技术领域
[0001] 本
发明属于光学显微成像及光谱测量技术领域，尤其涉及一种显微拉曼成像光谱快速检测装置及方法。
背景技术
[0002] 目前，我国
水污染形势严峻，据不完全统计，超过86％的城市河段水质普遍超标，长期严重的水污染问题影响着水资源利用和水
生态系统的完整性。
水体富营养化不断加重的趋势导致了水质的进一步恶化，破坏了水体的生态平衡。目前，对水中污染物质的检测方法很多，如
原子吸收分光光度法、气相色谱法和水污染
生物检测法、气质联用(GC-MS)、液质联用(LC-MS)、电热
蒸发-电感耦合、
等离子体发射光谱法等。这些方法具有检测
精度高、应用范围广、重现性好，但需要昂贵的仪器设备、操作复杂、分析样品时间长、
试剂消耗量大，而且这些方法还不同程度的引入了对人体有害的
有机溶剂，产生二次污染；此外，这些方法都是采用现场取样后到实验室分析的离线处理模式，不能满足在线实时检测分析的需求。因而对于复杂多变的水体环境，例如元素形态受
时空影响大，多数又处于相互关联影响的状态；环境中
温度压
力变化对元素检测结果可靠性的影响，从而不能确切掌握水质现状及其异常变化。
[0003] 拉曼光谱检测技术是以
拉曼散射效应为
基础的探测分子振动和转动特征峰值的“指纹”光谱技术，具有非
接触无破坏性、检测时间短、样品所需量小、样品无需制备、受水分子的干扰小等特点；并且拉曼光谱的频移不受
光源频率的限制，光源频率可根据样品的不同特点而有所选择，更适用于水溶液体系的测量。近年来，随着光机电技术的迅猛发展，显微拉曼光谱分析技术使拉曼光谱检测设备的灵敏度和
分辨率大大提高，拓展了在样品微区
无损检测方面的应用；与此同时，显微成像技术也引入到样品的分析过程中，但是传统显微成像只能得到样品的结构图像，不能获得样品的完整光谱特征信息。现有的拉曼光谱成像通常需要耗费较长时间，此过程中
环境温度、振动等因素易使测量系统产生漂移，导致实际激发光斑远大于物镜聚焦光斑，其结果限制了拉曼光谱检测设备的微区光谱探测能力。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种显微拉曼成像光谱快速检测装置及方法，获取水体样品微区的空间
位置、几何形貌、光谱图像等多维特征信息，提高实时检测灵敏度和在线分析的智能化水平，为
纳米级微区的光谱探测与成像提供新的技术途径。
[0005] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0006] 一种显微拉曼成像光谱快速检测装置，包含光源、多功能样品室、复合光路系统、
图像采集系统、数据融合处理系统、拉曼光谱检测系统、计算机控制及显示系统；
[0007] 所述光源连接至所述多功能样品室，所述复合光路系统通过光路连接至所述多功能样品室，所述复合光路系统上设置有所述图像采集系统和拉曼光谱检测系统；
[0008] 所述数据融合处理系统接收来自所述图像采集系统和拉曼光谱检测系统的信息并进行图像与光谱信息的实时分析处理，将处理结果传输到所述计算机控制及显示系统中显示输出。
[0009] 进一步，所述光源包含白光照明光源和激光探测光源，所述白光照明光源采用可调LED环形灯YSX-22，所述激光探测光源采用激发
波长为532nm，785nm或1064nm的
半导体激光器。
[0010] 进一步，所述多功能样品室包含样品台底座、光学载物台、旋转样品架和透明封闭罩，所述样品台底座通过
螺栓固定在所述光学载物台上，所述样品台底座随所述光学载物台进行三维调节；
[0011] 所述旋转样品架设置在所述样品台底座的内凹部，并进行间歇式旋转调节，所述旋转样品架上设置有多个样品放置槽，用于安放样品；
[0012] 所述样品台底座的上方设置有所述透明封闭罩，所述样品台底座与所述透明封闭罩之间通过快拆卡扣进行连接，所述样品台底座与所述透明封闭罩之间还设置有
密封圈，所述透明封闭罩用于给样品提供一个密闭的检测空间；
[0013] 所述透明封闭罩上还设置有
上管路和
下管路，所述透明封闭罩上端通过调节卡环与
显微镜物镜相连，所述透明封闭罩采用柔性有机材质制成。
[0014] 进一步，所述复合光路系统包含白光观测光路、显微拉曼成像光路和拉曼光谱探测光路；
[0015] 所述白光观测光路、显微拉曼成像光路和拉曼光谱探测光路均包含光源，所述光源发出的光线依次经过汇聚物镜Ⅰ、扩束透镜、光学滤光片Ⅱ和二向色镜所述二向色镜将所述白光光源的光分为两路，其中一路依次经过扫描镜、透镜Ⅰ、光学滤光片Ⅰ和显微物镜；
[0016] 所述白光观测光路的光源为白光光源，所述白光光源经过所述二向色镜的另一路光线依次经过分束器、电动转换镜和汇聚物镜Ⅱ；
[0017] 所述显微拉曼成像光路的光源为激光光源，所述激光光源经过所述二向色镜的另一路光线经过所述分束器反射到光学滤光片Ⅲ，然后经过聚焦透镜进入图像采集系统；
[0018] 所述拉曼光谱探测光路的光源为激光光源，所述激光光源经过所述二向色镜的另一路光线依次经过所述分束器和电动转换镜，所述电动转换镜将光线反射到光学滤光片Ⅳ，然后经过汇聚物镜Ⅲ进入光谱探测单元。
[0019] 进一步，所述二向色镜与入射光的光轴夹
角为45度；
[0020] 所述扫描镜为线扫描方式，所述扫描镜的初始位置与二向色镜位置平行；
[0021] 所述分束器与出射光的光轴夹角为45度，且所述二向色镜与分束器相互垂直；
[0022] 所述电动转换镜为一片全反射镜与一片全透射镜拼接而成，由微
电机驱动自由切换，所述电动转换镜的初始位置与分束器位置平行；
[0023] 所述复合光路系统处于观察状态时光源切换为白光光源，电动转换镜切换为全透射镜，所述复合光路系统处于检测状态时光源切换为激光光源，电动转换镜转换成全反射镜，以适应不同工作模式的需求。
[0024] 进一步，所述图像采集系统包含图像采集器，所述图像采集器为数字面阵
帧曝光CCD相机，所述数字面阵帧曝光CCD相机的CCD探测面位于聚焦透镜的焦点处，采集的图像信息进入数据融合处理系统进行虚拟共焦处理及图像重构分析。
[0025] 进一步，所述的拉曼光谱检测系统包含入射狭缝、
准直物镜、光栅镜、成像物镜和探测器；
[0026] 从所述汇聚物镜Ⅲ入射进来的光线穿过所述入射狭缝到达所述准直物镜，所述准直物镜将光线反射至所述光栅镜，所述光栅镜将光线反射至所述成像物镜，所述成像物镜将光线反射至所述探测器；
[0027] 所述拉曼光谱检测系统采用非对称交叉式C-T结构分光，用于抑制高阶衍射及杂散光的干扰；
[0028] 所述的光栅镜采用离子
刻蚀平面闪耀光栅，其刻线
密度为1200,1800或2400mm-1，所述的探测器为背照式CCD面阵
传感器。
[0029] 进一步，所述的数据融合处理系统用于融合显微拉曼成像信息和拉曼光谱信息，并对采集的数字图像信息设置虚拟共焦针孔进行共焦
图像处理，实现被测样品的三维重构及光谱分析。
[0030] 进一步，所述计算机控制及显示系统为整个检测装置的控制中心，与所述多功能样品室、光源、扫描镜、图像采集器和拉曼光谱检测系统相连，用于控制多功能样品室的三维位置调节及旋转样品架的转动，并调节光源形式及激光输出功率、控制扫描镜的扫描速度及扫描范围，处理图像采集和光谱采集的数据分析及结果显示输出。
[0031] 一种显微拉曼成像光谱快速检测方法，包含如下步骤：
[0032] S1：根据被测样品的检测要求确定是否需要封闭环境；
[0033] S2：开机自检查；
[0034] S3：开启光源，并将光源调整为白光模式，电动转换镜切换至全透射镜状态，通过三维调节载物台的位置确定被测样品的最佳聚焦点及微区形貌状态，对被测样品进行观察；
[0035] S4：将光源调整为拉曼光谱探测模式，图像采集器采集显微拉曼图像，电动转换镜切换至全反射镜状态，探测器接收拉曼光谱信息；
[0036] S5：数据融合处理系统分析处理被测样品的显微图像与拉曼光谱数据，通过计算机控制及显示系统输出被测样品的外观形貌图像、光谱图像、样品组成成分及浓度含量、危险成分评判及报警提示信息。
[0037] 本发明的有益效果在于：
[0038] 1.采用复合光路结构及模
块化光路设计使光路系统高度集成，光路装调简单。同时采用虚拟共焦针孔方式取代物理针孔实现显微共焦，可有效避免针孔堵塞、清洁等原因带来的问题，使光学检测过程稳定，性能可靠；
[0039] 2.通过
软件电动切换实现被测样品大范围白光显微成像观测与样品微区拉曼显微光谱快速探测的自由转换，提高了入射激光和来自样品的拉曼
信号的利用率，实现样品的原位实时观察与检测，提高了测试空间分辨率和测试灵敏度；
[0040] 3.通过线扫描镜实现样品微区的快速扫描，同时通过激光探测光路提高检测效率，减少激光对样品的损伤，提高光源的利用效率；
[0041] 4.通过数据融合处理分析，采用智能
算法可快速获得样品微区的几何形貌和材料组分信息，利用虚拟共焦针孔获得共焦显微图像，实现样品检测过程中谱图合一，提高光谱探测的
信噪比，提高检测精度和检测效率，可用于野外采集探测以及现场在线检测。
[0042] 5.通过多功能样品室可满足不同样品对检测环境的要求，保证了检测的准确性和可靠性，具有较好的通用性。
附图说明
[0043] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
[0044] 图1本发明的组成结构示意图；
[0045] 图2本发明的光路示意图；
[0047] 图中，1.多功能样品室，101.下管路，102.上管路，103.透明封闭罩，104.样品台底座，105.旋转样品架；2.显微物镜；3.光学滤光片Ⅰ；4.透镜Ⅰ；5.扫描镜；6.二向色镜；7.光学滤光片Ⅱ；8.扩束透镜；9.汇聚物镜Ⅰ；10.光源；11.分束器；12.光学滤光片Ⅲ；13.聚焦透镜；14.图像采集器；15.电动转换镜；16.汇聚物镜Ⅱ；17.光学滤光片Ⅳ；18.汇聚物镜Ⅲ；19.光谱探测单元，1901.入射狭缝，1902.准直物镜，1903.光栅镜，1904.成像物镜，1905.探测器；20.计算机控制及显示系统。
具体实施方式
[0048] 下面将结合附图，对本发明的优选
实施例进行详细的描述。
[0049] 图1本发明的组成结构示意图，如图1所示，本发明的一种显微拉曼成像光谱快速检测装置及方法，包括光源、多功能样品室、复合光路系统、图像采集系统、数据融合处理系统、拉曼光谱检测系统、以及计算机控制及显示系统。根据光源发出的白光或激光分别实现样品原位观察及显微拉曼成像光谱实时在线检测，数据融合处理系统进行图像与光谱信息的实时分析处理，并在计算机控制及显示系统中显示输出。
[0050] 图2本发明的光路示意图，如图2所示，光源10包括白光照明光源和激光探测光源，这两种光源根据检测需要可进行自由切换。白光照明光源采用可调LED环形灯YSX-22，激光探测光源可采用激发波长为532nm，785nm,1064nm的半导体激光器，优选的是785nm。
[0051] 多功能样品室1包括样品台底座104、旋转样品架105、透明封闭罩103。样品台底座104通过螺栓连接固定到光学载物台上，并可随着载物台进行三维调节。旋转样品架105设置在样品台底座104的内凹空间处，可进行间歇式旋转调节；旋转样品架105上可设置3-5个被测样品，优选的为3个样品。通过间歇旋转实现一次放置多次检测并取平均值，提高检测效率和测试准确度，有效节约工作时间。
[0052] 样品台底座104的上方设置有一个透明封闭罩103，样品台底座104与透明封闭罩103之间设置有О型密封圈，并通过快拆卡扣进行连接。透明封闭罩103上设置有上管路102和下管路101，透明封闭罩103上端通过调节卡环与显微物镜2相连。透明封闭罩103为柔性有机材质，如PET、PC、PA、PMMA，优选的为PET，透明封闭罩103使检测空间处于密闭环境中，免受外界因素的干扰。
[0053] 复合光路系统包括白光观测光路、显微拉曼成像光路、拉曼光谱探测光路。白光观测光路由白光光源、汇聚物镜Ⅰ9、扩束透镜8、光学滤光片Ⅱ7、二向色镜6、扫描镜5、透镜Ⅰ4、光学滤光片Ⅰ3、显微物镜2、分束器11、电动转换镜15、汇聚物镜Ⅱ16组成；显微拉曼成像光路由激光光源、汇聚物镜Ⅰ9、扩束透镜8、光学滤光片Ⅱ7、二向色镜6、扫描镜5、透镜Ⅰ4、光学滤光片Ⅰ3、显微物镜2、分束器11、光学滤光片Ⅲ12、聚焦透镜Ⅰ13组成；拉曼光谱探测光路由激光光源、汇聚物镜Ⅰ9、扩束透镜8、光学滤光片Ⅱ7、二向色镜6、扫描镜5、透镜Ⅰ4、光学滤光片Ⅰ3、显微物镜2、分束器11、电动转换镜15、光学滤光片Ⅳ17、汇聚物镜Ⅲ18、光谱探测单元19组成。复合光路处于观察状态时光源10切换为LED白光光源，电动转换镜15切换为全透射镜，复合光路处于检测状态时光源10切换为激光光源，电动转换镜15转换成全反射镜，以适应不同工作模式的需求。显微拉曼成像光路与拉曼光谱探测光路采用模块化设计，互不干扰，可使样品表面激发出的拉曼散射光实时精确的进入各自的光路系统，从而实现样品的原位检测与成像分析。
[0054] 二向色镜6与入射光的光轴夹角为45度；扫描镜5为线扫描方式，扫描镜5初始位置与二向色镜6位置平行；分束器11与出射光的光轴夹角为45度，且二向色镜6与分束器11相互垂直；电动转换镜15为一片全反射镜与一片全透射镜拼接而成，由微电机驱动自由切换，电动转换镜15的初始位置与分束器11位置平行。
[0055] 图像采集系统主要包括图像采集器14，为数字面阵帧曝光CCD相机，CCD探测面位于聚焦透镜Ⅰ13的焦点处，采集的图像信息进入数据融合处理系统进行虚拟共焦处理及图像重构分析。
[0056] 拉曼光谱检测系统主要包括光谱探测单元19，由入射狭缝1901、准直物镜1902、光栅镜1903、成像物镜1904和探测器1905构成。光谱探测单元19采用非对称交叉式C-T结构分光，可有效抑制高阶衍射及杂散光的干扰；光栅镜1903采用离子刻蚀平面闪耀光栅，其刻
线密度可为1200,1800，2400mm-1，优选的是1200mm-1；探测器1905为背照式CCD面阵传感器，从汇聚物镜Ⅲ18入射进来的光线穿过入射狭缝1901到达准直物镜1902，准直物镜1902将光线反射至光栅镜1903，光栅镜1903将光线反射至成像物镜1904，成像物镜1904将光线反射至探测器1905，探测器1905连接至计算机控制及显示系统20。
[0057] 数据融合处理系统融合显微拉曼成像信息和拉曼光谱信息，并对采集的数字图像信息设置虚拟共焦针孔进行共焦图像处理，实现完成被测样品的三维重构及光谱分析。
[0058] 计算机控制及显示系统为整个检测装置的控制中心，与多功能样品室1、光源10、扫描镜5、图像采集器14、光谱探测单元19相连。控制多功能样品室1的三维位置调节及旋转样品架105的转动，调节光源形式及激光输出功率、控制扫描镜5的扫描速度及扫描范围，处理图像采集和光谱采集的数据分析及结果显示输出。
[0059] 图3本发明的工作流程图，如图3所示，本发明的检测装置在检测分析过程中的主要检测步骤如下：
[0060] 首先，根据被测样品的检测要求确定是否需要封闭环境。如需在封闭环境中检测以排除外界空气因素的影响，则在旋转样品架105上放置好被测样品后将透明封闭罩103与样品台底座104及显微物镜2之间
锁紧，同时在多功能样品室1内通入保护气体。当保护气体(如氩气、氙气)的密度大于空气密度时，保护气体从下管路101进从上管路102出，当保护气体(如氦气)的密度小于空气密度时，保护气体由上管路102进由下管路101出，排空多功能样品室1内的空气后方可进行后续操作。
[0061] 其次，开启光源10进入白光观察成像模式。选择将光源10调节为白光状态，白光通过汇聚物镜Ⅰ9和扩束透镜8整形为平行光后经过光学滤光片Ⅱ7滤掉杂散光，然后透过二向色镜6及扫描镜5后，经过透镜Ⅰ4，光学滤光片Ⅰ3进入显微物镜2中，光线聚焦后照射到被测样品上，同时样品上的反射光沿入射光的路径原路返回，反射光达到二向色镜6时被全部向上反射至分束器11，分束器11将50％的反射光反射至光学滤光片Ⅲ12，聚焦透镜Ⅰ13，到达图像采集器14，形成观察图像；分束器11同时将剩余50％的反射光透射至电动转换镜15上，电动转换镜15切换至全透射镜状态，将反射光透射至汇聚物镜Ⅱ16上聚焦后供人眼观察。通过三维调节载物台的位置确定被测样品的最佳聚焦点及微区形貌状态，实现被测样品原位观察，有效缩短了聚焦观察时间和提高了工作效率。
[0062] 再次，开启光源10进入显微拉曼成像与拉曼光谱探测模式。在确定被测样品的聚焦点和微区位置后将该状态锁定，然后选择将光源10调节为激光状态，激光通过汇聚物镜Ⅰ9和扩束透镜8整形为平行光后经过光学滤光片Ⅱ7滤掉杂散光，然后透过二向色镜6及扫描镜5后，经过透镜Ⅰ4，光学滤光片Ⅰ3进入显微物镜2中，光线聚焦后照射到被测样品上，同时样品上激发出的拉曼散射光沿入射光的路径原路返回，拉曼散射光达到二向色镜6时被全部向上反射至分束器11，分束器11将50％的拉曼散射光反射至光学滤光片Ⅲ12滤除瑞利散射光，然后进过聚焦透镜Ⅰ13到达图像采集器14，形成显微拉曼图像，在图像采集过程中通过调节扫描镜5的旋转角度实现被测样品微区的线扫描处理，从而提高成像效率与成像
质量；分束器11同时将剩余50％的拉曼散射光透射至电动转换镜15上，电动转换镜15切换至全反射镜状态，将拉曼散射光反射至光学滤光片Ⅳ17滤除瑞利散射光，然后通过汇聚物镜Ⅲ18聚焦由光纤
耦合器整合后进入光谱探测单元19。拉曼散射光在光谱探测单元19中经过非对称交叉式C-T结构分光有效抑制高阶衍射及杂散光的干扰，再由探测器1905接收拉曼光谱信息。
[0063] 最后，由数据融合处理系统分析处理被测样品的显微图像与拉曼光谱数据，实现样品检测的图谱合一，并通过计算机控制及显示系统输出被测样品的外观形貌图像、光谱图像、样品组成成分及浓度含量，危险成分评判及报警提示等信息，实现被测样品的实时检测与
在线分析处理全过程。
[0064] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明
权利要求书所限定的范围。
