本发明专利技术涉及一种双二维MEMS微镜扫描的高灵敏共焦拉曼光谱快速测量方法及装置，属于显微光谱成像技术领域。该方法利用两片二维MEMS微镜实现光束横向扫描，省去了扫描透镜和管镜，并利用二向色分光系统实现反射光和拉曼散射光的无损分离，利用反射光构建共焦显微成像系统，实现样品几何形貌的快速高空间分辨探测；利用拉曼散射光构建共焦拉曼光谱探测系统，对于表面比较平整的样品，可以进行单层扫描快速完成样品表面的拉曼光谱探测；对于表面起伏比较大的样品，可以进行逐点定焦实现拉曼光谱的高空间分辨探测。本发明专利技术具有高灵敏、测量速度快、样品适应性广(可测量表面起伏较大样品)、集成度高且结构简单等优势。集成度高且结构简单等优势。集成度高且结构简单等优势。
【技术实现步骤摘要】
双二维MEMS微镜扫描的高灵敏共焦拉曼光谱快速测量方法及装置
[0001]本专利技术属于显微光谱成像，具体涉及双二维MEMS微镜扫描的高灵敏共焦拉曼光谱快速测量方法及装置。
技术介绍
[0002]激光共焦拉曼光谱技术结合了显微分析技术与拉曼光谱分析技术，利用共焦独特的轴向响应特性可以将激光聚焦于样品表面，从而获得样品微区的分子成分、浓度、温度、应力变化等参数信息，因而被称为分子探针。并且该技术可以探测样品不同深度层面的拉曼信号，对样品进行层析扫描，从而在无损的情况下对样品进行高空间分辨光谱探测。激光共焦拉曼光谱技术因其独特的优势作为一种极其重要的物质组分分析工具，已被广泛应用于物理化学、材料科学、生物医学、地质探测、刑侦和工业自动检测等领域。
[0003]传统共焦拉曼光谱探测系统的原理如图1所示，激光光源出射的激光经过二向色分光系统反射，被物镜聚焦于样品表面，激发出携带样品光谱信息的拉曼散射光；拉曼散射光通过测量物镜收集，经二向色分光系统滤去反射光和瑞利光，由会聚镜会聚到拉曼共焦针孔处，进而通过光谱探测系统测得载有样品光谱信息的拉曼散射光谱；通过三维机械扫描系统移动被测样品，实现样品不同区域的拉曼光谱探测。
[0004]传统共焦拉曼光谱探测系统存在以下缺点：1、为了减少拉曼散射光的能量损失，保证光谱探测的灵敏度，通常选取较大尺寸的针孔进行焦点定位，针孔尺寸较大直接影响共焦轴向响应曲线的半高宽，降低系统的空间分辨力；2、传统的共焦拉曼光谱系统只能进行光谱探测，无法获取样品形貌信息；3、采用机械平移台进行扫描，扫描速度慢，耗时长；4、机械平移台体积大重量重，不利于集成化和便携化设计。上述原因限制了共焦拉曼光谱探测技术在某些领域的应用，制约了其进一步发展。
[0005]为了提高拉曼光谱的扫描速度，基于振镜的光束扫描模式被广泛采用，但是振镜系统需要delay光路调整镜面与物镜后瞳的共轭关系，delay光路需要较大的空间体积，不便于集成化，而且透镜的引入增大了光谱色差，也降低了光谱的检测效率。
[0006]综上所述，现有的共焦拉曼光谱探测方法存在诸多限制，如何用一种快速简易的方法实现高灵敏的拉曼散射光谱探测是目前研究的难点。
技术实现思路
[0007]本专利技术的目的是为克服现有技术的不足，提出了一种双二维MEMS微镜扫描的高灵敏共焦拉曼光谱快速测量方法，可以实现样品表面微区拉曼光谱的快速探测，相比于基于振镜的扫描系统，该系统省去了扫描透镜和管镜，减少了光学元件和光程，提高了拉曼光谱探测的灵敏度。并且该专利技术利用共焦拉曼光谱探测中遗弃的反射光构建共焦显微成像系统，实现样品的三维几何轮廓高分辨成像，进而实现“图谱合一”的共焦拉曼光谱高空间分辨成像与探测。
[0008]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0009]本专利技术公开了一种双二维MEMS微镜扫描的高灵敏共焦拉曼光谱快速测量方法，具体包括以下过程：
[0010]步骤一、光源系统发出的激发光束经过分光镜与二向色分光系统后，再经双二维MEMS微镜扫描系统反射，由测量物镜会聚到被测样品上，激发出载有样品微区特性的拉曼散射光和反射光；
[0011]步骤二、拉曼散射光与反射光经过测量物镜收集，沿着双二维MEMS微镜扫描系统原路返回后，被二向色分光系统分为两束，其中一束经过二向色分光系统反射到达共焦探测系统，另一束透过二向色分光系统进入共焦拉曼光谱探测系统；
[0012]步骤三、到达共焦探测系统的反射光经第三会聚镜聚焦，进入第三会聚镜焦点位置的共焦针孔，后被光电探测器接收；
[0013]当轴向扫描系统驱动测量物镜进行轴向扫描时，光电探测器得到随轴向位置变化的轴向光强响应曲线，通过轴向光强响应曲线可以实现对样品初始扫描点的轴向定焦；
[0014]步骤四、进入共焦拉曼光谱探测系统处的拉曼散射光经第一会聚镜聚焦，进入拉曼光谱收集针孔，后由第二会聚镜会聚后被光谱探测器接收，实现样品拉曼光谱的高灵敏探测；
[0015]步骤五、双二维MEMS微镜扫描系统控制第一MEMS微镜和第二MEMS微镜进行偏摆，控制测量光束在被测样品表面进行“S型”扫描，以此实现被测样品表面的横向快速扫描，从而完成样品表面拉曼光谱的快速高灵敏探测。
[0016]作为一种优选的方案：通过第一MEMS微镜和第二MEMS微镜的偏摆实现光束的横向快速扫描，并对二维MEMS微镜的偏摆角度与光束扫描角度之间的关系进行了详细表述。
[0017]作为一种优选的方案：对于表面起伏比较大的样品，可以采用逐点定焦扫描的方式获取样品高空间分辨的拉曼光谱图像，具体步骤如下：
[0018]所述步骤三、到达共焦探测系统的反射光经第三会聚镜聚焦，进入第三会聚镜焦点位置的共焦针孔，后被光电探测器接收；当轴向扫描系统驱动测量物镜进行轴向扫描时，光电探测器得到随轴向位置变化的轴向光强响应曲线，通过轴向光强响应曲线可以实现对样品的位置探测和高精度定焦；
[0019]所述步骤四、完成定焦后将测量物镜焦点移动至样品被测位置处激发拉曼散射光，拉曼散射光透过二向色分光系统后，经第一会聚镜聚焦，进入拉曼光谱收集针孔，后由第二会聚镜聚焦后被光谱探测器接收，实现高空间分辨拉曼光谱探测；
[0020]所述步骤五、双二维MEMS微镜扫描系统控制第一MEMS微镜和第二MEMS微镜进行偏摆，控制测量光束聚焦点移动至被测样品下一扫描点，重复上述步骤，直至完成样品表面设定的所有点的扫描。
[0021]作为一种优选的方案：融合共焦探测光路获取的高精度几何形貌和共焦拉曼探测光路获取的高空间分辨拉曼光谱信息可以实现样品高空间分辨的“图谱合一”成像。
[0022]本专利技术还公开了一种双二维MEMS微镜扫描的高灵敏共焦拉曼光谱快速测量装置，包括产生激发光束的光源系统、分光镜、二向色分光系统、双二维MEMS微镜扫描系统、测量物镜、轴向扫描系统、被测样品、共焦拉曼光谱探测系统、共焦探测系统以及计算机控制及显示系统；
[0023]所述光源系统包括激光器、会聚物镜、空间光滤波针孔和准直透镜，用于产生激发光束；
[0024]所述双二维MEMS微镜扫描系统包括第一MEMS微镜和第二MEMS微镜，用于进行光束的二维横向扫描；
[0025]所述轴向扫描系统与测量物镜相连接，用于驱动物镜进行轴向位移；
[0026]所述拉曼光谱探测系统包括第一会聚镜、拉曼光谱收集针孔、第二会聚镜和光谱探测器，用于进行拉曼光谱探测；
[0027]所述共焦探测系统包括第三会聚镜、共焦针孔和光电探测器，用于进行显微形貌测量和高精度轴向定焦；
[0028]所述计算机控制及显示系统与所述光源系统、双二维MEMS微镜扫描系统、轴向扫描系统、共焦拉曼光谱探测系统和共焦探测系统相连接，为整个测量装置的控制中心，用于调节激发光束的输出功率，控制MEMS微镜的扫描频率、扫描角度和扫描范围，轴向扫描系统的扫描速度、扫描步进和扫描范围，并对采集到的反射光和拉曼光谱进行处理和结果显示。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.双二维MEMS微镜扫描的高灵敏共焦拉曼光谱快速测量方法，其特征在于：具体包括以下过程：步骤一、光源系统(1)发出的激发光束经过分光镜(2)与二向色分光系统(3)后，再经双二维MEMS微镜扫描系统(4)反射，由测量物镜(7)会聚到被测样品(9)上，激发出载有样品微区特性的拉曼散射光和反射光；步骤二、拉曼散射光与反射光经过测量物镜(7)收集，沿着双二维MEMS微镜扫描系统(4)原路返回后，被二向色分光系统(3)分为两束，其中一束经过二向色分光系统(3)反射到达共焦探测系统(16)，另一束透过二向色分光系统(3)进入共焦拉曼光谱探测系统(11)；步骤三、到达共焦探测系统(16)的反射光经第三会聚镜(17)聚焦，进入第三会聚镜(17)焦点位置的共焦针孔(18)，后被光电探测器(19)接收；当轴向扫描系统(8)驱动测量物镜(7)进行轴向扫描时，光电探测器(19)得到随轴向位置变化的轴向光强响应曲线(20)，通过轴向光强响应曲线(20)可以实现对样品初始扫描点的轴向定焦；步骤四、进入共焦拉曼光谱探测系统(11)处的拉曼散射光经第一会聚镜(12)聚焦，进入拉曼光谱收集针孔(13)，后由第二会聚镜(14)会聚后被光谱探测器15接收，实现样品拉曼光谱的高灵敏探测；步骤五、双二维MEMS微镜扫描系统(4)控制第一MEMS微镜(5)和第二MEMS微镜(6)进行偏摆，控制测量光束在被测样品(9)表面进行“S型”扫描(21)，以此实现被测样品(9)表面的横向快速扫描，从而完成样品表面拉曼光谱的快速高灵敏探测。2.如权利要求1所述的双二维MEMS微镜扫描的高灵敏共焦拉曼光谱快速测量方法，其特征在于：通过第一MEMS微镜(5)和第二MEMS微镜(6)的偏摆实现光束的横向快速扫描，并对二维MEMS微镜的偏摆角度与光束扫描角度之间的关系进行了详细表述。3.如权利要求1所述的双二维MEMS微镜扫描的高灵敏共焦拉曼光谱快速测量方法，其特征在于：对于表面起伏比较大的样品，可以采用逐点定焦扫描的方式获取样品高空间分辨的拉曼光谱图像，具体步骤如下：所述步骤三、到达共焦探测系统(16)的反射光经第三会聚镜(17)聚焦，进入第三会聚镜(17)焦点位置的共焦针孔(18)，后被光电探测器(19)接收；当轴向扫描系统(8)驱动测量物镜(7)进行轴向扫描时，光电探测器(19)得到随轴向位置变化的轴向光强响应曲线(20)...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，张国卓，邱丽荣，崔晗，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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