CN116209884A - 用于光纤光热成像和光谱学的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本文公开了光谱术的改进，其依赖于红外射束和探测射束二者与样品的相互作用。这些射束用于泵浦探测装置中，其中光纤探针收集来自红外源的红外辐射射束和探测辐射射束并且将其递送至样品。探测辐射射束和红外辐射射束的至少一部分在样品上彼此交叠。光纤还收集与样品相互作用的探测辐射。检测器可以使用该收集的信号来指示所收集的探测辐射的强度，并且分析器可以生成指示邻近光纤的样品的红外吸收的信号。

Description

用于光纤光热成像和光谱学的方法和设备
技术领域
本文公开的实施方式涉及通过使用光学系统(即，使用红外光、可见光或紫外光)来研究或分析材料。本文描述的实施方式涉及成像和光谱学，并且更具体地涉及对用于获取指示样品的光学性质和/或材料或化学组成的光谱信息(例如，与红外(IR)吸收谱相关的信息)的光热成像和光谱学系统和技术的改进。
背景技术
傅立叶变换红外(FTIR)光谱是IR光谱的最常见形式。FTIR通过对穿过样品的红外光的透射或来自样品的IR光的反射进行测量作为波数(IR光的频率的度量)的函数来工作。基于FTIR的显微镜结合了FTIR光谱仪和显微镜光学器件，以提供对IR吸收、透射和/或反射的空间分辨测量。对常规FTIR显微镜的基本限制是其只能实现所使用的IR光的波长量级的空间分辨率。基本限制由光衍射确定，并且由IR光的波长和IR照射和/或收集光学器件的数值孔径设置。实际限制可能进一步降低该空间分辨率。FTIR显微镜的空间分辨率与波长有关，但对于中IR中的波长在10微米量级上。例如，在美国专利第7,630,081号中示出了FTIR光谱学方法的示例，该美国专利描述了对FTIR干涉仪的最新改进。常规的FTIR光谱学可以涉及大量的样品制备以确保中IR射束适当地透射穿过样品，这对于许多不透明、易碎或生物物质是不可行或不期望的。在Mark A.Mackanos等人，“Fiber-optic probes enablecancer detection with FTIR spectroscopy”Trends in Biotechnology(生物技术趋势)28(6)317-323 2010中描述了用于癌症检测的常规FTIR光谱学技术的示例
衰减全反射(ATR)光谱术基于射束通过与样品直接接触的居间晶体的间接反射。使用中IR射束，ATR光谱术只能实现3微米量级的分辨率。ATR光谱必须要求居间晶体与样品直接接触，这可能导致样品的变形或断裂，并且ATR光谱需要大量的样品制备，特别是对于有机样品。此外，晶体与样品之间的反射或折射需要二者之间的良好接触。如果没有建立良好的接触，则光可以基于样品与晶体之间的材料的折射率而不是基于样品本身的性质来反射或折射。FTIR和ATR二者经受可能使光谱失真的各种伪影，包括尺寸和形状相关的散射伪影和色散效应，尤其是当在反射中操作时。这些问题会使得很难将谱与FTIR谱库进行比较，从而使材料识别和/或定量复杂化。
拉曼光谱术基于利用窄带激光源照射样品和测量从被照射区域散射的波长位移光的谱。常规拉曼光谱术通常利用可见激光源(例如532nm或633nm)，并且有时利用近IR光源(例如785nm或1064nm)，但不利用中IR光源(例如大于2500nm)。长于1064nm的波长通常不用作拉曼激发源，因为拉曼灵敏度像激发波长的4次幂一样降低，以及基于摄像装置的检测器对于较长波激发的灵敏度降低。)例如在美国专利第2,940,355中示出了拉曼光谱方法的早期示例。尽管拉曼光谱术可以实现低至几百纳米的分辨率，但是它也具有局限性，包括样品荧光和比红外小得多的谱库。
光纤光学通过沿通常被包层材料包围的光学透明纤芯的内部传输光而工作。(Optics,第四版；Eugene Hecht,Pearson,2002年.)纤芯和包层通常具有折射率差(或在边界处的折射率梯度)以径向限制光。在一些情况下，光纤可以是中空芯，即芯包含空气或真空。通常，将多于一个光纤组合成称为“束”的较大结构。该束可以由包括单一材料类型的纤维制成，或者可以由具有多于一种材料类型的光纤制成。分叉光纤或束在公共端具有并排的两个或更多个光纤，而在另一端分裂成两个或更多个分支。每个分支中使用的光纤类型可以相同或不同，从而允许根据应用优化光纤尺寸或光波长范围。
例如，在以下文献中描述了将光纤探针检测用于体内应用的拉曼光谱的示例：Cordero，Eliana等人的“In-vivo Raman spectroscopy:from basics to applications”，J.Biomed.Opt.23(7),071210(2018)；Stevens，Oliver等人的“Developing fibre opticRaman probes for applications in clinical spectroscopy”，Chem.Soc.Rev.,(2016),45,1919-1934；Wang,Jianfeng等人的“Development of a beveled fiber-opticconfocal Raman probe for enhancing in vivo epithelial tissue Ramanmeasurements at endoscopy”，Optics letters 38 13(2013):2321-3；以及Motz,Jason等人的“Optical Fiber Probe for Biomedical Raman Spectroscopy”，Applied optics.43(2004):542-54。
美国公布申请第2017/0146455A1号描述了一种利用光(例如红外光)进行非侵入性物质分析的方法，其中，使用中间光学介质使光被发射穿过而朝向样品。
美国专利第9,091,594号描述了用于化学光谱术和成像的光热光谱术的替选非破坏性方法，该方法使用不同波长的两个光束以实现亚微米空间分辨率，但是以非接触方式并且没有与上述ATR或FTIR技术相关联的繁重的样品制备要求。该专利中描述的一种方法包括用具有至少2.5微米的波长的第一IR光束照射样品，以在样品内的区域中产生由于吸收来自第一射束的能量而引起的光热变化，然后用具有小于2.5微米的波长的第二光束照射样品内的区域的至少一部分，从而以小于第一射束的衍射极限的分辨率检测该区域中的光热变化。尽管在美国专利第9,091,594号中描述的替选的双射束光热光谱技术提供了相比于中IR光谱术和成像的三种一般方法的显著优点，但是对这种新的光热技术的进一步增强和改进是期望的。
当前FTIR技术的关键限制是访问感兴趣样品的能力。常规的FTIR依赖于将感兴趣的样品安装在板、晶体上，或者安装在透射单元内。然而，许多感兴趣的样品位于台式FTIR系统难以接近的位置或无法从环境中取出进行分析。例如，在不移除样品并且不潜在地改变或干扰该样品的完整性的情况下，可能难以获得生物标本以用于分析。类似地，对考古文物、精美艺术、古董和法医样品的分析要求样品保持完整并且禁止或阻止将样品移到板安装件，如在常规FTIR中所进行的那样。因此，对在正常环境的约束下光谱术如何能够访问和分析这些种类的样品的手段和技术的改进将是有利的。
发明内容
描述了使用多功能平台对样品(包括生物样品和体内样品)执行化学光谱术的各种实施方式，该多功能平台使用可以提供以下益处的双射束光纤系统：(1)空间分辨率比常规IR光纤探针好10倍；(2)消除了常规反射型IR光谱术中常见的散射伪影和色散伪影；以及/或者(3)同时多功能测量，例如结合了红外光谱术、拉曼光谱术和荧光检测。在本文中描述的实施方式中，将双射束系统的至少两个分离的光束用于激发和感测。
在各种实施方式中描述的双射束系统可以至少包括：用于激发样品中的分子共振的第一红外辐射光束，其导致由吸收的IR辐射引起的局部加热；以及分开的第二光束，其用于探测由吸收的IR辐射引起的局部加热。第一IR射束通常是可调谐的IR源和/或宽带源，使得其可以激发样品的多个分子共振。第二探测射束通常是固定波长源，并且通常具有比第一射束短的波长。第二探测射束允许以更高的空间分辨率测量红外光谱，并且避免常规IR光谱术中常见的伪影。在各种实施方式中，这些光束可以布置在平行光纤中，或者布置在单个光纤中，并且这两个不同的射束可以在空间上彼此不同，或者可以通过不同的波长来区分。
在各种实施方式中，探测射束可以通过感测由热引起的样品中的一个或更多个变化(例如样品的变形、膨胀和/或折射率的变化)，来感测由IR吸收引起的样品中的温度升高。在一些实施方式中，探测/感测射束还可以例如通过拉曼光谱术、荧光或这些技术的组合来检测样品的性质。拉曼光谱术和/或荧光检测的测量可以与IR吸收的测量同时进行和并置，从而为多模态化学分析提供丰富的数据集。
在双射束光热光谱术系统的各种实施方式中，样品区域由激发光束照射，并且由于红外吸收而引起的光热响应利用探测光束读出。测量作为红外光源的波长(或等效地，波数)的函数的光热响应以构建指示样品组成的光谱。因为探测射束通常是固定波长的，所以它避免了常规IR光谱术中常见的波长相关色散效应以及尺寸和形状散射效应。即使探测光束的一部分被散射，该散射作为IR激发波长的函数也是恒定的。因此，双射束光纤系统可以收集可以容易地用于样品识别、表征和定量的高质量的IR光谱。
在实施方式中，由彼此协同操作的这两个光束收集的测量结果包含更多数据，并且可以被以比将射束彼此独立地操作的分辨率更高的分辨率收集。也就是说，由于探测/感测光束的较低的阿贝衍射极限，探测/感测光束具有比加热/红外光束更精确的空间分辨率，而加热/红外光束可以引起由于光热响应而产生的光谱数据或波长移位，所述光热响应不会由孤立操作的感测光束引起。
附图说明
结合附图参考以下详细描述来描述本文提供的实施方式的方面和优点。在整个附图中，附图标记可以重复使用以指示所引用的元件之间的对应关系。提供附图以示出本文中所描述的示例实施方式，且附图不旨在限制本公开内容的范围。
图1A是具有执行红外光谱术的能力的双射束光纤探针系统的概念上简化的内部框图。
图1B示出图1A的实施方式的光纤探针系统的概念性简化外部框图。
图2A是替选实施方式的双射束光纤探针系统的简化内部框图。
图2B示出了图2A的环绕区域的放大视图。
图3A至图3C是包括执行加热射束吸收光谱的测量的能力的光纤探针的远端和近端的实施方式的简化示意图。
图4示出了通过双射束探针系统的光的路径和相对光强度。
图5A至图5C是示出呈各种构造的光纤远端的终端表面的示例性描绘。
图6是包括用于将探测光源和IR激发光源聚焦在样品内的特定位置上的可选的微透镜阵列、聚焦透镜和接触棱镜的实施方式的简化示意图。
图7A是使用多分叉光纤探针的替选实施方式的双射束光纤探针系统的简化内部框图。
图7B示出了图7A的环绕区域的放大视图。
图8示出了用于反应室中的反应监测的图1B的实施方式的光纤探针系统的概念性简化外部框图。
图9示出了用于体内光谱分析的图1B的实施方式的光纤探针系统的概念性简化外部框图。
图10是使用光纤实施方式的方法的流程图。
具体实施方式
定义
出于本说明书的目的，以下术语具体定义如下：
“分析器/控制器”是指利于数据采集和控制双探针系统的系统。分析器/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光纤探针和/或样品的定位和/或扫描的控制。控制元件还可以收集关于探测射束偏转、运动或其他响应的数据，提供对激发和/或探针功率、偏振、转向、聚焦和/或其他功能的控制。控制元件等可以包括计算机程序方法或数字逻辑方法，并且可以使用以下各项的任何组合来实现：各种计算装置(计算机、个人电子装置)、模拟和/或数字分立电路部件(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、专用集成电路或其他电路元件。被配置成存储计算机程序的存储器可以与分立电路部件一起实现以执行本文中所描述的过程中的一个或更多个。
“合束器”是指可以将两个射束组合到同一光学路径上的光学元件。在一种配置中，合束器可以是在相反方向上使用的分束器，即，将从分束器界面反射的一个射束与透射穿过分束器界面的另一射束组合。例如，分束器立方体可以用作分束器和合束器。作为分束器销售的光学元件可以用作合束器，即使它们不用于将光分离到两个路径上。例如，马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪使用一个分束器来将入射光分离到两个路径上，并且使用第二分束器来重新组合这两个射束。在这种情况下，第二分束器被用作合束器。在迈克尔逊(Michelson)干涉仪中，使用单个分束器来划分入射光，然后将其重新组合。因此，迈克尔逊干涉仪中的分束器既用作分束器又用作合束器。合束器也可以是基于光纤的装置，例如将来自两个输入光纤的光组合到一个输出光纤，例如1×2光纤耦合器。单个1×2光纤耦合器可以用作分束器和合束器。
“分束器”是指可以将光划分到至少两个路径上的光学元件。分束器可以包括板、立方体和/或棱镜或者可以划分光束的其他形状/构造。分束器可以包括在感兴趣的波长处部分反射使得入射射束的一部分被反射而另一部分被透射的薄膜。分束器可以是偏振的，其中它基本上透射一种偏振的光并且反射正交偏振的光。例如在分束器是Nomarski棱镜或Wollaston棱镜的情况下，分束器还可以基于偏振沿两个传输路径对光进行划分。分束器也可以是非偏振的，其中光在两个路径之间被划分而基本上不依赖于入射光的偏振。分束器也可以是基于光纤的装置，例如将来自一个输入光纤的光分到至少两个输出光纤，例如1×2光纤耦合器。分束器可以是50:50分束器，其中光的基本上相等的部分被引导到两个不同的路径上。它们也可以是不均衡的，例如90:10或70:30或类似的分束器，其在一个路径上引导90％的光而在另一个路径上引导10％的光，或在一个路径上引导70％的光而在另一个路径上引导30％的光
“摄像装置”是指包括多个光敏像素的基于阵列的光电检测器。摄像装置可以包括一种或更多种技术，包括但不限于CCD、EM-CCD、CMOS、s-CMOS和/或其他光敏阵列技术。摄像装置可以支持每秒几帧、每秒几百帧、或者甚至每秒几千帧或更高的帧速率。替选地，摄像装置可以包括用于检测场景的对象/像素的空间分辨率和关系的其他方法，包括运动传感器或索引基准(indexing fiducial)。
“收集探测光”、“收集探测辐射”是指收集已经与样品相互作用的探测射束的辐射。可以在反射、散射、透射、倏逝波耦合和/或透射通过孔径探针之后收集探测光。
“准直光学器件”是指以通常对辐射进行准直的方式布置的任何上述光学元件。在一些实施方式中，相同的光学器件可以既用作聚焦光学器件，又用作准直光学器件，例如在一个传播方向上聚焦光，然后在相反的传播方向上重新准直光。
“共焦显微术”是指一种形式的光学显微术，其中在检测器处收集的光被限制为穿过样品上的光学物镜的3D聚焦体积内的小体积的光。共焦显微术通常通过将“共焦孔径”放置在与样品的焦平面相当的焦平面上来执行，从而阻挡不通过样品上的聚焦体积的杂散光。
“检测器”是指产生指示入射到检测器表面上的光/辐射的功率、强度和/或能量的信号的装置。信号通常将是电信号，例如电压、电流和/或电荷。检测器可以是光电二极管、光电晶体管、电荷耦合器件(CCD)。在一些情况下，检测器可以是半导体检测器，例如硅PIN光电二极管。检测器还可以是雪崩光电二极管、光电倍增管或者在光入射时产生电流、电压、电荷、电导率等变化的任何其他装置。检测器可以包括单个元件、多个检测器元件，例如双单元或四单元、检测器元件的线性阵列或二维阵列，包括基于摄像装置的检测器。
光束的“衍射极限”是指可以由检测器区分的两个光源的最小间隔。具有数值孔径NA并且在波长λ下工作的显微镜的阿贝衍射极限d被定义为d＝λ/(2·NA)。对显微镜的数值孔径的物理限制禁止非常大的数值孔径，因此显微镜的衍射极限强烈地依赖于用于检测的工作波长，其中大波长对应于相对差的分辨率，而高波长对应于增加的精度。
“解调(Demodulate)”或“解调(demodulation)”是指通常但不是必须以特定频率从整个信号中提取信息承载信号。例如，在本申请中，在光电检测器处收集的所收集探测光表示总信号。解调过程挑选出被样品吸收的红外光干扰的部分。解调可以通过锁定放大器、快速傅立叶变换(FFT)、对期望频率的离散傅立叶分量的计算、谐振放大器、窄带带通滤波器或者在很大程度上增强感兴趣的信号同时抑制不与调制同步的背景信号和噪声信号的任何其他技术来实现。
“解调器”是指执行解调的装置或系统。
“品质因数”是指信号或测量的相对质量的任何度量或指示符。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、信号背景比、这些的任何组合、或者使信号和/或测量的相对质量分级的其他度量。
“聚焦光学器件”是指具有聚焦光的能力一个或更多个光学元件。聚焦光学器件可以包括一个或更多个折射透镜、曲面镜、衍射光学器件、菲涅耳透镜、体积全息图、超材料、或其任何组合、或者能够聚焦辐射的任何其他装置或部件。
“荧光”是指由于荧光激发和发射过程而以一个波长激发，从而以另一波长从样品发射光。
“照射(Illuminate)”、“照射(Illuminating)”和“照射(Illumination)”是指将辐射引导到对象，例如样品的表面、探针尖端和/或探针-样品相互作用的区域。照射(Illumination)可以包括红外波长范围内的辐射、可见光的辐射、以及从紫外到毫米或更大的其他波长的辐射。照射(Illumination)可以包括辐射源、反射元件、聚焦元件和任何其他射束操纵或调节元件的任意配置。
“红外吸收谱”是指与样品的红外吸收系数、吸收度或IR吸收性质的类似指示的波长依赖性成比例的谱。红外吸收谱的示例是由傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)产生的吸收测量(即，FTIR吸收谱)。通常，红外光将被吸收(即，红外吸收谱的一部分)、透射(即，红外透射谱的一部分)或反射。与探测光源中该波长处的强度相比，所收集的探测光的反射或透射谱可以在每个波长处具有不同的强度。注意，通常绘制IR测量结果，作为示出所吸收光的量的替选方案而示出透射光的量。出于该定义的目的，IR透射谱和IR吸收谱被认为与两个数据集等同，因为在两个测量结果之间存在简单的关系。
“红外源”和“红外辐射的源”是指产生或发射通常在2微米至25微米之间的红外波长范围内的辐射的一个或更多个光源。辐射源可以是大量源之一，包括热源或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(OPO)、光参量发生器(OPG)、量子级联激光器(QCL)、带间腔激光器(ICL)、同步加速器红外辐射源、纳秒激光系统、皮秒激光系统、飞秒激光系统和阿秒激光系统、CO2激光器、微型加热器、电或化学产生的火花、和/或产生红外辐射的发射的任何其他源。在优选实施方式中，源发射红外辐射，但是它也可以在其他波长范围(例如从紫外到THz)内发射。源可以是窄带的，例如<10cm-1或<1cm-1更小的谱宽，或者可以是宽带的，例如>10cm-1、>100cm-1或大于500cm-1的谱宽。宽带源可以用滤波器、单色器和其他装置制成窄带。红外源也可以由离散的发射线之一组成，例如调谐到目标种类的特定吸收带。
“相互作用”在与样品相互作用的上下文中是指照射样品的光被样品、穿过样品和/或从样品散射、折射、吸收、畸变，转向、衍射、透射和反射中的至少一种。
“锁定放大器”是“解调器”(上面定义的)的一个示例，并且是在一个或更多个参考频率处解调系统的响应的装置、系统和/或算法。锁定放大器可以是包括模拟电子器件、数字电子器件以及二者的组合的电子器件组件。它们也可以是在诸如微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器和个人计算机的数字电子器件上实现的计算算法。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)分量或上述的任何组合。在该上下文中，锁定放大器还可以在参考频率、参考频率的较高谐波和/或参考频率的边带频率处产生这样的测量。
提及入射到样品上的辐射时的“调制(modulating)”或“调制(modulation)”是指周期性地改变位置处的红外激光强度。可以借助于射束的机械斩波、受控的激光脉冲、以及/或者偏转激光束来实现调制光束强度，其中，例如通过利用用于使镜倾斜或变形的压电致动器或其他装置静电地、电磁地驱动的倾斜镜、或者高速旋转镜装置来实现调制光束强度。还可以利用提供时变传输的装置(例如声光调制器、电光调制器、光弹性调制器、珀克耳单元(pockel cell)等)来实现调制。也可以利用衍射效应来实现调制，例如通过基于衍射MEMS的调制器、或通过高速快门、衰减器、或者改变入射到样品上的激光强度的强度、角度和/或相位的其他机构来实现调制。
“近红外光”通常是指对应于0.75μm-2μm的红外(IR)光的波长范围。
“窄带光源”是具有窄的带宽或线宽的光源，例如线宽小于8cm-1的光，但通常它可以是线宽足够窄使得线宽不覆盖样品的感兴趣的谱范围的光源。
“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、折射率的实部和/或虚部、样品介电函数的实部和/或虚部以及/或者可以从这些光学性质中的一个或更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更多个光学性质相关。光学响应可以是辐射的吸收、温度增加、热膨胀、光诱导的力、光的反射和/或散射或者由于与照射辐射的相互作用而引起的材料的其他响应。
“光热失真”是指由于光能的吸收(例如IR辐射的吸收)而引起的样品性质的变化。光热失真可以指以下各项的变化：折射率、反射率、热膨胀、表面变型或者可以用探测射束检测的其他效应。
“探测源”、“探测光源”或“探测辐射源”是指可以用于感测样品的光学性质的辐射源。探测光源可以用于感测样品对来自红外光源的光的入射的响应。辐射源例如可以包括气体激光器、激光二极管、超发光二极管(SLD)、近红外激光器、经由和频或差频生成产生的UV和/或可见激光束。辐射源还可以包括近红外、UV和/或可见光的任何或其他源，其可以被聚焦成尺度小于2.5微米、和/或甚至小于1微米、并且可能小于0.5微米的斑点。在一些实施方式中，探测光源可以工作在红外光源的调谐或发射范围之外的波长处，但是探测光源也可以是处于实际上与红外光源的调谐范围交叠的选择波长处的固定波长源。“探测光束”或“感测光束”是最初从探测光源发射的射束。
“探测射束”是被引导到样品上以检测由IR辐射与样品的相互作用引起的光热失真或其他光学变化的辐射或光束，例如检测样品对IR辐射的吸收的光束或辐射。
“拉曼”是指由于拉曼散射而以不同于激发波长的一个或更多个波长从样品非弹性散射的光。“拉曼光谱术”是指测量拉曼散射光的光谱含量(拉曼光谱)，例如作为拉曼位移的函数的拉曼散射光的强度。“拉曼光谱仪”是用于检查从样品收集的光中的拉曼位移并且产生拉曼光谱和/或拉曼图像的装置。
“延迟器”是指在光学路径中引起相对光学相位延迟的光学元件。延迟器的示例是波片，例如半波片、四分之一波片和八波片。一个或更多个延迟器/波片可以用于在光的两个偏振之间引入光学相位差，例如用于在正交干涉仪的两个路径之间引入相位差。
“指示……的信号”是指在数学上与感兴趣的性质相关的信号。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器件中的一个或更多个数字。信号可以是电压、电流或易于转换和记录的任何其他信号。该信号可以在数学上与被测量的性质相同，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更多个感兴趣的性质相关的信号，例如包括线性或其他缩放、偏移、反转或甚至复杂的数学处理。
“谱”是指作为波长的函数或等同地(且更常见地)作为波数的函数的样品的一个或更多个性质的测量。
术语“约”或“近似”等是同义的并且用于指示由该术语修饰的值具有与其相关的所理解范围，其中该范围可以是±20％、±15％、±10％、±5％或±1％。
术语“基本上”用于指示结果(例如，测量值)接近目标值，其中接近可以意指例如结果在该值的80％内、在该值的90％内、在该值的95％内或在该值的99％内。
本文所述的实施方式改进了早期的光热表征系统，因为它们独特地适合于表征湿的、易碎的、笨重的和其他难以表征的样品。实施方式可以是台式的或手持式的，进一步扩展了其在环境中的有用性，该环境诸如是考古现场、海关站或者远程的或其中样品不能被实际运离现场用于实验室的分析的其他位置。
双射束成像和光谱术
在一个实施方式中，本公开内容涉及利用光纤双射束系统获得光学性质的测量。光纤双射束系统包括至少一个激发射束和至少一个探测射束。激发射束和探测射束指向标本或材料的样品，并且以小于激发射束的衍射极限的分辨率收集与该样品中的光热效应对应的数据。在实施方式中，可以用亚微米级分辨率感测样品的红外吸收谱，并且在一些实施方式中，还可以同时或并行地使用另外的互补测量技术。
图1A示出了具有执行红外光谱术的能力的双射束光纤探针系统100的概念性简化内部框图。IR辐射源1000发射IR辐射射束1002，该IR辐射射束1002可选地由聚焦元件1004(例如透镜或反射聚焦元件)聚焦到第一光纤1007的近端1006上。IR辐射穿过光纤到达远端1008，在远端1008处IR辐射射束1009(有时称为泵浦射束)从光纤重新发射。该辐射可选地用聚焦光学器件1010重新聚焦到样品1014的区域1012上。
如果将IR源1000调谐到样品区域1012的吸收波长，IR吸收区域将稍微加热，从而产生局部热点1016。热点1016内的温度升高指示样品的区域1012的IR吸收性质，IR吸收性质又可以用于分析区域1012的材料的各个方面。在实施方式中，利用单独的探测射束1018读出由于IR吸收引起的相对温度增加。探测射束1018的波长通常被选择为短于IR射束1009的IR波长，因此探测射束可以被聚焦为更小的斑点尺寸。例如，如果IR辐射为5.32μm，并且探测辐射为532nm，则探测射束可以被聚焦为是IR射束的约十分之一小的斑点尺寸。探测射束可以感测热膨胀的变化、表面变形的变化、表面形状的变化以及/或者与IR吸收引起的温度变化相关的折射率的变化。
在实施方式中，探测射束1018起始于探测射束源1020，探测射束源1020通常在与IR辐射源1000相同的外壳1042内。探测射束源1020发射探测辐射射束1022，该探测辐射射束可选地穿过分束器1036。探测射束的至少一部分穿过分束器1024并且使用聚焦元件1026(通常为透镜)耦合到第二光纤1030的近端1028中。探测辐射行进穿过光纤1030，直到它在第二光纤的远端1031处离开。在实施方式中，探测辐射1033可选地用聚焦元件1032重新聚焦到样品1014的至少部分地与IR照射区域1016交叠的区域上。在一些配置中，聚焦元件1010和1032可以是同一共享光学器件。然而，在使用折射光学器件的情况下，所示的布置可能是有利的布置，因为许多光学材料对于IR波长和可见波长可以具有显著不同的透射特性和折射率。因此，图1A的方法允许对针对IR波长和针对探测波长的最佳聚焦光学器件进行单独的优化，并且可以致使在样品处总体上更小的聚焦斑点尺寸和改进的光注量。
从样品1014反射和/或散射的探测光被光纤1030的远端重新收集。替选地，可以用其他收集光学器件和/或一个或更多个附加光纤(在该图中未示出但相对于其他图描述)来重新收集光。行进回到光纤1030的所收集的探测辐射从光纤1030的近端1028重新出现，并且可选地由聚焦元件1026重新准直。当所收集的探测光射到分束器1024时，所收集的探测光的至少一部分1036向下指向探测射束检测部分。然后，探测光部分1036入射在可选的二向色器件1037上，二向色器件1037将探测波长的光引导到检测器1038。指示射到检测器1038的光的量的信号被引导到分析器/控制器1040。然后，分析器/控制器1040分析检测器信号以响应于样品的IR吸收来确定检测器信号的调制幅度。
在所描述的实施方式中，样品的IR吸收区域1016将响应于所吸收的IR光而变热。然后，通过监测从样品的IR吸收区域反射和/或散射的探测光的变化来读出该热变化。散射/反射的探测光可以由聚焦光学器件(例如球透镜)捕获，然后重新耦合到探测光纤1008中以用于检测和分析。替选地，如关于其他附图更详细地描述的，所收集的探测光可以由辅助收集光纤捕获。将与图2A至图2B和图3A至图3C相关联地描述各种其他端部件构造。
为了改善信噪比，可能期望与IR激发同步地分析所收集的探测射束功率的变化。例如，IR源1000可以是脉冲或其他调制源。来自检测器1038的信号可以由分析器1040以与IR源1000的脉冲/调制频率同步的频率解调。在实施方式中，这可以通过在分析器1040上实现锁定放大器并且使用IR源1000的脉冲或调制波形作为锁定的参考来实现。这也可以通过比较在IR源开和关的情况下的检测器信号水平来实现。还可以采用谐振放大器以放大处于与IR源的调制频率对应的特定频率的检测器信号。还可以通过傅立叶变换或其他频域分析来分析来自检测器1038的信号，以分离IR源的调制频率处的振幅。
对于上面的示例，可以分析处于IR源的调制频率和/或其更高的谐波的检测器响应。在这些情况中的任何一种情况下，可能期望提取指示响应于样品的IR吸收的探测射束检测器信号的调制的信号。检测到的调制可以是RMS振幅、峰-峰振幅、相位差或对由IR吸收产生的收集光的差异的任何合适的测量。由探测射束照射的样品的区域的IR吸收谱1044可以通过测量作为IR源1000的波长(或波数)的函数的所收集的探测射束的调制来构建。
在实施方式中，所测量的IR吸收谱与现有的常规的基于光纤的红外光谱术系统相比具有几个显著的优点。首先，空间分辨率由探测射束的尺寸确定，而不是由IR射束的尺寸确定。在对于探测射束使用更短的波长的情况下，探测射束1018可以被聚焦到样品处的是IR射束照射区域1012的约十分之一小的斑点。第二，该方法避免了影响常规IR谱的与尺寸和形状相关的散射伪影。在常规IR光谱仪中，通过测量在与样品相互作用之后收集的IR光的量来推断IR吸收。但是样品中的散射事件会极大地影响所收集的IR光的量，从而产生过多的伪影并且使得光谱的解释变得困难。在实施方式中，通过测量所收集的探测射束的变化而不是IR射束的变化来推断IR吸收。因此，用探测射束测量的IR吸收谱基本上不受这些IR散射伪影的影响。该方法还避免了色散伪影。在反射中执行的常规IR光谱术中，从样品反射的IR光的量取决于吸收系数和已知在IR吸收峰附近显著变化的实折射率。结果是在常规IR光谱仪中IR吸收峰的位置和形状可能变得失真，从而使分析、识别和定量变得困难。在各种实施方式中克服了这个问题，因为它基本上只对吸收系数敏感。原因是探测射束测量从IR光的吸收检测局部样品变热的效果。因此，光热检测直接探测IR吸收，而对实折射率的变化基本上不敏感。因此，通过当前技术测量的IR吸收谱提供了与常规透射FTIR测量更好的相关性，从而提供了用于化学分析的更鲁棒的数据。
图1A的设备还可以同时执行拉曼光谱术。在实施方式中，该设备还将对在探测光与样品相互作用的样品1014处产生的拉曼散射光进行量化。除了能够感测样品的热变化之外，探测射束还能够探测引起拉曼散射的分子共振。当发生拉曼散射时，探测光的一部分移动到更高和/或更低的波长。通过获得波长移位光的光谱，可以推断关于样品的分子共振的信息。由于不同的选择规则，IR测量和拉曼测量通常是互补的。事实上，作为强拉曼散射体的振动带通常是弱IR吸收体，反之亦然。因此，在同一样品中测量拉曼光谱和IR光谱的能力提供了显著的益处。
为了同时执行IR光谱术和拉曼光谱术，将从样品收集的探测光分成两条路径，一条路径用于针对如上所述的IR吸收进行分析，另一条路径用于针对拉曼散射。探测光被二向色器件1037分成两条路径。在所示的配置中，选择二向色器件1037以将原始探测射束波长反射到探测器1038，然后透射波长移位光(即发生拉曼散射的探测光)。拉曼移位光束1039可选地被引导至一个或更多个转向镜1041，然后引导到聚焦光学器件1043，该聚焦光学器件1043将拉曼移位光聚焦到拉曼光谱仪1045的入射端口上。替选地，聚焦光学器件1043可以将拉曼移位光1039聚焦到附加的光纤耦合器，以将拉曼光耦合到外部拉曼光谱仪(未示出)。拉曼光谱仪1045分析拉曼移位光的波长含量(例如，在多个波长(对应于多个拉曼移位值)上的检测器计数的数目)，以产生由探测射束照射的样品1014的区域的拉曼光谱1046。该光谱也可以显示在如结合图1B的描述所描述的装置的用户界面上。
然后可以分析IR吸收谱1044和/或拉曼光谱1046以确定样品的区域的化学含量。IR谱1044还可以用于分析、分类、量化、识别和/或区分样品。例如，在样品是生物细胞或组织的情况下，IR谱1044/拉曼光谱1046(或多个IR谱和/或拉曼光谱)可以用于分类细胞/组织类型，以确定其是否患病或健康，检测癌症的存在，识别特定病原体，检测/量化代谢物，检测/量化药物渗透、相互作用、功效等。根据各种实施方式的双射束光纤探针系统还可以编制有参考谱，可以将所测量的谱与参考谱进行比较。在一些操作模式中，代替显示IR谱/拉曼光谱，用户界面可以基于所测量的谱与参考谱的匹配程度来显示化学标识。在实施方式中，该单元还可以被编程为检测通过/失败情况，即，被检查的材料与所存储的参考值充分相似或偏离的情况。
在各种实施方式中，双射束光纤探针还可以同时测量红外谱和样品荧光。除了拉曼光谱仪之外或者代替拉曼光谱仪，图1A的元件1045可以是荧光检测器。例如，可以选择二向色器件1037以透射波长移位探测辐射的一个或更多个波长，其中波长移位由于样品的照射区域中的荧光而发生。在该实施方式中，元件1045可以是高灵敏度光学检测器，其可以用于记录在期望的波长带中收集的光的量。元件1045还可以是包括一个或更多个附加滤波器和检测器的多谱检测器，例如，以同时检测多个波长的荧光。与拉曼测量一样，这些荧光测量与IR谱在相同的位置处执行，因为二者都是用探测射束测量的。元件1045也可以是如前所述的拉曼光谱仪，并且该光谱仪也用于(或替代地)检测任何期望波长的样品荧光的量。
光纤1007和1030可以由各种材料制成，这取决于具体的应用要求。用于中IR激发束的合适的红外光纤可以从诸如OptoKnowledge、IRflex、CeramOptecNewport、Thorlabs的供应商和其他来源获得。在一些实施方式中，特定的硫属化物光纤可以在1.5μm至6.5μm或甚至10μm提供良好性能，并且多晶/卤化银光纤从4μm至18μm提供良好性能。中IR空芯光纤可以提供2μm至16μm上的良好传输。根据所选择的探测波长和在样品处的期望照射区域，许多选择也可以用于探测光纤。用于可见波长的典型光纤包括二氧化硅芯、玻璃和塑料。用于探测射束的合适光纤可以是来自Thorlabs的SM400或SM450单模光纤或者来自其他供应商的类似光纤。一些光纤可以在单个光纤中提供IR射束和探测射束二者的传输。例如，氟化锆光纤提供超过285nm至4.5μm的传输。氟化铟具有从310nm至5.5μm的传输。这种类型的光纤例如将支持例如来自周期性极化的铌酸锂光学参量振荡器的中IR发射(在2.5μm至4μm范围内的发射)连同具有UV、可见光或近IR中的波长的探测射束的传输。
IR源1000可以包括量子级联激光器(QCL)、带间级联激光器(ICL)、光学参量振荡器(OPO)、光纤激光器、超连续光源、飞秒光源、热源(如碳硅棒)或任何其他IR辐射源。一个特定的源是小型化QCL，例如来自块工程(Block Engineering)的一个或更多个“小型QCL”模块。探测射束源1020可以是气体激光器、激光二极管、二极管泵浦固态激光器、纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器或飞秒脉冲激光器、发光二极管、超发光二极管、白炽光源、水银蒸汽灯、卤素灯或能够发射到光纤中的任何其他UV、可见光或近IR光源。探测射束源可以是连续波(CW)、斩波、调制的和/或脉冲的。
光纤探针的远端1008可以可选地安装在端部件1034中。端部件可以提供用于聚焦光学器件1010和1032的座架以及用于光纤1007和1030的可选的可释放连接。端部件还可以按人体工程学的方式成形，以由人手舒适地握持并且/或者可以具有用于安装在机动化和/或机器人机构中的装置，以在样品上自动地平移从而在指定的位置处进行测量。端部件的尺寸还可以被设置成使得当端部件接触到样品时，IR射束和探测射束交叠并且基本上聚焦。IR和探测光纤的远端的若干其他配置将在后面描述。
检测器(例如元件1045)可以是半导体光电二极管，例如硅PIN光电二极管、雪崩光电二极管、光电倍增管、或者在光入射时产生电流、电压、电荷、电导率等的变化的任何其他装置。检测器可以包括单个元件、多个检测器元件，例如检测器元件的线性阵列或二维阵列、双单元或四单元，包括基于摄像装置的检测器。检测器信号可以使用电流放大器和/或电压放大器放大，然后发送至分析电子器件(例如解调器或锁定放大器)。可以使用内部脉冲控制或外部脉冲控制来调制和/或脉冲化泵浦射束源1000的输出。
因为所收集的探测射束信号以与泵浦射束的调制对应的频率被解调，所以解调信号可以指示由样品处泵浦射束的吸收引起的探测射束的偏差程度。解调信号指示探测射束聚焦于的样品区域的IR吸收。因此，解调信号可以用于在小于泵浦射束的衍射极限的空间分辨率尺度上映射样品的泵浦或其他加热射束吸收。
可以在与IR激发射束源1000对应的多个波长(或等效地，波数)处测量解调信号以获得指示样品的区域1012的红外吸收谱的信号1044。可以在样品1014上的多个位置处测量这些吸收谱，相对于聚焦的泵浦和探测射束平移样品，例如通过用样品台移动样品，或者通过移动光纤远端(例如通过移动端部件1034)。在某些实施方式中，可能需要附加的扫描透镜或其他光学器件，例如以对样品上的IR射束和探测射束焦点的位置进行光栅化成像。在多个位置处测量信号产生可以表示样品中的化学/光谱变化的光谱族。
可以对谱进行分析以产生示出样品中不同化学物类的分布的化学图像。也可以通过将固定波长/波数处的解调信号映射在样品上的多个点上来获得化学图像。例如，可以将泵浦源调谐到样品中至少一种化学成分吸收的波长。创建作为样品上的位置的函数的该固定波长的解调信号的图可以创建吸收分量的分布图。可以通过将泵浦源调谐到单个波长并且在样品的多个位置上扫描以及/或者通过在样品上的多个位置处测量泵浦吸收谱并且然后分析单个波长或波长范围上的吸收来产生化学图像。另外的化学计量技术和多变量分析技术可以应用于感测光谱的族以产生交替的组分图/化学图像。
在实施方式中，位置跟踪装置可以用于监测光纤探针的远端的位置。例如，3D定位技术可以用于记录作为时间的函数的光纤探针的位置和取向，并且该数据可以与样品的光谱测量同步以产生空间分辨图，即使光纤探针是手持的并由用户移动也如此。例如，来自PS-tech的使用近IR照射和立体感测的光学跟踪器可以以足以捕获来自手扫描光纤探针的运动的高达200Hz的速率提供适当的3D定位。
虽然在一些实施方式中，外壳1042内部的光纤探针100的部件被示出为布置在单个平面中，但是可以以3D构造堆叠部件以更有效地使用空间。例如，分析器/控制器1040可以安装在IR源和探测源的上方或下方，或者安装在外壳1042的侧壁上。另外，检测器1038或拉曼光谱仪1045中的至少一个可以安装在与IR源/探测源不同的水平上，例如安装在IR源和探测源上方或下方的平面上。这些仅仅是双射束光纤探针100如何可以使用堆叠而不是平面几何结构以允许更有效的小型化的几个示例。
各种实施方式还可以包括附加的滤光器和偏振透镜，以选择和增强用于检测和分析的光的期望波长。例如，可以在分束器1024之后插入四分之一波片，而分束器1024可以选择为偏振分束器，以提供探测功率到光纤1030中的高效传输和返回探测辐射到检测器1038的高效传输。在该实施方式中，可能期望将保偏光纤用于探测射束。
各种实施方式的一个优点是IR测量、拉曼测量和荧光测量都可以通过收集单个探测射束来感测。这样，可以同时地或顺序地收集多个化学图像分布图，例如一个分布图是IR吸收的图像，另一个分布图是拉曼或荧光响应图像。在各种实施方式中，这使得可以在样品的同一区域(或样品的交叠区域)上获得IR吸收、拉曼散射和/或荧光的同时测量或顺序测量，以用于相关测量的目的。此外，上述测量可以可选地以非接触模式执行，并且任何物理探针或晶体不必产生与样品190的顶表面的机械接触。这利于非接触且因此非破坏性的快速、精确的测量。
图1B示出了图1A的光纤实施方式的概念性简化外部框图。光纤探针系统100包括外部壳体1042。在一些实施方式中，外部壳体1042的尺寸设置成适于台式应用，而在其他实施方式中，将外部壳体1042小型化并且可选地坚固化以适于手持应用。对于小型化的应用，坚固外壳1042的轮廓可以成形为手的形状，并且还可以具有脊、隆起、边缘、顶饰、手柄或其他轮廓，以利于使用光纤探针系统100。坚固外壳1042可以具有用于外部供电和/或电池充电的一个或更多个端口(未示出)，以及/或者用于与一个或更多个光纤连接/断开的端口。坚固外壳1042的用户接口可以具有用于与计算机或其他移动电子装置对接的端口，或者可以通过用户接口上的电子显示器106和控制按钮107来操作。该装置可以替选地使用在该装置上和/或远离该装置的触摸屏，该触摸屏组合电子显示功能和控制按钮功能。控制按钮107可以具有多种构造，包括中央控制按钮107b、左侧控制按钮107a和右侧控制按钮107c。控制按钮107的形状可以是圆形、正方形、三角形或菱形。坚固外壳1042还可以具有用于一根或多根光纤线缆(例如光纤1007和1030)的端口。光纤可以通过端口永久连接或可移除。光纤可以包在一个或更多个坚固化/保护性护套中，以保护可能易损的光纤。
在实施方式中，光纤探针的远端1008可以被定位在端部件1034中，例如参照图1A至图1B所述的端部件。端部件可以包括手柄、透镜和其他保护/包装材料，以将光纤束180保持在一起并且利于用户将远端185定位在样品附近，以及/或者将聚焦的光束定位在相对于样品的最佳高度。
外部壳体1042可以由包括以下各项的材料制成：金属、高强度塑料、玻璃纤维、复合材料或任何其他合适的材料。外部显示器106和控制按钮107可以集成到坚固外壳1042的前表面中。外部显示器106可以位于坚固外壳1042的前表面的顶部，并且控制按钮107位于坚固外壳1042的前表面的底部。激发光纤近端180a和光纤探针近端180b通过位于坚固外壳105的侧表面上的端口连接至光纤系统的内部特征。虽然图1B示出光纤近端180a和180b位于坚固外壳1042的右侧表面上，但光纤近端可以位于坚固外壳1042的任何侧表面上。光纤近端180a和180b可以在与近端相对的y形接头处连接在一起，从而形成分叉的光纤束180。分叉的光纤束180位于光纤远端185与光纤近端180a和180b之间。在使用中，光纤远端185被配置成直接接触样品190，或者可以例如使用将远端与样品间隔期望距离的端部件相对靠近样品190。
例如，图1A至图1B的配置允许简单的用户界面来操作仪器，该仪器用于在具有不适合于去除或制备样品表面的本地环境，或具有困难的接近点的应用中，或者用于表面表征仪器需要是便携式的应用中的表面的光热表征。
图2A示出了替选实施方式的双射束光纤探针系统的简化内部框图。图2A基于图1A，并且在使用相同的附图标记的情况下，与图1A相关联的讨论适当地适用。图2A比图1A略为简单，因为图2A省略了拉曼光谱仪，示出了可以比图1A的实施方式更紧凑的仅IR的配置。图2A的实施方式采用分叉的光纤探针，即，两个输入光纤在光纤探针的远端2000处组合成单个集成光纤探针的情况下的探针。注意，分叉探针实施方式也可以与包括拉曼光谱仪的图1A的配置相关联地使用。
图2B示出了图2A的环绕区域的放大视图。在放大视图中，远端2000被示出为包括至少两个光纤，所述至少两个光纤被布置成紧密横向接近，并且它们的端面处于相似的高度。光纤2002包括IR传输光纤，例如如前所述的硫属化物、多晶/卤化银或空芯光纤。IR激发辐射的射束2004从光纤2002的面发射，从而照射样品1014的区域1012。IR照射区域1012的IR吸收区域1016将吸收入射IR射束2004的一部分，从而引起区域1016的局部加热。该局部加热将由探测射束探测，如下所述。与IR光纤2002相邻的是第二光纤2006，其被选择为对于探测辐射的波长是传输的。探测辐射的射束2008从光纤2006的端面发射，至少部分地与IR射束2004交叠。如果在探测射束2008的视场内存在IR吸收材料(例如微粒1016a)，则该材料将吸收IR辐射，加热并且引起从样品反射和/或散射的探测光中的光热失真。具体地，局部样品加热可以引起样品的IR吸收区域的尺寸、形状、变形、热膨胀和/或折射率的变化。这可以致使表面位置、曲率和/或反射率的改变，表面位置、曲率和/或反射率的改变中的任何一个可以改变从样品返回的探测光的强度和/或分布。从样品返回的光的至少一部分可以由探测光纤(或者替选地由一个或更多个收集光纤，未示出)重新收集。所收集的探测光可以返回到检测器，并且如结合图1A/图1B所述进行分析。由于几个原因，即使没有附加的聚焦光学器件，探测射束也可以比IR射束小得多。首先，IR传输光纤的纤芯直径是单模可见光光纤的纤芯直径的10倍或更大。第二，IR传输光纤的数值孔径可以远大于可见光光纤。例如，典型的532nm单模光纤具有约0.12的NA，而硫属化物IR光纤可以具有0.28至0.76的NA。因此，与可见探测射束相比，IR光束开始更大并且扩展更快。
图2B的光纤探针的远端2000可以替选地包括单个光纤，该单个光纤例如使用1×2的熔融光纤耦合器将光纤1007和1030的输入合并成单个光纤。例如，前面提到的氟化锆纤维和氟化铟纤维可以传输探测波长和IR波长。波分复用器(WDM)也可以用于将IR射束波长和探测射束波长混合到同一输出光纤上，并且然后将返回到检测器的探测射束再分离。
图3A至图3C示出了图1A至图1B和图2A至图2B的端部件1034的替选实施方式。与图1A至图1B和图2A至图2B相关联的先前讨论在关于具有共同和/或类似附图标记的共同部件适当的情况下适用。图3A示出了在光纤探针的远端2000处的端部件1034。IR射束3002从IR光纤1007的远端发射，IR射束3002入射在准直光学器件3004上。准直光学器件可以包括一个或更多个透镜、曲面镜或其组合等，如前面针对聚焦光学器件所述。从准直光学器件3004发射基本准直射束3005。准直的IR射束3005可选地被引导离开一个或更多个转向镜3006，然后被引导到二向色光学器件3008。在所示的配置中，二向色光学器件将准直IR射束3005的至少一部分朝向最终聚焦光学器件3010反射。该聚焦光学器件可以包括一个或更多个透镜、曲面镜或其组合。最终聚焦光学器件3010将IR射束聚焦到样品1014上的斑点3010。样品1014的IR吸收区域将吸收聚焦的IR射束的至少一部分，产生局部热点1016。在该双射束/双光纤配置中，探测射束3014从探测射束光纤1030的远端发射。探测射束3014传到准直光学器件3016(也是一个或更多个透镜或曲面镜)，从而产生准直的探测射束3017。该配置中的准直探测射束3017穿过二向色器件3008，并且也被透镜1014聚焦到样品1014上。然后，聚焦的探测射束用于检测由于样品吸收IR辐射而引起的样品温度的局部变化，如上面结合图1A至图1B所述。
聚焦光学器件3010可以包括全反射光学器件，例如离轴抛物面镜。该布置可能是有利的，因为尽管波长不同，但是反射光学器件对于IR射束和探测射束二者将具有相同的焦距。在最终聚焦光学器件3010包括一个或更多个透镜的情况下，透镜可以选择为透射IR和可见光二者的材料，例如硫化锌、氟化钙、氟化钡、金刚石，或对于某些探测射束波长，选择为硒化锌。也可以使用对于IR射束和探测射束的感兴趣波长具有足够透射的其他材料。在最终聚焦光学器件3010包括一个或更多个透镜的情况下，可能期望补偿IR射束波长与探测射束波长之间的折射率差异。例如，可能期望稍微不使IR射束和探测射束中的一个或两个准直，以将IR射束和探测射束二者的聚焦斑点布置在离聚焦光学器件3010大致相同的焦距处。或者更具体地，使得IR射束和探测射束以相同的高度/深度聚焦在样品1014上。在IR射束与探测射束之间产生这种齐焦性也可以通过在IR射束路径或探测射束路径中插入一个或更多个补偿光学器件(未示出)来布置。补偿光学器件可以提供对最终聚焦光学器件3010中的色散(例如，波长相关折射率)的校正。
应注意的是，在各种实施方式中，可以容易地使图3A至图3C中所示的光学器件中的一些或全部小型化。例如，透镜可以是微型透镜或甚至是显微镜透镜，类似于蜂窝电话、计算机硬盘和微透镜应用中使用的透镜。合适的供应商包括Sunex、Framos、HyperionOptics等。例如，Hyperion Optics制造微型透镜和中IR透镜。这种透镜具有短至2mm或更小的焦距。塔式光学(Tower Optical)制造小至0.5mm宽的微型涂覆棱镜，微型涂覆棱镜可用作转向镜3006。通过将板式二向色器件切割到所需边长(side)，可以容易地使二向色器件3008几乎任意地小。因此，图1A至图1B或图3A至图3C的端部件可以容易地制成为5mm或更小的跨度。
图3A所示的配置示出了反射IR光并且透射探测光的二向色器件3008。例如，也可以使用相反的配置，其中，在二向色器件透射IR光并且反射可见光。在该实施方式中，光纤1007和1030的位置将与图3A所示的位置相反。可以从例如ISP Optics获得合适的二向色器件。
图3B示出了包括光学观看通道的图3A的端部件的替选实施方式。图3B至图3C基于图3A，并且在使用相同的附图标记的情况下，与图3A相关联的讨论在适当情况下适用。图3B包括放置在准直探测射束3017的准直空间中的附加二向色器件3020。二向色器件3020可以获取传入照射光，并且经由聚焦光学器件3012将其反射，以照射包括探测射束测量区域的样品1014的区域(即，探测射束的焦点的位置)。传入照射光和反射/散射成像光都可以穿过观看通道3022。穿过该观看通道的光可以被引导到基于摄像装置的系统或视觉观看系统，以帮助定位样品上的供测量的区域。例如，端部件1034上的附加端口可以结合用于基于光纤的成像解决方案(例如基于在光纤内窥镜检查产品中使用的图像保存光纤阵列)的输入。替选地，如果需要，可以将微型摄像装置/透镜系统(例如类似于蜂窝电话中使用的微型摄像装置/透镜系统)直接安装在端部件1034内。在包括光学观看通道的实施方式中，光谱测量可以与所获得的视频图像直接相关。在图3B所示的配置中，将选择二向色器件3020以反射照射/光学观看光并且透射探测射束的波长。替选地，可以交换探测射束输入和光学观看通道，使得二向色器件3020反射探测射束并且透射照射射束。代替地，观看通道和二向色器件可以交替地插入到IR射束路径中。可以从例如Semrock和Chroma以及其他供应商获得用于探测射束/观看射束分离的合适的二向色器件。
图3C示出了采用多个激发光纤和收集光纤的端部件1034的替选实施方式的特写视图。光纤探针的远端2000包括一个或更多个IR光纤1007(在该示例中示出了两个)的远端和一个或更多个探测光纤1030(在该示例中示出了一个)的远端。在所示的配置中，端部件1034可以是低型面(low-profile)保护套，例如不锈钢管。使用聚焦光学器件3032(在这种情况下为球透镜)将从IR光纤1007的远端发射的IR光3034聚焦到样品的区域1012上。探测光3036从探测光纤1008发射，并且可选地由聚焦光学器件(例如，聚焦IR光的相同聚焦光学器件3032)聚焦。为了在各种实施方式中优化空间分辨率，可以优化光纤、球透镜和样品的定位以使可见探测射束斑点的尺寸最小化，并且如果需要，以IR射束的尺寸为代价。在许多应用中，可用的IR源向样品提供过量的功率，使得接受较大的斑点尺寸不会使测量退化。合适的球透镜可以由在所需IR波长和探测波长下充分透射的材料制成，例如硫化锌、硒化锌、氟化钙、氟化钡、蓝宝石、金刚石和其他材料。可以从例如VY光电有限公司、ChangchunSunday光电公司、Changchun Realpoo光电有限公司获得具有宽的中IR透明度的合适的球透镜。根据球透镜的直径，可以从许多供应商获得的常规蓝宝石球透镜可以适用于较短的波长，例如约5μm或更大。
图3C的配置是要求极度小型化(例如内窥镜应用)的兼容设计。例如，可获得由ZnSe或ZnS制成的具有宽IR透射的直径减小到1mm的尺度的球透镜，从而提供了非常紧凑的端部件解决方案以装配在非常小的占用空间内。可以从Edmund optics获得甚至更小的，例如直径小至0.30mm的蓝宝石球透镜，但是对于很大部分的中IR波长仍然提供可接受的IR透射。多个IR光纤和/或探测光纤也可以容纳在小的占用空间中。例如，可以从IR flex获得包层直径为0.170mm的卤化银IR光纤，可以从Thorlabs获得包层直径为0.125mm的用于可见光的单模光纤。在实施方式中，至少一个IR光纤和一个探测光纤以及蓝宝石球透镜可以布置在小至0.3mm的总光纤探针直径内。在使用更多的IR光纤和/或探测光纤、更大直径的光纤和更大的球透镜的情况下，仍然可以产生端部直径小于0.5mm、小于1mm或小于2mm的光纤探针。
图4示出了穿过装置100的光的路径和相对光强度。所发射的泵浦射束175从泵浦射束源120向光纤近端180a(未示出)传播。感测束源110向光学分束器160发射入射探测射束170。穿过分束器160的探测射束170b被朝向光纤近端180b(未示出)引导，并且具有比入射探测射束170低的强度。探测射束170b传输通过光纤分叉束180，与样品相互作用，并且通过光纤分叉束从远端185传输到光纤近端180b。由分叉光纤束收集的探测射束170b的强度低于通过分叉光纤束传输之前的探测射束170b的强度。探测射束170b被从分束器160反射，并且强度低于收集的探测射束170b的所接收的探测射束170a传输到检测器140。
图5A至图5C示出了光纤远端185的终端表面的图。在一个实施方式中，图5A示出了辐射状构造：具有中心光学探测辐射兼容光纤186，并且该光纤186被多个IR辐射兼容光纤187包围。在一些实施方式中，可以布置从中心光纤向外延伸的附加的成行IR辐射兼容光纤187或探测辐射兼容光纤186。图5B示出了光纤远端185的终端表面的线性构造：具有中心光学UV探测辐射兼容光纤186和中心光学IR辐射兼容光纤187各一个。中心光纤被IR辐射兼容光纤187包围，IR辐射兼容光纤187被布置成从中心光纤径向延伸。图5C示出了在IR辐射兼容束180a1和探测兼容束180b1的远端185c和近端上以矩阵构造布置的19到y形束分叉光纤束的远端和近端。在每个实施方式中，IR辐射兼容光纤187和探测辐射兼容光纤186涂覆有由低折射率材料构成的包层188。
对于图5A至图5C的实施方式中的每一个，光纤探针的远端和近端由分叉束180连接。光纤分叉束180可以由包括多晶材料/卤化银材料、硫属化物材料、二氧化硅、玻璃和有机聚合物的材料制成。由于每个光纤的返回光的强度基于探测射束的反射角而不同，因此各种实施方式被选择为具有不同的构造；通过聚集和组合不同的光纤类型，可以使光最大程度返回到检测器。
空间分辨率
在各种实施方式中，可以实现的空间分辨率可以通过以下各项中的一个或更多个来设置：(1)探测射束的尺寸；(2)泵浦射束和探测射束的交叠面积；(3)泵浦射束的调制频率。当IR射束的调制频率足够高使得热扩散长度远小于探测射束的斑点尺寸时，则空间分辨率可以远小于IR射束斑点尺寸。假设完美的高斯射束并且在聚焦光学器件中没有像差，则如上所述将阿贝空间分辨率极限R限定为λ/2NA。例如，使用405nm波长的探测射束以使用0.78的NA读出IR吸收，这产生利用探测射束的260nm的可实现的空间分辨率。通过比较，在中IR中10μm波长处的相同衍射极限将给出6.4μm的衍射极限分辨率，几乎粗糙25倍。因此，与否则将受IR射束的聚焦斑点尺寸约束的空间分辨率极限相比，可以在小得多的长度尺度上探测样品的IR吸收曲线。可以例如通过使用紫外辐射作为探测射束实现甚至更好的空间分辨率。实际上，在实施方式中，可以实现小于1000nm、小于500nm和小于200nm的空间分辨率。使用将IR射束和探测射束的交叠控制为小于探测射束的直径的方案可以用于实现比探测射束的衍射极限更好的空间分辨率(例如小于100nm)。
图6是包括用于将探测光源和IR激发光源聚焦在样品内的特定位置上的可选的微透镜阵列、聚焦透镜和接触棱镜的实施方式的简化示意图。IR辐射175从一个或更多个IR兼容光纤的远端187发射。探测辐射170从一个或更多个探测辐射兼容光纤的远端186发射。IR射束170和探测射束175都传输到一个或更多个准直光学器件6000，以产生粗略准直的IR射束6002和探测射束6004。准直光学器件6000可以是一个或更多个透镜、曲面镜或其集合。在一个实施方式中，准直光学器件6000可以包括微透镜或微透镜阵列。然后，使用聚焦光学器件200将准直的IR射束6002和探测射束6004聚焦到样品190上的IR射束和探测射束的焦点至少部分交叠的位置。聚焦光学器件200可以包括一个或更多个透镜、曲面镜或其组合。聚焦光学器件200还可以包括接触棱镜210，以确保与接触棱镜210的底部接触的样品190处于聚焦光学器件200的最佳焦点处(即，样品190的位置处于距聚焦光学器件的最佳距离处)，以针对IR射束和探测射束中的至少一个产生最佳聚焦斑点尺寸。在一些实施方式中，接触棱镜可以包括固体外部结构，该固体外部结构沿着外围接触样品或样品基底，同时棱镜的内部填充有液体、凝胶、固体、气体和/或真空。在其他实施方式中，接触棱镜包括固体透明材料，例如玻璃、石英、硫化锌、硒化锌、氟化钙、氟化钡、金刚石、和/或对于IR射束和探测射束的所选择波长具有足够光透过性的其他材料。在其他实施方式中，接触棱镜可以包括在接近样品的表面与样品表面之间的环境空气或惰性气体层。光可以被反射或散射离开样品190并且透射穿过接触棱镜210、聚焦光学器件200，并且向上通过至少一个光纤返回到与图1A相关联地描述的一个或更多个检测器。
在替选实施方式中，光纤远端185被放置成与样品190直接接触或被放置成与样品190相距一定距离，并且没有微透镜200或接触棱镜210。
在另一实施方式中，光纤远端185具有利于在样品190上进行x定位或y定位和位置识别的特征。例如，光纤远端185可以由一直监测和记录光纤远端185相对于样品190的位置的位置的手术机器人或其他机械装置(未示出)定位。在另一实施方式中，光纤远端185由用户利用三角测量传感器或其他跟踪特征手动控制，所述三角测量传感器或其他跟踪特征记录光纤远端185在空间中的实时位置。光纤探针还可以结合到刚性管道镜中，以分析难以到达/危险的区域。光纤探针还可以结合到柔性内窥镜中。特别地，光纤探针可以结合到外科内窥镜中用于体内光谱分析，例如用于实时活检分析和/或帮助引导外科医生实时分析和去除患病组织。这是特别有利的实施方式，因为当前的光纤探针可以对内窥镜探针的尺寸具有最小的影响。外科内窥镜可以已经具有用于照射、光学观看、气体、抽吸、冲洗和其他外科功能的通道。因为可以用具有小至125μm至170μm的外径的少至1至2根的光纤执行双射束光纤探针测量，所以这些光纤可以容易地集成到内窥镜中，而基本上不影响内窥镜的探针端部的直径。
在另一实施方式中，在使用依赖反射角收集光的光纤束的情况下，可以使用附加透镜将射束聚焦到检测器之前的柱(post)上，并且可以将针孔放置在聚焦斑点处，以阻挡从样品焦平面之外的区域散射或反射的光。探测光检测器140可以是测量入射到其上的射束的相对强度的检测器，例如常规的光电二极管、雪崩光电二极管、光电倍增管和/或产生信号的其他检测器，该信号作为指示入射到检测器上的光的强度的信号。替选地，检测器308可以是位置敏感检测器，例如线性光电二极管、双段或四段检测器或多检测器阵列。在该实施方式中，检测器还可以对例如由于射束的角偏差和/或横向偏移引起的反射/散射射束的位置偏移敏感。替选地，检测器140可以包括相位敏感检测器，还包括干涉测量检测方案，该干涉测量检测方案产生指示入射在检测器上的射束的光学相位或光学相移的信号。在这些实施方式中，系统可以测量强度、射束角和/或光学延迟的变化，这些变化是由于样品与红外光的相互作用或样品对红外光的吸收而引起的样品中的温度变化引起的。检测器140还可以是对探测波长的光敏感的阵列检测器和/或摄像装置。
接收器可以包括摄像装置和/或阵列检测器。摄像装置和/或阵列检测器的使用可以通过使得能够同时对样品上的多个位置进行并行测量来提供测量吞吐量的显著改进。为了实现高空间分辨率，可能期望使用具有快速响应时间或等效地具有高测量带宽的摄像装置或阵列检测器。其原因在于，当泵浦辐射或另一次级泵浦辐射被样品吸收时，由吸收的光产生的热可以从吸收区域扩散开，导致空间分辨率的降低。为了保持高空间分辨率，可能期望使用具有高重复率的IR激光源和具有高带宽的检测器，其使得能够在热扩散时间短的时间尺度上测量探测光以获得期望空间分辨率。
图7A至图7B示出了使用多分叉光纤探针的双射束光纤探针的替选实施方式。图7A基于图1至图2，并且在使用相同的附图标记的情况下，与图1至图2相关联的讨论适当地适用。如前所讨论的，IR源1000发射耦合到光纤1007中的IR辐射的射束，而探测辐射源1020发射耦合到光纤1030中的探测辐射的射束。如插图图7B所示，IR辐射的射束7002从IR光纤1030的远端1031发射，照射样品1014的区域7003。探测辐射的射束7006从探测光纤1007的远端1008发射，照射样品的至少部分地与IR照射区域交叠的区域7007。从样品的探测照射区域反射和/或散射的辐射(由箭头7004指示)在一个或更多个收集光纤7008和7010的远端处被收集。所收集的探测辐射沿收集光纤向上传输回到外壳1042中(或者替选地传输到单独的外壳中)。所收集的探测光的至少一部分从光纤7010的近端重新发射，在光纤7010的近端处，所收集的探测光耦合到可选地包括附加的聚焦光学器件(未示出)的检测器1038。
如前所述，分析来自检测器1038的信号以检测收集的探测光的根据样品对IR的吸收而产生的变化，从而提供指示样品的IR辐射的信号。分离的光纤7008可以可选地用于收集和传输拉曼散射光并且将拉曼散射光传输到拉曼光谱仪1045，以产生指示样品的探测照射区域的拉曼光谱的信号。可以在射束路径中插入一个或更多个拉曼边缘滤波器7012以阻挡探测激发波长并且仅透射波长移位的探测光。拉曼边缘滤波器可以在外壳1042中、在拉曼光谱仪1045内、在光纤7008的近端或远端处、或其任何组合处。图7A的布置具有若干优点。首先，它消除了图1A的分束器1024和任何相关的损耗。它还允许照射射束7006相对于反射/散射辐射的探测射束光纤的单独优化。例如，探测照射光纤1008可以是单模光纤，以在样品1014上提供小的照射区域7007，而收集光纤7008和7010可以是较大的直径(和/或较大的NA)，以更高效地收集反射/散射光。
图8示出了用于反应室中的反应监测的双射束光纤探针的使用。图8基于图1B，并且在使用相同的附图标记的情况下，与图1B相关联的讨论适当地适用。在图8中，光纤探针的远端2000插入到反应室8000中，以使用红外光谱术、拉曼光谱术和荧光中的至少一种随时间监测反应产物。反应室8000可以填充有一种或更多种流体8002，使得光纤探针的远端2000浸没在流体中。然后，双射束光纤探针可以捕获IR光谱测量结果、拉曼光谱测量结果和/或荧光测量结果，并且在单元的用户界面显示器上显示所得到的光谱1044。光纤探针控制器还可以被编程为分析光谱以监测任何期望的(或不期望的)反应产物的浓度，并且基于光纤探针的光谱读数发送反应状态消息，发出警报，启动或终止处理步骤等。所示的反应容器8000是实验室规模的反应容器，但是光纤探针也可以安装在工业规模的工艺反应器中。
图9示出了使用双射束光纤探针进行体内光谱分析。图9基于图1B，并且在使用相同的附图标记的情况下，与图1B相关联的讨论适当地适用。图9示出了其中双射束光纤探针集成到内窥镜仪器9000中的实施方式，该内窥镜仪器9000适于例如在动物或人类受试者或患者体内对组织进行体内研究。双射束光纤探针可以通过孔9002和/或通过手术切口插入体内。远端2000可以以与常规光纤内窥镜相同的方式(例如使用集成的观察光学器件和探针端部2000的远程操纵)被操纵到一个或更多个感兴趣的组织。当根据需要定位了光纤探针时，可以启动IR射束照射和探测射束照射，并且可以从光纤探针的远端2000附近的组织收集IR光谱和/或拉曼光谱和/或荧光数据。可以将所收集的光谱与参考光谱进行比较以及/或者针对参考模型进行分析，以用于包括组织识别和分类、体内癌症活检、患病或坏死组织的识别、病原体的识别、感染的存在和其他诊断任务的任务。由于前述原因，对于这些类型的应用，在各种实施方式中使用的双射束光纤探针具有优于所有其他基于光纤的探针的显著优点：(1)同时IR/拉曼/荧光的相关能力；以及(2)消除IR光谱中尺寸、形状和波长相关的光谱伪影。
图10描述了使用所述双射束光热光谱系统的各种实施方式的方法。操作员为正确的设备配置、样品基质、泵浦辐射的源和探测辐射的源选择光纤束。然后，操作者将光纤束的光纤远端放置成非常接近或接触样品。然后，操作者可以使用用户界面(例如图1B)来控制该设备，并且该设备用从光纤近端传输到光纤远端的泵浦辐射的源来照射样品的多个位置，以在样品上产生泵浦照射斑点。然后，操作者使用用户界面和控制按钮(例如，图1B)来控制该设备，并且该设备用从光纤束的光纤近端传输到光纤远端的探测辐射的源照射样品的多个位置。从多个样品位置收集探测辐射，并且探测辐射从多个样品位置从光纤束的光纤近端传输，并且然后用至少一个检测器检测。在最后的步骤中，分析传感器检测的探测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1微米的空间分辨率。
该设备还可以包括附加的干涉仪、滤波器、检测器和光谱仪，以实现同时或顺序的拉曼光谱测量和/或荧光测量。在这些实施方式中，可以安装一个或更多个可选的荧光滤光器和/或拉曼滤光器，以基本上阻挡探测光源中心波长处的光，并且使波长从探测波长移位的光通过。该方法允许检测非弹性散射的光，包括但不限于拉曼移位光和荧光移位光。可以使用附加的可选检测器来检测和/或在光谱上分析波长移位光。具体地，拉曼光谱仪可以用于测量由于探测光束的激发而从尖端样品区域发出的光的拉曼光谱。接收器模块可以是自由空间耦合的和/或可以具有光纤耦合的一个或更多个元件。例如，所收集的探测光可以耦合到光纤中，然后传输到光纤耦合的拉曼光谱仪。
光热IR技术的另一个优点是它克服了常规的基于反射的IR光谱术的限制。在常规的基于反射的IR光谱术中，用IR光照射样品，收集并且分析透射穿过样品或从样品反射/散射的光。透射IR吸收谱对于分析样品的化学组成是非常有用的，因为存在具有成百上千的材料的体透射谱的巨大数据库。然而，透射IR光谱术通常需要制备样品的薄切面，而这会是耗时的，甚至不切实际或不可能的(取决于样品的类型)。
存在基于反射布置的替选IR光谱术技术，其中系统可以测量从样品反射和/或散射的IR光。这可以消除制备薄切片样品的需要，但是基于反射的IR光谱术相对于透射IR光谱术具有许多伪影。伪影主要是由于光散射引起的多种因素以及以反射/散射IR光计量的折射率的实部和虚部两者的贡献引起的色散效应。这些伪影经常使所测量的IR光谱相对于透射IR光谱失真，从而使得化学分析和识别明显更具挑战性。
上述双射束技术产生基本上没有与常规反射/反向散射IR光谱术相关的色散伪影的光谱。因为探测射束仅对由于光热响应引起的样品温度变化(例如，来自折射率和/或热膨胀的变化)敏感，所以它完全独立于IR射束的波长相关反射率和/或散射。因此，所公开的技术提供了提供与常规FT-IR光谱术很好相关的、基本上没有色散伪影的IR吸收谱的能力，并且允许准确的材料表征和识别。这些表征谱可以包括中IR波长，其中存在所谓的“指纹带”，其提供用于区分材料、甚至高度相似的材料的丰富信息。
在实施方式中，对于感测或探测射束而言，具有比加热射束更短的波长并不是严格必要的。虽然这对于其中期望的空间分辨率小于加热射束的光学衍射极限的显微测量是期望的，但是对于具有较粗糙空间分辨率要求的广域测量或对于块体测量是不需要的。相反，在一些实施方式中，使用基本上固定波长的探测射束就足够了，而不必使用较短的波长。使用固定波长探测射束允许在没有样品的光学性质的波长相关的变化的问题的情况下测量样品的光热失真，如当通过观察入射射束的IR波长上的反射来测量来自加热射束的IR响应时的实施方式那样。这种认识允许使用具有产生足够高功率以产生可检测信号的任何期望波长的探测射束来应用光热IR技术。
可以通过感测射束源(例如在UV光谱、可见光谱、近IR光谱或甚至中IR光谱中操作的激光器)产生探测或感测射束。对于宽场/块体应用，也可以不必采用与显微镜实现方式相同的功率密度。尽管当IR射束和/或探测射束在较大区域上扩展时功率密度和相关的光热失真可能较低，但对样品的合计影响仍可检测。例如，即使在小的光功率密度下，在大面积上合并小的光热失真的检测系统仍可以具有足够的灵敏度。例如，实现这一点的一种方式是在接收142中使用摄像装置210或替代摄像装置或阵列检测器。摄像装置或阵列检测器可以测量多个像素上的反射或散射光的强度和/或位置的小变化，然后对从大面积收集的散射探测光的运动/强度的合计影响相干地求和。如前所述，可以分析来自粗糙样品的散斑图案，以确定指示样品的光热失真以及样品的IR吸收的信号。
从样品的宽区域获得光谱的能力使得光热IR技术能够用于多种应用，包括材料检查、材料组成分析、材料处理的评估、危险材料检测、缺陷和污染物的检测、以及过程控制等。例如，双射束IR/拉曼系统可以用于对块体材料执行进料检查，以对照供应商或客户规范来验证成分。类似地，该系统可以用于确定未知材料的材料成分或对照一些预定目标检查成分。在该实施方式中，所测量的光谱可以是组分光谱的按照其相对浓度缩放的线性叠加。利用化学计量或光谱分解技术，该系统可以用于将混合光谱去卷积为组分光谱和相对浓度。
探测射束可以用于多种目的。其可以用于探测由于前述的光热过程而引起样品的IR吸收，但是其也可以用于在样品中产生拉曼散射和/或荧光。对于IR测量，如前所述，吸收IR光的样品区域将变热，产生与吸收区域相关联的样品的光热失真。通过探测射束检测样品的光热失真，该探测射束的射束整形器和/或轨迹可以通过对样品的光热加热来调制。从样品返回的探测光(连同由探测射束激发的任何产生的荧光和/或拉曼散射光)可以由光学器件或替选地由单独的偏移收集光学器件(未示出)收集。在该实施方式中，探测光由相同的光学器件收集，所收集的探测射束反射离开合射器并且进入分束器，在该分束器，射束的一部分穿过到达接收器。接收器可以包括光学传感器和光谱仪的任何期望的组合。电子器件可以用于放大/调节和解调传感器和/或光谱仪信号以计算指示IR吸收、拉曼散射和/或荧光信号的信号。整个装置可以被坚固的外壳105包围，以允许在可能暴露于震动、掉落和/或化学暴露的严酷的环境和/或工作场所中使用。
类似地，适合于感测探测光源的激光二极管可以从许多供应商以适合于手持装置的尺寸获得。Thorlabs销售许多激光二极管器件，范围从许多波长范围上的几mW到超过一瓦特。例如，Thorlabs销售TO-9罐(9mm直径)中的激光二极管部件号LD785-SEV400，在785nm处具有400mW的光功率，足以用于感测射束测量和用作拉曼光谱术的源。替选的封装可以用于许多波长的光纤耦合激光二极管。
微型准直透镜也是可获得的，并且具有准直和驱动电子器件的完整激光二极管模块也可以以各种形状因素从各供应商处获得。IR射束直径和探测射束直径可以保持在几毫米或更小的尺寸，以便能够使用用于合束器904、聚焦光学器件906和分束器916的小的或微型的光学器件。在一个实施方式中，合束器、聚焦光学器件和分束器各自可以是5mm或更小跨度。例如，Edmund Optics制造5×5×5mm大小的偏振分束器和更小的分束器，并且可以在定制的基础上制造其他光学器件。可见激光二极管类似地较小，例如小于约5mm长和小于约9mm直径。热电或其他冷却可能是期望的，但为此所需的空间可以在几mm到几cm的尺度上——这取决于光功率水平和相关的热负载。光学检测器、拉曼光谱仪和/或摄像装置也可以以微型形状因素获得，其尺寸从几mm到几cm的尺度上。对于所需的功能，电源、信号调节和计算电子设备也可以小型化到几cm的尺度。因此，在一个实施方式中，可以组装整个手持式光热探针装置，以装配到小于125mm跨度的封装中。
对于更高功率的应用，可能期望使装置的一部分是远程的，例如电源、电池、附加计算资源和/或更大的IR和/或探测光源。在该实施方式中，手持单元可以经由有线连接或无线连接耦合至远程单元。有线连接可以包括一个或更多个线缆和/或光纤，以在手持单元与装置的远程部分之间提供电耦合和/或光耦合。例如，分离的IR光纤和可见光光纤可以将IR光和探测光传输到手持单元，在手持单元中两个光束被组合。
微型装置可以用于大量的应用，包括但不限于材料检查、材料成分分析、材料处理的评估、危险材料检测、缺陷和污染物的检测、生物样品的原位评估和过程控制。在将单元用于执行对遥远对象的化学分析的远距离检测的实施方式中，聚焦光学器件可以用准直光学器件代替，以发射准直的IR射束和探测射束。然后，探测射束可以测量光热响应并且因此测量来自遥远对象的IR吸收。对于远距离检测，可以使用相同的准直光学器件或替选地单独的光学器件，甚至使用独立的收集器(例如装配有光学检测器和/或摄像装置的光学望远镜)收集反射/散射光。
自动优化
在实施方式中，光纤系统可以具有可能需要调整或优化的非常大数量的自由度。例如，泵浦射束功率、探测射束功率、聚焦物镜的位置、收集光学器件(如果使用的话)的位置、IR射束和探测射束相对于聚焦光学器件的相对对准以及IR射束和探测射束相对于彼此的相对对准都是可以由操作者根据需要调整的参数。如果不监测这些参数，则不能测量期望的信号或者可能存在低信噪比。在实施方式中，使用不同的技术来使对用于样品评估的有用参数的选择自动化。这些技术中的一些已经部分地例如与波束操纵和IR射束/探测射束交叠相关联地描述。下面讨论用于自动优化的一些其他技术。
避免样品损坏
与光纤测量相关的一个挑战是在不损坏样品的情况下调整信号强度。为了使信号强度最大化，可能期望增加泵浦射束和/或探测射束的激光功率。功率可调整到的极限取决于样品在IR波长和探测波长下的吸收率以及样品损伤阈值。存在若干方式可以使灵敏度最大化，同时避免样品损坏。例如，可以记录信号灵敏度和/或信噪比，同时增加泵浦源和探测射束中的至少一个的光功率，直到(1)灵敏度/信噪比达到最大值；和/或(2)在样品中观察到损伤。可以通过多种方式观察样品损伤。例如，可以通过跨多个波长测量信号来执行光谱扫描。在损伤是由IR吸收引起的情况下，损伤将首先在最强的吸收波长处发生。样品损伤可以通过观察光谱中的非线性和/或不连续来检测。例如，当一些材料达到足够高的温度时，它们会经历玻璃到橡胶的转变，从而导致明显更大的热膨胀系数，并且因此导致折射率随温度dn/dT的明显更大的变化。
实际上，这可能意味着，与用较低IR激光强度执行的相同测量相比，强吸收峰可能看起来与较弱的峰不成比例。可以计算例如主峰与次峰之间的幅度比。如果该比率在升高的IR激光功率下突然变化，则这可以表明样品在较强的吸收峰处损伤，并且应该使用较低的激光功率。
其他样品可能在由于激光功率过大而引起的高温下熔化和/或燃烧。这些效应也可以通过光纤IR吸收谱中的失真和/或不连续来检测。例如，可以在增加的激光功率下测量一系列光谱。通过将一个或更多个吸收峰的幅度绘制为激光功率的函数，可以通过信号强度对激光功率的非线性响应、响应的下降、不连续和/或峰强度或光谱质量的不可逆变化来指示损伤的开始。检测任何这些状况的开始可以建立可以用于限制激光功率的损伤阈值。也可以将视频光学显微镜与图像比较算法一起使用。例如，可以在增加探测射束功率或IR射束的激光功率的情况下获得一系列光学显微镜图像。可以将每个后续图像与一个或任何先前图像进行比较。图像比较算法可以查找指示潜在样品损伤的图像之间的差异。例如，除了由于摄像装置噪声之外，在损伤阈值以下测量的相同位置的静态图像应该基本上没有差异。因此，在没有介入损伤的情况下减去两个图像应显示最小差异。但是在甚至发生细微的样品损伤之后，图像减法将显示与样品的热变化相关的差异区域。该过程可以通过交替地暴露于增加的IR射束功率和/或探测射束功率并且快速拍摄图像来自动执行，并且可以针对每个波长范围确定损伤阈值。然后，可以使用这些阈值来动态地最大化信号灵敏度和/或信噪比，甚至作为波长的函数。例如，可以在弱吸收波长处增加激光功率，而在强吸收波长处减小功率。替选地，可以动态地减小强吸收波长处的探测射束功率，反之亦然。
也可以通过观察从样品发射的热IR辐射来推断样品损伤阈值。当样品的温度增加时，其发射的IR辐射量增加，并且发射的中心波长根据普朗克定律变化。根据所发射的IR辐射的强度和/或中心波长，可以定量地估计被IR射束和探测射束照射的样品的区域的温度。可以将温度与引起不期望的材料变化的已知或实验确定的样品阈值温度进行比较。例如，IR射束强度和探测射束强度可以保持在例如与玻璃-橡胶转变、熔融、分解、解吸等相关联的材料转变温度以下。来自热辐射发射的样品IR温度可以例如用IR检测器、IR摄像装置和/或IR光谱仪确定，以测量IR发射的强度和/或中心波长。虽然该IR温度测量通常以衍射受限空间分辨率执行，但是仍然可以使用这种测量来推断被照射体积内的最大温度。
表面跟踪
在一些实施方式中，尤其是非接触式实施方式中，对粗糙和/或非常弯曲的样品的测量可能是一个挑战，因为当样品表面移出探测射束的聚焦平面时，信号可能显著减小。为了克服这个问题，可以响应于样品轮廓动态地调整探测射束的聚焦。例如，在图6中，为了适应样品190的非平坦表面轮廓，对微透镜200下方的样品表面的位置进行测量，以确定距系统内的某个参考位置的相对距离Z0。XY位置例如可以是XY位置的线性阵列和/或规则网格和/或特定感兴趣区域上的XY位置的选定集合。在多个位置处(例如，跨线性轮廓或在样品上的X、Y位置的阵列处)测量该样品距离Z0，以获得一个或更多个1D表面轮廓Z0(X)和/或2D表面外形Z0(X，Y)。
在多个XY位置处测量相对样品高度之后，所得到的测量形成表示样品高度变化的轮廓或表面。一旦测量了期望数目的XY位置而产生样品高度轮廓，该轮廓可以用于进行信号的最佳测量。具体地，将样品移动到期望的XY位置，将聚焦光学器件移动到在步骤期间记录的高度并且测量信号。对于所期望的那样多的XY位置重复这些步骤。然后，可以根据在最佳聚焦位置Z0处获取的测量结果创建PTP图像。
该相对样品距离Z0可以以多种方式来测量，例如使用距离测量干涉仪、电容传感器、通过光学三角测量、通过共焦光学显微术、通过白光干涉仪、光学自动聚焦或对表面位置敏感的其他类似手段。干涉图的详细形状将取决于用于照射样品的光源的光学带宽。通常，优选用较短波长，例如，例如在UV或可见波长范围内的探测射束的波长进行测量。对于窄带源，干涉图将具有通常正弦的形状，因为可以将样品的相对位置内插到纳米或更好。还可以使用低相干光源，例如LED或白光光源。通过在样品上的多个X位置或XY位置处测量干涉图的峰的位置，可以创建样品高度的分布图以用于经由测量技术获得IR吸收的最佳测量。
找到表面高度的相关方式是通过监测作为物镜高度的函数的探测射束的DC强度。例如，从样品反射/散射的探测射束被朝向可以包括光学检测器的接收器引导。虽然该信号的AC分量由分析器分析，但是DC分量也可以用于确定表面的相对位置以将信号显著最大化。虽然DC信号具有宽得多的焦深，但是DC信号曲线的质心具有与信号曲线基本上相同的中心。使用DC信号的优点是它比光热信号强许多倍，因此可以更快地测量。另外，测量DC信号不需要关于样品的知识，而为了获得光热信号，必须将IR激光调谐到样品190的感兴趣区域的吸收波长。这在样品是未知材料时可能是有问题的，因为将不清楚应当使用什么波长来优化测量。因此，使用探测DC信号来确定表面高度首先消除了自由度并且确保光热测量在基本上最佳的聚焦高度处开始。如上所述，该过程可以在样品上的多个位置处重复，以绘制跨样品的感兴趣区域的表面变化的分布图，从而使得能够在这些样品位置进行最佳的光热测量。
本文描述的实施方式是示例性的。可以对这些实施方式采取修改、重新布置、替代过程、替代元件等，且这些修改、重新布置、替代过程、替代元件等仍包含在本文所陈述的教导内。本文描述的一个或更多个步骤、过程或方法可以由一个或更多个适当编程的处理和/或数字装置来执行。
根据实施方式，本文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，可以添加、合并或完全省略(例如，并非所有描述的动作或事件对于算法的实践是必需的)。此外，在某些实施方式中，可以同时而不是顺序地执行动作或事件。
结合本文公开的实施方式描述的各种说明性逻辑块、光学和控制元件以及方法步骤可以实现为电子硬件、计算机软件或二者的组合。为了清楚地示出硬件和软件的这种可互换性，各种说明性部件、块、模块和步骤已经在上文就其功能性大体描述。这种功能是实现为硬件还是软件取决于特定应用和施加于整个系统的设计约束。所描述的功能性可以针对每个特定应用以不同方式实现，但此类实施决策不应被解释为导致脱离本公开内容的范围。
结合本文中所公开的实施方式而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，所述机器例如为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)或其他可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件部件或其设计成执行本文中所描述的功能的任何组合。处理器可以是微处理器，但在替选方案中，处理器可以是控制器、微控制器或状态机、其组合等。处理器还可以实现为计算装置的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器的组合、一个或更多个微处理器与DSP核的组合、或任何其他这样的配置。
结合本文所公开的实施方式描述的方法、过程或算法的要素可以直接以硬件、由处理器执行的软件模块中或二者的组合来实施。软件模块可驻留于RAM存储器、闪存存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移除盘、CD-ROM或现有技术中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接至处理器，使得处理器可以从存储介质读取信息并且将信息写入到存储介质。在替选方案中，存储介质可以是处理器的一部分。处理器和存储介质可以驻留在ASIC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。
除非另外具体说明或在所使用的上下文中另外理解，否则本文中使用的条件性语言，例如“可以(can)”、“可能(might)”、“可能(may)”、“例如”等，通常旨在传达某些实施方式包括某些特征、元件和/或状态，而其他实施方式不包括某些特征、元件和/或状态。因此，这种条件性语言一般不旨在暗示一个或更多个实施方式以任何方式需要特征、元素和/或状态，或者一个或更多个实施方式必须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、元素和/或状态是否被包括在任何特定实施方式中或要在任何特定实施方式中执行的逻辑。术语“包括”、“包含”、“具有”、“涉及”等是同义的，并且以开放式方式包括性地使用，并且不排除另外的元件、特征、动作、操作等。此外，术语“或”按照其包括性含义使用(而不是按照其排他性的含义)，使得当例如用于连接要素列表时，术语“或”意指列表中的一个、一些或所有要素。
除非另外具体说明，否则诸如短语“X、Y或Z中的至少一个”的析取性语言按照一般使用的上下文理解为表示项、术语等可以是X、Y或Z或其任何组合(例如，X、Y和/或Z)。因此，这样的析取性语言一般不旨在且不应暗示某些实施方式需要X中的至少一个、Y中的至少一个或Z中的至少一个各自均存在。
除非另有明确说明，否则诸如“一”或“一个”的冠词通常应被解释为包括一个或更多个所描述的项。因此，诸如“被配置成……的装置”的短语旨在包括一个或更多个所列举的装置。这样的一个或更多个所列举的装置也可以被共同配置为执行所述的列举项。例如，“被配置成执行列举项A、B和C的处理器”可以包括被配置成执行列举项A的第一处理器，其与被配置成执行列举项B和C的第二处理器协同工作。
通过引用对以上文献的任何合并被限制为使得不合并与本文中的明确公开内容相反的主题。通过引用对以上文献的任何合并被进一步限制，使得文献中所包括的权利要求不通过引用合并于本文中。通过引用对上述文献的任何合并还进一步被限制，使得文献中提供的任何定义不通过引用合并于本文中，除非它们明确地包括在本文中。
出于解释权利要求的目的，明确地旨在不援引35 U.S.C.的第112节第六款的规定，除非在权利要求中陈述了特定术语“用于……的装置”或“用于……的步骤”。
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方式的新颖特征，但是应当理解的是，在不脱离本公开内容的精神的情况下，可以对所示出的装置或方法的形式和细节进行各种省略、替换和改变。如将认识到的，本文描述的某些实施方式可以在不提供本文阐述的所有特征和益处的形式内实施，原因是一些特征可以与其他特征分开使用或实践。权利要求书的等同的含义和范围内的所有变化都包含在其范围内。

Claims (38)

1.一种用于样品的基于光纤探针的光谱分析的系统，所述系统包括：
红外源，其被配置成生成红外辐射射束；
探测源，其被配置成生成探测辐射射束；
光纤探针，其包括至少一个光纤，其中，所述光纤探针被配置成：
在所述光纤探针的近端处接收来自所述红外源的所述红外辐射射束并且将所述红外辐射射束从所述光纤探针的远端递送至所述样品；
在所述光纤探针的近端处接收来自所述探测源的所述探测辐射射束并且将所述探测辐射射束从所述光纤探针的远端递送至所述样品，使得所述探测辐射射束和所述红外辐射射束的至少一部分在所述样品上彼此交叠；
在所述光纤探针的远端处收集从所述样品反射和/或散射的探测辐射作为所收集的探测辐射；
检测器，其被配置成接收所收集的探测辐射并且产生指示所收集的探测辐射的强度的信号；以及
分析器，其被配置成分析指示所收集的探测辐射的强度的所述信号，以生成指示所述样品的红外吸收的信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，指示所述样品的红外吸收的所述信号包括红外吸收谱。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤探针包括至少两个光纤。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤探针包括传输所述红外辐射射束的至少一个光纤和传输所述探测辐射射束的至少一个光纤。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤探针包括由来自以下列表的一种或更多种材料形成的至少一个光纤：硫属化物纤维、多晶/卤化银纤维、氟化锆纤维、氟化铟纤维和空芯纤维。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括在所述光纤探针的远端处的至少一个聚焦光学器件。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述至少一个聚焦光学器件包括：
第一聚焦光学器件，其被配置成将所述红外辐射射束聚焦到所述样品上；以及
第二聚焦光学器件，其被配置成将所述探测辐射射束聚焦到所述样品上，使得所述探测辐射射束与所聚焦的红外辐射至少部分地交叠。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述至少一个聚焦光学器件被配置成准直和/或聚焦所述探测辐射射束和所述红外辐射射束中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，光纤束被配置为从以下中的至少一个的组中选择的光纤布置：辐射状、线性、矩阵、19-纤维至y形束。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括二向色滤光器，所述二向色滤光器被配置成将所述探测辐射射束的波长移位射束分离到第一光学路径上，并且将原始波长的所述探测辐射射束分离到第二光学路径上。
11.根据权利要求10所述的系统，还包括在所述第一光学路径上的荧光检测器。
12.根据权利要求10所述的系统，还包括在所述第一光学路径上的拉曼光谱仪。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述拉曼光谱仪被配置成分析波长移位的探测辐射射束，以产生指示所述样品的由所述探测辐射射束照射的区域的拉曼光谱的信号。
14.根据权利要求1所述的系统，还包括拉曼光谱仪，所述拉曼光谱仪被配置成分析波长移位的探测辐射射束，以产生指示所述样品的由所述探测辐射射束照射的区域的拉曼光谱的信号。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述红外源和所述探测源中的至少一个是激光器。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述红外源和所述探测源中的至少一个是宽带源。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，泵浦源和所述探测源中的至少一个能够调谐。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤探针包括分叉线缆。
19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤探针被配置用于手持式应用。
20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤探针还包括端部件。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述端部件包括至少一个二向色器件。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述至少一个二向色器件将所述红外辐射射束和所述探测辐射射束组合到到达所述样品的公共路径上。
23.根据权利要求20所述的系统，还包括用于光学观看所述样品的端口。
24.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统集成到内窥镜中。
25.根据权利要求1所述的系统，其中，所述样品是生物组织或生物细胞之一。
26.根据权利要求14所述的系统，其中，所述样品是生物组织，并且其中，使用所述指示红外吸收的信号和所述指示拉曼光谱的信号中的至少一个对所述生物组织或所述生物细胞之一进行分类。
27.根据权利要求1所述的系统，其中，使用所述指示红外吸收的信号和所述指示拉曼光谱的信号中的至少一个识别所述样品中的至少一种化学物类。
28.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤探针的远端插入反应室中，并且其中，使用所述系统监测所述反应室中的反应产物。
29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述系统还包括拉曼光谱仪。
30.根据权利要求6所述的系统，其中，所述聚焦光学器件包括球透镜。
31.根据权利要求30所述的系统，其中，所述球透镜透射红外辐射。
32.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤探针的远端具有小于2mm的直径。
33.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤探针的远端具有小于1mm的直径。
34.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤探针的远端具有小于0.5mm的直径。
35.根据权利要求1所述的系统，还包括：在所述光纤探针的远端处的多个聚焦光学器件，其被配置成准直所述红外辐射射束和所述探测辐射射束中的至少一个；以及至少一个聚焦光学器件，其被配置成将所述红外辐射射束和所述探测辐射射束聚焦到所述样品上。
36.一种用于样品的基于光纤探针的化学分析的设备，所述设备包括：
光纤束，其包括多个光纤，所述多个光纤中的每一个包括光纤远端和光纤近端，其中，所述光纤束在所述近端处分叉，并且其中，所述多个光纤各自均由能够在高水环境和低水环境中传输光的材料制成，
泵浦辐射源，其被配置成用泵浦辐射射束照射所述样品；
探测辐射源，其被配置成用探测辐射射束照射所述样品；
分束器，其被配置成将所述探测辐射射束分到至少两个路径；
合束器，其被配置成产生从所述样品反射的所述探测辐射的干涉；
检测器，其被配置成检测所述探测辐射的干涉并且将所述探测辐射的干扰用于产生指示所述样品的红外吸收的信号。
37.根据权利要求36所述的设备，还包括包围所述泵浦辐射源、所述探测辐射源、所述分束器、所述合束器和所述检测器的坚固外壳。
38.一种操作用于样品的基于光纤束的光谱分析的系统的方法，所述方法包括以下步骤：
选择与样品基质相容的光纤束、红外辐射源和探测辐射源；
将所述光纤束的近端耦合到包括泵浦辐射源和探测辐射源的装置，使得所述光纤束的第一光纤子集接收来自所述泵浦辐射源的光，并且所述光纤束的第二光纤子集接收来自所述探测辐射源的光；
将所述光纤束的远端放置得接近所述样品；
用来自所述泵浦辐射源的从所述第一光纤子集传输的光照射所述样品，以在所述样品上产生红外照射斑点；
用来自所述探测辐射源的从所述第二光纤子集传输的光在所照射的斑点处照射所述样品；
经由所述光纤束收集来自多个样品位置的探测辐射作为所收集的探测辐射；
将来自所述多个样品位置的所收集的探测辐射从所述光纤束的光纤远端传输至光纤近端；
用至少一个检测器检测所收集的探测辐射作为检测到的探测辐射；以及
分析所述检测到的探测辐射以生成指示所述样品上的所述多个位置的红外吸收的信号。
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