专利名称：激光差动共焦图谱显微层析成像装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光学显微成像及光谱测量技术领域，涉及一种激光差 动共焦图谱显微层析成像装置，可用于样品的高精度三维形貌测量和 样品微区材料组分的光谱分析。
背景技术：
1990年G J. Puppels等学者在观测单细胞和染色体的形态与 组成时首先发明了共焦拉曼光谱显微技术并成功用于实验。共焦 拉曼光谱显微镜的光谱成像原理是将点光源、点被测物和光谱点 探测器三者放置在彼此对应的共轭的位置，构成了光学成像中的 点照明和点探测的具有层析功能的显微成像系统。典型的共焦显 微镜的基本结构如图1所示，激光器发出的光经过扩束物镜扩束 后经过第一分光镜、轴向驱动装置、物镜汇聚，在被测物表面聚 焦成光斑并被反射，反射光中含有被入射激光激发出来的含有被 测样品材料光谱信息的拉曼光，反射光沿原路返回，被第一分光 镜反射后经过滤光片滤除瑞利光和荧光等后经过汇集透镜汇聚， 经过一个位于汇聚透镜的焦点处的针孔后由针孔后的光谱探测器 接收处理。由于共焦拉曼显微镜采用的是一种点对点的探测方式 因此决定了其具有较高的空间分辨能力并且具有层析探测能力。
共焦显微镜因为具有光谱层析成像的能力而被广泛应用于生 物医学、材料科学和高能物理等前沿学科和领域，并且由于其分 辨率很高，可以对生物活体样本和微小工业产品进行微细成像， 提供样品的微观几何形貌信息和材料光谱信息而成为医学观察和 制造业检测的有力工具；但是若要提高共焦拉曼光谱显微系统的 微区探测能力，就必须对样品进行精确定焦，使样品位于焦点O 附近，然而焦点O附近的共焦显微特性曲线的响应灵敏度却极低， 其结果使现有的共焦拉曼光谱显微技术在"微区光谱"探测能力和 "微区几何位置"探测能力之间不可兼得，即现有的共焦拉曼光谱 显微技术存在以下原理性缺陷1. 焦点O处光谱探测能力强，但几何位置探测能力却差；
2. 难以准确捕获焦点O处的激发拉曼光谱，实现微区光谱探测；
3. 受衍射极限的限制，焦点O处光斑及焦深大小都将制约共焦 拉曼光谱显微系统的轴向及横向分辨能力等。
显见，上述共焦拉曼光谱显微技术的原理性缺陷，制约了其 微区光谱与几何位置的探测能力，使其无法用于更微小区域的光 谱与几何位置的测试与分析等场合。
目前，国际上有关共焦拉曼光谱显微镜的性能的改善的研究 飞速发展，出现了超短脉冲激光法、油浸物镜法、光纤探测法、 图像改进法等方法，但是上述研究，主要集中在共焦拉曼光谱显 微系统涉及的光源系统、光谱探测系统、聚焦物镜系统、光谱信 息处理等方面，尽管其对共焦拉曼光谱显微系统的总体性能有所 改进，但在共焦拉曼光谱显微系统空间分辨能力的改善方面却没 有显著进展。
差动共焦技术具有灵敏度高，线性好，测量具有绝对跟踪能 力和双极性跟踪特性，可以实现几何位置的绝对测量等特点，今 年来得到广泛的应用；并且随着光瞳滤波技术的发展，差动共焦 技术与光瞳滤波技术的结合可以大大的压縮系统焦深，提高定焦 灵敏度，改善系统的分辨力。如《光学快递》的《Effect of an annular pupil filter on differential confocal microscopy》报道了使用光瞳滤 波技术提高差动共焦显微镜的轴向灵敏度和扩展线性响应区间的 实验。而使用差动共焦技术与共焦拉曼光谱探测技术相结合继而 同时得到样品的纳米级微区几何形貌与组分信息的图谱成像技术 的报道，至今尚未见到。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术用于微观三维形貌和材料光谱测 量时存在的上述不足，融合拉曼光谱探测技术和差动共焦显微技术， 提出激光差动共焦图谱显微层析成像装置。该探测装置可以测量样品 纳米级微区的光谱信息，同时得到样品的微观几何形貌和材料组分信 息，并且具有极高的空间分辨力；本发明装置中同时包含二维扫描驱动装置，可以驱动样品使装置可以对样品进行二维的扫描，从而生成 样品的图谱照片，为生物医学、材料科学和高能物理等前沿学科提供 了有力的观测手段。
本发明的目的是通过下述装置实现的。
激光差动共焦图谱显微层析成像装置，包括拉曼光谱探测部分
(25)，沿光路依次放置的物镜(6)、第一分光镜(7)、位于第一分光 镜(7)透射方向的测量物镜(9)和用于驱动测量物镜(9)在轴向移 动的轴向驱动装置(8)和二维驱动装置(28);还包括放置在第一分 光镜(7)反射方向反方向的差动共焦探测部分；还包括一个激光器(1) 和一个数据融合处理系统(24);其中激光器(1)通过单模保偏光纤 与拉曼光谱分析部分(25)连接，用于给系统提供测试用的照明和激 发光源；数据融合处理系统(24)与拉曼光谱探测部分(25)和差动 共焦探测部分(26)相连，用于融合处理两个部分探测接收到的光谱 信息和位置信息，得到样品的微区图谱信息；
拉曼光谱探测部分(25)包括一个焦点位于与激光器相连的光纤 输出端头用于将光纤输出的光进行扩束的光源物镜(2)和沿光路依次 排列的窄带滤光片(3)、 二向色滤光片(4)、位于二向色滤光片(4) 的透射方向的汇聚物镜(5)、位于二向色滤光片的反射方向反射镜 (20)、放在反射镜的反射方向的滤光片(21)、在滤光片(21)透射 方向的耦合透镜(22)和通过单模保偏光纤采集耦合透镜(22)焦点 处的光谱信号的拉曼光谱探测器(23);差动共焦系统(26)包括第 二分光镜(11)，依次放置在第二分光镜的透射方向的第一聚光镜(12)、 第一针孔(13)和贴近针孔的第一探测器(18);依次放置在第二分光 镜(11)的反射方向的第二聚光镜(16)、第二针孔(17)和贴近针孔 的第二探测器(18)。
本发明装置中的轴向驱动装置(8)和测量物镜(9)还可以位于 偏振分光镜(7)的反射方向。
本发明装置还可以包括衍射光整形器件(27)用于压縮测量物镜 (9)的焦深，提高定焦精度；衍射光整形器件(27)可以位于扩束物 镜(6)与第一分光镜(7)之间，也可以位于第一分光镜(7)与测量 物镜(9)之间或第一分光镜(7)与第二分光镜(11)之间，还可以
6使用两个衍射光整形器件，分别位于第二分光镜(11)与第一汇聚镜
(12)和第二汇聚镜(16)之间。
本发明装置还可以包括第一滤波放大电路(15)和第二滤波放 大电路(19)，两个放大电路分别与第一探测器(14)和第二探测器(18) 相连，用于对两个探测器探测到的信号进行滤波和放大处理。
本发明装置还可以包括一个数据融合处理系统(24)，数据处理系 统(24)与第一滤波放大电路(15)、第二滤波放大电路(19)相连和 拉曼光谱探测器(23)相连，用于对三者的输出信号进行整合处理， 实现测量的自动化，得到被测样品的微区图谱信息。
本发明对比已有的技术装置具有以下显著优点
1) 可以对样品进行二维扫描光谱成像，同时得到样品的几何形貌 信息和材料组分信息，得到样品的图谱合一的信息；
2) 使共焦拉曼光谱显微镜的微区光谱和几何位置探测能力显著提
高；
3) 可同时实现微区图谱层析成像、三维尺度层析成像、光谱测试 三种成像模式；
4) 具有绝对跟踪零点和双极性跟踪特性，可实现几何位置绝对测
5) 利用衍射光学器件整形和压縮聚焦物镜光斑，其即可起到压縮 光斑的作用又可减少激发能量的损失，从而使拉曼光谱强度减小不致 太大等。
图1为已有的共焦拉曼光谱显微镜原理图和成像区域示意图2为本发明纳米级激光差动共焦图谱显微层析成像装置原理图3为本装置差动响应曲线图。
其中l-激光器、2-光源物镜、3-窄带滤波片、4-二向色滤光片、 5-汇聚物镜、6-扩束物镜、7-第一分光镜、8-轴向驱动装置、9-测量物 镜、10-被测样品、11-第二分光镜、12-第一汇聚镜、13-第一针孔、14-第一探测器、15-第一滤波放大电路、16-第二汇聚镜、17-第二针孔、18-第二探测器、19-第二滤波放大电路、20-反射镜、21-滤光片、22-耦合物镜、23-拉曼光谱探测器、24-数据融合处理系统、25-拉曼光谱 分析部分、26-差动共焦系统、27-衍射光整形器件、28二维驱动装置。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明技术原理为采用差动共焦显微成像技术将共焦显微镜接 收光路布置为焦前和焦后两路探测光路，通过两路探测器探测到的具 有不同位相的两路强度响应信号差动相减达到改善轴向分辨力和提高 抗千扰能力的目的，同时系统包含拉曼光谱分析系统，使系统可同时 测量样品的微观区域的材料光谱信号，可以对样品的材料组分尽心分 析；另外，引入衍射光整形器件，对测量光束进行限制压縮系统焦深， 达到了提高系统分辨能力的目的；最后通过对样品进行扫描探测，利 用测得的样品的微区光谱信息和形貌信息结合样品的二维坐标，重构 出反应样品三维形貌和材料组分的图谱。
本发明兼有激光差动共焦图谱显微层析成像装置结构图如图2所 示，包括拉曼光谱探测部分25，沿光路依次放置的物镜6、第一分 光镜7、位于第一分光镜7透射方向的测量物镜9、用于驱动测量物镜 在轴向运动的轴向驱动装置8、驱动样品在二维垂周平面运动的二维 驱动装置28;还包括放置在第一分光镜7反射方向反方向的差动共焦 探测部分；还包括一个通过单模保偏光纤与拉曼光谱分析部分25连接 的激光器1和一个与拉曼光谱探测部分25和差动共焦探测部分26相 连的数据融合处理系统24。其中，拉曼光谱探测部分25包括一个焦 点位于与激光器相连的光纤输出端头用于将光纤输出的光扩束光源物 镜2和沿光路依次排列的窄带滤光片3、 二向色滤光片4、位于二向色 滤光片4的透射方向的汇聚物镜5、位于二向色滤光片的反射方向反 射镜20、放在反射镜的反射方向的滤光片21、在滤光片21透射方向 的耦合透镜22和通过单模保偏光纤采集耦合透镜22焦点处的光谱信 号的拉曼光谱探测器23;差动共焦系统26包括第二分光镜ll，依次放置在第二分光镜的透射方向的第一聚光镜12、第一针孔13和贴
近针孔的第一探测器18;依次放置在第二分光镜11的反射方向的第二
聚光镜16、第二针孔17和贴近针孔的第二探测器18。
本发明装置中的轴向驱动装置8和测量物镜9还可以位于第一分 光镜7的反射方向。
本发明装置中还可以包括衍射光整形器件27用于压縮测量物镜9 的焦深，提高定焦精度；衍射光整形器件27可以位于扩束物镜6与第 一分光镜7之间，也可以位于第一分光镜7与测量物镜9之间或第一 分光镜7与第二分光镜11之间，还可以使用两个衍射光整形器件，分 别位于第二分光镜11与第一汇聚镜12和第二汇聚镜16之间。还可以 包括第一滤波放大电路15和第二滤波放大电路19，两个放大电路 分别与第一探测器14和第二探测器18相连，用于对两个探测器探测 到的信号进行滤波和放大处理；还可以包括一个数据处理系统24，数 据处理系统24与第一滤波放大电路15、第二滤波放大电路19相连和 拉曼光谱探测器23相连，用于对三者的输出信号进行整合处理，实现 测量的自动化，得到被测样品的微区图谱信息。
本发明兼有激光差动共焦图谱显微层析成像装置测量原理如图2 所示打开激光器1，激光器1发出的激光经过单模保偏光纤传输到 光源物镜的焦点处，经过光源物镜2汇聚后通过窄带滤波片3滤波， 滤除激光通过光纤激发出的拉曼光谱成分；通过窄带滤波片3后的光 束经过二项色性滤光片4，光能几乎全部通过，后经过汇聚物镜5和 扩束物镜6后通过衍射光整形装置27，将光束调制为所需要的形式后 经过第一分光镜7、测量物镜9后在样品10的表面汇聚成为一个小光 斑后被反射，反射光中包含瑞利散射光、激发荧光和拉曼光谱，在这 个过程中可一使用轴向驱动装置8驱动测量物镜9在轴向运动实现定 焦或控制光斑大小；反射光原路返回光路，经过测量物镜9、后被第 一分光镜分光，其中一路被反射进入差动共焦探测装置26，光束进入 差动共焦探测装置26后第二分光镜11分成两束， 一束被第一汇聚镜 12汇聚后进入位于第一汇聚镜12焦点前距离为M的位置的第一针孔13，被第一探测器14接收；另一束被第二汇聚镜16汇聚后进入位于 第二汇聚镜16焦点后距离为M的位置的第二针孔17，被第二探测器 18接收。另一路透射后通过衍射光整形装置27、扩束物镜6、汇聚物 镜5后被二向色性滤光片发射到反射镜20;在这个过程中光线中的直 接由被测样品反射回的光将直接通过二项色滤光片而被滤除，反射的 光再次经过反射镜20的反射后通过滤光片21，消除光束中的荧光成 分，然后经过耦合透镜22将光线耦合进入单模保偏光纤后进入拉曼光 谱探测器23探测得到样品的材料组分光谱信息。拉曼光谱探测器23、 第一滤波放大电路15和第二滤波放大电路19将测得的信号传输给数 据融合处理系统24处理后得到包涵被测样品三维几何信息和组分光 谱信息的四维信号。
在测量过程中当被测样品表面处于焦平面或者离焦时，激光器1、 光源物镜2、第一分光镜7、测量物镜9、第一汇聚镜12、第一针孔 13和第一探测器14构成"准共焦显微镜"，第一探测器14探测到的 强度响应力(w，)为:
sin" / 2)
其中w为轴向归一化坐标，，/c为入射光强，。
激光器l、光源物镜2、第一分光镜7、测量物镜9、第二汇聚镜 16、第二针孔17和第二探测器18构成"准共焦显微镜"，第二探测器 18探测到的强度响应/2 ("2)为
<formula>formula see original document page 10</formula>
将力("》和/2 ("2)做差后得到:
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计算机依据/e^进行实时处理和计算，由&#强度曲线光强大小和
从二维驱动装置(28)中获得的样品位置的二位坐标(Jc,力，重构出被 测样品的微区三维形貌信息/ (x，y,。激光器l、光源物镜2、 二向色滤光片4、测量物镜9、耦合物镜 22、拉曼光谱探测器23构成共焦拉曼显微镜，拉曼光谱探测器23探 测到的光谱响应为/(A)。
拉曼光谱探测器23、第一探测器14和第二探测器18将输出信号 传输到数据融合处理系统23中得到样品10的四维信息/ (;c，j;,; 2 )
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。
权利要求
1.一种激光差动共焦图谱显微层析成像装置，其特征在于包括拉曼光谱探测部分(25)，沿光路依次放置的物镜(6)、第一分光镜(7)、位于第一分光镜(7)透射方向的测量物镜(9)和用于驱动测量物镜(9)在轴向移动的轴向驱动装置(8)，和二维扫描驱动装置(28)；还包括放置在第一分光镜(7)反射方向反方向的差动共焦探测部分；还包括一个激光器(1)和一个数据融合处理系统(24)；其中激光器(1)通过单模保偏光纤与拉曼光谱分析部分(25)连接，用于给系统提供测试用的照明和激发光源；数据融合处理系统(24)与拉曼光谱探测部分(25)和差动共焦探测部分(26)相连，用于融合处理两个部分探测接收到的光谱信息和位置信息，得到样品的微区图谱信息；
2.根据权利1所述的激光差动共焦图谱显微层析成像装置，其 特征在于拉曼光谱探测部分(25)包括一个焦点位于与激光器相连 的光纤输出端头用于将光纤输出的光扩束光源物镜(2)和沿光路依 次排列的窄带滤光片(3)、 二向色滤光片(4)、位于二向色滤光片(4) 的透射方向的汇聚物镜(5)、位于二向色滤光片的反射方向反射镜(20)、放在反射镜的反射方向的滤光片(21)、在滤光片(21)透射 方向的耦合透镜(22)和通过单模保偏光纤采集耦合透镜(22)焦点 处的光谱信号的拉曼光谱探测器(23);差动共焦系统(26)包括 第二分光镜(11)，依次放置在第二分光镜的透射方向的第一聚光镜(12)、第一针孔(13)和贴近针孔的第一探测器(18);依次放置在 第二分光镜(11)的反射方向的第二聚光镜(16)、第二针孔(17) 和贴近针孔的第二探测器(18)。
3. 根据权利1和2所述的激光差动共焦图谱显微层析成像装置， 其特征在于轴向驱动装置(8)和测量物镜(9)还可以位于偏振分 光镜(7)的反射方向。
4. 根据权利1和2所述的激光差动共焦图谱显微层析成像装置， 其特征在于还可以包括衍射光整形器件(27)用于压縮测量物镜(9) 的焦深，提高定焦精度；衍射光整形器件(27)可以位于扩束物镜(6) 与第一分光镜(7)之间，也可以位于第一分光镜(7)与测量物镜(9) 之间或第一分光镜(7)与第二分光镜(11)之间，还可以使用两个衍射光整形器件，分别位于第二分光镜(11)与第一汇聚镜(12)和 第二汇聚镜(16)之间。
5. 根据权利要求1和2所述的激光差动共焦图谱显微层析成像 装置，其特征在于还可以包括第一滤波放大电路(15)和第二滤波 放大电路(19)，两个放大电路分别与第一探测器(14)和第二探测 器(18)相连，用于对两个探测器探测到的信号进行滤波和放大处理。
6. 根据权利要求1和2所述的激光差动共焦图谱显微层析成像 装置，其特征在于还可以包括一个数据融合处理系统(24)，数据处 理系统(24)与第一滤波放大电路(15)、第二滤波放大电路(19) 相连和拉曼光谱探测器(23)相连，用于对三者的输出信号进行整合 处理，实现测量的自动化，得到被测样品的微区图谱信息。
全文摘要
本发明属于光学显微成像及光学精密测量技术领域，涉及一种激光差动共焦图谱显微层析成像装置，主要包括拉曼光谱分析部分(25)和沿光路依次放置的物镜(6)、偏振分光镜(7)、1/4玻片(8)、测量物镜(9)；还包括位于偏振分光镜反射方向反方向的差动共焦探测部分(26)。本发明中的差动共焦探测部分用于对样品微区几何位置的测量和对样品定焦，得到样品微区的图像信息；拉曼光谱探测部分用于对样品被探测区的材料光谱进行分析，得到样品微区的组分信息；通过两个部分的结合可以实现对样品的纳米级微区图谱测量，同时得到样品微区的几何形貌和材料组分信息。本发明为生物医学、材料科学和高能物理等前沿学科提供了有力的观测手段。
文档编号G02B27/09GK101526477SQ200910082248
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月21日 优先权日2009年4月21日
发明者允 王, 赵维谦, 邱丽荣 申请人:北京理工大学