CN110455773A - 拉曼光谱成像横向分辨率与定位精度的检测模体与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拉曼光谱成像横向分辨率与定位精度的检测模体与方法，该模体包括基底和至少一个位于基底上方的镀层；所述镀层的材料和所述基底的材料不同，所述基底的材料可在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号；所述镀层为非透明材料，不能透过激光波长的光，所述镀层的拉曼信号与基底的拉曼信号不同。本发明所提出的检测模体可用于检测拉曼光谱成像系统在空气中的横向分辨率和在介质中的横向分辨率，也可以用于检测拉曼成像仪器的定位精度，为生产企业研发制造和质量检验以及用户日常使用的检测工具，为计量部门和质检部门提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及拉曼光谱成像技术领域，特别是涉及一种拉曼光谱成像横向分辨率检测模体方法。
背景技术
拉曼光谱是一种散射光谱，反映了分子的振动和转动信息，是一种物质分析方法。拉曼光谱成像技术是将拉曼光谱与成像技术结合，通过对被测样品进行扫描测量，获取每一个点的拉曼光谱。再从拉曼光谱中提取关键信息，并以此绘制成样品的二维或三维拉曼光谱图像。拉曼光谱图像的每个像素都包含样品在该点的完整拉曼光谱，而图像的颜色或灰度对应了样品在该点的拉曼光谱的频移、峰高、峰面积等信息。
以拉曼光谱共焦显微成像系统为例进行说明。测量时，将样品置于显微镜的样品台上，激光通过显微镜会聚在样品表面，激发样品产生拉曼光谱信号。样品发出的拉曼光谱信号通过显微镜收集，再通过光谱仪测量、分析可得到样品在该点的拉曼光谱信号。拉曼光谱信号反映了样品的分子振动信息，具有指纹特性。样品台带动样品进行水平方向(横向)上的运动，同时，仪器测量样品不同位置的拉曼光谱信息，即可获得样品的二维拉曼光谱图像。
横向分辨率是拉曼光谱成像系统的重要技术指标，反映了系统在水平方向上的空间分辨能力。横向分辨率受成像系统的光学结构、激光波长、针孔尺寸、物镜放大倍数等多个参数所决定，难以通过理论计算获得。由于拉曼光谱系统常与共焦显微技术结合使用，在测量样品时可以对样品内部一定深度范围内进行三维成像，因此其在介质中的分辨率也非常重要。但是，拉曼光谱成像系统在介质中的横向分辨率和在空气中不同，直接利用在空气中的分辨率计算在介质中的分辨率的方法非常复杂，而且误差很大。因此，需要直接检测拉曼光谱成像系统在介质中的横向分辨率。
除此之外，在拉曼成像设备扫描的过程中，载物台位移的准确性也会影响到生成的图像质量。如果定位不准确，在往复运动过程中，定位出现了偏差，扫描信息重新生成的图像会发生扭曲，导致测量结果不可靠。因此，需要检测平台运动的实际距离与所设定的数值是否一致，对成像设备的定位精度进行评估。
空间分辨率：光学成像系统能分辨物体空间几何长度的最小极限。
横向分辨率：光学成像系统在水平方向上的空间分辨率。
纵向分辨率：光学成像系统在竖直方向上的空间分辨率，也叫轴向分辨率。
定位精度：是空间实体位置信息(通常为坐标)与其真实位置之间的接近程度。
刃边法：通过获得刃边两侧因信号变化产生的阶跃函数来获得系统光学传递函数的方法。
在发明专利“拉曼光谱成像点扩散函数检测模体及其制备方法和应用”(申请号201810319151.1)中提到一种拉曼光谱点扩散函数检测模体，该模体可用于检测拉曼光谱成像系统的一维点扩散函数、二维点扩散函数和三维点扩散函数；点扩散函数检测结果可用于计算得到拉曼光谱成像系统在水平和竖直方向上的空间分辨率。
在发明专利“用于检测拉曼光谱成像横向分辨率的模体及其检测方法”(申请号201810913110.5)中提到一种拉曼光谱横向分辨率检测模体，该模体可用于检测拉曼光谱成像在空气中和介质中的横向分辨率。
在发明专利“一种拉曼光谱成像分辨率板及其制备方法”(公布号CN 106442468A)中提到一种用于检测拉曼光谱成像分辨率板的结构及其制备方法。
此外，基于传统的刃边法，用具有拉曼光谱信号的样品的锐利边缘对拉曼光谱成像系统进行检测，可测得其刃边响应函数进而计算出横向分辨率。
其中，在发明专利“拉曼光谱成像点扩散函数检测模体及其制备方法和应用”(申请号201810319151.1)中提到一种拉曼光谱点扩散函数检测模体，该模体主要用于检测拉曼光谱成像系统的点扩散函数，利用点扩散函数可以计算得到系统的横向分辨率。这种方法检测拉曼光谱成像系统横向分辨率存在一些缺点：1)检测模体的原理和制备方法较为复杂；2)检测前需要先准确定位模体中模拟点物的颗粒位置；3)测量耗时较长。本专利所提出的拉曼光谱横向分辨率检测模体，可以客服上述缺点，具有制备方法简单、测量耗时短的特点，可以检测系统在空气和介质中的横向分辨率。
其中，在发明专利“用于检测拉曼光谱成像横向分辨率的模体及其检测方法”(申请号201810913110.5)中提到一种拉曼光谱横向分辨率检测模体，该模体利用基底上一系列宽度不同的凸台或凹槽对拉曼光谱成像系统进行检测，根据凸台或凹槽中心光谱信号强度的衰减程度来判断成像系统的横向分辨率。这种方法需要使用一系列不同宽度的凸台或凹槽才能完成检测，成本较高，耗时较长。而本专利所提出的检测模体，直接利用不同材料之间的一个边界即可完成检测，具有快速、简便、低成本的优点。
其中，在发明专利“一种拉曼光谱成像分辨率板及其制备方法”(公布号CN106442468 A)中提到一种用于检测拉曼光谱成像分辨率板的结构及其制备方法，该发明“提供了一种拉曼光谱成像分辨率板，包括基底、以及在所述基底上形成的分子层，所述分子层通过纳米加工技术形成预置光栅结构”。该发明存在一些缺点：1)必须形成预置光栅结构，结构和工艺十分复杂；2)分子层采用的材料必须是能产生拉曼信号的物质；3)必须至少由基底和分子层两种物质组成；4)只能检测空气中的横向分辨率。
传统的刃边法利用样品的锐利边缘对拉曼光谱成像系统进行检测，其缺点是样品的锐利边缘常常会有明显的拉曼边缘增强效应，使测得的刃边响应函数出现严重畸变，导致横向分辨率计算失败或出现很大的误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种拉曼光谱成像横向分辨率与定位精度的检测模体与方法。本发明所提出的检测模体可用于检测拉曼光谱成像系统在空气中的横向分辨率和在介质中的横向分辨率，也可以用于检测拉曼成像仪器的定位精度，为生产企业研发制造和质量检验以及用户日常使用的检测工具，为计量部门和质检部门提供依据。
一种拉曼光谱成像横向分辨率与定位精度的检测模体，包括基底和至少一个位于基底上方的镀层；所述镀层的材料和所述基底的材料不同，所述基底的材料可在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号；所述镀层为非透明材料，不能透过激光波长的光，所述镀层的拉曼信号与基底的拉曼信号不同；镀层的厚度h≤系统的纵向分辨率a；所述镀层的宽度w＞系统的横向分辨率l。
进一步的，所述基底和镀层的上方设有介质；所述介质的材料和所述基底的材料不同；所述介质为透明或半透明材料；所述介质的高度d>镀层的高度h。
更进一步的，所述介质材料有光谱信号，其特征光谱信号与基底的特征光谱信号不同。
采用上述检测模体用于拉曼光谱成像横向分辨率的检测方法：拉曼光谱成像系统聚焦于基底的上表面，选取合适的步距，沿着x方向进行一维扫描成像；以基底的特征光谱信号强度作为因变量，以空间距离作为自变量，绘制拉曼光谱随距离变化的曲线，获得原始数据后，处理得到边缘扩散函数曲线，对该曲线进行微分，微分后获得了系统的线扩散函数曲线，计算得到线扩散函数的半高全宽，即系统的横向分辨率。
采用上述检测模体用于拉曼光谱成像定位精度的测量方法：拉曼光谱成像系统聚焦于基底的上表面，并沿着x方向进行一维扫描成像，以基底的特征光谱信号强度作为因变量，以空间距离作为自变量，绘制拉曼光谱随距离变化的曲线，将曲线微分后取绝对值，即可得出镀层的宽度，与仪器的坐标做差，经过多次测量取平均值，即可获得仪器平台运动的定位精度。
或者，一种拉曼光谱成像横向分辨率与定位精度的检测模体，包括基底和至少一个位于基底上方的镀层；所述镀层的材料和所述基底的材料不同，所述基底的材料可在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号；所述镀层为非透明材料，不能透过激光波长的光，所述镀层的拉曼信号与基底的拉曼信号不同；镀层的厚度h≤系统的纵向分辨率a；所述镀层的宽度w远小于系统的横向分辨率l。
进一步的所述基底和镀层的上方设有介质；所述介质的材料和所述基底的材料不同；所述介质为透明或半透明材料；所述介质的高度d>镀层的高度h。
更进一步的，所述介质材料有光谱信号，其特征光谱信号与基底的特征光谱信号不同。
采用上述检测模体用于拉曼光谱成像横向分辨率的检测方法：拉曼光谱成像系统聚焦于基底的上表面，选取合适的步距，沿着x方向进行一维扫描成像，以基底的特征光谱信号强度作为因变量，以空间距离作为自变量，绘制拉曼光谱随距离变化的曲线，通过对线进行扫描，获得垂直于这条线方向上的线扩散函数，通过对LSF进行计算，即可获得系统的横向分辨率。
采用上述的测模体用于拉曼光谱成像定位精度的测量方法：拉曼光谱成像系统聚焦于基底的上表面，并沿着x方向进行一维扫描成像，以基底的特征光谱信号强度作为因变量，以空间距离作为自变量，绘制拉曼光谱随距离变化的曲线，两条图案信号峰值之间的距离即为平台实际运动的距离，用所得宽度与平台移动前后的坐标变化做差，经过多次测量取平均值，即可得到平台的定位精度。
同现有技术相比，本发明的突出效果在于：
1)无需形成光栅结构，加工工艺简单；
2)可以避免台阶边缘结构变化产生的拉曼增强信号；
3)在此种模体中，材料无需一定有拉曼信号，只要基底材料可被激光激发出比激光波长更长的光谱信号即可，模体的材料选择范围更广；
4)在此模体中，均以基底作为拉曼光谱成像的对象，不要求镀层材料具有光谱信号；
5)在此模体中，仅要求镀层为不透明材料，材料选择范围更广；
6)此模体可用于检测拉曼光谱成像系统在介质中的横向分辨率；
7)此模体可用于检测拉曼成像设备的定位精度；
8)给出了完整的横向分辨率测量方法，可以适用于市场上大部分拉曼显微成像设备。
本发明的拉曼光谱成像横向分辨率及定位精度的检测模体，可用于检测拉曼光谱成像系统的横向分辨率，该模体达到的效果如下：
(1)提供了2种简便的可用于检测拉曼光谱成像横向分辨率的模体结构；
(2)该模体可用于定量检测拉曼光谱成像系统在空气中的横向分辨率；
(3)该模体可用于定量检测拉曼光谱成像系统在介质中的横向分辨率；
(4)提供了利用本发明模体对拉曼光谱成像系统横向分辨率进行定量检测的方法；
(5)提供了利用本发明模体对拉曼成像设备进行定位精度检测的方法；
(6)可用于拉曼光谱成像系统的性能测试和计量检测。
下面结合附图说明和具体实施例对本发明所述的拉曼光谱成像横向分辨率与定位精度的检测模体与方法作进一步说明。
附图说明
图1为用于检测拉曼成像系统在空气中横向分辨率的第1种模体结构示意图；
图2为用于检测拉曼成像系统在空气中横向分辨率的第2种模体结构示意图；
图3为用于检测拉曼成像系统在介质中横向分辨率的第3种模体结构示意图；
图4为用于检测拉曼成像系统在介质中横向分辨率的第4种模体结构示意图；
图5为利用设计的模体图案进行重复组合用于测量仪器定位精度的结构设计；
图6为用第1种模体检测拉曼光谱成像系统横向分辨率的方法示意图；
图7(a)为用第1种模体进行实验，实验数据绘制的曲线；(b)为用传统的刃边法模体进行实验，实验数据绘制的曲线；
图8(a)为用函数对第一种模体进行拟合后进行绘制的曲线；(b)为对拟合的曲线进行微分之后得到的线扩散函数；
图9为用第2种模体检测拉曼光谱成像系统横向分辨率的方法示意图；
图10为用第2种模体检测拉曼光成像系统横向分辨率的结果示意图；
图11为用第3种模体检测拉曼光谱成像系统横向分辨率的方法示意图；
图12为用第4种模体检测拉曼光谱成像系统横向分辨率的方法示意图；
图13为采用刃边法原理的模体进行定位精度检测的过程原理图；
图14为采用线扩散函数法原理的模体进行定位精度检测的过程原理图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种拉曼光谱成像横向分辨率与定位精度的检测模体，在具有拉曼信号的基底上方镀一个镀层，基底材料可在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号。例如，可在激光激发下产生拉曼光谱信号或荧光光谱信号。镀层必须是非透明材料，不能透过激光波长的光，且镀层的拉曼信号必须与基底不同，镀层的宽度w应大于系统的横向分辨率l(w>l)，厚度h应不大于系统的纵向分辨率a(h≤a)。
假定拉曼光谱成像系统的横向分辨率为l，纵向分辨率为a。
拉曼光谱成像系统聚焦于基底的上表面，选取合适的步距，沿着x方向进行一维扫描成像，如图6所示。以基底的特征光谱信号强度作为因变量，以空间距离作为自变量，可绘制拉曼光谱随距离变化的曲线，如图7所示。图7(a)显示了传统的刃边法模体扫描结果，(b)显示了使用模体1的扫描结果。从图中可以看出，通过本模体获得的曲线，更接近理想的边缘扩散函数曲线。获得原始数据后，可以采用直接计算或者函数拟合等多种方法进行处理。在本实验中，通过公式(1)所示费米函数对数据进行了拟合，得到了边缘扩散函数曲线，如图8(a)所示。对该曲线进行微分，微分后获得了系统的线扩散函数(LSF)曲线，如图8(b)所示。通过计算，即可计算得到线扩散函数的半高全宽，即系统的横向分辨率。
式中a,b,c,d为费米函数的参数。
传统刃边法模体，因为刃边两侧的空间结构发生了改变，在刃边边缘产生了拉曼增强效应，导致结果误差较大。而本模体，因为镀层很薄，远小于系统的纵向分辨率，其空间结构的变化可以忽略，只有拉曼信号发生了改变。这种只改变信号，不改变模体空间结构的虚拟刃边，避免了拉曼增强效应，可以达到良好的测量效果。
实施例2
如图2所示，一种拉曼光谱成像横向分辨率与定位精度的检测模体，在具有拉曼信号的基底上方镀一个镀层(镀层数量可以为多个，设在不同的位置)，基底材料可在被激光激发的情况下，发出比激光波长更长的光谱信号。镀层必须和基底材料不同，所述镀层为非透明材料，不能透过激光波长的光，所述镀层的拉曼信号与基底的拉曼信号不同；且镀层宽度w应远小于系统的横向分辨率l(w<l)，厚度h应不大于系统的纵向分辨率a(h≤a)。
拉曼光谱成像系统聚焦于基底的上表面，选取合适的步距，沿着x方向进行一维扫描成像，如图9所示。以基底的特征光谱信号强度作为因变量，以空间距离作为自变量，可绘制拉曼光谱随距离变化的曲线，如图10所示。因为镀层宽度远小于系统的横向分辨率，镀层可以看做是一条理想的线，通过对线进行扫描，可以获得垂直于这条线方向上的线扩散函数(LSF)，通过对LSF进行计算，即可获得系统的横向分辨率。
实施例3
如图3所示，一种拉曼光谱成像横向分辨率与定位精度的检测模体，包括基底和一个位于基底上方的镀层；所述基底和镀层的上方设有介质；镀层和介质与基底的材料不同，基底材料可在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号。镀层必须是不同于基底的材料，不能透过激光波长的光，且镀层的宽度w应大于系统的横向分辨率l(w>l)，厚度h应不大于系统的纵向分辨率a(h≤a)。如果介质材料有光谱信号，其特征光谱信号应与基底的特征光谱信号有所不同。介质为透明或半透明材料。介质的高度d应大于镀层的高度h(d>h)。
该模体的检测方法与实施例1的模体的检测方法相同。拉曼光谱成像系统聚焦于基底的上表面，并沿着x方向进行一维扫描成像，如图11所示。以基底的特征光谱信号强度作为因变量，以空间距离作为自变量，可绘制拉曼光谱随距离变化的曲线。利用同样的方法，可获得成像系统在该介质中的横向分辨率。
实施例4
如图4所示，一种拉曼光谱成像横向分辨率与定位精度的检测模体，包括基底和一个位于基底上方的镀层(镀层数量可以为多个，设在不同的位置)；所述基底和镀层的上方设有介质；镀层和介质与基底的材料不同，基底材料可在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号。镀层必须是不同于基底的材料，不能透过激光波长的光，且镀层的宽度w应远小于系统的横向分辨率l(w<l)，厚度h应不大于系统的纵向分辨率a(h≤a)。如果介质材料有光谱信号，其特征光谱信号应与基底的特征光谱信号有所不同。介质为透明或半透明材料。介质的高度d应大于镀层的高度h(d>h)。
该模体的检测方法与实施例2模体的检测方法相同。拉曼光谱成像系统聚焦于基底的上表面，并沿着x方向进行一维扫描成像，如图12所示。以基底的特征光谱信号强度作为因变量，以空间距离作为自变量，可绘制拉曼光谱随距离变化的曲线。利用同样的方法，可获得成像系统在该介质中的横向分辨率。
实施例5
通过实施例1-4的四种模体结构的调整和组合，可以测量拉曼光谱成像仪器的定位精度。如图5所示，其中(a)(b)(c)(d)分别采用了实施例1-4中模体的重新组合，其中w，w’，w”，w”’均大于仪器的横向分辨率。
当拉曼光谱成像系统沿着垂直于基底与镀层边缘的方向进行一维扫描时，以空间距离为自变量，基底或镀层的特征光谱信号为因变量，可得到光谱信号随距离变化的曲线。在实施例1和3的模体中，扫描后，可得到系统的边缘扩散函数曲线(ESF)，通过计算可以得到该方向上的分辨率。在实施例2和4的模体中，扫描后，可得到系统的线扩散函数(LSF)，通过计算可以得到该方向的分辨率。扫描图5所示图案时，根据获得的曲线可以计算图案两端间的距离w，w’，w”，w”’，通过与仪器本身提供的坐标进行对比，可以获得仪器的定位精度。
具体的：
拉曼光谱成像系统聚焦于基底的上表面，并沿着x方向进行一维扫描成像。以基底的特征光谱信号强度作为因变量，以空间距离作为自变量，可绘制拉曼光谱随距离变化的曲线。
采用图5(a)(c)所示模体结构(对应于实施例1和3)时，将曲线微分后取绝对值，即可得出镀层的宽度，与仪器的坐标做差，经过多次测量取平均值，即可获得仪器平台运动的定位精度，具体过程如图13所示。
采用图5(b)(d)所示模体结构(对应于实施例2和4)时，两条图案信号峰值之间的距离即为平台实际运动的距离，如图14所示，用所得宽度与平台移动前后的坐标变化做差，经过多次测量取平均值，即可得到平台的定位精度。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种拉曼光谱成像横向分辨率与定位精度的检测模体，其特征在于：包括基底和至少一个位于基底上方的镀层；所述镀层的材料和所述基底的材料不同，所述基底的材料可在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号；所述镀层为非透明材料，不能透过激光波长的光，所述镀层的拉曼信号与基底的拉曼信号不同；镀层的厚度h≤系统的纵向分辨率a；所述镀层的宽度w＞系统的横向分辨率l。
2.根据权利要求1所述的拉曼光谱成像横向分辨率与定位精度的检测模体，其特征在于：所述基底和镀层的上方设有介质；所述介质的材料和所述基底的材料不同；所述介质为透明或半透明材料；所述介质的高度d>镀层的高度h。
3.根据权利要求2所述的拉曼光谱成像横向分辨率与定位精度的检测模体，其特征在于：所述介质材料有光谱信号，其特征光谱信号与基底的特征光谱信号不同。
4.一种拉曼光谱成像横向分辨率与定位精度的检测模体，其特征在于：包括基底和至少一个位于基底上方的镀层；所述镀层的材料和所述基底的材料不同，所述基底的材料可在被激光激发的情况下，发出与比激光波长更长的光谱信号；所述镀层为非透明材料，不能透过激光波长的光，所述镀层的拉曼信号与基底的拉曼信号不同；镀层的厚度h≤系统的纵向分辨率a；所述镀层的宽度w远小于系统的横向分辨率l。
5.根据权利要求4所述的拉曼光谱成像横向分辨率与定位精度的检测模体，其特征在于：所述基底和镀层的上方设有介质；所述介质的材料和所述基底的材料不同；所述介质为透明或半透明材料；所述介质的高度d>镀层的高度h。
6.根据权利要求5所述的拉曼光谱成像横向分辨率与定位精度的检测模体，其特征在于：所述介质材料有光谱信号，其特征光谱信号与基底的特征光谱信号不同。
7.采用权利要求1-3任一所述的检测模体用于拉曼光谱成像横向分辨率的检测方法，其特征在于：拉曼光谱成像系统聚焦于基底的上表面，选取合适的步距，沿着x方向进行一维扫描成像；以基底的特征光谱信号强度作为因变量，以空间距离作为自变量，绘制拉曼光谱随距离变化的曲线，获得原始数据后，处理得到边缘扩散函数曲线，对该曲线进行微分，微分后获得了系统的线扩散函数曲线，计算得到线扩散函数的半高全宽，即系统的横向分辨率。
8.采用权利要求4-6任一所述的检测模体用于拉曼光谱成像横向分辨率的检测方法，其特征在于：拉曼光谱成像系统聚焦于基底的上表面，选取合适的步距，沿着x方向进行一维扫描成像，以基底的特征光谱信号强度作为因变量，以空间距离作为自变量，绘制拉曼光谱随距离变化的曲线，通过对线进行扫描，获得垂直于这条线方向上的线扩散函数，通过对LSF进行计算，即可获得系统的横向分辨率。
9.采用权利要求1-3任一所述的检测模体用于拉曼光谱成像定位精度的测量方法，其特征在于：拉曼光谱成像系统聚焦于基底的上表面，并沿着x方向进行一维扫描成像，以基底的特征光谱信号强度作为因变量，以空间距离作为自变量，绘制拉曼光谱随距离变化的曲线，将曲线微分后取绝对值，即可得出镀层的宽度，与仪器的坐标做差，经过多次测量取平均值，即可获得仪器平台运动的定位精度。
10.采用权利要求4-6任一所述的检测模体用于拉曼光谱成像定位精度的测量方法，其特征在于：拉曼光谱成像系统聚焦于基底的上表面，并沿着x方向进行一维扫描成像，以基底的特征光谱信号强度作为因变量，以空间距离作为自变量，绘制拉曼光谱随距离变化的曲线，两条图案信号峰值之间的距离即为平台实际运动的距离，用所得宽度与平台移动前后的坐标变化做差，经过多次测量取平均值，即可得到平台的定位精度。
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