CN101680840B - 用于探测样品表面的光谱成像方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于探测样品(1)的表面(2)光谱成像方法和系统。该光谱成像系统包括：高倍放大或低倍放大装置，其包括物镜(5)；外壳(6)，其包括光谱仪；以及扫描装置(11)，其设置在高倍放大或低倍放大装置的物镜(5)与光谱仪之间，且能够沿两个方向X和Y扫描样品表面(2)，以照射样品表面(2)上的被扫描区域(3)。根据本发明，当在被扫描区域上扫描激发射束(8)期间，在探测装置(10)的像素上对在被扫描区域上测量的发射光束(9)的能量进行积分，产生每条像素线的平均光谱数据；存储装置(12)被连接到探测装置(10)，每条像素线的所述平均光谱数据被传送到存储装置(12)，并且所述存储装置(12)包括存储器，所述存储器能够存储M条像素线的平均光谱数据；并且成像装置(13)被连接到存储装置(12)，M条像素线的所述平均光谱数据被同时发送到所述成像装置(13)，以获得被扫描区域的平均光谱图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于探测样品表面的光谱成像方法和系统。
其在拉曼光谱法中特别有用。其可以以诸如光致发光、荧光或阴极射线发光的其他光谱形式而等效地使用。
背景技术
拉曼光谱法是一种提供与样品有关的分子特异性信息的分析技术。当单色光或辐射投射到样品上时，样品与该光相互作用。入射辐射的一部分会被样品散射。被散射的辐射可包含其中辐射频率保持不变的弹性分量以及具有改变后的频率的非弹性分量。弹性散射分量称为瑞利散射。如果非弹性分量是由与分子键的振动相互作用的光引起的，则该非弹性分量称为拉曼散射。
在M Delhaye和P Dhamelincourt的论文“Raman Microprobe andMicroscope with Laser Excitation”，Journal of Raman Spectroscopy，3(1975)，33-43以及文献FR 2253410中，描述了现有的拉曼分析装置。用来自激光器的单色光辐照样品，并且使散射光通过单色仪，以选取所产生的拉曼光谱的特定辐射。单色仪包括入射狭缝，该装置的光学系统将样品上的被照射点或线的像聚焦在该入射狭缝上。另一光学系统将该入射狭缝的像聚焦在出射狭缝上。在入射狭缝与出射狭缝之间，单色仪具有诸如衍射光栅的色散装置，该色散装置具有将入射的拉曼光谱分裂成取决于频率的角度范围的作用。出射狭缝和衍射光栅的相对定位由此在拉曼光谱中选取所关注的希望谱线。
由于拉曼光谱法的分析最小为亚微米级的尺寸的显微样品的能力，拉曼光谱法在过去的十年中得到广泛使用。在拉曼显微镜中，激发射束被导引到物镜中，并且从物镜导引信号射束，其中该物镜用作聚焦和会聚光学部件。
在文献US 7102746中描述中另一种现有技术拉曼显微镜。公开了这样的紧凑的拉曼光谱仪，其可作为附件被装配到无穷校正的光学显微镜上。为了减小光谱仪的尺寸，该光谱仪包括激光二极管、具有小孔径的小的光学部件、以及CCD探测器。
通过对样品面积或体积内的每个点测量光谱，可以在样品的二维面积或三维体积上测绘拉曼谱带的强度，从而产生样品的二维或三维拉曼图像。光谱图像可用于观测样品的组分分布。可以通过在X-Y方向上移动样品，或者使用具有垂直扫描轴的一对检流镜来移动激光光斑，实现二维光谱测绘。
然而，利用传统的CCD探测器，将数据从CCD传送到中央单元的过程很慢。即使在像素上探测到的能量具有引起短曝光时间的高强度，每秒钟也仅可获得很少的光谱。从CCD探测器到中央单元逐个光谱地发送光谱数据。要获得具有50点×50点的分辨率的拉曼图像，就需要大约两个小时。利用传统的拉曼显微镜获得拉曼光谱所需的时间极其重要。
发明内容
本发明的一个目的在于，提供这样的一种用于探测样品表面的光谱成像系统，其能够缩短获得样品表面的二维图像所需的时间。
扫描样品表面所需的时间和将数据从CCD探测器传送到成像装置所需的时间得到显著缩短。
利用这样的光谱成像系统，可以在小于10分钟内获得这样的拉曼图像，例如，其具有50点×50点的分辨率。
本发明的另一个目的在于，提供这样的一种光谱成像方法，其能够在样品表面处快速定域(localize)具有光谱特性的一个或多个元素(element)，即使所述元素的尺寸为微米量级。
该光谱成像方法可概括和应用于诸如光致发光、荧光或阴极射线发光的其他光谱方法。
为此，本发明涉及一种用于探测样品表面的光谱成像方法，其包括第一步骤a)，其中：
-用激发射束照射所述样品表面，以产生发射光，
-会聚所述发射光，以形成具有能量的发射光束，
-测量所述发射光束的所述能量，以获得所述样品表面的光谱图像。
根据本发明：
-在所述第一步骤a)中，沿两个方向X和Y在所述样品表面上扫描所述激发射束，以照射所述样品表面上的被扫描区域且测量在所述被扫描区域上的所述发射光束的所述能量，当在所述被扫描区域上扫描所述激发射束以及时间t期间对所述发射光束的所述能量进行积分，以获得所述被扫描区域的平均光谱图像，
-所述光谱成像方法还包括：
○第二步骤b)，其中对所述样品表面的一个或多个其他被扫描区域重复前面的第一步骤a)，每个被扫描区域与至少一个其他被扫描区域邻接，
○第三步骤c)，其中在测得的能量中选择一条或多条信息，
○第四步骤d)，其中，如果在所述被扫描区域中探测到至少一条选定的信息时，将一个或多个被扫描区域划分成多个更小的被扫描区域，
-将前面的步骤a)至d)应用于至少一个更小的被划分的被扫描区域。
该光谱成像方法能够快速地定域样品表面上的一个或多个元素。不处理没有探测到信息的样品区域。将处理局限于包括所述一个或多个搜索到的元素的一个或多个特征信息的样品区域。可以以高精确度快速地定域这些元素。可以在小于10分钟内获得这样的二维地图(map)，其中所有的被搜索到的且所关心的元素都被定域。
根据不同实施例，本发明还涉及以下特征，可以单独地或其所有技术上可能的组合地考虑这些特征：
-用探测装置测量所述发射光束的所述能量，所述探测装置包括多条垂直像素线和多条水平像素线，所述水平像素线中的一条为读取线，每一条像素线都包括多个像素，所述第一步骤a)的测量的操作包括以下步骤：
○e)使在时间t期间接收所述发射光束的积分能量的至少一条水平像素线的像素极化，产生在所述至少一条水平像素线中的每个像素中累积的电荷量，
○f)将极化后的水平像素线的所有像素的电荷量同时传送到所述读取线，
○g)将所述读取线的每个像素的电荷量传送到电学装置，所述电学装置能够将每个电荷量转换成电压(tension)值，
-通过存储装置控制所述步骤f)和g)，所述存储装置包括控制装置，所述存储装置控制所述像素的所述电荷量的传送速度，
-在所述步骤g)之后，所述读取线的每个像素的所述电压值被存储在所述存储装置中，所述存储装置能够存储与M条水平像素线对应的多个电压值，以及
-所述存储的与M条水平像素线对应的多个电压值被发送到成像装置，以获得所述被扫描区域的平均光谱图像。
这允许缩短在探测装置与成像装置之间的数据传送所需的时间并提高数据速度。数据速度是指通常以Hz表示的数据传送处理的速度。
可以将最多250个光谱存储在所述存储装置中并同时发送到所述成像装置。根据本发明的方法允许处理(采集步骤+数据传送)每秒钟最多250个光谱。
-在所述第二步骤b)期间，将所述第一步骤a)应用于所述样品表面的四个被扫描区域，所述四个被扫描区域邻接，
-在所述第四步骤d)期间，如果在所述四个被扫描区域中的至少一个中探测到至少一条选定的信息，则将所述四个被扫描区域中的所述至少一个划分成四个更小的被扫描区域，
-将前面的步骤a)至d)应用于所述四个更小的被划分的被扫描区域，
-所述步骤a)至g)自动实现，
-在所述步骤a)中，通过所述激发射束连续地扫描所述被扫描区域，
-用于探测样品表面的所述光谱成像方法是用于探测具有拉曼特性的样品表面的拉曼成像方法，所述激发射束是能够产生拉曼散射光的单色光束，所述拉曼散射光被会聚以形成具有能量的拉曼散射光束，所述能量被过滤和测量，以获得所述样品表面的拉曼图像。
本发明还涉及一种用于探测样品表面的光谱成像系统，其包括：
-高倍放大(microscopic)或低倍放大(macroscopic)装置，其包括物镜，
-外壳，其包括光谱仪，所述光谱仪包括：
○激发源，其能够产生入射到所述样品表面上的激发射束，从而产生发射光，
○会聚装置，其能够会聚所述发射光以形成具有能量的发射光束，
○探测装置，其能够测量所述发射光束的能量，以获得所述样品表面的光谱图像，所述探测装置包括至少一条像素线，
-扫描装置，其设置在所述高倍放大或低倍放大装置的所述物镜与所述光谱仪之间，所述扫描装置被设置在所述激发射束的光学路径中且能够沿两个方向X和Y扫描所述样品表面，以照射所述样品表面上的被扫描区域。
根据本发明：
-当在所述被扫描区域上扫描所述激发射束期间，在所述探测装置的所述像素线的像素上对在所述被扫描区域上测量的所述发射光束的能量进行积分，产生每条像素线的平均光谱数据，
-存储装置被连接到所述探测装置，每条像素线的所述平均光谱数据被传送到所述存储装置，并且所述存储装置包括存储器，所述存储器能够存储M条像素线的平均光谱数据，以及
-成像装置被连接到所述存储装置，M条像素线的所述平均光谱数据被同时发送到所述成像装置，以获得所述被扫描区域的平均光谱图像。
根据不同实施例，本发明还涉及以下特征，可以单独地或其所有技术上可能的组合地考虑这些特征：
-所述存储装置包括用于控制所述线的所述像素的所述平均光谱数据的传送速度的控制装置，
-所述存储装置是现场可编程门阵列模块(FPGA)，
-所述光谱仪是用于所述高倍放大或低倍放大装置的附件，所述外壳包括所述光谱仪，所述光谱仪可被插入所述高倍放大或低倍放大装置中且可从该高倍放大或低倍放大装置中取出，
-所述扫描装置包括两个检流镜，
-所述用于探测样品表面的光谱成像系统是用于探测具有拉曼特性的样品表面的拉曼成像系统，所述光谱仪是拉曼光谱仪，其包括：
○单色光源，其能够用单色光束照射所述样品表面，以产生拉曼散射光，
○会聚装置，其能够会聚所述拉曼散射光以形成具有能量的拉曼散射光束，以及
○过滤装置和探测装置，其能够过滤和测量所述拉曼散射光束的所述能量，以获得所述样品表面的拉曼图像。
扫描装置与探测装置的存储装置的结合能够以高精确度(50点×50点)在小于10分钟内获得诸如拉曼图像的光谱图像。获得光谱图像所需的时间显著缩短。诸如检流镜的扫描装置的使用允许缩短扫描样品表面所需的时间t。并且，诸如FPGA的存储装置的使用允许缩短将数据从探测器传送到FPGA所需的时间以及将数据从FPGA传送到成像装置所需的时间。
当应用于上述光谱成像方法以定域样品表面上的元素时，该光谱成像系统尤其有用。可以在小于10分钟内在二维图像上观测到样品表面的所有所关注的元素。
附图说明
通过以下附图示例对本发明的说明，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的光谱成像系统的示意性表示；
图2是根据本发明的一个实施例的光谱成像方法的示意性表示；
图3是根据本发明的另一实施例的光谱成像方法的示意性表示；以及
图4是根据本发明的一个实施例的光谱成像方法的测量操作的示意性表示。
具体实施方式
图1是根据本发明的一个实施例的用于探测样品1的表面2的光谱成像系统的示意性表示。
如在文献US 7102746中所述，光谱成像系统包括高倍放大或低倍放大装置(其可以为无穷远校正的显微镜)。
在无穷远校正的显微镜中，通过物镜5(其可以为透镜)对从样品1收集的可见光进行准直，并通过通常位于观察装置18内的管透镜(未示出)将该可见光形成为图像。由于在物镜5与管透镜之间使光准直，在该区域中可插入许多部件而基本不影响成像质量。
该光谱成像系统包括外壳6，该外壳6包括光谱仪。光谱成像系统的外壳6可以以不可移动的方式被明确地固定到所述高倍放大或低倍放大装置上。或者，该光谱仪可以作为是用于所述高倍放大或低倍放大装置的附件。包括光谱仪的外壳6可被插入所述高倍放大或低倍放大装置中且可从该高倍放大或低倍放大装置中取出。
光谱仪包括激发源7，该激发源7产生入射到样品表面2的激发射束8，从而产生发射光。
其可以包括安装在激发射束8的路径中的过滤装置22，用于将激发射束8导引朝向所述高倍放大或低倍放大装置的物镜5。过滤装置22选自分色镜、具有一个或多个孔的反射镜、全息滤波器、干涉滤波器以及分束器。
其包括会聚装置，该会聚装置能够会聚发射光以形成具有能量的发射光束9。光谱仪的会聚装置可以包括高倍放大或低倍放大装置的物镜5。在本发明的优选实施例中，激发射束8和发射光束9被结合到共同的光学路径中。过滤装置22将发射光束9再次导引朝向光谱仪。
在本发明的另一可能实施例中，激发射束8和发射光束9不被结合到共同的光学路径中。
光谱仪可包括分光装置19，例如色散装置、狭缝、陷波滤波器和反射镜。
光谱仪包括探测装置10，该探测装置10能够测量发射光束9的能量，以获得样品表面2的光谱图像。探测装置10可以为包括至少一条像素线的CCD探测器。
在光谱成像方法的第一步骤a)中包括用激发射束8照射样品表面2、会聚发射光、测量发射光束9的能量的操作。
CCD探测器或图像传感器(电荷耦合装置)是能够将光图形(图像)转变为电荷图像(电子图像)的电子装置。CCD由多个分立元件构成，这些分立元件具有会聚、存储和从一个元件向另一个元件传输电荷的能力。这可与硅的光敏特性一起用于设计图像传感器。每个光敏元件代表一个图片单元(像素)。利用半导体技术和设计规则，制成形成线或者像素阵列的结构。包括位于芯片边缘处的一个或多个输出放大器的电子装置17会聚来自CCD探测器的信号。可通过在已用光图形曝光传感器之后逐条线地施加脉冲序列，获得电子图像，其中所述脉冲序列将一个像素接着另一个像素的电荷传送到电子装置17。电子装置17将电荷转换成电压。外部电子部件将该输出信号转变为适于监控器或帧接收器的形式。CCD探测器具有极低的噪声指数。
该光谱成像系统包括扫描装置11，其设置在所述高倍方法或低倍放大装置的物镜5与过滤装置22之间。扫描装置11设置在激发射束8的光学路径中，并且允许沿着两个方向X和Y对样品表面2进行空间扫描，以在样品表面2上照射被扫描区域3。扫描装置11优选被包括在光谱成像系统的外壳6中。其可被包括在不同的外壳中。
在优选实施例中，被扫描区域3具有四边形形状，但可具有圆形形状或椭圆形状或另一形状。在更优选实施例中，被扫描区域3具有近似正方形形状。
扫描装置11可包括第一检流镜14a和第二检流镜14b，其各具有正交的扫描轴A1、A2。在图1的实例中，第一检流镜14a的正交扫描轴A1平行于平面(X，Y)且垂直于样品1与第一检流镜14a之间的光学路径。换句话说，第一检流镜14a的正交扫描轴A1垂直于包括图1的纸面的平面。第一检流镜14a的旋转允许根据方向X扫描样品表面2。第二检流镜14b的正交扫描轴A2相对于平面(X，Y)倾斜，且平行于包括图1的纸面的平面。第二检流镜14b的旋转允许根据方向Y扫描样品表面2。
可通过激发射束8连续地或逐步地扫描被扫描区域3。
扫描装置11可被去除，以允许高倍放大或低倍放大装置的普通用途，例如，以允许对样品1的安装和普通的光学检测。为此，所述高倍放大或低倍放大装置可包括位于扫描装置11的位置上方的白光光源20，用于照射样品1。可替代实施例中，扫描装置11可设置在光源20上方。
在其中光谱仪是用于高倍放大或低倍放大装置的附件的实施例中，包括该光谱仪的外壳6可从所述高倍放大或低倍放大装置中取出，以允许所述高倍放大或低倍放大装置的普通用途。
在图1的实例中，激发射束8被发送到反射镜21，该反射镜21反射激发射束8。经反射的激发射束8被导引到过滤装置22，该过滤装置22将激发射束8传输到第二检流镜14b。在已反射到第二检流镜14b上之后，激发射束8还被反射在第一检流镜14a上且经过高倍放大或低倍放大装置的物镜5而被导引朝向样品表面2。
激发射束8被入射到样品表面2上，且在样品表面2上被反射或被样品表面2散射，从而产生发射光(在拉曼光谱的情况下为散射光)。发射光的一部分被高倍放大或低倍放大装置的物镜5所会聚，产生导引朝向第一检流镜14a的发射光束9。发射光束9被导引朝向过滤装置22，然后被导引至光谱成像系统的光谱装置9。然后，通过探测装置10测量发射光束9的能量，产生样品表面2的光谱图像。
根据本发明的一个实施例，在沿着两个方向X、Y在被扫描区域3上激发射束8的扫描期间，在探测装置10的一个或多个像素线的像素上，在被扫描区域3上测量的发射光束9的能量被积分，产生用于像素线的平均光谱数据。平均光谱数据代表平均光谱。在时间t期间通过探测装置10，对被扫描区域3的平均光谱进行记录和积分。时间t代表积分周期。时间t为秒量级。
探测装置10包括多个垂直像素线和多个水平像素线，形成像素阵列16，如图4所示。水平像素线中的一条为读取线15。每条像素线包括多个像素。
图4是对光谱成像方法的测量操作的示意性表示。在该实例中，探测装置(其是CCD探测器)包括四条水平像素线和五条垂直像素线。探测装置10可包括更多或更少的像素线。
光谱成像方法的第一步骤a)的测量操作包括以下步骤：
e)使在时间t期间接收发射光束9的积分能量的至少一条水平像素线的像素极化，产生在所述至少一条水平像素线中的每个像素中累积的电荷量，
f)将极化后的水平像素线的所有像素的电荷量同时传送到读取线15，
g)将读取线15的每个像素的电荷量传送到电学装置17。该电学装置17能够将每个电荷量转换成电压值。
如果利用传统的CCD探测器，上述处理很慢。即使在像素上探测到的能量具有引起短曝光时间的高强度，每秒钟也仅可获得很少的光谱。该处理导致在电学装置17的输入处的瓶颈。
为了克服该缺点，光谱成像系统包括存储装置12，其被连接到探测装置10。存储装置12可以或者可以不被集成在光谱成像系统的外壳6中。
每条像素线的平均光谱数据被传送到存储装置12。存储装置12包括存储器，该存储器能够存储与M条水平像素线对应的多个电压值。在一个可能的实施例中，被扫描区域3的每个光谱被记录在水平像素线上(每个光谱一条水平像素线)。M可以为50至250条像素线之间。M优选等于250条像素线。或者，可以在像素阵列上测量光谱。在步骤g)之后，在存储装置12中存储读取线15的每个像素的电压值。
成像装置13被连接到存储装置12。成像装置13可以为连接到监控器的中央单元。所存储的与M条像素线对应的电压值被同时发送到成像装置13。其允许缩短在探测装置10与成像装置13之间的数据传送所需的时间并提高数据速度。传统上，将光谱数据逐个光谱地从探测装置10发送到成像装置13，这导致长的数据传送时间。
根据本发明的可能实施例，通过包括控制装置的存储装置12来控制步骤f)和g)。存储装置12的控制装置控制像素的电荷量的传送速度。为此，存储装置12的控制装置包括第一时钟CLK1和第二时钟CLK2。
第一时钟CLK1控制将极化后的水平像素线的所有像素的电荷量同时传送到读取线15的步骤f)。在一个时钟循环期间，极化后的水平像素线的所有像素的电荷被传送到读取线15。为此，存储装置12的控制装置向探测装置10发送脉冲。第一时钟CLK1的频率近似等于9μs/线。
第二时钟CLK2控制将读取线15的每个像素的电荷量传送到电学装置17的步骤g)。在一个时钟循环期间，读取线15的一个像素的电荷被传送到电学装置17。为此，存储装置12的控制装置向探测装置10发送脉冲。第二时钟CLK2的频率近似等于1μs/像素。
存储装置12可以是现场可编程门阵列模块(FPGA)。FPGA是包括可编程逻辑部件和可编程互连的半导体装置。可编程逻辑部件可被编程以复制诸如AND、OR、XOR、NOT的基本逻辑门的功能或者诸如解码器的更复杂的组合功能或者简单的数学功能。在多数FPGA中，这些可编程逻辑部件(或逻辑块)还包括存储器元件，其可以是简单的触发器或存储器的更完整的块。FPGA包含被可编程I/O块包围的逻辑基元的阵列。其可包含几万个逻辑基元和甚至更多的触发器。FPGA可以亚-500MHz的时钟速度运行。
或者，存储装置12可以是另一种可编程装置，例如复杂可编程逻辑装置(CPLD)。
存储装置12允许加速光谱成像系统的测量操作。其直接控制CCD探测器中的电荷的传送。
存储装置12有利地设置在CCD探测器芯片附近的CCD探测器的探头中。由于高速操作，其允许限制噪声。该光谱成像系统每秒钟最高可以处理250个光谱。
在特定实施例中，该用于探测样品1的表面2的光谱成像系统是拉曼成像系统，并且样品表面2具有拉曼特性。光谱仪为拉曼光谱仪。激发源7为单色光源7，其能够用单色光束8照射样品表面2，以产生拉曼散射光。
拉曼光谱仪包括会聚装置，该会聚装置能够会聚拉曼散射光以形成具有能量的拉曼散射光束9。会聚装置可以包括高倍放大或低倍放大装置的物镜5。
拉曼光谱仪包括分光装置19，其可包括用于使散射光束9色散的装置，例如色散光栅(未示出)。其可包括选择装置(未示出)，例如狭缝，例如，其能够选择拉曼散射光束9的能量。其可包括过滤装置(未示出)，例如陷波滤波器，其能够对拉曼散射光束9的能量进行过滤。陷波滤波器允许抵制散射光束9的瑞利辐射。
拉曼光谱仪包括探测装置10，其能够测量拉曼散射光束9的能量，以获得样品表面的拉曼图像。拉曼光谱仪的探测装置10是CCD探测器。
或者，用于探测样品1的表面2的光谱成像系统可以是光致发光成像系统或荧光成像系统或阴极射线发光成像系统。
在其中光谱成像系统是阴极射线发光成像系统的实施例中，扫描装置11包括一对分别具有两个垂直旋转轴的偏转器。用电子束溅射样品表面2，产生发射光。通过高倍放大或低倍放大装置的物镜5会聚发射光，以形成具有能量的发射光束9。
电子束的路径与通过物镜5的发射光束9的光学路径不同。
在其他上述实施例中，激发光束8的光学路径与发射光束9的光学路径相同，都在样品表面2与第二检流镜14b之间。
本发明还涉及一种探测样品1的表面2的光谱成像方法，其包括上述第一步骤a，其中用激发射束8照射样品表面2，以产生发射光。然后会聚发射光，以形成具有能量的发射光束9。并且，测量发射光束9的能量，以获得样品表面2的光谱图像。
根据本发明的可能实施例，如图2中所示，在第一步骤a)中，激发射束8沿着两个方向X和Y在样品表面2上扫描，以照射样品表面2上的被扫描区域3且测量在被扫描区域3上的发射光束9的能量。在激发射束8在被扫描区域3上的扫描期间(对应于时间t(积分周期))，对发射光束9的能量进行积分，以获得被扫描区域3的平均光谱图像。时间t为秒量级。
该光谱成像方法还包括第二步骤b)，其中对样品表面2的一个或多个其他被扫描区域3重复前面的第一步骤a)。每个被扫描区域3与至少一个其他被扫描区域3邻接。
该光谱成像方法还包括：第三步骤c)，其中在测得的能量中选择一条或多条信息；以及第四步骤d)，其中，如果在被扫描区域3中探测到至少一条选定的信息时，将一个或多个被扫描区域3划分成多个更小的被扫描区域4。例如，选定的信息可以是光谱信息，例如光谱频带或波长。例如，选定的信息可包括第一搜索到的元素的波长和第二搜索到的元素的波长。选定的信息是指在将在样品表面2上定域的一个或多个元素的特征。
将前面的步骤a)至d)应用于至少一个更小的被划分的被扫描区域4。可以重复前面的步骤a)至d)，直到达到希望的分辨率。
该光谱成像方法能够快速定域样品表面2上的一个或多个元素。不处理不包括信息的样品区域。使处理限于包括所述一个或多个搜索到的元素的一个或多个特征信息的样品区域。可以以高精确度和分辨率快速地定域这些元素。可以在小于10分钟内获得这样的二维地图，其中所有的被搜索到的元素都被定域。
当使用包括存储装置12和扫描装置11的上述光谱成像系统时，该方法尤其有效。
在图2的特定实施例中，在第二步骤b)期间，将第一步骤a)应用于样品表面2的四个被扫描区域3。这四个被扫描区域3邻接。
沿方向X选择两个被扫描区域3，并且沿方向Y选择两个被扫描区域3。更确切地说，沿方向X选择两个点，并且方向Y选择两个点。每个选定的点都被近似定域在各自的被扫描区域3的中心。
可以沿着两个方向X和Y，围绕样品表面2的每个选定的点，以+/-12.5μm的距离扫描激发射束8。获得每个都具有25μm×25μm的表面的四个被扫描区域3的图像。
判定是否这四个被扫描区域3中的一个包含希望被定域的一个或多个元素的至少一个信息特征。
如果四个被扫描区域3中的一个包含上述信息，则该被扫描区域被分成四个更小的被扫描区域4，其中两个更小的被扫描区域4沿X方向，并且两个更小的被扫描区域4沿Y方向。
可以沿着两个方向X和Y，围绕定域在每个更小的被扫描区域4的中心的点，以+/-6.25μm的距离扫描激发射束8。获得每个都具有12.5μm×12.5μm的表面的四个更小的被扫描区域4的图像。
判定是否这四个更小的被扫描区域4中的一个包含希望被定域的一个或多个元素的信息特征。
如果包含希望被定域的一个或多个元素的信息特征，则对一个或多个更小的被扫描区域4重复前面的操作。
当达到希望的精确度或当在第二步骤b)之后没有发现信息时，停止该处理。
可以将包含希望被定域的一个或多个元素的信息特征的被扫描区域3划分成多于或少于四个更小的被扫描区域4。在该处理期间划分的数目可以变化。
可以自动或手动实现用于定域元素的该光谱成像方法的步骤a)至g)。
根据本发明的另一可能实施例，如图3所示，在第二步骤b)之前执行第三步骤c)和第四步骤d)。
在其中沿着两个方向X和Y在样品表面2的被扫描区域3上扫描激发射束8的第一步骤a)之后，可以应用：第三步骤c)，其中在测得的能量中选择一条或多条信息；以及第四步骤d)，其中，如果在被扫描区域3中探测到至少一条选定的信息时，将一个或多个被扫描区域3划分成多个更小的被扫描区域4。在图3的实例中，仅仅一个被扫描区域3被扫描且被划分成四个更小的被扫描区域4。
然后应用第二步骤b)，其中对样品表面2的一个或多个其他被扫描区域3或更小的被扫描区域4重复前面的第一步骤a)。每个更小的被扫描区域4与至少一个其他更小的被扫描区域4邻接。沿两个方向X和Y在样品表面2的四个更小的被扫描区域4上扫描激发射束8。
将前面的步骤a)至d)应用于至少一个更小的被划分的被扫描区域4。可以重复前面的步骤a)至d)，直到达到希望的分辨率。
由此，如果在四个更小的被扫描区域4中的一个中探测到至少一条选定的信息时，该更小的被扫描区域4被划分成多个其他更小的被扫描区域4。
如在图2的实例中所述，可以将包含希望被定域的一个或多个元素的信息特征的被扫描区域3划分成多于或少于四个更小的被扫描区域4。在该处理期间划分的数目可以变化。
总之，扫描装置与探测装置的存储装置的结合能够以高精确度(50点×50点)在小于10分钟内获得诸如拉曼图像的光谱图像。获得光谱图像所需的时间显著缩短。诸如检流镜的扫描装置的使用允许缩短扫描样品表面所需的时间t。并且，诸如FPGA模块的存储装置的使用允许缩短将数据从探测器传送到FPGA模块所需的时间以及将数据从FPGA模块传送到成像装置所需的时间。
当应用于上述方法以定域样品表面上的元素时，该光谱成像系统尤其有用。可以在小于10分钟内在二维图像上观测到样品表面的所有所关注的元素。
Claims (11)
1.一种用于探测样品(1)的表面(2)的光谱成像方法，其包括第一步骤a)，其中：
用激发射束(8)照射所述样品表面(2)，以产生发射光，
会聚所述发射光，以形成具有能量的发射光束(9)，
测量所述发射光束(9)的所述能量，以获得所述样品表面(2)的光谱图像，
其特征在于：
在所述第一步骤a)中，利用设置在激发射束(8)的光路上的扫描装置(11)沿两个方向X和Y在所述样品表面(2)上扫描所述激发射束(8)，以照射所述样品表面(2)上的被扫描区域(3)且测量在所述被扫描区域(3)上的所述发射光束(9)的所述能量，当在所述被扫描区域(3)上扫描所述激发射束(8)以及时间t期间对所述发射光束(9)的所述能量进行积分，以获得所述被扫描区域(3)的平均光谱图像，
所述光谱成像方法还包括：
第二步骤b)，其中对所述样品表面(2)的一个或多个其他被扫描区域(3)重复前面的第一步骤a)，每个被扫描区域(3)与至少一个其他被扫描区域(3)邻接，
第三步骤c)，其中在测得的能量中选择一条或多条信息，
第四步骤d)，其中，如果在所述被扫描区域(3)中探测到至少一条选定的信息时，将一个或多个被扫描区域(3)划分成多个更小的被扫描区域(4)，以及
将前面的步骤a)至d)应用于至少一个更小的被划分的被扫描区域(4)，
其中用探测装置(10)测量所述发射光束(9)的能量，所述探测装置(10)包括多条垂直像素线和多条水平像素线，所述水平像素线中的一条为读取线(15)，每一条像素线都包括多个像素，并且所述第一步骤a)的测量的操作包括以下步骤：
e)使在时间t期间接收所述发射光束(9)的积分能量的至少一条水平像素线的像素极化，产生在所述至少一条水平像素线中的每个像素中累积的电荷量，
f)将极化后的水平像素线的所有像素的电荷量同时传送到所述读取线(15)，
g)将所述读取线(15)的每个像素的电荷量传送到电学装置(17)，所述电学装置(17)能够将每个电荷量转换成电压值，
以及其中：
通过存储装置(12)控制所述步骤f)和g)，所述存储装置(12)包括控制装置，所述存储装置(12)控制所述像素的所述电荷量的传送速度，
在所述步骤g)之后，所述读取线(15)的每个像素的所述电压值被存储在所述存储装置(12)中，所述存储装置(12)能够存储与M条水平像素线对应的多个电压值，以及
所述存储的与M条水平像素线对应的多个电压值被发送到成像装置(13)，以获得所述被扫描区域(3)的平均光谱图像。
2.根据权利要求1的用于探测样品(1)的表面(2)的光谱成像方法，其特征在于：
在所述第二步骤b)期间，将所述第一步骤a)应用于所述样品表面(2)的四个被扫描区域(3)，所述四个被扫描区域(3)邻接，
在所述第四步骤d)期间，如果在所述四个被扫描区域(3)中的至少一个中探测到至少一条选定的信息，则将所述四个被扫描区域(3)中的所述至少一个划分成四个更小的被扫描区域(4)，以及
将前面的步骤a)至d)应用于所述四个更小的被划分的被扫描区域(4)。
3.根据权利要求1的用于探测样品(1)的表面(2)的光谱成像方法，其特征在于，所述步骤a)至g)自动实现。
4.根据权利要求1的用于探测样品(1)的表面(2)的光谱成像方法，其特征在于，在所述步骤a)中，通过所述激发射束(8)连续扫描所述被扫描区域(3)。
5.根据权利要求1的用于探测样品(1)的表面(2)的光谱成像方法，其特征在于，其是用于探测具有拉曼特性的样品(1)的表面(2)的拉曼成像方法，所述激发射束(8)是能够产生拉曼散射光的单色光束，所述拉曼散射光被会聚以形成具有能量的拉曼散射光束(9)，并且所述能量被过滤和测量，以获得所述样品表面(2)的拉曼图像。
6.一种用于探测样品(1)的表面(2)的光谱成像系统，其包括：
高倍放大或低倍放大装置，其包括物镜(5)，
外壳(6)，其包括光谱仪，所述光谱仪包括：
激发源(7)，其能够产生入射到所述样品表面(2)上的激发射束(8)，从而产生发射光，
会聚装置，其能够会聚所述发射光以形成具有能量的发射光束(9)，
探测装置(10)，其能够测量所述发射光束(9)的能量，以获得所述样品表面(2)的光谱图像，所述探测装置(10)包括至少一条像素线，以及
扫描装置(11)，其设置在所述高倍放大或低倍放大装置的物镜(5)与所述光谱仪之间，所述扫描装置(11)被设置在所述激发射束(8)的光学路径中且能够沿两个方向X和Y扫描所述样品表面(2)，以照射所述样品表面(2)上的被扫描区域(3)，
其特征在于：
所述探测装置(10)包括当在所述被扫描区域(3)上扫描所述激发射束(8)期间产生平均光谱数据的装置，在所述探测装置(10)的一条或多条像素线的像素上对在所述被扫描区域(3)上测量的所述发射光束(9)的能量进行积分，产生所述像素线的平均光谱数据，
存储装置(12)，其被连接到所述探测装置(10)，每条像素线的所述平均光谱数据被传送到所述存储装置(12)，并且所述存储装置(12)包括存储器，所述存储器能够存储M条像素线的平均光谱数据，以及
成像装置(13)，其被连接到所述存储装置(12)，M条像素线的所述平均光谱数据被同时发送到所述成像装置(13)，以获得所述被扫描区域(3)的平均光谱图像。
7.根据权利要求6的用于探测样品(1)的表面(2)的光谱成像系统，其特征在于，所述存储装置(12)包括用于控制所述线的所述像素的所述平均光谱数据的传送速度的控制装置。
8.根据权利要求6或7的用于探测样品(1)的表面(2)的光谱成像系统，其特征在于，所述存储装置(12)是现场可编程门阵列模块(FPGA)。
9.根据权利要求6或7的用于探测样品(1)的表面(2)的光谱成像系统，其特征在于，所述光谱仪是用于所述高倍放大或低倍放大装置的附件，所述外壳(6)包括所述光谱仪，所述光谱仪可被插入所述高倍放大或低倍放大装置中且可从该高倍放大或低倍放大装置中取出。
10.根据权利要求6或7的用于探测样品(1)的表面(2)的光谱成像系统，其特征在于，所述扫描装置(11)包括两个检流镜(14a，14b)。
11.根据权利要求6或7的用于探测样品(1)的表面(2)的光谱成像系统，其特征在于，其是用于探测具有拉曼特性的样品(1)的表面(2)的拉曼成像系统，所述光谱仪是拉曼光谱仪，其包括：
单色光源(7)，其能够用单色光束(8)照射所述样品表面(2)，以产生拉曼散射光，
会聚装置，其能够会聚所述拉曼散射光以形成具有能量的拉曼散射光束(9)，以及
过滤装置(22)和探测装置(10)，其能够过滤和测量所述拉曼散射光束(9)的能量，以获得所述样品表面的拉曼图像。
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