專利名稱：一種顯微角分辨光譜測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光譜測量裝置，尤其是一種顯微角分辨光譜測量裝置。
背景技術：
傳統的光譜測量裝置一般是對樣品形成宏觀尺度的照明，然后對產生的透射或反射光進行檢測。因而只能提供樣品的大范圍的整體平均特性，很難了解和分辨在局部微小區域(微米或納米尺度)的樣品信息。在光子晶體、薄膜材料、LED等微納光學材料的研究領域中，人們通常利用光與材料相互作用后的透射或反射光譜來了解材料內部信息。由于微納光學材料一般具有各向異性的性質，不同方向的光譜信息各不相同，這時就需要使用具有角度分辨能力的光譜測量裝置進行光譜檢測，以得到不同角度對應的光譜信息。然而傳統的光譜測量裝置往往不具備角度光探測的能力。另一方面，微納光學材料的結構尺寸是在微米或納米量級，因此研究微納光學材料的光譜測量裝置還要求具有很高的空間分辨能力，能夠探測微米或納米尺度區域發出的光的光譜。針對這些問題，需要推出一種顯微角分辨光譜測量裝置。
發明內容
本發明的目的是提供一種顯微角分辨光譜測量裝置，它能夠測量微米或納米尺度區域發出的不同角度的光譜。
本發明的再一目的是提供上述顯微角分辨光譜測量方法。為了實現上述目的，本發明提供一種顯微角分辨光譜測量裝置，利用傅立葉變換器件，至少包括一個帶有照明系統的顯微鏡、一根光纖，一個精密平移針孔和一個光譜儀，被照射的樣品的反射光經顯微鏡的物鏡進入檢測光路，其中:
角分辨光譜測量由下述部件實現:將所述的顯微鏡的物鏡當作一種傅里葉變換器件，將樣品表面發出的不同角度的光成像到物鏡后端的第一焦平面的不同位置處，形成光的角度和焦平面上空間位置的對應關系，通過消色差的成像透鏡組將第一焦平面成像至遠離物鏡的第二焦平面處，在第二焦平面上加載一個精密平移針孔，光譜儀通過光纖連接至針孔處，通過移動針孔的位置，獲得不同角度的光譜信息；
顯微光譜測量通過以下部件實現:采用共焦照明系統對樣品進行照明以獲得顯微光譜；或者，在與通過物鏡、成像透鏡組成像形成的光學共軛面為顯微鏡的物鏡圖像平面二上利用圖像針孔進行空間濾波以獲得顯微光譜；或者，采用共焦照明系統和在圖像平面二上利用圖像針孔進行空間濾波獲得顯微光譜。
角分辨光譜的檢測原理是利用傅立葉變換器件，將樣品發出的不同角度的光分解到不同空間位置，再通過空間掃描部件，將樣品各角度發射光采集至光譜儀，從而得到各個不同角度的光譜信息。本發明將顯微鏡的物鏡當作一種傅里葉變換器件，它可以將樣品表面發出的不同角度的光成像到物鏡后端的第一焦平面的不同位置處，形成角度和焦平面上空間位置的對應關系。理論上，記錄第一焦平面上不同位置的光譜就能獲得樣品發出的角分辨光譜的信息。但由于第一焦平面緊貼物鏡，而且物鏡后端還需要引入照明光源等多種光路，一般不直接從第一焦平面上直接進行光譜測量，而是通過消色差的透鏡組將第一焦平面成像至遠離物鏡的第二焦平面處。同時，為了匹配成像光譜儀的輸入數值孔徑，這個透鏡組還需要將物鏡的數值孔徑修正至接近成像光譜儀的輸入數值孔徑。在第二焦平面上加載一個能精確控制位置的精密平移針孔，光譜儀通過光纖連接至針孔處，通過移動針孔的位置，就能獲得不同角度的光譜信息，達到測量角分辨光譜的目的。為了測量樣品上微米或納米尺度的微小區域的顯微角分辨光譜，在上述方案基礎上，所述的共焦照明系統包括一個激光光源，一個透鏡和一個光源針孔，所述的激光光源發出的光束經過透鏡匯聚至光源針孔，成為一個點光源，所述的光源針孔位于顯微鏡物鏡的圖像平面一上，該圖像平面一是樣品通過顯微鏡的物鏡成像形成的光學共軛面，包含了樣品的全部圖像信息，并和樣品具有點與點的對應關系，所述圖像平面一上的點光源發出的光經過設在 第一焦平面與成像透鏡組之間的分束器和顯微鏡的物鏡后，匯聚在樣品的對應點上，形成微米或納米尺度的照明光斑，通過調節光源針孔的大小和其在圖像平面一上的位置，實現對樣品表面不同位置處的不同大小的區域的照明，而此區域外的樣品由于未被照明，不會產生干擾光進入檢測光路，從而得到樣品上微小區域的光譜信息，其中，所述的照明光斑的直徑為:
d % i,22 PA,
其中2為激光波長，NA為顯微鏡物鏡的數值孔徑。例如用514納米的激光照射，采用100倍的物鏡(數值孔徑為0.9)時，光斑直徑為697納米。通過調節光源針孔的大小和其在圖像平面上的位置，可以實現對樣品表面不同位置處的不同大小的微小區域的照明，而此區域外的樣品由于未被照明，不會產生干擾光進入檢測光路，從而得到樣品顯微角分辨光譜。對光子晶體這樣的具有微米量級周期結構的材料進行光譜測量時，為了得到光子晶體的周期性質對光譜的影響，我們不能使用共焦照明方式只對樣品局部進行照明，而必須對樣品整體進行照明。這種情況下為了獲得樣品的顯微角分辨光譜，通過在所述的圖像平面二上采用精密平移的圖像針孔進行空間濾波以獲得樣品上微小區域的光譜信息。在顯微鏡的圖像平面上放置一個針孔進行空間濾波，同樣，利用了圖像平面與樣品面的點——點對應關系。由于顯微鏡具有對樣品放大成像的作用，例如通過50倍物鏡的顯微鏡，樣品在顯微鏡的圖像平面上所成的像是原樣品大小的50倍，即樣品面和圖像面的比例為1:50。假設圖像平面上的針孔大小為100微米，則其在樣品上對應區域的大小為2微米。由于圖像平面上針孔的空間濾波作用，樣品上只有這2微米的區域發出的光可以通過針孔，進入后續的檢測光路，從而得到樣品上微米或納米尺度區域的顯微角分辨光譜。在某些場合，為了得到更加精確的顯微角分辨光譜，所述的顯微角分辨光譜測量裝置中采用共焦照明系統和圖像平面上針孔進行空間濾波兩種方法相結合的方式，即采用共焦照明系統和在圖像平面二上利用圖像針孔進行空間濾波獲得顯微光譜，所述的圖像針孔與共焦照明系統中的光源針孔處于同一個共軛位置。采用共焦照明的方式對樣品進行照明，同時在顯微鏡的圖像平面上通過針孔進行空間濾波，并使光源針孔與圖像針孔處于同一個共軛位置。這樣就可以得到精確度更高的顯微角分辨光譜。本發明還提供了上述顯微角分辨光譜測量裝置的檢測方法。本發明的優越性在于:不但具有角度光探測的能力，能夠測量不同角度的光譜；同時它具有顯微探測的特性，能夠檢測樣品微米或納米尺度區域發出的角度光譜信息。可以應用于光子晶體、薄膜材料、LED等微納光學材料的顯微角分辨光譜檢測。
圖1是本發明提供的一種顯微角分辨光譜測量裝置的第一實施例的示意 圖2是本發明提供的一種顯微角分辨光譜測量裝置的第二實施例的示意圖； 圖3是本發明提供的一種顯微角 分辨光譜測量裝置的第三實施例的示意 圖中標記說明:
1-顯微鏡； 2-光纖；
3—精密平移針孔；
4——光譜儀；
5——共焦照明系統；
6——激光光源；7——透鏡； 8——光源針孔；
9——樣品；
10——物鏡；
11——第一焦平面；
12——分束器；
13——成像透鏡組；
14——第二焦平面；
15——圖像平面一；
16——圖像平面二；
17—圖像針孔。
具體實施例方式實施例1
本發明提供一種顯微角分辨光譜的測量裝置的第一實施例如圖1所示。一種顯微角分辨光譜測量裝置，利用傅立葉變換器件，包括一個帶有共焦照明系統5的顯微鏡1、一根光纖2，一個精密平移針孔3，和一個光譜儀4，被照射的樣品9的反射光經顯微鏡的物鏡10進入檢測光路，其中:所述的顯微鏡的物鏡10當作一種傅里葉變換器件，將樣品9表面發出的不同角度的光成像到顯微鏡的物鏡10后端的緊貼物鏡的第一焦平面11的不同位置處，形成角度和焦平面上空間位置的對應關系，通過消色差的成像透鏡組13將第一焦平面11成像至遠離物鏡的第二焦平面14處，在第二焦平面14上加載一個精密平移針孔3，光譜儀4通過光纖2連接至針孔處，通過移動針孔的位置，獲得不同角度的光譜信息。本實施例顯微角分辨光譜測量裝置的檢測方法為:其由激光光源6發出的光束經過透鏡7后，匯聚至一個光源針孔8處，形成一個點光源。光源針孔8位于顯微鏡物鏡的圖像平面一 15上。點光源發出的光經過分束器12和顯微鏡物鏡10后，匯聚于樣品9上，形成一個微米或納米尺度的照明光斑。此光斑在樣品上產生的不同角度的反射光通過顯微鏡物鏡10匯聚于物鏡第一焦平面11的不同位置。第一焦平面11通過一組成像透鏡組13，成像于遠離物鏡的第二焦平面14處。第二焦平面14上的不同位置對應于樣品9微小光斑處發出的不同角度的光。在第二焦平面14處加載一個精密平移針孔3。光譜儀4通過光纖2連接至精密平移針孔3。通過移動針孔3的位置，光譜儀4就可檢測到由樣品9上照明光斑處的微小區域發出的不同角度的光譜信息。樣品上其他區域由于沒有被照明，不會產生干擾光進入角分辨光路，從而實現了顯微角分辨光譜測量。調節光源針孔8的大小和在圖像平面15上的位置，可以實現對樣品上不同位置處的不同大小的微小區域的照明，從而測得樣品的顯微角分辨光譜。實施例2
本發明提供一種顯微角分辨光譜的測量裝置的第二實施例如圖2所示。與實施例1不同處是采用傳統的照明系統，對樣品宏觀均勻照明，所述的樣品9通過顯微鏡的物鏡10、成像透鏡組13成像形成的光學共軛面為顯微鏡的物鏡圖像平面二 16，在所述的圖像平面二16上采用精密平移針孔的圖 像針孔17進行空間濾波，其他與實施例1相同。其采用了圖像平面上的針孔進行空間濾波的方式得到顯微角分辨光譜。檢測方法是:在顯微鏡的圖像平面二 16處放置一個精密平移的圖像針孔17，其對應了樣品9某一微米或納米尺度的微小區域，只有這一微小區域發出的光可以通過針孔進入后續的光譜檢測光路；樣品其他區域發出的光都被濾除。此微小區域產生的不同角度的光通過顯微鏡物鏡10匯聚于物鏡第一焦平面11的不同位置；第一焦平面11通過一組成像透鏡組13，成像于遠離物鏡的第二焦平面14處；第二焦平面14上的不同位置對應于樣品微小區域發出的不同角度的光；在第二焦平面14處加載一個精密平移針孔3 ;光譜儀4通過光纖2連接至精密平移針孔3，通過移動針孔3的位置，光譜儀4就可檢測到由樣品微區發出的不同角度的光譜信息。調節圖像針孔17的大小和在物鏡的圖像平面二 16上的位置，可以得到樣品上不同位置處的不同大小的區域的顯微角分辨光譜。實施例3
本發明提供一種顯微角分辨光譜的測量裝置的第三實施例如圖3所示。所述的顯微鏡I的照明系統為共焦照明系統，由激光光源6發出的光束經過透鏡7后，匯聚至一個光源針孔8處，所述的光源針孔8位于顯微鏡物鏡的圖像平面一 15上，使光源針孔8與所述精密平移的圖像針孔17處于同一個共軛位置，其他與實施例1相同。本實施例對樣品9采用共焦照明的方式，同時在圖像平面二 16上的放置針孔進行空間濾波的方式得到更加精確的顯微角分辨光譜。檢測方法是:
由激光光源6發出的光束經過透鏡7后，匯聚至一個光源針孔8處，形成一個點光源，光源針孔8位于顯微鏡物鏡的圖像平面一 15上。點光源發出的光經過分束器12和顯微鏡物鏡10后，匯聚于樣品9上，形成一個微米或納米尺度的照明光斑；在顯微鏡的圖像平面二16處放置一個可精密平移的圖像針孔17，此針孔與光源針孔8位于圖像平面上的同一個共軛位置，故樣品上的微小照明光斑處的反射光可以通過圖像針孔17，進入后續的檢測光路，而樣品其他部位的光被圖像針孔17濾除，確保了顯微光譜的精確性。第一焦平面11通過一組成像透鏡組13，成像于遠離物鏡的第二焦平面14處；第二焦平面14上的不同位置對應于樣品9微小光斑處發出的不同角度的光；在第二焦平面14處加載一個精密平移針孔3 ;光譜儀4通過光纖2連接至精密平移針孔3 ;通過移動針孔3的位置，光譜儀4就可檢測至岫樣品9上的微小區域發出的不同角度的光譜信息。這樣通過對樣品的共焦照明和圖像平面針孔濾波的作用，得到了樣品更加精確的顯微角分辨光譜。本發明提供的三種實施例可根據 實際情況分別采用。
權利要求
1.一種顯微角分辨光譜測量裝置，利用傅立葉變換器件，至少包括一個帶有照明系統的顯微鏡(I)、一根光纖(2 )，一個精密平移針孔(3 )和一個光譜儀(4 )，其特征在于: 角分辨光譜測量由下述部件實現:將所述的顯微鏡的物鏡(10)當作一種傅里葉變換器件，將樣品(9)表面發出的不同角度的光成像到物鏡后端的第一焦平面(11)的不同位置處，形成光角度和焦平面上空間位置的對應關系，通過消色差的成像透鏡組(13)將第一焦平面(11)成像至遠離物鏡的第二焦平面(14)處，在第二焦平面(14)上加載一個精密平移針孔(3)，光譜儀(4)通過光纖(2)連接至針孔處，通過移動針孔的位置，獲得不同角度的光譜信息； 顯微光譜測量通過以下部件實現:采用共焦照明系統(5)對樣品(9)進行照明以獲得顯微光譜；或者，在與通過物鏡(10)、成像透鏡組(13)成像形成的光學共軛面為顯微鏡的物鏡圖像平面二( 16)上利用圖像針孔(17)進行空間濾波以獲得顯微光譜；或者，采用共焦照明系統(5)和在圖像平面二(16)上利用圖像針孔進行空間濾波獲得顯微光譜。
2.根據權利要求1所述的一種顯微角分辨光譜測量裝置，其特征在于:所述的共焦照明系統(5 )包括一個激光光源(6 )，一個透鏡(7 )和一個光源針孔(8 )，所述的激光光源(6 )發出的光束經過透鏡(7)匯聚至光源針孔(8)，成為一個點光源，所述的光源針孔(8)位于顯微鏡物鏡的圖像平面一(15)上，該圖像平面一(15)是樣品(9)通過顯微鏡的物鏡(10)成像形成的光學共軛面，包含了樣品(9)的全部圖像信息，并和樣品(9)具有點與點的對應關系，所述圖像平面一(15)上的點光源發出的光經過設在第一焦平面(11)與成像透鏡組(13)之間的分束器(12)和顯微鏡的物鏡(10)后，匯聚在樣品(9)的對應點上，形成微米或納米尺度的照明光斑，通過調節光源針孔(8)的大小和其在圖像平面一(15)上的位置，實現對樣品(9)表面不同位置處的不同大小的區域的照明，而此區域外的樣品由于未被照明，不會產生干擾光進入檢測光路，從而得到樣品上微小區域的光譜信息，其中，所述的照明光斑的直徑為: d % 1,22 !/NA, 其中i為激光波長，NA為顯微鏡物鏡的數值孔徑。
3.根據權利要求1所述的一種顯微角分辨光譜測量裝置，其特征在于:在所述的圖像平面二(16)上采用精密平移的圖像針孔(17)進行空間濾波以獲得樣品上微小區域的光譜信息。
4.根據權利要求1所述的一種顯微角分辨光譜測量裝置，其特征在于:采用共焦照明系統(5)和在圖像平面二(16)上利用圖像針孔(17)進行空間濾波獲得顯微光譜，所述的圖像針孔(17)與共焦照明系統(5)中的光源針孔(8)處于同一個共軛位置。
5.根據權利要求1和2所述的一種顯微角分辨光譜測量裝置的檢測方法，將樣品(9)至于樣品臺上，其特征在于: 采用共焦照明獲得照明光斑:由激光光源(6)發出的光束經過透鏡(7)后，匯聚至光源針孔(8)處，形成一個點光源，點光源發出的光經過分束器(12)和物鏡(10)后，匯聚于樣品(9)上，形成的照明光斑為一個微米或納米尺寸的微小光斑； 顯微角分辨光譜測量:上述的微小光斑在樣品(9)上產生不同角度的反射光通過顯微鏡物鏡(10)匯聚于第一焦平面(11)的不同位置， 第一焦平面(11)通過一組成像透鏡組(13)，成像于遠離物鏡(10)的第二焦平面(14)處，第二焦平面(14)上的不同位置對應于樣品(9)微小光斑處發出不同角度的光，通過移動精密平移針孔(3)的位置，光譜儀(4)檢測到由樣品(9)上微小光斑發出的不同角度的光譜信息，而樣品上其他區域由于沒有被照明，不會產生干擾光進入角分辨光路，實現顯微角分辨光譜測量； 通過調節光源針孔(8)的大小和在圖像平面一(15)上的位置，實現對樣品上不同位置處的不同大小的微小區域的照明，從而測得樣品的顯微角分辨光譜。
6.根據權利要求1和3所述的一種顯微角分辨光譜測量裝置的檢測方法，將樣品(9)至于樣品臺上，其特征在于: 某一特定微小區域的角分辨光譜測量:所述的顯微鏡(I)光源采用傳統照明系統，對樣品進行宏觀均勻照明，在顯微鏡的圖像平面二(16)處平移圖像針孔(17)，其對應了樣品(9)某一微米或納米尺度的微小區域，該微小區域發出的光通過圖像針孔(17)進入后續的光譜檢測光路，而樣品(9)其他區域發出的光被濾除，此微小區域產生的不同角度的光通過物鏡(10)匯聚于緊貼物鏡(10)的第一焦平面(11)的不同位置，第一焦平面(11)通過成像透鏡組(13)，成像于遠離物鏡(10)的第二焦平面(14)處，第二焦平面(14)上的不同位置對應于樣品(9)該微小區域發出的不同角度的光，通過移動精移平移針孔(3)的位置，光譜儀(4)檢測到由樣品(9)該微小區域發出的不同角度的光譜信息； 通過調節圖像針孔(17)的大小和在圖像平面二(16)上的位置，得到樣品(9)不同位置處的不同大小的微小區域的顯微角分辨光譜。
7.根據權利要求1和4所述的一種顯微角分辨光譜測量裝置的檢測方法，將樣品(9)至于樣品臺上，其特征在于:所述的顯微鏡(I)光源為共焦照明系統，對所述的樣品(9)進行共焦照明，在樣品(9)上獲得照明光斑，同時在所述的圖像平面二(16)上利用圖像針孔(17)進行空間濾波，其中， 某一特定微小區域的角分辨光譜測量:由激光光源(6)發出的光束經過透鏡(7)匯聚至光源針孔(8)處形成點光源，點光源發出的光經過分束器(12)和物鏡(10)后，匯聚于樣品(9)上，形成的照明光斑為一個微米或納米尺寸的微小光斑，在顯微鏡的圖像平面二(16)處放置一個圖像針孔(17)，此圖像針孔(17)與光源針孔(8)位于圖像平面上的同一個共軛位置，使樣品(9)上的微小光斑處的反射光通過圖像針孔(17)進入后續的檢測光路，而樣品其他部位的光被圖像針孔(17)濾除，此微小光斑產生的不同角度的光通過物鏡(10)匯聚于緊貼物鏡(10)的第一焦平面(11)的不同位置，第一焦平面(11)通過成像透鏡組(13)成像于遠離物鏡(10)的第二焦平面14處，第二焦平面14上的不同位置對應于樣品(9)微小光斑處發出的不同角度的光，通過平移精密平移針孔(3)的位置，光譜儀(4)檢測到由樣品(9)上的該微小光斑發出的不同角度的光譜信息，實現對樣品某一特定微小區域的角分辨光譜測量； 通過調節光源針孔(8)的大小和在圖像平面一(15)上的位置，以及調節圖像針孔(17)的大小和在圖像平面二(16)上的位置，保持圖像針孔(17)與光源針孔(8)位于圖像平面上的同一個共軛位置，得到樣品(9)不同位置處的不同大小的微小區域的顯微角分辨光譜。
全文摘要
本發明涉及一種顯微角分辨光譜測量裝置，利用傅立葉變換器件，至少包括一個帶有照明系統的顯微鏡、一根光纖，一個精密平移針孔和一個光譜儀，角分辨光譜測量由下述部件實現將所述的顯微鏡的物鏡當作一種傅里葉變換器件，形成光的角度和焦平面上空間位置的對應關系，光譜儀通過光纖連接至物鏡焦平面上的針孔處，通過移動針孔的位置，獲得不同角度的光譜信息；采用共焦照明系統對樣品進行照明，或者，在圖像平面上利用圖像針孔進行空間濾波，或者，采用共焦照明系統和在圖像平面上利用圖像針孔進行空間濾波，獲得樣品上微米或納米尺度區域的光譜信息。本發明可應用于微納光學領域如光子晶體、薄膜材料、LED等的顯微角分辨光譜檢測。
文檔編號G01J3/28GK103234633SQ20131011473
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月3日 優先權日2013年4月3日
發明者許春, 殷海瑋, 章煒毅 申請人:上海復享儀器設備有限公司