激光共焦布里淵-拉曼光譜測量方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于顯微成像及光譜測量【技術(shù)領(lǐng)域】，將共焦顯微技術(shù)與光譜探測技術(shù)相結(jié)合，涉及一種“圖譜合一”的高分辨光譜成像與探測方法及裝置，可用于各類樣品的三維形貌重構(gòu)及微區(qū)形態(tài)性能參數(shù)測量。該方法與裝置利用傳統(tǒng)共焦拉曼系統(tǒng)遺棄的瑞利光采用共焦技術(shù)對樣品進(jìn)行位置探測，光譜探測系統(tǒng)進(jìn)行光譜探測，利用傳統(tǒng)共焦拉曼光譜探測技術(shù)遺棄的布里淵散射光對材料的彈性和壓電等性質(zhì)進(jìn)行測試，從而實(shí)現(xiàn)樣品微區(qū)高空間分形態(tài)參數(shù)測量。本發(fā)明具有定位準(zhǔn)確，高空間分辨力，光譜探測靈敏度高和測量聚焦光斑尺寸可控等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、法庭取證、微納制造、材料工程、工程物理、精密計量、物理化學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】激光共焦布里淵-拉曼光譜測量方法與裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于顯微光譜成像【技術(shù)領(lǐng)域】，將共焦顯微技術(shù)與光譜探測技術(shù)相結(jié)合，涉及一種激光共焦布里淵-拉曼光譜測量方法與裝置，可用于樣品的微區(qū)形態(tài)性能參數(shù)綜合測試與高分辨成像。
技術(shù)背景
[0002]激光共焦拉曼光譜測試技術(shù)是將顯微分析技術(shù)與拉曼光譜分析技術(shù)結(jié)合起來的新技術(shù)，它將入射激光通過顯微鏡聚焦到樣品上，從而可以在不受周圍物質(zhì)干擾的情況下，獲得所照樣品微區(qū)的分子結(jié)構(gòu)等，被稱為分子探針。它不僅可以觀測樣品同一層面內(nèi)不同微區(qū)的拉曼光譜信號，還能分別觀測樣品內(nèi)深度不同的各個層面的拉曼信號，對被測樣品進(jìn)行斷層掃描，從而在不損傷樣品的情況下達(dá)到進(jìn)行“光學(xué)切片”的效果。激光共焦拉曼光譜測試技術(shù)由于其無損光譜層析成像能力及高分辨率，已廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油化工、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、地質(zhì)、刑偵和珠寶等領(lǐng)域。
[0003]目前，典型的激光共焦拉曼光譜探測儀的原理如圖1所示，激光沿光路依次聚光鏡聚焦、針孔、準(zhǔn)直透鏡、偏振分光棱鏡、四分之一波片、物鏡后，聚焦在被測樣品上，激發(fā)出載有樣品光譜特性的拉曼散射光；移動被測樣品，使對應(yīng)被測樣品不同區(qū)域的拉曼散射光再次通過四分之一波片并被偏振分光棱鏡反射，進(jìn)入共焦拉曼光譜探測系統(tǒng)進(jìn)行光譜探測。
[0004]現(xiàn)有激光共焦拉曼光譜探測儀存在以下問題:1、為了減小拉曼散射光的能量損失，系統(tǒng)中選取的針孔通常在150 μ m?200 μ m之間，系統(tǒng)利用共焦方式進(jìn)行焦點(diǎn)定位，針孔尺寸直接影響共焦軸向定位曲線的半高寬，針孔尺寸較大導(dǎo)致系統(tǒng)定焦精度降低，即降低空間分辨力；2、利用微弱的拉曼散射光進(jìn)行定位，降低了系統(tǒng)的靈敏度；3、在長時間光譜探測過程中，系統(tǒng)容易受環(huán)境等因素影響發(fā)生漂移，產(chǎn)生離焦，降低系統(tǒng)空間分辨力；4、系統(tǒng)只可進(jìn)行光譜探測，模式單一。上述原因限制了共焦拉曼光譜顯微系統(tǒng)探測微區(qū)光譜的能力，制約了共焦拉曼光譜技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
[0005]此外，現(xiàn)有激光共焦拉曼光譜探測儀還遺棄了含有豐富樣品信息的布里淵散射光譜，使其在材料的彈性和壓電等性質(zhì)測試方面受限，制約了機(jī)械形態(tài)性能參數(shù)的同時測量需求。
[0006]基于上述情況，本發(fā)明提出共焦探測系統(tǒng)利用現(xiàn)有共焦拉曼光譜探測系統(tǒng)收集到的樣品散射光中遺棄的強(qiáng)于樣品拉曼散射光IO3?IO6倍的瑞利光束進(jìn)行高精度探測，利用遺棄的布里淵散射光譜對樣品的彈性、壓電等方面進(jìn)行測試，使其與拉曼光譜探測系統(tǒng)有機(jī)融合，以期實(shí)現(xiàn)高空間分辨共焦布里淵-拉曼光譜成像與探測，而實(shí)現(xiàn)高空間分辨力的光譜探測是目前光譜顯微測試領(lǐng)域亟待解決的問題，具有極其重要的理論和學(xué)術(shù)價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是:為了克服現(xiàn)有共焦拉曼光譜探測技術(shù)空間分辨力難以提高以及應(yīng)用受限的不足，提出一種激光共焦布里淵-拉曼光譜測量方法和裝置。
[0008]本發(fā)明專利的具體思路是:將激光共焦技術(shù)與拉曼光譜探測技術(shù)有機(jī)結(jié)合，共焦系統(tǒng)利用系統(tǒng)收集到的樣品散射光中的瑞利光束對聚焦光斑的焦點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時跟蹤與空間位置探測，利用遺棄的布里淵散射光譜對樣品的彈性、壓電等方面進(jìn)行測試，拉曼光譜探測系統(tǒng)利用系統(tǒng)收集到的樣品的散射光中的拉曼散射光進(jìn)行光譜探測，然后再將共焦探測系統(tǒng)信號與拉曼、布里淵光譜探測系統(tǒng)信號有機(jī)融合，從而實(shí)現(xiàn)對樣品形態(tài)性能參數(shù)的高空間分辨探測。
[0009]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0010]本發(fā)明的激光共焦布里淵-拉曼光譜測量方法，是利用二向色分光系統(tǒng)將拉曼散射光從瑞利光和布里淵散射光中分離出來，瑞利光和布里淵散射光經(jīng)分光系統(tǒng)分束后一部分進(jìn)入共焦探測系統(tǒng)進(jìn)行焦點(diǎn)定位，另一部分進(jìn)入布里淵光譜探測系統(tǒng)進(jìn)行布里淵光譜探測，拉曼散射光進(jìn)入拉曼光譜探測系統(tǒng)進(jìn)行拉曼光譜探測，利用共焦曲線最大值M與焦點(diǎn)O位置精確對應(yīng)這一特性，通過尋找最大值來精確捕獲激發(fā)光斑焦點(diǎn)位置的光譜信息，實(shí)現(xiàn)高空間分辨的光譜探測，該方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0011]I)通過激發(fā)光束產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生激發(fā)光，經(jīng)過第一分光系統(tǒng)、物鏡后，聚焦在被測樣品上，并激發(fā)出瑞利光、載有被測樣品光譜特性的拉曼散射光以及布里淵散射光；
[0012]2)移動被測樣品，使瑞利光及對應(yīng)被測樣品不同區(qū)域的拉曼散射光、布里淵散射光再次經(jīng)過物鏡，并被第一分光系統(tǒng)反射至二向色分光系統(tǒng)，二向色分光系統(tǒng)將拉曼散射光與瑞利光、布里淵散射光進(jìn)行分離；
[0013]3)瑞利光和布里淵散射光被二向色分光系統(tǒng)反射進(jìn)入第二分光系統(tǒng),經(jīng)第二分光系統(tǒng)透射的瑞利光和布里淵散射光進(jìn)入共焦探測系統(tǒng)，利用共焦探測系統(tǒng)中的第一探測器，測得反映樣品凹凸變化的強(qiáng)度響度相應(yīng)I ( V，u)，即可進(jìn)行三維尺度層析成像測試，其中，V為橫向歸一化光學(xué)坐標(biāo)，u為軸向歸一化光學(xué)坐標(biāo)；
[0014]4)經(jīng)第二分光系統(tǒng)反射的瑞利光和布里淵散射光進(jìn)入布里淵光譜探測系統(tǒng)，利用布里淵光譜探測系統(tǒng)測得載有被測樣品特性的布里淵散射信號I ( λ B)，即可進(jìn)行布里淵光譜測試，其中λ B為布里淵光譜波長；
[0015]5)拉曼散射光經(jīng)二向色分光系統(tǒng)透射進(jìn)入拉曼光譜探測系統(tǒng)，利用拉曼光譜探測系統(tǒng)測得載有被測樣品特性的拉曼散射信號I ( λ J，即可進(jìn)行拉曼光譜測試，其中λ r為拉曼光譜波長；
[0016]6)將I(v，u)、lUr)和Ι(λΒ)送到數(shù)據(jù)處理模塊11進(jìn)行處理，從而獲得包含被測樣品位置信息I ( V，U)和光譜信息I ( λ r)、I ( λ Β)的三維測量信息I ( V，U，λ " λ Β);
[0017]7)使被測樣品沿x、y方向掃描，物鏡沿ζ方向掃描，重復(fù)上述步驟測得對應(yīng)物鏡焦點(diǎn)位置附近的一組i個包含位置信息I ( V，u)和光譜信息I ( λ J、I ( λ B)的序列測量信息 Ui ( λ r, λ B)，Ii ( V，u)}；
[0018]8)利用可分辨區(qū) 域31對應(yīng)的位置信息11(〃，11)，找出對應(yīng)SiE域的光譜信息I^Ar, λΒ)值，再依據(jù)V與橫向位置坐標(biāo)(x，y)的關(guān)系以及u與軸向位置坐標(biāo)ζ的關(guān)系，重構(gòu)反映被測物微區(qū)\三維尺度和光譜特性的信息IiO^yi, Zi，Ari, λ Bi)，即實(shí)現(xiàn)了微區(qū)δ min的光譜探測和三維幾何位置探測；
[0019]9)對應(yīng)最小可分辨區(qū)域δ min的三維尺度和光譜特性由下式確定: [0020]=
[0021 ] 即實(shí)現(xiàn)了高空間分辨共焦布里淵、拉曼光譜探測。
[0022]本發(fā)明的探測方法中，共焦曲線最大值M處對應(yīng)物鏡焦點(diǎn)0，此處聚焦光斑尺寸最小，探測的區(qū)域最小，共焦曲線其他位置對應(yīng)物鏡的離焦區(qū)域，在焦前或焦后BB’區(qū)域內(nèi)的聚焦光斑尺寸隨離焦量增大而增大，利用此特點(diǎn)，通過調(diào)整樣品的z向離焦量，并根據(jù)實(shí)際測量精度需求來控制聚焦光斑的尺寸，可實(shí)現(xiàn)對樣品探測區(qū)域大小可控。
[0023]本發(fā)明的探測方法中，激發(fā)光束可以是偏振光束:線偏光、圓偏光、徑向偏振光等；還可以是由光瞳濾波技術(shù)生成的結(jié)構(gòu)光束，其與偏振調(diào)制技術(shù)聯(lián)用可以壓縮測量聚焦光斑尺寸，提高系統(tǒng)橫向分辨力。
[0024]本發(fā)明提供了一種激光共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置，包括激發(fā)光束產(chǎn)生系統(tǒng)、第一分光系統(tǒng)、物鏡、三維掃描系統(tǒng)、二向色分光系統(tǒng)、拉曼光譜探測系統(tǒng)、第二分光系統(tǒng)、布里淵光譜探測系統(tǒng)、共焦探測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理模塊；其中，第一分光系統(tǒng)、物鏡、三維掃描系統(tǒng)沿光路依次放置在激發(fā)光束產(chǎn)生系統(tǒng)的出射方向，二向色分光系統(tǒng)位于第一分光系統(tǒng)的反射方向，拉曼光譜探測系統(tǒng)位于二向色分光系統(tǒng)的透射方向，第二分光系統(tǒng)位于二向色分光系統(tǒng)的反射方向，布里淵光譜探測系統(tǒng)位于第二分光系統(tǒng)的反射方向，共焦探測系統(tǒng)位于第二分光系統(tǒng)的反射方向，數(shù)據(jù)處理模塊與拉曼光譜探測系統(tǒng)、布里淵光譜探測系統(tǒng)和共焦探測系統(tǒng)連接，用于融合并處理拉曼光譜探測系統(tǒng)、布里淵光譜探測系統(tǒng)和共焦探測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)。
[0025]本發(fā)明的裝置中，光譜探測系統(tǒng)可以是普通拉曼、布里淵光譜探測系統(tǒng)，包括沿光路依次放置的第三聚光鏡、位于第三聚光鏡焦點(diǎn)位置的拉曼光譜儀及位于拉曼光譜儀后的第二探測器，沿光路依次放置的第四聚光鏡、位第四于聚光鏡焦點(diǎn)位置的布里淵光譜儀及位于布里淵光譜儀后的第三探測器，用于被測樣品的表層光譜探測；還可以是共焦拉曼、布里淵光譜探測系統(tǒng)，包括沿光路依次放置的第三聚光鏡、位于第三聚光鏡焦點(diǎn)位置的第三針孔、第三位于針孔后的第五聚光鏡、位于第五聚光鏡之后的拉曼光譜儀及位于拉曼光譜儀后的第二探測器，沿光路依次放置的第四聚光鏡、位于第四聚光鏡焦點(diǎn)位置的第四針孔、位于第四針孔后的第六聚光鏡、位于第六聚光鏡之后的布里淵光譜儀及位于布里淵光譜儀后的第三探測器，用于提高系統(tǒng)信噪比和空間分辨力，以及對被測樣品的層析光譜探測。
[0026]本發(fā)明的裝置中，激發(fā)光束產(chǎn)生系統(tǒng)還可以包括偏振調(diào)制器及光瞳濾波器，用于產(chǎn)生偏振光及結(jié)構(gòu)光束。
[0027]本發(fā)明的裝置中，用于壓縮激發(fā)光斑的光瞳濾波器可以位于徑向偏振光發(fā)生器與第一分光系統(tǒng)之間，還可以位于第一分光系統(tǒng)與物鏡之間。
[0028]本發(fā)明的裝置中，布里淵光譜探測系統(tǒng)還可以放在第二分光系統(tǒng)的透射方向，共焦探測系統(tǒng)位于第二分光系統(tǒng)的反射方向。
[0029]本發(fā)明的裝置中，激發(fā)光束產(chǎn)生系統(tǒng)還可以放第一分光系統(tǒng)的反射方向，二向色分光系統(tǒng)沿光路依次放在第一分光系統(tǒng)的透射方向，拉曼光譜探測系統(tǒng)位于二向色分光系統(tǒng)的透射方向，第二分光系統(tǒng)位于二向色分光系統(tǒng)的反射方向，布里淵光譜探測系統(tǒng)位于第二分光系統(tǒng)的反射方向，共焦探測系統(tǒng)位于第二分光系統(tǒng)的透射方向，數(shù)據(jù)處理模塊連接共焦探測系統(tǒng)、拉曼光譜探測系統(tǒng)與布里淵光譜探測系統(tǒng)。[0030]本發(fā)明的裝置中，還可以包括第三分光系統(tǒng)及位于第三分光系統(tǒng)反射方向的顯微觀察系統(tǒng)，用于被測樣品粗貓；其中，第三分光系統(tǒng)可以位于激發(fā)光束產(chǎn)生系統(tǒng)與第一分光系統(tǒng)之間，還可以位于第一分光系統(tǒng)與物鏡之間。
[0031]本發(fā)明的裝置中，數(shù)據(jù)處理模塊包括用于處理位置信息的共焦數(shù)據(jù)模塊和用于融合位置信息和光譜信息的數(shù)據(jù)融合模塊。
[0032]有益效果:
[0033]本發(fā)明對比已有技術(shù)具有以下創(chuàng)新點(diǎn):
[0034]I)本發(fā)明通過合理設(shè)計能夠?qū)μN(yùn)含不同信息的拉曼散射光譜和布里淵散射光譜同時進(jìn)行探測，形成優(yōu)勢互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)了對材料成分與基本物理性質(zhì)的高分辨探測，便于多性能參數(shù)的綜合測試；
[0035]2)利用共焦系統(tǒng)軸向響應(yīng)曲線的最大值點(diǎn)與焦點(diǎn)位置精確對應(yīng)這一特性，通過特性曲線最大值點(diǎn)來精確捕獲激發(fā)光斑焦點(diǎn)位置的光譜信息，實(shí)現(xiàn)高空間分辨的光譜探測；
[0036]3)利用二向色分光裝置對系統(tǒng)收集到的瑞利光和載有被測樣品信息的拉曼散射光進(jìn)行分光，瑞利光進(jìn)入共焦探測系統(tǒng)，拉曼散射光進(jìn)入拉曼光譜探測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光能的完全利用，使微弱的拉曼散射光能夠無損的進(jìn)入拉曼光譜探測系統(tǒng)，提高系統(tǒng)光譜探測靈敏度；
[0037]4)將共焦顯微系統(tǒng)與拉曼光譜成像系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和功能上相融合，既可實(shí)現(xiàn)樣品微區(qū)幾何參數(shù)的層析成像，又可實(shí)現(xiàn)樣品微區(qū)的光譜探測，即同時實(shí)現(xiàn)三維尺度層析成像、圖譜層析成像和光譜測試三種成像模式；
[0038]5)可以通過對共焦探測系統(tǒng)和布里淵光譜探測系統(tǒng)之前的分光系統(tǒng)選擇合適的透反比，以最大化利用光強(qiáng)。
[0039]本發(fā)明對比已有技術(shù)具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):
[0040]I)融合共焦技術(shù)和光譜探測技術(shù)，利用共焦系統(tǒng)對焦點(diǎn)的精確定位，大幅提高光譜探測的空間分辨力；
[0041]2)利用共焦響應(yīng)曲線的離焦區(qū)域，調(diào)控聚焦光斑尺寸，可滿足不同測試需求，使系統(tǒng)具有通用性；
[0042]3)系統(tǒng)同時兼顧微尺度層析成像、圖譜層析成像及光譜測試三種成像模式。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0043]圖1為共焦拉曼光譜成像方法示意圖；
[0044]圖2為激光共焦布里淵-拉曼光譜測量方法示意圖；
[0045]圖3為激光共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置示意圖；
[0046]圖4為具有共焦光譜探測功能的激光共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置示意圖；
[0047]圖5為布里淵光譜透射式探測的激光共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置示意圖；
[0048]圖6為激發(fā)光源反射式激光共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置示意圖；
[0049]圖7為具有顯微功能的激光共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置示意圖；
[0050]圖8為具有顯微功能的激光共焦布里淵-拉曼光譜測量方法與裝置實(shí)施例示意圖；[0051]其中，1-激發(fā)光束產(chǎn)生系統(tǒng)、2-第一分光系統(tǒng)、3-物鏡、4-被測樣品、5-三維掃描系統(tǒng)、6- 二向色分光系統(tǒng)、7-拉曼光譜探測系統(tǒng)、8-第二分光系統(tǒng)、9-布里淵光譜探測系統(tǒng)、10-共焦探測系統(tǒng)、11-數(shù)據(jù)處理模塊、12-拉曼光譜響應(yīng)曲線、13-共焦響應(yīng)曲線、14-布里淵光譜響應(yīng)曲線、15-第一聚光鏡、16-第一針孔、17-第一探測器、18-激光器、19-第二聚光鏡、20-第二針孔、21-第一準(zhǔn)直透鏡、22-徑向偏振光發(fā)生器、23-光瞳濾波器、24-第三聚光鏡、25-拉曼光譜儀、26-第二探測器、27-第四聚光鏡、28-布里淵光譜儀、29-第三探測器、30-共焦數(shù)據(jù)模塊、31-數(shù)據(jù)融合模塊、32-第三針孔、33-第五聚光鏡、34-第四針孔、35-第六聚光鏡、36-第三分光系統(tǒng)、37-顯微觀察系統(tǒng)、38-第四分光系統(tǒng)、39-柯勒照明系統(tǒng)、40-第七聚光鏡、41-第四探測器、42-入射狹縫、43-平面反射鏡、44-第一凹面反射聚光鏡、45-光譜光柵、46-第二凹面反射聚光鏡、47-出射狹縫、48-第五針孔、49-第二準(zhǔn)直透鏡、50-第一偶角棱鏡、51-第二偶角棱鏡、52-第一多通F-P、53-第二多通F_P、54_第八聚光鏡、55-第六針孔、56-四分之一波片。
【具體實(shí)施方式】
[0052]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0053]本發(fā)明的基本思想是利用共焦探測和共焦拉曼探測相結(jié)合實(shí)現(xiàn)高空間分辨的拉曼光譜探測，利用布里淵散射光對樣品的彈性、壓電等參數(shù)進(jìn)行測量。
[0054]如圖2所示，激發(fā)光束產(chǎn)生系統(tǒng)I產(chǎn)生激發(fā)光，經(jīng)過第一分光系統(tǒng)2、物鏡3后，聚焦在被測樣品4上，并激發(fā)出瑞利光和載有被測樣品4光譜特性的拉曼散射光以及布里淵散射光，激發(fā)出的拉曼散射光、布里淵散射光和瑞利光被系統(tǒng)收集回光路中，經(jīng)過物鏡3后被偏振分光棱鏡2反射至二向色分光系統(tǒng)6,經(jīng)二向色分光系統(tǒng)6分光后,拉曼散射光從瑞利光和布里淵散射光中分離出來，瑞利光和布里淵散射光進(jìn)入第二分光系統(tǒng)8進(jìn)行分束，經(jīng)第二分光系統(tǒng)8透射的瑞利光和布里淵散射光進(jìn)入共焦探測系統(tǒng)10進(jìn)行位置探測，經(jīng)第二分光系統(tǒng)8反射的瑞利光和布里淵散射光進(jìn)入布里淵光譜探測系統(tǒng)9進(jìn)行布里淵光譜探測，經(jīng)二向色分光系統(tǒng)6透射的拉曼散射光進(jìn)入拉曼光譜探測系統(tǒng)7進(jìn)行拉曼光譜探測。
[0055]如圖3所示，本裝置包括沿光路依次放置的激發(fā)光束產(chǎn)生系統(tǒng)1、第一分光系統(tǒng)2、物鏡3、被測樣品4、三維掃描系統(tǒng)5、第一分光系統(tǒng)2反射方向的二向色分光系統(tǒng)6，位于二向色分光系統(tǒng)6透射方向的拉曼光譜探測系統(tǒng)7，位于二向色分光系統(tǒng)6反射方向的第二分光系統(tǒng)8，位于第二分光系統(tǒng)8反射方向的布里淵光譜探測系統(tǒng)9，以及位于第二分光系統(tǒng)8透射方向的共焦探測系統(tǒng)10，還包括連接拉曼光譜探測系統(tǒng)7、布里淵光譜探測系統(tǒng)9和共焦探測系統(tǒng)10的數(shù)據(jù)處理模塊11。
[0056]將圖3中拉曼光譜探測系統(tǒng)7替換為包括第三聚光鏡24、第三針孔32、第五聚光鏡33、拉曼光譜儀25及第二探測器26的共焦拉曼光譜探測系統(tǒng)，將布里淵光譜探測系統(tǒng)9替換為包括第四聚光鏡27、第四針孔34、第六聚光鏡35、拉曼光譜儀28及第三探測器29的共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)，如圖4所示。
[0057]把圖4中的布里淵光譜探測系統(tǒng)放置于第二分光系統(tǒng)8的透射方向，共焦探測系統(tǒng)10放置于第二分光系統(tǒng)8的反射方向，即構(gòu)成圖5。
[0058]把圖4中的激發(fā)光束產(chǎn)生系統(tǒng)I放置于第一分光系統(tǒng)2的反射方向，二向色分光系統(tǒng)6放置于第一分光系統(tǒng)2的透射方向，即構(gòu)成圖6。[0059]在偏振第一分光系統(tǒng)2與物鏡3之間添加第三分光系統(tǒng)36,第三分光系統(tǒng)36反射方向添加顯微觀察系統(tǒng)37，即構(gòu)成圖7。
[0060]實(shí)施例
[0061]本實(shí)施例中，第一分光系統(tǒng)2為偏振分光棱鏡,三維掃描系統(tǒng)5為三維掃描工作臺，二向色分光系統(tǒng)6為Notch filter，第二分光系統(tǒng)8為分光鏡，布里淵光譜儀28為F-P干涉儀，第三分光系統(tǒng)36為保偏分光棱鏡,第四分光系統(tǒng)38為寬帶分光棱鏡,第四探測器41 為 CCD。
[0062]如圖6所示，激光共焦布里淵-拉曼光譜測量方法，其測試步驟如下:
[0063]首先，柯勒照明系統(tǒng)39產(chǎn)生均勻白光，白光透過寬帶分光棱鏡38后,被保偏分光棱鏡36反射，經(jīng)過物鏡3聚焦在被測樣品4上，白光被反射回原光路，經(jīng)物鏡3后被保偏分光棱鏡36、寬帶分光棱鏡38分別反射后，經(jīng)過第七聚光鏡40后進(jìn)入(XD41，通過觀察(XD41中的圖像對被測樣品4進(jìn)行粗瞄，以確定被測樣品4需要觀測的區(qū)域?qū)Ρ粶y樣品4進(jìn)行粗定位。
[0064]然后，激光器18發(fā)出的光束經(jīng)第二聚光鏡19會聚后進(jìn)入第二針孔20，經(jīng)過第一準(zhǔn)直透鏡21后準(zhǔn)直擴(kuò)束為平行光，經(jīng)過徑向偏振光發(fā)生器22和光瞳濾波器23后進(jìn)入偏振分光棱鏡2透射后，通過物鏡3形成壓縮光斑聚焦在被測樣品4上，并激發(fā)出瑞利光和載有被測樣品4光譜特性的拉曼散射光和布里淵散射光，被測樣品4可通過增強(qiáng)拉曼光譜納米粒子等拉曼增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行處理，以提高拉曼散射光的強(qiáng)度。
[0065]移動被測樣品4，使瑞利光及對應(yīng)被測樣品4不同區(qū)域的拉曼散射光、布里淵散射光被系統(tǒng)收集回原光路進(jìn)入過物鏡3，經(jīng)偏振分光棱鏡2反射后，進(jìn)入Notch filter6,Notch filter6將拉曼散射光與其他光譜無損分離,經(jīng)Notch filter6透射的拉曼散射光進(jìn)入拉曼光譜探測系統(tǒng)7，拉曼散射光被第三聚光鏡24會聚進(jìn)入第三針孔32后到達(dá)第五會聚鏡33，被第五會聚鏡33會聚后進(jìn)入拉曼光譜儀25，拉曼散射光經(jīng)入射狹縫42，平面反射鏡43和第一凹面反射聚光鏡44反射后到達(dá)光譜光柵45，光束經(jīng)過光譜光柵45衍射后，被第二凹面反射聚光鏡46反射聚焦到出射狹縫47上，最后入射到第二探測器26。由于光柵的衍射作用，拉曼光譜中不同波長的光相互分離，從出射狹縫47出來的光線為單色光，當(dāng)光譜光柵45轉(zhuǎn)動時，從出射狹縫47出射的光波長不同，通過監(jiān)測第二探測器26的響應(yīng)值和光柵旋轉(zhuǎn)的角度即可得到被測樣品4的拉曼光譜；經(jīng)Notch filter6反射的瑞利光和布里淵散射光進(jìn)入分光鏡8，經(jīng)分光鏡8反射的瑞利光和布里淵散射光進(jìn)入布里淵光譜探測系統(tǒng)，包括位于第四聚光鏡27焦點(diǎn)處的第四針孔34，位于第四針孔34之后的第六聚光鏡35，位于第六聚光鏡之35后的F-P干涉儀28，及位于F-P干涉儀28后的第三探測器29，其中，F(xiàn)-P干涉儀28包括第五針孔48、第二準(zhǔn)直透鏡49、第一偶角棱鏡50、第二偶角棱鏡51、第一多通F-P52、第二多通F-P53、第八聚光鏡54以及第六針孔55 ;經(jīng)分光鏡8透射的瑞利光和布里淵散射光進(jìn)入共焦探測系統(tǒng)10，光束經(jīng)過第一聚光鏡15、位于第一聚光鏡15焦點(diǎn)位置的第一針孔16后被第一探測器17接收。
[0066]測量過程中，通過三維掃工作臺5對被測樣品4進(jìn)行軸向和橫向掃描時，共焦探測系統(tǒng)10中的第一探測器17，測得反應(yīng)被測樣品4凹凸變化的強(qiáng)度響應(yīng)為I ( V，U)，將所得強(qiáng)度響應(yīng)I ( V，u)傳送到共焦數(shù)據(jù)模塊11進(jìn)行處理，其中，V為橫向歸一化光學(xué)坐標(biāo)，u為軸向歸一化光學(xué)坐標(biāo)；[0067]拉曼光譜探測系統(tǒng)7中第二探測器26探測到的載有被測樣品4拉曼光譜信息的拉曼散射光光譜信號為I ( λ J ( λ ^為拉曼光譜波長)；
[0068]布里淵光譜探測系統(tǒng)9中第三探測器29探測到的載有被測樣品4布里淵光譜信息的布里淵散射光光譜信號為I ( λ Β) ( λ Β布里淵光譜波長)；
[0069]將I ( λ J、I ( λ B)和I ( V，u)傳送到數(shù)據(jù)融合模塊30進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲得包含被測樣品4位置信息I ( V，u)和光譜信息I ( λ r，λ B)的三維測量信息I ( V，U，λ r，λ B)。 [0070]使被測樣品4沿x、y方向掃描，物鏡3沿z方向掃描，重復(fù)上述步驟測得對應(yīng)物鏡焦點(diǎn)位置附近的一組i個包含位置信息I ( V，u)和光譜信息I ( λ J、I ( λ B)的序列測量信息 Ui ( λ r, λ B)，Ii ( V，u)}；
[0071]利用可分辨區(qū)域31對應(yīng)的位置信息11(〃，11)，找出對應(yīng)SiE域的光譜信息I^Ar, λΒ)值，再依據(jù)V與橫向位置坐標(biāo)(x，y)的關(guān)系以及u與軸向位置坐標(biāo)z的關(guān)系，重構(gòu)反映被測物微區(qū)\三維尺度和光譜特性的信息IiO^yi, Zi，Ari, λ Bi)，即實(shí)現(xiàn)了微區(qū)δ min的光譜探測和三維幾何位置探測；
[0072]對應(yīng)最小可分辨區(qū)域δ min的三維尺度和光譜特性由下式確定:
[0073](X’ J,’ 之，A，4 ) = Ii (文，V, z, Ar, λβ )|7_(嶺(Mv，u))nm
[0074]這樣即可實(shí)現(xiàn)高空間分辨的共焦拉曼光譜探測。
[0075]從圖8中可以看出，通過共焦探測系統(tǒng)10響應(yīng)曲線的極大值點(diǎn)，可精確捕獲激發(fā)光斑的焦點(diǎn)位置，從測量序列數(shù)據(jù)中，抽取對應(yīng)焦點(diǎn)位置O的激發(fā)光譜，即實(shí)現(xiàn)了微區(qū)S “的光譜探測和三維幾何位置探測。
【權(quán)利要求】
1.激光共焦布里淵-拉曼光譜測量方法，其特征在于:利用二向色分光系統(tǒng)將拉曼散射光從瑞利光和布里淵散射光中分離出來，瑞利光和布里淵散射光經(jīng)分光鏡分束后一部分進(jìn)入共焦探測系統(tǒng)進(jìn)行焦點(diǎn)定位，另一部分進(jìn)入布里淵光譜探測系統(tǒng)進(jìn)行布里淵光譜探測，拉曼散射光進(jìn)入拉曼光譜探測系統(tǒng)進(jìn)行拉曼光譜探測，利用共焦曲線最大值M與焦點(diǎn)O位置精確對應(yīng)這一特性，通過尋找最大值來精確捕獲激發(fā)光斑焦點(diǎn)位置的光譜信息，實(shí)現(xiàn)高空間分辨的光譜探測，該方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下: 1)通過激發(fā)光束產(chǎn)生系統(tǒng)(I)產(chǎn)生激發(fā)光，經(jīng)過第一分光系統(tǒng)(2)、物鏡(3)后，聚焦在被測樣品(4)上，并激發(fā)出瑞利光、載有被測樣品光譜特性的拉曼散射光以及布里淵散射光； 2)移動被測樣品(4)，使瑞利光及對應(yīng)被測樣品不同區(qū)域的拉曼散射光、布里淵散射光再次經(jīng)過物鏡(3)，并被第一分光系統(tǒng)(2)反射至二向色分光系統(tǒng)(6)，二向色分光系統(tǒng)(6)將拉曼散射光與瑞利光、布里淵散射光進(jìn)行分離； 3)瑞利光和布里淵散射光被二向色分光系統(tǒng)反射進(jìn)入第二分光系統(tǒng)(8),經(jīng)第二分光系統(tǒng)(8)透射的瑞利光和布里淵散射光進(jìn)入共焦探測系統(tǒng)，利用共焦探測系統(tǒng)中的探測器(17)，測得反映樣品凹凸變化的強(qiáng)度響度相應(yīng)I ( V，u)，即可進(jìn)行三維尺度層析成像測試，其中，V為橫向歸一化光學(xué)坐標(biāo)，u為軸向歸一化光學(xué)坐標(biāo)； 4)經(jīng)第二分光系統(tǒng)(8)反射的瑞利光和布里淵散射光進(jìn)入布里淵光譜探測系統(tǒng)(9)，利用布里淵光譜探測系統(tǒng)(9)測得載有被測樣品(4)特性的布里淵散射信號I (λΒ)，即可進(jìn)行布里淵光譜測試，其中λ Β為布里淵光譜波長； 5)拉曼散射光經(jīng)二向色分光系統(tǒng)透射進(jìn)入拉曼光譜探測系統(tǒng)(7)，利用拉曼光譜探測系統(tǒng)(7)測得載有被測樣品特性的拉曼散射信號I (λ J，即可進(jìn)行拉曼光譜測試，其中、為拉曼光譜波長； 6)將I(v，u)、lUr)和Ι(λΒ)送到數(shù)據(jù)處理模塊(11)進(jìn)行處理，從而獲得包含被測樣品位置信息I ( V，U)和光譜信息I ( λ r)、I ( λ Β)的三維測量信息I ( V，U，λ r，λ Β); 7)使被測樣品(4)沿x、y方向掃描，物鏡(3)沿z方向掃描，重復(fù)上述步驟測得對應(yīng)物鏡焦點(diǎn)位置附近的一組i個包含位置信息I ( V，u)和光譜信息I ( λ J、I ( λ B)的序列測量信息 UiUr, λΒ)，Ii(^u)}; 8)利用可分辨區(qū)域\對應(yīng)的位置信息Ii(v，u)，找出對應(yīng)SiE域的光譜信息I^Ar, λΒ)值，再依據(jù)V與橫向位置坐標(biāo)(x，y)的關(guān)系以及u與軸向位置坐標(biāo)z的關(guān)系，重構(gòu)反映被測物微區(qū)\三維尺度和光譜特性的信息IiO^yi, Zi，Ari, λ Bi)，即實(shí)現(xiàn)了微區(qū)δ min的光譜探測和三維幾何位置探測； 9)對應(yīng)最小可分辨區(qū)域Smin的三維尺度和光譜特性由下式確定:

4肅(X, V,Z, Ar ,Ab) = I,(X, z, Ar,Λβ 即實(shí)現(xiàn)了高空間分辨共焦布里淵、拉曼光譜探測。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的激光共焦布里淵-拉曼光譜測量方法，其特征在于:共焦曲線(13)最大值M處對應(yīng)物鏡焦點(diǎn)0，此處聚焦光斑尺寸最小，探測的區(qū)域最小，共焦曲線(13)其他位置對應(yīng)物鏡的離焦區(qū)域，在焦前或焦后ΒΒ’區(qū)域內(nèi)的聚焦光斑尺寸隨離焦量增大而增大，利用此特點(diǎn)，通過調(diào)整樣品的ζ向離焦量，并根據(jù)實(shí)際測量精度需求來控制聚焦光斑的尺寸，控制對樣品探測區(qū)域大小。
3.根據(jù)權(quán)利I所述的激光共焦布里淵-拉曼光譜測量方法，其特征在于:激發(fā)光束包括偏振光束、線偏光、圓偏光或徑向偏振光；還可以是由光瞳濾波技術(shù)生成的結(jié)構(gòu)光束，其與偏振調(diào)制技術(shù)聯(lián)用可以壓縮測量聚焦光斑尺寸，提高系統(tǒng)橫向分辨力。
4.激光共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置，其特征在于:包括激發(fā)光束產(chǎn)生系統(tǒng)(1)、第一分光系統(tǒng)(2)、物鏡(3)、三維掃描系統(tǒng)(5)、二向色分光系統(tǒng)(6)、拉曼光譜探測系統(tǒng)(7)、第二分光系統(tǒng)(8)、布里淵光譜探測系統(tǒng)(9)、共焦探測系統(tǒng)(10)及數(shù)據(jù)處理模塊(11);其中，第一分光系統(tǒng)(2)、物鏡(3)、三維掃描系統(tǒng)(5)沿光路依次放置在激發(fā)光束產(chǎn)生系統(tǒng)(1)的出射方向，二向色分光系統(tǒng)(6)位于第一分光系統(tǒng)(2)的反射方向，拉曼光譜探測系統(tǒng)(7)位于二向色分光系統(tǒng)(6)的透射方向，第二分光系統(tǒng)(8)位于二向色分光系統(tǒng)(6)的反射方向，布里淵 光譜探測系統(tǒng)(9)位于第二分光系統(tǒng)(8)的反射方向，共焦探測系統(tǒng)(10)位于第二分光系統(tǒng)(8)的反射方向，數(shù)據(jù)處理模塊(11)與拉曼光譜探測系統(tǒng)(7)、布里淵光譜探測系統(tǒng)(9)和共焦探測系統(tǒng)(10)連接，用于融合并處理拉曼光譜探測系統(tǒng)(7)、布里淵光譜探測系統(tǒng)(9)和共焦探測系統(tǒng)(10)采集到的數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利4所述的激光共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置，其特征在于:光譜探測系統(tǒng)可以是普通拉曼、布里淵光譜探測系統(tǒng)，包括沿光路依次放置的第三聚光鏡(24)、位于第三聚光鏡(24)焦點(diǎn)位置的拉曼光譜儀(25)及位于拉曼光譜儀(25)后的第二探測器(26)，沿光路依次放置的第四聚光鏡27、位于第四聚光鏡27焦點(diǎn)位置的拉曼光譜儀(28)及位于拉曼光譜儀(28)后的第三探測器(29)，用于被測樣品的表層光譜探測；還可以是共焦拉曼、布里淵光譜探測系統(tǒng)，包括沿光路依次放置的第三聚光鏡(24)、位于第三聚光鏡(24)焦點(diǎn)位置的第三針孔(32)、位于第三針孔(32)后的第五聚光鏡(33)、位于第五聚光鏡(33)之后的拉曼光譜儀(25)及位于拉曼光譜儀(25)后的第二探測器(26)，沿光路依次放置的第四聚光鏡(27)、位于第四聚光鏡(27)焦點(diǎn)位置的第四針孔(34)、位于第四針孔(34)后的第六聚光鏡(35)、位于第六聚光鏡(35)之后的布里淵光譜儀(28)及位于布里淵光譜儀(28)后的第三探測器(29)，用于提高系統(tǒng)信噪比和空間分辨力，以及對被測樣品的層析光譜探測。
6.根據(jù)權(quán)利4所述的激光共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置，其特征在于:激發(fā)光束產(chǎn)生系統(tǒng)(1)包括徑向偏振光發(fā)生器(22)及光瞳濾波器(23),用于產(chǎn)生偏振光及結(jié)構(gòu)光束。
7.根據(jù)權(quán)利6所述的激光共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置，其特征在于:用于壓縮激發(fā)光斑的光瞳濾波器(23)可以位于徑向偏振光發(fā)生器(22)與第一分光系統(tǒng)(2)之間,還可以位于第一分光系統(tǒng)(2)與物鏡(3)之間。
8.根據(jù)權(quán)利4所述的激光共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置，其特征在于:布里淵光譜探測裝置(9)還可以放在第二分光系統(tǒng)(8)的透射方向，差動共焦探測裝置(10)位于第二分光系統(tǒng)(8)的反射方向。
9.根據(jù)權(quán)利4所述的激光共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置，其特征在于:激發(fā)光束產(chǎn)生系統(tǒng)(1)還可以放在第一分光系統(tǒng)(2)的反射方向，二向色分光系統(tǒng)(6)沿光路依次放在第一分光系統(tǒng)(2)的透射方向，拉曼光譜探測系統(tǒng)(7)位于二向色分光系統(tǒng)(6)的透射方向，第二分光系統(tǒng)(8)位于二向色分光系統(tǒng)(6)的反射方向，布里淵光譜探測系統(tǒng)(9)位于第二分光系統(tǒng)(8)的反射方向，共焦探測系統(tǒng)(10)位于第二分光系統(tǒng)(8)的透射方向，數(shù)據(jù)處理模塊(11)連接共焦探測系統(tǒng)(10)、拉曼光譜探測系統(tǒng)(7)與布里淵光譜探測系統(tǒng)(9)。
10.根據(jù)權(quán)利4所述的激光共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置，其特征在于:還可以包括第三分光系統(tǒng)(36)及位于第三分光系統(tǒng)(36)反射方向的顯微觀察系統(tǒng)(37),用于被測樣品粗貓；其中，第三分光系統(tǒng)(36)可以位于激發(fā)光束產(chǎn)生系統(tǒng)(I)與第一分光系統(tǒng)(2)之間，還可以位于第 一分光系統(tǒng)(2)與物鏡(3)之間。
【文檔編號】G01N21/65GK103940800SQ201410086345
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月10日
【發(fā)明者】趙維謙, 邱麗榮, 盛忠, 王允 申請人:北京理工大學(xué)