[发明专利]一种阴极荧光光谱与高衬度成像装置及其成像方法

说明书

本发明公开了一种阴极荧光光谱与高衬度成像装置及其成像方法。本发明包括扫描电子显微镜系统、阴极荧光探头、高衬度成像转接模块、分光模块、光谱探测器、光强度探测器、信号处理系统和计算机；本发明能够实现采集光谱谱图、角度分辨成像、单谱成像以及高衬度全谱成像四种功能；不仅能够在电子激发的阴极荧光进入光谱探测器和光强度探测器前进入阵列芯片探头用于近似无损的全谱成像，并且能够在阴极荧光从光导管出射到进入光谱探测器和光强度探测器前获得单谱成像，再者该阵列芯片探头能够获得电子束作用点的角度分辨成像；而且在获得近似无损的全谱成像的同时能够获得光谱谱图和单谱成像。

技术领域

本发明涉及电子束激发阴极荧光技术，具体涉及一种阴极荧光光谱与高衬度成像装置及其成像方法。

背景技术

电子束激发的阴极荧光信号，是指当电子束轰击在材料表面，除了二次电子、背散射电子、俄歇电子和X射线外，所发射出的频率在紫外、红外或可见光波段的电磁波；其基本原理为材料内部的电子被入射电子激发至高能态，经过一定的弛豫时间跃迁回低能态，并释放能量，其中一部分能量以电磁辐射形式发射出来。材料在电子束激发下产生荧光的物理过程由其电子结构决定，而电子结构同元素成分，晶格结构和缺陷，以及所处的力学、热学、电磁学环境等因素相关。因此，电子束激发的阴极荧光光谱能够通过材料电子结构反映材料本身物理特性。

电子束激发阴极荧光信号的探测和处理通常与扫描或透射电子显微镜相结合，能够实现形貌观察、结构和成分分析同电子束激发荧光光谱的结合研究。电子束激发荧光所用的电子束束斑非常小，能量高；相比于光致发光，电子束激发荧光信号具有空间分辨率高、激发能量高、光谱范围宽、激发深度大等特点，并能够实现全光谱或单光谱荧光扫描成像。电子束激发荧光信号可以应用于微米、纳米尺度的半导体量子点、量子线等荧光物质的发光性质的研究。

阴极荧光成像和光谱系统是获取该种阴极荧光信号的主要方法。针对该系统的阴极荧光传导部分，即传递和分配电子束激发的阴极荧光信号的中间装置；阴极荧光信号由光纤传导到该中间装置，该中间装置通常为光谱仪，该中间装置通过无损反射技术和无损聚焦技术以最大效率传递极其微小的光信号；由光纤出射后光会发散，进入光谱仪后光通常需要经过第一次反射为凹面镜反射将发散光变为平行光，第二次反射为光栅反射将平行光反射为不同角度的单谱光，第三次反射为凹面镜反射将特定角度的单谱光聚焦到探测器上，探测器通常为两种，一种为用于光谱显示成像的探测器，另一种为用于光谱采集谱图的探测器；为获得不同波长或能量的光谱图和单谱成像，使用光谱仪是常用方法，然而在获取全谱成像时使用光谱仪就会有一些问题，虽然光谱仪也可以得到全谱成像，但是会把原有光信号进行衰减，通常光经多次反射和聚焦后，光信号的强度会有不同程度的衰减，一次反射的通过率大约在80％，光信号通过三次反射后将降到原来强度的一半，在用于全谱显示成像时会出现无法获取信噪比强的图像情况。

发明内容

为了实现阴极荧光系统中能够采集光谱谱图、角度分辨成像、单谱成像以及高衬度全谱成像四种功能，本发明提出了一种阴极荧光光谱与高衬度成像装置及其成像方法，通过改变阴极荧光折转装置的内部结构实现无损失的高衬度全谱成像以及角度分辨成像，同时兼顾光源进入光谱仪分别实现光谱谱图采集和单谱成像，并实现精确控制。

本发明的一个目的在于提出一种阴极荧光光谱与高衬度成像装置。

本发明的阴极荧光光谱与高衬度成像装置包括：扫描电子显微镜系统、阴极荧光探头、高衬度成像转接模块、分光模块、光谱探测器、光强度探测器、信号处理系统和计算机；其中，待测样品和阴极荧光探头位于扫描电子显微镜系统的真空样品室内；阴极荧光探头经光导管连接至高衬度成像转接模块的入光口；高衬度成像转接模块的出光口正对分光模块的入光口；分光模块的第一出光口连接至光谱探测器，分光模块的第二出光口连接至光强度探测器；高衬度成像转接模块和光强度探测器分别通过信号线连接至信号处理系统；信号处理系统通过信号线连接至计算机；光谱探测器通过信号线连接至计算机；

阴极荧光探头采用抛物镜；