CN112204375B - 宽区域光学光热红外光谱 - Google Patents

宽区域光学光热红外光谱 Download PDF

Info

Publication number
CN112204375B
CN112204375B CN201980036346.8A CN201980036346A CN112204375B CN 112204375 B CN112204375 B CN 112204375B CN 201980036346 A CN201980036346 A CN 201980036346A CN 112204375 B CN112204375 B CN 112204375B
Authority
CN
China
Prior art keywords
sample
infrared
infrared absorption
probe
camera
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
CN201980036346.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112204375A (zh
Inventor
C·普拉特
D·德克尔
R·谢蒂
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.)
Photothermal Spectroscopy Corp
Original Assignee
Photothermal Spectroscopy Corp
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 Photothermal Spectroscopy Corp filed Critical Photothermal Spectroscopy Corp
Publication of CN112204375A publication Critical patent/CN112204375A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112204375B publication Critical patent/CN112204375B/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
    • G01N21/25—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
    • 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
    • G01N21/171—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with calorimetric detection, e.g. with thermal lens detection
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/12—Unicellular algae; Culture media therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/04—Filters; Permeable or porous membranes or plates, e.g. dialysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/20—Degassing; Venting; Bubble traps
    • C12M29/22—Oxygen discharge
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M33/00—Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M39/00—Means for cleaning the apparatus or avoiding unwanted deposits of microorganisms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/12—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of temperature
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/26—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of pH
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/30—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration
    • C12M41/34—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration of gas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/30—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration
    • C12M41/36—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration of biomass, e.g. colony counters or by turbidity measurements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/44—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of volume or liquid level
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/48—Automatic or computerized control
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens
    • G02B21/08—Condensers
    • G02B21/082—Condensers for incident illumination only
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens
    • G02B21/08—Condensers
    • G02B21/12—Condensers affording bright-field illumination
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/16—Microscopes adapted for ultraviolet illumination ; Fluorescence microscopes
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/36—Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
    • G02B21/365—Control or image processing arrangements for digital or video microscopes
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/97—Determining parameters from multiple pictures
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70—Circuitry for compensating brightness variation in the scene
    • H04N23/74—Circuitry for compensating brightness variation in the scene by influencing the scene brightness using illuminating means
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70—Circuitry for compensating brightness variation in the scene
    • H04N23/741—Circuitry for compensating brightness variation in the scene by increasing the dynamic range of the image compared to the dynamic range of the electronic image sensors
    • 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
    • G01N21/1717—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with a modulation of one or more physical properties of the sample during the optical investigation, e.g. electro-reflectance
    • G01N2021/1725—Modulation of properties by light, e.g. photoreflectance
    • 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
    • G01N2201/061—Sources
    • 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
    • G01N2201/062—LED's
    • 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
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/10—Image acquisition modality
    • G06T2207/10048—Infrared image
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/10—Image acquisition modality
    • G06T2207/10056—Microscopic image
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/10—Image acquisition modality
    • G06T2207/10141—Special mode during image acquisition
    • G06T2207/10152—Varying illumination

Abstract

本发明描述了通过同时表征多个空间分辨位置的红外吸收特性来对样品进行显微分析的装置和方法。这些装置和方法改善了采样时间，同时收集了关于宽区域内样本组成的微观数据。

Description

宽区域光学光热红外光谱
优先权
2018年6月1日提交的美国临时申请序列号62/679，588中描述了本申请中的实施例和技术的多个方面，其发明内容通过引用并入本案。
技术领域
本发明涉及通过使用光学手段(即使用红外线、可见光或紫外线)来研究或分析材料。
背景技术
本发明涉及使用光学光热检测技术的空间分辨率低至亚微米级的红外光谱和成像。一些光学光热技术已经在美国专利中描述，例如专利9,091,594和9,841,324。这些参考文献通常用不同的名称和缩写来指代这项技术。出于本申请的目的，在本申请中，我们将统称这些技术为光学光热红外(OPTIR)。
一些研究小组对OPTIR的这个通用领域进行过研究，包括海军研究实验室、普渡大学、圣母大学、波士顿大学和麻省理工学院的研究人员。这些实验室开发的仪器使用可见光束探测样品对红外辐射吸收的光热响应。可能相关背景的出版物和专利包括:(1)R.Furstenberg,C.Kendziora,N.D.Bassim,R.A.McGill,and V.K.Nguyen,US9091594B2(2015)；(2)C.Li,D.Zhang,M.N.Slipchenko,and J.-X.Cheng,Anal.Chem.,89,9,4863-4867(2017)；(3)D.Zhang,C.Li,C.Zhang,M.N.Slipchenko,G.Eakins,and J.-X.Cheng,Science Advances,2,9,e1600521(2016).(4)Z.Li,K.Aleshire,M.Kuno,andG.V.Hartland,The Journal of Physical Chemistry B,121,37,8838-8846(2017)；(5)Z.Li,M.Kuno,and G.Hartland,"Super-resolution imaging with mid-IR photothermalmicroscopy on the single particle level",in SPIE Nanoscience+Engineering(International Society for Optics and Photonics,2015),p.954912-954912-954918；(6)Z.Li,M.Kuno,and G.Hartland,"Super-resolution Mid-infrared Imaging usingPhotothermal Microscopy",in Conference on Lasers and Electro-Optics(OpticalSociety of America,SanJose,California,2016),p.ATu3J.7.；(7)A.
Figure BDA0002805761980000011
A.Totachawattana,H.Liu,M.K.Hong,T.Gardner,M.Y.Sander,and S.Erramilli,"Labelfree mid-IR photothermal imaging of bird brain with quantum cascade laser",inCLEO:Applications and Technology(Optical Society of America,2014),p.AF1B.4；(8)M.Y.Sander,"Mid-infrared photothermal imaging",in Laser Science(OpticalSociety of America,2015),p.LM1I.2；(9)U.S.Patent No.9091594B2,entitled“Chemical mapping using thermal microscopy at the micro and nano scales,”assigned to the U.S.Secretary of Navy。
也有使用离轴照明和摄像头传感器来检测激光散斑的光热调制的装置，例如在A.M.Stolyarov,R.M.Sullenberger,D.R.Crompton,T.H.Jeys,B.G.Saar,and W.D.Herzog,Opt.Lett.,40,24,5786-5789(2015)，以及光散射的变化，例如在R.M.Sullenberger,S.M.Redmond,D.Crompton,A.M.Stolyarov,and W.D.Herzog,Opt.Lett.,42,2,203-206(2017)。然而，由于样品成像光学器件的焦距/数值孔径限制，这些方法不适用于亚微米尺寸的显微镜应用。
在现有的光热成像和光谱学技术中，一个关键限制是由于红外吸收而产生的光热效应可能非常小。例如，由于样品对红外辐射的吸收，所收集的探测光的总强度调制可以比所收集的总探测光的平均强度小3到6个数量级。因此，检测微弱吸收样品、光热响应弱的样品和/或微量样品材料对红外辐射的微弱吸收可能是一项挑战。增加测量时间以实现数量级的精度提高通常是不可行的。然而，测量精度与采样时间的平方根成正比，因此通过增加采样时间来提高OPTIR检测器的精度在实际应用中受到限制，因为例如，要将精度提高一个数量级，需要将采样时间增加100倍。
发明内容
根据本文描述的实施例，本发明提供了一种通过同时表征多个空间分辨位置的红外吸收特性来对样本进行显微分析的装置。多个空间分辨的位置对应于样品的宽区域。该装置包括配置成用红外辐射束照射样品的宽区域的红外辐射源，配置成用探针辐射束照射样品的宽区域的探针辐射源，配置成从样品上多个空间分辨位置的每一个收集至少一部分探针辐射作为收集的探针辐射的收集器，以及至少一个摄像头，其被配置为检测所收集的探测辐射的至少一部分，以生成与多个空间分辨位置中的每一个相对应的指示红外吸收的信号。
本申请涉及新颖的仪器和方法，其通过在亚微米尺寸的微观尺度上对样品的宽区域同时进行的红外吸收测量来提高测量通量。以上概述并不旨在描述每个图示实施例或其主题的每个实现。下面的附图和详细描述更具体地举例说明了各种实施例。
附图说明
考虑到以下结合附图对各种实施例的详细描述，可以更全面地理解本发明的主题，其中:
图1显示了光学光热红外(OPTIR)光谱和成像所采用的光热原理的简化示意图。
图2是宽视野OPTIR系统的实施例的简化示意图。
图3是对红外吸收的光热响应的时间分辨测量的例子。
图4示出了从探测光束选通红外吸收信号的例子。
图5A-5C示出了根据三个实施例的探测光束照明。
图6-8示出了根据实施例的各种照明方案。
图9示出了一个实施例，在该实施例中，同时测量宽区域上的多个离散采样位置。
图10示出了描绘由根据本文所述实施例的传感器检测的各种物质的输出。
虽然各种实施例可以有各种修改和替代形式，但是其细节已经通过附图中的例子示出，并且将被详细描述。然而，应该理解的是，本发明的意图不是将要求保护的发明限制于所描述的特定实施例。相反，本发明旨在覆盖落入权利要求所限定的主题的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。
具体实施方式
本说明书描述了用于以改进的灵敏度、改进的信噪比和降低的背景信号执行光学光热红外(OPTIR)成像和光谱学的方法和装置。通过使用宽区域技术，可以同时进行并行测量，以提高扫描速度和精度。
下面提供了本申请中使用的术语的几种定义。
“照明”是指将辐射直接照射到物体上，例如样品的表面。照明可以包括辐射源、脉冲发生器、调制器、反射元件、聚焦元件和任何其他光束控制或调节元件的任意配置。
在光与样品相互作用的上下文中，术语“相互作用”是指照射样品的光是由样品散射、折射、吸收、像差、转向、衍射、透射和反射、穿过和/或来自样品的光中的至少一种。
“红外源”和“红外辐射源”是指产生或发射红外波长范围内的辐射的一个或多个光源，通常在2-25微米之间。辐射源可以是大量源中的一种，包括热源或硅碳棒(Globar)源、超连续谱激光源、频率梳、差频发生器、和频发生器、谐波发生器、光参量振荡器(OPOs)、光参量发生器(OPGs)、量子级联激光器(QCLs)、纳秒、皮秒、飞秒和阿秒激光系统、CO2激光器、显微加热器和/或产生辐射束的任何其他源。在一个优选实施例中，该光源发射红外辐射，但是它可以替代地或者也可以在其他波长范围内发射，例如从紫外线到太赫兹。源可以是窄带的，例如具有小于10cm-1或小于1cm-1以下的光谱宽度，或者可以是宽带的，例如具有大于10cm-1、大于100cm-1或大于500cm-1的光谱宽度。
“探测光束”是聚焦到样品上的光束，用于检测由红外辐射与样品相互作用而产生的光热变形或其他光学变形，例如用于检测样品对红外辐射的吸收。
“探测辐射源”是指产生探测光束的辐射源。探测辐射源通常会产生包括一个或多个发射波长(通常在可见光到紫外光的波长范围内)的探测光束，但是它也可以或替代地产生更短或更长波长的辐射，例如在近红外、极紫外或甚至x射线范围内。探测辐射源可以包括气体激光器、激光二极管、二极管泵浦固态激光器、超发光二极管、通过例如和频或差频产生产生的紫外和/或可见激光束、或任何其他激光源或其他相干辐射源。它还可以包括非相干光源，例如白炽光源、发光二极管或其他光源。在一个实施例中，它还可以包括任何或其他紫外光和/或可见光源，其可以聚焦到小于2.5微米，优选小于1微米的刻度上的点。
“光谱”是指样品的一种或多种性质作为波长的函数或等同地(更通常地)作为波数的函数的测量。
“光学性质”是指样品的光学性质，包括但不限于折射率、吸收系数、反射率、吸收率、散射、折射率的实部和/或虚部、样品介电函数的实部和/或虚部和/或从这些光学性质中的一个或多个数学推导出的任何性质。
“光学响应”是指辐射与样品相互作用的结果。光学响应与上面定义的一个或多个光学特性相关。光学响应可以是辐射吸收、温度升高、热膨胀、光感应力、光的反射和/或散射或材料由于与照明辐射的相互作用而产生的其他响应。
“信号指示”是指在数学上与感兴趣的属性相关的信号。信号可以是模拟信号、数字信号和/或存储在计算机或其他数字电子装置中的一个或多个数字。信号可以是电压、电流或任何其他易于转换和记录的信号。信号可以在数学上与被测量的属性相同，例如明确地为绝对相位信号或吸收系数。它也可以是在数学上与一个或多个感兴趣的属性相关的信号，例如包括线性或其他缩放、偏移、反转，或者甚至复杂的数学操作。
“扫描仪”是一种或多种用于在探针和样品之间产生相对平移的扫描机构，使得探针可以与样品上的多个位置相互作用并测量其特性。扫描机构可以移动探针、样品或它们的组合。扫描机构通常是压电装置，但也可以采用其它机构，如电磁、静电、电致伸缩和其它驱动机构，它们响应给定的控制信号或命令而引起所需的运动。扫描仪包括但不限于压电管、压电堆、压电驱动弯曲台、音圈和用于提供精确平移的其他机构。
“控制器”是指便于数据采集和系统控制的系统。控制器可以是单个集成电子外壳，或者可以包括多个分布式元件。控制元件可以提供对探针、照明和/或样本的定位和/或扫描的控制。它们还可以收集关于探头调制、轮廓运动或其他响应的数据，提供对辐射源功率、偏振、调制、操纵、聚焦和/或其他功能的控制。控制元件可以包括计算机程序方法或数字逻辑方法，并且可以使用各种计算装置(计算机、个人电子装置)、模拟和/或数字分立电路组件(晶体管、电阻器、电容器、电感器、二极管等)、可编程逻辑、微处理器、微控制器、专用集成电路、现场可编程门阵列或其他电路元件的任意组合来实现。被配置为存储计算机程序的存储器可以与分立电路组件一起实现，以执行这里描述的一个或多个过程。我们也认识到并期望计算方面的进步可能是有用的，包括但不限于量子器件(qbits)、光子电路和分子电子学。我们还认可并期待软件方面的有益进步，包括但不限于遗传算法、神经网络、GPU张量流(TensorFlow)以及其他人工智能和深度机器学习方法。
“锁定放大器”是一种在一个或多个参考频率下解调系统响应的装置和/或算法。锁定放大器可以是电子组件，包括模拟电子器件、数字电子器件以及两者的组合。它们也可以是在数字电子装置上实现的计算算法，如微处理器、微控制器、现场可编程门阵列(FPGAs)、数字信号处理器和个人计算机。锁定放大器可以产生指示振荡系统的各种度量的信号，包括振幅、相位、同相(X)和正交(Y)分量或上述的任意组合。在这种情况下，锁定放大器还可以在参考频率、参考频率的高次谐波和/或参考频率的边带频率上产生这样的测量值。
“光热变形”是指由于吸收光能，例如吸收红外辐射，从而引起样品的性质发生变化。光热变形可以指折射率、反射率、热膨胀、表面变形的变化，或者可以用探测光束检测到的其他效应的变化。
“摄像头”是指包括多个光敏像素的基于阵列的光电探测器。摄像头可以包括一种或多种技术，包括但不限于电荷耦合器件、电磁电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体、互补金属氧化物半导体和/或其他光敏阵列技术。摄像头可能支持每秒几帧、每秒数百帧甚至每秒数千帧或更高的帧速率进行拍摄。
“品质因数”是指信号或测量相对质量的任何度量或指标。品质因数例如可以是测量灵敏度、信号强度、噪声水平、信噪比、背景水平、信噪比、这些的任意组合，或者允许对信号和/或测量的相对质量进行排序的其他度量。
光学光热红外(OPTIR)成像和光谱学
图1描绘了传统的OPTIR成像系统。例如，在一同待审的PCT专利申请PCT/US17/63807中描述了其他类似的系统，其公开内容通过引用全部并入。样品102的区域100被红外辐射束104照射，在样品的红外吸收区域引起温度升高，即光热响应。为了测量由红外吸收产生的光热响应，至少一部分红外吸收区域也用探测辐射束106照射。在所示的配置中，探测光束106然后沿着照明路径被反射回来，和/或透射(108)通过样本。除了示出聚焦的探针辐射106的束腰图示之外，反射和透射部分在图中用箭头表示。由样品的红外吸收引起的红外照射样品和/或周围环境(例如样品上方或周围的空气或流体)的温度变化导致从样品反射/散射(110)的光的相位、偏振、强度和/或角度的变化，和/或通过红外吸收区域透射(112)的光的相位/偏振/强度/角度的变化。通过测量收集的探测光的波动，有可能产生指示样品的吸收区域对红外光的吸收的信号。在所示的配置中，探测光以反射配置被收集，但是测量可以类似地在透射和散射配置中执行。
在许多传统系统中，探测光束可以包括一束可见光和/或紫外光，即明显比红外光短的波长。使用紫外或可见光的原因是紫外/可见光的较短波长允许其聚焦到比红外辐射小得多的点。因此，它可以用来测量空间分辨率大于10倍的红外吸收，优于传统的红外显微镜。在远场显微术中，光学衍射将可实现的空间分辨率限制在所用光波长量级的长度尺度上。具体而言，使用瑞利准则的两个物体之间的最小可检测间距δ由下式给出:
公式1 δ＝0.61λ/(n NA)
其中λ是所用红外光的波长，n是周围介质的折射率，NA是所用显微镜物镜的有效数值孔径。高功率红外物镜的最大数值孔径通常在0.7至0.81之间，根据瑞利准则，将空气中可实现的最佳空间分辨率设置为所用波长的75％至87％左右。例如，在λ＝10μm处，空间分辨率δ约为8μm。公式1下的OPTIR技术可实现的空间分辨率由可见探测光束的波长设置，而不是由红外光束的波长设置。利用OPTIR技术可实现的空间分辨率的提高取决于红外波长与探测波长的比值。例如，对于λ红外＝10μm和λ探针＝0.532μm)，光学显微镜技术的空间分辨率比相同目标的传统红外显微镜可以高(10/0.532)～19倍。使用λ探针＝0.532μm和与上述相同的孔径，光学技术产生约0.4μm的空间分辨率。甚至更高的空间分辨率可以用更高的NA物镜来实现，例如为可见光显微术优化的物镜和/或使用更短波长的探测光束，例如在蓝色/紫外线范围内。
在一些实施例中，使用短暂的周期性红外照明脉冲(几百纳秒的数量级)。结合同步探测技术使用短暂的红外脉冲可以提供高灵敏度和空间分辨率。指示红外吸收的信号可以作为红外辐射波长的函数来测量，以生成红外吸收光谱，并且红外吸收信号可以作为相对样品位置的函数来测量，以产生样品化学成分的空间分辨图。可以通过测量作为样品位置函数的选定波长(或等效波数)的红外吸收来创建空间分辨图，和/或可以在样品的多个位置测量整个红外吸收光谱。在这种所谓的高光谱成像的情况下，数据立方体沿着样品表面具有横向尺寸x和y，而第三维包括红外吸收光谱，其用于通过分子的激发模式(拉伸、弯曲、扭曲等)来识别分子。
然而，光热成像和光谱学现有技术的一个关键限制是测量通量。光热光谱通常以每光谱0.1至100秒的速率拍摄。虽然这对于点光谱或小光谱阵列来说是可以接受的，但是对于大量光谱来说，这种测量时间变得不可接受，例如包括数千甚至数百万光谱的超光谱阵列。下面描述的是通过在样品上的多个点同时进行平行测量来实现高通量OPTIR测量的实施例。
图2示出了用于宽场测量的OPTIR装置的实施例。在该实施例中，红外光源200产生红外光束202，该红外光束202在穿过光束组合器208(通常是二向色光束分离器，尽管也可以使用偏振光束分离器)之前可选地由一个或多个反射镜204和206引导。在所示的配置中，光束组合器208对红外辐射基本上是透射的，而对探测辐射是反射的，因此红外光束传递到二向色器210。光束组合器可以交替地反射红外和透射探测光，并且可以相应地调整配置。二向色器210将红外光反射到聚焦元件212，以将红外辐射束214聚焦到样本218的区域上的点216。样品218可以安装在平移台和/或扫描仪220上，以改变样品218相对于红外光束214的位置.探测光束源222产生紫外线和/或可见光光束224。探测光束224被引导到可选的反射镜228和230。在可选的反射镜之后，探测光束232进入光束组合器208。
在所示的配置中，探测光束232被光束组合器208反射到右侧，到达二向色器210，然后到达聚焦光学器件212。聚焦光学器件212将探测光束236聚焦到样品218的聚焦点217，通常至少部分与红外光束214的聚焦点216重叠。在另一种配置中，红外光束和探测光束可以通过单独的聚焦光学器件传递到样品。如下文将讨论的，在该实施例中，至少探测光束和可选的红外光束被布置成照射样品的宽区域。也就是说，不同于传统的OPTIR测量，探测光束没有聚焦到单个衍射受限的点，而是被配置为同时照射宽区域或至少多个位置，以能够同时在样品上的多个位置并行测量红外吸收。在一个实施例中，红外光束和探测光束都照射直径超过100微米的样品区域。
反射镜204、206、228和230中的至少一个优选地是电子可控的，以调节和优化聚焦的红外光束202和探测光束224的重叠，从而在样品218处产生重叠的红外光束214和探测光束234。重叠不必是对称的，也不必是一个在另一个的中心。
从样品反射或散射的探测光可以由收集光学器件或“收集器”收集。收集器可以包括聚焦光学器件212，即相同的光学器件可用于照射样品并从样品收集光。为了实现高空间分辨率，希望收集器具有高数值孔径。例如，收集器可以包括数值孔径至少为0.4，或者更优选大于0.6的物镜。在一个实施例中，收集器是具有40倍放大率和0.78NA的卡塞格伦(Cassegrain)反射物镜。在另一个实施例中，收集器是具有20倍放大率和0.70NA的卡塞格伦物镜。图2中的配置具有显著的优点，它允许收集镜面反射光，以及收集器的数值孔径锥内的所有散射光。这意味着图2所示的实施例具有捕获从样品返回的最强部分的探测光的能力，因此可以产生指示样品的红外吸收的强信号，并且具有亚微米的空间分辨率。使用上面指出的数值孔径，由公式1给出的分辨率对于0.78NA物镜为0.42μm，对于0.70NA物镜为0.46μm。高NA物镜的工作距离通常较短，通常只有几毫米或更短。短的工作距离形成了图2所示的背反射结构，其优点在于物镜与样品的紧密接近极大地限制了其他离轴收集路径的进入。
在其他实施例中，也可以使用红外折射物镜来代替反射物镜。例如，派克科技公司制造折射物镜20倍0.60NA和40倍0.85NA。补偿光学器件可用于探头或红外光束路径，以补偿红外和探头波长之间的焦距/色散差异。
可选地，被反射、透射、散射或以其他方式与样品相互作用的探测光可以由未示出的其他收集光学器件收集。对于对探测光透明的样品，可以在样品下方放置另一个收集物镜来收集探测光透射。这对于高度透明的样品是有利的，因为它允许在与样品的红外吸收区域相互作用之后再次收集大部分探测光。在这种情况下，收集目标可以是高NA可见目标。这也有利于空间分辨率，因为可见光目标的数值孔径超过0.9NA。在透射配置中使用的0.9NA物镜收集器在532nm探针波长下可以给出0.36μm的空间分辨率。
回到图2所示的反射配置，收集的探测光随后被反射回滤光镜210。滤光镜210可以是部分反射的。例如，允许一部分反射光射向摄像头250或类似阵列检测器的分束器。摄像头250用于测量平行于样品的多个位置处由样品的红外吸收引起的收集的探针光的变化。
控制器252用于执行几个功能。首先，控制器252使红外光源200、探测光束源222和摄像头250与触发信号254同步。具体来说，触发信号确保(1)摄像帧与红外激光脉冲同步曝光；以及(2)探测光束不会以导致摄像头饱和的方式不必要地曝光摄像头250中的传感器。下面更详细地讨论触发方案。
控制器252或单独的控制器(未示出)用于从摄像头250收集数据，以确定样品由于红外吸收而引起的光热响应，从而能够测量指示样品红外吸收的信号。通过测量该红外吸收信号作为波长或等效波数的函数，可以测量红外吸收光谱256，从而提供样品化学成分的化学表征和材料识别。利用摄像头250的平行测量能力和/或通过在样品扫描仪220的多个位置重复测量，可以在样品的多个位置进行样品的红外吸收。
执行红外宽场测量有几个挑战，特别是使用摄像机/阵列探测器代替单点探测器。使用OPTIR技术以亚微米空间分辨率同时对样品的多个位置进行红外吸收测量，涉及动态范围、样品照明、空间分辨率和其他因素。下面将依次讨论其中的每一个。
灵敏度和动态范围
与单点探测器相比，使用基于摄像头的探测器获得足够的灵敏度可能是一个挑战，因为光热响应可能非常小，即小于在典型摄像头的动态范围内可以检测到的响应。例如，对于聚合材料，折射率和热膨胀的变化大约为10-4/K，而对于许多其他材料，变化较小。探测到的探测光束强度的变化通常与这些折射率/膨胀系数的分数变化具有相似的数量级，也就是说，收集的探测光束强度也大约变化10-4/K。通常需要将样品温度的升高降到最低，以限制样品中热致变化的机会。因此，一个好的目标是使温度上升小于10K，从而使折射率或热膨胀的最大分数变化在10K x 10-4/K＝10-3左右。在红外光谱中，也希望具有大的动态范围，以适应最强吸收带和较弱吸收带之间的吸收差异。例如，弱红外波段可能比强波段小10-100倍。要解决分辨信噪比为10的100倍弱波段，则需要能够检测10-3/10/100＝10-6的分数变化。不幸的是，这意味着106的动态范围，远远超过了大多数(如果不是所有的话)市售摄像头能够处理的范围。摄像头有一个有限的景深，它设置了在曝光必须停止和摄像头像素读出之前可以积累的最大光电子数量。摄像头传感器的动态范围由景深和像素读取噪声的比率设定。高端科学CMOS摄像头的动态范围约为10，000至60，000，比执行高速红外光谱所需的动态范围低几个数量级，动态范围足以分辨小波段。
通过累积多个帧可以获得足够高的动态范围。在这种情况下，信号随着累积的帧数线性增加，而噪声部分抵消，只像帧数的平方根一样增加。因此，动态范围会像累积帧数的平方根一样增长。因此，举例来说，用动态范围为50，000的摄像头传感器实现106的动态范围将需要累加(106/50，000)2＝400帧。控制器252和/或附加的可选帧求和电子装置(未示出)可以累积多个摄像头帧，例如包括现场可编程门阵列、嵌入式计算机或其他可以捕获和求和帧的电子装置。
通量
我们接下来转到在这里描述的实施例下可实现的测量通量。对于宽场光热测量，给定摄像头固有动态范围DR 0，摄像头的相关品质因数是获得期望动态范围DR所需的总时间t。测量时间t由下式给出:
t＝(DR/DR0)2/f
其中f是摄像头的帧速率。不同的摄像头也有显著不同的帧速率，从每秒几十帧到每秒几千帧或更高。更高的帧速率并不一定更好，如果它们是以更差的动态范围为代价的。科学的CMOS摄像头可以很好的平衡帧率和动态范围。例如，使用像Tucsen Dyhana 95这样的摄像头，具有动态范围约为62，100，以及具有256x 256像素的帧速率为192帧/秒。使用上面的公式，可以在1.35秒内实现106的动态范围。要获得包含500种不同红外波长的光热红外吸收测量值的光谱，需要500×1.35秒＝676秒。虽然这比使用单点检测器的单点OPTIR光谱的时间要长得多(通常在1-10秒的范围内)，但这些测量并行进行的事实比单点测量提供了显著的净效益。在上面的场景中，摄像机传感器可以同时获取256x 256＝65，356个光谱。因此，本实施例下的通量为每秒63，356/676＝97个光谱，动态范围为106。这表示光谱速率比用单点检测器以上述每光谱1-10秒的速率获得OPTIR光谱快100-1000倍。因此，尽管固有动态范围较低，但这种宽场方法可以获得显著更高的测量速度。这里描述的实施例可以以大于每秒20个光谱、大于每秒50个光谱和大于每秒90个光谱的光谱通量同时测量样品上多个位置的红外吸收，同时实现高达104、105和106的光谱动态范围。
在一些实施例中，可能希望在红外光源脉冲开启时累积摄像头帧，并且在红外光源关闭时累积摄像头帧。在红外光打开和红外光关闭的情况下累积帧可用于创建差分测量，该差分测量指示由于样品红外吸收而导致的收集的探针光的变化。在一些配置中，摄像头系统可以具有机载存储器来累积多个帧，从而降低向主机传输数据所需的频率。也可以在摄像头上累积两个或更多个单独的图像。例如，一个累加器用于红外开启的帧，另一个累加器用于红外关闭的帧。一些摄像头还能够获取两个不同的图像缓冲区，这两个缓冲区的摄像头曝光之间的延迟是可变的，例如普林斯顿
Figure BDA0002805761980000101
品牌的摄像头。在这种配置中，初始触发信号可以触发第一次采集，例如，探测光束对红外脉冲的响应和第二图像缓冲器在短延迟后累积，或者，在热松弛已经发生并且探针强度回到基线值之后。这两个图像可以被相减或以其他方式进行比较，以确定由于样品的红外吸收引起的空间分辨光热响应。
或者，摄像头数据可以被转换成基于时间的数据流，数据流被同步解调，例如使用数字锁定技术和/或旨在模拟锁定的计算，即将时间相关数据乘以一个或多个周期基函数(例如，正弦和余弦、门脉冲、小波或其他函数)，然后对结果输出进行滤波。在这些情况中的任何一种情况下，目标都是确定所收集的探针强度的摄像头测量值的动态变化，以通过所收集的探针光的红外吸收调制来确定指示样品区域的红外吸收的信号。
样本照明
在一个实施例中，红外光束和探测光束被配置成照射直径大约为100μm的区域。在其他实施例中，1mm宽的区域可以被红外和探测光束照亮。选择100μm左右的照明面积有几个优点。首先，该照明区域仅比传统OPTIR仪器中使用的红外光束的衍射极限光斑尺寸大几倍。例如，聚焦的红外光斑尺寸可以在10-30μm的范围内，这取决于所使用的聚焦物镜的孔径和质量。因此，将红外光束直径扩大到100μm左右，只会使光束面积增加10-100倍。因此，为了保持与常规光学测量相同的红外光功率密度，需要比当前单点测量多10-100倍的红外功率。典型的光学单点测量是在峰值功率约为5-20mW(即红外脉冲期间的功率)。
可用的中红外可调光源可以产生数百毫瓦至数瓦光功率的输出光束。例如，来自MSquared激光器的萤火虫红外(Firefly-IR)可产生平均功率大于250mW的中红外辐射。例如，埃克普拉公司(Ekspla)的纳秒光学参量振荡器(OPO)在1kHz时可产生450uJ或450mW的红外功率。振幅系统产生的OPO激光的输入功率可达50W，产生的中红外输出效率大于12％，例如产生6W的中红外能量。蒋(Jiang)等人都证明了在3.3um波长下功率高达8.5W的高功率脉冲OPOs(DOI:10.1364/OE.23.002633)。彭(Peng)等人演示了输出功率超过27W的可调中红外激光器(DOI:10.1134/S1054660X1201015X)。赫明(Hemming)等人展示了一个高功率中红外ZGP环OPO，光功率超过30W(DOI:10.1364/CLEO_SI.2013.CW1B.7)。
这些中红外光源中的每一个将依次提供足够的功率，以相同的平均功率密度照射越来越大的样品区域，如用于显微聚焦的情况。例如，假设对于显微镜的情况，我们将红外光束聚焦到10μm的光斑上，功率为1mW，以获得足够的灵敏度。当用从Jiang等人30W的红外功率的OPO时，我们可以照亮直径比10μm聚焦光斑大122X的区域(通过功率比为30W比1mw的平方根)。所以这对应于照亮直径为1220μm的圆形区域的能力。最终结果是，有多个红外光源，其强度足以照亮100μm范围内的宽区域，并且一些光源足以支持直径大于1mm的圆形区域。通过使用光束缩减器来减小红外光束聚焦的有效数值孔径，和/或通过照射红外兼容漫射器，可以产生更大的红外光束尺寸。低成本热源，例如球状光源，由于其尺寸较大，自然会照亮样品的较大区域。通过将这些光源耦合到高速调制器，例如光弹性调制器和高速斩波器，可以使它们适用于高空间分辨率的OPTIR测量。例如，Hind仪器公司生产合适的光弹性调制器，Scientec科技公司生产能够调制超过100kHz的光束的光学斩波器。
在可见光方面，从大约1μm的区域变成100μm的区域，包括大约100，000X大的照明区域。有人可能会认为这导致需要用100，000X以上的激光功率照明。传统的单点光学测量是在输入探头功率约为1-100mW之间进行的，因此要求100，000倍以上的功率可能是禁止的。然而，有几个方面可以缓解这种情况，并降低所需的探头功率。Tucsen Dyhana 95具有95％的量子效率和90，000个光电子的全阱容量。在532nm波长下，这导致256×256像素的饱和剂量为2nJ。在每秒192帧的Tucsen Dyhana 95摄像头的最大帧速率下运行，这意味着饱和度确实可以每1/192秒＝5毫秒传递一次。每5毫秒2nJ的曝光相当于摄像头上2nJ/5毫秒＝0.4μW的平均探测功率。相比之下，在传统的OPTIR测量中，入射到单点检测器上的探针功率水平约为20至400μW(取决于样品反射率和损坏阈值)。因此，摄像头像素在比单点检测器通常使用的低50-1000X的功率水平下会饱和。这意味着使用基于摄像机的检测器可以显著降低每个像素的平均功率要求。
假设要达到2nJ饱和剂量或0.4W平均功率目标，我们可以估计所需的输入脉冲能量/功率。假设样品反射率为4％，通过卡塞格伦(Cassegrain)物镜的双向光通量为60％，两个分束器的损耗各为50％，其他地方的光通量为80％，我们估计需要的输入功率比检测器检测到的大约多400倍。因此，我们需要一个每脉冲能提供800nJ或160μW平均功率的探测束源。事实上，这是一个相当适度的功率量，并且不会比单点检测器的输入多100，000倍，这在第一印象中是必要的。有几个可见的探针源可能是合适的。例如，气体激光器、二极管激光器、超发光二极管、发光二极管光源和其他光源可以为这种应用提供足够的光功率。也可以使用其他白炽光源。然而，较高的功率源确实提供了一个额外的优势，这与支持可提高空间分辨率的较短探针脉冲有关。
空间分辨率和热扩散
较短的探测光束脉冲有利于保持高空间分辨率。热扩散主要会损害空间分辨率，因为红外吸收区产生的热量会扩散到样品的相邻非吸收区。通过使用短探测光束脉冲，它允许在红外脉冲开始后的选定时间窗口测量光热响应。热扩散长度L由下式给出:
L＝(αt)1/2
其中，Lα是样品材料的热扩散率，t是扩散时间。例如，假设热扩散率为10-7m2/秒(典型的聚合物)，对应于200μs长的探测脉冲持续时间的热扩散长度约为4μm，而2μs的探测脉冲将导致约0.4μm的热扩散时间。
图3示出了在时间分辨测量中用单点检测器捕获的聚合物膜上的光热响应300。对于图3中的测量，用来自基于量子级联激光器(QCL)的脉冲持续时间为260ns的红外源的1729cm-1的红外脉冲照射聚合物薄膜，同时用单点硅探测器测量反射的探测光的强度。在所使用的配置中，相对于红外脉冲(302)之前的强度，探测光束强度在红外脉冲持续时间(点304)期间急剧下降。当探测信号返回到基线时，在306中观察到所得的热松弛。图3被绘制成仅示出了收集的探测光的交流变化(即基线被移至零)。
图3表明样品的光热响应可以持续超过100μs。为了最大化总的检测信号，可能希望在整个衰减时间(或其相当大的一部分)内积分光热响应。然而，如果光热响应在很长的时间内积分，空间分辨率可能会因热量扩散到邻近的非红外吸收区域而受到影响。在一些实施例中，期望使用对应于红外激光脉冲后的短时间的光热响应来构建红外吸收信号，以便限制热扩散对空间分辨率的损失。这可以通过几种方式实现。首先，可以通过多次快速记录收集的探针，然后用仅从红外脉冲开始后的选定时间段内的选通持续时间中选择的探针束测量值构建红外吸收信号来实现。或者，也可以通过选择与红外激光脉冲同步启动的短时间摄像头曝光来获得类似的结果。在这种情况下，摄像头曝光时间和相位充当了门。在一个实施例中，探测光束也是同步脉冲的，并且有效的摄像头曝光时间可以通过探测光束脉冲的持续时间来控制。在任何这些情况下，都可以调整门时间(例如探测光束脉冲持续时间和/或摄像头曝光时间)，以优化空间分辨率和灵敏度。
图4示出了可用于构造来自探测光束的红外吸收信号的选通的例子。轨迹400示出了红外源的触发脉冲的示例脉冲序列，例如脉冲激光源的同步或触发输入。轨迹402示出了收集的探针光的强度作为时间的函数的图示。如图3所示，轨迹402示出了在红外脉冲持续期间收集的探测光急剧减少，然后热衰减更平缓地回到基线。轨迹404示出了示例门函数，该门函数可用于选择轨迹402的部分406，以用于计算指示样品的红外吸收的信号。注意，在所示的例子中，轨迹404中的选通脉冲可选地被安排成发生的频率是400和402中的红外脉冲和光热响应的两倍。这样做的原因是为了实现差分测量。具体地，探测光束强度可以在两种不同的情况下交替采样:(a)响应于红外吸收，例如轨迹406的部分408；和(b)在红外脉冲之前或之后的基线周期期间，例如轨迹406的部分410。可以减去或比较红外开启(408)和红外关闭(410)这两个信号，以产生指示响应于红外吸收的光热信号变化的差分信号，从而指示红外吸收的量。轨迹404中所示的栅极脉冲可以以几种方式使用。例如，可以在时间分辨测量中使用它来选择轨迹402中的感兴趣区域，以选择轨迹406中的部分408和410。可选地，门脉冲404可以用于设置摄像头曝光开始和结束时间。门脉冲也可以或者替代地控制探测光束脉冲的发射时间。例如，栅极脉冲可以用于调制基于发光二极管的探测光源中的二极管电流，或者用于二极管泵浦固态激光器或其他具有电子可控输出的探测光源中的二极管电流。门脉冲交替地控制放置在摄像头和/或探测光束光源前面的快门和/或调制器。电光调制器、声光调制器、光弹性调制器、高速斩波器和其他相关装置是可用于周期性调制连续激光源的强度以提供探测光脉冲来与红外光脉冲同步照射样品的装置的例子。
门时间的长短可以决定对热衰变的哪个部分进行采样。为了优化空间分辨率，可能需要使用较短的选通时间。例如，为了对应于小于0.5μm的热扩散长度，如上所述，可能希望采用小于2μs的探测光束脉冲。所需的探测束峰值功率由所需的探测脉冲能量除以脉冲持续时间来设定。因此，如果我们希望在2μs内传递2nJ的探针能量(这样我们就可以在2μs的热扩散时间内充满摄像头像素孔)，我们需要摄像头的峰值功率为2nJ/2μs＝1mW。应用前面讨论的关于探测光束源和摄像机之间的光损耗的400X因子，这表明探测光束源应该在2μs内提供至少400mW的光功率，以便能够实现最佳的空间分辨率并充分利用摄像机传感器的动态范围。
也有适合的高亮度发光二极管光源。用于探测光束的发光二极管光源可能是有利的，因为非相干光源可以最小化散斑和干涉伪影。例如，Thorlabs生产用于显微镜单色高功率发光二极管照明器，他们的SOLIS品牌产品可产生高达3-7W的光，具有多种波长选择，并能够通过可用的发光二极管电源/控制器在高达250kHz的频率下进行脉冲和/或调制。根据实验室测量，来自发光二极管显微镜照明器的7W光功率通过40倍0.78NA卡塞格伦物镜照射到光学透明的聚合物薄膜上，将足够的光返回到摄像头，以在70微秒内饱和科学的CMOS摄像头传感器的中心区域。因此，7W的发光二极管光源足以提供足够短至70μs的光脉冲，同时仍然使用摄像头传感器的最大动态范围。(这些测量是在具有许多光学表面和相关损耗的试验台系统上进行的。通过优化设计，使用最少数量的光学表面和适当的低损耗涂层，可以获得高达2倍的光学通量。)对于高反射的样品或透射测量的样品，收集的探测光量可以高得多。例如，虽然透明聚合物可能仅反射约4％的入射探测光，但高反射样品或高反射基底上的样品可能反射90+％的入射探测光，导致摄像头检测到的光增加约22倍。这将使探针光脉冲短至70μs/22＝3.2μs。对于在探测光波长下基本透明的样品，在透射中可以获得类似的结果。请注意，没有绝对必要最大化摄像头像素的动态范围。如果实现最高空间分辨率是主要目标，可以使用短探测光束脉冲，使得收集的光甚至远低于摄像头像素景深度，然后可以共同添加更多的摄像头帧来实现期望的动态范围。
高功率激光源也具有足够的强度来照射样品的较宽区域。可见光、紫外和近红外泵浦激光器也具有极高的功率。例如，光电子公司(Optotronics)提供功率高达6W的532nm绿色激光系统，还有其他功率大于20W的低噪声科学激光器。相干公司制造的1064nm激光器的光功率高达55W。
探测光束照明可以通过几种不同的方式进行配置。图5A、5B和5C显示了三种配置。图5A示出了本发明实施例的一个子集，其中样本500具有区域502，该区域502在超过成像系统的空间分辨率的区域上被显著重叠的红外光束504和探测光束506顶部照射，并且允许同时检测来自照射区域内多个点的红外吸收。此图显示腰部在表面的高斯照明。然而，更均匀的照明是优选的(也称为高帽(Top Hat)强度分布)，并且这可以以多种方式产生，包括高斯和环形激光模式的组合。
图5B示出了替代实施例，其中红外光束524从侧面引入。红外的侧面照明变得非常实用，因为发射直径约为1mm的光斑需要较低的孔径。在一个轴上延伸可能会在表面上产生一个椭圆，其长度是宽度的2到3倍。侧面红外光束传输允许更好的目标，只在可见光范围内工作(折射不反射)。例如，图2的聚焦元件212可以是可见/折射物镜。532nm光的高NA物镜数量丰富，价格合理。100倍Mitutoyo Plan复消色差透镜的工作距离为0.7NA和6mm，为侧面红外光束传输提供了足够的通道。折射物镜也可以提供比红外兼容卡塞格伦物镜更好的成像和光学通量。
图5C示出了一个替代实施例，其中两个光束反向传播。在这种情况下，红外光束534被显示为从下方照射样本，例如穿过红外透明衬底，而探测光束506从上方照射样品。在这种情况下，将摄像头定位成收集透过样品的探测光可能是有利的。也可以在图5B和5C中切换红外和探测光束配置，例如，使探测光束从图5B和5C中的一个角度照射样品，并且红外光束垂直于样品。在图5C中，可以使红外光束来自上方，探测光束来自下方。
探测光束的宽场照明可以在许多可能的配置中实现。在一个实施例中，传统的科勒照明(Kohler)方案可用于将探针照明源的图像投影到聚焦物镜的后焦平面上，例如图2中的聚焦元件212。这种布置的简化示意图如图6所示。在图6中，探测光束源600(例如可见光发光二极管发射器)产生探测光束601，探测光束601的至少一部分被第一收集透镜602(例如非球面透镜)收集。收集透镜以及可选地与其他光学器件相结合，将探测光源600的图像聚焦在孔径光阑604附近的图像平面中。然后，探测光源的图像通过一个或多个透镜(例如透镜606和610)相关联，以在物镜616的后焦平面附近产生探测光源的图像。收集透镜和其他透镜的布置可以被布置成在物镜616的后焦平面处产生探测光源的图像，该图像与物镜的输入光瞳适当匹配。可选的场光阑608可以调节由探测光束照射的样品的面积。为了由探测光束进行更均匀的照明，可能希望使探测光束的图像稍微大于输入光瞳，例如大20-50％，这取决于对均匀照明的期望和对光学通量的要求。红外源622可以使用二向色器614与探测光束共线组合。可选的光束控制镜，例如图2中的204、206、228和230在图6中未示出。但是可以用于控制和优化红外光束和探测光束之间的重叠。因此，红外光束624和探测光束618可以聚焦在样品上，以照亮样品620的宽区域。从样品散射和/或反射的探测光可以由摄像头650收集，并如上所述进行分析，以产生指示样品上多个位置的红外吸收的信号。
或者，可以采用临界照明方案，例如直接在样品上形成探测光束源(例如发光二极管发射器)的图像。图7示出了这种布置的简化示意图。图7基本上类似于图6，采用相同的数字标注，相关说明适用。然而，在图7中，使用了简化的照明方案。在该方案中，使用收集透镜602和物镜616的组合，探测光束源600被直接成像到样本6520上。基于探测光束源发射器相对于照明器的期望尺寸的相对尺寸，可以根据需要放大或缩小探测光束源的图像。例如，对于1mm的发光二极管发射器，收集透镜和物镜焦距之间的10倍焦距比将导致发光二极管发射器的直径为100μm的图像投影在样品表面上。在另一个实施例中，发光二极管发射器可以直接放置在样品上方，例如安装在聚焦元件212的底部。
图8示出了用于向样品提供红外和可见光照明的替代实施例。图8类似于图6中，使用了一些相同的数字标注，相关的描述也适用。在图8中，探测光束源800产生入射到一个或多个可选透镜802上的探测光束801，该透镜可用于收集、准直、放大/缩小和/或聚焦来自探测光束源800的光。然后，探测光束801入射到小反射镜804上，小反射镜804将探测光束806导向样品618。在卡塞格伦物镜用于聚焦元件616的情况下，物镜中存在中央障碍物。因此，反射镜804可以附接或以其他方式放置在物镜616的底部，而不会阻碍同样朝向样品的红外光束624的路径。
图9示出了使用小透镜阵列来提供离散照明点阵列的替代照明方案的例子。在该实施例中，样品900由红外光束904从下方照射。探测光束906从上方指向样品900。然而，在探测光束906撞击样品之前，它撞击具有多个小透镜922的小透镜阵列920。每个透镜922产生照亮离散焦点928，其照亮样本900的一部分的。如图2所示，可以通过在样品的多个位置重复测量来测量样品的宽区域，例如通过在样品扫描仪上对样品进行光栅扫描。扫描仪只需要具有大致对应于小透镜焦点之间的间隔的范围，就能够产生样品的红外吸收特性的连续图像。
图10示出了在图2所示的实施例下测量的宽场OPTIR数据的例子。样品是多层聚合物膜的横截面。样品用探针光源照射，探针光源包括7W、445nm波长的LED光源，在连续工作中，用40倍0.78NA塞格伦物镜聚焦在样品上。样品同时被来自QCL光源的脉冲红外光照射，光源工作在1293cm-1。从样品反射和散射的探测光用相同的卡塞格伦物镜收集，并导向1200×1200像素的科学CMOS摄像头。500帧是在红外脉冲开启和红外脉冲关闭的情况下协加。样品化学图像1000是红外激光器开启与红外激光器关闭时图像之间的差异。化学图像1000显示了400×400像素的图像，比例为3.04像素/微米，因此对应于131×131微米的图像尺寸。因此，在所示的实施例中，可以使用基于摄像头的传感器来测量指示样品上多个位置处的红外吸收的信号，该样品包括大于100×100微米的测量区域。
这里描述的实施例是示例性的。对描述的实施例进行修改、重新安排、替代流程、替代元素等仍然包含在这里阐述的教导中。这里描述的一个或多个步骤、过程或方法可以由一个或多个适当编程的处理和/或数字装置来执行。
根据实施例，这里描述的任何方法步骤的某些动作、事件或功能可以以不同的顺序执行，可以被添加、合并或一起省略(例如，并非所有描述的动作或事件对于算法的实践都是必要的)。此外，在某些实施例中，动作或事件可以同时执行，而不是必须按顺序执行。
结合本文发明的实施例描述的各种说明性逻辑块、光学元件、控制元件和方法步骤可以实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，各种说明性的组件、块、模块和步骤已经在上面根据它们的功能进行了一般性的描述。这种功能实现为硬件还是软件取决于特定的应用和对整个系统施加的设计约束。对于每个特定的应用，所描述的功能可以以不同的方式实现，但是这种实现决定不应被解释为导致脱离本发明的范围。
结合本文发明的实施例描述的各种说明性逻辑块和模块可以由机器来实现或执行，例如配置有特定指令的处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件、或设计成执行本文描述的功能的它们的任意组合。处理器可以是微处理器，但是可选地，处理器可以是控制器、微控制器或状态机、它们的组合等。处理器也可以被实现为计算装置的组合，例如，一个数字信号处理器和一个微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与一个数字信号处理器核心的结合、或任何其他这样的配置。
结合本文发明的实施例描述的方法、过程或算法的元素可以直接体现在硬件、由处理器执行的软件模块或两者的组合中。软件模块可以驻留在随机存取存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器、可编程只读存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、光盘或本领域已知的任何其他形式的计算机可读存储介质中。示例性存储介质可以耦合到处理器，使得处理器可以从存储介质读取信息和向存储介质写入信息。或者，存储介质可以集成到处理器中。处理器和存储介质可以驻留在专用集成电路中。软件模块可以包括使硬件处理器执行计算机可执行指令的计算机可执行指令。
本文中使用的条件语言，例如，除其他外，“能够”、“可以”、“可能”、“例如”等，除非另外特别说明，或者在所使用的上下文中以其他方式理解，通常意在传达某些实施例包括，而其他实施例不包括某些特征，元素和/或状态。因此，这样的条件语言通常不打算暗示特征、元素和/或状态以任何方式被一个或多个实施例所需要，或者一个或多个实施例必然包括用于在有或没有作者输入或提示的情况下决定这些特征是否是，在任何特定实施例中包括或将要执行的元件和/或状态。术语“包括”、“包含”、“具有”、“涉及”等是同义词，并且以开放的方式被包括地使用，并且不排除附加的元素、特征、动作、操作等。此外，术语“或”用于其包含意义(而不是排他意义上)，因此当使用术语“或”连接元素列表时，术语“或”表示列表中的一个、一些或所有元素。
如短语“X、Y或Z中的至少一个”的析取语言，除非另有特别说明，否则应与通常用于表示项目、术语等可以是X、Y或Z或其任何组合(例如X、Y和/或Z)的上下文一起理解。因此，这种分离的语言通常不旨在也不应该暗示某些实施例需要至少一个X、至少一个Y或至少一个Z存在。
术语“大约”或“近似”等是同义的，用于表示由该术语修饰的值具有与之相关的理解范围，其中该范围可以是±20％、±15％、±10％、±5％或±1％。术语“基本上”用于表示结果(例如测量值)接近目标值，其中接近可以意味着例如结果在值的80％以内、值的90％以内、值的95％以内或值的99％以内。
除非另有明确说明，诸如“一”或“一个”的冠词通常应被解释为包括一个或多个所描述的项目。因此，诸如“被配置成”的术语旨在包括一个或多个列举的装置。这种一个或多个列举的装置也可以被共同配置来执行所述列举。例如，“被配置为执行背诵(recitations)A、B和C的处理器”可以包括被配置为执行背诵A的第一处理器，与被配置为执行背诵B和C的第二处理器协同工作。
虽然以上详细描述已经示出、描述和指出了应用于说明性实施例的新颖特征，但是应当理解，在不脱离本发明的精神的情况下，可以对所示装置或方法的形式和细节进行各种省略、替换和改变。如将会认识到，这里描述的某些实施例可以体现在不提供这里阐述的所有特征和益处的形式中，因为一些特征可以与其他特征分开使用或实践。在权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化都包含在它们的范围内。
本文已经描述了系统、装置和方法的各种实施例。这些实施例仅作为示例给出，并不旨在限制要求保护的发明的范围。此外，应当理解，已经描述的实施例的各种特征可以以各种方式组合，以产生更多的附加实施例。此外，尽管各种材料、尺寸、形状、配置和位置等。已经描述了与所发明的实施例一起使用，在不超出所要求保护的发明的范围的情况下，可以使用除了所发明的实施例之外的其他实施例。
相关领域的普通技术人员将认识到，这里的主题可以包括比上述任何单个实施例中示出的特征更少的特征。在此描述的实施例并不意味着对本主题的各种特征可以被组合的方式的详尽介绍。因此，实施例不是特征的互斥组合；相反，如本领域普通技术人员所理解的，各种实施例可以包括从不同的单独实施例中选择的不同单独特征的组合。此外，关于一个实施例描述的元件可以在其他实施例中实现，即使在这些实施例中没有描述，除非另有说明。
尽管从属权利要求在权利要求中可以指与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他实施例也可以包括从属权利要求与每个其他从属权利要求的主题的组合，或者一个或多个特征与其他从属或独立权利要求的组合。这里提出了这样的组合，除非声明特定的组合不是有意的。
上述文献的任何引用都是有限的，因此没有引入与此处明确发明的内容相反的主题。上述文献的任何引用均受到进一步的限制，因此这些文献中所包含的权利要求均不在此引用作为参考。上述文献的任何引用均受到进一步的限制，因此，除非明确包括在本文中，否则这些文献中提供的任何定义均不被引用。
为了解释权利要求，除非在权利要求中引用了特定的术语“用于......的手段”或“用于......的步骤”，否则明确表示不引用35 U.S.C.§112(f)的规定。

Claims (31)

1.一种用于对样品进行显微分析的装置，其通过同时表征与样品的宽区域相对应的多个空间分辨位置的红外吸收特性，该装置包括:
红外辐射源，配置成用红外辐射束照射样品的宽区域；
探测辐射源，被配置为用探测辐射束照射样品的宽区域；
收集器，被配置为收集来自样品上多个空间分辨位置的每一个的至少一部分探测辐射作为收集的探测辐射；
至少一个摄像头，被配置为检测所收集的探测辐射的至少一部分，以生成指示多个空间分辨位置中的每一个相对应的指示红外吸收的信号，
其中，指示红外吸收的信号具有小于1微米的空间分辨率。
2.根据权利要求1所述的装置，其中间红外辐射源是可调的，以产生具有可变波长的红外光束，并且其中指示样品红外吸收的信号在多个红外波长处被检测。
3.根据权利要求2所述的装置，其中指示多个红外波长的红外吸收的信号包括红外吸收光谱。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括图像协加器，其中所述图像协加器对多个摄像头帧相加，以构建动态范围至少为104的协加图像。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述协加图像具有至少105的动态范围。
6.根据权利要求4所述的装置，其中所述协加图像具有至少106的动态范围。
7.根据权利要求1所述的装置，其中同时测量的多个样本位置包括直径至少为100μm的区域。
8.根据权利要求7所述的装置，其中指示所述多个样本位置的红外吸收的信号实现小于0.5μm的空间分辨率。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括门控功能，所述门控功能限制所述摄像头检测从多个样本位置收集的探针辐射的持续时间。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述门控功能限制以下至少一项:(a)摄像头的曝光时间；和(b)探测光束的脉冲持续时间长度。
11.根据权利要求8所述的装置，其中指示所述多个样本位置的红外吸收的信号是通过比较用照射样本的红外源收集的第一组摄像头帧和用不照射样本的红外源收集的第二组摄像头帧而产生的。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述收集器包括数值孔径(NA)至少为0.4的物镜。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述收集器包括数值孔径(NA)至少为0.6的物镜。
14.根据权利要求1所述的装置，其中所述探测辐射源是非相干光源。
15.根据权利要求1所述的装置，其中所述探测辐射源包括至少一个发光二极管。
16.一种操作用于同时表征样品上多个位置的红外吸收特性的系统的方法，该方法包括以下步骤:
用红外辐射源照射样品的多个位置，以在样品上产生红外照射点；
用探测辐射源照射样品的多个位置；
从多个样本位置收集探针辐射；
用至少一个摄像头检测收集的探针辐射；以及
分析摄像头检测到的探针辐射以产生指示样品上多个位置的红外吸收的信号，其中指示多个样品位置的红外吸收的信号实现小于1μm的空间分辨率。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括调节红外辐射源以产生具有可变波长的红外光束，并且其中指示样品的红外吸收的信号在多个红外波长处被检测。
18.根据权利要求16所述的方法，其中指示红外吸收的信号包括红外吸收光谱。
19.根据权利要求18所述的方法，其中间红外吸收光谱以每秒超过20个光谱的速率测量。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述红外吸收光谱以每秒超过50个光谱的速率进行测量。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述红外吸收光谱以每秒超过90个光谱的速率进行测量。
22.根据权利要求16所述的方法，其中，所述系统还包括图像协加器，并且所述方法还包括使用所述协加器，组合多个摄像头帧以构建动态范围至少为104的协加图像。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述协加图像具有至少105的动态范围。
24.根据权利要求22所述的方法，其中所述协加图像具有至少106的动态范围。
25.根据权利要求16所述的方法，还包括同时测量直径至少为100μm的区域。
26.根据权利要求16所述的方法，其中指示所述多个样本位置的红外吸收的信号实现小于0.5μm的空间分辨率。
27.根据权利要求16所述的方法，还包括应用门函数来限制所述摄像头检测来自所述多个样本位置的收集的探针辐射的持续时间。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述门函数限制以下至少一项:(a)摄像头的曝光时间；和(b)探测光束的脉冲持续时间长度。
29.根据权利要求28所述的方法，其中指示多个样本位置的红外吸收的信号实现小于0.5μm的空间分辨率。
30.根据权利要求16所述的方法，其中指示多个样本位置的红外吸收的信号是通过比较用照射样本的红外源收集的第一组摄像头帧和用不照射样本的红外源收集的第二组摄像头帧而产生的。
31.根据权利要求1所述的装置或根据权利要求16所述的方法，其中，根据测量在样品处的红外吸收引起的收集的探测光相位的波动，生成与多个空间分辨率位置中的每个位置对应的红外吸收的信号。
CN201980036346.8A 2018-06-01 2019-05-31 宽区域光学光热红外光谱 Active CN112204375B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862679588P 2018-06-01 2018-06-01
US62/679,588 2018-06-01
PCT/US2019/034944 WO2019232399A1 (en) 2018-06-01 2019-05-31 Wide area optical photothermal infrared spectroscopy

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112204375A CN112204375A (zh) 2021-01-08
CN112204375B true CN112204375B (zh) 2022-07-05

Family

ID=68698526

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980036346.8A Active CN112204375B (zh) 2018-06-01 2019-05-31 宽区域光学光热红外光谱

Country Status (5)

Country Link
US (2) US11879837B2 (zh)
EP (1) EP3803325A4 (zh)
JP (1) JP2021526633A (zh)
CN (1) CN112204375B (zh)
WO (1) WO2019232399A1 (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019232399A1 (en) 2018-06-01 2019-12-05 Photothermal Spectroscopy Corp. Wide area optical photothermal infrared spectroscopy
EP3822685A4 (en) * 2018-07-13 2022-03-23 The University of Tokyo IMAGE GENERATING DEVICE AND IMAGE GENERATING METHOD
WO2020123497A1 (en) * 2018-12-10 2020-06-18 Purdue Research Foundation Ultrafast chemical imaging by widefield photothermal sensing of infrared absorption
SE544814C2 (sv) * 2020-10-12 2022-11-29 Thoernberg Benny Avbildande materialanalysator samt förfarande för att använda denna
US11709352B2 (en) * 2021-03-25 2023-07-25 Trustees Of Boston University Dark-field mid-infrared photothermal microscopy
US11768150B2 (en) 2021-08-05 2023-09-26 Trustees Of Boston University Nanosecond-scale photothermal dynamic imaging

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010136728A1 (fr) * 2009-05-28 2010-12-02 Indatech Dispositif de spectroscopie et procédé pour sa mise en oeuvre
CN103091334A (zh) * 2013-01-29 2013-05-08 合肥知常光电科技有限公司 光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法及装置
WO2018073169A1 (de) * 2016-10-17 2018-04-26 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Optikgruppe für detektionslicht für ein mikroskop, verfahren zur mikroskopie und mikroskop
WO2018080868A1 (en) * 2016-10-29 2018-05-03 Anasys Instruments Method and apparatus for chemical imaging atomic force microscope infrared spectroscopy

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7230708B2 (en) 2000-12-28 2007-06-12 Dmitri Olegovich Lapotko Method and device for photothermal examination of microinhomogeneities
US6859313B2 (en) 2001-03-23 2005-02-22 Japan Science & Technology Corporation Super resolution microscope
US7075058B2 (en) 2003-03-28 2006-07-11 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Photothermal imaging scanning microscopy
JP4331126B2 (ja) 2005-03-04 2009-09-16 旭化成株式会社 熱レンズ分光分析装置
JP5065668B2 (ja) 2006-12-26 2012-11-07 オリンパス株式会社 顕微鏡法および顕微鏡
WO2013078471A1 (en) 2011-11-25 2013-05-30 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Chemical mapping using thermal microscopy at the micro and nano scales
US20140055784A1 (en) * 2012-08-23 2014-02-27 Logos Technologies, Llc Camera system for capturing two-dimensional spatial information and hyper-spectral information
EP3338075B1 (en) * 2015-08-20 2020-06-10 Massachusetts Institute of Technology Device and method for sensing targets using photothermal speckle detection
US10677722B2 (en) * 2016-04-05 2020-06-09 University Of Notre Dame Du Lac Photothermal imaging device and system
US20180081041A1 (en) * 2016-09-22 2018-03-22 Apple Inc. LiDAR with irregular pulse sequence
EP3867629A1 (en) * 2016-09-27 2021-08-25 Purdue Research Foundation Depth-resolved mid-infrared photothermal imaging of living cells and organisms with sub-mciron spatial resolution
WO2019232399A1 (en) 2018-06-01 2019-12-05 Photothermal Spectroscopy Corp. Wide area optical photothermal infrared spectroscopy

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010136728A1 (fr) * 2009-05-28 2010-12-02 Indatech Dispositif de spectroscopie et procédé pour sa mise en oeuvre
CN103091334A (zh) * 2013-01-29 2013-05-08 合肥知常光电科技有限公司 光学表面及亚表面吸收缺陷的高分辨率检测方法及装置
WO2018073169A1 (de) * 2016-10-17 2018-04-26 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Optikgruppe für detektionslicht für ein mikroskop, verfahren zur mikroskopie und mikroskop
WO2018080868A1 (en) * 2016-10-29 2018-05-03 Anasys Instruments Method and apparatus for chemical imaging atomic force microscope infrared spectroscopy

Also Published As

Publication number Publication date
US11879837B2 (en) 2024-01-23
JP2021526633A (ja) 2021-10-07
EP3803325A4 (en) 2022-03-02
US20210215601A1 (en) 2021-07-15
EP3803325A1 (en) 2021-04-14
CN112204375A (zh) 2021-01-08
US20240060885A1 (en) 2024-02-22
WO2019232399A1 (en) 2019-12-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112204375B (zh) 宽区域光学光热红外光谱
US10969405B2 (en) Method and apparatus for sub-diffraction infrared imaging and spectroscopy and complementary techniques
US10473693B2 (en) Method and apparatus for infrared scanning near-field optical microscopy based on photothermal effect
JP4887989B2 (ja) 光学顕微鏡及びスペクトル測定方法
JP5092104B2 (ja) 分光測定装置、及び分光測定方法
US11486761B2 (en) Photothermal infrared spectroscopy utilizing spatial light manipulation
US11885745B2 (en) Fluorescence enhanced photothermal infrared spectroscopy and confocal fluorescence imaging
EP2930496B1 (en) Raman micro-spectrometry system and method for analyzing microscopic objects in a fluidic sample
US20230063843A1 (en) Method and apparatus for high performance wide field photothermal imaging and spectroscopy
WO2012014727A1 (ja) 遠赤外撮像装置およびそれを用いた撮像方法
US20230251190A1 (en) Method and apparatus for fiber optic photothermal imaging and spectroscopy
RU2579640C1 (ru) Конфокальный спектроанализатор изображений
US11982621B2 (en) Autofluorescence photothermal characterization systems and methods
US20240118208A1 (en) Autofluorescence Photothermal Characterization Systems and Methods
JP2006300808A (ja) ラマン分光測定装置
TWI661222B (zh) 光學測量器與光學測量方法
Vaishakh et al. Quasi-Confocal Frequency Domain Imaging for Improved Depth Perception and Selective Suppression of Fluorescent Emissions

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