CN106546333B - 高动态范围红外成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高动态范围红外成像光谱仪，具体地公开了一种成像扫描器和使用该成像扫描器的方法。扫描器包括可变衰减器，该可变衰减器适用于接收由MIR激光器生成的光束，且该可变衰减器利用该光束生成通过衰减水平表征的衰减光束。扫描器包括光学组件，该光学组件使衰减光束聚焦到样本上的点。光检测器测量从样本上的点离开的光的强度，该光检测器通过检测器动态范围来表征。控制器利用随样本上的位置而变化的强度形成多个MIR图像，多个MIR图像的各个图像利用光束的不同衰减水平而形成。控制器组合多个MIR图像以生成合成MIR图像，该合成MIR图像具有大于检测器动态范围的动态范围。

Description

高动态范围红外成像光谱仪

背景技术

量子级联激光器提供可调中红外(mid-infrared；MIR)光源，该光源可用于光谱测量和成像。很多感兴趣的化学成分都具有在波长跨越5至25微米的光谱的MIR区域中激发的分子振动。由此，在样品不同位置上测量MIR光的吸收可提供随样品上的位置而变化的样品化学性质的有用信息。

一类成像光谱仪测量随样品上的位置及照射用MIR光的波长而变化的从样品上反射的光。在众多感兴趣样品中，对样品观察到的反射率范围带来挑战性，因为检测器的动态范围不足以足够精确地测量反射光。

发明内容

本发明包括成像扫描器和使用该成像扫描器的方法。扫描器包括可变衰减器，该可变衰减器适用于接收由MIR激光器生成的光束，且从该可变衰减器生成衰减光束，该衰减光束通过衰减水平来表征。扫描器还包括光学组件，该光学组件使衰减光束聚焦至承载在平台上的样本的点上。光检测器测量从样本上的该点离开的光的强度，该光检测器通过检测器动态范围来表征。控制器由随样本上的位置而变化的该强度形成多个MIR图像，该多个MIR图像的各个图像利用光束的不同衰减水平形成。控制器将该多个MIR图像组合生成合成MIR图像，该MIR图像具有大于检测器动态范围的动态范围。

在本发明的一个方面，多个MIR图像的各个图像包括多个像素，各个像素来源于样本上的不同位置处的强度。各个像素通过强度值来表征，该强度值是在检测器动态范围内或者是在检测器动态范围外，合成MIR图像不包括检测器动态范围外的像素。

在本发明的另一个方面，控制器对来源于不同MIR图像中的样本上的同位置的像素求平均值以生成合成MIR图像，前提是这些像素对应于在检测器动态范围内的强度值，并且合成MIR图像排除检测器动态范围外的像素。

在本发明的另一个方面，控制器根据已形成的多个MIR图像中第一个图像中的检测器动态范围以外的像素，来设定多个MIR图像中第二个图像中的衰减水平。

在本发明的又一个方面，光学组件包括扫描组件，该组件包括聚焦透镜和镜子，该聚焦透镜使光束聚焦至该点，该镜子相对于平台在第一方向上移动，以使得聚焦透镜在聚焦透镜与平台之间维持固定距离，该平台在正交于第一方向的一个方向上移动。控制器沿第一方向由随着样本上的位置而变化的强度形成线图像。在另一方面中，多个MIR图像是在第一平台位置处形成多个线图像。

在本发明的另一个方面，可变衰减器包括第一和第二金属光栅偏振滤光器。第一金属光栅偏振滤光器的特征在于第一线性偏振通过方向和第一致动器，该第一致动器用于使第一线性偏振通过方向相对于光束旋转。第一金属光栅偏振滤光器被定位成使得光束穿过第一金属光栅偏振滤光器。第二金属光栅偏振滤光器的特征在于第二线性偏振通过方向和第二致动器，该第二致动器用于使第二线性偏振通过方向相对于光束旋转。第二金属光栅偏振滤光器被定位成使得光束在穿过第一金属光栅偏振滤光器之后穿过第二金属光栅偏振滤光器。

在本发明的另一个方面，第一金属光栅偏振滤光器包括第一透明平面基板上的金属线平行栅。第一透明平面基板相对于光束成角度，以使得从第一金属光栅偏振滤光器反射的光不在平行于光束的方向上传播。

附图说明

图1图示根据本发明的MIR成像系统的一个实施例。

图2图示根据本发明的成像系统的另一实施例。

图3图示根据本发明的衰减器的一个实施例。

具体实施方式

参考图1可更易于理解本发明提供其优点的方式，该图图示根据本发明的MIR成像系统的一个实施例。成像系统10包括生成准直光束18的量子级联激光器11，该准直光束18在MIR中具有波长窄带。在本发明的一个方面，量子级联激光器11是具有可调波长的量子级联激光器并且受控制器19控制。来自量子级联激光器11的光的强度由可变衰减器11a控制，该可变衰减器也受控制器19的控制。准直光束18通过部分反射镜12分裂成两个光束。光束18a被导向至透镜15，该透镜15使该光束聚焦到样本16上，该样本16安装在xyz平台17上，该平台可使样本16相对于透镜15的焦点而定位。从样本16反射的光被准直为第二光束，该第二光束具有由透镜15的孔径决定的直径，并且沿与光束18a相同的路径而返回到部分反射镜12。虽然图1中将第一和第二光束示出为具有相同的横截面，但应理解，第二光束可具有不同于第一光束的横截面。第二光束的一部分被传输通过部分反射镜12并撞击在第一光检测器13上，如在18b处所示。光检测器13生成与光束18b中的光强度相关的信号。控制器19通过利用xyz平台17使样本16相对于透镜15的焦点移动，计算随样本16上的位置而变化的图像。

控制器19必须能确定准直光束18中的光束强度，以计算样品上当前正在被测量的点的反射率。来自量子级联激光器11的光的强度可随波长而产生超过数量级的变化。另外，对于任何给定波长都可能存在随时间而发生的变化。在本发明的一个方面，控制器19还使用第二光检测器14监控准直光束18中的光束强度，该第二光检测器14接收由量子级联激光器11生成的光的穿过部分反射镜12的部分。量子级联激光器11通常是脉冲源。光的强度从一个脉冲到另一脉冲可明显变化，由此，通过将光检测器13测得的强度除以光检测器14测得的强度，来针对强度变化而校正图像像素。另外，因为来自量子级联激光器11的光强度在脉冲之间是零，因此控制器19仅计算在光检测器14的输出大于某个预定阈值的那些时间期间、来自光检测器13及14的强度比之和。由于脉冲之间的测量仅对噪声有贡献，通过不使用脉冲之间的测量结果来移除该噪声，因此本发明的此方面改善了合成图像的信噪比。如果量子级联激光器11的输出随时间推移且在不同脉冲之间都是稳定的，则第二光检测器14可由校准程序替代，该程序测量量子级联激光器11的随波长变化的输出强度。

在许多样本上遇到的反射率范围超过光检测器13的动态范围。表面上具有金属区域的样品在该区域处的反射率比透明区域的反射率高数个数量级。检测器动态范围由检测器灵敏度和检测器中的噪声而确定。通常存在最小信号和最大信号，其中该最小信号可在存在系统噪声的情况下以期望的精确度测量，并且该最大信号可在不使检测器饱和的情况下测量。最大信号与最小信号的比率往往被称为检测器动态范围。同样，样品可呈现最小及最大反射率。如果样品反射率动态范围在检测器动态范围内，则来自量子级联激光器11的光强度可通过可变衰减器11a而调整，以便可获得整个像面(image surface)的精确图像。然而，如果样品反射率动态范围超过检测器动态范围，则无法获得样品表面在全部位置处的精确图像。

原则上，可变衰减器11a可针对各个样品位置及波长而被调整，以将光检测器13处的信号维持在某预定范围中，在该预定范围中信号可按期望的精确度被测量并数字化。然而，这种方法减慢测量过程，因此并非是优选的。另外，在其中使用快速移动透镜组执行扫描的一个维度的系统中，这种逐点调整并不实用。

在上述实施例中，在图像生成期间，平台在两个维度上移动样品。图像的横向范围可小到单个像素或者大到正在扫描的整个样本。然而，平台具有相当大的质量，由此，样品成像的速度受限于平台运动。在快速成像时间重要的实施例中，其中通过移动透镜15而在一个方向上扫描样本的实施例是优选的。现请参见图2，该图图示根据本发明的成像系统的另一个实施例。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且可在32处示出的方向上移动，以在部件31每次通过时产生图像的单个线条。因为聚焦透镜55和镜子56具有相较于平台57更小的质量，因此部件31可以较高的速度移动。在一个实施例中，部件31安装在轨道上，并以类似于墨喷式打印机上的印刷头的方式移动。平台57包括用于被扫描样本的安装机构，且在与方向32正交的方向33上移动。因为平台57针对每条扫描线只需移动一次，因此与质量更大的平台57相关的较慢运动速度是可接受的。控制器39控制量子级联激光器11的波长、线性偏振滤光器23的轴线、部件31的位置、量子级联激光器11的输出波长及可变衰减器11a提供的衰减。

部件31优选以某些速度移动，这些速度过快而不允许针对样本上的各个感兴趣的点调整准直光束18中的光强度。由此，在扫描线期间调整样本上入射光的强度并不是优选的。在本发明的一个方面，对于样本的整个图像入射光强度维持在固定值。随后，根据第一图像的结果调整强度，然后获得第二图像。例如，如果第一图像包括其中光检测器13被饱和的像素，则将用利用相比于在第一图像的情况下进一步被衰减的量子级联激光器11的输出来形成第二图像。如果第二图像还包括仍然饱和的像素，则可对量子级联激光器11输出进行更大衰减来获取第三图像。类似地，如果第一图像包括强度过低而因此由噪声占主导的像素，则生成衰减因数较低的另一图像以捕获曝光不足的像素中的信息。然后，将多个图像组合，以提供样本的高动态范围图像。在下文的描述中，各个图像将被称作帧。

在本发明的一个方面，首先丢弃每一帧中过低(与检测器噪声下限一致)或过高(其中检测器为饱和的或非线性的)的像素。然后，校正检测器输出以解决检测器响应中的任何非线性，使得各个像素现在由某个值表示，该值是从样本中的对应位置反射的光强度的线性函数。接着，将各个像素处的强度除以入射光强度以获得各个像素处的反射比。入射光强度通过校准衰减器而确定。源的亮度变化通过使光检测器13的输出标准化至光检测器14的输出而消除。最后，逐个像素求得帧的平均值，以提供扩大的动态范围图像。平均值可通过每一帧中各个像素的估计噪声占比而加权。最终的扩大动态范围图像可显示在用户界面59上。

在上述实施例中，生成整个样本的多个图像然后将多个图像组合。然而，也可对每一扫描线单独执行同一方法。在此情况下，每一扫描线可视为单独的“图像”。在对当前扫描线生成扩大的动态范围图像之后，平台57移到新的扫描线位置，并重复该过程。部件31的每次经过结束时，控制器39可计算该扫描线中各个像素的反射比。如果数据指示扫描线中的像素过度曝光或曝光不足，则可变衰减器11a可相应地调整，并沿所述扫描线执行另一次样本扫描。然后，组合对所述扫描线的各个测量结果，以提供样本上该线的独立于衰减器设置的高动态范围图像。完成时，控制器39可将平台57移至下一个扫描线位置。

样本上单条线中的反射率范围通常小于整个样本的范围。由此，为了在不由于过度曝光或曝光不足而丢失信息的情况下计算反射率，所需的单次曝光平均次数远小于在曝光时生成整个图像的情况下所需的次数。多数情况下，样本上的线的单次曝光将提供全部所需信息。因此，逐一处理每一扫描线可使生成整个样本图像所需的时间显著减少。

使针对图像中的所有点生成有效反射率测量结果所需的曝光次数降至最少是有利的。两次曝光之间的照明强度的最佳差异取决于光检测器13的动态范围。设想一像素，该像素在准直光束18中的第一光强度下刚好曝光过度，即，从该像素反射的光正好足以使光检测器13饱和。在此情况下，下一次曝光应处于小于第一强度的入射光强度，以使得像素现在生成足以检测来自样本的光但小于第一次曝光的信号。当新信号正处于光检测器13动态范围的下限处时，达到针对该像素的最大可用强度变化。因此，检测器动态范围越大，曝光之间可用的照明水平差异越大。

在上述实施例中，通过改变可变衰减器11a引入的衰减水平而获得不同的曝光水平。原则上，不同的曝光水平可通过改变来自量子级联激光器11的功率而提供。然而，通过增大通过激光器中的增益芯片的电流来增大光输出可能由于模式跳变而改变激光器所产生的平均波长。另外，光离开激光器时的角度的微小变化也可伴随该模式跳变。因此，改变激光器的输出功率不是优选的。

如上所述，量子级联激光器11以脉冲方式操作。原则上，改变脉冲频率也可用以改变曝光。然而，变更脉冲频率还由于增益芯片中浪费的平均功率以及增益芯片产生的热量的增加而导致假象。

最后，曝光可通过变更在样本上每一位置的停留时间而改变。在其中使用移动的部件31每次一条线地来扫描样本的实施例中，组件可移动的最大速率限制了此方法。因此，改变衰减水平是优选的。

如上所述，优选通过变更可变衰减器11a所提供的衰减来设定曝光水平。由于为提供反射率的完全覆盖所需的曝光水平是事先未知的，所以提供连续可变衰减水平的衰减器是优选的。另外，能够控制照射样本的光的偏振方向也是有利的。因此，也为从衰减器离开的光提供连续可变偏振方向的衰减器是优选的。量子级联激光器11生成线性偏振光。因此，也是偏振旋转器的衰减器是优选的。

现请参见图3，该图图示根据本发明的衰减器的一个实施例。为简化下列论述，使得具有特定线性偏振的光通过，同时反射或吸收具有其他线性偏振的光的偏振滤光器将被称作偏振器。可变衰减器11a包括第一金属光栅偏振器(wire-grid polarizer)63和第二金属光栅偏振器64。每一金属光栅偏振器具有布置在基板上的平行金属线图案，该基板对线性偏振光的光波长是透明的。与金属线方向适当对准的线性偏振光被传输穿过偏振器。具有不同线性偏振的光被反射。线图案相对于离开量子级联激光器11的光的角度由致动器设定，该致动器使得金属光栅偏振器围绕轴旋转。示例性致动器及轴分别以符号65及66标识。为了简化图式，图中已经省略了到达量子级联激光器11和金属光栅偏振器的控制线路。

光的穿过每一偏振器的部分取决于偏振器的通过方向与线性偏振方向之间的角度。从可变衰减器11a离开的光的偏振方向由金属光栅偏振器64的偏振方向设定。衰减水平通过由两个金属光栅偏振器提供的组合衰减而确定。各个金属光栅偏振器的通过方向不可与撞击在金属光栅偏振器上的光的偏振方向正交。因此，如果要控制光束的衰减和偏振方向两者，则需要两个金属光栅偏振器。

未被每一金属光栅偏振器通过的光均被反射。利用其中反射光被阻止进入成像系统的光学链路的排布方式是有利的。例如，由金属光栅偏振器64向金属光栅偏振器66反射的光可再被反射回金属光栅偏振器64。该光的一部分可穿过金属光栅偏振器64并进入光学系统。在本发明的一个方面，有金属线沉积于其上的基板的平面相对于量子级联激光器11光束方向的角度不同于90度，以防止从金属光栅偏振器反射的光进入光学链路。在一个示例性实施例中，基板的平面设定为3度到6度之间的角度。然而，还可使用其他的角度。如果角度过大，则金属光栅偏振器的尺寸必须增大。因为基板必须由对于较大波长范围的MIR光是透明的材料制成，因此出于成本的考虑因素，较小角度更有利。

已提供本发明的上述实施例以说明本发明的各个方面。然而，应理解，在不同特定实施例中示出的本发明的不同方面可组合以提供本发明的其他实施例。另外，对本发明的各种修改将根据以上描述和附图而显而易见。因此，本发明将仅由以下权利要求的范围限定。

Claims (12)

1.一种成像扫描器，包括：

可变衰减器，其适用于接收由MIR激光器生成的光束，且所述可变衰减器利用所述光束生成通过衰减水平表征的衰减光束；

平台，其适用于承载待扫描的样本，所述平台沿第一方向移动所述样本；

光学组件，其使得所述衰减光束聚焦至所述样本上的点，所述光学组件包括聚焦透镜和镜子，所述聚焦透镜使得所述衰减光束聚焦至所述点，所述镜子相对于所述聚焦透镜固定并且将所述光束引导至所述聚焦透镜，所述聚焦透镜和所述镜子一起沿第二方向移动，所述第二方向与所述第一方向正交；

光检测器，其测量从所述样本上的所述点离开的光的强度，所述光检测器通过检测器动态范围来表征；及

控制器，其由随所述样本上的位置而变化的所述强度形成多个线MIR图像，所述多个线MIR图像的各个图像包括多个像素，各个像素的值表示在所述样本上的对应点处的所述样本的反射率，其中，对于所述平台的至少一个位置，多个线MIR图像在不改变所述平台的一个位置的情况下被形成且其中的各个线MIR图像利用所述光束的不同衰减水平而形成，所述控制器组合所述多个线MIR图像以生成合成线MIR图像，所述合成线MIR图像具有大于所述检测器动态范围的动态范围。

2.如权利要求1所述的成像扫描器，所述合成线MIR图像不包括与在所述检测器动态范围外的强度相关联的像素。

3.如权利要求1所述的成像扫描器，其中所述控制器对来源于所述多个线MIR图像的不同图像的所述样本上的某一位置的像素求平均值以生成所述合成线MIR图像，前提是这些像素对应于在所述检测器动态范围内的强度值。

4.如权利要求1所述的成像扫描器，其中所述控制器基于所述多个线MIR图像中已经形成的第一个线MIR图像中的在所述检测器动态范围之外的像素来设定所述多个线MIR图像中的第二个线MIR图像的所述衰减水平。

5.如权利要求1所述的成像扫描器，其中所述可变衰减器包括：

第一金属光栅偏振滤光器，其特征在于第一线性偏振通过方向和第一致动器，所述第一致动器用于使所述第一线性偏振通过方向相对于所述光束旋转，所述第一金属光栅偏振滤光器被定位成使得所述光束穿过所述第一金属光栅偏振滤光器；以及

第二金属光栅偏振滤光器，其特征在于第二线性偏振通过方向和第二致动器，所述第二致动器用于使所述第二线性偏振通过方向相对于所述光束旋转，所述第二金属光栅偏振滤光器被定位成使得所述光束在穿过所述第一金属光栅偏振滤光器之后穿过所述第二金属光栅偏振滤光器。

6.如权利要求5所述的成像扫描器，其中所述第一金属光栅偏振滤光器包括第一透明平面基板上的金属线平行栅，所述第一透明平面基板相对于所述光束成角度，以使得从所述第一金属光栅偏振滤光器反射的光不在与所述光束平行的方向上传播。

7.一种用于生成样本的图像的方法，所述图像包括二维阵列像素，各个像素表示在所述样本上的对应点处在MIR波长下所述样本的反射率，所述方法包括以下步骤：

从MIR光束生成通过衰减水平表征的衰减MIR光束；

将所述衰减MIR光束聚焦至安装在平台上的样本上的点，所述平台沿第一方向移动所述样本；

利用扫描组件沿着与所述第一方向正交的线性路径在第二方向上移动所述点，其中所述扫描组件包括镜子以及相对于所述镜子保持固定关系的聚焦透镜，所述扫描组件沿着所述第二方向移动，所述聚焦透镜使所述衰减MIR光束聚焦在所述点上并且收集在所述点处从所述样本反射的光；

利用光检测器测量从所述样本上的所述点离开的光的强度，其中所述光检测器通过检测器动态范围来表征；

对于在所述平台上的样本的至少一个位置，在不改变平台位置的情况下由随所述样本上的位置而变化的所述强度形成沿所述线性路径的多个线MIR图像，所述多个线MIR图像的各个图像利用所述MIR光束的不同衰减水平而形成；组合所述多个线MIR图像以生成对应于所述平台位置的合成线MIR图像，所述合成线MIR图像具有大于所述检测器动态范围的动态范围；以及

组合对应于不同平台位置的多个所述线MIR图像，以形成所述样本的二维MIR图像。

8.如权利要求7所述的方法，所述多个线MIR图像的各个图像包括多个像素，各个像素通过强度值来表征，所述强度值是在所述检测器动态范围内或者是在所述检测器动态范围外，所述合成线MIR图像不包括在所述检测器动态范围外的像素。

9.如权利要求7中所述方法，其中组合所述线MIR图像包括对来源于所述多个线MIR图像的不同图像的所述样本上的某一位置的像素求平均值以生成所述合成线MIR图像，前提是这些像素对应于在所述检测器动态范围内的强度值。

10.如权利要求7中所述方法，其中所述多个线MIR图像包括第一线MIR图像和第二线MIR图像，并且其中所述第二线MIR图像中的所述衰减水平是基于所述第一线MIR图像中的在所述检测器动态范围之外的像素而设定的。

11.如权利要求7中所述方法，其中所述生成衰减光束包括使所述MIR光束穿过第一金属光栅偏振滤光器和第二金属光栅偏振滤光器，所述第一金属光栅偏振滤光器的特征在于第一线性偏振通过方向和第一致动器，所述第一致动器用于使所述第一线性偏振通过方向相对于所述光束旋转，所述第一金属光栅偏振滤光器被定位成使得所述光束穿过所述第一金属光栅偏振滤光器，及

所述第二金属光栅偏振滤光器的特征在于第二线性偏振通过方向和第二致动器，所述第二致动器用于使所述第二线性偏振通过方向相对于所述光束旋转，所述第二金属光栅偏振滤光器被定位成使得所述光束在穿过所述第一金属光栅偏振滤光器之后穿过所述第二金属光栅偏振滤光器。

12.如权利要求11中所述方法，其中所述第一金属光栅偏振滤光器包括第一透明平面基板上的金属线平行栅，所述第一透明平面基板相对于所述光束成角度，以使得从所述第一金属光栅偏振滤光器反射的光不在与所述光束平行的方向上传播。

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