一種超靈敏時間分辨光譜儀及其時間分辨方法

2023-08-05 18:32:01

專利名稱：一種超靈敏時間分辨光譜儀及其時間分辨方法
技術領域：
本發明涉及光學領域，特別涉及一種超靈敏時間分辨光譜儀及其時間分辨方法。
背景技術：
當前，國際現階段用於瞬態極弱光(如螢光壽命)測量的技術主要有單分子探測技術、時間分辨技術和超解析度測量技術。其中:(I)單分子探測技術主要有寬場共聚焦突光顯微技術、掃描近場光學顯微(SNOM)技術、全內反射突光顯微(TIRF)技術、原子力光學顯微(AFOM)和拉曼散射技術；(2)時間分辨技術主要有螢光壽命成像(FUM)、雙光子螢光壽命顯微成像、螢光壽命相關光譜(FCS)技術和多維度螢光壽命顯微技術；(3)超解析度測量技術主要有受激發射損耗顯微(STED)技術、位置敏感顯微(PALM、ST0RM、dST0RM、GSDM)技術、光學漲落顯微(SOFI)技術和螢光共振能量轉移顯微技術(FRET )。對於生物大分子的螢光壽命成像及相關光譜定量測量方法是，先用FLIM或FCS系統進行單點螢光壽命及相關光譜測量，然後，採用雷射束掃描或樣品掃描系統進行生物大分子螢光壽命及相關光譜成像測量。由於納米位移掃描平臺的穩定性差、掃描過程複雜，不僅增加了製造成本，也極大延長了納米材料和生物大分子的測試時間，成功率也受到顯著影響。對於納米材料高解析度顯微結構成像測量方法，通常是採用電子掃描顯微鏡進行圖形表徵，由於高能電子電離會損傷被測樣品，無法進行生物活性分子及納米材料的無損成像測量。上述這些技術的通病是無法同時對觀測對象進行相關光譜分析和時間分辨工作。隨著科研的需求逐漸向高時間分辨、多波段、探測快速、光子激發等方向發展，這些功能越發顯得無法滿足日益增長的實際需求，迫切需要一種能夠同時對觀測對象進行光譜分析和時間分辨的儀器。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的裝置無法同時對觀測對象進行光譜分析和時間分辨的缺陷，從而提供一種能夠同時實現光譜分析和時間分辨的裝置。為了實現上述目的，本發明提供了一種超靈敏時間分辨光譜儀，包括:光學單元I和電學單元II，其中，所述光學單元I包括入射狹縫1、光準直部件2、凹面鏡3、光柵分光部件4、空間光調製器5以及會聚收光部件6 ;所述凹面鏡3有兩個，包括第一凹面鏡3-1和第二凹面鏡3-2 ;所述電學單元II包括隨機數發生器9、單光子點探測器10、計數器11、時間測量儀12、控制模塊14、數據包存儲器15以及壓縮感知模塊16 ；單光子級別的待測極弱光經由所述入射狹縫I入射，然後通過所述光準直部件2和第一凹面鏡3-1對待測極弱光做擴束和準直，使所述待測極弱光成為平行光；所述平行光照射到所述光柵分光部件4 ;所述光柵分光部件4所生成的光譜場再經過所述第二凹面鏡3-2反射，進而在所述空間光調製器5上展開形成光譜帶；所述空間光調製器5對所形成的光譜帶進行隨機調製，使得其出射光以一定的隨機概率向所述會聚收光部件6反射；所述會聚收光部件6用於濾除雜散光，將過濾後的待測極弱光傳輸到所述電學單元II中的單光子點探測器10 ；所述隨機數發生器9產生隨機數並提供給所述空間光調製器5，每一空間光調製器5中區域總像素長度的隨機數組成一個隨機基，所述空間光調製器5根據該隨機基實現隨機調製；所述的單光子點探測器10探測待測極弱光中的各個單光子點，將採集到的光信號轉換成有效脈衝信號後輸出；所述計數器11記錄所述單光子點探測器10探測到的單光子點的數目；所述的時間測量儀12記錄單光子點到達的時間；所述控制模塊14對整個超靈敏光譜儀進行控制協調，包括對各部件的使能和觸發脈衝控制，確保所述計數器11、空間光調製器5和時間測量儀12之間的步調一致；所述計數器11所記錄的單光子點的數目、時間測量儀12所記錄的時間信息以及隨機數發生器9生成的隨機基一起打包存入所述數據包存儲器15中，所述壓縮感知模塊16根據單光子點的數目、時間信息、隨機基實現光譜帶信號重建，最後輸出分辨光譜強度圖。上述技術方案中，所述光學單元I還包括反射鏡7以及出射狹縫8 ;所述反射鏡7位於第二凹面鏡3-2與空間光調製器5的光路之間，用於將光譜反射至所述出射狹縫8，以供其它類型探測器接收或進入其它光學系統進行測量研究。上述技術方案中，所述電學單元II還包括數字延遲器13，所述數字延遲器13在所述控制模塊14的控制下，完成對所述單光子點探測器10的皮秒級門控。上述技術方案中，所述光柵分光部件4將不同波長的光場按波長從短到長依次投射到所述空間光調製器5的不同位置上。上述技術方案中，所述空間光調製器5採用數字微鏡器件實現。上述技術方案中，將所述數字微鏡器件的對角線作為所述光譜帶的成像位置。上述技術方案中，所述會聚收光部件6包括濾光片和衰減片。上述技術方案中，所述單光子點探測器10採用蓋革模式雪崩二極體或光電倍增管實現。上述技術方案中，所述控制模塊14確保所述計數器11和空間光調製器5之間步調一致包括:所述空間光調製器5中的微鏡陣列每翻轉一次，所述計數器11累積計數在該翻轉時間間隔內檢測到的所有光子，翻轉完成後，計數器11清零。上述技術方案中，所述壓縮感知模塊16採用下列算法中的任意一種實現壓縮感知:貪心重建算法、匹配跟蹤算法MP、正交匹配跟蹤算法0MP、基跟蹤算法BP、LASSO、LARS,GPSR、貝葉斯估計算法、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。本發明還提供了一種基於所述的超靈敏時間分辨光譜儀的時間分辨方法，用於實現對非周期變化的長時間序列的時間分辨，包括:步驟I)、單光子入射的步驟；單光子級別的待測極弱光經由所述入射狹縫I入射，然後通過所述光準直部件2和第一凹面鏡3-1對待測極弱光做擴束和準直，使所述待測極弱光成為平行光；所述平行光照射到所述光柵分光部件4 ;所述光柵分光部件4所生成的光譜場再經過所述第二凹面鏡3-2反射，進而在所述空間光調製器5上展開形成光譜帶；所述空間光調製器5對所形成的光譜帶進行隨機調製，使得其出射光以一定的隨機概率向所述會聚收光部件6反射；所述會聚收光部件6用於濾除雜散光，將過濾後的待測極弱光傳輸到所述電學單元II中的單光子點探測器10 ；步驟2)、檢測單光子並計數的步驟；所述單光子點探測器10探測待測極弱光中的各個單光子點，將採集到的光信號轉換成有效脈衝信號後輸出；在待測物體還未來得及變化的時間間隔內，空間光調製器5每翻轉一次，所述計數器11記錄達到單光子點檢測器10上的單光子點的數目，將其作為測
量值;步驟3)、壓縮感知的步驟；所述計數器11所記錄的單光子點的數目和隨機數發生器9生成的隨機基一起打包存入所述數據包存儲器13中，最後導入所述壓縮感知模塊14中，在該模塊中實現光譜帶信號重建，恢復出該時間間隔內的光譜強度圖；步驟4)、在待測極弱光發生變化後到還未發生下一次變化的時間間隔內，重複上述操作，實現非周期變化的長時間序列過程的時間分辨。本發明又提供了一種基於所述的超靈敏時間分辨光譜儀所實現的基於時間間隔測量的時間分辨方法，用於對周期為1.5ms 5ms的瞬態過程進行時間分辨；包括:步驟I)、開啟光源，假設瞬態周期為T，將該時間周期等分為d個時間間隔，記做t1； t2, t3,…，td，在該周期T內保持所述空間光調製器5中的微鏡陣列固定一幀不變；步驟2)、單光子入射的步驟；步驟3)、檢測單光子並計數的步驟；所述單光子點探測器10對落在\時間間隔內的單光子進行探測，所述計數器11記錄下每段時間間隔內的單光子數，與所述時間測量儀12記錄下的時間碼合在一起作為一個數據包，在下一次雷射脈衝發射前，所述空間光調製器5中的微鏡陣列瞬間翻轉到下一幀，如此重複P次同樣操作，每個t時間間隔有P個計數，分別對應P個隨機矩陣；步驟4)、壓縮感知的步驟；根據步驟3)所得到的結果，分別對這d個時間間隔做算法重建，反演出一個瞬態周期內的光譜強度變化過程，即時間分辨光譜強度圖。本發明又提供了一種基於所述的超靈敏時間分辨光譜儀所實現的基於延遲測量的時間分辨方法，用於對周期為80ns 1.5ms的瞬態過程進行時間分辨；該方法包括:步驟I)、保持所述空間光調製器5中的微鏡陣列固定一幀不變，保持單光子點探測器的門寬的起始端與瞬態周期起始時刻重合，門寬小於瞬態周期T ；步驟2)、周期開始時，單光子入射；步驟3)、所述單光子點探測器10和所述時間測量儀12同時開始測量，在該瞬態周期內僅探測一次，所測得計數值為門寬和該瞬態周期交疊時間段內的單光子數，依次重複Q次，然後基於統計原理將每次的計數加和，在此之後利用所述數字延遲器13將門寬增加20ps，依上述步驟同樣可以獲得一個計數加和，以第一個加和作為參考值，第二個加和與第一個加和之差作為延長的那段門寬時間內的統計計數，依此法得到參考點時刻到瞬態周期結束時刻之間的d段統計計數；步驟4)、保持門寬不變， 將門寬的到達時刻提前，重新執行步驟3)得到一系列計數差值為瞬態周期開始時刻到參考點時刻之間的d段統計計數；步驟5)、根據步驟3)得到的參考點時刻到瞬態周期結束時刻之間的d段統計計數以及步驟4)得到的瞬態周期開始時刻到參考點時刻之間的d段統計計數，得到整個瞬態周期內的分段統計計數；步驟6)、所述空間光調製器5中的微鏡陣列瞬間翻轉到下一幀，如此重複P次同樣操作，每個時間間隔便相應有P個計數，分別對應P個隨機矩陣；步驟7)、壓縮感知的步驟；根據步驟6)所得到的結果，分別對這d個時間間隔做算法重建，反演出一個瞬態周期內的光譜強度變化過程，即時間分辨光譜強度圖。本發明還提供了一種基於所述的超靈敏時間分辨光譜儀所實現的基於光子到達時間的時間分辨方法，包括:步驟I)、提供給所述時間測量儀12中的時間幅度變換器一個參考脈衝，然後將所述空間光調製器5中的微鏡陣列固定一幀不動，利用所述時間測量儀12中的時間幅度變換器把獲得光子的時間以電壓形式記錄下來，記錄在對應的時間通道中，並按光子達到時間將光子數分段劃分，統計出一個周期內各時間間隔內的d段累積計數；步驟2)、所述空間光調製器5中的微鏡陣列瞬間翻轉到下一幀，如此重複P次同樣操作，每個時間間隔便相應有P個計數，分別對應P個隨機矩陣；步驟3)、壓縮感知的步驟；根據步驟2)所得到的結果，分別對這d個時間間隔做算法重建，反演出一個瞬態周期內的光譜強度變化過程，即時間分辨光譜強度圖。本發明的優點在於:1、本發明能夠同時實現光譜分析與時間分辨；2、本發明引入壓縮感知理論，以單光子點探測器實現光譜帶的平面探測，大大縮小了測量維度和測量規模；3、本發明具有極高的時間分辨精度，分辨精度能夠達到皮秒量級。


圖1是本發明的超靈敏時間分辨光譜儀的結構示意圖；圖2是本發明的超靈敏時間分辨光譜儀所能得到的時間分辨光譜強度圖的示意圖；圖3是DMD中的單個微鏡的反射機制的示意圖；圖4是數字微鏡器件上時間分辨光譜原理圖；圖5是基於時間間隔測量的時間分辨方法框圖；圖6是分時間間隔記錄單光子數示意圖；圖7是基於延遲測量的時間分辨方法框圖；圖8是統計作差後時間間隔內單光子計數示意圖。
具體實施例方式現結合附圖對本發明作進一步的描述。在對本發明做詳細說明前，首先對本發明中所涉及的相關概念做相應的說明。時間分辨:是指能觀察物理和化學的瞬態過程並能分辨其時間。
壓縮感知(Compressive Sensing,簡稱CS)原理:所述的壓縮感知原理是由Donoho>Tao和CandSs等人提出的一個全新數學理論,按照該理論能夠以隨機採樣的方式、通過更少的數據採樣數(遠低於奈奎斯特/香農採樣定理的極限)來完美地恢復原始信號，且具有更高的魯棒性。壓縮感知主要分為三步驟:壓縮採樣、稀疏變換與算法重建；其中，壓縮採樣，是指被測信號由高維向低維映射與採集的過程；所述的稀疏變換是選取合適的因子W，使得X經W變化所得值X』是稀疏的，即X在W框架下可稀疏表達；所述的算法重建是在已知觀測數據y、測量矩陣A和框架叫的條件下求解y = A^x' +e的過程，最後再由x=∑xΨ反演出X。
在對本發明中所涉及的概念做統一說明後，下面對本發明的超靈敏時間分辨光譜儀做詳細說明。參考圖1，本發明的超靈敏時間分辨光譜儀包括光學單元I (圖1中矩形虛線框內部分)和電學單元II，其中，光學單元I包括入射狹縫1、光準直部件2、凹面鏡3、光柵分光部件4、空間光調製器5、會聚收光部件6、反射鏡7以及出射狹縫8 ;所述凹面鏡3有兩個，分別用第一凹面鏡3-1，第二凹面鏡3-2表示。電學單元II包括隨機數發生器9、單光子點探測器10、計數器11、時間測量儀12、控制模塊14、數據包存儲器15以及壓縮感知模塊16。在光學單元I中，單光子級別的待測極弱光通過入射狹縫I進入超靈敏時間分辨光譜儀，然後通過光準直部件2和第一凹面鏡3-1對待測極弱光做擴束和準直，使所述待測極弱光成為平行光；所述平行光照射到光柵分光部件4，並應當儘可能覆蓋整個光柵面；光柵分光部件4所生成的光譜場再經過第二凹面鏡3-2反射，進而在空間光調製器5上展開形成光譜帶，使不同波長的光在焦平面上實現空間分離；空間光調製器5對所形成的光譜帶進行隨機調製，使得其出射光以一定的隨機概率向會聚收光部件6反射；所述會聚收光部件6用於濾除雜散光，將過濾後的待測極弱光傳輸到電學單元II中的單光子點探測器10 ;所述反射鏡7位於第二凹面鏡3-2與空間光調製器5的光路之間，用於將光譜反射至出射狹縫8，以供其它類型探測器接收或進入其它光學系統進行測量研究。在電學單元II中，隨機數發生器9用於生成隨機數，其中每空間光調製器(5)中區域總像素長度的隨機數組成一個隨機基，所產生的隨機基提供給空間光調製器5，所述空間光調製器5根據該隨機基實現隨機調製；所述的單光子點探測器10用於探測待測極弱光中的各個單光子點，將採集到的光信號轉換成有效脈衝信號後輸出；所述計數器11用於記錄單光子點探測器10探測到的單光子點的數目；所述的時間測量儀12用於記錄下單光子點到達的時間信息；所述控制模塊14用於對整個超靈敏光譜儀進行控制協調，包括對各部件的使能和觸發脈衝控制，確保計數器11、空間光調製器(SLM)5和時間測量儀12之間的步調一致，必要時去除異步時差；計數器11所記錄的單光子點的數目、時間測量儀12所記錄的時間信息以及隨機數發生器9生成的隨機基一一對應，一起打包存入數據包存儲器15中，最後導入壓縮感知模塊16中，在該模塊中實現光譜帶信號重建，最後輸出分辨光譜強度圖
(λ，I, t)。以上是對一個實施例中本發明的超靈敏時間分辨光譜儀的總體結構的描述，在另一個實施例中，本發明的超靈敏時間分辨光譜儀還包括有數字延遲器13，所述數字延遲器13在控制模塊14的控制下，用於完成對單光子點探測器10的皮秒級門控。下面對光譜儀中各個部件的具體實現做進一步的描述。
狹縫是由一對隔板在光通路上形成的縫隙，入射狹縫I用於調節入射光的純度和強度，形成光譜儀的物點，出射狹縫8用於出光。所述光柵分光部件4用於光譜分光,該部件米用色散式分光的工作方式，光柵分光部件4中的色散元件(稜鏡或光柵)將不同波長的光場按波長從短到長依次投射到空間光調製器(SLM)5的不同位置上，無需進行掃描，各光譜波段同時獲得。該分光方式中，光譜解析度的高低與到達色散元件(稜鏡或光柵)的入射光的準直度成正比，準直性越好光譜解析度越高。在本實施例中，所述光柵分光部件4採用閃耀光柵實現。所述空間光調製器(SLM) 5能將信息加載於一維或兩維的光學數據場上，是實時光學信息處理、自適應光學和光計算等現代光學領域的關鍵器件，這類器件可在隨時間變化的電驅動信號或其他信號的控制下，改變空間上光分布的振幅或強度、相位、偏振態以及波長，或者把非相干光轉化成相干光。其種類有很多種，主要有數字微鏡器件(DigitalMicro-mirror Device,簡稱DMD)、毛玻璃、液晶光閥等。在本實施例中,所述SLM為數字微鏡器件，包括微鏡陣列和集成電路部分。在其他實施例中，也可以是其它類型的SLM。本實施例中所採用的DMD是包含有成千上萬個安裝在鉸鏈上的微鏡的陣列(主流的DMD由1024X768的陣列構成，最大可至2048X 1152)，每一鏡片的尺寸為14iimX14iim(或16 y mX 16 y m)並可以通斷一個像素的光，這些微鏡皆懸浮著，通過對每一個鏡片下的存儲單元都以二進位平面信號進行電子化尋址，便可讓每個鏡片以靜電方式向兩側傾斜10 12°左右(本實施例中取+12°和-12° )，把這兩種狀態記為I和0，分別對應「開」和「關」，當鏡片不工作時，它們處於0°的「停泊」狀態。在圖3中，對DMD中的單個微鏡的反射機製做了描述。圖中的細實線表示單個微鏡初始位置時的基線和法線，取順時針旋轉為正，逆時針為負。當入射光線與該初始法線成24°時，反射光線也與初始法線成24°，但當微鏡翻轉+12°時，該圖例中微鏡的法線隨之順時針旋轉+12°，根據反射定律，反射光線則需順時針旋轉+24°，即與初始法線在同一直線上，可設置該初始法線方向為單光子點探測器10的接收方向。同理，當微鏡翻轉-12°時，這時的反射光線與初始法線成-48°，幾乎不能被單光子點探測器10接收，可忽略不計。當然接收方向也可設置為微鏡-12°翻轉時的出射方向。需要說明的是，為使光譜帶的分辨長度儘可能長，如圖4所示，可選取DMD的對角線作為光譜帶的成像位置，而DMD中每個微鏡的翻轉方向剛好是對角線方向，若將DMD對角線作為水平方向，光譜帶成像位置也在水平方向，該法獲得的像素點最多，例如2048 X 1152大小的DMD對角線可約達2350個像素點。會聚收光部件6包括濾光片和衰減片，所述濾光片用於濾除待檢測光中的雜散光，當待檢測光比較強時，需採用多組衰減片組合進行光衰減，以防止單光子點探測器10飽和。本實施例中，所述單光子點探測器10採用蓋革模式雪崩二極體(avalanchephotodiode，簡稱APD)，在其他實施例中，該點探測器也可替換成其它具有單光子探測能力的點探測器，如光電倍增管Photomultiplier tube (PMT)。所述時間測量儀12採用帶有時間幅度變換器(Time to Amplitude Converter,簡稱TAC)功能的時間相關計數卡(Time-correlated Single Photon Counting Module,簡稱TCSPC)或獨立的時間幅度變換器實現。
所述控制模塊14所實現的控制是指各部件的使能和觸發脈衝控制，該模塊所實現的協調主要實現對計數器11和SLM5之間的步調協調，SLM5中的微鏡陣列每翻轉一次，計數器11累積計數在該翻轉時間間隔內檢測到的所有光子，翻轉完成後，計數器清零，所有的計數、時間測量儀12測得的時間信息與隨機數產生模塊9產生的隨機矩陣(隨機基)打包被傳至數據包存儲器15中。所述的壓縮感知模塊16根據計數器11得到的計數值、時間測量儀12測得的時間信息、隨機測量矩陣(由若干隨機基組成，而單個隨機基是由某個隨機矩陣拉伸得到)進行壓縮感知稀疏變換和光譜帶重建，得到分辨光譜強度圖(X，I，t)。該模塊僅需可壓縮光譜帶的少量線性隨機投影便可重建出光譜帶，並利用矩陣填充理論彌補光譜帶中的信號缺失，其中，所述的稀疏變換是選取合適的W，使得光譜帶信號X可在W框架下可稀疏表達。壓縮感知時所採用的算法有多種，包括貪心重建算法、匹配跟蹤算法MP、正交匹配跟蹤算法0MP、基跟蹤算法 BP、LASS O, LARS, GPSR、貝葉斯估計算法、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重建算法等，採用上述算法中的任意一種都可實現本發明。下面對壓縮感知模塊16的工作過程做一較為詳細的說明。假設X G Rn是被測數據，y G Rk是觀測數據，A G Rkxn是隨機測量矩陣(K << N)，e G Rk是儀器噪聲，K為X中的非零元素的個數，也稱稀疏度，那麼，壓縮採樣的過程可以描述為(I)式:y = Ax+ (I)如果X是可壓縮或可稀疏表達的,則，屯=[V1, V2, ，Vn]是稀疏
變換矩陣，也稱框架或字典，那麼(I)式變化為(2)式:y = A^x' +e (2)其中AW滿足RIP準則。令二維圖像區域(內含整個光譜帶)的像素總數為N，則(I)式中的測量矩陣則為A=Ia1, a2,..., aN]，由I和0組成，共計M維，即M燈N列的矩陣，Si是A的弟i 7TT。將p X q像素的二維圖像區域的列首尾相連，化成NXl (其中N=pXq)的一維列向量，對應(I)式中的X，其中的每一個元素代表相應位置處的光強。令每次翻轉時微鏡陣列的行首尾相連，化成IXN的一維行向量，對應測量矩陣A中的一行，其I和0代表相應位置處微鏡是否向單光子點探測器方向翻轉。空間光調製器5中的微鏡陣列開始隨機翻轉，每次單光子點探測器探測到的光子數記為count，相當於隨機基與原光譜帶強度的內積和，對應於(I)式中觀察向量y的一個元素，重複K次測量，就可以得到整組觀測數據y (y為KXl的一維列向量)。所述的稀疏變換是選取合適的W，使得X經W變化所得值X』是稀疏的，即X可在W框架下可稀疏表達，而算法重建是在已知觀測數據I和測量矩陣A的條件下求解(I)式中的X,當11 < N,這是一個NP-hard問題,但利用壓縮感知算法可轉為凸優化問題進行求解，其中一種常見範式表達為(3)式:niin|||v-AWxf + 十| (],
其中11-| |p代表範數算符，(\\4j =I",l^r第一項是最小二乘約束，記為f(x)，
' 1 ，
第二項是對X稀疏度的一種約束，兩項之和是目標函數。僅需M彡0(K Gog(NK))次測量，便可完美重建原始光強信號，配合以數字微鏡器件(DMD)上標定的像元所對應波長，便可恢復出光譜強度曲線，加之以時間分辨測量方法，便能生成時間分辨光譜強度圖(X，I，t)。圖2是本發明的超靈敏時間分辨光譜儀所能得到的時間分辨光譜強度圖的示意圖，作為示例，這裡假設光譜帶寬一個像素，長度在區域工作範圍內，數字微鏡器件(DMD)的波長響應範圍在350nm 2700nm，配合多個波段的特定光柵，便可實現超寬連續光譜，加之以時間分辨測量方法，便能在皮秒時間分辨精度上直觀地分析出光譜強度隨時間的變化情況。以上是對本發明的超靈敏時間分辨光譜儀的結構說明。下面對該超靈敏時間分辨光譜儀的工作過程進行描述。本發明的超靈敏時間分辨光譜儀針對不同的應用場景，可採用不同的方法實現時間分辨，下面分別予以說明。1、非周期變化的長時間序列對於非周期變化的長時間序列過程，即待測物體變化緩慢且所發生的變化為非周期變化，以本發明的超靈敏時間分辨光譜儀為基礎，採用一幀幀順序測量的方法，即令單光子點探測器10常開，空間光調製器5與計數器11時刻保持同步，當測完第一幀光譜強度序列，再測下一幀光譜強度序列，通過壓縮感知算法恢復出每一幀的光譜強度曲線，便實現在光譜強度曲線上增加時間維度，最終得到時間分辨光譜強度圖。

其中每一幀光譜強度序列的具體測量過程如下:步驟I)、單光子入射的步驟。在待測極弱光未發生變化的某一時間間隔內，單光子級別的待測極弱光通過入射狹縫I進入超靈敏光譜儀，然後通過光準直部件2和第一凹面鏡3-1對待測極弱光做擴束和準直，使所述待測極弱光成為平行光；所述平行光照射到光柵分光部件4 ;光柵分光部件4所生成的光譜場再經過第二凹面鏡3-2反射，進而在空間光調製器5上展開形成光譜帶，使不同波長的光在焦平面上發生空間分離；空間光調製器5加載由隨機數發生器9所產生的隨機基，進而對所形成的光譜帶進行隨機調製，使得光譜帶以一定的隨機概率向會聚收光部件6反射；所述會聚收光部件6將過濾後的待測極弱光傳輸到電學單元II中的單光子點探測器10。步驟2)、檢測單光子並計數的步驟。單光子點探測器10探測待測極弱光中的各個單光子點，將採集到的光信號轉換成有效脈衝信號後輸出；在待測物體還未來得及變化的時間間隔內，空間光調製器5每翻轉一次，計數器11記錄達到單光子點檢測器10上的單光子點的數目，將其作為測量值。步驟3)、壓縮感知的步驟。計數器11所記錄的單光子點的數目和隨機數發生器9生成的隨機基一一對應，一起打包存入數據包存儲器13中，最後導入壓縮感知模塊14中，在該模塊中實現光譜帶信號重建，恢復出該時間間隔內的光譜強度圖。步驟4)、在待測極弱光發生變化後到還未發生下一次變化的時間間隔內，重複上述操作，便可實現非周期變化的長時間序列過程的時間分辨。2、具有周期變化特性的瞬態過程對於螢光壽命等具有周期變化特性的瞬態過程，為突破其時間分辨精度的瓶頸，本發明基於前述的超靈敏時間分辨光譜儀，提出了三種全新的基於壓縮感知原理的時間分辨測量方法:①基於時間間隔測量的時間分辨方法、②基於延遲測量的時間分辨方法、③基於光子到達時間的時間分辨方法，考慮到皮秒的時間分辨精度，因而能完美涵蓋周期在80ns 5ms範圍的瞬態過程，並能以更直觀的光子數進行定量分析。①當瞬態過程的周期為1.5ms 5ms時，可採用基於時間間隔測量的時間分辨方法。如圖5所示，該方法的實現步驟如下:步驟I)、開啟光源，假設瞬態周期為T，將該時間周期等分為d個時間間隔，記做t1； t2, t3,…，td，在該周期T內保持所述空間光調製器5中的微鏡陣列固定一幀不變。步驟2)、單光子入射的步驟。該步驟與非周期變化的長時間序列情況下的相關步驟相同，不在此處重複。步驟3)、檢測單光子並計數的步驟。單光子點探測器10對落在\時間間隔內的單光子進行探測，計數器11記錄下每段時間間隔內的單光子數，與時間測量儀12記錄下的時間碼(戳)合在一起作為一個數據包，這樣便可得知每個計數所對應的時間間隔，在下一次雷射脈衝發射前(即d個時間間隔剛好全部測完的時刻)，空間光調製器5中的微鏡陣列瞬間翻轉到下一幀，如此重複P次同樣操作，每個h時間間隔便相應有P個計數，分別對應P個隨機矩陣。步驟4)、壓縮感知的步驟。`根據步驟3)所得到的結果，分別對這d個時間間隔做算法重建，便可反演出一個瞬態周期內的光譜強度變化過程(如螢光壽命)，即時間分辨光譜強度圖。若探測光的光強極弱，則經過多個瞬態周期多次分時間段統計累加計數(分時間段統計累加計數的結果如圖6所示)，使相應的計數變大，從而得到時間分辨光譜強度圖。②當瞬態過程的周期為80ns 1.5ms時，可採用基於延遲測量的時間分辨方法，採用該方法時，所述超靈敏時間分辨光譜儀需包括數字延遲器13。考慮到單光子點探測器10的死時間和納秒量級的周期時間，每個瞬態周期內僅能做一次有效探測，可在控制信號到達單光子點探測器10和高精度時間測量儀12之前先經過數字延遲器13，以完成對單光子點探測器的皮秒級門控。如圖7所示，基於延遲測量的時間分辨方法的具體實現步驟如下:步驟I)、首先保持空間光調製器5中的微鏡陣列固定一幀不變，保持單光子點探測器的門寬的起始端與瞬態周期起始時刻重合，門寬小於瞬態周期T。步驟2)、周期開始時，單光子入射。步驟3)、單光子點探測器10和高精度時間測量儀12同時開始測量，在該瞬態周期內僅探測一次，所測得計數值為門寬和該瞬態周期交疊時間段內的單光子數，依次重複Q次，然後基於統計原理將每次的計數加和，在此之後利用數字延遲器13將門寬增加20ps，依上述步驟同樣可以獲得一個計數加和，以第一個加和作為參考值，第二個加和與第一個加和之差作為延長的那段門寬時間內的統計計數，依此法就可得到參考點時刻到瞬態周期結束時刻之間的d段統計計數；
步驟4)、若保持門寬不變，但門寬的到達時刻提前，依步驟3)中所描述的操作得到的一系列計數差值為瞬態周期開始時刻到參考點時刻之間的d段統計計數。步驟5)、根據步驟3)得到的參考點時刻到瞬態周期結束時刻之間的d段統計計數以及步驟4)得到的瞬態周期開始時刻到參考點時刻之間的d段統計計數，得到整個瞬態周期內的分段統計計數(分段統計計數的結果如圖8所示)。步驟6)、空間光調製器5中的微鏡陣列瞬間翻轉到下一幀，如此重複P次同樣操作，每個時間間隔便相應有P個計數，分別對應P個隨機矩陣。步驟7)、壓縮感知的步驟。根據步驟6)所得到的結果，分別對這d個時間間隔做算法重建，便可反演出一個瞬態周期內的光譜強度變化過程(如螢光壽命)，即時間分辨光譜強度圖。③基於光子到達時間的時間分辨方法，該方法時間精度更高，均方寬可達5ps，不受限於周期長短，適用性更廣。該方法的具體實現步驟如下:步驟I)、提供給時間測量儀12中的時間幅度變換器一個參考脈衝，然後將空間光調製器5中的微鏡陣列固定一幀不動，利用所述時間幅度變換器把獲得光子的時間(startto stop)以電壓形式記錄下來，記錄在對應的時間通道中，並按光子達到時間將光子數分段劃分，統計出一個周期內各時間間隔內的d段累積計數。步驟2)、空間光調製器5中的微鏡陣列瞬間翻轉到下一幀，如此重複P次同樣操作，每個時間間隔便相應有P個計數，分別對應P個隨機矩陣。步驟3)、壓縮感知的步驟。根據步驟2)所得到的結果，分別對這d個時間間隔做算法重建，便可反演出一個瞬態周期內的光譜強度變化過程(如螢光壽命)，即時間分辨光譜強度圖。若探測光的光強極弱，則經過多個瞬態周期多次測量累加，使相應的計數變大，從而得到時間分辨光譜強度圖。作為一種優選實現方式，在另一個實施例中，在上述各個方法實施前，還包括對數字微鏡器件(DMD)對角線方向上的每個像元所對應的波長進行標定的步驟。在標定時，一般選定幾個特定波長的雷射器，每次單色光經光柵分光部件4後投射到數字微鏡器件(DMD)對角線上的特定某點，標識該點對應該特定波長，反覆多次得到許多測量點，相鄰兩個點之間的光譜分布做線性劃分，從而完成對整個對角線上的每個像元所對應波長的標定。通過該標定操作，有助於提高測量的準確度。作為一種優選實現方式，在又一個實施例中，在上述各個方法實施前，還包括有提高儀器信噪比(signal to noise ratio，簡稱SNR)的操作。SNR為信號與儀器噪聲的方差之比，其中儀器噪聲包含環境噪聲、光學噪聲、電學噪聲(含暗計數)等，而方差可理解為信號的波動情況。若儀器噪聲的波動淹沒了信號的波動，則壓縮感知算法失效；若儀器噪聲的波動小於或遠小於信號的波動，則能幾乎完美重建圖像。提高儀器信噪比有助於提高成像質量。提高儀器信噪比的方式有多種，如對儀器進行密閉封裝，提高單光子點探測器10的相應參數和儀器穩定性。最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種超靈敏時間分辨光譜儀，其特徵在於，包括:光學單元(I)和電學單元(II)，其中，所述光學單元(I)包括入射狹縫(I)、光準直部件(2)、凹面鏡(3)、光柵分光部件(4)、空間光調製器(5)以及會聚收光部件(6);所述凹面鏡(3)有兩個，包括第一凹面鏡(3-1)和第二凹面鏡(3-2);所述電學單元(II)包括隨機數發生器(9)、單光子點探測器(10)、計數器(11)、時間測量儀(12)、控制模塊(14)、數據包存儲器(15)以及壓縮感知模塊(16)； 單光子級別的待測極弱光經由所述入射狹縫(I)入射，然後通過所述光準直部件(2)和第一凹面鏡(3-1)對待測極弱光做擴束和準直，使所述待測極弱光成為平行光；所述平行光照射到所述光柵分光部件(4);所述光柵分光部件(4)所生成的光譜場再經過所述第二凹面鏡(3-2)反射，進而在所述空間光調製器(5)上展開形成光譜帶；所述空間光調製器(5)對所形成的光譜帶進行隨機調製，使得其出射光以一定的隨機概率向所述會聚收光部件(6)反射；所述會聚收光部件(6)濾除雜散光，將過濾後的待測極弱光傳輸到所述電學單元(II)中的單光子點探測器(10)； 所述隨機數發生器(9)產生隨機數並提供給所述空間光調製器(5)，每一空間光調製器(5)中區域總像素長度的隨機數組成一個隨機基，所述空間光調製器(5)根據該隨機基實現隨機調製；所述的單光子點探測器(10)探測待測極弱光中的各個單光子點，將採集到的光信號轉換成有效脈衝信號後輸出；所述計數器(11)記錄所述單光子點探測器(10)探測到的單光子點的數目；所述的時間測量儀(12)記錄單光子點到達的時間；所述控制模塊(14)對整個超靈敏光譜儀進行控制協調，包括對各部件的使能和觸發脈衝控制，確保所述計數器(11)、空間光調製器 (5)和時間測量儀(12)之間的步調一致；所述計數器(11)所記錄的單光子點的數目、時間測量儀(12)所記錄的時間信息以及隨機數發生器(9)生成的隨機基一起打包存入所述數據包存儲器(15)中，所述壓縮感知模塊(16)根據單光子點的數目、時間信息、隨機基實現光譜帶信號重建，最後輸出分辨光譜強度圖。
2.根據權利要求1所述的超靈敏時間分辨光譜儀，其特徵在於，所述光學單元(I)還包括反射鏡(7)以及出射狹縫(8);所述反射鏡(7)位於第二凹面鏡(3-2)與空間光調製器(5)的光路之間，用於將光譜反射至所述出射狹縫(8)，以供其它類型探測器接收或進入其它光學系統進行測量研究。
3.根據權利要求1或2所述的超靈敏時間分辨光譜儀，其特徵在於，所述電學單元(II)還包括數字延遲器(13)，所述數字延遲器(13)在所述控制模塊(14)的控制下，完成對所述單光子點探測器(10)的皮秒級門控。
4.根據權利要求1或2或3所述的超靈敏時間分辨光譜儀，其特徵在於，所述光柵分光部件(4)將不同波長的光場按波長從短到長依次投射到所述空間光調製器(5)的不同位置上。
5.根據權利要求1或2或3所述的超靈敏時間分辨光譜儀，其特徵在於，所述空間光調製器(5)採用數字微鏡器件實現。
6.根據權利要求5所述的超靈敏時間分辨光譜儀，其特徵在於，將所述數字微鏡器件的對角線作為所述光譜帶的成像位置。
7.根據權利要求1或2或3所述的超靈敏時間分辨光譜儀，其特徵在於，所述會聚收光部件(6)包括濾光片和哀減片。
8.根據權利要求1或2或3所述的超靈敏時間分辨光譜儀，其特徵在於，所述單光子點探測器(10 )採用蓋革模式雪崩二極體或光電倍增管實現。
9.根據權利要求1或2或3所述的超靈敏時間分辨光譜儀，其特徵在於，所述控制模塊(14)確保所述計數器(11)和空間光調製器(5)之間步調一致包括:所述空間光調製器(5)中的微鏡陣列每翻轉一次，所述計數器(11)累積計數在該翻轉時間間隔內檢測到的所有光子，翻轉完成後，計數器(11)清零。
10.根據權利要求1或2或3所述的超靈敏時間分辨光譜儀，其特徵在於，所述壓縮感知模塊(16)採用下列算法中的任意一種實現壓縮感知:貪心重建算法、匹配跟蹤算法MP、正交匹配跟蹤算法OMP、基跟蹤算法BP、LASSO, LARS, GPSR、貝葉斯估計算法、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。
11.一種基於權利要求1-3之一所述的超靈敏時間分辨光譜儀的時間分辨方法，用於實現對非周期變化的長時間序列的時間分辨，包括: 步驟I)、單光子入射的步驟； 單光子級別的待測極弱光經由所述入射狹縫(I)入射，然後通過所述光準直部件(2)和第一凹面鏡(3-1)對待測極弱光做擴束和準直，使所述待測極弱光成為平行光；所述平行光照射到所述光柵分光部件(4);所述光柵分光部件(4)所生成的光譜場再經過所述第二凹面鏡(3-2)反射，進而在所述空間光調製器(5)上展開形成光譜帶；所述空間光調製器(5)對所形成的光譜帶進行隨機調製，使得其出射光以一定的隨機概率向所述會聚收光部件(6)反射；所述會聚收光部件(6)用於濾除雜散光，將過濾後的待測極弱光傳輸到所述電學單元(II)中的單光子點探測器(10)； 步驟2)、檢測單光子並計數的 步驟； 所述單光子點探測器(10)探測待測極弱光中的各個單光子點，將採集到的光信號轉換成有效脈衝信號後輸出；在待測物體還未來得及變化的時間間隔內，空間光調製器(5)每翻轉一次，所述計數器(11)記錄達到單光子點檢測器(10 )上的單光子點的數目，將其作為測量值； 步驟3)、壓縮感知的步驟； 所述計數器(11)所記錄的單光子點的數目和隨機數發生器(9)生成的隨機基一起打包存入所述數據包存儲器(13)中，最後導入所述壓縮感知模塊(14)中，在該模塊中實現光譜帶信號重建，恢復出該時間間隔內的光譜強度圖； 步驟4)、在待測極弱光發生變化後到還未發生下一次變化的時間間隔內，重複上述操作，實現非周期變化的長時間序列過程的時間分辨。
12.一種基於權利要求1-3之一所述的超靈敏時間分辨光譜儀所實現的基於時間間隔測量的時間分辨方法，用於對周期為1.5ms 5ms的瞬態過程進行時間分辨；包括: 步驟I)、開啟光源，假設瞬態周期為T，將該時間周期等分為d個時間間隔，記做t1； t2, t3,…，td，在該周期T內保持所述空間光調製器(5)中的微鏡陣列固定一幀不變； 步驟2)、單光子入射的步驟； 步驟3)、檢測單光子並計數的步驟； 所述單光子點探測器(10)對落在\時間間隔內的單光子進行探測，所述計數器(11)記錄下每段時間間隔內的單光子數，與所述時間測量儀(12)記錄下的時間碼合在一起作為一個數據包，在下一次雷射脈衝發射前，所述空間光調製器(5)中的微鏡陣列瞬間翻轉到下一幀，如此重複P次同樣操作，每個\時間間隔有P個計數，分別對應P個隨機矩陣； 步驟4)、壓縮感知的步驟； 根據步驟3)所得到的結果，分別對這d個時間間隔做算法重建，反演出一個瞬態周期內的光譜強度變化過程，即時間分辨光譜強度圖。
13.一種基於權利要求3所述的超靈敏時間分辨光譜儀所實現的基於延遲測量的時間分辨方法，用於對周期為80ns 1.5ms的瞬態過程進行時間分辨；該方法包括: 步驟I)、保持所述空間光調製器(5)中的微鏡陣列固定一幀不變，保持單光子點探測器的門寬的起始端與瞬態周期起始時刻重合，門寬小於瞬態周期T ； 步驟2)、周期開始時，單光子入射； 步驟3)、所述單光子點探測器(10)和所述時間測量儀(12)同時開始測量，在該瞬態周期內僅探測一次，所測得計數值為門寬和該瞬態周期交疊時間段內的單光子數，依次重複Q次，然後基於統計原理將每次的計數加和，在此之後利用所述數字延遲器(13)將門寬增加20ps，依上述步驟同樣可以獲得一個計數加和，以第一個加和作為參考值，第二個加和與第一個加和之差作為延長的那段門寬時間內的統計計數，依此法得到參考點時刻到瞬態周期結束時刻之間的d段統計計數； 步驟4)、保持門寬不變，將門寬的到達時刻提前，重新執行步驟3)得到一系列計數差值為瞬態周期開始時刻到參考點時刻之間的d段統計計數； 步驟5)、根據步驟3)得到的參考點時刻到瞬態周期結束時刻之間的d段統計計數以及步驟4)得到的瞬態周期開始時刻到參考點時刻之間的d段統計計數，得到整個瞬態周期內的分段統計計數； 步驟6)、所述空間光調製器(5)中的微鏡陣列瞬間翻轉到下一幀，如此重複P次同樣操作，每個時間間隔便相應有P個計數，分別對應P個隨機矩陣； 步驟7)、壓縮感知的步驟； 根據步驟6)所得到的結果，分別對這d個時間間隔做算法重建，反演出一個瞬態周期內的光譜強度變化過程，即時間分辨光譜強度圖。
14.一種基於權利要求1-3之一所述的超靈敏時間分辨光譜儀所實現的基於光子到達時間的時間分辨方法，包括: 步驟I)、提供給所述時間測量儀(12)中的時間幅度變換器一個參考脈衝，然後將所述空間光調製器(5)中的微鏡陣列固定一幀不動，利用所述時間測量儀(12)中的時間幅度變換器把獲得光子的時間以電壓形式記錄下來，記錄在對應的時間通道中，並按光子達到時間將光子數分段劃分，統計出一個周期內各時間間隔內的d段累積計數； 步驟2)、所述空間光調製器(5)中的微鏡陣列瞬間翻轉到下一幀，如此重複P次同樣操作，每個時間間隔便相應有P個計數，分別對應P個隨機矩陣； 步驟3)、壓縮感知的步驟； 根據步驟2)所得到的結果，分別對這d個時間間隔做算法重建，反演出一個瞬態周期內的光譜強度變化過程，即時間分辨光譜強度圖。
全文摘要
本發明涉及一種超靈敏時間分辨光譜儀，包括光學單元和電學單元，其中，光學單元包括入射狹縫、光準直部件、凹面鏡、光柵分光部件、空間光調製器以及會聚收光部件；凹面鏡包括第一凹面鏡和第二凹面鏡；電學單元包括隨機數發生器、單光子點探測器、計數器、時間測量儀、控制模塊、數據包存儲器以及壓縮感知模塊；待測極弱光經由入射狹縫入射，通過光準直部件和第一凹面鏡做擴束和準直，成為平行光；平行光照射到光柵分光部件；所生成的光譜場經過第二凹面鏡反射，在空間光調製器上展開成光譜帶；空間光調製器對光譜帶進行隨機調製，使得其出射光以一定的隨機概率向會聚收光部件反射；會聚收光部件濾除雜散光，將過濾後的光傳輸到單光子點探測器。
文檔編號G01J3/28GK103115681SQ201310028319
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月24日 優先權日2013年1月24日
發明者翟光傑, 俞文凱, 王超 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心