分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法及装置，属于显微光谱成像【技术领域】。该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、二向色分光装置、分光镜、拉曼光谱探测装置、布里渊光谱探测装置、分光瞳激光共焦探测装置、三维扫描装置、位移传感器以及数据处理单元；通过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，通过探测共焦拉曼光谱探测中遗弃的布里渊散射光来获得物质基本性质及多种交叉效应实现材料应力、弹性参数、密度等测量；利用共焦拉曼光谱探测技术和共焦布里渊光谱探测技术优势互补，实现材料多性能参数的综合测量与解耦。
【专利说明】分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明属于显微光谱成像【技术领域】，将共焦显微技术与光谱探测技术相结合，涉及一种分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法及装置，可用于样品的微区多光谱多性能参数综合测试与高分辨成像。
技术背景
[0002]当光通过介质时，介质粒子受光波的作用，从一个量子态跃迁到另一个量子态，并同时辐射出散射波，不同的能级跃迁方式分别产生了瑞利散射、反斯托克斯散射和斯托克斯散射，根据与入射光波长改变量程度将光散射分为:瑞利散射(Rayleigh)、拉曼散射(Raman)及布里渊散射(Brillouin)。
[0003]瑞利散射中光与声频支声子交换能量较小，能量变化小于KT5CnT1,布里渊散射中光与声频支声子交换能量较小，布里渊散射频移0.01?2CHT1，能量变化在KT5CnT1?lcnT1。拉曼散射中光与光频支声子交换的能量大，拉曼散射频移为10?5000cm-1，拉曼散射能量变化大于I CnT1。
[0004]拉曼光谱是由分子内部振动而引起的散射光谱，不同物质会有其各自的特征拉曼光谱即“指纹谱”，本项目通过测得的拉曼散射光谱的频率、强度、线形以及偏振状态变化，来获得材料的成分、微结构和内部运动信息等，继而实现材料成分、应力、温度、异物的测量。
[0005]布里渊散射光谱是由光致热激发声学声学声子，再由光波与介质中的声学声子发生相互作用而产生的一种散射光谱，布里渊(Brillouin)散射以光子为探针，可测量凝聚态物质中声子、自旋波等多种元激发，其能谱范围介于拉曼和瑞利散射之间(0.01?
1.0cm—1)，是研究物质基本性质(弹性、磁性、相变)及多种交叉效应(压电、磁弹、光弹等)的重要手段。此技术已被欧美等发达国家广泛使用在凝聚态材料的基础和应用研究中。近年来，布里渊散射研究也为集成铁电学和自旋电子学的诞生和发展做出了重要贡献。
[0006]布里渊散射光谱是光波与介质中的声学声子发生相互作用(密度涨落密度涨落)而产生的一种散射光谱，是由分子的弹性振动(外振动和转动)，通过测得布里渊散射光谱信息便可测得微细加工中物质基本性质(弹性、磁性、相变)及多种交叉效应(压电、磁弹、光弹等)，继而实现材料应力、弹性参数、密度等测量。
[0007]在多性能参数测量中，会因所测材料和所测参数不同，拉曼散射光谱探测技术和布里渊散射光谱探测技术个有所长，通过合理的设计可形成优势互补。在微细结构的层析测量方面，共焦拉曼光谱探测技术测量精度高，但只能测透明和部分透明样品的内部信息。因而利用拉曼散射和布里渊散射光谱是实现微细结构材料多性能参数测量的关键。
[0008]目前，商用的激光共焦拉曼光谱测试仪器主要有英国RENISHAW等生产。传统共焦拉曼光谱探测仪的原理如图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镜反射的光进行会聚，利用位于第一针孔后面的光谱探测器测得载有被测样品光谱信息的拉曼散射光谱。
[0009]但现有的共焦拉曼显微技术存在如下不足:
[0010](I)探测时间长，系统漂移大。由于共焦拉曼光谱信号很弱，进行图谱成像时探测器需进行长期的积分(常达数小时)，光学系统及样品工作台的漂移，常会造成样品离焦，继而降低了共焦拉曼光谱探测的空间分辨能力；
[0011](2)样品杂散光较强，影响了拉曼光谱探测仪器的信噪比。现有的共焦拉曼光谱探测仪器，由于采用了背向反射样品探测方式和入射激发光路与散射光探测光路完全共光路的方式，其势必存在样品杂散光干扰大的不足，限制了现有共焦显微镜对高散射样品的光谱探测能力；
[0012](3)多性能参数测量能力亟待改善。现有的共焦拉曼光谱探测技术，遗弃了含有丰富样品信息的瑞利散射光谱和布里渊散射光谱，使其在材料的弹性和压电等性质测试方面受限。
[0013]通常样品散射的拉曼光谱强度为反射的瑞利光束强度的10_3?10_6倍，而现有的共焦拉曼光谱探测仪器均探测样品散射的微弱拉曼光谱而遗弃强于拉曼散射光的瑞利光束和布里渊光束。因而，利用现有光谱探测系统中遗弃的瑞利光束进行辅助探测以改善现有共焦拉曼光谱探测技术空间分辨力，通过测得布里渊散射光谱频移、强度、线形变化等信息，来获得物质基本性质(弹性、磁性、相变)及多种交叉效应(压电、磁弹、光弹等)，继而实现材料应力、弹性参数、密度等测量是多光谱高分辨成像与探测的新途径。
【发明内容】
[0014]本发明的目的是为克服现有技术的不足，提出分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法及装置。通过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来实现样品三维几何位置的高分辨成像，并利用分光瞳共焦显微成像装置的“极值点”与其焦点精确对应这一特性来控制光谱探测器精确捕获物镜聚焦点处激发的拉曼光谱信息，进而实现对样品微区几何位置与光谱信息的高精度探测即“图谱合一”的高空间分辨探测，同时达到分辨能力和量程范围的有效兼顾；通过探测共焦拉曼光谱探测中遗弃的布里渊散射光来获得物质基本性质(弹性、磁性、相变)及多种交叉效应(压电、磁弹、光弹等)，继而实现材料应力、弹性参数、密度等测量；利用共焦拉曼光谱探测技术和共焦布里渊光谱探测技术优势互补的特点，设计拉曼光谱和布里渊光谱同时探测的共焦光谱探测方案，实现材料多性能参数的综合测量与解耦。本发明可以探测包括荧光、康普顿散射光等散射光谱。
[0015]本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0016]分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法，包括以下步骤:
[0017]步骤一、在测量物镜的光瞳面上放置照明光瞳和收集光瞳；光源系统发出激发光束，激发光束透过照明光瞳后，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、布里渊散射光以及瑞利散射光；拉曼散射光、瑞利光和布里渊散射光经收集光瞳后到达二向色分光系统；二向色分光系统将拉曼散射光与另外两种散射光进行无损分离；
[0018]步骤二、经二向色分光系统反射的瑞利光和布里渊散射光进入分光系统分光，经分光系统透射的瑞利光和布里渊散射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能够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: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。
[0019]步骤三、经分光系统反射的瑞利光和布里渊散射光进入布里渊光谱探测系统，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，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。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。
[0020]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，系统能够进行拉曼光谱探测；
[0021]当只对接收布里渊散射光的布里渊光谱探测系统获得的光谱信号进行处理时，系统能够进行布里渊光谱探测；
[0022]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；
[0023]当对接收瑞利光的分光瞳激光共焦探测系统获得信号、接收拉曼散射光的拉曼光谱探测系统获得的光谱信号以及接收布里渊散射光的布里渊光谱探测系统获得的光谱信号进行处理时，系统能够进行高空间分辨的微区图谱层析成像，即实现对被测样品“图谱合一”的多性能参数分光瞳激光共焦光谱测量与高空间分辨成像。
[0024]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。
[0025]在本发明方法中，所述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，实现超分辨探测。
[0026]在本发明方法中，还可以探测包括荧光、康普顿散射光的散射光谱。
[0027]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。
[0028]分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，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、二向色分光装置、分光系统、拉曼光谱探测装置、布里渊光谱探测装置、分光瞳激光共焦探测装置、三维扫描装置、位移传感器以及数据处理单元；
[0029]其中，在测量物镜的光瞳面上放置照明光瞳和收集光瞳，照明光瞳和测量物镜依次位于光源系统的激发光束出射方向上，照明光瞳与激发光束同轴；二向色分光系统位于收集光瞳之后；拉曼光谱探测系统位于二向色分光系统的透射方向上；分光系统位于二向色分光系统的反射方向上；布里渊光谱探测系统位于分光系统的反射方向上；分光瞳激光共焦探测系统位于分光系统的透射方向上；被测样品固定在三维扫描装置的载物台上；[0030]数据处理单元包括分割焦斑探测模块、极值运算模块和数据融合模块；其中，分割焦斑探测模块和极值运算模块用于处理图像采集系统探测到的光斑，得到分光瞳激光共焦响应曲线，由此得到被测样品的位置信息；数据融合模块用于融合位置信息和光谱信息，完成被测样品的三维重构及光谱信息融合；三者关联关系为:分割焦斑探测模块将图像采集系统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进行极值求取后，得到分光瞳激光共焦响应曲线进入数据融合模块；
[0031]计算机处理系统与位移传感器、三维扫描装置、数据融合模块相连接；图像采集系统和分割焦斑探测模块相连接。数据融合模块与第一探测器、第二探测器相连接；
[0032]通过计算机处理系统控制三维扫描装置移动被测样品，使不同区域瑞利光及对应该区域被测样品的拉曼散射光、布里渊散射光通过测量物镜和收集光瞳。
[0033]在本发明装置中，可以通过加入径向偏振光发生器与光瞳滤波器实现超分辨光谱探测。包括位于照明光瞳之前依次放置的径向偏振光发生器和第一光瞳滤波器，以及位于分光系统与第三聚光镜之间的第二光瞳滤波器。
[0034]在本发明装置中，光谱探测系统可以是普通光谱探测系统。包括沿光路依次放置的第一聚光镜、探测面位于第一聚光镜焦点位置的第一光谱探测器，位于光谱探测器之后的第一探测器，以及沿光路依次放置的第二聚光镜、探测面位于第二聚光镜焦点位置的第二光谱探测器，以及位于第二光谱探测器之后的第二探测器；还可以是共焦光谱探测系统，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1，位于第一光谱探测器之后的第一探测器，以及沿光路依次放置的第二聚光镜、位于第二聚光镜焦点位置的第二针孔、位于第二针孔后的第二光谱探测器，位于第二光谱探测器之后的第二探测器。可以有效滤除焦点之外的杂散光，提高光谱探测的信噪比。
[0035]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四聚光镜、位于第四聚光镜焦点处的第三针孔、以及焦点位于第三针孔处的第第五聚光镜，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。
[0036]在本发明装置中，可以是选择透反比小的分光系统(即反射光强远大于透射光强)，在保证分光瞳激光共焦探测系统光强的同时提高布里渊散射光的利用率。
[0037]在本发明装置中，可以通过光纤传输激发光和散射光谱，包括与照明光瞳同轴的准直透镜、位于准直透镜焦点处的第一光纤终端，通过第一光纤跳线将第一光纤终端与激光器相连；位于第一聚光镜焦点处的第二光纤终端，通过第二光纤跳线将第二光纤终端与第一光谱探测器相连；位于第二聚光镜焦点处的第三光纤终端，通过第三光纤跳线将第三光纤终端与第二光谱探测器相连。以实现模块化拆装，灵活选择功能以及大尺度测量。
[0038]在本发明装置中，可以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三聚光镜、与第三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探测系统的采集精度。
[0039]有益效果
[0040]本发明方法，对比已有技术具有以下创新点:
[0041]1、本发明将分光瞳激光共焦显微技术与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，利用分光瞳激光共焦响应曲线的“极值点”与物镜聚焦焦点精确对应的特性，可以对样品进行实时、精确的跟踪定位，克服了传统共焦光谱探测技术捕获焦点光谱能力差的缺点，这是区别于现有光谱探测技术的创新点之一；
[0042]2、本发明由于采用斜入射的探测光路，抗散射能力强，克服了现有共焦显微成像技术无法抑制焦面散射光干扰的缺，提高了光谱探测的信噪比。这是区别于现有光谱探测技术的创新点之二；
[0043]3、本发明通过合理设计能够对蕴含不同信息的拉曼散射光谱和布里渊散射光谱同时进行探测，形成优势互补，实现了对材料成分与基本物理性质的高分辨探测，便于多性能参数的综合测试，这是区别于现有光谱探测技术的创新点之三；
[0044]4、由于采用单光路分割焦斑探测实现几何位置的成像，其既大幅简化传统共焦显微系统的光路结构，又保留了激光共焦系统和原有分光瞳共焦系统的优势，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、激光共焦布里渊光谱探测、分光瞳激光共焦多性能参数的综合测试等多种模式自由的选与切换处理。这是区别于现有拉曼光谱探测技术的创新点之四；
[0045]本发明方法具有如下特点:
[0046]1、将分光瞳激光共焦显微系统与光谱成像系统在结构和功能上相融合，既可实现样品微区几何参数的层析成像，又可实现样品微区的光谱探测，即同时实现微尺度层析成像、图谱层析成像和光谱测试等多种成像模式；
[0047]2、可实现量程范围与分辨能力的有效兼顾，通过设置在焦斑上所取两个微小区域的参数，以匹配不同反射率的被测样品，应用范围得到扩展；
[0048]3、本发明可以通过对分光瞳差动共焦探测系统和布里渊光谱探测系统之前的分光系统选择合适的透反比，以最大化利用光强；
[0049]4、本发明可以通过引入了径向偏振光与光瞳滤波器相结合的紧聚焦技术，实现超分辨多光谱综合测试。
【专利附图】
【附图说明】
[0050]图1为共焦拉曼光谱成像方法示意图；
[0051]图2为本发明所述分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法示意图；
[0052]图3为D形分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法示意图；
[0053]图4为本发明所述分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱超分辨测量方法示意图；
[0054]图5为本发明所述分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置示意图；
[0055]图6为本发明所述具有共焦光谱探测系统的分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置示意图；
[0056]图7为本发明所述具有光束调制系统的分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置不意图；
[0057]图8为本发明所述光纤传输式分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置示意图；
[0058]图9为本发明所述具有探测焦斑放大系统分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置不意图；[0059]图10为本发明所述分超分辨分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法与装置实施例示意图；
[0060]图11为本发明所述分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法的分光瞳共焦响应曲线及拉曼光谱响应曲线示意图。
[0061]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-第一光谱探测器、10-第一探测器、
11-分光系统、12-布里渊光谱探测系统、13-第二聚光镜、14-第二光谱探测器、15-第二探测器、16分光瞳激光共焦探测系统、17-第三聚光镜、18图像采集系统、19-探测区域、20-径向偏振光发生器、21-第一光瞳滤波器、22-第二光瞳滤波器、23-三维扫描系统、24-位移传感器、25-数据处理单元、26-分割焦斑探测模块、27-极值运算模块、28-数据融合模块、29-计算机处理系统、30-分光瞳激光共焦响应曲线、31-拉曼光谱响应曲线、32-布里渊光谱响应曲曲线、33-第一针孔、34-第二针孔、35-光束调制系统、36-第四聚光镜、37-第三针孔、38-第五聚光镜、39-准直透镜、40-第一光纤终端、41-第一光纤跳线、42-第二光纤终端、43-第二光纤跳线、44-第三光纤终端、45-第三光纤跳线、46-图像放大系统、47-偏振分光镜、48-四分之一波片、49-聚焦物镜
【具体实施方式】
[0062]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0063]分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法，包括以下步骤:
[0064]如图3所示，首先，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发出激发光束，激发光束透过测量物镜2的照明光瞳3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和布里渊散射光，并反射出瑞利光；拉曼散射光、布里渊散射光和瑞利光经测量物镜2的收集光瞳4到达二向色分光系统6 ;二向色分光系统6将拉曼散射光与其他光谱进行无损分离；经二向色分光系统6反射的布里渊散射光和瑞利光进入分光系统11 ;经分光系统11透射的瑞利光和布里渊散射光进入分光瞳激光共焦探测系统16 ;分光瞳激光共焦探测系统16利用探测器横向偏移能够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；经分光系统11反射的布里渊散射光和瑞利光进入布里渊光谱探测系统12进行光谱探测；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中进行光谱探测。被测样品5可以通过增强拉曼光谱纳米粒子等拉曼增强技术进行处理，以提高拉曼散射光的强度。
[0065]通过计算机处理系统29控制三维扫描装置23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、布里渊散射光通过测量物镜和收集光瞳。
[0066]当对拉曼光谱探测系统7获得的拉曼光谱信号进行处理时，系统能够进行拉曼光谱探测；当对布里渊光谱探测系统12获得的布里渊光谱信号进行处理时，系统能够进行布里渊光谱探测；当对分光瞳激光共焦探测系统16获得的信号进行处理时，进行高空间分辨力层析成像；当对分光瞳激光共焦探测系统16获得的信号、拉曼光谱探测系统7获得的拉曼光谱信号和布里渊光谱探测系统12获得的布里渊光谱信号同时进行处理时，系统能够进行高空间分辨力的微区图谱层析成像，对样品的多性能参数的综合测试。[0067]特别的，可将圆形的照明光瞳3和收集光瞳4替换为其他形状(如D形，形成D形分光瞳激光共焦拉曼光谱测试，如图3所示)。
[0068]特别的,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，如图4所示。
[0069]分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，如图5所示，包括产生激发光束的光源系统1、测量物镜2、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16、三维扫描系统23、位移传感器23、数据处理单元25和计算机处理系统29。
[0070]其中，在测量物镜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；分光系统11位于二向色分光系统6的反射方向上。
[0071]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、第一光谱探测器9和第一探测器10。其中，第一光谱探测器9的探测面位于第一聚光镜8的焦点处，第一探测器10位于第一光谱探测器9之后。
[0072]布里渊光谱探测系统12位于分光系统11的反射方向上布里渊光谱探测系统12包括第二聚光镜13、第二光谱探测器14和第二探测器15。其中第二光谱探测器14的探测面位于第二聚光镜13的焦点处，第二探测器15位于第二光谱探测器14之后。
[0073]分光瞳激光共焦探测系统16位于分光系统11的透射方向上；分光瞳激光共焦探测系统16包括第三聚光镜17和图像采集系统18，其中，图像采集系统18的探测面位于第三聚光镜17的焦点处。
[0074]数据处理单元25包括分割焦斑探测模块26、极值运算模块27和数据融合模块28 ;其中，分割焦斑探测模块26和极值运算模块27用于处理图像采集系统18探测到的光斑，得到分光瞳激光共焦响应曲线30，由此得到被测样品5的位置信息；数据融合模块28用于融合位置信息I (U，vM)、拉曼光谱信息I(Xr)和布里渊光谱信息I ( λ B)，完成被测样品5的三维重构及光谱信息融合I (X，y, Ζ，λ r，λ B)。三者关联关系为:分割焦斑探测模块26将图像采集系统18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27进行极值求取后，得到分光瞳激光共焦响应曲线30进入数据融合模块28。
[0075]计算机处理系统29与位移传感器24、三维扫描系统23、数据融合模块28相连接。图像采集系统18和分割焦斑探测模块26相连接。数据融合模块28与第一探测器10和第二探测器15相连接。
[0076]通过计算机处理系统29控制三维扫描系统23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。
[0077]如图6所示，在第一聚光镜8和第二聚光镜13的焦点位置安放第一针孔33和第二针孔34，从而构成具有共焦光谱探测系统的分光瞳激光共焦多光谱综合测试装置。
[0078]如图7所不，在光源系统I和照明光睛3之间安放光束调制系统35 ;光束调制系统35包括沿光路依次放置的第四聚光镜36、位于第四聚光镜36焦点处的第三针孔37、以及焦点位于第三针孔37处的第五聚光镜38,构成具有光束调制系统的分光瞳激光共焦多光谱综合测试装置。
[0079]如图8所示，可以通过光纤传输激发光和散射光谱，包括与照明光瞳3同轴的准直透镜39、位于准直透镜39焦点处的第一光纤终端40,通过第一光纤跳线41将第一光纤终端40与激光器I相连；位于第一聚光镜8焦点处的第二光纤终端42,通过第二光纤跳线43将第二光纤终端42与第一光谱探测器9相连；位于第二聚光镜13焦点处的第三光纤终端44，通过第三光纤跳线45将第三光纤终端44与第二光谱探测器相连14。以实现模块化拆装，灵活选择功能以及大尺度探测测量。
[0080]如图9所示，在分光瞳激光共焦探测系统16中，增加图像放大系统46，能够放大图像采集系统18探测到的艾利斑，从而提高分光瞳激光共焦探测装置的采集精度；沿光路依次放置第三聚光镜17、图像放大系统46和图像采集系统18，其中，图像放大系统46与第三聚光镜17共焦点，图像采集系统18位于图像放大系统46的焦点处。
[0081]实施例
[0082]本实施例中，二向色分光系统6为Notch Filter，第一光谱探测器9为拉曼光谱探测器，分光系统11为分光镜，第二光谱探测器14为布里渊光谱探测器，图像采集系统18为CCD，三维扫描系统23为三维扫描工作台，图像放大系统46为放大物镜。
[0083]如图10所示，分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱超分辨测量方法，其测试步骤如下:
[0084]首先，在测量物镜2的光瞳面上放置照明光瞳3和收集光瞳4。由激光器构成的光源系统I发出可激发出被测样品5拉曼光谱的激发光，激发光经第四聚光镜36会聚后进入第三针孔37成为点光源，再经焦点位于第三针孔37的第五聚光镜38准直扩束后，形成平行的激发光束。激发光束一次经过径向偏振光发生器20和第一光瞳滤波器21后透过照明光瞳3、测量物镜2，聚焦在被测样品5上，返回激发出的载有被测样品5光谱特性的拉曼散射光、布里渊散射光和瑞利光。
[0085]然后，通过计算机处理系统29控制三维扫描工作台23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4，二向色分光系统6将拉曼散射光与其他光谱进行无损分离。
[0086]经二向色分光系统6反射的瑞利光和布里渊散射光进入分光镜11,经分光镜11透射的布里渊散射光和瑞利光经过第二光瞳滤波器22后进入分光瞳激光共焦探测系统16，经第三聚光镜17会聚后进入放大物镜46，被放大后的光斑被(XD18探测，(XD18探测到的光斑进入分割焦斑探测模块26，在探测焦斑中心设置微小区域探测区域19，测得这个区域的响应为Ku);极值运算模块27将得到的信号进行极值求取，得到分光瞳激光共焦响应曲线30的极值点；分光瞳激光共焦响应曲线30的“极值点”与激发光束的聚焦焦点精确对应，通过响应曲线30的“极值点”来获得样品表面的高度信息，结合位移传感器24反馈的位置信息重构出被测样品5的表面三维形貌。
[0087]经分光镜11反射的布里渊散射光和瑞利光进入布里渊光谱探测系统12，经第二汇聚镜13及其焦点上的第二针孔34后进入布里渊光谱探测器14以及其后的第二探测器15，测得布里渊散射光谱响应曲线I ( λ B) 32，其中λ B为被测样品5受激发光激发所发出的布里渊散射光的波长。
[0088]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，经第一聚光镜8及其焦点上的第一针孔33后进入拉曼光谱探测器9以及其后的第一探测器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 ( λ ^31，其中\为被测样品5受激发光所激发出拉曼散射光的波长；
[0089]由于本装置采用了径向偏振光紧聚焦技术，若对探测区域的信号进行处理，得到分光瞳激光共焦响应I (U)，再通过其极值点，精确捕获激发光斑的焦点位置，系统可以进行超分辨的三维尺度层析成像。
[0090]若对接收拉曼散射光的拉曼光谱探测系统7获得的光谱响应曲线I ( λ J 31进行处理时，系统可以进行拉曼光谱探测。
[0091]若对接收布里渊散射光和瑞利光的布里渊光谱探测系统12获得的光谱响应曲线I ( λ Β) 32进行处理时，系统可以进行布里渊光谱探测。
[0092]若对接收瑞利光的分光瞳激光共焦探测系统16获得的分光瞳激光共焦响应
I(U)、拉曼光谱探测系统7获得的拉曼光谱信号IUJ和布里渊光谱探测系统12获得的布里渊光谱信号I (λΒ)同时进行处理时，系统可以进行超空间分辨的微区图谱层析成像，即实现被测样品5几何位置信息和多光谱信息的超空间分辨的多性能参数探测效果。
[0093]如图10所示，分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量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、Notch Fi 11er6、拉曼光谱探测系统7、分光镜
11、布里渊光谱探测系统12`、分光瞳激光共焦探测系统16、径向偏振光发生器20、第一光瞳滤波器21、第二光瞳滤波器22、三维扫描工作台23、位移传感器24以及数据处理单元25 ；其中，在测量物镜2的光瞳面上放置照明光瞳3和收集光瞳4 ;径向偏振光发生器20、第一光瞳滤波器21和照明光瞳3放置在光源系统I的光束出射方向上，径向偏振光发生器20、第一光瞳滤波器21、照明光瞳3与激发光束同轴，Notch Filter6放置在收集光瞳4之后，拉曼光谱探测系统?放置在Notch Filter6的透射方向上,分光镜11位于Notch Filter6的反射方向上。布里渊光谱探测系统12放置在分光镜11的反射方向上，分光瞳激光共焦探测系统16在分光镜11的反射方向上，数据处理单元25用于融合并处理拉曼光谱探测系统7、布里渊光谱探测系统12、分光瞳激光共焦探测系统16和位移传感器24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33对杂散光进行滤除，以提高拉曼光谱探测信噪比；布里渊光谱探测系统12中第二聚光镜13的焦点处放置第二针孔34对杂散光进行滤除，以提高布里渊光谱探测的信噪比；光源系统I通过包括第四聚光镜36、位于第四聚光镜36焦点处的第三针孔37、以及焦点位于第三针孔37处的第五聚光镜38构成的光束调制系统35对光源系统I发出的激发光束进行调制，以保证激发光束的质量；分光瞳激光共焦探测系统16中第三聚光镜17焦面上的像通过放大物镜46放大后进入CCD18，以便于探测器进行分割焦斑探测，提高探测精度。
[0094]以上结合附图对本发明的【具体实施方式】作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。
【权利要求】
1.分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤一，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)发出激发光束，激发光束透过测量物镜(2)的照明光瞳(3)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和布里渊散射光，并反射出瑞利光；拉曼散射光、布里渊散射光和瑞利光经测量物镜(2)的收集光瞳(4)到达二向色分光系统(6);二向色分光系统(6)将拉曼散射光与其他光谱进行无损分离； 步骤二、经二向色分光系统(6)反射的布里渊散射光和瑞利光进入分光系统(11);经分光镜透射的瑞利光和布里渊散射光进入分光瞳激光共焦探测系统(16);分光瞳激光共焦探测系统(16)利用探测器横向偏移能够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；经分光系统(11)反射的布里渊散射光和瑞利光进入布里渊光谱探测系统(12)进行光谱探测；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)中进行光谱探测； 步骤三、经分光系统(11)透射的瑞利光和布里渊散射光进入分光瞳激光共焦探测系统(12);分光瞳激光共焦探测系统(12)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:对分光瞳激光共焦探测系统(12)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； 当对拉曼光谱探测系统(7)获得的拉曼光谱信号进行处理时，系统能够进行拉曼光谱探测；当对布里渊光谱探测系统(12)获得的布里渊光谱信号进行处理时，系统能够进行布里渊光谱探测；当对分光瞳激光共焦探测系统(16)获得的信号进行处理时，进行高空间分辨力层析成像；当对分光瞳激光共焦探测系统(16)获得的信号、拉曼光谱探测系统(7)获得的拉曼光谱信号和布里渊光谱探测`系统(12)获得的布里渊光谱信号同时进行处理时，系统能够进行高空间分辨力的微区图谱层析成像，对样品的多性能参数的综合测试。
2.根据权利I所述的分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法，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布里渊-拉曼光谱测量方法，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布里渊-拉曼光谱测量方法，其特征在于:该系统还可以探测包括荧光、康普顿散射光等在内的散射光谱。
5.分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，其特征在于:包括产生激发光束的光源系统(I)、测量物镜(2)、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(16)、三维扫描系统(23)、位移传感器(24)、数据处理单元(25); 其中，在测量物镜(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；被测样品(5)固定在三维扫描装置(16)的载物台上； 二向色分光系统(6)位于收集光瞳(4)之后；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)、第一光谱探测器(9)和第一探测器(10)。其中，第一光谱探测器(9)的探测面位于第一聚光镜(8)的焦点处，第一探测器(10)位于第一光谱探测器(9)之后； 分光系统(11)位于二向色分光系统(6)的反射方向上。布里渊光谱探测系统(12)位于分光系统(11)的反射方向上布里渊光谱探测系统(12)包括第二聚光镜(13)、第二光谱探测器(14)和第二探测器(15)。其中第二光谱探测器(14)的探测面位于第二聚光镜(13)的焦点处，第二探测器(15)位于第二光谱探测器(14)之后； 分光瞳激光共焦探测系统(16)位于分光系统(11)的透射方向上；分光瞳激光共焦探测系统(16)包括第三聚光镜(17)和图像采集系统(18)，其中，图像采集系统(18)的探测面位于第三聚光镜(17)的焦点处。； 数据处理单元(25)包括分割焦斑探测模块(26)、极值运算模块(27)和数据融合模块(28);其中，分割焦斑探测模块(26)和极值运算模块(27)用于处理图像采集系统(18)探测到的光斑，得到分光瞳激光共焦响应曲线(30)，由此得到被测样品(5)的位置信息；数据融合模块(28 )用于融合位置信息I (U)、拉曼光谱信息I ( λ J和布里渊光谱信息I ( λ Β)，完成被测样品(5)的三维重构及光谱信息融合I (x，y，z，Ar, λΒ);三者关联关系为:分割焦斑探测模块(26)将图像采集系统(18)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(27)进行极值求取后，得到分光瞳激光共焦响应曲线(30)进入数据融合模块(28)； 计算机处理系统(29)与三维扫描系统(23)、位移传感器(24)、数据融合模块(28)相连接。图像采集系统(18)和分割焦斑探测模块(26)相连接。数据融合模块(28)与第一探测器(10)和第二探测器(15)相连接。
6.如权利要求5所述的分光瞳`激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，其特征在于，在第一聚光镜(8)的焦点位置安放有第一针孔(33)，且第一光谱探测器(9)位于第一针孔(33)之后；在第二聚光镜(13)的焦点位置安放有第二针孔(34)，且第二光谱探测器(14)位于第二针孔(34)之后，以滤除焦点以外的杂散光，提高探测系统的信噪比。
7.如权利要求5所述的分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，其特征在于，在光源系统(I)和照明光瞳(3)之间安放光束调制系统(35);光束调制系统(35)包括沿光路依次放置的第四聚光镜(36)、位于第四聚光镜(36)焦点处的第三针孔(37)以及焦点位于第三针孔(37)处的第五聚光镜(38)，以得到更好的激发光束和激发效果。
8.如权利要求5所述的分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，其特征在于，可以通过光纤传输激发光和散射光谱，包括与照明光瞳(3)同轴的准直透镜(40)、位于准直透镜(40)焦点处的第一光纤终端(41)，通过第一光纤跳线(42)将第一光纤终端(41)与激光器(I)相连；位于第一聚光镜(8)焦点处的第二光纤终端(43)，通过第二光纤跳线(44)将第二光纤终端(43)与第一光谱探测器(9)相连；位于第二聚光镜(13)焦点处的第三光纤终端(45 )，通过第三光纤跳线(46 )将第三光纤终端(45 )与第二光谱探测器相连(14)，便于实现模块化拆装，灵活选择功能以及大尺度探测测量。
9.如权利要求5所述的分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，其特征在于，分光瞳激光共焦探测系统(16)包括第三聚光镜(17)和图像采集系统(18)，其中，图像采集系统(18)的探测面位于第三聚光镜(17)的焦点处。还可以包括图像放大系统(47)，图像放大系统(47)与第三聚光镜(17)共焦点，图像采集系统(18)位于图像放大系统(47)的焦点处，以提高分光瞳激光差动共焦探测系统的采集精度。
【文档编号】G01N21/19GK103884704SQ201410086366
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月10日 优先权日:2014年3月10日
【发明者】赵维谦, 邱丽荣, 盛忠, 王允 申请人:北京理工大学