本发明涉及光谱检测技术领域，尤其涉及一种空间偏移量可调的拉曼光谱系统及拉曼光谱探测方法。
背景技术：
传统的拉曼光谱只能探测样品的浅表信息或者只能穿透透明的表层来探测底层。而新型的空间位移拉曼光谱(Spatially Offset Raman Spectroscopy，简称SORS)技术可以深入探测样品若干毫米，以分析不透明样品内部的化学信息。许多分析应用需要很高的化学专属性，以及穿透多层不透明样品或不透明包材的能力，比如无损伤检测骨骼疾病、搜索隐蔽的爆炸物、识别包装内的假药。传统的拉曼光谱是背向散射形式的，易于实现，但是穿透深度很浅(比如几百微米厚的生物组织)。最近，随着空间位移拉曼光谱SORS的诞生，穿透深度大大增加了。
空间位移拉曼光谱SORS是英国人提出的一种专利拉曼技术(参考专利号：参考专利号：US7652763，CN101115987，EP1828753，US7911604，GB2457212，AU2005313145，JP5449712007)，可以透过厚的覆盖层检测到高质量的拉曼光谱信号，可以明确的区分物料和容器的拉曼光谱，实现物料和容器的同时鉴别。
空间位移拉曼光谱可以获得一个适当的漫散射样品逐层的拉曼光谱，且激光功率较低。SORS方法原理是在样品表面离开激光照射点一定位移处收集拉曼信号，位移ΔS越大，所得拉曼信号中更深层样品的贡献越多。荧光的情况也是类似的。
SORS不但具有拉曼光谱的化学专属性，而且能提供样品深层的信息，有着巨大而广泛的应用前景，能广泛应用在非侵入骨骼拉曼光谱、癌症诊断工具的开发、探测漫散射塑料瓶中的假药、邮件安检、探测液态和固态爆炸物等领域。
现有技术中，单一的光纤束只能设计固定的空间偏移量，而实际应用中，不同的穿透深度所对应的空间偏移量要求并不相同，为了实现对不同偏移量的采样，通常需要相应的移动采样的光纤端口或移动激光光斑的位置进行分时采集，或布置更多的采样光纤以覆盖足够大的偏移量范围，这些手段会导致光纤束设计复杂或大大增加传感器的数量。
技术实现要素：
为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种空间偏移量可调的拉曼光谱系统及拉曼光谱探测方法。
本发明提供了一种空间偏移量可调的拉曼光谱系统，包括：激光器、光路转换装置、聚焦采集光学系统、耦合光学系统、光纤束、至少一光谱仪；
所述激光器用于输出准直平行的激光光束；
所述光路转换装置设置于所述激光器输出激光光束的输出光路上，用于对所述激光光束进行反射；
所述聚集采集光学系统以垂直于所述光路转换装置反射的激光光束的方式设置于所述光路转换装置的一侧，用于聚集所述光路转换装置反射后的光束并且采集信号光束并准直为平行光束；
所述耦合光学系统以垂直于所述光路转换装置透射的激光光束的方式设置于所述光路转换装置的另一侧，用于将接收到的光束进行汇聚成像并耦合至光纤束的输入端；
所述光纤束的输入端设置于所述耦合光学系统的焦平面处，所述光纤束的输入端的光纤呈环状分布，中心处设置至少一根光纤，外环位置设置多根与中心处的光纤的距离相同并且构成圆形排列的光纤；所述光纤束的输出端连接所述光谱仪。
上述空间偏移量可调的拉曼光谱系统还具有以下特点：
所述聚焦采集光学系统为定焦光学系统，所述耦合光学系统为变焦光学系统；
或者，所述聚焦采集光学系统为变焦光学系统，所述耦合光学系统为定焦光学系统；
或者，所述聚焦采集光学系统和所述耦合光学系统均为变焦光学系统。
上述空间偏移量可调的拉曼光谱系统还具有以下特点：
所述光谱仪为成像光谱仪时，所述光谱仪的个数为1个，所述光纤束具有一个输出端，所述光纤束的输出端的光纤呈线状分布并且与所述光谱仪的狭缝耦合，所述光纤束的输入端的中心光纤的另一端位于所述光纤束的输出端的一端。
上述空间偏移量可调的拉曼光谱系统还具有以下特点：
所述光谱仪为非成像光谱仪时，所述光谱仪的个数为2个，所述光谱仪包括第一光谱仪和第二光谱仪，所述光纤束为Y型光纤束具有两个输出端，第一输出端的光纤呈线状分布并且与第一光谱仪的狭缝耦合，第一输出端的光纤的数量为所述光纤束的输入端的外环位置的光纤的数量，第二输出端的光纤呈线状分布并且与所述第二光谱仪的狭缝耦合，第二输出端的光纤的数量为所述光纤束的输入端的中心位置的光纤的数量。
上述空间偏移量可调的拉曼光谱系统还具有以下特点：
所述拉曼光谱仪还包括设置于所述激光器和所述光路转换装置之间的与所述激光器的激光光束垂直的净化滤光片；
还包括设置于所述光路转换装置和耦合光学系统之间的陷波滤光片。
本发明还提供了一种拉曼光谱探测方法，包括：
将样品放置于聚焦采集光学系统的焦点处；通过激光器发射准直平行的激光光束；
光路转换装置将接收到的激光光束反射到聚焦采集光学系统，所述聚焦采集光学系统将所述光路转换装置反射的激光光束聚集在放置有样品的焦点处，并透射从样品散射回的光束，此光束包含中心视场的零空间偏移拉曼散射光束和非中心视场具有空间偏移量的空间偏移拉曼散射光束；
所述耦合光学系统将接收到的光束进行汇聚成像并耦合至光纤束的输入端，将不同视场处的光束分别汇聚至光纤束的输入端的不同位置，具体的令中心光纤对应中心视场从而耦合零空间偏移拉曼散射光束，令外环光纤束对应非中心视场从而耦合空间偏移拉曼散射光束；
通过光谱仪采集光谱信号；如果当前空间偏移量不符合采集要求时，根据以下方式调整空间偏移的大小以实现不同空间位移量的拉曼光谱采集：
所述聚焦采集光学系统是变焦光学系统并且所述耦合光学系统是定焦光学系统时，调整所述聚焦采集光学系统的焦距再次进行采集；
所述聚焦采集光学系统是定焦光学系统并且所述耦合光学系统是变焦光学系统时，调整所述耦合光学系统的焦距再次进行采集；
所述聚焦采集光学系统是变焦光学系统并且所述耦合光学系统是变焦光学系统时，调整所述聚焦采集光学系统和所述耦合光学系统的焦距再次进行采集。
上述拉曼光谱探测方法还具有以下特点：
所述空间位移量的大小由聚焦采集光学系统的焦距f3和所述耦合光学系统的焦距f4及光纤外环半径R0所决定，满足R＝R0*f4/f3，其中R为所述空间位移量。
上述拉曼光谱探测方法还具有以下特点：
所述光谱仪为成像光谱仪时，所述光谱仪的个数为1个，所述光纤束具有一个输出端，所述光纤束的输出端的光纤呈线状分布并且与所述光谱仪的狭缝耦合，所述光纤束的输入端的中心光纤的另一端位于所述光纤束的输出端的一端。
上述拉曼光谱探测方法还具有以下特点：
所述光谱仪为非成像光谱仪时，所述光谱仪的个数为2个，所述光谱仪包括第一光谱仪和第二光谱仪，所述光纤束为Y型光纤束具有两个输出端，第一输出端的光纤呈线状分布并且与第一光谱仪的狭缝耦合，第一输出端的光纤的数量为所述光纤束的输入端的外环位置的光纤的数量，第二输出端的光纤呈线状分布并且与所述第二光谱仪的狭缝耦合，第二输出端的光纤的数量为所述光纤束的输入端的中心位置的光纤的数量。
本发明提出的拉曼光谱探测方法，能够在不需要移动采样光纤或增加采样光纤的数量的情况下，方便地实现拉曼光谱仪的空间偏移量的可连续调节。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是实施例一中空间偏移量可调的拉曼光谱系统的结构图；
图2是实施例二中空间偏移量可调的拉曼光谱系统的结构图；
图3是实施例三中空间偏移量可调的拉曼光谱系统的结构图；
图4是实施例四中空间偏移量可调的拉曼光谱系统的结构图；
图5是使用上述空间偏移量可调的拉曼光谱系统的拉曼光谱探测方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
实施例一
图1是实施例一中空间偏移量可调的拉曼光谱系统的结构图，如图2所示，此拉曼光谱仪包括：激光器1、光路转换装置2、聚焦采集光学系统3、耦合光学系统4、光纤束5、至少一光谱仪6。
激光器1用于输出准直平行的激光光束。
光路转换装置2设置于激光器1输出激光光束的输出光路上，用于对激光光束进行反射。
聚集采集光学系统3以垂直于光路转换装置2反射的激光光束的方式设置于光路转换装置2的一侧，用于聚集光路转换装置2反射后的光束并且采集信号光束并准直为平行光束。光路转换装置2典型的为二向色性边缘滤光片，用于反射激光光束，透射信号光束。
耦合光学系统4以垂直于光路转换装置2透射的激光光束的方式设置于光路转换装置2的另一侧，用于将接收到的光束进行汇聚成像并耦合至光纤束5的输入端。
聚焦采集光学系统3为定焦光学系统，耦合光学系统4为变焦光学系统。
光谱仪6是成像光谱仪，光谱仪6的个数为1个。光纤束5的输入端设置于耦合光学系统4的焦平面处，光纤束5的输入端的光纤呈环状分布，中心处设置至少一根光纤，置于零度视场的位置，用于采集空间偏移量为零时的拉曼光谱信号，外环位置设置多根与中心处的光纤的距离相同并且构成圆形排列的光纤，用于采集空间位移量为R时的拉曼光谱信号；光纤束5的输出端连接光谱仪6。外环光纤距离中心的半径为R0，R0为光纤束的几何偏移量，R为R0经过聚焦采集光学系统3和耦合光学系统4光学放大或缩小的像的尺寸，聚焦采集光学系统3设计为变焦光学系统，其焦距为f3可调，变焦光学系统的技术为现有成熟技术，这里不再详细描述，耦合光学系统4为定焦距光学系统，其焦距为f4，则空间位移量满足R＝R0*f4/f3，通过对f4的调节即可实现不同空间位移量的测量。
光纤束5具有一个输出端，光纤束5的输出端的光纤呈线状分布并且与光谱仪6的狭缝耦合，光纤束5的输入端的中心光纤的另一端位于光纤束5的输出端的一端。此光纤可以与相邻的光纤紧密排布，为了与其他光纤更好的区分，也可以与相邻的光纤留100-200um的间隔。
光谱仪6为成像光谱仪，能将光谱仪6的狭缝处的光纤阵列成像在其面阵传感器阵列上，且能在空间维度上分开。该光谱仪能同时分析空间偏移量为零时的拉曼光谱信号，和空间偏移量为R时的SORS拉曼光谱信号，两信号落在其面阵探测器的不同位置。
拉曼光谱仪除了上述组成部件，还可以包括设置于激光器1和光路转换装置2之间的与激光器1的激光光束垂直的净化滤光片，用于净化激光波长成分，滤除杂光干扰；还可以包括设置于光路转换装置2和耦合光学系统4之间的陷波滤光片，用于阻隔采集的瑞丽散射散射光，消除干扰波段的杂散光信号。
实施例二
图2是实施例二中空间偏移量可调的拉曼光谱系统的结构图，如图3所示，此拉曼光谱系统包括：此拉曼光谱仪包括：激光器1、光路转换装置2、聚焦采集光学系统3、耦合光学系统4、光纤束5、两个光谱仪6。
实施例二与实施例一的区别在于，没有使用成像光谱仪，为了同时采集零偏移信号及SORS信号，实施例二中光谱仪6是非成像光谱仪，并且数量为2个。光谱仪6包括第一光谱仪和第二光谱仪，光纤束5为Y型光纤束，具有两个输出端，第一输出端的光纤呈线状分布并且与第一光谱仪的狭缝耦合，第一输出端的光纤的数量为光纤束5的输入端的外环位置的光纤的数量，用于采集SORS信号；第二输出端的光纤呈线状分布并且与第二光谱仪的狭缝耦合，第二输出端的光纤的数量为光纤束5的输入端的中心位置的光纤的数量，用于采集零偏移信号。
实施例三
图3是实施例三中空间偏移量可调的拉曼光谱系统的结构图，实施例三中拉曼光谱系统和实施例一中的拉曼光谱系统的不同之处在于，聚焦采集光学系统3为变焦光学系统，耦合光学系统4为定焦光学系统。
实施例四
图4是实施例四中空间偏移量可调的拉曼光谱系统的结构图，实施例四中拉曼光谱系统和实施例二中的拉曼光谱系统的不同之处在于，聚焦采集光学系统3为变焦光学系统，耦合光学系统4为定焦光学系统。
实施例五
实施例五中拉曼光谱系统和实施例一中的拉曼光谱系统的不同之处在于，聚焦采集光学系统3和耦合光学系统4均为变焦光学系统。
实施例六
实施例六中拉曼光谱系统和实施例二中的拉曼光谱系统的不同之处在于，聚焦采集光学系统3和耦合光学系统4均为变焦光学系统。
上述各实施例中，聚焦采集光学系统3或耦合光学系统4为变焦光学系统时，各附图中示意出的是最简单的变焦光学系统，具体包括变焦镜组，变焦镜组包括两个相同的凸透镜和位于两个凸透镜之间的凹透镜，通过上下移动变焦镜组可实现连续变焦。附图只作示意之用，实际的变焦光学系统是更为复杂的变焦光学系统。当耦合光学系统4为变焦光学系统时，需保证光纤束5的输入端始终位于耦合光学系统4的焦平面位置。
图5是使用上述空间偏移量可调的拉曼光谱系统的拉曼光谱探测方法的流程图，此方法包括：
步骤501，将样品放置于聚焦采集光学系统3的焦点处；通过激光器1发射准直平行的激光光束；
步骤502，光路转换装置2将接收到的激光光束反射到聚焦采集光学系统3，聚焦采集光学系统3将光路转换装置2反射的激光光束聚集在放置有样品的焦点处，并透射从样品散射回的光束,此光束包含中心视场的零空间偏移拉曼散射光束和非中心视场具有空间偏移量的空间偏移拉曼散射光束；
步骤503，耦合光学系统4将接收到的光束进行汇聚成像并耦合至光纤束5的输入端，将不同视场处的光束分别汇聚至光纤束5的输入端的不同位置，具体的令中心光纤对应中心视场从而耦合零空间偏移拉曼散射光束，令外环光纤束对应非中心视场从而耦合空间偏移拉曼散射光束；
步骤504，通过光谱仪6采集光谱信号；如果当前空间偏移量不符合采集要求时，根据以下方式调整空间偏移的大小以实现不同空间位移量的拉曼光谱采集：聚焦采集光学系统3是变焦光学系统并且耦合光学系统4是定焦光学系统时，调整聚焦采集光学系统3的焦距再次进行采集；聚焦采集光学系统3是定焦光学系统并且耦合光学系统4是变焦光学系统时，调整耦合光学系统4的焦距再次进行采集；聚焦采集光学系统3是变焦光学系统并且耦合光学系统4是变焦光学系统时，调整聚焦采集光学系统3和耦合光学系统4的焦距再次进行采集。
其中，步骤602中空间位移量R的大小由聚焦采集光学系统3的焦距f3和所述耦合光学系统4的焦距f4及光纤外环半径R0所决定，满足R＝R0*f4/f3。
光谱仪6为成像光谱仪时，光谱仪6的个数为1个，光纤束5具有一个输出端，光纤束5的输出端的光纤呈线状分布并且与光谱仪6的狭缝耦合，光纤束5的输入端的中心光纤的另一端位于光纤束5的输出端的一端。
光谱仪6为非成像光谱仪时，光谱仪6的个数为2个，光谱仪6包括第一光谱仪和第二光谱仪，光纤束5为Y型光纤束具有两个输出端，第一输出端的光纤呈线状分布并且与第一光谱仪的狭缝耦合，第一输出端的光纤的数量为光纤束5的输入端的外环位置的光纤的数量，第二输出端的光纤呈线状分布并且与第二光谱仪的狭缝耦合，第二输出端的光纤的数量为光纤束5的输入端的中心位置的光纤的数量。
本发明提出的拉曼光谱探测方法，能够在不需要移动采样光纤或增加采样光纤的数量的情况下，方便地实现空间偏移量的可连续调节。
上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。