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CN114732371A - 一种拉曼光谱探头及拉曼光谱探测装置 - Google Patents

一种拉曼光谱探头及拉曼光谱探测装置 Download PDF

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CN114732371A
CN114732371A CN202210659104.8A CN202210659104A CN114732371A CN 114732371 A CN114732371 A CN 114732371A CN 202210659104 A CN202210659104 A CN 202210659104A CN 114732371 A CN114732371 A CN 114732371A
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王毅庆
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Nanjing Nuoyuan Medical Devices Co Ltd
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Abstract

本申请提供一种拉曼光谱探头及拉曼光谱探测装置，涉及医疗器械技术领域，包括光纤模组，以及依次设置在光纤模组的光路上的放大透镜组和探测窗，光纤模组包括激发光纤和平行且环绕于激发光纤的纤芯外周的多个收集光纤，探测窗位于放大透镜组中靠近探测端的透镜的物距处；放大透镜组包括多个依次设置的凸透镜，相邻两个凸透镜之间的距离等于前一个凸透镜的像距和后一个凸透镜的物距之和；放大透镜组的多个凸透镜的焦距均为f，且均满足物像距比为n：1，放大透镜组的长度L满足
Figure P_220610095829717_717619001
；
Figure P_220610095829750_750824002
，N为放大倍数，m为凸透镜数量。

Description

一种拉曼光谱探头及拉曼光谱探测装置
技术领域
本申请涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种拉曼光谱探头及拉曼光谱探测装置。
背景技术
肿瘤的无创诊断是当前癌症研究领域前沿问题，拉曼光谱是一种新型光学诊断技术，其谱峰频率与分子结构息息相关，可以用来分析肿瘤组织中的分子组成及含量，并通过采集肿瘤的“拉曼指纹”来实现高精度诊断。而其中的手持式拉曼光谱探头因其便携性和灵活性，相比共聚焦扫描拉曼显微镜更具有临床应用前景。
但现有的手持式拉曼光谱探头的聚焦位置是非接触式的，即待测位置距离探头有一定距离，而一旦测量时没有聚焦好，会因能量分散造成拉曼信号显著降低，从而影响测试结果的灵敏性和谱峰强度。不同于实验室环境下可使用铁架台等工具固定、夹持探头，临床应用场景下，为了应对深度、角度多变的手术环境，操作者需要手持拉曼光谱探头进行灵活测量，这就不可避免地因操作者手部抖动造成难以达到理想聚焦状态，所获取的拉曼信号的可靠性、重复性、稳定性均存疑，进而导致了手持式拉曼光谱探头在体内实时肿瘤探测应用中陷入瓶颈。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种拉曼光谱探头及拉曼光谱探测装置，能够使待测物恰处于最佳激发光纤的聚焦位置，以提高拉曼信号的可靠性和稳定性，且便携性好。
本申请实施例的一方面，提供了一种拉曼光谱探头，包括光纤模组，以及依次设置在所述光纤模组的光路上的放大透镜组和探测窗，所述光纤模组包括激发光纤和平行且环绕于所述激发光纤的纤芯外周的多个收集光纤，所述探测窗位于所述放大透镜组中靠近探测端的透镜的物距处；所述放大透镜组包括多个依次设置的凸透镜，相邻两个所述凸透镜之间的距离等于前一个所述凸透镜的像距和后一个所述凸透镜的物距之和；所述放大透镜组的多个所述凸透镜的焦距均为f，且均满足物像距比为n：1，所述放大透镜组的长度L满足：
Figure P_220610095836027_027657001
；其中，
Figure P_220610095836058_058920002
，N为放大倍数，m为凸透镜的数量，m为不包含0的自然数；n为自变量，L为因变量，f和log10N为固定常数，n为N的正整数次方根，n为方程
Figure P_220610095836074_074542003
的一个正数解,得到mideal的理想值为lognN， m=[mideal]。
可选地，多个所述凸透镜的相对位置通过外部设置的螺母调节，以使多个所述凸透镜之间保持等距且距离可变，多个所述凸透镜之间的距离通过电子卡尺反馈给计算机；其中，靠近所述光纤模组的所述凸透镜和所述激发光纤出口之间的距离为u，u是以下方程的一个正数解:
Figure P_220610095836105_105320001
；S是所述激发光纤出口到所述探测窗的外表面的固定距离，fm是m个组合所述凸透镜的等效焦距，fm≤S/4，且满足：
Figure P_220610095836137_137062002
；其中
Figure P_220610095836153_153611003
是相邻所述凸透镜之间的距离，f是每个所述凸透镜的焦距；所述电子卡尺实时读取多个所述凸透镜之间的距离
Figure P_220610095836185_185390004
，由所述计算机根据上述两个公式实时计算出理论上靠近所述光纤模组的所述凸透镜和所述激发光纤出口之间的距离u，并与所述距离
Figure P_220610095836201_201010005
比对，直至所述距离
Figure P_220610095836216_216631006
实际值调节至u±σ，σ不超过1% u 。
可选地，多个所述收集光纤环绕所述激发光纤设置的横截面形成多层同心的六边形，所述激发光纤位于所述六边形的中心。
可选地，所述激发光纤和所述收集光纤的径向截面为圆形或任意正多边形。
可选地，所述激发光纤连接至785nm激光器，多个所述收集光纤汇集连接至拉曼光谱仪。
可选地，所述激发光纤的出光端设置有圆形带通滤光片，所述圆形带通滤光片的带宽为 5nm，以通过中心波长为785nm的光束；所述收集光纤的入光端设置有环形长通滤光片，以覆盖多个所述收集光纤并与所述圆形带通滤光片形成嵌套结构，以通过的光束范围是200 cm-1-3500cm-1的光束。
可选地，所述激发光纤、所述收集光纤和/或所述光纤模组外套设有光纤保护层。
可选地，所述探测窗为材质为氟化钙的玻璃。
本申请实施例的另一方面，提供了一种拉曼光谱探测装置，包括：上述的拉曼光谱探头和探测器，所述探测器和所述拉曼光谱探头的收集光纤的出光端连接。
本申请实施例提供的拉曼光谱探头及拉曼光谱探测装置，激发光纤导出激发光，经放大透镜组放大后，通过探测窗入射待测物，而后携带待测物信息的导回光束再经探测窗折返，经放大透镜组后呈散射状导回收集光纤，以完成探测诊断；通过放大透镜组的放大效应，实现激发光的聚缩，从而提高单位面积内激发光的功率，进而提高拉曼探测的灵敏度；并且，将探测窗设置于放大透镜组中靠近探测端的透镜的物距处，探测窗紧贴待测物，这样一来，不仅固定了测量距离，还使待测物恰处于最佳激发光束聚焦位置，解决了现有手持拉曼光谱探头在手持测量时，常因手部抖动而造成的聚焦位置不精确、测量结果稳定性和重复性差的问题，同时本申请通过将探测窗设置于放大透镜组中靠近探测端的透镜的物距处，实现了高倍聚焦，高倍聚焦的激发光达到了显微镜物镜的聚焦效果，使其灵敏度和空间分辨率在物镜端达到媲美共聚焦扫描拉曼显微镜的程度。同时，放大透镜组的多个凸透镜组合使用的方式，可以极大地缩小激光会聚后的光斑，从而提高激发光功率密度和测量空间分辨率；结合探测窗固定在最后一个凸透镜物距处，实现了接触测量时的高精准聚焦。以上两点使得该手持式拉曼探头能够达到类似共聚焦拉曼显微镜的激发光功率密度和测量空间分辨率，同时具备便携性。拉曼光谱探头作为手持探头具备便携性和灵活性，以适应广泛的应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本实施例提供的拉曼光谱探头结构示意图；
图2是本实施例提供的拉曼光谱探头的光纤模组的径向截面结构示意图；
图3是本实施例提供的拉曼光谱探头的放大透镜组的结构示意图。
图标：101-激发光纤；102-收集光纤；103-光纤保护层；104-放大透镜组；1041、1042-凸透镜；105-探测窗。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本申请实施例提供一种拉曼光谱探头，可应用于疾病诊断，请参照图1所示，本申请实施例提供的拉曼光谱探头包括光纤模组，以及依次设置在光纤模组的光路上的放大透镜组104和玻璃，光纤模组包括激发光纤101和平行且环绕于激发光纤101的纤芯外周的多个收集光纤102，玻璃位于放大透镜组104中靠近探测端的透镜的物距处；放大透镜组104包括多个依次设置的凸透镜，相邻两个凸透镜之间的距离等于前一个凸透镜的像距和后一个凸透镜的物距之和；放大透镜组104的多个凸透镜的焦距均为f，且均满足物像距比为n：1，放大透镜组104的光路长度L满足：
Figure P_220610095836232_232261001
（1）；
其中，
Figure P_220610095836263_263593001
，N为放大倍数，m为凸透镜的数量，m为不包含0的自然数；n为自变量，L为因变量，f和log10N为固定常数，n为N的正整数次方根，n为方程
Figure P_220610095836294_294746002
的一个正数解,得到mideal的理想值为lognN， m=[mideal]。
光纤模组包括一个激发光纤101和多个收集光纤102，多个收集光纤102环绕于激发光纤101纤芯的外周，且多个收集光纤102和激发光纤101平行，激发光纤101用于导出激发光，收集光纤102用于导回探测端的探测信号。需要说明的是，探测端的探测信号形成的光束在返回收集光纤102时形成漫反射，因此探测信号形成的光束能够呈散射状导回，以被多个收集光纤102接收。激发光纤101连接至785nm激光器，所述收集光纤102汇集连接至拉曼光谱仪。
进一步地，如图2所示，多个收集光纤102环绕激发光纤101设置的横截面形成多层同心的六边形，激发光纤101位于六边形的中心。
多个收集光纤102和位于中心的激发光纤101形成的光纤模组的横截面为多层同心六边形，激发光纤101位于多层六边形的中心，多个收集光纤102环绕激发光纤101在外周形成多层，每层形成一个六边形结构，光纤模组整体构成蜂巢排列型的光纤光学结构，这样一来，可以最大程度地利用收集光纤102横截面平面在六边形结构中占据的收集角，从而提高收集光纤102收集拉曼信号的效率，进而提高拉曼光谱探头探测的灵敏度。
此外，激发光纤101和收集光纤102的径向截面为圆形或任意正多边形，激发光纤101和收集光纤102的径向尺寸相等。蜂巢排列型光纤结构的关键在于收集光纤102环绕激发光纤101进行多层正六边形密堆积排列，其包括激发光纤101和收集光纤102在内的每根光纤的截面形状可以采取圆形或任意正多边形，均可达到光纤模组尽可能利用多层六边形收集平面内的面积、达到收集效率最大化的技术效果。
激发光纤101和收集光纤102的径向截面无论采用何形状，但是激发光纤101和收集光纤102的径向截面形状应相同；示例地，在本申请的一个实施例中，光纤模组采用同为200 μm直径、圆形截面的激发光纤101和收集光纤102。当然也可采用其他截面形状，并不以上述圆形截面为限；例如激发光纤101和收集光纤102的径向截面可均为正六边形，如此等等，此处不再赘述。
在本申请的一个可实现的方式中，激发光纤101的出光端还可设置有圆形带通滤光片，圆形带通滤光片的带宽为 5nm，允许通过中心波长为785nm的光束；以用于抑制杂散光，能够尽可能提升激发光纤101出射的激发光的穿透性，以使其适合大角度入射的场景，带通内的光谱平坦，阻止带隔离度好，波长定位准确。
而收集光纤102的入光端可设置有长通滤光片，长通滤光片具有通带内的高透射率和阻带内的高抑制特性，可快速跃迁，从而实现所需波长范围内的卓越光谱隔离。
其中，因收集光纤102具有多个，每个收集光纤102的入光端可分别设置环形长通滤光片，也可多个收集光纤102共用一个环形长通滤光片，此时环形长通滤光片形成中心具有通孔的环形，中心的通孔避开激发光纤101，环形区域即可使多个收集光纤102共用，换言之，环形长通滤光片可以覆盖所有收集光纤102，并且环形长通滤光片还与圆形带通滤光片形成嵌套结构，允许通过的光束范围是200 cm-1-3500cm-1的光束。
上述激发光纤101的出光端指的是激发光纤101靠近放大透镜组104的一端，收集光纤102的入光端指的是收集光纤102靠近放大透镜组104的一端。
激发光纤101、收集光纤102和/或光纤模组外套设有光纤保护层103，激发光纤101和多个收集光纤102形成的光纤模组的整体外套设有光纤保护层103，以对光纤模组整体形成保护；每根收集光纤102和激发光纤101外也套设有光纤保护层103，以对单根光纤进行保护。光纤模组整体套设光纤保护层103和每根光纤套设光纤保护层103，这两种设置根据具体需要可择其一，也可兼得，兼得时能够加倍提升对光纤的保护。
另一方面，在光纤模组的光路上依次设置放大透镜组104和探测窗105，放大透镜组104用于放大激发光纤101导出的激发光信号，以提高激发能量密度；探测窗105用于和待测物直接接触，控制聚焦距离，探测窗105位于放大透镜组104中靠近探测端的透镜的物距处，换言之，本申请采用的是一个物侧表面恰位于放大透镜组104物侧焦平面的探测窗105，其物侧表面紧贴待测物测量，固定测量距离的同时，还使待测物恰处于最佳激发光束聚焦位置，提高本申请实施例提供的拉曼光谱探头的聚焦精度。
并且，探测窗105为材质为氟化钙的玻璃，不采用普通玻璃或石英作为探测窗105，以避免因激发光聚焦产生的强荧光背景信号对拉曼信号的干扰。探测窗105采用氟化钙材质，是考虑到激光同时会聚在探测窗105外表面和待测物表面，需要规避探测窗105本身材质造成的拉曼信号背景干扰。
一个物侧表面恰位于放大透镜组104物侧焦平面的玻璃，能用于控制测量距离，同时还具备防污的功能，本领域技术人员还可以采用空腔结构的外壳来代替玻璃，实现控制测量距离的功能，或进一步在玻璃上设置防污镀膜来实现防污的功能。
本申请实施例提供的拉曼光谱探头的工作原理为，激发光纤101靠近放大透镜组104的一端为出光端，激发光纤101由其出光端导出激发光至放大透镜组104后经探测窗105导出至待测物；而收集光纤102靠近放大透镜组104的一端为入光端、远离放大透镜组104的一端为出光端，携带待测物信息的导回光束经探测窗105、放大透镜组104后由收集光纤102的入光端导回收集光纤102内，并经收集光纤102的出光端导出，以完成对待测物的检测。
本申请实施例提供的拉曼光谱探头在使用时，激发光纤101导出激发光信号，激发光信号经放大透镜组104放大后，通过探测窗105传导至待测物上进行探测，然后携带待测物信息的导回光束再依次通过探测窗105和放大透镜组104后导回至收集光纤102，通过收集光纤102的反馈可以得到待测物的探测信息，完成探测诊断。其中，导回光束导回收集光纤102时，由于漫反射，导回光束呈散射状分别入射多个收集光纤102，以被多个收集光纤102接收。
进一步地，请参照图3所示，放大透镜组104包括多个依次设置的凸透镜，相邻两个凸透镜之间的距离等于前一个凸透镜的像距和后一个凸透镜的物距之和。
多个凸透镜形成放大透镜组104，多个凸透镜依次设置，并且，相邻两个凸透镜之间的距离等于前一个凸透镜的像距和后一个凸透镜的物距之和，换言之，多个凸透镜中，前一个凸透镜的像为后一个凸透镜的物。
此外，放大透镜组104的多个凸透镜的焦距均为f，且均满足物像距比为n：1，放大透镜组104的光路长度L满足：
Figure P_220610095836310_310381001
（1）；
其中，
Figure P_220610095836342_342581001
，N为放大倍数，m为凸透镜的数量，m为不包含0的自然数。
上述公式（1）中，n为自变量，L为因变量，f和log10N对于要实现的设计为固定常数，为了使结构更紧凑，需要求得L的最小值，并要求n只能取N的正整数次方根。n在理想情况下的最佳取值是方程
Figure P_220610095836358_358730001
的一个正数解，据此得到mideal的理想值为lognN；实际设计过程中取最佳m值为mideal左右最近的正整数，通常考虑到设计复杂性和成本，m值取为较小的那个正整数，即[mideal]。
放大透镜组104的多个凸透镜组合使用的方式，可以极大地缩小激光会聚后的光斑，从而提高激发光功率密度和测量空间分辨率；结合探测窗固定在最后一个凸透镜物距处，实现了接触测量时的高精准聚焦。以上两点使得该手持式拉曼探头能够达到类似共聚焦拉曼显微镜的激发光功率密度和测量空间分辨率，同时具备便携性。
对于多个凸透镜的放大倍率选择，提出一个优选函数，如下：
对于一个给定的要实现的总放大倍数N，若采用m组物像距比均为n:1的焦距为f的凸透镜组合的方式，整个光路的长度为L，满足：
Figure P_220610095836389_389994001
（2）；
Figure P_220610095836405_405606001
（3）；
将（3）代入（2），可得到公式（1）。
其中n为自变量，L为因变量，f和log10N对于要实现的设计为固定常数，为了使结构更紧凑，需要求得L的最小值，并要求n只能取N的正整数次方根，即：
Figure P_220610095836436_436840001
（4）；
n在理想情况下的最佳取值是方程：
Figure P_220610095836452_452471001
（5）的一个正数解，据此得到mideal的理想值为lognN，实际设计过程中取最佳m值为mideal左右最近的正整数，通常考虑到设计复杂性和成本，m值取为较小的那个正整数，即[mideal]。
例如，本申请实施例提供的拉曼光谱探头，要使放大透镜组104实现N=49倍的倍率时：
m=1时，n=49，L=51.02f;
m=2时，n=7，L=18.28f;
m=3时，n=3.66，L=17.80f;
m=4时，n=2.65，L=20.11f；
公式（1）中若n连续取值在n=4.6处取得最小值，可知m=3为理论最佳取值，但因为L=18.28f和L=17.80f相差不大，却相差一个凸透镜，从成本和光路调试复杂度角度考虑，选择m=2, n=7的方案，即两个放大倍率为7的凸透镜的组合方案。
因此，本申请根据式（1）和（4）及筛选方案，可以确认扩大放大倍率的范围并说明优选放大透镜组104方案。
综上，本申请实施例提供的拉曼光谱探头，激发光纤101导出激发光，经放大透镜组104放大后，通过探测窗105入射待测物，而后携带待测物信息的导回光束再经探测窗105折返，经放大透镜组104后呈散射状导回收集光纤102，以完成探测诊断；通过放大透镜组104的放大效应，实现激发光的聚缩，从而提高单位面积内激发光的功率，进而提高拉曼探测的灵敏度；并且，将探测窗105设置于放大透镜组104中靠近探测端的透镜的物距处，探测窗105紧贴待测物，使光斑汇聚点位于探测窗105外表面上，这样一来，不仅固定了测量距离，还使待测物恰处于最佳激发光束聚焦位置，解决了现有手持拉曼光谱探头在手持测量时，常因手部抖动而造成的聚焦位置不精确、测量结果稳定性和重复性差的问题，同时本申请通过将探测窗105设置于放大透镜组104中靠近探测端的透镜的物距处，实现了高倍聚焦，高倍聚焦的激发光达到了显微镜物镜的聚焦效果，使其灵敏度和空间分辨率在物镜端达到媲美共聚焦扫描拉曼显微镜的程度。同时，放大透镜组104的多个凸透镜组合使用的方式，可以极大地缩小激光会聚后的光斑，从而提高激发光功率密度和测量空间分辨率；结合探测窗固定在最后一个凸透镜物距处，实现了接触测量时的高精准聚焦。以上两点使得该手持式拉曼探头能够达到类似共聚焦拉曼显微镜的激发光功率密度和测量空间分辨率，同时具备便携性。拉曼光谱探头作为手持探头具备便携性和灵活性，以适应广泛的应用场景。
进一步地，多个凸透镜的相对位置可以通过外部设置的螺母调节，保持多个凸透镜之间始终等距且距离可变，并由电子卡尺实时读取多个凸透镜之间的距离传给计算机，但最终光斑会聚的位置不变，均为探测窗105的外表面，则要求距离光纤模组最近的凸透镜和激发光纤101出口之间的距离为u，u是以下方程的一个正数解:
Figure P_220610095836483_483736001
（6）；
该方程由
Figure P_220610095836502_502274001
和
Figure P_220610095836534_534020002
可得，（v为放大透镜组104的等效像距）；其中S是激发光纤101出口到探测窗105的外表面的固定距离，fm是m个组合凸透镜的等效焦距，fm≤S/4方程方能有解，且根据组合凸透镜的等效焦距公式满足：
Figure P_220610095836566_566732001
；
即
Figure P_220610095836582_582357001
；
即
Figure P_220610095836613_613612001
；
则
Figure P_220610095836629_629253001
是首项为
Figure P_220610095836660_660480002
、公比为
Figure P_220610095836691_691731003
的等比数列，则有：
Figure P_220610095836707_707362001
（7）；
其中
Figure P_220610095836738_738610001
是相邻凸透镜之间的距离（中心间距），f是每个凸透镜的焦距。
每次调节位置时，通过电子卡尺实时读取多个凸透镜之间的距离
Figure P_220610095836756_756644001
的数据，由计算机根据上述两个公式（6）（7）实时计算出理论上距离激发光纤101最近的凸透镜的距离u，并与电子卡尺实时读取的距离激发光纤101最近的凸透镜的距离
Figure P_220610095836772_772775002
比对，直至该距离
Figure P_220610095836804_804029003
实际值调节至u±σ，σ根据螺距加工精度而定，一般不能超过1% u。
放大透镜组104经过多级放大激发光信号，并结合接触式的探测窗105进行聚焦的空间光学结构中，根据想要达到的放大倍率的不同，本领域技术人员可以采用不同个数的凸透镜进行组合以形成放大透镜组104，也可根据需要选取直径、焦距不同的凸透镜来进行组合以实现高倍率聚焦、缩小光斑的目的，其技术核心在于每一个凸透镜的像与下一个凸透镜的物位置重叠，从而实现多级放大。同时越靠近待测物的凸透镜的直径应更大，以提高激发光的利用率。
在本申请的一个可实现的方式中，为实现约50倍的聚焦倍率，放大透镜组104可为两个凸透镜组成，分别为凸透镜1041、凸透镜1042。
示例地，如图3所示，当激发光纤101出射截面为物时，凸透镜1041、凸透镜1042的物距相距比均为7：1，假设凸透镜1041、凸透镜1042的焦距（从激发光纤101向待测物方向）依次为f1和f2，则根据凸透镜成像公式
Figure F_220610095834987_987630001
，凸透镜1041、凸透镜1042的物距分别为u1=8f1、u2=8f2, 凸透镜1041、凸透镜1042的像距分别为v1=8f1/7、v2=8f2/7。其中，凸透镜1041的像视为凸透镜1042的物。由此实现多级放大、49倍率聚焦，使得聚焦处光斑为激发光纤101出射截面的1/49，提高激发能量密度。
综上，本申请实施例提供的拉曼光谱探头，为蜂巢排列型的光纤光学结构和多级放大透镜组104结合接触式探测窗105进行聚焦的空间光学结构，蜂巢排列型的光纤光学结构包括位于中心位置、用于导出激发光的激发光纤101，以及周围成蜂巢六边形排列、用于导回拉曼散射光的收集光纤102，激发光纤101与收集光纤102采用相同大小的直径，以确保蜂巢排列型光纤最大可能收集到返回的拉曼光学信号；蜂巢排列型光纤结构，最大化收集效率，从而提高检测灵敏度；
多级放大透镜组104结合接触式探测窗105进行聚焦的空间光学结构，包括由多个凸透镜组合而成的、物像互为耦合的高倍率聚焦放大透镜组104，和一个物侧表面恰位于放大透镜组104物侧焦平面的探测窗105（此处的物侧指待测物体一侧，也即整个探头指向的一侧）。一个物侧表面恰位于放大透镜组104物侧焦平面的探测，测量时其物侧表面直接接触待测物（如肿瘤组织），以确保测量处恰处于激发光束最佳聚焦位置，从而提高测量结果的稳定性和可靠性。
本申请采用的蜂巢排列型光纤光学结构，可以最大程度地利用收集平面占据的收集角，从而提高收集拉曼信号的效率，进而提高拉曼检测灵敏度；多级凸透镜结合接触式探测窗105进行聚焦的空间光学结构，可通过放大透镜组104多级放大效应，实现激发光的聚缩，使得激发光可以聚得更小,从而提高单位面积内激发光功率，进而提高拉曼检测灵敏度；所采用的一个物侧表面恰位于透镜组物侧焦平面的探测窗105，其物侧表面紧贴待测物测量，不仅固定了测量距离，使待测物恰处于最佳激发光束聚焦位置，探测窗105设置为玻璃，起到防污的作用，提高内部光学元件使用寿命和长期性能表现一致性。由此，解决了现有手持拉曼光谱探头在手持测量时常因手部抖动而造成的聚焦位置不精确、测量结果稳定性和重复性差的问题，同时高倍聚焦的激发光斑达到了显微镜物镜的聚焦效果，使其灵敏度和空间分辨率在物镜端达到媲美共聚焦扫描拉曼显微镜的程度，而不失其作为手持探头的便携性和灵活性。
另一方面，本申请实施例还公开了一种拉曼光谱探测装置，包括如上任意一项的拉曼光谱探头和探测器，探测器和拉曼光谱探头的收集光纤102的出光端连接。
本申请实施例提供的拉曼光谱探测装置工作时，拉曼光谱探头的激发光纤101导出激发光，激发光经放大透镜组104多级放大效应，实现激发光的聚缩，提高单位面积内激发光功率，以提高拉曼检测灵敏度；多级放大后的激发光经探测窗105传导至待测物，探测窗105物侧表面恰位于放大透镜组104物侧焦平面，探测窗105物侧表面紧贴待测物测量，固定测量距离的同时还能使待测物恰处于最佳激发光束聚焦位置，使得聚焦位置精确、测量结果稳定性和重复性高；而后，接收到激发光的待测物将携带有其信息的导回光束折返，导回光束再经探测窗105和放大透镜组104导回至收集光纤102，探测器和收集光纤102的出光端连接，收集光纤102接收携带待测物信息的导回光束并反馈给探测器，经探测器分析、处理，可得到待测物的探测信息，完成探测诊断。
该拉曼光谱探测装置包含与前述实施例中的拉曼光谱探头相同的结构和有益效果。拉曼光谱探头的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种拉曼光谱探头，其特征在于，包括：光纤模组，以及依次设置在所述光纤模组的光路上的放大透镜组和探测窗，所述光纤模组包括激发光纤和平行且环绕于所述激发光纤的纤芯外周的多个收集光纤，所述探测窗位于所述放大透镜组中靠近探测端的透镜的物距处；所述放大透镜组包括多个依次设置的凸透镜，相邻两个所述凸透镜之间的距离等于前一个所述凸透镜的像距和后一个所述凸透镜的物距之和；所述放大透镜组的多个所述凸透镜的焦距均为f，且均满足物像距比为n：1，所述放大透镜组的长度L满足：
Figure P_220610095832296_296743001
；
其中，
Figure P_220610095832312_312344001
，N为放大倍数，m为凸透镜的数量，m为不包含0的自然数；n为自变量，L为因变量，f和log10N为固定常数，n为N的正整数次方根，n为方程
Figure P_220610095832345_345515002
的一个正数解，得到mideal的理想值为lognN， m=[mideal]。
2.根据权利要求1所述的拉曼光谱探头，其特征在于，多个所述凸透镜的相对位置通过外部设置的螺母调节，以使多个所述凸透镜之间保持等距且距离可变，多个所述凸透镜之间的距离通过电子卡尺反馈给计算机；其中，靠近所述光纤模组的所述凸透镜和所述激发光纤出口之间的距离为u，u是以下方程的一个正数解:
Figure P_220610095832361_361651001
；
S是所述激发光纤出口到所述探测窗的外表面的固定距离，fm是m个组合所述凸透镜的等效焦距，fm≤S/4，且满足：
Figure P_220610095832392_392915001
；
其中
Figure P_220610095832408_408531001
是相邻所述凸透镜之间的距离， f是每个所述凸透镜的焦距；
所述电子卡尺实时读取多个所述凸透镜之间的距离
Figure P_220610095832439_439778001
，由所述计算机根据上述两个公式实时计算出理论上靠近所述光纤模组的所述凸透镜和所述激发光纤出口之间的距离u，并与所述距离
Figure P_220610095832455_455415002
比对，直至所述距离
Figure P_220610095832486_486664003
实际值调节至u±σ，σ不超过1% u。
3.根据权利要求1所述的拉曼光谱探头，其特征在于，多个所述收集光纤环绕所述激发光纤设置的横截面形成多层同心的六边形，所述激发光纤位于所述六边形的中心。
4.根据权利要求1所述的拉曼光谱探头，其特征在于，所述激发光纤和所述收集光纤的径向截面为圆形或任意正多边形。
5.根据权利要求1所述的拉曼光谱探头，其特征在于，所述激发光纤连接至785nm激光器，多个所述收集光纤汇集连接至拉曼光谱仪。
6.根据权利要求1所述的拉曼光谱探头，其特征在于，所述激发光纤的出光端设置有圆形带通滤光片，所述圆形带通滤光片的带宽为 5nm，以通过中心波长为785nm的光束；所述收集光纤的入光端设置有环形长通滤光片，以覆盖多个所述收集光纤并与所述圆形带通滤光片形成嵌套结构，以通过的光束范围是200 cm-1-3500cm-1的光束。
7.根据权利要求1所述的拉曼光谱探头，其特征在于，所述激发光纤、所述收集光纤和/或所述光纤模组外套设有光纤保护层。
8.根据权利要求1所述的拉曼光谱探头，其特征在于，所述探测窗为材质为氟化钙的玻璃。
9.一种拉曼光谱探测装置，其特征在于，包括如权利要求1-8任意一项所述的拉曼光谱探头和探测器，所述探测器和所述拉曼光谱探头的收集光纤的出光端连接。
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