[发明专利]一种电子束激发荧光大范围直接探测成像装置及其方法

摘要

本发明公开了一种电子束激发荧光大范围直接探测成像装置及其方法。本发明的成像装置包括：扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器、荧光收集耦合系统、半导体光探测器、扫描同步信号采集器、协同控制与数据处理输出系统；本发明采用模块化的构架，各模块的配置调整及后续升级非常灵活便利；通过引入半导体光探测器的大面积半导体光电探测芯片，使得在扫描电子显微镜系统在大成像视野范围内所激发的荧光均能够以相同的高收集效率会聚耦合至半导体光探测器，解决了大范围荧光扫描成像所得到的图像难以使用统一的标准来测算和比较不同位置处的荧光激发强度或荧光激发产率的问题，能够完成基于电子束激发荧光信号的大范围快速检测分析。

主权项

1.一种电子束激发荧光大范围直接探测成像装置，其特征在于，所述成像装置包括：扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器、荧光收集耦合系统、半导体光探测器、扫描同步信号采集器、协同控制与数据处理输出系统；其中，所述协同控制与数据处理输出系统作为同步控制和数据采集中心，与扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器、半导体光探测器和扫描同步信号采集器相互连接；所述扫描信号发生器还连接至扫描电子显微镜系统的电子束外部扫描调控接口；所述荧光收集耦合系统安装在扫描电子显微镜系统的真空样品室内；所述半导体光探测器一部分位于扫描电子显微镜系统的真空样品室内，另一部分位于真空样品室外；所述扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器和半导体光探测器还分别连接至扫描同步信号采集器；所述协同控制与数据处理输出系统发出电镜控制信号，传输至扫描电子显微镜系统的电子束外部扫描触发接口，控制扫描电子显微镜系统接收外部信号；协同控制与数据处理输出系统向扫描信号发生器发出同步扫描控制信号，扫描信号发生器产生数字的扫描控制信号，传输至扫描同步信号采集器，并将数字的扫描控制信号转变调理成模拟的扫描控制信号后，传输至扫描电子显微镜系统的电子束外部扫描调控接口，控制扫描电子显微镜系统的电子束扫描位置及扫描停留时间；扫描电子显微镜系统发射电子束，照射到扫描电子显微镜系统的真空样品室内的待分析检测的样品上，激发待分析检测的样品产生荧光；荧光收集耦合系统收集荧光，并在真空样品室内将大扫描范围内的荧光以相同的耦合效率传输至半导体光探测器；半导体光探测器在真空样品室内将荧光转换为光电流信号，并将光电流信号传输至真空样品室外，在协同控制与数据处理输出系统发出的同步采集触发信号控制下，将光电流信号转换为荧光强度信号，并将荧光强度信号分别传输至扫描同步信号采集器和扫描电子显微镜系统的外部信号采集接口；扫描同步信号采集器在协同控制与数据处理输出系统发出的同步采集控制信号控制下，分别接收扫描信号发生器的数字的扫描控制信号、半导体光探测器的荧光强度信号和扫描电子显微镜系统产生的二次电子或背散射电子信号，再将信号汇总处理后传输至协同控制与数据处理输出系统；由协同控制与数据处理输出系统发出的同步扫描控制信号、同步采集触发信号和同步采集控制信号具有同步的时序逻辑关系，发出一个同步扫描控制信号时，同步发出相应的同步采集触发信号和同步采集控制信号，实现在电子束扫描位置保持不变的扫描停留时间内，在大扫描范围内进行荧光强度信号的采集，最终由协同控制与数据处理输出系统进行实时同步的信号处理分析并显示输出；所述荧光收集耦合系统包括：反射面镜和反射面镜原位固定装置；其中，所述反射面镜采用为旋转椭球凹面反射镜或旋转抛物面凹面反射镜；反射面镜通过反射面镜原位固定装置固定在扫描电子显微镜系统的真空样品室中，反射面镜上开一通孔，使得扫描电子显微镜系统所产生的高质量聚焦的电子束穿过反射面镜，从而与待分析检测的样品相互作用；电子束与待分析检测的样品相互作用后产生荧光，荧光通过反射面镜耦合入射至半导体光探测器；所述半导体光探测器包括：大面积半导体光电探测芯片、半导体芯片引出电路板、电路板屏蔽封装外壳、电路板外壳定位连接装置、电信号传输电路、电信号传输电路真空窥通装置和光电流信号放大控制器；其中，所述电路板外壳定位连接装置定位安装在荧光收集耦合系统的反射面镜原位固定装置上；所述电路板屏蔽封装外壳定位安装在电路板外壳定位连接装置上；所述大面积半导体光电探测芯片焊接在半导体芯片引出电路板上，二者位于电路板屏蔽封装外壳内，半导体芯片引出电路板为半导体光电探测芯片提供供电电源、光电流信号和控制信号的连接引脚；在电路板屏蔽封装外壳的表面设置有光学窗口；扫描电子显微镜系统的真空样品室的室壁上设置有电信号传输电路真空窥通装置；所述电信号传输电路的一端连接大面积半导体光电探测芯片，另一端通过电信号传输电路真空窥通装置连接至真空样品室外的光电流信号放大控制器；所述光电流信号放大控制器集成有大面积半导体光电探测芯片工作所需要的供电电源，经电信号传输电路通过半导体芯片引出电路板的引脚为大面积半导体光电探测芯片提供供电；扫描电子显微镜系统的电子束激发样品所产生的荧光，透过电路板屏蔽封装外壳表面的光学窗口，入射至大面积半导体光电探测芯片上，将荧光转换为光电流信号，通过半导体芯片引出电路板上的引脚经电信号传输电路传输至光电流信号放大控制器，光电流信号放大控制器将大面积半导体光电探测芯片输出的光电流信号转换为能够被扫描同步信号采集器和扫描电子显微镜系统接收的模拟的荧光强度信号；光电流信号放大控制器连接至扫描同步信号采集器的同步数据采集单元和协同控制与数据处理输出系统的协同控制单元；光电流信号放大控制器根据协同控制与数据处理输出系统发出的同步采集触发信号实现开始、暂停或者停止信号采集输出，并实时调整模拟的荧光强度信号的调理参数，将光电流信号放大控制器输出的模拟的荧光强度信号调理至扫描同步信号采集器和扫描电子显微镜系统所能够接收的模拟的荧光强度信号，并将调理后的模拟的荧光强度信号传输至扫描同步信号采集器的同步数据采集单元和扫描电子显微镜系统的外部信号采集接口，或者将模拟的荧光强度信号转换为扫描同步信号采集器和扫描电子显微镜系统所能够接收的数字的荧光强度信号，并进行数字信号调理，将调理后的数字信号传输至扫描同步信号采集器的同步数据采集单元。