CN104807761A

CN104807761A - 一种实现微区光谱测量的光谱仪设计方法

Info

Publication number: CN104807761A
Application number: CN201510236181.2A
Authority: CN
Inventors: 任梦昕; 兀伟; 皮彪; 蔡卫; 张心正; 许京军
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2015-05-08
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2015-07-29

Abstract

本发明公开了一种可实现微区光谱测量的光谱仪设计方法，其包括以下步骤：(1)利用成像***将待测量样品成像至区域选择小孔板的平面内；(2)小孔区域内的光线穿过小孔进入光谱分析元件进行光谱分析与测量；(3)小孔区域外部的光线被小孔板上的高反射膜反射，并经由一半透半反镜反射；(4)半透半反镜的反射光由一成像透镜成像至图像记录元件(如CCD)平面；(5)通过移动样品位置，可对需要测量的不同区域成像至小孔内进行光谱分析测量该光谱仪可独立使用或联合显微镜使用。本发明利用小孔实现测量区域的选择，可以实现对于尺寸达微米甚至纳米量级样品的透射、反射、吸收及荧光光谱的测量。

Description

一种实现微区光谱测量的光谱仪设计方法

技术领域

本发明涉及光谱测量技术领域，具体涉及一种实现微区光谱测量的光谱仪设计方法，其适用于检测微纳尺度物体或样品区域的透射、反射、吸收和荧光等光谱。

背景技术

光谱仪已经被人们广泛应用。通过光谱检测可以对于元素组成、能带结构等各种材料性质进行研究。

例如中国专利申请第2006800243929号公开了一种光谱仪设备，其包括用于生成具有预定辐射波长的脉冲辐射束的脉冲辐射束发生器、具有多个腔模式且每一腔模式具有腔模式波长的光学腔、抖动装置、位于所述光学腔内且包含将要分析的样本的光声室以及探测器，其中抖动装置用于使所述脉冲辐射束的所述辐射波长和/或所述多个腔模式波长发生抖动，从而使所述脉冲辐射束准连续地耦合到所述光学腔内；探测器用于探测当样本吸收来自所述脉冲辐射束的辐射时在光声室内生成的压力波，并生成探测器输出信号，可以通过对所述探测器输出信号进行处理来确定所述样本中的吸收材料的浓度值。

而上述光谱仪光斑较大，一般在毫米或厘米量级，若使用其对于微纳样品进行光谱测量时，大部分光能量照射在待测区域外，对于最终的测量结果造成较大误差，甚至使得无法测量得到光谱。严重制约了针对于微纳材料光谱性质的研究。

发明内容

为了解决上述技术问题，确有必要提供一种可实现对于微纳样品及样品内微小区域内光谱信息测量与分析的光谱仪。迫切需要一种。该光谱仪可广泛应用于材料科学、航空航天、医学、物理科学、生物科学等领域。

依据本发明的技术方案，提供一种可实现微区光谱测量的光谱仪设计方法，其包括以下步骤：

(1)利用成像***将待测量样品成像至区域选择小孔板的平面内；

(2)小孔区域内的光线穿过小孔进入光谱分析元件进行光谱分析与测量；

(3)小孔区域外部的光线被小孔板上的高反射膜反射，并经由一半透半反镜反射；

(4)半透半反镜的反射光由一成像透镜成像至图像记录元件(如CCD)平面；

(5)通过移动样品位置，可对需要测量的不同区域成像至小孔内进行光谱分析测量。

其中，步骤(1)所述的通过区域选择小孔板实现对于测量区域的选择，该小孔可为矩形、圆形、椭圆形等任何形状，视实际需求而定。步骤(2)只对于小孔区域内的光线进行光谱分析，区域外的光线不进入光谱分析元件。步骤(3)小孔区域外的光线被小孔板上的高反射膜反射，该高反射膜为高反射金属膜、介质膜等其他可实现高反射率的薄膜材料。该反射光经由半透半反镜反射，半透半反镜分光比例可为10∶90，30∶70，50∶50或任何其他比例，可视实际情况而定。步骤(4)小孔区域外的光线最终经由成像透镜成像并由图像记录元件记录并显示，此步骤用于对于待测样品表面形貌的观察成像，并方便判断小孔在物体像面上的位置，即小孔所选择测量的区域位置。步骤(5)通过移动样品实现对于测量区域的选择与移动，可使用手动或电动位移台实现样品移动。

与现有传统光谱仪相比，本发明提供的微区光谱仪利用小孔平板实现对于待测区域的选择，并完成对于目标微纳尺度区域及微纳尺寸样品光谱信息的测量。通过调节成像***的放大倍率或小孔尺寸大小，可实现测量区域大小的调节。进一步利用半透半反镜及图像记录元件，可实时观测样品表面形貌与待测区域位置的判断，操作简易，使用方便。

附图说明

图1为依据本发明的实现微区光谱测量的微区光谱测量***示意图。

图2为区域选择板结构示意图。

图3为图像记录元件7记录图像范例。

图4为依据本发明的样品成像***示意图。

图5为光谱测量区域选择小孔板及光谱测量***示意图。

图6为图像数字化记录***示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。

依据本发明的第一方面，本发明的微区光谱仪包括一待分析物体、一成像***、一半透半反镜、一区域选择小孔板、一光谱分析元件、一成像透镜以及一图像记录元件(如CCD)；所述待分析物体通过成像***，成像于区域选择小孔板平面；小孔板表面具有高反射性，但其中心小孔处为可透光部分。照射在小孔区域内的光线可通过小孔进入光谱分析元件进行光谱分析。被小孔板反射的光线经半透半反镜反射，后经过成像透镜成像至图像记录元件，实现待测物体表面形貌以及待测区域范围的实时观测与选择。如图1所示。

本发明的第二方面，提供一种可实现微区光谱测量的方法。本发明提出的设计方法能实现对于微纳样品的光谱测量与分析。该方法包括以下步骤：

下面结合附图，对本发明进一步说明，图1为依据本发明的实现微区光谱测量的微区光谱测量***示意图。其中附图符号如下：待测物体(样品)1、成像***2、半透半反镜3、区域选择小孔板4、光谱分析元件5、成像透镜6、图像记录元件7、小孔板反射区域8、小孔板中心小孔9、待测物体在图像记录元件表面所成像10、小孔在图像记录元件表面所成像(以方形小孔为例)11。图2为区域选择板结构示意图。板中心区域9为透光区域，而小孔外部区域8具有较高反射率。图3为图像记录元件7记录图像范例，其中黑色区域11为区域选择板4中心小孔在图像记录元件7上所成像，其余部分10为被7记录的样品形貌像。图4为依据本发明的样品成像***示意图，样品1经过透镜组2成像至平面14，样品可采用透射式或反射式照明。当采用透射式照明时，光源12被开启，关闭13，光源幅射光16从下方辐照样品；当采用反射式照明时，光源13开启，关闭12，光源辐射光16经半透半反镜3反射后从上方辐照样品。

图5为光谱测量区域选择小孔板及光谱测量***不意图，样品经成像***成像，相应光线15聚焦于平面4，落在平面内小孔区域内的光线将透过小孔进入光谱仪进行光谱分析。落在小孔区域外的光线被反射。

图6为图像数字化记录***示意图，经区域选择小孔板4反射的光线经半透半反镜3反射，经由透镜6成像至图像记录元件7中。

本发明通过下述方案实现的：参阅图1，首先搭建一成像***(或采用商用显微镜)2实现待测样品的成像，该成像***可采用透射式照明、反射式照明或散射式照明等其他照明方式。若采用透射式照明，则最终测量的光谱为透射光谱；若采用反射式照明，则最终测量的光谱为反射光谱；若采用散射式照明，则最终测量的光谱为散射光谱。吸收光谱由100％-透射光谱-反射光谱计算得到。所述待分析物体通过成像***2，成像于区域选择小孔板4平面内；小孔板表面有高反射率的镀层8，但其中心小孔9处无反射镀层，可透光。照射在小孔区域内的光线可通过小孔进入光谱分析元件5进行光谱分析。被小孔板反射的光线则经半透半反镜3反射，后经过成像透镜6成像至图像记录元件7，实现待测物体表面形貌以及待测区域范围的实时观测与选择。

具体地，区域选择小孔板(参阅图2)表面8可使用镀设金属膜或介质膜等手段实现高反射率，其中心透光孔9可使用聚焦离子束刻蚀、电子束曝光、化学腐蚀等工艺手段进行加工得到。其形状可选择为圆形、矩形、三角形、椭圆形等形状。具体形状可根据样品或需要测量的区域形状进行选择。

样品光线经过小孔板与半透半反镜3反射，半透半反镜分光比例可为10∶90，30∶70，50∶50或任何其他比例，可视实际情况而定。

被半透半反镜反射的光线经过成像透镜6成像至成像元件7上进行显示与记录，其效果示意图参见图3。区域内为待测物体在成像元件上所成的像10，中间黑色区域11为小孔板中心小孔所成之像，由于光线大部分透过小孔而少有被反射，故在成像元件上表现为黑色，形状与小孔形状相同。如此可方便地实时监视样品表面形貌，同时可得知样品表面被测区域的位置。

通过调节样品的位置或调节整体成像***与光谱仪的位置可实现样品表面被测区域位置的选择。方便实现样品表面多个区域或多个样品光谱信息的分析与采集。样品或***的移动可通过电动或手动位移***或机构来实现。

进一步地，本发明提供一种可实现微区光谱测量的方法，也可以具体包括以下步骤：

步骤(一)，搭建一成像***(附图1中2)用于实现对于待测样品(附图1中1)成像，该成像***可由单透镜或多个透镜的组合构成；或者为了得到对于微纳样品较高的成像质量，该成像***也可采用商用显微镜。该成像***可采用透射式照明、反射式照明或散射式照明等其他照明方式。若采用透射式照明，附图4中光源12被点亮，同时关闭附图4中光源13，样品被来自透射方向的光源(附图4中12)照亮，并成像，此时最终测量的光谱为透射光谱；若采用反射式照明，附图4光源13被点亮，同时关闭附图4光源12，光源照明光经由半透半反镜(附图4中3)反射，从成像光路方向射向样品，并将样品照亮并成像，此时最终测量的光谱为反射光谱；若采用散射式照明(附图4中未画出)，则最终测量的光谱为散射光谱。吸收光谱由100％-透射光谱-反射光谱计算得到。

步骤(二)，在成像***后，成像面前，放置半透半反镜(附图1中3)，其角度与成像***光轴成45度。

步骤(三)，在成像面上放置带小孔的测量区域选择板(附图1中4)，板上小孔形状可按需求采用附图2中形状或其他形状。孔的区域可透光，板其他区域为具有高反射率。由小孔透过的光线将进入后面的光谱仪(附图1中5)进行光谱信息分析。

步骤(四)，被区域选择板(附图1中4)反射回的光线由半透半反镜(附图1中3)反射。在发射光线的传输路径上放置一透镜(附图1中6)，将被区域选择板反射回的光线聚焦在图像记录元件(附图1中7)平面上，即平面4上的像经过区域选择板4上反射膜反射、半透半反镜3反射，由透镜6成像在图像记录元件上。最终在图像记录元件7上看到的效果见附图3。中间黑色区域即为区域选择板上小孔区域的像，该区域即为光谱被分析的区域【其形状由小孔形状(附图2)决定，图中以矩形小孔为例说明】，周围明亮区域为样品所成轮廓像，如此可实时观察光谱分析区域在样品上的位置，可实时调整测量区域位置，并同时观察样品表面形态。

实现上述微区光谱测量的方法的的***，其包括成像***、光谱测量区域选择及光谱采集部件和样品数字图像记录部件。

如图4所示，成像***用于对待测样品进行成像，图中给出了两种照明方式，透射照明及反射式照明。当采用透射式照明时，光源12被点亮，同时关闭光源13，样品自下而上被照明并成像；当采用反射式照明时，光源13被点亮，同时关闭光源12，样品自上而下被照明并成像；

如图5所示，光谱测量区域选择及光谱采集部件用于待测量区域选择，并对于光谱信息进行记录分析。模块二的4同模块一的像面14在空间位置重合，则落在区域选择板4心中小孔区域内部的光线将进入后续光谱仪5进行光谱分析，而小孔外部的光线将被区域选择板小孔外的高反射区域反射，而不被光谱仪分析；

如图6所示，样品数字图像记录部件用于对区域选择板反射回的光线进行成像及记录。被区域选择板4反射的光线，经过半透半反镜3反射后，进入透镜6，成像至图像记录元件7中，最终得到如附图3所示的图像，其中心黑色区域即为光谱被分析的区域。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。

Claims

1.一种可实现微区光谱测量的光谱仪设计方法，其包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的可实现微区光谱测量的光谱仪设计方法，其特征在于，步骤(1)所述的通过区域选择小孔板实现对于测量区域的选择，该小孔可为矩形、圆形、椭圆形等任何形状，视实际需求而定。

3.根据权利要求1所述的可实现微区光谱测量的光谱仪设计方法，其特征在于，步骤(2)只对于小孔区域内的光线进行光谱分析，区域外的光线不进入光谱分析元件。

4.根据权利要求1所述的可实现微区光谱测量的光谱仪设计方法，其特征在于，步骤(3)小孔区域外的光线被小孔板上的高反射膜反射，该高反射膜为高反射金属膜、介质膜等其他可实现高反射率的薄膜材料。该反射光经由半透半反镜反射，半透半反镜分光比例可为10∶90，30∶70，50∶50或任何其他比例，可视实际情况而定。

5.根据权利要求1所述的可实现微区光谱测量的光谱仪设计方法，其特征在于，步骤(4)小孔区域外的光线最终经由成像透镜成像并由图像记录元件记录并显示，此步骤用于对于待测样品表面形貌的观察成像，并方便判断小孔在物体像面上的位置，即小孔所选择测量的区域位置。

6.根据权利要求1所述的一种可实现微区光谱测量的光谱仪设计方法，其特征在于，步骤(5)通过移动样品实现对于测量区域的选择与移动，可使用手动或电动位移台实现样品移动。