多功能显微共焦光谱仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种多功能显微共焦光谱仪，包括激光器模块、光路耦合与输出主模块、照明观测模块、显微模块和信号检测模块；其中，该光路耦合与输出主模块、照明观测模块二者共用同一基座，激光器模块固定在该基座后侧面，显微模块固定在该基座前侧面，信号检测模块固定在该基座的右侧面。本实用新型可以实现样品以及相应激光斑点的显微观测，能够方便地进行样品拉曼信号和光致发光信号的显微共焦测试，具有结构简单、稳定性好、调节方便和便于扩展的优点。
【专利说明】
多功能显微共焦光谱仪
技术领域
[0001]本实用新型涉及显微光谱仪技术领域，具体涉及具有低成本优势且便于扩展的一种多功能显微共焦光谱仪。【背景技术】
[0002]现有的显微共焦光谱仪集成了激光器、显微镜、共焦针孔、光栅和探测器，如图1所示。在这些商业化的显微共焦光谱仪中，光栅和探测器已与显微共焦光路集成在一起而无法分离，使得功能不便扩展。并且，整套系统的集成使得光谱仪的使用成本非常高，例如市场上普通型的商业化显微共焦光谱仪的价格非常昂贵。[〇〇〇3]此外，对于显微共焦光谱仪而言，如何使得激光斑点与共焦孔在样品上的像点一致，是能够测到光谱和提高光谱仪信噪比的关键。同时，显微物镜的光学通孔非常小，如何使得激光能准直地入射到样品也是非常重要的问题。随着光谱仪系统集成度越来越高，光谱仪的自动化程度也逐渐提高，以至于不同激光器的切换，光学滤光片的选取，探测器出口的配置等都完全自动化。自动化的提高使得使用者操作非常方便，但关键光学元件的全自动化对仪器在长时间工作状态下的稳定性提出了很高要求。这就要求所有光学元件都必须由计算机来控制，而一旦某光学元件性能出现问题或被损坏，更换此光学元件并准直光谱仪的光路将非常麻烦。
[0004]在测试过程中，因为各种科学实验的需要，人们不可避免地希望给显微共焦光谱仪添加激光器，包括紫外和近红外的激光器，这就需要往光路里添加更多的光学元件或更换与新添加激光波长对应的光学滤光片和其它光学元件，但全自动光谱仪的很多光学元件都是固定的，在更换或添加光学元件将非常不方便。另外，在测试过程中，还可能需要更换不同倍数和工作距离的显微物镜。更换或者添加显微共焦光谱仪的任何元件，原则上都必须重新对光路进行准直，但是，在此情况下，全自动光谱仪都很难对激光和信号光路进行共焦准直调节。
[0005]现有的显微共焦光谱仪普遍缺乏两个以上(含两个)的探测器出口，使得在测试不同测试范围的光谱信号时，不得不需要两台以上的光谱仪。
[0006]因此，作为一个多功能的显微共焦谱仪来说，更换很多光学元件情况下如何实现快速光路准直，是全自动谱仪很难实现的。另外，对于要实现任意为显微共焦光谱仪添加额外激光线，并在配置相应的光学元件和光学滤光片的情况下，还要实现激光入射光路和信号光路的快速准直，并快速选择三个甚至四个以上的探测器出口并进行准直这些目的来说，设计和实用新型结构稳定的、光路设计合理的、手动准直方便的显微共焦光谱仪是非常有必要的。【实用新型内容】
[0007](一)要解决的技术问题
[0008]本实用新型的主要目的在于提供一种成本低、操作简便以及光路布置合理的多功能显微共焦光谱仪。
[0009](二)技术方案[〇〇1〇]为达到上述目的，本实用新型提供了一种多功能显微共焦光谱仪，该多功能显微共焦光谱仪包括激光器模块、光路耦合与输出主模块、照明观测模块、显微模块和信号检测模块;其中，该光路耦合与输出主模块、照明观测模块二者共用同一基座，激光器模块固定在该基座后侧面，显微模块固定在该基座前侧面，信号检测模块固定在该基座的右侧面。
[0011]上述方案中，该激光器模块至少包括一个激光器LSI和提升器SM1;该光路耦合与输出主模块包括光学滤光片0FT、至少3个反射镜Ml、M2及M5，至少一个汇聚透镜LNS1，以及至少一个输出窗W1;该照明观测模块包括广谱光源WL，第一分束器BS1，第二分束器BS2，第四汇聚透镜LNS4，照相机CMR和反射镜M45;该显微模块包括显微物镜OBJ及其调焦装置;该信号检测模块包括光栅光谱仪GSPY及其控制系统;其中，固定在基座后侧面的激光器模块中的激光器LSI出射的激光先经提升器SM1进行提升并进入光路耦合与输出主模块，提升后的激光入射到光路耦合与输出主模块中的反射镜Ml上，经由反射镜Ml再反射到反射镜M2 上，经由反射镜M2反射的激光入射到光学滤光片0FT上;激光经光学滤光片0FT反射后水平入射至照明观测模块中与水平面呈45度倾斜放置的反射镜M45,经反射镜M45反射后竖直向下入射至显微模块，经显微模块的显微物镜OBJ聚焦照射到样品SMP上；显微物镜OBJ收集来自样品SMP的竖直向上的激光反射光和散射信号光，经反射镜M45反射后水平入射到光学滤光片0FT;光学滤光片0FT将激光反射光滤除并衰减到只有原来的1/106至1/1012,而使得绝大部分的散射信号光透过光学滤光片0FT后入射至反射镜M5;反射镜M5将透过该光学滤光片0FT的散射信号光反射后穿过小孔HL，照射到汇聚透镜LNS1上，经由汇聚透镜LNS1汇聚的散射信号光穿过输出窗W1;从输出窗W1输出的散射信号光输入到信号检测模块进行共焦信号检测。
[0012]上述方案中，在激光器模块中，激光器LSI为小型激光器，被固定于光路親合与输出主模块基座的后侧面，与前侧面显微物镜在同一基座上，保持了光路的稳定性和操作的便利性。所述小型激光器为氦氖激光器或小型固态栗浦激光器。
[0013]上述方案中，在光路耦合与输出主模块中，反射镜M2放置于竖直二维角度调节架上，而该竖直二维角度调节架又放置于二维平移台上；调节二维平移台可使激光入射到反射镜M2上的不同位置，而竖直二维角度调节架用来调节反射镜M2方向使其将激光反射到光学滤光片0FT的中心。[〇〇14]上述方案中，在光路耦合与输出主模块中，光学滤光片0FT固定在一个竖直二维角度调节架上；竖直二维角度调节架可插拔地置于一个固定在基座上的支柱上；当更换同一激光器的不同波长时，将固定有相应光学滤光片0FT的竖直二维角度调节架更换到该支柱上;调节竖直二维角度调节架的螺纹，可使激光入射到显微模块的显微镜物镜0BJ;通过该竖直二维角度调节架与在反射镜M2之前光路上的其它配备有反射镜的竖直二维角度调节架联合使用，可使激光准直入射到显微模块的显微镜物镜0BJ，并聚焦到样品SMP上，以产生备检测的样品散射信号光。该光学滤光片0FT为陷波拉曼滤光片、边带拉曼滤光片、高通滤光片或低通滤光片。
[0015]上述方案中，在光路耦合与输出主模块中，小孔HL固定在一隔板上且其大小可调， 该隔板将光路親合与输出主模块分隔为左右两室以隔离激光杂散光。
[0016]上述方案中，在光路耦合与输出主模块中，汇聚透镜LNS1放置于三维平移调节架上，通过调节三维平移调节架的三个平移轴，不仅能够在二维竖直方向上调节汇聚透镜 LNS1的位置，还能够在光轴方向调节汇聚透镜LNS1的位置，使得散射信号光能够精确入射并聚焦到光栅光谱仪GSPY的入口狭缝。
[0017]上述方案中，提升器SM1中所包含的各反射镜的角度，以及反射镜M1、M5和M45的角度均二维可调。
[0018]上述方案中，在照明观测模块中，分束器BS2将来自广谱光源WL的白光反射到显微模块的显微物镜OBJ，经由显微物镜OBJ聚焦照射到样品SMP上；来自样品SMP的反射光经由显微模块的显微物镜OBJ收集后穿过分束器BS1后，经由分束器BS1反射到照相机CMR进行样品观察。
[0019]上述方案中，所述分束器BS1和BS2呈90度垂直角度放置，且都与光路成45度角;分束器BS1和BS2同时置于同一个具有两个固定位置的滑轨上；滑轨的一个位置使分束器BS1 和BS2位于光路上，用于样品SMP的光学图像观察;将分束器BS1和BS2滑至滑轨的另外一个位置，分束器BS1和BS2将离开激光光路，使得广谱光源WL的白光不能入射到样品上，同时使得激光不受分束器BS1和BS2的干扰，这样激光能够无损通过照明观测模块来激发样品的散射光信号，同时，来自样品SMP的散射光信号经显微模块的显微物镜OBJ收集也能够无损通过照明观测模块，然后传输到后续的信号检测模块并被信号检测模块检测。
[0020]上述方案中，该信号检测模块中的光栅光谱仪GSPY包括狭缝SLT，反射镜MSI，反射镜MS2，光栅GRT和探测器CCD，其中:来自狭缝SLT的信号光入射到反射镜MSI，经反射镜MSI 反射后的信号光照射到光栅GRT上，经光栅GRT色散后的信号光由反射镜MS2进行收集并反射到探测器CCD进行检测。该光栅光谱仪GSPY置于固定支架之上，使得光栅光谱仪GSPY的光轴与光路耦合与输出主模块的光轴等高;透过输出窗W1的散射光信号不需要任何提升器直接进入光栅光谱仪GSPY的狭缝SLT并由后续的探测器C⑶进行检测。
[0021]上述方案中，该信号检测模块中的光栅光谱仪GSPY能够被光纤光谱仪或单道探测器替换。[〇〇22] 上述方案中，该激光器模块还包括激光器LS2和提升器SM2,该光路耦合与输出主模块还包括反射镜M3和M4，反射镜M6、汇聚透镜LNS2和LNS3，以及输出窗W2和W3，其中:反射镜M4、M5和M6的调节架分别放置在具有两个固定位置的其各自对应的滑轨上，根据各个反射镜位于其对应滑轨的两个固定位置的不同，来选择不同的激光、散射信号光和/或输出窗；汇聚透镜LNS2和LNS3分别放置于三维平移调节架上，通过调节三维平移调节架的三个平移轴，不仅能够在二维竖直方向上调节三个汇聚透镜的位置，还能够在光轴方向调节三个汇聚透镜的位置，使得散射信号光能够分别精确入射并聚焦到三个信号检测模块的信号输入口中心。[〇〇23]上述方案中，所述反射镜M4、M5和M6的调节架分别放置在具有两个固定位置的其各自对应的滑轨上，根据各个反射镜位于其对应滑轨的两个固定位置的不同，来选择不同的激光、散射信号光和/或输出窗，包括:将反射镜M5移出光路外，从透过光学滤光片0FT的散射信号光可直接进入汇聚透镜LNS2,并被汇聚透镜LNS2汇聚到输出窗W2。将反射镜M5和 M6移进光路中，从透过光学滤光片0FT的散射信号光将相继被反射镜M5和M6反射后，可直接进入汇聚透镜LNS3,并被汇聚透镜LNS3汇聚到输出窗W3。
[0024]上述方案中，提升器SM2中所包含的各反射镜的角度，以及反射镜M3、M4和M6的角度均二维可调。[0〇25](三)有益效果
[0026]从上述技术方案可以看出，本实用新型能够同时具有以下的优点:
[0027]1)—款及一款以上小型激光器的激光器模块直接固定于基座后侧面的支架上上， 更换方便；[〇〇28]2)激光器模块、光路耦合与输出主模块、照明观测模块和显微模块都固定同一基座上，整个多功能显微共焦光谱仪的稳定性非常好。[〇〇29]3)提供三个及以上的散射信号光出口，以连接到不同光谱仪或探测器，甚至可方便地更换不同类型的光谱仪或探测器，克服了现有商业共焦光谱仪不具有扩展性的技术缺陷；
[0030]4)光路在不同激光器之间可以方便切换，并快速准直；
[0031]5)能够大范围地调节激光器入射到光学滤光片的入射角度，同时可方便地手动调节光学滤光片的角度，以便可以快速准直地调节共焦显微光路，提高信号探测效率和信噪比；
[0032]6)光学滤光片调节支架可手动更换且每个调节架都可实现二维方向精细调节，便于快速更换激光并准直调节光路。【附图说明】
[0033]图1为现有技术中的显微共焦光谱仪的结构示意图；[〇〇34]图2为依照本实用新型实施例的多功能显微共焦光谱仪的俯视图；[〇〇35]图3为利用图2所示的多功能显微共焦光谱仪和532纳米激光器所测试的晶体硅的拉曼光谱图，最低波数可达30波数；[〇〇36]图4为利用图2所示的多功能显微共焦光谱仪和633纳米激光器所测试的锗硅超晶格的拉曼光谱图，最低波数也可达30波数；
[0037]图5为依照本实用新型实施例的包括多个激光器，多个输出窗及其耦合光路的多功能显微共焦光谱仪的俯视图；[〇〇38]图6为利用图5所示的多功能显微共焦光谱仪和405纳米激光器所测试的彩色玻璃的光致发光光谱图。【具体实施方式】
[0039]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
[0040]如图2所示，图2为依照本实用新型实施例的多功能显微共焦光谱仪的俯视图。该多功能显微共焦光谱仪包括激光器模块、光路耦合与输出主模块、照明观测模块、显微模块和信号检测模块;其中，该光路耦合与输出主模块、照明观测模块二者共用同一基座，激光器模块固定在该基座后侧面，显微模块固定在该基座前侧面，信号检测模块固定在该基座的右侧面。[0041 ] 该激光器模块至少包括一个激光器LSI和提升器SM1;该光路耦合与输出主模块包括光学滤光片OFT、至少3个反射镜Ml、M2及M5，至少一个汇聚透镜LNS1，以及至少一个输出窗W1;该照明观测模块包括广谱光源WL，第一分束器BS1，第二分束器BS2,第四汇聚透镜 LNS4，照相机CMR和反射镜M45;该显微模块包括显微物镜OBJ及其调焦装置;该信号检测模块包括光栅光谱仪GSPY及其控制系统。[〇〇42]具体而言，图2所示的多功能显微共焦光谱仪中具体光路如下:固定在基座后侧面的激光器模块中的激光器LSI出射的激光先经提升器SM1进行提升并进入光路耦合与输出主模块，提升后的激光入射到光路耦合与输出主模块中的反射镜Ml上，经由反射镜Ml再反射到反射镜M2上，经由反射镜M2反射的激光入射到光学滤光片0FT上；激光经光学滤光片 0FT反射后水平入射至照明观测模块中与水平面呈45度倾斜放置的反射镜M45,经反射镜 M45反射后竖直向下入射至显微模块，经显微模块的显微物镜OBJ聚焦照射到样品SMP上；显微物镜OBJ收集来自样品SMP的竖直向上的激光反射光和散射信号光，经反射镜M45反射后水平入射到光学滤光片0FT;光学滤光片0FT将激光反射光滤除并衰减到只有原来的I/O6至 1/1012，而使得绝大部分的散射信号光透过光学滤光片0FT后入射至反射镜M5;反射镜M5将透过该光学滤光片0FT的散射信号光反射后穿过小孔HL，照射到汇聚透镜LNS1上，经由汇聚透镜LNS1汇聚的散射信号光穿过输出窗W1;从输出窗W1输出的散射信号光输入到信号检测模块进行共焦信号检测。[〇〇43]在图2所示的俯视图中，反射镜M45、显微物镜OBJ及样品SMP是由上至下依次放置的。提升器SM1中所包含的各反射镜的角度，以及反射镜Ml、M5和M45的角度均二维可调。
[0044] 参照图2,在激光器模块中，激光器LSI为小型激光器，例如氦氖激光器或小型固态栗浦激光器，被固定于光路耦合与输出主模块基座的后侧面，与前侧面显微物镜在同一基座上，保持了光路的稳定性和操作的便利性。
[0045]在光路耦合与输出主模块中，反射镜M2放置于竖直二维角度调节架上，而该竖直二维角度调节架又放置于二维平移台上;调节二维平移台可使激光入射到反射镜M2上的不同位置，而竖直二维角度调节架用来调节反射镜M2方向使其将激光反射到光学滤光片0FT 的中心。光学滤光片OFT固定在一个竖直二维角度调节架上;竖直二维角度调节架可插拔地置于一个固定在基座上的支柱上；当更换同一激光器的不同波长时，将固定有相应光学滤光片0FT的竖直二维角度调节架更换到该支柱上;调节竖直二维角度调节架的螺纹，即可使激光入射到显微模块的显微镜物镜0BJ;通过该竖直二维角度调节架与在反射镜M2之前光路上的其它配备有反射镜的竖直二维角度调节架联合使用，即可使激光准直入射到显微模块的显微镜物镜0BJ，并聚焦到样品SMP上，以产生备检测的样品散射信号光。该光学滤光片0FT为陷波拉曼滤光片、边带拉曼滤光片、高通滤光片或低通滤光片。小孔HL固定在一隔板上且其大小可调，该隔板将光路耦合与输出主模块分隔为左右两室以隔离激光杂散光。 汇聚透镜LNS1放置于三维平移调节架上，通过调节三维平移调节架的三个平移轴，不仅能够在二维竖直方向上调节汇聚透镜LNS1的位置，还能够在光轴方向调节汇聚透镜LNS1的位置，使得散射信号光能够精确入射并聚焦到光栅光谱仪GSPY的入口狭缝。
[0046]由于此多功能显微共焦光谱仪的小型激光器直接固定于基座后侧面的支架上，与基座成为一体，结构稳定，而且更换激光器非常方便;激光器模块、光路耦合与输出主模块、 照明观测模块和显微模块都固定同一基座上，整个多功能显微共焦光谱仪的稳定性非常好;光路可以在不同激光波长之间方便切换，并快速准直;能够大范围地调节激光器入射到光学滤光片的入射角度，同时可方便地手动调节光学滤光片的角度，以便可以快速准直地调节共焦显微光路，提高信号探测效率和信噪比；光学滤光片调节支架可手动更换且每个调节架都可实现二维方向精细调节，便于快速更换激光并准直调节光路。
[0047]参照图2,透过照明观测模块和显微模块的配合使用，可以实现对样品的显微观察。在照明观测模块中，分束器BS2将来自广谱光源WL的白光反射到显微模块的显微物镜 0BJ，经由显微物镜OBJ聚焦照射到样品SMP上；来自样品SMP的反射光经由显微模块的显微物镜OBJ收集后穿过分束器BS1后，经由分束器BS1反射到照相机CMR进行样品观察。分束器 BS1和BS2呈90度垂直角度放置，且都与光路成45度角；分束器BS1和BS2同时置于同一个具有两个固定位置的滑轨上;滑轨的一个位置使分束器BS1和BS2位于光路上，用于样品SMP 的光学图像观察;将分束器BS1和BS2滑至滑轨的另外一个位置，分束器BS1和BS2将离开激光光路，使得广谱光源WL的白光不能入射到样品上，同时使得激光不受分束器BS1和BS2的干扰，这样激光能够无损通过照明观测模块来激发样品的散射光信号，同时，来自样品SMP 的散射光信号经显微模块的显微物镜OBJ收集也能够无损通过照明观测模块，然后传输到后续的信号检测模块并被信号检测模块检测。[〇〇48]参照图2，该信号检测模块中的光栅光谱仪GSPY包括狭缝SLT，反射镜MSI，反射镜 MS2，光栅GRT和探测器(XD，其中:来自狭缝SLT的信号光入射到反射镜MSI，经反射镜MSI反射后的信号光照射到光栅GRT上，经光栅GRT色散后的信号光由反射镜MS2进行收集并反射到探测器CCD进行检测。该光栅光谱仪GSPY置于固定支架之上，使得光栅光谱仪GSPY的光轴与光路耦合与输出主模块的光轴等高;透过输出窗W1的散射光信号不需要任何提升器直接进入光栅光谱仪GSPY的狭缝SLT并由后续的探测器CCD进行检测。
[0049]利用此多功能显微共焦光谱仪，本实用新型测试了硅单晶的拉曼光谱，使用了 100 倍莱卡显微物镜，1800刻线光栅，光谱仪入口狭缝宽度80微米，使用波长为532纳米的小型固态栗浦激光器，所测的拉曼光谱图如附图3所示。由于这款多功能显微共焦光谱仪能精确调节关键光学元件的角度和位置，该光谱仪最低测试波数达到30CHT1，远优于一般的商业化拉曼光谱仪。
[0050]由于此多功能显微共焦光谱仪的小型激光器更换方便和光路调节方便，本实用新型将532纳米的小型固态栗浦激光器更换为633纳米的氦氖激光器，经过快速调节，所测的锗硅超晶格的拉曼光谱如图4所示。由于这款多功能显微共焦光谱仪能精确调节关键光学元件的角度和位置，该光谱仪能测到锗硅超晶格的低频折叠声学声子的拉曼信号，最低测试波数达到30CHT1，也远优于一般的商业化拉曼光谱仪。[〇〇51]另外，此多功能显微共焦光谱仪还具有非常好的扩展性。例如，可以在基座后侧面的支架上固定一个以上的激光器，甚至可以从非常方便地引入其它大型激光器。同时，此多功能显微共焦光谱仪还可以扩展到一个以上的输出窗并且为每个输出窗配上相应的信号探测模块。图5给出了一个包括2个激光器模块和3个信号输出窗的显微共焦光谱仪的结构示意图。[〇〇52]如图5所示，相对于图2所示的激光器模块，图5中的激光器模块还含有激光器LS2 和相应的提升器SM2。为了将激光器LS2出射的激光方便导入到光学滤光片0FT并照射到样品上，光路耦合与输出主模块还至少需要两个反射镜M3和M4。另外，图5所示多功能显微共焦光谱仪还新加了输出窗W2和W3，以及相应的光路耦合元件，如反射镜M6和汇聚透镜LNS2和LNS3〇[〇〇53]提升器SM2中所包含的各反射镜的角度，以及反射镜M3、M4和M6的角度均二维可调。要实现激光器和输出窗的选择，反射镜M4、M5和M6的调节架分别放置在具有两个固定位置的其各自对应的滑轨上，根据各个反射镜位于其对应滑轨的两个固定位置的不同，来选择不同的激光、散射信号光和/或输出窗。例如，将反射镜M5移出光路外，从透过光学滤光片 0FT的散射信号光可直接进入汇聚透镜LNS2，并被汇聚透镜LNS2汇聚到输出窗W2。将反射镜 M5和M6移进光路中，从透过光学滤光片0FT的散射信号光将相继被反射镜M5和M6反射后，可直接进入汇聚透镜LNS3,并被汇聚透镜LNS3汇聚到输出窗W3。[〇〇54] 汇聚透镜LNS2和LNS3也分别放置于三维平移调节架上，通过调节三维平移调节架的三个平移轴，不仅可在二维竖直方向上调节三个汇聚透镜的位置，还可在光轴方向调节三个汇聚透镜的位置，使得散射信号光可以分别精确入射并聚焦到三个信号检测模块的信号输入口中心。
[0055]另外，信号探测模块除了可以是光栅光谱仪GSPY外，还可以是光纤光谱仪或单道探测器。根据需要，不同输出窗可以耦合相同的信号探测模块或者不同的信号探测模块，从而实现不同的测试功能。[〇〇56]本实用新型将405nm固态栗浦激光器作为第二激光器固定到图5所示的多功能显微共焦光谱仪中，也测量了Newport 0G507彩色玻璃的光致发光光谱，使用了50倍长工作距离物镜，150刻线光栅，光谱仪狭缝宽度200微米，到达样品激光功率小于0.004mW，并衰减 10000倍，所得到的光致发光光谱如附图6所示，可以看出，尽管激光功率非常微弱，我们仍可以得到信噪比非常高的光致发光光谱。
[0057]以上两个实例说明本实用新型设计的多功能显微共焦光谱仪的扩展性非常强，且性价比远高于现有的商业化显微共焦光谱仪，便于显微共焦光谱测试技术和显微共焦光谱仪的推广，并能够推动拉曼光谱和光致发光光谱在材料研究中的应用。[〇〇58]以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，该多功能显微共焦光谱仪包括激光器模 块、光路耦合与输出主模块、照明观测模块、显微模块和信号检测模块;其中，该光路耦合与 输出主模块、照明观测模块二者共用同一基座，激光器模块固定在该基座后侧面，显微模块 固定在该基座前侧面，信号检测模块固定在该基座的右侧面。2.根据权利要求1所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，该激光器模块至少包括一个激光器LSI和提升器SM1;该光路耦合与输出主模块包括光学滤光片OFT、至少3个反射镜Ml、M2及M5,至少一个汇 聚透镜LNS1，以及至少一个输出窗W1;该照明观测模块包括广谱光源WL，第一分束器BS1，第二分束器BS2，第四汇聚透镜 LNS4，照相机CMR和反射镜M45;该显微模块包括显微物镜OBJ及其调焦装置；该信号检测模块包括光栅光谱仪GSPY及其控制系统；其中，固定在基座后侧面的激光器模块中的激光器LSI出射的激光先经提升器SM1进行 提升并进入光路耦合与输出主模块，提升后的激光入射到光路耦合与输出主模块中的反射 镜Ml上，经由反射镜Ml再反射到反射镜M2上，经由反射镜M2反射的激光入射到光学滤光片 OFT 上；激光经光学滤光片OFT反射后水平入射至照明观测模块中与水平面呈45度倾斜放置的 反射镜M45，经反射镜M45反射后竖直向下入射至显微模块，经显微模块的显微物镜OBJ聚焦 照射到样品SMP上；显微物镜OBJ收集来自样品SMP的竖直向上的激光反射光和散射信号光，经反射镜M45 反射后水平入射到光学滤光片OFT;光学滤光片OFT将激光反射光滤除并衰减到只有原来的 1/106至1/1012,而使得绝大部分的散射信号光透过光学滤光片OFT后入射至反射镜M5;反射镜M5将透过该光学滤光片OFT的散射信号光反射后穿过小孔HL，照射到汇聚透镜 LNS1上，经由汇聚透镜LNS1汇聚的散射信号光穿过输出窗W1;从输出窗W1输出的散射信号 光输入到信号检测模块进行共焦信号检测。3.根据权利要求2所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，在激光器模块中，激光 器LSI为小型激光器，被固定于光路耦合与输出主模块基座的后侧面，与前侧面显微物镜在 同一基座上，保持了光路的稳定性和操作的便利性。4.根据权利要求3所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，所述小型激光器为氦氖 激光器或小型固态栗浦激光器。5.根据权利要求2所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，在光路耦合与输出主模 块中，反射镜M2放置于竖直二维角度调节架上，而该竖直二维角度调节架又放置于二维平 移台上；调节二维平移台可使激光入射到反射镜M2上的不同位置，而竖直二维角度调节架 用来调节反射镜M2方向使其将激光反射到光学滤光片OFT的中心。6.根据权利要求2所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，在光路耦合与输出主模 块中，光学滤光片OFT固定在一个竖直二维角度调节架上;竖直二维角度调节架可插拔地置 于一个固定在基座上的支柱上；当更换同一激光器的不同波长时，将固定有相应光学滤光 片OFT的竖直二维角度调节架更换到该支柱上;调节竖直二维角度调节架的螺纹，可使激光 入射到显微模块的显微镜物镜OBJ;通过该竖直二维角度调节架与在反射镜M2之前光路上的其它配备有反射镜的竖直二维角度调节架联合使用，可使激光准直入射到显微模块的显 微镜物镜OBJ，并聚焦到样品SMP上，以产生备检测的样品散射信号光。7.根据权利要求6所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，该光学滤光片OFT为陷 波拉曼滤光片、边带拉曼滤光片、高通滤光片或低通滤光片。8.根据权利要求2所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，在光路耦合与输出主模 块中，小孔HL固定在一隔板上且其大小可调，该隔板将光路耦合与输出主模块分隔为左右 两室以隔离激光杂散光。9.根据权利要求2所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，在光路耦合与输出主模 块中，汇聚透镜LNS1放置于三维平移调节架上，通过调节三维平移调节架的三个平移轴，不 仅能够在二维竖直方向上调节汇聚透镜LNS1的位置，还能够在光轴方向调节汇聚透镜LNS1 的位置，使得散射信号光能够精确入射并聚焦到光栅光谱仪GSPY的入口狭缝。10.根据权利要求2所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，提升器SM1中所包含的 各反射镜的角度，以及反射镜Ml、M5和M45的角度均二维可调。11.根据权利要求2所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，在照明观测模块中，分 束器BS2将来自广谱光源WL的白光反射到显微模块的显微物镜OBJ，经由显微物镜OBJ聚焦 照射到样品SMP上;来自样品SMP的反射光经由显微模块的显微物镜OBJ收集后穿过分束器 BS1后，经由分束器BS1反射到照相机CMR进行样品观察。12.根据权利要求11所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，所述分束器BS1和BS2 呈90度垂直角度放置，且都与光路成45度角；分束器BS1和BS2同时置于同一个具有两个固 定位置的滑轨上;滑轨的一个位置使分束器BS1和BS2位于光路上，用于样品SMP的光学图像 观察;将分束器BS1和BS2滑至滑轨的另外一个位置，分束器BS1和BS2将离开激光光路，使得 广谱光源WL的白光不能入射到样品上，同时使得激光不受分束器BS1和BS2的干扰，这样激 光能够无损通过照明观测模块来激发样品的散射光信号，同时，来自样品SMP的散射光信号 经显微模块的显微物镜OBJ收集也能够无损通过照明观测模块，然后传输到后续的信号检 测模块并被信号检测模块检测。13.根据权利要求2所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，该信号检测模块中的 光栅光谱仪GSPY包括狭缝SLT，反射镜MSI，反射镜MS2，光栅GRT和探测器CCD，其中:来自狭 缝SLT的信号光入射到反射镜MS 1，经反射镜MS 1反射后的信号光照射到光栅GRT上，经光栅 GRT色散后的信号光由反射镜MS2进行收集并反射到探测器CCD进行检测。14.根据权利要求13所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，该光栅光谱仪GSPY置 于固定支架之上，使得光栅光谱仪GSPY的光轴与光路耦合与输出主模块的光轴等高;透过 输出窗W1的散射光信号不需要任何提升器直接进入光栅光谱仪GSPY的狭缝SLT并由后续的 探测器C⑶进行检测。15.根据权利要求2所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，该信号检测模块中的 光栅光谱仪GSPY能够被光纤光谱仪或单道探测器替换。16.根据权利要求2所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，该激光器模块还包括 激光器LS2和提升器SM2，该光路耦合与输出主模块还包括反射镜M3和M4，反射镜M6、汇聚透 镜LNS2和LNS3，以及输出窗W2和W3，其中:反射镜M4、M5和M6的调节架分别放置在具有两个固定位置的其各自对应的滑轨上，根据各个反射镜位于其对应滑轨的两个固定位置的不同，来选择不同的激光、散射信号光和/ 或输出窗；汇聚透镜LNS2和LNS3分别放置于三维平移调节架上，通过调节三维平移调节架的三个 平移轴，不仅能够在二维竖直方向上调节三个汇聚透镜的位置，还能够在光轴方向调节三 个汇聚透镜的位置，使得散射信号光能够分别精确入射并聚焦到三个信号检测模块的信号 输入口中心。17.根据权利要求16所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，所述反射镜M4、M5和 M6的调节架分别放置在具有两个固定位置的其各自对应的滑轨上，根据各个反射镜位于其 对应滑轨的两个固定位置的不同，来选择不同的激光、散射信号光和/或输出窗，包括:将反射镜M5移出光路外，从透过光学滤光片OFT的散射信号光可直接进入汇聚透镜 LNS2，并被汇聚透镜LNS2汇聚到输出窗W2，将反射镜M5和M6移进光路中，从透过光学滤光片 OFT的散射信号光将相继被反射镜M5和M6反射后，可直接进入汇聚透镜LNS3，并被汇聚透镜 LNS3汇聚到输出窗W3。18.根据权利要求16所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，提升器SM2中所包含 的各反射镜的角度，以及反射镜M3、M4和M6的角度均二维可调。
【文档编号】G01J3/02GK205607532SQ201620406697
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】谭平恒
【申请人】中国科学院半导体研究所