检测拉曼散射光的方法、设备及系统与流程

1.本发明涉及用于检测拉曼散射光的方法、设备及系统。


背景技术：

2.拉曼光谱是当今最重要的非侵入式的、快速的材料测定方法之一。通常使用拉曼光谱仪，它具有极高的光谱分辨率，能够根据特征拉曼偏移来测定材料。
3.拉曼光谱基于拉曼效应——一种非弹性光散射。在非弹性光散射的情况下，分子受到激发光极化。由此，分子得到额外的能量，该额外的能量显著低于激发更高电子态的能量，并且是非常短暂的，并且由所有相关态的量子力学叠加组成。
4.对于拉曼光谱，激发光的波长不必与待检对象的材料特定吸收带相对应。这意味着可在任意光谱范围内选择波长。通常，将具有365nm、405nm、546nm、670nm、783nm或1064nm波长的光源用作激发光。
5.拉曼散射光具有与激发光波长相关的材料特定光谱偏移，这对应于旋转过程、振荡过程、声子过程或自旋翻转过程的特征能量。这导致极小的波长变化，并因此需求检测仪器具有高光谱分辨率。
6.这类仪器的市售价格为60000欧元到500000欧元，包含高品质的昂贵光学组件，除了便宜的手持式或便携式仪器外，还需要配备高素质操作人员的实验室环境。借助最现代的仪器并且使用785nm激发光束，可实现约0.1nm的光谱分辨率。实验室仪器的光谱分辨率的常规值范围为从λ
exc
＝546nm激发波长下的约0.3nm到λ
exc
＝1064nm激发波长下的1.1nm。
7.相比之下，便宜的手持设备的缺点在于，它们的小的规格和低价的组件是通过牺牲光谱分辨率和灵敏度换来的。
8.光谱分辨的测量信号主要是借助ccd传感器来检测。ccd传感器的光学灵敏度正是拉曼光谱仪灵敏度的局限因素。采用ccd传感器的光谱仪的技术复杂性随着单探测器的数目(即传感器中单像素的数目)而增高，因为每个单探测器都会经历电子地再放大。与此相应地，不仅对专业人员的需求和对所述光谱仪的操作环境的要求增高，而且相应仪器的成本也有所增加。当涉及对胶体或高度稀释的液体样品进行相对快速的动态测量时，特别是在流动中，这种效果则尤其限制地作用。在此情况下，胶体颗粒上的弹性散射以及不同折射率介质之间边界处的附加折射效应会削弱来自样品或样品容器的信号输出。对于此类样品必须特别高的灵敏度而不应延长积分时间。
9.ivleva等人(n
·
p
·
ivleva、a
·c·
wiesheu和r
·
niessner(2017)，“水生生态系统中的微塑料”，《应用化学国际版》56(7)，1720-1739)描述了借助μ型拉曼光谱仪的实验，即利用图像分析和单胶体颗粒拉曼测量，将传统测量方法的应用领域扩展到微塑料环境问题。然而，例如衍射极限或微观偏移表的有限机械分辨率等成像物理限制为这类方法带来局限性，μ型拉曼光谱仪因其复杂性而需要一定实验室环境和相应的经验来进行操作。另外，这类仪器关系到高的购买成本。
10.提高灵敏度的额外的问题在于，在目前高品质的冷却的ccd传感器中进一步的信
号放大和信噪比的提高已经几乎毫无可能。在某种程度上，这与单个像素的数目以及所用材料的物理限制有关。
11.非色散拉曼探测器的唯一的、且迄今为止实现的类型为ft拉曼光谱仪。为了拉曼信号的光谱分离，代替例如光栅等色散元件，它采用光谱可调滤光器，例如采用法布里珀罗滤光器(请参阅“nondispersive raman spectrometers(非色散拉曼光谱仪)”，《raman spectroscopy for chemical analysis(化学分析拉曼光谱)》，2005年)。然后将激发光叠加到拉曼信号上，并且叠加期间形成的干涉图样被单个探测器或由单个探测器形成的阵列记录下来。然而，这种仪器也适用上述昂贵的光学组件和对实验室环境的必要性的缺点。
12.目前已知基于传统干涉滤光器开发非色散拉曼探测器的构思，但由于对光谱分辨率(传输函数的宽度)的要求特别严格，因此尚未实施。当使用透射范围比待检测光线更宽的干涉滤光器时，待检测强度与滤光器透射范围内的背景一起由探测器记录平均值，因此总体上信号被减小地检测。


技术实现要素：

13.本发明的目的是提出一种用于检测拉曼散射光的改进的非色散方法。与现有技术相比，上述改进包括利用便捷移动式设备而不会损失分辨率和灵敏度的可实施性，该设备可独立于昂贵且复杂的实验室环境而使用。
14.本发明用以达成上述目的的解决方案为根据权利要求1所述的方法。
15.下文使用了术语“散射光”和“散射光信号”。散射光和散射光信号指的是同一事物，即待检样品发出的光子。“散射光”描述了物理波或光束的特性，即衍射、折射或干涉的能力。“散射光信号”描述了数学的特性，即应用信号处理方法的能力，并且尤其是转换、积分、卷积或相关的能力。在本发明上下文中，术语“光”与“信号”同义使用。
16.在第一方面中，本发明涉及一种使用至少一个干涉滤光器和探测单元检测拉曼散射光的方法，其中待检测的拉曼散射光包括入射散射光信号。该方法包括如下步骤：
·
通过将第一传输函数应用于入射散射光信号来生成第一过滤散射光信号，其中第一传输函数与通过第一干涉滤光器的第一光程长度l1相关联，其中第一传输函数限定第一光谱带δλ1，其中第一光谱带δλ1包含大约第一平均波长λ1的第一波长的光，其中第一波长的光透射穿过第一干涉滤光器；
·
通过将第二传输函数应用于入射散射光信号来生成第二过滤散射光信号，其中第二传输函数与通过第一干涉滤光器或通过第二干涉滤光器的第二光程长度l2≠l1相关联，其中第二传输函数限定第二光谱带δλ2，其中第二光谱带δλ2包含大约第二平均波长λ2的第二波长的光，其中第二平均波长λ2相对于第一平均波长λ1偏移波长δλ2，其中第二波长的光透射穿过第一干涉滤光器或第二干涉滤光器；
·
通过探测单元检测第一过滤散射光信号和第二过滤散射光信号。
17.该方法可以使用拉曼仪，其借助光源、尤其是激光来激发样品中的粒子以发射拉曼散射光。不仅所发射的拉曼散射光而且激发光均可被光学组件偏转和/或引导。为了实施根据本发明的方法，仅需拉曼散射光，该拉曼散射光有别于弹性瑞利散射与角度无关，并在整个空间角度上具有均匀的散射强度。
18.至少一个干涉滤光器优选是窄带干涉滤光器，其中至少一个干涉滤光器是在可见
光和/或近红外光谱中具有0.5nm至4nm、尤其是1.5nm至2nm、优选为2nm的谱宽的带通滤光器。干涉滤光器的谱宽由与通过相关干涉滤光器的光程长度l相关联的传输函数所限定的光谱带δλ来确定。因此，光和至少一个干涉滤光器的物理特性和数学特性密切相关。
19.术语“至少一个干涉滤光器”可以是指单个第一干涉滤光器，也可以是指多个干涉滤光器。如果所述方法使用多个干涉滤光器，则多个干涉滤光器中的各个称为“第一干涉滤光器”、“第二干涉滤光器”等等。
20.干涉滤光器可以例如由衬底层组成，优选地由玻璃或石英玻璃组成，其平面平行构造并在一侧或两侧上涂覆涂层。一个或多个涂层可以例如包括多层不同的交替施加的材料，并仅对于光谱带δλ透光。所有涂层与衬底共同形成利用优选地准矩形传输函数的法布里珀罗滤光器(fabry-perot-filter)。
21.因此，干涉滤光器通过相长干涉和相消干涉过滤特定波长的光。干涉滤光器过滤哪些波长取决于光通过至少一个干涉滤光器的光程长度l。光程长度l是单个层j的光程长度lj之和，其中每个光程长度lj是各层j的材料折射率nj与光通过该层j的实际光程长度lj之积。光程长度l即限定为：l＝∑jnj*lj。
22.长度lj取决于至少一个干涉滤光器或其层的几何构型。优选地，每个层j具有厚度dj，其中层j可以具有不同的厚度，或者说厚度dj可以不同。如果至少一个干涉滤光器的层呈平坦构造，则是基于厚度dj、折射率nj、n
j-1
和拉曼散射光在对应层j上的入射角αj来确定长度lj，其中折射率n
j-1
是相应层j上的敷介质的折射率。在第一层的情况下，相应层j上的敷介质通常是折射率近似为1的空气。在所有其他层的情况下，折射率n
j-1
是相应敷层j-1的折射率。入射角αj始终相对于进入对应层j的拉曼散射光的入射面的垂线来确定。适用如下长度lj：其中，根据斯内利乌斯(snellius)折射定律描述了光路与穿过相应层j的垂线的角度。
23.为了简明起见，下文将至少一个干涉滤光器描述为(总)长度为l且(总)厚度为d的光学元件，拉曼散射光以入射角α射上该光学元件。光程长度l即取决于至少一个干涉滤光器的厚度d、拉曼散射光在至少一个干涉滤光器上的入射角α以及层材料的折射率nj。
24.从信号处理方面而言，每个光程长度l与一个传输函数相关联。例如，第一光程长度l1与第一传输函数相关联，第二光程长度l
２
与第二传输函数相关联，等等。传输函数与光程长度li的关联是双射的，即该关联唯一且可逆。
25.传输函数限定特定波长的光的光谱带δλ，该光沿着光程长度l传输通过至少一个干涉滤光器之一。由传输函数限定的光谱带δλ围绕平均波长λ0布置，并向上通过上限δλ

限定而向下通过下限δλ-限定。适用下式：δλ＝δλ
-δλ-。
26.上限δλ

和下限δλ-可以围绕平均波长λ0呈对称或非对称布置。例如可以使用透射
波谱的算术平均值、众数、中值或加权平均值作为平均波长λ0。重点是采取相同方式确定所有传输函数的平均值。结合矩形传输函数，平均波长λ0在实践中又称为传输函数的“中心波长”。
27.传输函数可以近似用矩形函数来描述，其中传输函数f(λ)则定义为：
28.特别地，当上限和下限围绕平均波长λ0对称布置，即其实际上是中心波长时，适用|λ0 δλ

|＝|λ
0-δλ-|。
29.这里需要注意，本文使用的术语“传输函数(transmissionsfunktion)”并不等同于干涉滤光器中常称“传输函数”的技术说明。虽然该技术说明常指干涉滤光器在光法向入射下的传输特性，故为恒定的材料特性，但本文使用的术语则指依赖于可变光程长度的传输函数。它虽然也描述了准矩形函数，但由于通过相同干涉滤光器或通过干涉滤光器不同层厚的不同入射角，可以转移到其他频率。而本发明正是利用了这种转移。
30.由此实现提高的光谱分辨率，即入射散射光信号(即入射拉曼散射光)利用一系列相对彼此光谱偏移最小的传输函数成像到探测单元上。
[0031]“光谱偏移的传输函数”应理解为与不同于第一光程长度l1并且限定第二光谱带δλ2的第二光程长度l
２
≠l1相关联的传输函数，该第二光谱带δλ2的平均波长λ
2，0
相对于谱宽为δλ1的第一光谱带的平均波长λ
1，0
发生偏移。光谱偏移波长δλ2始终是相对于第一平均波长λ
1，0
给出，其中第一平均波长λ
1，0
充当参考波长。适用下式：δλ2＝|λ
2，0-λ
1，0
|。
[0032]
偏移本身也用单位“波长”给出。
[0033]
传输函数的偏移了波长δλ2的“最小”光谱偏移意味着传输函数的偏移了波长δλ2的光谱偏移小于、优选地远小于传输函数本身的谱宽δλ2。偏移优选为至少0.1nm。另外，偏移优选为至多2nm，偏移特别优选为小于1nm。出于分辨率原因，每个传输函数的谱宽δλ1和δλ2与光谱偏移δλ2之比优选为至少2、特别优选至少3。另外，出于实用性原因，每个传输函数的谱宽δλ1和δλ2与光谱偏移δλ2之比优选为最高10、特别优选最高6、尤其优选不大于4。
[0034]
使用具有第一厚度d1和/或由具有第一折射率n
1，j
的层组成的第一干涉滤光器来生成第一过滤散射光信号，而使用与第一干涉滤光器不同的具有第二厚度d2和/或由具有第二折射率n
2，j
的层组成的第二干涉滤光器来生成第二滤光散射光信号。替代地，可以选择拉曼散射光以第二光程长度l2≠l1通过第一干涉滤光器来生成第二过滤散射光信号。为此，例如，在生成第二过滤散射光信号时拉曼散射光到第一干涉滤光器上的入射角α2相对于生成第一过滤散射光信号时的入射角α1可以改变。换言之，为了生成第二滤光散射光信号，拉曼散射光以与生成第一滤光散射光信号时不同的入射角α2≠α1射到第一干涉滤光器的表面。
[0035]
由传输函数限定的用于生成散射光信号且相对彼此偏移最小的两个光谱带δλ1和δλ2部分叠加。分析全体过滤散射信号，然后提供有关样品中拉曼线的信息，该信息通常只能使用高分辨率拉曼仪获得。如果检测到的散射光信号相互抵消，则可以从检测到的散射光中提取这些信息并组合形成拉曼光谱。在单个过滤散射光信号会在对应光谱带δλ1上对
测量谱进行积分时，两个或更多个信号提供宽度小于传输函数本身带宽δλ1的彼此间隔的辅助点，根据这些辅助点可以用更高的分辨率重构光谱。尤其是可以通过这种方式精确地确定拉曼峰的位置，即使当它们比传输函数的光谱带更窄的时候。
[0036]
如此能够使用比昂贵实验室设备成本更低的组件，即至少一个干涉滤光器和探测单元可以检测高分辨率拉曼光谱。因为该方法仅需一个或几个干涉滤光器和具有单个或几个探测元的探测单元，所以对应的检测仪可以构建成便捷的尺寸，尤其是构建成移动式。
[0037]
该方法不限于生成第一过滤散射光信号和第二过滤散射光信号。它还可以包括生成任意数目的另外过滤散射光信号，它们类似于第二过滤散射光信号地生成。方法则包括如下步骤：
·
通过将另外的传输函数应用于入射散射光信号来生成另外的过滤散射光信号，其中每个另外的传输函数与通过第一干涉滤光器或通过另外干涉滤光器的另外的光程长度li≠l1相关联，其中另外三维传输函数分别限定另外的光谱带δλi，其中另外的光谱带δλi包含大约另外的平均波长λi的另外的波长的光，其中另外的平均波长λi相对于第一平均波长λ1分别偏移波长δλi，其中另外的波长的光透射穿过第一干涉滤光器或另外的干涉滤光器之一。
[0038]
在直径≥4英寸的晶片上制造干涉滤光器时，由于生产技术限制，涂层的各层厚度从晶片中心到边缘有所变化。由此可能会发生各层在晶片边缘比中间更薄的情况，这会导致平均波长λ0发生偏移。根据本发明可以利用到这种实际上视作生产误差的效应，因为晶片分解成多个分块，每个分块具有各自的平均波长λ0。由这些分块形成的干涉滤光器允许拉曼散射光透射的光谱范围在空间中的相同位置因不同的平均波长λ0和相同的谱宽而彼此略微偏移。这种效应会导致干涉滤光器的传输函数偏移直至10nm。
[0039]
就光谱偏移而言，大面积的晶片可以以相比较而言小的代价绘制并分离成所需的尺寸。通过这种方式，可以针对约12nm宽的光谱范围(2nm谱宽 10nm偏移)建立模块化滤光器系统。这样组装的模块化滤光器系统包括第一干涉滤光器、第二干涉滤光器和另外的干涉滤光器，其中第二干涉滤光器或另外的干涉滤光器的传输函数相对于第一平均波长λ1偏移波长δλ2或δλi。
[0040]
有利地对于本发明要求保护的方法能够利用生产误差，在其中在单个制造过程中制造具有不同光程长度li的干涉滤光器。这样就能降低该方法所需组件的成本。
[0041]
有利地，通过使用另外的干涉滤光器还能简化用于执行该方法的设备的构造。无需可移动的部件来完成例如改变入射角α的枢转运动。探测单元还可以构造为单个探测元，这会进一步降低成本。
[0042]
在一实施方式中，该方法还包括如下步骤：
·
生成参考光信号；
·
通过将第一传输函数应用于参考光信号来生成第一过滤参考光信号，其中该过滤参考光信号与第一过滤散射光信号相关联；
·
通过将第二传输函数应用于参考光信号来生成第二过滤参考光信号，其中该第二过滤参考光信号与第二过滤散射光信号相关联；
·
通过探测单元检测第一过滤参考光信号和第二过滤参考光信号；
·
通过从分别相关联的过滤散射光信号中减去过滤参考光信号来生成校正过的
滤散射光信号。
[0043]
从相应过滤散射光信号中减去过滤参考光信号的有利效果是能够减少探测单元检测到的信号中的误差。特别地，可以通过校正来减少系统中固有的误差，尤其是由于所用组件的光学杂质或调整错误引起的误差。参考光信号是通过如测量信号一样的相同的激发光来生成，它以相同的路径通过设备，若有，则使用相同的载体(空气、水、显微镜载体、容器等)，但不包括尚在研究的物质。
[0044]
在另一实施方式中，由检测到的散射光信号或由经校正的散射光信号生成拉曼光谱。拉曼光谱可以包括一个或多个峰，其中每个峰配有拉曼光谱中的峰高和峰位。拉曼光谱中的每个峰位与至少一种材料相关联。峰高包括关于与样品中峰位相关联的材料的量的信息。如果拉曼光谱不包括任何峰，则在拉曼谱线位于被检光谱中的样品中无法检测到任何材料。
[0045]
拉曼散射光的强度与样品中散射分子的数目成正比。适用下式：其中，i是拉曼散射光的强度，ν是激发激光的频率，i0是激发激光的强度，n是散射分子的数目，是可极化性变化。
[0046]
在另一实施方式中，使用多变量数据分析、尤其是化学计量来生成拉曼光谱。
[0047]
多变量数据分析是同时检查多个变量的方法。变量可以不同地权重，其中不必已知单个变量的权重。多变量数据分析包括诸如结构发现方法(特别是因子分析、聚类分析)或者多维标度或结构检查方法(尤其是方差分析、人工神经网络、判别分析和联合分析)。
[0048]
化学计量或化学计量法是基于多变量数据分析的方法，利用这些方法可以从实验测量数据中提取最多的化学信息。近红外、可见光或紫外光谱中的材料混合物光谱通常只能用化学计量法来进行评估。此类方法例如包括主成分分析、聚类分析和多元线性回归。
[0049]
有利地，通过使用化学计量法可以提高光谱分辨率。拉曼光谱中的峰的谱宽即可显著小于所应用传输函数本身光谱带δλ的谱宽。
[0050]
利用更高分辨率的峰可以提高测定材料或材料混合物及其在样品中含量的准确度，使得也能对流动中存在的样品进行这样的测定。同样地，化学计量法有助于解析由最小偏移和叠加的(部分)光谱形成的整体光谱。光谱之间的偏移在这种情况下有助于实现待测定整个光谱的更高分辨率。尤其是在环保技术中，上述效果可以应用于与环保相关的材料混合物，由此可以例如测定微颗粒、尤其是微塑料对水体的污染，并且可以区分有机颗粒和无机颗粒的贡献。
[0051]
在一实施方式中，入射散射光信号具有传播方向，其中在生成第一过滤散射光信号与生成第二过滤散射光信号之间，该方法包括：使第一干涉滤光器相对于入射散射光信号的传播方向枢转，其中枢转第一干涉滤光器引起从第一光程长度l1向第二光程长度l2的变化。
[0052]
如上所述，第二传输函数相对于第一传输函数的偏移波长δλ2取决于第二光程长度l2与第一光程长度l1之差。如果将第一干涉滤光器相对于入射散射光信号的传播方向枢转，则拉曼散射光的入射角α从第一入射角α1变为第二入射角α2。这也使得光程长度l从第一
光程长度l1变为第二光程长度l2。这样可以通过将第一干涉滤光器相对于入射散射光信号的传播方向旋转角度ε来改变入射角α。光谱偏移波长δλ2可以如下估算：δλ2＝|λ
2-λ1|，其中，角度ε可以无级地或以间隔步长设置以生成第二过滤散射光信号或另外过滤散射光信号。可以选择0.1
°
、0.5
°
、1
°
或》1
°
的步长作为间隔步长，但不限于此。
[0053]
为了生成第二过滤散射光信号或更多的过滤散射光信号，角度ε可以例如设置在0.1
°
至20
°
的范围内，优选地设置在0.1
°
至15
°
的范围内。应当指明，角度ε描述了第一干涉滤光器的位置从第一位置向第二位置的变化。用于生成第二过滤散射光信号和必要时更多的过滤散射光信号的角度ε始终涉及第一干涉滤光器的第一位置，该第一位置又可称为参考位置。
[0054]
有利地，本实施方式仅需第一干涉滤光器，利用该第一干涉滤光器可以生成第二过滤散射光信号和必要时更多的过滤散射光信号。过滤散射光信号以不同的角度ε相继生成，其中对于每个过滤散射光信号的第一干涉滤光器枢转到对应的位置。另外，本实施方式仅需单个探测元作为探测单元，整体过滤拉曼散射光成像于其上，一般是聚焦于其上。由此就能减少该方法所需组件的数目并因此降低成本。
[0055]
该方法的替代实施方案提出，在生成第一滤光散射光信号与生成第二滤光散射光信号之间，将第一干涉滤光器替换为第二干涉滤光器。
[0056]
通过与第一干涉滤光器不同的厚度d2≠d1，或通过与第一干涉滤光器不同的折射率n
2，j
≠n
1，j
，或通过不同的厚度和不同的折射率，通过第二干涉滤光器引起第二光程长度l2≠l1。在此情况下，该设备也仅需单个探测元作为探测单元，整体过滤散射光信号或待检测的拉曼散射光成像/聚焦于其上，因此需要的组件数目更少。
[0057]
代替更换，用于生成第一过滤散射光信号和第二过滤散射光信号以及必要时另外过滤散射光信号的两个或更多个干涉滤光器可以替代地定位于不同的部位，使得可以同时检测不同的过滤散射光信号。为此需要多个探测单元，每个探测单元与各个干涉滤光器相关联。
[0058]
另一实施方式结合了上述两种实施例的特征。这里使用多个可枢转的干涉滤光器，分别具有不同的厚度d和/或具有不同折射率nj的涂层。有利地，由此可以扩大光谱偏移的潜在的作用范围。通过使用多个可枢转的干涉滤光器，可以增加应用不同光谱偏移的传输函数的可能性或可检测拉曼光谱的范围。
[0059]
下例应阐明这一点：具有厚度d1和折射率n
1，j
的第一干涉滤光器可以通过枢转如此地定位，使得可以使用光谱带为δλ
ab
的传输函数，这些光谱带的总和是从波长λa到波长λb。例如具有不同厚度d2≠d1和/或不同折射率n
2，j
≠n
1，j
的第二干涉滤光器可以通过枢转如此地定位，使得可以使用光谱带为δλ
cd
的传输函数，这些光谱带的总和是从波长λc到波长λd。利用这两个干涉滤光器可记录的整体光谱范围即可包括λa与λb之间以及λc与λd之间的波长。
[0060]
该方法的另一替代实施方案提出，入射散射光信号发散地或会聚地传播，并且以相对于参考光束的第一入射角α1生成第一滤波散射光信号，以相对于参考光束的第二入射
角α2≠α1生成第二滤波散射光信号。第一波长的光与第二波长的光透射穿过第一干涉滤光器。
[0061]
当生成第一过滤散射光信号时，优选地将第一干涉滤光器的入射面上的垂线视为参考光束。
[0062]
例如，可以通过定位于第一干涉滤光器之前的第一会聚会聚透镜来改变拉曼散射光射到第一干涉滤光器表面的入射角α。第一会聚透镜从近似平行的(例如准直的)拉曼散射光中产生的光束焦点位于干涉滤光器之前、之中或之后，但不在探测器上。于是可以将拉曼散射光视为无限宽的分光束的总和。每个分光束以单独的入射角αi射到第一干涉滤光器。对于通过第一干涉滤光器的每个分光束，不同的入射角αi还会导致不同的光程长度li。相应地，利用第一会聚透镜从入射散射光信号中生成多个过滤散射光信号。于是，在生成第一滤波散射光信号之前，该方法还包括如下步骤：
·
使用第一会聚透镜聚焦入射的散射光信号。
[0063]
本实施方式可覆盖的角度范围取决于第一会聚透镜的光学特性，尤其是其折射率。
[0064]
对于该方法，探测单元包括多个探测元形成的阵列，其中由这些探测元检测过滤散射光信号。
[0065]
作为会聚透镜的替代方案，还可考虑发散透镜，通过该发散透镜将入射散射光束扇状散开。
[0066]
另一方面，本发明涉及一种检测拉曼散射光的设备，该设备构造为执行上述方法，其中该设备包括：
·
探测单元；及
·
第一干涉滤光器，或者第一干涉滤光器和第二干涉滤光器。
[0067]
对于本发明要求保护的设备，鉴于干涉滤光器，对于紫外、可见光或红外光谱中的波长，该干涉滤光器的衬底优选地由玻璃制成，尤其是由石英玻璃制成，或特别是对于红外光谱，该衬底由蓝宝石玻璃或锗制成。干涉滤光器的厚度优选为0.5mm至2mm。第一干涉滤光器和必要时第二干涉滤光器具有几纳米的谱宽、尤其是0.5nm至4nm的谱宽、优选为1.5nm至2nm的谱宽、特别优选为2nm的谱宽。
[0068]
探测单元可以例如但不限于构造为具有一个或多个探测元(又称为像素)的探测单元，以及构造为光电倍增管(pmt)、特别是硅光电倍增管、电荷耦合器件(ccd)、雪崩光电二极管(apd)、尤其是硅-apd或单光子雪崩二极管(spad)或近红外二极管(尤其是由砷化铟镓制成)。
[0069]
检测装置还可以使用偏压(vorspannung)来操作，由此可以提高灵敏度。
[0070]
在另一实施方式中，该设备包括第一透镜，其中探测单元包括探测元形成的阵列，其中该阵列相对于第一透镜定向为使得光可以通过第一透镜会聚或发散地成像到该阵列上，其中第一干涉滤光器定位于第一透镜与探测单元之间。
[0071]
第一透镜既可构造为会聚透镜，又可构造为发散透镜。
[0072]
该阵列尤其是可以构造为探测元形成的一维阵列。该阵列还优选地定位成使得拉曼散射光或分光束尽可能完全照射阵列。
[0073]
第一透镜使拉曼散射光聚焦或散焦，使得拉曼散射光如上所述以分光束的形式射
到第一干涉滤光器，其中每道分光束以不同的入射角αi射到第一干涉滤光器的表面。由此对每道分光束应用不同的传输函数。传输函数分别相对于第一传输函数偏移与入射角αi相对应的波长δλi。
[0074]
在另一实施方式中，第一透镜构造为具有第一柱面轴线的柱面透镜，该设备还包括第二透镜，其中该第二透镜构造为具有第二柱面轴线的柱面会聚透镜，其中第一柱面轴线与第二柱面轴线相互垂直定向，其中阵列沿着第二透镜的焦线定位。
[0075]
有利地，第二柱面会聚透镜将过滤散射光信号聚焦到探测单元上，由此提高信号强度。
[0076]
第一透镜也可以优选地构造为柱面会聚透镜并定位成使得第一透镜的焦线位于第一干涉滤光器的表面之前、之上、之中或之后。
[0077]
有利地，通过这种第一柱面会聚透镜和第二柱面会聚透镜的配置可以增加散射光通过探测单元的光输出。
[0078]
第二透镜优选地定位于第一干涉滤光器与探测元形成的阵列之间。
[0079]
在一实施方式中，第一干涉滤光器以可枢转方式安置。
[0080]
第一干涉滤光器的枢转可以借助于尤其是小型化的支撑框架或一些其他合适的装置来确立，或者可以通过围绕枢转轴线的周期性旋转来完成。通过周期性旋转来实现“可调”干涉滤光器。
[0081]
本实施方式实现了上述方法的变型方案，在其中通过改变拉曼散射光的入射角α来获得光程长度l。在本实施方式中，有利地仅需一个探测元作为探测单元，由此可以进一步降低设备成本。还可以设置检测面积更大的单个探测元，进而增强信号强度。
[0082]
在另一实施方式中，所述设备可以组合具有第一会聚透镜、第二会聚透镜和根据上述实施方式的可枢转第一干涉滤光器。
[0083]
在一实施方式中，第一干涉滤光器构造为通过第二干涉滤光器和/或另外的干涉滤光器可更换。
[0084]
在本实施方式中，通过第二干涉滤光器或另外的干涉滤光器实现了光谱偏移波长δλ2或δλ1。
[0085]
例如，该设备可以包括用于干涉滤光器的支架，利用该支架将干涉滤光器相继引入能够生成过滤散射光信号的位置。该支架可以例如构造为仓库，干涉滤光器相继定位于该仓库中。
[0086]
在一替代实施方式中，布置多个干涉滤光器与各自的探测元，使得可以同时生成第一散射光信号和第二散射光信号以及必要时另外过滤散射光信号。
[0087]
另外，该设备可以包括封闭的外壳，其具有对拉曼散射光透光的入口，以保护该设备的光学组件免遭灰尘或损伤。
[0088]
又一方面，本发明涉及一种检测拉曼散射光的系统，包括光源(尤其是激光源)、样品定位设备和光学设备，其中光学设备构造为将来自光源的光引导到样品上，其中该系统还包括任一上述设备。
附图说明
[0089]
下面结合附图说明本发明实施方式。图中：
[0090]
图1示出具有第一会聚透镜的实施方式的示意图；
[0091]
图2示出图1所示实施方式的不同角度示意图；
[0092]
图3示出具有可枢转第一干涉滤光器的另一实施方式的示意图；以及
[0093]
图4示出具有多个探测器的实施方式的示意图。
具体实施方式
[0094]
图1示出设备01的实施方式。设备01包括第一干涉滤光器20、探测单元30和第一会聚透镜22。探测单元30包括多个并列成行布置的探测元32。包含入射散射光信号10的拉曼散射光射到第一会聚透镜22。入射散射光信号10由入射分光束11至15组成。会聚透镜22折射入射散射光信号10并聚焦入射散射光信号10。在此，第一会聚透镜22的焦点位于第一干涉滤光器20之内。
[0095]
入射分光束11至15以不同的入射角α射到第一干涉滤光器20的表面。中心入射分光束13以入射角α
13
＝0
°
(本图未示出)射到第一干涉滤光器20，这里称为参考光束。入射分光束11以入射角α
11
射到第一干涉滤光器20。入射分光束12以入射角α
12
射到第一干涉滤光器20。入射分光束14以入射角α
14
射到第一干涉滤光器20。入射分光束15以入射角α
15
射到第一干涉滤光器20。入射角α
11
、α
12
、α
14
和α
15
不等于入射角α
13
，故不等于0
°
。在下文中，入射角α
11
至α
15
互不相同。换言之，入射散射光信号10会聚地传播到会聚透镜22。
[0096]
入射分光束11、12、13、14和15穿过第一干涉滤光器20延伸。由于它们以不同的入射角射到第一干涉滤光器20，入射分光束11至15沿着具有光程长度l
11
、l
12
、l
13
、l
14
和l
15
(本图未示出)的不同光程通过第一干涉滤光器20。不同光程长度l
11
到l
15
的作用是对每道入射分光束11到15应用不同的传输函数。例如，如果将第一传输函数应用于作为参考的入射分光束13，则应用于入射分光束11、12、14和15的传输函数相对于第一传输函数在光谱上偏移波长δλ
11
、δλ
12
、δλ
14
和δλ
15
。通过将传输函数应用于入射分光束11至15，生成过滤分光束41至45。
[0097]
过滤分光束41由分光束11在相对于参考光束成角α
11
≠α
13
的情况下生成。过滤分光束42由分光束12在相对于参考光束成角α
12
≠α
13
的情况下生成。分光束43由作为参考光束的分光束13生成。过滤分光束44由分光束14在相对于参考光束成角α
14
≠α
13
的情况下生成。过滤分光束45由分光束15在相对于参考光束成角α
15
≠α
13
的情况下生成。这些过滤分光束共同形成过滤散射光信号40，其中过滤分光束43被探测单元检测为第一散射光信号，并且其余部分叠加的过滤分光束41、42、44和45被探测单元检测为其他的散射光信号。
[0098]
过滤分光束41至45射到探测单元30，该探测单元30在本实施方式中包括多个并排布置的探测元32。过滤分光束41至45由探测元32检测。利用化学计量法，可以在检测之后根据过滤散射光信号40、尤其是根据过滤分光束41至45创建被测样品的拉曼光谱。
[0099]
在所示的实施方式中，任选的第二会聚透镜定位于第一干涉滤光器20与探测单元30之间。该会聚透镜是柱面会聚透镜，其焦线位于探测单元30上，并使过滤分光束41至45在垂直于像平面的平面内聚焦到探测单元30的探测元32上。
[0100]
图2示出图1所示实施方式旋转90
°
的视图。分光束11至15通过第一会聚透镜22和第一干涉滤光器20而未在所示的像平面中发生折射。第二会聚透镜24使过滤分光束41至45聚焦到探测单元30的探测元32上。在本图中，各个探测元32先后相继布置。
[0101]
图3示出设备01的实施方式的另一示意图。设备01包括由单个探测元32构成的探测单元30。设备01还包括第一干涉滤光器20。第一干涉滤光器20构造为可枢转，其中第一干涉滤光器20以沿枢转方向r可枢转的方式安置。在此，枢转轴线的位置以及滤光器支架和枢转机构的具体设计无关紧要。枢转角α后的第一干涉滤光器20用虚线示出。
[0102]
如果入射散射光信号10射到第一干涉滤光器20的表面，则第一干涉滤光器20的传输函数中光谱偏移的波长δλ取决于入射光传播方向与第一干涉滤光器20的表面垂线之间的入射角α。如果第一干涉滤光器20围绕枢转轴线(本图中位于第一干涉滤光器20内)沿枢转方向r枢转，则入射散射光信号在第一干涉滤光器20上的入射角α发生变化。如果第一干涉滤光器在图示的像平面内枢转(如本图由虚线指示)，则第一干涉滤光器枢转的角度ε等于入射角α的变化。这种结构允许应用不同的传输函数，这些传输函数随角度ε相对彼此以波长δλ光谱偏移。
[0103]
通过应用随角度ε变化的传输函数，第一干涉滤光器20从入射散射光信号10生成过滤散射光信号40。过滤散射光信号40由探测单元30的探测元32检测。为了对入射散射光信号10应用不同的传输函数，在本实施方式中进行每次利用不同位置的第一干涉滤光器20的多次测量，使得在每次测量中入射散射光信号10以不同的入射角α射到第一干涉滤光器20。
[0104]
图4示出设备01的另一实施方式及其如何用于检测拉曼散射光的示意图。设备01放置于激光束54的光路中，其中激光束54是由激光源52产生。
[0105]
在设备01的中心处，毛细管56垂直于像平面。包含待检样品的混合物通过毛细管56流入像平面或流出像平面。对激光透光的毛细管56的壁体在图4中以阴影线示出。
[0106]
激光束54贯穿设备01，其中该激光束54穿透毛细管56。激光束54的激光至少部分地在毛细管56内的样品处在各方向上散射，由此尚未检测到的散射光作为(待检测和入射的)散射光信号10在所有方向上传播。检测和/或吸收非散射激光的透射探测器58定位于设备01之后。在此，入射散射光信号10和激光束54的传播方向通过箭头指示。
[0107]
该设备还包括围绕毛细管56呈圆形布置的多个探测器60。探测器60的布置在激光束54的光路区域中中断，使得激光束54不被探测器60阻挡或者探测器60检测非散射激光。
[0108]
探测器60分别包括至少一个探测单元和至少一个干涉滤光器。必要时，探测器60可以包括一个或多个会聚透镜。探测单元还可以分别包括一个或多个探测元。
[0109]
探测器60彼此的区别在于，干涉滤光器过滤不同的光谱范围。探测器60中的干涉滤光器可以例如相对于入射散射信号10的分别的传播方向不同地定向，使得入射散射光信号10以不同的入射角α射到干涉滤光器。替代地或附加地，干涉滤光器可以涂覆有不同厚度的涂层。换言之，探测器60因其不同的干涉滤光器而互不相同，光程长度l不同。
[0110]
入射散射光信号10在透射穿过干涉滤光器之后被探测器60的探测单元检测为过滤散射光信号。最后，根据检测到的散射光信号可以生成拉曼光谱。
[0111]
有利地，利用根据图4的设备实施方式可以平行地执行多次测量。附图标记列表01
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
设备10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
入射散射光信号11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
入射分光束
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
入射分光束13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
入射分光束14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
入射分光束15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
入射分光束20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一干涉滤光器22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一会聚透镜24
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二会聚透镜30
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
探测单元32
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
探测元40
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
过滤散射光信号41
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
过滤分光束42
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
过滤分光束43
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
过滤分光束44
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
过滤分光束45
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
过滤分光束52
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
激光源54
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
激光束56
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
毛细管58
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
透射探测器60
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
探测器r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
枢转方向δλ
1，2，i 光谱偏移波长λ
1，2，i
ꢀꢀꢀ
平均波长l
1，2，i
ꢀꢀꢀꢀ
光程长度δλ
1，2，i 光谱带α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
入射角ε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
角度