一種分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于顯微光譜成像探測【技術領域】，涉及一種分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試方法及其裝置。本發(fā)明將分光瞳激光差動共焦顯微技術與激光拉曼光譜探測技術有機結合，采用分割焦斑差動探測來實現(xiàn)三維幾何位置的精密成像，其既簡化了傳統(tǒng)差動共焦顯微系統(tǒng)的光路結構，又繼承了原有激光差動共焦系統(tǒng)和分光瞳共焦系統(tǒng)的優(yōu)勢，僅通過軟件切換處理便可實現(xiàn)分光瞳激光差動共焦顯微探測、激光共焦拉曼光譜探測、激光差動共焦拉曼光譜探測的多模式切換與處理。本發(fā)明為納米級微區(qū)三維幾何位置與光譜的探測提供新的技術途徑，可用于生物醫(yī)學、工業(yè)精密檢測等領域，具有廣泛的應用前景。
【專利說明】一種分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于顯微光譜成像【技術領域】，將差動共焦顯微技術與光譜探測技術相結合，涉及一種“圖譜合一”的高空間分辨光譜成像與探測方法及裝置，可用于各類樣品的微區(qū)拉曼光譜高空間分辨成像與探測。
技術背景
[0002]1990年，G.J.Puppels等學者在觀測單細胞和染色體的形態(tài)與組成時首先發(fā)明了共焦拉曼光譜顯微技術并成功用于實驗。激光共焦拉曼光譜技術通過入射激光引起分子(或晶格)產生振動而損失(或獲得)部分能量，使散射光頻率發(fā)生變化，通過對散射光進行分析來探知分子的組分、結構及相對含量等，激光共焦拉曼光譜技術亦被稱為分子探針技術。該技術既繼承了共焦顯微術的高分辨層析成像特征，又可以對樣品進行光譜分析，激光共焦拉曼光譜測試技術作為一種極其重要的材料結構測量與分析的基本技術手段，廣泛應用于物理、化學、生物醫(yī)學、材料科學、環(huán)境科學、石油化工、地質、藥物、食品、刑偵和珠寶檢定等領域，可對樣品進行無損傷鑒定和深度光譜分析，同時，還可以進行樣品掃描和低溫分析、材料的光致發(fā)光研究等。
[0003]傳統(tǒng)共焦拉曼光譜探測儀的原理如圖1所示，光源系統(tǒng)發(fā)出激發(fā)光束透過偏振分光鏡、四分之一波片和聚焦物鏡后，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；通過三維掃描系統(tǒng)移動被測樣品，使對應被測樣品不同區(qū)域的拉曼散射光再次通過四分之一波片并被偏振分光鏡反射，第一聚光鏡將偏振分光鏡反射的光進行會聚，利用位于第一針孔后面的光譜探測器測得載有被測樣品光譜信息的拉曼散射光譜。
[0004]傳統(tǒng)的共焦顯微技術在激光激發(fā)焦點附近的區(qū)域內，也能激發(fā)出樣品的拉曼光譜，并能被針孔后的光譜探測系統(tǒng)探測。因而共焦拉曼光譜顯微技術的實際探測位置往往處于離焦位置。隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，人們對微區(qū)光譜探測能力及空間分辨探測能力提出了更高的要求。在光學探測系統(tǒng)中，當測量聚焦光斑位于焦點時其尺寸最小，激發(fā)光強最強，若要獲得最佳空間分辨力和最優(yōu)的光譜探測能力，必須對系統(tǒng)進行精確定焦。
[0005]總體而言，現(xiàn)有共焦顯微測量方法通常有兩類:一類是利用共焦強度響應的斜邊直接對被測樣品進行測量，另一類是利用共焦強度響應的最大值對樣品進行焦點跟蹤來實現(xiàn)測量。但現(xiàn)有共焦顯微測量系統(tǒng)存在以下不足:當利用共焦強度響應斜邊進行測量時，無法實現(xiàn)絕對位移測量，且測量精度受限于共焦強度響應曲線斜邊測量區(qū)間的非線性、光源強度波動、被測表面散射和反射特性等因素；當利用焦點跟蹤測量時，由于共焦顯微測量系統(tǒng)焦點對應共焦強度響應靈敏度最差的頂點，因而制約了此類共焦傳感器焦點跟蹤精度的進一步提高，進而限制了傳統(tǒng)共焦拉曼系統(tǒng)的焦點跟蹤精度和應用范圍。
[0006]同時，應用拉曼光譜進行共焦定位信噪比較低，并且由于針孔的遮擋作用會進一步降低拉曼光譜的能量，而擴大針孔尺寸提高光譜通過率則會增加共焦軸向定位曲線的半高寬，降低其定位精度，現(xiàn)有共焦拉曼系統(tǒng)中的共焦針孔尺寸通常在Φ150μπι?Φ200μπι之間，所用針孔尺寸相對較大，亦不能很好的起到定焦作用。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，制約了其在更精細微區(qū)光譜測試與分析場合中的應用，因而提高系統(tǒng)的定焦精度是提高其空間分辨力的關鍵。
[0007]此外，由于拉曼散射光十分微弱，為了獲得精確、豐富的測量信息，拉曼光譜成像時既需較長時間的單點拉曼光譜探測，又需進行多點拉曼光譜探測，因此拉曼光譜成像需要較長的時間。但是，儀器長時間成像過程中受環(huán)境溫度、振動、空氣抖動等的影響較大，易使儀器系統(tǒng)產生漂移，從而導致樣品被探測位置離焦；由于現(xiàn)有共焦拉曼光譜探測技術不具備實時焦點跟蹤和位置矯正能力，因而在整個成像過程中，無法保證其激發(fā)光斑的位置處在物鏡焦點位置，實際激發(fā)光斑遠大于物鏡聚焦光焦斑，其結果制約了可探測區(qū)域的微小化，限制了共焦拉曼光譜儀器的微區(qū)光譜探測能力。
[0008]為克服傳統(tǒng)共焦拉曼系統(tǒng)存在的上述不足，北京理工大學的趙維謙等人曾提出了一種具有很強微區(qū)光譜探測能力的差動共焦拉曼光譜測試方法，其將共焦探測光路系統(tǒng)分為兩部分，并將這兩個探測系統(tǒng)的點探測器分別置于焦前和焦后位置進行差動探測，繼而實現(xiàn)雙極性絕對零點跟蹤測量等。差動共焦拉曼光譜測試技術在專利ZL2008101156011(發(fā)明人:趙維謙等)中，以題為“差動共焦拉曼光譜測試方法”已公開，其原理如圖2所示，該方法旨在實現(xiàn)樣品精細微區(qū)的光譜成像檢測，為樣品微區(qū)三維尺度及光譜特性的測量與分析提供新手段。但是，該差動共焦拉曼光譜測試方法由于采用了雙路物理針孔結構，造成差動共焦測量系統(tǒng)結構相對復雜，并且對離焦位置要求嚴格，裝調困難，增加了誤差源:此外，由于差動共焦顯微系統(tǒng)受到原理限制，通常難以兼顧分辨能力、工作距離和視場。
[0009]通常樣品散射的拉曼光譜強度為反射的瑞利光束強度的10_3?10_6倍，而現(xiàn)有的共焦拉曼光譜探測儀器均探測樣品散射的微弱拉曼光譜而遺棄強于拉曼散射光IO3?IO6倍的瑞利光束，因而，利用現(xiàn)有光譜探測系統(tǒng)中遺棄的瑞利光束進行輔助探測是改善現(xiàn)有共焦拉曼光譜探測技術空間分辨力的新途徑。

【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術的不足，提出一種分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試方法及其裝置。通過利用共焦拉曼光譜探測中遺棄的瑞利散射光構建分光瞳共焦顯微成像系統(tǒng)來實現(xiàn)樣品三維幾何位置的高分辨成像，并利用分光瞳差動共焦顯微成像裝置的“過零點”與其焦點精確對應這一特性來控制光譜探測器精確捕獲物鏡聚焦點處激發(fā)的拉曼光譜信息，進而實現(xiàn)對樣品微區(qū)幾何位置與光譜信息的高精度探測即“圖譜合一”的高空間分辨探測，并同時達到分辨能力和量程范圍的有效兼顧。本發(fā)明可以探測包括熒光、布里淵散射光、康普頓散射光等的散射光譜。
[0011]本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的。
[0012]一種分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試方法，包括以下步驟:
[0013]首先，在測量物鏡的光瞳面上放置照明光瞳和收集光瞳；光源系統(tǒng)發(fā)出激發(fā)光束，激發(fā)光束透過照明光瞳后，聚焦在被測樣品上，激發(fā)出載有被測樣品光譜特性的拉曼散射光，同時反射出瑞利光；拉曼散射光和瑞利光經(jīng)收集光瞳后到達二向色分光系統(tǒng)；二向色分光系統(tǒng)對拉曼散射光和瑞利光進行無損分離；
[0014]經(jīng)二向色分光系統(tǒng)反射的瑞利光進入分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)；分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)利用探測器橫向偏移能夠使分光瞳共焦顯微系統(tǒng)的軸向響應特性曲線產生相移的特性，采用單光路、單探測器分割焦斑差動方法，實現(xiàn)對被測樣品微區(qū)幾何位置的探測，具體過程為:對接收瑞利光的分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)所獲得的探測光斑進行分割處理，得到探測區(qū)域A和探測區(qū)域B ;當對A、B兩個探測區(qū)域的信號進行差動相減處理時，能夠進行高空間分辨的三維尺度層析成像；
[0015]與此同時，經(jīng)二向色分光系統(tǒng)透射的拉曼散射光進入拉曼光譜探測系統(tǒng)，利用分光瞳激光差動共焦響應曲線的“過零點”與測量物鏡焦點位置精確對應特性，將分光瞳激光差動共焦響應曲線的“過零點”精確對應測量物鏡的焦點，通過“過零點”觸發(fā)來精確捕獲激發(fā)光斑焦點位置的光譜信息，實現(xiàn)高空間分辨的光譜探測。
[0016]當對接收拉曼散射光的拉曼光譜探測系統(tǒng)獲得的光譜信號進行處理時，系統(tǒng)能夠進行拉曼光譜探測；當對接收瑞利光的分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)獲得的差動信號和接收拉曼散射光的拉曼光譜探測系統(tǒng)獲得的光譜信號進行處理時，系統(tǒng)能夠進行高空間分辨的微區(qū)圖譜層析成像，即實現(xiàn)對被測樣品“圖譜合一”的分光瞳激光差動共焦拉曼光譜高空間分辨成像與探測。
[0017]特別的，可以通過設置探測區(qū)域A和探測區(qū)域B的位置參數(shù)以匹配不同反射率的樣品，從而擴展其應用領域。
[0018]特別的，在本發(fā)明方法中，所述照明光瞳和收集光瞳可以是圓形、D形或者其他形狀。
[0019]在本發(fā)明方法中，所述激發(fā)光束可以是線偏光、圓偏光等偏振光束；還可以是由光瞳濾波技術生成的結構光束。偏振光與光瞳濾波技術結合可以壓縮測量聚焦光斑尺寸，提高系統(tǒng)的橫向分辨力。
[0020]在本發(fā)明方法中，還可以探測包括熒光、布里淵散射光、康普頓散射光的散射光
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[0021]在本發(fā)明方法中，僅通過計算機系統(tǒng)軟件處理即可實現(xiàn)對不同NA值的測量物鏡的匹配，而無需重新對系統(tǒng)進行任何硬件裝調。
[0022]一種分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試裝置，其特征在于:包括產生激發(fā)光束的光源系統(tǒng)、測量物鏡、照明光瞳、收集光瞳、二向色分光裝置、拉曼光譜探測裝置、分光瞳激光差動共焦探測裝置、三維掃描裝置、位移傳感器以及數(shù)據(jù)處理單元；
[0023]其中，在測量物鏡的光瞳面上放置照明光瞳和收集光瞳，照明光瞳和測量物鏡依次位于光源系統(tǒng)的激發(fā)光束出射方向上，照明光瞳與激發(fā)光束同軸；二向色分光系統(tǒng)位于收集光瞳之后；拉曼光譜探測系統(tǒng)位于二向色分光系統(tǒng)的透射方向上；分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)位于二向分光系統(tǒng)的反射方向上；被測樣品固定在三維掃描裝置的載物臺上；
[0024]數(shù)據(jù)處理單元包括分割焦斑探測模塊、差動相減模塊和數(shù)據(jù)融合模塊；其中，分割焦斑探測模塊和差動相減模塊用于處理圖像采集系統(tǒng)探測到的光斑，得到分光瞳激光差動共焦響應曲線，由此得到被測樣品的位置信息；數(shù)據(jù)融合模塊用于融合位置信息和光譜信息，完成被測樣品的三維重構及光譜信息融合；三者關聯(lián)關系為:分割焦斑探測模塊將圖像采集系統(tǒng)采集到的艾利斑進行分割并探測，得到的信號進入差動相減模塊進行差動相減后，得到分光瞳激光差動共焦響應曲線進入數(shù)據(jù)融合模塊；
[0025]計算機處理系統(tǒng)與位移傳感器、三維掃描裝置、數(shù)據(jù)融合模塊相連接；圖像采集系統(tǒng)和分割焦斑探測模塊相連接。數(shù)據(jù)融合模塊與第一探測器相連接；[0026]通過計算機處理系統(tǒng)控制三維掃描裝置移動被測樣品，使不同區(qū)域瑞利光及對應該區(qū)域被測樣品的拉曼散射光通過測量物鏡和收集光瞳。
[0027]在本發(fā)明裝置中，二向色分光系統(tǒng)與收集光瞳軸線的夾角是可變的。可選擇適當?shù)慕嵌纫詽M足分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試裝置的結構設計，從而提高結構設計的靈活性。
[0028]在本發(fā)明裝置中，拉曼光譜探測系統(tǒng)可以是普通拉曼光譜探測系統(tǒng)。包括沿光路依次放置的第一聚光鏡、位于第一聚光鏡焦點位置的光譜探測器，以及位于光譜探測器之后的第一探測器，用于被測樣品的表層光譜探測；還可以是共焦拉曼光譜探測系統(tǒng)，包括沿光路依次放置的第一聚光鏡、位于第一聚光鏡焦點位置的第一針孔、位于第一針孔后的光譜探測器，以及位于光譜探測器之后的第一探測器，可以有效濾除焦點之外的雜散光，提高光譜探測的信噪比。
[0029]在本發(fā)明裝置中，可通過增加圖像放大系統(tǒng)，放大圖像采集系統(tǒng)探測到的艾利斑。包括沿光路依次放置的第二聚光鏡、與第二聚光鏡共焦點的圖像放大系統(tǒng)以及位于圖像放大系統(tǒng)焦點處的圖像采集系統(tǒng)，以提高分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)的采集精度。
[0030]在本發(fā)明裝置中，可通過在光源系統(tǒng)和照明光瞳之間增加光束調制系統(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處的第二針孔、以及焦點位于第二針孔處的第四聚光鏡，用于對光源系統(tǒng)發(fā)出的激發(fā)光束進行調制，以得到更高空間分辨力和更好的激發(fā)效果。
[0031]有益效果
[0032]本發(fā)明方法，對比已有技術具有以下創(chuàng)新點:
[0033]1、本發(fā)明將分光瞳激光差動共焦顯微技術與拉曼光譜探測技術有機結合，融合了分光瞳差動共焦顯微技術的高精度物鏡聚焦點位置跟蹤捕獲能力，可探測到精確對應最小激發(fā)聚焦光斑區(qū)域的樣品光譜特性，在大幅提高現(xiàn)有共焦拉曼光譜顯微鏡的微區(qū)光譜探測能力的同時也大大簡化了系統(tǒng)的光路結構，這是區(qū)別于現(xiàn)有拉曼光譜探測技術的創(chuàng)新點之
[0034]2、由于采用單光路分割焦斑差動探測實現(xiàn)幾何位置的成像，其既大幅簡化傳統(tǒng)差動共焦顯微系統(tǒng)的光路結構，又保留了激光差動共焦系統(tǒng)和原有分光瞳差動共焦系統(tǒng)的優(yōu)勢，僅通過軟件切換處理便可實現(xiàn)分光瞳激光差動共焦顯微探測、激光共焦拉曼光譜探測、分光瞳激光差動共焦拉曼光譜探測多模式切換與處理。這是區(qū)別于現(xiàn)有拉曼光譜探測技術的創(chuàng)新點之二；
[0035]3、由于采用分割焦斑的方法來獲取差動信號，可通過改變在圖像探測系統(tǒng)探測焦面上所設置的兩個微小區(qū)域的參數(shù)以匹配不同的樣品的反射率，從而可以擴展其應用領域；還可以僅通過計算機系統(tǒng)軟件處理即可實現(xiàn)對不同NA值的測量物鏡的匹配，而無需重新對系統(tǒng)進行任何硬件裝調。實現(xiàn)了系統(tǒng)對分辨力和量程的有效兼顧，有利于實現(xiàn)儀器的通用性。這是區(qū)別于現(xiàn)有拉曼光譜探測技術的創(chuàng)新點之三；
[0036]4、利用二向色分光裝置對瑞利光和拉曼散射光進行無損分離，瑞利光進入差動探測系統(tǒng)，拉曼散射光進入拉曼光譜探測系統(tǒng)，提高系統(tǒng)光譜探測靈敏度，二向色分光裝置可以根據(jù)需要調整角度，有利于低波數(shù)拉曼光譜的探測。這是區(qū)別于現(xiàn)有拉曼光譜探測技術的創(chuàng)新點之四。[0037]5、單光路、單探測器分割焦斑差動相減探測方式可有效抑制光源光強波動、探測器電子漂移、環(huán)境狀態(tài)差異等產生的共模噪聲，大幅簡化探測光路系統(tǒng)，消除因兩探測器離軸放置不對稱、探測器響應特性不一致等引起的誤差，改善了共焦拉曼光譜顯微鏡的離焦特性；
[0038]6、分光瞳激光差動共焦測具有絕對零點，可進行雙極性絕對測量，且絕對零點位于特性曲線靈敏度最大處、并與測量系統(tǒng)“焦點位置”精確對應，極便于進行焦點跟蹤測量，可實現(xiàn)幾何尺度絕對測量；
[0039]7、可實現(xiàn)量程范圍與分辨能力的有效兼顧，通過設置在焦斑上所取兩個微小區(qū)域的參數(shù)，以匹配不同反射率的被測樣品，應用范圍得到擴展；
[0040]8、采用分割焦斑的橫向差動共焦方式，便于系統(tǒng)根據(jù)需求更換不同NA值的物鏡，調節(jié)方便；
[0041]9、二向色分光系統(tǒng)的使用增強光譜探測系統(tǒng)所接收到的拉曼光譜，提高光譜探測的信噪比，使共焦拉曼光譜顯微鏡的微區(qū)光譜探測能力顯著提高，也可以降低系統(tǒng)對激發(fā)光源的光強要求；還可以根據(jù)需求進行調整，以提高系統(tǒng)低波數(shù)探測能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1為共焦拉曼光譜成像方法示意圖；
[0043]圖2為差動共焦拉曼光譜成像方法示意圖；
[0044]圖3為本發(fā)明所述分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試過程示意圖；
[0045]圖4為D形分光瞳激光差動共焦拉曼光瞳測試不意圖；
[0046]圖5為本發(fā)明所述分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試裝置示意圖；
[0047]圖6為本發(fā)明所述非垂直出射的分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試裝置示意圖；
[0048]圖7為本發(fā)明所述具有共焦光譜探測系統(tǒng)的分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試裝置不意圖；
[0049]圖8為本發(fā)明所述具有光束調制系統(tǒng)的分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試裝置示意圖；
[0050]圖9為本發(fā)明所述具有探測焦斑放大系統(tǒng)分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試裝置不意圖；
[0051]圖10為本發(fā)明所述分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試方法與裝置實施例示意圖；
[0052]圖11為本發(fā)明所述分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試方法的分光瞳差動共焦響應曲線及拉曼光譜響應曲線示意圖。
[0053]其中，1-光源系統(tǒng)、2-測量物鏡、3-照明光瞳、4-收集光瞳、5-被測樣品、6- 二向色分光系統(tǒng)、7-拉曼光譜探測系統(tǒng)、8-第一聚光鏡、9-光譜探測器、10-第一探測器、11-分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)、12-第二聚光鏡、13-圖像采集系統(tǒng)、14-探測區(qū)域A、15-探測區(qū)域B、16-三維掃描系統(tǒng)、17-位移傳感器、18-數(shù)據(jù)處理單元、19-分割焦斑探測模塊、20-差動相減模塊、21-數(shù)據(jù)融合模塊、22-計算機處理系統(tǒng)、23-第一針孔、24-光束調制系統(tǒng)、25-第三聚光鏡、26-第二針孔、27-第四聚光鏡、28-圖像放大系統(tǒng)、29-分光瞳激光差動共焦響應曲線、30-拉曼光譜響應曲線、31-偏振分光鏡、32-四分之一波片、33-聚焦物鏡、34-第一保偏分光鏡、35-第二保偏分光鏡、36-第五聚光鏡、37-第六聚光鏡、38-第三針孔、39-第四針孔、40-第二探測器、41-第三探測器、42-差動共焦數(shù)據(jù)處理單元。
【具體實施方式】
[0054]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0055]一種分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試方法，包括以下步驟:
[0056]如圖3所示，首先，在測量物鏡2的光瞳面上放置照明光瞳3和收集光瞳4 ;光源系統(tǒng)I發(fā)出激發(fā)光束，激發(fā)光束透過測量物鏡2的照明光瞳3后，聚焦在被測樣品5上，激發(fā)出載有被測樣品5光譜特性的拉曼散射光，并反射出瑞利光；拉曼散射光和瑞利光經(jīng)測量物鏡2的收集光瞳4到達二向色分光系統(tǒng)6 ;二向色分光系統(tǒng)6對拉曼散射光和瑞利光進行無損分離；經(jīng)二向色分光系統(tǒng)6反射的瑞利光進入分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)11 ；分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)11利用探測器橫向偏移能夠使分光瞳共焦顯微系統(tǒng)的軸向響應特性曲線產生相移的特性，實現(xiàn)對被測樣品5微區(qū)幾何位置的探測；與此同時，經(jīng)二向色分光系統(tǒng)6透射的拉曼散射光進入拉曼光譜探測系統(tǒng)7中進行光譜探測。被測樣品5可以通過增強拉曼光譜納米粒子等拉曼增強技術進行處理，以提高拉曼散射光的強度。
[0057]當對接收瑞利光的分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)獲得的差動信號和接收拉曼散射光的拉曼光譜探測系統(tǒng)獲得的光譜信號進行處理時，系統(tǒng)能夠進行高空間分辨的微區(qū)圖譜層析成像，即實現(xiàn)對被測樣品“圖譜合一”的分光瞳激光差動共焦拉曼光譜高空間分辨成像與探測。
[0058]特別的，可將圓形的照明光瞳3和收集光瞳4替換為其他形狀(如D形，形成D形分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試，如圖4所示)。
[0059]特別的，激發(fā)光束可以是線偏光、圓偏光等偏振光束；還可以是由光瞳濾波技術生成的結構光束，偏振光與光瞳濾波技術結合可以壓縮測量聚焦光斑尺寸，提高系統(tǒng)的橫向分辨力。
[0060]特別的，可以采用計算機處理系統(tǒng)22控制三維掃描系統(tǒng)16移動被測樣品5，使不同區(qū)域瑞利光及對應該區(qū)域被測樣品5的拉曼散射光通過測量物鏡2和收集光瞳4。
[0061]一種分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試裝置，如圖5所示，包括產生激發(fā)光束的光源系統(tǒng)1、測量物鏡2、二向色分光系統(tǒng)6、拉曼光譜探測系統(tǒng)7、分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)11、三維掃描系統(tǒng)16、位移傳感器17、數(shù)據(jù)處理單元18和計算機處理系統(tǒng)22。
[0062]其中，在測量物鏡2的光瞳面上放置照明光瞳3和收集光瞳4。其中，照明光瞳3和測量物鏡2依次位于光源系統(tǒng)I的激發(fā)光束出射方向上，照明光瞳3與激發(fā)光束同軸；二向色分光系統(tǒng)6位于收集光瞳4之后，且二向色分光裝置6與收集光瞳4的軸線的夾角β為 45。。
[0063]拉曼光譜探測系統(tǒng)7位于二向色分光系統(tǒng)6的透射方向上；拉曼光譜探測系統(tǒng)7包括第一聚光鏡8、光譜探測器9和第一探測器10。其中，光譜探測器9的探測面位于第一聚光鏡8的焦點處，第一探測器10位于光譜探測器9之后。
[0064]分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)11位于二向分光系統(tǒng)6的反射方向上；分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)11包括第二聚光鏡12和圖像采集系統(tǒng)13，其中，圖像采集系統(tǒng)13的探測面位于第二聚光鏡12的焦點處。[0065]數(shù)據(jù)處理單元18包括分割焦斑探測模塊19、差動相減模塊20和數(shù)據(jù)融合模塊21 ;其中，分割焦斑探測模塊19和差動相減模塊20用于處理圖像采集系統(tǒng)13探測到的光斑，得到分光瞳激光差動共焦響應曲線29，由此得到被測樣品5的位置信息；數(shù)據(jù)融合模塊21用于融合位置信息I (u，vM)和光譜信息I (r)，完成被測樣品5的三維重構及光譜信息融合I (X，y, z, r)。三者關聯(lián)關系為:分割焦斑探測模塊19將圖像采集系統(tǒng)13采集到的艾利斑進行分割并探測，得到的信號進入差動相減模塊20進行差動相減后，得到分光瞳激光差動共焦響應曲線29進入數(shù)據(jù)融合模塊21。
[0066]計算機處理系統(tǒng)22與位移傳感器17、三維掃描系統(tǒng)16、數(shù)據(jù)融合模塊21相連接。圖像采集系統(tǒng)13和分割焦斑探測模塊19相連接。數(shù)據(jù)融合模塊21與第一探測器10相連接。
[0067]通過計算機處理系統(tǒng)22控制三維掃描系統(tǒng)16移動被測樣品5，使不同區(qū)域瑞利光及對應該區(qū)域被測樣品5的拉曼散射光通過測量物鏡2和收集光瞳4。
[0068]如圖6所示，二向色分光裝置6與收集光瞳4的軸線的夾角β可以不為45°，從而構成非垂直出射的分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試裝置。
[0069]如圖7所示，在第一聚光鏡8的焦點位置安放第一針孔23，從而構成具有共焦光譜探測系統(tǒng)的分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試裝置。
[0070]如圖8所不，在光源系統(tǒng)I和照明光睛3之間安放光束調制系統(tǒng)24 ;光束調制系統(tǒng)24包括沿光路依次放置的第三聚光鏡25、位于第三聚光鏡25焦點處的第二針孔26、以及焦點位于第二針孔26處的第四聚光鏡27,構成具有光束調制系統(tǒng)的分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試裝置。
[0071 ] 如圖9所示，在分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)11中，增加圖像放大系統(tǒng)28，能夠放大圖像采集系統(tǒng)13探測到的艾利斑，從而提高分光瞳激光差動共焦探測裝置的采集精度；沿光路依次放置第二聚光鏡12、圖像放大系統(tǒng)28和圖像采集系統(tǒng)13，其中，圖像放大系統(tǒng)28與第二聚光鏡12共焦點，圖像采集系統(tǒng)13位于圖像放大系統(tǒng)28的焦點處。
[0072]實施例
[0073]本實施例中，二向色分光系統(tǒng)6為Notch filter，光譜探測器9為拉曼光譜探測器，圖像采集系統(tǒng)13為CCD，圖像放大系統(tǒng)28為放大物鏡。
[0074]如圖10所示，分光瞳激光差動共焦拉曼光譜探測方法，其測試步驟如下:
[0075]首先，在測量物鏡2的光瞳面上放置照明光瞳3和收集光瞳4。由激光器構成的光源系統(tǒng)I發(fā)出可激發(fā)出被測樣品5拉曼光譜的激發(fā)光，激發(fā)光經(jīng)第三聚光鏡25會聚后進入第二針孔26成為點光源，再經(jīng)第四聚光鏡27準直擴束后，形成平行的激發(fā)光束。激發(fā)光束透過照明光瞳3、測量物鏡2后，聚焦在被測樣品5上，返回激發(fā)出的載有被測樣品5光譜特性的拉曼散射光和瑞利光。
[0076]然后，通過計算機處理系統(tǒng)22控制三維掃描系統(tǒng)16移動被測樣品5，使不同區(qū)域瑞利光及對應該區(qū)域被測樣品5的拉曼散射光通過測量物鏡2和收集光瞳4，二向色分光系統(tǒng)6對瑞利反射光和拉曼散射光進行無損分離。
[0077]經(jīng)二向色分光系統(tǒng)6反射的瑞利光進入分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)11，經(jīng)第二聚光鏡12會聚后進入放大物鏡28，被放大后的光斑被圖像采集系統(tǒng)13探測，圖像采集系統(tǒng)13探測到的光斑進入分割焦斑探測模塊19，在探測焦斑中的&軸上設置兩個微小區(qū)域探測區(qū)域A14和探測區(qū)域B15，兩個探測區(qū)域關于yd軸對稱并相對于yd軸偏移vM，測得這兩個區(qū)域的響應分別為Ia(U，-vM)和Ib(u，vM);差動相減模塊20將得到的信號進行差動相減，得到分光瞳激光差動共焦響應曲線29:
[0078]I (u, vM) =Ia (u, -vM) -1b (u, _vM)
[0079]其中，I (u, vM)為分光瞳激光差動共焦響應；u為軸向歸一化光學坐標，Vm為針孔軸向偏移量。分光瞳激光差動共焦響應曲線29的“過零點”與激發(fā)光束的聚焦焦點精確對應，通過響應曲線29的“過零點”獲得被測樣品5表面的高度信息，結合位移傳感器17反饋的位置信息重構出被測樣品5的表面三維形貌。
[0080]經(jīng)二向色分光系統(tǒng)6透射的拉曼散射光進入拉曼光譜探測系統(tǒng)7，經(jīng)第一聚光鏡8及其焦點上的第一針孔23后進入拉曼光譜探測器9以及其后的第一探測器10，測得載有被測樣品5光譜信息的拉曼散射光譜響應曲線I (r)30，其中r為被測樣品5受激發(fā)光所激發(fā)出拉曼散射光的波長；
[0081]對接收瑞利光的分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)11獲得的探測光斑進行分割處理，得到探測區(qū)域A14和探測區(qū)域B15。
[0082]若對兩個探測區(qū)域的信號進行差動相減處理，得到分光瞳激光差動共焦響應I (U，vM)，再通過其絕對零點，精確捕獲激發(fā)光斑的焦點位置，系統(tǒng)可以進行高空間分辨的三維尺度層析成像。
[0083]若對接收拉曼散射光的拉曼光譜探測系統(tǒng)7獲得的光譜響應曲線I (r)30進行處理時，系統(tǒng)可以進行光譜探測。
[0084]若對接收瑞利光的分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)11獲得的分光瞳激光差動共焦響應I (U，vM)和拉曼散射光的拉曼光譜探測系統(tǒng)7獲得的光譜信號I (r)進行處理時，系統(tǒng)可以進行高空間分辨的微區(qū)圖譜層析成像，即實現(xiàn)被測樣品5幾何位置信息和光譜信息的高空間分辨的“圖譜合一”探測效果。
[0085]如圖10所示，分光瞳激光差動共焦拉曼光譜探測裝置包括產生激發(fā)光束的光源系統(tǒng)1、測量物鏡2、照明光瞳3、收集光瞳4、NotchFilter6、拉曼光譜探測系統(tǒng)7、分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)11、三維掃描系統(tǒng)16、位移傳感器17以及數(shù)據(jù)處理單元18 ;其中，在測量物鏡2的光瞳面上放置照明光瞳3和收集光瞳4 ;測量物鏡2和照明光瞳3放置在光源系統(tǒng)I的光束出射方向上，照明光瞳3與激發(fā)光束同軸，NotchFilter6放置在收集光瞳4之后，拉曼光譜探測系統(tǒng)7放置在NotchFiltere的透射方向上，分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)11在的反射方向上，數(shù)據(jù)處理單元18用于融合并處理拉曼光譜探測系統(tǒng)7、分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)11和位移傳感器17采集到的數(shù)據(jù)；NotChFilter6與收集光瞳軸線的夾角β是可變的，可選擇適當?shù)慕嵌圈乱詽M足分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試裝置的結構設計；拉曼光譜探測系統(tǒng)7中第一聚光鏡8的焦點處放置第一針孔23對雜散光進行濾除，以提高光譜探測信噪比；光源系統(tǒng)I通過包括第三聚光鏡25、位于第三聚光鏡25焦點處的第二針孔26、以及焦點位于第二針孔26處的第三聚光鏡27構成的光束調制系統(tǒng)24對光源系統(tǒng)I發(fā)出的激發(fā)光束進行調制，以保證激發(fā)光束的質量；分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)11中第二聚光鏡12焦面上的像通過放大物鏡28放大后進入圖像采集系統(tǒng)13，以便于探測器進行分割焦斑探測，提高探測精度。
[0086]以上結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護范圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發(fā)明權利要求基礎上進行的改動都是本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試方法，其特征在于包括以下步驟: 首先，在測量物鏡(2 )的光瞳面上放置照明光瞳(3 )和收集光瞳(4);光源系統(tǒng)(I)發(fā)出激發(fā)光束，激發(fā)光束透過照明光瞳(3)后，聚焦在被測樣品(5)上，激發(fā)出載有被測樣品(5)光譜特性的拉曼散射光，同時反射出瑞利光；拉曼散射光和瑞利光經(jīng)收集光瞳(4)后到達二向色分光系統(tǒng)(6) ;二向色分光系統(tǒng)(6)對拉曼散射光和瑞利光進行無損分離； 經(jīng)二向色分光系統(tǒng)(6)反射的瑞利光進入分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)(11);分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)(11)利用探測器橫向偏移能夠使分光瞳共焦顯微系統(tǒng)的軸向響應特性曲線產生相移的特性，采用單光路、單探測器分割焦斑差動方法，實現(xiàn)對被測樣品(5)微區(qū)幾何位置的探測，具體過程為:對接收瑞利光的分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)(11)所獲得的探測光斑進行分割處理，得到探測區(qū)域A和探測區(qū)域B ;當對A、B兩個探測區(qū)域的信號進行差動相減處理時，能夠進行高空間分辨的三維尺度層析成像； 與此同時，經(jīng)二向色分光系統(tǒng)(6)透射的拉曼散射光進入拉曼光譜探測系統(tǒng)(7)，利用分光瞳激光差動共焦響應曲線(29)的“過零點”與測量物鏡焦點位置精確對應特性，將分光瞳激光差動共焦響應曲線的“過零點”精確對應測量物鏡的焦點，通過“過零點”觸發(fā)來精確捕獲激發(fā)光斑焦點位置的光譜信息，實現(xiàn)高空間分辨的光譜探測。 當對接收拉 曼散射光的拉曼光譜探測系統(tǒng)獲得的光譜信號進行處理時，系統(tǒng)能夠進行拉曼光譜探測；當對接收瑞利光的分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)獲得的差動信號和接收拉曼散射光的拉曼光譜探測系統(tǒng)獲得的光譜信號進行處理時，系統(tǒng)能夠進行高空間分辨的微區(qū)圖譜層析成像，即實現(xiàn)對被測樣品“圖譜合一”的分光瞳激光差動共焦拉曼光譜高空間分辨成像與探測。
2.根據(jù)權利I所述的分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試方法，其特征在于:照明光瞳(3)和收集光瞳(4)可以是圓形的；還可以是D形或者其他形狀。
3.根據(jù)權利I所述的分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試方法，其特征在于:激發(fā)光束可以是線偏光、圓偏光等偏振光束；還可以是由光瞳濾波技術生成的結構光束，偏振光與光瞳濾波技術結合可以壓縮測量聚焦光斑尺寸，提高系統(tǒng)的橫向分辨力。
4.根據(jù)權利I所述的分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試方法，其特征在于:該系統(tǒng)還可以探測包括熒光、布里淵散射光、康普頓散射光等的散射光譜。
5.一種分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試裝置，其特征在于:包括產生激發(fā)光束的光源系統(tǒng)(I)、測量物鏡(2)、照明光瞳(3)、收集光瞳(4)、二向色分光裝置(6)、拉曼光譜探測裝置(7)、分光瞳激光差動共焦探測裝置(11)、三維掃描裝置(16)、位移傳感器(17)以及數(shù)據(jù)處理單元(18)； 其中，在測量物鏡(2)的光瞳面上放置照明光瞳(3)和收集光瞳(4)，照明光瞳(3)和測量物鏡(2)依次位于光源系統(tǒng)(I)的激發(fā)光束出射方向上，照明光瞳(3)與激發(fā)光束同軸；二向色分光系統(tǒng)(6)位于收集光瞳(4)之后；拉曼光譜探測系統(tǒng)(7)位于二向色分光系統(tǒng)(6)的透射方向上；分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)(11)位于二向分光系統(tǒng)(6)的反射方向上；被測樣品(5)固定在三維掃描裝置(16)的載物臺上； 數(shù)據(jù)處理單元(18)包括分割焦斑探測模塊(19)、差動相減模塊(20)和數(shù)據(jù)融合模塊(21);其中，分割焦斑探測模塊(19)和差動相減模塊(20)用于處理圖像采集系統(tǒng)(13)探測到的光斑，得到分光瞳激光差動共焦響應曲線(29)，由此得到被測樣品(5)的位置信息；數(shù)據(jù)融合模塊(21)用于融合位置信息和光譜信息，完成被測樣品(5)的三維重構及光譜信息融合；三者關聯(lián)關系為:分割焦斑探測模塊(19)將圖像采集系統(tǒng)(13)采集到的艾利斑進行分割并探測，得到的信號進入差動相減模塊(20)進行差動相減后，得到分光瞳激光差動共焦響應曲線(29 )進入數(shù)據(jù)融合模塊(21); 計算機處理系統(tǒng)(22)與位移傳感器(17)、三維掃描裝置(16)、數(shù)據(jù)融合模塊(21)相連接；圖像采集系統(tǒng)(13)和分割焦斑探測模塊(19)相連接。數(shù)據(jù)融合模塊(21)與第一探測器(10)相連接； 通過計算機處理系統(tǒng)(22)控制三維掃描裝置(16)移動被測樣品(5)，使不同區(qū)域瑞利光及對應該區(qū)域被測樣品(5)的拉曼散射光通過測量物鏡(2)和收集光瞳(4)。
6.如權利要求5所述的一種分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試裝置，其特征在于，二向色分光裝置(6)與收集光瞳(4)軸線的夾角β可變。
7.如權利要求2所述的一種分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試裝置，其特征在于，拉曼光譜探測系統(tǒng)(7)包括第一聚光鏡(8)、光譜探測器(9)和第一探測器(10);其中，光譜探測器(9)的探測面位于第一聚光鏡(8)的焦點處，第一探測器(10)位于光譜探測器(9)之后。
8.如權利要求4所述的一種分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試裝置，其特征在于，在第一聚光鏡(8)的焦點位置安放有第一針孔(23)，且光譜探測器(9)位于第一針孔(23)之后。
9.如權利要求2所述的一種分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試裝置，其特征在于，分光瞳激光差動共焦探測系統(tǒng)(11)包括第二聚光鏡(12)和圖像采集系統(tǒng)(13)，其中，圖像采集系統(tǒng)(13)的探測面位于第二聚光鏡(12)的焦點處。還可以包括圖像放大系統(tǒng)(28)，圖像放大系統(tǒng)(28)與第二聚光鏡(12)共焦點，圖像采集系統(tǒng)(13)位于圖像放大系統(tǒng)(28)的焦點處。
10.如權利要求2所述的一種分光瞳激光差動共焦拉曼光譜測試裝置，其特征在于，在光源系統(tǒng)(I)和照明光瞳(3 )之間安放光束調制系統(tǒng)(24 );光束調制系統(tǒng)(24 )包括沿光路依次放置的第三聚光鏡(25)、位于第三聚光鏡(25)焦點處的第二針孔(26)以及焦點位于第二針孔(26)處的第四聚光鏡(27)。
【文檔編號】G01N21/65GK103969239SQ201410083285
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年3月7日 優(yōu)先權日:2013年9月6日
【發(fā)明者】趙維謙, 盛忠, 邱麗榮, 邵榮君 申請人:北京理工大學