后置分光瞳差动共焦拉曼、LIBS光谱显微成像方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开的后置分光瞳差动共焦拉曼、LIBS光谱显微成像方法与装置，属于共焦显微成像、光谱成像测量技术领域。本发明专利技术将后置分光瞳激光差动共焦显微成像技术与拉曼、LIBS光谱探测技术结合，利用经超分辨技术处理的后置分光瞳差动共焦显微镜的微小聚焦光斑对样品进行高空间分辨形态成像，利用光谱探测系统对聚焦光斑激发光谱(拉曼光谱、LIBS光谱)进行微区光谱探测，利用激光多光谱探测的优势互补和结构融合实现样品微区完整组分信息与形态参数的高空间分辨和高灵敏成像与探测。本发明专利技术可为生物医学、材料科学、矿产、微纳制造等领域形态成像及物质组分探测提供一条全新的有效技术途径。

Differential confocal Raman and LIBS spectroscopic microscopic imaging methods and devices for post-splitting pupils

The invention discloses a post-splitting pupil differential confocal Raman and LIBS spectral microscopic imaging method and device, belonging to the technical field of confocal microscopic imaging and spectral imaging measurement. The invention combines the post-splitting pupil laser differential confocal microscopy imaging technology with Raman and LIBS spectrum detection technology, uses the micro-focusing spot of the post-splitting pupil differential confocal microscopy processed by super-resolution technology to perform high spatial resolution morphological imaging of the sample, and uses the spectral detection system to detect the micro-region spectrum of the focused spot excitation spectrum (Raman spectrum, LIBS spectrum), which is advantageous. High spatial resolution and high sensitivity imaging and detection of complete component information and morphological parameters in sample microregions are realized by using the advantages of complementary laser multispectral detection and structure fusion. The invention can provide a new and effective technical approach for morphological imaging and material composition detection in the fields of biomedicine, material science, mineral resources, micro-nano manufacturing, etc.

【技术实现步骤摘要】
后置分光瞳差动共焦拉曼、LIBS光谱显微成像方法与装置
本专利技术属于共焦显微成像技术和光谱成像
，将后置分光瞳差动共焦显微成像技术、拉曼光谱成像技术与激光诱导击穿光谱成像技术相结合，涉及一种后置分光瞳差动共焦拉曼、LIBS光谱显微成像方法与装置，在生物医学、材料科学、物理化学、矿产、微纳制造等领域有广泛的应用前景。
技术介绍
激光诱导击穿光谱的强脉冲激光聚焦到样品表面会使样品离子化，可激发样品产生等离子体，通过探测等离子体能量衰退辐射出的光谱可获取样品的原子及小分子元素组成信息；利用激光拉曼光谱技术可测量样品的分子激发光谱，获得样品中的化学键和分子结构信息。将激光拉曼光谱技术、激光诱导击穿光谱(LIBS)技术相结合可以实现优势互补和结构功能融合，利用激光多谱(拉曼光谱和激光诱导击穿光谱)融合技术实现样品多种组分信息探测。但现有光谱探测技术存在以下突出问题：1)由于利用简单的激光聚焦来解吸电离样品，因而其仍存在激光聚焦光斑大、探测空间分辨力不高等问题；2)拉曼光谱成像所需时间长，聚焦光斑轴向位置相对被测样品常发生漂移问题；3)无法对样品的微区形貌和复杂组分进行原位测量，其结果制约了样品微区信息的准确完整获取。后置分光瞳差动共焦技术利用照明与探测光路非共路结构进行探测，不仅显著提高了光路的轴向分辨力和定焦精度，实现样品形貌的高分辨成像探测，而且可以有效抑制背向散射干扰，提高光谱探测信噪比。基于此，本专利技术提出一种后置分光瞳差动共焦拉曼、LIBS光谱显微成像方法与装置，其创新在于：首次将具有高空间分辨能力的后置分光瞳差动共焦显微技术与激光拉曼光谱技术、激光诱导击穿光谱(LIBS)技术相融合，可实现被测样品微区高空间分辨和高灵敏形貌与组分的成像与探测。本专利技术一种后置分光瞳差动共焦拉曼、LIBS光谱显微成像方法与装置可为生物医学、材料科学、物理化学、矿产、微纳制造等领域的形貌组分成像探测提供一个全新的有效技术途径。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提高光谱成像的空间分辨能力、抑制成像过程中聚焦光斑相对样品的漂移，提出一种后置分光瞳差动共焦拉曼、LIBS光谱显微成像方法与装置，以期同时获得被测样品微区形貌信息和组分信息。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术的后置分光瞳差动共焦拉曼、LIBS光谱显微成像方法，利用高空间分辨后置激光差动共焦显微系统的聚焦光斑对样品进行轴向定焦与成像，利用拉曼光谱探测系统对共焦显微系统聚焦光斑激发样品产生的拉曼光谱进行探测，利用激光诱导击穿光谱探测系统对后置分光瞳差动共焦显微系统聚焦光斑解吸电离样品而产生的等离子体发射光谱进行探测，然后再通过探测数据信息的融合与比对分析继而实现被测样品微区高空间分辨和高灵敏形态与组分的成像与探测，包括以下步骤：步骤一、点光源经过准直透镜准直为平行光束，平行光束通过压缩聚焦光斑系统、经分光棱镜透射、二向色镜A反射并由测量物镜聚焦到被测样品上；步骤二、使计算机控制精密三维工作台带动被测样品沿测量面法线方向在测量物镜焦点附近上下移动，样品反射光线经过二向色镜A反射、分光棱镜反射后，经后置光瞳中的收集光瞳、探测物镜、中继放大透镜和位于中继放大透镜焦面并关于中继放大透镜光轴对称放置的第一探测象限和第二探测象限对放大艾里斑进行分割探测，得到艾里斑第一微区的强度特性曲线第一离轴共焦轴向强度曲线，艾里斑第二微区的强度特性曲线第二离轴共焦轴向强度曲线；步骤三、将第一离轴共焦轴向强度曲线和第二离轴共焦轴向强度曲线相减处理得到分光瞳差动共焦轴向强度曲线，利用后置分光瞳差动共焦轴向强度曲线能够精确定位被测样品该点轴向高度信息；步骤四、计算机依据后置分光瞳差动共焦轴向强度曲线的“过零点”位置控制三维工作台带动被测样品沿测量面法线方向运动，使测量物镜的聚焦光斑聚焦到被测样品上；步骤五、利用拉曼光谱探测系统的拉曼光谱探测器对经二向色镜A透射、二向色镜B透射和拉曼耦合透镜收集的拉曼光谱进行探测，测得对应聚焦光斑区域的样品化学键及分子结构信息；步骤六、改变平行光束照明模式，激发被测样品的微区解吸电离产生等离子体羽；步骤七、利用LIBS光谱探测系统的LIBS光谱探测器对经二向色镜A透射、二向色镜B反射和LIBS耦合透镜收集的激光诱导击穿光谱进行探测，测得对应聚焦光斑区域的样品元素组成信息；步骤八、计算机将后置分光瞳差动共焦探测系统测得的激光聚焦光斑位置样品高度信息、激光拉曼光谱探测系统探测的激光聚焦微区的拉曼光谱信息、激光诱导击穿光谱探测系统探测的激光聚焦微区的激光诱导击穿光谱信息进行融合处理，继而得到聚焦光斑微区的高度和光谱信息；步骤九、计算机控制精密三维工作台使测量物镜焦点对准被测样品的下一个待测区域，然后按步骤二～步骤八进行操作，得到下一个待测聚焦区域的高度和光谱信息；步骤十、重复步骤九直到被测样品上的所有待测点均被测到，然后利用计算机进行处理即可得到被测样品形貌信息和完整组分信息。本专利技术的方法中，，使步骤一所述的平行光束整形为环形光束，该环形光束再经分光棱镜透射、二向色镜A反射、测量物镜聚焦到被测样品上解吸电离产生等离子体羽。本专利技术的方法中，所述光瞳为D型后置光瞳或圆形后置光瞳；收集光瞳为D型收集光瞳或圆形收集光瞳；D型后置光瞳和D型收集光瞳共同使用；圆形后置光瞳和圆形收集光瞳共同使用。在本专利技术方法中，仅通过计算机系统软件处理即可实现对不同NA的测量物镜的匹配，无需对系统进行任何硬件装调。在本专利技术方法中，压缩聚焦光斑系统用产生矢量光束的矢量光束发生系统和光瞳滤波器替代。本专利技术公开的后置分光瞳差动共焦拉曼、LIBS光谱显微成像装置，包括产生激发光束的光源系统、沿着光源出射方向依次放置的分光棱镜、二向色镜A，与二向色镜A反射方向相同的测量物镜、精密三维工作台，二向色镜A反射相反方向的二向色镜、拉曼光谱探测系统，与二向色镜B反射方向的LIBS光谱测量系统，分光棱镜反射方向的后置分光瞳差动共焦测量系统和计算机处理系统。本专利技术的后置分光瞳差动共焦拉曼、LIBS光谱显微成像装置，后置分光瞳差动共焦探测模块任选以下两种方式实现：方式一：由中继放大透镜和二象限探测器构成，其中二象限探测器探测面上的第一探测象限和第二探测象限关于光轴对称。方式二：后置分光瞳差动共焦探测模块由中继放大透镜、CCD探测器构成，其中CCD探测器探测到的艾里斑第一微区和艾里斑第二微区关于光轴对称。本专利技术所述装置，压缩聚焦光斑系统用沿入射光轴方向放置的产生矢量光束的矢量光束发生器和光瞳滤波器替代。本专利技术所述装置，光源系统由脉冲激光器、聚光透镜、聚光透镜焦点处的传光光纤替代；同时，在激光聚焦系统中引入出射光束衰减器，在后置分光瞳差动共焦探测系统中引入探测光束衰减器。有益效果：1)通过后置分光瞳差动共焦轴向响应曲线的“过零点”与高精度测量物镜的焦点精确对应这一特性，对被测样品实现精确定焦，能够抑制现有成像仪器因长时间成像中聚焦光斑相对被测样品的漂移问题；2)结合激光诱导击穿光谱的探测，能够克服现有激光拉曼光谱技术无法对样品元素信息进行探测的不足，实现激光多谱(拉曼光谱和激光诱导击穿光谱)组分成像探测的优势互补和结构功能融合，能够获得更为全面的微区组分信息；3)利用后置分光瞳差动共焦曲线的“过零点”进行样品预先本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.后置分光瞳差动共焦拉曼、LIBS光谱显微成像方法，其特征在于：利用高空间分辨后置激光差动共焦显微系统的聚焦光斑对被测样品(8)进行轴向定焦与成像，利用拉曼光谱探测系统对共焦显微系统聚焦光斑激发被测样品(8)产生的拉曼光谱进行探测，利用激光诱导击穿光谱探测系统对后置分光瞳差动共焦显微系统聚焦光斑解吸电离样品而产生的等离子体发射光谱进行探测，然后再通过探测数据信息的融合与比对分析继而实现被测样品(8)微区高空间分辨和高灵敏形态与组分的成像与探测，包括以下步骤：步骤一、使平行光束(3)通过压缩聚焦光斑系统(4)、经分光棱镜透射(5)、二向色镜A(6)反射并由测量物镜(7)聚焦到被测样品(8)上；步骤二、使计算机(34)控制精密三维工作台(10)带动被测样品(8)沿测量面在测量物镜(7)焦点附近上下移动，经样品(8)反射的光线经过二向色镜A(6)反射、分光棱镜(5)反射后，经后置光瞳中的收集光瞳、探测物镜(13)、中继放大透镜(15)和位于中继放大透镜(15)后汇聚到二象限探测器(16)上，关于中继放大透镜(15)光轴对称放置的第一探测象限(17)和第二探测象限(18)对放大艾里斑(19)进行分割探测，得到艾里斑第一微区(20)的强度特性曲线第一离轴共焦轴向强度曲线(22)，艾里斑第二微区(22)的强度特性曲线第二离轴共焦轴向强度曲线(23)；步骤三、将第一离轴共焦轴向强度曲线(22)和第二离轴共焦轴向强度曲线(23)相减处理得到后置分光瞳差动共焦轴向强度曲线(24)，利用后置分光瞳差动共焦轴向强度曲线(24)能够精确定位被测样品(8)该点轴向高度信息；步骤四、计算机(34)依据后置分光瞳差动共焦轴向强度曲线(24)的零点位置控制三维工作台(10)带动被测样品(8)沿测量面法线方向运动，使测量物镜(7)的聚焦光斑聚焦到被测样品(8)上；步骤五、利用拉曼光谱探测系统(30)的拉曼光谱探测器(31)对经二向色镜A(6)透射、二向色镜B(25)透射和拉曼耦合透镜(30)收集的拉曼光谱进行探测，测得对应聚焦光斑区域的样品(8)化学键及分子结构信息；步骤六、改变平行光束(3)照明模式，激发被测样品(8)的微区解吸电离产生等离子体羽(9)；步骤七、利用LIBS光谱探测系统(26)的LIBS光谱探测器(28)对经二向色镜A(6)透射、二向色镜B(25)反射和LIBS耦合透镜(27)收集的激光诱导击穿光谱进行探测，测得对应聚焦光斑区域的样品元素组成信息；步骤八、计算机(34)将后置分光瞳差动共焦探测系统(14)测得的激光聚焦光斑位置样品高度信息、激光拉曼光谱探测系统(26)探测的激光聚焦微区的拉曼光谱信息、LIBS光谱探测系统(29)探测的激光聚焦微区的LIBS光谱信息进行融合处理，继而得到聚焦光斑微区的高度和光谱信息；步骤九、计算机(34)控制精密三维工作台(10)使测量物镜(7)焦点对准被测样品(8)的下一个待测区域，然后按步骤二～步骤八进行操作，得到下一个待测聚焦区域的高度、拉曼光谱和LIBS光谱信息；步骤十、重复步骤九直到被测样品(8)上的所有待测点均被测到，然后利用计算机(34)进行处理即得到被测样品形态信息和完整组分信息。...

【技术特征摘要】
1.后置分光瞳差动共焦拉曼、LIBS光谱显微成像方法，其特征在于：利用高空间分辨后置激光差动共焦显微系统的聚焦光斑对被测样品(8)进行轴向定焦与成像，利用拉曼光谱探测系统对共焦显微系统聚焦光斑激发被测样品(8)产生的拉曼光谱进行探测，利用激光诱导击穿光谱探测系统对后置分光瞳差动共焦显微系统聚焦光斑解吸电离样品而产生的等离子体发射光谱进行探测，然后再通过探测数据信息的融合与比对分析继而实现被测样品(8)微区高空间分辨和高灵敏形态与组分的成像与探测，包括以下步骤：步骤一、使平行光束(3)通过压缩聚焦光斑系统(4)、经分光棱镜透射(5)、二向色镜A(6)反射并由测量物镜(7)聚焦到被测样品(8)上；步骤二、使计算机(34)控制精密三维工作台(10)带动被测样品(8)沿测量面在测量物镜(7)焦点附近上下移动，经样品(8)反射的光线经过二向色镜A(6)反射、分光棱镜(5)反射后，经后置光瞳中的收集光瞳、探测物镜(13)、中继放大透镜(15)和位于中继放大透镜(15)后汇聚到二象限探测器(16)上，关于中继放大透镜(15)光轴对称放置的第一探测象限(17)和第二探测象限(18)对放大艾里斑(19)进行分割探测，得到艾里斑第一微区(20)的强度特性曲线第一离轴共焦轴向强度曲线(22)，艾里斑第二微区(22)的强度特性曲线第二离轴共焦轴向强度曲线(23)；步骤三、将第一离轴共焦轴向强度曲线(22)和第二离轴共焦轴向强度曲线(23)相减处理得到后置分光瞳差动共焦轴向强度曲线(24)，利用后置分光瞳差动共焦轴向强度曲线(24)能够精确定位被测样品(8)该点轴向高度信息；步骤四、计算机(34)依据后置分光瞳差动共焦轴向强度曲线(24)的零点位置控制三维工作台(10)带动被测样品(8)沿测量面法线方向运动，使测量物镜(7)的聚焦光斑聚焦到被测样品(8)上；步骤五、利用拉曼光谱探测系统(30)的拉曼光谱探测器(31)对经二向色镜A(6)透射、二向色镜B(25)透射和拉曼耦合透镜(30)收集的拉曼光谱进行探测，测得对应聚焦光斑区域的样品(8)化学键及分子结构信息；步骤六、改变平行光束(3)照明模式，激发被测样品(8)的微区解吸电离产生等离子体羽(9)；步骤七、利用LIBS光谱探测系统(26)的LIBS光谱探测器(28)对经二向色镜A(6)透射、二向色镜B(25)反射和LIBS耦合透镜(27)收集的激光诱导击穿光谱进行探测，测得对应聚焦光斑区域的样品元素组成信息；步骤八、计算机(34)将后置分光瞳差动共焦探测系统(14)测得的激光聚焦光斑位置样品高度信息、激光拉曼光谱探测系统(26)探测的激光聚焦微区的拉曼光谱信息、LIBS光谱探测系统(29)探测的激光聚焦微区的LIBS光谱信息进行融合处理，继而得到聚焦光斑微区的高度和光谱信息；步骤九、计算机(34)控制精密三维工作台(10)使测...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，邱丽荣，王允，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11