[发明专利]具有三维高空间分辨率高速拉曼光谱扫描成像方法与装置

说明书

根据本发明的具有三维高空间分辨率高速拉曼光谱扫描成像方法与装置，装置包括窄带滤光片、分束镜、第一频率调制器、第一反射镜、第二反射镜、二分之一波片、偏振分光棱镜、第二频率调制器、二向色镜、多面体棱镜、二维振镜、第一透镜单元、聚焦物镜、滤光片、第二透镜单元、光阑、光纤、光谱仪。本发明通过同时构建两束正交的线偏振光照明，利用频率调制来区分线偏振光聚焦后形成光斑的重叠情况，用多面体棱镜来实现提高多焦点扫描成像速度的目的，利用光谱仪的频率解调来提取两束正交线偏振光聚焦后形成的光斑的重叠区域对应的有效信号，实现提高三维空间分辨率，并通过窄带滤光片、滤光片阻挡散射光及杂散光来实现高分辨率的拉曼光谱扫描成像。

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种具有三维高空间分辨率高速拉曼光谱扫描成像方法与装置。

背景技术

光学成像由于具有非接触、非破坏性特点，被广泛应用于生命科学、材料科学等研究领域。而光学分辨率则是光学成像系统的一个重要指标，通常分辨率越高越好。光学分辨率包括横向分辨率和轴向分辨率，这两者之间会彼此限制。即横向分辨率越高、轴向分辨率越低；轴向分辨率越高，横向分辨率越低。因此，如何提高横向分辨率与轴向分辨率是研究人员持续努力的目标。如果能够同时实现高横向分辨率与高轴向分辨率则具有重要应用价值。

利用线偏振光的矢量特性在光学显微成像等领域中有重要的研究意义。例如，共焦显微镜系统是物象共轭的点对点成像，聚焦的激光束在样品表面扫描，同时光电检测器件接收样品反射的荧光(或透射的荧光)，样品结构的变化使激发的荧光强度改变，因而使光电检测器的输出电流改变，经过信号处理，同步显示在计算机屏幕上。由于照射的线偏振光通过高数值孔径的透镜聚焦，产生的是面积很小的椭圆光斑。如果沿椭圆光斑短轴方向对样品扫描，根据瑞利判据，共焦显微镜扫描步长为两倍椭圆短轴距离时，光电探测器即可响应反射光强度的改变，即分辨出两点的差异，系统分辨率很高。如果沿椭圆光斑长轴方向对样品扫描，且扫描步长小于两倍椭圆长轴距离时，根据瑞利判据，光电探测器将不能响应反射光强度的改变，无法分辨出两点的差异。因此系统的分辨率决定于聚焦光斑长轴大小。在先技术中,参见“K.A.Serrels，E.Ramsay，R.J.Warburton and D.T.Reid，Nanoscaleoptical microscopy in the vectorial focusing regime，nature photonics，vol.2，May2008,311-314”，为了提高分辨率，在扫描长轴方向时机械的插入二分之一波片改变入射线偏振光的偏振方向，但是这会降低系统改变扫描方向时的扫描速率及系统分辨精度，而且由于其中一束入射光多经过了一次二分之一波片，因此这两束正交偏振光的入射功率不同，从而使聚焦光束功率发生变化，会增加系统误差，系统稳定性不高。

拉曼光谱是指入射光经样品反射后频率发生变化而形成的光谱，不同的物质具有不同的拉曼光谱，因此拉曼光谱分析法可以用于对物质进行定性及鉴别，在各行各业都有着广泛的应用。

显微拉曼光谱仪是一种将拉曼光谱技术与显微成像技术结合在一起的高端分析仪器，通常需要不断提高拉曼光谱成像的图像横向分辨率、轴向分辨率和成像速度。拉曼光谱的图像横向分辨率和轴向分辨率就是显微镜成像系统的空间横向分辨率和轴向分辨率。拉曼光谱的成像速度是指显微镜成像系统逐点扫描构成一帧图像的时间。因此，高端显微拉曼光谱仪是拉曼光谱技术与共焦扫描显微成像技术的集合体。然而由于拉曼光产生的机理原因，显微成像系统的物镜通常不能够采用液体浸没物镜。因为液体浸没物镜的液体(例如油)会污染被测样品，甚至液体本身也会被照明光激发出拉曼光，干扰被测样品的拉曼光。所以显微拉曼光谱仪中的显微成像系统通常用干式物镜，而不能用液体浸没物镜。这就使得显微拉曼光谱仪的的图像横向分辨率和轴向分辨率不能够通过采用液体浸没物镜来提高。另外，由于被测样品激发出的拉曼光非常弱，因此光谱仪中的探测器必须曝光较长时间才能收集到足够强度的拉曼信号。这就使得显微拉曼光谱仪中显微镜成像系统逐点扫描的时间较长，拉曼光谱成像速度比较慢。

发明内容