CN103884703B - 分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分光瞳激光差动共焦布里渊‑拉曼光谱测量方法及装置，属于显微光谱成像技术领域。通过利用共焦拉曼光谱探测中遗弃的瑞利散射光构建分光瞳共焦显微成像系统来实现样品三维几何位置的高分辨成像，并利用分光瞳差动共焦显微成像装置的“过零点”与其焦点精确对应这一特性来控制光谱探测器精确捕获物镜聚焦点处激发的拉曼光谱信息，进而实现对样品微区几何位置与光谱信息的高精度探测即“图谱合一”的高空间分辨探测，并同时达到分辨能力和量程范围的有效兼顾；利用共焦拉曼光谱探测技术和共焦布里渊光谱探测技术优势互补的特点，设计拉曼光谱和布里渊光谱同时探测的共焦光谱探测方案，实现材料多性能参数的综合测量与解耦。
Description
技术领域
本发明属于显微光谱成像技术领域，涉及一种分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量方法及装置，将差动共焦显微技术与光谱探测技术相结合，构成一种“图谱合一”的高分辨光谱成像与探测方法及装置，可用于样品的微区多光谱、多性能参数综合测试与高分辨成像。
背景技术
光射现象广泛存在于光与粒子的作用过程中，即当一束光通过介质时，介质粒子受光波的作用，从一个量子态跃迁到另一个量子态，并同时辐射出散射波，不同的能级跃迁方式分别产生了瑞利、反斯托克斯和斯托克斯散射，通常根据入射光波长改变量将光散射分为：瑞利散射、拉曼散射及布里渊散射。三种散射中的瑞利散射信号最强，布里渊散射信号次之，拉曼散射信号最弱。
其中，瑞利散射是因为介质内部质点的排列存在着一定的随机起伏，从而导致物质的电性能参数产生相应的变化，于是对入射到介质中的光信号产生散射。瑞利散射的特点为：散射光强度与入射光波长的四次方成反比，散射光强随观察方向而改变，散射光的偏振度与观察方向有关，散射光频率与入射光相同，且在散射前后原子或分子内能不发生变化。
拉曼光谱是由分子内部振动而引起的散射光谱，拉曼光谱与原子的性质、空间位形及原子之间或与外界的相互作用等因素有关，因此，不同物质会有其各自的特征拉曼光谱即“指纹谱”，通过测得的拉曼散射光谱的频移、强度、线形以及偏振状态变化等信息，来获得材料的成分、微结构和内部运动信息等，继而实现材料成分、应力、温度、异物的测量。与其他光谱相比，拉曼光谱有其独特的优点：①用于拉曼散射光谱检测的样品没有任何特殊的制备要求，如对形状和大小的要求低，不需透明，也不需是研磨粉碎，并且可以在固体、液体、溶液、气体等物理状态下测量，并且拉曼散射采用光子探针，对于样品无损伤探测，因而，拉曼光谱检测在材料科学、物理科学领域应用广泛；②对样品数量的要求比较少，可以用于对毫克甚至微克的数量级的样品进行检测，使得拉曼光谱技术成为地质矿产、法庭科学及刑侦科学等领域研究的有力工具；③水对拉曼光谱信号基本上是没有影响的，因此可直接检测含水样品或水溶液样品 的拉曼光谱，比较适于对生物样品的测试，甚至可以用拉曼光谱检测活体中的生物物质，优于红外光谱技术。
布里渊散射光谱是由光波与介质中的声学声子发生相互作用而产生的一种散射光谱，是由分子的弹性振动(外振动和转动)而引起的散射，布里渊散射是以光为探针测量物质中声子、自旋波等多种元激发的重要手段。①当光与物质的声学声子相互作用时，声子的湮灭和产生分别对应着引起光能增大或减小，通过测量这种光子能量的变化可以得到声子能量的信息，进一步分析便可得出物质的弹性和压电等性质，在材料性质的研究中得到了很多应用，如各种透明不透明材料、层状薄膜材料、金属材料、磁性薄膜材料等。②与拉曼散射信号的低强度，敏感物理量少不同，布里渊散射由于可感测的物理量多，信号强度较大，且具有传感灵敏度高、动态范围大、传感距离长、响应时间短、空间分辨率及测量精度高等优势，在光纤传感技术、海洋监测、激光雷达、光通信等领域中有着广泛的应用。
因此可以利用拉曼散射和布里渊散射技术提出一种新的同时探测温度和应力的方法。2005年M.N.Alahbabi等人利用拉曼散射和布里渊散射技术提出一种新的同时探测温度和应力的方法，该方法利用拉曼散射技术探测温度，进而可以直接从混杂应力和温度信息的布里渊频移中获得应力，从而实现测量温度和应力的同步测量；2009年Marcelo A.Soto等人利用多纵模激光器同时进行分布式应力和温度传感的探测，运用法布里珀罗激光器在布里渊-拉曼混合系统中进行应力及温度的测试；2010年Fuchang Chen等人利用M.N.Alahbabi等人提出的方法，设计了可以同时探测温度和应力的系统，该系统在布里渊时域反射系统的基础上又添加拉曼散射模块来测量温度，从而实现同时测量温度和应力；2010年Mohammad Belal等人利用拉曼散射技术和布里渊技术实现了温度和应力同步高分辨测试，通过布里渊光相关域分析与反斯托克斯拉曼散射技术的结合，保证了温度压力传感器的高分辨。
目前，商用的激光共焦拉曼光谱测试仪器主要有英国RENISHAW等生产。传统共焦拉曼光谱探测仪的原理如图1所示，光源系统发出激发光束透过偏振分光镜、四分之一波片和聚焦物镜后，聚焦在被测样品上，激发出载有样品光谱特性的拉曼散射光；通过三维扫描系统移动被测样品，使对应被测样品不同区域的拉曼散射光再次通过四分之一波片并被偏振分光镜反射，第一聚光镜将 偏振分光镜反射的光进行会聚，利用位于第一针孔后面的光谱探测器测得载有被测样品光谱信息的拉曼散射光谱。
现有的共焦光谱显微技术存在如下不足：
(1)空间分辨能力不高，仅达1μm左右。激光激发的拉曼光谱的强度信号很弱，比遗弃的瑞利光束的强度低6个量级左右，因而为了探测到极弱的拉曼信号，共焦拉曼光谱探测系统的针孔的孔径通常在左右，远大于现有共焦显微镜10μm左右针孔孔径值，其结果使现有的共焦拉曼光谱的空间分辨力仅达1μm，并且自共焦拉曼光谱探测技术发明的二十多年来一直未有根本性的改变。
(2)捕获焦点激发的拉曼光谱能力差。共焦拉曼光谱探测系统，由于在极值点处强度响应不灵敏，其很难真正捕获到焦点处激发的样品的拉曼光谱信息，因而限制了现有共焦拉曼光谱探测的空间分辨能力；
(3)探测时间长，系统漂移大。由于共焦拉曼光谱信号很弱，进行图谱成像时探测器需进行长期的积分(常达数小时)，光学系统及样品工作台的漂移，常会造成样品离焦，继而降低了共焦拉曼光谱探测的空间分辨能力；
(4)样品杂散光较强，影响了拉曼光谱探测仪器的信噪比。现有的共焦拉曼光谱探测仪器，由于采用了背向反射样品探测方式和入射激发光路与散射光探测光路完全共光路的方式，其势必存在样品杂散光干扰大的不足，限制了现有共焦显微镜对高散射样品的光谱探测能力；
(5)多性能参数测量能力亟待改善。现有的光谱探测技术，通常拉曼散射光谱和布里渊散射光谱分开探测，制约了机械形态性能参数的同时测量需求。
为克服传统共焦拉曼系统存在定焦精度低的不足，北京理工大学的赵维谦等人曾提出了一种具有很强微区光谱探测能力的差动共焦拉曼光谱测试方法，其将共焦探测光路系统分为两部分，并将这两个探测系统的点探测器分别置于焦前和焦后位置进行差动探测，继而实现双极性绝对零点跟踪测量等。差动共焦拉曼光谱测试技术在专利ZL2008101156011(发明人：赵维谦等)中，以题为“差动共焦拉曼光谱测试方法”已公开，其原理如图2所示，该方法旨在实现样品精细微区的光谱成像检测，为样品微区三维尺度及光谱特性的测量与分析提供新的手段。但是，该差动共焦拉曼光谱测试方法由于采用了双路物理针孔结构，造成差动共焦测量系统结构相对复杂，并且对离焦位置要求严格，装调困难，增加了误差源；该方法未利用含有丰富样品信息的布里渊散射光谱，在材料的 弹性和压电等性质测试方面仍然受到限制；此外，由于差动共焦显微系统受到原理限制，通常难以兼顾分辨能力、工作距离和视场。
通常样品散射的拉曼光谱强度为反射的瑞利光束强度的10-3～10-6倍，而传统的光谱探测仪器遗弃了强于拉曼散射光的瑞利光束。因而，利用现有光谱探测系统中遗弃的瑞利光束进行辅助探测以改善现有共焦拉曼光谱探测技术空间分辨力是光谱高分辨成像与探测的新途径。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提出分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量方法及装置。通过利用共焦拉曼光谱探测中遗弃的瑞利光构建分光瞳激光差动共焦显微成像系统来实现样品三维几何位置的高分辨成像，并利用分光瞳激光差动共焦显微成像装置的“过零点”与其焦点精确对应这一特性来控制光谱探测器精确捕获物镜聚焦点处激发的拉曼光谱信息，进而实现对样品微区几何位置与光谱信息的高精度探测，即“图谱合一”的高空间分辨探测，同时达到分辨能力和量程范围的有效兼顾；通过探测共焦拉曼光谱探测中遗弃的布里渊散射光来获得物质基本性质(弹性、磁性、相变)及多种交叉效应(压电、磁弹、光弹等)，继而实现材料应力、弹性参数、密度等测量；利用共焦拉曼光谱探测技术和共焦布里渊光谱探测技术优势互补的特点，设计拉曼光谱和布里渊光谱同时探测的共焦光谱探测方案，实现材料多性能参数的综合测量与解耦。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明的分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量方法，包括以下步骤：
步骤一、在测量物镜的光瞳面上放置照明光瞳和收集光瞳；光源系统发出激发光束，激发光束透过照明光瞳后，聚焦在被测样品上，激发出载有被测样品光谱特性的拉曼散射光、布里渊散射光以及瑞利散射光；拉曼散射光、瑞利光和布里渊散射光经收集光瞳后到达二向色分光系统；二向色分光系统将拉曼散射光与另外两种散射光进行无损分离；
步骤二、经二向色分光系统反射的瑞利光和布里渊散射光进入分光系统分光，经分光系统透射的瑞利光和布里渊散射光进入分光瞳激光差动共焦探测系统：分光瞳激光差动共焦探测系统利用探测器横向偏移能够使分光瞳激光共焦 显微系统的轴向响应特性曲线产生相移的特性，采用单光路、单探测器分割焦斑差动方法，实现对被测样品微区几何位置的探测，具体过程为：对接收瑞利光和布里渊散射光的分光瞳激光差动共焦探测系统所获得的探测光斑进行分割处理，得到探测区域A和探测区域B；当对A、B两个探测区域的信号进行差动相减处理时，能够进行高空间分辨的三维尺度层析成像；
步骤三、经分光系统反射的瑞利光和布里渊散射光进入布里渊光谱探测系统，与此同时，经二向色分光系统透射的拉曼散射光进入拉曼光谱探测系统，利用分光瞳激光差动共焦响应曲线的“过零点”与测量物镜焦点位置精确对应特性，将分光瞳激光差动共焦响应曲线的“过零点”精确对应测量物镜的焦点，通过“过零点”触发来精确捕获激发光斑焦点位置的光谱信息，实现高空间分辨的光谱探测。
当只对接收拉曼散射光的拉曼光谱探测系统获得的光谱信号进行处理时，系统能够进行拉曼光谱探测；
当只对接收布里渊散射光的布里渊光谱探测系统获得的光谱信号进行处理时，系统能够进行布里渊光谱探测；
当只对接收瑞利光的分光瞳激光差动共焦探测系统获得的探测光斑进行处理时，能够进行高空间分辨率的三维尺度层析成像探测；
当对接收瑞利光的分光瞳激光差动共焦探测系统获得的差动信号、接收拉曼散射光的拉曼光谱探测系统获得的光谱信号以及接收布里渊散射光的布里渊光谱探测系统获得的光谱信号进行处理时，系统能够进行高空间分辨的微区图谱层析成像，即实现对被测样品“图谱合一”的多性能参数分光瞳激光差动共焦光谱测量与高空间分辨成像。
特别的，可以通过设置探测区域A和探测区域B的位置参数以匹配不同反射率的样品，从而扩展其应用领域。
特别的，在本发明方法中，所述照明光瞳和收集光瞳可以是圆形、D形或者其他形状。
在本发明方法中，所述激发光束可以是线偏光、圆偏光等偏振光束；还可以是由光瞳滤波技术生成的结构光束。偏振光与光瞳滤波技术结合可以压缩测量聚焦光斑尺寸，提高系统的横向分辨力，实现超分辨探测。
在本发明方法中，还可以探测包括荧光、康普顿散射光等在内的散射光谱。
在本发明方法中，仅通过计算机系统软件处理即可实现对不同NA值的测量物镜的匹配，而无需重新对系统进行任何硬件装调。
分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，包括产生激发光束的光源系统、测量物镜、照明光瞳、收集光瞳、二向色分光系统、分光系统、拉曼光谱探测系统、布里渊光谱探测系统、分光瞳激光差动共焦探测系统、三维扫描系统、位移传感器以及数据处理单元；
其中，在测量物镜的光瞳面上放置照明光瞳和收集光瞳，照明光瞳和测量物镜依次位于光源系统的激发光束出射方向上，照明光瞳与激发光束同轴；二向色分光系统位于收集光瞳之后；拉曼光谱探测系统位于二向色分光系统的透射方向上；分光系统位于二向色分光系统的反射方向上；布里渊光谱探测系统位于分光系统的反射方向上；分光瞳激光差动共焦探测系统位于分光系统的透射方向上；被测样品固定在三维扫描装置的载物台上；
数据处理单元包括分割焦斑探测模块、差动相减模块和数据融合模块；其中，分割焦斑探测模块和差动相减模块用于处理图像采集系统探测到的光斑，得到分光瞳激光差动共焦响应曲线，由此得到被测样品的位置信息；数据融合模块用于融合位置信息和光谱信息，完成被测样品的三维重构及光谱信息融合；三者关联关系为：分割焦斑探测模块将图像采集系统采集到的艾利斑进行分割并探测，得到的信号进入差动相减模块进行差动相减后，得到分光瞳激光差动共焦响应曲线进入数据融合模块；
计算机处理系统与位移传感器、三维扫描装置、数据融合模块相连接；图像采集系统和分割焦斑探测模块相连接。数据融合模块与第一探测器、第二探测器相连接；
通过计算机处理系统控制三维扫描系统移动被测样品，使不同区域瑞利光及对应该区域被测样品的拉曼散射光、布里渊散射光通过测量物镜和收集光瞳。
在本发明装置中，可以通过加入径向偏振光发生器与光瞳滤波器实现超分辨光谱探测。包括位于照明光瞳之前依次放置的径向偏振光发生器和第一光瞳滤波器，以及位于分光系统与第三聚光镜之间的第二光瞳滤波器。
在本发明装置中，光谱探测系统可以是普通光谱探测系统。包括沿光路依次放置的第一聚光镜、探测面位于第一聚光镜焦点位置的第一光谱探测器，位于光谱探测器之后的第一探测器，以及沿光路依次放置的第二聚光镜、探测面 位于第二聚光镜焦点位置的第二光谱探测器，以及位于第二光谱探测器之后的第二探测器；还可以是共焦光谱探测系统，包括沿光路依次放置的第一聚光镜、位于第一聚光镜焦点位置的第一针孔、位于第一针孔后的第一光谱探测器，位于第一光谱探测器之后的第一探测器，以及沿光路依次放置的第二聚光镜、位于第二聚光镜焦点位置的第二针孔、位于第二针孔后的第二光谱探测器，位于第二光谱探测器之后的第二探测器。可以有效滤除焦点之外的杂散光，提高光谱探测的信噪比。
在本发明装置中，可通过在光源系统和照明光瞳之间增加光束调制系统。包括沿光路依次放置的第四聚光镜、位于第四聚光镜焦点处的第三针孔、以及焦点位于第三针孔处的第五聚光镜，用于对光源系统发出的激发光束进行调制，以得到更高空间分辨力和更好的激发效果。
在本发明装置中，可以是选择透反比小的分光系统(即反射光强远大于透射光强)，在保证分光瞳激光差动共焦探测系统光强的同时提高布里渊散射光的利用率。
在本发明装置中，可以通过光纤传输激发光和散射光谱，包括与照明光瞳同轴的准直透镜、位于准直透镜焦点处的第一光纤终端，通过第一光纤跳线将第一光纤终端与激光器相连；位于第一聚光镜焦点处的第二光纤终端，通过第二光纤跳线将第二光纤终端与第一光谱探测器相连；位于第二聚光镜焦点处的第三光纤终端，通过第三光纤跳线将第三光纤终端与第二光谱探测器相连。便于实现模块化拆装，灵活选择功能以及大尺度探测测量。
在本发明装置中，可以通过增加图像放大系统，放大图像采集系统探测到的艾利斑。包括沿光路依次放置的第三聚光镜、与第三聚光镜共焦点的图像放大系统以及位于图像放大系统焦点处的图像采集系统，以提高分光瞳激光差动共焦探测系统的采集精度。
有益效果
本发明方法，对比已有技术具有以下创新点：
1、本发明将分光瞳激光差动共焦显微技术与光谱探测技术有机结合，融合了分光瞳激光差动共焦显微技术的高精度物镜聚焦点位置跟踪捕获能力，可探测到精确对应最小激发聚焦光斑区域的样品光谱特性，在大幅提高微区光谱探 测能力的同时也大大简化了系统的光路结构，这是区别于现有光谱探测技术的创新点之
一
；
2、本发明将分光瞳激光差动共焦显微技术与拉曼光谱、布里渊光谱探测技术有机结合，融合了分光瞳激光差动共焦显微技术的高精度物镜聚焦点位置跟踪捕获能力，利用分光瞳差动共焦响应曲线的“过零点”与物镜聚焦焦点精确对应的特性，可以对样品进行实时、精确的跟踪定位，克服了传统共焦光谱探测技术捕获焦点光谱能力差的缺点，这是区别于现有光谱探测技术的创新点之二；
3、分光瞳激光差动共焦测具有绝对零点，可进行双极性绝对测量，且绝对零点位于特性曲线灵敏度最大处、并与测量系统“焦点位置”精确对应，极便于进行焦点跟踪测量，可实现几何尺度绝对测量，克服由于探测时间过长而产生的系统漂移，这是区别于现有技术的创新点之三；
4、本发明由于采用斜入射的探测光路，抗散射能力强，克服了现有共焦显微成像技术无法抑制焦面散射光干扰的缺，提高了光谱探测的信噪比。这是区别于现有光谱探测技术的创新点之四；
5、本发明通过合理设计能够对蕴含不同信息的拉曼散射光谱和布里渊散射光谱同时进行探测，形成优势互补，实现了对材料成分与基本物理性质的高分辨探测，便于多性能参数的综合测试，这是区别于现有光谱探测技术的创新点之五；
6、由于采用单光路分割焦斑差动探测实现几何位置的成像，其既大幅简化传统差动共焦显微系统的光路结构，又保留了激光差动共焦系统和原有分光瞳激光差动共焦系统的优势，仅通过软件切换处理便可实现分光瞳激光差动共焦显微探测、激光共焦拉曼光谱探测、激光共焦布里渊光谱探测、分光瞳激光差动共焦多性能参数的综合测试等多种模式自由的选与切换处理。这是区别于现有光谱探测技术的创新点之六；
本发明方法具有如下特点：
1、单光路、单探测器分割焦斑差动相减探测方式可有效抑制光源光强波动、探测器电子漂移、环境状态差异等产生的共模噪声，大幅简化探测光路系统，消除因两探测器离轴放置不对称、探测器响应特性不一致等引起的误差，改善了共焦系统的离焦特性；
2、将分光瞳激光差动共焦显微系统与光谱成像系统在结构和功能上相融合，既可实现样品微区几何参数的层析成像，又可实现样品微区的光谱探测，即同时实现微尺度层析成像、图谱层析成像和光谱测试等多种成像模式，并显著改善成像测试系统的抗干扰能力、线性和离焦特性；
3、可实现量程范围与分辨能力的有效兼顾，通过设置在焦斑上所取两个微小区域的参数，以匹配不同反射率的被测样品，应用范围得到扩展；
4、采用分割焦斑的横向差动共焦方式，便于系统根据需求更换不同NA值的物镜，调节方便；
5、本发明可以通过对分光瞳差动共焦探测系统和布里渊光谱探测系统之前的分光系统选择合适的透反比，以最大化利用光强；
6、本发明可以通过引入了径向偏振光与光瞳滤波器相结合的紧聚焦技术，实现超分辨多光谱综合测试，这是区别于现有技术的创新点之三。
附图说明
图1为共焦拉曼光谱成像方法示意图；
图2为差动共焦拉曼光谱成像方法示意图；
图3为本发明所述分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量方法示意图；
图4为D形分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量方法示意图；
图5为本发明所述超分辨分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量方法示意图；
图6为本发明所述分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量装置示意图；
图7为本发明所述具有共焦光谱探测系统的分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量装置示意图；
图8为本发明所述具有光束调制系统的分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量装置示意图；
图9为本发明所述光纤传输式分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量装置示意图；
图10为本发明所述具有探测焦斑放大系统的分光瞳激光差动共焦布里渊- 拉曼光谱测量装置示意图；
图11为本发明所述超分辨分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量方法与装置实施例示意图；
图12为本发明所述分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量方法的分光瞳激光差动共焦响应曲线、拉曼光谱响应曲线及布里渊光谱响应曲线示意图；
图中，1-光源系统、2-测量物镜、3-照明光瞳、4-收集光瞳、5-被测样品、6-二向色分光系统、7-拉曼光谱探测系统、8-第一聚光镜、9-第一光谱探测器、10-第一探测器、11-分光系统、12-布里渊光谱探测系统、13-第二聚光镜、14-第二光谱探测器、15-第二探测器、16-分光瞳激光差动共焦探测系统、17-第三聚光镜、18图像采集系统、19-探测区域A、20-探测区域B、21-径向偏振光发生器、22-第一光瞳滤波器、23-第二光瞳滤波器、24-三维扫描系统、25-位移传感器、26-数据处理单元、27-分割焦斑探测模块、28-差动相减模块、29-数据融合模块、30-计算机处理系统、31-分光瞳激光差动共焦响应曲线、32-拉曼光谱响应曲线、33-布里渊光谱响应曲线、34-第一针孔、35-第二针孔、36-光束调制系统、37-第四聚光镜、38-第三针孔、39-第五聚光镜、40-准直透镜、41-第一光纤终端、42-第一光纤跳线、43-第二光纤终端、44-第二光纤跳线、45-第三光纤终端、46-第三光纤跳线、47-图像放大系统、48-偏振分光镜、49-四分之一波片、50-聚焦物镜、51-第一保偏分光镜、52-第二保偏分光镜、53-第五聚光镜、54-第六聚光镜、55-第三针孔、56-第四针孔、57-第二探测器、58-第三探测器、59-差动共焦数据处理单元、60-数据输出模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量方法，包括以下步骤：
如图3所示，首先，在测量物镜2的光瞳面上放置照明光瞳3和收集光瞳4；光源系统1发出激发光束，激发光束透过测量物镜2的照明光瞳3后，聚焦在被测样品5上，激发出载有被测样品5光谱特性的拉曼散射光和布里渊散射光，并反射出瑞利光；拉曼散射光、布里渊散射光和瑞利光经测量物镜2的收集光瞳4到达二向色分光系统6；二向色分光系统6将拉曼散射光与其他光谱进 行无损分离；经二向色分光系统6反射的布里渊散射光和瑞利光进入分光系统11；经分光系统11透射的瑞利光和布里渊散射光进入分光瞳激光差动共焦探测系统16；分光瞳激光差动共焦探测系统16利用探测器横向偏移能够使分光瞳激光差动共焦显微系统的轴向响应特性曲线产生相移的特性，实现对被测样品5微区几何位置的探测；经分光系统11反射的布里渊散射光和瑞利光进入布里渊光谱探测系统12进行光谱探测；与此同时，经二向色分光系统6透射的拉曼散射光进入拉曼光谱探测系统7中进行光谱探测。被测样品5可以通过增强拉曼光谱纳米粒子等拉曼增强技术进行处理，以提高拉曼散射光的强度。
通过计算机处理系统30控制三维扫描系统24移动被测样品5，使不同区域瑞利光及对应该区域被测样品5的拉曼散射光、布里渊散射光通过测量物镜和收集光瞳。
当对拉曼光谱探测系统7获得的拉曼光谱信号进行处理时，系统能够进行拉曼光谱探测；当对布里渊光谱探测系统12获得的布里渊光谱信号进行处理时，系统能够进行布里渊光谱探测；当对分光瞳激光差动共焦探测系统16获得的差动信号进行处理时，进行高空间分辨力层析成像；当对分光瞳激光差动共焦探测系统16获得的差动信号、拉曼光谱探测系统7获得的拉曼光谱信号和布里渊光谱探测系统12获得的布里渊光谱信号同时进行处理时，系统能够进行高空间分辨力的微区图谱层析成像，对样品的多性能参数的综合测试。
特别的，可将圆形的照明光瞳3和收集光瞳4替换为其他形状(如D形，形成D形分光瞳激光差动共焦拉曼光谱测试，如图4所示)。
特别的，激发光束可以是线偏光、圆偏光等偏振光束；还可以是由光瞳滤波技术生成的结构光束，偏振光与光瞳滤波技术结合可以压缩测量聚焦光斑尺寸，提高系统的横向分辨力，如图5所示。
分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，如图6所示，包括产生激发光束的光源系统1、测量物镜2、二向色分光系统6、拉曼光谱探测系统7、分光瞳激光差动共焦探测系统16、三维扫描系统24、位移传感器25、数据处理单元26和计算机处理系统30。
其中，在测量物镜2的光瞳面上放置照明光瞳3和收集光瞳4。其中，照明光瞳3和测量物镜2依次位于光源系统1的激发光束出射方向上，照明光瞳3与激发光束同轴；二向色分光系统6位于收集光瞳4之后；分光系统11位于二向色分光系统6的反射方向上。
拉曼光谱探测系统7位于二向色分光系统6的透射方向上；拉曼光谱探测 系统7包括第一聚光镜8、第一光谱探测器9和第一探测器10。其中，第一光谱探测器9的探测面位于第一聚光镜8的焦点处，第一探测器10位于第一光谱探测器9之后。
布里渊光谱探测系统12位于分光系统11的反射方向上；布里渊光谱探测系统12包括第二聚光镜13、第二光谱探测器14和第二探测器15。其中第二光谱探测器14的探测面位于第二聚光镜13的焦点处，第二探测器15位于第二光谱探测器14之后。
分光瞳激光差动共焦探测系统16位于分光系统11的透射方向上；分光瞳激光差动共焦探测系统16包括第三聚光镜17和图像采集系统18，其中，图像采集系统18的探测面位于第三聚光镜17的焦点处。
数据处理单元26包括分割焦斑探测模块27、差动相减模块28和数据融合模块29；其中，分割焦斑探测模块27和差动相减模块28用于处理图像采集系统18探测到的光斑，得到分光瞳激光差动共焦响应曲线31，由此得到被测样品5的位置信息；数据融合模块29用于融合位置信息、拉曼光谱信息和布里渊光谱信息，完成被测样品5的三维重构及光谱信息融合。三者关联关系为：分割焦斑探测模块27将图像采集系统18采集到的艾利斑进行分割并探测，得到的信号进入差动相减模块28进行差动相减后，得到分光瞳激光差动共焦响应曲线31进入数据融合模块29。
计算机处理系统30与位移传感器25、三维扫描系统24、数据融合模块29相连接。图像采集系统18和分割焦斑探测模块27相连接。数据融合模块29与第一探测器10和第二探测器15相连接。
通过计算机处理系统30控制三维扫描系统24移动被测样品5，使不同区域瑞利光及对应该区域被测样品5的拉曼散射光通过测量物镜2和收集光瞳4。
如图7所示，在第一聚光镜8和第二聚光镜13的焦点位置安放第一针孔34和第二针孔35，从而构成具有共焦光谱探测系统的分光瞳激光差动共焦多光谱综合测试装置。
如图8所示，在光源系统1和照明光瞳3之间安放光束调制系统36；光束调制系统36包括沿光路依次放置的第四聚光镜37、位于第四聚光镜37焦点处的第三针孔38、以及焦点位于第三针孔38处的第五聚光镜39，构成具有光束调制系统的分光瞳激光差动共焦多光谱综合测试装置。
如图9所示，可以通过光纤传输激发光和散射光谱，包括与照明光瞳3同轴的准直透镜40、位于准直透镜40焦点处的第一光纤终端41，通过第一光纤 跳线42将第一光纤终端41与激光器1相连；位于第一聚光镜8焦点处的第二光纤终端43，通过第二光纤跳线44将第二光纤终端43与第一光谱探测器9相连；位于第二聚光镜13焦点处的第三光纤终端45，通过第三光纤跳线46将第三光纤终端45与第二光谱探测器相连14。以实现模块化拆装，灵活选择功能以及大尺度探测测量。
如图10所示，在分光瞳激光差动共焦探测系统16中，增加图像放大系统47，能够放大图像采集系统18探测到的艾利斑，从而提高分光瞳激光差动共焦探测系统的采集精度；沿光路依次放置第三聚光镜17、图像放大系统47和图像采集系统18，其中，图像放大系统47与第三聚光镜17共焦点，图像采集系统18位于图像放大系统47的焦点处。
实施例2
本实施例中，二向色分光系统6为Notch Filter，第一光谱探测器9为拉曼光谱探测器，分光系统11为分光镜，第二光谱探测器14为布里渊光谱探测器，图像采集系统18为CCD，三维扫描系统24为三维扫描工作台，图像放大系统47为放大物镜。
如图11所示，超分辨分光瞳激光差动共焦多光谱综合测试方法，其测试步骤如下：
首先，在测量物镜2的光瞳面上放置照明光瞳3和收集光瞳4。由激光器构成的光源系统1发出可激发出被测样品5拉曼光谱的激发光，激发光经第四聚光镜37会聚后进入第三针孔38成为点光源，再经焦点位于第三针孔38的第五聚光镜39准直扩束后，形成平行的激发光束。激发光束一次经过径向偏振光发生器21和第一光瞳滤波器22后透过照明光瞳3、测量物镜2，聚焦在被测样品5上，返回激发出的载有被测样品5光谱特性的拉曼散射光、布里渊散射光和瑞利光。
然后，通过计算机处理系统30控制三维扫描工作台24移动被测样品5，使不同区域瑞利光及对应该区域被测样品5的拉曼散射光通过测量物镜2和收集光瞳4，二向色分光系统6将拉曼散射光与其他光谱进行无损分离。
经二向色分光系统6反射的瑞利光和布里渊散射光进入分光镜11，经分光镜11透射的布里渊散射光和瑞利光经过第二光瞳滤波器23后进入分光瞳激光差动共焦探测系统16，经第三聚光镜17会聚后进入放大物镜47，被放大后的 光斑被CCD18探测，CCD18探测到的光斑进入分割焦斑探测模块27，在探测焦斑中的xd轴上设置两个微小区域探测区域A19和探测区域B20，两个探测区域关于yd轴对称并相对于yd轴偏移vM，测得这两个区域的响应分别为IA(u,-vM)和IB(u,vM)；差动相减模块28将得到的信号进行差动相减，得到分光瞳激光差动共焦响应曲线31：
I(u,vM)＝IA(u,-vM)-IB(u,-vM)
其中，I(u,vM)为分光瞳激光差动共焦响应，IA(u,-vM)为探测区域A的响应，IB(u,-vM)为探测区域B的响应，；u为轴向归一化光学坐标，vM为针孔轴向偏移量。分光瞳激光差动共焦响应曲线31的“过零点”与激发光束的聚焦焦点精确对应，通过响应曲线31的“过零点”获得被测样品5表面的高度信息，结合位移传感器25反馈的位置信息重构出被测样品5的表面三维形貌。
经分光镜11反射的布里渊散射光和瑞利光进入布里渊光谱探测系统12，经第二汇聚镜13及其焦点上的第二针孔35后进入布里渊光谱探测器14以及其后的第二探测器15，测得布里渊散射光谱响应曲线I(λB)33，其中λB为被测样品5受激发光激发所发出的布里渊散射光的波长。
同时经二向色分光系统6透射的拉曼散射光进入拉曼光谱探测系统7，经第一聚光镜8及其焦点上的第一针孔34后进入拉曼光谱探测器9以及其后的第一探测器10，测得载有被测样品5光谱信息的拉曼散射光谱响应曲线I(λr)32，其中λr为被测样品5受激发光所激发出拉曼散射光的波长；
分光瞳激光差动共焦响应曲线31、拉曼光谱响应曲线32和布里渊光谱响应曲线33如图12所示。
由于本装置采用了径向偏振光紧聚焦技术，若对两个探测区域的信号进行差动相减处理，得到分光瞳激光差动共焦响应I(u,vM)，再通过其绝对零点，精确捕获激发光斑的焦点位置，系统可以进行超分辨的三维尺度层析成像。
若对接收拉曼散射光的拉曼光谱探测系统7获得的光谱响应曲线I(λr)
32进行处理时，系统可以进行拉曼光谱探测。
若对接收布里渊散射光和瑞利光的布里渊光谱探测系统12获得的光谱响应曲线I(λB)33进行处理时，系统可以进行布里渊光谱探测。
若对接收瑞利光的分光瞳激光差动共焦探测系统16获得的分光瞳激光差动共焦响应I(u,vM)、拉曼光谱探测系统7获得的拉曼光谱信号I(λr)和布里渊光谱探 测系统12获得的布里渊光谱信号I(λB)同时进行处理时，系统可以进行超空间分辨的微区图谱层析成像，即实现被测样品5几何位置信息和多光谱信息的超空间分辨的多性能参数探测效果。
如图11所示，分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量装置包括产生激发光束的光源系统1、测量物镜2、照明光瞳3、收集光瞳4、Notch Filter6、拉曼光谱探测系统7、分光镜11、布里渊光谱探测系统12、分光瞳激光差动共焦探测系统16、径向偏振光发生器21、第一光瞳滤波器22、第二光瞳滤波器23、三维扫描工作台24、位移传感器25以及数据处理单元26；其中，在测量物镜2的光瞳面上放置照明光瞳3和收集光瞳4；径向偏振光发生器21、第一光瞳滤波器22和照明光瞳3放置在光源系统1的光束出射方向上，径向偏振光发生器21、第一光瞳滤波器22、照明光瞳3与激发光束同轴，Notch Filter6放置在收集光瞳4之后，拉曼光谱探测系统7放置在Notch Filter6的透射方向上，分光镜11位于Notch Filter6的反射方向上。布里渊光谱探测系统12放置在分光镜11的反射方向上，分光瞳激光差动共焦探测系统16位于分光镜11的
透射方向上，数据处理单元26用于融合并处理拉曼光谱探测系统7、布里渊光谱探测系统12、分光瞳激光差动共焦探测系统16和位移传感器25采集到的数据；拉曼光谱探测系统7中第一聚光镜8的焦点处放置第一针孔34对杂散光进行滤除，以提高拉曼光谱探测信噪比；布里渊光谱探测系统12中第二聚光镜13的焦点处放置第二针孔35对杂散光进行滤除，以提高布里渊光谱探测的信噪比；光源系统1通过包括第四聚光镜37、位于第四聚光镜37焦点处的第三针孔38、以及焦点位于第三针孔38处的第五聚光镜39构成的光束调制系统36对光源系统1发出的激发光束进行调制，以保证激发光束的质量；分光瞳激光差动共焦探测系统16中第三聚光镜17焦面上的像通过放大物镜47放大后进入CCD18，以便于探测器进行分割焦斑探测，提高探测精度。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。
Claims (9)
1.分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、在测量物镜(2)的光瞳面上放置照明光瞳(3)和收集光瞳(4)；光源系统(1)发出激发光束，激发光束透过测量物镜(2)的照明光瞳(3)后，聚焦在被测样品(5)上，激发出载有被测样品(5)光谱特性的拉曼散射光和布里渊散射光，并反射出瑞利光；拉曼散射光、布里渊散射光和瑞利光经测量物镜(2)的收集光瞳(4)到达二向色分光系统(6)；二向色分光系统(6)将拉曼散射光与其他光谱进行无损分离；
步骤二、经二向色分光系统(6)反射的布里渊散射光和瑞利光进入分光系统(11)；经分光系统(11)透射的瑞利光和布里渊散射光进入分光瞳激光差动共焦探测系统(16)；分光瞳激光差动共焦探测系统(16)利用探测器横向偏移能够使分光瞳激光差动共焦探测系统的轴向响应特性曲线产生相移的特性，实现对被测样品(5)微区几何位置的探测；经分光系统(11)反射的布里渊散射光和瑞利光进入布里渊光谱探测系统(12)进行光谱探测；与此同时，经二向色分光系统(6)透射的拉曼散射光进入拉曼光谱探测系统(7)中进行光谱探测；
步骤三、利用分光瞳激光差动共焦响应曲线(31)的“过零点”与测量物镜(2)焦点位置精确对应特性，将分光瞳激光差动共焦探测系统的轴向响应特性曲线的“过零点”精确对应测量物镜的焦点，通过“过零点”触发来精确捕获激发光斑焦点位置的光谱信息，实现高空间分辨的多光谱探测。
2.如权利要求1所述的分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量方法，其特征在于：当对拉曼光谱探测系统(7)获得的拉曼光谱信号进行处理时，系统能够进行拉曼光谱探测；当对布里渊光谱探测系统(12)获得的布里渊光谱信号进行处理时，系统能够进行布里渊光谱探测；当对分光瞳激光差动共焦探测系统(16)获得的差动信号进行处理时，进行高空间分辨力层析成像；当对分光瞳激光差动共焦探测系统(16)获得的差动信号、拉曼光谱探测系统(7)获得的拉曼光谱信号和布里渊光谱探测系统(12)获得的布里渊光谱信号同时进行处理时，系统能够进行高空间分辨力的微区图谱层析成像，对样品的多性能参数的综合测试。
3.如权利要求1所述的分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量方法，其特征在于：激发光束包括线偏光或圆偏光的偏振光束，或者是由光瞳滤波技术生成的结构光束。
4.如权利要求1所述的分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量方法，其特征在于：还能探测散射光谱。
5.分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，其特征在于：包括光源系统(1)、测量物镜(2)、二向色分光系统(6)、拉曼光谱探测系统(7)、分光瞳激光差动共焦探测系统(16)、三维扫描系统(24)、位移传感器(25)、数据处理单元(26)；
在测量物镜(2)的光瞳面上放置照明光瞳(3)和收集光瞳(4)；照明光瞳(3)和测量物镜(2)依次位于光源系统(1)的激发光束出射方向上，照明光瞳(3)与激发光束同轴；被测样品(5)固定在三维扫描系统(24)的载物台上；
二向色分光系统(6)位于收集光瞳(4)之后；拉曼光谱探测系统(7)位于二向色分光系统(6)的透射方向上；拉曼光谱探测系统(7)包括第一聚光镜(8)、第一光谱探测器(9)和第一探测器(10)；其中，第一光谱探测器(9)的探测面位于第一聚光镜(8)的焦点处，第一探测器(10)位于第一光谱探测器(9)之后；
分光系统(11)位于二向色分光系统(6)的反射方向上；布里渊光谱探测系统(12)位于分光系统(11)的反射方向上；布里渊光谱探测系统(12)包括第二聚光镜(13)、第二光谱探测器(14)和第二探测器(15)；其中第二光谱探测器(14)的探测面位于第二聚光镜(13)的焦点处，第二探测器(15)位于第二光谱探测器(14)之后；
分光瞳激光差动共焦探测系统(16)位于分光系统(11)的透射方向上；分光瞳激光差动共焦探测系统(16)包括第三聚光镜(17)和图像采集系统(18)，其中，图像采集系统(18)的探测面位于第三聚光镜(17)的焦点处；
数据处理单元(26)包括分割焦斑探测模块(27)、差动相减模块(28)和数据融合模块(29)；其中，分割焦斑探测模块(27)和差动相减模块(28)用于处理图像采集系统(18)探测到的光斑，得到分光瞳激光差动共焦响应曲线(31)，由此得到被测样品(5)的位置信息；数据融合模块(29)用于融合位置信息、拉曼光谱信息和布里渊光谱信息，完成被测样品(5)的三维重构及光谱信息融合；三者关联关系为：分割焦斑探测模块(27)将图像采集系统(18)采集到的艾利斑进行分割并探测，得到的信号进入差动相减模块(28)进行差动相减后，得到分光瞳激光差动共焦响应曲线(31)进入数据融合模块(29)；
计算机处理系统(30)与位移传感器(25)、三维扫描系统(24)、数据融合模块(29)相连接；图像采集系统(18)和分割焦斑探测模块(27)相连接；数据融合模块(29)与第一探测器(10)和第二探测器(15)相连接。
6.如权利要求5所述的分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，其特征在于：还能够通过光纤传输激发光和散射光谱，包括与照明光瞳(3)同轴的准直透镜(39)、位于准直透镜(39)焦点处的第一光纤终端(40)，通过第一光纤跳线(41)将第一光纤终端(40)与光源系统(1)相连；位于第一聚光镜(8)焦点处的第二光纤终端(42)，通过第二光纤跳线(43)将第二光纤终端(42)与第一光谱探测器(9)相连；位于第二聚光镜(13)焦点处的第三光纤终端(44)，通过第三光纤跳线(45)将第三光纤终端(44)与第二光谱探测器(14)相连，便于实现模块化拆装，灵活选择功能以及大尺度探测测量。
7.如权利要求5所述的分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，其特征在于：在所述第一聚光镜(8)的焦点位置还能够安放第一针孔(34)，且第一光谱探测器(9)位于第一针孔(34)之后；在第二聚光镜(13)的焦点位置安放有第二针孔(35)，且第二光谱探测器(14)位于第二针孔(35)之后，以滤除焦点以外的杂散光，提高探测系统的信噪比。
8.如权利要求5所述的分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，其特征在于：为了得到更好的激发光束和激发效果，在所述光源系统(1)和照明光瞳(3)之间还能够安放光束调制系统(36)；光束调制系统(36)包括沿光路依次放置的第四聚光镜(37)、位于第四聚光镜(37)焦点处的第三针孔(38)以及焦点位于第三针孔(38)处的准直透镜(39)。
9.如权利要求5或6所述的分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，其特征在于：所述分光瞳激光差动共焦探测系统(16)还包括图像放大系统(46)，图像放大系统(46)与第三聚光镜(17)共焦点，图像采集系统(18)位于图像放大系统(46)的焦点处，以提高分光瞳激光差动共焦探测系统的采集精度。
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