高动态范围红外成像光谱仪制造技术

本发明专利技术公开了一种高动态范围红外成像光谱仪，具体地公开了一种成像扫描器和使用该成像扫描器的方法。扫描器包括可变衰减器，该可变衰减器适用于接收由MIR激光器生成的光束，且该可变衰减器利用该光束生成通过衰减水平表征的衰减光束。扫描器包括光学组件，该光学组件使衰减光束聚焦到样本上的点。光检测器测量从样本上的点离开的光的强度，该光检测器通过检测器动态范围来表征。控制器利用随样本上的位置而变化的强度形成多个MIR图像，多个MIR图像的各个图像利用光束的不同衰减水平而形成。控制器组合多个MIR图像以生成合成MIR图像，该合成MIR图像具有大于检测器动态范围的动态范围。

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
量子级联激光器提供可调中红外(mid-infrared；MIR)光源，该光源可用于光谱测量和成像。很多感兴趣的化学成分都具有在波长跨越5至25微米的光谱的MIR区域中激发的分子振动。由此，在样品不同位置上测量MIR光的吸收可提供随样品上的位置而变化的样品化学性质的有用信息。一类成像光谱仪测量随样品上的位置及照射用MIR光的波长而变化的从样品上反射的光。在众多感兴趣样品中，对样品观察到的反射率范围带来挑战性，因为检测器的动态范围不足以足够精确地测量反射光。
技术实现思路
本专利技术包括成像扫描器和使用该成像扫描器的方法。扫描器包括可变衰减器，该可变衰减器适用于接收由MIR激光器生成的光束，且从该可变衰减器生成衰减光束，该衰减光束通过衰减水平来表征。扫描器还包括光学组件，该光学组件使衰减光束聚焦至承载在平台上的样本的点上。光检测器测量从样本上的该点离开的光的强度，该光检测器通过检测器动态范围来表征。控制器由随样本上的位置而变化的该强度形成多个MIR图像，该多个MIR图像的各个图像利用光束的不同衰减水平形成。控制器将该多个MIR图像组合生成合成MIR图像，该MIR图像具有大于检测器动态范围的动态范围。在本专利技术的一个方面，多个MIR图像的各个图像包括多个像素，各个像素来源于样本上的不同位置处的强度。各个像素通过强度值来表征，该强度值是在检测器动态范围内或者是在检测器动态范围外，合成MIR图像不包括检测器动态范围外的像素。在本专利技术的另一个方面，控制器对来源于不同MIR图像中的样本上的同位置的像素求平均值以生成合成MIR图像，前提是这些像素对应于在检测器动态范围内的强度值，并且合成MIR图像排除检测器动态范围外的像素。在本专利技术的另一个方面，控制器根据已形成的多个MIR图像中第一个图像中的检测器动态范围以外的像素，来设定多个MIR图像中第二个图像中的衰减水平。在本专利技术的又一个方面，光学组件包括扫描组件，该组件包括聚焦透镜和镜子，该聚焦透镜使光束聚焦至该点，该镜子相对于平台在第一方向上移动，以使得聚焦透镜在聚焦透镜与平台之间维持固定距离，该平台在正交于第一方向的一个方向上移动。控制器沿第一方向由随着样本上的位置而变化的强度形成线图像。在另一方面中，多个MIR图像是在第一平台位置处形成多个线图像。在本专利技术的另一个方面，可变衰减器包括第一和第二金属光栅偏振滤光器。第一金属光栅偏振滤光器的特征在于第一线性偏振通过方向和第一致动器，该第一致动器用于使第一线性偏振通过方向相对于光束旋转。第一金属光栅偏振滤光器被定位成使得光束穿过第一金属光栅偏振滤光器。第二金属光栅偏振滤光器的特征在于第二线性偏振通过方向和第二致动器，该第二致动器用于使第二线性偏振通过方向相对于光束旋转。第二金属光栅偏振滤光器被定位成使得光束在穿过第一金属光栅偏振滤光器之后穿过第二金属光栅偏振滤光器。在本专利技术的另一个方面，第一金属光栅偏振滤光器包括第一透明平面基板上的金属线平行栅。第一透明平面基板相对于光束成角度，以使得从第一金属光栅偏振滤光器反射的光不在平行于光束的方向上传播。附图说明图1图示根据本专利技术的MIR成像系统的一个实施例。图2图示根据本专利技术的成像系统的另一实施例。图3图示根据本专利技术的衰减器的一个实施例。具体实施方式参考图1可更易于理解本专利技术提供其优点的方式，该图图示根据本专利技术的MIR成像系统的一个实施例。成像系统10包括生成准直光束18的量子级联激光器11，该准直光束18在MIR中具有波长窄带。在本专利技术的一个方面，量子级联激光器11是具有可调波长的量子级联激光器并且受控制器19控制。来自量子级联激光器11的光的强度由可变衰减器11a控制，该可变衰减器也受控制器19的控制。准直光束18通过部分反射镜12分裂成两个光束。光束18a被导向至透镜15，该透镜15使该光束聚焦到样本16上，该样本16安装在xyz平台17上，该平台可使样本16相对于透镜15的焦点而定位。从样本16反射的光被准直为第二光束，该第二光束具有由透镜15的孔径决定的直径，并且沿与光束18a相同的路径而返回到部分反射镜12。虽然图1中将第一和第二光束示出为具有相同的横截面，但应理解，第二光束可具有不同于第一光束的横截面。第二光束的一部分被传输通过部分反射镜12并撞击在第一光检测器13上，如在18b处所示。光检测器13生成与光束18b中的光强度相关的信号。控制器19通过利用xyz平台17使样本16相对于透镜15的焦点移动，计算随样本16上的位置而变化的图像。控制器19必须能确定准直光束18中的光束强度，以计算样品上当前正在被测量的点的反射率。来自量子级联激光器11的光的强度可随波长而产生超过数量级的变化。另外，对于任何给定波长都可能存在随时间而发生的变化。在本专利技术的一个方面，控制器19还使用第二光检测器14监控准直光束18中的光束强度，该第二光检测器14接收由量子级联激光器11生成的光的穿过部分反射镜12的部分。量子级联激光器11通常是脉冲源。光的强度从一个脉冲到另一脉冲可明显变化，由此，通过将光检测器13测得的强度除以光检测器14测得的强度，来针对强度变化而校正图像像素。另外，因为来自量子级联激光器11的光强度在脉冲之间是零，因此控制器19仅计算在光检测器14的输出大于某个预定阈值的那些时间期间、来自光检测器13及14的强度比之和。由于脉冲之间的测量仅对噪声有贡献，通过不使用脉冲之间的测量结果来移除该噪声，因此本专利技术的此方面改善了合成图像的信噪比。如果量子级联激光器11的输出随时间推移且在不同脉冲之间都是稳定的，则第二光检测器14可由校准程序替代，该程序测量量子级联激光器11的随波长变化的输出强度。在许多样本上遇到的反射率范围超过光检测器13的动态范围。表面上具有金属区域的样品在该区域处的反射率比透明区域的反射率高数个数量级。检测器动态范围由检测器灵敏度和检测器中的噪声而确定。通常存在最小信号和最大信号，其中该最小信号可在存在系统噪声的情况下以期望的精确度测量，并且该最大信号可在不使检测器饱和的情况下测量。最大信号与最小信号的比率往往被称为检测器动态范围。同样，样品可呈现最小及最大反射率。如果样品反射率动态范围在检测器动态范围内，则来自量子级联激光器11的光强度可通过可变衰减器11a而调整，以便可获得整个像面(imagesurface)的精确图像。然而，如果样品反射率动态范围超过检测器动态范围，则无法获得样品表面在全部位置处的精确图像。原则上，可变衰减器11a可针对各个样品位置及波长而被调整，以将光检测器13处的信号维持在某预定范围中，在该预定范围中信号可按期望的精确度被测量并数字化。然而，这种方法减慢测量过程，因此并非是优选的。另外，在其中使用快速移动透镜组执行扫描的一个维度的系统中，这种逐点调整并不实用。在上述实施例中，在图像生成期间，平台在两个维度上移动样品。图像的横向范围可小到单个像素或者大到正在扫描的整个样本。然而，平台具有相当大的质量，由此，样品成像的速度受限于平台运动。在快速成像时间重要的实施例中，其中通过移动透镜15而在一个方向上扫描样本的实施例是优选的。现请参见图2，该图图示根据本专利技术的成像系统的另一个实施例。在成像系统30中，平台组件被分成两个部件。部件31本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设备，包括：可变衰减器，其适用于接收由MIR激光器生成的光束，且所述可变衰减器利用所述光束生成通过衰减水平表征的衰减光束；平台，其适用于承载待扫描的样本；光学组件，其使得所述衰减光束聚焦至所述样本上的点；光检测器，其测量从所述样本上的所述点离开的光的强度，所述光检测器通过检测器动态范围来表征；及控制器，其由随所述样本上的位置而变化的所述强度形成多个MIR图像，所述多个MIR图像的各个图像利用所述光束的不同衰减水平而形成，所述控制器组合所述多个MIR图像以生成合成MIR图像，所述合成MIR图像具有大于所述检测器动态范围的动态范围。

【技术特征摘要】
2015.09.23 US 14/863,2251.一种设备，包括：可变衰减器，其适用于接收由MIR激光器生成的光束，且所述可变衰减器利用所述光束生成通过衰减水平表征的衰减光束；平台，其适用于承载待扫描的样本；光学组件，其使得所述衰减光束聚焦至所述样本上的点；光检测器，其测量从所述样本上的所述点离开的光的强度，所述光检测器通过检测器动态范围来表征；及控制器，其由随所述样本上的位置而变化的所述强度形成多个MIR图像，所述多个MIR图像的各个图像利用所述光束的不同衰减水平而形成，所述控制器组合所述多个MIR图像以生成合成MIR图像，所述合成MIR图像具有大于所述检测器动态范围的动态范围。2.如权利要求1所述的设备，其中所述光学组件包括扫描组件，所述扫描组件具有聚焦透镜和镜子，所述聚焦透镜使所述光束聚焦至所述点，所述镜子相对于所述平台在第一方向上移动，以使得所述聚焦透镜在所述聚焦透镜与所述平台之间维持固定距离，所述平台在与所述第一方向正交的方向上移动，所述控制器沿所述第一方向由随所述样本上的位置而变化的所述强度形成线图像。3.如权利要求2所述的设备，其中所述多个MIR图像是在第一平台位置处形成的多个所述线图像。4.一种用于生成样本的图像的方法，所述方法包括以下步骤：从MIR光束生成通过衰减水平表征的衰减光束；将所述衰减光束聚焦至安装在平台上的样本上的点；利用光检测器测量从所述样本上的所述点离开的光的强度，其中所述光检测器通过检测器动态范围来表征；由随所述样本上的位置而变化的所述强度形成多个MIR图像，所述多个MIR图像的各个图像利用所述光束的不同衰减水平而形成；及组合所述多个MIR图像以生成合成MIR图像，所述合成MIR图像具有大于所述检测器动态范围的动态范围。5.如权利要求1所述的设备，或如权利要求4所述的方法，所述多个MIR图像的各个...

【专利技术属性】
技术研发人员：查尔斯·霍克，克里斯托弗·瑞恩·穆恩，安德鲁·杰特尔，洋·韩，
申请(专利权)人：安捷伦科技有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US