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1、干涉儀系統(tǒng)

干涉儀系統(tǒng)包括兩部分：干涉儀和光源

（1）干涉儀傅里葉變換紅外光譜儀中*常用的是邁克爾遜干涉儀，它由動(dòng)鏡、定鏡及分束器組成。分束器是表面鍍有一層很薄的鍺（幾納米到幾十納米厚）的溴化鉀單晶片，它將光源發(fā)出的紅外光分成能量相等的兩東，一東照向動(dòng)鏡，另一束照向定鏡。動(dòng)鏡通過(guò)位置移動(dòng)來(lái)提供干涉所必需的光學(xué)延遲。光束經(jīng)過(guò)干涉儀的調(diào)制后產(chǎn)生干涉光，該干涉光經(jīng)樣品吸收后被檢測(cè)器檢測(cè)，經(jīng)傅里葉變換得到紅外光譜圖。在獲取光學(xué)延退時(shí)有兩種動(dòng)鏡運(yùn)動(dòng)模式:連續(xù)運(yùn)動(dòng)和不連續(xù)運(yùn)動(dòng)，因此在紅外成像時(shí)也有兩種干涉系統(tǒng)。

①快掃描（ rapid scan）干涉儀這種干涉儀又稱作連續(xù)掃描（continuous scan）干涉儀，為絕大多數(shù)傅里葉變換紅外光譜儀所米用，其特點(diǎn)是動(dòng)鏡以固定速率掃描，因而光學(xué)延遲是連續(xù)變化，如圖1（a）所示。

②步進(jìn)掃描（ step scan）干涉儀在這種干涉儀中動(dòng)鏡延遲先快速變化到一定數(shù)值并保持恒定，完成測(cè)量后又快速進(jìn)入下一延遲進(jìn)行測(cè)量，如此不斷地進(jìn)行掃描，如圖2（b）所示。由于步進(jìn)掃描模式是逐點(diǎn)采集干涉圖，因此其采集周期長(zhǎng)，采集速度慢。這種干涉儀模式在**代紅外顯微成像系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。

圖2 干涉儀的兩種鏡掃描模式

（a）連續(xù)掃描；（b）步進(jìn)掃描

（2）光源中紅外光譜儀的光源都可用于紅

外成像中，這些光源的工作溫度高（>1400K），能量大。常用紅外光源大都是白熾光源，如職棒、金屬陶瓷棒、EVER-GLO光源等。另外，硅化鉬或硅化鉬鎢（Mo_xW_1-xSi₂）材料的工作溫度可達(dá)到1900K以上，也是較好的紅外光源。

除了白熾光源外，采用同步加速器（ synchrotron）或自由電子激光（ free electron laser， FEL）作為紅外顯微成像的光源要比傳統(tǒng)光源好很多，因?yàn)檫@兩種光源的能量很高、光東很窄。同步加速器是一種回旋加速器，采用同步電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)其中的電子加速，電子沿回旋通道加速時(shí)會(huì)產(chǎn)生光子。這種加速器產(chǎn)生的光子能量相當(dāng)于10000K黑體發(fā)射的光子，而且光束有效直徑只有約100μm，非常適合顯微紅外測(cè)試。自由電子激光器與傳統(tǒng)激光器的光學(xué)性質(zhì)一樣，但它采用速度接近光速的電子作為發(fā)射激光的介質(zhì)，從而產(chǎn)生*寬的頻率范圍，其波長(zhǎng)從微波到X射線范圍可調(diào)。

2.紅外顯微光學(xué)系統(tǒng)

紅外顯微鏡與可見光顯微鏡外觀相似，但其光學(xué)系統(tǒng)中不采用玻璃折射部件。這種顯做鏡可分為傳統(tǒng)紅外顯微鏡和紅外成像顯微鏡，二者在光路設(shè)計(jì)上基本一致，但設(shè)計(jì)目的**不同。傳統(tǒng)的紅外顯微鏡僅僅是為了獲得*大光通量，從而獲取有價(jià)值的微米區(qū)域的樣品光譜圖:而紅外成像顯微鏡則是為了在視場(chǎng)中獲得均勻的照射，從而對(duì)微觀區(qū)域內(nèi)樣品的均勻度、化學(xué)分布等進(jìn)行研究，這種成像顯微鏡的標(biāo)志是焦平面陣列檢測(cè)器（FPA）的出現(xiàn)。因此，在紅外成像顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)中，從光譜儀到FPA檢測(cè)器的光通路上使用了多個(gè)發(fā)散透鏡以發(fā)散光束，增加光斑尺寸，從而提高空間均勻度。在紅外顯微光學(xué)系統(tǒng)中（圖1），為了采集紅外圖像，一般都采用 Cassegrainian光學(xué)模式將紅外線聚焦到樣品面上。另外為了獲得可見光區(qū)的顯微照片，在光路系統(tǒng)中還采用了一個(gè)獨(dú)立的可見光光路系統(tǒng)以及CCD相機(jī)，CCD相機(jī)通常置于可見光路的末端。由于可見光視場(chǎng)比紅外線通路大，因此可以對(duì)樣品精確定位可見光圖像或紅外圖像可采用一系列分光鏡或旋轉(zhuǎn)鏡進(jìn)行同時(shí)觀察或交替觀察。另外，將紅外干涉儀與標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡集成為一體還可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)顯示與光譜成像顯示的結(jié)合。

3.檢測(cè)器

紅外成像的檢測(cè)器決定其數(shù)據(jù)采集速度、數(shù)據(jù)質(zhì)量以及*終的紅外圖像質(zhì)量。普通紅外光譜儀配備的氘代硫酸三甘肽（DTGS）檢測(cè)器在室溫下工作，其檢測(cè)單元大小為1 mm×1mm或2mmx2mm，但其靈敏度太低，用于顯微分析時(shí)信號(hào)太弱而難以檢測(cè)。中紅外顯微分析中都采用更靈敏的液氮冷卻汞鎘碲（MCT）檢測(cè)器，該檢測(cè)器在光導(dǎo)模式下工作，即當(dāng)紅外輻射照射到檢測(cè)器時(shí)，光子會(huì)促進(jìn)電子從價(jià)帶向?qū)кS遷，通過(guò)測(cè)量電導(dǎo)率的上升來(lái)測(cè)量光子流強(qiáng)度。

MCT檢測(cè)器的性質(zhì)取決于其組成，即Hg：Cd的比例。該檢測(cè)器分為窄帶、中帶、寬帶三種類型。窄帶MCT檢測(cè)器*靈敏，但對(duì)波數(shù)<750cm^-1的紅外光沒(méi)有響應(yīng)；中帶MCT靈敏度稍差，但截止頻率可到600m寬帶MCT截止頻率可拓寬到450m^-1，但靈敏度*差。對(duì)大多數(shù)有機(jī)化合物而言，其紅外光譜在<700cm^-1區(qū)域的有用譜帶很少，因此紅外顯微鏡中都采用窄帶MCT檢測(cè)器。

用于紅外成像的檢測(cè)器有三種:單點(diǎn)檢測(cè)器、線陣列檢測(cè)器以及焦平面陣列檢測(cè)器。

（1）單點(diǎn)檢測(cè)器（ single element detector）這種檢測(cè)器以繪地圖（ mapping）方式成像，檢測(cè)器上只有一個(gè)檢測(cè)單元，其大小一般為250μm×250μm。進(jìn)行圖像采集時(shí)，經(jīng)快掃描干涉儀調(diào)制的紅外輻射聚焦到指定的樣品區(qū)域，通過(guò)控制狹縫尺寸限制紅外光束的照射面積，然后對(duì)限定好的區(qū)域進(jìn)行成像［圖1中的（d）］。為了便于觀察樣品區(qū)域位置，這種紅外顯微光學(xué)系統(tǒng)采用了可見光束與紅外光束在同一條直線并且等焦面的設(shè)計(jì)思想。單點(diǎn)檢測(cè)器裝置*初用于檢測(cè)微區(qū)域上的雜質(zhì)或缺陷，當(dāng)用于成像時(shí)，需要用一個(gè)程序精確控制的顯微鏡載物臺(tái)來(lái)自動(dòng)變換樣品位置，并使空間位置與采集光譜一一對(duì)應(yīng)（即編碼），當(dāng)所有點(diǎn)的光譜采集完成后，由計(jì)算機(jī)將其自動(dòng)組合在一起得到所需要的紅外圖像（即解碼）。

單點(diǎn)檢測(cè)器光路中采用了雙狹縫設(shè)計(jì)［見圖1（d）］，這種設(shè)計(jì)可以消除由于單狹縫衍射引起的光偏移，但是同時(shí)也減小了光通量。為了提高信噪比，就必須增加掃描次數(shù)，這又使得每幅圖像的采集時(shí)間較長(zhǎng)，特別是采集較大面積圖像時(shí)。為了平衡二者的矛盾，可通過(guò)優(yōu)化狹縫尺寸和掃描次數(shù)來(lái)獲取*佳的圖像質(zhì)量100。

（2）線陣列檢測(cè)器（ linear array detector）線陣列檢測(cè)器于2001年由 Perkin Elmer開發(fā)成功，主要是為了克服單點(diǎn)檢測(cè)器的差信噪比、光偏移、長(zhǎng)的圖像采集時(shí)間以及采用焦平面陣列檢測(cè)器時(shí)紅外成像必須采用步進(jìn)掃描干涉儀（**代基于FPA的紅外成像裝置）等缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。這種檢測(cè)器一般是將一組或兩組16個(gè)窄帶MCT檢測(cè)器排列在一起，形成16x1或16×2的線陣列檢測(cè)器，對(duì)線陣列上16（或32）個(gè)檢測(cè)單元（像素）的響應(yīng)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并按其空間位置進(jìn)行編碼及解碼。和采用單點(diǎn)檢測(cè)器的裝置一樣，在這種裝置中紅外光束和可見光束也在同一條直線并且處于等焦面。采用線陣列檢測(cè)器的圖像采集過(guò)程也與單點(diǎn)檢測(cè)器類似、，均需要用計(jì)算機(jī)精確控制載物臺(tái)移動(dòng)，并由計(jì)算機(jī)將其組合在一起得到紅外圖像。盡管有這些相似性，線陣列檢測(cè)器在光學(xué)系統(tǒng)仍有幾個(gè)重要變化:**，陣列檢測(cè)器裝置不需要狹縫；第二，斑點(diǎn)大小與檢測(cè)器陣列的尺寸匹配。

線陣列檢測(cè)器上的檢測(cè)單元少，圖像數(shù)據(jù)處理速度快，因此能與連續(xù)掃描干涉儀相連，從而降低紅外成像光譜儀的價(jià)格。陣列檢測(cè)器中每個(gè)像素單元的尺寸只有幾十微米，遠(yuǎn)小于單點(diǎn)檢測(cè)器，因而其信噪比也得到較大提高，因?yàn)樾旁氡扰c檢測(cè)單元面積的平方根成反比。另外，線陣列檢測(cè)器不需要狹縫，光通量高，其空間分辨率由光學(xué)系統(tǒng)決定。

（3）焦平面陣列檢測(cè)器（ focal plane array detector）真正意義的紅外成像技術(shù)發(fā)展是以焦平面陣列檢測(cè)器（FPA檢測(cè)器）的出現(xiàn)為標(biāo)志的。在其*初設(shè)計(jì)中，采用的檢測(cè)器為擁有64x64檢測(cè)單元的銻化銦（InSb）陣列。因InSb截止頻率為1800cm^-1，中紅外指紋區(qū)不能測(cè)量，因此很快為MCT陣列檢測(cè)器所代替。FPA檢測(cè)器一般由數(shù)千到數(shù)萬(wàn)個(gè)獨(dú)立的檢測(cè)單元組成，這些檢測(cè)單元按二維圖案排列。單個(gè)檢測(cè)單元的尺寸一般為幾十微米，總的檢測(cè)器芯片大小為幾個(gè)毫米。當(dāng)樣品采集面積與顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)和檢測(cè)器總大小相匹配時(shí)，即可一次成像，而不需顯微鏡載物臺(tái)移動(dòng)，這種采樣方式和單點(diǎn)的繪圖方式不同，被稱作照相（ Imaging）模式。線陣列檢測(cè)器也采用照相方式，但和FPA檢測(cè)器相比，其一次成像的面積小，因此通常需將分析區(qū)域“分割”成幾塊，分別對(duì)各塊照相，然后將其組合成一幅完整的圖像。

FPA檢測(cè)器中使用*多的紅外敏感材料是MCT，此外鋇鍶鈦（BST）也用作中紅外FPA檢測(cè)器的敏感材料，其優(yōu)點(diǎn)是能在室溫下工作，不需冷卻，光譜范圍寬（2~14μm），檢測(cè)器成本低，但*大缺點(diǎn)是靈敏度低，因此用得較少。

由于FPA檢測(cè)器的檢測(cè)單元數(shù)很多，因此相比于單點(diǎn)和線陣列檢測(cè)器其圖像采集時(shí)間會(huì)大大節(jié)省，采集效率得到較大提高。如采集相同尺寸的樣品圖像時(shí)，P×P個(gè)像素的FPA檢測(cè)器采集時(shí)間僅為單點(diǎn)檢測(cè)器的1/p²，為線陣列檢測(cè)器的m/P²（m為線陣列檢測(cè)器的像素?cái)?shù)）?；贔PA檢測(cè)的紅外成像。如圖3所示。

圖3 基于FPA檢測(cè)的紅外成像示意

*常用的MCT檢測(cè)器為64×64像素，另外128×128像素和256×256像素的MCT檢測(cè)器也有使用，這些主要用于較大樣品區(qū)域的圖像采集。更大像素（1024x1024和2048×2048）的檢測(cè)器還在開發(fā)階段。不過(guò)由于MCT材料是通過(guò)銦焊接技術(shù)與基板結(jié)合的，并且檢測(cè)器需在液氮冷卻下工作，反復(fù)的熱-冷循環(huán)可能導(dǎo)致焊接脫落以及檢測(cè)器邊緣分層，使檢測(cè)器中出現(xiàn)壞像素點(diǎn)，這使得大像素檢測(cè)器的開發(fā)和應(yīng)用受到很多挑戰(zhàn)。