一种暗场散射显微成像和光谱测试系统

1.本发明涉及显微成像和光谱测试技术，特别涉及一种具有新型散射光路的暗场散射光谱仪测试系统。


背景技术：

2.显微成像是一种用于对观测对象进行光学放大，通过图像采集设备的感光区域观测和记录，来实现对样品的检测及进行形态分析的技术，自问世以来即在科研和工业领域有广泛应用。但是,无论是传统的光学显微镜还是各种电子显微镜,它们都只能提供微小物体(如细胞等)的形态学计量,并不能给出物体中物质结构和成分的进一步细节.而成像光谱技术把成像技术和光谱技术有机地结合在了一起,不仅能对物体进行形态成像,并且还能提供丰富的光谱信息;它具有光谱分辨率高、波段多、图像与光谱相结合等优点,因此近年来在生物大分子材料检测、表面缺陷表征、表面微纳加工等领域有重要应用。
3.暗场散射是光学显微和电子显微中的一种特殊显微手法，暗场散射的基本原理是，使入射光大角度倾斜入射而发生散射，同时阻止反射光直接进入目镜，仅使散射光进入物镜成像，使得测到的视野背景是黑的，物体边缘是亮的。相较于允许反射光进入目镜的明场成像，暗场散射成像可以有效提高物体成像分辨率和光谱分辨率；此外由于散射光携带了更多物体本身形貌、组成成份等信息，而反射光却没有携带，所以仅接收散射光的暗场散射更好地分析物体本身的形貌和成分。因此，暗场散射在单纳米颗粒成像与检测、物体表面粗糙度和成份检测等等领域具有很高的优势。
4.目前的暗场散射成像光谱技术有以下问题：第一，现有光路使用透镜来汇聚光束，透镜由石英、玻璃制成，在红外波段吸收巨大，因此使用透镜的散射光路仅能用于可见光波段；第二，入射光受制于透镜数值孔径在光轴方向上入射和散射的角度有上限，超过该角度的光线无法入射后续光路，会造成散射光采集效率低，影响成像和光谱分析质量；第三，现有暗场散射成像光谱系统若在红外波段工作要采用商业反射镜头系统，结构复杂、价格昂贵。
5.本发明设计了一种暗场散射显微成像和光谱测试系统，包含新型散射光路，用大口径曲面反射镜取代透镜，散射光采集率高；可工作于红外、紫外、乃至太赫兹波段；系统简单、廉价，仅靠少数简单的光学元件既可以实现单颗粒散射。


技术实现要素：

6.本发明提供一种暗场散射显微成像和光谱测试系统，其优势为：散射光采集率高，可工作于红外、紫外、乃至太赫兹波段，结构紧凑，成本低廉，占用体积较小。
7.为达上述之一或部分或全部目的或是其它目的，本发明之一实施例提供一种暗场散射光谱仪系统，包括光源、三维调节台、散射光路、光谱仪。
8.所述之光源可以为可见光光源，也可以为红外光源、紫外光源、乃至太赫兹波段光源。
9.所述之散射光路沿入射光经过顺序依次为第一平面镜、第一曲面反射镜、光阑、第二曲面反射镜、样品、第二平面镜、第三曲面镜、第三曲面反射镜，最后汇聚于光谱仪探头。在散射光路中，入射的非平行光过第一曲面反射镜之后转化为平行光，平行光经过光阑后，经过第二曲面反射镜后聚焦样品发生散射，散射光再经过第二曲面反射镜反射后仍为平行光，与入射平行光平行的方向出射，经过半透半反镜分为两路光线，一路经第三曲面反射镜汇聚于光谱仪探头，一路经过第四曲面镜汇聚于ccd探头，可同时进行显微成像和光谱。
10.有益效果采用较大半径的曲面反射镜，有利于收集更多散射光束，提高成像分辨率和光谱测试分辨率。
11.系统光路简单、搭建方便、成本低可用同时工作于紫外波段、可见波段、红外波段、太赫兹波段。
附图说明
12.图1是光路结构示意图；图中编号：1为光源，2为光纤探头，4、9、11、13为曲面反射镜，5为光阑，3、6为平面反射镜,10为半透半反镜，8为三维调节台，12为光谱仪、14为ccd、7为待测样品。
13.图2光阑的俯视图与立体结构图；图3为三维调节台示意图；图中编号：1、2、3为调节x、y、z轴距离的三个旋钮，4为稳定支架，5为样品。
具体实施方式
14.为使本发明的内容、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明作详细说明。
15.光路中各器件位置如图1所示，其中1为光源、2为光纤探头、元件3、6、10为平面反射镜、元件4、9、11、13为曲面反射镜、元件5为光阑、7为待测样品、 8为三维调节台、元件12为光谱仪，14为ccd。
16.由光源1产生的入射光经过曲面反射镜4之后转化为平行光，平行光经过光阑后，经过曲面反射镜9聚焦样品7发生散射，散射光经过曲面反射镜9反射后仍为平行光，与入射平行光共用一段光路，因而减少了光路系统的体积。
17.在上述技术方案中，所述之光阑5可以限制光轴中的透射光以较大的角度通过，滤掉不需要的照明成分，如图2所示；所述之光源1可以为白光光源或红外光源。
18.所述之第一曲面反射镜4、第二曲面反射镜9均为凹面反射镜，放置于同一光轴上，反射面彼此相对，入射光、散射光共用一段光路，起到了缩小体积的作用。
19.所述之第一平面镜3其位置应当满足如下要求：光源1经过平面反射镜3作镜像对称后，光源1的镜像位于第一曲面反射镜的焦点位置，以保证入射光经过第一反射曲面镜后为平行光。
20.所述之第一平面镜3、第二平面镜6，其尺寸应小于光阑5内径，以避免阻挡入射光通过光阑透光部分及入射到样品表面。
21.所述之第二平面镜6应当与经过第二曲面反射镜的出射平行光成一定角度，使光线发生折射，离开光轴。
22.所述之样品7应当由三维调节台8调节其位置，使得样品位于第二曲面反射镜9的焦点处，以保证散射光经过第二曲面反射镜9之后为平行光。虽然图中的样品悬挂于长悬臂下方，但实际搭建光路时可以根据样品性质及测试需求，选择将样品置于悬臂上方，同时将光路中所有元件上下倒置即可。
23.所述之三维调节台8，应当在长悬臂上安装稳定支架以避免样品晃动影响测试结果，具体如图3所示。
24.所述之半透半反镜10，应当将经平面镜6出射的光线分为两束，分别往第三曲面反射镜11、第四曲面反射镜13方向出射，以便同时进行成像和光谱分析。
25.所述之第三曲反射面镜11，应当将接收到的光线汇聚于光谱仪探头12，即光谱仪探头12应当置于第三曲面反射镜11的焦点处。
26.所述之第四曲反射面镜13，应当将接收到的光线汇聚于ccd探头14，即ccd探头14应当置于第四曲面反射镜13的焦点处。
27.需要指出的是，上面所述只说明了本发明的一些原理，对于具体的结构参数未做详细说明。因此，本说明书并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。


技术特征：
1.一种暗场散射显微成像和光谱测试系统，其特征在于，包括至少一个光源（1）、一个光纤探头（2）、4个曲面反射镜（4、9、11、13）、至少一个光阑（5），2个平面反射镜（3、6）、半透半反镜（10），三维调节台（8），光谱仪（12）、ccd（14）、待测样品（7）。2.如权利要求1所述的光谱仪测试系统，其特征在于：其中所述光纤探头（2）通过光纤与光源（1）相连，且光纤探头（2）经过平面反射镜（3）作镜像对称后，光纤探头（2）的镜像位于曲面反射镜（4）的焦点位置，以保证入射光经过曲面反射镜（4）反射后为平行光出射。3.如权利要求1所述的光谱仪测试系统，其特征在于：所述之曲面反射镜（4）、曲面反射镜（9）均为凹面反射镜，放置于同一光轴上，反射面彼此相对。4.如权利要求1所述的光谱仪测试系统，其特征在于：所述光源可为可见光、红外、紫外、太赫兹波段的光源。5.如权利要求1所述的光谱仪测试系统，其特征在于：平面镜（6）、平面镜（3）在光阑（5）方向上的投影，其尺寸与光阑尺寸相当或小于光阑尺寸。6.如权利要求1所述的光谱仪测试系统，其特征在于：三维调节台（8）的悬臂上设置了稳定作用的支架。7.如权利要求1所述的光谱仪测试系统，其特征在于：所述之样品（7）应当由三维调节台（8）调节其位置，使得样品位于第二曲面反射镜(9）的焦点处，以保证平行入射光经样品（7）散射后、由曲面镜（9）反射后为平行光出射。8.如权利要求1所述的光谱仪测试系统，其特征在于：所述半透半反镜（10）可将出射光分为两路，同时进行成像和光谱测试。9.如权利要求1所述的光谱仪测试系统，其特征在于：所述曲面镜（11）可替换为光纤探头，并连接便携式光谱仪，以降低成本。

技术总结
本发明公开了一种暗场显微成像和光谱测试系统。它由光源、新型散射光路、光谱仪、CCD组成。本发明主要基于暗场散射，通过将传统暗场散射光路中的透镜元件更换为曲面反射镜，简化了光路，增加了散射光吸收效率。其优点在于：光路简单、成本低廉、散射光收集效率高、不仅能工作于可见光波段还能工作于红外、紫外、太赫兹波段。本发明在颗粒散射成像与光谱分析、表面成分检测等领域有广泛应用前景。成分检测等领域有广泛应用前景。


技术研发人员：袁浚潇 侯宜栋 杨秀 吴轩楠 高福华 杜惊雷
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2021.05.31
技术公布日：2021/9/6