一种共焦角分辨光谱检测方法及装置与流程 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及一种基于显微共焦光路的角分辨光谱检测方法，尤其涉及一种采用数字微光学器件阵列进行基于显微共焦光路的微区样品的共焦角分辨光谱检测方法及装置。背景技术：2.近年来，光谱测量技术因其能够获取样品材料的能带结构(色散关系)，了解材料的光学特性，已在多种材料、结构和器件的研究上发挥了巨大的作用，例如光子晶体、表面等离子体、超构材料、超构表面、微腔光子材料、光-激子强耦合、二维材料、有机发光材料、等离子体激光、纳米线激光、量子点、光学天线、纳米颗粒、光子芯片、led/oled等。3.对于尺度位于介观(微米及亚微米尺度)的样品，无法原位采集各个角度入射并经样品反射的光，导致微纳材料检测发展缓慢，近年来，共焦显微成像技术由于其高精度、高分辨率、非接触和独特的轴向层析成像能力以及易于实现三维图像重构等能力在微纳检测、精密测量和生物科学研究等领域得到了广泛应用。共焦显微检测技术主要是基于光源、被测物点和探测器三点彼此共轭的原理进行单点扫描成像的。4.中国专利zl 201822064090.7公开了一种三维空间角分辨光谱测量系统，主要采用在显微共焦光路中在物镜的后焦面上或者后焦面的光路共轭面上利用针孔或者狭缝等形式进行后焦面(动量空间)位置的光谱筛选(等效于样品面不同角度的光谱)。由此在先专利可知，现有技术是通过机械调节反射镜或移动针孔或狭缝实现对样品反射光谱的动量空间上收集位点的选择，实现对样品不同角度光谱的照射或收集。移动部件增加了整个光学系统的不稳定性，不同角度的光谱检测效率较低。同时由于狭缝或者针孔的形状单一，无法实现对动量空间中不同位置(如环形)分布光的光学积分，减少了角度光谱的检测效率或者适用性。技术实现要素：5.为了解决基于显微共焦光路实现不同角度光谱检测的光谱收集效率及检测效果问题，本发明实施例提供一种采用数字微光学器件阵列进行基于显微共焦光路的微区样品共焦角分辨光谱检测方法及装置。6.本发明实施例的共焦角分辨光谱检测装置，包括构成显微共焦光路的聚光组件、数字微光学器件、空间滤波器和光谱检测设备，所述聚光组件在所述显微共焦光路上形成待测样品面的光学实空间共轭面以及动量空间共轭面；在待测样品的动量空间共轭面设置有数字微光学器件阵列，通过所述数字微光学器件阵列的空间光调制，对样品动量空间共轭面的光谱进行筛选，筛选后的光谱由所述光谱检测设备接收。7.本发明一实施例中，所述数字微光学器件阵列由一系列可调制光场参量的微型光学元件组成，所述数字微光学器件阵列独立地对照射在光学元件阵列上不同位置的光场强度进行调制，或对光场非强度参量进行调制从而整体实现光场强度调制的作用；8.所述数字微光学器件阵列包括但不限于微反射镜阵列、配有偏振片的空间光调制器。9.本发明一实施例中，所述聚光组件至少包含两个基于透或反射构型用于聚焦的光学元件，即第一聚光元件，第二聚光元件，所述第一聚光元件用于对待测样品发出的光谱进行光学傅里叶变换，从而形成样品的动量空间共轭面；第二聚光元件用于对样品动量空间共轭面进行再次光学傅里叶变换，从而形成样品的实空间共轭面；10.所述第一聚光元件与第二聚光元件沿光路依次布置；11.所述光学元件包括但不限于透镜、凹面镜。12.本发明一实施例中，一或多个数字微光学器件放置在第一聚光元件以及第二聚光元件之间，所述数字微光学器件阵列平面与样品动量空间共轭面重合。13.本发明一实施例中，使用空间滤波器对光场进行空间上的筛选，起到对样品面光谱接收位置的限制，所述空间滤波器包括但不限于针孔、光纤、光阑、狭缝；14.所述空间滤波器放置在第二聚光元件之后，与样品实空间共轭面重合。15.本发明一实施例中，所述光谱检测设备进行光谱强度的检测，所述光谱检测设备包括但不限于光谱仪、单色仪、光谱分析仪。16.本发明一实施例中，所述光谱检测设备放置在空间滤波器后，接收所述空间滤波器滤波后的光谱。17.本发明一实施例中，通过在光路中增加光学元件，实现激光或宽谱光入射；18.所述光学元件包括但不限于分束镜、二向色镜、滤光片。19.本发明一实施例中，在所述样品实空间共轭面处外接入射光，用于形成不同角度光谱入射。20.一种共焦角分辨光谱检测方法，其包括步骤：21.提供构成显微共焦光路的聚光组件、数字微光学器件、空间滤波器和光谱检测设备，所述聚光组件在所述显微共焦光路上形成有待测样品实空间共轭面和动量空间共轭面；22.在所述样品动量空间共轭面设置数字微光学器件阵列，通过所述数字微光学器件阵列的空间光调制，进行样品动量空间共轭面的光谱筛选；23.所述光谱检测设备接收筛选后的光谱并进行检测。24.另一种方法，其包括步骤：25.将光谱检测设备处再接入一束入射光源，所述方法可实现样品上不同角度的光照射。本发明实施例的共焦角分辨光谱检测方法及装置，通过将样品动量空间共轭面设置在数字微光器件阵列上，通过数字微光器件阵列的空间选择作用，实现对动量空间光的筛选，以保证光谱检测设备可以有选择地检测不同动量空间位置的光的光谱，从而实现对样品不同角度光谱的检测。附图说明26.参考附图中示出的实施例更详细地解释了上述本发明的特征，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中图1～2示出了本发明的实施例。27.图1所示为本发明一实施例的共焦角分辨光谱检测装置的光学结构示意图。28.图2所示为本发明另一实施例的共焦角分辨光谱检测装置的光学结构示意图。具体实施方式29.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅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作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。30.实施例1：31.如图1所示，一种共焦角分辨光谱检测装置，包括构成显微共焦光路的聚光组件、数字微光学器件3、空间滤波器6和光谱检测设备7。其中，聚光组件在显微共焦光路上形成有待测样品1的实空间共轭面8和动量空间共轭面4，其中，在样品动量空间共轭面4设置有数字微光学器件阵列，通过数字微光学器件阵列的空间光调制，进行样品动量空间共轭面4的光谱筛选，筛选后的光谱由光谱检测设备7接收。32.具体来说，数字微光学器件阵列由一系列可调制光场参量的微型光学元件组成，数字微光学器件阵列可以独立地对照射在光学元件阵列上不同位置的光场强度进行调制，或对光场非强度参量进行调制从而整体实现光场强度调制的作用。通过将样品动量空间共轭面4放置在数字微光器件阵列上，通过数字微光器件阵列的空间选择作用，能够实现对动量空间光的筛选，以保证光谱检测设备可以有选择地检测不同动量空间位置的光的光谱，从而实现对样品不同角度光谱的检测。33.其中，数字微光学器件阵列包括但不限于微反射镜阵列(dmd)、配有偏振片的空间光调制器。34.微反射镜阵列(digital micromirror device，dmd)，dmd是一种由多个高速数字式光反射开光组成的阵列。dmd是由许多小型铝制反射镜面构成的，镜片的多少由显示分辨率决定，一个小镜片对应一个像素。相对于tft-lcd(液晶)的透射率低，对比度小，dmd的反射率高，对比度大。将物体成像于dmd器件上，通过dmd器件的像素级可控特性及其高速的翻转频率，再将每个像点依次扫描到探测器上，实现白天对可见光条件下物体的高速被动式点扫描成像。加入适当光源还可实现主动式扫描成像。35.空间光调制器，是采用lcos(liquid crystal on silicon,硅基液晶)芯片来调节光波前的振幅或相位的光学器件。lcos芯片是由液晶像元组成的像素阵列，每个像素都能单独地调制光。对于同一束光来说，像元的尺寸越小，调制的就越精细；像素的个数就是芯片的分辨率，分辨率越高，可调制的自由度就越高。36.进一步的，聚光组件至少包含两个基于透或反射构型可用于聚焦的光学元件，即第一聚光元件(如图1中的第一透镜2)，第二聚光元件(如图1中的第二透镜5)，第一聚光元件用于对待测样品发出的光谱进行光学傅里叶变换，从而形成样品的动量空间共轭面4；第二聚光元件用于对样品动量空间共轭面4进行再次光学傅里叶变换，从而形成样品的实空间共轭面8。该第一聚光元件与该第二聚光元件沿光路依次布置；该光学元件包括但不限于透镜、凹面镜。37.进一步的，一或多个数字微光学器件3放置在第一聚光元件以及第二聚光元件之间，数字微光学器件阵列平面与样品动量空间4共轭面重合。38.进一步的，可以使用空间滤波器6对光场进行空间上的筛选，起到对样品面光谱接收位置的限制，空间滤波器6包括但不限于针孔、光纤、光阑、狭缝。该空间滤波器6可以放置在第二聚光元件之后，与样品实空间共轭面8重合。39.进一步的，光谱检测设备7可以进行光谱强度的检测，光谱检测设备7包括但不限于光谱仪、单色仪、光谱分析仪。该光谱检测设备7放置在空间滤波器6后，接收空间滤波器6滤波后的光谱。40.进一步的，还可以通过在光路中增加光学元件，实现激光或宽谱光入射；光学元件包括但不限于分束镜、二向色镜、滤光片。41.进一步的，还可以在样品实空间共轭面8处外接入射光，用于形成不同角度光谱入射。42.实施例2：43.本发明实施例共焦角分辨光谱检测装置的光路有多种变形。例如数字微光学器件阵列可以是透过式的(如液晶屏)，也可以是反射式的(如dmd或空间光调制器)，其光路有所不同。光路中可以添加其他成像或光谱采集模块；光路中至少含有1次针对样品的动量空间的成像。光路是基于显微共焦光路的改装。本发明实施例共焦角分辨光谱检测装置的光路可适用于入射光的角度照明也适用于样品出射光的角度光收集。44.优选的，本发明中共焦角分辨光谱检测方法角度分辨光路的实施例如图2所示。45.图2中，照明光源5发出的光束经第一分束器件4分离后一束向上经过成像透镜6后进入ccd相机7，另外一束向下经过第二分束器件3再次分离得到向下的光束和向右的光束，其中，向下的光束经过显微物镜2照射到样品1上，向右的光束依次经过第一中继透镜8和第二中继透镜9后照射在长通二向色镜10上，一激光器14发射激光光束经过第一准直透镜12照射在数字微光学器件阵列11上，经过微透射器件阵列11(如液晶屏)调制后照射到上述长通二向色镜10，形成激光入射光路，通过数字微光学器件阵列的空间光调制，用于实现入射光的不同角度的照明。46.经过长通二向色镜10的光束照射到微反射器件阵列15(如dmd或空间光调制器)上，经过微反射器件阵列15调制后照射到第二准直透镜16上，最后进入探测器18，用于样品出射光的不同角度光的收集。47.较佳的，在激光器14的发射端设置有第一单模光纤13，在探测器18的接收端设置有第二单模光纤17。48.实施例3：49.一种共焦角分辨光谱检测方法，包括以下步骤：50.提供构成显微共焦光路的聚光组件、数字微光学器件、空间滤波器和光谱检测设备，聚光组件在显微共焦光路上形成有待测样品实空间共轭面和动量空间共轭面；51.在样品动量空间共轭面设置数字微光学器件阵列，通过数字微光学器件阵列的空间光调制，进行样品动量空间共轭面的光谱筛选；52.光谱检测设备接收筛选后的光谱并进行检测。53.本发明实施例提供一种基于显微共焦光路的角度光谱检测方法，通过数字微光学器件阵列的调节，改变动量空间共轭面上探测器可以接收的光的成分，实现样品面的动量空间的像选择性的进入光谱检测设备中，从而对不同角度的光信号进行区分采集，大大提高不同角度采集速度，增加了不同空间角度光谱的可光学积分特性，提升了角分辨技术的适用范围。解决了基于显微共焦光路实现不同角度光谱检测的光谱收集效率低及检测效果不理想的问题。54.与现有技术相比，本发明实施例共焦角分辨光谱检测方法及装置具有以下有益效果：55.1.本发明实施例检测方法能够在单一入射光的情况下，同时实现单一角度入射与多角度入射。56.2.本发明实施例可兼顾成像质量与光谱接收效率，即利用微透镜阵列在物镜后焦面上对单一角度的光进行遮挡，或将单一角度的光引出至探测器接收光路，并不影响实空间和动量空间的成像质量。57.3.本发明实施例装置稳定性好，本发明实施例在光路中采用微器件阵列，无需真空，无切换光路等移动部件，使得系统稳定性显著提高。58.4.本发明实施例共焦光路设计能够实现较高的空间分辨率，实现微区样品的定位和精准的测量，共焦系统能够有效提高信噪比。59.5.本发明实施例可以同时实现对样品空间、角度、频率、偏振等多种信息的检测。60.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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。









图片声明：本站部分配图来自人工智能系统AI生成,觅知网授权图片,PxHere摄影无版权图库。本站只作为美观性配图使用,无任何非法侵犯第三方意图,一切解释权归图片著作权方,本站不承担任何责任。如有恶意碰瓷者,必当奉陪到底严惩不贷!




内容声明：本文中引用的各种信息及资料（包括但不限于文字、数据、图表及超链接等）均来源于该信息及资料的相关主体（包括但不限于公司、媒体、协会等机构）的官方网站或公开发表的信息。部分内容参考包括:(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供参考使用,不准确地方联系删除处理！本站为非盈利性质站点,发布内容不收取任何费用也不接任何广告!




免责声明：我们致力于保护作者版权，注重分享，被刊用文章因无法核实真实出处，未能及时与作者取得联系，或有版权异议的，请联系管理员，我们会立即处理，本文部分文字与图片资源来自于网络，部分文章是来自自研大数据AI进行生成,内容摘自(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供学习参考,不准确地方联系删除处理!的,若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请立即通知我们，情况属实，我们会第一时间予以删除，并同时向您表示歉意,谢谢!