35、位于激光诱导击穿光谱聚光镜35焦点位置的针孔36、位于针孔36后的光谱仪37以及位于光谱仪37后的探测器38 ;共焦探测系统15包括位于测量透镜9焦点处的放大物镜10，及位于放大物镜10焦点处的CCD探测器22。
[0066]在图2中的准直扩束装置25与照明物镜2中添加径向偏振光产生器29、光束扫描装置26、照明端光瞳滤波器28，在Notch filter32与测量透镜9之间添加采集端光瞳滤波器30，即构成图3，添加径向偏振光产生器29、照明端光瞳滤波器28、采集端光瞳滤波器30用于对光束进行结构和偏振态调制，提高横向分辨力。
[0067]如图4所示，在图2的共焦探测装置15中增加焦斑放大系统10放大测量透镜9聚焦形成的艾利斑，便于利用CCD探测器13接收。
[0068]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的改动都是本发明的保护范围。
【主权项】
1.激光双轴共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法，其特征在于:光路照明光轴与探测光轴成夹角分布，激发光照射沿照明光路照射到样品表面激发出瑞利光和载有样品组分信息的激光诱导击穿光谱和拉曼光谱，瑞利光、激光诱导击穿光谱和拉曼光谱被与照明光路成夹角的探测光路接收，经过分光一部分进入激光诱导击穿光谱探测系统获得样品的元素组成信息，另一部分中的拉曼散射光透过二向色分光系统进入拉曼光谱探测系统获得样品的化学键和分子结构信息，瑞利光和激光诱导击穿光谱经过二向色分光系统反射进入共焦探测系统进行光强探测获得样品表面高度和形貌信息。激光诱导击穿光谱探测、拉曼光谱探测和激光双轴共焦形貌信息探测三者结合可实现结构共用和功能互补，实现高空间分辨的光谱成像与探测，该方法的具体实现步骤如下: 1)照明物镜(2)与采集物镜(7)对称分布在测量面法线(5)两侧，并且照明光轴(4)与测量面法线(5)的夹角为Q1 (6)，采集光轴(20)与测量面法线(5)的夹角为θ2(37)，以测量面法线(5)方向为测量轴线，建立系统坐标系(x，y，z)，其中θ1= Θ 2; 2)激发光经由照明物镜(2)聚焦到被测样品(3)上，激发出瑞利光和载有被测样品光谱特性的拉曼光谱和激光诱导击穿光谱，被激发出的瑞利光及载有被测样品(3)物质组分信息的拉曼光谱和激光诱导击穿光谱被反射进入采集物镜(7)，并被采集物镜(7)会聚到分光系统(8)，光束经分光系统(8)分光后分为透射和反射两束，透射光路进入激光诱导击穿光谱探测系统(19)获得激光诱导击穿光谱信号Ι(λ J ;反射光束经过二向色分光系统(32)分光，反射光中的拉曼光谱透过二向色分光系统(32)进入拉曼光谱探测系统(19)获得拉曼光谱信号Ι(λκ)，反射光束中的瑞利光和激光诱导击穿光谱被二向色分光系统(38)反射进入共焦探测系统(15); 3)对进入共焦探测系统(15)的光信号进行光强探测，测量光束经过测量透镜(9)会聚到点探测器(11)上，点探测器(11)探测会聚光斑中心区域附近光强信号，结合被测样品(3)的轴向移动距离得到共焦曲线(27)，获得共焦信号I(x，y，z，)，利用共焦曲线峰值点与焦点位置对应的特性，通过峰值点位置来定位激发光束焦点O位置，实现被测样品的焦点定位; 4)根据共焦信号I(x，y，z，)控制激光光束准确定焦到被测样品(3)上，重新获取被测样品⑶的光谱信号I ( λ J和I ( λ κ); 5)利用数据处理系统(21)将获得的共焦信号I(x，y，z)、光谱信号Ι(λ)和Ι(λΕ)进行数据融合处理，以获得样品的形貌信息和物质组分信息的四维测量信息I (X，y, z, Xl, λ k)； 6)完成上述步骤后，控制光束对被测样品(3)进行扫描探测，对被测样品(3)表面下一个点重复步骤2)、3)、4)、5)直至扫描完成； 7)单独处理共焦信号I(x，y，z)时，获得被测样品(3)的高空间分辨的三维形貌信息；单独处理拉曼光谱信号I (λκ)时，获得被测样品(3)的化学键和分子结构信息；单独处理激光诱导击穿光谱信号Ι(λ J时，获得被测样品(3)的元素组成信息；同时处理共焦信号I (X，y, Ζ)、光谱信号I ( λ D和I ( λ κ)时，获得被测样品(3)的高空间分辨形貌及微区物质组分“图谱合一”的成像探测。2.根据权利要求1所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法，其特征在于:共焦探测系统(15)中的点探测器(11)还可以是图像采集系统，数据处理系统(21)从图像采集系统上获取焦斑图案(16)后，计算出此时焦斑图案(16)的中心位置，并取焦斑图案(16)中心附近区域进行光强探测，构成共焦虚拟针孔(12)，当被测样品(3)进行轴向扫描移动时，数据处理系统(21)计算出共焦虚拟针孔(12)范围内像素灰度总和，得到共焦轴向强度响应。3.根据权利要求1所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法，其特征在于:为压缩测量聚焦光斑尺寸并提高系统横向分辨力，所述激发光束是偏振光束，包括线偏光、圆偏光、径向偏振光；或是由光瞳滤波技术生成的结构光束。4.根据权利要求1所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测方法，其特征在于:该系统还可以探测荧光、康普顿散射光等散射光谱。5.激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，包括光源(I)，照明物镜(2)和采集物镜(7)，其特征在于:还包括准直扩束镜(25)，光束扫描装置(26)，分光系统(8)，二向色分光系统(32)、共焦探测装置(15)、拉曼光谱探测系统(19)和激光诱导击穿光谱探测系统(33);其中，照明物镜(2)和采集物镜(7)对称地布局在测量面法线(5)两侧，照明光轴(4)与测量面法线(5)的夹角为0J6)，采集光轴(20)与测量面法线(5)的夹角为θ2(37)，其中θ1= Θ 2，准直扩束镜(25)、光束扫描装置(26)和照明物镜(2)依次放在光源(I)的出射光线方向，采集物镜(7)和分光系统(8)依次放在被测样品(3)的反射光线方向，激光诱导击穿光谱探测系统(33)放在二向色分光装置(8)透射方向，二向色分光系统(32)和拉曼光谱探测系统(19)放置在分光系统(8)的反射方向，共焦探测装置(15)放置在向色分光系统(32)的反射方向。6.根据权利要求5所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特征在于:为提高系统横向分辨力，系统还可在准直扩束镜(25)和照明物镜(2)之间加入照明端光瞳滤波器(28)，或者在二向色性分光系统(32)和测量透镜(9)之间加入采集端光瞳滤波器(30)，或者在准直扩束镜(25)和照明物镜(2)之间以及二向色分光系统(32)和测量透镜(9)之间同时加入照明端光瞳滤波器(28)和采集端光瞳滤波器(30)。7.根据权利要求5或6所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特征在于:为提高系统横向分辨力，还可在准直扩束镜(25)和光束扫描装置(26)之间加入偏振调制装置(29)，或者在照明物镜⑵和照明端光瞳滤波器(28)之间加入偏振调制装置(29)ο8.根据权利要求5或6或7所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特征在于:共焦探测装置(15)的探测装置可以点探测器或者是CCD探测器。9.根据权利要求5所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特征在于:还包括最后进行数据融合处理的数据处理系统(21)。10.根据权利要求5或6所述的激光双轴差动共焦诱导击穿-拉曼光谱成像探测装置，其特征在于:拉曼光谱探测装置(19)可以是共焦光谱探测装置，包括第一聚光镜(17)、位于第一聚光镜焦点处的针孔(18)、第二聚光镜(22)、位于第二聚光镜(22)焦点处的光谱仪(23)及光谱仪(23)后的第二探测器(24);还可以是普通光谱探测装置，包括第二聚光镜(22)、位于第二聚光镜(22)焦点处的光谱仪(23)及光谱仪(23)后的第二探测器(24);激光诱导击穿光谱探测装置(33)包括激光诱导击穿聚光镜(35)，位于激光诱导击穿聚光镜(35)焦点位置的针孔(36)，针孔(36)后的光谱仪(37)和第三探测器(38)。
【专利摘要】本发明属于光谱测量及成像技术领域，涉及一种激光双轴共焦诱导击穿光谱-拉曼光谱成像探测方法及装置，可用于样品的微区组分与形态参数的高空间分辨成像与探测。该方法与装置利用激光诱导击穿光谱探测样品组分的元素组成信息；利用拉曼光谱探测样品的化学键与分子结构信息；利用双轴共焦技术探测样品表面形貌信息，双轴结构具有大视场、大工作距的优势，并可有效抑制背向散射影响，提高光谱探测信噪比；三者联用可实现结构共用和功能互补，实现样品的形貌和组分信息的综合测量。本发明具有高空间分辨，物质组分信息丰富和测量聚焦光斑尺寸可控等优点，在矿产、冶金、空间探测、环境监测、生物医疗等领域有广泛的应用前景。
【IPC分类】G01N21/65, G01N21/63
【公开号】CN104990908
【申请号】CN201510350355
【发明人】赵维谦, 王允, 邱丽荣
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年6月23日