CN113624682A - 一种环形光瞳共焦布里渊显微*** - Google Patents

一种环形光瞳共焦布里渊显微*** Download PDF

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Abstract

本发明提出一种环形光瞳共焦布里渊显微***，解决现有共焦布里渊光谱测量***计算复杂、计算精度差的问题。所述***，包含：照明模块、分光平片、环形光阑、测量物镜、光谱探测模块；所述照明模块用于产生偏振方向可选的线偏振激光作为入射光；所述入射光经所述分光平片反射进入所述环形光阑，经环形光阑整形后通过所述测量物镜聚焦于待测样品上；待测样品经激发产生的布里渊散射光被所述测量物镜收集，进入所述环形光阑，经所述环形光阑调制后通过所述分光平片透射到所述光谱探测模块；所述光谱探测模块，用于收集探测待测样品的布里渊散射光光谱。本发明可实现高空间分辨、高光谱分辨环形光瞳共焦布里渊显微***。

Description

一种环形光瞳共焦布里渊显微***
技术领域
本发明涉及显微光谱测量技术领域，尤其涉及一种环形光瞳共焦布里渊显微***。
背景技术
共焦布里渊光谱探测***在布里渊散射的基础上，引入具有微观表征能力的共焦显微技术，可以实现高空间分辨微区机械性能参数测量，已应用于生物组织检测、细胞成像以及材料表征等方面。如何有效兼顾共焦布里渊光谱探测***的空间分辨力与光谱分辨力，进而保证共焦布里渊光谱探测***的光谱测量准确性，一直是布里渊光谱显微成像领域研究的热点问题。现有的光谱分析方法缺点是需根据样品及物镜数值孔径等参数建立理论模型，计算过程复杂，且对于未知样品无法进行精确计算；现有的共焦布里渊光谱探测***光路复杂，针对不同数值孔径的装置需要重新设计以及大量计算，且该类装置普遍无法实现高空间分辨布里渊光谱显微成像。
发明内容
本发明提供一种环形光瞳共焦布里渊显微***，解决现有共焦布里渊光谱测量***计算复杂、计算精度差的问题。
为解决上述问题，本发明是这样实现的：
发明实施例提供一种环形光瞳共焦布里渊显微***，包含：照明模块、分光平片、环形光阑、测量物镜、光谱探测模块；所述照明模块用于产生偏振方向可选的线偏振激光作为入射光；所述入射光经所述分光平片反射进入所述环形光阑，经环形光阑整形后通过所述测量物镜聚焦于待测样品上；待测样品经激发产生的布里渊散射光被所述测量物镜收集，进入所述环形光阑，经所述环形光阑调制后通过所述分光平片透射到所述光谱探测模块；所述光谱探测模块，用于收集探测待测样品的布里渊散射光光谱。
优选地，所述环形光阑通过以下至少一种方式实现：数字微反射镜阵列、空间光调制器或挡光板。
优选地，所述环形光阑的调整误差小于等于环形光阑外圆半径的1％。
优选地，所述环形光阑的光瞳系数小于0.9。
优选地，所述共焦针孔的归一化针孔半径为2.5±0.2。
进一步地，所述照明模块包含：连续激光器、扩束***、二分之一波片、起偏器；所述连续激光器出射的激光经过扩束***扩束、二分之一波片和起偏器后得到偏振方向可选的线偏振激光。
进一步地，所述光谱探测模块包含：检偏器、收集透镜、共焦针孔、布里渊光谱仪；所述待测样品经激发产生的布里渊散射光被所述测量物镜收集，进入所述环形光阑，经所述环形光阑调制后通过所述分光平片、检偏器、收集透镜后会聚在所述共焦针孔中，再被所述布里渊光谱仪收集探测。
进一步地，所述***还包含：三维平移台，所述三维平移台用于放置待测样品，进行三维移动。
本发明有益效果包括：本发明提供一种环形光瞳共焦布里渊显微***，利用简易光路，同时无需根据仪器参数建立理论模型，即可对样品进行高空间分辨、高光谱分辨的布里渊光谱成像，实现高精度机械性能成像。本发明***通过在照明光路与收集光路的重合光路部分添加环形光瞳，在传统共焦布里渊显微***的光路基础上，即可实现环形光束照明及环形光束收集，在成本及仪器复杂度方面具有明显优势。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为一种环形光瞳共焦布里渊显微***实施例；
图2为一种包含布里渊光谱仪的环形光瞳共焦布里渊显微***实施例；
图3(a)为光束实施例的传统共焦布里渊显微***的照明光束与收集光束示意图；
图3(b)为光束实施例的环形光瞳共焦布里渊显微***的照明光束与收集光束示意图；
图4为不同环形光瞳参数下的横向点扩散函数分布以及光谱分布实施例示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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。
布里渊散射作为一种由光子与热声子相互作用所引起的非弹性散射，可以通过非接触的方式直接获取样品的压力、温度、弹性等参数，因而作为一种极其重要的光学探针，广泛应用于物理化学、材料科学及生物医学等领域。共焦布里渊光谱探测***在布里渊散射的基础上，引入具有微观表征能力的共焦显微技术，可以实现高空间分辨微区机械性能参数测量，已应用于生物组织检测、细胞成像以及材料表征等方面。
尽管目前共焦布里渊光谱探测***的研究热潮仍保持着十分强劲的趋势，但存在一个非常重要的问题仍然无法得以有效解决，即共焦布里渊光谱探测***的空间分辨力与光谱分辨力这两个重要的特征参数始终无法得以兼顾，因为这两者在有限数值孔径的条件下是互相矛盾的。这是由于在物镜收集角范围的散射光均可被收集，而布里渊散射频移与散射角度直接相关，布里渊光谱探测***所探测到的光谱结果为物镜数值孔径范围内所有散射角度的积分结果，因此在有限数值孔径的条件下，不同散射角所对应的光谱分布之间相互叠加势必会引起光谱展宽效应，而且随着物镜数值孔径的增加，这种展宽效果愈发明显，严重降低光谱分辨力及测量精度，使用低数值孔径物镜可有效降低这种光谱展宽效应，但同时也会导致共焦布里渊光谱探测***空间分辨力的下降，因此，如何有效兼顾共焦布里渊光谱探测***的空间分辨力与光谱分辨力，进而保证共焦布里渊光谱探测***的光谱测量准确性，一直是光谱显微成像领域研究的热点问题。
目前已有几种光谱分析方法以及实验装置可有效降低布里渊散射中的光谱展宽效应，但前者普遍需要根据样品及物镜数值孔径等参数建立理论模型，不仅计算过程较为复杂，而且对于未知样品无法进行精确计算；而后者光路复杂，针对不同数值孔径的装置需要重新设计以及大量计算，重要的是，该类装置普遍无法实现高空间分辨布里渊光谱显微成像，这严重限制了共焦布里渊光谱探测***在显微光谱成像领域中的进一步应用。
本发明创新点如下：本发明利用环形光瞳对照明点扩散函数与收集点扩散函数同时进行调制，照明光束在经过测量物镜聚焦前，其波前受到环形光阑调制，使光束仅保留高数值孔径部分，照明点扩散函数的横向半高宽发生降低，聚焦光斑横向尺寸得到压缩，同时，环形光瞳对收集光束波前进一步调制，使收集点扩散函数半高宽也得到压缩，由于共焦显微***的三维点扩散函数为照明点扩散函数与收集点扩散函数的乘积，***的横向分辨力得到提升。此外，***通过减少照明角度及收集角度范围，可有效降低布里渊光谱展宽效应，提高***的光谱分辨力，进而有效兼顾传统共焦布里渊***的空间分辨力及光谱分辨力。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
图1为一种环形光瞳共焦布里渊显微***实施例，可同时提高共焦布里渊***的空间分辨力和光谱分辨力，作为本发明实施例，一种环形光瞳共焦布里渊显微***，用于待测样品6，包含：照明模块1、分光平片2、环形光阑3、测量物镜4、光谱探测模块5。
所述照明模块用于产生偏振方向可选的线偏振激光作为入射光；所述入射光经所述分光平片反射进入所述环形光阑，经环形光阑整形后通过所述测量物镜聚焦于待测样品上；待测样品经激发产生的布里渊散射光被所述测量物镜收集，进入所述环形光阑，经所述环形光阑调制后通过所述分光平片透射到所述光谱探测模块；所述光谱探测模块，用于收集探测待测样品的布里渊散射光光谱。
在本发明实施例中，所述环形光阑通过以下至少一种方式实现：数字微反射镜阵列、空间光调制器或挡光板。
具体地，在构建所述环形光瞳共焦布里渊显微***的过程中，环形光阑可通过数字微反射镜阵列、空间光调制器以及挡光板等多种方式实现，并可在***构建的最后环节添加与调整，带来便于拆装、方便使用的优点，环形光阑与光轴的同心度误差对***的横向分辨力影响较小，但对***所测得的光谱曲线展宽效果影响较大，一般情况下，其调整误差应小于环形光阑外圆半径的1％以下。
本发明实施例提供一种基于环形光瞳的共焦布里渊显微***，通过在照明光路与收集光路的重合光路部分添加环形光瞳，在传统共焦布里渊显微***的光路基础上，即可实现环形光束照明及环形光束收集，在成本及仪器复杂度方面具有明显优势。
图2为一种包含布里渊光谱仪的环形光瞳共焦布里渊显微***实施例，为本发明高空间分辨、高光谱分辨环形光瞳共焦布里渊显微***的一种实现方式，作为本发明实施例，一种环形光瞳共焦布里渊显微***，用于待测样品6，包含：照明模块1、分光平片2、环形光阑3、测量物镜4、光谱探测模块5、三维平移台7。
所述照明模块包含：连续激光器11、扩束***12、二分之一波片13、起偏器14；所述光谱探测模块包含：检偏器51、收集透镜52、共焦针孔53、布里渊光谱仪54。
所述连续激光器出射的激光经过扩束***扩束、二分之一波片和起偏器后得到偏振方向可选的线偏振激光作为入射光；所述入射光经所述分光平片反射进入所述环形光阑，经环形光阑整形后通过所述测量物镜聚焦于待测样品上；待测样品经激发产生的布里渊散射光被所述测量物镜收集，并被环形光阑进一步调制，通过分光平片、检偏器以及收集透镜后会聚在共焦针孔中，最后被布里渊光谱仪收集探测。
所述三维平移台用于放置待测样品，可带动待测样品进行三维移动。
在本发明实施例中，所述共焦针孔的归一化针孔半径为2.5±0.2，即所述共焦针孔的归一化针孔半径大于等于2.3小于等于2.7，例如，所述共焦针孔的归一化针孔半径为2.5。通常的共焦布里渊显微***的归一化针孔半径为3，这是由于经过环形光阑调制后，针孔处的聚焦光斑被压缩。
在本发明实施例中，环形光瞳系数小于0.9，如图2所示，环形光瞳系数ε＝a/b，其中a为环形光阑内圆半径，b为环形光阑外圆半径。需要说明的是，环形光瞳系数须大于0，即0＜ε＜0.9。
本发明实施例提供一种高空间分辨、高光谱分辨环形光瞳共焦布里渊显微***，可实现高空间分辨、高光谱分辨布里渊光谱探测，为微区光谱探测和几何测量提供了一种新的途径。本发明实施例在传统共焦布里渊显微***的基础上，添加环形光阑对照明光束及收集光束进行调制，实现高精度机械性能成像。
图3为传统共焦布里渊显微***的照明光束与收集光束示意图，图3(b)为环形光瞳共焦布里渊显微***的照明光束与收集光束示意图，通过环形光瞳可有效减少散射基元的收集角度范围。
图3(a)为光束实施例的传统共焦布里渊显微***照明光束与收集光束示意图，其中，α为入射角度与收集角度范围，图3(b)为光束实施例的环形光瞳共焦布里渊显微***照明光束与收集光束示意图，其中，β1+β2为入射角度与收集角度范围，对于相同的测量物镜，α＞β1+β2，即在环形光瞳的作用下，散射基元的收集角度范围得以压缩，这可以大幅降低光谱展宽效应，提升光谱分辨力及光谱拟合精度，进而实现高空间分辨、高光谱分辨的共焦布里渊光谱成像。
图4为不同环形光瞳参数下的横向点扩散函数分布以及光谱分布实施例示意图。
图4为仿真计算的不同环形光瞳参数下的横向点扩散函数分布与光谱分布，以甲醇为例，可见，随着环形光瞳系数ε的不断增加，***的横向点扩散函数分布得到压缩，即横向分辨力得以提升，同时，在相同物镜数值孔径的情况下，环形光瞳系数ε的增加也会有效抑制光谱展宽效应。
但受到光谱激发与光谱收集效率的限制，环形光瞳系数ε不能过大，因此，在***构建过程中，激光器出射的激光直径、扩束***的放大倍数、物镜后瞳直径以及环形光阑尺寸等参数之间的选取应互相配合，以保证布里渊光谱激发效率，并充分利用物镜的有效数值孔径。
环形光瞳系数的理论取值范围为0＜ε＜1，在本发明实施例中，0＜ε＜0.9，需要说明的是，环形光瞳系数的取值可以是本发明实施例的0＜ε＜0.9，也可以是其他范围，这里不做特别限定。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种环形光瞳共焦布里渊显微***，其特征在于，包含：照明模块、分光平片、环形光阑、测量物镜、光谱探测模块；
所述照明模块用于产生偏振方向可选的线偏振激光作为入射光；
所述入射光经所述分光平片反射进入所述环形光阑，经环形光阑整形后通过所述测量物镜聚焦于待测样品上；
待测样品经激发产生的布里渊散射光被所述测量物镜收集，进入所述环形光阑，经所述环形光阑调制后通过所述分光平片透射到所述光谱探测模块；
所述光谱探测模块，用于收集探测待测样品的布里渊散射光光谱。
2.如权利要求1所述的环形光瞳共焦布里渊显微***，其特征在于，所述照明模块包含：连续激光器、扩束***、二分之一波片、起偏器；
所述连续激光器出射的激光经过扩束***扩束、二分之一波片和起偏器后得到偏振方向可选的线偏振激光。
3.如权利要求1所述的环形光瞳共焦布里渊显微***，其特征在于，所述光谱探测模块包含：检偏器、收集透镜、共焦针孔、布里渊光谱仪；
所述待测样品经激发产生的布里渊散射光被所述测量物镜收集，进入所述环形光阑，经所述环形光阑调制后通过所述分光平片、检偏器、收集透镜后会聚在所述共焦针孔中，再被所述布里渊光谱仪收集探测。
4.如权利要求1所述的环形光瞳共焦布里渊显微***，其特征在于，所述***还包含：三维平移台，所述三维平移台用于放置待测样品，进行三维移动。
5.如权利要求1所述的环形光瞳共焦布里渊显微***，其特征在于，所述环形光阑通过以下至少一种方式实现：数字微反射镜阵列、空间光调制器或挡光板。
6.如权利要求1所述的环形光瞳共焦布里渊显微***，其特征在于，所述环形光阑的调整误差小于等于环形光阑外圆半径的1％。
7.如权利要求1所述的环形光瞳共焦布里渊显微***，其特征在于，所述环形光阑的光瞳系数应小于0.9。
8.如权利要求5所述的环形光瞳共焦布里渊显微***，其特征在于，所述共焦针孔的归一化针孔半径为2.5±0.2。
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