CN115791618B - 一种抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置及其成像方法。本发明可快速更换滤光片，针对不同样品发的磷光进行抑制并选择需要的荧光波段进行收集和探测；先通过多波段荧光探头的方式不仅实现了多光谱波段的阴极荧光成像和彩色阴极荧光图像，通过不同光谱波段之间的组合快速找到磷光所在波段；然后安装相应波段的滤光片，实现抑制磷光而不滤除阴极荧光得到快速的更多荧光信息的阴极荧光成像；并且实现高时效和高性能的大面积快速拍摄的需要；同时大大简化了设计、装配和制造的复杂度，对扫描电子显微镜中获得更高的阴极荧光的空间分辨率提供更短的工作距离，对商业化生产的制造成本有降低，对规模化生产提供便利。

Description

一种抑制磷光高衬度阴极荧光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，具体涉及一种抑制磷光高衬度阴极荧光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。

阴极荧光探测及成像系统是获取该种阴极荧光信号的主要方法。该系统通常包括阴极荧光收集与探测装置、转接耦合装置和信号处理与控制系统。针对该系统的阴极荧光收集与探测装置部分，即用于收集电子束激发的阴极荧光信号并转化为电信号的收集与探测装置；阴极荧光信号被电子束激发后直接由阴极荧光收集与探测装置收集并转为电信号，经转接耦合装置将电信号传递由真空环境到一般大气环境中的信号放大系统，最终被处理成可被计算机处理的同步图像信息或是强度信息，该系统直接收集阴极荧光信号通过有限空间进行最大限度的空间收集，以半导体探测器为基础进行光电转化。荧光信号的产生通常也伴随有一定磷光信号的发生，磷光信号与荧光信号的根本区别在于荧光是由激发单重态最低振动能级至基态各振动能级间跃迁产生的；而磷光是由激发三重态的最低振动能级至基态各振动能级间跃迁产生的；荧光信号的持续时间通常在纳秒量级，磷光信号的持续时间通常在毫秒量级，以荧光信号收集为主时，磷光的持续时间过长，并且信号更强，造成无法采集到荧光信号；对于具有不同磷光信号的样品，如何筛选荧光信号对于阴极荧光探测及成像系统有着重要意义。

发明内容

为了实现阴极荧光探测及成像系统对磷光信号进行抑制并收集特定荧光信号，本发明提出了一种抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置及其成像方法，本发明的阴极荧光探头设置在扫描电子显微镜系统的真空样品室内，位于收集阴极荧光的位置。

本发明的一个目的在于提出一种抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置。

扫描电子显微镜系统包括电子枪、电子光学系统、真空样品室、物镜、信号探测系统和电气控制系统；其中，物镜包括物镜下极靴和物镜支架；电子光学系统连接电气控制系统。

本发明的抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置包括：扫描电子显微镜系统、阴极荧光探头、转接耦合装置、信号处理与控制系统和计算机；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，阴极荧光探头的上端面距物镜下极靴的距离小于1mm，且不接触物镜下极靴表面；阴极荧光探头经信号线连接至转接耦合装置；转接耦合装置通过信号线连接至位于真空样品室外的信号处理与控制系统；信号处理与控制系统通过信号线连接至计算机；扫描电子显微镜系统的连接电气控制系统连接至信号处理与控制系统；

阴极荧光探头包括：探头盖、阵列型硅光电芯片、探头座、滤光片和滤光片支架；其中，探头盖为平板状，开设有电子束通孔，在探头盖的下表面且与电子束通孔同轴设置有电子束管道，电子束管道为内部中空的管状，电子束管道的内径等于探头盖的电子束通孔的直径，阴极荧光探头的电子束管道与扫描电子显微镜系统的电子束通道同轴；探头座设置有环形固定框，环形固定框的中心具有荧光通孔，环形固定框的下表面开设有多个呈中心对称的卡槽；阵列型硅光电芯片包括电路板和多个芯片型荧光探头，电路板上开设有电子束通孔，在电路板的下表面以电子束通孔为中心均匀排布多个芯片型荧光探头，阵列型硅光电芯片放置在探头座上并且阵列型硅光电芯片的多个芯片型荧光探头从探头座的荧光通孔暴露出；滤光片的中心开设有电子束通孔；滤光片支架包括环形边框和挂钩，环形边框的中心具有荧光通光孔，荧光通光孔的直径小于滤光片的外径且环形边框的外径不小于滤光片的外径，滤光片放置在环形边框上，与探头座的下表面开的多个卡槽相对应，在环形边框的外边缘设置有多个呈中心对称的挂钩；探头盖、阵列型硅光电芯片、探头座、滤光片和滤光片支架从上至下依次设置且所在的平面互相平行；通过每一个挂钩嵌入相应的卡槽内，将滤光片支架安装在探头座的下表面，并且滤光片与阵列型硅光电芯片的芯片型荧光探头有间隙；探头盖的电子束通孔、阵列型硅光电芯片的电子束通孔、探头座的荧光通光孔、滤光片中心的电子束通孔和滤光片支架的荧光通光孔同轴；电子束管道依次穿过阵列型硅光电芯片的电子束通孔、探头座的荧光通光孔、滤光片的电子束通孔以及滤光片支架的荧光通光孔；探头盖、电子束管道、探头座和滤光片支架的材料采用无磁金属；

阵列型硅光电芯片中的芯片型荧光探头包括颜色域探头和全色域探头；其中，颜色域探头和全色域探头分别围绕电子束通孔的中心轴均匀分布，颜色域探头在内侧，全色域探头在外侧；颜色域探头分为红色域探头、绿色域探头和蓝色域探头，每种颜色域探头均包括多个并以电子束管道为中心对称放置且均匀分布；所有的全色域探头串联形成一路全色域通道，颜色域探头中所有红色域探头串联、所有绿色域探头串联以及所有蓝色域探头串联，分别形成三个独立的颜色域通道，四路独立的通道分别通过信号线经转接耦合装置连接至信号处理与控制系统的四个独立的信号通道；

电子枪发射电子束，经电子光学系统形成高质量的聚焦电子束，经物镜聚焦后通过电子束管道入射至待测样品上，电子束与待测样品相互作用产生阴极荧光；信号处理与控制系统发出外部扫描信号到电气控制系统，电气控制系统把外部扫描信号发送给电子光学系统控制电子束扫描，控制电子束作用待测样品产生对应位置的阴极荧光；阴极荧光由阴极荧光探头收集，其他信号由信号探测系统收集；先采用不安装滤光片的阴极荧光探头直接接收，阵列型硅光电芯片中的全色域探头和颜色域探头对应自身波段接收带磷光和阴极荧光的光信号，并转换为电信号，通过四个独立的通道分别传输至信号处理与控制系统，信号处理与控制系统将电信号转化为能够被计算机识别的多路数字信号，传输至计算机；计算机根据三路颜色域通道的数字信号混合得到黑白的可见光波段阴极荧光图像；进一步，配合三原色原理对三路颜色域通道的数字信号分别设定对应颜色的数值，然后混合三路颜色域通道的数字信号得到彩色的阴极荧光图像；对全色域通道的数字信号进行补偿，补偿后的全色域通道的数字信号减去颜色域通道的数字信号得到红外和紫外波段荧光图像，颜色域通道中的两两混合分别得到红蓝、红绿和蓝绿波段的阴极荧光图像，单独的颜色域通道的数字信号分别得到红绿蓝三色波段的阴极荧光图像，从而采用三个独立的颜色域通道和一路全色域通道并通过信号处理与控制系统传输至计算机，计算机实现后期丰富的图像信息组合和筛选，增加了更多的图像信息进行表征，通过组合成像，找到有拖尾现象的阴极荧光图像，从而选出含有磷光的阴极荧光图像，以此确认待测样品的磷光所在波段；根据获得的待测样品的磷光波段，在阴极荧光探头中安装对应抑制磷光波段的滤光片，阴极荧光探头收集阴极荧光；阴极荧光通过滤光片支架的荧光通光孔，经滤光片进行荧光筛选并抑制不需要的磷光，通过探头座的荧光通光孔，由阵列型硅光电芯片中的全色域探头和颜色域探头对应自身波段接收抑制磷光后的阴极荧光信号，阵列型硅光电芯片将抑制磷光后的阴极荧光信号转换为电信号，通过四个独立的通道分别经过转接耦合模块传输至信号处理与控制系，信号处理与控制系统将电信号转化能够被计算机识别的四路数字信号，传输至计算机；计算机将四路数字信号叠加混合得到抑制磷光的阴极荧光图像；更换窄带滤光片，实现单色阴极荧光成像。

转接耦合装置包括真空法兰和信号转接头；其中，真空法兰固定在扫描电子显微系统的真空样品室的外壁上，为圆形法兰盘，开设有信号通孔；信号转接头固定在真空法兰上的信号通孔内，两侧用橡皮圈端面密封，一侧通过信号线与阴极荧光探头的阵列型硅光电芯片连接，另一侧通过信号线与信号处理与控制系统连接。

阴极荧光探头采用两种方式进行固定：悬挂安装方式或者侧插入安装方式；悬挂安装方式中采用悬臂，阴极荧光探头的探头座的边缘固定在两个悬臂的底端，悬臂的顶端固定到物镜支架上；

侧插入安装方式中采用侧插入装置，侧插入装置包括探头杆、固定调节装置、导轨组合和底板；探头杆为刚性圆柱杆，并且在转接耦合装置的真空法兰上开设探头通孔，探头杆的前端通过探头通孔伸入真空样品室内，并通过橡皮圈径向密封探头通孔，探头杆的前端与阴极荧光探头的探头座刚性安装，探头杆的后端与位于真空样品室外的固定调节装置固定；固定调节装置为一个二维调节台，在垂直电子束方向的平面内进行微调，二维调节台刚性连接在导轨组合的滑块上；导轨组合包括导轨和滑块，导轨固定在底板上，与探头杆中心轴平行，滑块套在导轨上能够延导轨滑动；底板为金属平板，与物镜下级靴的端面平行，一端与真空法兰刚性固定；将导轨组合中的滑块推向真空法兰，带动探头杆和固定在前端的阴极荧光探头，使阴极荧光探头进入到物镜下极靴的正下方，导轨组合中滑块远离真空法兰，使阴极荧光探头远离物镜。

物镜包括物镜下极靴和物镜支架，物镜下极靴为圆锥形结构，圆锥顶和圆锥底均为平面结构，中心开有电子束通孔，物镜支架为圆环结构，套在物镜下极靴的顶端，并与真空样品室的顶壁连接。

电气控制系统包括：电源模块、接口模块、内部扫描发生模块和控制终端；其中，电源模块与扫描电子显微镜系统中的电子枪、电子光学系统和信号探测系统相连接，提供工作电压，控制终端与电源模块、接口模块和内部扫描发生模块连接，控制终端通过接口模块连接信号线与信号处理与控制系统进行信息交互；控制终端与电子光学系统相连接。

信号处理与控制系统包括：外部扫描发生模块、探头供电模块和多路信号处理模块；其中，外部扫描发生模块通过信号线与扫描电子显微镜系统的电气控制系统的接口模块连接，通过接口模块连接至控制终端相连接；探头供电模块通过信号线与阴极荧光探头相连接；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转接耦合装置相连接，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。

信号处理与控制系统中的外部扫描发生模块发出外部扫描信号，通过电气控制系统中的控制终端控制电子光学系统中的扫描线圈，从而控制扫描电子显微镜系统内的电子束，控制电子束作用待测样品产生对应位置的阴极荧光；可控作用为矩形区域内由左至右，由上至下逐行扫描；阴极荧光探头收集阴极荧光先采用不安装滤光片的阴极荧光探头直接接收，使阵列型硅光电芯片中的全色域探头和颜色域探头对应自身波段接收带磷光和阴极荧光的光信号，并转换为电信号，通过四个独立的通道分别传输至信号处理与控制系统的多路信号处理模块，多路信号处理模块对带磷光和阴极荧光的电信号分别进行放大、偏置和滤波的操作，最终转化为能够被计算机识别的多路数字信号，多路信号处理模块的信号采集卡与外部扫描发生模块进行高速同步，不同通道的不同组合得到多种波段的数字信号，传输至计算机处理后生成多种波段的阴极荧光图像，通过组合成像筛选出含有磷光的阴极荧光图像，并且确认待测样品的磷光所在波段；根据获得的待测样品的磷光波段，在阴极荧光探头中安装对应抑制磷光波段的滤光片，阴极荧光探头收集阴极荧光；经阴极荧光探头的滤光片进行荧光筛选，使阵列型硅光电芯片的全部荧光探头接收抑制后的阴极荧光信号，经信号线连接到信号处理与控制系统的多路信号处理模块，多路信号处理模块对带有荧光信息的电信号进行放大、偏置、滤波和叠加的操作最终转化为能够被计算机识别的数字信号，多路信号处理模块的信号采集卡与外部扫描发生模块进行高速同步，最终传输给计算机处理后生成抑制磷光的实时阴极荧光图像，更换窄带滤光片，实现单色阴极荧光成像。

颜色域探头的探测波段为380～680nm，全色域探头的探测波段为200～900nm。

探头盖、电子束管道、探头座和滤光片支架采用的无磁金属为铝、铜或钛。

本发明的另一个目的在于提出一种抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置的成像方法。

本发明的抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置的成像方法，包括以下步骤：

1)电子枪发射电子束，经电子光学系统形成高质量的聚焦电子束，经物镜聚焦后通过电子束管道入射至待测样品上，电子束与待测样品相互作用产生阴极荧光；

2)信号处理与控制系统发出外部扫描信号到电气控制系统，电气控制系统把外部扫描信号发送给电子光学系统控制电子束扫描，控制电子束作用待测样品产生对应位置的阴极荧光；

3)阴极荧光由阴极荧光探头收集，其他信号由信号探测系统收集；

4)阴极荧光探头中不安装滤光片，带磷光和阴极荧光的光信号直接进入至阴极荧光探头，阵列型硅光电芯片中的全色域探头和颜色域探头对应自身波段接收带磷光和阴极荧光的光信号，并转换为电信号，通过四个独立的通道分别传输至信号处理与控制系统，信号处理与控制系统将电信号转化为能够被计算机识别的多路数字信号，传输至计算机；计算机根据三路颜色域通道的数字信号混合得到黑白的可见光波段阴极荧光图像；进一步，配合三原色原理对三路颜色域通道的数字信号分别设定对应颜色的数值，然后混合三路颜色域通道的数字信号得到彩色的阴极荧光图像；对全色域通道的数字信号进行补偿，补偿后的全色域通道的数字信号减去颜色域通道的数字信号得到红外和紫外波段荧光图像，颜色域通道中的两两混合分别得到红蓝、红绿和蓝绿波段的阴极荧光图像，单独的颜色域通道的数字信号分别得到红绿蓝三色波段的阴极荧光图像，从而采用三个独立的颜色域通道和一路全色域通道并通过计算机实现后期丰富的图像信息组合和筛选，增加了更多的图像信息进行表征，通过组合成像，找到有拖尾现象的阴极荧光图像，从而选出含有磷光的阴极荧光图像，以此确认待测样品的磷光所在波段；

5)根据获得的待测样品的磷光波段，在阴极荧光探头中安装对应抑制磷光波段的滤光片，阴极荧光探头收集阴极荧光；

6)阴极荧光通过滤光片支架的荧光通光孔，经滤光片进行荧光筛选并抑制不需要的磷光，通过探头座的荧光通光孔，由阵列型硅光电芯片中的全色域探头和颜色域探头对应自身波段接收抑制磷光后的阴极荧光信号；

7)阵列型硅光电芯片将抑制磷光后的阴极荧光信号转换为电信号，通过四个独立的通道分别经过转接耦合模块传输至信号处理与控制系，信号处理与控制系统将电信号转化能够被计算机识别的四路数字信号，传输至计算机；计算机将四路数字信号叠加混合得到抑制磷光的阴极荧光图像；

8)更换窄带滤光片，能够实现单色阴极荧光成像。

本发明的优点：

本发明实现可快速更换滤光片，针对不同样品发的磷光进行抑制并选择需要的荧光波段进行收集和探测；而且探头的外形相对传统的抛物面镜或是椭球面镜可以做到更小的空间几何尺寸，这在一定程度上不仅为扫描电子显微镜系统的阴极荧光成像提供了更高空间分辨率的可能，而且也为电镜有限的样品室空间预留了更多的实施可能；收集信号的过程采用不同波长通道的采集方式，通过计算机实现后期丰富的图像信息组合和筛选，增加了更多的图像信息进行数据分析，并同样能够实现针对不同样品发的磷光进行抑制并选择需要的阴极荧光；信号处理与控制系统能够对电子束扫描进行控制，并通过同步接收处理装置对不同信道采集的荧光信息进行接收和处理，实现高速响应的同步阴极荧光图像，最终实现有效地高衬度阴极荧光成像。

本发明设计巧妙，先通过多波段荧光探头的方式不仅实现了多光谱波段的阴极荧光成像和彩色阴极荧光图像，再者实现滤除磷光波段的阴极荧光成像，而且通过不同光谱波段之间的组合快速找到磷光所在波段；然后根据磷光所在波段安装相应波段的滤光片，实现抑制磷光而不滤除阴极荧光得到快速的更多荧光信息的阴极荧光成像；并且在锁定磷光波段后快速定位更换滤光片的种类，实现高时效和高性能的大面积快速拍摄的需要；在此基础上相对反射镜型阴极荧光探头也同时大大简化了设计、装配和制造的复杂度，对扫描电子显微镜中获得更高的阴极荧光的空间分辨率提供更短的工作距离，对商业化生产的制造成本有降低，对规模化生产提供便利。

附图说明

图1为本发明的抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置的一个实施例的示意图；

图2为本发明的抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置的一个实施例的阴极荧光探头的剖面图；

图3为本发明的抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置的一个实施例的阴极荧光探头采用悬挂安装方式的示意图；

图4为本发明的抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置的一个实施例的阴极荧光探头采用侧插入安装方式的示意图；

图5为本发明的抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置的一个实施例的信号处理与控制系统的示意图，其中，(a)为控制过程的连接关系图，(b)为接收过程的连接关系图；

图6为本发明的抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置的一个实施例的阴极荧光探头的芯片排列的示意图；

图7为本发明的抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置的一个实施例的阴极荧光探头的炮炸图。

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，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、物镜15、信号探测系统和电气控制系统13；其中，物镜15包括物镜下极靴152和物镜支架151；电子光学系统连接电气控制系统。

本实施例的抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置包括：扫描电子显微镜系统1、阴极荧光探头2、转接耦合装置3、信号处理与控制系统4和计算机5；其中，待测样品0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2的上端面距物镜下极靴152的距离小于1mm，且不接触下级靴152表面；阴极荧光探头2经信号线连接至转接耦合装置3；转接耦合装置3通过信号线连接至信号处理与控制系统4；信号处理与控制系统4通过信号线连接至计算机5；扫描电子显微镜系统的电气控制系统通过自身的接口连接至信号处理与控制系统；

如图2所示，阴极荧光探头2包括：探头盖21、阵列型硅光电芯片22、探头座23、滤光片24和滤光片支架25；其中，探头盖为平板状，开设有电子束通孔，在探头盖的下表面且与电子束通孔同轴设置有电子束管道，电子束管道为内部中空的管状，电子束管道的内径等于探头盖的电子束通孔的直径，阴极荧光探头的电子束管道与扫描电子显微镜系统的电子束通道同轴；探头座设置有环形固定框，环形固定框的中心具有荧光通孔，环形固定框的下表面开设有多个呈中心对称的卡槽；阵列型硅光电芯片包括电路板和多个芯片型荧光探头，电路板上开设有电子束通孔，在电路板的下表面以电子束通孔为中心均匀排布多个芯片型荧光探头，阵列型硅光电芯片的多个芯片型荧光探头从探头座的荧光通孔暴露出；滤光片的中心开设有电子束通孔；滤光片支架包括环形边框251和挂钩252，环形边框的中心具有荧光通光孔，荧光通光孔的直径小于滤光片的外径且环形边框的外径不小于滤光片的外径，滤光片放置在环形边框上，与探头座的下表面开的多个卡槽相对应，在环形边框的外边缘设置有多个呈中心对称的挂钩；探头盖、阵列型硅光电芯片、探头座、滤光片和滤光片支架从上至下依次设置且所在的平面互相平行；通过每一个挂钩嵌入相应的卡槽内，将滤光片支架安装在探头座的下表面，并与阵列型硅光电芯片的芯片型荧光探头有间隙；探头盖的电子束通孔、阵列型硅光电芯片的电子束通孔、探头座的荧光通光孔、滤光片中心的电子束通孔和滤光片支架的荧光通光孔同轴；电子束管道依次穿过阵列型硅光电芯片的电子束通孔、探头座的荧光通光孔、滤光片的电子束通孔以及滤光片支架的荧光通光孔；探头盖、电子束管道、探头座和滤光片支架的材料采用无磁金属；

转接耦合装置3包括真空法兰32和信号转接头36；真空法兰32固定在扫描电子显微系统的真空样品室的外壁上，为圆形法兰盘，开设有信号通孔和探头通孔；信号转接头36固定在真空法兰上的信号通孔内，两侧用橡皮圈端面密封，一侧通过信号线与阴极荧光探头的阵列型硅光电芯片连接，另一侧通过信号线与信号处理与控制系统4连接；

如图3所示，悬挂安装方式中采用悬臂，阴极荧光探头的探头座23的边缘固定在两个悬臂的底端，悬臂的顶端固定到物镜支架151上。

如图4所示，侧插入安装方式中采用侧插入装置，侧插入装置包括探头杆31、固定调节装置33、导轨组合34和底板35；探头杆31为刚性圆柱杆，探头杆的前端通过真空法兰32的探头通孔伸入真空样品室内，并通过橡皮圈径向密封，探头杆31的前端与阴极荧光探头2的探头座刚性安装，探头杆31的后端与固定调节装置33固定；固定调节装置33为一个二维调节台，在垂直电子束方向的平面内进行微调，二维调节台刚性连接在导轨组合的滑块上；导轨组合34包括导轨和滑块，导轨固定在底板35上，与探头杆31中心轴平行，滑块套在导轨上能够延导轨滑动；底板为金属平板，与物镜下级靴的端面平行，一端与真空法兰32刚性固定；将导轨组合中的滑块推向真空法兰32，带动探头杆31和固定在前端的阴极荧光探头，最终使阴极荧光探头进入到物镜下级靴152的正下方，导轨组合的滑块远离真空法兰32，将使阴极荧光探头远离物镜。

电气控制系统包括电源模块、接口模块、内部扫描发生模块和控制终端；其中，电源模块与扫描电子显微镜系统中的电子枪、电子光学系统和信号探测系统相连接，提供工作电压，控制终端与电源模块、接口模块和内部扫描发生模块连接，控制终端通过接口模块连接信号线与信号处理与控制系统进行信息交互；控制终端与电子光学系统相连接；内部扫描发生模块，用于扫描电子显微镜系统自己控制电子束扫描。

信号处理与控制系统4包括外部扫描发生模块、探头供电模块41和多路信号处理模块42；其中，外部扫描发生模块通过信号线与扫描电子显微镜系统的电气控制系统13的接口模块连接，通过接口模块连接至控制终端相连接；探头供电模块通过信号线连接至阴极荧光探头的电路板，并通过电路板上的接口与芯片型荧光探头相连接；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转接耦合装置相连接，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。

如图5所示，信号处理与控制系统4中的外部扫描发生模块发出外部扫描信号，通过电气控制系统13中的控制终端控制电子光学系统12中的扫描线圈121，从而控制扫描电子显微镜系统内的电子束，控制电子束作用待测样品产生对应位置的阴极荧光；可控作用为矩形区域内由左至右，由上至下逐行扫描；阴极荧光探头收集阴极荧光先采用不安装滤光片的阴极荧光探头直接接收，使阵列型硅光电芯片中的全色域探头和颜色域探头对应自身波段接收带磷光和阴极荧光的光信号，并转换为电信号，通过四个独立的通道分别传输至信号处理与控制系统的多路信号处理模块42，多路信号处理模块42对带磷光和阴极荧光的电信号分别进行放大、偏置和滤波的操作，最终转化为能够被计算机识别的多路数字信号，多路信号处理模块的信号采集卡与外部扫描发生模块进行高速同步，不同信号通道的不同组合得到多种波段的数字信号，传输至计算机处理后生成多种波段的阴极荧光图像，通过组合成像筛选出滤除磷光的阴极荧光图像，并且确认待测样品的磷光所在波段；根据获得的待测样品的磷光波段，在阴极荧光探头中安装对应抑制磷光波段的滤光片，阴极荧光探头收集阴极荧光；经阴极荧光探头的滤光片进行荧光筛选，使阵列型硅光电芯片的全部荧光探头接收抑制后的阴极荧光信号，经信号线连接到信号处理与控制系统的多路信号处理模块42，多路信号处理模块42对带有荧光信息的电信号进行放大、偏置、滤波和叠加的操作最终转化为能够被计算机识别的数字信号，多路信号处理模块的信号采集卡与外部扫描发生模块进行高速同步，最终传输给计算机处理后生成抑制磷光的实时阴极荧光图像；

如图6所示，阵列型硅光电芯片中的芯片型荧光探头包括颜色域探头和全色域探头；其中，颜色域探头和全色域探头221分别围绕电子束通孔的中心轴均匀分布，颜色域探头在内侧，全色域探头在外侧；颜色域探头分为红色域探头222、绿色域探头223和蓝色域探头224，每种颜色域探头均包括多个并以电子束管道为中心对称放置且均匀分布；所有的全色域探头221串联形成一路全色域通道，颜色域探头中所有红色域探头串联222、所有绿色域探头223串联以及所有蓝色域探头224串联，分别形成三个独立的颜色域通道，四路独立的通道分别通过信号线经转接耦合装置连接至信号处理与控制系统的四个独立的信号通道；

如图7所示，本实施例的阴极荧光探头2还包括：探头盖21包括连接为一体的安装端211和功能端212，功能端的中心开设有电子束通孔，在探头盖1的安装端的下表面且与电子束通孔同轴设置有电子束管道215；安装端开设有调节孔213和多个配合孔214，调节孔位于中心且具有内螺纹，配合孔位于安装端的边缘；探头座23包括支撑板231和环形固定框232，在平板状的支撑板的前端设置环形固定框，环形固定框的中心具有荧光通孔，探头座23的环形固定框的下表面开设有两个呈中心对称的卡2槽33，支撑板的边缘设置有多个螺纹孔234，探头座3的支撑板的上表面设置有芯片安装凹槽，芯片安装凹槽的平面尺寸与阵列型硅光电芯片22的安装端的平面尺寸一致，与探头盖1的配合孔相对应，探头座3的支撑板的上表面设置有芯片安装凹槽，芯片安装凹槽的平面尺寸与阵列型硅光电芯片2的安装端的平面尺寸一致，芯片安装凹槽内均匀设置有四个弹簧安装凹槽，在每一个弹簧安装凹槽设置一个弹簧结构；阵列型硅光电芯片22包括电路板225和多个芯片型荧光探头226，电路板包括连接为一体安装端和功能端，功能端的中心开设有电子束通孔，在电路板的功能端的下表面以电子束通孔为中心均匀排布多个芯片型荧光探头，阵列型硅光电芯片22的电路板的安装端设置在探头座23的支撑板的芯片安装凹槽内，电路板的安装端的下表面抵住芯片安装凹槽内的弹簧结构；探头盖21的安装端与探头座23的支撑板的平面形状一致，阵列型硅光电芯片2的电路板的安装端的平面形状小于探头盖21的安装端和探头座23的支撑板的平面形状；通过分别将螺丝通过相应的探头盖21的安装端的配合孔和探头座3的支撑板的螺纹孔，从而将阵列型硅光电芯片22限定在探头盖21的安装端与探头座23的安装端之间的空间内。

本实施例的抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置的成像方法，包括以下步骤：

1)电子枪发射电子束，经电子光学系统形成高质量的聚焦电子束，经物镜聚焦后通过电子束管道入射至待测样品上，电子束与待测样品相互作用产生阴极荧光；

2)信号处理与控制系统发出外部扫描信号到电气控制系统，电气控制系统把外部扫描信号发送给电子光学系统控制电子束扫描，控制电子束作用待测样品产生对应位置的阴极荧光；

3)阴极荧光由阴极荧光探头收集，其他信号由信号探测系统收集；

4)阴极荧光探头中不安装滤光片，带磷光和阴极荧光的光信号直接进入至阴极荧光探头，阵列型硅光电芯片中的全色域探头和颜色域探头对应自身波段接收带磷光和阴极荧光的光信号，并转换为电信号，通过四个独立的通道分别传输至信号处理与控制系统，多路信号处理模块将电信号转化为能够被计算机识别的多路数字信号，传输至计算机；计算机根据三路颜色域通道的数字信号混合得到黑白的可见光波段阴极荧光图像；进一步，配合三原色原理对三路颜色域通道的数字信号分别设定对应颜色的数值，然后混合三路颜色域通道的数字信号得到彩色的阴极荧光图像；对全色域通道的数字信号乘以补偿系数进行补偿，补偿系数根据系统参数设定，补偿后的全色域通道的数字信号减去颜色域通道的数字信号得到红外和紫外波段荧光图像，颜色域通道中的两两混合能够分别得到红蓝、红绿和蓝绿波段的阴极荧光图像，单独的颜色域通道的数字信号分别得到红绿蓝三色波段的阴极荧光图像，采用三个独立的颜色域通道和一路全色域通道并通过计算机实现后期丰富的图像信息组合和筛选，增加了更多的图像信息进行数据分析，通过组合成像筛选出滤除磷光的阴极荧光图像，并且确认待测样品的磷光所在波段；

5)根据获得的待测样品的磷光波段，在阴极荧光探头中安装对应抑制磷光波段的滤光片，阴极荧光探头收集阴极荧光；

6)阴极荧光通过滤光片支架的荧光通光孔，经滤光片进行荧光筛选抑制不需要的磷光等杂散光，通过探头座的荧光通光孔，由阵列型硅光电芯片中的全色域探头和颜色域探头对应自身波段接收抑制磷光后的阴极荧光信号；

7)阵列型硅光电芯片将抑制磷光后的阴极荧光信号转换为电信号，通过四个独立的通道分别经过转接耦合模块传输至信号处理与控制系，信号处理与控制系统将电信号转化能够被计算机识别的四路数字信号，传输至计算机；计算机将四路数字信号叠加混合得到抑制磷光的阴极荧光图像；

8)同样更换窄带滤光片也能够实现单色阴极荧光成像。

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 (8)

1.一种抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置，扫描电子显微镜系统包括电子枪、电子光学系统、真空样品室、物镜、信号探测系统和电气控制系统；其中，物镜包括物镜下极靴和物镜支架；电子光学系统连接电气控制系统，其特征在于，所述抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置包括：扫描电子显微镜系统、阴极荧光探头、转接耦合装置、信号处理与控制系统和计算机；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，阴极荧光探头的上端面距物镜下极靴的距离小于1mm，且不接触物镜下极靴表面；阴极荧光探头经信号线连接至转接耦合装置；转接耦合装置通过信号线连接至位于真空样品室外的信号处理与控制系统；信号处理与控制系统通过信号线连接至计算机；扫描电子显微镜系统的连接电气控制系统连接至信号处理与控制系统；

阴极荧光探头包括：探头盖、阵列型硅光电芯片、探头座、滤光片和滤光片支架；其中，探头盖为平板状，开设有电子束通孔，在探头盖的下表面且与电子束通孔同轴设置有电子束管道，电子束管道为内部中空的管状，电子束管道的内径等于探头盖的电子束通孔的直径，阴极荧光探头的电子束管道与扫描电子显微镜系统的电子束通道同轴；探头座设置有环形固定框，环形固定框的中心具有荧光通孔，环形固定框的下表面开设有多个呈中心对称的卡槽；阵列型硅光电芯片包括电路板和多个芯片型荧光探头，电路板上开设有电子束通孔，在电路板的下表面以电子束通孔为中心均匀排布多个芯片型荧光探头，阵列型硅光电芯片放置在探头座上并且阵列型硅光电芯片的多个芯片型荧光探头从探头座的荧光通孔暴露出；滤光片的中心开设有电子束通孔；滤光片支架包括环形边框和挂钩，环形边框的中心具有荧光通光孔，荧光通光孔的直径小于滤光片的外径且环形边框的外径不小于滤光片的外径，滤光片放置在环形边框上，与探头座的下表面开的多个卡槽相对应，在环形边框的外边缘设置有多个呈中心对称的挂钩；探头盖、阵列型硅光电芯片、探头座、滤光片和滤光片支架从上至下依次设置且所在的平面互相平行；通过每一个挂钩嵌入相应的卡槽内，将滤光片支架安装在探头座的下表面，并且滤光片与阵列型硅光电芯片的芯片型荧光探头有间隙；探头盖的电子束通孔、阵列型硅光电芯片的电子束通孔、探头座的荧光通光孔、滤光片中心的电子束通孔和滤光片支架的荧光通光孔同轴；电子束管道依次穿过阵列型硅光电芯片的电子束通孔、探头座的荧光通光孔、滤光片的电子束通孔以及滤光片支架的荧光通光孔；探头盖、电子束管道、探头座和滤光片支架的材料采用无磁金属；

阵列型硅光电芯片中的芯片型荧光探头包括颜色域探头和全色域探头；其中，颜色域探头和全色域探头分别围绕电子束通孔的中心轴均匀分布，颜色域探头在内侧，全色域探头在外侧；颜色域探头分为红色域探头、绿色域探头和蓝色域探头，每种颜色域探头均包括多个并以电子束管道为中心对称放置且均匀分布；所有的全色域探头串联形成一路全色域通道，颜色域探头中所有红色域探头串联、所有绿色域探头串联以及所有蓝色域探头串联，分别形成三个独立的颜色域通道，四路独立的通道分别通过信号线经转接耦合装置连接至信号处理与控制系统的四个独立的信号通道；

电子枪发射电子束，经电子光学系统形成高质量的聚焦电子束，经物镜聚焦后通过电子束管道入射至待测样品上，电子束与待测样品相互作用产生阴极荧光；信号处理与控制系统发出外部扫描信号到电气控制系统，电气控制系统把外部扫描信号发送给电子光学系统控制电子束扫描，控制电子束作用待测样品产生对应位置的阴极荧光；阴极荧光由阴极荧光探头收集，其他信号由信号探测系统收集；先采用不安装滤光片的阴极荧光探头直接接收，阵列型硅光电芯片中的全色域探头和颜色域探头对应自身波段接收带磷光和阴极荧光的光信号，并转换为电信号，通过四个独立的通道分别传输至信号处理与控制系统，信号处理与控制系统将电信号转化为能够被计算机识别的多路数字信号，传输至计算机；计算机根据三路颜色域通道的数字信号混合得到黑白的可见光波段阴极荧光图像；进一步，配合三原色原理对三路颜色域通道的数字信号分别设定对应颜色的数值，然后混合三路颜色域通道的数字信号得到彩色的阴极荧光图像；对全色域通道的数字信号进行补偿，补偿后的全色域通道的数字信号减去颜色域通道的数字信号得到红外和紫外波段荧光图像，颜色域通道中的两两混合分别得到红蓝、红绿和蓝绿波段的阴极荧光图像，单独的颜色域通道的数字信号分别得到红绿蓝三色波段的阴极荧光图像，从而采用三个独立的颜色域通道和一路全色域通道并通过计算机实现后期丰富的图像信息组合和筛选，增加了更多的图像信息进行表征，通过组合成像，找到有拖尾现象的阴极荧光图像，从而选出含有磷光的阴极荧光图像，以此确认待测样品的磷光所在波段；根据获得的待测样品的磷光波段，在阴极荧光探头中安装对应抑制磷光波段的滤光片，阴极荧光探头收集阴极荧光；阴极荧光通过滤光片支架的荧光通光孔，经滤光片进行荧光筛选并抑制不需要的磷光，通过探头座的荧光通光孔，由阵列型硅光电芯片中的全色域探头和颜色域探头对应自身波段接收抑制磷光后的阴极荧光信号；阵列型硅光电芯片将抑制磷光后的阴极荧光信号转换为电信号，通过四个独立的通道分别经过转接耦合模块传输至信号处理与控制系，信号处理与控制系统将电信号转化能够被计算机识别的四路数字信号，传输至计算机；计算机将四路数字信号叠加混合得到抑制磷光的阴极荧光图像。

2.如权利要求1所述的抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置，其特征在于，所述转接耦合装置包括真空法兰和信号转接头；其中，真空法兰固定在扫描电子显微系统的真空样品室的外壁上，开设有信号通孔；信号转接头固定在真空法兰上的信号通孔内，两侧密封，一侧通过信号线与阴极荧光探头的阵列型硅光电芯片连接，另一侧通过信号线与信号处理与控制系统连接。

3.如权利要求1所述的抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置，其特征在于，所述阴极荧光探头采用悬挂安装方式；悬挂安装方式中采用悬臂，阴极荧光探头的探头座的边缘固定在两个悬臂的底端，悬臂的顶端固定到物镜支架上。

4.如权利要求2所述的抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置，其特征在于，所述阴极荧光探头采用侧插入安装方式，侧插入安装方式中采用侧插入装置，侧插入装置包括探头杆、固定调节装置、导轨组合和底板；探头杆为刚性杆，并且在转接耦合装置的真空法兰上开设探头通孔，探头杆的前端通过探头通孔伸入真空样品室内，并密封探头通孔，探头杆的前端与阴极荧光探头的探头座刚性安装，探头杆的后端与位于真空样品室外的固定调节装置固定；固定调节装置为二维调节台，在垂直电子束方向的平面内进行微调，二维调节台刚性连接在导轨组合的滑块上；导轨组合包括导轨和滑块，导轨固定在底板上，与探头杆中心轴平行，滑块套在导轨上能够延导轨滑动；底板为金属平板，与物镜下级靴的端面平行，一端与真空法兰刚性固定。

5.如权利要求1所述的抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置，其特征在于，所述电气控制系统包括：电源模块、接口模块、内部扫描发生模块和控制终端；其中，电源模块与扫描电子显微镜系统中的电子枪、电子光学系统和信号探测系统相连接，提供工作电压，控制终端与电源模块、接口模块和内部扫描发生模块连接，控制终端通过接口模块连接信号线与信号处理与控制系统进行信息交互；控制终端与电子光学系统相连接。

6.如权利要求5所述的抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置，其特征在于，所述信号处理与控制系统包括：外部扫描发生模块、探头供电模块和多路信号处理模块；其中，外部扫描发生模块通过信号线与扫描电子显微镜系统的电气控制系统的接口模块连接，通过接口模块连接至控制终端相连接；探头供电模块通过信号线与阴极荧光探头相连接；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转接耦合装置相连接，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。

7.如权利要求1所述的抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置，其特征在于，所述颜色域探头的探测波段为380～680nm，全色域探头的探测波段为200～900nm。

8.一种如权利要求1所述的抑制磷光高衬度阴极荧光成像装置的成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)电子枪发射电子束，经电子光学系统形成高质量的聚焦电子束，经物镜聚焦后通过电子束管道入射至待测样品上，电子束与待测样品相互作用产生阴极荧光；

2)信号处理与控制系统发出外部扫描信号到电气控制系统，电气控制系统把外部扫描信号发送给电子光学系统控制电子束扫描，控制电子束作用待测样品产生对应位置的阴极荧光；

3)阴极荧光由阴极荧光探头收集，其他信号由信号探测系统收集；

4)阴极荧光探头中不安装滤光片，带磷光和阴极荧光的光信号直接进入至阴极荧光探头，阵列型硅光电芯片中的全色域探头和颜色域探头对应自身波段接收带磷光和阴极荧光的光信号，并转换为电信号，通过四个独立的通道分别传输至信号处理与控制系统，信号处理与控制系统将电信号转化为能够被计算机识别的多路数字信号，传输至计算机；计算机根据三路颜色域通道的数字信号混合得到黑白的可见光波段阴极荧光图像；进一步，配合三原色原理对三路颜色域通道的数字信号分别设定对应颜色的数值，然后混合三路颜色域通道的数字信号得到彩色的阴极荧光图像；对全色域通道的数字信号进行补偿，补偿后的全色域通道的数字信号减去颜色域通道的数字信号得到红外和紫外波段荧光图像，颜色域通道中的两两混合分别得到红蓝、红绿和蓝绿波段的阴极荧光图像，单独的颜色域通道的数字信号分别得到红绿蓝三色波段的阴极荧光图像，从而采用三个独立的颜色域通道和一路全色域通道并通过计算机实现后期丰富的图像信息组合和筛选，增加了更多的图像信息进行表征，通过组合成像，找到有拖尾现象的阴极荧光图像，从而选出含有磷光的阴极荧光图像，

以此确认待测样品的磷光所在波段；

5)根据获得的待测样品的磷光波段，在阴极荧光探头中安装对应抑制磷光波段的滤光片，阴极荧光探头收集阴极荧光；

6)阴极荧光通过滤光片支架的荧光通光孔，经滤光片进行荧光筛选并抑制不需要的磷光，通过探头座的荧光通光孔，由阵列型硅光电芯片中的全色域探头和颜色域探头对应自身波段接收抑制磷光后的阴极荧光信号；

7)阵列型硅光电芯片将抑制磷光后的阴极荧光信号转换为电信号，通过四个独立的通道分别经过转接耦合模块传输至信号处理与控制系，信号处理与控制系统将电信号转化能够被计算机识别的四路数字信号，传输至计算机；计算机将四路数字信号叠加混合得到抑制磷光的阴极荧光图像；

8)更换窄带滤光片，能够实现单色阴极荧光成像。