CN204439923U - 一种暗场显微镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种暗场显微镜，包括由CMOS相机、光谱仪和CCD相机组成的两个成像系统，以及实现明场照明和小角度暗场照明的第一光路系统和实现大角度入射暗场照明的第二光路系统；其中第一光路系统包括主光轴垂直相交的子系统A和C，其中子系统A收集进入物镜的光并使进入物镜的光在CMOS相机上或光谱仪狭缝处成像，而子系统C提供光斑大小可调的均匀平行光；第二光路系统包括提供明暗可调、光斑大小可调的均匀平行光的子系统B，其主光轴与子系统A的主光轴成一定角度交于样品表面。该暗场显微镜可在保证样品位置不变的情况下分别实现大角度和小角度入射光激发纳米结构表面等离激元振动，并获得两种情况下的样品散射谱。

Description

一种暗场显微镜

技术领域

本实用新型属于精密光学仪器制造领域，具体涉及到一种名为暗场显微镜的光学显微系统的整体设计，用于获得纳米结构散射谱，研究局域表面等离激元的散射问题。

背景技术

局域表面等离激元是金属表面的自由电子在外界电磁波的作用下仅在局域做集体振动的现象。局域表面等离激元可以将金属纳米结构的共振现象局限在一个很小的区域，导致该区域产生显著的电场增强效应。在表面增强拉曼散射、光学信号传输、生物和化学传感、红外LSPR超灵敏生物传感及生物分子探测和医学诊断等方面有广阔的应用前景。

暗场显微镜是对阻挡样品和衬底的反射光加以阻挡，只在法线方向接收样品产生的散射光的一种显微技术。由于微观金属纳米结构在光照条件下可以产生局域表面等离激元振动，激发光子产生。因此通过对散射光的光谱分析，可以得知局域表面等离激元的振动模式，以达到对局域表面等离激元振动研究的目的。

实用新型内容

基于上述情况，本实用新型的目的是提供一种可以测量由局域表面等离激元振动引起的散射光信号的暗场显微镜，它可以分别实现激发光的大角度入射和小角度入射，其中小角度入射可以达到接近正入射的效果。

本实用新型的具体技术方案如下：

一种暗场显微镜，其特征在于，包括由CMOS相机1、光谱仪2和CCD相机3组成的两个成像系统，以及用于照明的两套光路系统，即：实现明场照明和小角度暗场照明的第一光路系统，和实现大角度入射暗场照明的第二光路系统；所述第一光路系统包括子系统A和子系统C，二者的主光轴垂直相交于第一分束镜4的中心位置，其中子系统A收集进入物镜14的光并使进入物镜14的光在CMOS相机1上或光谱仪2狭缝处成像，而子系统C提供光斑大小可调的均匀平行光，在第一分束镜4处被引入子系统A；所述第二光路系统包括提供明暗可调、光斑大小可调的均匀平行光的子系统B，其主光轴与子系统A的主光轴成一定角度交于样品表面。

上述子系统A包括共轴的第二分束镜6、镜筒透镜5、第一分束镜4和物镜14，以及位于物镜14后光瞳位置的遮光板15，其中：所述第二分束镜6可翻折，位于镜筒透镜5与光谱仪2的狭缝之间，其法线与子系统A光轴的夹角为45°，镜面上入射点到光谱仪2的距离等于其到CMOS相机1的距离；所述第一分束镜4位于镜筒透镜5和物镜14之间，其法线与子系统A光轴的夹角为45°。

上述子系统B可以是光源和透镜的组合，也可以是准直光源和光阑的组合，功能是提供明暗、大小可调的均匀平行光。如果子系统B是光源和透镜的组合，其包括第一光源8，以及共轴的第二双胶合消色差透镜9、第一光阑10、第二光阑11和第三双胶合消色差透镜12，其中第一光阑10和第二光阑11位于第二双胶合消色差透镜9与第三双胶合消色差透镜12之间；第三双胶合消色差透镜12的一侧的二倍焦距处放置样品，另一侧的一倍焦距处是第二光阑11，二倍焦距处是第一光阑10；而第一光阑10又位于第二双胶合消色差透镜9的一倍焦距处，第一光源8经第二双胶合消色差透镜9后在第二光阑11处成像。

上述子系统C可以是光源和透镜的组合，也可以是准直光源和光阑的组合，功能是提供光斑大小可调的均匀平行光。如果子系统C是光源和透镜的组合，可以包括第二光源18，以及共轴的第一双胶合消色差透镜7、第三光阑16和第四双胶合消色差透镜17，其中第三光阑16位于第一双胶合消色差透镜7和第四双胶合消色差透镜17之间，第二光源18在经过第四双胶合消色差透镜17后在第三光阑16处成像，而第三光阑16位于第一双胶合消色差透镜7的一倍焦距处。

明场照明用于找到样品。小角度入射的照明光经过物镜聚焦到样品上，被样品反射后重新进入物镜，再经过镜筒透镜在CMOS相机上成像。可以根据CMOS相机上的图像找到样品位置。

暗场照明用于探测样品散射谱。大角度暗场照明采用斜入射的方法自动实现对样品和衬底反射光的屏蔽。小角度入射暗场照明系统与明场照明共用光路，设计使入射光与反射光不重合，因此可以设计用挡板遮挡反射光，只让散射光从入射光一侧出射，以达到屏蔽反射光的目的。散射光经过镜筒透镜在光谱仪狭缝处成像，经过光谱仪分光后进入CCD相机，经过分析即可得到样品散射谱。

本实用新型具有的优点是：①在一台暗场显微镜上同时具有大角度暗场照明和小角度暗场照明功能，即：可在保证样品位置不变的情况下分别实现大角度入射光激发和小角度入射光激发纳米结构表面等离激元振动，并获得两种情况下的样品散射谱。②将明场照明光路与小角度暗场照明光路整合为一套光路系统，设计简洁。③明场照明和两种暗场照明，三种照明方式的互相切换方便快速。

附图说明

图1是本实用新型暗场显微镜的结构原理示意图。

其中图中：1.CMOS相机，2.光谱仪，3.CCD相机，4.第一分束镜，5.镜筒透镜，6.第二分束镜(可翻折)，7.第一双胶合消色差透镜，8.第一白光光源，9.第二双胶合消色差透镜，10.第一光阑，11.第二光阑，12.第三双胶合消色差透镜，13.三维平移样品台，14.50×物镜，15.遮光板，16.第三光阑，17.第四双胶合消色差透镜，18.第二白光光源。

图2是光在物镜及样品区域传播示意图。

其中(a)为明场照明示意图；(b)为大角度入射暗场照明示意图；(c)为小角度入射暗场照明示意图。入射光、反射光和散射光已在图中标出。

具体实施方式

下面结合附图来解释本实用新型内容及其应用。所述的实施方案是为了更好地说明本实用新型，而不能理解为是对本实用新型的权利要求的限制。

图1是本实用新型暗场显微镜的结构原理示意图，以俯视图画出。

本实用新型暗场显微镜由3个子光学系统以及CMOS相机1、光谱仪2和CCD相机3两个成像系统组成。其中部件6、5、4、14共轴，组成子光学系统A；部件8、9、10、11、12共轴，组成子光学系统A；部件7、16、17、18共轴，组成子光学系统C。

光学系统A和光学系统C的主光轴相互垂直，且交于分束镜4的中心位置。光学系统A与光学系统B的主光轴成一定角度，且交于样品台13上的样品表面。

对于子光学系统A，其本质是一个显微透镜组，主要功能是实现对进入物镜的光的收集以及使进入物镜的光在CMOS相机1上或光谱仪2狭缝处成像；另外，子光学系统C的光在分束镜4处被引入光学系统A，以实现明场照明以及小角度暗场照明(这一点将在下文结合示意图2(a)和2(c)加以说明)。

对于子光学系统B，其本质是一个光源和透镜组的组合，功能是提供明暗可调、光斑大小可调的均匀平行光。因此光学系统B也可以选用可调强度的准直光源代替，并在光源前安放光阑达到相同效果。

对于子光学系统C，其本质是一个光源和透镜的组合，功能是提供光斑大小可调的均匀平行光，因此光学系统C也可以选用准直光源代替，并在光源前安放光阑，以达到光斑大小可控的目的。

CMOS相机1的作用是在明场照明情况下找到样品的位置；光谱仪2的作用是对进入其狭缝的散射光进行分光，以达到光谱分析的目的；CCD相机3的作用是采集、记录经过光谱仪处理的光信号。

下面将对每一个子光学系统的结构进行详细说明。

对于系统A上的部件，下文所涉及到的“左、右”为在俯视情况下，顺着从镜筒透镜到物镜的主光轴方向观察而定义的。

对于系统B和系统C上的部件，下文所涉及到的“左、右”是依照从对应系统光轴的右侧水平观察系统定义的，下文所涉及的“上、下”是依照水平观察各系统定义的，下文所涉及到得“前、后”是依照从对应光学系统光轴右侧水平观察系统定义的，“前”指远离观察位置方向，“后”指靠近观察位置方向。

对于系统A，物镜14与镜筒透镜5使样品的像成在光谱仪2狭缝处，具有显微功能。在搭建时要求所有光学元件共轴等高。其中样品位于物镜14明视距离处，物镜14与镜筒透镜5的间距设计为可容纳下第一分束镜4。第一分束镜4法线与系统A光轴夹角45°。第二分束镜6位于镜筒透镜5与光谱仪2的狭缝之间，且可翻折，其法线与系统A光轴夹角45°，镜面上入射点到光谱仪2的距离等于其到CMOS相机1的距离。第二分束镜6在明场照明时位于光路中，在暗场照明时折起。遮光板15位于物镜14后光瞳位置，并由一个平移台控制，在小角度暗场照明时进入子光学系统A，用于遮挡物镜14后光瞳的半边，在明场照明和大角度暗场照明时撤出(这一点将在下文结合示意图2加以说明)。

对于系统B，要求照射到样品上的光为明暗、大小可调的均匀平行光，在各部件的摆放上，要求所有光学元件共轴等高。因此第三双胶合消色差透镜12的放置位置取决于样品位置，即：使样品位于其左面的二倍焦距处。第二光阑11置于透镜12右边1倍焦距处，第一光阑10置于透镜12右边2倍焦距处。第二双胶合消色差透镜9放置位置取决于第一光阑10的位置，即使第一光阑10位于其左边1倍焦距处。第一白光光源8位于透镜9左边1倍焦距和二倍焦距之间，且使第一白光光源8的像成在第二光阑11处。这样可得到要求的暗场照明光。

对于系统C，要求经过第一双胶合消色差透镜7后的光线为平行光。在各部件的摆放上，要求所有光学元件共轴等高。需要使第二白光光源18在经过第四双胶合消色差透镜17后在第三光阑16处成像，因此第二白光光源18可置于第四双胶合消色差透镜17左面的1倍焦距和2倍焦距之间，第三光阑16位于第二白光光源18的像处。第一双胶合消色差透镜7的摆放位置取决于第三光阑16位置，即使第三光阑16正好位于其左面的一倍焦距处。第三光阑16可以控制出射光束大小。当收紧第三光阑16的情况下，上下或前后移动其位置，对应平行光束在物镜14后光瞳处的位置移动，微调第三光阑16位置使入射光从后光瞳的右半圆射入物镜14。

下面将对三种照明方式以及获得散射谱的原理进行具体说明。图2是光在物镜中及样品附近传播示意图。

其中(a)为明场照明俯视图。在这种情况下，遮光板15没有遮挡物镜14后光瞳。入射光从后光瞳左侧入射，在样品表面聚焦，经反射后在物镜14后光瞳右侧以平行光的形式出射。平行光透射经过第一分束镜4，经过镜筒透镜5会聚，被第二分束镜6反射，在CMOS相机1上成像。三维平移样品台13可以提供3个维度的精确位置调节，便于找到样品以及聚焦调节。

(b)为大角度暗场照明俯视图。大角度入射的均匀平行光照射到样品上，以法线对称方向反射，并且形成各个方向的散射光，部分散射光可以进入物镜14，透射经过第一分束镜4，经过镜筒透镜5会聚成像于光谱仪2的狭缝位置。此时第二分束镜6处于折起状态。光谱仪2对样品散射光进行分光，CCD相机3可以记录下不同波长光的强度，从而得到大角度入射散射谱。

(c)为小角度暗场照明俯视图。小角度暗场照明与明场照明共用光路，区别是遮光板15挡住了物镜14后光瞳的右侧。入射光从物镜14后光瞳左侧入射，在样品表面聚焦，经反射后本应在物镜14后光瞳右侧以平行光的形式出射，但被遮光板15遮挡。而入射光激发各个方向的散射光，进入物镜14且从物镜14后光瞳左侧出射的散射光可以依照(b)中所述原理被CCD相机3接收，得到小角度入射散射谱。

三种照明模式的相互切换简单快速。详细地说，将明场照明光路转换为小角度入射暗场照明光路只需将挡板移入子光学系统A，遮挡住物镜后光瞳的右侧即可；明场照明转换为大角度暗场照明只需将第二白光光源18关闭，第一白光光源8开启即可。显然上述对应的逆操作可以实现对照明方式的逆转换。

因此可以在不改变样品位置的情况下，对同一个样品进行大角度暗场照明和小角度入射暗场照明，得到样品在两种不同照明方式下的散射谱。

值得注意的是，由于白光光源各波长强度不均匀，且透镜、分束镜对不同波长的光透射、反射不均匀，因此直接测得的样品散射光并不准确，应对数据进行白光矫正。可选用各个波长对白光散射均匀的矫正样品，对其散射谱进行测量，再按波长将样品强度数据减去衬底噪声信号后除以矫正强度数据，即可得到样品的散射谱。

Claims (6)

1.一种暗场显微镜，其特征在于，包括由CMOS相机(1)、光谱仪(2)和CCD相机(3)组成的两个成像系统，以及用于照明的两套光路系统，即：实现明场照明和小角度暗场照明的第一光路系统，和实现大角度入射暗场照明的第二光路系统；所述第一光路系统包括子系统A和子系统C，二者的主光轴垂直相交于第一分束镜(4)的中心位置，其中子系统A收集进入物镜(14)的光并使进入物镜(14)的光在CMOS相机(1)上或光谱仪(2)狭缝处成像，而子系统C提供光斑大小可调的均匀平行光，在第一分束镜(4)处被引入子系统A；所述第二光路系统包括提供明暗可调、光斑大小可调的均匀平行光的子系统B，其主光轴与子系统A的主光轴成一定角度交于样品表面。

2.如权利要求1所述的暗场显微镜，其特征在于，所述子系统A包括共轴的第二分束镜(6)、镜筒透镜(5)、第一分束镜(4)和物镜(14)，以及位于物镜(14)后光瞳位置的遮光板(15)，其中：所述第二分束镜(6)为可翻折分束镜，位于镜筒透镜(5)与光谱仪(2)的狭缝之间，其法线与子系统A光轴的夹角为45°，镜面上入射点到光谱仪(2)的距离等于其到CMOS相机(1)的距离；所述第一分束镜(4)位于镜筒透镜(5)和物镜(14)之间，其法线与子系统A光轴的夹角为45°。

3.如权利要求1所述的暗场显微镜，其特征在于，所述子系统B是光源和透镜的组合，或者是准直光源和光阑的组合。

4.如权利要求3所述的暗场显微镜，其特征在于，所述子系统B包括第一光源(8)，以及共轴的第二双胶合消色差透镜(9)、第一光阑(10)、第二光阑(11)和第三双胶合消色差透镜(12)，其中第一光阑(10)和第二光阑(11)位于第二双胶合消色差透镜(9)与第三双胶合消色差透镜(12)之间；第三双胶合消色差透镜(12)的一侧的二倍焦距处放置样品，另一侧的一倍焦距处是第二光阑(11)，二倍焦距处是第一光阑(10)；而第一光阑(10)又位于第二双胶合消色差透镜(9)的一倍焦距处，第一光源(8)经第二双胶合消色差透镜(9)后在第二光阑(11)处成像。

5.如权利要求1所述的暗场显微镜，其特征在于，所述子系统C是光源和透镜的组合，或者是准直光源和光阑的组合。

6.如权利要求5所述的暗场显微镜，其特征在于，所述子系统C包括第二光源(18)，以及共轴的第一双胶合消色差透镜(7)、第三光阑(16)和第四双胶合消色差透镜(17)，其中第三光阑(16)位于第一双胶合消色差透镜(7)和第四双胶合消色差透镜(17)之间，第二光源(18)在经过第四双胶合消色差透镜(17)后在第三光阑(16)处成像，而第三光阑(16)位于第一双胶合消色差透镜(7)的一倍焦距处。