一种分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法与装置制造方法
【专利摘要】本发明属于显微光谱成像【技术领域】，将共焦显微技术与拉曼光谱探测技术相结合，涉及一种分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法及装置。利用共焦拉曼光谱探测中遗弃的瑞利散射光构建分光瞳共焦显微成像系统，实现样品三维几何位置的高分辨成像与探测；利用分光瞳共焦显微成像系统的“极值点”来控制光谱探测系统能精确捕获物镜聚焦点处激发的拉曼光谱信息，继而实现“图谱合一”的分光瞳共焦拉曼光谱高空间分辨成像与探测。本发明为微区三维几何位置与光谱的高空间分辨探测提供新的技术途径，可广泛应用于物理、化学、生物医学、材料科学、环境科学、石油化工、地质、药物、食品、刑侦和珠宝检定等领域，可对样品进行无损伤鉴定和深度光谱分析。
【专利说明】一种分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法与装置
【技术领域】
[0001]本发明属于显微光谱成像【技术领域】，将共焦显微技术与拉曼光谱探测技术相结合，涉及一种“图谱合一”的高空间分辨光谱测试成像方法及装置，用于对样品的微区光谱进行高分辨测试等。
【背景技术】
[0002]激光共焦拉曼光谱技术通过入射激光引起分子(或晶格)产生振动而损失(或获得)部分能量，使散射光频率发生变化，通过对散射光进行分析，来探知分子的组分、结构及相对含量等，激光共焦拉曼光谱技术亦被称为分子探针技术。该技术既继承了共焦显微术的高分辨层析成像特征，又可以对样品进行光谱分析，它不仅可以观测样品同一层面内不同微区的拉曼光谱信号，还能分别观测样品内深度不同的各个层面的拉曼信号，对被测样品进行断层扫描，从而在不损伤样品的情况下达到进行“光学切片”的效果。激光共焦拉曼光谱测试技术作为一种极其重要的材料结构测量与分析的基本技术手段，广泛应用于物理、化学、生物医学、材料科学、环境科学、石油化工、地质、药物、食品、刑侦和珠宝检定等领域，可对样品进行无损伤鉴定和深度光谱分析，同时，还可以进行样品扫描和低温分析、材料的光致发光研究等。
[0003]传统共焦拉曼光谱测试仪的原理如图1所示，光源系统发出激发光束透过偏振分光镜、四分之一波片和聚焦物镜后，聚焦在被测样品上，激发出载有样品光谱特性的拉曼散射光；通过三维扫描系统移动被测样品，使对应被测样品不同区域的拉曼散射光再次通过四分之一波片并被偏振分光镜反射，第一聚光镜将偏振分光棱镜反射的光进行会聚，利用位于第一针孔后面的拉曼光谱探测系统测得载有被测样品光谱信息的拉曼散射光谱。
[0004]由于激发出的拉曼散射光十分微弱，现有激光共焦拉曼光谱探测仪为了减小拉曼散射光的能量损失，系统中选取较大的针孔，通常在Φ150μπι?Φ 200 μ m之间，由于系统利用共焦方式进行焦点定位，针孔尺寸直接影响共焦轴向定位曲线的半高宽，针孔尺寸较大导致系统定焦精度降低，即降低了空间分辨力。并且系统只能进行光谱探测，模式单一，限制了其应用领域。
[0005]同时，样品散射的拉曼散射光只有反射的瑞利光束强度的10_3?10_6倍,而现有共焦拉曼光谱探测仪器只利用了微弱的拉曼散射光进行光谱探测而遗弃强于拉曼散射光IO3?IO6倍的瑞利光束，利用拉曼散射光直接进行成像，存在系统灵敏度较低的不足。
[0006]此外，为了获得精确、丰富的测量信息，拉曼光谱成像时既需较长时间的单点拉曼光谱探测，又需进行多点拉曼光谱探测，因此拉曼光谱成像需要较长的时间。但是，仪器长时间成像过程中受环境温度、振动、空气抖动等的影响较大，易使仪器系统产生漂移，从而导致样品被探测位置离焦；由于现有共焦拉曼光谱探测技术不具备实时焦点跟踪和位置矫正能力，因而在整个成像过程中，无法保证其激发光斑的位置处在物镜焦点位置，实际激发光斑远大于物镜聚焦光焦斑，其结果制约了可探测区域的微小化，限制了共焦拉曼光谱仪器的微区光谱探测能力。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是为克服已有技术的不足，提供一种共焦显微技术与拉曼光谱探测相结合的分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法及装置。利用共焦拉曼光谱探测中遗弃的瑞利散射光构建分光瞳共焦显微成像系统，实现样品三维几何位置的高分辨成像与探测；利用分光瞳共焦显微成像系统的“极值点”来控制光谱探测系统能精确捕获物镜聚焦点处激发的拉曼光谱信息，继而实现“图谱合一”的分光瞳共焦拉曼光谱高空间分辨成像与探测。
[0008]本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0009]一种分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法，包括以下步骤:
[0010]在测量物镜的光瞳面上放置照明光瞳和收集光瞳。光源系统发出能够激发出拉曼光谱的激发光束。激发光束透过照明光瞳、测量物镜后，聚焦在被测样品上，激发出载有被测样品光谱特性的拉曼散射光，同时反射出瑞利光。拉曼散射光和瑞利光经测量物镜和收集光瞳后到达二向色分光系统，二向色分光系统对拉曼散射光和瑞利光进行无损分离。
[0011]经二向色分光系统反射的瑞利光进入分光瞳激光共焦探测系统。分光瞳激光共焦探测系统利用探测器横向偏移可使分光瞳共焦显微系统的轴向响应特性曲线产生相移的特性，实现对被测样品微区几何位置的探测。具体过程为:对接收瑞利光的分光瞳激光共焦探测系统获得的探测光斑进行处理，得到探测区域，测得反映样品凹凸变化的强度响度相应I (U)，即可进行高空间分辨的三维尺度层析成像探测，其中，u为轴向归一化光学坐标。
[0012]与此同时，经二向色分光系统透射的拉曼散射光进入拉曼光谱探测系统，利用分光瞳激光共焦响应曲线的“极值点”与测量物镜焦点位置精确对应这一特性，通过寻找“极值点”来精确捕获激发光斑焦点位置的光谱信息，实现高空间分辨的光谱探测。具体过程为:将分光瞳激光共焦响应曲线的“极值点”精确对应测量物镜的焦点。测量过程中可以对被测样品进行实时、精确地跟踪定焦，通过计算机处理系统控制三维扫描系统的姿态以保证被测样品在整个测量过程中始终处于焦点位置，可抑制因环境温度和振动等因素导致被测样品离焦而产生的误差，提高测量精度。
[0013]当只对接收瑞利光的分光瞳激光共焦探测系统获得的探测光斑进行处理时，能够进行高空间分辨率的三维尺度层析成像探测；
[0014]当只对接收拉曼散射光的拉曼光谱探测系统获得的光谱信号进行处理时，能够进行光谱探测；
[0015]当同时对接收瑞利光的分光瞳激光共焦探测系统获得的信号和接收拉曼散射光的拉曼光谱探测系统获得的光谱信号进行处理时，能够进行高空间分辨的微区图谱层析成像，实现对被测样品“图谱合一”的分光瞳激光共焦拉曼光谱高空间分辨成像与探测。
[0016]特别的，在本发明方法中，所述照明光瞳和收集光瞳可以是圆形、D形或者其他形状。
[0017]在本发明方法中，激发光束可以是线偏光、圆偏光等偏振光束；还可以是由光瞳滤波技术生成的结构光束。偏振光与光瞳滤波技术结合可以压缩测量聚焦光斑尺寸，提高系统的横向分辨力。
[0018]本发明方法可以探测包括荧光、布里渊散射光、康普顿散射光等散射光谱。
[0019]在本发明方法中，仅通过计算机系统软件处理即可实现对不同NA值的测量物镜的匹配，而无需重新对系统进行任何硬件装调。
[0020]本发明提供了一种分光瞳激光共焦拉曼光谱测试装置，包括产生激发光束的光源系统、测量物镜、照明光瞳、收集光瞳、三维扫描系统、位移传感器、二向色分光系统、拉曼光谱探测系统、分光瞳激光共焦测量系统、数据处理单元和计算机处理系统。
[0021]其中，照明光瞳和收集光瞳放置在测量物镜的光瞳面上。被测样品固定在三维扫描装置的载物台上。照明光瞳和测量物镜依次放置在光源系统的光束出射方向上，照明光瞳与激发光束同轴，二向色分光系统放置在收集光瞳之后，拉曼光谱探测系统放置在二向色分光系统的透射方向上，分光瞳激光共焦探测系统在二向色分光装置的反射方向上，数据处理单元用于对拉曼光谱探测系统、分光瞳激光共焦探测系统和位移传感器采集到的数据进行融合处理。被测样品固定在三维扫描系统的载物台上。计算机处理系统用于对三维扫描系统、拉曼光谱探测系统、分光瞳激光共焦探测系统以及数据处理单元进行协调和控制。
[0022]在本发明装置中，数据处理单元包括分割焦斑探测模块、极大值运算模块，用于处理图像采集系统得到的探测光斑，得到分光瞳激光共焦响应曲线，从而得到被测样品的位置信息；包括数据融合模块，用于融合位置信息Ku)和光谱信息I(r)，完成样品三维重构及光谱信息融合I (X，y, z, r)。
[0023]在本发明装置中，拉曼光谱探测系统可以是普通拉曼光谱探测系统，包括沿光路依次放置的第一聚光镜、位于第一聚光镜焦点位置的光谱探测器，以及位于光谱探测器之后的探测器，用于被测样品的表层拉曼光谱探测。还可以是共焦拉曼光谱探测系统，包括沿光路依次放置的第一聚光镜、位于第一聚光镜焦点位置的第一针孔、位于第一针孔后的光谱探测器，以及位于光谱探测器之后的探测器，可以有效滤除焦点之外的杂散光，提高拉曼光谱探测的信噪比。
[0024]在本发明装置中，可通过在光源系统和照明光瞳之间增加光束调制系统，包括沿光路依次放置的第三聚光镜、位于第三聚光镜焦点处的第二针孔、以及焦点位于第二针孔处的第四聚光镜，用于对光源系统发出的激发光束进行调制，以得到更高空间分辨力和更好的激发效果。
[0025]在本发明装置中，可通过增加图像放大系统，放大图像采集系统探测到的艾利斑，包括沿光路依次放置的第二聚光镜、与第二聚光镜共焦点的图像放大系统以及位于图像放大系统焦点处的图像采集系统，以提高分光瞳激光共焦测量装置的采集精度。
[0026]有益效果
[0027]本发明方法对比已有技术具有以下创新点:
[0028]1、本发明将分光瞳激光共焦显微技术与拉曼光谱探测技术有机结合，融合了分光瞳激光共焦显微技术的高精度物镜聚焦点位置跟踪捕获能力，可使共焦拉曼光谱显微镜探测到精确对应最小激发聚焦光斑区域的样品光谱特性，大幅提高了现有共焦拉曼光谱显微镜的微区拉曼光谱探测能力，这是区别于现有拉曼光谱探测技术的创新点之一；
[0029]2、利用二向色分光装置对瑞利光和拉曼散射光进行无损分离，瑞利光进入分光瞳激光共焦探测系统，拉曼散射光进入拉曼光谱探测系统，提高了系统拉曼光谱探测灵敏度。这是区别于现有拉曼光谱探测技术的创新点之二；
[0030]3、由于采用分割焦斑的方法来获取信号，可通过改变在图像探测系统探测焦面上所设置的微小区域的参数以匹配不同的样品的反射率，从而可以扩展其应用领域；还可以仅通过计算机系统软件处理即可实现对不同NA值的测量物镜的匹配，而无需重新对系统进行任何硬件装调，有利于实现仪器的通用性。这是区别于现有拉曼光谱探测技术的创新点之三；
[0031]4、本发明仅通过软件切换处理便可实现分光瞳激光共焦显微探测、激光共焦拉曼光谱探测、分光瞳激光共焦拉曼光谱探测多模式切换与处理。这是区别于现有拉曼光谱探测技术的创新点之四。
[0032]本发明方法具有如下特点:
[0033]1、融合分光瞳激光共焦探测技术和拉曼光谱探测技术，利用分光瞳激光共焦系统对焦点的精确定位，进行焦点跟踪测量，大幅提高拉曼光谱探测的空间分辨力；
[0034]2、可实现量程范围与分辨能力的有效兼顾，同时通过设置在焦斑上所取微小区域的参数，以匹配不同反射率的被测样品，应用范围得到扩展；
[0035]3、系统具有分光瞳激光共焦显微探测、激光共焦拉曼光谱探测和分光瞳激光共焦拉曼光谱探测三种工作模式，仅需通过软件操作便可实现三种模式的切换；
[0036]4、二向色分光系统的使用增强拉曼光谱探测系统所接收到的拉曼光谱，提高拉曼光谱探测的信噪比，使共焦拉曼光谱显微镜的微区光谱探测能力显著提高，也可以降低系统对激发光源的光强要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1为共焦拉曼光谱成像方法示意图；
[0038]图2为本发明所述分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法示意图；
[0039]图3为D形分光瞳激光共焦拉曼光瞳测试示意图；
[0040]图4为本发明所述分光瞳激光共焦拉曼光谱测试装置示意图；
[0041]图5为具有共焦光谱探测系统的分光瞳激光共焦拉曼光谱测试装置示意图；
[0042]图6为具有光束调制系统的分光瞳激光共焦拉曼光谱测试装置示意图；
[0043]图7为具有探测焦斑放大系统的分光瞳激光共焦拉曼光谱测试装置示意图；
[0044]图8为分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法与装置实施例示意图；
[0045]图9为分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法的分光瞳激光共焦响应曲线及拉曼光谱响应曲线示意图。
[0046]其中，1-光源系统、2-测量物镜、3-照明光瞳、4-收集光瞳、5-被测样品，6_ 二向色分光系统、7-拉曼光谱探测系统、8-第一聚光镜、9-光谱探测器、10-探测器、11-分光瞳激光共焦探测系统、12-第二聚光镜、13-图像采集系统、14-探测器区域、15-三维扫描系统、16-位移传感器、17-数据处理单元、18-分割焦斑探测模块、19-极值运算模块、20-数据融合模块、21-计算机处理系统、22-第一针孔、23-光束调制系统、24-第三聚光镜、25-第二针孔、26-第四聚光镜、27-图像放大系统、28-分光瞳激光共焦响应曲线、29-拉曼光谱响应曲线、30-偏振分光镜、31-四分之一波片、32-聚焦物镜。
【具体实施方式】
[0047]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。[0048]一种分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法，包括以下步骤:
[0049]如图2所不,照明光瞳3和收集光瞳4放置在测量物镜2的光瞳面上。光源系统I发出激发光束，激发光束透过照明光瞳3、测量物镜2后，聚焦在被测样品5上，激发出载有被测样品5光谱特性的拉曼散射光，同时反射出瑞利光。拉曼散射光和瑞利光经测量物镜2和收集光瞳4后到达二向色分光系统6。二向色分光系统6对拉曼散射光和瑞利光进行无损分离。经二向色分光系统6反射的瑞利光进入分光瞳激光共焦探测系统11,分光瞳激光共焦探测系统11利用探测器横向偏移可使分光瞳共焦显微系统的轴向响应特性曲线产生相移的特性，实现对被测样品5微区几何位置的探测。经二向色分光系统6透射的拉曼散射光进入拉曼光谱探测系统7，利用分光瞳激光共焦响应曲线28的“极值点”与焦点位置精确对应这一特性，通过寻找“极值点”来精确捕获激发光斑焦点位置的光谱信息，实现高空间分辨的拉曼光谱探测。
[0050]一种分光瞳激光共焦拉曼光谱测试装置，如图4所示，包括光源系统1、测量物镜
2、照明光瞳3、收集光瞳4、二向色分光系统6、拉曼光谱探测系统7、分光瞳激光共焦探测系统11、位移传感器16、数据处理单元17、三维扫描系统15和计算机处理系统21。
[0051]其中，照明光瞳3和收集光瞳4放置在测量物镜2的光瞳面上。照明光瞳3和测量物镜2依次位于光源系统I的激发光束出射方向上，照明光瞳3与激发光束同轴；二向色分光系统6位于收集光瞳4之后。
[0052]拉曼光谱探测系统7位于二向色分光系统6的透射方向上；拉曼光谱探测系统7包括第一聚光镜8、光谱探测器9和探测器10。其中，光谱探测器9的探测面位于第一聚光镜8的焦点处，探测器10位于光谱探测器9之后。探测器10将得到的光谱信号发送给数据处理单元17。
[0053]分光瞳激光共焦探测系统11位于二向分光系统6的反射方向上；分光瞳激光共焦探测系统11包括第二聚光镜12和图像采集系统13，其中，图像采集系统13的探测面位于第二聚光镜12的焦点处。
[0054]数据处理单元17用于处理拉曼光谱探测系统7和分光瞳激光共焦探测系统11所得到的信息。包括分割焦斑探测模块18、极值运算模块19、数据融合模块20。三者关联关系为:分割焦斑探测模块18将图像采集系统13采集到的艾利斑进行分割并探测，得到的信号进入极值运算模块19进行极值求取，得到的样品测量点位置信息进入数据融合模块20。数据融合模块20还接收探测器10得到的光谱信号，并融合光谱信息和位置信息。
[0055]计算机处理系统21负责协调和控制整个装置的运作。计算机处理系统21与位移传感器16、三维扫描装置15、数据融合模块20相连接；图像采集系统13和分割焦斑探测模块18相连接，数据融合模块21与探测器10相连接；
[0056]其中，通过计算机处理系统21控制三维扫描系统15移动被测样品5，使不同区域瑞利光及对应该区域被测样品5的拉曼散射光通过测量物镜2和收集光瞳4 ;位移传感器16用于将被测样品5的实时位置反馈至计算机处理系统21为被测样品5的运动提供依据。
[0057]特别的，可以将圆形照明光瞳和收集光瞳替换为其他形状(如D形，构成D形分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法示意图，如图3所示)。
[0058]特别的，本发明装置还可以包括第一针孔22，构成具有共焦光谱探测系统的分光瞳激光共焦拉曼光谱测试装置，如图5所示。第一针孔位于第一聚光镜8的焦点位置。[0059]特别的，本发明装置还可以在光源系统I和照明光瞳3之间增加光束调制系统23，如图6所示。光束调制系统23包括沿光路依次放置的第三聚光镜24、位于第三聚光镜24焦点处的第二针孔25、焦点位于第二针孔25处的第四聚光镜26，构成具有光束调制系统的分光瞳激光共焦拉曼光谱测试装置。
[0060]特别的，本发明装置还可以在分光瞳激光共焦探测系统11中增加图像放大系统27，用于放大图像采集系统13探测到的艾利斑，如图7所示。图像放大系统27与第二聚光镜12共焦点，且图像采集系统13位于图像放大系统27焦点处，以提高分光瞳激光共焦测量装置的采集精度。
[0061]实施例
[0062]本实施例中，二向色分光系统6为Notch filter，光谱探测器9为拉曼光谱探测器，图像采集系统13为CCD，图像放大系统27为放大物镜。
[0063]如图8所示，分光瞳激光共焦拉曼光谱探测过程如下:
[0064]首先，由激光器构成的光源系统I发出可激发出被测样品拉曼光谱的激发光，激发光经第三聚光镜24会聚后进入第二针孔25成为点光源，经第四聚光镜26准直扩束后，形成平行的激发光束。激发光束经过照明光瞳3、测量物镜2后，聚焦在被测样品5上，激发出载有被测样品5光谱特性的拉曼散射光。
[0065]然后，通过计算机系统21控制三维扫描系统15移动被测样品5，使不同区域瑞利光及对应该区域被测样品5的拉曼散射光通过测量物镜2和收集光瞳4，NotchFilter6将瑞利反射光和拉曼散射光分离。
[0066]经NotchFilter6反射的瑞利光进入分光瞳激光共焦测量系统11，经第二聚光镜12会聚后进入放大物镜27，被放大后的光斑被CCD13探测，CCD13探测到的光斑进入分割焦斑探测模块18，在探测焦斑中心设置微小区域探测区域14，测得这个区域的响应为I(u)，极值运算模块19将得到的响应进行极值求取，得到分光瞳激光共焦响应曲线28的“极值点”;分光瞳激光共焦响应曲线28的“极值点”与激发光束的聚焦焦点精确对应，通过响应曲线28的“极值点”来获得样品表面的高度信息，结合位移传感器16反馈的位置信息重构出被测样品5的表面三维形貌。
[0067]经NotchFilter6透射的拉曼散射光进入拉曼光谱探测系统7,经第一聚光镜8及位于其焦点上的第一针孔22后进入拉曼光谱探测器9以及其后的探测器10，测得载有被测样品5光谱信息的拉曼散射光谱响应曲线I 0029，其中r为被测样品5受激发光所激发出拉曼散射光的波长。
[0068]只对接收瑞利光的分光瞳激光共焦探测系统11获得探测光斑进行处理得到探测区域14分光瞳激光共焦响应I (U)，通过其“极值点”精确捕获激发光斑的焦点位置，系统可以进行高空间分辨的三维尺度层析成像；只对接收拉曼散射光的拉曼光谱探测系统7获得的光谱响应I (r) 29进行处理时，系统可以进行拉曼光谱探测；同时对接收瑞利光的探测器11获得的分光瞳激光共焦响应I (U)和拉曼散射光的拉曼光谱探测系统7获得的光谱信号
I(r)进行处理时，系统可以进行高空间分辨的微区图谱层析成像，即实现被测样品5几何位置信息和光谱信息的高空间分辨的“图谱合一”探测效果；
[0069]如图8所示，分光瞳激光共焦拉曼光谱探测装置包括产生激发光束的光源系统1、测量物镜2、照明光瞳3、收集光瞳4、被测样品5、NotchFilter6、拉曼光谱探测系统7、分光瞳激光共焦测量系统11、三维扫描系统15、位移传感器16以及数据处理单元17 ;其中，将测量物镜2的光瞳面分割为照明光瞳3和收集光瞳4，测量物镜2和照明光瞳3放置在光源系统I的光束出射方向上，照明光瞳3与激发光束同轴，NotchFilter6放置在收集光瞳4之后，拉曼光谱探测系统7放置在NotchFiltere的透射方向上，分光瞳激光共焦测量系统
11放置在NotchFilter6的反射方向上,数据处理单元17用于融合并处理拉曼光谱探测系统7、分光瞳激光共焦探测系统11和位移传感器16采集到的数据；拉曼光谱探测系统7中第一聚光镜8的焦点处放置第一针孔22对杂散光进行滤除，以提高拉曼光谱探测效率；光源系统可以通过包括第三聚光镜24、位于第三聚光镜24焦点处的第二针孔25、以及焦点位于第二针孔25处的第四聚光镜26构成的光束调制系统23对光源系统I发出的激发光束进行调制，以提高激发光束的质量；位于图像采集系统11中第二聚光镜12焦面上的像通过图像放大物镜27放大后到达CCD13的探测面上，以便于探测器进行分割焦斑探测，提高探测精度。
【权利要求】
1.一种分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法，其特征在于，包括以下步骤:在测量物镜(2 )的光瞳面上放置照明光瞳(3 )和收集光瞳(4 );光源系统(I)发出能够激发出拉曼光谱的激发光束；激发光束依次透过照明光瞳(3)、测量物镜(2)后，聚焦在被测样品(5)上，激发出载有被测样品光谱特性的拉曼散射光，同时反射出瑞利光；拉曼散射光和瑞利光依次经测量物镜(2)和收集光瞳(4)后到达二向色分光系统(6), 二向色分光系统(6)对拉曼散射光和瑞利光进行无损分离；经二向色分光系统(6)反射的瑞利光进入分光瞳激光共焦探测系统(11);分光瞳激光共焦探测系统(11)利用探测器横向偏移可使分光瞳共焦显微系统的轴向响应特性曲线产生相移的特性，实现对被测样品微区几何位置的探测；具体过程为:对接收瑞利光的分光瞳激光共焦探测系统(11)获得的探测光斑进行处理，得到探测区域，测得反映样品凹凸变化的强度响度相应I (U)，即可进行高空间分辨的三维尺度层析成像探测，其中，u为轴向归一化光学坐标；与此同时，经二向色分光系统(6)透射的拉曼散射光进入拉曼光谱探测系统(7)，利用分光瞳激光共焦响应曲线的“极值点”与测量物镜(2)焦点位置精确对应这一特性，通过寻找“极值点”来精确捕获激发光斑焦点位置的光谱信息，实现高空间分辨的光谱探测；具体过程为:将分光瞳激光共焦响应曲线的“极值点”精确对应测量物镜(5)的焦点；当只对接收瑞利光的分光瞳激光共焦探测系统(11)获得的探测光斑进行处理时，能够进行高空间分辨率的三维尺度层析成像探测；当只对接收拉曼散射光的拉曼光谱探测系统(7)获得的光谱信号进行处理时，能够进行光谱探测；当同时对接收瑞利光的分光瞳激光共焦探测系统(11)获得的信号和接收拉曼散射光的拉曼光谱探测系统(6)获得的光谱信号进行处理时，能够进行高空间分辨的微区图谱层析成像，实现对被测样 品“图谱合一”的分光瞳激光共焦拉曼光谱高空间分辨成像与探测。
2.根据权利I所述的分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法，其特征在于:照明光瞳(3)和收集光瞳(4)可以是圆形的；还可以是D形或者其他形状。
3.根据权利I所述的分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法，其特征在于:激发光束可以是线偏光、圆偏光等偏振光束；还可以是由光瞳滤波技术生成的结构光束，偏振光与光瞳滤波技术结合可以压缩测量聚焦光斑尺寸，提高系统的横向分辨力。
4.根据权利I所述的分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法，其特征在于:该系统还可以探测包括荧光、布里渊散射光、康普顿散射光等的散射光谱。
5.一种分光瞳激光共焦拉曼光谱测试装置，其特征在于，包括光源系统(I)、测量物镜(2)、照明光瞳(3)、收集光瞳(4)、二向色分光系统(6)、拉曼光谱探测系统(7)、分光瞳激光共焦探测系统(11)、位移传感器(16)、数据处理单元(17)、三维扫描装置(15)和计算机处理系统(21)；其中，照明光瞳(3 )和收集光瞳(4 )放置在测量物镜(2 )的光瞳面上；照明光瞳(3 )和测量物镜(2)依次位于光源系统(I)的激发光束出射方向上，照明光瞳(3)与激发光束同轴；二向色分光系统(6)位于收集光瞳(4)之后；被测样品(5)固定在三维扫描装置(15载物台上；拉曼光谱探测系统(7)位于二向色分光系统(6)的透射方向上；拉曼光谱探测系统(7)包括第一聚光镜(8)、光谱探测器(9)和探测器(10);其中，光谱探测器(9)的探测面位于第一聚光镜(8)的焦点处，探测器(10)位于光谱探测器(9)之后；探测器(10)将得到的光谱信号发送给数据处理单元(17)； 分光瞳激光共焦探测系统(11)位于二向分光系统(6)的反射方向上；分光瞳激光共焦探测系统(11)包括第二聚光镜(12)和图像采集系统(13)，其中，图像采集系统(13)的探测面位于第二聚光镜(12)的焦点处； 数据处理单元(17)用于处理拉曼光谱探测系统(7)和分光瞳激光共焦探测系统(11)所得到的信息，包括分割焦斑探测模块(18)、极值运算模块(19)、数据融合模块(20);三者关联关系为:分割焦斑探测模块(18)将图像采集系统(13)采集到的艾利斑进行分割并探测，得到的信号进入极值运算模块19进行极值求取，得到的样品测量点位置信息进入数据融合模块(20);数据融合模块(20)接收探测器(10)得到的光谱信号，并融合光谱信息和位置信息； 计算机处理系统(21)负责协调和控制整个装置的运作；计算机处理系统(21)与位移传感器(16)、三维扫描装置(15)、数据融合模块(20)相连接；图像采集系统(13)和分割焦斑探测模块(18)相连接，数据融合模块(21)与探测器(10)相连接；其中，通过计算机处理系统(21)控制三维扫描装置(15)移动被测样品(5)，使不同区域瑞利光及对应该区域被测样品(5)的拉 曼散射光通过测量物镜(2)和收集光瞳(4);位移传感器(16)用于将被测样品(5)的实时位置反馈至计算机处理系统(21)。
6.如权利要求5所述的一种分光瞳激光共焦拉曼光谱测试装置，其特征在于，本发明装置包括第一针孔(22 )，位于第一聚光镜(8 )的焦点位置。
7.如权利要求5所述的一种分光瞳激光共焦拉曼光谱测试装置，其特征在于，在光源系统(I)和照明光瞳(3)之间增加光束调制系统(23);光束调制系统(23)包括沿光路依次放置的第三聚光镜(24)、位于第三聚光镜(24)焦点处的第二针孔(25)、焦点位于第二针孔(25)处的第四聚光镜(26)。
8.如权利要求5所述的一种分光瞳激光共焦拉曼光谱测试装置，其特征在于，在分光瞳激光共焦探测系统(11)中增加图像放大系统(27)，用于放大图像采集系统(13)探测到的艾利斑；图像放大系统(27)与第二聚光镜(12)共焦点，且图像采集系统(13)位于图像放大系统(27)焦点处。
【文档编号】G01N21/00GK103439254SQ201310404307
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】赵维谦, 王允, 刘大礼, 盛忠 申请人:北京理工大学