CN106556568B - 利用衰减全反射的红外光谱仪和扫描仪 - Google Patents

利用衰减全反射的红外光谱仪和扫描仪 Download PDF

Info

Publication number
CN106556568B
CN106556568B CN201610802629.7A CN201610802629A CN106556568B CN 106556568 B CN106556568 B CN 106556568B CN 201610802629 A CN201610802629 A CN 201610802629A CN 106556568 B CN106556568 B CN 106556568B
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
input
collimated
optical element
central ray
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610802629.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106556568A (zh
Inventor
查尔斯·霍克
克里斯托弗·瑞恩·穆恩
安德鲁·杰特尔
由利·别列戈夫斯基
理查德·P·特利亚
洋·韩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Agilent Technologies Inc
Original Assignee
Agilent Technologies Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Agilent Technologies Inc filed Critical Agilent Technologies Inc
Publication of CN106556568A publication Critical patent/CN106556568A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106556568B publication Critical patent/CN106556568B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0229—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using masks, aperture plates, spatial light modulators or spatial filters, e.g. reflective filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0213—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using attenuators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2823—Imaging spectrometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/14—Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use with infrared or ultraviolet radiation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/006—Systems in which light light is reflected on a plurality of parallel surfaces, e.g. louvre mirrors, total internal reflection [TIR] lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • G02B17/0804—Catadioptric systems using two curved mirrors
    • G02B17/0808—Catadioptric systems using two curved mirrors on-axis systems with at least one of the mirrors having a central aperture
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • G01N2021/396—Type of laser source
    • G01N2021/399—Diode laser
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3563—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing solids; Preparation of samples therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/063—Illuminating optical parts
    • G01N2201/0633—Directed, collimated illumination
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/10—Scanning
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/10—Scanning
    • G01N2201/101—Scanning measuring head
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/02—Objectives
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/02—Objectives
    • G02B21/04—Objectives involving mirrors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens
    • G02B21/08—Condensers
    • G02B21/10—Condensers affording dark-field illumination

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Abstract

本申请涉及利用衰减全反射的红外光谱仪和扫描仪。公开了扫描仪和用于此种扫描仪中的衰减全反射(ATR)物镜。ATR物镜包括第一光学元件、第二光学元件和输入端口。输入端口接收输入准直光束，该输入准直光束由第二光学元件聚焦到第一光学元件的平坦面上的一点，使得基本上全部被聚焦的部分由平坦面反射并且没有输入光束的任何部分以小于临界角的角度入射到平坦面上。第二光学元件还根据从平坦面反射的光生成输出准直光束，该输出准直光束的特征是中心光线与输入准直光束的中心光线一致。光束转换器接收第一准直光束并且根据其生成输入准直光束。

Description

利用衰减全反射的红外光谱仪和扫描仪
技术领域
本公开一般涉及成像装置和方法，更具体地涉及利用衰减全反射的红外光谱仪和扫描仪。
背景技术
量子级联激光器提供了能够用于光谱测量和光谱图像的可调谐中红外(MIR)光源。许多感兴趣的化学成分在光谱的MIR区中具有活跃的分子振动，该光谱的MIR区涵盖(span)5-25微米之间的波长。因此，测量在样本的各个位置处的MIR光的吸收能够根据样本上的位置提供关于样本的化学性质的有用信息。
一类成像光谱仪根据样本上的位置和照射MIR光的波长测量从样本直接反射的光。被反射的光的量依赖于样本的化学属性和物理属性二者。因此，将使用直接反射到吸收生成的光谱与在书籍上可获得的已知化学吸收光谱进行比较提出了重大挑战。
发明内容
本发明包括扫描仪和用于此种扫描仪的衰减全反射(ATR)物镜。该扫描仪包括生成第一准直光束的光源和ATR物镜。该ATR物镜包括第一光学元件、第二光学元件和输入端口。第一光学元件包括以临界角为特征的平坦面。输入端口被适配为接收以中心光线为特征的第一输入准直光束，输入端口以中心光线穿过的枢轴点和通过该枢轴点的取向方向为特征。第二光学元件将第一输入准直光束的一部分聚焦到平坦面上的一点，以使得基本上全部被聚焦的部分被从平坦面反射并且没有输入光束的任何部分以小于临界角的角度入射到平坦面上。第二光学元件根据从平坦面反射的光生成第一输出准直光束。第一输出光束的特征是中心光线与第一输入准直光束的中心光线一致。第一检测器测量第一输出准直光束中的光的强度。扫描仪还包括光束转换器，该光束转换器接收第一准直光束，并且响应于确定输入准直光束的中心光线和取向方向之间的取向的取向信号根据所接收的第一准直光束生成第一输入准直光束。
在本发明的一个方面，扫描仪包括控制器，该控制器生成取向信号，并且使得光束转换器对输入准直光束的中心光线和取向方向之间的一组预定的不同取向排序(sequence)。
在本发明的一个方面，光束转换器包括第一抛物面反射器、第二抛物面反射器和光束偏转器。光束偏转器接收第一准直光束并且将其偏转到第一抛物面反射器上的一点，该点由取向信号来确定。第二抛物面反射器被定位成接收从第一抛物面反射器反射的光并且准直所接收的光以生成第一输入准直光束。
在本发明的另一个方面，扫描仪还包括具有输入端口的反射式物镜、光学元件和第三抛物面反射器。输入端口被配置为接收以中心光线为特征的第二输入准直光束。光学元件将第二输入准直光束聚焦为预定点上的斑点。光学元件接收从预定点反射的光并且根据其形成第二输出准直光束。第二输出准直光束的特征是中心光线与第二输入准直光束的中心光线一致。当第三抛物面反射镜位于第一位置时，第三抛物面反射镜拦截从第一抛物面反射镜反射的光并且根据其生成第二输入准直光束。当第三抛物面反射镜位于第二位置时，第三抛物面反射镜不拦截从第一抛物面反射镜反射的光。抛物面材料的位置由响应于模式信号的致动器来确定。
在本发明的另一方面，扫描仪还包括致动器，该致动器相对于样本镜台移动反射式物镜以使得斑点沿与镜台平行的线移动。控制器使得光束偏转器移动第一抛物面反射器上的点以使得斑点沿与所述线正交的方向移动。
在本发明的另一方面，扫描仪包括测量第一准直光束中的光的强度的第二检测器。
根据本发明的ART物镜包括第一光学元件、第二光学元件、输入端口和遮光体。第一光学元件包括平坦面。输入端口被适配为接收以中心光线为特征的准直光束，输入端口以中心光线穿过的枢轴点为特征。遮光体将准直光束分成第一部分和第二部分，遮光体阻止第一部分中的光到达平坦面。第二光学元件将第二部分聚焦到平坦面上的一点，以使得基本全部第二部分被从平坦面反射。第二光学元件收集从平坦面反射的光并且将所收集的光准直成离开输入端口的输出光束。该输出准直光束具有与第一输入准直光束的中心光线一致的中心光线。
在本发明的一方面，遮光体吸收第一部分中的光。
在本发明的另一方面，第一光学元件对波长在3微米和20微米之间的光是透明的。在另一方面，第一光学元件对波长在5微米和12.5微米之间的光是透明的。
在本发明的另一方面，第一光学元件包括晶体材料，并且平坦面是晶体材料的晶体的小平面。
在本发明的另一方面，第一光学元件包括对波长在3微米和20微米之间的光是透明的玻璃。在另一方面，第一光学元件包括对波长在5微米和12.5微米之间的光是透明的玻璃。
在本发明的另一方面，第二光学元件是折射元件。在另一方面，第二光学元件是反射元件。
在本发明的另一方面，输入端口以通过枢轴点的方向为特征，并且其中平坦面上的点取决于准直光束的中心光线相对于所述方向的取向。
附图说明
图1示出了直接MIR成像系统的一个实施例。
图2示出了能够促进以反射几何模式测量样本对光的吸收的界面晶体(interfacecrystal)的剖视图。
图3A-3D示出了MIR显微镜的扫描ATR物镜。
图4示出了利用反射光学元件对输入准直光束进行成像的ATR物镜。
图5示出了用于在ATR物镜的反射面上扫描焦点的准直光束运动。
图6示出了根据本发明一个实施例的扫描光谱仪。
图7示出了利用两个移动反射镜使得准直光束进行二维扫描的抛物面反射镜镜。
图8示出了根据本发明的双模MIR光谱仪的一个实施例。
图9示出了能够用在图8所示的光谱仪中的扫描反射式物镜。
具体实施方式
参考图1能够更容易地理解本发明提供优点的方式，图1示出了直接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具有位于MIR中的窄波段波长。在本发明的一个方面，量子级联激光器11是具有可调谐波长的量子级联激光器，该可调谐波长受控制器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11a也受控制器19控制。准直光束18通过部分反射镜12被分成两个光束。光束18a被引导到透镜15，透镜15将光束聚焦到被安装在xyz-镜台17上的样本16上，该xyz-镜台17能够相对于透镜15的焦点定位样本16。从样本16反射回的光被准直成第二光束，该二光束的直径由透镜15的孔径决定，并且沿着与光束18a相同的路径返回到部分反射镜12。虽然第一光束和第二光束在图1中被显示为具有相同横截面，但是应该理解第二光束可以具有与第一光束不同的横截面。第二光束的一部分被传输通过部分反射镜12并且照射到第一光检测器13，如18b所示。光检测器13生成与光束18b中的光的强度相关的信号。控制器19通过使用xyz镜台17相对于透镜15的焦点移动样本16来根据样本16上的位置计算图像。
控制器19还使用第二光检测器14监测准直光束18中的光的光束强度，该第二光检测器14接收由量子级联激光器11生成的光中的通过部分反射镜12的部分。量子级联激光器11是典型的脉冲源。脉冲与脉冲之间的光强能够显著变化，并且因此，通过将光检测器13测量的强度除以光检测器14测量的强度，来对图像的像素进行亮度变化的修正。此外，因为量子级联激光器11的光强在脉冲之间是零，所以控制器19仅对在光检测器14的输出大于一些预定阈值的那些时刻的光检测器13和14测得的强度的比值求和。本发明的该方面改进了合成图像的信噪比，因为脉冲之间的测量仅对不使用脉冲之间的测量值进行消除的噪声有贡献。
理想地，输入波长能够在适当波长范围内变化，并且被样本吸收的光可以根据反射的光信号确定。吸收光谱然后能够与从书籍中得到标准吸收光谱进行比较以提供关于样本的被照射点的化学组分的信息。入射入到样本的输入光束和从样本反射的光之间的光强差取决于由样本吸收的光。不幸地是，入射到样本的光的一部分被散射。散射光的主要部分不能到达光检测器13。散射光取决于样本的表面属性。例如，在其表面具有嵌入的晶体的样本将沿一方向镜面反射入射光，该方向取决于晶体小平面(facet)相对于入射光的角度。为将作为波长函数的光损耗与从书籍得到的标准值相比较，必须知道散射光的贡献或必须使用使散射光的强度最小化的布置。
一种不遭受与散射光相关的问题的反射光谱技术被称为ATR光谱技术。参考图2能够更容易地理解ATR功能，图2示出了能够促进以反射几何模式测量样本吸收的光的界面晶体的剖视图。晶体21具有高折射率。光束26通过端口22进入晶体21并且以大于临界角的角度入射到小平面23。光束从小平面23全反射并且通过端口24离开晶体。在光束被从小平面23反射的点，与光束相关的电场延伸到晶体外部，如25所示。如果小平面23下方的介质吸收光束26的波长的光，则倏逝场(evanescent field)将与介质相互作用并且能量将被从光束被转移到介质。在该情况下，离开晶体21的光束中的能量将被减少。作为波长函数的、输入光束和输出光束之间的光强差是与高质量透射光谱相匹配的光谱，并且能够容易地用于为各种化学组分匹配传统光谱。
虽然以上所论述的类型的界面晶体在测量样本上的点的MIR光谱时是有用的，但是当需要样本上的区域的图像时，尤其是当样本的表面不平滑时，会遇到挑战。为形成图像，界面必须相对于样本移动。为防止界面晶体损坏样本，样本必须正交地移动以允许晶体被定位在感兴趣相邻点。此种点对点测量所需的时间使得组合成像和光谱仪不切实际，除非有很长的时间可用来以高分辨率生成样本的每个点的光谱。
本发明通过利用ATR物镜和扫描MIR光束减少了进行ATR测量的扫描时间，该扫描MIR光束允许在不移动样本镜台的ATR物镜的情况下在ATR模式下测量样本上的小区域。现在参考图3A-3D，其示出了MIR显微镜的扫描ATR物镜。首先参考图3A和3B，图3A是ATR物镜30的剖视图，图3B是ATR物镜30的俯视图，其是由以非直角进入ATR物镜30的准直光束39“看向”ATR物镜30的上表面所得到的。ATR物镜30包括对MIR中的光具有高折射率的晶体32。晶体32具有与样本16的平面平行的小平面34。ATR物镜30包括将准直光束聚焦到小平面34上的光学组件31。光束阻挡器33阻止准直光束39中心的光以小于临界角的角度入射到小平面34，并因此，阻止进入样本16。从小平面34反射的光通过光学组件31被准直并且沿着与准直光束39相同的光束路径离开ATR物镜30。当光从小平面34反射时，倏逝场延伸进样本。样本16对能量的吸收降低了从小平面34反射的光的强度。
将光引导到ATR物镜30的光学系统的细节将在下面被更详细地讨论。为了本讨论，应该充分注意的是，斑点38a的位置通过准直光束39进入端口35的角度被确定。准直光束39相对于ATR物镜30的方向能够由36和37标示的两个角指定。考虑了图中示出的XYZ坐标系统。角36是端口35的法线与准直光束39的方向之间的夹角。角37是x轴与准直光束39的方向在xy平面上的投影之间的夹角。通过改变这两个角，光束被聚焦到小平面34的点能够被改变。
现在参考图3C-3D，其示出了针对准直光束39的不同输入方向的ATR物镜30。图3C是图3A中所示的相同的ATR物镜30的剖视图，图3D是与图3B中所示的相同的ATR物镜的俯视图。在该情况下，准直光束39的方向被改变使得角37是180度并且大于图3B中所示的角度37。准直光束被聚焦到小平面34的点38b现在被移动，如图3C中所示。
根据本发明的ATR物镜被定义为是具有如下光学元件的光学系统，该光学元件的反射面内部地反射输入准直光束。该反射面与被成像的样本的表面的平面平行。准直输入光束在由准直输入光束相对于描绘ATR物镜的输入端口的特征的取向方向的角取向确定的位置处被聚焦到反射面上的一点。通过改变输入准直光束的角取向同时保持输入准直光束的中心光线以使得中心光线通过与ATR物镜相关联的枢轴点，光被聚焦到反射面上的点被改变。此外，ATR物镜还包括遮光体(mask)，该遮光体阻止输入光束的光以小于构成光学元件的材料的临界角的角度入射到反射面，并且因此阻止输入光束的光直接进入样本。最后，光学子系统收集从反射面反射的光，将反射光准直，并且使得被准直的光沿与输入准直光束进入ATR物镜的路径一致的路径离开ATR物镜。
输出光束被准直；然而，该光束的中心部分没有光，因为填充输出光束的中心部分的光被遮光体移除了。为增大测量输出光束中的光的强度的检测器中的信噪比，检测器能够被配置为环形检测器以将输出光束的横截面与对光不敏感的中心区域相匹配。
光学元件必须对MIR光透明。在本发明的一个方面，光学元件对波长在3微米和20微米之间的光是透明的。在另一方面，光学元件对波长在5微米和12.5微米之间的光是透明的。5-12.5微米的范围足够用于许多化学识别应用同时降低了光学元件的成本。
此外，优选具有大折射率的材料以最小化必须被阻挡以防止聚焦光束直接进入样本的光的量。在本发明的一个方面，优选的光学元件是对期望扫描范围中的光是透明的材料的晶体，并且该晶体具有被用作面的平坦小平面。然而，光学元件不需要一定是晶体材料。例如，可以使用对MIR光是透明的玻璃。在本发明的一个方面，晶体可以选自包括下面材料的组：二硫化锌(ZnS2)、金刚石、硫化锌(ZnS)、锗(Ge)、溴化铊、硅(Si)。对宽范围的红外波长的光是透明的硫系玻璃是在市场上可买到的。
图3A-3D中所示的ATR物镜的实施例使用折射光学元件31来对入射到晶体小平面的输入准直光束成像。然而，也能够使用反射光学元件。现在参考图4，其示出了利用反射光学元件对输入准直光束成像的ATR物镜。为了简化附图，下面讨论的支持组件的外壳和样本从附图中被省略。ATR物镜40包括具有抛物型反射内表面42的第一反射器41，该抛物型反射内表面42聚焦从第二抛物面反射器43反射的光。第二抛物面反射器43还具有上述光束阻挡器33提供的遮蔽功能。准直光束39的中心部分中的光被阻挡以免被成像在反射面45上。第二抛物面反射器的不反射到达点46的光的区域优选地被涂覆光吸收材料以阻止该区域反射的光沿准直光束39的方向被反射回。
从抛物型反射内表面42反射的光被聚焦到光学元件44的反射面45的点46。从反射面45反射的光被准直回到穿过与准直光束39相同路径的光束。点46的位置取决于准直光束39相对于输入端口47的孔径的取向。
现在参考图5，其示出了用于在ATR物镜的反射面上扫描焦点的准直光束运动。通常，ATR物镜具有输入端口52，该输入端口52以准直输入光束的中心光线53与输入端口的平面相交的点51为特征。扫描运动使得输入准直光束以中心光线53与输入端口52的交叉维持中心光线53以使得中心光线53总是通过点51的方式，改变相对于输入端口52的取向。也就是说，中心光线53围绕点51枢转(pivot)。中心光线53的取向可以以中心光线53与穿过点51并且正交于输入端口平面的轴线之间的角55为特征，并且以输入端口52的平面中的轴线与中心光线53在输入端口52的平面上的投影之间的角56为特征。因此，为了使得反射表面上的焦点扫描反射表面，需要维持输入光束的中心光线以使得其通过点51枢转但改变角55和56的光学系统。
现在参考图6，其示出了根据本发明一个实施例的扫描光谱仪。激光器61的光被分束器62分成两个光束。第一光束被引导到检测器63a，检测器63a测量激光脉冲的强度。第二光束被引导到位置调制器64，该位置调制器64调整光束照射到离轴抛物面反射器65的点。照射位置决定来自抛物面反射器65的光入射到第二离轴抛物面反射器66的位置。抛物面反射器66将光束重新准直并且设置光束的直径以匹配ATR物镜67的输入孔径。进入ATR物镜67的光束的倾角由抛物面反射器6上5的照射点确定。由ATR物镜67反射回的光折回到入射光的路径并且其一部分由分束器62引入检测器63b中。控制器69然后可以确定ATR物镜67的反射中损耗的光的量，并且因此，确定由样本16吸收的光的量。为对样本16上的另一小区域进行成像，控制器69操作三轴镜台68。
上述实施例利用位置来使得准直光束扫描抛物面反射镜的表面。在本发明的一个方面，抛物面反射镜由两个移动反射镜构成。现在参考图7，其示出了利用两个移动反射镜使得准直光束进行二维扫描的抛物面反射镜。抛物面反射镜70包括使得输入光束71沿第一方向X’扫描的第一反射镜72和使得第一反射镜的输出光束沿第二方向Y’扫描的第二反射镜73。通过致动器76和77分别使得反射镜72和73分别围绕轴线74和75旋转。致动器能够包括使得单个反射镜往返旋转的电流致动器。致动器还能够包括不断旋转的多边形扫描反射镜。还可以使用相对于两个轴线偏转单个反射镜的MEMS谐振器。
其他形式的光学偏转器也能够被用来使得光束进行二维扫描。例如，本领域已知的声光偏转器和电光扫描仪。此外，基于压电致动器的偏转器是已知的。
将执行ART成像光谱技术的能力与MIR反射光谱仪(比如上面关于图1所描述的成像系统10)的能力相结合将是有利的。在本发明的一个方面，图6中示出的ATR成像光谱仪60被修改成包括第二MIR物镜以提供双模扫描光谱仪。现在参考图8，其示出了根据本发明的双模MIR光谱仪的一个实施例。当利用ART成像时，光谱仪80在操作上类似于ATR成像光谱仪60，并因此，与ATR成像光谱仪60的组件具有相同功能的光谱仪80的组件以相同数字标号来标示，并且在此处将不进行论述。光谱仪80包括可移动抛物面反射镜82，该抛物面反射镜被移动以使得可移动抛物面反射镜82拦截来自抛物面反射器65的光，将该光准直，并且将准直光束引导到MIR物镜81，该MIR物镜81将准直光束聚焦到样本16上。抛物面反射器65通过致动器被移动，该致动器是抛物面反射器65的一部分并且由控制器69控制。为了简化附图，致动器和到控制器69的连接被从附图中省略。
当位置调制器64调制光束入射到抛物面反射器65的位置时，产生的运动使得准直光束83改变了其相对于MIR物镜81的输入孔径的取向，并因此扫描样本16上的小区域。为扫描较大区域，样本必须相对于MIR物镜81被重新定位。该重新定位能够通过镜台68或加快MIR物镜81相对于样本16的移动速度的另一机构执行。
为使用ATR模式扫描样本上的大区域，该大区域必须被分成通过将ATR物镜定位在感兴趣区域上并且然后移动ATR物镜以使得其接触样本表面来进行扫描的较小区域。该运动需要镜台在扫描区域之间的至少两个方向上移动。相反地，当以MIR反射模式扫描时，样本不必与物镜接触。因此，当从一个小区域移动到下一个小区域时，样本和镜台仅需要在一个方向上相对于彼此移动。物镜的质量远小于镜台的质量，因此，在一个方向上移动物镜而不是在该方向上移动镜台是有利的。
现在参考图9，其示出了能够用在图8所示的光谱仪中的扫描反射式物镜。物镜91被安装在轨道92上，其可以在Y方向移动。物镜91包括将准直光束引导到光学系统94的反射镜93，光学系统94将准直光束聚焦到样本16上的一点。为简化附图，在附图中仅示出了单个透镜；然而，应该理解的是光学系统可以包括许多透镜元件。物镜91的质量远小于镜台98的质量，因此，镜台98能够以更快的速度移动。轨道92包括线性致动器95，该线性致动器95耦接到物镜91以提供所需的运动97。反射镜96将图8中所示的准直光束83移向物镜91。在本发明的一个方面，图8中所示的位置调制器64在使用物镜91进行扫描期间可操作以在X方向提供小扫描幅度，同时物镜91在Y方向上移动。本发明的该方面允许光谱仪在空间频带中成像，并因此，减小必须由镜台98提供来扫描给定区域的Y位置的数目。
本发明的上述实施例被提供用于说明本发明的各个方面。然而，应该理解的是，在不同具体实施例中示出的本发明的不同方面能够被组合以提供本发明的其他实施例。此外，根据上述说明书和附图，对本发明的各种修改将是显然的。因此，本发明仅由所附的权利要求书的范围限定。

Claims (10)

1.一种衰减全反射ATR物镜，包括：
第一光学元件，该第一光学元件包括平坦面；
输入端口，该输入端口被适配为接收以中心光线为特征的输入准直光束，所述输入端口以所述中心光线穿过的枢轴点为特征；
遮光体，该遮光体将所述输入准直光束分成第一部分和第二部分，所述遮光体阻止所述第一部分中的光到达所述平坦面；以及
第二光学元件，该第二光学元件将所述第二部分聚焦到所述平坦面上的一点，以使得基本上全部所述第二部分被从所述平坦面反射，所述第二光学元件收集从所述平坦面反射的光并且将所收集的光准直成离开所述输入端口的输出准直光束，所述输出准直光束具有与所述输入准直光束的所述中心光线一致的中心光线。
2.如权利要求1所述的ATR物镜，其中，所述遮光体吸收所述第一部分中的光。
3.如权利要求1所述的ATR物镜，其中，所述第一光学元件对波长在3微米和20微米之间的光是透明的。
4.如权利要求1所述的ATR物镜，其中，所述第一光学元件包括晶体材料并且所述平坦面是所述晶体材料的晶体的小平面。
5.如权利要求1所述的ATR物镜，其中，所述输入端口以穿过所述枢轴点的方向为特征，并且其中所述平坦面上的所述点取决于所述准直光束的所述中心光线相对于所述方向的取向。
6.一种扫描仪，包括：
生成第一准直光束的光源；
ATR物镜，该ATR物镜包括：
包括平坦面的第一光学元件，所述平坦面以临界角为特征；
输入端口，该输入端口被适配为接收以中心光线为特征的第一输入准直光束，所述输入端口以所述中心光线穿过的枢轴点和穿过所述枢轴点的取向方向为特征；以及
第二光学元件，该第二光学元件将所述第一输入准直光束的一部分聚焦到所述平坦面上的一点，以使得基本上全部被聚焦的部分由所述平坦面反射并且没有所述输入准直光束的任何部分以小于所述临界角的角度入射到所述平坦面上，所述第二光学元件根据从所述平坦面反射的光生成第一输出准直光束，所述第一输出准直光束的特征是其中心光线与所述第一输入准直光束的所述中心光线一致；
第一检测器，该第一检测器测量所述第一输出准直光束中的光的强度；以及
光束转换器，该光束转换器接收所述第一准直光束，并且响应于确定所述输入准直光束的中心光线和所述取向方向之间的取向的取向信号根据所接收的所述第一准直光束生成所述第一输入准直光束。
7.如权利要求6所述的扫描仪，还包括控制器，该控制器生成所述取向信号，并且使得所述光束转换器对所述输入准直光束的所述中心光线和所述取向方向之间的一组预定的不同取向排序。
8.如权利要求6所述的扫描仪，其中，所述光束转换器包括：
第一抛物面反射器和第二抛物面反射器；以及
光束偏转器，该光束偏转器接收所述第一准直光束并且将所述第一准直光束偏转到所述第一抛物面反射器上的一点，所述点由所述取向信号来确定，
所述第二抛物面反射器被定位成接收从所述第一抛物面反射器反射的光并且准直所接收的光以生成所述第一输入准直光束。
9.如权利要求8所述的扫描仪，还包括：
反射式物镜，该反射式物镜包括被配置为接收以中心光线为特征的第二输入准直光束的输入端口；
光学元件，该光学元件将所述第二输入准直光束聚焦为预定点处的斑点，所述光学元件接收从所述预定点反射的光并且根据所接收的光形成第二输出准直光束，所述第二输出准直光束的特征是中心光线与所述第二输入准直光束的中心光线一致；以及
第三抛物面反射器，当所述第三抛物面反射器位于第一位置时，所述第三抛物面反射器拦截从所述第一抛物面反射器反射的光并且根据所拦截的光生成所述第二输入准直光束；当所述第三抛物面反射器位于第二位置时，所述第三抛物面反射器不拦截从所述第一抛物面反射器反射的光；所述第三抛物面反射器的所述第一位置和所述第二位置由响应于模式信号的致动器来确定。
10.如权利要求9所述的扫描仪，还包括：
致动器，该致动器相对于样本镜台移动所述反射式物镜，以使得所述斑点沿与所述样本镜台平行的线移动；以及
控制器，该控制器使得所述光束偏转器移动所述第一抛物面反射器上的所述点，以使得所述斑点沿与所述线正交的方向移动。
CN201610802629.7A 2015-09-23 2016-09-05 利用衰减全反射的红外光谱仪和扫描仪 Active CN106556568B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/863,341 US9863877B2 (en) 2015-09-23 2015-09-23 Infrared spectrometer and scanner utilizing attenuated total reflection
US14/863,341 2015-09-23

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106556568A CN106556568A (zh) 2017-04-05
CN106556568B true CN106556568B (zh) 2021-01-08

Family

ID=57288547

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610802629.7A Active CN106556568B (zh) 2015-09-23 2016-09-05 利用衰减全反射的红外光谱仪和扫描仪

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9863877B2 (zh)
CN (1) CN106556568B (zh)
GB (1) GB2543931B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11060914B2 (en) * 2018-09-30 2021-07-13 Agilent Technologies, Inc. Calibration system for attenuated total reflection spectrometry
CN112771370A (zh) * 2018-09-30 2021-05-07 安捷伦科技有限公司 用于制备红外显微镜薄样本的牺牲性夹具
US10539504B1 (en) 2018-09-30 2020-01-21 Agilent Technologies, Inc. Method and apparatus for automating contact between an ATR crystal and a specimen
CN113474636A (zh) * 2019-03-31 2021-10-01 安捷伦科技有限公司 用于分析微观颗粒的中红外扫描系统
US12111256B2 (en) * 2019-12-23 2024-10-08 Mitsubishi Electric Corporation Biological component measurement apparatus
CN117664525B (zh) * 2023-11-21 2024-07-19 同济大学 一种测量双波长激光波长和线宽的装置及方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5093580A (en) * 1990-03-02 1992-03-03 Spectra-Tech, Inc. ATR objective and method for sample analyzation using an ATR crystal
CN1235673A (zh) * 1996-09-30 1999-11-17 阿温提斯研究技术两合公司 探测溶解或分散在水中的化学物质的光传感器
CN101479638A (zh) * 2006-04-26 2009-07-08 珀金埃尔默新加坡有限公司 用于衰减全内反射(atr)光谱仪的附件
CN102518959A (zh) * 2011-11-18 2012-06-27 厦门大学 光学环形照明装置
CN103105511A (zh) * 2012-12-28 2013-05-15 南开大学 表面等离子体纵向场扫描近场光学显微镜装置及检测方法
CN203275276U (zh) * 2013-04-08 2013-11-06 广西壮族自治区机械工业研究院 衰减全反射探头
CN103398948A (zh) * 2013-08-14 2013-11-20 武汉大学 一种用于傅里叶变换红外光谱仪的atr探头

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5200609A (en) * 1991-08-27 1993-04-06 Sting Donald W Radiant energy spectroscopy system with diamond internal reflection element
JP3137404B2 (ja) * 1992-01-23 2001-02-19 日本分光株式会社 全反射測定装置
JPH06109624A (ja) * 1992-09-28 1994-04-22 Shimadzu Corp 全反射吸収スペクトル測定装置
EP0730145B1 (en) * 1995-03-03 2003-04-23 Perkin-Elmer Limited ATR crystal mounting assembly for infrared microspectroscopy
JPH09304271A (ja) 1996-05-10 1997-11-28 Horiba Ltd 赤外線顕微分光測定装置
JP4515927B2 (ja) * 2005-01-25 2010-08-04 日本分光株式会社 全反射測定装置
US20070170362A1 (en) * 2006-01-25 2007-07-26 The Regents Of The University Of California Method and apparatus for internal reflection imaging
DE102010031189B4 (de) * 2010-07-09 2014-04-03 Bruker Optik Gmbh ATR-Objektiv für ein IR-Mikroskop und Verfahren zu dessen Betrieb
US20120293860A1 (en) * 2011-05-19 2012-11-22 Pike Technologies Internal reflection elements having increased energy throughput for attenuated total reflectance spectroscopy
US9291556B2 (en) * 2012-02-22 2016-03-22 S.T. Japan, Inc. Objective optical system for ATR measurement, and ATR measurement device
US10598912B2 (en) * 2015-01-05 2020-03-24 Shimadzu Corporation Objective optical system for ATR measurement
US10184835B2 (en) * 2015-09-23 2019-01-22 Agilent Technologies, Inc. High dynamic range infrared imaging spectroscopy

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5093580A (en) * 1990-03-02 1992-03-03 Spectra-Tech, Inc. ATR objective and method for sample analyzation using an ATR crystal
CN1235673A (zh) * 1996-09-30 1999-11-17 阿温提斯研究技术两合公司 探测溶解或分散在水中的化学物质的光传感器
CN101479638A (zh) * 2006-04-26 2009-07-08 珀金埃尔默新加坡有限公司 用于衰减全内反射(atr)光谱仪的附件
CN102518959A (zh) * 2011-11-18 2012-06-27 厦门大学 光学环形照明装置
CN103105511A (zh) * 2012-12-28 2013-05-15 南开大学 表面等离子体纵向场扫描近场光学显微镜装置及检测方法
CN203275276U (zh) * 2013-04-08 2013-11-06 广西壮族自治区机械工业研究院 衰减全反射探头
CN103398948A (zh) * 2013-08-14 2013-11-20 武汉大学 一种用于傅里叶变换红外光谱仪的atr探头

Also Published As

Publication number Publication date
CN106556568A (zh) 2017-04-05
GB201615877D0 (en) 2016-11-02
US20170082538A1 (en) 2017-03-23
GB2543931A (en) 2017-05-03
US9863877B2 (en) 2018-01-09
GB2543931B (en) 2019-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106556568B (zh) 利用衰减全反射的红外光谱仪和扫描仪
US7492460B2 (en) Attenuated-total-reflection measurement apparatus
CA2997777C (en) Systems and methods for improved focus tracking using a light source configuration
US7742172B2 (en) Apparatus for varying the path length of a beam of radiation
AU2019240733B2 (en) Systems and methods for improved focus tracking using blocking structures
US8355125B2 (en) All reflective apparatus for injecting excitation light and collecting in-elastically scattered light from a sample
US20170082490A1 (en) High Dynamic Range Infrared Imaging Spectroscopy
CN112540459B (zh) 一种双棱镜色散装置的优化调整方法
JP5576649B2 (ja) 分光器、及び、それを備えた光学装置
US10732105B1 (en) Method and apparatus for characterizing laser gain chips
EP3330793B1 (en) Terahertz wave generator
US8108942B2 (en) Probe microscope
US11060914B2 (en) Calibration system for attenuated total reflection spectrometry
US11942990B2 (en) Tunable laser based light source
US10539504B1 (en) Method and apparatus for automating contact between an ATR crystal and a specimen
US20210033385A1 (en) Optical device
JP2013011546A (ja) 分光器及び顕微分光システム
WO2024184840A1 (en) Mitigating a point spread function in an optical scanning system
JP4225850B2 (ja) レーザ顕微鏡

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant