通过和频振动光谱对样品的扫描表面成像的表面感测系统和方法技术方案

本文公开了通过和频振动光谱对样品(30)的扫描表面(32)成像的表面感测系统和方法。系统包括样品支架(20)、可见光源(40)和可调节IR光源(50)，可见光源配置为引导可见光束(42)入射在扫描表面(32)的采样位置(34)上，可调节IR光源配置为引导可调节IR光束(52)与可见光束(42)在采样位置(34)上重合。系统还包括扫描结构(60)和滤光器(70)，扫描结构配置为横跨扫描表面(32)扫描可见光束(42)和可调节IR光束(52)，滤光器配置为从扫描表面(32)接收发射光束(38)并且对发射光束(38)滤光以生成滤光光束(72)。系统进一步包括光检测系统(80)和对准结构(90)，光检测系统配置为接收滤光光束(72)。方法包括操作该系统的方法。

Surface sensing system and method for scanning surface imaging of samples by harmonic vibration spectrum

A surface sensing system and method for imaging a scanning surface (32) of a sample (30) by a sum frequency vibration spectrum are disclosed. The system includes a sample holder (20), a visible light source (40) and an adjustable IR light source (50). The visible light source is configured to guide the visible light beam (42) to incident on the sampling position (34) of the scanning surface (32), and the adjustable IR light source is configured to guide the adjustable IR beam (52) to coincide with the visible light beam (42) at the sampling position (34). The system also includes a scanning structure (60) and a filter (70) configured to scan a visible beam (42) and an adjustable IR beam (52) across the scanning surface (32), and a filter configured to receive a transmitting beam (38) from the scanning surface (32) and filter the transmitting beam (38) to generate a filter beam (72). The system further comprises an optical detection system (80) and an alignment structure (90) configured to receive a filtered beam (72). Methods include methods for operating the system.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过和频振动光谱对样品的扫描表面成像的表面感测系统和方法优先权本申请要求2017年12月22日提交的美国序列号15/388,743的优先权。
本公开一般地涉及用于对样品的扫描表面成像的系统和方法，并且更具体地涉及横跨所扫描的表面扫描可见光束和可调节红外光束二者以表征所扫描的表面的系统和方法。
技术介绍
非线性光学光谱可用于检测表面上的一种或多种材料和/或物体的存在，识别和/或可视化该表面上的一种或多种材料和/或物体。然而，这种非线性光学光谱技术的空间分辨率通常受到由光的波长和/或奈奎斯特采样定理控制的衍射极限的限制。该衍射极限约为1微米，并且可能希望可视化小几个数量级(例如，大约1nm)的物体。检测、识别和/或可视化显著小于1微米的物体通常需要使用电子散射技术。然而，电子散射技术必须在超高真空环境中进行，因此限制了它们在许多工业应用中的实用性。作为实例，在某些物体周围建立超高真空环境可能是昂贵的、耗时的和/或根本不可行的，从而排除了通过电子散射技术扫描这些物体。此外，电子可以改变表面的物理状态，而实质上不是纯粹或大部分是诊断性的。可选地，并且在某些系统中，比如生物系统，可光活化标签或标牌可以添加到待可视化对象内的已知位置。在这样的配置中，可光活化的标签可以“打开”或“关闭”，从而在待可视化的对象和固有存在的背景或噪声之间提供另外的对比度，防止对象的相邻要素之间的掺合和/或污染，和/或减少信号混叠。虽然这种可光活化的标签可以改善某些系统的分辨率，但是它们可能难以添加到其他系统和/或可能污染其他系统。如上所讨论，用于检测、识别和/或可视化表面上的对象的已知系统和方法可能不适用于所有系统。因此，需要用于成像样品的扫描表面的改进的表面感测系统和方法。
技术实现思路
本文公开了用于通过和频振动光谱对样品的扫描表面成像的表面感测系统和方法。该系统包括样品架、可见光源和可调节IR光源，可见光源配置为引导可见光束入射在扫描表面的采样位置上，可调节IR光源配置为引导可调节IR光束在采样位置上与可见光束重合。可调节IR光源配置为选择性地改变或扫描可调节IR光束的波长，从而允许可调节IR光束选择性地在位于扫描表面上的成像结构内引起共振。该系统还包括：扫描结构，其配置为横跨扫描表面扫描可见光束和可调节IR光束；以及滤光器，其配置为从扫描表面接收发射光束并对发射光束滤光以产生滤光光束(filteredlightbeam)。发射光束包括和频信号，其在镜面反射的可见光束和可调节IR光束之间以一定角度传播，并且响应于可见光束和可调节IR光束二者入射在扫描表面上而从扫描表面发射。该系统进一步包括光检测系统和对准结构，光检测系统配置为接收滤光光束。方法包括对样品的扫描表面成像的方法。方法包括引导可见光束和可调节IR光束在扫描表面的采样位置上重合。方法还包括调节可调节IR光束以在成像结构内引起光学共振，成像结构至少部分地在扫描表面的采样位置内延伸。调节可调节IR光束在本文中也可称为改变可调节IR光束的波长和/或扫描可调节IR光束的光谱。方法进一步包括利用光检测系统从扫描表面的采样位置接收至少一部分发射光束，和横跨扫描表面的扫描部分扫描可见光束和可调节IR光束。方法还包括至少部分地基于接收和扫描生成扫描表面的扫描部分的图像。附图说明图1是图解根据本公开内容的表面感测系统的实例的功能框图。图2是根据本公开内容的表面感测系统的更具体实例的较小示意图。图3是根据本公开内容的表面感测系统的更具体实例的另一个较小示意图。图4是描绘根据本公开内容的用于对样品的扫描表面成像的方法的流程图。具体实施方式图1-4提供了根据本公开内容的表面感测系统10和/或方法100的说明性、非排他性实例。用于类似或至少基本类似目的的元件(Element)在图1-4的每一个中用相同的数字标记，并且在本文中可能不参考图1-4中的每一个对这些元件进行详细讨论。类似地，可以不在图1-4的每一个中标记所有元件，但是，为了一致性，在本文中可以使用与其相关的参考编号。在本文中参考图1-4的一个或多个中讨论的元件、部件和/或特征可以包括在图1-4的任一个中和/或与图1-4的任一个一起使用，而不脱离本公开内容的范围。通常，可能包括在给定(即，特定)实例中的元件以实线图解，而给定实例任选的元件以虚线图解。然而，以实线示出的元件并非对于所有实例都是必需的，并且可以从给定实例中省略以实线示出的元件，而不脱离本公开内容的范围。图1是图解根据本公开内容的表面感测系统10的实例的功能框图，而图2-3是根据本公开内容的表面感测系统10的更具体实例的较小示意图。表面感测系统10在本文中也可称为系统10并且配置为对样品30的扫描表面32成像。如图1-3所图解，系统10包括包含支撑表面22的样品支架20，其配置为支撑样品30。系统10还包括可见光源40，其配置为引导可见光束42入射在扫描表面32上的采样位置34上；和可调节红外(IR)光源50，其配置为引导可调节IR光束52入射在扫描表面32的采样位置34上。响应于可见光束42和可调节IR光束52二者的接收，扫描表面32的采样位置34产生，生成和/或发射发射光束38。发射光束38是可见光束42和可调节IR光束52之间的和频信号。系统10还包括扫描结构60。扫描结构60配置为横跨扫描表面32扫描可见光束42和可调节IR光束52，比如以便选择性地更改或改变限定采样位置34的扫描表面32的一部分。这可以包括在扫描表面32的扫描部分或区域36内扫描可见光束和可调节IR光束二者，以允许系统10创建和/或生成扫描表面32的扫描部分36的图像。系统10还包括滤光器70。滤光器70配置为接收来自扫描表面32的采样位置34的发射光束38并对发射光束38滤光以产生和/或生成滤光光束72。滤光光束72被光检测系统80接收，其可以测量和/或量化滤光的发射光束38的频率、波长、强度和/或偏振。系统10还包括对准结构90。对准结构90配置为可操作地对准系统10的两个或更多个部件，比如样品支架20、可见光源40、可调节IR光源50、滤光器70和/或光检测系统80。这可以包括系统10的两个或更多个部件的操作对准，使得可见光束42和可调节IR光束52在采样位置34上重合，使得发射光束38被滤光器70接收，和/或使得滤光光束72被光检测系统80接收。这在图2-3中图解，其中图1简单地用于更一般地图解表面感测系统10的各种部件之间的互连。在系统10的操作期间并且如本文中参考图4的方法100所更详细地讨论，可见光源40和可调节IR光源50可以分别将可见光束42和可调节IR光束52引导到扫描表面32的采样位置上或入射到其上。响应于可见光束42和可调节IR光束52二者的接收，采样位置34可以产生，生成和/或发射发射光束38。发射光束38可以被滤光器70滤光以产生和/或生成滤光光束72，其可以被光检测系统80接收。光检测系统80然后可以量化滤光光束72的至少一个性质。然后，可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于对样品的扫描表面成像的表面感测系统，所述系统包括：/n样品支架，其包括配置为支撑所述样品的支撑表面；/n可见光源，其配置为当所述样品被所述支撑表面支撑时引导可见光束入射在所述扫描表面上的采样位置上；/n可调节红外(IR)光源，其配置为当所述样品被所述支撑表面支撑时引导可调节IR光束与入射在所述扫描表面上的所述采样位置上的所述可见光束重合，其中所述可调节IR光源进一步配置为选择性地改变所述可调节IR光束的波长以允许所述可调节IR光束选择性地在位于所述扫描表面上的成像结构内引起共振；/n扫描结构，其配置为横跨所述扫描表面扫描所述可见光束和所述可调节IR光束以选择性地改变限定所述采样位置的所述扫描表面的一部分；/n滤光器，其配置为从所述扫描表面接收发射光束，所述发射光束包括所述可见光束和所述可调节IR光束之间的和频信号，并且对所述发射光束进行滤光以生成滤光光束，其中响应于所述可见光束和所述可调节IR光束二者入射在所述扫描表面上所述发射光束从所述扫描表面发射；/n光检测系统，其配置为从所述滤光器接收所述滤光光束；和/n对准结构，其配置为可操作地对准所述可见光源、所述可调节IR光源、所述样品支架、所述光检测系统和所述滤光器中的至少两个。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20161222 US 15/388,7431.一种用于对样品的扫描表面成像的表面感测系统，所述系统包括：
样品支架，其包括配置为支撑所述样品的支撑表面；
可见光源，其配置为当所述样品被所述支撑表面支撑时引导可见光束入射在所述扫描表面上的采样位置上；
可调节红外(IR)光源，其配置为当所述样品被所述支撑表面支撑时引导可调节IR光束与入射在所述扫描表面上的所述采样位置上的所述可见光束重合，其中所述可调节IR光源进一步配置为选择性地改变所述可调节IR光束的波长以允许所述可调节IR光束选择性地在位于所述扫描表面上的成像结构内引起共振；
扫描结构，其配置为横跨所述扫描表面扫描所述可见光束和所述可调节IR光束以选择性地改变限定所述采样位置的所述扫描表面的一部分；
滤光器，其配置为从所述扫描表面接收发射光束，所述发射光束包括所述可见光束和所述可调节IR光束之间的和频信号，并且对所述发射光束进行滤光以生成滤光光束，其中响应于所述可见光束和所述可调节IR光束二者入射在所述扫描表面上所述发射光束从所述扫描表面发射；
光检测系统，其配置为从所述滤光器接收所述滤光光束；和
对准结构，其配置为可操作地对准所述可见光源、所述可调节IR光源、所述样品支架、所述光检测系统和所述滤光器中的至少两个。


2.权利要求1所述的系统，其中所述可见光束具有至少基本上固定的波长。


3.权利要求1-2中任一项所述的系统，其中所述可见光束具有至少基本上固定的光谱。


4.权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述可见光源包括脉冲激光系统。


5.权利要求1-4中任一项所述的系统，其中所述可见光束具有至少0.1微米和至多1微米的平均波长。


6.权利要求1-5中任一项所述的系统，其中所述可见光源包括固态激光器。


7.权利要求1-5中任一项所述的系统，其中所述可见光源包括钕YAG激光器。


8.权利要求7所述的系统，其中所述钕YAG激光器被倍频。


9.权利要求8所述的系统，其中所述钕YAG激光器具有0.532微米的波长。


10.权利要求1-9中任一项所述的系统，其中所述可见光源包括可见光源控制组件，其配置为选择性地改变以下的至少一种：
(i)所述可见光束的强度；
(ii)所述可见光束的偏振；
(iii)所述可见光束的波长；和
(iv)所述可见光束的带宽。


11.权利要求1-10中任一项所述的系统，其中所述可调节IR光源具有选择性可变的输出波长。


12.权利要求1-11中任一项所述的系统，其中所述可调节IR光源具有选择性可变的输出光谱。


13.权利要求1-12中任一项所述的系统，其中所述可调节IR光源包括光学参量振荡器。


14.权利要求1-13中任一项所述的系统，其中所述可调节IR光源包括铌酸锂(LiNbO3)晶体激光器。


15.权利要求1-14中任一项所述的系统，其中所述可调节IR光源包括可调节IR光源控制组件，其配置为选择性改变以下的至少一种：
(i)所述可调节IR光束的强度；
(ii)所述可调节IR光束的偏振；
(iii)所述可调节IR光束的波长；和
(iv)所述可调节IR光束的带宽。


16.权利要求1-15中任一项所述的系统，其中所述扫描结构配置为相对于所述扫描表面同时移动所述可见光束和所述可调节IR光束二者。


17.权利要求1-16中任一项所述的系统，其中所述扫描结构包括样品支架平移结构，其配置为相对于所述可见光束和所述可调节IR光束二者可操作地平移所述样品支架。


18.权利要求1-17中任一项所述的系统，其中所述扫描结构配置为独立于所述可调节IR光源移动所述可见光源。


19.权利要求1-18中任一项所述的系统，其中所述扫描结构配置为独立于所述可见光源移动所述可调节IR光源。


20.权利要求1-19中任一项所述的系统，其中所述扫描结构是电动扫描结构，其配置为横跨所述扫描表面选择性地且自动地扫描所述可见光束和所述可调节IR光束。


21.权利要求1-20中任一项所述的系统，其中所述扫描结构包括：
(i)第一反射镜，其配置为从所述可见光源接收所述可见光束和从所述可调节IR光源接收所述可调节IR光束，其中所述第一反射镜进一步配置为反射所述可见光束和所述可调节IR光束并且围绕第一轴枢转以在第一方向上横跨所述扫描表面扫描所述可见光束和所述可调节IR光束；和
(ii)第二反射镜，其配置为从所述第一反射镜接收所述可见光束和所述可调节IR光束，其中所述第二反射镜配置为反射所述可见光束和所述可调节IR光束并且围绕基本上垂直于所述第一轴的第二轴枢转，以在基本上垂直于所述第一方向的第二方向上横跨所述扫描表面扫描所述可见光束和所述可调节IR光束。


22.权利要求1-21中任一项所述的系统，其中所述扫描结构包括光学操纵器。


23.权利要求22所述的系统，其中所述光学操纵器包括电光学操纵器和声光学操纵器的至少一种。


24.权利要求1-23中任一项所述的系统，其中所述光检测系统是低光水平检测系统。


25.权利要求1-24中任一项所述的系统，其中所述光检测系统包括光学检测器。


26.权利要求1-25中任一项所述的系统，其中所述光检测系统包括检测阵列，其配置为根据所述采样位置内的位置，检测所述滤光光束的至少一个性质。


27.权利要求1-26中任一项所述的系统，其中所述光检测系统配置为检测以下的至少一种：
(i)所述滤光光束的强度；
(ii)所述滤光光束的波长；和
(iii)所述滤光光束的光谱。


28.权利要求1-27中任一项所述的系统，其中所述滤光器配置为选择性地将由所述光检测系统接收的所述发射光束的一部分调节为所述滤光光束。


29.权利要求1-28中任一项所述的系统，其中所述滤光器包括以下的至少一种：
(i)滤色器；
(ii)波长鉴别器；和
(iii)偏振选择器。


30.权利要求1-29中任一项所述的系统，其中所述对准结构配置为可操作地对准所述可见光源、所述可调节IR光源、所述样品支架、所述光检测系统和所述滤光器中的至少两个使得：
(i)所述可见光束和所述可调节IR光束在所述采样位置上重合；
(ii)所述滤光器从所述扫描表面接收所述发射光束；和
(iii)所述光检测系统从所述滤光器接收所述滤光光束。


31.权利要求1-30中任一项所述的系统，其中所述系统进一步包括控制器，其被编程以控制所述系统的至少一部分的操作。


32.一种用于对样品的扫描表面成像的表面感测系统，所述系统包括：
样...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·H·亨特，J·史，J·P·尚加拉，
申请(专利权)人：波音公司，菲拓梅里克斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US