CN203148835U - 可同时测量显微光谱和角分辨光谱的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种可同时测量显微光谱和角分辨光谱的装置，至少包括一个显微镜、一根普通光纤、一根Y型光纤、一个用于产生定位指示光的光源、精密平移针孔和光谱仪构成的显微光谱检测机构和角分辨光谱检测机构，其中Y型光纤包含三个端口，分别为：入射端口，照射与集光端口和光谱检测端口，可引入定位指示光照射至样品，并在样品的图像平面上形成一个亮环，同时收集样品上亮环圈出的微区的显微光谱。显微镜的物镜可当作一个傅里叶变换器件，实现样品发出的光的角度与物镜焦平面上位置的对应关系，光谱仪通过光纤连接至物镜焦平面上的精密平移针孔，实现样品的角分辨光谱检测。本实用新型可以同时测量样品的显微光谱和角分辨光谱，为微纳结构光学、光子晶体的研究提供了一种实用的光谱检测装置。
Description
技术领域
本实用新型涉及光谱检测技术，尤其是一种可同时测量显微光谱和角分辨光谱的装置，它可应用于微纳结构光学、光子晶体等领域的光谱检测。
背景技术
随着纳米材料科学的发展，特别是对微纳结构光学和光子晶体等领域的深入研究，为了掌握结构内部复杂的空间信息，传统的宏观尺度的光谱测量已不能胜任，人们对光谱检测提出了很多新的要求：由于微纳光学材料的结构尺寸是在微米量级，人们常常需要得到某个微米尺度的区域的光谱信息，称为显微光谱，又称微区光谱；由于微纳光学材料一般都具有各向异性的性质，不同方向的光谱信息各不相同，人们往往需要得到各个不同角度对应的光谱信息，称为角分辨光谱。然而目前市场上还没有成熟的商业化设备可以同时满足这些要求。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种可同时测量显微光谱和角分辨光谱的装置，可用于微纳结构光学、光子晶体等领域的显微光谱和角分辨光谱的检测。
为了实现上述目的，本实用新型下述技术方案：
一种可同时测量显微光谱和角分辨光谱的装置，至少包括一个显微镜、一根普通光纤、一根Y型光纤、一个用于产生定位指示光的光源、精密平移针孔和光谱仪构成的显微光谱检测机构和角分辨光谱检测机构，其中：
所述的显微光谱检测机构由所述的Y型光纤分别连接显微镜的图像平面、定位指示光和光谱仪构成，所述的Y型光纤包含三个端口，分别为入射端口A、照射与集光端口B和光谱检测端口C，其中，所述的入射端口A与定位指示光连接；所述的照射与集光端口B连接至显微镜的图像平面上，由同心的两组光纤束构成，外围光纤束层将定位指示光照射至样品上，在显微镜的图像平面上形成一个亮环；内层光纤束层用于接收来自样品中亮环所圈出的微区的光谱信号，用于测量样品的显微光谱；所述的光谱检测端口C与测量显微光谱的光谱仪连接；
所述的角分辨光谱检测机构是将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发射光成像到显微镜物镜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，且由成像透镜组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精密平移针孔，测量角分辨光谱的光谱仪通过一根光纤连接至针孔处，选择不同位置的针孔，获得不同角度的光谱信息。
在上述方案基础上，所述的显微镜的图像平面是样品通过物镜成像形成的光学共轭面，它包含了样品完整的图像信息。
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。当把光纤一端置于这个图像平面上，假设此光纤端面口径为100微米，则它所收集的光谱信号源自于样品上大小为光纤端面口径的1/50的区域，即2微米大小的区域。这样光谱仪所检测的光谱信号就是样品上这个2微米大小的区域的光谱信息。Y型光纤传导的定位指示光可以照射在样品上，在样品的图像平面上形成一个亮环，由于传导定位指示光的光纤包围着接收样品光谱信号的检测光纤，所以亮环区域就定位标志了光谱仪所检测的光谱信号的在样品上的来源地，从而实现了对样品微区的显微定位光谱检测。如果采用更大放大倍数物镜的显微镜和更小端面口径的光纤，可以进一步实现对更小尺寸微区的定位光谱检测。
角分辨光谱检测的主要原理是利用傅立叶变换器件，将样品不同角度的发射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。
显微镜的物镜可以当作一种傅里叶变换器件，它的作用是将样品表面发出的不同角度的发射光成像到物镜后端的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，记录此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。但由于此焦平面紧贴物镜，而且物镜后端还需要引入照明光源等多种光路，一般不直接从此焦平面上直接进行光谱测量，而是通过消色差的透镜组将此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，就能够选择不同位置的针孔，获得不同角度的光谱信息，达到测量角分辨光谱的目的。
在上述方案基础上，所述的显微镜的图像平面上加载精密平移针孔，定位指示光通过Y型光纤照射自分束器和物镜至样品表面，并在图像平面上形成一个亮环，Y型光纤照射与集光端口B接收样品上亮环区域的光谱信号，将此光谱信号传输至测量显微光谱的光谱仪，通过移动针孔的位置，测量显微光谱的光谱仪检测样品表面不同位置的显微光谱信息。
所述的Y型光纤的B端通过精密平移针孔连接至显微镜的图像平面上，光源发出的定位指示光通过Y型光纤照射自分束器和显微镜的物镜至样品表面，并在图像平面上形成一个亮环，Y型光纤B端的检测光纤接收样品上亮环区域的光谱信号，将此光谱信号传输至测量显微光谱的光谱仪，通过移动针孔的位置，测量显微光谱的光谱仪检测样品表面不同位置的显微光谱信息。
在上述方案基础上，所述的显微镜的物镜采用油镜形式的物镜，可实现正负九十度范围的大角度角分辨光谱测量。
在上述方案基础上，所述的定位指示光为卤素光源/LED光源，Y型光纤的入射端口A与卤素光源/LED光源连接。
本实用新型的优越性在于：可以同时测量样品的显微光谱和角分辨光谱，为微纳结构光学、光子晶体的研究提供了一种实用的光谱检测装置。
附图说明
图1是本实用新型提供的一种同时测量显微光谱和角分辨光谱的装置的示意图；
图2是本实用新型提供的一种Y型光纤的示意图；
图3是图2中的Y型光纤的端口（B）的断面示意图；
图中附图标记说明：
1——Y型光纤；
2——卤素光源/LED光源；
3——测量显微光谱的光谱仪；
4——显微镜的图像平面；
5——外围光纤束层；
6——内层光纤束芯；
7——精密平移针孔；
8——样品；
9——显微镜的物镜；
10——第一焦平面；
11——分束器；
12——成像透镜组；
13——第二焦平面；
14——精密平移针孔：
15——光纤；
16——测量角分辨光谱的光谱仪。
具体实施方式
如图1是本实用新型提供的一种同时测量显微光谱和角分辨光谱的装置的示意图、图2是本实用新型提供的一种Y型光纤的示意图和图3是图2中的Y型光纤的端口（B）的断面示意图所示：
一种可同时测量显微光谱和角分辨光谱的装置，至少包括一个显微镜、一根普通光纤、一根Y型光纤、一个用于产生定位指示光的光源、精密平移针孔和光谱仪构成的显微光谱检测机构和角分辨光谱检测机构，其中：
所述的显微光谱检测机构由所述的Y型光纤1分别连接显微镜的图像平面4、定位指示光和光谱仪3构成，所述的Y型光纤1包含三个端口，分别为入射端口A、照射与集光端口B和光谱检测端口C，其中，所述的入射端口A与定位指示光连接；所述的照射与集光端口B连接至显微镜的图像平面4上，由同心的两组光纤束构成，外围光纤束层5将定位指示光照射至样品8上，在显微镜的图像平面4上形成一个亮环；内层光纤束层6用于接收来自样品8中亮环所圈出的微区的光谱信号，用于测量样品8的显微光谱；所述的光谱检测端口C与测量显微光谱的光谱仪3连接；
所述的角分辨光谱检测机构是将显微镜的物镜9当作一种傅里叶变换器件，将样品8表面发出的不同角度的发射光成像到显微镜物镜9的第一焦平面10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12将第一焦平面10成像至远离物镜9的第二焦平面13处，且由成像透镜组12将物镜的数值孔径修正至接近成像光谱仪12的输入数值孔径，在第二焦平面13上加载一个精密平移针孔14，测量角分辨光谱的光谱仪16通过一根光纤16连接至针孔处，选择不同位置的针孔，获得不同角度的光谱信息。
如图1所示，所述的显微镜的图像平面4上加载精密平移针孔7，定位指示光通过Y型光纤1照射自分束器11和物镜9至样品表面，并在图像平面4上形成一个亮环，Y型光纤1照射与集光端口B接收样品上亮环区域的光谱信号，将此光谱信号传输至测量显微光谱的光谱仪，通过移动针孔的位置，测量显微光谱的光谱仪检测样品表面不同位置的显微光谱信息。
显微光谱的测量过程为：所述的Y型光纤1的B端通过精密平移针孔7连接至显微镜的图像平面4上，卤素光源/LED光源2发出的定位指示光通过Y型光纤照射自分束器11和显微镜的物镜9至样品8表面，并在图像平面4上形成一个亮环，Y型光纤B端的检测光纤接收样品上亮环区域的光谱信号，将此光谱信号传输至测量显微光谱的光谱仪3，通过移动针孔7的位置，测量显微光谱的光谱仪3检测样品表面不同位置的显微光谱信息。
角分辨光谱的测量过程为：从样品表面8发出的不同角度的光通过显微镜物镜9会聚于物镜焦平面10的不同位置。显微镜物镜的焦平面10通过一组成像透镜组12，成像于远离物镜9的第二焦平面13处；第二焦平面13上的不同位置对应于样品发出的不同角度的光；在第二焦平面13处加载一个精密平移针孔14；光谱仪16通过光纤15连接至精密平移针孔14；通过移动精密平移针孔14的位置，测量角分辨光谱的光谱仪16就可检测到由样品8发出的不同角度的光谱信息，从而实现了对样品的角分辨光谱测量。
使用本实用新型测量的样品微区的大小等于光纤口径大小与显微镜物镜放大倍数的比值。例如当使用100倍的物镜时，100微米，200微米，400微米的光纤分别可以探测1微米，2微米，4微米大小的显微光谱信号。
为了增大角分辨光谱的可测角度，可以使用油镜形式的显微镜物镜，能够实现正负九十度范围内的角分辨光谱测量。
Claims (5)
1.一种可同时测量显微光谱和角分辨光谱的装置，至少包括一个显微镜、一根普通光纤、一根Y型光纤、一个用于产生定位指示光的光源、精密平移针孔和光谱仪构成的显微光谱检测机构和角分辨光谱检测机构，其特征在于：
所述的显微光谱检测机构由所述的Y型光纤（1）分别连接显微镜的图像平面（4）、定位指示光和光谱仪（3）构成，所述的Y型光纤（1）包含三个端口，分别为入射端口（A）、照射与集光端口（B）和光谱检测端口（C），其中，所述的入射端口（A）与定位指示光连接；所述的照射与集光端口（B）连接至显微镜的图像平面（4）上，由同心的两组光纤束构成，外围光纤束层（5）将定位指示光照射至样品（8）上，在显微镜的图像平面（4）上形成一个亮环；内层光纤束层（6）用于接收来自样品（8）中亮环所圈出的微区的光谱信号，用于测量样品（8）的显微光谱；所述的光谱检测端口（C）与测量显微光谱的光谱仪（3）连接；
所述的角分辨光谱检测机构是将显微镜的物镜（9）当作一种傅里叶变换器件，将样品（8）表面发出的不同角度的发射光成像到显微镜物镜（9）的第一焦平面（10）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（12）将第一焦平面（10）成像至远离物镜（9）的第二焦平面（13）处，且由成像透镜组（12）将物镜的数值孔径修正至接近成像光谱仪（12）的输入数值孔径，在第二焦平面（13）上加载一个精密平移针孔（14），测量角分辨光谱的光谱仪（16）通过一根光纤（15）连接至针孔处，选择不同位置的针孔，获得不同角度的光谱信息。
2.根据权利要求1所述的可同时测量显微光谱和角分辨光谱的装置，其特征在于：所述的显微镜的图像平面（4）是样品（8）通过显微镜的物镜（9）成像形成的光学共轭面，它包含了样品完整的图像信息。
3.根据权利要求1或2所述的可同时测量显微光谱和角分辨光谱的装置，其特征在于：所述的显微镜的图像平面（4）上加载精密平移针孔（7），定位指示光通过Y型光纤（1）照射自分束器（11）和物镜（9）至样品表面，并在图像平面（4）上形成一个亮环，Y型光纤（1）照射与集光端口（B）接收样品上亮环区域的光谱信号，将此光谱信号传输至测量显微光谱的光谱仪，通过移动针孔的位置，测量显微光谱的光谱仪检测样品表面不同位置的显微光谱信息。
4.根据权利要求3所述的可同时测量显微光谱和角分辨光谱的装置，其特征在于：所述的显微镜的物镜（9）采用油镜形式的物镜，实现正负九十度范围的角分辨光谱测量。
5.根据权利要求1所述的可同时测量显微光谱和角分辨光谱的装置，其特征在于：所述的定位指示光为卤素光源/LED光源（2），Y型光纤（1）的入射端口（A）与卤素光源/LED光源（2）连接。
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