【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
专利
本专利技术大体上涉及一种用于检测在感兴趣的光谱带内具有一种或多种波长成分的电磁(em)波谱的光谱仪、一种检测在感兴趣的光谱带内具有一种或多种波长成分的电磁(em)波谱的方法以及一种制造该光谱仪的方法。在非限制性示例性实施例中，本专利技术可以应用于拉曼光谱。
技术介绍
0、背景
1、整个说明书中对现有技术的任何提及和/或讨论不应以任何方式被视为承认该现有技术是众所周知的或构成本领域公知常识的一部分。
2、如图1示意性所示，传统光谱仪采用较窄的入口狭缝(通常宽度为微米级)，这严重限制了光谱仪的聚光能力(即吞吐量)。如图所示，光谱仪的聚光能力或吞吐量被定义为入口面积和该入口处所对的立体角的乘积。吞吐量是决定光谱仪信噪比(snr)和光谱测量速度的关键性能指标。由于其设计的性质，扩大狭缝宽度会增加吞吐量，但不可避免地会降低光谱仪的分辨率。有两种报道的方法可用于提高光谱仪的吞吐量而不牺牲其分辨率。一种是编码孔径方法，如图2所示，它在光谱仪入口孔径处采用固定的编码掩模，并使用相机来接收编码孔径的色散图像。然后通过图像处理重建光谱。本专利技术人在wo2021/029827中描述了另一种方法，更具体地是如图3所示的高吞吐量光谱仪，其中两个编码器分别放置在光谱仪的入口和出口孔径平面处。两个编码器中至少有一个是动态可调或可编程的，从而允许光谱仪仅使用单像素光电检测器重建光谱。与编码孔径方法相比，wo2021/029827中的方法具有相同的高吞吐量和高分辨率优点，但它消除了在光谱仪系统中使用图像传感器的要求。因此，对
3、在光学光谱技术中，拉曼光谱是一种用于生物和生化分子的无标记检测和分析的强大技术。然而，传统拉曼技术的致命弱点是激光诱导样品荧光发射，其强度比拉曼散射技术高几个数量级，从而淹没了所需的拉曼信号。为了解决这个问题，提出了使用脉冲激光的时间门(tg)拉曼光谱法，其利用了拉曼散射超快且与激光脉冲几乎同时发生，而荧光发射相对较慢并且在激光脉冲后具有纳秒级的时间延迟的事实。如图4示意性所示，精确的纳秒或亚纳秒时间门在每个激光脉冲之后立即打开以进行检测，并且在激光脉冲重复周期的大部分时间期间关闭。该方案可以有效检测拉曼信号，同时荧光背景得到很大抑制。
4、时间门拉曼光谱装置示意图如图5(a)所示。尽管拉曼光谱法与可见脉冲激光配合良好，并且诱导拉曼光谱确实在可见光至近红外(vnir)波长范围内，而硅基图像传感器在该波长范围内普遍存在且成本低廉，但超快时间门检测的要求使这种传统图像传感器在时间门拉曼光谱应用中毫无用处。如图所示，时间门拉曼设置中通常使用昂贵的门控增强电荷耦合器件(iccd)相机(内置微通道板(mcp)图像增强器)或条纹相机，从而使系统成本高昂。据报道，光电倍增管(pmt)和单光子雪崩二极管(spad)等高速单像素检测器也被用于时间门拉曼系统。然而，如图5(b)所示，必须使用电动平台一次机械扫描单个波长，以移动单色仪出口处的检测器或旋转单色仪内部的光栅以获得完整的拉曼光谱波长。这些单像素时间门拉曼系统的主要缺点包括由于多路复用优势的丧失而导致的低信噪比、由于系统中庞大的机械电动平台而导致的稳健性、紧凑性和现场可用性的降低以及测量时间的延长。
5、本专利技术的实施例试图解决上述问题中的至少一个。
技术实现思路
1、根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于检测在感兴趣的光谱带内具有一种或多种波长成分的电磁(em)波谱的光谱仪，包括：
2、入口孔径；
3、出口孔径；
4、色散和成像光学器件，被配置为在出口孔径的平面上创建所述入口孔径的色散图像，使得不同波长成分处的各个图像沿色散方向偏移不同量的位移；
5、至少一个单像素检测器，每个单像素检测器对一种或多种波长成分敏感；
6、电磁检测器；
7、第一收集光学器件，被配置为将入射在所述入口孔径上的第一电磁波能量收集到所述电磁检测器；
8、第二收集光学器件，被配置为将离开所述出口孔径的第二电磁波能量收集到所述至少一个单像素检测器；以及
9、测量单元，被配置为测量所述电磁检测器的输出和所述至少一个单像素检测器的输出，用于在考虑所述入口孔径上的入射电磁波的强度分布的情况下重建所述电磁波谱。
10、根据本专利技术的第二方面，提供了一种检测在感兴趣的光谱带内具有一种或多种波长成分的电磁(em)波谱的方法，该方法包括以下步骤：
11、在出口孔径的平面上创建入口孔径的色散图像，使得不同波长成分的各个图像沿色散方向偏移不同量的位移；
12、将入射在所述入口孔径上的第一电磁波能量收集到所述电磁检测器；
13、将离开所述出口孔径的第二电磁波能量收集到至少一个单像素检测器；
14、测量电磁检测器的输出和所述至少一个单像素检测器的输出，以基于入口孔径上的入射电磁波的强度分布来重建所述电磁波谱。
15、根据本专利技术的第三方面，提供了一种构造第一方面的光谱仪的方法。
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1.一种用于检测在感兴趣的光谱带内具有一种或多种波长成分的电磁(EM)波谱的光谱仪，包括：
2.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述入口孔径包括至少一个入口狭缝，所述至少一个入口狭缝沿着基本上横向于色散方向的方向被空间编码。
3.根据权利要求1或2所述的光谱仪，其中，所述出口孔径包括布置在色散方向上的多个出口狭缝，其中，每个出口狭缝沿着基本上横向于所述色散方向的方向被空间编码。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光谱仪，其中，所述至少一个入口狭缝的编码图案和/或所述多个出口狭缝的编码图案是可调节的，并且被配置为多次改变。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，其中，所述第一收集光学器件被配置为收集来自色散和成像光学器件的色散元件的0级衍射的第一电磁波能量。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的光谱仪，其中，所述第一收集光学器件被配置为从设置在所述入口孔径附近的分束器元件收集所述第一电磁波能量。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，其中，所述电磁检测器包括单像素检测器或成像相机。
8.
9.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，包括第一场透镜，所述第一场透镜被配置为与前置光学器件进行光瞳匹配，用于布置在所述入口孔径附近。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，包括第二场透镜，所述第二场透镜被配置为与所述第二收集光学器件进行光瞳匹配，用于布置在所述出口孔径附近。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，其中，所述第二收集光学器件包括色散元件以消除来自所述色散和成像光学器件的色散效应。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，其中，使用微机电系统(MEMS)技术或使用MEMS微镜阵列分别实现所述入口狭缝和/或所述出口狭缝中的至少一者的可调节编码图案。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，其中，使用放置在固定孔径开口附近的可移动掩模分别实现所述入口狭缝和/或所述出口狭缝中的至少一者的可调节编码图案。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，配置为拉曼光谱系统。
15.根据权利要求14所述的光谱仪，被配置用于时间门和/或时间分辨拉曼光谱。
16.根据权利要求14或15所述的光谱仪，其中，所述测量单元被配置为使用时间相关单光子计数(TCSPC)，其中，利用所述电磁检测器和所述至少所述单像素检测器构造3D直方图数据立方体。
17.根据权利要求16所述的光谱仪，其中，所述测量单元被配置为在不同时间延迟处对所述3D直方图数据立方体进行切片，每个时间延迟切片代表用于在相应时间延迟处重建拉曼光谱的完整的一组编码强度测量结果。
18.根据权利要求17所述的光谱仪，其中，所述测量单元被配置成使得时间分辨拉曼位移光谱在各种时间延迟处重建。
19.一种检测在感兴趣的光谱带内具有一种或多种波长成分的电磁(EM)波谱的方法，该方法包括以下步骤：
20.根据权利要求19所述的方法，包括沿着基本上横向于色散方向的方向对所述入口孔径的至少一个入口狭缝进行空间编码。
21.根据权利要求19或20所述的方法，包括沿着基本上横向于色散方向的方向对所述出口孔径的多个出口狭缝进行空间编码。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，包括多次改变所述至少一个入口狭缝的编码图案和/或所述多个出口狭缝的编码图案。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的方法，其中，所述第一电磁波能量是从来自色散元件的0级衍射收集的。
24.根据权利要求19至22中任一项所述的方法，其中，从设置在所述入口孔径附近的分束器元件收集所述第一电磁波能量。
25.根据权利要求19至24中任一项所述的方法，其中，所述电磁检测器包括单像素检测器或成像相机。
26.根据权利要求19至25中任一项所述的方法，包括从所述入射电磁波中过滤出感兴趣的谱带。
27.根据权利要求19至26中任一项所述的方法，包括与前置光学器件进行瞳孔匹配。
28.根据权利要求19至27中任一项所述的方法，包括在将所述第二电磁波能量收集到所述至少一个单像素检测器期间进行光瞳匹配。
29.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括消除在所述出口孔径的平面上创建所述入口孔径的色散图像过程中的色散效应。
30.根据权利要求19至29中任一项所述的方法，其中，使...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于检测在感兴趣的光谱带内具有一种或多种波长成分的电磁(em)波谱的光谱仪，包括：
2.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述入口孔径包括至少一个入口狭缝，所述至少一个入口狭缝沿着基本上横向于色散方向的方向被空间编码。
3.根据权利要求1或2所述的光谱仪，其中，所述出口孔径包括布置在色散方向上的多个出口狭缝，其中，每个出口狭缝沿着基本上横向于所述色散方向的方向被空间编码。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光谱仪，其中，所述至少一个入口狭缝的编码图案和/或所述多个出口狭缝的编码图案是可调节的，并且被配置为多次改变。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，其中，所述第一收集光学器件被配置为收集来自色散和成像光学器件的色散元件的0级衍射的第一电磁波能量。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的光谱仪，其中，所述第一收集光学器件被配置为从设置在所述入口孔径附近的分束器元件收集所述第一电磁波能量。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，其中，所述电磁检测器包括单像素检测器或成像相机。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，包括带通滤波器，用于从所述入射电磁波中过滤出感兴趣的光谱带。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，包括第一场透镜，所述第一场透镜被配置为与前置光学器件进行光瞳匹配，用于布置在所述入口孔径附近。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，包括第二场透镜，所述第二场透镜被配置为与所述第二收集光学器件进行光瞳匹配，用于布置在所述出口孔径附近。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，其中，所述第二收集光学器件包括色散元件以消除来自所述色散和成像光学器件的色散效应。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，其中，使用微机电系统(mems)技术或使用mems微镜阵列分别实现所述入口狭缝和/或所述出口狭缝中的至少一者的可调节编码图案。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，其中，使用放置在固定孔径开口附近的可移动掩模分别实现所述入口狭缝和/或所述出口狭缝中的至少一者的可调节编码图案。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，配置为拉曼光谱系统。
15.根据权利要求14所述的光谱仪，被配置用于时间门和/或时间分辨拉曼光谱。
16.根据权利要求14或15所述的光谱仪，其中，所述测量单元被配置为使用时间相关单光子计数(tcspc)，其中，利用所述电磁检测器和所述至少所述单像素检测器构造3d直方图数据立方体。
17.根据权利要求16所述的光谱仪，其中，所述测量单元被配置为在不同时间延迟处对所述3d直方图数据立方体进行切片，每个时间延迟切片代表用于在相应时间延迟处重建拉曼光谱的完整的一组编码强度测量结果。
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