[发明专利]利用光热斑点检测感应靶标

说明书

设备(100)和相应方法包括配置为在抽运调制上进行调制和照射靶标样本(112)的抽运光源(102)。该设备还包括设置为从所述靶标样本产生斑点图案(114)的探针光源(106)，以及配置为检测与抽运调制具有相关性的斑点图案的一个或多个斑点叶的位置和强度中至少一项的改变的感应器(110)。通过将斑点图案改变分析为抽运光照射的函数，该设备和方法用于表面、气体、液体、颗粒和其他靶标材料的非接触性监测和远程感应。优势可以包括比已有方法高得多的灵敏性；能够将可见探针波长用于无制冷、低成本可见检测器，并具有高空间分辨率；以及能够不需要检测红外光而获得靶标材料性质。

相关申请

本申请要求2015年8月20日提交的美国临时申请62/207,720号的权益。通过引用的方式将上述申请的全部教导并入本文。

背景

已经有多种技术用于靶标材料的非接触性感应。一类已有技术可以称为反射光谱法。红外(IR)反射光谱法直接检测在抽运波长上的背向散射辐射，其还可以用于测定靶标材料表面的光学性质。

探测靶标材料的红外吸收的第二类技术是可选的光热方法，其涉及以入射波长的函数测量表面的热发射的改变(利用红外辐射线测量术进行测量)。这些技术可以测量由表面材料的特征性发射率调制的与表面的升温相关的热辐射能量的全部改变，或黑体发射的谱的改变。

发明概述

靶标材料的非接触性分析的已有技术有多项缺点。其中的一些缺点包括检测长波长红外(LWIR)光相关的难度、费用、空气吸收和检测器噪音。例如，LWIR感应器可能需要低温温度来充分降低感应器噪音。其他劣势包括解读散射谱的复杂性、有限的空间分辨率和信噪比(SNR)和有限的灵敏性。

本文公开的实施方案通过提供靶标材料的高灵敏性的非接触性检测克服已有技术的缺点，甚至不需要红外感应或低温感应器操作。可以使用至少两个波长，包括抽运波长和探针波长。例如，抽运波长可以在近红外(近IR)内。实施方案不依赖于抽运波长的背向散射进行工作。例如，探针波长可以是可见的，并且可以选择为在靶标材料不吸收并产生斑点图案，可以监测和分析斑点图案的变化作为抽运光调制的函数来区分不同靶标材料或材料类别，以及基于诸如吸收谱和热扩散率的材料性质鉴定材料。例如，可以获得IR吸收谱，而不需要直接检测IR辐射并且不需要热感摄像机。实施方案可以用于多种应用中，包括远程感应靶标材料。

在一个实施方案中，设备和相应方法包括抽运光源，其被配置为在抽运调制上进行调制和照射靶标样本。设备还可以包括探针光源以及感应器，探针光源被设置为从靶标样本产生斑点图案，感应器被配置为检测与抽运调制具有相关性的斑点图案的一个或多个斑点叶(例如，作为相干光漫反射的结果产生的强度图案中的相长干涉的位置)的位置和强度中的至少一项的改变。设备还可以包括相关器，其被配置为执行频率分析以测定所述一个或多个斑点叶的位置和强度中至少一项的改变与抽运调制的频率的相关性。抽运调制可以在短于斑点图案的模糊的时标的时标上，并且感应器可以被配置为检测在短于斑点图案的模糊的时标的时标上的位置和强度中的至少一项的改变。

设备还可以包括处理器，并且处理器可以被配置为基于与抽运调制相关的所述一个或多个斑点叶的位置和强度中至少一项的改变，测定靶标样本的吸收光谱。处理器还可以被配置为基于一个或多个斑点叶的位置和强度中至少一项的改变，测定靶标样本的热扩散率。

处理器还可以被配置为基于吸收光谱来鉴定靶标样本的材料种类，以及独立于靶标样本的表面的光学性质来鉴定材料种类来。

感应器还可以被配置为在抽运调制的具体工作周期的过程中或之后，检测一个或多个斑点叶的位置和强度中至少一项的改变。抽运调制的工作周期可以短于靶标样本的热扩散时间。