JP2021526633A - 広域の光学的光熱赤外分光法 - Google Patents

Abstract

複数の空間分解位置の赤外吸収特性を同時に特徴づけることによる試料の顕微分析のための装置および方法が、本明細書に記載されている。これらの装置および方法により、広視野にわたる試料の組成に関する顕微データを収集しながら、サンプリング時間を改善する。

Description

本開示は光学的手段、すなわち赤外光、可視光または紫外光を用いることにより物質を調査・分析することに関する。

優先権
本出願に記載された実施形態および技術の様々な態様は、２０１８年６月１日に出願された米国仮出願第６２／６７９，５８８号に記載されており、その開示は参照により本明細書に援用される。

本開示は、光学的光熱検出技術を用いてサブミクロンスケールに至るまでの空間分解能を有する赤外分光法およびイメージングに関する。いくつかの光学的光熱技術は、例えば、米国特許第９，０９１，５９４号および同９，８４１，３２４号に記載されている。これらの参考文献では、しばしば、異なる名称および頭字語によりその技術に言及している。本願の目的のために、本願においてはこれらの技術についてまとめて光学的光熱赤外（ＯＰＴＩＲ）と呼ぶ。

海軍研究所、パーデュー大学、ノートルダム大学、ボストン大学、マサチューセッツ工科大学の研究者を含む、いくつかの研究グループがＯＰＴＩＲのこの全般的な分野に取り組んできた。これらの研究室において開発された機器は、可視光線を用いて赤外放射の吸収に応答した試料の光熱応答を調べるものである。関連する可能性のある背景にある出版物および特許は次の通りである。(1) R. Furstenberg, C. Kendziora, N. D. Bassim, R. A. McGill,およびV. K. Nguyen, US9091594 B2 (2015); (2) C. Li, D. Zhang, M. N. SlipchenkoおよびJ.-X. Cheng, Anal. Chem., 89, 9, 4863-4867 (2017); (3) D. Zhang, C. Li, C. Zhang, M. N. Slipchenko, G. Eakins, およびJ.-X. Cheng, Science Advances, 2, 9, e1600521 (2016). (4) Z. Li, K. Aleshire, M. Kuno, およびG. V. Hartland, The Journal of Physical Chemistry B, 121, 37, 8838-8846 (2017); (5) Z. Li, M. Kuno, およびG. Hartland, "Super-resolution imaging with mid-IR photothermal microscopy 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, および G. Hartland, "Super-resolution Mid-infrared Imaging using Photothermal Microscopy", in Conference on Lasers and Electro-Optics (Optical Society of America, San Jose, California, 2016), p. ATu3J.7.; (7) A. Mertiri, A. Totachawattana, H. Liu, M. K. Hong, T. Gardner, M. Y. Sander, および S. Erramilli, "Label free mid-IR photothermal imaging of bird brain with quantum cascade laser", in CLEO: Applications and Technology (Optical Society of America, 2014), p. AF1B. 4; (8) M. Y. Sander, "Mid-infrared photothermal imaging", in Laser Science (Optical Society of America, 2015), p. LM1I. 2; (9) 米国海軍長官に割り当てられた米国特許第9091594号 B2, 表題 "Chemical mapping using thermal microscopy at the micro and nano scales,"。

また例えばA. M. Stolyarov, R. M. Sullenberger, D. R. Crompton, T. H. Jeys, B. G. Saar, およびW. D. Herzog, Opt. Lett., 40, 24, 5786-5789 (2015) で議論されるようなレーザースペックルの光熱変調だけでなく、例えばR. M. Sullenberger, S. M. Redmond, D. Crompton, A. M. Stolyarov, and W. D. Herzog, Opt. Lett., 42, 2, 203-206 (2017)で議論されるような光散乱におけるバリエーションを検出するための軸外照明とカメラセンサとを用いて構成された装置が存在する。しかしながら、試料のイメージング光学系における焦点距離／開口数の制約によりこれらのアプローチはサブミクロン寸法での顕微鏡用途には適さない。

光熱イメージングおよび分光法の従来技術における鍵となる制限は、ＩＲ吸収による光熱効果が極めて小さいことである。例えば、試料によるＩＲ放射の吸収に起因する、収集されたプローブ光における全体の強度変調は、収集された全プローブ光の平均強度よりも３〜６桁小さくなり得る。このため、弱い吸収性試料、弱い光熱応答の試料や、顕微鏡的に少量の試料材料のいずれかから、ＩＲ放射の小さな吸収を検出することが困難となり得る。精度を高めるために測定時間を増加させることは、実用的でないことが多い。測定精度はサンプリング時間の平方根に比例して増加するが、サンプリング時間を増加させることによりＯＰＴＩＲ検出器の精度を高めることは、例えば、精度を１桁向上させるためには、サンプリング時間を１００倍に増加させる必要があるため、実用的な問題として制限される。

本明細書に記載の実施形態によれば、複数の空間分解位置の赤外吸収特性を同時に特徴付けることによって、試料の顕微分析のための装置が提供される。複数の空間分解位置は、試料の広い領域に対応する。この装置は、赤外線のビームで試料の広い領域を照らすように構成された赤外線放射源と、プローブ放射のビームで試料の広い領域を照らすように構成されたプローブ放射源と、試料上の空間分解された複数の位置のそれぞれから少なくともプローブ放射の一部の収集されたプローブ放射として集光するように構成された集光器と、収集されたプローブ放射線として、試料上の複数の空間分解位置のそれぞれからのプローブ放射線の少なくとも一部を検出して、複数の空間分解位置のそれぞれに対応する赤外吸収を示す信号を生成するように構成された少なくとも１つのカメラとを含む。

本願は、試料の広い領域にわたって同時に行われるサブミクロン寸法の顕微鏡スケールでのＩＲ吸収の測定を介して測定スループットを改善する新しい機器および方法に関する。上記の概要は、例示された各実施形態または本明細書の主題のすべての実装を説明することを意図するものではない。以下の図および詳細な説明は、様々な実施形態をより具体的に例示している。

本明細書の主題は、添付の図に関連して様々な実施形態の以下の詳細な説明を考慮することで、より完全に理解することができる。
図１は、光学的光熱赤外（ＯＰＴＩＲ）分光法とイメージングで採用されている光熱原理の概略図を示す。 図２は、広視野ＯＰＴＩＲシステムの実施形態の概略図である。 図３は、ＩＲ吸収に対する光熱応答の時間分解測定の例である。 図４は、プローブビームからのＩＲ吸収信号のゲーティングの例を示す。 図５Ａ−５Ｃは、３つ実施形態によるプローブビーム照明を示す。 図６は、一実施例による様々な照明方式を示す。 図７は、一実施例による様々な照明方式を示す。 図８は、一実施例による様々な照明方式を示す。 図９は、広範囲にわたる複数の分離したサンプリング位置が同時に測定される実施例を示す。 図１０は、本明細書に記載の一実施例によるセンサによって検出された様々な物質を示す出力を示す。

様々な実施形態は、様々な修正および代替形態が可能であるが、それらの詳細は、例として図に示され、詳細に説明される。しかしながら、その意図は特許請求の範囲に記載の発明を本明細書で説明する特定の実施形態に限定することでないことは理解されたい。それどころか、その意図は、特許請求の範囲によって規定されるように主題の主旨および範囲内にあるすべての修正物、均等物、および代替物を網羅することにある。

この明細書では、感度を改善し、信号対雑音比を改善し、バックグラウンド信号を低減した光学的光熱赤外（ＯＰＴＩＲ）イメージングおよび分光法を実施するための方法および装置について説明する。広域技術を使用することにより、並行測定を同時に行うことでスキャン速度と精度を向上させることができる。

出願全体で使用されるフレーズについて、いくつかの定義を以下に示す。

「照明」とは、物体、例えば試料の表面への直接放射を意味する。照明は、放射源、パルス発生器、変調器、反射部品、集束素子、および他の任意のビーム操縦またはビーム調整部品の任意の構成を含み得る。

試料と相互作用する光の文脈において、「相互作用する」という言葉は、試料を照明する光が、試料を通過したり試料から出たりすることによる、散乱、屈折、吸収、収差、迂回、回折、透過、および反射の少なくとも１つであることを意味する。

「赤外線源」および「赤外線放射源」とは、赤外線波長範囲、概して２〜２５ミクロンの波長範囲の放射物を生成または放出する１つ以上の光源を指す。放射源は、熱源またはグローバー源、スーパーコンティニウムレーザー源、周波数コム、差周波数発生器、和周波数発生器、高調波発生器、光パラメトリック発振器（ＯＰＯｓ）、光パラメトリック発生器（ＯＰＧｓ）、量子カスケードレーザー（ＱＣＬｓ）、ナノ秒、ピコ秒、フェムト秒およびアト秒レーザーシステム、ＣＯ₂レーザー、微視的ヒーター（microscopic heaters）や、放射ビームを生成するその他の光源を含む多数の放射源のうちの１つであってよい。好ましい実施例として光源は赤外線を放射するが、代わりにまたは同様に、他の波長範囲、例えば紫外線からＴＨｚまでの波長範囲のものを放射できる。光源は、例えば、スペクトル幅が１０ｃｍ^-1未満または１ｃｍ^-1未満の狭帯域であってもよく、または例えばスペクトル幅が１０ｃｍ^-1より大きいか、１００ｃｍ^-1より大きいか、または５００ｃｍ^-1より大きい広帯域であってもよい。

「プローブビーム」とは試料に集束される光線であり、試料とＩＲ放射との相互作用から生じる光熱歪み（photothermal distortion）または他の光学歪みを検出するためのものであり、例えば試料によるＩＲ放射の吸収を検出する。

「プローブ放射源」とは、プローブビームを生成する放射源を指す。プローブ放射源は概して可視から紫外までの波長範囲内の１つ以上の発光波長を備えるプローブビームを生成するが、同様にまたはその代わりに、例えば近赤外、極端紫外線またはＸ線の範囲における、より短いまたはより長い波長で放射物を生成してもよい。プローブ放射源は、例えば、ガスレーザー、レーザーダイオード、ダイオード励起固体レーザー、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、例えば和周波発生または差周波発生によって生成されるＵＶおよび／または可視レーザービームまたは、その他のレーザーまたはその他のコヒーレント放射を含むことができる。また、インコヒーレント光源、例えば、白熱光源、発光ダイオードまたは他の光源を含み得る。一実施例として、それはまた２．５マイクロメートルよりも小さい、好ましくは１マイクロメートルよりも小さいスケールのスポットに集束することのできる任意のまたは他のＵＶや可視光を含み得る。

「スペクトル」とは、波長の関数として、または同等に（そしてより一般的には）波数の関数として、試料の１つ以上の特性の測定値を指す。

「光学的特性」とは試料の光学的特性を指し、屈折率、吸収係数、反射率、吸収率、散乱、屈折率の実数成分や虚数成分、試料の誘導関数の実数成分や虚数成分、および／またはこれらの光学特性の１つ以上から数学的に導き出せる任意の特性を含むが、これらに限定されない。

「光学的応答」とは、放射物と試料との相互作用の結果を指す。光学的応答は、上で定義した１つ以上の光学的特性に関連する。光学的応答は、放射物の吸収、温度上昇、熱膨張、光誘起力、光の反射や散乱、または照明放射物との相互作用による材料の他の応答であり得る。

「〜を示す信号」とは、目的の特性に対して数学的に関連する信号を指す。その信号は、アナログ信号、デジタル信号、および／またはコンピュータまたは他のデジタル電子機器に格納された１つ以上の数字であってもよい。その信号は、電圧、電流または容易に変換および記録され得る他の任意の信号であってもよい。その信号は、明確に測定される特性と数学的に同一であってもよく、例えば絶対位相信号または吸収係数などであってもよい。それはまた、目的の１つ以上の特性に数学的に関連する信号であってもよく、例えば線形スケーリングまたは他のスケーリング、オフセット、反転、または複雑な数学的操作を含む。

「スキャナ」とは、プローブと試料との間の相対移動を生成するために使用される１つまたは複数のスキャン機構であって、プローブが試料上の複数の位置と相互作用し、その特性を測定する。スキャン機構は、プローブ、試料、またはそれらを組み合わせたもののいずれかを移動させることができる。スキャン機構は通常、圧電デバイスであるが、電磁機構、静電機構、電歪機構および、所与の制御信号またはコマンドに応答して所望の運動を誘導する他の駆動機構を使用することもできる。スキャナには、圧電チューブ、圧電スタック、圧電駆動型フレクシャステージ、ボイスコイル、および高精度の並進を提供するその他の機構が含まれるが、これらに限定されない。

「コントローラ」とは、データ収集とシステムの制御とを容易にするシステムを指す。コントローラは、単一の一体型の電子筐体（electronic enclosure）であってもよく、または、複数の分散素子を含んでもよい。制御素子は、プローブ、照明や試料の位置決めやスキャンのための制御を提供することができる。それらはまた、プローブ変調、プロファイル運動（profile motion）または他の応答に関するデータを収集し、放射源電力、偏光、変調、操縦、フォーカスや他の機能を制御し得る。制御素子は、コンピュータプログラム方式またはデジタル論理方式を含み得、様々なコンピューティング装置（コンピュータ、個人用電子装置）、アナログおよび／またはデジタルディスクリート回路部品（トランジスタ、抵抗器、コンデンサ、インダクタ、ダイオードなど）、プログラマブルロジック、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラー、アプリケーション固有の集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、またはその他の回路素子を組み合わせたものを使用して実装できる。コンピュータプログラムを格納するように構成されたメモリは、本明細書に記載の１つ以上のプロセスを実行するためのディスクリート回路部品とともに実装されてもよい。これに限定されないが、量子デバイス（ｑｂｉｔｓ）、フォトニック回路および分子エレクトロニクスを含め、コンピューティングの進歩が役立つ可能性があることも認識しており、期待している。また、遺伝的アルゴリズム、ニューラルネットワーク、ＧＰＵ ＴｅｎｓｏｒＦｌｏｗおよびその他の人工知能や深層機械学習手法などを含め、ソフトウェアの有用な進歩についても認識し、期待している。

「ロックインアンプ」は、１つまたは複数の基準周波数でシステムの応答を復調する装置やアルゴリズムである。ロックインアンプは、アナログ電子機器、デジタル電子機器、およびその２つの組み合わせを備える電子アセンブリであってもよい。それらはまた、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラー、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡｓ）、デジタル信号プロセッサ、およびパーソナルコンピュータなどのデジタル電子装置に実装される計算アルゴリズムであってもよい。ロックインアンプは、同相成分（Ｘ）および直交位相成分（Ｙ）における振幅成分、位相成分または上記の任意の組み合わせを含む、共振系のさまざまなメトリックを示す信号を生成できる。この文脈でのロックインアンプはまた、基準周波数および基準周波数の高調波の両方で、および／または基準周波数のサイドバンド周波数で、そのような測定値を生成することができる。

「光熱歪み」とは、光エネルギーの吸収、例えばＩＲ放射の吸収による試料の特性の変化を指す。光熱歪みは、屈折率、反射率、熱膨張、表面歪み、またはプローブビームで検出できるその他の効果における変化を指す場合もある。

「カメラ」とは、複数の感光性ピクセルを含むアレイベースの光検出器を指す。カメラは、ＣＣＤ、ＥＭ−ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ｓ−ＣＭＯＳや他の感光性アレイ技術を含む１つまたは複数の技術を含み得るが、これらに限定されない。カメラは、１秒あたり数フレームから、１秒あたり数百フレーム、さらには１秒あたり数千フレームまたはそれ以上のフレームレートをサポートしてもよい。

「フィギュア・オブ・メリット」とは、信号または測定値の相対的な品質の任意のメトリックまたは指標を指す。フィギュア・オブ・メリットは、例えば測定感度、信号強度、ノイズレベル、信号対ノイズ比、バックグラウンドレベル、信号対バックグラウンド比、これらの任意の組み合わせ、または信号や測定値の相対的な品質をランク付けできるその他のメトリックであり得る。

光学的光熱赤外（ＯＰＴＩＲ）イメージングおよび分光法
図１は、従来のＯＰＴＩＲイメージングシステムを示す。他の同様のシステムについては例えば同時係属中のＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＵＳ１７／６３８０７に記載されており、その開示は、その全体が参照により援用される。試料１０２の領域１００は、温度上昇、すなわち、試料のＩＲ吸収領域において光熱応答を引き起こす赤外線放射１０４のビームで照明されている。ＩＲ吸収から生じる光熱応答を測定するため、ＩＲ吸収領域の少なくとも一部はまた、プローブ放射１０６のビームで照明される。示した構成では、このプローブビーム１０６はその後、照明経路に沿って反射されたり、試料を透過（１０８）したりする。図１には、集束されたプローブ放射１０６を示すビームウエストの図に加えて、反射部分と透過部分の両方が矢印で示されている。試料のＩＲ吸収によるＩＲ照明試料や環境（例えば試料の上または周囲の空気または流体など）における温度変化により、試料から反射／散乱された光（１１０）の位相、偏光性、強度や角度における変化を引き起こしたり、ＩＲ吸収領域を透過した光（１１２）の位相／偏光性／強度／角度における変化を引き起こしたりする。収集されたプローブ光の変動を測定することにより、試料の吸収領域によるＩＲ光の吸収を示す信号を生成することができる。示した構成において、プローブ光は反射構成で収集されるが、透過構成および散乱構成でも同様に測定可能である。

多くの従来型システムでは、プローブビームは、可視光や紫外光のビーム、すなわち、ＩＲ光よりも著しく短い波長のビームを含み得る。ＵＶまたは可視光を使用する理由は、ＵＶ／可視光のより短い波長により、ＩＲ放射よりもはるかに小さなスポットに焦点を合わせられるからである。そのためそれを利用して、従来のＩＲ顕微鏡よりも１０倍以上優れた空間分解能でＩＲ吸収を測定できる。遠視野顕微鏡では、光回折により、達成可能な空間分解能が、使用される光の波長のオーダーの長さスケールに制限される。具体的には、レイリー基準を使用する２つのオブジェクト間の最小の検出可能間隔（separation）δは次の式で与えられる。
式１ δ= 0.61 λ / (n NA)

ここで、λは使用される赤外光の波長、ｎは周囲の媒体の屈折率、ＮＡは使用される顕微鏡対物レンズの有効開口数である。高出力ＩＲ対物レンズは通常、０．７〜０．８１の範囲の最大ＮＡを有し、レイリー基準の下で達成可能な最高の空間分解能を、使用される波長の約７５％〜８７％に設定する。例えばλ＝１０μｍでの空間分解能δは約８μｍである。式１の下でのＯＰＴＩＲ技術によって達成可能な空間分解能は、ＩＲビームの波長ではなく、可視プローブビームの波長によって設定される。ＯＰＴＩＲ技術で達成可能な空間分解能の改善については、ＩＲ波長とプローブ波長との比によって決定される。例えば、λ_IR＝１０μｍでλ_probe＝０．５３２μｍの場合、ＯＰＴＩＲ技術の空間分解能は、同じ対物レンズを備える従来のＩＲ顕微鏡法よりも（１０／０．５３２）〜１９倍改善され得る。λ_probe＝０．５３２μｍと上記したものと同じＮＡとを使用すると、ＯＰＴＩＲ技術は約０．４μｍの空間分解能を生成する。より高い空間分解能でさえ、より高いＮＡの対物レンズ、例えば可視光顕微鏡用に最適化された対物レンズや、例えば青／ＵＶ範囲のより短い波長のプローブビームを使用して達成することができる。

実施例によっては、ＩＲ照明の短時間の（数百ナノ秒のオーダーの）周期パルスが使用される。同期検出技術と組み合わせて短時間のＩＲパルスを使用すると、高感度および高い空間分解能を提供できる。ＩＲ吸収を示す信号は、ＩＲ放射の波長の関数として測定され、ＩＲ吸収スペクトルを生成できる。ＩＲ吸収信号は、相対的な試料の位置の関数として測定されて、試料の化学組成の空間分解マップを生成できる。空間分解マップは、試料の位置の関数として選択波長（または同等の波数）でのＩＲ吸収を測定することによって生成でき、および／またはＩＲ吸収スペクトル全体は、試料の複数箇所で測定され得る。いわゆるハイパースペクトルイメージングの場合、データキューブは、試料表面に沿って横方向の寸法ｘとｙを有するとともに、３次元目はそれらの励起モード（伸縮、曲げ、ねじれなど）によって分子を識別するために使用されるＩＲ吸収スペクトルを備える。

しかしながら、光熱イメージングおよび分光法の従来技術における鍵となる制限は、測定スループットである。光熱スペクトルは通常、スペクトルあたり０．１〜１００秒の速度で取得される。これは、ポイントスペクトルまたはスペクトルの小さなアレイでは許容できるが、この測定時間は、多数のスペクトル、例えば数千または数百万のスペクトルを含むハイパースペクトルアレイでは許容できなくなる。以下に説明するのは、試料上の複数のポイントで同時に並行測定を可能にすることによって高スループットのＯＰＴＲＩ測定を実現するための実施形態である。

図２は、広視野測定用に配置されたＯＰＴＩＲ装置の一実施形態を示す。この実施形態では、赤外（ＩＲ）光源２００はＩＲ光のビーム２０２を生成する。ＩＲ光のビーム２０２は必要に応じて、ビームコンバイナ２０８（通常、二色性ビームスプリッタだが、偏光ビームスプリッタも使用可能）を通過する前に一つ以上のミラー２０４および２０６によって方向づけられる。示した構成では、ビームコンバイナ２０８は、実質的にＩＲ放射に対して透過性であり、かつ、プローブ放射に対して反射性であるので、ＩＲビームは、ダイクロイック２１０を通過する。ビームコンバイナは、交互にＩＲに対して反射性であり、プローブ光に対して透過性とすることができ、それに応じて構成を調整できる。ダイクロイック２１０は、ＩＲ光を集束素子２１２に反射させて、ＩＲ放射２１４のビームを試料２１８の領域上のスポット２１６に集束させる。試料２１８は、ＩＲビーム２１４に対する試料２１８の位置を変えるための移動ステージやスキャナ２２０上に取り付けられてもよい。プローブビーム源２２２は、紫外光や可視光のビーム２２４を生成する。プローブビーム２２４は、任意のミラー２２８および２３０に方向づけられる。任意のミラーの後、プローブビーム２３２は、ビームコンバイナ２０８に送られる。

示した構成では、プローブビーム２３２は、ビームコンバイナ２０８によって右に反射され、ダイクロイック２１０に反射され、その後に集束レンズ２１２に反射される。集束レンズ２１２は、プローブビーム２３６を試料２１８の集束スポット２１７に集束させる。集束スポット２１７は、概してＩＲビーム２１４の集束スポット２１６と少なくとも部分的に重なっている。別の構成では、ＩＲビームとプローブビームを別の集束レンズによって試料に送ることができる。以下で論じるように、この実施形態では、少なくともプローブビームおよび必要に応じてＩＲビームも、試料の広い領域を照明するように配置される。すなわち、従来のＯＰＴＩＲ測定とは異なり、プローブビームは単一の回折限界スポットに集束されず、代わりに広い領域または少なくとも複数箇所を同時に照明するようになっており、試料の複数箇所で同時にＩＲ吸収の並行測定を可能とする。一実施例として、ＩＲビームおよびプローブビームは両方とも、直径１００ミクロンを超える試料の領域を照明する。

ミラー２０４、２０６、２２８および２３０のうちの少なくとも１つは、好ましくは、電子制御可能であり、集束されたＩＲビームおよびプローブ光ビーム２０２および２２４の重なりを調整および最適化して、試料２１８で重なり合うＩＲビーム２１４およびプローブビーム２３４を生成する。その重なり合いは対称的であったり、一方が他方の中心にあったりする必要はない。

試料から反射または散乱されたプローブ光は、集光レンズまたは「集光器」によって収集することができる。コレクターは、集束レンズ２１２を備えてもよい。すなわち、同じレンズを使用して、試料を照明し、かつ、試料から光を収集ことができる。高い空間分解能を達成するため、コレクターが高い開口数を有することが望ましい。例えばコレクターは、少なくとも０．４またはより好ましくは０．６より大きい開口数を有する対物レンズを備えてもよい。一実施例として、コレクターは４０倍の倍率および０．７８のＮＡを有するカセグレン式の反射対物レンズである。別の一実施例として、コレクターは２０倍の倍率および０．７０のＮＡを有するカセグレン対物レンズである。図２の配置は、正反射光だけでなく、コレクターの開口数円錐（cone）内のすべての散乱光の集光を可能にする点で大きな利点を有する。これは、図２に示される実施形態が、試料から戻るプローブ光の最も強い部分を捕捉する能力を有し、したがって、サブミクロンの空間分解能で、試料によるＩＲ吸収を示す強い信号を生成できるということを意味している。上に示した開口数を使用して式１で与えられる解像度は、０．７８ＮＡの対物レンズで０．４２μｍ、０．７０ＮＡの対物レンズで０．４６μｍである。高ＮＡ対物レンズは概して作動距離が短く、多くの場合、数ｍｍ以下である。作動距離が短いことによって図２に示す後方反射構成を有利にすることができる。なぜならば、対物レンズが試料に近接していることで他の軸外の集光経路へのアクセスが劇的に制限されるからである。

他の実施形態として、反射対物レンズの代わりに、ＩＲ屈折対物レンズを使用することもできる。例えば、ＰｉｋｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社は、２０倍で０．６０ＮＡおよび４０倍で０．８５ＮＡの屈折対物レンズを製造している。補償レンズをプローブビーム経路またはＩＲビーム経路のいずれかで使用して、ＩＲ波長とプローブ波長の間の焦点距離／分散の差を補償することができる。

あるいは、プローブ光であって、反射、通過、散乱、またはその他の方法で試料と相互作用するものを図示されていない他の集光レンズによって収集することができる。プローブ光を透過させる試料の場合、別の集光対物レンズを試料の下に配置して、プローブ光の透過したものを集光することができる。これは、試料のＩＲ吸収領域と相互作用した後、プローブ光の大部分を再び集光できるため、透明度の高い試料に有利である。この場合、集光対物レンズは高ＮＡの可視対物レンズとすることができる。０．９ＮＡを超える開口数の可視対物レンズが利用できるため、これは空間分解能にも有益である。透過構成で使用される０．９ＮＡの対物レンズコレクターは、５３２ｎｍのプローブ波長で０．３６μｍの空間分解能を付与できる。

図２に示される反射構成に戻って、収集されたプローブ光はその後、フィルタミラー２１０に向かって反射して戻される。フィルタミラー２１０は、部分的に反射する例えばビームスプリッタとすることができ、反射光の一部をカメラ２５０または同様のアレイ検出器に方向づけることができる。カメラ２５０を使って、試料上の複数箇所での試料によるＩＲ吸収に起因する、収集されたプローブ光における変化を並行して測定することができる。

コントローラ２５２を使用して、いくつかの機能を実行する。まずコントローラ２５２は、ＩＲ源２００、プローブビーム源２２２、およびカメラ２５０をトリガー信号２５４と同期させる。具体的には、トリガー信号により（１）カメラフレームがＩＲレーザーパルスと同期して露出されることと、（２）プローブビームが、カメラ飽和（saturation）につながるような方法でカメラ２５０内のセンサを不必要に露出していないこととを確実にする。トリガースキームについては、以下で詳しく説明する。

コントローラ２５２または別のコントローラ（図示せず）を使用して、カメラ２５０からデータを収集し、ＩＲ吸収による試料の光熱応答を測定することで、試料によるＩＲ吸収を示す信号の測定を可能にする。このＩＲ吸収信号を波長または同等の波数の関数として測定することにより、ＩＲ吸収スペクトル２５６を測定でき、試料の化学成分の化学的特性評価と材料識別を提供する。試料のＩＲ吸収は、カメラ２５０の並行測定機能を使用したり、試料スキャナ２２０の複数箇所で測定を繰り返したりすることによって、試料上の複数箇所でなされ得る。

ＩＲの広視野測定の実施に関連して、特に単一点検出器の代わりにカメラ／アレイ検出器を使用することに関連して、いくつか課題がある。ＯＰＴＩＲ技術を使用して、試料上の複数箇所でサブミクロンの空間分解能で同時にＩＲ吸収測定を可能にするにあたり、ダイナミックレンジ、試料照明、空間分解能、およびその他の要因を含むことに問題が伴う。これらのそれぞれについて、以下で順番に説明する。

感度とダイナミックレンジ
単一点検出器に対してカメラベースの検出器を使用して十分な感度を達成するのは、困難な場合がある。なぜならば、光熱応答が非常に小さい、つまり一般的なカメラのダイナミックレンジ内で検出できるよりも小さい可能性があるためである。例えば、屈折率および熱膨張の変化は、高分子材料では約１０^-4／Ｋであり、他の多くの材料ではより小さくなる。検出されるプローブビーム強度の変化は、概してインデックス／膨張係数におけるこれらのわずかな変化と同じ規模である。すなわち、収集されたプローブビーム強度も約１０^-4／Ｋで変化する。多くの場合、熱的に引き起こされる試料の変化の可能性を制限するために、試料の温度上昇を最小限に抑えることが望ましい。したがって、適切な目標は、温度上昇を１０Ｋ未満にすることである。これにより、屈折率または熱膨張の最大の分数変化率が１０Ｋ×１０^-4／Ｋ＝１０^-3付近となる。ＩＲ分光法では、最も強い吸収帯とより弱い吸収帯との間の吸収の差に対応するために、広いダイナミックレンジを有することも望ましい。例えば弱いＩＲバンドは、強いバンドよりも１０〜１００倍小さくてもよい。ＳＮＲが１０の１００倍弱い帯域を解消するには、１０^-3／１０／１００＝１０^-6の分数変化率を検出する能力が必要になる。残念ながら、これは１０^-6のダイナミックレンジを意味し、すべてではないにしてもほとんどの市販のカメラをはるかに超えている。カメラには有限のウェル深さがあり、これが、露出が停止されてカメラのピクセルを読み取る前に蓄積できる光電子の最大数を設定する。カメラセンサのダイナミックレンジは、ウェル深さとピクセルの読み取りノイズの比によって設定される。ハイエンドの科学用ＣＭＯＳカメラのダイナミックレンジは約１０，０００〜６０，０００であり、マイナーバンドを解消するのに十分なダイナミックレンジで高速ＩＲ分光法を実施するのに必要なダイナミックレンジよりも数桁低くなっている。

複数フレームを積み重ねることで、十分に高いダイナミックレンジを実現できる。この場合、信号は積み重ねられたフレーム数に比例して増加する一方で、ノイズは部分的に相殺され、フレーム数の平方根の数と同じようにのみ増加する。したがって、ダイナミックレンジは積み重ねられたフレーム数の平方根と同じように大きくなる。例えば、ダイナミックレンジが５０，０００のカメラセンサでダイナミックレンジ１０⁶を達成するには、累積（１０⁶／５０，０００）²＝４００フレームが必要になる。複数のカメラフレームは、コントローラ２５２によって、および／または、例えば、ＦＰＧＡ、組み込み型コンピュータ、またはフレームをキャプチャして合計できる他の電子機器を含む、図示されていない追加の任意のフレーム加算器（frame summing electronics）で蓄積することができる。

スループット
次に、本明細書に記載の実施形態の下で達成可能な測定スループットに目を向ける。広視野光熱測定の場合、カメラの関連するフィギュア・オブ・メリットは、カメラの固有のダイナミックレンジＤＲ¬₀が与えられた場合に、所望のダイナミックレンジＤＲを達成するために必要な合計時間ｔとする。この測定時間ｔは次の式で与えられる。
t = (DR / DR₀)² / f
ここでｆはカメラのフレームレートである。カメラが異なれば、フレームレートも劇的に異なり、１秒あたり数十フレームから１秒あたり数千フレーム以上になる。ダイナミックレンジが大幅に低下するという犠牲を払うのであれば、必ずしもフレームレートが高いほど良いとは限らない。科学用ＣＭＯＳカメラは、フレームレートとダイナミックレンジのバランスが取れている。例えば、Ｔｕｃｓｅｎ Ｄｙｈａｎａ ９５のようなカメラを使用すると、ダイナミックレンジは約６２，１００であり、２５６×２５６ピクセルに対するフレームレートは１９２フレーム／秒である。上記の式を使用すると、１．３５秒で１０⁶のダイナミックレンジを実現できる。５００の異なるＩＲ波長でのＩＲ吸収の光熱測定を含むスペクトルを取得するには、５００×１．３５秒＝６７６秒かかる。これは、単一点検出器を使用した単一点ＯＰＴＩＲスペクトルの時間（通常は１〜１０秒の範囲）よりもはるかに長いが、これらの測定が並行して実行されるという事実は、単一点測定に比べて大きな正味の利点を提供する。上記のシナリオでは、カメラセンサは２５６×２５６＝６５，３５６のスペクトルを同時に取得できる。したがって、この実施形態の下でのスループットは、ダイナミックレンジ１０⁶で６３，３５６／６７６＝９７スペクトル／秒である。これは上記の１〜１０秒／スペクトルの速度で単一点検出器を用いてＯＰＴＩＲスペクトルを取得するよりも１００〜１０００倍速いスペクトル速度（spectral rate）を表す。そのため、広視野アプローチでは、固有のダイナミックレンジが低くても、劇的に高い測定速度を実現できる。本明細書で説明する実施形態は、スペクトルに対して１０⁴、１０⁵および１０⁶という高いダイナミックレンジを達成しつつ、毎秒２０スペクトルを超える、毎秒５０スペクトルを超える、および毎秒９０スペクトルを超える、スペクトルスループットと同時に、試料上の複数箇所でのＩＲ吸収を測定することができる。

実施例によっては、ＩＲ光源がパルスオン（pulsed on）されたときとＩＲ光源がオフのときの両方で、カメラフレームを蓄積することが望ましい場合がある。ＩＲ光がオンのときおよびＩＲ光がオフのときの蓄積フレームを使用して、試料のＩＲ吸収による、収集されたプローブ光における変化を示す差分測定を生成できる。構成によっては、カメラシステムに複数のフレームを蓄積するためのオンボードメモリが搭載されていてもよい。これにより、ホストへのデータ転送に必要な周波数を減らすことができる。また、カメラに２つ以上の別々のイメージを蓄積することが可能である。例えばＩＲがオンのときのフレーム用の１つのアキュムレータと、ＩＲがオフのときのフレーム用の別のアキュムレータが可能である。例えばＰｒｉｎｃｅｔｏｎＰＩ−ＭＡＸRブランドのカメラなど、カメラによっては、２つのバッファに対するカメラの露出間の遅れが可変である２つの異なるイメージバッファを取得する機能も有する。この構成では、最初のトリガー信号が最初の取得、例えばＩＲパルスに対するプローブビームの応答などを誘発できる。２番目のイメージバッファは、その後少し遅れて、例えば熱緩和が発生し、プローブ強度がベースライン値に戻った後に蓄積される。２つのイメージを差し引くかまたは比較することで、試料によるＩＲ吸収に起因する、空間分解光熱応答を測定できる。

その代わりに、例えばデジタルロックイン技術やロックインのシミュレーションを行うことを目的とした計算を利用して、すなわち時間依存データに１つ以上の周期基底関数（例えば、サインとコサイン、ゲートパルス、ウェーブレット、またはその他の関数）を掛けた後、結果の出力をフィルタリングして、カメラデータを、同期的に復調される時間ベースのデータストリームに変換することができる。これらの場合のいずれにおいても、目標は、収集されたプローブ光のＩＲ吸収変調を介して、収集されたプローブ強度のカメラ測定値における動的変化を測定し、試料の領域のＩＲ吸収を示す信号を測定することである。

試料照明
一実施形態として、ＩＲビームおよびプローブビームは、約１００μｍの直径を有する領域を照明するようになっている。他の実施形態として、直径１ｍｍの大きさの領域が、ＩＲビームおよびプローブビームによって照明されてもよい。約１００μｍの照明領域を選択すると、いくつか利点がある。まず、その照明領域は、従来のＯＰＴＩＲ機器で使用されている赤外線ビームの回折限界スポットのサイズよりもわずか数倍大きいだけである。例えば、集束ＩＲスポットの大きさは、使用する集束対物レンズのＮＡおよび品質に応じて、１０〜３０μｍの範囲であってもよい。このため、ＩＲビームを直径約１００μｍに拡大しても、ビームの面積は１０〜１００倍増加するのみである。したがって、従来のＯＰＴＩＲ測定で使用されているのと同じＩＲ光パワー密度を維持するには、現在、単一点測定に使用されているものの１０〜１００倍以上のＩＲパワーが必要となる。典型的なＯＰＴＩＲ単一点測定は、約５〜２０ｍＷのピーク電力（つまり、ＩＲパルス中の電力）で行われる。

中赤外において利用可能で調整可能な光源は、数百ミリワットから数ワットの光パワーのスケールの出力ビームを生成できる。例えば、Ｍスクエアレーザー社のＦｉｒｅｆｌｙ−ＩＲは、平均出力が２５０ｍＷを超える中赤外線照射を生み出すことができる。例えばＥｋｓｐｌａ社のナノ秒光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）は、１ｋＨｚまたは４５０ｍＷのＩＲパワーで４５０ｕＪを生み出すことができる。Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｙｓｔｅｍｅｓ社の提供するＯＰＯレーザーは、最大５０Ｗの入力電力を受け取り、１２％を超える効率で中赤外出力を生成でき、例えば６Ｗの中赤外エネルギーを生成する。Ｊｉａｎｇらは、３．３ｕｍ波長で最大８．５Ｗの電力を備えた高出力パルスのＯＰＯを示ししている（ＤＯＩ：１０．１３６４／ＯＥ．２３．００２６３３）。Ｐｅｎｇらは、２７Ｗを超える出力パワーを備えた調整可能な中赤外レーザーを示している（ＤＯＩ：１０．１１３４／Ｓ１０５４６６０Ｘ１２０１０１５Ｘ）。ヘミングらは、３０Ｗを超える光パワーを備えた高出力中赤外ＺＧＰリングＯＰＯを示している（ＤＯＩ：１０．１３６４／ＣＬＥＯ＿ＳＩ．２０１３．ＣＷ１Ｂ．７）。

次に、これらの中赤外光源のそれぞれは、顕微鏡フォーカスの場合に使用されるのと同じ平均電力密度で、試料のますます広い面積を照らすのに十分な電力を提供する。例えば、顕微鏡の場合、十分な感度を得るために、ＩＲビームを１ｍＷの出力で１０μｍのスポットに集束させると仮定する。我々は、ＪｉａｎｇらのＯＰＯからの３０ＷのＩＲ電力を使って、１０μｍの集束スポットよりも直径で１２２倍大きい面積を照明することができた（１ｍｗに対して３０Ｗの電力比の平方根を介して）。このため、これは直径で１２２０μｍの円形領域を照らす能力に対応する。その正味の効果は、直径１００μｍスケールの広い領域を照明するのに十分な強度を有する複数のＩＲ光源が存在することと、直径１ｍｍを超える円形領域をサポートするのに十分な光源がいくつか存在することである。より大きなビームＩＲビームサイズは、ビームレデューサーを使用してＩＲビーム集束の有効開口数を小さくしたり、ＩＲ互換ディフューザー（compatible diffuser）を照明したりすることによって生成できる。低コストの熱源、例えばグロバー（globar）はサイズが大きいため、必然的に試料のより広い面積を照明する。これらの光源は、例えば光弾性変調器や高速チョッパーなどの高速変調器に結合することにより、高い空間分解能でのＯＰＴＩＲ測定に適したものにすることができる。例えば、Ｈｉｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社は適した光弾性変調器を製造し、Ｓｃｉｅｎｔｅｃ社は１００ｋＨｚを超えるビームを変調できる光チョッパーを製造している。

視認側では、およそ１μｍの領域から１００μｍの領域に変更すると、約１００，０００倍大きい照明領域が必要になる。この結果、１００，０００倍以上のレーザー出力で照明する必要があると考える人もいるかもしれない。従来の単一点ＯＰＴＩＲ測定は、約１〜１００ｍＷの範囲の入力プローブ電力で実行されるため、１００，０００倍以上の電力を必要とすることは法外なことかもしれない。しかしながら、これを軽減し、必要なプローブ電力を減らすことのできるいくつかの側面がある。Ｔｕｃｓｅｎ Ｄｙｈａｎａ ９５は、９５％の量子効率と、９０，０００個の光電子のフルウェル容量を備えている。５３２ｎｍの波長では、これにより２５６×２５６ピクセルで２ｎＪの飽和線量に至る。Ｔｕｃｓｅｎ Ｄｙｈａｎａ ９５カメラの最大フレームレートである１９２フレーム／秒で動作すると、１／１９２秒＝５ミリ秒ごとにその飽和線量が供給されることを意味する。５ミリ秒ごとの２ｎＪの露出は、２ｎＪ／５ミリ秒＝０．４μＷのカメラ全体の平均プローブ電力に相当する。比較すると、従来のＯＰＴＩＲ測定で単一点検出器に入射するプローブ電力のレベルは、２０〜４００μＷのオーダーである（試料の反射率と損傷しきい値に依存する）。そのため、カメラのピクセルは、単一点検出器で通常使用されるよりも最大５０〜１０００倍低い電力レベルで飽和する。これは、カメラベースの検出器を使用することで、ピクセル要件（pixel requirement）あたりの平均電力を大幅に下げられることを意味する。

２ｎＪの飽和線量または０．４μＷの平均電力目標を想定すると、必要な入力パルスエネルギー／電力を見積もることができる。４％の試料反射率、両方向のカセグレン対物レンズによる６０％の光スループット、それぞれ５０％の２つのビームスプリッタ損失、および他の場所での８０％の光スループットを想定すると、検出器で検出されるよりも約４００倍高い入力電力が必要になると推定される。したがって、パルスあたり約８００ｎＪまたは平均電力１６０μＷを供給できるプローブビーム源が必要である。これは実際にはかなり控えめな電力量であり、第一印象で必要と思われるような単一点検出器で使用されるものの１００，０００倍以上の入力ではない。適当かもしれない可視プローブ源がいくつかある。例えば、ガスレーザー、ダイオードレーザー、スーパールミネッセントダイオード、ＬＥＤ光源などは、このアプリケーションに十分な光パワーを供給することができる。他の白熱光源を使用することもできる。ただし、より高出力の電源には別の利点がある。この利点は、空間分解能を改善させられる、より短いプローブパルスのサポートに関連する。

空間分解能と熱拡散
より短いプローブビームパルスは、高い空間分解能を維持するのに有利である。熱拡散により、原則、空間分解能を損なう可能性がある。これはＩＲ吸収領域において生成された熱が、試料の隣接する非吸収領域に拡散するためである。短いプローブビームパルスを使用することにより、ＩＲパルス開始後の選択された時間窓での光熱応答を測定できるようになる。熱拡散長Ｌは次の式で与えられる。
L = (α t) ^1/2
Ｌαは試料材料の熱拡散率であり、ｔは拡散時間である。例えば、１０^-7ｍ²／ｓｅｃの熱拡散率（典型的なポリマー）を想定すると、２００μｓｅｃの長さのプローブパルスの持続時間に対応する熱拡散長は約４μｍとなるが、２μｓｅｃのプローブパルスでは熱拡散時間が約０．４μｍとなる。

図３は、時間分解測定における単一点検出器で捕捉されたポリマーフィルム上の光熱応答３００を示している。図３の測定では、量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）ベースのＩＲ光源から１７２９ｃｍ^-1のＩＲパルスを、パルス持続時間２６０ｎｓｅｃでポリマーフィルムに照射する一方で、反射プローブ光の強度を単一点シリコン検出器で計測した。使用した構成において、プローブビーム強度は、ＩＲパルスの前（３０２）の強度と比較して、ＩＲパルスの持続時間（点３０４）の間に急激に低下した。その結果として生じる熱緩和は、プローブ信号がベースラインに戻るときに３０６で観察されている。図３は、収集されたプローブ光のＡＣ変化のみを示すようにプロットされている（すなわち、ベースラインがゼロにシフトされている）。

図３は、試料の光熱応答が１００μｓｅｃを超えて持続する可能性があることを示している。検出される信号の合計を最大化するには、減衰時間全体（またはそのかなりの部分）にわたって光熱応答を積分することが望ましい場合がある。ただし、光熱応答が長時間にわたって積分される場合、隣接する非ＩＲ吸収領域への熱の拡散によって空間分解能が損なわれる可能性がある。実施例によっては、熱拡散に対する空間分解能の損失を制限するため、ＩＲレーザーパルス後の短時間に対応する光熱応答を利用してＩＲ吸収信号を構築することが望ましい。これはいくつかの方法で達成できる。第一に、収集されたプローブを複数回にわたって迅速に記録するとともに、その後、ＩＲパルス開始後の選択された期間にわたるゲート持続時間からのみ選択されたプローブビーム測定を用いてＩＲ吸収信号を構築することによって達成できる。あるいは、ＩＲレーザーパルスと同期して開始するように選択された短いカメラ露出を利用して同様の結果を達成することが可能である。この場合、カメラの露出時間と位相とがゲートとして機能する。一実施形態として、プローブビームも同期的にパルス化され、有効なカメラ露出時間はプローブビームパルスの持続時間によって制御され得る。これらの場合のいずれにおいても、ゲート時間（例えば、プローブビームパルス持続時間やカメラ露出時間）を調整して、空間分解能と感度との間で最適化することが可能である。

図４は、プローブビームからのＩＲ吸収信号の構築に使用できるゲーティングの例を示す。トレース４００は、例えばパルスレーザー源に対する同期入力またはトリガー入力などのＩＲ源のトリガーパルスのパルス列の一例を示す。トレース４０２は、収集されたプローブ光の強度を時間の関数として示している。図３に示されるように、トレース４０２はＩＲパルスの持続時間中に収集されたプローブ光の急激な減少、そしてその後、ベースラインに戻る、より緩やかな熱減衰を示している。トレース４０４はゲート機能の一例を示し、このゲート機能を使って、試料によるＩＲ吸収を示す信号の計算に使用するためのトレース４０２の部分４０６を選択することができる。なお示した例では、トレース４０４のゲートパルスは、必要に応じて４００および４０２におけるＩＲパルスおよび光熱応答の２倍の頻度で発生するように配置されている。この理由は、差分測定を可能にするためである。具体的には、プローブビーム強度は２つの異なる状況で交互にサンプリングできる。すなわち（ａ）ＩＲ吸収への応答に際して、例えばトレース４０６の部分４０８および、（ｂ）ＩＲパルスの前または後のベースライン期間中、例えばトレース４０６の部分４１０の２つである。ＩＲオン（４０８）およびＩＲオフ（４１０）の２つの信号を差し引くか、あるいは比較することで、ＩＲ吸収に応答した光熱信号における変化を示し、したがってＩＲ吸収量を示す差分信号を生成することができる。トレース４０４に示されているゲートパルスは、いくつかの方法で使用できる。例えば、時間分解測定で使用して、トレース４０２の目的領域を選択し、トレース４０６の部分４０８および４１０を選択できる。あるいは、ゲートパルス４０４を使用して、カメラ露出の開始時間および終了時間を設定することができる。ゲートパルスは同様にまたは代わりに、プローブビームパルスの放射時間を制御することができる。例えばゲートパルスを使用して、ＬＥＤベースのプローブ光源またはダイオード励起固体レーザーまたは電子制御可能な出力を備えた他のプローブ光源におけるダイオード電流を変調することができる。ゲートパルスは、カメラやプローブビーム光源の前に配置されたシャッターや変調器を交互に制御する。電気光学変調器、音響光学変調器、光弾性変調器、高速チョッパー、およびその他の関連装置は装置の例であり、これらを使用してＣＷレーザー源の強度を定期的に変調してプローブ光パルスを提供し、ＩＲ光パルスと同期して試料を照明することができる。

ゲート時間の長さによって、熱減衰のどの部分がサンプリングされるかを決定できる。空間分解能を最適化するには、短いゲート時間を使用することが望ましい場合がある。例えば、０．５μｍ未満の熱拡散長に対応するために、上記のように２μ秒未満のプローブビームパルスを使用することが望ましい場合がある。必要な最大プローブビームパワーは、所望のプローブパルスエネルギーをパルス持続時間で割って設定される。したがって、２μｓｅｃで２ｎＪのプローブエネルギーを供給したい場合（２μｓｅｃの熱拡散時間内にカメラのピクセルウェルを埋めるように）、カメラに対して２ｎＪ／２μｓｅｃ＝１ｍＷの最大電力が必要となる。プローブ源とカメラとの間の光損失に関して前述した、４００倍のものを適用すると、最適な空間分解能を達成し、かつ、カメラセンサのダイナミックレンジを最大限利用するためには、プローブビーム源が２μ秒間に少なくとも４００ｍＷの光パワーを提供する必要があるということを示唆している。

適切な高輝度ＬＥＤ光源も利用できる。インコヒーレント光源はスペックルと干渉アーチファクトを最小限に抑えることができるため、プローブビーム用のＬＥＤ光源は有利となり得る。例えば、ソーラボ社は顕微鏡用の単色高出力ＬＥＤイルミネーターを製造している。例えば彼らのＳＯＬＩＳブランドの製品は、多くの波長オプションで最大３〜７Ｗの光を生成するとともに、利用可能なＬＥＤ電源／コントローラを使用して最大２５０ｋＨｚの周波数でパルス化したり変調したりする機能を備える。実験室での測定に基づいてＬＥＤ顕微鏡イルミネーターから４０×０．７８ＮＡのカセグレン対物レンズを介して光学的に透明なポリマーフィルムに当たる７Ｗの光パワーは、カメラに十分な光を返し、７０マイクロ秒以内に科学用ＣＭＯＳカメラセンサの中央領域を飽和させる。したがって、７ＷのＬＥＤ光源は、カメラセンサの最大ダイナミックレンジを使用しながら、７０μ秒という短い光パルスを提供するのに十分である（これらの測定は、多くの光学面及び関連する損失があるテストベッドシステムで実施された。最小数の光学面と適切な低損失コーティングを備えた最適設計により、２倍程度良い光学スループットを達成できる。）高反射な試料または透過法（transmission）で測定された試料の場合、収集されるプローブ光の量は、はるかに多くなり得る。例えば、透明なポリマーは入射プローブ光の約４％しか反射しないかもしれないが、高反射な試料または高反射な基板上の試料は、入射プローブ光の９０％以上を反射する可能性があり、２２倍以上の光がカメラによって検出されることとなる。これにより、７０μｓｅｃ／２２＝３．２μｓｅｃという短いプローブ光パルスが可能になる。同様の結果は、プローブ光の波長で大部分が透明な試料の透過でも得ることができる。なお、カメラピクセルのダイナミックレンジを最大化することは、必ずしも必要ない。最高の空間分解能を達成することが主な目標であるならば、短いプローブビームパルスを用いることができる。これにより、収集された光がカメラピクセルのウェル深さをはるかに下回り、さらに多くのカメラフレームが共加算（co-added）されて所望のダイナミックレンジを達成することができる。

試料の広い領域を照らすのに十分な強度の高出力レーザー光源も利用できる。可視、ＵＶ、および近赤外ポンプ・レーザーも同様に非常に高出力で利用できる。例えば、最大６Ｗの出力を備える５３２ｎｍの緑色レーザーシステムが、オプトロニクス社から入手できる。パワーが２０Ｗを超える他の低ノイズ科学用レーザーも利用できる。コヒレント社は、最大５５Ｗの光パワーを備えた１０６４ｎｍレーザーを製造している。

プローブビーム照明は、いくつかの異なる方法で構成できる。図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃは、３つの構成を示している。図５Ａは本発明の一実施例のサブセットを示す。このサブセットでは、試料５００は領域５０２を有する。領域５０２は、イメージングシステムの空間分解能を超える領域において著しく重なり合うＩＲビーム５０４およびプローブビーム５０６で照明される最上部の領域である。領域５０２によって、照射領域内の複数の点からＩＲ吸収を同時に検出できるようになる。この図は、表面にウエストを有するガウス分布として照明を示している。しかしながら、より均一な照明が好ましく（トップハット強度プロファイルとしても知られる）、これは、ガウスレーザーモードとドーナツレーザーモードとの組み合わせを含む多数の方法で生成できる。

図５Ｂは、ＩＲビーム５２４が側面から取り込まれる代替実施例を示している。直径約１ｍｍのスポットを提供するために必要となる低ＮＡを考えると、ＩＲの側面照明は非常に実用的となる。一軸において伸長させることで、その表面に幅の２倍または３倍の楕円を生じさせることができる。サイドＩＲビームの伝送により、可視光でのみ機能する（屈折性であり反射性ではない）、より優れた対物レンズが可能になる。例えば、図２の集束素子２１２は可視／屈折対物レンズとすることができる。５３２ｎｍの光用の高ＮＡ対物レンズは豊富にあり、手頃な価格である。ミツトヨの１００倍のプラン・アポクロマートのＮＡは０．７、作動距離は６ｍｍで、サイドＩＲビームの伝送に十分アクセス可能である。屈折対物レンズは、ＩＲ互換のカセグレン式の対物レンズよりも優れたイメージングと光学スループットを提供することもできる。

図５Ｃは、２つのビームが対向伝搬している代替実施形態を示している。この場合、例えばＩＲ透過基板を通して、下から試料を照明するＩＲビーム５３４が示されている。一方で、プローブビーム５０６は試料を上から照明している。この場合、それは、試料を透過するプローブ光を収集するように配置されるカメラにとって好都合となり得る。また、図５Ｂおよび５Ｃの両方においてＩＲビームの構成とプローブビームの構成とを取り替えることも可能である。例えば、プローブビームが試料を図５Ｂの角度から照射し、ＩＲビームは試料に対して直交してもよい。図５Ｃにおいて、IRビームを上から、プローブビームを下からとすることができる。

プローブビームによる広視野照明は、多くの可能な構成で実現できる。一実施例として、従来のケーラー照明法を使用して、プローブ照明源の像を、集束対物レンズ、例えば図２の集束素子２１２の後方焦点面に投影することができる。そのような配置の簡略化された概略図が図６に示されている。図６において、プローブビーム源６００、例えば可視光ＬＥＤエミッタは、プローブ光６０１のビームを生成し、その少なくとも一部は、第１集束レンズ６０２、例えば非球面レンズによって収集される。集光レンズは、必要に応じて他のレンズと組み合わせて、開口絞り６０４の近くの像平面にプローブ光源６００の像を集束させる。次にプローブ光源のこの像は、１つ以上のレンズ、例えばレンズ６０６および６１０によって結び付けられ、対物レンズ６１６の後焦点面の近くにプローブ光源の像を生成する。集光レンズおよび他のレンズは、対物レンズ６１６の後焦点面にプローブ光源の像を生成するように配置することができる。後焦点面は、対物レンズの入力瞳（input pupil）に適切に一致される。任意の視野絞り６０８は、プローブビームによって照明される試料の領域を調整することができる。プローブビームによるより均一な照明のために、プローブビームの像を入力瞳よりいくらか大きくすることが望ましく、例えば、光スループットの要件に対する均一照明の必要性に応じて、２０〜５０％大きくすることが望ましい。ＩＲ源６２２は、ダイクロイックミラー６１４を使用してプローブビームと同一直線上に組み合わせることができる。任意のビームステアリングミラー、例えば図２の２０４、２０６、２２８および２３０は、図６には示されていないが、これらを使ってＩＲビームとプローブビーム間の重複部分を制御および最適化することができる。このようにＩＲビーム６２４およびプローブビーム６１８は、試料に焦点が合わされて、試料６２０の広い領域を照明することができる。試料から散乱されたり反射されたりしたプローブ光は、カメラ６５０によって収集され、上記のように分析されて試料上の複数の位置のＩＲ吸収を示す信号を生成することができる。

あるいはクリティカル照明法を使用することができ、例えば、プローブビーム源（例えばＬＥＤエミッタ）の像を試料上に直接形成することができる。図７は、この配置の簡略化された概略図を示している。図７は図６と実質的に同じであり、同じ数字の符号を採用しており、関連する説明を適宜適用する。ただし図７では、簡略化された照明スキームが使用されている。このスキームでは、集光レンズ６０２と対物レンズ６１６の組み合わせを使用して、プローブビーム源６００が試料６２０上に直接結像される。プローブビーム源の像は、イルミネーターの所望のサイズに対するプローブビーム源エミッタの相対的なサイズに基づいて、必要に応じて拡大または縮小することができる。例えば、１ｍｍのＬＥＤエミッタの場合、集光レンズ間の焦点距離と対物レンズ焦点距離との比が１０倍であれば、ＬＥＤエミッタの直径１００μｍの像が試料表面に投影される。別の実施形態では、ＬＥＤエミッタは試料の真上に配置することができ、例えば集束素子２１２の底部に取り付けられる。

図８は、試料に対してＩＲおよび可視照明を提供するための代替実施例を示す。図８は図６と同様で、同じ参照符号をいくつか採用しており、関連する説明を適宜適用する。図８においてプローブビーム源８００は、プローブ光８０１のビームを生成する。このプローブ光８０１のビームは、プローブビーム源８００からくる光を収集、コリメート、拡大／縮小および／または集束するのに使用できる１つ以上の任意のレンズ８０２に入射する。次に、プローブビーム８０１は、プローブ光ビーム８０６を試料６１８に向ける小さなミラー８０４に入射する。集束素子６１６に使用されるカセグレン対物レンズの場合、対物レンズに中央遮蔽（central obstruction）がある。このため、ミラー８０４は同じく試料に向けられるＩＲ光ビーム６２４の経路を妨害することなく、対物レンズ６１６の底部に取り付けられるか、あるいは配置され得る。

図９は、レンズレットアレイを使用して個々の照明箇所の配列を提供する代替照明スキームの例を示す。この実施形態では、試料９００は、ＩＲビーム９０４によって下から照明される。プローブビーム９０６は、上から試料９００に向けられる。しかしながら、それはプローブビーム９０６が試料に当たる前に、複数の小さなレンズ９２２を備えたレンズレットアレイ９２０に当たる。各レンズ９２２は、試料９００の一部を照明する離散焦点９２８を生成する。例えば図２に示されるように試料スキャナ上で試料をラスタースキャンするなどして試料の複数の位置で測定を繰り返すことにより、試料の広い領域を測定することができる。スキャナは、試料のＩＲ吸収特性の連続的なイメージを生成できるように、レンズレットの焦点スポット間の間隔にほぼ対応する範囲を有することが必要である。

図１０は、図２に示される実施形態の下で測定された広視野ＯＰＴＩＲデータの例を示す。試料は、多層ポリマーフィルムの断面であった。試料は、ＣＷ動作の７Ｗ、４４５ｎｍ波長のＬＥＤ光源を備えるプローブ光源で照射され、４０×０．７８ＮＡカセグレン対物レンズで試料に焦点を合わせた。試料は、１２９３ｃｍ^-1で動作するＱＣＬベースの光源からのＩＲ光のパルスで同時に照明された。試料から反射および散乱されたプローブ光は、同じカセグレン対物レンズで収集され、１２００×１２００ピクセルの科学用ＣＭＯＳカメラに向けられた。５００フレームがＩＲパルスオンとＩＲパルスオフで共加算された。試料のケミカルイメージ１０００は、ＩＲレーザーがオンのイメージとＩＲレーザーがオフのイメージとの差である。ケミカルイメージ１０００は、３．０４ピクセル／ミクロンのスケールで、４００×４００ピクセルイメージを示し、したがって、１３１×１３１ミクロンのイメージサイズに対応する。したがって、示した実施形態の下では、カメラベースのセンサを使用して、１００×１００ミクロンを超える測定領域を含む試料上の複数の位置でのＩＲ吸収を示す信号を測定することができる。

本明細書に記載の実施形態は例示的なものである。修正、再配置、代替プロセス、代替要素などがこれらの実施形態に対してなされてもよく、それでも本明細書に記載の教示に含まれる。本明細書に記載の１つまたは複数のステップ、プロセス、または方法は、適切にプログラムされた１つまたは複数の処理やデジタル装置によって実行され得る。

実施形態に応じて、本明細書に記載の方法ステップのいずれかの特定の行為、イベント、または機能は、異なる順序で実行することができるとともに、追加、併合、または完全に除外することができる（例えば、記載した行為またはイベントのすべてが、アルゴリズムの実行に必要というわけではない）。さらに、特定の実施形態では、行為またはイベントは順次ではなく同時に実行することができる。

本明細書に開示された実施形態に関連して説明した様々な例示的な論理ブロック、光学部品、制御部品、および方法ステップは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、または両方の組み合わせとして実装することができる。ハードウェアとソフトウェアのこの互換性を明確に説明するために、さまざまな例示的な構成要素、ブロック、モジュール、およびステップを、概してそれらの機能の観点から上で説明した。このような機能がハードウェアとして実装されるかソフトウェアとして実装されるかは、システム全体に課せられる特定の用途と設計上の制約による。説明した機能は、特定の用途ごとにさまざまな方法で実装できるが、そのような実装の決定は、本開示の範囲からの逸脱の原因になるものと解釈されるべきではない。

本明細書に開示される実施形態に関連して説明した様々な例示的な論理ブロックおよびモジュールは、特定の命令で構成されるプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または他のプログラム可能なロジックデバイス、個別のゲートまたはトランジスタロジック、個別のハードウェア部品、または本明細書に記載の機能を実行するように設計されたそれらの任意の組み合わせなどの機械によって実装または実行することができる。プロセッサはマイクロプロセッサであり得るが、代替として、プロセッサは、コントローラ、マイクロコントローラー、またはステートマシン、それらの組み合わせなどであり得る。プロセッサはまた、コンピューティング装置の組み合わせ、例えば、ＤＳＰとマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと組み合わせた１つ以上のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成として実装することができる。

本明細書に開示される実施形態に関連して説明した方法、プロセス、またはアルゴリズムの要素は、ハードウェア、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュール、またはその２つの組み合わせで直接具体化することができる。ソフトウェアモジュールは、ＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、または当技術分野で知られている他の形式のコンピュータ可読記憶媒体に常駐することができる。例示的な記憶媒体は、プロセッサが記憶媒体から情報を読み取り、記憶媒体に情報を書き込むことができるように、プロセッサに結合することができる。別の方法として、記憶媒体をプロセッサに統合することもできる。プロセッサと記憶媒体はASICに常駐できる。ソフトウェアモジュールは、ハードウェアプロセッサにコンピュータが実行可能な命令を実行させるコンピュータ実行可能命令を含むことができる。

とりわけ、「できる」、「かもしれない」、「してもよい」、「例えば」などの本明細書で使用される条件付き文言（Conditional language）は、特に明記しない限り、または使用した文脈内で理解されない限り、概して特定の実施形態が特定の特徴、要素や状態を含むが、他の実施形態はそれらを含まない旨を伝えることを意図している。したがって、そのような条件付き文言は概して、特徴、要素や状態が１つまたは複数の実施形態にとって何らかの形で必要であること、または１つまたは複数の実施形態が、作成者（author）の入力またはプロンプティングの有無にかかわらず、これらの特徴、要素や状態が任意の特定の実施形態に含まれるかどうか、または任意の特定の実施形態において実行されるかどうかを決定するためのロジックを必ずしも含むことを意味しない。「備える」、「含む」、「有する」、「関与する」などの用語は同義語であり、制限のない方法（open-ended fashion）で包括的に使用され、追加の部品、機能、行為、操作などを除外するものではない。同様に「または」という用語は、その包括的な意味で（排他的な意味ではなく）使用されるため、例えば部品のリストを接続するために使用する場合、「または」という用語はリスト内の部品の１つ、一部、またはすべてを意味する。

「Ｘ、ＹまたはＺの少なくとも１つ」というフレーズなどの選言的言語（Disjunctive language）は、特に明記しない限り、項目、用語などがＸ、ＹまたはＺのいずれか、またはそれらの任意の組み合わせ（例えば、Ｘ、Ｙおよび／またはＺ）であり得るということを示すために概して用いられるものとして文脈で理解されたい。したがって、そのような選言的言語は、概して特定の実施形態が、それぞれに対してＸの少なくとも１つ、Ｙの少なくとも１つ、またはＺの少なくとも１つが存在することを必要とすることを意図するものでなく、意図するべきではない。

「約」または「およそ」などの用語は同義であり、その用語によって修飾された値がそれに関連して理解される範囲を有するということを示すために使用される。ここでその範囲は±２０％、±１５％、±１０％、±５％または±１％であり得る。「実質的に」という用語は、結果（例えば、測定値）が目標値に近いことを示すために使用される。ここで、近いとは、例えばその結果がその値の８０％以内、その値の９０％以内、その値の９５％以内、またはその値の９９％以内であることを意味してもよい。

特に明記されていない限り、「a」や「an」などの冠詞は概して１つ以上の説明した項目を含むと解釈されるべきである。したがって「するように構成された装置」などのフレーズは、記載した装置を１つ以上含むことを意図している。そのような１つ以上の記載された装置はまた、規定した記載を実行するように集合的に構成され得る。例えば、「記載Ａ、ＢおよびＣを実行するように構成されたプロセッサ」は、記載ＢおよびＣを実行するように構成された第２のプロセッサと共に動作して記載Ａを実行するように構成された第１のプロセッサを含むことができる。

上記の詳細な説明は、例示的な実施形態に適用されるような新規の特徴を示し、説明し、指摘しているが、説明した装置または方法の形態および詳細において様々な省略、置換、および変更は、本開示の主旨から逸脱することなく行うことができるということは理解されよう。認識されるように、一部の特徴を他の特徴とは別に使用または実施できるため、本明細書に記載の特徴および利点のすべてを提供するわけではない形態内で本明細書に記載の特定の実施形態を具体化することができる。クレームの意味および均等な範囲におけるすべての変更は、それらの範囲内に含まれるものとする。

システム、装置、および方法の様々な実施形態について本明細書で記載してきた。これらの実施形態は、例としてのみ与えられており、特許請求の範囲に記載の発明の範囲を限定することを意図するものではない。さらに、説明した実施形態の様々な特徴を様々な方法で組み合わせることで多数の追加の実施形態を生成できることを理解されたい。さらに、開示された実施形態で使用するために様々な材料、寸法、形状、構成および配置などについて説明したが、開示したもの以外の他のものは、特許請求の範囲に記載の発明の範囲を超えることなく利用することができる。

関連技術における当業者は、本明細書の主題が、上記の個々の実施形態に示されているよりも少ない特徴を含み得ることを認識するであろう。本明細書に記載の実施形態は、本明細書の主題の様々な特徴を組み合わせることができる方法の網羅的な提示を意味するものではない。したがって、実施形態は、特徴の相互に排他的な組み合わせではない。むしろ、様々な実施形態は、当業者によって理解されるように、異なる個々の実施形態から選択される異なる個々の特徴の組み合わせを含むことができる。さらに、一実施形態に関して記載された部品は、特に断りのない限り、そのような実施形態に記載されていない場合でも、他の実施形態で実装することができる。

従属請求項は、請求項において１つまたは複数の他の請求項との特定の組み合わせについて参照することはできるが、他の実施形態もまた、従属請求項とそれぞれの他の従属請求項の主題との組み合わせ、または１つまたは複数の特徴と他の従属請求項または独立請求項との組み合わせを含むことができる。そのような組み合わせは、特定の組み合わせが意図されていないことが述べられていない限り、本明細書で提案される。

上記の文書の参照によるいかなる援用も、本明細書の明示的な開示に反する主題が組み込まれないように制限されている。上記の文書の参照によるいかなる援用も、文書に含まれるクレームが参照により本明細書に組み込まれないようにさらに制限されている。さらに、上記の文書の参照によるいかなる援用も、文書に提供されている任意の定義が本明細書に明示的に含まれていない限り、参照により本明細書に援用されないようにさらに制限されている。

「〜のための手段」または「のステップ」という特定の用語がクレームに記載されていない限り、クレームを解釈する目的で３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２（ｆ）の規定が行使されないということが明示的に意図されている。

Claims (30)

1. 試料の広い領域に対応する複数の空間分解された位置の赤外吸収特性を同時に特徴付けることによって試料の顕微分析をするための装置であって、
   試料の広い領域を赤外線放射のビームで照射するようになっている赤外線放射源と、
   試料の広い領域をプローブ放射のビームで照射するようになっているプローブ放射源と、
   試料の複数の空間分解された各位置から出るプローブ放射の少なくとも一部を、収集されたプローブ放射として収集するようになっている集光器と、
   収集されたプローブ放射の少なくとも一部を検出して、空間分解された複数の位置のそれぞれに対応する赤外吸収を示す信号を生成するようになっている少なくとも１つのカメラとを備え、
   赤外吸収を示す信号が１マイクロメートル未満の空間分解能を有することを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、赤外線放射源が、可変波長の赤外線ビームを生成するように調整可能であり、試料の赤外吸収を示す信号が、複数の赤外波長で検出されることを特徴とする装置。
3. 請求項２に記載の装置であって、複数の赤外波長での赤外吸収を示す信号が赤外吸収スペクトルを含むことを特徴とする装置。
4. 請求項１に記載の装置であって、イメージ共加算器をさらに備え、イメージ共加算器が複数のカメラフレームを合計して、少なくとも１０⁴のダイナミックレンジを有する共加算イメージを構築することを特徴とする装置。
5. 請求項１に記載の装置であって、共加算イメージが少なくとも１０⁵のダイナミックレンジを有することを特徴とする装置。
6. 請求項１に記載の装置であって、共加算イメージが少なくとも１０⁶のダイナミックレンジを有することを特徴とする装置。
7. 請求項１に記載の装置であって、同時に測定される試料の複数の位置が、少なくとも直径１００μｍの面積を有することを特徴とする装置。
8. 請求項１に記載の装置であって、試料の複数の位置のＩＲ吸収を示す信号が、０．５μｍ未満の空間分解能を達成することを特徴とする装置。
9. 請求項１に記載の装置であって、カメラが試料の複数の位置から収集されたプローブ放射を検出する持続時間を制限するためのゲート機能をさらに備えることを特徴とする装置。
10. 請求項９に記載の装置であって、ゲート機能が（ａ）カメラの露出時間および（ｂ）プローブビームのパルス持続時間の長さのうち、少なくとも１つを制限することを特徴とする装置。
11. 請求項１に記載の装置であって、試料の複数の位置の赤外吸収を示す信号が、試料を照射するＩＲ源で収集された第１セットのカメラフレームと、試料を照射しないＩＲ源で収集された第２セットのカメラフレームとを比較することによって生成されることを特徴とする装置。
12. 請求項１に記載の装置であって、集光器が少なくとも０．４の開口数（ＮＡ）を有する対物レンズを備えることを特徴とする装置。
13. 請求項１に記載の装置であって、集光器が少なくとも０．６の開口数（ＮＡ）を有する対物レンズを備えることを特徴とする装置。
14. 請求項１に記載の装置であって、プローブ放射源がインコヒーレント光源であることを特徴とする装置。
15. 請求項１に記載の装置であって、プローブ放射源が少なくとも１つの発光ダイオードを備えることを特徴とする装置。
16. 試料の複数の位置の赤外吸収特性を同時に特徴付けるためのシステムを操作する方法であって、
    赤外線放射源で試料の複数の位置を照明して、試料上に赤外照明スポットを生成するステップと、
    プローブ放射源で試料の複数の位置を照明するステップと、
    試料の複数の位置からプローブ放射を収集するステップと、
    収集されたプローブ放射を少なくとも１つのカメラで検出するステップと、
    カメラが検出したプローブ放射を分析して、試料上の複数の位置の赤外吸収を示す信号を生成するステップとを備え、
    試料の複数の位置の赤外吸収を示す信号が、１μｍ未満の空間分解能を達成することを特徴とする方法。
17. 請求項１６に記載の方法であって、赤外線放射源を調整して可変波長を有する赤外線ビームを生成するステップをさらに備え、試料の赤外吸収を示す信号が複数の赤外波長で検出されることを特徴とする方法。
18. 請求項１６に記載の方法であって、赤外吸収を示す信号が赤外吸収スペクトルを含むことを特徴とする方法。
19. 請求項１８に記載の方法であって、赤外吸収スペクトルが毎秒２０スペクトルを超える速度で測定されることを特徴とする方法。
20. 請求項１８に記載の方法であって、赤外吸収スペクトルが毎秒５０スペクトルを超える速度で測定されることを特徴とする方法。
21. 請求項１８に記載の方法であって、赤外吸収スペクトルが毎秒９０スペクトルを超える速度で測定されることを特徴とする方法。
22. 請求項１６に記載の方法であって、システムがイメージ共加算器をさらに備え、共加算器を使用するステップと、複数のカメラフレームを組み合わせて、少なくとも１０⁴のダイナミックレンジを有する共加算イメージを構築するステップとをさらに備えることを特徴とする方法。
23. 請求項２２に記載の方法であって、共加算イメージが少なくとも１０⁵のダイナミックレンジを有することを特徴とする方法。
24. 請求項２２に記載の方法であって、共加算イメージが少なくとも１０⁶のダイナミックレンジを有することを特徴とする方法。
25. 請求項１６に記載の方法であって、少なくとも直径１００μｍの面積を同時に測定するステップをさらに備えることを特徴とする方法。
26. 請求項１６に記載の方法であって、試料の複数の位置のＩＲ吸収を示す信号が、０．５μｍ未満の空間分解能を達成することを特徴とする方法。
27. 請求項１６に記載の方法であって、カメラが試料の複数の位置から収集されたプローブ放射を検出する持続時間を制限するためのゲート機能を適用するステップをさらに備えることを特徴とする方法。
28. 請求項２７に記載の方法であって、ゲート機能が（ａ）カメラの露出時間および（ｂ）プローブビームのパルス持続時間の長さのうち少なくとも一方を制限することを特徴とする方法。
29. 請求項２８に記載の方法であって、試料の複数の位置のＩＲ吸収を示す信号が、０．５μｍ未満の空間分解能を達成することを特徴とする方法。
30. 請求項１６に記載の方法であって、試料の複数の位置の赤外吸収を示す信号が、試料を照射するＩＲ源で収集された第１セットのカメラフレームと、試料を照射しないＩＲ源で収集された第２セットのカメラフレームとを比較することによって生成されることを特徴とする方法。
    

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