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拉曼光谱仪应用中的扫描成像方式

发布时间:2023-03-23 11:19:38 浏览量:1721 作者:Leon

摘要

1975年提出并演示的三种构造拉曼图的一般方法今天仍在使用,但技术有了很大的改进。它们是点聚焦和逐点扫描,线聚焦和逐行扫描,以及宽视场(也称为全局)照明和成像检测。

正文


拉曼光谱仪应用中的扫描成像方式


点聚焦和逐点扫描


在这种方法中,激光是点聚焦的,被测物体被平移过激光焦点,或者焦点被光栅扫描过物体。电机驱动的x-y台是最常用的平移物体的设备。虽然作为研究显微镜附件的工作台可以定位精度优于±1 μm,并且可以以0.1μm的增量进行步进,但必须允许它们稳定在0.5 s左右才能达到此精度。当每个像素处的积分时间只有一秒或几秒时,沉降时间可以显著增加整个图像采集时间。尽管存在死时间问题,但电机驱动的舞台仍然受到供应商和最终用户的欢迎。一个重要的原因是,这些工作台对于微观测绘和更大比例尺的测绘都很有用,因为最常见的模型能够在每个轴上移动10-20厘米。


有几种扫描方法可以减少死区时间。一种方法是使用更快的翻译阶段。由压电转换器驱动的x-y级是首选,因为这些级的稳定时间为0.001 s或更短。虽然它们可以在小到10-20纳米的步骤中增加,但大多数都是弯曲(一体式)设计,并且只能在两个方向上移动几毫米。或者,可以扫描激光束本身,就像共聚焦显微镜中通常做的那样。交叉电流计驱动镜已用于此目的,声光翻译器也是如此。


线聚焦和逐行扫描


直线扫描提供了一种更快速的图像生成方法。在这种方法中,激光被聚焦在一条线上,通常用一个圆柱体透镜。因为透镜聚焦高斯光束到一个高纵横比,只有光束的中心部分是可用的。这一问题可以用鲍威尔透镜来解决,它可以将光束聚焦到一个均匀强度的高aspect矩形。在最流行的扫描配置中,线聚焦光束是静止的,物体在它下面平移。不太常见的是,线聚焦光束扫描静止物体。


从逐点扫描的总测量时间的减少是显著的,因为同时获得100或更多的光谱。获得这些光谱的测量时间可能比点聚焦激光测量单个光谱的时间短,也可能只长一点。原因是在线聚焦的情况下,激光总功率可以大得多。然而,由于每个电荷耦合器件(ccd)行包含1像素处的光谱,探测器必须逐像素读取。为了最大限度地减少探测器噪声,ccd以低速率(16-50 kHz)读出,因此需要1-3秒来读取探测器,这取决于探测器中的像素数。这一时间可以通过与探测器底部一行的读出同步的阶段运动来减少,然后将剩余的光谱图像一行移向读出寄存器。另一种选择,至少在使用绿色激光时,是使用快速读出探测器。电子倍增CCD (emccd)已用于此目的。它可以以1 mhz或更快的速度读出。由于EMCCD的雪崩增益机制引入很少的多余噪声,放大也允许减少包含弱散射体的物体的采集时间。


在线扫描拉曼成像仪中,光谱仪入口狭缝常被用作共聚焦操作的空间滤波。然而,由狭缝提供的截面强度不如由更常见的针孔提供的截面强度。对目标的点扩散函数沿狭缝方向逐像素反卷积,可以得到较强的分割效果。


视场照明和成像检测


窄带滤波器可用于拉曼成像。第一个成功的现代仪器采用了干涉滤波器,它可以倾斜以改变通带。随后,声光可调谐滤波器(AOTF)和液晶可调谐滤波器(LCTF)被引入到拉曼成像中,并提供了电子可调谐性。可调滤波器方法已被证明是测量隔离波段最有用的方法。如果只需要几个帧来定义波段,全球拉曼成像可以相当快。当有许多重叠波段或非线性背时,许多图像必须以不同的拉曼位移拍摄,时间优势就消失了。


需要注意的是,声光滤波器透射率仅为50%左右,而液晶滤波器的透射率约为20 - 40%。相比之下,电介质滤光片通过80-90%的入射光。这种差异是因为AOTF和LCTF都作用于线偏振光。在大多数拉曼微探针中,拉曼散射的两个偏振分量都被收集,即使激发激光是线偏振的。


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