本发明涉及显微可见光谱仪技术领域，具体涉及具有低成本、易扩展、操作简便、采样面积小等优势的一种多功能微区可见光谱仪。
背景技术：
在现代信息技术、微纳光学、生物学等相关学科飞速发展的今天，对于器件微型化和片上集成化的要求越来越高,许多微纳器件或生物样本的尺寸已经小至微米量级，传统的显微光谱仪已经难以满足微小采样区域光谱测量的需求。
对于传统显微光谱仪而言，测量样品的可见光谱时，需要将光束聚焦并准直，使准直后的平行光照射到样品的待测区域，然后对透射光或反射光进行光谱分析。对于尺寸在微米级的样品，显微光谱仪难以将光斑聚集到如此之小，使得没有照射到样品的无效光干扰了测量结果，造成误差。另外，在测试过程中，由于样品尺寸小，还会出现难以定位、杂散光影响等问题。
综上，有必要提供一种成本低、操作简便、且光路布置合理的多功能微区可见光谱仪。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种低成本、易扩展、操作简便、采样面积小至微米量级且光路布置合理的可见光谱仪。
一种微区可见光谱仪，包括水平光路支架与竖直光路支架；以及放置于两个光路支架上的透射输出模块、反射输出模块、显微模块、成像观测模块、光谱测量模块、可调光阑和样品三维调节台；透射输出模块、反射输出模块和显微模块固定在竖直光路支架上，成像观测模块、可调光阑和光谱测量模块固定在水平光路支架上；反射镜(8)固定在水平光路支架与竖直光路支架的连通处；
透射输出模块包括第一光纤卤素光源、第一传输光纤、第一光纤转接件和第一准直透镜；其中，第一光纤卤素光源与第一传输光纤相连；第一传输光纤另一端连接第一光纤转接件；第一光纤转接件出射端口放置于第一准直透镜的焦点处；第一光纤卤素光源的出射光通过第一传输光纤，于第一光纤转接件出射端口出射；并通过第一准直透镜形成平行光；
反射输出模块包括第一分光镜、第二光纤卤素光源、第二传输光纤、第二光纤转接件和第二准直透镜；其中，第二光纤卤素光源与第二传输光纤一端相连；第二传输光纤另一端连接第二光纤转接件；第二光纤转接件出射端口放置于第二准直透镜的焦点处；第二光纤卤素光源出射光通过第二传输光纤，于第二光纤转接件出射端口出射；并通过第二准直透镜形成平行光；第一分光镜在竖直方向与透射输出模块同光轴，在水平方向与第二准直透镜同光轴；
显微模块包括显微物镜与第三准直透镜；其中，显微物镜与第三准直透镜光轴重合且焦点重合；显微模块中的显微物镜、第三准直透镜的光轴与透射输出模块中的光轴重合；显微模块置于第一准直透镜下方；显微物镜置于第一准直透镜下方，第二分光镜上方；由第一准直透镜出射的平行光，经过显微物镜扩束，再通过第三准直透镜准直，出射平行光；
反射镜放置在竖直光路支架的最下方，与竖直光路支架成45度角，使竖直光路经过反射镜水平出射，入射至水平光路中；反射镜在竖直方向与竖直光路支架同光轴，在水平方向与水平光路支架同光轴；
成像观测模块包括第二分光镜与图像传感器；其中第二分光镜与水平光路成45度角放置，使入射光在透射的同时，在水平面上的垂直方向出射至图像传感器；图像传感器接收出射光；
可调光阑放置在第二分光镜后方，与第二分光镜同光轴；并且可调光阑和图像传感器到第二分光镜的距离相同，此时可调光阑和图像传感器与样品平面共轭；通过调节可调光阑的大小控制光路中出射光束的孔径；
光谱测量模块包括聚焦透镜、第三光纤转接件、第三传输光纤、第三光纤光谱仪、第三光纤卤素光源；其中聚焦透镜放置在可调光阑后方，与可调光阑、第二分光镜同光轴；第三光纤转接件放置在聚焦透镜后焦点处，使出射光会聚与第三光纤转接件耦合；第三光纤卤素光源或第三光纤光谱仪通过第三传输光纤与第三光纤转接件通过光纤连接。
作为优选，光路中包含一个样品三维调节台，用于调整样品在光路中的位置；样品三维调节台具有一夹持支架，用于将样品夹持或平放于所夹持的载玻片上，置入光路中；样品放置于透射输出模块与显微观测模块之间，且样品有效通光区域中心在透射输出模块与显微观测模块的光轴上。
进一步的，所述的显微目镜，放大倍率过大会使光通量不足，放大倍率过小会使系统对样品的采样面积变大，综合考虑二者的影响，显微目镜优选采用放大倍率为20倍的显微目镜。
作为优选，所述的可调光阑最小通光面积为0.1×0.1毫米。
作为优选，所述的图像传感器连接至计算机，用于观测样品。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述微区可见光谱仪的透射光谱测量方法，其步骤如下：
将待测样品放到样品三维调节台上，打开第一光纤卤素光源，第一光纤卤素光源发出的光通过第一准直透镜形成平行光出射；平行光经过样品后，通过显微模块并在反射镜上发生反射进入水平光路中，在第二分光镜处，光束分为两束，一束反射进入图像传感器，此时图像传感器上有样品的像，调整样品三维调节台以改变样品的空间位置，使样品在图像传感器上成像居中并清晰，并在计算机上标记样品的成像区域；关闭第一光纤卤素光源；
将样品从样品三维调节台上取下，在样品三维调节台上放置一用于调试的反射镜并保持镜面朝下，将光纤光谱仪从第三传输光纤上拆下，将第三光纤卤素光源通过第三传输光纤与第三光纤转接件相连；打开第三光纤卤素光源；此时第三光纤卤素光源发出的光，通过聚焦透镜准直成为平行光，通过可调光阑和第二分光镜，在反射镜处反射进入竖直光路，进入显微模块并在样品三维调节台上用于调试的反射镜处发生发射，沿原路返回，在反射回到第二分光镜时，光被分为两束，其中一束反射进入图像传感器；此时在图像传感器上有可调光阑的像，使可调光阑的像被样品像的标记覆盖，并标记可调光阑的像的边界；关闭第三光纤卤素光源；
将样品放回样品三维调节台，将第三光纤卤素光源从第三传输光纤上拆下，将光纤光谱仪连在第三传输光纤上，打开第一光线卤素光源，第一光纤卤素光源发出的光通过第一传输光纤，由第一准直透镜准直成为平行光，经过样品后，进入显微模块，于反射镜处反射进入水平光路，在第二分光镜处光束分为两束，一束反射进入图像传感器，一束透射通过可调光阑被聚焦透镜会聚，与第三光纤转接件耦合，通过第三传输光纤进入光纤光谱仪；通过图像传感器观察样品，调节样品三维调节台使样品的像居中，并能够覆盖可调光阑的像的标记；
先关闭第一光纤卤素光源，通过光纤光谱仪测量暗光谱，即光源不发光时得到的环境光光谱；再打开第一光纤卤素光源，得到样品透射光谱；移开样品得到明光谱，即光源本身的发光光谱；将透射光谱和明光谱分别与暗光谱做差，再将两个者相比，得到样品的透射率；关闭第一光纤卤素光源。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述微区可见光谱仪的反射光谱测量方法，其步骤如下：
将待测样品放到样品三维调节台上，打开第二光纤卤素光源，第二光纤卤素光源发出的光通过第二传输光纤，由第二准直透镜准直成为平行光，经过第一分光镜向上反射，通过显微物镜后光在样品表面发生反射，重新经过显微物镜，并在第一分光镜处透射向下，经过第三准直透镜后在反射镜的表面反射进入水平光路；光在第二分光镜处分为两束，一束反射进入图像传感器此时图像传感器上有样品的像，调整样品三维调节台以改变样品的空间位置，使样品在图像传感器上成像居中并清晰，并在计算机上标记样品的成像区域；关闭第二光纤卤素光源；
在样品三维调节台上放置一用于调试的反射镜并保持镜面朝下，将光纤光谱仪从第三传输光纤上拆下，将第三光纤卤素光源通过第三传输光纤与第三光纤转接件相连；此时第三光纤卤素光源发出的光，通过聚焦透镜准直成为平行光，通过可调光阑和第二分光镜，在反射镜处反射进入竖直光路，进入显微模块并在样品三维调节台上用于调试的反射镜处发生发射，沿原路返回，在反射回到第二分光镜时，光被分为两束，其中一束反射进入图像传感器；此时在图像传感器上有可调光阑的像，使可调光阑的像被样品像的标记覆盖，并标记可调光阑的像的边界；关闭第三光纤卤素光源；
将样品放回样品三维调节台，将第三光纤卤素光源从第三传输光纤上拆下，将光纤光谱仪连在第三传输光纤上，打开第二光纤卤素光源，第二光纤卤素光源发出的光通过第二传输光纤，由第二准直透镜准直成为平行光，经过第一分光镜向上反射，在样品表面发生反射，并在第一分光镜处透射向下，经过显微模块后在反射镜的表面反射进入水平光路；光在第二分光镜处分为两束，一束反射进入图像传感器，一束透射通过可调光阑被聚焦透镜会聚，与第三光纤转接件耦合，进入光纤光谱仪；此时图像传感器能够接收到样品的像，此时图像传感器与可调光阑的位置均与样品平面共轭，调整样品的位置，使其在像清晰的情况下，覆盖住标记的可调光阑的像；
先关闭第二光纤卤素光源，通过光纤光谱仪测量暗光谱，即光源不发光时得到的环境光光谱；再打开第二光纤卤素光源，得到样品反射光谱；移开样品得到明光谱，即光源本身的发光光谱；将反射光谱和明光谱分别与暗光谱做差，再将两者相比，便能得到样品的反射率；关闭第二光纤卤素光源。
从上述方案可以看出，本发明能够同时具有以下的优点：
1)在无需改变光路的前提下，能够测量样品的透射光谱和反射光谱，切换方便简单；
2)在显微模块、图像传感器ccd和样品三维调节架的帮助下，能够实现对样品的快速定位，操作方便简单；
3)所有光学元件均放置在竖直光路支架和水平光路支架上，方便调整光路同轴；
4)光源和光谱仪均由光纤外接，能够根据测量需要，随时更换，扩展方便；
5)通过调节光阑大小，能够适应各种尺寸样品的透射/反射光谱测量，在使用放大倍率为20倍的显微物镜时，最小采样面积能够达到5微米×5微米。
附图说明
图1是微区可见光谱仪结构主视图；
图2是微区可见光谱仪水平光路结构俯视图；
图3是测量前调试光阑时的光谱仪光路原理图；其中a)为光谱仪主视图光路原理图，b)为光谱仪水平光路俯视图原理图；
图4是测量样品透射光谱时的光谱仪光路原理图；其中a)为光谱仪主视图光路原理图，b)为光谱仪水平光路俯视图原理图；
图5是测量样品反射光谱时的光谱仪光路原理图；其中a)为光谱仪主视图光路原理图，b)为光谱仪水平光路俯视图原理图；
图6是自制亚波长微结构颜色滤波器(紫色)及其反射光谱测量结果图；其中a)为自制亚波长微结构颜色滤波器(紫色)的扫描电子显微镜局部图像；b)为该滤波器的光学显微镜局部图像，其颜色为紫色；c)为采用上述微区可见光谱仪对该滤波器进行反射光谱测量得到的结果；
图7是自制亚波长微结构颜色滤波器(蓝色)及其透射光谱测量结果图；其中a)为自制亚波长微结构颜色滤波器(蓝色)的扫描电子显微镜局部图像；b)为该滤波器的光学显微镜局部图像，其颜色为蓝色；c)为采用上述微区可见光谱仪对该滤波器进行透射光谱测量得到的结果。
图1至图5中：1-第一光纤转接件；2-第一准直透镜；3-显微物镜；4-第一分光镜；5-第二准直透镜；6-第二光纤转接件；7-第三准直透镜；8-反射镜；9-第二分光镜；10-图像传感器；11-可调光阑；12-聚焦透镜；13-第三光纤转接件；14-第一传输光纤；15-第一光纤卤素光源；16-第二传输光纤；17-第二光纤卤素光源；18-第三传输光纤；19-光纤光谱仪；20-样品三维调节台；21-第三光纤卤素光源。
具体实施方式
为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。
图1为本发明提供的多功能微区可见光谱仪的结构主视图，图2为水平光路的结构俯视图。该多功能微区可见光谱仪包括两个光路支架：水平光路支架与竖直光路支架；以及放置于两个光路支架上的透射输出模块、反射输出模块、显微模块、成像观测模块、光谱测量模块、可调光阑和样品三维调节台；透射输出模块、反射输出模块和显微模块固定在竖直光路支架上，成像观测模块、可调光阑11和光谱测量模块固定在水平光路支架上；反射镜8固定在水平光路支架与竖直光路支架的连通处。
其中，透射输出模块、显微模块与反射输出模块固定于竖直光路支架上。
透射输出模块包括第一光纤卤素光源15、第一传输光纤14、第一光纤转接件1和第一准直透镜2；其中，第一光纤卤素光源15与第一传输光纤14相连；第一传输光纤14另一端连接第一光纤转接件1；第一光纤转接件1出射端口放置于第一准直透镜2的焦点处；第一光纤卤素光源15的出射光通过第一传输光纤14，于第一光纤转接件1出射端口出射；并通过第一准直透镜2形成平行光。
反射输出模块包括第一分光镜4、第二光纤卤素光源17、第二传输光纤16、第二光纤转接件6和第二准直透镜5；其中，第二光纤卤素光源17与第二传输光纤16一端相连；第二传输光纤16另一端连接第二光纤转接件6；第二光纤转接件6出射端口放置于第二准直透镜5的焦点处；第二光纤卤素光源17出射光通过第二传输光纤16，于第二光纤转接件6出射端口出射；并通过第二准直透镜5形成平行光；第一分光镜4在竖直方向与透射输出模块同光轴，在水平方向与第二准直透镜5同光轴。
显微模块包括显微物镜3与第三准直透镜7；其中，显微物镜3与第三准直透镜7光轴重合且焦点重合，显微物镜3的放大倍率为20倍；显微模块中的显微物镜3、第三准直透镜7的光轴与透射输出模块中的光轴重合；显微模块置于第一准直透镜2下方；显微物镜3置于第一准直透镜2下方，第二分光镜4上方；由第一准直透镜2出射的平行光，经过显微物镜3扩束，再通过第三准直透镜7准直，出射平行光。
反射镜8放置在竖直光路支架的最下方，与竖直光路支架成45度角，使竖直光路经过反射镜8水平出射，入射至水平光路中。反射镜8在竖直方向与竖直光路支架同光轴，在水平方向与水平光路支架同光轴。
成像观测模块、可调光阑11、光谱测量模块固定于水平光路支架上。
成像观测模块包括第二分光镜9与图像传感器10；其中第二分光镜9与水平光路成45度角放置，使入射光在透射的同时，在水平面上的垂直方向出射至图像传感器10；图像传感器10接收出射光，连接计算机通过软件观测样品。
可调光阑11放置在第二分光镜9后方，与第二分光镜9同光轴；并且可调光阑11和图像传感器10到第二分光镜9的距离相同，此时可调光阑11和图像传感器10与样品平面共轭；通过调节可调光阑11的大小，能够控制光路中出射光束的孔径，使可调光阑11挡住没有通过样品有效采样区域的光；可调光阑11最小通光面积为0.1×0.1毫米，使用放大倍率为20倍的显微物镜时，可以使对样品的有效采样面积小至5微米×5微米。
光谱测量模块包括聚焦透镜12、第三光纤转接件13、第三传输光纤18、第三光纤光谱仪19、第三光纤卤素光源21；其中聚焦透镜12放置在可调光阑11后方，与可调光阑11、第二分光镜9同光轴；第三光纤转接件放13置在聚焦透镜12后焦点处，使出射光会聚与第三光纤转接件13耦合；第三光纤卤素光源21或第三光纤光谱仪19可以通过第三传输光纤18与第三光纤转接件13连接。
在进行测量光谱之前，应先将各部件按照方案中的要求进行连接与摆放，调整光路以使得光路同轴。其中对可调光阑11位置有着比较严格的要求，要求其位置与图像传感器10共轭。因此先进行如下调试：
首先应调整样品三维调节台20使样品面与图像传感器10互成物象关系，即样品面在图像传感器10上成像清晰，调试过程如下：如图4，将待测样品放到样品三维调节台20上，打开第一光纤卤素光源15，第一光纤卤素光源15发出的光通过第一准直透镜2形成平行光出射。平行光经过样品后，通过显微模块并在反射镜8上发生反射进入水平光路中，在第二分光镜9处，光束分为两束，一束反射进入图像传感器10，此时图像传感器10上应有样品的像，调整样品三维调节台20以改变样品的空间位置，使样品在图像传感器10上成像居中并清晰，并在计算机上标记样品的成像区域。关闭第一光纤卤素光源15。
然后调整可调光阑11的位置，使可调光阑11所在的位置与样品面共轭。调试过程如下：如图3，图3为测量前调试可调光阑11时的光谱仪光路原理图，图3左侧为光谱仪主视原理图，右侧为水平光路的俯视原理图。将样品从样品三维调节台20上取下，在样品三维调节台20上放置一用于调试的反射镜并保持镜面朝下，将第三光纤卤素光源21通过第三传输光纤18与第三光纤转接件13相连，此时第三光纤卤素光源21发出的光，通过聚焦透镜12准直成为平行光，通过可调光阑11和第二分光镜9，在反射镜8处反射进入竖直光路，进入显微模块并在样品三维调节台20上用于调试的反射镜处发生发射，沿原路返回，在反射回到第二分光镜9时，光被分为两束，其中一束反射进入图像传感器10。此时在图像传感器10上应有可调光阑11的像，调整可调光阑11的前后位置，当可调光阑11的像清晰时，可调光阑11和图像传感器10到第二分光镜9的距离相同，可调光阑11的位置与图像传感器10的所在位置均与样品所在的物面共轭。
此时可调光阑11的像，通过调整可调光阑11的孔径大小，调整其像的大小，使可调光阑11的像被样品像的标记覆盖，并标记可调光阑11的像的边界；关闭第三光纤卤素光源21。
对于透射光谱的测量，如图4，图4是测量样品透射光谱时的光谱仪光路原理图。此时光纤光谱仪19连入光路，打开第一光线卤素光源15，第一光纤卤素光源15发出的光通过第一传输光纤14，由第一准直透镜2准直成为平行光，经过样品后，进入显微模块，经过显微物镜3与第三准直透镜7的放大后，于反射镜8处反射进入水平光路，在第二分光镜9处光束分为两束，一束反射进入图像传感器10，一束透射通过可调光阑11被聚焦透镜12会聚，与第三光纤转接件13耦合，通过第三传输光纤18进入光纤光谱仪19。通过图像传感器10观察样品，调节样品三维调节台20使样品像居中，并能够覆盖可调光阑11的像。此时虽然照射在样品上的光直径较大，光斑大于样品的有效区域，但可调光阑11的像比样品的像更小且被样品像覆盖。因为可调光阑11与样品面共轭的缘故，此时没有通过样品有效区域的光便不能通过光阑，被光阑遮挡住。没有通过样品有效区域的无效光线不能进入光纤光谱仪19，不会对测量结果造成影响。此时光纤光谱仪19得到的光全部由样品的有效区域透射而出。
调试好光路后，先关闭第一光纤卤素光源15，通过光纤光谱仪19测量暗光谱，即光源不发光时得到的环境光光谱；再打开第一光纤卤素光源15，得到样品透射光谱；移开样品得到明光谱，即光源本身的发光光谱；将透射光谱和明光谱分别与暗光谱做差，再将两个者相比，得到样品的透射率。
测量反射光谱时，同样要先在测试前使样品面与图像传感器10及可调光阑11为物像共轭关系，并标记样品的像与可调光阑11的像，其具体调试方法如下：
如图5，将待测样品放到样品三维调节台20上，打开第二光纤卤素光源17，第二光纤卤素光源17发出的光通过第二传输光纤16，由第二准直透镜5准直成为平行光，经过第一分光镜4向上反射，通过显微物镜3后光在样品表面发生反射，重新经过显微物镜3，并在第一分光镜4处透射向下，经过第三准直透镜7后在反射镜8的表面反射进入水平光路；光在第二分光镜9处分为两束，一束反射进入图像传感器10此时图像传感器10上有样品的像，调整样品三维调节台20以改变样品的空间位置，使样品在图像传感器10上成像居中并清晰，并在计算机上标记样品的成像区域；关闭第二光纤卤素光源17；
如图3，在样品三维调节台上放置一用于调试的反射镜并保持镜面朝下，将光纤光谱仪19从第三传输光纤18上拆下，将第三光纤卤素光源21通过第三传输光纤18与第三光纤转接件13相连；此时第三光纤卤素光源21发出的光，通过聚焦透镜12准直成为平行光，通过可调光阑11和第二分光镜9，在反射镜8处反射进入竖直光路，进入显微模块并在样品三维调节台20上用于调试的反射镜处发生发射，沿原路返回，在反射回到第二分光镜9时，光被分为两束，其中一束反射进入图像传感器10；此时在图像传感器10上有可调光阑11的像，使可调光阑11的像被样品像的标记覆盖，并标记可调光阑11的像的边界；关闭第三光纤卤素光源21。
对于反射光谱的测量，如图5，图5是测量样品反射光谱时的光谱仪光路原理图。此时光纤光谱仪19连入光路。打开第二光纤卤素光源17，第二光纤卤素光源17发出的光通过第二传输光纤16，由第二准直透镜5准直成为平行光，经过第一分光镜4向上反射，通过显微物镜3后光在样品表面发生反射，重新经过显微物镜3，并在第一分光镜4处透射向下，经过第三准直透镜7后在反射镜8的表面反射进入水平光路。光在第二分光镜9处分为两束，一束反射进入图像传感器10，一束透射通过可调光阑11被聚焦透镜12会聚，与第三光纤转接件13耦合，通过第三传输光纤18进入光纤光谱仪19。此时图像传感器10能够接收到样品的像，图像传感器10与可调光阑11的位置均与样品平面共轭，调整样品的位置，使其在像清晰的情况下，覆盖住之前标记的可调光阑11的像。此时虽然照射在样品上的光直径较大，光斑大于样品的有效区域，但可调光阑11的像比样品的像更小且被样品像覆盖，因为可调光阑11与样品面共轭的缘故，此时没有在样品有效区域反射的光便不能通过光阑，被光阑遮挡住。没有通过样品有效区域的无效光线便不能进入光纤光谱仪19，不会对测量结果造成影响。此时光纤光谱仪19得到的光全部由样品的有效区域反射回来。
调试好后，先关闭第二光纤卤素光源17，通过光纤光谱仪19测量暗光谱，即光源不发光时得到的环境光光谱；再打开第二光纤卤素光源17，得到样品反射光谱；移开样品得到明光谱，即光源本身的发光光谱；将反射光谱和明光谱分别与暗光谱做差，再将两者相比，便能得到样品的反射率。
图6是自制亚波长微结构颜色滤波器(紫色)及其反射光谱测量结果图；其中a)为自制亚波长微结构颜色滤波器(紫色)的扫描电子显微镜局部图像；b)为该滤波器的光学显微镜局部图像，其颜色为紫色；c)为采用上述微区可见光谱仪对该滤波器进行反射光谱测量得到的结果，与光学显微镜观察结果相吻合。
图7是自制亚波长微结构颜色滤波器(蓝色)及其透射光谱测量结果图；其中a)为自制亚波长微结构颜色滤波器(蓝色)的扫描电子显微镜局部图像；b)为该滤波器的光学显微镜局部图像，其颜色为蓝色；c)为采用上述微区可见光谱仪对该滤波器进行透射光谱测量得到的结果，与光学显微镜观察结果相吻合。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。