后置分光瞳激光差动共焦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激光差动共焦LIBS光谱显微成像方法与装置，属于共焦显微成像和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激光诱导击穿光谱探测技术结合，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的激光诱导击穿光谱进行微区光谱探测，利用LIBS光谱探测和后置分光瞳差动共焦探测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。

Laser Differential Confocal LIBS Spectroscopic Microscopic Imaging Method and Device for Post-Splitting Pupil

The invention discloses a post-splitting pupil laser differential confocal LIBS spectral microimaging method and device, which belongs 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 the laser-induced breakdown spectrum detection technology, uses the micro-focus spot of the post-splitting pupil differential confocal microscopy processed by the super-resolution technology to perform high spatial resolution morphological imaging of the sample, and uses the spectral detection system to detect the micro-area spectrum of the laser-induced breakdown spectrum excited by the focus spot. High spatial resolution and high sensitivity imaging and detection of the complete component information and morphological parameters in the sample microarea are realized by the fusion of LIBS spectral detection and post-splitting pupil differential confocal detection structure. 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】
后置分光瞳激光差动共焦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、光谱成像技术
，将后置分光瞳激光差动共焦显微成像技术与激光诱导击穿光谱成像技术技术相结合，涉及一种后置分光瞳激光差动共焦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，是一种有力的样品组份探测技术手段。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)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；而矿产、空间物质以及生物样品的“微区”形貌和组分信息的准确获取对于科学研究和生产检测都具有极其重要的意义。事实上，如何高灵敏地探测微区成分信息是目前矿产分析、生化检测等领域亟待研究的重要技术问题。后置分光瞳激光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激光差动共焦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激光差动共焦显微技术与激光诱导击穿光谱(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激光差动共焦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激光诱导击穿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激光差动共焦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激光差动共焦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，利用激光诱导击穿光谱探测系统对后置分光瞳激光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、使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在测量物镜焦点附近上下移动，经样品反射的光线经过二向色镜A反射得到返回光束、返回光束经过分光棱镜反射后，经后置光瞳中的收集光瞳滤波后形成后置分光瞳测量光束、后置分光瞳测量光束经过探测物镜、中继放大透镜和位于中继放大透镜后汇聚到二象限探测器上，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后置分光瞳激光差动共焦轴向强度曲线，利用后置分光瞳激光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激光差动共焦轴向强度曲线的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7的聚焦光斑聚焦到被测样品上；步骤五、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；步骤六、利用LIBS光谱探测系统的LIBS光谱探测器对经二向色镜A透射和LIBS耦合透镜收集的激光诱导击穿光谱信号光束进行探测，测得对应聚焦光斑区域的样品元素组成信息；步骤七、计算机将后置分光瞳激光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和LIBS光谱探测系统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；步骤八、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～步骤七进行操作，得到下一个待测聚焦区域的高度和光谱信息；步骤九、重复步骤八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态信息和完整组分信息。本专利技术的后置分光瞳激光差动共焦LIBS光谱显微成像方法，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。本专利技术的后置分光瞳激光差动共焦LIBS光谱显微成像方法，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。本专利技术的后置分光瞳激光差动共焦LIBS光谱显微成像方法，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。本专利技术的后置分光瞳激光差动共焦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LIBS光谱测量系统，分光棱镜反射方向的后置分光瞳激光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激光差动共焦LIBS光谱显微成像装置，后置分光瞳激光差动共焦探测模块任选以下两种方式实现：方式一，后置分光瞳激光差动共焦探测模块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：后置分光瞳激光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。本专利技术的后置分光瞳激光差动共焦LIBS光谱显微成像装置，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，在后置分光瞳激光差动共焦探测系统中引入探测光束衰减器。由出射光束衰减器和探测光束衰减器构成光强调节系统，用于衰减聚焦光斑和二象限探测器探测的光斑强度，以适应样品表面定位时的光强强度需求。有益效果：1)通过后置分光瞳激光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，能够抑制现有光谱仪因长时间光谱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，实现激光诱导击穿光谱组分成像探测和后置分光瞳差动共焦技术的形貌探测的优势互补和结构功能融合，能够同时获得微区形貌组分信息；3)利用后置分光瞳激光差动共焦曲线的“过零点”进行样品预先定焦，使最小聚焦光斑聚焦到样品表面，能够实现样品微区高空间分辨光谱探测和微区显微成像，有效地发挥后置分光瞳激光差动共焦系统高空间分辨的潜能；4)利用压缩聚焦光斑技术，能够提高激光光谱仪的空间分辨能力；5)由于采用分割焦斑的方法来获取信号，能够通过改变在系统探测焦面上所设置微小区域的参数以匹配不同样品的反射率，从而能够扩展其应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.后置分光瞳激光差动共焦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样品(8)进行轴向定焦与成像，利用激光诱导击穿光谱探测系统对后置分光瞳激光差动共焦显微系统聚焦光斑解吸电离样品(8)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，经被测样品(8)反射的光线经过二向色镜A(6)反射得到返回光束(27)、返回光束(27)经过分光棱镜(5)反射后，经后置光瞳中的收集光瞳滤波后形成后置分光瞳测量光束(28)、后置分光瞳测量光束(28)经过探测物镜(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激光差动共焦轴向强度曲线(24)，利用后置分光瞳激光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)依据后置分光瞳激光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、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)；步骤六、利用LIBS光谱探测系统(29)的LIBS光谱探测器(31)对经二向色镜A(6)透射和LIBS耦合透镜(30)收集的激光诱导击穿光谱信号光束(25)进行探测，测得对应聚焦光斑区域的样品(8)元素组成信息；步骤七、计算机(34)将后置分光瞳激光差动共焦探测系统(14)测得的激光聚焦光斑位置样品高度信息、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；步骤八、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～步骤七进行操作，得到下一个待测聚焦区域的高度和光谱信息；步骤九、重复步骤八直到被测样品(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(8)形态信息和完整组分信息。...

【技术特征摘要】
1.后置分光瞳激光差动共焦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样品(8)进行轴向定焦与成像，利用激光诱导击穿光谱探测系统对后置分光瞳激光差动共焦显微系统聚焦光斑解吸电离样品(8)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，经被测样品(8)反射的光线经过二向色镜A(6)反射得到返回光束(27)、返回光束(27)经过分光棱镜(5)反射后，经后置光瞳中的收集光瞳滤波后形成后置分光瞳测量光束(28)、后置分光瞳测量光束(28)经过探测物镜(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激光差动共焦轴向强度曲线(24)，利用后置分光瞳激光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)依据后置分光瞳激光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、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)；步骤六、利用LIBS光谱探测系统(29)的LIBS光谱探测器(31)对经二向色镜A(6)透射和LIBS耦合透镜(30)收集的激光诱导击穿光谱信号光束(25)进行探测，测得对应聚焦光斑区域的样品(8)元素组成信息；步骤七、计算机(34)将后置分光瞳激光差动共焦探测系统(14)测得的激光聚焦光斑位置样品高度信息、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；步骤八、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～步骤七进行...

【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