激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于顯微光譜成像【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種“圖譜合一”的激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量方法與裝置。本發(fā)明將雙軸共焦顯微和光譜探測(cè)技術(shù)有機(jī)融合，利用瑞利光進(jìn)行輔助探測(cè)，并結(jié)合拉曼光譜探測(cè)和布里淵光譜探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)高空間分辨圖譜合一的探測(cè)，具有高空間分辨力。本發(fā)明具有三維層析幾何成像、光譜探測(cè)和微區(qū)圖譜層析成像三種模式，通過探測(cè)共焦拉曼光譜探測(cè)中遺棄的布里淵散射光來獲得物質(zhì)基本性質(zhì)及多種交叉效應(yīng)，同時(shí)利用共焦拉曼光譜探測(cè)技術(shù)和共焦布里淵光譜探測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量樣品的微區(qū)形貌、狀態(tài)、材質(zhì)、屬性等多個(gè)參數(shù)的獲取，在生物醫(yī)學(xué)、高能制造、材料化學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量方法與裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于顯微光譜成像【技術(shù)領(lǐng)域】，將雙軸共焦顯微技術(shù)與光譜探測(cè)技術(shù)相結(jié)合，涉及一種“圖譜合一”的激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量方法與裝置，可用于樣品的微區(qū)機(jī)械形態(tài)性能多參數(shù)綜合測(cè)試與高分辨成像。
技術(shù)背景
[0002]當(dāng)光通過介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)粒子受光波的作用，從一個(gè)量子態(tài)躍遷到另一個(gè)量子態(tài)，并同時(shí)輻射出散射波，不同的能級(jí)躍遷方式分別產(chǎn)生了瑞利散射、反斯托克斯散射和斯托克斯散射，根據(jù)與入射光波長(zhǎng)改變量程度將光散射分為:瑞利散射(Rayleigh)、拉曼散射(Raman)及布里淵散射(Brillouin)。
[0003]瑞利散射中光與聲頻支聲子交換能量較小，能量變化小于KT5CnT1,布里淵散射中光與聲頻支聲子交換能量較小，布里淵散射頻移0.01?2CHT1，能量變化在KT5CnT1?lcnT1。拉曼散射中光與光頻支聲子交換的能量大，拉曼散射頻移為10?5000cm-1，拉曼散射能量變化大于I CnT1。
[0004]拉曼光譜是由分子內(nèi)部振動(dòng)而引起的散射光譜，不同物質(zhì)會(huì)有其各自的特征拉曼光譜即“指紋譜”，本項(xiàng)目通過測(cè)得的拉曼散射光譜的頻率、強(qiáng)度、線形以及偏振狀態(tài)變化，來獲得材料的成分、微結(jié)構(gòu)和內(nèi)部運(yùn)動(dòng)信息等，繼而實(shí)現(xiàn)材料成分、應(yīng)力、溫度、異物的測(cè)量。
[0005]布里淵散射光譜是由光致熱激發(fā)聲學(xué)聲學(xué)聲子，再由光波與介質(zhì)中的聲學(xué)聲子發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的一種散射光譜，布里淵(Brillouin)散射以光子為探針，可測(cè)量凝聚態(tài)物質(zhì)中聲子、自旋波等多種元激發(fā)，其能譜范圍介于拉曼和瑞利散射之間(0.01?
1.0cm—1)，是研究物質(zhì)基本性質(zhì)(彈性、磁性、相變)及多種交叉效應(yīng)(壓電、磁彈、光彈等)的重要手段。此技術(shù)已被歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛使用在凝聚態(tài)材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究中。近年來，布里淵散射研究也為集成鐵電學(xué)和自旋電子學(xué)的誕生和發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。
[0006]布里淵散射光譜是光波與介質(zhì)中的聲學(xué)聲子發(fā)生相互作用(密度漲落密度漲落)而產(chǎn)生的一種散射光譜，是由分子的彈性振動(dòng)(外振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng))，通過測(cè)得布里淵散射光譜信息便可測(cè)得微細(xì)加工中物質(zhì)基本性質(zhì)(彈性、磁性、相變)及多種交叉效應(yīng)(壓電、磁彈、光彈等)，繼而實(shí)現(xiàn)材料應(yīng)力、彈性參數(shù)、密度等測(cè)量。
[0007]在多性能參數(shù)測(cè)量中，會(huì)因所測(cè)材料和所測(cè)參數(shù)不同，拉曼散射光譜探測(cè)技術(shù)和布里淵散射光譜探測(cè)技術(shù)個(gè)有所長(zhǎng)，通過合理的設(shè)計(jì)可形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。在微細(xì)結(jié)構(gòu)的層析測(cè)量方面，共焦拉曼光譜探測(cè)技術(shù)測(cè)量精度高，但只能測(cè)透明和部分透明樣品的內(nèi)部信息。因而利用拉曼散射和布里淵散射光譜是實(shí)現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu)材料多性能參數(shù)測(cè)量的關(guān)鍵。
[0008]目前，商用的激光共焦拉曼光譜測(cè)試儀器主要有英國(guó)RENISHAW等生產(chǎn)。傳統(tǒng)共焦拉曼光譜探測(cè)儀的原理為光源系統(tǒng)發(fā)出激發(fā)光束利用聚焦物鏡會(huì)聚，聚焦在被測(cè)樣品上，對(duì)樣品進(jìn)行正入射激發(fā)照明，激發(fā)出載有樣品光譜特性的拉曼散射光，通過位于與聚焦物鏡焦點(diǎn)相共軛的針孔濾波后被光譜儀接收，獲得被測(cè)樣品的高度和光譜信息，通過三維掃描系統(tǒng)移動(dòng)被測(cè)樣品，探測(cè)被測(cè)樣品不同區(qū)域的拉曼散射光進(jìn)而獲得被測(cè)樣品的形貌和光
譜信息。
[0009]但現(xiàn)有的共焦拉曼顯微技術(shù)存在如下不足:
[0010](I)空間分辨能力不高，僅達(dá)I μ m左右。激光激發(fā)的拉曼光譜的強(qiáng)度信號(hào)很弱，比遺棄的銳利光束的強(qiáng)度低6個(gè)量級(jí)左右，因而為了探測(cè)到極弱的拉曼信號(hào)，共焦拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)的針孔的孔徑通常在01 ΟΟμιη左右，遠(yuǎn)大于現(xiàn)有共焦顯微鏡10 μ m左右針孔孔徑值，其結(jié)果使現(xiàn)有的共焦拉曼光譜的空間分辨力僅達(dá)I μ m，并自共焦拉曼光譜探測(cè)技術(shù)發(fā)明的二十多年來一直未有根本性的改變。
[0011](2)捕獲焦點(diǎn)激發(fā)的拉曼光譜能力差。共焦拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)，由于在極值點(diǎn)處強(qiáng)度響應(yīng)不靈敏，其很難真正捕獲到焦點(diǎn)處激發(fā)的樣品的拉曼光譜信息，因而限制了現(xiàn)有共焦拉曼光譜探測(cè)的空間分辨能力；
[0012](3)探測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)漂移大。由于共焦拉曼光譜信號(hào)很弱，進(jìn)行圖譜成像時(shí)探測(cè)器需進(jìn)行長(zhǎng)期的積分(常達(dá)數(shù)小時(shí))，光學(xué)系統(tǒng)及樣品工作臺(tái)的漂移，常會(huì)造成樣品離焦，繼而降低了共焦拉曼光譜探測(cè)的空間分辨能力；
[0013](4)樣品雜散光較強(qiáng)，影響了拉曼光譜探測(cè)儀器的信噪比?，F(xiàn)有的共焦拉曼光譜探測(cè)儀器，由于采用了背向反射樣品探測(cè)方式和入射激發(fā)光路與散射光探測(cè)光路完全共光路的方式，其勢(shì)必存在樣品雜散光干擾大的不足，限制了現(xiàn)有共焦顯微鏡對(duì)高散射樣品的光譜探測(cè)能力；
[0014](5)多性能參數(shù)測(cè)量能力亟待改善?，F(xiàn)有的共焦拉曼光譜探測(cè)技術(shù)，遺棄了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(zhì)測(cè)試方面受限。
[0015]通常樣品散射的拉曼光譜強(qiáng)度為反射的瑞利光束強(qiáng)度的10_3?10_6倍，而現(xiàn)有的共焦拉曼光譜探測(cè)儀器均探測(cè)樣品散射的微弱拉曼光譜而遺棄強(qiáng)于拉曼散射光的瑞利光束和布里淵光束。因而，利用現(xiàn)有光譜探測(cè)系統(tǒng)中遺棄的瑞利光束進(jìn)行輔助探測(cè)以改善現(xiàn)有共焦拉曼光譜探測(cè)技術(shù)空間分辨力，通過測(cè)得布里淵散射光譜頻移、強(qiáng)度、線形變化等信息，來獲得物質(zhì)基本性質(zhì)(彈性、磁性、相變)及多種交叉效應(yīng)(壓電、磁彈、光彈等)，繼而實(shí)現(xiàn)材料應(yīng)力、彈性參數(shù)、密度等測(cè)量是多光譜高分辨成像與探測(cè)的新途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量方法與裝置。通過利用共焦拉曼光譜探測(cè)中遺棄的瑞利散射光構(gòu)建雙軸共焦顯微成像系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)樣品三維幾何位置的高分辨成像，并利用雙軸共焦顯微成像裝置的“極值點(diǎn)”與其焦點(diǎn)精確對(duì)應(yīng)這一特性來控制光譜探測(cè)器精確捕獲物鏡聚焦點(diǎn)處激發(fā)的拉曼光譜信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品微區(qū)幾何位置與光譜信息的高精度探測(cè)即“圖譜合一”的高空間分辨探測(cè)，同時(shí)達(dá)到分辨能力和量程范圍的有效兼顧；通過探測(cè)共焦拉曼光譜探測(cè)中遺棄的布里淵散射光來獲得物質(zhì)基本性質(zhì)(彈性、磁性、相變)及多種交叉效應(yīng)(壓電、磁彈、光彈等)，繼而實(shí)現(xiàn)材料應(yīng)力、彈性參數(shù)、密度等測(cè)量；利用共焦拉曼光譜探測(cè)技術(shù)和共焦布里淵光譜探測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)拉曼光譜和布里淵光譜同時(shí)探測(cè)的共焦光譜探測(cè)方案，實(shí)現(xiàn)材料多性能參數(shù)的綜合測(cè)量與解耦。本發(fā)明可以探測(cè)包括熒光、康普頓散射光等散射光-1'TfeP曰。
[0017]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0018]激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量方法，包括以下步驟:
[0019]I)采用雙軸共焦顯微的方式對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行掃描，照明物鏡與采集物鏡對(duì)稱分布在測(cè)量面法線兩側(cè)，并且照明光軸與測(cè)量面法線的夾角為Θ i，采集光軸與測(cè)量面法線的夾角為θ2，其中Q1=Q2;
[0020]2)激發(fā)光經(jīng)由照明物鏡聚焦到被測(cè)樣品上，激發(fā)出瑞利光和載有被測(cè)樣品光譜特性的拉曼散射光和布里淵散射光，并被采集物鏡會(huì)聚到二向色分光系統(tǒng)，光束經(jīng)二向色分光系統(tǒng)分光后，拉曼散射光被分離，拉曼散射光透射進(jìn)入拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)，瑞利光和布里淵散射光被反射至分光鏡，分光鏡的反射光進(jìn)入布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)，透射光進(jìn)入差動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將獲得的瑞利光信號(hào)擬合為共焦曲線，利用共焦曲線極值點(diǎn)與焦點(diǎn)位置精確對(duì)應(yīng)的特性，通過極值觸發(fā)來精確捕獲激發(fā)光斑焦點(diǎn)位置的光譜信息，實(shí)現(xiàn)高空間分辨的光譜探測(cè)；
[0021]3)單獨(dú)處理獲取的瑞利光的信號(hào)時(shí)，獲得高空間分辨的三維尺度層析圖像；單獨(dú)處理獲取拉曼散射光的信號(hào)時(shí)，獲得光譜圖像，得到樣品的材質(zhì)信息；單獨(dú)處理獲取布里淵散射光的信號(hào)時(shí)，獲得光譜圖像，得到樣品的應(yīng)力、溫度等信息；同時(shí)處理獲取的瑞利光、拉曼散射光和布里淵散射光的信號(hào)時(shí)，獲得高空間分辨的微區(qū)圖譜層析成像，即被測(cè)樣品幾何位置信息和光譜信息的“圖譜合一”;
[0022]4)依據(jù)共焦曲線極值點(diǎn)與焦點(diǎn)位置精確對(duì)應(yīng)的特性，測(cè)量過程中可以實(shí)時(shí)對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行精確跟蹤定焦，保證被測(cè)樣品在整個(gè)測(cè)量過程中始終處于焦點(diǎn)位置，抑制環(huán)境溫度和振動(dòng)等因素對(duì)光譜測(cè)量的影響，從而提高測(cè)量精度。
[0023]本發(fā)明方法中的共焦探測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從圖像采集系統(tǒng)上獲取焦斑圖案后，計(jì)算出此時(shí)焦斑圖案的中心，以此中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立探測(cè)器像面上的坐標(biāo)系(X/，y/ )，在原點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)圓形針孔即共焦虛擬針孔對(duì)焦斑圖像進(jìn)行探測(cè)，當(dāng)被測(cè)樣品進(jìn)行掃描時(shí)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算出共焦虛擬針孔范圍內(nèi)像素灰度總和，得到強(qiáng)度響應(yīng)。
[0024]本發(fā)明方法中為壓縮測(cè)量聚焦光斑尺寸，提高系統(tǒng)的橫向分辨力，激發(fā)光束可以是線偏光、圓偏光等偏振光束；還可以是由光瞳濾波技術(shù)生成的結(jié)構(gòu)光束，偏振光與光瞳濾波技術(shù)結(jié)合可以壓縮測(cè)量聚焦光斑尺寸，提高系統(tǒng)的橫向分辨力。
[0025]本發(fā)明方法還可以探測(cè)熒光、康普頓散射光等散射光譜。
[0026]本發(fā)明涉及一種激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量裝置，包括光源，照明物鏡，采集物鏡和三維掃描工作臺(tái)，還包括準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡，二向色分光裝置，共焦探測(cè)裝置和拉曼光譜探測(cè)裝置；其中，照明物鏡和采集物鏡對(duì)稱地布局在測(cè)量面法線兩側(cè)，照明光軸與測(cè)量面法線的夾角為Q1，采集光軸與測(cè)量面法線的夾角為θ2，其中θ1=θ2，準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡和照明物鏡依次放在光源的出射光線方向，采集物鏡和二向色分光裝置依次放在被測(cè)樣品的反射光線方向，拉曼光譜探測(cè)裝置放在二向色分光裝置透射方向，分光鏡和共焦探測(cè)裝置放置在二向色分光裝置的反射方向，布里淵光譜探測(cè)裝置放置在分光鏡的反射方向。
[0027]本發(fā)明裝置中還包括在準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡和照明物鏡之間加入照明端光瞳濾波器，或者在分光鏡和共焦探測(cè)裝置之間加入采集端光瞳濾波器，或者在準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡和照明物鏡之間以及分光鏡和共焦探測(cè)裝置之間同時(shí)加入照明端光瞳濾波器和采集端光瞳濾波器。[0028]本發(fā)明裝置中還包括在準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡和照明物鏡之間加入偏振調(diào)制裝置，或者在照明物鏡和照明端光瞳濾波器之間加入偏振調(diào)制裝置。
[0029]本發(fā)明裝置中還包括最后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
[0030]本發(fā)明裝置中拉曼光譜探測(cè)裝置可以是共焦光譜探測(cè)裝置，包括第一聚光鏡、位于第一聚光鏡焦點(diǎn)處的針孔、第二聚光鏡、位于第二聚光鏡焦點(diǎn)處的光譜儀及光譜儀后的探測(cè)器；還可以是普通光譜探測(cè)系統(tǒng)，包括第第二聚光鏡、位于第二聚光鏡焦點(diǎn)處的光譜儀及光譜儀后的探測(cè)器；布里淵光譜探測(cè)裝置包括布里淵聚光鏡，位于布里淵聚光鏡焦點(diǎn)位置的針孔，位于針孔后的光譜儀和探測(cè)器。
[0031 ] 本發(fā)明裝置中為提高共焦測(cè)量裝置的采集精度，可通過增加圖像放大裝置放大圖像采集裝置探測(cè)到的艾利斑，包括沿光路依次放置的測(cè)量透鏡、與測(cè)量透鏡共焦點(diǎn)的圖像放大裝置以及位于圖像放大裝置焦點(diǎn)處的圖像采集裝置，。
[0032]有益效果
[0033]本發(fā)明方法，對(duì)比已有技術(shù)具有以下創(chuàng)新點(diǎn):
[0034]1、本發(fā)明通過合理設(shè)計(jì)能夠?qū)μN(yùn)含不同信息的拉曼散射光譜和布里淵散射光譜同時(shí)進(jìn)行探測(cè)，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料成分與基本物理性質(zhì)的高分辨探測(cè)，便于多性能參數(shù)的綜合測(cè)試，這是區(qū)別于現(xiàn)有光譜探測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之一；
[0035]2、本發(fā)明將雙軸激光共焦顯微技術(shù)與拉曼光譜、布里淵光譜探測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，融合了雙軸激光共焦顯微技術(shù)的高精度物鏡聚焦點(diǎn)位置跟蹤捕獲能力，可探測(cè)到精確對(duì)應(yīng)最小激發(fā)聚焦光斑區(qū)域的樣品光譜特性，在大幅提高微區(qū)光譜探測(cè)能力的同時(shí)也大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)，這是區(qū)別于現(xiàn)有拉曼光譜探測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之二 ；
[0036]3、由于引入了徑向偏振光與光瞳濾波器相結(jié)合的緊聚焦技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超分辨多光譜綜合測(cè)試，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之三；
[0037]4、將雙軸共焦與拉曼散射探測(cè)、布里淵散射探測(cè)光路相結(jié)合，僅通過軟件切換處理便可實(shí)現(xiàn)雙軸激光共焦顯微探測(cè)、激光共焦拉曼光譜探測(cè)、激光共焦布里淵光譜探測(cè)、雙軸激光共焦多性能參數(shù)的綜合測(cè)試等多種模式自由的選與切換處理。這是區(qū)別于現(xiàn)有拉曼光譜探測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之四；
[0038]5、利用雙軸結(jié)構(gòu)光束斜入射探測(cè)，克服了現(xiàn)有共焦顯微成像技術(shù)無法抑制焦面散射光干擾的缺陷，抗散射能力強(qiáng)。這是區(qū)別于現(xiàn)有探測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之五；
[0039]本發(fā)明方法具有如下特點(diǎn):
[0040]1、融合雙軸激光共焦探測(cè)技術(shù)和拉曼光譜探測(cè)技術(shù)，利用雙軸激光共焦系統(tǒng)對(duì)焦點(diǎn)的精確定位，進(jìn)行焦點(diǎn)跟蹤測(cè)量，大幅提高拉曼光譜探測(cè)的空間分辨力；
[0041]2、系統(tǒng)具有雙軸激光共焦顯微探測(cè)、激光共焦拉曼光譜探測(cè)、激光共焦布里淵光譜探測(cè)、雙軸激光共焦多光譜探測(cè)等多種工作模式，僅需通過軟件操作便可實(shí)現(xiàn)三種模式的切換；
[0042]3、可實(shí)現(xiàn)量程范圍與分辨能力的有效兼顧，通過設(shè)置在焦斑上所取微小區(qū)域的參數(shù)，以匹配不同反射率的被測(cè)樣品，應(yīng)用范圍得到擴(kuò)展；
[0043]4、二向色分光系統(tǒng)的使用增強(qiáng)拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)所接收到的拉曼光譜，提高拉曼光譜探測(cè)的信噪比，使共焦拉曼光譜顯微鏡的微區(qū)光譜探測(cè)能力顯著提高，也可以降低系統(tǒng)對(duì)激發(fā)光源的光強(qiáng)要求。[0044]5.采用雙軸結(jié)構(gòu)斜入射的方式照明和探測(cè)，有效抑制了焦面樣品散射光的干擾，提高了光譜探測(cè)信噪比。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]圖1為激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量方法示意圖；
[0046]圖2為激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量裝置示意圖；
[0047]圖3為帶偏振調(diào)制的激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量裝置示意圖；
[0048]圖4為具有探測(cè)焦斑放大系統(tǒng)的激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量裝置示意圖；
[0049]圖5為激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量方法與裝置實(shí)施例示意圖；
[0050]其中，1-光源，2-照明物鏡，3-被測(cè)樣品，4-照明光軸，5-測(cè)量面法線，6-G1J-采集物鏡，8- 二向色分光系統(tǒng)，9-測(cè)量透鏡，10-圖像放大系統(tǒng)，11-圖像采集系統(tǒng)，12-共焦虛擬針孔，13-測(cè)量光軸，14-共焦拉曼曲線，15-共焦探測(cè)系統(tǒng)，16-焦斑圖案，17-第一聚光鏡，18-針孔，19-拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)，20-采集光軸，21-數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，22-第二聚光鏡，23-光譜儀，24-探測(cè)器，25-準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)，26-三維掃描工作臺(tái)，27-共焦曲線，28-照明端光瞳濾波器，29-偏振調(diào)制系統(tǒng),30-米集端光瞳濾波器,31- Θ 2，32-分光鏡,33-布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)，34-布里淵采集光軸，35-布里淵聚光鏡，36-針孔，37-光譜儀，38-探測(cè)器，39-布里淵曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0051]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0052]實(shí)施例
[0053]本實(shí)施例中，光源I為激光器，偏振調(diào)制系統(tǒng)29為徑向偏振光產(chǎn)生器,二向色分光系統(tǒng)8為Notch filter，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)21為計(jì)算機(jī)，圖像采集系統(tǒng)11為CXD探測(cè)器，探測(cè)器24為CXD探測(cè)器，圖像放大系統(tǒng)10為放大物鏡。
[0054]如圖1、圖2和圖5所示，照明物鏡2與采集物鏡7對(duì)稱分布在測(cè)量面法線5兩偵牝并且照明光軸4與測(cè)量面法線5的夾角為Θ #，采集光軸20與測(cè)量面法線5的夾角為Θ 231，其中Θ = Θ 2，激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量方法，其測(cè)量步驟是:
[0055]首先，激光器I發(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)25后，進(jìn)行擴(kuò)束出射后成為與照明物鏡2入瞳直徑相等的平行光，經(jīng)過徑向偏振光產(chǎn)生器29后成為徑向偏振光，徑向偏振光經(jīng)照明端光瞳濾波器28后光束被調(diào)制，經(jīng)由照明物鏡2形成壓縮光斑聚焦到放置在三維掃描工作臺(tái)26上的被測(cè)樣品3表面，并激發(fā)出瑞利光和載有被測(cè)樣品3光譜特性的拉曼散射光，被測(cè)樣品3可通過增強(qiáng)光譜納米粒子等光譜增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行處理，以提高散射光的強(qiáng)度。
[0056]軸向(即圖中z向)移動(dòng)被測(cè)樣品3，使瑞利光及對(duì)應(yīng)被測(cè)樣品3不同區(qū)域的拉曼散射光和布里淵散射光被反射進(jìn)入采集物鏡7，經(jīng)過采集物鏡7收集的光束被Notch filter8進(jìn)行分光，其中，拉曼散射光透射過Notch filter8進(jìn)入拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)19,拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)19為共焦拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)，拉曼散射光被第一聚光鏡17會(huì)聚到針孔18，經(jīng)過第二聚光鏡22會(huì)聚進(jìn)入光譜儀23，最后入射到CCD探測(cè)器24，獲得被測(cè)樣品3的拉曼光譜I ( λ r) ( λ為波長(zhǎng))，如共焦拉曼曲線14所示；瑞利光和布里淵散射光被Notch filter8反射到分光鏡33處，透射光經(jīng)過采集端光瞳濾波器30調(diào)制后，進(jìn)入共焦探測(cè)系統(tǒng)15，經(jīng)測(cè)量透鏡9進(jìn)行會(huì)聚，會(huì)聚光斑經(jīng)過放大物鏡10放大并成像在第一 CXD探測(cè)器11上；分光鏡33的反射光進(jìn)入布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)33，被布里淵聚光鏡35會(huì)聚透過針孔36進(jìn)入光譜儀37，最后被探測(cè)器38接收獲得被測(cè)樣品3的布里淵光譜I (Xb) (λ為波長(zhǎng))。
[0057]計(jì)算機(jī)21從CXD探測(cè)器11上獲取焦斑圖案16后，計(jì)算出此時(shí)焦斑圖案16的中心，以此中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立C⑶像面上的坐標(biāo)系(x/，yd')，在原點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)圓形共焦虛擬針孔12對(duì)焦斑圖案16進(jìn)行探測(cè)；當(dāng)被測(cè)樣品3進(jìn)行掃描時(shí)，計(jì)算機(jī)21計(jì)算出共焦虛擬針孔12范圍內(nèi)像素灰度總和，得到共焦強(qiáng)度響應(yīng)Ic (X，y, z)，如共焦曲線27所示，通過共焦曲線27的“極值點(diǎn)”來獲得樣品表面的高度信息，重構(gòu)出被測(cè)樣品3的表面三維形貌。
[0058]依據(jù)共焦曲線27的極值點(diǎn)與系統(tǒng)焦點(diǎn)精確對(duì)應(yīng)的特性，精確獲得系統(tǒng)焦點(diǎn)位置，將被測(cè)樣品3移動(dòng)至焦點(diǎn)O位置，重新獲取焦點(diǎn)O位置的光譜信號(hào)I ( λ J和I ( λ b)。
[0059]將I ( λ J和I ( λ b)、I。(χ, y, z)傳送到計(jì)算機(jī)21進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲得包含被測(cè)樣品3位置信息IJx’y，z)和光譜信息Ι(λ)的四維測(cè)量信息I(x，y，z，λr, λ b)。
[0060]完成上述步驟后，利用三維掃描工作臺(tái)26對(duì)被測(cè)樣品3進(jìn)行橫向掃描(即圖中的X、y方向)，移動(dòng)到下一個(gè)點(diǎn)后，利用三維掃描工作臺(tái)26對(duì)被測(cè)樣品3進(jìn)行軸向掃描(即圖中的z方向)，獲取系統(tǒng)焦點(diǎn)O的位置后，將被測(cè)樣品3移動(dòng)到焦點(diǎn)O處，并獲取光譜信息。
[0061]只對(duì)接收瑞利光的共焦探測(cè)系統(tǒng)15獲得探測(cè)光斑進(jìn)行處理得到共焦響應(yīng)Ic(x, y, Z)，通過其“極值點(diǎn)”精確捕獲激發(fā)光斑的焦點(diǎn)位置，系統(tǒng)可以進(jìn)行高空間分辨的三維尺度層析成像；只對(duì)接收 拉曼散射光的拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)19獲得的光譜響應(yīng)I ( λ r)14進(jìn)行處理時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)行拉曼光譜探測(cè)；只對(duì)接收布里淵散射光的布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)33獲得的光譜響應(yīng)I ( Xb) 39進(jìn)行處理時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)行布里淵光譜探測(cè)；同時(shí)對(duì)接收瑞利光的CCD探測(cè)器11獲得的共焦響應(yīng)Ux，y, z)、拉曼散射光的拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)19獲得的光譜信號(hào)I ( λ ,)和布里淵散射光的布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)33獲得的光譜響應(yīng)I (Xb)39進(jìn)行處理時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)行高空間分辨的微區(qū)圖譜層析成像，即實(shí)現(xiàn)被測(cè)樣品3幾何位置信息和光譜信息的高空間分辨的“圖譜合一”探測(cè)效果。
[0062]如圖5所示，激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量裝置包括沿光路依次放置的激光器1、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)25、徑向偏振光產(chǎn)生器29、照明端光瞳濾波器28、照明物鏡2、被測(cè)樣品3、三維掃描工作臺(tái)26，及光路反射方向的采集物鏡7、Notch filter8、位于Notchfilter8透射方向的拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)19、位于Notch filter8反射方向的分光鏡33、采集端光瞳濾波器30、共焦探測(cè)系統(tǒng)15，位于分光鏡32反射方向的布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)33、及連接共焦探測(cè)系統(tǒng)15、拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)19和布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)33的計(jì)算機(jī)21 ;其中，拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)19包括沿光路依次放置的第一聚光鏡17、位于第一聚光鏡17焦點(diǎn)位置的針孔18、位于針孔18后的第二聚光鏡22、位于第二聚光鏡22焦點(diǎn)位置的光譜儀23及位于光譜儀后的CCD探測(cè)器24 ;布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)33包括煙光路依次放置的布里淵聚光鏡35、位于布里淵聚光鏡35焦點(diǎn)位置的針孔36、位于針孔36后的光譜儀37以及位于光譜儀37后的探測(cè)器38 ;共焦探測(cè)系統(tǒng)15包括位于測(cè)量透鏡9焦點(diǎn)處的放大物鏡10，及位于放大物鏡10焦點(diǎn)處的CXD探測(cè)器22。
[0063]在圖2中的準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置25與照明物鏡2中添加徑向偏振光產(chǎn)生器29、照明端光瞳濾波器28，在分光鏡32與測(cè)量透鏡9之間添加采集端光瞳濾波器30，即構(gòu)成圖3，添加徑向偏振光產(chǎn)生器29、照明端光瞳濾波器28、米集端光瞳濾波器30用于對(duì)光束整形,提高橫向分辨力。
[0064]在圖2的共焦探測(cè)裝置15中增加圖像放大裝置10放大圖像采集裝置11探測(cè)到的艾利斑，即構(gòu)成圖4，增加圖像放大裝置10用于提高共焦測(cè)量裝置15的采集精度。
[0065]以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改動(dòng)都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量方法，其特征在于: 1)采用雙軸共焦顯微的方式對(duì)被測(cè)樣品(3)進(jìn)行掃描，照明物鏡(2)與采集物鏡(7)對(duì)稱分布在測(cè)量面法線(5)兩側(cè)，并且照明光軸(4)與測(cè)量面法線(5)的夾角為θ J6)，采集光軸(20)與測(cè)量面法線(5)的夾角為θ2(31)，其中θ1=θ2; 2)激發(fā)光經(jīng)由照明物鏡(2)聚焦到被測(cè)樣品(3)上，激發(fā)出瑞利光和載有被測(cè)樣品光譜特性的拉曼散射光和布里淵散射光，并被采集物鏡(7)會(huì)聚到二向色分光系統(tǒng)(8)，光束經(jīng)二向色分光系統(tǒng)(8)分光后，拉曼散射光被分離，拉曼散射光透射進(jìn)入拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)(19),瑞利光和布里淵散射光被反射至分光鏡(38),分光鏡(38)的反射光進(jìn)入布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)(39)，透射光進(jìn)入差動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)(15)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(21)將獲得的瑞利光信號(hào)擬合為共焦曲線(14)，利用共焦曲線極值點(diǎn)與焦點(diǎn)位置精確對(duì)應(yīng)的特性，通過極值觸發(fā)來精確捕獲激發(fā)光斑焦點(diǎn)位置的光譜信息，實(shí)現(xiàn)高空間分辨的光譜探測(cè)； 3)單獨(dú)處理獲取的瑞利光的信號(hào)時(shí)，獲得高空間分辨的三維尺度層析圖像；單獨(dú)處理獲取拉曼散射光的信號(hào)時(shí)，獲得光譜圖像，得到樣品的材質(zhì)信息；單獨(dú)處理獲取布里淵散射光的信號(hào)時(shí)，獲得光譜圖像，得到樣品的應(yīng)力、溫度等信息；同時(shí)處理獲取的瑞利光、拉曼散射光和布里淵散射光的信號(hào)時(shí)，獲得高空間分辨的微區(qū)圖譜層析成像，即被測(cè)樣品幾何位置信息和光譜信息的“圖譜合一”； 4)依據(jù)共焦曲線極值點(diǎn)與焦點(diǎn)位置精確對(duì)應(yīng)的特性，測(cè)量過程中可以實(shí)時(shí)對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行精確跟蹤定焦，保證被測(cè)樣品在整個(gè)測(cè)量過程中始終處于焦點(diǎn)位置，抑制環(huán)境溫度和振動(dòng)等因素對(duì)光譜測(cè)量的影響，從而提高測(cè)量精度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量方法，其特征在于:共焦探測(cè)系統(tǒng)(15)中，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(21)從圖像采集系統(tǒng)(11)上獲取焦斑圖案(16)后，計(jì)算出此時(shí)焦斑圖案(16)的中心，以此中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立探測(cè)器像面上的坐標(biāo)系(X/，y/ )，在原點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)圓形針孔即共焦虛擬針孔(12)對(duì)焦斑圖像進(jìn)行探測(cè)，當(dāng)被測(cè)樣品(3)進(jìn)行掃描時(shí)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算出共焦虛擬針孔范圍內(nèi)像素灰度總和，得到強(qiáng)度響應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量方法，其特征在于:為壓縮測(cè)量聚焦光斑尺寸，提高系統(tǒng)的橫向分辨力，激發(fā)光束可以是線偏光、圓偏光等偏振光束；還可以是由光瞳濾波技術(shù)生成的結(jié)構(gòu)光束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量方法，其特征在于:該系統(tǒng)還可以探測(cè)熒光、康普頓散射光等散射光譜。
5.一種激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量裝置，包括光源(1)，照明物鏡(2)，采集物鏡(7)和三維掃描工作臺(tái)(26)，其特征在于:還包括準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡(25)，二向色分光裝置(8)，共焦探測(cè)裝置(15)和拉曼光譜探測(cè)裝置(19);其中，照明物鏡(2)和采集物鏡(7)對(duì)稱地布局在測(cè)量面法線(5)兩側(cè)，照明光軸(4)與測(cè)量面法線(5)的夾角為θ J6)，采集光軸(20)與測(cè)量面法線(5)的夾角為θ 2(31)，其中θ 1= θ 2，準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡(25)和照明物鏡(2)依次放在光源(1)的出射光線方向，采集物鏡(X)和二向色分光裝置(8)依次放在被測(cè)樣品(3)的反射光線方向，拉曼光譜探測(cè)裝置(19)放在二向色分光裝置(8)透射方向，分光鏡(32)和共焦探測(cè)裝置(15)放置在二向色分光裝置(8)的反射方向，布里淵光譜探測(cè)裝置(33)放置在分光鏡(32)的反射方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量裝置，其特征在于:還包括在準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡(25)和照明物鏡(2)之間加入照明端光瞳濾波器(28)，或者在分光鏡(32)和共焦探測(cè)裝置(15)之間加入采集端光瞳濾波器(30)，或者在準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡(25)和照明物鏡(2)之間以及分光鏡(32)和共焦探測(cè)裝置(15)之間同時(shí)加入照明端光瞳濾波器(28)和采集端光瞳濾波器(30)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量裝置，其特征在于:還包括在準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡(25)和照明物鏡(2)之間加入偏振調(diào)制裝置(29)，或者在照明物鏡(2)和照明端光瞳濾波器(28)之間加入偏振調(diào)制裝置(29)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量裝置，其特征在于:還包括最后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(21)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量裝置，其特征在于:拉曼光譜探測(cè)裝置(19)可以是共焦光譜探測(cè)裝置，包括第一聚光鏡(17)、位于第一聚光鏡焦點(diǎn)處的針孔(18)、第二聚光鏡(22)、位于第二聚光鏡(22)焦點(diǎn)處的光譜儀(23)及光譜儀(23)后的探測(cè)器(24);還可以是普通光譜探測(cè)系統(tǒng)，包括第第二聚光鏡(22)、位于第二聚光鏡(22)焦點(diǎn)處的光譜儀(23)及光譜儀(23)后的探測(cè)器(24);布里淵光譜探測(cè)裝置(33)包括布里淵聚光鏡(35)，位于布里淵聚光鏡(35)焦點(diǎn)位置的針孔(36)，位于針孔(36)后的光譜儀(37)和探測(cè)器(38)。
10.根據(jù)權(quán)利 要求5或6或7或8所述的激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測(cè)量裝置，其特征在于:為提高共焦測(cè)量裝置(15)的采集精度，可通過增加圖像放大裝置(10)放大圖像采集裝置(11)探測(cè)到的艾利斑，包括沿光路依次放置的測(cè)量透鏡(9)、與測(cè)量透鏡(9)共焦點(diǎn)的圖像放大裝置(10)以及位于圖像放大裝置(10)焦點(diǎn)處的圖像采集裝置(11)，以提高共焦測(cè)量裝置(15)的采集精度。
【文檔編號(hào)】G01J3/44GK103940799SQ201410086332
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月10日
【發(fā)明者】王允, 趙維謙, 邱麗榮 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)