中紅外掃描系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及一種光學系統，特別是一種中紅外掃描系統。
【背景技術】
[0002]量子級聯激光器提供了能夠用于光譜測量和成像的可調諧中紅外(MIR)光源。許多感興趣的化學成分具有在光譜的中紅外區域(其跨越5-25微米之間的波長)激發的分子振動。于是，測量樣品上的各個位置處的MIR光吸收可以提供關于樣品的化學性質的有用?目息。
【發明內容】
[0003]本發明包括用于生成樣品的MIR圖像的裝置以及用于在MIR對樣品進行成像的方法。在一個實施例中，該裝置包括MIR成像系統，該MIR成像系統具有生成第一光束的MIR激光器以及適用于搭載要被掃描的樣品的平臺。光學組件將第一光束聚焦于樣品上的一點，并且第一光探測器測量離開樣品上的該點的光的第一強度。平臺致動器部件使得樣品相對于該點在二個維度上移動。控制器從第一強度形成MIR圖像。光學組件包括:具有聚焦透鏡的掃描組件，該聚焦透鏡將所述第一光束聚焦于該點；以及反射鏡，該反射鏡在第一方向上相對于平臺移動，以使得聚焦透鏡維持聚焦透鏡和平臺之間的固定距離，該平臺在正交于第一方向的方向上移動。
[0004]在本發明的一個方面，第一光探測器測量從樣品反射的光。在本發明的另一個方面，第一光探測器測量被樣品透射的光。
[0005]在本發明的又一方面，光束強度探測器測量第一光束的強度。在MIR激光器是脈沖光源的實施例中，控制器只對在測得的光束強度大于第一閾值的時間段內從反射光探測器測得的強度進行求和。在本發明的一個方面中，控制器確定第一光束的測得的強度和測得的光束強度的比值以形成MIR圖像。
[0006]在本發明的另一方面中，該裝置包括可見光成像站，該可見光成像站顯示樣品的圖像，該圖像是以可見光波長范圍內的光照射所述樣品生成的。控制器被配置為接收來自用戶的輸入，該輸入指示可見圖像中要被MIR成像系統掃描以生成相應的MIR圖像的區域。
[0007]在本發明的又一方面中，MIR激光器生成在受控制器控制的波長范圍內的光；控制器被配置為接收來自用戶的輸入，該輸入指示所述MIR圖像中關注的特征，并且控制器測量以與離開關注的特征的波長不同的波長離開這些特征的光以生成表征關注的特征的光譜。
[0008]在本發明的另一實施例中，MIR成像系統包括:生成第一光束的脈沖MIR激光器，以及適用于搭載要掃描的樣品的平臺。光學組件將第一光束聚焦于樣品上的一點，并且第一光探測器測量離開樣品上的該點的光的第一強度。平臺致動器組件使得所述樣品相對于所述點在二個維度上移動，并且光束強度探測器測量第一光束的強度。控制器從第一強度形成MIR圖像。控制器只對在測得的光束強度大于第一閾值的時間段內從所述第一光探測器測得的強度進行求和。
[0009]在本發明的一個方面，控制器確定第一光束的測得的強度和測得的光束強度的比值以形成MIR圖像。在本發明的另一方面，控制器只對與生成的強度大于光束強度探測器中的預定閾值的脈沖相關聯的測得強度進行求和。
[0010]在本發明的另一方面，光束強度探測器包括定向衰減器，該定向衰減器阻止不在預定方向上傳播的光線。
【附圖說明】
[0011]圖1示出了根據本發明的一個實施例的MIR成像系統。
[0012]圖2示出了根據本發明的成像系統的另一實施例。
[0013]圖3示出了根據本發明的成像系統的另一實施例。
[0014]圖4示出了使用外腔來調諧激光器的典型量子級聯激光器。
[0015]圖5示出了根據本發明的MIR成像系統的另一實施例。
【具體實施方式】
[0016]—種用于在MIR中生成圖像的系統可以被看作是具有MIR光源和光學系統的傳統顯微鏡，該光學系統將被照射的樣品成像至MIR探測器陣列上。基于量子級聯激光器的MIR光源提供可調諧MIR光源。此類成像系統存在以下問題:
[0017]第一，激光遍布整個被成像的區域，這就導致樣品上的每個點處的局部光照強度都低。在量子級聯激光器是脈沖型的系統中，光源的平均占空比小，并且大量的脈沖必須被整合在成像陣列上。該成像陣列不能與脈沖同步開啟或關閉。于是在脈沖之間的時間段內，成像陣列累積了降低信噪比的噪聲。為了克服噪聲，需要更長的曝光時間，這增加了形成圖像的時間。在一些應用中，因為樣品在比這樣的系統的圖像采集時間小的時間跨度內進行化學或空間地變化，所以成像時間至關重要。
[0018]第二，如果所需圖像具有比成像陣列的大小更多的像素，那么多個子圖像必須被“縫合”在一起以形成最終圖像。該過程向最終圖像加入偽影(artifact)并且進一步增加了生成圖像所需的時間。
[0019]第三，干涉偽影會損害圖像。來自量子級聯激光器的光是相干的。因此，從相鄰區域反射的光在樣品上進行干涉，這就在圖像中導致散斑，模糊了關注的細節。
[0020]第四，通過放大或縮小來改變圖像的分辨率需要多個MIR成像物鏡。為避免將若干圖像“縫合”在一起，可以通過改變MIR成像光學器件的放大率來增大顯微鏡的視場。這就需要利用不同的物鏡。額外的物鏡和為每個物鏡校準成像陣列的需求會增加系統的成本和復雜性。
[0021]可以通過參考圖1而更容易地理解本發明的各個實施例提供優勢的方式，圖1示出了根據本發明的一個實施例的MIR成像系統。成像系統10包括量子級聯激光器11，該量子級聯激光器11生成具有在MIR中的窄帶波長的平行光束18。在本發明的一個方面中，激光器11是具有受控制器19控制的可調諧波長的量子級聯激光器。平行光束18通過部分反射鏡12被分離成兩個光束。光束18a射向透鏡15，透鏡15將光束聚焦在安裝于xy平臺17上的樣品16上，xy平臺17可以相對于透鏡15的焦點的放置樣品16。從樣品16反射回去的光被準直成具有由透鏡15的孔徑確定的直徑的第二光束，并且沿著與光束18a相同的路徑返回到部分反射鏡。雖然在圖1中第一光束和第二光束被顯示為具有相同的橫截面，但是應當理解的是第二光束可以具有與第一光束不同的橫截面。第二光束的一部分通過部分反射鏡12傳輸并且射向第一光探測器13，如18b處所示。探測器13生成與光束18b中的光的強度相關的信號。通過利用xy平臺17相對于透鏡15的焦點移動樣品16，控制器19根據樣品16上的位置計算圖像。
[0022]在本發明的一個方面，控制器19還利用第二光探測器14監控準直光束18中的光的光束強度，第二光探測器14接收由量子級聯激光器11生成的、通過部分反射鏡12的一部分光束。量子級聯激光器11通常是脈沖光源。光的強度可以根據不同脈沖而顯著變化，因此，通過將探測器13測得的強度除以探測器14測得的強度，可以針對強度的變化而校正圖像的像素。此外，因為來自量子級聯激光器11的光強在脈沖之間為零，所以控制器19只能在探測器14的輸出比某預定閾值大的那些時段對來自探測器13和探測器14的強度的比值進行求和。本發明的該方面提高了生成圖像的信噪比，因為脈沖之間的測量只產生噪聲，通過不使用在脈沖之間的測量來移除噪聲。
[0023]如上所述，當相干光源被用于照射整個樣品時，從樣品的不同部分反射的光之間的干涉會導致圖像偽影，圖像偽影是由離開樣品的不同部分的相干光的干涉造成的。如果被照射的兩點足夠近，使得來自每個點的光線是在探測器處接收到的，那么來自兩個點的光線被相干結合致使強度變化，該強度變化不能輕易地與反射光的強度中的變化相區分。于是，當在樣品上的整個關注的區域被照射時，從樣品上的相鄰區域反射的光可以達到圖像陣列上的相同像素，導致干涉偽影。本發明通過使用一種照明系統來避免這樣的偽影，該照明系統中探測器13僅接收來自樣品上的一個點的光。
[0024]上述實施例測量從樣品反射的光的強度。然而，也可以構造其中光由樣品透射的實施例。現在參考圖2，圖2示出了根據本發明的成像系統的另一實施例。成像系統20基于由樣品透射的光生成圖像。為簡化下文的論述，成像系統20中與圖1中的相應元件起相同作用的那些元件使用相同的數字命名并且此處不進行進一步討論。平臺22對MIR中的光是透明的。樣品16透射的光由透鏡25收集并且射向測量光的強度的探測器21。控制器29以類似于上文參考控制器19所述的形式生成透射圖像。
[0025]在上述實施例中，平臺在二個維度上移動樣品。然而，平臺具有顯著的重量，因此樣品被成像的速度受平臺的移動的限制。在快速的成像時間很重要的實施例中，通過移動的透鏡15在一個方向掃描樣品的實施例是優選的。現在參考圖3，圖3示出根據本發明的成像系統的另一實施例。在成像系統30中，平臺組件被分成兩個部件。部件31包括聚焦透鏡55并且在32處所示方向上可移動，以使得伴隨部件31的每次通過而生成圖像的單一線。由于聚焦透鏡55和反射鏡56具有比部件57小的重量，因而部件31可以以更快的速度移動。在一個實施例中，部件31被安裝在軌道上并且以類似于噴墨打印機的打印頭的方式移動。平臺組件的第二部件在57處示出。部件57包括用于正被掃描的樣品的裝載機制，并且在正交于方向32的方向33上移動。由于部件57只需要每掃描線移動一次，因此與更大重量的部件57相關聯的較低的移動速度是可接受的。在本發明的一個方面，部件57以一速度連續移動，該速度被調整為適應于部件31的速度。
[0026]如上所述，在本發明中量子級聯激光器可作為激光源。雖然，量子級聯激光器提供具有足夠高的光功率的可調諧光源，但是這些激光器受一些問題的困擾，問題在于并非量子級聯激光器所生成的全部脈沖都具有相同的光學頻率和方向。參考圖4，可以更容易地理解該問題產生的方式，圖4示出了具有用于調諧該激光器的外腔的典型量子級聯激光器。激光器40包括被安裝在底座42上的增益芯片41。來自增益芯片41的前端面43的光線被從光柵46反射。光柵46相對于來自增益芯片41的光束的角度被選擇以把激光器鎖定在特定模式。該角度由致動器45設置，致動器45繞著被選定的軸53旋轉該光柵從而維