CN106556570B - 用于对表面的三维红外成像的装置和方法 - Google Patents

用于对表面的三维红外成像的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及用于对表面的三维红外成像的装置和方法。公开了扫描仪和使用该扫描仪的方法。扫描仪包括镜台、MIR光源、成像系统和控制器。镜台适于保持要被成像的样本以及沿第一方向和与第一方向正交的第二方向移动样本。当镜台被定位为在第二方向上与成像系统中的已知点相距z时，成像系统形成样本的像平面。成像系统以照明波长形成样本的多个不同像平面。多个像平面中的每个像平面以不同的z值为特征，控制器为样本上的多个点中的每个点确定使得样本上的该点是焦点对准的z值。

Description

用于对表面的三维红外成像的装置和方法
技术领域
本公开一般涉及成像装置和方法，更具体地涉及用于对表面的三维红外成像的装置和方法。
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。
不平坦且不与成像平面平行的样本提出了挑战。具体地，样本的部分将是焦点未对准的，其限制了焦点未对准的区域中的图像的分辨率。
发明内容
本发明包括扫描仪和使用该扫描仪的方法。该扫描仪包括镜台、MIR光源、成像系统、和控制器。镜台适于保持要被成像的样本并且在第一方向和与第一方向正交的第二方向上移动该样本。MIR光源以照明波长照射样本。成像系统以焦深为特征，该焦深小于成像系统被设计的最大样本高度。当镜台被定位成与成像系统中的已知点相距第二方向距离z时，成像系统形成样本的像平面。控制器使得成像系统以照明波长形成样本的多个不同像平面。多个像平面中的每个像平面以不同z值为特征，控制器为样本上的多个点中的每个点确定z值，在该z值处，样本上的点是焦点对准的。
在本发明的一个方面，像平面的z值取决于成像系统的焦深。
在本发明的另一方面，控制器使得MIR光源将照明波长从第一波长切换到与第一波长不同的第二波长，控制器使得成像系统以第一波长和第二波长中的每一个形成样本的多个不同像平面。多个像平面中的每个像平面以不同z值为特征，控制器为样本上的多个点中的每个点确定z值，在该z值处，样本上的点是焦点对准的。
在本发明的另一方面，MIR光源包括生成光束的可调谐MIR激光器，该光束的照明波长根据输入信号变化，以及成像系统包括将光束聚焦到样本上的一点的光学部件。该光学部件还包括扫描部件，该扫描部件具有聚焦透镜和反射镜，该聚焦透镜将光束聚焦到样本上的一点，该反射镜相对于镜台在第三方向上移动以使得聚焦透镜与镜台之间保持固定距离。第一方向与第二方向不同。第一光检测器测量离开样本上的所述点的光的强度。
在本发明的另一方面，控制器通过确定与样本上的多个点中的一点相对应的像平面中的每个点的亮度来为样本上的该点确定使得该点是焦点对准的z值。
在本发明的另一方面，控制器通过确定包括多个像平面中的每个像平面中的点的区域中的空间频率强度来为样本上的多个点中的一个点确定使得该点是焦点对准的z值。
在本发明的另一方面，控制器设置镜台以使得样本上的点是焦点对准的，并且测量作为波长的函数的光的强度。
在本发明的另一方面，控制器生成样本的表面的三维图像并且在用户界面上显示该三维图像。
附图说明
图1示出了根据本发明的MIR成像系统的一个实施例。
图2示出了根据本发明的成像系统的另一个实施例。
具体实施方式
现在参考图1，图1示出了根据本发明的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。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将该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被反射回的光被校准成第二光束，该第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。
在上述实施例中，镜台在图像生成期间沿二维方向移动样本。然而，镜台具有相当大的质量，因此样本被成像的速度受到镜台移动的限制。在快速成像时间非常重要的实施例中，其中通过移动透镜15来沿一个方向扫描样本的实施例是优选的。现在参考图2，其示出了根据本发明的成像系统的另一个实施例。在成像系统30中，镜台部件被分成两个组件。组件31包括聚焦透镜55并且沿着32所示的方向是可移动的，从而随着组件31的每次通过生成图像的单行。因为聚焦透镜55和反射镜56的质量比组件57的质量小，所以组件31能够以更大的速度移动。在一个实施例中，组件31被安装在轨道上并且以类似于喷墨打印机上的打印头的方式移动。镜台部件的第二组件以57被标示出。组件57包括用于被扫描样本的安装机构并且沿与方向32垂直的方向33移动。由于组件57仅需要每条扫描线移动一次，所以与更大质量的组件57相关联的较慢的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、线性偏振滤波器23的轴线和组件31的位置。
聚焦透镜55的数值孔径一般非常大，因此，焦深是非常有限的。此外，对于非平坦样本或其表面不与xy平面平行的平面样本，图像的各部分将是焦点未对准的。一般而言，在根据入射光波长进行吸收测量之前，成像系统能够被重新聚焦到每个点。然而，在每个点上改变样本的z设置的时间是禁止的。此外，在诸如图2所示的实施例中，停止组件31的运动会失去(defeat)该布置的优点。
本发明通过以不同焦深生成多个图像并且然后将图像合并以确定样本的拓扑结构来克服这个问题。然后通过设置样本的z位置使得关注的点是焦点对准的来生成样本在任意给定点的吸收光谱。然后可测量作为入射光的波长的函数的吸收。
在每个固定z值处的个体图像在下面讨论中将被称为像平面。像平面中的特定xy位置将被称为“像素”。为了确定能在样本上的任何特定xy位置处进行测量的正确z值，必须确定该位置在其上是焦点对准的像平面。当样本在聚焦透镜55的焦点上方或下方时，样本上的照射光斑的大小明显大于当样本在聚焦透镜55的焦点上时样本上的照射光斑的大小。此外，照明区域不再在聚焦透镜55的焦点处，因此聚焦透镜55对从样本上反射的光的光聚集效率被显著减小。因此，从在样本上的焦点未对准的xy位置处的像素测量的光一般少于当样本上的位置是焦点对准时所获得的光，除非由拓宽光斑照射的样本上的一些邻近位置具有非常高的反射率来补偿损失的效率。
在本发明的一个方面，控制器根据像平面的z位置测量关注的像素的亮度。使关注像素具有最高亮度的z值被选为像素在该值被假定为焦点对准的z值。因为像平面仅针对多个离散z值存在，所以如果z值不符合测量的像平面的z值，则确定使得信号是最大的精确z值构成了挑战。在本发明的一个方面，关注的特定像素的z值被使用二次或更高次插值算法进行插值，来根据不符合像平面的z值检测与强度的峰值相对应的z值。
在本发明的另一方面，与样本上的位置的高度相对应的z值通过分析包括关注位置的区域中的空间频率被确定。考虑了包括关注位置的小区域。如果该区域在样本中与该位置处于相同高度，并且该区域包括一定程度的“纹理”或在该区域中在高度和亮度上变化的其他特征，则该区域中的空间频率能够提供关于该区域的焦点的信息。如果该区域在特定像平面中是焦点未对准的，则该区域的图像中的高空间频率由于这些特征的模糊而在强度上将被减小。该像平面中的低空间频率中的强度将被较少地减小。因此，与作为z的函数的、高空间频率中的强度和低空间频率中的强度的比值相关的量能够被用来确定区域在该处是焦点对准的z值。
对于给定z值，区域中的空间频率的强度能够通过使用两个空间滤波器转换该区域的图像来计算，其中一个空间滤波器允许低空间频率通过，另一个空间滤波器允许高空间频率通过同时衰减低空间频率。每个滤波器生成经转换的图像，该经转换的图像将被称为低通图像和高通图像。由L(z)表示镜台的给定z值的低通图像的像素的亮度的总和。L(z)是低空间频率中的总能量的度量。类似地，由H(z)表示镜台的给定z值的高通图像的像素的亮度的总和。H(z_)是与高空间频率滤波器相对应的高空间频率带中的总能量的度量。假设在该区域的图像中有足够的“结构”，则比值H(z)/L(z)将在使得该区域中的样本的表面是焦点对准的z值处被最大化。如果没有足够的结构，则使用利用关注的像素的亮度的最大值的方法。
应该注意，H(z_)的最大值是区域中的结构化程度的度量。在本发明的一个方面，如果H(z)大于某一预定阈值，则比值被用来确定焦点。类似地，如果有足够的结构，则H(z)/L(z)的比值被预计在z值范围内变化超过某一阈值。
上述聚焦方法依赖于使用允许不同空间频带通过的滤波器过滤感兴趣位置周围的区域。此种滤波器在图像压缩应用中是已知的；然而，也可以使用其他空间滤波器。可以使用在图像压缩中经常使用的子带编码变换，比如，该类型的小波或离散余弦变换。例如，在图像的子带编码中使用的小波变换一般生成四个子图像，其中一个子图像具有低空间频率分量，另三个子图像具有不同的高空间频率分量。这些区域的每个区域中的像素的绝对值的总和是该区域中相应空间频率的强度的度量。因此，通过检查高空间频率子图像中的强度总和与低空间频率子图像中的强度总和的比值，能够获得给定像平面中区域的聚焦程度的度量。然后，该比值可以作为像平面的z值的函数被检查，以得出最接近在其中区域被聚焦的平面的像平面的标识。此外，在该处区域是焦点对准的z值位置能够通过使用二阶或更高阶插值算法将比值作为z值函数进行插值来改进。
在本发明的一个方面，控制器通过向每个xy位置分配高度来根据像平面中的数据构建样本表面的三维图谱。高度是根据使得关注的位置被确定是焦点对准的z值来确定的。当在关注的位置处对样本执行频谱测量时，控制器使用该图谱来确定正确的z轴设置。此外，控制器在显示器上向用户显示该图谱，该显示器是图2中所示的用户界面59的一部分。该图谱帮助用户决定用户可能希望在其上进行样本的光谱扫描的位置。这在样本包括嵌入在其表面中以及从该表面突出的“颗粒(particle)”的情况下尤其有用。光谱扫描可能对颗粒感兴趣从而提供关于颗粒的化学成分的信息。此外，如果表面是平滑的，但相对成像平面以一角度倾斜，则吸光度信息可以通过倾斜表面的镜面反射来改变，因为镜面反射的光可以以不被聚焦透镜55有效聚集的角度反射。因此，选择颗粒上的不同位置进行光谱测量是有利的。
如上所述，本发明以MIR中的许多不同波长扫描样本或其一部分。优选地在每个波长重复确定使得扫描区域中的每个位置都是焦点对准的z值来校正透镜55中的任何色差。因此，本发明不需要昂贵的必须在整个波长范围内起作用的消色差透镜。
上述实施例使用了具有小焦深的聚焦透镜。通常，在扫描仪的横向分辨率和景深之间有一权衡。对于给定波长λ，横向分辨率是d＝λ/2Na。此处，d是光在样本上产生的光斑的半径，Na是物镜的数值孔径。因此，为了减小d，需要增大数值孔径。实际上，Na的最大实际值是约0.9。焦深大约是2λ/Na 2。
通常，扫描仪被设计为适应在样本上具有某一最大高度改变的样本。本发明可以在最大改变大于焦深时提供优点。在本发明的一个方面，最大改变大于2倍焦深。
需要覆盖任何特定高度改变的像平面的数目取决于焦深。在本发明的一个方面，像平面之间的距离小于或等于焦深。在本发明的一个方面，因为焦深与入射光的波长成正比，所以像平面的数目响应于入射波长的变化而变化。在另一方面，像平面的数目被设置为以最短波长充分地绘制表面图谱所需的数目。
像平面的横向范围可以如单个像素一样小或如被扫描的整个样本一样大。在单像素像平面的情况下，样本上的点的z位置在不移动xy镜台的情况下被确定。一旦为样本上的点确定合适的z位置，该点即可以使用不同波长的入射光进行测量以提供与该点相关联的光谱。因为焦深在感兴趣的最短波长处是最小的，所以有利的是，使用最短波长来确定该点的z位置从而提升确定的准确度。
上述实施例使用了可以在任何给定时间照射样本上的单个点的扫描成像系统。然而，原则上，其他成像系统也能够使用本发明的教导。具体地，如果通过一次(at once)照射整个样品来形成图像的、具有小景深的成像系统的成像透镜的焦深足够小，则该成像系统也能够根据本发明形成像平面。然而，此种系统相对于上述讨论的扫描系统具有许多缺点，特别地当照射源是相干光源时。相干照射引入了伪影(artifact)，该伪影包括由从被照射的相邻点反射的光的干涉导致的“斑点(speckle)”。这些斑点改变了关于镜台的z值的位置和振幅，并且因此，使得任意给定点是焦点对准的正确z值的确定中提出了挑战。
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。此外，本发明仅由所附的权利要求书的范围来限定。

Claims (16)

1.一种用于表面的三维红外成像的装置，包括：
镜台，该镜台适于保持要被成像的样本并且沿第一方向和与所述第一方向正交的第二方向移动所述样本；
MIR光源，该MIR光源以照明波长照射所述样本，所述MIR光源生成准直光束，所述准直光束的第一部分被聚焦在所述样本上的第一点上；
成像系统，该成像系统测量从所述第一点反射的光，并利用第一光检测器测量从所述第一点反射的光的强度，所述成像系统以焦深为特征，所述焦深小于所述成像系统被设计的最大样本高度，当所述镜台被定位为在第二方向上与所述成像系统中的已知点相距z时，所述成像系统形成所述样本的像平面；
控制器，该控制器使得所述成像系统以所述照明波长形成所述样本的多个不同像平面，所述多个像平面中的每个像平面以不同的z值为特征，所述控制器为所述样本上的多个点中的每个点确定使得所述样本上的该点是焦点对准的z值，所述控制器还利用第二光检测器来测量所述准直光束的第二部分中的光的强度，并且通过将所述第一光检测器测得的光的强度除以所述第二光检测器测得的光的强度来对由所述成像系统生成的图像的像素进行亮度变化的修正。
2. 如权利要求1所述的装置，其中，
所述MIR光源包括可调谐MIR激光器，该可调谐MIR激光器生成具有根据输入信号变化的照明波长的光束；以及
所述成像系统包括：
光学组件，该光学组件将所述光束聚焦到所述样本上的一点，所述光学组件还包括扫描组件，该扫描组件具有聚焦透镜和反射镜，所述聚焦透镜将所述光束聚焦到所述样本上的一点，所述反射镜相对于所述镜台在第三方向上移动以使得所述聚焦透镜与所述镜台之间保持固定距离，所述第一方向与所述第二方向不同；以及
所述第一光检测器。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述控制器设置所述镜台以使得所述样本上的点是焦点对准的，并且所述控制器根据所述照明波长测量所述光的强度。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述像平面的所述z值依赖于所述成像系统的焦深。
5.如权利要求1所述的装置，其中：
所述MIR光源将所述照明波长从第一波长切换到不同于所述第一波长的第二波长；
所述成像系统以所述第一波长和所述第二波长中的每个波长形成所述样本的多个不同像平面，所述多个像平面中的每个像平面以不同的z值为特征；以及
所述控制器为所述样本上的多个点中的每个点确定使得所述样本上的所述点是焦点对准的z值。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述控制器为所述样本上的多个点中的每个点确定使得所述样本上的该点是焦点对准的z值包括：确定与所述点对应的、所述像平面中的每个点的亮度。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述控制器为所述样本上的多个点中的每个点确定使得所述样本上的该点是焦点对准的z值包括：确定所述多个像平面的每个像平面中、包括所述点的区域的空间频率强度。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述控制器生成所述样本的表面的三维图像。
9.如权利要求8所述的装置，还包括用户界面，用于显示所述三维图像。
10.一种用于表面的三维红外成像的方法，所述方法包括：
当样本位于沿第一方向和与所述第一方向正交的第二方向移动所述样本的镜台上时，使用MIR光源以照明波长照射所述样本，所述MIR光源生成准直光束，所述准直光束的第一部分被聚焦在所述样本上的第一点上；
通过使用以焦深为特征的成像系统测量从所述第一点反射的光，来以所述照明波长形成所述样本的多个不同像平面，所述焦深小于所述成像系统被设计的最大样本高度，当所述镜台被定位为在第二方向上与所述成像系统中的已知点相距z时，所述成像系统形成所述样本的像平面，所述多个像平面中的每个像平面以不同的z值为特征；
为所述样本上的多个点中的每个点确定使得所述样本上的该点是焦点对准的z值；
利用第一光检测器测量从所述第一点反射的光的强度；
利用第二光检测器来测量所述准直光束的第二部分中的光的强度；并且
通过将所述第一光检测器测得的光的强度除以所述第二光检测器测得的光的强度，来对由所述成像系统生成的图像的像素进行亮度变化的修正。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述像平面的所述z值依赖于所述成像系统的焦深。
12.如权利要求10所述的方法，还包括：
使得所述MIR光源将所述照明波长从第一波长切换到不同于所述第一波长的第二波长；
使得所述成像系统以所述第一波长和所述第二波长中的每个波长形成所述样本的多个不同像平面，所述多个像平面中的每个像平面以不同的z值为特征；以及
为所述样本上的多个点中的每个点确定使得所述样本上的所述点是焦点对准的z值。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述为所述样本上的所述多个点中的每个点确定使得所述样本上的该点是焦点对准的所述z值包括确定与所述点对应的、所述像平面中的每个点的亮度。
14.如权利要求10所述的方法，其中，所述为所述样本上的所述多个点中的每个点确定使得所述样本上的该点是焦点对准的所述z值包括确定所述多个像平面的每个像平面中、包括所述点的区域的空间频率强度。
15.如权利要求10所述的方法，还包括使用控制器生成所述样本的表面的三维图像。
16.如权利要求15所述的方法，还包括在用户界面上显示所述三维图像。
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