中红外扫描系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及一种光学系统，特别是一种中红外扫描系统。
【背景技术】
[0002]量子级联激光器提供了能够用于光谱测量和成像的可调谐中红外(MIR)光源。许多感兴趣的化学成分具有在光谱的中红外区域(其跨越5-25微米之间的波长)激发的分子振动。于是，测量样品上的各个位置处的MIR光吸收可以提供关于样品的化学性质的有用?目息。
【发明内容】
[0003]本发明包括用于生成样品的MIR图像的装置以及用于在MIR对样品进行成像的方法。在一个实施例中，该装置包括MIR成像系统，该MIR成像系统具有生成第一光束的MIR激光器以及适用于搭载要被扫描的样品的平台。光学组件将第一光束聚焦于样品上的一点，并且第一光探测器测量离开样品上的该点的光的第一强度。平台致动器部件使得样品相对于该点在二个维度上移动。控制器从第一强度形成MIR图像。光学组件包括:具有聚焦透镜的扫描组件，该聚焦透镜将所述第一光束聚焦于该点；以及反射镜，该反射镜在第一方向上相对于平台移动，以使得聚焦透镜维持聚焦透镜和平台之间的固定距离，该平台在正交于第一方向的方向上移动。
[0004]在本发明的一个方面，第一光探测器测量从样品反射的光。在本发明的另一个方面，第一光探测器测量被样品透射的光。
[0005]在本发明的又一方面，光束强度探测器测量第一光束的强度。在MIR激光器是脉冲光源的实施例中，控制器只对在测得的光束强度大于第一阈值的时间段内从反射光探测器测得的强度进行求和。在本发明的一个方面中，控制器确定第一光束的测得的强度和测得的光束强度的比值以形成MIR图像。
[0006]在本发明的另一方面中，该装置包括可见光成像站，该可见光成像站显示样品的图像，该图像是以可见光波长范围内的光照射所述样品生成的。控制器被配置为接收来自用户的输入，该输入指示可见图像中要被MIR成像系统扫描以生成相应的MIR图像的区域。
[0007]在本发明的又一方面中，MIR激光器生成在受控制器控制的波长范围内的光；控制器被配置为接收来自用户的输入，该输入指示所述MIR图像中关注的特征，并且控制器测量以与离开关注的特征的波长不同的波长离开这些特征的光以生成表征关注的特征的光谱。
[0008]在本发明的另一实施例中，MIR成像系统包括:生成第一光束的脉冲MIR激光器，以及适用于搭载要扫描的样品的平台。光学组件将第一光束聚焦于样品上的一点，并且第一光探测器测量离开样品上的该点的光的第一强度。平台致动器组件使得所述样品相对于所述点在二个维度上移动，并且光束强度探测器测量第一光束的强度。控制器从第一强度形成MIR图像。控制器只对在测得的光束强度大于第一阈值的时间段内从所述第一光探测器测得的强度进行求和。
[0009]在本发明的一个方面，控制器确定第一光束的测得的强度和测得的光束强度的比值以形成MIR图像。在本发明的另一方面，控制器只对与生成的强度大于光束强度探测器中的预定阈值的脉冲相关联的测得强度进行求和。
[0010]在本发明的另一方面，光束强度探测器包括定向衰减器，该定向衰减器阻止不在预定方向上传播的光线。
【附图说明】
[0011]图1示出了根据本发明的一个实施例的MIR成像系统。
[0012]图2示出了根据本发明的成像系统的另一实施例。
[0013]图3示出了根据本发明的成像系统的另一实施例。
[0014]图4示出了使用外腔来调谐激光器的典型量子级联激光器。
[0015]图5示出了根据本发明的MIR成像系统的另一实施例。
【具体实施方式】
[0016]—种用于在MIR中生成图像的系统可以被看作是具有MIR光源和光学系统的传统显微镜，该光学系统将被照射的样品成像至MIR探测器阵列上。基于量子级联激光器的MIR光源提供可调谐MIR光源。此类成像系统存在以下问题:
[0017]第一，激光遍布整个被成像的区域，这就导致样品上的每个点处的局部光照强度都低。在量子级联激光器是脉冲型的系统中，光源的平均占空比小，并且大量的脉冲必须被整合在成像阵列上。该成像阵列不能与脉冲同步开启或关闭。于是在脉冲之间的时间段内，成像阵列累积了降低信噪比的噪声。为了克服噪声，需要更长的曝光时间，这增加了形成图像的时间。在一些应用中，因为样品在比这样的系统的图像采集时间小的时间跨度内进行化学或空间地变化，所以成像时间至关重要。
[0018]第二，如果所需图像具有比成像阵列的大小更多的像素，那么多个子图像必须被“缝合”在一起以形成最终图像。该过程向最终图像加入伪影(artifact)并且进一步增加了生成图像所需的时间。
[0019]第三，干涉伪影会损害图像。来自量子级联激光器的光是相干的。因此，从相邻区域反射的光在样品上进行干涉，这就在图像中导致散斑，模糊了关注的细节。
[0020]第四，通过放大或缩小来改变图像的分辨率需要多个MIR成像物镜。为避免将若干图像“缝合”在一起，可以通过改变MIR成像光学器件的放大率来增大显微镜的视场。这就需要利用不同的物镜。额外的物镜和为每个物镜校准成像阵列的需求会增加系统的成本和复杂性。
[0021]可以通过参考图1而更容易地理解本发明的各个实施例提供优势的方式，图1示出了根据本发明的一个实施例的MIR成像系统。成像系统10包括量子级联激光器11，该量子级联激光器11生成具有在MIR中的窄带波长的平行光束18。在本发明的一个方面中，激光器11是具有受控制器19控制的可调谐波长的量子级联激光器。平行光束18通过部分反射镜12被分离成两个光束。光束18a射向透镜15，透镜15将光束聚焦在安装于xy平台17上的样品16上，xy平台17可以相对于透镜15的焦点的放置样品16。从样品16反射回去的光被准直成具有由透镜15的孔径确定的直径的第二光束，并且沿着与光束18a相同的路径返回到部分反射镜。虽然在图1中第一光束和第二光束被显示为具有相同的横截面，但是应当理解的是第二光束可以具有与第一光束不同的横截面。第二光束的一部分通过部分反射镜12传输并且射向第一光探测器13，如18b处所示。探测器13生成与光束18b中的光的强度相关的信号。通过利用xy平台17相对于透镜15的焦点移动样品16，控制器19根据样品16上的位置计算图像。
[0022]在本发明的一个方面，控制器19还利用第二光探测器14监控准直光束18中的光的光束强度，第二光探测器14接收由量子级联激光器11生成的、通过部分反射镜12的一部分光束。量子级联激光器11通常是脉冲光源。光的强度可以根据不同脉冲而显著变化，因此，通过将探测器13测得的强度除以探测器14测得的强度，可以针对强度的变化而校正图像的像素。此外，因为来自量子级联激光器11的光强在脉冲之间为零，所以控制器19只能在探测器14的输出比某预定阈值大的那些时段对来自探测器13和探测器14的强度的比值进行求和。本发明的该方面提高了生成图像的信噪比，因为脉冲之间的测量只产生噪声，通过不使用在脉冲之间的测量来移除噪声。
[0023]如上所述，当相干光源被用于照射整个样品时，从样品的不同部分反射的光之间的干涉会导致图像伪影，图像伪影是由离开样品的不同部分的相干光的干涉造成的。如果被照射的两点足够近，使得来自每个点的光线是在探测器处接收到的，那么来自两个点的光线被相干结合致使强度变化，该强度变化不能轻易地与反射光的强度中的变化相区分。于是，当在样品上的整个关注的区域被照射时，从样品上的相邻区域反射的光可以达到图像阵列上的相同像素，导致干涉伪影。本发明通过使用一种照明系统来避免这样的伪影，该照明系统中探测器13仅接收来自样品上的一个点的光。
[0024]上述实施例测量从样品反射的光的强度。然而，也可以构造其中光由样品透射的实施例。现在参考图2，图2示出了根据本发明的成像系统的另一实施例。成像系统20基于由样品透射的光生成图像。为简化下文的论述，成像系统20中与图1中的相应元件起相同作用的那些元件使用相同的数字命名并且此处不进行进一步讨论。平台22对MIR中的光是透明的。样品16透射的光由透镜25收集并且射向测量光的强度的探测器21。控制器29以类似于上文参考控制器19所述的形式生成透射图像。
[0025]在上述实施例中，平台在二个维度上移动样品。然而，平台具有显著的重量，因此样品被成像的速度受平台的移动的限制。在快速的成像时间很重要的实施例中，通过移动的透镜15在一个方向扫描样品的实施例是优选的。现在参考图3，图3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，平台组件被分成两个部件。部件31包括聚焦透镜55并且在32处所示方向上可移动，以使得伴随部件31的每次通过而生成图像的单一线。由于聚焦透镜55和反射镜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动。在一个实施例中，部件31被安装在轨道上并且以类似于喷墨打印机的打印头的方式移动。平台组件的第二部件在57处示出。部件57包括用于正被扫描的样品的装载机制，并且在正交于方向32的方向33上移动。由于部件57只需要每扫描线移动一次，因此与更大重量的部件57相关联的较低的移动速度是可接受的。在本发明的一个方面，部件57以一速度连续移动，该速度被调整为适应于部件31的速度。
[0026]如上所述，在本发明中量子级联激光器可作为激光源。虽然，量子级联激光器提供具有足够高的光功率的可调谐光源，但是这些激光器受一些问题的困扰，问题在于并非量子级联激光器所生成的全部脉冲都具有相同的光学频率和方向。参考图4，可以更容易地理解该问题产生的方式，图4示出了具有用于调谐该激光器的外腔的典型量子级联激光器。激光器40包括被安装在底座42上的增益芯片41。来自增益芯片41的前端面43的光线被从光栅46反射。光栅46相对于来自增益芯片41的光束的角度被选择以把激光器锁定在特定模式。该角度由致动器45设置，致动器45绕着被选定的轴53旋转该光栅从而维