[发明专利]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

说明书

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。

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。

技术领域

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。

背景技术

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。

发明内容

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(filtered light beam)。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。