一种超灵敏时间分辨成像光谱仪及其时间分辨成像方法技术

本发明专利技术涉及超灵敏时间分辨成像光谱仪，包括光学单元和电学单元，光学单元包括入射狭缝、光扩束准直部件、光学成像部件、第一和第二空间光调制器、凹面镜、光栅分光部件、会聚收光部件；电学单元包括第一和第二随机数发生器、单光子点探测器、计数器、时间测量仪、控制模块、数据包存储器以及压缩感知模块；待测极弱光入射，经光扩束准直部件变成平行光，透过光学成像部件成像在第一空间光调制器上；第一空间光调制器做随机调制；凹面镜将入射光反射并准直，变成平行光，打向光栅分光部件形成光谱场，在第二空间光调制器上形成光谱带；第二空间光调制器对光谱带做随机调制；会聚收光部件滤除杂散光，过滤后的光传输到单光子点探测器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学领域，特别涉及。
技术介绍
当前，国际现阶段用于瞬态极弱光(如荧光寿命)测量的技术主要有单分子探測技术、时间分辨技术和超分辨率测量技术。其中:(I)单分子探测技术主要有宽场共聚焦突光显微技术、扫描近场光学显微(SNOM)技术、全内反射突光显微(TIRF)技术、原子力光学显微(AFOM)和拉曼散射技术；(2)时间分辨技术主要有荧光寿命成像(FLIM)、双光子荧光寿命显微成像、荧光寿命相关光谱(FCS)技术和多维度荧光寿命显微技术；(3)超分辨率测量技术主要有受激发射损耗显微(STED)技术、位置敏感显微(PALM、STORM、dST0RM、GSD頂)技术、光学涨落显微(SOFI)技术和荧光共振能量转移显微技术(FRET)。对于生物大分子的荧光寿命成像及相关光谱定量測量方法是，先用FLIM或FCS系统进行单点荧光寿命及相关光谱測量，然后，采用激光束扫描或样品扫描系统进行生物大分子荧光寿命及相关光谱成像測量。由于纳米位移扫描平台的稳定性差、扫描过程复杂，不仅增加了制造成本，也极大延长了纳米材料和生物大分子的测试时间，成功率也受到显著影响。对于纳米材料高分辨率显微结构成像測量方法，通常是采用电子扫描显微镜进行图形表征，由于高能电子电离会损伤被测样品，无法进行生物活性分子及纳米材料的无损成像測量。上述这些技术的通病是无法同时对观测对象进行相关光谱分析和时间分辨工作。随着科研的需求逐渐向高时间分辨、多波段、探測快速、光子激发等方向发展，这些功能越发显得无法满足日益增长的实际需求，迫切需要ー种能够同时对观测对象进行光谱分析和时间分辨的仪器。专利技术内容本专利技术的目的在于克服现有仪器无法同时对观测对象进行光谱分析和时间分辨的缺陷，从而提供ー种能够同时实现光谱分析和时间分辨成像的装置。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种超灵敏时间分辨成像光谱仪，包括光学单元J和电学单元II，其中，所述光学単元I包括入射狭缝1、光扩束准直部件2、光学成像部件3、第一空间光调制器4_1、凹面镜5、光栅分光部件6、第二空间光调制器4_2、会聚收光部件7 ;所述电学単元II包括第一随机数发生器10_1、第二随机数发生器10_2、单光子点探测器11、计数器12、时间测量仪13、控制模块15、数据包存储器16以及压缩感知模块17 ；单光子级别的待测极弱光通过所述入射狭缝I入射，然后经过所述光扩束准直部件2的扩束和准直后变成平行光，该平行光再透过所述光学成像部件3成像在所述第一空间光调制器4_1上；所述第一空间光调制器4_1对在其上的像做随机调制，使得其出射光以一定的随机概率向所述凹面镜5反射；所述凹面镜5将入射光反射并准直，使之再次变成平行光，打向所述光栅分光部件6 ;所述光栅分光部件6形成光谱场,并在位于所述光栅分光部分6的焦平面上的第二空间光调制器4_2上形成光谱带；所述第二空间光调制器4_2对在其上的光谱带做随机调制，使得出射光以一定随机的概率向所述会聚收光部件7反射；所述会聚收光部件7滤除杂散光，将过滤后的待测极弱光传输到电学单元II中的单光子点探測器11 ;所述第一随机数发生器10_1、第二随机数发生器10_2分别生成随机数井分别提供给所述第一空间光调制器4_1与第二空间光调制器4_2，每一空间光调制器中区域总像素长度的随机数组成ー个相应的随机基，所述第一空间光调制器4_1与第二空间光调制器4_2根据各自的随机基实现随机调制；所述的单光子点探測器11探測待测极弱光中的各个单光子点，将采集到的光信号转换成有效脉冲信号后输出；所述计数器12记录所述单光子点探測器11探測到的单光子点的数目；所述的时间测量仪13记录单光子点到达的时间信息；所述控制模块15对整个超灵敏时间分辨成像光谱仪进行控制协调，包括对各部件的使能和触发脉冲控制，确保计数器12、第一空间光调制器4_1、第二空间光调制器4_2和时间测量仪13之间的步调协调；所述计数器12所记录的单光子点的数目、时间测量仪13所记录的时间信息以及第一随机数发生器10_1、第二随机数发生器10_2所生成的两组随机基一起存入所述数据包存储器16中，最后导入所述压缩感知模块17中，在该模块中经过两次压缩感知计算，实现光谱带信号重建，输出含五維信息的时间分辨成像光谱。上述技术方案中，所述光学単元I还包括反射镜8以及出射狭缝9 ;所述反射镜8位于所述光栅分光部件6与所述第二空间光调制器4_2的光路之间，用于将光谱反射至出射狭缝9。上述技术方案中，所述电学单元11还包括数字延迟器14，所述数字延迟器14在所述控制模块15的控制下，完成对所述单光子点探測器11的皮秒级门控。上述技术方案中，所述含五維信息的时间分辨成像光谱包括以下任意一种或多种:光谱强度曲线(X，I)、时间分辨光谱强度图(X，I，t)、超灵敏ニ维成像(x，y)、超灵敏三维成像(X, Y，z)、超灵敏ニ维成像光谱(X, Y，、)、超灵敏时间分辨ニ维成像(X, Y，t)、超灵敏三维成像光谱(X，y,z, A)、超灵敏时间分辨三维成像(X，y，z, t)、超灵敏时间分辨ニ维成像光谱(X, y, A , t)和超灵敏时间分辨三维成像光谱(X, y, z, A , t);其中，I表示光強，入表示波长，x、y、z表示空间三维坐标，t表示时间。上述技术方案中，所述光栅分光部件6将不同波长的光场按波长从短到长依次投射到所述第二空间光调制器4_2的不同位置上。上述技术方案中，所述第一空间光调制器4_1、第二空间光调制器4_2采用数字微镜器件实现。上述技术方案中，将所述数字微镜器件的对角线作为所述光谱带的成像位置。上述技术方案中，所述会聚收光部件7包括滤光片和衰减片。上述技术方案中，所述单光子点探測器11采用盖革模式雪崩ニ极管或光电倍增管实现。上述技术方案中，所述时间测量仪13采用带有时间幅度变换器功能的时间相关计数卡或独立的时间幅度变换器实现。上述技术方案中，所述的控制模块15确保计数器12、第一空间光调制器4_1、第ニ空间光调制器4_2和时间测量仪13之间的步调协调包括:先保持所述第一空间光调制器4_1不变，所述第二空间光调制器4_2随机翻转，所述第二空间光调制器4_2中的微镜阵列每翻转一次，所述计数器12累积计数在该翻转时间间隔内检测到的所有光子，翻转完成后，计数器12清零；所述第二空间光调制器4_2完成一组测量后，所述第一空间光调制器4_1再随机翻转到下ー帧，重复上述操作，直至所述第一空间光调制器4_1所翻转的帧数达到要求。上述技术方案中，所述压缩感知模块17采用下列算法中的任意一种实现压缩感知:贪心重建算法、匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法0MP、基跟踪算法BP、LASSO、LARS,GPSR、贝叶斯估计算法、magi C、1ST、TV、StOMP、CoSaMP、LB1、SP、ll_ls、smp 算法、SpaRSA 算法、TwIST算法、10重建算法、I1重建算法、I2重建算法。本专利技术还提供了一种基于所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪的时间分辨成像方法，用于实现对非周期变化的长时间序列的时间分辨，包括:步骤I)、单光子入射的步骤；单光子级别的待测极弱光通过所述入射狭缝I入射，然后经过所述光扩束准直部件2的扩束和准直后变成平行光，该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超灵敏时间分辨成像光谱仪，其特征在于，包括光学单元（I）和电学单元（II），其中，所述光学单元（I）包括入射狭缝（1）、光扩束准直部件（2）、光学成像部件（3）、第一空间光调制器（4_1）、凹面镜（5）、光栅分光部件（6）、第二空间光调制器（4_2）、会聚收光部件（7）；所述电学单元（II）包括第一随机数发生器（10_1）、第二随机数发生器（10_2）、单光子点探测器（11）、计数器（12）、时间测量仪（13）、控制模块（15）、数据包存储器（16）以及压缩感知模块（17）；单光子级别的待测极弱光通过所述入射狭缝（1）入射，然后经过所述光扩束准直部件（2）的扩束和准直后变成平行光，该平行光再透过所述光学成像部件（3）成像在所述第一空间光调制器（4_1）上；所述第一空间光调制器（4_1）对在其上的像做随机调制，使得其出射光以一定的随机概率向所述凹面镜（5）反射；所述凹面镜（5）将入射光反射并准直，使之再次变成平行光，打向所述光栅分光部件（6）；所述光栅分光部件（6）形成光谱场，并在位于所述光栅分光部分（6）的焦平面上的第二空间光调制器（4_2）上形成光谱带；所述第二空间光调制器（4_2）对在其上的光谱带做随机调制，使得出射光以一定随机的概率向所述会聚收光部件（7）反射；所述会聚收光部件（7）滤除杂散光，将过滤后的待测极弱光传输到电学单元（II）中的单光子点探测器（11）；所述第一随机数发生器（10_1）、第二随机数发生器（10_2）分别生成随机数并分别提供给所述第一空间光调制器（4_1）与第二空间光调制器（4_2），每一空间光调制器中区域总像素长度的随机数组成一个相应的随机基，所述第一空间光调制器（4_1）与第二空间光调制器（4_2）根据各自的随机基实现随机调制；所述的单光子点探测器（11）探测待测极弱光中的各个单光子点，将采集到的光信号转换成有效脉冲信号后输出；所述计数器（12）记录所述单光子点探测器（11）探测到的单光子点的数目；所述的时间测量仪（13）记录单光子点到达的时间信息；所述控制模块（15）对整个超灵敏时间分辨成像光谱仪进行控制协调，包括对各部件的使能和触发脉冲控制，确保计数器（12）、第一空间光调制器（4_1）、第二空间光调制器（4_2）和时间测量仪（13）之间的步调协调；所述计数器（12）所记录的单光子点的数目、时间测量仪（13）所记录的时间信息以及第一随机数发生器（10_1）、第二随机数发生器（10_2）所生成的两组随机基一起存入所述数据包存储器（16）中，最后导入所述压缩感知模块（17）中，在该模块中经过两次压缩感知计算，实现光谱带信号重建，输出含五维信息的时间分辨成像光谱。...

【技术特征摘要】
1.一种超灵敏时间分辨成像光谱仪，其特征在于，包括光学単元(I)和电学单元(II)，其中，所述光学単元(I)包括入射狭缝(I)、光扩束准直部件(2)、光学成像部件(3)、第一空间光调制器(4_1)、凹面镜(5)、光栅分光部件(6)、第二空间光调制器(4_2)、会聚收光部件(7);所述电学単元(II)包括第一随机数发生器(10_1)、第二随机数发生器(10_2)、单光子点探測器(11)、计数器(12)、时间测量仪(13)、控制模块(15)、数据包存储器(16)以及压缩感知模块(17)； 单光子级别的待测极弱光通过所述入射狭缝(I)入射，然后经过所述光扩束准直部件(2)的扩束和准直后变成平行光，该平行光再透过所述光学成像部件(3)成像在所述第一空间光调制器(4_1)上；所述第一空间光调制器(4_1)对在其上的像做随机调制，使得其出射光以一定的随机概率向所述凹面镜(5)反射；所述凹面镜(5)将入射光反射并准直，使之再次变成平行光，打向所述光栅分光部件(6);所述光栅分光部件(6)形成光谱场，并在位于所述光栅分光部分(6)的焦平面上的第二空间光调制器(4_2)上形成光谱带；所述第二空间光调制器(4_2)对在其上的光谱带做随机调制，使得出射光以一定随机的概率向所述会聚收光部件(7)反射；所述会聚收光部件(7)滤除杂散光，将过滤后的待测极弱光传输到电学単元(II)中的单光子点探測器(11)； 所述第一随机数发生器(10_1)、第二随机数发生器(10_2)分别生成随机数井分别提供给所述第一空间光调制器(4_1)与第二空间光调制器(4_2)，每一空间光调制器中区域总像素长度的随机数组成ー个相应的随机基，所述第一空间光调制器(4_1)与第二空间光调制器(4_2)根据各自的随机基实现随机调制；所述的单光子点探測器(11)探測待测极弱光中的各个单光子点，将采集到的光信号转换成有效脉冲信号后输出；所述计数器(12)记录所述单光子点探測器(11)探測到的单光子点的数目；所述的时间测量仪(13)记录单光子点到达的时间信息；所述控制模 块(15)对整个超灵敏时间分辨成像光谱仪进行控制协调，包括对各部件的使能和触发脉冲控制，确保计数器(12)、第一空间光调制器(4_1)、第ニ空间光调制器(4_2)和时间测量仪(13)之间的步调协调；所述计数器(12)所记录的单光子点的数目、时间测量仪(13)所记录的时间信息以及第一随机数发生器(10_1)、第二随机数发生器(10_2)所生成的两组随机基一起存入所述数据包存储器(16)中，最后导入所述压缩感知模块(17)中，在该模块中经过两次压缩感知计算，实现光谱带信号重建，输出含五維信息的时间分辨成像光谱。2.根据权利要求1所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪，其特征在于，所述光学単元(I)还包括反射镜(8)以及出射狭缝(9);所述反射镜(8)位于所述光栅分光部件(6)与所述第ニ空间光调制器(4_2)的光路之间，用于将光谱反射至出射狭缝(9)。3.根据权利要求1或2所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪，其特征在于，所述电学単元(II)还包括数字延迟器(14)，所述数字延迟器(14)在所述控制模块(15)的控制下，完成对所述单光子点探測器(11)的皮秒级门控。4.根据权利要求1或2或3所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪，其特征在于，所述含五維信息的时间分辨成像光谱包括以下任意ー种或多种:光谱强度曲线(入，I)、时间分辨光谱强度图(入，I，t)、超灵敏ニ维成像(X, y)、超灵敏三维成像(X, Y，z)、超灵敏ニ维成像光谱(x,y, A )、超灵敏时间分辨ニ维成像(X, y, t)、超灵敏三维成像光谱(X, y, z, A )、超灵敏时间分辨三维成像(X, y, z, t)、超灵敏时间分辨ニ维成像光谱(X, y, A，t)和超灵敏时间分辨三维成像光谱(x, y, z, A , t);其中，I表示光强，\表示波长，x、y、z表示空间三维坐标，t表示时间。5.根据权利要求1或2或3所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪，其特征在于，所述光栅分光部件(6)将不同波长的光场按波长从短到长依次投射到所述第二空间光调制器(4_2)的不同位置上。6.根据权利要求1或2或3所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪，其特征在于，所述第一空间光调制器(4_1)、第二空间光调制器(4_2)采用数字微镜器件实现。7.根据权利要求6所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪，其特征在干，将所述数字微镜器件的对角线作为所述光谱带的成像位置。8.根据权利要求1或2或3所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪，其特征在干，所述会聚收光部件(7)包括滤光片和衰减片。9.根据权利要求1或2或3所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪，其特征在干，所述单光子点探測器(11)采用盖革模式雪崩ニ极管或光电倍增管实现。10.根据权利要求1或2或3所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪，其特征在于，所述时间测量仪(13)采用带有时间幅度变换器功能的时间相关计数卡或独立的时间幅度变换器实现。11.根据权利要求1或2或3所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪，其特征在于，所述的控制模块(15)确保计数器(12)、第一空间光调制器(4_1)、第二空间光调制器(4_2)和时间测量仪(13)之间的步调协调包括:先保持所述第一空间光调制器(4_1)不变，所述第二空间光调制器(4_2)随机翻转，所述第二空间光调制器(4_2)中的微镜阵列每翻转一次，所述计数器(12)累积计数在该 翻转时间间隔内检测到的所有光子，翻转完成后，计数器(12)清零；所述第二空间光调制器(4_2)完成一组测量后，所述第一空间光调制器(4_1)再随机翻转到下ー帧，重复上述操作，直至所述第一空间光调制器(4_1)所翻转的帧数达到要求。12.根据权利要求1或2或3所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪，其特征在于，所述压缩感知模块(17)采用下列算法中的任意ー种实现压缩感知:贪心重建算法、匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、LASSO, LARS, GPSR、贝叶斯估计算法、magic、1ST、TV、StOMP、CoSaMP、LB1、SP、ll_ls、smp 算法、SpaRSA 算法、TwIST 算法、10 重建算法、I1重建算法、I2重建算法。13.一种基于权利要求1-3之一所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪的时间分辨成像方法，用于实现对非周期变化的长时间序列的时间分辨，包括: 步骤I)、单光子入射的步骤； 单光子级别的待测极弱光通过所述入射狭缝(I)入射，然后经过所述光扩束准直部件(2)的扩束和准直后变成平行光，该平行光再透过所述光学成像部件(3)成像在所述第一空间光调制器(4_1)上；所述第一空间光调制器(4_1)对在其上的像做随机调制，使得其出射光以一定的随机概率向所...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟光杰，俞文凯，王超，
申请(专利权)人：中国科学院空间科学与应用研究中心，
类型：发明
国别省市：