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角分辨光谱测量中使用到的一些重要光学器件的作用
点击次数:713 发布时间:2018/12/3 13:33:02

  角分辨光谱测量中使用到的一些重要光学器件的作用
  
  角分辨光谱测量实用新型的原理是:显微镜的物镜作为一种傅里叶变换器件,可以将样品表面发出的不同角度的光成像到物镜后端的第一焦平面的不同位置处,形成角度和焦平面上空间位置的对应关系。理论上,记录第一焦平面上不同位置的光谱就能获得样品发出的不同角度的光谱信息。但由于第一焦平面紧贴物镜,而且物镜后端还需要引入照明光源等多种光路,一般不直接从第一焦平面上进行光谱测量,而是通过消色差的透镜组将第一焦平面成像至远离物镜的第二焦平面处。在第二焦平面上加载一个能精确控制位置的精密平移针孔,光谱仪通过光纤连接至针孔处,就能够通过选择针孔的位置,获得不同角度的光谱信息,达到测量角分辨光谱的目的。
  
  在微区光谱系统中存在诸多光学元器件,每一个光学元器件的光学性能都会影响整个系统的性能。因此,在微区光谱系统的设计之中,需要对每个器件进行选择。这里讨论一些重要的光学器件:
  
  1)角分辨光谱测量的照明光源
  
  显微镜中通常使用卤素灯作为照明光源。卤素灯属于黑体辐射光源,其能量分布具有峰值波长,在峰值波长的两侧光谱强度会快速衰减,在短波长波段尤其如此。另外,显微镜中的卤素灯泡色温普遍不高,zui大辐射能量的波长通常在可见光范围,这使得短波段(紫外)和长波段(红外)的辐射光谱能量较少,导致信噪比较差。
  
  为了获取更加宽泛的微区光谱测试区域,可以选择高压氙灯作为照明光源。高压氙灯属于等离子体放电发光,能够提供紫外至近红外波段均匀的光谱辐射。因此,为了拓宽微区光谱测量系统的光谱测量波段,通常使用高压氙灯作为照射光源。
  
  2)角分辨光谱测量的分束器
  
  显微镜中的分束器起到了分离入射光路和出射光路的作用。高效率的分束器通常采用干涉型滤光片制作。每种分束器都具有特定的适用波段,在适用波段之外分束效率将显著下降。普通显微镜的设计是针对可见光波段的,因此内部典型的分束器适用波段为400~700nm。一般来说,用于替换原显微镜内分束器的光谱测量专用分束器具有三种波段,*种针对紫外波段设计,通常为250~450nm,第二种针对可见至近红外波段设计,通常为350~1100nm,第三种针对近红外波段设计,通常为900~2600nm。为了将微区光谱系统的适用波段拓展至zui大,必须在微区光谱系统中设计切换器件,以选择不同的分束器。
  
  3)角分辨光谱测量的物镜
  
  物镜是显微镜中zui关键的光学器件,决定了微区光谱系统的空间分辨能力。普通显微镜物镜的设计波段一般为400~700nm,一些荧光物镜的波段可以延展至350~1100nm。在近红外波段,为了实现微区光谱测量,则必须使用一种采用反射式光路的特殊物镜。一般来说,由于反射光路没有色散,因此反射式物镜的适用波段可以从紫外覆盖至中红外波段,例如典型的200nm~20μm。
  
  4)光谱仪
  
  在微区光谱系统中由于采用光纤作为图像平面的光谱收集器件,因此作为光谱分析的设备也会采用光纤输入的光纤光谱仪。光谱仪的选择主要考虑两个因素,一个是波段,另一个是灵敏度。由于可见至近红外350~1100nm波段可以使用Si基探测器,而近红外900~2500nm波段则必须使用InGaAs的探测器。因此,需要针对微区光谱系统的波段选择不同类型探测器的光谱仪。如果微区光谱系统的波段跨越了Si和InGaAs两种探测器的波段,则需要同时使用两台不同探测器的光谱仪。