[发明专利]显微光谱测量方法和系统

说明书

本发明涉及一种光学显微光谱测定系统，包括光学显微镜(10)、光谱测定系统(50)和光学系统(14)，所述光学系统适于通过所述至少一个显微镜物镜(11、12)将激发光束引导至样本上的，并从样本收集拉曼或PL光束。根据本发明，所述光学显微光谱测定系统包括：成像系统(16、41)，其被配置为通过来自样本表面的照明光束的反射或透射来获取样本的第一图像(71)和第二图像(72)，所述第一图像(71)具有大视场，所述第二图像(72)具有小视场；处理系统(40)，其被配置为确定第一图像(71)中对应于第二图像(72)的区域；显示系统(44)，其被配置为显示第一图像(71)、第二图像(72)以及覆盖在第一图像(71)上的表示所述区域的第三图像(73)。

技术领域

本发明涉及一种方法和系统，用于在宽空间范围内，例如，从毫米级到微米级，以高横向和轴向分辨率可视化和映射二维(2D)或三维(3D)样本表面，以便在精确选择的关注区域(ROI)中执行显微光谱测量。

本发明还涉及一种方法和系统，用于在样本表面上以高精度并在宽空间范围(例如，从毫米到微米)上容易导航，以便选择关注区域(ROI)来执行光谱分析或光谱成像，例如，光致发光(PL)或拉曼成像。

背景技术

近二十年来，由于光子探测器和光源发展的巨大进步，光致发光和拉曼光谱仪的发展取得了巨大进展。光子探测系统特别包括CCD、EMCCD和CMOS相机以及新一代雪崩光电二极管和光电倍增器，具有改进的特性。新光源包括紧凑型固态激光器，其光谱范围从紫外光到近红外光，平均功率为几十mW，足以生成光致发光或拉曼信号。

光谱学和显微技术的结合是光致发光和拉曼技术发展的一个重要突破。尽管这两种技术都非常古老，但电子学和光子学的最新发展已经促成了重要的创新。

特别地，现代显微镜光谱仪包括自动聚焦系统，用于寻找和跟踪样本表面。自动对焦系统的功能原理有光学或数值来源。

光学硬件自动聚焦系统使用激光测量到样本表面的距离，或者使用白光干涉来保持到表面的距离恒定。还可以使用从样本表面反射的光的强度或样本光谱响应的强度，以通过测量信号的最大值来识别样本表面位置。通常，所有光学硬件自动聚焦系统都是逐点测量方法，并且需要一段时间来从N×N像素的区域收集信息。根据花费在一个像素上的时间和像素数量，总时间可以从几分钟到几个小时不等。光学自动聚焦方法的另一缺点是对样本表面性质的敏感性。在强漫射、半透明、倾斜或浮雕表面的情况下，该方法将提供不正确的结果，甚至根本不起作用。此外，光学硬件自动聚焦装置的价格增加了显微镜光谱仪的总成本。

使用光学硬件自动对焦系统的替代方法是使用数字或数字自动对焦系统。这些系统不会给装置带来任何额外的成本，因为这些系统使用已经存在的视频图像硬件(作为光学物镜)、光传输光学器件和检测装置(作为CMOS或CCD相机)。唯一的投资是开发集成到软件中的数学算法，以发现和保持关注研究或测量样本。这种系统已经被开发出来，并在数码相机、智能手机或数码显微镜中得到普遍应用。在每个特定的实现中，发明人提出了硬件和软件实现的特定解决方案，并且不同装置的应用不同。数字自动对焦的重要优势是对应于视场的大工作区域。数字自动对焦同时进行数百万像素的测量。数字自动聚焦系统通常基于图像对比度或清晰度分析。其软件包括一种算法，该算法根据z坐标分析图像对比度或清晰度，并确定最佳焦点位置。高对比度或清晰图像与聚焦样本位置的对应使得这种软件方法成为可能。

对于相当平坦、平滑的样本，自动对焦允许清晰地可视化整个视场。然而，大多数样本呈现粗糙表面，沿OZ轴有显著变化，这需要在ROI的每个点进行光学自动聚焦，用于样本表面可视化和PL或/或拉曼表面成像。如上所述，这是光学硬件自动聚焦系统的主要缺点，因为这非常耗时。此外，用户很难选择关注区域(ROI)来执行样本的PL或拉曼测量，因为显微镜物镜视场内的样本表面的一部分会变模糊。因此，在使用过程中很难确定ROI区域。

发明内容