中红外高光谱成像技术用于表面化学物质的检测

中红外（MIR）光谱是最有前途的痕量表面远距离探测方法之一。由于大多数物质在中红外波段部分具有强而独特的吸收特性光谱。David B. Kelley, Derek Wood, Anish K. Goyal , and Petros Kotidis发表了一篇High-speed and large-area scanning of surfaces for trace chemicals using wavelength-tunable quantum cascade lasers。文中介绍了一种探测方法，称为主动中红外高光谱成像（MIR HSI），包括使用波长可调激光器与高速相机相结合，用于捕获高光谱图像（即超立方体）目标表面的反射率。如图1所示，波长可调的中红外激光器照射感兴趣的目标，反射光为相机捕获。随着激光波长的调谐，相机同步捕获反射光的图像。对原始超立方体进行处理，以校正背景热辐射和照射激光束以生成表示目标表面反射率的超立方体。反射率然后对超立方体进行分析并与光谱特征的参考库进行比较，以生成检测图识别和空间绘制目标表面的任何化学污染。如图所示可以检测可能存在于光束路径中的气体的存在。

图1. 使用波长可调谐的中红外量子级联激光器进行高光谱成像的示意图

图2. 左：Block Engineering的Mini-QCL是一个很小的，快速可调谐的EC-QCL. 右：使用两台脉宽50ns，占空比为5%的中红外量子级联激光器的功率谱

超立方的获取

外腔中红外量子级联激光器（EC-QCL）用于目标照明。这些基于Block Engineering的Mini-QCL™ 如图2所示，这是一种小型、可广泛调谐、高速且坚固耐用的EC-QCL。它们的波长范围约为5.4至13μm。我们的系统目前使用两个Mini-QCL其输出使用分束器组合。图2描绘了两个激光器在占空比为5%。激光器可在7.7–10.3μm波长范围内调谐（1300–970cm^-1)和9.8–11.8μm（1020–850 cm^-1)并且分别提供26mW和7mW的平均功率。未来的系统增强将包括多路复用附加激光器以增加光谱范围，并结合可产生约50倍的功率。对于图像捕获，该系统使用LN2冷却的HgCdTe焦平面阵列（FPA），具有40μm像素，能够以高达1600帧/秒（fps）的速度捕获128x128像素帧。在子窗口模式下，16x96帧可以以9400fps捕获像素。

激光和相机触发均由快速数字输入/输出（DIO）模块控制，从而实现帧捕获与每个波长的激光照射同步。典型测量序列的结果如图3所示。该特定测量仅使用一个激光器，但过程与多个激光器的情况类似使用。EC-QCL在波长上扫描，而相机在0.1秒内总共捕获150帧，激光以不同波长照射表面137帧，而13帧是“暗”的，没有激光照明。暗框用于测量，然后减去被动热背景。为此测量时，样品由部分被硅脂污染的粗糙铝组成。这个光学器件被布置成以128 x 128像素对样品成像，高空间分辨率为80μm，测量的1cm²的面积被激光束完全照射。清洁和污染区域的反射光谱从反射率超立方体导出的吸收峰清楚地指示了在1025、1075和1026处与硅酮相关的吸收峰，和1260 cm^-1。

为了测量更大的表面，该系统具有集成的基于双轴检流计的扫描镜系统（扫描器），光栅扫描整个表面的激光照明。如图4所示。光栅扫描也允许人们选择较小的光束尺寸（从而获得较高的平均照度），但代价是总捕获时间较长时间。

图3. 左：部分被硅脂污染的粗糙铝样品的照片。右：清洁和污染区域的反射光谱，由测量的反射超立方体得出

图4. 光栅扫描激光束以测量更大表面积的图形模拟

已经使用高光谱成像系统对大量的样本进行了测试，下面列举两个例子。

户外表面的固体痕迹

使用干法转移技术将痕量固体粉末涂敷到各种户外表面。表面包括石质屋顶瓦、混凝土、沥青和沙子。图5显示了100μg咖啡因应用于屋顶瓦，并在0.4m的距离处测量。对于这些测量，两个EC-QCL为用于获取波数范围为850–1300 cm^-1的超立方体。

经测定，样品的受污染部分的反射率非常适合于咖啡因粉末，通过下面的基材的反射率对测量的反射率进行归一化。如所示图5，在应用该归一化后，检测分数与基于超立方体的每个像素相关联在它的光谱上，与咖啡因粉末的反射率相似，然后应用阈值来创建检测比对图。

图6显示了在5米的距离处测量的不同表面上痕量咖啡因的检测结果。

图7展示了系统区分和识别混凝土上三种不同化学品的能力距离为5米。

图5. 100μg咖啡因粉末涂在屋顶瓦上的检测结果，检测距离为0.4m

图6. 不同材料表面上的50~100μg的咖啡因粉末，检测距离为5m

图7. 3种不同的化学物质的分辨检测用于混凝土，检测距离5m

超高速采集

为了演示超立方体的高速采集，我们准备了一个样本，其中每个字母的如图8所示，名称“BLOCK”是在玻璃基板上的不同化学物质中创建的浓度不受控制且相对较高。如下获得该样品的复合超立方体。激光束分5步在目标上进行光栅扫描（每个字母一次）。复合超立方体的大小是16 x 96像素，这样相机可以以9400 fps的帧速率运行。总共138个超立方体在14ms内在每个点采集帧（其中105个包含独特的照明波长）据我们所知，这代表了世界上最快的主动中红外超立方体获取。所需的总时间光栅扫描激光束穿过五个点，获得原始的超立方体仅为74毫秒除了波数范围850–900cm^-1。我们目前正在努力了解这种偏差的原因。尽管如此，我们认为演示说明了中红外高光谱成像快速扫描表面微量化学物质的能力。

图8. 玻璃上的BLOCK标识，每个字母用不同的化学物质构成的

图9. 上：1050.6cm^-1处样品的反射光谱 下：实验组与对照组的咖啡因反射光谱

实验结论

本文展示了中红外高光谱成像系统的结果，该系统使用Block Engineering中红外量子级联激光器 EC-QCL准确快速地捕获超立方体。各种室外表面上固体痕迹的检测和识别在一段距离外进行了演示此外，检测系统的速度已经提高，因此可以在相机的最大帧速率为9400 fps。具有16 x 96像素的复合超立方体，通过仅在74 ms内采集到样品表面上的5个连续照明点。我们认为这代表了迄今为止基于激光的中红外超立方体的最高速度采集。

声明

这项工作已通过AFRL合同FA8650-16-C-9107得到IARPA SILMARILS项目的支持。我们感谢SILMARILS项目经理Kristin DeWitt博士的支持和专家指导。我们还感谢约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（JHU/APL）、海军研究实验室（NRL）和太平洋西北国家实验室（PNNL）提供测试样品和参考光谱数据。我们还感谢与阿尔卑斯激光公司（Richard Maulini）SILMARILS团队成员的多次互动系统与技术研究（Gil Raz、Cara Murphy、Mark Chilenski和Robert Argo）。

参考文献

David B. Kelley, Derek Wood, Anish K. Goyal , and Petros Kotidis, High-speed and large-area scanning of surfaces for trace chemicals using wavelength-tunable quantum cascade lasers. Block MEMS, 132 Turnpike Road, Southborough, MA 01772