具有自动基准化的红外成像系统的制作方法

量子级联激光器提供可以用于分光计测量和图像的可调谐中红外(MIR)光源。很多兴趣化学成分具有跨越5至25微米之间的波长的光谱的MIR区域中受激励的分子振动。因此，测量样本上的各个位置处的MIR光的吸收可以提供关于样本的化学的有用信息作为样本上的方位的函数。

技术实现要素：

本发明包括一种用于在无需移动正成像的样本的情况下在生成MIR图像期间获得基准样本的方法和装置。装置包括：可调谐MIR激光器，其生成汇聚到适用于承载待扫描的标本的标本级上所承载的标本的光束。级在第一方向上移动标本。光学组件将光束汇聚到标本上的点。光学组件包括扫描组件，其具有：聚焦透镜，其将光束汇聚到标本上的点；以及镜，其相对于级在第二方向上移动，使得聚焦透镜在聚焦透镜与标本级之间保持固定距离。第二方向与第一方向不同。第一光检测器测量离开标本上的点的第一光强度。控制器从第一强度形成MIR图像。基准级定位为使得镜响应于来自控制器的命令在基准级上移动，当镜处于基准状态上的预定位置上时，控制器生成基准样本测量。

在本发明一方面中，第一方向实质上与第二方向正交。

在本发明另一方面中，基准级响应于来自控制器的命令在第一方向上移动。

在本发明另一方面中，基准级包括分辨率目标。

在本发明另一方面中，基准级包括具有不同的镜面反射对漫反射的已知比率的多个样本。

在本发明另一方面中，基准级包括具有不同反射率的多个样本。

在本发明另一方面中，基准级包括具有匹配标本中的化合物的化学组分的化合物的样本。

附图说明

图1示出该专利申请中所讨论的类型的MIR成像系统的一个实施例。

图2示出根据本发明的成像系统的另一实施例。

具体实施方式

现参照图1，图1示出该专利申请中所讨论的类型的MIR成像系统的一个实施例。成像系统10包括量子级联激光器11，其生成具有MIR中的窄波长带的准直光束18。在本发明一个方面中，量子级联激光器11是具有在控制器19的控制之下的可调谐波长的量子级联激光器。局部反射镜12将准直光束18划分为两个波束。光束18a导向到透镜15，透镜15将该波束聚焦到标本16上，标本16安装在可以相对于透镜15的焦点定位标本16的xy级17上。从标本16反射回去的光准直到具有透镜15的光圈所确定的直径的第二波束中，并且沿着与光束18a相同的路径返回到局部反射镜12。虽然第一和第二波束在图1中示出为具有同一截面，但应理解，第二波束可以具有与第一波束不同的截面。第二波束的部分透射通过局部反射镜12并且撞击在第一光检测器13上，如在18b处所示。光检测器13生成与波束18b中的光的强度有关的信号。控制器19通过使用xy级17相对于透镜15的焦点移动标本16计算图像作为标本16上的方位的函数。

控制器19还使用接收量子级联激光器11通过局部反射镜12所生成的光的部分的第二光检测器14监控准直光束18中的光的波束强度。量子级联激光器11典型地是脉冲式源。光的强度随着脉冲可以显著变化，因此，通过将光检测器13所测量的强度除以光检测器14所测量的强度，图像的像素关于强度的变化受校正。此外，由于来自量子级联激光器11的光强度在各脉冲之间为零，因此控制器19仅加合在光检测器14的输出大于某预定阈值的这些时间期间来自光检测器13和14的强度的比率。由于各脉冲之间的测量仅贡献于通过不使用各脉冲之间的测量得以移除的噪声，因此本发明的此方面改进所得图像的信噪比。

这种类型的成像系统可以受益于测量入射光的吸收作为波长的函数以在图像中的每个点处创建吸收谱。在吸收分光法中，样本受光照射，并且从样本反射的光的量受测量。处理对于多个光波长重复，以生成包括作为波长的函数的反射光的强度的谱。从样本反射的小部分到来光与样本所吸收的光的强度有关。吸收谱可以用于标识样本中的化学化合物。因此，图像的每个像素包括作为波长的函数的吸收或反射谱的样本的图像在可视化样本中的不同化学化合物的分布方面是有用的。

从标本反射的光取决于标本的表面的性质。通常，反射光是来自平坦平面(例如样本中的晶体的切面)的镜面反射光和从粗糙表面或颗粒反射的漫反射光的混合。镜面反射光所生成的谱与漫反射光所生成的谱不同。由于很多兴趣标本生成具有未知比率的两种类型的反射的复杂谱，因此关于作为样本上的位置的函数的样本的化学组分解释图像提出明显挑战。如果可以分离每种类型的反射对于标本中的每个点处的所测量的谱的贡献，则可以显著减少这些挑战。

可以通过在图像中的每个点处进行很多偏振测量分离镜面反射光与漫反射光。经受镜面反射的偏振光保持偏振。与之对比，漫反射偏振光去偏振。因此，可以借助线性偏振滤波器有选择地测量漫反射光。如果入射激光器光是线性偏振的，则镜面反射光将是线性或椭圆偏振的。椭圆偏振光可以由相对于标本固定的坐标系统上所测量的彼此正交的两个线性偏振表征。线性偏振滤波器阻挡具有与滤波器上定义的偏振轴正交的偏振的方向的线性偏振光。如果光束随与该轴平行的方向线性偏振，则所有光穿过滤波器。如果光束沿着与该轴正交的方向线性偏振，则所有光受阻挡。通常，如果光沿着相对于偏振轴处于(的角度的轴线性偏振，则光可以看作具有与偏振器轴平行的分量以及与偏振器轴正交的分量。平行分量穿过滤波器，正交分量受滤波器阻挡。因此，对于相对于样本上的坐标系统具有线性偏振分量I_s和I_d的椭圆偏振波束，每个分量中的光的部分将穿过滤波器。光的量取决于滤波器上的偏振轴与每个线性偏振分量的偏振之间的角度。通过以偏振轴与样本上的坐标系统之间的不同的相对角度进行很多测量，可以测量漫射和镜面光强度I_d、I_s和I_p的不同组合。可以组合这些测量，以获得漫射和镜面分量。

通常，所有形式的MIR分光法需要收集基准(背景)，以生成定量透射率、吸收率或反射率数据。典型地，背景值提供已知响应。在透射率的情况下，使用具有带有已知透射率的基准样本的样本。相似地，在基于反射的成像中使用具有已知反射率的样本。测量然后对于基准样本正常化。用于获取基准的实际基质可以取决于应用的类型变化。获取参数或设置(即物镜、孔径、衰减器)方面的多数改变要求获取新的基准。这可能是耗时的处理，使得用户气馁于改变获取参数。因此，用户一般避免获取新的基准，这样带来欠优化扫描结果。

现有MIR谱法需要用户交互以发起并且执行基准的获取。这样可能带来各种问题，因为其依赖于用户正确地并且以规则间隔执行基准。该处理可能是乏味的，因为其可能需要移除待分析的样本，并且因此，用户倾向于比它们应该的更不频繁地进行基准化。其它系统要求用户在每次采样之前取得基准，并且迫使用户进入预定过程以完成处理。

此外，通过干燥空气或液氮清洗很多红外谱仪。这样减少谱仪内部的环境的改变，并且因此减少需要新的基准的频率。然而，这些清洗系统可能对于安装并且维护是昂贵的。此外，改变基准样本可能需要重复地清洗系统。相应地，提供不需要每次进行基准测量就由基准样本替换样本的基准化方案将是有利的。

如果样本待在很大区域上以高分辨率成像，则在一个波长和偏振处完成扫描所需的时间可能很长。相应地，提供周期性基准扫描有利于确定系统在扫描处理期间正在正确地运作。基准样本可以包括具有不同的镜面和漫反射率的样本。基准样本可以还包括用于测试扫描系统的几何分辨率的特定形状。最后，基准样本可以包括具有特定化学组分的样本，以用作背景减除样本，以用于针对可能因背景化学物模糊的某兴趣化学物改进图像的分辨率。

可以在不干扰实际样本的情况下扫描基准样本的基准系统是优选的。在不改变其在样本级上的位置的情况下重新定位实际样本提出明显挑战。此外，改变样本可能是耗时的，并且因此限制在不显著增加总样本扫描时间的情况下进行基准测量的频率。

对于标本和每个波长上的每个点必需获取偏振数据。取得数据的顺序将取决于多个因素。如果偏振滤波器的旋转速度是限制获取速率的因素，则在级在x方向上扫描的同时偏振保持恒定的系统具有一些优点。在上述实施例中，级在两个维度中移动样本。然而，级具有显著质量，因此，样本成像的速度受限于级的运动。在快速成像时间很重要的实施例中，通过移动透镜15在一个方向上扫描标本的实施例是优选的。现参照图2，图2示出根据本发明的成像系统的另一实施例。在成像系统30中，级组件划分为两个组件。组件31包括聚焦透镜55，并且可在32处所示的方向上移动，使得随着组件31的每次穿越生成单行图像。由于聚焦透镜55和镜56具有与组件57相比很小的质量，因此组件31可以按远更大的速度移动。在一个实施例中，组件31安装在轨道上并且以与喷墨打印机上的打印头类似的方式移动。在57处示出级组件的第二组件。组件57包括用于受扫描的标本的安装机构，并且在与方向32正交的方向33上移动。由于组件57仅需每扫描行移动一次，因此与更大型组件57关联的较慢的运动速度是可接受的。控制器39控制量子级联激光器11的波长、线性偏振滤波器23的轴以及组件31的位置。

成像系统30包括基准级61，其具有安装在其上的基准目标62。在一个实施例中，基准级61固定到成像系统的框架，并且不移动。然而，也可以构造基准级61在33所示的方向上独立地移动的实施例。在33所示的方向在以下讨论中将称为“y”方向。在32所示的方向将称为x方向。

基准级61定位为这样的，组件57可以沿着x方向在各个位置处位于基准目标62上。因此，如果期望，则可以每x扫描通过正成像的实际样本扫描基准目标一次。也可以构造较不频繁地扫描基准目标的实施例。

如上所述，基准级61可以可选地响应于来自控制器39的命令在y方向上移动。如果“目标”正在基准处理中受扫描，则这些实施例是有用的。级可以在实际扫描处理期间提供关于扫描器的空间分辨率的信息；然而，由于x扫描方向现在增加，因此在扫描时间方面存在罚，并且因此，扫描需要更长的时间段以完成。应注意，如果假设y方向展现相似的分辨率，则仅x方向上的扫描也可以提供关于扫描器的分辨率的信息。

除了提供关于扫描器的分辨率的信息之外，目标可以还包括已知组分或光学性质的样本，以提供更复杂的背景测量。例如，基准可以包括漫反射对镜面反射的比率随着样本改变的一系列样本。相似地，基准可以包括反射率通过已知方式随着样本改变的一系列样本。此外，包括处于不同浓度的特定化学物的背景样本可以用在目标区域中。然后可以从实际样本图像减去基准图像，以从该化学物移除背景，以增强图像，使得检测其它兴趣特征。

分辨率目标也可以用在基准级上。分辨率目标包括已知宽度和不同大小的一系列尖锐条带或正方形。在扫描这些目标的同时来自检测器的信号的上升和下降速率可以用于确定系统的光学分辨率。如果假设y分辨率与x分辨率相同，则相对于扫描方向的一系列不同宽度是足够的，并且无需移动基准级。

扫描基准样本的频率取决于特定应用。基准扫描的频率取决于来自图2所示的控制器39的命令。在极端情况下，在每个x方向扫描中扫描基准样本。然而，也可以利用较不频繁的基准扫描。例如，在获取红外数据之前，光器件可以快速地(<1秒)移动去到基准级，并且获取基准(<1秒)。以此方式，与几秒有关在每个数据获取之前取得新近的基准。

使得每个所测量的基准有效，以确保其处于期望的范围内。如果检测到任何反常值，则暂停获取并且通知用户。自动地保持所测量的基准值的日志，以用于在稍后时间的诊断目的。系统可以预先定义为在固定时间量已经逝去之后取得基准。例如，在30秒之后，需要新的基准，然而，这30秒内的任何获取将共享同一基准。

在上述实施例中，样本级在实质上与x方向正交的方向上移动。然而，只要控制器可以确定相对于样本级上的某坐标系统的所汇聚的波束施加到标本的坐标，就可以构造x方向与y方向不正交的实施例。

已经提供本发明上述实施例以示出本发明各个方面。然而，应理解，在不同具体实施例中示出的本发明的不同方面可以组合以提供本发明其它实施例。此外，根据前面的描述和附图，本发明的各种修改将变得清楚。相应地，本发明仅由所附权利要求的范围限定。