[发明专利]一种大范围电子束激发荧光成像和光谱测量装置及其方法

说明书

本发明公开了一种大范围电子束激发荧光成像和光谱测量装置及其方法。本发明的大范围电子束激发荧光成像和光谱测量装置包括：扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器、大范围荧光收集耦合传输系统、荧光强度探测器、荧光光谱探测器、扫描同步信号采集器、协同控制与数据处理输出系统；本发明通过引入大范围荧光耦合器，使得在扫描电子显微镜系统在成像视野范围内所激发的荧光信号均能够以相同的高收集效率会聚耦合至荧光传输光路，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以及荧光光谱信息的问题，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。

技术领域

本发明涉及电子束激发的荧光信号探测和处理技术，具体涉及一种大范围电子束激发荧光成像和光谱测量装置及其方法。

背景技术

电子束激发的荧光信号，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高空间分辨、高激发能量、宽光谱范围、大激发深度等特点，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。

通常电子束激发荧光采用反射面镜收集所激发的荧光，荧光激发位置位于反射面镜及聚光系统的一个焦点位置处，而所激发荧光经过反射面镜及聚光系统后会聚于反射面镜及聚光系统的另一焦点处，两个焦点位置具有相互对应的共轭关系。若荧光激发位置偏离反射面镜及聚光系统的焦点位置，则所激发荧光在另一焦点处收集效率将非常低。通常，受机械加工和光学像差限制，焦点不是数学意义上的严格的点，而扩展为焦斑。对于一般的反射面镜及聚光系统，能够保证共轭关系的焦斑直径范围仅约50微米左右，当荧光激发位置偏离该50微米直径焦斑时，荧光收集效率将迅速降低。因此，电子束激发荧光信号的探测和处理应用于扫描电子显微镜，进行荧光扫描成像和光谱测量时，荧光收集效率均匀分布的范围仅在反射面镜及聚光系统的50微米直径焦斑范围内，无法实现更大范围(如500微米甚至1毫米直径范围)内的荧光均匀收集，使得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，以及荧光光谱信息。然而，对于特殊的材料分析，例如地质考古领域所需研究的锆石的荧光，半导体领域所需研究的发光薄膜的内部晶体位错分布等等，均需要大范围视场下高分辨率的荧光成像及光谱测量，以提高分析检测效率。若大范围视场下，也就是在扫描电子显微镜中的大范围电子束扫描成像下，各位置处荧光强度的收集效率不均一，便无法满足所需要的荧光成像分析要求。因此，需要增大电子束激发荧光信号的均匀收集范围是进行大范围快速荧光检测分析的关键之一。

发明内容

为了实现电子束激发的荧光信号的探测、处理和分析，本发明提供一种大范围电子束激发荧光成像和光谱测量装置及其方法；通过荧光收集和信号处理装置的巧妙设计来探测聚焦电子束在样品表面进行逐点扫描所激发的荧光信号，实现高效率荧光全光谱成像；通过反射面镜和聚光系统的独特设计来实现大范围均匀荧光信号收集及光谱探测。

本发明的一个目的在于提供一种大范围电子束激发荧光成像和光谱测量装置。