CN103234633A - 一种显微角分辨光谱测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种显微角分辨光谱测量装置，利用傅立叶变换器件，至少包括一个带有照明系统的显微镜、一根光纤，一个精密平移针孔和一个光谱仪，角分辨光谱测量由下述部件实现：将所述的显微镜的物镜当作一种傅里叶变换器件，形成光的角度和焦平面上空间位置的对应关系，光谱仪通过光纤连接至物镜焦平面上的针孔处，通过移动针孔的位置，获得不同角度的光谱信息；采用共焦照明系统对样品进行照明，或者，在图像平面上利用图像针孔进行空间滤波，或者，采用共焦照明系统和在图像平面上利用图像针孔进行空间滤波，获得样品上微米或纳米尺度区域的光谱信息。本发明可应用于微纳光学领域如光子晶体、薄膜材料、LED等的显微角分辨光谱检测。

Description

一种显微角分辨光谱测量装置

技术领域

本发明涉及一种光谱测量装置，尤其是一种显微角分辨光谱测量装置。

背景技术

传统的光谱测量装置一般是对样品形成宏观尺度的照明，然后对产生的透射或反射光进行检测。因而只能提供样品的大范围的整体平均特性，很难了解和分辨在局部微小区域（微米或纳米尺度）的样品信息。

在光子晶体、薄膜材料、LED等微纳光学材料的研究领域中，人们通常利用光与材料相互作用后的透射或反射光谱来了解材料内部信息。由于微纳光学材料一般具有各向异性的性质，不同方向的光谱信息各不相同，这时就需要使用具有角度分辨能力的光谱测量装置进行光谱检测，以得到不同角度对应的光谱信息。然而传统的光谱测量装置往往不具备角度光探测的能力。

另一方面，微纳光学材料的结构尺寸是在微米或纳米量级，因此研究微纳光学材料的光谱测量装置还要求具有很高的空间分辨能力，能够探测微米或纳米尺度区域发出的光的光谱。

针对这些问题，需要推出一种显微角分辨光谱测量装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种显微角分辨光谱测量装置，它能够测量微米或纳米尺度区域发出的不同角度的光谱。

本发明的再一目的是提供上述显微角分辨光谱测量方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种显微角分辨光谱测量装置，利用傅立叶变换器件，至少包括一个带有照明系统的显微镜、一根光纤，一个精密平移针孔和一个光谱仪，被照射的样品的反射光经显微镜的物镜进入检测光路，其中：

角分辨光谱测量由下述部件实现：将所述的显微镜的物镜当作一种傅里叶变换器件，将样品表面发出的不同角度的光成像到物镜后端的第一焦平面的不同位置处，形成光的角度和焦平面上空间位置的对应关系，通过消色差的成像透镜组将第一焦平面成像至远离物镜的第二焦平面处，在第二焦平面上加载一个精密平移针孔，光谱仪通过光纤连接至针孔处，通过移动针孔的位置，获得不同角度的光谱信息；

显微光谱测量通过以下部件实现：采用共焦照明系统对样品进行照明以获得显微光谱；或者，在与通过物镜、成像透镜组成像形成的光学共轭面为显微镜的物镜图像平面二上利用图像针孔进行空间滤波以获得显微光谱；或者，采用共焦照明系统和在图像平面二上利用图像针孔进行空间滤波获得显微光谱。

角分辨光谱的检测原理是利用傅立叶变换器件，将样品发出的不同角度的光分解到不同空间位置，再通过空间扫描部件，将样品各角度发射光采集至光谱仪，从而得到各个不同角度的光谱信息。本发明将显微镜的物镜当作一种傅里叶变换器件，它可以将样品表面发出的不同角度的光成像到物镜后端的第一焦平面的不同位置处，形成角度和焦平面上空间位置的对应关系。理论上，记录第一焦平面上不同位置的光谱就能获得样品发出的角分辨光谱的信息。但由于第一焦平面紧贴物镜，而且物镜后端还需要引入照明光源等多种光路，一般不直接从第一焦平面上直接进行光谱测量，而是通过消色差的透镜组将第一焦平面成像至远离物镜的第二焦平面处。同时，为了匹配成像光谱仪的输入数值孔径，这个透镜组还需要将物镜的数值孔径修正至接近成像光谱仪的输入数值孔径。在第二焦平面上加载一个能精确控制位置的精密平移针孔，光谱仪通过光纤连接至针孔处，通过移动针孔的位置，就能获得不同角度的光谱信息，达到测量角分辨光谱的目的。

为了测量样品上微米或纳米尺度的微小区域的显微角分辨光谱，在上述方案基础上，所述的共焦照明系统包括一个激光光源，一个透镜和一个光源针孔，所述的激光光源发出的光束经过透镜汇聚至光源针孔，成为一个点光源，所述的光源针孔位于显微镜物镜的图像平面一上，该图像平面一是样品通过显微镜的物镜成像形成的光学共轭面，包含了样品的全部图像信息，并和样品具有点与点的对应关系，所述图像平面一上的点光源发出的光经过设在第一焦平面与成像透镜组之间的分束器和显微镜的物镜后，汇聚在样品的对应点上，形成微米或纳米尺度的照明光斑，通过调节光源针孔的大小和其在图像平面一上的位置，实现对样品表面不同位置处的不同大小的区域的照明，而此区域外的样品由于未被照明，不会产生干扰光进入检测光路，从而得到样品上微小区域的光谱信息，其中，所述的照明光斑的直径为：

，

其中

为激光波长，NA为显微镜物镜的数值孔径。

例如用514纳米的激光照射，采用100倍的物镜（数值孔径为0.9）时，光斑直径为697纳米。通过调节光源针孔的大小和其在图像平面上的位置，可以实现对样品表面不同位置处的不同大小的微小区域的照明，而此区域外的样品由于未被照明，不会产生干扰光进入检测光路，从而得到样品显微角分辨光谱。

对光子晶体这样的具有微米量级周期结构的材料进行光谱测量时，为了得到光子晶体的周期性质对光谱的影响，我们不能使用共焦照明方式只对样品局部进行照明，而必须对样品整体进行照明。这种情况下为了获得样品的显微角分辨光谱，通过在所述的图像平面二上采用精密平移的图像针孔进行空间滤波以获得样品上微小区域的光谱信息。

在显微镜的图像平面上放置一个针孔进行空间滤波，同样，利用了图像平面与样品面的点——点对应关系。由于显微镜具有对样品放大成像的作用，例如通过50倍物镜的显微镜，样品在显微镜的图像平面上所成的像是原样品大小的50倍，即样品面和图像面的比例为1：50。假设图像平面上的针孔大小为100微米，则其在样品上对应区域的大小为2微米。由于图像平面上针孔的空间滤波作用，样品上只有这2微米的区域发出的光可以通过针孔，进入后续的检测光路，从而得到样品上微米或纳米尺度区域的显微角分辨光谱。

在某些场合，为了得到更加精确的显微角分辨光谱，所述的显微角分辨光谱测量装置中采用共焦照明系统和图像平面上针孔进行空间滤波两种方法相结合的方式，即采用共焦照明系统和在图像平面二上利用图像针孔进行空间滤波获得显微光谱，所述的图像针孔与共焦照明系统中的光源针孔处于同一个共轭位置。

采用共焦照明的方式对样品进行照明，同时在显微镜的图像平面上通过针孔进行空间滤波，并使光源针孔与图像针孔处于同一个共轭位置。这样就可以得到精确度更高的显微角分辨光谱。

本发明还提供了上述显微角分辨光谱测量装置的检测方法。

本发明的优越性在于：不但具有角度光探测的能力，能够测量不同角度的光谱；同时它具有显微探测的特性，能够检测样品微米或纳米尺度区域发出的角度光谱信息。可以应用于光子晶体、薄膜材料、LED等微纳光学材料的显微角分辨光谱检测。

附图说明

图1是本发明提供的一种显微角分辨光谱测量装置的第一实施例的示意图；

图2是本发明提供的一种显微角分辨光谱测量装置的第二实施例的示意图；

图3是本发明提供的一种显微角分辨光谱测量装置的第三实施例的示意图；

图中标记说明：

1——显微镜；      2——光纤；

3——精密平移针孔；

4——光谱仪；

5——共焦照明系统；

6——激光光源；    7——透镜；    8——光源针孔；

9——样品；

10——物镜；

11——第一焦平面；

12——分束器；

13——成像透镜组；

14——第二焦平面；

15——图像平面一；

16——图像平面二；

17——图像针孔。

具体实施方式

实施例1

本发明提供一种显微角分辨光谱的测量装置的第一实施例如图1所示。

一种显微角分辨光谱测量装置，利用傅立叶变换器件，包括一个带有共焦照明系统5的显微镜1、一根光纤2，一个精密平移针孔3，和一个光谱仪4，被照射的样品9的反射光经显微镜的物镜10进入检测光路，其中：所述的显微镜的物镜10当作一种傅里叶变换器件，将样品9表面发出的不同角度的光成像到显微镜的物镜10后端的紧贴物镜的第一焦平面11的不同位置处，形成角度和焦平面上空间位置的对应关系，通过消色差的成像透镜组13将第一焦平面11成像至远离物镜的第二焦平面14处，在第二焦平面14上加载一个精密平移针孔3，光谱仪4通过光纤2连接至针孔处，通过移动针孔的位置，获得不同角度的光谱信息。

本实施例显微角分辨光谱测量装置的检测方法为：其由激光光源6发出的光束经过透镜7后，汇聚至一个光源针孔8处，形成一个点光源。光源针孔8位于显微镜物镜的图像平面一15上。点光源发出的光经过分束器12和显微镜物镜10后，汇聚于样品9上，形成一个微米或纳米尺度的照明光斑。此光斑在样品上产生的不同角度的反射光通过显微镜物镜10汇聚于物镜第一焦平面11的不同位置。第一焦平面11通过一组成像透镜组13，成像于远离物镜的第二焦平面14处。第二焦平面14上的不同位置对应于样品9微小光斑处发出的不同角度的光。在第二焦平面14处加载一个精密平移针孔3。光谱仪4通过光纤2连接至精密平移针孔3。通过移动针孔3的位置，光谱仪4就可检测到由样品9上照明光斑处的微小区域发出的不同角度的光谱信息。样品上其他区域由于没有被照明，不会产生干扰光进入角分辨光路，从而实现了显微角分辨光谱测量。调节光源针孔8的大小和在图像平面15上的位置，可以实现对样品上不同位置处的不同大小的微小区域的照明，从而测得样品的显微角分辨光谱。

实施例2

本发明提供一种显微角分辨光谱的测量装置的第二实施例如图2所示。与实施例1不同处是采用传统的照明系统，对样品宏观均匀照明，所述的样品9通过显微镜的物镜10、成像透镜组13成像形成的光学共轭面为显微镜的物镜图像平面二16，在所述的图像平面二16上采用精密平移针孔的图像针孔17进行空间滤波，其他与实施例1相同。其采用了图像平面上的针孔进行空间滤波的方式得到显微角分辨光谱。

检测方法是：在显微镜的图像平面二16处放置一个精密平移的图像针孔17，其对应了样品9某一微米或纳米尺度的微小区域，只有这一微小区域发出的光可以通过针孔进入后续的光谱检测光路；样品其他区域发出的光都被滤除。此微小区域产生的不同角度的光通过显微镜物镜10汇聚于物镜第一焦平面11的不同位置；第一焦平面11通过一组成像透镜组13，成像于远离物镜的第二焦平面14处；第二焦平面14上的不同位置对应于样品微小区域发出的不同角度的光；在第二焦平面14处加载一个精密平移针孔3；光谱仪4通过光纤2连接至精密平移针孔3，通过移动针孔3的位置，光谱仪4就可检测到由样品微区发出的不同角度的光谱信息。调节图像针孔17的大小和在物镜的图像平面二16上的位置，可以得到样品上不同位置处的不同大小的区域的显微角分辨光谱。

实施例3

本发明提供一种显微角分辨光谱的测量装置的第三实施例如图3所示。所述的显微镜1的照明系统为共焦照明系统，由激光光源6发出的光束经过透镜7后，汇聚至一个光源针孔8处，所述的光源针孔8位于显微镜物镜的图像平面一15上，使光源针孔8与所述精密平移的图像针孔17处于同一个共轭位置，其他与实施例1相同。本实施例对样品9采用共焦照明的方式，同时在图像平面二16上的放置针孔进行空间滤波的方式得到更加精确的显微角分辨光谱。

检测方法是：

由激光光源6发出的光束经过透镜7后，汇聚至一个光源针孔8处，形成一个点光源，光源针孔8位于显微镜物镜的图像平面一15上。点光源发出的光经过分束器12和显微镜物镜10后，汇聚于样品9上，形成一个微米或纳米尺度的照明光斑；在显微镜的图像平面二16处放置一个可精密平移的图像针孔17，此针孔与光源针孔8位于图像平面上的同一个共轭位置，故样品上的微小照明光斑处的反射光可以通过图像针孔17，进入后续的检测光路，而样品其他部位的光被图像针孔17滤除，确保了显微光谱的精确性。第一焦平面11通过一组成像透镜组13，成像于远离物镜的第二焦平面14处；第二焦平面14上的不同位置对应于样品9微小光斑处发出的不同角度的光；在第二焦平面14处加载一个精密平移针孔3；光谱仪4通过光纤2连接至精密平移针孔3；通过移动针孔3的位置，光谱仪4就可检测到由样品9上的微小区域发出的不同角度的光谱信息。这样通过对样品的共焦照明和图像平面针孔滤波的作用，得到了样品更加精确的显微角分辨光谱。

本发明提供的三种实施例可根据实际情况分别采用。

Claims (7)

1.一种显微角分辨光谱测量装置，利用傅立叶变换器件，至少包括一个带有照明系统的显微镜（1）、一根光纤（2），一个精密平移针孔（3）和一个光谱仪（4），其特征在于：

角分辨光谱测量由下述部件实现：将所述的显微镜的物镜（10）当作一种傅里叶变换器件，将样品（9）表面发出的不同角度的光成像到物镜后端的第一焦平面（11）的不同位置处，形成光角度和焦平面上空间位置的对应关系，通过消色差的成像透镜组（13）将第一焦平面（11）成像至远离物镜的第二焦平面（14）处，在第二焦平面（14）上加载一个精密平移针孔（3），光谱仪（4）通过光纤（2）连接至针孔处，通过移动针孔的位置，获得不同角度的光谱信息；

显微光谱测量通过以下部件实现：采用共焦照明系统（5）对样品（9）进行照明以获得显微光谱；或者，在与通过物镜（10）、成像透镜组（13）成像形成的光学共轭面为显微镜的物镜图像平面二（16）上利用图像针孔（17）进行空间滤波以获得显微光谱；或者，采用共焦照明系统（5）和在图像平面二（16）上利用图像针孔进行空间滤波获得显微光谱。

2.根据权利要求1所述的一种显微角分辨光谱测量装置，其特征在于：所述的共焦照明系统（5）包括一个激光光源（6），一个透镜（7）和一个光源针孔（8），所述的激光光源（6）发出的光束经过透镜（7）汇聚至光源针孔（8），成为一个点光源，所述的光源针孔（8）位于显微镜物镜的图像平面一（15）上，该图像平面一（15）是样品（9）通过显微镜的物镜（10）成像形成的光学共轭面，包含了样品（9）的全部图像信息，并和样品（9）具有点与点的对应关系，所述图像平面一（15）上的点光源发出的光经过设在第一焦平面（11）与成像透镜组（13）之间的分束器（12）和显微镜的物镜（10）后，汇聚在样品（9）的对应点上，形成微米或纳米尺度的照明光斑，通过调节光源针孔（8）的大小和其在图像平面一（15）上的位置，实现对样品（9）表面不同位置处的不同大小的区域的照明，而此区域外的样品由于未被照明，不会产生干扰光进入检测光路，从而得到样品上微小区域的光谱信息，其中，所述的照明光斑的直径为：

，

其中

为激光波长，NA为显微镜物镜的数值孔径。

3.根据权利要求1所述的一种显微角分辨光谱测量装置，其特征在于：在所述的图像平面二（16）上采用精密平移的图像针孔（17）进行空间滤波以获得样品上微小区域的光谱信息。

4.根据权利要求1所述的一种显微角分辨光谱测量装置，其特征在于：采用共焦照明系统（5）和在图像平面二（16）上利用图像针孔（17）进行空间滤波获得显微光谱，所述的图像针孔（17）与共焦照明系统（5）中的光源针孔（8）处于同一个共轭位置。

5.根据权利要求1和2所述的一种显微角分辨光谱测量装置的检测方法，将样品（9）至于样品台上，其特征在于： 

采用共焦照明获得照明光斑：由激光光源（6）发出的光束经过透镜（7）后，汇聚至光源针孔（8）处，形成一个点光源，点光源发出的光经过分束器（12）和物镜（10）后，汇聚于样品（9）上，形成的照明光斑为一个微米或纳米尺寸的微小光斑；

显微角分辨光谱测量：上述的微小光斑在样品（9）上产生不同角度的反射光通过显微镜物镜（10）汇聚于第一焦平面（11）的不同位置，第一焦平面（11）通过一组成像透镜组（13），成像于远离物镜（10）的第二焦平面（14）处，第二焦平面（14）上的不同位置对应于样品（9）微小光斑处发出不同角度的光，通过移动精密平移针孔（3）的位置，光谱仪（4）检测到由样品（9）上微小光斑发出的不同角度的光谱信息，而样品上其他区域由于没有被照明，不会产生干扰光进入角分辨光路，实现显微角分辨光谱测量；

通过调节光源针孔（8）的大小和在图像平面一（15）上的位置，实现对样品上不同位置处的不同大小的微小区域的照明，从而测得样品的显微角分辨光谱。

6.根据权利要求1和3所述的一种显微角分辨光谱测量装置的检测方法，将样品（9）至于样品台上，其特征在于：

某一特定微小区域的角分辨光谱测量：所述的显微镜（1）光源采用传统照明系统，对样品进行宏观均匀照明，在显微镜的图像平面二（16）处平移图像针孔（17），其对应了样品（9）某一微米或纳米尺度的微小区域，该微小区域发出的光通过图像针孔（17）进入后续的光谱检测光路，而样品（9）其他区域发出的光被滤除，此微小区域产生的不同角度的光通过物镜（10）汇聚于紧贴物镜（10）的第一焦平面（11）的不同位置，第一焦平面（11）通过成像透镜组（13），成像于远离物镜（10）的第二焦平面（14）处，第二焦平面（14）上的不同位置对应于样品（9）该微小区域发出的不同角度的光，通过移动精移平移针孔（3）的位置，光谱仪（4）检测到由样品（9）该微小区域发出的不同角度的光谱信息；

通过调节图像针孔（17）的大小和在图像平面二（16）上的位置，得到样品（9）不同位置处的不同大小的微小区域的显微角分辨光谱。

7.根据权利要求1和4所述的一种显微角分辨光谱测量装置的检测方法，将样品（9）至于样品台上，其特征在于：所述的显微镜（1）光源为共焦照明系统，对所述的样品（9）进行共焦照明，在样品（9）上获得照明光斑，同时在所述的图像平面二（16）上利用图像针孔（17）进行空间滤波，其中，

某一特定微小区域的角分辨光谱测量：由激光光源（6）发出的光束经过透镜（7）汇聚至光源针孔（8）处形成点光源，点光源发出的光经过分束器（12）和物镜（10）后，汇聚于样品（9）上，形成的照明光斑为一个微米或纳米尺寸的微小光斑，在显微镜的图像平面二（16）处放置一个图像针孔（17），此图像针孔（17）与光源针孔（8）位于图像平面上的同一个共轭位置，使样品（9）上的微小光斑处的反射光通过图像针孔（17）进入后续的检测光路，而样品其他部位的光被图像针孔（17）滤除，此微小光斑产生的不同角度的光通过物镜（10）汇聚于紧贴物镜（10）的第一焦平面（11）的不同位置，第一焦平面（11）通过成像透镜组（13）成像于远离物镜（10）的第二焦平面14处，第二焦平面14上的不同位置对应于样品（9）微小光斑处发出的不同角度的光，通过平移精密平移针孔（3）的位置，光谱仪（4）检测到由样品（9）上的该微小光斑发出的不同角度的光谱信息，实现对样品某一特定微小区域的角分辨光谱测量；

通过调节光源针孔（8）的大小和在图像平面一（15）上的位置，以及调节图像针孔（17）的大小和在图像平面二（16）上的位置，保持图像针孔（17）与光源针孔（8）位于图像平面上的同一个共轭位置，得到样品（9）不同位置处的不同大小的微小区域的显微角分辨光谱。

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