CN1200267C - 红外光转换可见光的显微影像装置 - Google Patents

Abstract

一种红外光转换成可见光的显微影像装置，其中，此显微影像装置不使用干涉仪模组及红外焦平面阵列侦测器；此红外光转换成可见光的显微影像装置包括：一个红外光源、一个可见光光源、一个红外光转换可见光物镜、一个双色镜、一个可见光成像镜、一个可见光影像撷取器以及一个样品座；其中，上述红外光转换可见光物镜包括：一个光学晶体与红外物镜；当红外光源照射一个样品后，借由上述红外光转换可见光物镜将红外光光谱影像转换成可见光光谱影像；接着，借由可见光成像镜与可见光影像撷取器读取此可见光光谱影像。

Description

红外光转换可见光的显微影像装置

技术领域

本发明是有关于一种红外光转换可见光的显微影像装置，特别是有关于利用一光学晶体将红外光影像转换成可见光影像的显微影像装置。

背景技术

请参考附图，图1概要地显示一种现有的红外显微影像装置。如图1所示，现有的红外显微影像装置多采用步扫描红外傅利叶转换(step-scan Fourier Transform infrared，step-scan FTIR)形式，包括：一红外物镜1、一红外迈克森扫描干涉(IR Michel son-type scaninterfermeter)模组8、一红外焦平面阵列侦测器(infrared focal-planearray detector简称IR FPA detector)3、一红外成像物镜7以及一红外光源2。此干涉仪8包含了分光镜(beam splitter)8a、固定镜8b、扫描镜(scan mirror)8c。当红外光源2经干涉仪8后照射一样品6，被样品吸收后的红外光5借由红外物镜1与红外FPA侦测器3取得。侦测器上每个像素(pixel)得到的信号为多波长干涉图谱，再借由傅利叶转换(Fourier transform)将干涉图谱转换成样品6红外吸收图谱。然而，因为此形式装置的干涉模组8与红外焦平面阵列侦测器3的价格过于昂贵，限制住红外显微镜的普及性，所以必须寻找新方法根本取代此两模组的功能，而又能取得相同的红外显微化学影像。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明的一个目的在于提出一种红外光转换成可见光的显微影像装置；其中，此显微影像装置不使用干涉仪模组及红外焦平面阵列侦测器。此红外光转换成可见光的显微影像装置包括：一红外光源、一可见光光源、一红外光转换可见光物镜、一双色镜、一可见光成像镜、一可见光影像撷取器以及一样品座；其中，上述红外光转换可见光物镜更包括：一光学晶体与红外物镜。当红外光源照射一样品后，借由上述红外光转换可见光物镜将红外光吸收光谱转换成可见光光谱影像。接着，借由可见光成像镜与可见光影像撷取器读取此可见光光谱影像。

本发明的一特征在于，经吸收后的红外光光谱影像与可见光光源在光学晶体后形成一和频可见光影像。

本发明的另一特征在于，上述红外物镜为一红外无限远修正反射式物镜。

本发明的再一特征在于，上述光学晶体为一非线性光学晶体。

本发明的再一特征在于，上述光学晶体为一准相位匹配晶体。

本发明的一优点在于，不使用干涉仪模组及红外焦平面阵列侦测器，降低读取红外吸收光谱显微影像装置的成本。

本发明的另一优点在于，将红外吸收光谱影像转换成可见光影像，避免了红外光谱被空气吸收的问题。

附图说明

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一实施例，并配合附图，作详细说明如下：

图1是一种现有的红外显微影像装置示意图；

图2是本发明的红外光转换可见光的显微影像装置示意图；

图3是说明和频过程中不同波长光束在光学晶体内的一前进方向示意图；

图4是说明光学晶体中离轴红外光束、可见光束和和频光束的动量守恒示意图；

图5是显示可转换红外光波长范围(虚线)、转换后和频光波长范围(虚线)，及既定晶体角度下可转换红外光带宽(实线)、转换后和频光波长带宽(实线)的示意图；

图6是显示在不同晶体外入射角度时，影像撷取器所得到和频影像(x，y)，及其特定位置上所显示的红外吸收光谱图。

图号说明：

1、红外物镜；

2、红外光源；

3、红外焦平面阵列侦测器；

4、样品座；

5、被样品吸收后具有振动光谱资讯的红外光束；

6、样品；

7、红外成像镜；

8、扫描干涉仪；

8a、分光镜；

8b、固定镜；

8c、扫描镜；

10、红外光转换可见光物镜；

20、红外无限远修正反射式物镜；

30、光学晶体；

40、样品座；

50a、被样品吸收后具有振动光谱资讯的红外光束；

50b、无限远修正后的红外光束；

60、窄频可见光束；

70、双色镜；

80、双色膜；

90、可见光成像镜；

100、可见光影像撷取器；

110、滤光片；

120、红外光源；

130、窄频可见光源；

140、和频光束；

150、样品；

IR、红外光束；

Kp、窄频可见光动量；

Ks、和频可见光动量；

Kir、红外光动量；

λp、窄频可见光波长；

λir、红外光波长；

λs、和频光波长。

具体实施方式

图2是概要地显示本发明的红外光转换可见光的显微影像装置。如图2所示，本发明的红外光转换可见光的显微影像装置包括：一红外光源120、一可见光光源130、一红外光转换可见光物镜10、一双色镜70、一可见光成像镜90、一可见光影像撷取器100以及一样品座40；其中，上述红外光转换可见光物镜10更包括：一光学晶体30与红外物镜20。

参考图2，一样品150设置于本发明的显微影像装置的样品座40，并且被来自红外光源120的红外光束IR照射。红外光束IR被样品150吸收后，产生具有样品红外吸收光谱资讯的红外光束50a，此红外吸收光谱属于振动光谱，可显示出样品的化学官能基或化学键结特征。

参考图2，样品150吸收后的红外光束50a进入一红外物镜20。此红外物镜20为一红外无限远修正反射式物镜(IR infinity-correctedreflective object lens)；换言之，此红外物镜20将穿透样品150红外光束50a反射成无限远修正的红外光束50b。

参考图2，一可见光光源130，例如一激光光源，产生一窄频可见光束60；接着，此窄频可见光束60借由一双色镜70反射至红外光转换可见光物镜10。

参考图2，在红外光转换可见光物镜10中，无限远修正后的红外光束50b入射一光学晶体30，例如一非线性晶体(nonlinear optical crystal)或一准相位匹配晶体(quasi-phase matching crystal)。此外，来自可见光光源130的窄频可见光束60亦入射此光学晶体30。

图3是概要地说明和频过程中不同波长光束在光学晶体内的前进方向示意图。如图3所示，在本发明的实施例中，此光学晶体30的一侧面具有一双色膜(dichroic film)80；其中，红外光50b穿透此双色膜80，且可见光60借由此双色膜80反射。

参考图3，在此光学晶体中，当带有红外吸收光谱资讯的红外光束与窄频可见光束满足下列条件时，耦合形成一和频光束。此条件是一相位匹配(phase-matching)条件，其包括下列二个等式：

1/λir+1/λp＝1/λs        (1)

Kir+Kp＝Ks                 (2)

其中，λir是红外光束的波长，λp是可见光束的波长，λs是和频光束的波长，Kir是红外光束的动量，Kp是可见光束的动量及Ks是和频光束的动量。进一步，等式(2)可改写成：

n_o(λir)/λir+n_o(λp)/λp＝n_e(λs，θ，T，V)/λs(3)其中，n_o为寻常光折射率(ordinary-ray refractive index)，n_e为非寻常光折射率(extraordinary-ray refractive index)。等式(1)是说明红外光束能量与窄频可见光束能量必须等于和频光束能量，即满足能量守恒；且等式(3)是说明红外光束动量与窄频可见光束动量必须等于和频光束动量，即满足动量守恒。此外，由等式(3)可看出改变晶体的角度θ、温度T及电压V均会影响n_e值。

参考图2，和频光束140通过上述双色镜70与一滤光片110；其中，此滤光片110是防止窄频可见光束60通过。最后，此和频光束140借由一可见光成像镜90和可见光影像撷取器100，例如一CCD(电荷耦合装置)，接收。

参考图2，显微影像装置的离轴上的红外光束(以虚线表示)亦进入红外光转换可见光物镜10。图4是概要地说明离轴的红外光束于光学晶体中的动量守恒图。由于红外波长λir远大于窄频可见光波长λp，也就是红外光束的动量Kir远小于窄频可见光的动量Kp。故和频光束的动量与红外光束动量可视为平行于窄频可见光束的动量。在图4中，三个光束在晶体内的相位失配ΔΦ＝ΔK×L＝|Ks-Kir-Kp|×L必须小于2π才有和频产生，此条件使红外光束可允许的张角δ有一上限，此处L为晶体长度。此时，Kir的最大张角即为图4的δ，此δ将影响样品150处可观察红外影像的视野大小(field of view)。

图5是概要地显示和频过程中红外光束带宽与产生的和频光束带宽的比较。如图5所示，窄频光束的波长λp为一固定值，当光学晶体具有一既定晶体角度θ时，可见光影像撷取器可量测到一红外波长λir和频后的可见光光束波长λs。图6是概要地显示当光学晶体具有不同晶体角度时，产生不同的和频光束波长影像。如图6所示，当光学晶体具有不同的晶体角度θ时，可见光影像撷取器可量测到不同的和频光束波长λs的影像。每个λs影像均对应一转换前的红外波长λir影像，并可从多幅影像中得到每个像素的红外吸收光谱图。由于红外光经样品150后在晶体30处就被转换成可见光，红外光经过大气的距离极短，大气吸收很有限，所以不需象一般红外显微系统须通入干燥气体，因而提升了便利性。

本发明中，可见光源亦可使用其他产生窄频可见光的光源，例如发光二极管、激光二极管。

虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视申请专利范围所界定为准。

Claims (9)

1.一种红外光转换可见光的显微影像装置，包括：

一个样品座，于该样品座上设置一个样品；

一个红外光源，发射一个红外光束且该红外光束入射上述样品，接着该红外光束穿透样品，形成具有红外吸收光谱资讯的的红外光束；

一个红外光转换可见光物镜，包括一个光学晶体与一个红外物镜，其中，该红外物镜接收上述具有红外吸收光谱的红外光束并将其转换成平行光束入射光学晶体；

一个可见光源，发射一窄频可见光束且该窄频可见光束入射上述光学晶体，其中，于该光学晶体中，该窄频可见光束与该具有红外吸收光谱资讯的红外光束耦合后，转换成一个可见光和频影像；

一个可见光成像镜，将上述可见光和频影像成像于一既定位置；

以及，

一个可见光影像撷取器，设置于上述既定位置，且接收上述可见光和频影像。

2.如权利要求1所述的红外光转换可见光的显微影像装置，其中上述红外物镜为一个红外无限远修正反射式物镜。

3.如权利要求1所述的红外光转换可见光的显微影像装置，其中上述光学晶体为一个非线性光学晶体。

4.如权利要求1所述的红外光转换可见光的显微影像装置，其中上述光学晶体为一个准相位匹配晶体。

5.如权利要求1所述的红外光转换可见光的显微影像装置，其中上述光学晶体的一个侧面具有一个双色膜，此膜使窄频可见光反射以及使红外光穿透。

6.如权利要求1所述的红外光转换可见光的显微影像装置，更包括一个双色镜，将上述窄频可见光束反射至该红外光转换可见光物镜，且使上述和频光束通过该双色镜。

7.如权利要求1所述的红外光转换可见光的显微影像装置，更包括一个滤光片，防止窄频可见光束被该可见光影像撷取器接收。

8.如权利要求1所述的红外光转换可见光的显微影像装置，其中上述可见光源为选择自下列所组成的族群：一个激光光源及一个发光二极管。

9.如权利要求1所述的红外光转换可见光的显微影像装置，其中上述可见光影像撷取器为一个CCD。

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