CN114486840B - 一种阴极荧光光谱与高衬度成像装置及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阴极荧光光谱与高衬度成像装置及其成像方法。本发明包括扫描电子显微镜系统、阴极荧光探头、高衬度成像转接模块、分光模块、光谱探测器、光强度探测器、信号处理系统和计算机；本发明能够实现采集光谱谱图、角度分辨成像、单谱成像以及高衬度全谱成像四种功能；不仅能够在电子激发的阴极荧光进入光谱探测器和光强度探测器前进入阵列芯片探头用于近似无损的全谱成像，并且能够在阴极荧光从光导管出射到进入光谱探测器和光强度探测器前获得单谱成像，再者该阵列芯片探头能够获得电子束作用点的角度分辨成像；而且在获得近似无损的全谱成像的同时能够获得光谱谱图和单谱成像。

Description

一种阴极荧光光谱与高衬度成像装置及其成像方法

技术领域

本发明涉及电子束激发阴极荧光技术，具体涉及一种阴极荧光光谱与高衬度成像装置及其成像方法。

背景技术

电子束激发的阴极荧光信号，是指当电子束轰击在材料表面，除了二次电子、背散射电子、俄歇电子和X射线外，所发射出的频率在紫外、红外或可见光波段的电磁波；其基本原理为材料内部的电子被入射电子激发至高能态，经过一定的弛豫时间跃迁回低能态，并释放能量，其中一部分能量以电磁辐射形式发射出来。材料在电子束激发下产生荧光的物理过程由其电子结构决定，而电子结构同元素成分，晶格结构和缺陷，以及所处的力学、热学、电磁学环境等因素相关。因此，电子束激发的阴极荧光光谱能够通过材料电子结构反映材料本身物理特性。

电子束激发阴极荧光信号的探测和处理通常与扫描或透射电子显微镜相结合，能够实现形貌观察、结构和成分分析同电子束激发荧光光谱的结合研究。电子束激发荧光所用的电子束束斑非常小，能量高；相比于光致发光，电子束激发荧光信号具有空间分辨率高、激发能量高、光谱范围宽、激发深度大等特点，并能够实现全光谱或单光谱荧光扫描成像。电子束激发荧光信号可以应用于微米、纳米尺度的半导体量子点、量子线等荧光物质的发光性质的研究。

阴极荧光成像和光谱系统是获取该种阴极荧光信号的主要方法。针对该系统的阴极荧光传导部分，即传递和分配电子束激发的阴极荧光信号的中间装置；阴极荧光信号由光纤传导到该中间装置，该中间装置通常为光谱仪，该中间装置通过无损反射技术和无损聚焦技术以最大效率传递极其微小的光信号；由光纤出射后光会发散，进入光谱仪后光通常需要经过第一次反射为凹面镜反射将发散光变为平行光，第二次反射为光栅反射将平行光反射为不同角度的单谱光，第三次反射为凹面镜反射将特定角度的单谱光聚焦到探测器上，探测器通常为两种，一种为用于光谱显示成像的探测器，另一种为用于光谱采集谱图的探测器；为获得不同波长或能量的光谱图和单谱成像，使用光谱仪是常用方法，然而在获取全谱成像时使用光谱仪就会有一些问题，虽然光谱仪也可以得到全谱成像，但是会把原有光信号进行衰减，通常光经多次反射和聚焦后，光信号的强度会有不同程度的衰减，一次反射的通过率大约在80％，光信号通过三次反射后将降到原来强度的一半，在用于全谱显示成像时会出现无法获取信噪比强的图像情况。

发明内容

为了实现阴极荧光系统中能够采集光谱谱图、角度分辨成像、单谱成像以及高衬度全谱成像四种功能，本发明提出了一种阴极荧光光谱与高衬度成像装置及其成像方法，通过改变阴极荧光折转装置的内部结构实现无损失的高衬度全谱成像以及角度分辨成像，同时兼顾光源进入光谱仪分别实现光谱谱图采集和单谱成像，并实现精确控制。

本发明的一个目的在于提出一种阴极荧光光谱与高衬度成像装置。

本发明的阴极荧光光谱与高衬度成像装置包括：扫描电子显微镜系统、阴极荧光探头、高衬度成像转接模块、分光模块、光谱探测器、光强度探测器、信号处理系统和计算机；其中，待测样品和阴极荧光探头位于扫描电子显微镜系统的真空样品室内；阴极荧光探头经光导管连接至高衬度成像转接模块的入光口；高衬度成像转接模块的出光口正对分光模块的入光口；分光模块的第一出光口连接至光谱探测器，分光模块的第二出光口连接至光强度探测器；高衬度成像转接模块和光强度探测器分别通过信号线连接至信号处理系统；信号处理系统通过信号线连接至计算机；光谱探测器通过信号线连接至计算机；

阴极荧光探头采用抛物镜；

高衬度成像转接模块包括：转接模块外罩、滤光片轮、阵列芯片探头、移动装置和聚光镜；其中，转接模块外罩为一个内部具有空腔且不透光的壳体，转接模块外罩的前侧壁和后侧壁上且位于光轴的位置分别开设有入光口和出光口，滤光片轮、阵列芯片探头、移动装置和聚光镜位于转接模块外罩内；滤光片轮位于靠近入光口一侧，移动装置固定在转接模块外罩的内壁上，靠近出光口一侧；滤光片轮为圆盘状，在圆盘的平面上关于圆心呈中心对称开设有N个沉孔，N≥4，在N-1个沉孔内装配有不同波长的滤光片，一个沉孔空置不装配滤光片，滤光片轮能够围绕圆盘轴心旋转，分别使得相应的滤光片的圆心通过光轴；阵列芯片探头和聚光镜安装在移动装置上，阵列芯片探头和聚光镜通过移动装置移入或移出光轴，聚光镜的轴心与阵列芯片探头的中心同轴，并且聚光镜的轴心位于阵列芯片探头的1/2焦距位置；阵列芯片探头的中心为感光面，包括多个微小感光单元排布成二维阵列；阵列芯片探头通过信号线连接至信号处理系统；

分光模块包括：分光模块外罩、光栅塔轮、反射镜和折转镜；其中，分光模块外罩为内部具有空腔且不透光的壳体，在分光模块外罩的侧壁上分别开设有入光口、第一出光口和第二出光口；分光模块外罩的入光口位于正对扫描电子显微镜系统一侧的侧壁上；反射镜、光栅塔轮和折转镜均固定在分光模块外罩内；光栅塔轮位于分光模块的入光口，为多侧面的柱体，光栅塔轮的每一侧面都有一个光栅，能够以柱体的中心轴为旋转轴做旋转；反射镜为一个凹面反射镜；折转镜为一个平面反射镜，固定在第一出光口和第二出光口的夹角位置，折转镜能够以夹角为轴转动，通过折转镜控制光的传输方向，使得光传输至第一出光口或第二出光口；

在扫描电子显微镜系统内，电子束作用待测样品产生阴极荧光；阴极荧光探头收集阴极荧光，经光导管传输至高衬度成像转接模块，调节滤光片轮，使阴极荧光通过一个滤光片的中心，筛选设定的窄带波长；通过控制移动装置使得聚光镜和阵列芯片探头移动至光轴，阴极荧光经滤光片滤光后传输至聚光镜，经过聚焦后会聚于阵列芯片探头的中心；阵列芯片探头的每个微小感光单元的信号反映的是阴极荧光不同方向的强度信息，并将对应微小感光单元接收的阴极荧光转化为电流信号，然后经过信号线传输到信号处理模块变为放大的电压信号，再传输给计算机处理后得到单谱的角度分辨成像，将所有微小感光单元的信号累加，获得当前扫描电子显微镜系统的扫描点的单谱强度，随着扫描电子显微镜系统的扫描信号的完成，生成对应位置的单谱图像；或者，调节滤光片轮，使得阴极荧光通过空置的沉孔中心，经聚光镜后由阵列芯片探头接收，并通过信号处理模块后再传输给计算机处理，得到全谱的角度分辨成像，将所有微小感光单元的信号累加，获得当前扫描电子显微镜系统的扫描点的全谱强度，随着扫描电子显微镜系统的扫描信号的完成，生成对应位置的全谱图像；通过控制移动装置使聚光镜和阵列芯片探头移出光轴，阴极荧光全部传输至分光模块的入光口；光栅塔轮的光栅将连续的阴极荧光分光成不同波长的单色光，不同波长的单色光空间位置分开经反射镜反射至转折镜，通过控制折转镜使得阴极荧光从分光模块的第一出光口传输至光谱探测器，并且调整光栅旋转的角度，使得设定波长范围的光至光谱探测器，光谱探测器接收波长从大到小的强度信号，传输给计算机处理，最终生成光谱图，即二维曲线图；或者，通过控制折转镜使得阴极荧光从分光模块的第二出光口传输至光强度探测器，光强度探测器将阴极荧光转换为电流信号，然后经过信号线传输到信号处理模块变为放大的电压信号，最终传输给计算机处理后生成筛选波长后的任意波长的单谱图像。

进一步，高衬度成像转接模块还包括二维转接板，二维转接板安装在转接模块外罩前侧壁上，中心开设有光导管固定通孔，光导管固定通孔正对转接模块外罩的入光口，连接阴极荧光探头的光导管末端固定在光导管固定通孔上。

光谱探测器包括：光谱探头、滑动转接板和固定转接板；其中，固定转接板上开设有固定孔；滑动转接板为平板状，一侧固定安装光谱探头，另一侧设置有固定凸起，通过滑动转接板的固定凸起插入至固定转接板的固定孔内，将滑动转接板安装在固定转接板上；固定转接板固定在分光模块的第一出光口，固定转接板的中心开设有第一通光孔，第一通光孔与分光模块的第一出光口同轴；固定转接板的固定孔的周围开有多个螺纹通孔，通过螺丝把滑动转接板固定到固定转接板上；光谱探头连接至计算机。

光强度探测器包括：可调狭缝、强度探头、光强度探测外罩、光强度信号转接口和透镜；其中，可调狭缝的一侧固定在分光模块的第二出光口；透镜固定在可调狭缝的另一侧；光强度探测外罩为内部具有空腔的壳体，强度探头固定在光强度探测外罩内；光强度探测外罩的侧壁上开有第二通光孔，第二通光孔轴心与强度探头的端面垂直；强度探头的中心、第二通光孔的中心和透镜的中心均位于光轴上；在光强度探测外罩的侧壁上设置有光强度信号转接口，强度探头通过光强度信号转接口连接至信号处理系统。

进一步还包括透镜平板，透镜平板中心开有圆孔，圆孔的中心与透镜轴重合并垂直于强度探头的端面与光轴重合，透镜固定在透镜平板内，透镜平板固定在光强度探测外罩的第二通光孔的外侧，透镜平板的圆孔的中心与光强度探测外罩的第二通光孔的中心均位于光轴上。

高衬度成像转接模块的移动装置包括滑块和导轨，导轨安装在转接模块外罩的内壁上，滑块位于导轨内，并能够沿着导轨移动，移动的方向与光轴方向垂直；聚光镜固定在聚光镜支架上，聚光镜支架和阵列芯片探头均安装在滑块上。滤光片轮的圆盘的轴心安装有轴承并连接平板支架，平板支架所在的平面与滤光片轮平行，平板支架固定在转接模块外罩的内壁上。在转接模块外罩的侧壁的通孔内安装有信号转接头，连接阵列芯片探头的信号线通过信号转接头连接至信号处理系统。

信号处理系统包括探头供电模块和多路信号处理模块；其中，探头供电模块通过信号线分别与高衬度成像转接模块的阵列芯片探头以及光强度探测器的强度探头相连接；多路信号处理模块包括外设接口、信号放大模块、滤波模块、多通道混合模块和信号采集卡，外设接口向外经信号线与高衬度成像转接模块的阵列芯片探头以及光强度探测器的强度探头相连接，外设接口向内经信号线与信号放大模块相连接，信号放大模块与滤波模块相连接，滤波模块与多通道混合模块相连接，多通道混合模块与信号采集卡相连接，信号采集卡通过信号线连接至计算机。

光栅塔轮的侧面的数量2、3或4；每个侧面的光栅不同，光栅的单位长度内的刻线数不同，分光的精度不同，能够同时观察的光谱范围也不同，刻线数越多，精度越高，范围越窄。

本发明的另一个目的在于提出一种阴极荧光光谱与高衬度成像装置的实现方法。

本发明的阴极荧光光谱与高衬度成像装置的实现方法，包括以下步骤：

1)在扫描电子显微镜系统内，电子束作用待测样品产生阴极荧光；

2)阴极荧光探头收集阴极荧光，经光导管传输至高衬度成像转接模块，调节滤光片轮，使阴极荧光通过一个滤光片的中心，筛选设定的窄带波长；

3)通过控制移动装置使得阵列芯片探头移动至光轴，阴极荧光经滤光片滤光后传输至聚光镜，经过聚焦后会聚于阵列芯片探头的中心；阵列芯片探头的每个微小感光单元的数据反映的是阴极荧光不同方向的强度信息，并将对应微小感光单元接收的阴极荧光转化为电流信号，然后经过信号线传输到信号处理模块变为放大的电压信号，再传输给计算机处理后得到单谱的角度分辨成像，所有微小感光单元的信号累加获得当前扫描电子显微镜系统的扫描点的单谱强度，随着扫描电子显微镜系统的扫描信号的完成，生成对应位置的单谱图像；

或者，调节滤光片轮，使得阴极荧光通过空置的沉孔中心，经聚光镜后由阵列芯片探头接收，并通过信号处理模块后再传输给计算机处理，得到全谱的角度分辨成像，将所有微小感光单元的信号累加，获得当前扫描电子显微镜系统的扫描点的全谱强度，随着扫描电子显微镜系统的扫描信号的完成，生成对应位置的全谱图像；

4)通过控制移动装置使得聚光镜和阵列芯片探头移出光轴，阴极荧光全部传输至分光模块的入光口；

5)光栅塔轮的光栅将连续的阴极荧光分光成不同波长的单色光，不同波长的单色光空间位置分开经反射镜反射至转折镜；

6)通过折转镜控制阴极荧光至第一出光口，阴极荧光从分光模块的第一出光口传输至光谱探测器，并且调整光栅旋转的角度，使得设定波长范围的光至光谱探测器，光谱探测器接收波长从大到小的强度信号，传输给计算机处理，最终生成光谱图，即二维曲线图；

或者，通过折转镜控制阴极荧光至第二出光口，阴极荧光从分光模块的第二出光口传输至光强度探测器，光强度探测器将阴极荧光转换为电流信号，然后经过信号线传输到信号处理模块变为放大的电压信号，最终传输给计算机处理后生成筛选波长后的任意波长的单谱图像。

其中，在步骤6)中，阴极荧光从分光模块的第二出光口传输至光强度探测器后，分散的光经可调狭缝筛选一段波长，然后经透镜会聚到强度探头的端窗，并将光信号转化为电流信号，再经过信号线传输到信号处理模块变为放大的电压信号，最终传输给计算机处理后生成筛选波长的单谱强度图像。

本发明的优点：

本发明设计巧妙，不仅能够在电子激发的阴极荧光进入光谱探测器和光强度探测器前进入阵列芯片探头用于近似无损的全谱成像，并且能够在阴极荧光从光导管出射到进入光谱探测器和光强度探测器前获得单谱成像，再者该阵列芯片探头能够获得电子束作用点的角度分辨成像；而且在获得近似无损的全谱成像的同时能够获得光谱谱图和单谱成像。

附图说明

图1为本发明的阴极荧光光谱与高衬度成像装置的一个实施例的示意图；

图2为本发明的阴极荧光光谱与高衬度成像装置的一个实施例的高衬度成像转接模块的示意图；

图3为本发明的阴极荧光光谱与高衬度成像装置的一个实施例的光强度探测器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的阴极荧光光谱与高衬度成像装置包括：扫描电子显微镜系统1、阴极荧光探头2、高衬度成像转接模块3、分光模块、光谱探测器5、光强度探测器6、信号处理系统7和计算机8；其中，待测样品0和阴极荧光探头2位于扫描电子显微镜系统1的真空样品室内；阴极荧光探头2的后端使用光导管21进行传导，光导管的直径等于或略大于阴极荧光探头的反射面，从而能够实现角度分辨成像，光导管固定在真空法兰22上，真空法兰连接至高衬度成像转接模块3的入光口；高衬度成像转接模块3的出光口正对分光模块的入光口；分光模块的第一出光口连接至光谱探测器5，分光模块的第二出光口连接至光强度探测器6；高衬度成像转接模块3和光强度探测器6分别通过信号线连接至信号处理系统7；信号处理系统7通过信号线连接至计算机8；光谱探测器5通过信号线连接至计算机8；

阴极荧光探头2采用抛物镜，抛物镜焦点处的阴极荧光经抛物镜反射为一个端面为半圆的平行光，平行光经光导管由真空环境传导到大气环境，光导管为一个圆柱形石英玻璃柱，光导管通过橡皮圈径向密封于真空法兰上，该真空法兰安装在扫描电子显微镜系统的样品室侧壁上；

如图2所示，高衬度成像转接模块3包括：二维转接板31、转接模块外罩32、滤光片轮33、聚光镜34、阵列芯片探头35和移动装置36；其中，转接模块外罩32的前侧壁和后侧壁上且位于光轴的位置分别开设有入光口和出光口；二维转接板31安装在转接模块外罩32前侧壁上，中心开设有光导管固定通孔，光导管固定通孔正对转接模块外罩32的入光口，连接阴极荧光探头的光导管末端固定在光导管固定通孔上；滤光片轮33为圆盘状，在圆盘的平面上以圆心为轴均匀开设有六个沉孔，五个沉孔内装配有不同波长的滤光片，一个沉孔空置不装配滤光片，滤光片轮33能够围绕圆盘轴心旋转，分别使得相应的滤光片的圆心通过光轴；阵列芯片探头35和聚光镜34安装在移动装置36上，阵列芯片探头35和聚光镜34通过移动装置36移入或移出光轴；阵列芯片探头35通过信号线连接至信号处理系统；聚光镜34的中心轴与阵列芯片探头35的中心同轴，并且聚光镜34位于阵列芯片探头35的1/2焦距位置；阵列芯片探头35的中心为感光面，包括多个微小感光单元排布成二维阵列。

分光模块包括：分光模块外罩41、光栅塔轮42、反射镜43和折转镜44；其中，分光模块外罩41为内部具有空腔且不透光的壳体；分光模块外罩41的侧壁上分别开设有入光口、第一出光口和第二出光口，入光口位于正对扫描电子显微镜系统一侧的侧壁上，第一出光口位于与入光口相对的侧壁上，并处于对角位置，第二出光口位于紧邻第一出光口的相邻侧壁上，并紧挨着第一出光口；反射镜43、光栅塔轮42和折转镜44均固定在分光模块外罩41内；光栅塔轮42位于入光口，为一个横截面为正三角形的柱体，光栅塔轮42的每一侧面都有一个光栅，光栅塔轮42固定在第二出光口的对侧，并能够以柱体的中心轴为旋转轴做旋转；反射镜43为一个凹面反射镜；折转镜44为一个平面反射镜，固定在第一出光口和第二出光口的夹角位置，折转镜44以夹角为轴转动，能够从遮挡第一出光口位置到遮挡第二出光口位置摆动，通过控制折转镜44将单色光反射到第二出光口，折转镜44移开单色光直接出射到第一出光口。

扫描电子显微镜系统1包括电子枪11、电子光学系统12、真空样品室14、信号探测系统、电气控制系统13和用户操控系统；其中，电子枪1发射电子束01，经电子光学系统12形成高质量的聚焦电子束，入射至位于真空样品室4内的待测样品0上，电子束与待测样品0相互作用产生信号，产生的阴极荧光由阴极荧光探头2收集，其他信号由信号探测系统收集；电气控制系统13包括电源模块、接口模块、扫描发生模块以及控制终端，电气控制系统13中的电源模块与扫描电子显微镜系统中的电子枪11、电子光学系统12、真空样品室14、信号探测系统相连接，并为其提供供电，控制终端与电源模块、接口模块、扫描发生模块连接，控制终端通过接口模块连接信号线与计算机8进行信息交互；计算机8中的外部扫描模块发出外部扫描信号到控制终端控制电子光学系统控制电子束扫描，阴极荧光探头2同步收集荧光强度信号，经过高衬度转接模块和分光模块被光强度探测器和PMT探头接收强度信息，该信号可被扫描电子显微镜系统的用户操控系统获取并显示。

光谱探测器包括：光谱探头、滑动转接板和固定转接板；其中，固定转接板上开设有固定孔；滑动转接板为平板状，一侧固定安装光谱探头，另一侧设置有固定凸起，通过滑动转接板的固定凸起插入至固定转接板的固定孔内，将滑动转接板安装在固定转接板上；固定转接板固定在分光模块的第一出光口，固定转接板的中心开设有第一通光孔，第一通光孔与分光模块的第一出光口同轴；固定转接板的固定孔的周围开有多个螺纹通孔，通过螺丝把滑动转接板固定到固定转接板上；光谱探头连接至计算机。

如图3所示，光强度探测器6包括：可调狭缝61、强度探头62、光强度探测外罩63、光强度信号转接口64、透镜65和透镜平板；其中，可调狭缝61的一侧固定在分光模块的第二出光口；透镜65固定在可调狭缝61的另一侧；光强度探测外罩63为内部具有空腔的壳体，强度探头62固定在光强度探测外罩63内；光强度探测外罩63的侧壁上开有第二通光孔，第二通光孔轴心与强度探头62的端面垂直；强度探头62的中心、第二通光孔的中心和透镜65的中心均位于光轴上；在光强度探测外罩63的侧壁上设置有光强度信号转接口64，强度探头62通过光强度信号转接口64连接至信号处理系统；透镜平板中心开有圆孔，圆孔的中心与透镜65轴重合并垂直于强度探头62的端面与光轴重合，透镜65固定在透镜平板内，透镜平板固定在光强度探测外罩63的第二通光孔的外侧，透镜平板的圆孔的中心与光强度探测外罩63的第二通光孔的中心均位于光轴上。

本实施例的阴极荧光光谱与高衬度成像装置的实现方法，包括以下步骤：

1)在扫描电子显微镜系统内，电子束作用待测样品产生阴极荧光；

2)阴极荧光探头收集阴极荧光，经光导管传输至高衬度成像转接模块，调节滤光片轮，使阴极荧光通过一个滤光片的中心，筛选设定的窄带波长；

3)通过控制移动装置使得阵列芯片探头移动至光轴，阴极荧光经滤光片滤光后传输至聚光镜，经过聚焦后会聚于阵列芯片探头的中心；阵列芯片探头的每个微小感光单元的数据反映的是阴极荧光不同方向的强度信息，并将对应微小感光单元接收的阴极荧光转化为电流信号，然后经过信号线传输到信号处理模块变为放大的电压信号，再传输给计算机处理后得到单谱的角度分辨成像，所有微小感光单元的信号累加获得当前扫描电子显微镜系统的扫描点的单谱强度，随着扫描电子显微镜系统的扫描信号的完成，生成对应位置的单谱图像；

或者，调节滤光片轮，使得阴极荧光通过空置的沉孔中心，经聚光镜后阵列芯片探头接收，并通过信号处理模块后再传输给计算机处理，得到全谱的角度分辨成像，所有微小感光单元的信号累加获得当前扫描电子显微镜系统的扫描点的全谱强度，随着扫描电子显微镜系统的扫描信号的完成生成对应位置的全谱图像；

4)通过控制移动装置使得聚光镜和阵列芯片探头移出光轴，阴极荧光全部传输至分光模块的入光口；

5)光栅塔轮的光栅将连续的阴极荧光分光成不同波长的单色光，不同波长的单色光空间位置分开经反射镜反射至转折镜；

6)通过控制折转镜移开不遮挡第一出光口，阴极荧光从分光模块的第一出光口传输至光谱探测器，并且调整光栅旋转的角度，使得设定波长范围的光至光谱探测器，光谱探测器接收波长从大到小的强度信号，传输给计算机处理，最终生成光谱图，即二维曲线图；

或者，通过控制折转镜将阴极荧光反射到第二出光口，从分光模块的第二出光口传输至光强度探测器，分散的光经可调狭缝筛选一段波长，然后经透镜会聚到强度探头的端窗，并将光信号转化为微弱的电流信号，然后经过信号线传输到信号处理模块变为放大的电压信号，最终传输给计算机处理后生成筛选波长的单谱强度图像。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种阴极荧光光谱与高衬度成像装置，其特征在于，所述阴极荧光光谱与高衬度成像装置包括：扫描电子显微镜系统、阴极荧光探头、高衬度成像转接模块、分光模块、光谱探测器、光强度探测器、信号处理系统和计算机；其中，待测样品和阴极荧光探头位于扫描电子显微镜系统的真空样品室内；阴极荧光探头经光导管连接至高衬度成像转接模块的入光口；高衬度成像转接模块的出光口正对分光模块的入光口；分光模块的第一出光口连接至光谱探测器，分光模块的第二出光口连接至光强度探测器；高衬度成像转接模块和光强度探测器分别通过信号线连接至信号处理系统；信号处理系统通过信号线连接至计算机；光谱探测器通过信号线连接至计算机；

阴极荧光探头采用抛物镜；

高衬度成像转接模块包括：转接模块外罩、滤光片轮、阵列芯片探头、移动装置和聚光镜；其中，转接模块外罩为一个内部具有空腔且不透光的壳体，转接模块外罩的前侧壁和后侧壁上且位于光轴的位置分别开设有入光口和出光口，滤光片轮、阵列芯片探头、移动装置和聚光镜位于转接模块外罩内；滤光片轮位于靠近入光口一侧，移动装置固定在转接模块外罩的内壁上，靠近出光口一侧；滤光片轮为圆盘状，在圆盘的平面上关于圆心呈中心对称开设有N个沉孔，N为自然数，在N-1个沉孔内装配有不同波长的滤光片，一个沉孔空置不装配滤光片，滤光片轮能够围绕圆盘轴心旋转，分别使得相应的滤光片的圆心通过光轴；阵列芯片探头和聚光镜安装在移动装置上，阵列芯片探头和聚光镜通过移动装置移入或移出光轴，聚光镜的轴心与阵列芯片探头的中心同轴，并且聚光镜的轴心位于阵列芯片探头的1/2焦距位置；阵列芯片探头的中心为感光面，包括多个微小感光单元排布成二维阵列；阵列芯片探头通过信号线连接至信号处理系统；

分光模块包括：分光模块外罩、光栅塔轮、反射镜和折转镜；其中，分光模块外罩为内部具有空腔且不透光的壳体，在分光模块外罩的侧壁上分别开设有入光口、第一出光口和第二出光口；分光模块外罩的入光口位于正对扫描电子显微镜系统一侧的侧壁上；反射镜、光栅塔轮和折转镜均固定在分光模块外罩内；光栅塔轮位于分光模块的入光口，为多侧面的柱体，光栅塔轮的每一侧面都有一个光栅，能够以柱体的中心轴为旋转轴做旋转；反射镜为一个凹面反射镜；折转镜为一个平面反射镜，固定在第一出光口和第二出光口的夹角位置，折转镜能够以夹角为轴转动，通过折转镜控制光的传输方向，使得光传输至第一出光口或第二出光口；

在扫描电子显微镜系统内，电子束作用待测样品产生阴极荧光；阴极荧光探头收集阴极荧光，经光导管传输至高衬度成像转接模块，调节滤光片轮，使阴极荧光通过一个滤光片的中心，筛选设定的窄带波长；通过控制移动装置使得聚光镜和阵列芯片探头移动至光轴，阴极荧光经滤光片滤光后传输至聚光镜，经过聚焦后会聚于阵列芯片探头的中心；阵列芯片探头的每个微小感光单元的信号反映的是阴极荧光不同方向的强度信息，并将对应微小感光单元接收的阴极荧光转化为电流信号，然后经过信号线传输到信号处理模块变为放大的电压信号，再传输给计算机处理后得到单谱的角度分辨成像，将所有微小感光单元的信号累加，获得当前扫描电子显微镜系统的扫描点的单谱强度，随着扫描电子显微镜系统的扫描信号的完成，生成对应位置的单谱图像；或者，调节滤光片轮，使得阴极荧光通过空置的沉孔中心，经聚光镜后由阵列芯片探头接收，并通过信号处理模块后再传输给计算机处理，得到全谱的角度分辨成像，将所有微小感光单元的信号累加，获得当前扫描电子显微镜系统的扫描点的全谱强度，随着扫描电子显微镜系统的扫描信号的完成，生成对应位置的全谱图像；通过控制移动装置使聚光镜和阵列芯片探头移出光轴，阴极荧光全部传输至分光模块的入光口；光栅塔轮的光栅将连续的阴极荧光分光成不同波长的单色光，不同波长的单色光空间位置分开经反射镜反射至转折镜，通过控制折转镜使得阴极荧光从分光模块的第一出光口传输至光谱探测器，并且调整光栅旋转的角度，使得设定波长范围的光至光谱探测器，光谱探测器接收波长从大到小的强度信号，传输给计算机处理，最终生成光谱图，即二维曲线图；或者，通过控制折转镜使得阴极荧光从分光模块的第二出光口传输至光强度探测器，光强度探测器将阴极荧光转换为电流信号，然后经过信号线传输到信号处理模块变为放大的电压信号，最终传输给计算机处理后生成筛选波长后的任意波长的单谱图像。

2.如权利要求1所述的阴极荧光光谱与高衬度成像装置，其特征在于，所述高衬度成像转接模块还包括二维转接板，所述二维转接板安装在转接模块外罩前侧壁上，中心开设有光导管固定通孔，光导管固定通孔正对转接模块外罩的入光口，连接阴极荧光探头的光导管末端固定在光导管固定通孔上。

3.如权利要求1所述的阴极荧光光谱与高衬度成像装置，其特征在于，所述光谱探测器包括：光谱探头、滑动转接板和固定转接板；其中，固定转接板上开设有固定孔；滑动转接板为平板状，一侧固定安装光谱探头，另一侧设置有固定凸起，通过滑动转接板的固定凸起插入至固定转接板的固定孔内，将滑动转接板安装在固定转接板上；固定转接板固定在分光模块的第一出光口，固定转接板的中心开设有第一通光孔，第一通光孔与分光模块的第一出光口同轴；固定转接板的固定孔的周围开有多个螺纹通孔，通过螺丝把滑动转接板固定到固定转接板上；光谱探头连接至计算机。

4.如权利要求1所述的阴极荧光光谱与高衬度成像装置，其特征在于，所述可调狭缝、强度探头、光强度探测外罩、光强度信号转接口和透镜；其中，可调狭缝的一侧固定在分光模块的第二出光口；透镜固定在可调狭缝的另一侧；光强度探测外罩为内部具有空腔的壳体，强度探头固定在光强度探测外罩内；光强度探测外罩的侧壁上开有第二通光孔，第二通光孔轴心与强度探头的端面垂直；强度探头的中心、第二通光孔的中心和透镜的中心均位于光轴上；在光强度探测外罩的侧壁上设置有光强度信号转接口，强度探头通过光强度信号转接口连接至信号处理系统。

5.如权利要求4所述的阴极荧光光谱与高衬度成像装置，其特征在于，还包括透镜平板，所述透镜平板的中心开有圆孔，圆孔的中心与透镜轴重合并垂直于强度探头的端面与光轴重合，透镜固定在透镜平板内，透镜平板固定在光强度探测外罩的第二通光孔的外侧，透镜平板的圆孔的中心与光强度探测外罩的第二通光孔的中心均位于光轴上。

6.如权利要求1所述的阴极荧光光谱与高衬度成像装置，其特征在于，所述高衬度成像转接模块的移动装置包括滑块和导轨，导轨安装在转接模块外罩的内壁上，滑块位于导轨内，并能够沿着导轨移动，移动的方向与光轴方向垂直；聚光镜固定在聚光镜支架上，聚光镜支架和阵列芯片探头均安装在滑块上。

7.如权利要求1所述的阴极荧光光谱与高衬度成像装置，其特征在于，还包括轴承和平板支架，所述平板支架固定在转接模块外罩的内壁上，滤光片轮的圆盘的轴心安装轴承，轴承连接平板支架，平板支架所在的平面与滤光片轮平行。

8.如权利要求1所述的阴极荧光光谱与高衬度成像装置，其特征在于，信号处理系统包括探头供电模块和多路信号处理模块；其中，探头供电模块通过信号线分别与高衬度成像转接模块的阵列芯片探头以及光强度探测器的强度探头相连接；多路信号处理模块包括外设接口、信号放大模块、滤波模块、多通道混合模块和信号采集卡，外设接口向外经信号线与高衬度成像转接模块的阵列芯片探头以及光强度探测器的强度探头相连接，外设接口向内经信号线与信号放大模块相连接，信号放大模块与滤波模块相连接，滤波模块与多通道混合模块相连接，多通道混合模块与信号采集卡相连接，信号采集卡通过信号线连接至计算机。

9.一种如权利要求1所述的阴极荧光光谱与高衬度成像装置的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

1)在扫描电子显微镜系统内，电子束作用待测样品产生阴极荧光；

2)阴极荧光探头收集阴极荧光，经光导管传输至高衬度成像转接模块，调节滤光片轮，使阴极荧光通过一个滤光片的中心，筛选设定的窄带波长；

3)通过控制移动装置使得阵列芯片探头移动至光轴，阴极荧光经滤光片滤光后传输至聚光镜，经过聚焦后会聚于阵列芯片探头的中心；阵列芯片探头的每个微小感光单元的数据反映的是阴极荧光不同方向的强度信息，并将对应微小感光单元接收的阴极荧光转化为电流信号，然后经过信号线传输到信号处理模块变为放大的电压信号，再传输给计算机处理后得到单谱的角度分辨成像，所有微小感光单元的信号累加获得当前扫描电子显微镜系统的扫描点的单谱强度，随着扫描电子显微镜系统的扫描信号的完成，生成对应位置的单谱图像；

或者，调节滤光片轮，使得阴极荧光通过空置的沉孔中心，经聚光镜后由阵列芯片探头接收，并通过信号处理模块后再传输给计算机处理，得到全谱的角度分辨成像，将所有微小感光单元的信号累加，获得当前扫描电子显微镜系统的扫描点的全谱强度，随着扫描电子显微镜系统的扫描信号的完成，生成对应位置的全谱图像；

4)通过控制移动装置使得聚光镜和阵列芯片探头移出光轴，阴极荧光全部传输至分光模块的入光口；

5)光栅塔轮的光栅将连续的阴极荧光分光成不同波长的单色光，不同波长的单色光空间位置分开经反射镜反射至转折镜；

6)通过折转镜控制阴极荧光至第一出光口，阴极荧光从分光模块的第一出光口传输至光谱探测器，并且调整光栅旋转的角度，使得设定波长范围的光至光谱探测器，光谱探测器接收波长从大到小的强度信号，传输给计算机处理，最终生成光谱图，即二维曲线图；

或者，通过折转镜控制阴极荧光至第二出光口，阴极荧光从分光模块的第二出光口传输至光强度探测器，光强度探测器将阴极荧光转换为电流信号，然后经过信号线传输到信号处理模块变为放大的电压信号，最终传输给计算机处理后生成筛选波长后的任意波长的单谱图像。

10.如权利要求9所述的实现方法，其特征在于，在步骤6)中，阴极荧光从分光模块的第二出光口传输至光强度探测器后，分散的光经可调狭缝筛选一段波长，然后经透镜会聚到强度探头的端窗，并将光信号转化为电流信号，再经过信号线传输到信号处理模块变为放大的电压信号，最终传输给计算机处理后生成筛选波长的单谱强度图像。