激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量方法及裝置制造方法

激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明屬于顯微成像及光譜測量【技術領域】，涉及一種激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量方法及裝置，可用于樣品的微區形態參數綜合測試與高分辨成像。該方法與裝置在光譜探測中融入差動共焦技術，利用差動共焦技術進行樣品位置探測，利用光譜探測系統進行光譜探測，利用傳統共焦拉曼光譜探測技術遺棄的布里淵散射光對材料的彈性和壓電等性質進行測試，從而實現樣品微區高空間分形態參數測量。本發明具有定位準確，高空間分辨，光譜探測靈敏度高和測量聚焦光斑尺寸可控等優點，在生物醫學、法庭取證、微納制造、材料工程、工程物理、精密計量、物理化學等領域有廣泛的應用前景。
【專利說明】激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于顯微光譜成像【技術領域】，將差動共焦顯微技術與光譜探測技術相結合，涉及一種“圖譜合一”的高分辨光譜成像與探測方法及裝置，特別涉及一種激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量方法及裝置，可用于樣品的微區形態參數綜合測試與高分辨成像。
技術背景
[0002]1990年G.J.Puppels等在Nature期刊報道其發明的將拉曼光譜探測技術與激光共焦顯微技術結合的激光共焦拉曼光譜顯微技術，是拉曼技術的一次革命性突破。該技術既繼承了共焦顯微術的高分辨層析成像特征，又可以對樣品進行光譜分析，因此可以實現對樣品微區光譜的高分辨層析探測。此顯著優點使激光共焦拉曼光譜顯微技術在光譜測試領域獨樹一幟，并且迅速發展為一種極其重要的樣品結構與成分分析的重要手段，使之廣泛應用于化學、生物學、醫學、物理學、地質學、法庭取證、刑偵學等學科的前沿基礎研究中。
[0003]目前，典型的激光共焦拉曼光譜探測儀的原理如圖2所示，激光沿光路依次聚光鏡聚焦、針孔、準直透鏡、偏振分光棱鏡、四分之一波片、物鏡后，聚焦在被測樣品上，激發出載有樣品光譜特性的拉曼散射光；移動被測樣品，使對應被測樣品不同區域的拉曼散射光再次通過四分之一波片并被偏振分光棱鏡反射，進入共焦拉曼光譜探測系統進行光譜探測。
[0004]現代科技的快速發展對微區光譜探測能力及空間分辨探測能力提出了更高的要求，若要提高空間分辨力，必須對系統進行精確定焦。在光學探測系統中，當測量聚焦光斑位于焦點時其尺寸最小，激發光強最強，因此為了獲得高空間分辨力，必須能夠捕獲到激發光強最強處的光譜，從而獲得其最佳空間分辨力和最優的光譜探測能力。如圖1所示，現有的共焦顯微技術在激光激發焦點O附近的BB'區域內，均能激發出樣品的拉曼光譜，并能被針孔后的光譜探測系統探測。因而共焦拉曼光譜顯微技術的實際探測位置往往處于共焦曲線(61)中離焦的BA和A' B'區，從而導致實際探測的“微區”遠大于測量光束焦點O處光斑尺寸，同時，應用拉曼光譜進行共焦定位信噪比較低，并且由于針孔的遮擋作用會進一步降低拉曼光譜的能量，而擴大針孔尺寸提高光譜通過率則會增加共焦軸向定位曲線的半高寬，降低其定位精度，而現有共焦拉曼系統中的共焦針孔尺寸通常在150 μ m?200 μ m之間，所用針孔尺寸相對較大，亦不能很好的起到定焦作用。上述原因限制了共焦拉曼光譜顯微系統探測微區光譜的能力，制約了其在更精細微區光譜測試與分析場合中的應用，因而提高系統的定焦精度是提高其空間分辨力的關鍵。
[0005]1996 年 Kimberley F 等人在《Description and Theory of a Fiber-OpticConfocal and Super-Focal Raman Microspectrometer))中提出用光纖束代替共焦拉曼光譜顯微鏡的針孔的方法，實現“針孔”尺寸的非機械調節，其在擴大“針孔”時，并不降低系統的光譜分辨力;2007 年 E Kenwood Blvd 等在《Very efficient fluorescent backgroundsuppression in confocal Raman microscopy Department of Physics))中提出通過使用3-4ps的皮秒激光器結合相應的瞬時曝光技術使樣品測量的熒光背景降低了約3個數量級，提高了共焦拉曼光譜顯微術的分辨力；2008年N.Everall等在《The Influenceof Out-of-Focus Sample Regions on the Surface Specificity of Confocal RamanMicroscopy))中指出采用大數值孔徑(NA=1.4)油浸物鏡，可獲得了比傳統共焦拉曼光譜儀更高的軸向分辨力和信噪比，但是這種方法需要對樣品進行制片，不能實現非接觸和無損測量，限制了系統的應用范圍；2009年M J.Pelletier和Neil J.Everall等在((Controlof Out-of-Focus Light Intensity in Confocal Raman microscopy using opticalpreprocessing))中提出利用校正物鏡或結構光瞳掩模消除了離焦位置拉曼散射的光譜強度的干擾，提高了光譜探測效率，大大降低了共焦拉曼系統離焦拉曼光譜對其有效深度分辨力的影響。
[0006]上述研究，主要集中在共焦拉曼光譜顯微系統涉及的光源系統、光譜探測系統、聚焦物鏡系統、光譜信息處理等方面，雖然改善了光譜系統的總體性能，但在共焦拉曼光譜系統空間分辨能力的方面卻沒顯著改善，提高拉曼光譜系統的空間分辨力仍是懸而未決的問題。
[0007]此外傳統共焦拉曼光譜探測技術遺棄了含有含有豐富樣品信息的瑞利散射光譜和布里淵散射光譜，使其在材料的彈性和壓電等性質測試方面受限，制約了機械形態性能參數的同時測量需求。
[0008]布里淵散射光譜是由光波與介質中的聲學聲子發生相互作用而產生的一種散射光譜，是由分子的彈性振動(外振動和轉動)而引起的散射，布里淵散射是以光為探針測量物質中聲子、自旋波等多種元激發的重要手段。布里淵散射由于可感測的物理量多，信號強度較大，且具有傳感靈敏度高、動態范圍大、傳感距離長、響應時間短、空間分辨率及測量精度高等優勢。
[0009]布里淵-拉曼光譜聯用技術在多能參數測量領域，根據拉曼光譜和布里淵光譜包含分子信息的不同，可同時獲得樣品表面結構參數及分子機械性能參數。可以為生物醫學、生物工程、光纖傳感技術、海洋監測、激光雷達、光通信等領域的研究提供了一條新的途徑。
[0010]現有共焦拉曼光譜探測儀器中，系統收集到的樣品散射光束中包含的拉曼散射光極其微弱，只有系統收集到的樣品散射光束中包含的瑞利光束的10_3?10_6倍，因此，在共焦拉曼光譜探測中如何利用現有光譜探測系統中遺棄的強于拉曼散射光IO3?IO6倍的瑞利光束進行輔助探測是改善共焦拉曼光譜探測技術空間分辨力的新途徑。
[0011]基于上述情況，本發明提出差動共焦探測系統利用現有共焦拉曼光譜探測系統收集到的樣品散射光中遺棄的強于樣品拉曼散射光IO3?IO6倍的瑞利光束進行高精度探測，利用布里淵散射光譜對材料的機械性能進行探測，使其與拉曼光譜探測系統有機融合，進行空間位置信息和光譜信息的同時探測，以期實現高空間分辨力、測量聚焦光斑尺寸可控的“圖譜合一”的差動共焦光譜成像與探測。

【發明內容】

[0012]本發明的目的是為了克服現有共焦拉曼光譜探測技術空間分辨力難以提高的不足，同時利用現有共焦拉曼探測系統遺棄的布里淵散射光對材料的機械性能進行探測，提出一種激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量方法及裝置。
[0013]本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
[0014]本發明提供的激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量方法，具體步驟如下:
[0015]a)通過激發光束產生系統產生激發光，經過第一分光系統、物鏡后，聚焦在被測樣品上，并激發出瑞利光和載有被測樣品光譜特性的拉曼散射光和布里淵散射光，瑞利光、布里淵散射光和拉曼散射光被系統收集回光路中，經過物鏡后被第一分光系統反射至二向色分光系統，經二向色分光系統分光后，拉曼散射光與其他光譜相互分離，瑞利光和布里淵散射光被反射進入第二分光系統，經第二分光系統透射的瑞利光和布里淵散射光進入差動共焦探測系統，經第二分光系統反射的瑞利光和布里淵散射光進入布里淵光譜探測系統，經二向色分光系統透射的拉曼散射光進入拉曼光譜探測系統，利用差動共焦曲線過零點與焦點位置精確對應這一特性，通過零點觸發來精確捕獲激發光斑焦點位置的光譜信息，實現高空間分辨的光譜探測；
[0016]b)只對接收瑞利光和布里淵散射光的第一探測器和第二探測器獲得的差動信號進行差動相減處理時，系統可以進行高空間分辨的三維尺度層析成像；只對接收拉曼散射光的第三探測器獲得的拉曼光譜信號進行處理時，系統可以進行拉曼光譜探測；只對接收瑞利光和布里淵射光的第四探測器獲得的布里淵光譜信號進行處理時，系統可以進行布里淵光譜探測；同時對接收瑞利光和布里淵散射光的第一探測器和第二探測器獲得的差動信號、接收接收瑞利光和布里淵散射光的第四探測器獲得的布里淵光譜信號、和接收拉曼散射光的三探測器獲得的拉曼光譜信號進行處理時，系統可以進行高空間分辨的微區圖譜層析成像，即被測樣品幾何位置信息和光譜信息的高空間分辨的“圖譜合一”，可對樣品進行三維形貌高分辨重構及微區形態性能參數測量；
[0017]c)差動共焦曲線的過零點處精確對應物鏡的焦點0，測量過程中可以實時對被測樣品進行精確跟蹤定焦，保證被測樣品在整個測量過程中始終處于焦點位置，抑制環境溫度和振動等因素對光譜測量的影響，從而提高測量精度；
[0018]d)差動共焦曲線的過零點處對應物鏡焦點0，此處聚焦光斑尺寸最小，探測的區域最小，線性區域BB’其他位置對應物鏡的離焦區域，在焦前或焦后BB’區域內的聚焦光斑尺寸隨離焦量增大而增大，利用此特點，通過調整樣品的z向離焦量，并根據實際測量精度需求來控制聚焦光斑的尺寸，實現對樣品探測區域大小可控。
[0019]本發明的探測方法中，激發光束可以是偏振光束:線偏光、圓偏光、徑向偏振光等；還可以是由光瞳濾波技術生成的結構光束，其與光瞳濾波技術聯用可以壓縮測量聚焦光斑尺寸，提高系統橫向分辨力，另外，還可以根據激發光束偏振狀態不同得到不同的拉曼光譜信息，從而得到更多的物質結構信息。
[0020]本發明的探測方法中，該系統還可以探測包括熒光、康普頓散射光等在內的散射光譜。
[0021]本發明提供了激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置，包括激發光束產生系統、第一分光系統、物鏡、三維掃描工作臺、二向色分光系統、拉曼光譜探測系統、第二分光系統、布里淵光譜探測系統、差動共焦探測系統及數據處理模塊；其中，第一分光系統、物鏡、三維掃描工作臺沿光路依次放置在激發光束產生系統出射方向，二向色分光系統位于第一分光系統的反射方向，拉曼光譜探測系統位于二向色分光系統的透射方向，第二分光系統位于二向色分光系統的反射方向，布里淵光譜探測信任位于第二分光系統的反射方向，差動共焦探測系統位于第二分光系統的透射方向，數據處理模塊與拉曼光譜探測系統、布里淵光譜探測系統以及差動共焦探測系統連接，用于融合并處理拉曼光譜探測系統、布里淵光譜探測系統和差動共焦探測系統采集到的數據。
[0022]本發明的裝置中，拉曼光譜探測系統和布里淵光譜探測系統可以是普通光譜探測系統，包括沿二向色分光系統透射光路依次放置的第四聚光鏡、位于第四聚光鏡焦點位置的拉曼光譜儀及位于拉曼光譜儀后的第三探測器，沿第二分光系統反射光路依次放置的第五聚光鏡、位于第五聚光鏡焦點位置的布里淵光譜儀及位于布里淵光譜儀后的第四探測器，用于被測樣品的表層光譜探測；還可以是共焦光譜探測系統，包括沿二向色分光裝置的透射光路依次放置的第四聚光鏡、位于第四聚光鏡焦點位置的第四針孔、位于第四針孔后的第六聚光鏡、位于第六聚光鏡之后的拉曼光譜儀，拉曼光譜儀的探測焦面與第四針孔相對于第六聚光鏡共軛，位于拉曼光譜儀后的第三探測器，以及沿第二分光系統反射光路依次放置的第五聚光鏡、位于第五聚光鏡焦點位置的第五針孔、位于第五針孔后的第七聚光鏡、位于第七聚光鏡之后的布里淵光譜儀，布里淵光譜儀的探測焦面與第五針孔相對于第七聚光鏡共軛，及位于布里淵光譜儀后的第四探測器，提高系統信噪比和空間分辨力，以及對被測樣品的層析光譜探測。
[0023]本發明的裝置中，激發光束產生系統還可以包括徑向偏振光發生器及光瞳濾波器，用于產生偏振光及結構光束。
[0024]本發明的裝置中，用于壓縮激發光斑的光瞳濾波器可以位于徑向偏振光發生器與第一分光系統之間，還可以位于第一分光系統與物鏡之間。
[0025]本發明的裝置中，布里淵光譜探測系統還可以放在第二分光系統的透射方向，差動共焦探測系統位于第二分光系統的反射方向。
[0026]本發明的裝置中，激發光束產生系統還可以放在第一分光系統的反射方向，二向色分光系統沿光路依次放在第一分光系統的透射方向，拉曼光譜探測系統位于二向色分光系統的透射方向，第二分光系統位于二向色分光系統的反射方向，布里淵光譜探測系統位于第二分光系統的反射方向，差動共焦探測系統位于第二分光系統的透射方向，數據處理模塊連接差動共焦探測系統、拉曼光譜探測系統與布里淵光譜探測系統。
[0027]本發明的裝置中，還可以包括第四分光系統及位于第四分光系統反射方向顯微觀察系統，用于被測樣品粗瞄；其中，第四分光系統可以位于激發光束產生系統與第一分光系統之間，還可以位于第一分光系統與物鏡之間。
[0028]本發明的裝置中，數據處理模塊包括差動相減模塊，用于處理位置信息；數據融合模塊，用于融合位置信息和光譜信息，完成樣品三維重構及光譜信息融合。
[0029]有益效果:
[0030]本發明對比已有技術具有以下創新點:
[0031]I)本發明通過合理設計能夠對蘊含不同信息的拉曼散射光譜和布里淵散射光譜同時進行探測，形成優勢互補，實現了對材料成分與基本物理性質的高分辨探測，便于多性能參數的綜合測試；
[0032]2)利用差動共焦系統軸向響應曲線的過零點與焦點位置精確對應這一特性，通過零點觸發來精確捕獲激發光斑焦點位置的光譜信息，實現高空間分辨的光譜探測；[0033]3)利用二向色分光裝置對系統收集到的瑞利光和載有被測樣品信息的拉曼散射光進行分光，瑞利光和布里淵散射光進入差動共焦探測系統和布里淵光譜探測系統，拉曼散射光進入拉曼光譜探測系統，實現光能的完全利用，使微弱的拉曼散射光能夠無損的進入拉曼光譜探測系統，提高系統光譜探測靈敏度，實現樣品幾何位置信息和光譜信息的高空間分辨“圖譜合一”；
[0034]4)利用差動共焦響應曲線線性區域對應不同聚焦光斑尺寸的特性，對聚焦光斑位置進行精確調控，進而控制測量聚焦光斑的尺寸，便于對不同測試需求的樣品進行測試與分析，即實現測量聚焦光斑尺寸可調；
[0035]5)將差動共焦顯微系統與光譜成像系統在結構和功能上相融合，既可實現樣品微區幾何參數的層析成像，又可實現樣品微區的光譜探測，即同時實現微尺度層析成像、圖譜層析成像和光譜測試等多種成像模式，并顯著改善成像測試系統的抗干擾能力、線性和離焦特性；
[0036]本發明對比已有技術具有以下顯著優點:
[0037]I)融合差動共焦技術和光譜探測技術，利用差動共焦系統對焦點的精確定位，大幅提高光譜探測的空間分辨力；
[0038]2)利用差動共焦響應曲線的離焦區域，調控聚焦光斑尺寸，可滿足不同測試需求，使系統具有通用性；
[0039]3)差動共焦焦點觸發探測技術，可顯著抑制系統的非線性、樣品反射率和表面傾斜等對測量結果的影響，以利于實現微細結構高分辨力、高抗干擾能力、高精度和高層析能力的測量等；
[0040]4)可以通過對差動共焦探測系統和布里淵光譜探測系統之前的分光系統選擇合適的透反比，以最大化利用光強。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1為差動共焦與共焦顯微軸向響應示意圖；
[0042]圖2為共焦拉曼光譜成像方法示意圖；
[0043]圖3為激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量方法示意圖；
[0044]圖4為激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置示意圖；
[0045]圖5為具有共焦光譜探測功能的激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置示意圖；
[0046]圖6為布里淵光譜透射式探測的激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置示意圖；
[0047]圖7為激發光源反射式激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置示意圖；
[0048]圖8為具有顯微功能的激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置示意圖；
[0049]圖9為具有顯微功能的激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量實施例圖；
[0050]其中，1-激發光束產生系統，2-第一分光系統，3-物鏡，4-被測樣品，5-三維掃描系統，6-二向色分光系統，7-拉曼光譜探測系統，8-第二分光系統，9-布里淵光譜探測系統，10-差動共焦探測系統，11-數據處理模塊，12-差動共焦響應曲線，13-拉曼光譜響應曲線，14-布里淵光譜響應曲線，15-第三分光系統、16-第一聚光鏡，17-第一針孔，18-第一探測器，19-第二聚光鏡、20-第二針孔，21-第二探測器，22-激光器，23-第三聚光鏡、24-第三針孔，25-第一準直透鏡,26-徑向偏振光發生器,27-光瞳濾波器,28-第四聚光鏡、29-拉曼光譜儀，30-第三探測器，31-第五聚光鏡、32-布里淵光譜儀，33-第四探測器、34-差動相減模塊，35-數據融合模塊,36-第四針孔,37-第六聚光鏡,38-第五針孔,39-第七聚光鏡、40-第四分光系統,41-顯微觀察系統,42-第五分光系統，43-柯勒照明系統,44-第八聚光鏡、45-第五探測器，46-入射狹縫，47-平面反射鏡，48-第一凹面反射聚光鏡，49-光譜光柵，50-第二凹面反射聚光鏡，51-出射狹縫，52-第六針孔、53-第二準直透鏡，54-第一偶角棱鏡、55-第二偶角棱鏡，56-第一多通F-P、57-第二多通F-P，58-第九聚光鏡，59-第七針孔，60-四分之一波片，61-共焦響應曲線。
【具體實施方式】
[0051]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0052]本發明的基本思想是利用差動共焦探測和共焦拉曼探測相結合實現“圖譜合一”的光譜探測，并且利用傳統共焦拉曼光譜探測系統中遺棄的布里淵散射光對材料的性能進行探測，實現樣品為形態參數綜合測量和高空間分辨成像。
[0053]激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量方法，其測試步驟如下:
[0054]首先,柯勒照明系統43產生均勻白光，白光透過第五分光系統42后,被第四分光系統40反射，經過物鏡3聚焦在被測樣品4上，白光被反射回原光路，經物鏡4后被第四分光系統40、第五分光系統42分別反射后，經過第八聚光鏡44后進入第五探測器45，通過觀察第五探測器45中的圖像對測樣品4進行粗瞄，以確定樣品需要觀測的區域對樣品進行粗定位。
[0055]然后，激光器22發出的光束經第三聚光鏡23會聚后進入第三針孔24成為點光源，經過第一準直透鏡25準直擴束后，光束平行出射，經過徑向偏振光發生器26后成為徑向偏振光，徑向偏振光經光瞳濾波器27后光束被調制,透過第一分光系統2后,通過物鏡3形成壓縮光斑聚焦在被測樣品4上，并激發出瑞利光和載有被測樣品4光譜特性的拉曼散射光和布里淵散射光，被測樣品4可通過增強拉曼光譜納米粒子等拉曼增強技術進行處理，以提高拉曼散射光的強度。
[0056]移動被測樣品4，使瑞利光及對應被測樣品4不同區域的拉曼散射光和布里淵散射光被系統收集回原光路，經過物鏡3并透射過第四分光系統40后，第一分光系統2反射到達二向色分光系統6，其中，拉曼散射光透過二向色分光系統6進入拉曼光譜探測系統7，拉曼散射光被第四聚光鏡28會聚后進入拉曼光譜儀29，通過監測位于拉曼光譜儀29之后的第三探測器30的響應值可得到被測樣品4的拉曼光譜；瑞利光和布里淵散射光被二向色分光系統6反射進入第二分光系統8,經第二分光系統8反射的瑞利光和布里淵散射光進入布里淵光譜探測系統9，瑞利光和布里淵散射光被第五聚光鏡31匯聚后進入布里淵光譜儀32，通過監測布里淵光譜儀32之后的第四探測器33的響應值可得到被測樣品4的布里淵光譜；經第二分光系統8透射的瑞利光和布里淵散射光進入差動共焦探測系統10，經第三分光系統15被分為兩束,經第三分光系統15反射的瑞利光被第一聚光鏡16聚焦,進入距第一聚光鏡16焦點前距離為M位置的第一針孔17后被第一探測器18接收；經第三分光系統15透射的瑞利光被第二聚光鏡19聚焦，進入距第二聚光鏡19焦點后距離為M的第二針孔20，繼而被第二針孔20后的第二探測器21接收，M為針孔軸向偏移量。
[0057]測量過程中，對被測樣品4進行軸向和橫向掃描時，差動共焦探測系統10中第一探測器18和第二探測器21，分別測得反應被測樣品4凹凸變化的強度響應為I1 ( V，u，+uM)和I2 ( V，U，-Um),將所得強度響應I1 ( V，U，+Um)和I2 ( V，U，-Um)傳送到差動相減模塊34進行差動相減處理，獲得差動共焦強度響應I ( V，U，UM):
[0058]I ( V , U, uM) =I1 ( V , U, +uM)-12( V , u, -uM) (I)
[0059]從而實現被測樣品4幾何位置的顯微層析成像，式(I)中，V為橫向歸一化光學坐標，u為軸向歸一化光學坐標，uM，為針孔歸一化偏移量，I1為焦后前度響應，I2為焦前強度響應；
[0060]共焦拉曼光譜探測系統7中第三探測器30探測到的載有被測樣品4光譜信息的拉曼散射光光譜信號為I (λ J，其中λ ^為被測樣品4受激發光激發所發出的拉曼散射光的波長。。
[0061]共焦布里淵光譜探測系統9中第四探測器33探測到的載有被測樣品4光譜信息的布里淵散射光譜信號為I (λ Β)，其中λ Β為被測樣品4受激發光激發所發出的布里淵散射光的波長。。
[0062]將I ( λ J、I ( λ Β)、I ( V，u，uM)傳送到數據融合模塊35進行數據處理，獲得包含被測樣品4位置信息I ( V，U，Um)和光譜信息IOr, λ B)的測量信息I ( V，U，λ r, λ B)。
[0063]對被測樣品4沿X、y向掃描，物鏡3沿z向掃描，重復上述步驟，測得對應物鏡焦點位置附近的一組i個包 含位置信息I ( V，U，Um)和光譜信息I ( λ M λ B)的序列測量信息UiUr, λ B), Ii(V1U)I ；
[0064]利用可分辨區域δ i對應的位置信息Ii ( V，u，uM)，找出對應δ i區域的光譜信息I^Ar, λΒ)值，再依據V與橫向位置坐標(X，y)的關系以及u與軸向位置坐標z的關系，重構反映被測物微區\三維尺度和光譜特性的信息Ii CxilYilZi, Ari, λΒ?)；
[0065]對應最小可分辨區域δ min的三維尺度和光譜特性可由式(2)確定:
[0066]= (2)
[0067]這樣即可實現納米級微區激光差動共焦圖譜顯微成像。
[0068]同時，可以利用差動共焦軸向響應曲線BB'段的不同測量值{zj，確定對應不同測量值位置的光譜特性J5i (;為1即可實現激發焦點附近可控微區的光譜特性測試。
[0069]本發明的探測方法中，激發光束可以是偏振光束:線偏光、圓偏光、徑向偏振光等；還可以是由光瞳濾波技術生成的結構光束，其與光瞳濾波技術聯用可以壓縮測量聚焦光斑尺寸，提高系統橫向分辨力，另外，還可以根據激發光束偏振狀態不同得到不同的拉曼光譜信息，從而得到更多的物質結構信息。
[0070]本發明的探測方法中，該系統還可以探測包括熒光、康普頓散射光等在內的散射光譜
[0071]激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置包括沿光路依次放置的激發光束產生系統1、位于激發光束產生系統I出射方向的第一分光系統2、物鏡3、被測樣品4、三維掃描系統5及位于第一分光系統2反射方向的二向色分光系統6、位于二向色分光系統6透射方向的拉曼光譜探測系統7、位于二向色分光系統6反射方向的第二分光系統8，位于第二分光系統8反射方向的布里淵光譜探測系統9位于第二分光系統8透射方向的差動共焦探測系統10、以及與差動共焦探測系統10、拉曼光譜探測系統7和布里淵光譜探測系統9相連接的數據處理模塊11 ;其中，激發光束產生系統I用于產生激發光束，包括沿光路依次放置激光器22、第三聚光鏡23、位于第三聚光鏡23焦點位置的第三針孔24、第一準直透鏡25、徑向偏振光發生器26及光瞳濾波器27 ;拉曼光譜探測系統包括沿光路依次放置的第四聚光鏡28、位于第四聚光鏡28焦點位置的拉曼光譜儀29，及位于拉曼光譜儀后的第三探測器30，其中，拉曼光譜儀29包括沿光路依次放置的入射狹縫46、平面反射鏡47、第一凹面反射聚光鏡48、光譜光柵49、第二凹面反射聚光鏡50和出射狹縫51 ;布里淵光譜探測裝置9包括沿光路依次放置的第五聚光鏡31、位于第五聚光鏡31焦點的布里淵光譜儀32，以及位于布里淵光譜儀之后的第四探測器33 ;差動共焦探測系統包括第三分光系統15、位于第四分光系統15透射方向的第二聚光鏡19、第二針孔20、第二探測器21、位于第三分光系統15透射方向的第一聚光鏡16、第一針孔17、第一探測器18,其中，第二針孔20位于第二聚光鏡19焦后距離M處，第一針孔17位于第一聚光鏡16焦前距離M處；數據處理模塊11包括差動相減模塊34及數據融合模塊35，用于融合處理采集到的數據。
[0072]本發明的裝置中，拉曼光譜探測系統7和布里淵光譜探測系統9可以是普通光譜探測系統，包括沿二向色分光系統6透射光路依次放置的第四聚光鏡28、位于第四聚光鏡28焦點位置的拉曼光譜儀29及位于拉曼光譜儀29后的第三探測器30，沿第二分光系統8反射光路依次放置的第五聚光鏡31、位于第五聚光鏡31焦點位置的布里淵光譜儀32及位于布里淵光譜儀32后的第四探測器33，用于被測樣品的表層光譜探測；還可以是共焦光譜探測系統，包括沿二向色分光系統6透射光路依次放置的第四聚光鏡28、位于第四聚光鏡28焦點位置的第四針孔36、位于第四針孔36后的第六聚光鏡37、位于第六聚光鏡37之后的拉曼光譜儀29，拉曼光譜儀的探測焦面與第四針孔36相對于第六聚光鏡37共軛，位于拉曼光譜儀29后的第三探測器30，以及第二分光系統8反射光路依次放置的第五聚光鏡31、位于第五聚光鏡31焦點位置的第五針孔38、位于第五針孔38后的第七聚光鏡39、位于第七聚光鏡39之后的布里淵光譜儀32，布里淵光譜儀的探測焦面與第五針孔38相對于第七聚光鏡39共軛，及位于布里淵光譜儀32后的第四探測器33，以提高系統信噪比和空間分辨力，以及對被測樣品的層析光譜探測。
[0073]本發明的裝置中，激發光束產生系統I還可以包括徑向偏振光發生器26及光瞳濾波器27,用于產生偏振光及結構光束。
[0074]本發明的裝置中，用于壓縮激發光斑的光瞳濾波器27可以位于光瞳濾波器26與第一分光系統2之間,還可以位于第一分光系統2與物鏡3之間。
[0075]本發明的裝置中，布里淵光譜探測系統9還可以放在第二分光系統8的透射方向，差動共焦探測系統10位于第二分光系統8的反射方向。
[0076]本發明的裝置中，激發光束產生系統I還可以放在第一分光系統2的反射方向，二向色分光系統6沿光路依次放在第一分光系統2的透射方向，拉曼光譜探測系統7位于二向色分光系統6的透射方向,第二分光系統8位于二向色分光系統6的反射方向,布里淵光譜探測系統9位于第二分光系統8的反射方向，差動共焦探測系統10位于第二系統8的透射方向，數據處理模塊11連接差動共焦探測系統10、拉曼光譜探測系統7與布里淵光譜探測系統9。[0077]本發明的裝置中，還可以包括第四分光系統40及位于第四分光系統40反射方向的顯微觀察系統41，用于被測樣品粗瞄；其中，第四分光系統40可以位于激發光束產生系統I與第一分光系統2之間,還可以位于第一分光系統2與物鏡3之間。
[0078]本發明的裝置中，數據處理模塊11包括差動相減模塊34，用于處理位置信息；數據融合模塊35,用于融合位置信息和光譜信息,完成樣品三維重構及光譜信息融合。
[0079]實施例
[0080]本實施例中，第一分光系統2為偏振分光棱鏡,三維掃描系統5為三維掃描工作臺，二向色分光系統6為Notch Filter,第二分光系統8為分光鏡,第三分光系統15和第四分光系統40為保偏分光棱鏡，布里淵光譜儀32為法布里-珀羅干涉儀(F-P干涉儀)，第五分光系統42為寬帶分光棱鏡,第五探測器45為CCD。
[0081]如圖9所示，激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量方法，其測試步驟如下:
[0082]首先，柯勒照明系統43產生均勻白光，白光透過寬帶分光棱鏡42后,被保偏分光棱鏡40反射，經過物鏡3聚焦在被測樣品4上，白光被反射回原光路，經物鏡4后被保偏分光棱鏡40、寬帶分光棱鏡42分別反射后，經過第八聚光鏡44后進入(XD45，通過觀察(XD45中的圖像對測樣品4進行粗瞄，以確定樣品需要觀測的區域對樣品進行粗定位。
[0083]然后，激光器22發出的光束經第三聚光鏡23會聚后進入第三針孔24成為點光源，經過第一準直透鏡25準直擴束后，光束平行出射，經過徑向偏振光發生器(26)后成為徑向偏振光，徑向偏振光經光瞳濾波器27后光束被調制,透過偏振分光棱鏡2后,通過物鏡3形成壓縮光斑聚焦在被測樣品4上，并激發出瑞利光和載有被測樣品4光譜特性的拉曼散射光和布里淵散射光，被測樣品4可通過增強拉曼光譜納米粒子等拉曼增強技術進行處理，以提高拉曼散射光的強度。
[0084]移動被測樣品4，使瑞利光及對應被測樣品4不同區域的拉曼散射光和布里淵散射光被系統收集回原光路，經過物鏡3并透射過保偏分光棱鏡40后，第一分光系統2反射到達Notch filter6,其中，拉曼散射光透過Notch filter6進入拉曼光譜探測系統7,拉曼光譜探測系統7為共焦拉曼光譜探測系統，拉曼散射光被第四聚光鏡28會聚到第四針孔36，經過第六聚光鏡37會聚進入拉曼光譜儀29，拉曼散射光經入射狹縫46，平面反射鏡47和第一凹面反射聚光鏡48反射后到達光譜光柵49，光束經過光譜光柵49衍射后，被第二凹面反射聚光鏡50反射聚焦到出射狹縫51上，最后入射到第三探測器30。由于光柵的衍射作用，拉曼光譜中不同波長的光相互分離，從出射狹縫51出來的光線為單色光，當光譜光柵49轉動時，從出射狹縫51出射的光波長不同，通過監第三測探測器30的響應值和光柵旋轉的角度即可得到被測樣品4的拉曼光譜，通過監測位于拉曼光譜儀29之后的第三探測器30的響應值可得到被測樣品4的拉曼光譜；瑞利光和布里淵散射光被Notch filter6反射進入分光鏡8，經第分光鏡8反射的瑞利光和布里淵散射光進入布里淵光譜探測系統9，布里淵探測系統9為共焦布里淵探測系統，瑞利光和布里淵散射光被第五聚光鏡31會聚到第五針孔38，經第七聚光鏡39匯聚進入F-P干涉儀32，通過監測位于F-P干涉儀32之后的第四探測器33的響應值可得到被測樣品4的布里淵光譜；經第分光鏡8透射的瑞利光和布里淵散射光進入差動共焦探測系統10，經保偏分光棱鏡15被分為兩束，經保偏分光棱鏡15反射的瑞利光被第一聚光鏡16聚焦,進入距第一聚光鏡16焦點前距離為M位置的第一針孔17后被第一探測器18接收；保偏分光棱鏡15透射的瑞利光被第二聚光鏡19聚焦，進入距第二聚光鏡19焦點后距離為M的第二針孔20，繼而被第二針孔20后的第二探測器21接收。
[0085]測量過程中，對被測樣品4進行軸向和橫向掃描時，差動共焦探測系統10中兩個第一探測器18和第二探測器21，分別測得反映被測樣品4凹凸變化的強度響應為
I1( V，U，+Um)和 I2 ( V，U，-Um),將所得強度響應 I1 ( V，U，+Um)和 I2 ( V，U，-Um)傳送到差動相減模塊34進行差動相減處理，獲得差動共焦強度響應I ( V，u，uM):
[0086]I ( V , u, uM) =I1 ( V , u, +uM)-12( V , u, -uM) (I)
[0087]從而實現被測樣品4幾何位置的顯微層析成像，式(I)中，V為橫向歸一化光學坐標，u為軸向歸一化光學坐標，uM，為針孔歸一化偏移量，I1為焦后前度響應，I2為焦前強度響應；
[0088]共焦拉曼光譜探測系統7中第三探測器30探測到的載有被測樣品4拉曼光譜信息的拉曼散射光光譜信號為I (λ J，其中λ Β為被測樣品4受激發光激發所發出的拉曼散射光的波長。
[0089]共焦布里淵光譜探測系統9中第四探測器33探測到的載有被測樣品4布里淵光譜信息的布里淵散射光譜信號為I (λ Β)，其中λ Β為被測樣品4受激發光激發所發出的布里淵散射光的波長。
[0090]將I ( λ r)、I ( λ Β)、I ( V，U，Um)傳送到數據融合模塊35進行數據處理，獲得包含被測樣品4位置信息I ( V，U，Um)和光譜信息IOr, λ B)的測量信息I ( V，U，λ r, λ B)。
[0091]對被測樣品4沿X、y向掃描，物鏡3沿z向掃描，重復上述步驟，測得對應物鏡焦點位置附近的一組i個包含位置信息I ( V，U，Um)和光譜信息I ( λ M λ B)的序列測量信息
Ii (xi> Yi> zi> 入 ri，入 Bi);
[0092]利用可分辨區域δ i對應的位置信息Ii ( V，u，uM)，找出對應δ i區域的光譜信息I^Ar, λΒ)值，再依據V與橫向位置坐標(X，y)的關系以及u與軸向位置坐標z的關系，重構反映被測物微區\三維尺度和光譜特性的信息I(v，u，Ar, λΒ)；
[0093]對應最小可分辨區域δ min的三維尺度和光譜特性可由式(2)確定:
[0094]
【權利要求】
1.激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量方法，其特征在于: a)通過激發光束產生系統(I)產生激發光，經過第一分光系統(2)、物鏡(3)后，聚焦在被測樣品(4)上，并激發出瑞利光和載有被測樣品(4)光譜特性的拉曼散射光和布里淵散射光，瑞利光、布里淵散射光和拉曼散射光被系統收集回光路中，經過物鏡(3 )后被第一分光系統(2)反射至二向色分光系統(6),經二向色分光系統(6)分光后,拉曼散射光與其他光譜相互分離，瑞利光和布里淵散射光被反射進入第二分光系統(8),經第二分光系統(8)透射的瑞利光和布里淵散射光進入差動共焦探測系統(10)，經第二分光系統(8)反射的瑞利光和布里淵散射光進入布里淵光譜探測系統(9)，經二向色分光系統(6)透射的拉曼散射光進入拉曼光譜探測系統(7)，利用差動共焦曲線(12)過零點與焦點位置精確對應這一特性，通過零點觸發來精確捕獲激發光斑焦點位置的光譜信息，實現高空間分辨的光譜探測； b)只對接收瑞利光和布里淵散射光的第一探測器(18)、第二探測器(21)獲得的差動信號進行差動相減處理時，系統可以進行高空間分辨的三維尺度層析成像；只對接收拉曼散射光的第三探測器(30)獲得的拉曼光譜信號進行處理時，系統可以進行拉曼光譜探測；只對接收瑞利光和布里淵射光的第四探測器(33)獲得的布里淵光譜信號進行處理時，系統可以進行布里淵光譜探測；同時對接收瑞利光和布里淵散射光的第一探測器(18)、第二探測器(21)獲得的差動信號、接收接收瑞利光和布里淵散射光的第四探測器(33)獲得的布里淵光譜信號、和接收拉曼散射光的第三探測器(30)獲得的拉曼光譜信號進行處理時，系統可以進行高空間分辨的微區圖譜層析成像，即被測樣品幾何位置信息和光譜信息的高空間分辨的“圖譜合一”，可對樣品進行三維形貌高分辨重構及微區形態性能參數測量； c)差動共焦曲線(12)過零點處精確對應物鏡(3)的焦點O，測量過程中可以實時對被測樣品(4)進行精確跟蹤定焦，保證被測樣品(4)在整個測量過程中始終處于焦點位置，抑制環境溫度和振動等因素對光譜測量的影響，從而提高測量精度； d)差動共焦曲線(12)過零點處對應測量物鏡(3)焦點O，此處聚焦光斑尺寸最小，探測的區域最小，線性區域BB’其他位置對應物鏡(3)的離焦區域，在焦前或焦后BB’區域內的聚焦光斑尺寸隨離焦量增大而增大，利用此特點，通過調整樣品的z向離焦量，并根據實際測量精度需求來控制聚焦光斑的尺寸，實現對樣品探測區域大小可控。
2.根據權利I所述的激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量方法，其特征在于:激發光束可以是偏振光束:線偏光、圓偏光、徑向偏振光等；還可以是由光瞳濾波技術生成的結構光束，其與光瞳濾波技術聯用可以壓縮測量聚焦光斑尺寸，提高系統橫向分辨力，另外，還可以根據激發光束偏振狀態不同得到不同的拉曼光譜信息，從而得到更多的物質結構信息。
3.根據權利I所述的激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量方法，其特征在于:該系統還可以探測包括熒光、康普頓散射光等在內散射光譜。
4.激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置，其特征在于:包括激發光束產生系統(I)、第一分光系統(2)、物鏡(3)、三維掃描系統(5 )、二向色分光系統(6 )、拉曼光譜探測系統(7)、第二分光系統(8)、布里淵光譜探測系統(9)、差動共焦探測系統(10)及數據處理模塊(11);其中，第一分光系統(2)、物鏡(3)、三維掃描系統(5)沿光路依次放置在激發光束產生系統(I)出射方向，二向色分光系統(6)位于第一分光系統(2)的反射方向，拉曼光譜探測系統(7)位于二向色分光系統(6)的透射方向，第二分光系統(8)位于二向色分光系統(6)的反射方向,布里淵光譜探測系統(9)位于第二分光系統(8)的反射方向，差動共焦探測系統(10)位于第二分光系統(8)的透射方向，數據處理模塊(11)與拉曼光譜探測系統(7)、布里淵光譜探測系統(9)以及差動共焦探測系統(10)連接，用于融合并處理拉曼光譜探測系統(7)、布里淵光譜探測系統(9)和差動共焦探測系統(10)采集到的數據。
5.根據權利4所述的激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置，其特征在于:拉曼光譜探測系統(7)和布里淵光譜探測系統(9)可以是普通光譜探測系統，包括沿二向色分光系統(6)透射光路依次放置的第四聚光鏡(28)、位于第四聚光鏡(28)焦點位置的拉曼光譜儀(29)及位于拉曼光譜儀(29 )后的第三探測器(30 )，沿第二分光系統(8 )反射光路依次放置的第五聚光鏡(31)、位于第五聚光鏡(31)焦點位置的布里淵光譜儀(32)及位于布里淵光譜儀(32)后的第四探測器(33)，用于被測樣品的表層光譜探測；還可以是共焦光譜探測系統，包括沿二向色分光系統(6)透射光路依次放置的第四聚光鏡(28)、位于第四聚光鏡(28)焦點位置的第四針孔(36)、位于第四針孔(36)后的第六聚光鏡(37)、位于第六聚光鏡(37)之后的拉曼光譜儀(29)，拉曼光譜 儀(29)的探測焦面與第四針孔(36)相對于第六聚光鏡(37)共軛，位于拉曼光譜儀(29 )后的第三探測器(30 )，以及第二分光系統(8 )反射光路依次放置的第五聚光鏡(31)、位于第五聚光鏡(31)焦點位置的第五針孔(38)、位于第五針孔(38)后的第七聚光鏡(39)、位于第七聚光鏡(39)之后的布里淵光譜儀(32)，布里淵光譜儀(32)的探測焦面與第五針孔(38)相對于第七聚光鏡(39)共軛，及位于布里淵光譜儀(32)后的第四探測器(33)，提高系統信噪比和空間分辨力，以及對被測樣品的層析光譜探測。
6.根據權利4所述的激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置，其特征在于:激發光束產生系統(I)還可以包括徑向偏振光發生器(26)及光瞳濾波器(27)，用于產生偏振光及結構光束。
7.根據權利4所述的激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置，其特征在于:用于壓縮激發光斑的光瞳濾波器(27 )可以位于偏振調制器(26 )與第一分光系統(2 )之間，還可以位于第一分光系統(2)與物鏡(3)之間。
8.根據權利4所述的激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置，其特征在于:布里淵光譜探測系統(9)還可以放在第二分光系統(8)的透射方向，差動共焦探測系統(10)位于第二分光系統(8)的反射方向。
9.根據權利4所述的激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置，其特征在于:激發光束產生系統(I)還可以放在第一分光系統(2)的反射方向，二向色分光系統(6)沿光路依次放在第一分光系統(2)的透射方向，拉曼光譜探測系統(7)位于二向色分光系統(6)的透射方向，第二分光系統(8)位于二向色分光系統(6)的反射方向，布里淵光譜探測系統(9)位于第二分光系統(8)的反射方向，差動共焦探測系統(10)位于第二分光系統(8)的透射方向，數據處理模塊(11)連接差動共焦探測系統(10)、拉曼光譜探測系統(7)與布里淵光譜探測系統(9)。
10.根據權利4所述的激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量裝置，其特征在于:還可以包括第四分光系統(40)及位于第四分光系統(40)反射方向的顯微觀察系統(41),用于被測樣品粗貓；其中，第四分光系統(40)可以位于激發光束產生系統(I)與第一分光系統(2)之間，還可以位于第一分光系統(2)與物鏡(3)之間。
【文檔編號】G01N21/65GK103926233SQ201410086354
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年3月10日 優先權日:2014年3月10日
【發明者】趙維謙, 盛忠, 邱麗榮, 王允 申請人:北京理工大學