中的光学辐射照射样本，并且该样本发出第二波长带中的辐射。如果激励辐射在碰撞在样本上之前经过透射光学元件，则光学器件有可能产生非弹性辐射，然后该辐射中的一些被样本散射并且与样本的散射光谱干涉。因此，有时采用反射光学器件来既将入射辐射聚焦在样本上又收集来自样本的散射光。 Messerschmidt在美国专利5，225，678中公开了这种设备的示例，其中将对称成对的同样的抛物面镜用于收集和重新聚焦。这种对称系统的一种公知性质是能够由此实现某些像差消除。在公布为美国专利5，311，021的部分继续申请中^^%1^(^1^肚进一步公开了特定于拉曼光谱法(一种形式的非弹性光谱法)的设备。参考专利5，311，021的图14，经由镜 16中的孔洞将输入光束引到样本，镜16还反射从样本到检测器的散射辐射。具有孔洞的镜将表现出针对所反射的散射辐射的丢失，这在散射信号较弱时可能是重要的。另一个问题是激光可能从镜中的孔径散射，或者从镜的与激励源相反的那侧的光学器件散射，该散射辐射中的一些可能入射在光谱设备上。在非弹性光谱法中，激励波长的截止通常是关键的， 这是因为散射辐射可能比激励辐射弱很多量级，因此这有助于避免产生可能入射在分光计上的不需要的激励辐射的源。可以使用干涉反射器来执行分离激励(s印arating excitation)和发射光谱的功能，正如Wheatley等人在美国专利7，497，608 B2中所教导的那样。在Wheatley中，反射器使发射波长透射同时又反射激励波长。Wheatley的设备仅仅旨在照亮，并且特别地，其不适合于既照亮样本又收集来自样本同一侧的散射辐射。Wheatley的设备将需要到样本第二侧的光学通路，这通常是不切实际的。
技术实现思路
这些以及其他限制被本专利技术所解决，本专利技术公开了一种设备，由此全反射光学器件用于既递送激励光束又收集散射辐射，有利地将相同的部分重用于这两种功能。此外，还示出了如何可以通过合适的几何学选择获得较宽的视场。本专利技术利用离轴反射器来递送激励光束以及收集来自样本的散射光。长波通干涉滤光器相对于来自离轴反射器的标称准直的光以一定角度布置。长波通(LWP)滤光器将来自激励源的光的标称准直的光束反射到离轴反射器，同时又使来自样本的非弹性散射光通过。应当理解，如果非弹性散射辐射在比激励波长短的波长处，则可以使用短波通滤光器来代替LWP滤光器。还可以使用其带宽足以使非弹性散射辐射通过的带通滤光器。在一个实施例中，为了使激励波长与所观察到的非弹性光谱之间的所需的波长保护频带最小化，同时又使视场最大化，LWP滤光器相对于非弹性光谱的传播方向以一定角度布置，该角度不超过一定限制，该角度可以从所希望的视场与离轴反射器的焦距的比率计算。也基于该设备的紧凑性，这一角度应当具有下限并且被有利地选择为大约12°。为最大化在激励源波长处对不需要的辐射的截止，以不同于第一 LWP滤光器的角度布置的第二 LWP滤光器可以部署在标称准直的区域中。附图说明图IA是示出与所收集的非弹性光谱相关联的光线的光学设计的等距图。图IB是示出与激励光束相关联的光线的等距图，仅包含对激励光束进行操作的那些光学元件。具体实施例方式参考图1A，散射非弹性光谱的辐射15源发于点10处。在经过光学窗口 20之后， 辐射15入射在离轴反射器30上，离轴反射器30标称地准直光。非弹性光谱经过第一 LWP 滤光器40，然后经过第二 LWP滤光器50。注意，LWP滤光器40、50相对于标称准直的非弹性光谱的传播方向以一定角度布置。然后，非弹性光谱入射在第二离轴反射器60上、被平面镜70反射并且聚焦在点80附近。参考图IB，激励光束90入射在LWP滤光器40上，被LWP滤光器40反射。然后，激励光束90入射在离轴反射器30上，并且聚焦通过窗口 20。激励光束90不必聚焦在图IA 的点10处，并且一般来说可以偏离从中收集非弹性光谱的位置。LffP滤光器40相对于离轴反射器30与LWP滤光器40之间的区域中的标称准直的光以角度I布置。因此，激励光束90能够跳过离轴反射器30而非基本上被其渐晕。当设备的紧凑性比较重要时，离轴反射器30与LWP滤光器40之间的距离应当最小化。对于给定的激励光束直径De、离轴反射器30的直径D,以及离轴反射器30与LWP滤光器40之间的距离d，对于入射角I << 1弧度，如果下式成立，则激励光束将跳过离轴反射器30 I > (Dr+De) /2d(1)其中还假定激励光束90的中心光线入射在离轴反射器30的中心上，并且中心光线将被离轴反射器30偏转90°。在很多环境中，使器件的视场最大化以便收集尽可能多的信号也是比较重要的。 如果收集区域具有半径R，并且离轴反射器30的焦距是f，则对于R < < f，源自收集区域中的极限点的准直的光束将与源自中心的准直的光束形成的角度B将由下式给出B = R/f(2)相比用于垂直入射光的频带边缘，用于以非垂直角度入射的光的LWP滤光器的频带边缘将移动到较短的波长。频带边缘波长W’与相对于表面法线的入射角I之间的关系由下式给出W' = ff1/2(3)其中nrff是滤光器的有效折射率并且一般来说在偏振的基础上不同，并且W是用于垂直入射光的频带边缘的波长。对公式3的研究表明，频带边缘相对于角度的改变速率对于45°的标称角度而言是最大的，并且对于小于45°的角度而言是标称入射角的单调递减函数。随着频带边缘转变到较短的波长，变得有必要允许所反射的激励辐射的波长与非弹性散射光谱的要被观察到的最短波长之间的越来越大的保护频带。这可能导致牺牲较短波长处的有价值的光谱信息。作为替代，可以减小照亮用于非弹性光谱的滤光器的角度的范围。这将导致角度I的减小的范围，在公式3中其将减少W’-W。根据公式2，入射角范围的减小是通过减小视场半径来实现的，这将具有减少所收集的信号的后果。作为替代，可以增加光学器件的焦距，导致牺牲紧凑性。根据前述内容，显然，应当使得滤光器的标称入射角度尽可能小，因为滤光器频带边缘对角度偏差的敏感度对于较小的标称入射角度为最小。然而，对紧凑性的考虑暗示着相反的方向，即使得角度尽可能大。那么显然，存在对于滤光器而言最优的角度范围。以下示例提供了用于优选实施例的设计方针。令反射器30与焦点10之间的距离为6mm。反射器的形式为抛物面是有利的。将激励波长选择为特别适合于对生物样本执行拉曼光谱法的835nm。希望在非弹性散射光谱中收集的最小波长为850nm。LWP滤光器 40具有高反射和高透射之间的全宽为7nm的过渡，这对于市场上可买到的高性能LWP滤光器而言是典型的。如果从半径R = 0. 3mm的区域进行收集，则根据公式2的角度B为0. 05 弧度或2. 9°。如果将标称入射角度I选择为12°，则最小入射角和最大入射角将分别是 12° -2.9°和12° +2.9本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：J·利普森，D·A·艾斯，
申请(专利权)人：C八麦迪森瑟斯公司，
类型：发明
国别省市：
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