CN105466886B - 中红外扫描系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种中红外扫描系统。公开了用于生成样品的中红外区域图像的装置和方法。该装置包括生成第一光束的中红外区域激光器和被适配为搭载要被扫描的样品的平台。光学组件将该第一光束聚焦于样品上的一点。第一光探测器测量离开样品上的该点的光的第一强度。平台致动器组件使得该样品相对于该点在二个维度上移动。控制器从该第一强度形成中红外区域图像。该图像可以是基于反射光或透射光。被成像区域的最大尺寸由在相对于平台的第一方向上移动的扫描组件和在正交于该第一方向的方向上移动的平台确定。

Description

中红外扫描系统

技术领域

本公开涉及一种光学系统，特别是一种中红外扫描系统。

背景技术

量子级联激光器提供了能够用于光谱测量和成像的可调谐中红外(MIR)光源。许多感兴趣的化学成分具有在光谱的中红外区域(其跨越5-25微米之间的波长)激发的分子振动。于是，测量样品上的各个位置处的MIR光吸收可以提供关于样品的化学性质的有用信息。

发明内容

本发明包括用于生成样品的MIR图像的装置以及用于在MIR对样品进行成像的方法。在一个实施例中，该装置包括MIR成像系统，该MIR成像系统具有生成第一光束的MIR激光器以及适用于搭载要被扫描的样品的平台。光学组件将第一光束聚焦于样品上的一点，并且第一光探测器测量离开样品上的该点的光的第一强度。平台致动器部件使得样品相对于该点在二个维度上移动。控制器从第一强度形成MIR图像。光学组件包括：具有聚焦透镜的扫描组件，该聚焦透镜将所述第一光束聚焦于该点；以及反射镜，该反射镜在第一方向上相对于平台移动，以使得聚焦透镜维持聚焦透镜和平台之间的固定距离，该平台在正交于第一方向的方向上移动。

在本发明的一个方面，第一光探测器测量从样品反射的光。在本发明的另一个方面，第一光探测器测量被样品透射的光。

在本发明的又一方面，光束强度探测器测量第一光束的强度。在MIR激光器是脉冲光源的实施例中，控制器只对在测得的光束强度大于第一阈值的时间段内从反射光探测器测得的强度进行求和。在本发明的一个方面中，控制器确定第一光束的测得的强度和测得的光束强度的比值以形成MIR图像。

在本发明的另一方面中，该装置包括可见光成像站，该可见光成像站显示样品的图像，该图像是以可见光波长范围内的光照射所述样品生成的。控制器被配置为接收来自用户的输入，该输入指示可见图像中要被MIR成像系统扫描以生成相应的MIR图像的区域。

在本发明的又一方面中，MIR激光器生成在受控制器控制的波长范围内的光；控制器被配置为接收来自用户的输入，该输入指示所述MIR图像中关注的特征，并且控制器测量以与离开关注的特征的波长不同的波长离开这些特征的光以生成表征关注的特征的光谱。

在本发明的另一实施例中，MIR成像系统包括：生成第一光束的脉冲MIR激光器，以及适用于搭载要扫描的样品的平台。光学组件将第一光束聚焦于样品上的一点，并且第一光探测器测量离开样品上的该点的光的第一强度。平台致动器组件使得所述样品相对于所述点在二个维度上移动，并且光束强度探测器测量第一光束的强度。控制器从第一强度形成MIR图像。控制器只对在测得的光束强度大于第一阈值的时间段内从所述第一光探测器测得的强度进行求和。

在本发明的一个方面，控制器确定第一光束的测得的强度和测得的光束强度的比值以形成MIR图像。在本发明的另一方面，控制器只对与生成的强度大于光束强度探测器中的预定阈值的脉冲相关联的测得强度进行求和。

在本发明的另一方面，光束强度探测器包括定向衰减器，该定向衰减器阻止不在预定方向上传播的光线。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的MIR成像系统。

图2示出了根据本发明的成像系统的另一实施例。

图3示出了根据本发明的成像系统的另一实施例。

图4示出了使用外腔来调谐激光器的典型量子级联激光器。

图5示出了根据本发明的MIR成像系统的另一实施例。

具体实施方式

一种用于在MIR中生成图像的系统可以被看作是具有MIR光源和光学系统的传统显微镜，该光学系统将被照射的样品成像至MIR探测器阵列上。基于量子级联激光器的MIR光源提供可调谐MIR光源。此类成像系统存在以下问题：

第一，激光遍布整个被成像的区域，这就导致样品上的每个点处的局部光照强度都低。在量子级联激光器是脉冲型的系统中，光源的平均占空比小，并且大量的脉冲必须被整合在成像阵列上。该成像阵列不能与脉冲同步开启或关闭。于是在脉冲之间的时间段内，成像阵列累积了降低信噪比的噪声。为了克服噪声，需要更长的曝光时间，这增加了形成图像的时间。在一些应用中，因为样品在比这样的系统的图像采集时间小的时间跨度内进行化学或空间地变化，所以成像时间至关重要。

第二，如果所需图像具有比成像阵列的大小更多的像素，那么多个子图像必须被“缝合”在一起以形成最终图像。该过程向最终图像加入伪影(artifact)并且进一步增加了生成图像所需的时间。

第三，干涉伪影会损害图像。来自量子级联激光器的光是相干的。因此，从相邻区域反射的光在样品上进行干涉，这就在图像中导致散斑，模糊了关注的细节。

第四，通过放大或缩小来改变图像的分辨率需要多个MIR成像物镜。为避免将若干图像“缝合”在一起，可以通过改变MIR成像光学器件的放大率来增大显微镜的视场。这就需要利用不同的物镜。额外的物镜和为每个物镜校准成像阵列的需求会增加系统的成本和复杂性。

可以通过参考图1而更容易地理解本发明的各个实施例提供优势的方式，图1示出了根据本发明的一个实施例的MIR成像系统。成像系统10包括量子级联激光器11，该量子级联激光器11生成具有在MIR中的窄带波长的平行光束18。在本发明的一个方面中，激光器11是具有受控制器19控制的可调谐波长的量子级联激光器。平行光束18通过部分反射镜12被分离成两个光束。光束18a射向透镜15，透镜15将光束聚焦在安装于xy平台17上的样品16上，xy平台17可以相对于透镜15的焦点的放置样品16。从样品16反射回去的光被准直成具有由透镜15的孔径确定的直径的第二光束，并且沿着与光束18a相同的路径返回到部分反射镜。虽然在图1中第一光束和第二光束被显示为具有相同的横截面，但是应当理解的是第二光束可以具有与第一光束不同的横截面。第二光束的一部分通过部分反射镜12传输并且射向第一光探测器13，如18b处所示。探测器13生成与光束18b中的光的强度相关的信号。通过利用xy平台17相对于透镜15的焦点移动样品16，控制器19根据样品16上的位置计算图像。

在本发明的一个方面，控制器19还利用第二光探测器14监控准直光束18中的光的光束强度，第二光探测器14接收由量子级联激光器11生成的、通过部分反射镜12的一部分光束。量子级联激光器11通常是脉冲光源。光的强度可以根据不同脉冲而显著变化，因此，通过将探测器13测得的强度除以探测器14测得的强度，可以针对强度的变化而校正图像的像素。此外，因为来自量子级联激光器11的光强在脉冲之间为零，所以控制器19只能在探测器14的输出比某预定阈值大的那些时段对来自探测器13和探测器14的强度的比值进行求和。本发明的该方面提高了生成图像的信噪比，因为脉冲之间的测量只产生噪声，通过不使用在脉冲之间的测量来移除噪声。

如上所述，当相干光源被用于照射整个样品时，从样品的不同部分反射的光之间的干涉会导致图像伪影，图像伪影是由离开样品的不同部分的相干光的干涉造成的。如果被照射的两点足够近，使得来自每个点的光线是在探测器处接收到的，那么来自两个点的光线被相干结合致使强度变化，该强度变化不能轻易地与反射光的强度中的变化相区分。于是，当在样品上的整个关注的区域被照射时，从样品上的相邻区域反射的光可以达到图像阵列上的相同像素，导致干涉伪影。本发明通过使用一种照明系统来避免这样的伪影，该照明系统中探测器13仅接收来自样品上的一个点的光。

上述实施例测量从样品反射的光的强度。然而，也可以构造其中光由样品透射的实施例。现在参考图2，图2示出了根据本发明的成像系统的另一实施例。成像系统20基于由样品透射的光生成图像。为简化下文的论述，成像系统20中与图1中的相应元件起相同作用的那些元件使用相同的数字命名并且此处不进行进一步讨论。平台22对MIR中的光是透明的。样品16透射的光由透镜25收集并且射向测量光的强度的探测器21。控制器29以类似于上文参考控制器19所述的形式生成透射图像。

在上述实施例中，平台在二个维度上移动样品。然而，平台具有显著的重量，因此样品被成像的速度受平台的移动的限制。在快速的成像时间很重要的实施例中，通过移动的透镜15在一个方向扫描样品的实施例是优选的。现在参考图3，图3示出根据本发明的成像系统的另一实施例。在成像系统30中，平台组件被分成两个部件。部件31包括聚焦透镜55并且在32处所示方向上可移动，以使得伴随部件31的每次通过而生成图像的单一线。由于聚焦透镜55和反射镜56具有比部件57小的重量，因而部件31可以以更快的速度移动。在一个实施例中，部件31被安装在轨道上并且以类似于喷墨打印机的打印头的方式移动。平台组件的第二部件在57处示出。部件57包括用于正被扫描的样品的装载机制，并且在正交于方向32的方向33上移动。由于部件57只需要每扫描线移动一次，因此与更大重量的部件57相关联的较低的移动速度是可接受的。在本发明的一个方面，部件57以一速度连续移动，该速度被调整为适应于部件31的速度。

如上所述，在本发明中量子级联激光器可作为激光源。虽然，量子级联激光器提供具有足够高的光功率的可调谐光源，但是这些激光器受一些问题的困扰，问题在于并非量子级联激光器所生成的全部脉冲都具有相同的光学频率和方向。参考图4，可以更容易地理解该问题产生的方式，图4示出了具有用于调谐该激光器的外腔的典型量子级联激光器。激光器40包括被安装在底座42上的增益芯片41。来自增益芯片41的前端面43的光线被从光栅46反射。光栅46相对于来自增益芯片41的光束的角度被选择以把激光器锁定在特定模式。该角度由致动器45设置，致动器45绕着被选定的轴53旋转该光栅从而维持所反射的波长和腔的长度以提供所需波长。透镜47将输出光束扩大至所需尺寸以提供输出光，该输出光被利用激光器40作为其光源的测量系统所用。透镜52将离开增益芯片41的前端面43的光线扩大至被设置来从光栅46提供所需波长分辨率的直径。比光栅46上的线的间距更大的光束直径在到达增益芯片41的反射光线中提供较窄的波段。

在激光器40中，可选光输出51被用于使用光电探测器49来监测输出光束的光强。光电探测器49可以被用于代替上述探测器14来提供指示输出光强度的信号。

如果被光栅反射回来的波段足够大，那么可以激发激光器的不止一种模式。在这种情况下，输出光的模式可以以不可预知的形式在小于将生成图像的时间段的时间段内在模式间跳跃。该跳跃可以由任意数量的非理想因子触发，比如，温度变化。在脉冲激光器中，脉冲期间的温度变化可以引起这样的跳跃。此外，能够引起指向错误，其中光线离开增益芯片角度略微变化，因此光栅上的入射角会改变从而触发模式跳跃。

因此，不同的脉冲可以具有略微不同的波长，并且可以在光线离开量子级联激光器的角度上有轻微变化。如果平均给图像的每个像素的脉冲数量足够大，那么生成的光谱测量将会是在包含在激光器的输出中的各种模式下的波段的透射或反射的平均。在这种情况下，该图像将不具有由于模式跳跃而导致的伪影；然而，光谱测量将会在比单一模式中呈现的波段更宽的波段中被平均。如果该模式“内容”随像素变化，那么该模式跳跃还在图像中引入噪声。于是，在图像中降低模式跳跃的影响是有利的。

通常，包含在每个脉冲中的能量是变化的。能量上的分散可以大于5％。能量上的分散通常由具有若干明显不同类型的脉冲的脉冲串造成，这些不同类型的脉冲是因为模式跳跃而出现的。在给定的类型或族中，能量基本上相同，但是在与每个族相关的能量之间存在显著差异。这些差异引起了上面提及的能量上的变化。

此外，还常常发现每个不同的脉冲族在略微不同的方向上发射。族之间的‘指向方向’的变化可以是若干毫弧度(mrad)，通常是1到5mrad。一般来说，发现给定族中的所有脉冲是在基本相同的方向上发射的。

因此，将光谱测量限制于相同类型的脉冲是有利的。如果来自非所需模式的脉冲可以与来自所需模式的脉冲相区分，那么可以获得只基于所需模式的光谱。在本发明的一个方面，只有具有在预定能量范围内的能量的脉冲被用于形成图像。在这样的实施例中，控制器39测量来自探测器14脉冲幅度并且将该测得的幅度与最大阈值水平和最小的阈值水平相比较。如果测得的脉冲幅度在阈值水平之间，那么利用该脉冲进行测量。如果测得的脉冲幅度不在阈值水平之间，那么控制器19忽略来自探测器13的结果。

在本发明的另一方面，探测器14还测量进入探测器14的光线到达的方向，并且只利用具有在绕所需角度的预定锥角内的方向的脉冲。例如，准直板14a可以被放置在探测器14前面以减小具有指向错误的脉冲的强度。此类脉冲将呈现为具有明显较低的强度，因为准直板阻挡了未与准直板的轴对准的光线。于是，基于检测到的强度拒绝脉冲还选择阻止具有指向错误的脉冲。应当注意的是指向错误可以使样品上的光斑位置从所需区域移动至相邻区域。此类测量上的变化使生成的图像的空间分辨率减小，该生成的图像中的每个像素可以是多个相邻像素的平均的结果。

根据本发明的MIR扫描系统还可以包括可见光成像和检验站。该可见光成像系统提供多个有用的功能。第一，可见光系统允许用户在样品上选择区域以利用MIR扫描系统进行扫描。第二，该双系统可以提供合成图像，其中，MIR图像叠加在可见光图像上。

现在参考图5，图5示出了根据本发明的MIR成像系统的另一实施例。成像系统60包括MIR成像系统70和具有成像阵列81的可见光成像系统80，成像阵列81可响应于可见波长的光。这两个系统都受控制器61的控制。这两个成像系统共用平台66，平台66允许样品65在两个成像系统之间移动，从而利用可见光成像系统限定的区域可以被放置来利用MIR成像系统70进行扫描。MIR成像系统70包括扫描头73，扫描头73以类似于上面关于图3所示的成像系统30所述的形式在控制器61的控制下在轨道72上移动。平台66允许样品在垂直于扫描头73行进的方向上移动，从而可以生成二维图像。为简化制图，MIR成像系统70中相关联的光学器件和激光器被表示为单一框71。

在实践中，用户将样品65放置在可见光成像系统80下的位置，并且利用用户接口62和显示器63指定样品65的哪一部分要被扫描。用户可以利用定点设备或类似装置指定所需区域。利用提供所需放大级别的物镜生成可见图像。然后，控制器61计算样品65必须被移动以恰当地与MIR成像系统70对准的距离。然后，样品65按上文所述被移动和扫描。然后，控制器61将被扫描的图像缩放至正确的放大率并且生成由可见光图像和MIR图像的组合的合成图像。

应当注意的是，还可以构建其中激光器71和支持轨道72的结构作为一个单元在与扫描头73的运行方向正交的方向上移动的实施例。这些部件的附加重量可以在正交方向上进行调节，因为在这个方向上所需的移动速度明显较小。

应当注意的是，利用本发明可以扫描的最大样品区域是由扫描头73的最大移动范围和在正交于扫描头移动的方向上移动该样品的承载移动决定的。扫描头73内的聚焦透镜的大小不取决于该移动。聚焦透镜的最佳孔径通过来自激光源的光束直径来设置。因为激光光束可以被聚焦至受衍射限制的点，因此本发明可以以受衍射限制的分辨率提供图像。相反地，依赖于成像阵列的MIR成像系统必须把子图像“缝合”在一起或者利用提供产生图像的像素的物镜，该图像具有比衍射极限分辨率差的分辨率。

在本发明的另一方面，一旦以特定的波长生成样品的MIR图像，那么可以对在该图像中揭示的关注的特征进行光谱学检测。用户可以指示关注的特征，并且本发明会将这些特征放置在聚焦透镜下，并且然后改变波长以生成可以提供关于关注的特征的化学成分的其他信息。

本发明的上述实施例被提供来示出本发明的各个方面。然而，应当理解的是被显示在不同的具体实施例中本发明的不同方面可以进行组合以提供本发明的其它实施例。此外，根据前述说明和附图本发明的各种修改将是明显的。因此，本发明仅受所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种包括MIR成像系统的装置，包括：

MIR激光器，所述MIR激光器生成第一光束；

平台，所述平台被适配为搭载要被扫描的样品；

光学组件，所述光学组件将所述第一光束聚焦于所述样品上的一点；

第一光探测器，所述第一光探测器测量离开所述样品上的所述点的光的第一强度；

光束强度探测器，所述光束强度探测器测量所述第一光束的强度；

平台致动器组件，所述平台致动器组件使得所述样品相对于所述点在二个维度上移动；以及

控制器，所述控制器从所述第一强度形成MIR图像，

其中，所述光学组件包括扫描组件，所述扫描组件包括聚焦透镜和反射镜，所述聚焦透镜将所述第一光束聚焦于所述点，所述反射镜相对于所述平台、在第一方向上移动，以使得所述聚焦透镜维持所述聚焦透镜和所述平台之间的固定距离，所述平台在正交于所述第一方向的方向上移动，

其中，所述MIR激光器是脉冲光源，并且所述控制器被配置为只对在从所述光束强度探测器测得的光束强度大于第一阈值的时间段内从所述第一光探测器测得的强度进行求和。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一光探测器测量从所述样品反射的光。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一光探测器测量由所述样品透射的光。

4.根据权利要求1所述的装置，还包括：测量所述第一光束的强度的光束强度探测器。

5.根据权利要求1所述的装置，包括：可见光成像站，所述可见光成像站显示所述样品的可见图像，所述可见图像是通过用在可见光波长范围内的光照射所述样品生成的。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述控制器被配置为接收来自用户的输入，所述输入指示所述可见图像中要被所述MIR成像系统扫描以生成相应的MIR图像的区域。

7.一种包括MIR成像系统的装置，包括：

脉冲MIR激光器，所述脉冲MIR激光器生成第一光束；

平台，所述平台被适配为搭载要被扫描的样品；

光学组件，所述光学组件将所述第一光束聚焦于所述样品上的一点；

第一光探测器，所述第一光探测器测量离开所述样品上的所述点的光的第一强度；

平台致动器组件，所述平台致动器组件使得所述样品相对于所述点在二个维度上移动；

光束强度探测器，所述光束强度探测器测量所述第一光束的强度；以及

控制器，所述控制器从所述第一强度形成MIR图像，其中，所述控制器只对在从所述光束强度探测器测得的光束强度大于第一阈值的时间段内从所述第一光探测器测得的强度进行求和。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述控制器确定所述第一光束的测得的强度和所述测得的光束强度的比值以形成所述MIR图像。

9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述控制器只对与生成的强度大于所述光束强度探测器中的预定阈值的脉冲相关联的测得的强度进行求和。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述光束强度探测器包括定向衰减器，所述定向衰减器阻止不在预定方向上传播的光线。