本申请为分案申请，原申请的申请日是2017年12月18日，申请号是201780085966.1(PCT/US2017/067028)，发明名称为“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。
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。
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，可以调节可调节IR光源50，比如通过将可调节IR光束52的波长、频率或波长和频率二者改变为在成像结构35内产生和/或生成光学共振的波长和/或频率，该成像结构35至少部分地或甚至完全地在扫描表面32的采样位置34内延伸。可调节IR光源50可以配置为选择性地改变或扫描可调节IR光束52的波长和/或频率，其中这种选择性改变被用来选择性地诱导成像结构内的共振。该共振导致成像结构吸收入射在其上的可调节IR光束52。相反，未与可调节IR光束52共振的采样位置34和/或扫描表面32的其余部分不吸收可调节IR光束52。因此，成像结构35内的光学共振提供成像结构35和扫描表面32(例如背景)之间的光学对比度。随后，可以横跨扫描表面32扫描可见光束42和可调节IR光束52，以产生和/或生成扫描表面32的扫描部分36的图像。该图像可以根据扫描表面32的扫描部分36内的位置关联和/或显示滤光光束72的至少一个性质的值。
现有技术系统依赖于光活性标签和/或标记来区分成像结构和扫描表面的其余部分。然而，本文公开的系统10利用可调节IR光束52在成像结构35的原生或自然存在的化学化合物内引发光学共振。因此，系统10可以允许成像结构35的成像和/或可以在成像结构35与扫描表面32的背景或其余部分之间提供光学对比，而不需要将外来材料或污染物比如光活性标签引入样品30中。这种配置可以允许本文公开的系统10使通过引入光活性标签而可能损坏、改变和/或以其他方式受影响的样品30成像。
在收集上述图像之后，系统10可用于收集扫描表面32的扫描部分36的多个或一系列的另外或后续图像。该过程——参考方法10对其进行了更详细的讨论，在本文中可被称为过采样，并且可用于产生和/或生成成像结构35的超分辨率图像。如本文所使用，短语“超分辨率图像”包括比如成像结构35的图像，其具有比从成像结构35的单次观察或图像获得的分辨率更高的分辨率。如本文所使用，单词“过采样”可以指收集多个或一系列的图像，并且这些图像中的每一个在本文中也可以称为“欠采样”图像。
作为实例，由于光学成像技术的衍射极限性质，系统10对扫描表面32的扫描部分36的单次扫描可以产生和/或生成具有大约1微米的分辨率的图像。当通过扫描表面32的扫描部分36的单次扫描对成像结构35成像时，系统10能够分辨或聚焦在尺寸为1微米或更大的成像结构35上。由于衍射效应，可见光束42和/或可调节IR光束52在扫描表面32上的最小光斑尺寸大约被限制于相应光束的波长。因此，系统10通常不能在单次扫描中分辨尺寸小于1微米的成像结构35。
然而，过采样可以允许系统10产生超分辨率图像，其将成像结构35分辨为小于1微米的分辨率。作为实例，超分辨率图像可以将成像结构35分辨为小于500纳米、小于250纳米、小于200纳米、小于100纳米、小于75纳米、小于50纳米、小于25纳米、或小于10纳米的分辨率。通常，可以通过增加组合以生成超分辨率图像的图像数和/或通过调节可调节IR光束52来提高超分辨率图像的分辨率。
经由系统10和/或方法100激活自然发生的表面特征的非线性共振可以提供改进的表面感测并且使得能够在非线性光学系统的背景下生成超分辨率图像。相反，现有技术系统依靠光活性标记和/或标签来提供收集超分辨率图像所需的对比度；然而，如所讨论，这种光活性标记和/或标签修改了被成像的系统，并且因此在某些情况下可能无法使用。
这可以实现二阶表面感测(例如，经由非线性光学系统)以及三阶材料、界面、结构和成分感测。换句话说，系统10和/或方法100配置为利用非线性光学技术对表面——比如扫描表面32——成像，和/或基于二阶和/或三阶表面极化率(susceptibility)来表征表面。二阶表面感测的实例包括二次谐波生成、和频生成和/或差频生成。三阶感测的实例包括受激拉曼散射、受激布里渊散射、四波混频和光学相位共轭。表面对这些二阶和三阶表面感测技术的响应由极化率控制，其分别成为二阶或三阶感测技术的二阶或三阶极化率张量。
可见光源40可以包括任何合适的结构，其可以被适配、配置、设计和/或构造成生成可见光束42和/或引导可见光束42入射到扫描表面32的采样位置34上。作为实例，可见光源40可包括脉冲激光系统、固态激光器和/或钕YAG激光器中的一种或多种。当可见光源40包括钕YAG激光器时，钕YAG激光器可以倍频为比如大约0.532微米的波长，使得可见光束42在可见光谱内。
可见光束42可以具有可在采样位置34内与可调节IR光束52相互作用以产生和/或生成发射光束38的任何合适的频率、波长、强度和/或偏振。作为实例，可见光束42的波长，主波长和/或平均波长可以为至少0.1微米、至少0.2微米、至少0.3微米、至少0.4微米、至少0.5微米、至少0.6微米、至多1微米、至多0.9微米、至多0.8微米、至多0.7微米、至多0.6微米、和/或至多0.5微米。在本发明的范围内的是，至少在样品30的给定图像的收集期间可见光束42可以具有固定的或至少基本固定的波长和/或输出光谱。至少在样品30的给定图像的收集期间，可见光束42可以具有在可见光光谱内或附近的频率，并且可见光束42的频率、波长、带宽和/或强度可以变化小于5％、小于2.5％、小于1％、或者小于0.1％。这种可见光束42可以生成处于可见光范围内的发射光束38，比如具有约390-800nm的波长。在实际意义上，与较低或较高频率的光相比，光学检测器82在检测可见光时可以更高效和/或更有效，并且当利用系统10通过光学检测器82来检测少数或甚至单个光子时，这种效率的提高可能尤其重要。
如图1-3中虚线所图解，可见光源40还可以包括可见光源控制组件44。可见光源控制组件44，当存在时，可以被适配、配置、设计和/或构造成改变可见光束42的强度、可见光束42的偏振、可见光束42的波长、和/或可见光束42的带宽的一个或多个，使得可见光束42在采样位置34内与可调节IR光束32相互作用，以产生和/或生成发射光束38，其是可见光束42和可调节IR光束32之间的和频信号。
可调节IR光源50可以包括任何合适的结构，其可以被适配、配置、设计和/或构造成生成可调节IR光束52和/或引导可调节IR光束52入射在扫描表面32的采样位置34上。作为实例，可调节IR光源50可以包括光学参量振荡器和/或铌酸锂(LiNbO
可调节IR光束52可以具有任何合适的频率、波长、强度和/或偏振，其可以在采样位置34内与可见光束42相互作用，以产生和/或生成发射光束38。此外，可调节IR光源50可以配置为选择性地调节和/或改变可调节IR光束52的频率，以便允许可调节IR光束在成像结构内引起光学共振。换句话说，可调节IR光源50可具有选择性可变的输出波长和/或选择性可变的输出光谱。作为实例，可调节IR光束52可以具有或被调节为波长、主波长和/或平均波长为至少0.7微米、至少0.8微米、至少0.9微米、至少1微米、至少10微米、至少25微米、至少50微米、至少100微米、至少200微米、至少300微米、至少400微米、至少500微米、至少600微米、至少700微米、至多1000微米、至多900微米、至多800微米、至多700微米、至多600微米、至多500微米、至多400微米、至多300微米、至多200微米、或至多100微米。
如图1-3中的虚线所图解，可调节IR光源50还可以包括可调节IR光源控制组件54。可调节IR光源控制组件54，当存在时，可以被适配、配置、设计和/或构造成改变可调节IR光束52的强度、可调节IR光束52的偏振、可调节IR光束52的波长、和/或可调节IR光束52的带宽的一个或多个。可调节IR光束52的偏振可通过可调节IR光源控制组件54改变，以强调或不强调各种光谱特征，比如可以与可调节IR光束的偏振对准，可以与可调节IR光束的偏振未对准，可以在与可调节IR光束的偏振对准的平面中共振，和/或可以在与可调节IR光束的偏振未对准的平面中共振的成像结构35的部分。这可以提供关于扫描表面32上的分子的对准和/或构造的另外的信息。
扫描结构60可以包括任何合适的结构，其可以被适配、配置、设计和/或构造成横跨扫描表面32和/或在扫描表面32的扫描部分36内扫描可见光束42和可调节IR光束52，比如，以选择性地改变限定采样位置34的扫描表面32的部分(例如，可见光束42和可调节IR光束52在其上重合的扫描表面32的部分)。通常，扫描结构60在扫描过程期间保持可见光束42和可调节IR光束52在采样位置34上重合。扫描结构60可以以任何合适的方式横跨扫描表面32扫描可见光束42和可调节IR光束52。作为实例，扫描结构60可以横跨扫描表面32光栅扫描可见光束42和可调节IR光束52。
作为实例，扫描结构60可以包括电动扫描结构60，其被配置为选择性地和/或自动地横跨扫描表面32扫描可见光束和可调节IR光束。作为另一个实例，扫描结构60可以包括样品支架平移结构，其配置为相对于可见光束42和可调节IR光束52二者可操作地平移样品支架20。作为又另一个实例，扫描结构60可以包括光学操纵器(optic steerer)66。光学操纵器66的实例包括电光学操纵器和声光学操纵器。
作为另一个实例，并且如图3中可能最佳图解，扫描结构60可包括第一反射镜(mirror)61和第二反射镜63。第一反射镜61可配置为从可见光源40接收可见光束42并且也从可调节IR光源50接收可调节IR光束52。第一反射镜61可以进一步配置为反射可见光束42和可调节IR光束52，并且还围绕第一轴62枢转，从而在第一方向上横跨扫描表面32扫描可见光束42和可调节IR光束52。第二反射镜63可以配置为从第一反射镜61接收可见光束42和可调节IR光束52。第二反射镜63可以进一步配置为反射可见光束42和可调节IR光束52并且还围绕垂直于或至少基本垂直于第一轴62的第二轴64枢转。因此，第二反射镜63可以在第二方向上横跨扫描表面32扫描可见光束42和可调节IR光束52，该第二方向可以垂直于，或者至少基本上垂直于第一个方向。换句话说，第一反射镜61和第二反射镜63的组合可允许可见光束42和可调节IR光束52在两个维度上横跨扫描表面32扫描和/或产生和/或生成扫描表面32的二维图像或映像。
作为另外的实例，扫描结构60可以配置为相对于扫描表面32同时移动可见光束42和可调节IR光束52二者，以相对于可见光束42和可调节IR光束52二者可操作地平移样品支架20，从而独立于可调节IR光源50移动可见光源40，和/或独立于可见光源40移动可调节IR光源50。这种配置可允许扫描结构60横跨扫描表面32扫描可见光束42和可调节IR光束52，同时保持可见光束42和可调节IR光束52在扫描表面32上重合。
滤光器70可以包括任何合适的结构，其可以被适配、配置、设计和/或构造成接收发射光束38，以对发射光束38滤光从而产生滤光光束72，以将滤光光束72提供至光检测系统80，和/或选择性地调节由光检测系统80接收的发射光束38的一部分作为滤光光束72。作为实例，滤光器70可包括滤色器、波长鉴别器、和/或偏振选择器的一个或多个。滤光器70可用于选择性地允许发射光束38——其包括可见光束42和可调节IR光束52之间的和频信号——进入光检测系统80。滤光器70还可用于选择性地衰减从扫描表面32反射的可见光束42和/或可调节IR光束52的部分，使得可见光束42和/或可调节IR光束52的这些部分不进入光检测系统80。滤光器70可以配置为增加光检测系统80对发射光束38的灵敏度和/或增加由发射光束38限定的滤光光束72的比例。
光检测系统80可以包括任何合适的结构，其可以被适配、配置、设计和/或构造成接收滤光光束72和/或量化滤光光束72的至少一个性质。作为实例，光检测系统80可以配置为检测滤光光束的强度、滤光光束的波长和/或滤光光束的光谱中的一个或多个，其中滤光光束的这些性质中的每一个都可能被用于在扫描表面32的采样位置34内提供成像对比度。作为另一个实例，光检测系统80可以配置用于相对于可见光束42和/或可调节IR光束的频率在发射光束38的频率下进行改进或优化检测。光检测系统80的实例包括光学检测器82比如低光水平检测系统、光电倍增管、光电二极管、雪崩光电二极管和/或焦平面阵列的一个或多个。
光检测系统80可以针对整个采样位置34，在整个采样位置34上，和/或横跨整个采样位置34检测滤光光束72的至少一个性质，这在本公开内容的范围内。换句话说，对于给定的采样位置34，光检测系统80可以检测滤光光束72的每个测量性质的单个值，比如滤光光束的强度，滤波光束的波长和/或滤光光束的光谱。可选地，光检测系统80可以包括检测阵列。这种检测阵列可以配置为检测滤光光束72的至少一个性质的多个值，其中根据采样位置34内的位置或定位检测该多个值，这也在本公开内容的范围内。
换句话说，光检测系统80可以配置为检测基于在给定点由光检测系统80接收的整个滤光光束72产生的滤光光束72的单个或整体性质，从而确定在给定时间点滤光光束72的性质的单个值。可选地，光检测系统80还可以配置为使滤光光束72离散化和/或像素化，从而根据采样位置34内的位置来检测关于光束72的性质的位置信息。
对准结构80可以包括任何合适的结构，其可以被适配、配置、设计和/或构造成可操作地对准可见光源40、可调节IR源50、样品支架20、光检测系统80和/或滤光器70。作为实例，对准结构90可以配置为可操作地对准可见光源40、可调节IR源50、样品支架20、光检测系统80和/或滤光器70，使得可见光束42和可调节IR光束52在采样位置34重合，使得滤光器70从扫描表面32接收发射光束38，和/或使得光检测系统80从滤光器70接收滤光光束72。考虑到这一点，对准结构90可包括可操作地附连至或可以配置为移动或对准可见光源40、可调节IR光源50、样品支架20、光检测系统80和/或滤光器70的一个或多个部件，如图1-2所图解。
如图1-2中的虚线所图解，系统10还可以包括控制器96。当存在时，控制器96可以被适配、配置、设计、构造和/或编程为控制系统10的至少一部分的操作。这可以包括通过和/或利用方法100的任一个的任何合适的部分、子集或步骤来控制系统10的操作，这将在本文中更详细地讨论。
作为实例，控制器96可以控制可见光源40和/或其可见光源控制组件44的操作。作为另一个实例，控制器96可以控制可调节IR光源50和/或其可调节IR光源控制组件54的操作。作为另外的实例，控制器96可以控制扫描结构60、滤光器70、光检测系统80和/或对准结构90的操作。
图4是描绘根据本公开的用于对样品的扫描表面成像的方法100的流程图。方法100包括在105处将扫描表面的采样位置暴露于可见光束，并且可以包括在110处选择性地改变可见光束的性质。方法100还包括在115处将采样位置暴露于可调节IR光束并且可以包括在120处选择性地改变可调节IR光束的性质。方法100进一步包括在125处改变可调节IR光束的频率并且在130处在成像结构内引起光学共振。方法100可以进一步包括在135处用滤光器对发射光束进行滤光并且包括在140处用光检测系统接收发射光束的一部分和在145处横跨扫描表面扫描可见光束和可调节IR光束。方法100可以进一步包括在150处比如，通过收集扫描表面的多个或一系列的图像对扫描表面进行过采样，并且包括在155处生成图像。
在105处将采样位置暴露于可见光束可以包括将采样位置暴露于任何合适的可见光束，比如图1-3的可见光束42。这可以包括将可见光束引导到扫描表面的采样位置上或者入射到扫描表面的采样位置上。这还可以包括从可见光源(比如图1-3的可见光源40)引导可见光束或者用可见光源(比如图1-3的可见光源40)生成可见光束。
在110处选择性地改变可见光束的性质可以包括以任何合适的方式和/或利用任何合适的结构选择性地改变可见光束的任何合适的性质。作为实例，在110处选择性地改变可以包括选择性地改变可见光束的强度，可见光束的偏振，可见光束的波长和/或可见光束的带宽中的一个或多个。
通常，并且如本文所讨论，在方法100的其余部分期间和/或至少在收集扫描表面的单个图像期间，可见光束将具有单个或固定的波长、光谱、带宽、偏振和/或强度。因此，可以在115处暴露之前，在120处选择性地改变之前，在125处改变之前，在130处引起之前，在135处滤光之前，在140处接收之前，在145处扫描之前，在150处过采样之前，和/或在155处生成之前进行在110处选择性地改变。
在115处将采样位置暴露于可调节IR光束可以包括将采样位置暴露于任何合适的可调节IR光束，比如图1-3的可调节IR光束52。这可以包括将可调节IR光束引导到扫描表面的采样位置上。这还可以包括从可调节IR光源(比如图1-3的可调节IR光源50)引导可调节IR光束或者用可调节IR光源(比如图1-3的可调节IR光源50)生成可调节IR光束。
在120处选择性地改变可调节IR光束的性质可以包括以任何合适的方式和/或利用任何合适的结构选择性地改变可调节IR光束的任何合适的性质。作为实例，在120处选择性地改变可以包括选择性地改变可调节IR光束的强度、可调节IR光束的偏振、可调节IR光束的波长、可调节IR光束的频率和/或可调节IR光束的带宽中的一个或多个。在本公开内容的范围内的是，在120处选择性地改变可以包括在125处的调节中，可以形成在125处的调节的一部分和/或可以用于完成在125处的调节，这将在本文中更详细地讨论。
在125处改变可调节IR光束的频率可以包括以任何合适的方式改变可调节IR光束的频率。作为实例，在125处改变可以包括调节可调节IR光束。作为另一个实例，在125处改变可以包括参考在120处选择性地改变进行本文讨论的任何合适的步骤。作为另一个实例，在125处改变可以包括改变可调节IR光束的频率，同时进行在140处接收，比如，以确定和/或检测成像结构的共振频率。在125处改变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。
在130处在成像结构内引起光学共振可以包括在成像结构的一部分内引起光学共振，该成像结构的一部分至少部分地在扫描表面的采样位置内延伸，并且可以响应于在115处的暴露和/或在125处的改变或者可以是在115处的暴露和/或在125处的改变的结果。换句话说，在130处的引起可以包括在成像结构的一部分内引起光学共振，在该成像结构的一部分上可见光束和可调节IR光束重合。可以基于可调节IR光束的频率来确定和/或引起成像结构的共振频率，在140处的接收期间该可调节IR光束生成由光检测结构接收的发射光束部分的强度最大值。如本文所使用，短语“共振频率”可以指可调节IR光束的频率，在该频率处在成像结构内引起共振响应。可以引起该谐振响应，因为可调节IR光束的频率对应于成像结构内的材料激发或能量跃迁。当可调节IR光束的频率与成像结构的材料激发或共振匹配时，可调节IR光束在本文中可称为“共振(on-resonance)”或处于材料激发的“共振频率”
在135处用滤光器对发射光束进行滤光可以包括对发射光束进行滤光以产生和/或生成在140处的接收期间由光检测系统接收的发射光束的部分。作为实例，在135处的滤光可以包括用滤光器接收发射光束并用滤光器对发射的光束进行滤光，以生成滤光光束。在这些条件下，在140处的接收期间接收的发射光束的部分可以包括或者是滤光光束。
在135处的滤光可以包括以任何合适的方式滤光。作为实例，在135处的滤光可以包括选择滤光光束的颜色，选择滤光光束的波长，选择滤光光束的波长范围和/或选择滤光光束的偏振中的一个或多个。这可以包括滤光以衰减发射光束的频率范围之外的频率，或者可见光束与可调节IR光束之间的和频率，从而增加光检测系统对发射光束的灵敏度。在140处用光检测系统接收发射光束的部分可以包括从扫描表面的采样位置接收发射光束的任何合适部分，其包括可见光束和可调节IR光束之间的和频信号。这可以包括用，通过和/或利用任何合适的光检测系统(比如图1-3的光检测系统80)接收发射光束的部分。
在145处横跨扫描表面扫描可见光束和可调节IR光束可以包括横跨扫描表面的扫描部分扫描可见光束和可调节IR光束二者。这可以包括进行在145处的扫描，同时至少继续在105处的暴露，在115处的暴露和在140处的接收。这还可以包括进行在145处的扫描，同时保持可调节IR光束至少部分地与可见光束重合。换句话说，在145处的扫描可以包括选择性地改变限定采样位置的扫描表面的一部分或扫描表面的扫描部分的一部分，从而允许根据扫描表面上的位置映射或成像扫描表面的一个或多个性质。
在145处的扫描可以以任何合适的方式和/或利用任何合适的结构来完成。作为实例，可以利用扫描结构(比如图1-3的扫描结构60)进行在145处的扫描。作为另一个实例，在145处的扫描可以包括相对于扫描表面同时移动可见光束和可调节IR光束二者，相对于可见光束和可调节IR光束二者可操作地平移样品支架，独立于可调节IR光源移动可见光源，和/或独立于可见光源移动可调节IR光源。换句话说，在145处的扫描可以包括以保持可见光束和可调节IR光束在扫描表面上重合的任何合适的方式扫描。
在150处过采样扫描表面可以包括收集扫描表面的扫描部分的多个图像。过采样可以允许和/或促进在155处的生成。作为实例，并且在125处的改变之后，在150处的过采样可以包括至少重复在140处的接收和145处的扫描，同时继续在105处的暴露和在115处的暴露。作为另一个实例，在150处的过采样可以包括收集和/或生成扫描表面的扫描部分的多个原始图像。在这些条件下，每个原始图像根据扫描表面内的位置可以映射发射光束的部分的至少一个性质，并且可以在155处的生成期间组合该多个原始图像以产生和/或生成比在扫描表面的单个原始图像中所表示的更高分辨率的扫描表面的图像，比如通过利用在120处的选择性改变来选择、突显和/或引起扫描表面的扫描部分内的不同特征、区域和/或成像结构中的共振，同时继续在105处的暴露和115处的暴露。如本文所用，短语“原始图像”可以指由扫描表面的单次扫描生成或来自于其的图像。
在155处生成图像可以包括生成扫描表面的任何合适的图像。在155处的生成还可以包括至少部分地基于在140处的接收，在145处的扫描和/或在150处的过采样来生成，并且方法100还可以包括显示所生成的图像。
在155处的生成可以包括生成一个或多个图像，其中每个图像表示在140处的接收期间接收的发射光束的部分的不同性质。作为实例，一个或多个图像中的每一个可以将在140处的接收期间接收的发射光束的部分的至少一个特性与扫描表面的扫描部分内的位置相关联。可以在一个或多个图像中表示的发射光束的部分的性质的实例包括发射光束的频率、发射光束的波长、发射光束的强度、和/或发射光束的偏振。
在155处的生成可以包括基于扫描表面的扫描部分的单次扫描生成图像，这在本公开内容的范围内。可选地，在155处的生成还可以包括生成扫描表面的扫描部分和/或成像结构的超分辨率图像，该成像结构至少部分地在扫描表面的扫描部分内延伸。
作为实例，并且当方法100包括在150处的过采样时，可以组合多个原始图像以产生和/或生成超分辨率图像。作为实例，并且在每个原始图像中，如原始图像中所表示的，成像结构的位置可能轻微改变，比如可能是由于像素化效应和/或原始图像的有限分辨率。然而，当组合多个原始图像以生成超分辨率图像时，可以量化成像结构的平均尺寸和/或位置，从而与原始图像相比提高超分辨率图像的分辨率。在这些条件下，可以利用通过125处的改变引起的成像结构的光学共振来改进原始图像的信噪比和/或允许将成像结构与与背景或噪音区分开。
可以以任何合适的方式完成多个原始图像的组合。作为实例，可以利用确定性方法来组合多个原始图像和/或生成超分辨率图像。在这些条件下，确定性算法将多个原始图像的组合形成为变分优化问题。优化问题的目标函数可以有两项。第一项可以是保真度项，其模拟图像采集过程。第二项可以是正则化项，其规定关于超分辨率图像的一个或多个假设。
作为另一个实例，可以利用随机方法来组合多个原始图像和/或生成超分辨率图像。在这些条件下，可以利用贝叶斯推断通过利用最大后验(MAP)估计来估计超分辨率图像。为了解决MAP估计，制定了优化问题。优化问题的目标函数再次可以有两项。第一项可以是似然函数，其模拟图像获取过程。第二项可以是如上所讨论的正则化项。似然函数可以表示成像结构在成像表面的特定部分内的可能性或概率。
作为更具体但仍然是说明性的非排他性实例，假设表面上存在小缺陷，由于不均匀的分子结合，改变了该位置处表面的物理性质。这种不均匀性在尺寸上可能仅为50nm×50nm。不均匀性将导致IR吸收光谱的变化，导致现有光谱特征或新光谱特征的变化出现。表面和频生成(SSFG)可能检测到不均匀性的存在，这可能表现为光照时光谱的变化。
如本文所用，SSFG包括在表面上和/或在界面处混合两个输入激光器，比本文公开的可见光束和可调节IR光束。该混合以输出频率——其是两个输入激光器的输入频率的和——产生输出，比如本文公开的发射光束。输出频率由二阶极化率张量介导，其表示被成像物体的固有材料特性和/或响应，例如缺陷。
然而，对于传统的SSFG，没有办法确切地说明在衍射极限点(直径为1微米)内的不均匀性发生在何处。这种衍射限制在本文中更详细地讨论。因此，也无法确定不均匀性的尺寸、形状、取向等。因此，不均匀性的表征将至多是定性的，并且极其模糊。
本超分辨率技术的应用，包括上述相关的统计过采样，将缩小不均匀性的大小、形状、取向和/或位置。作为实例，统计过采样可以允许来自多个图像的位置信息被组合，统计组合和/或统计平均以生成超分辨率图像，该超分辨率图像比通过单次观察可能更详细地说明了不均匀性。这可以允许待确定的不均匀性的更精确的几何性质。如本文所讨论，并且与传统的超分辨率成像不同，本文公开的表面感测系统和方法可以允许实现更高的分辨率，而无需向样品添加专门的荧光结构。
根据本公开内容的发明主题的说明性、非排他性实例在以下列举的段落中描述：
A1.一种用于对样品的扫描表面成像的表面感测系统，该系统包括：
样品支架，其包括配置为支撑样品的支撑表面；
可见光源，其配置为当样品由支撑表面支撑时引导可见光束入射在扫描表面上的采样位置上；
可调节红外(IR)光源，其配置为当样品由支撑表面支撑时，引导可调节IR光束与入射在扫描表面上的采样位置上的可见光束重合，任选地，其中可调节IR光源进一步配置为选择性地改变可调节IR光束的波长，以允许可调节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；
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，以选择性地改变限定采样位置的扫描表面的一部分；
滤光器，其配置为从扫描表面接收发射光束，该发射光束包括可见光束和可调节IR光束之间的和频信号，并且对发射光束滤光以生成滤光光束，其中发射光束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；
光检测系统，其配置为从滤光器接收滤光光束；和
对准结构，其配置为可操作地对准可见光源、可调节IR光源、样品支架、光检测系统和滤光器中的至少两个。
A2.段落A1的系统，其中可见光束具有固定的，或至少基本上固定的波长。
A3.段落A1-A2任一项的系统，其中可见光束具有固定的，或至少基本固定的光谱。
A4.段落A1-A3任一项的系统，其中可见光源包括脉冲激光系统。
A5.段落A1-A4任一项的系统，其中可见光束的波长、主波长、或平均波长为以下至少一个：
(i)至少0.1微米、至少0.2微米、至少0.3微米、至少0.4微米、至少0.5微米、或至少0.6微米；和
(ii)至多1微米、至多0.9微米、至多0.8微米、至多0.7微米、至多0.6微米、或至多0.5微米。
A6.段落A1-A5任一项的系统，其中可见光源包括固态激光器。
A7.段落A1-A6任一项的系统，其中可见光源包括钕YAG激光器。
A8.段落A7的系统，其中钕YAG激光器被任选地倍频至0.532微米的波长。
A9.段落A1-A8任一项的系统，其中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个：
(i)可见光束的强度；
(ii)可见光束的偏振；
(iii)可见光束的波长；和
(iv)可见光束的带宽。
A10.段落A1-A9任一项的系统，其中可调节IR光源具有选择性可变的输出波长。
A11.段落A1-A10任一项的系统，其中可调节IR光源具有选择性可变的输出光谱。
A12.段落A1-A11任一项的系统，其中可调节IR光源包括光学参量振荡器。
A13.段落A1-A12任一项的系统，其中可调节IR光源包括铌酸锂(LiNbO
A14.段落A1-A13任一项的系统，其中可调节IR光源包括可调节IR光源控制组件，其配置为选择性地改变以下的至少一个：
(i)可调节IR光束的强度；
(ii)可调节IR光束的偏振；
(iii)可调节IR光束的波长；和
(iv)可调节IR光束的带宽。
A15.段落A1-A14任一项的系统，其中扫描结构配置为以下的至少一个：
(i)相对于扫描表面同时移动可见光束和可调节IR光束二者；
(ii)相对于可见光束和可调节IR光束二者可操作地平移样品支架；
(iii)独立于可调节IR光源移动可见光源；和
(iv)独立于可见光源移动IR光源。
A16.段落A1-A15任一项的系统，其中扫描结构是电动扫描结构，其配置为横跨扫描表面选择性地且自动地扫描可见光束和可调节IR光束。
A17.段落A1-A16任一项的系统，其中扫描结构包括样品支架平移结构，其配置为相对于可见光束和可调节IR光束二者可操作地平移样品支架。
A18.段落A1-A17任一项的系统，其中扫描结构包括：
(i)第一反射镜，其配置为从可见光源接收可见光束和从可调节IR光源接收可调节IR光束，其中第一反射镜进一步配置为反射可见光束和可调节IR光束并且围绕第一轴枢转以在第一方向上横跨扫描表面扫描可见光束和可调节IR光束；和
(ii)第二反射镜，其配置为从第一反射镜接收可见光束和可调节IR光束，其中第二反射镜配置为反射可见光束和可调节IR光束并且围绕垂直于或至少基本上垂直于第一轴的第二轴枢转以在垂直于或基本上垂直于第一方向的第二方向上横跨扫描表面扫描可见光束和可调节IR光束。
A19.段落A1-A18任一项的系统，其中扫描结构包括光学操纵器，任选地，其中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。
A20.段落A1-A19任一项的系统，其中光检测系统是低光水平检测系统。
A21.段落A1-A20任一项的系统，其中光检测系统包括光学检测器，任选地，其中光学检测器包括以下的至少一种：
(i)光电倍增管；
(ii)光电二极管；
(iii)雪崩光电二极管；和
(iv)焦平面阵列。
A22.段落A1-A21任一项的系统，其中光检测系统包括检测阵列，其配置为根据采样位置内的位置检测滤光光束的至少一个性质。
A23.段落A1-A22任一项的系统，其中光检测系统配置为检测以下的至少一种，或者(所述)滤光光束的至少一种性质包括以下的至少一种：
(i)滤光光束的强度；
(ii)滤光光束的波长；和
(iii)滤光光束的光谱。
A24.段落A1-A23任一项的系统，其中滤光器配置为选择性地调节由光检测系统接收的发射光束的一部分作为滤光光束。
A25.段落A1-A24任一项的系统，其中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。
A26.段落A1-A25任一项的系统，其中对准结构配置为可操作地对准可见光源、可调节IR光源、样品支架、光检测系统和滤光器的至少两个使得：
(i)可见光束和可调节IR光束在采样位置重合；
(ii)滤光器从扫描表面接收发射光束；和
(iii)光检测系统从滤光器接收滤光光束。
A27.段落A1-A26任一项的系统，其中系统进一步包括控制器，其被变成以控制系统的至少一部分的操作。
A28.段落A27的系统，其中控制器被编程以控制系统执行段落B1-B18的任一项的任何方法的任何合适的部分。
B1.一种对样品的扫描表面成像的方法，该方法包括：
将扫描表面的采样位置暴露于可见光束；
将扫描表面的采样位置暴露于可调节红外(IR)光束使得可调节IR光束与可见光束至少部分重合；
改变可调节IR光束的频率；
在成像结构内引起光学共振，该成像结构至少部分地在扫描表面的采样位置内延伸；
用光检测系统从扫描表面的采样位置接收发射光束的至少一部分，其包括可见光束和可调节IR光束之间的和频信号；
横跨扫描表面的扫描部分扫描可见光束和可调节IR光束同时继续至少将采样位置暴露于可见光束，将采样位置暴露于可调节IR光束，和接收发射光束并且也同时维持可调节IR光束与可见光束至少部分重合；和
生成扫描表面的扫描部分的图像，其中至少基于接收和基于扫描生成。
B2.段落B1的方法，其中方法进一步包括过采样扫描表面的扫描部分以促进生成。
B3.段落B2的方法，其中过采样包括重复至少接收和扫描，其中重复是在引导可见光束期间，引导可调节IR光束期间，以及随后的调节。
B4.段落B2-B3任一项的方法，其中过采样包括生成扫描表面的扫描部分的多个原始图像，其中根据扫描表面的扫描部分内的位置，多个原始图像中的每个原始图像映射发射光束的部分的(所述)至少一种性质。
B5.段落B1-B4任一项的方法，其中将采样位置暴露于可见光束包括用可见光源生成可见光束。
B6.段落B1-B5任一项的方法，其中方法进一步包括选择性改变以下的至少一种：
(i)可见光束的强度；
(ii)可见光束的偏振；
(iii)可见光束的波长；和
(iv)可见光束的带宽。
B7.段落B1-B6任一项的方法，其中将采样位置暴露于可调节IR光束包括用可调节IR光源生成可调节IR光束。
B8.段落B1-B8任一项的方法，其中方法进一步包括选择性地改变以下的至少一种：
(i)可调节IR光束的强度；
(ii)可调节IR光束的偏振；
(iii)可调节IR光束的波长；和
(iv)可调节IR光束的带宽。
B9.段落B1-B8任一项的方法，其中改变可调节IR光束的频率包括选择性地改变可调节IR光束的频率。
B10.段落B1-B9任一项的方法，其中改变可调节IR光束的频率包括选择性地改变可调节IR光束的频率同时执行接收以确定成像结构的共振频率。
B11.段落B10的方法，其中至少部分地基于可调节IR光束的频率确定成像结构的共振频率，在接收期间该可调节IR光束生成由光检测系统接收的发射光束部分的强度最大值。
B12.段落B1-B11任一项的方法，其中方法进一步包括用滤光器接收发射光束并且用滤光器对发射光束滤光以生成滤光光束，其中接收发射光束的至少部分包括接收滤光光束。
B13.段落B12的方法，其中对发射光束滤光包括以下的至少一种：
(i)选择滤光光束的颜色；
(ii)选择滤光光束的波长；和
(iii)选择滤光光束的波长范围。
B14.段落B1-B13任一项的方法，其中扫描包括扫描以选择性地改变限定采样位置的扫描表面的一部分。
B15.段落B1-B14任一项的方法，其中扫描包括用扫描结构扫描。
B16.段落B1-B15任一项的方法，其中扫描包括以下的至少一种：
(i)相对于扫描表面同时移动可见光束和可调节IR光束二者；
(ii)相对于可见光束和可调节IR光束二者可操作地平移样品支架；
(iii)独立于可调节IR光源移动可见光源；和
(iv)独立于可见光源移动IR光源。
B17.段落B1-B16任一项的方法，其中生成扫描表面的扫描部分的图像包括将在接收期间接收的发射光束的部分的至少一个性质与扫描表面的扫描部分内的位置相关联。
B18.段落B17的方法，其中发射光束的部分的至少一个性质包括以下的至少一种：
(i)发射光束的部分的强度；
(ii)发射光束的部分的频率；和
(iii)发射光束的部分的波长。
如本文所使用，术语“选择性的”和“选择性地”，当修饰装置的一个或多个部件或特性的动作、移动、配置或其他活动时，意味着特定动作、移动、配置或其他活动是用户操纵装置的一个方面或一个或多个部件的直接或间接结果。
如本文所使用的，术语“适配”和“配置”意味着元件、部件或其他主题被设计和/或旨在执行给定功能。因此，术语“适配”和“配置”的使用不应被解释为意指给定元件、部件或其他主题仅仅“能够”执行给定功能而是为了执行该功能而专门选择、创建、实现、利用、编程和/或设计元件、部件、和/或其他主题。在本公开的范围内，被引述为适于执行特定功能的元件、部件和/或其他引用的主题可以另外地或可选地被描述为配置为执行该功能，反之亦然。类似地，被引述为配置为执行特定功能的主题可以另外地或可选地描述为可操作以执行该功能。
如本文所使用，关于一个或多个实体的列表的短语“至少一个”应该被理解为表示从实体列表中的任何一个或多个实体中选择的至少一个实体，但不一定包括实体列表中具体列出的每个和每一个实体中的至少一个，并且不排除实体列表中的实体的任何组合。该定义还允许实体可以任选地存在于除了短语“至少一个”所指的实体列表中具体标识的实体之外，无论是与具体标识的那些实体相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或者，等同地，“A或B中的至少一个”，或者等同地“A和/或B中的至少一个”)可以在一个实例中表示，至少一个，任选地包括多于一个，A，不存在B(并且任选地包括除B之外的实体)；在另一个实例中表示，至少一个，任选地包括多于一个，B，不存在A(并且任选地包括除A之外的实体)；在又另一个实例中表示，至少一个，任选地包括多于一个，A和至少一个，任选地包括多于一个，B(并且任选地包括其他实体)。换句话说，短语“至少一个”，“一个或多个”和“和/或”是在操作中既是连接的又是分离的开放式表达。例如，每个表达“A、B和C中的至少一个”，“A、B或C中的至少一个”，“A、B和C中的一个或多个”，“A、B或C中的一个或多个”和“A、B、和/或C”可以表示单独的A，单独的B，单独的C，A和B一起，A和C一起，B和C一起，A、B和C一起，和任选地，上述任何一种与至少一种其他实体组合。
根据本公开内容的所有系统和方法不需要本文公开的系统的各种公开元件和方法的各个步骤，并且本公开内容包括本文公开的各种元件和步骤的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。此外，本文公开的各种元件和步骤中的一个或多个可以限定独立的发明主题，其独立于整个公开的系统或方法。因此，不要求这样的发明主题与本文明确公开的具体系统和方法相关联，并且这样的发明主题可以在本文未明确公开的系统和/或方法中找到实用性。
如本文所使用，当参考根据本公开内容的一个或多个部件、特征、细节、结构、实例和/或方法使用时，短语“例如”、短语“作为实例”和/或仅仅术语“实例”，旨在表达所描述的部件、特征、细节、结构、实例和/或方法是根据本公开内容的部件、特征、细节、结构、实例和/或方法的说明性的，非排他性的实例。因此，所描述的部件、特征、细节、结构、实例和/或方法不旨在限制性的，要求性的或排他性的/穷举性的；并且其他部件、特征、细节、结构、实例和/或方法——包括结构和/或功能类似和/或等效的部件、特征、细节、结构、实例和/或方法，也在本公开内容的范围内。
机译： 通过和频振动光谱法对样品的扫描表面成像的表面感测系统和方法
机译： 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
机译： 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
