一種兩維空間同時實現光譜分辨的方法和裝置的製作方法
2023-12-10 02:10:21
專利名稱：一種兩維空間同時實現光譜分辨的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及光譜技術。是一種新型的利用透鏡陣列實現兩維同時光譜成像的方法和裝置。
背景技術：
光譜儀器是在研究光譜學和光譜技術問題時最基本的測試設備，其目的是通過物質光譜強度信號測量獲得物質成份和結構的信息。它是物理、化學、生物醫學及環境科學等領域廣泛使用的分析儀器。傳統的光譜儀器的色散原理屬於空間分離光譜，即是說將光譜按波長的順序在空間有規律的排列。所以傳統的光譜儀器均由入射狹縫、分光系統和探測系統組成。光束經入射狹縫進入光譜儀，分光之後入射狹縫的像沿焦平面色散展開，狹縫的作用在於保證儀器的光譜解析度。狹縫的存在使得這類光譜儀器只有一維空間分辨本領，因而只能獲得樣品局部的光譜信息。隨著科技的發展，例如活體生物細胞、組織的生理及生化研究，一方面需要進行大量的光譜空間分布測量；另一方面還需要實時的、快速的測量，以保證生物樣品的活性，因為很多樣品尤其是活細胞，其光譜信號隨生命的進程可能是變化的，故對此類樣品的快速光譜檢測是非常必要的。為了得到二維空間的光譜分布信息，目前常用的兩種技術為傳統的色散型成像光譜儀和窄帶濾光片成像光譜儀。色散型成像光譜儀通過色散元件(稜鏡或光柵)，將狹縫的像成像到二維探測器上，色散方向垂直於狹縫的長軸，探測器在一維方向上記錄了一維空間信息，另一維記錄了一維空間不同點的光譜信息。然後採用逐行掃描的方法，樣品或激發光束作X方向掃描，測量出不同X處Y方向每一點的光譜信息。最後通過計算機重建，獲得二維空間不同位置的光譜信息。當然，對於螢光光譜測量來說，還有通過逐點掃描的方法獲得兩維空間的光譜信息，例如雷射掃描共焦顯微鏡就是採用了這種方法。這種方法不能一次得到二維光譜圖像，採樣效率低，計算量大，不利於實時、原位觀察生物活體。另外一種是窄帶濾光片成像光譜儀，它採用濾光片的方法，一次成像可以獲得樣品的兩維空間單色圖像，通過更換濾光片來獲得不同光譜的信息。但這種方法的最大缺點是受限於濾光片製作工藝的限制，光譜解析度不可能太高。另外，每測量一次就要更換一次濾光片，工作也不方便。
可對比的技術文獻有Mark F.Hopkins，「Multi-spectral Two-dimensional Imaging Spectrometer」，United StatesPatent，Patent Number5982497，1999.
發明內容
本發明的目的是在色散型分光原理的基礎上，利用微透鏡陣列實現兩維空間同時分光，一次成像即可獲得樣品兩維空間的光譜分布圖像，從而克服了現有技術中的必須逐行或逐點掃描才能獲得兩維空間光譜分辨的缺點，並從而解決了現有技術中存在的採樣效率低的問題。
本發明的技術方案由三部分組成二維空間樣品圖像離散系統、分光系統和面陣探測系統。二維空間樣品圖像離散系統包括物鏡、微透鏡陣列組和二維陣列針孔板。物鏡的作用是把樣品成像於微透鏡陣列組的物方焦平面上，它可以是顯微物鏡或望遠物鏡或攝影物鏡，視研究的樣品而定。透鏡陣列組由2個具有相同結構、相同光學性能、相同排列方式和相同排列走向的微透鏡陣列組成，在透鏡陣列組的像方焦平面上放置有一個二維陣列針孔板，其包含針孔的個數與透鏡陣列的個數相同，並且每個針孔的中心都在微透鏡陣列中相應的微透鏡光軸上。陣列針孔板相當於光學系統的孔徑光闌，它經其前面的微透鏡陣列組在光學系統物空間所成的像是光學系統的入射光瞳。在本系統中陣列針孔板通過其前面的微透鏡陣列組成的像位於物方焦平面，而物方焦平面與樣品通過物鏡的像面重合，起到對樣品像二維空間離散的作用。經過二維空間離散系統，樣品的像被離散化成一個二維空間點陣。
分光系統由準直微透鏡陣列、反射鏡、分光元件和聚束微透鏡陣列組成。準直微透鏡陣列與上述的圖像離散化微透鏡陣列具有相同的結構、相同的光學性質、相同的排列方式和相同的排列走向，它把二維空間離散點陣像準直為相互平行的平行光束，以實現二維空間同時分光。反射鏡的作用是改變光束傳播的方向，使探測光路與入射光路垂直，使系統更加緊湊。分光元件對所有平行光束同時分光，它可以是稜鏡，也可以是光柵。色散後的光束經聚束微透鏡陣列聚焦，在其焦平面上可得到二維空間點陣按波長順序色散的像。因此，利用光學系統固有的並行處理能力，實現了二維空間的同時光譜分辨。這裡應當提及的是分光元件與準直微透鏡陣列之間的方位角關係，應使由聚束微透鏡陣列輸出的光譜分辨色散線方向與兩維空間離散點陣的行和列方向成一定的角度，從而可獲得更大的光譜展開空間範圍。
面陣探測系統包括中繼光學系統和面陣探測器。因為微透鏡陣列中每一微透鏡的焦距一般都很短，因此採用中繼光學系統把二維空間離散光譜像投影到面陣探測器上，中繼光學系統可以由光學鏡頭組成，為了提高耦合效率，它也可以由光錐和/或光學纖維面板組成，以使系統能對弱光探測。面陣探測器接收二維空間離散點色散線圖像。
本發明利用微透鏡陣列在傳統的色散型成像光譜儀原理的基礎上，實現了在一個面陣探測器上記錄兩維空間的同時光譜圖像。理論上一個面陣探測器只能記錄2維信息即兩維空間位置的強度分布信息。本發明用一個二維的面陣探測器同時記錄了3維信息，即X-Y兩維空間上各離散點不同光譜的強度信息。其原理就是使樣品的像首先經過一兩維空間離散系統成為一個兩維的離散像，兩維離散像經分光系統同時分光，每個離散點都在接收平面上按波長順序色散展開，因此，一次成像獲得了樣品二維空間的光譜分布信息。通過計算機的處理，就可以得到樣品的二維空間積分強度圖像和二維空間光譜分布圖像。
本發明為了獲得足夠高得空間解析度，在樣品臺上裝有一兩維間歇式微位移系統，它可以使樣品在垂直於光軸方向的平面內做兩維精密間歇式移動，從而可填補由於離散而丟失的其它空間點的光譜信息，從而獲得高的空間解析度。和逐點掃描的方法相比較，本發明所述的方法其掃描效率提高了N×M倍，其中N和M分別為微透鏡陣列中一行和一列中所包含的透鏡個數。
採用本發明所述的利用微透鏡陣列實現兩維同時光譜成像的方法和裝置，與現有技術相比，有以下優點1)利用二維離散系統代替傳統光譜儀器的狹縫，可以對樣品同時進行二維離散；2)分光元件可實現二維空間同時分光，充分發揮了光學元件並行處理的能力；3)一次成像即可獲得樣品兩維空間不同光譜的強度信息，通過積分又可獲得兩維空間光強分布信息，可以同時獲取樣品更多的特徵信息；4)取代了逐點掃描再重構二維圖像的方法，實現了二維同時採樣和二維同時掃描，提高了N×M倍採樣效率，節省了測試時間；
5)被測樣品的光譜範圍可以是從紅外到紫外的任何波段，只是物鏡、微透鏡陣列、分光元件、中繼光學系統等所用的光學元件和探測器的光譜響應範圍不同而已。
圖1是按照本發明所述的方法構成的兩維空間同時光譜成像裝置。
圖2是透鏡陣列示意圖。
圖3是色散後的兩維空間點陣色散像示意圖。
圖4是採用光錐耦合探測器的兩維空間同時光譜成像裝置。
圖5是一種簡化的兩維空間同時光譜成像裝置。
具體實施例方式
下面結合附圖對技術方案的實施作進一步的詳細描述。
如附圖1所示，樣品101通過物鏡102成像於像面103上，該像面位於微透鏡陣列組的物方焦平面上。微透鏡陣列組由2個具有相同結構、相同光學性能、相同排列方式、相同排列走向的N×M(N≥2，M≥2)的透鏡陣列104、105組成，即兩個微透鏡陣列包含透鏡的個數、排列方式，以及每個透鏡的外形尺寸、焦距和透過率等都是相同的。這裡的物鏡可以是顯微物鏡、或望遠物鏡或攝影物鏡，微透鏡陣列可以是自聚焦透鏡陣列，也可以是其它類型的微透鏡陣列。在透鏡陣列組的像方焦平面上置有一個二維陣列針孔板106，其包含針孔的個數同樣是N×M個，並且每個針孔的中心都在微透鏡陣列104、105的相應微透鏡的光軸上，二維陣列針孔板106相當於光學系統的孔徑光闌，在本系統中兩維陣列針孔板通過其前面的微透鏡陣列組成的像位於物方焦平面上，在物方焦平面起到對樣品圖像的二維離散化作用。二維陣列針孔板的選材和加工方式不受限制，只要能滿足上述要求即可。經過二維空間離散系統，樣品的像被離散化成一個N×M的二維空間點陣107，然後進入分光系統。在分光系統中首先由一個和微透鏡陣列104、105具有相同結構、相同光學性能、相同排列方式和相同排列走向的準直微透鏡陣列108把二維空間點陣像準直為相互平行的N×M個平行光束109，以使分光元件可以實現二維空間同時分光。調整反射鏡110與光軸的夾角，使探測光路與入射光路垂直。經反射鏡反射平行光束109被分光元件如稜鏡111同時分光，色散後的光束112被聚束微透鏡陣列113聚焦，在其焦平面上得到二維空間點陣107在空間上按波長順序色散的像114。聚束微透鏡陣列113與準直透鏡陣列108具有相同的結構、相同的光學性能、相同的排列方式和相同的排列走向，但它們與分光元件之間的方位角由所得到的色散線的走向確定。色散線的方向應和點陣像的陣和列的方向成一定的角度，以使色散線能有更大的空間延伸而不與其它色散線相交。同時，能保證經準直透鏡陣列108上(i，j)微透鏡(i、j表示微透鏡在微透鏡陣列上的空間位置)的光束色散後經聚束微透鏡陣列113的(i，j)微透鏡會聚。通過調節反射鏡110和分光元件如稜鏡111可以使光束通過兩個微透鏡陣列的透鏡一一對應。這裡所述的分光元件既可用稜鏡，也可用光柵。因為微透鏡陣列中的微透鏡焦距一般較短，因此採用中繼光學系統115把二維離散光譜像114投影到面陣探測器116上；面陣探測器116接收二維離散的光譜圖像117，從而在面陣探測器上可以同時記錄兩維空間各離散點的不同光譜強度。間歇式兩維微位移系統118由控制電路驅動，可以使樣品在垂直於光軸方向的平面內做兩維精密移動，以高的空間解析度獲取樣品二維空間不同光譜的信息。
本發明實現了在一個面陣探測器上記錄兩維空間的同時光譜圖像。一次成像獲得了樣品二維空間不同光譜的信息。通過計算機的處理，還可以得到樣品的二維空間積分強度圖像信息。
如附圖2所示，201是微透鏡陣列，202是微透鏡，(i，j)表示微透鏡在微透鏡陣列板上的位置。示意圖中微透鏡陣列放置的方式即為實際裝置中的放置方式之一，目的是使光譜的色散沿微透鏡陣列的對角線方向展開，和水平或垂直方向相比，光譜的色散具有更大的展開空間範圍。
附圖3所示是兩維同時分光後，色散後的兩維點陣按波長大小順序展開後的圖像示意圖，例如最上方為紅光、最下方為紫光。
附圖4所示是本方案的另外一種實施例。它是採用光錐耦合的面陣探測器116′代替了由光學透鏡耦合的面陣探測器116，光錐耦合面可以和色散的像面114重合，具有高的光耦合效率，採用這種方案可以測量較弱的光譜。
根據不同的要求可以採用不同的面陣探測器。例如，當信號較弱時，可以採用像增強器和CCD或CMOS直接耦合的面陣探測器，即ICCD或ICMOS。又如，當需要系統的成本較低時，可以採用CMOS或便宜的CCD作為系統的面陣探測器。必要時還可以採用分離的半導體光電探測器，例如PIN或APD構成面陣探測器，或用光電倍增管構成面陣探測器。
附圖5所示是本方案的又一種實施例。它用透鏡119替代了準直微透鏡陣列108，用透鏡120替代了聚束微透鏡陣列113，降低了系統對空間位置對準的要求，但這種方案由於不能實現二維空間點陣和點陣光譜像之間的同比成像，不利於系統標定和計算機重建被測物體光譜像，這也是它相對於之前所述方案的缺點所在。如圖5所示，經過二維空間離散系統形成的N×M二維空間點陣107位於透鏡119的物方焦平面，點陣107被準直為若干束平行光109′，但平行光之間是相互交叉的，各光束之間最大的夾角必須小於90度，或者可以量化為α＜2arctan(d/f)其中α為任意兩光束之間的夾角，d為距光軸距離最大的微透鏡中心到光軸的距離，f為透鏡119的焦距。滿足上式的光束可以保證經反射鏡110反射後進入分光稜鏡111時的入射角在分光稜鏡入射面法線的一側。由於各個光束的入射角不同，因此，色散後的光束112′中同一角度入射的同一光束中的不同波長的單色光，將有不同的偏向角；不同角度入射的不同光束中相同波長的單色光，也將有不同的偏向角；而同一光束中的相同波長的單色光具有相同的偏向角。色散後的光束112′經透鏡120聚集，可以在面陣探測器116上獲得二維空間點陣107在空間上按波長順序色散的像。
權利要求
1.一種兩維空間同時光譜分辨成像的方法，其特徵是樣品被二維空間離散成像後，由分光系統進行二維空間同時分光，再聚焦成像在探測器上，形成按波長順序展開的二維空間離散點各自的色散像，一次成像即可同時得到樣品的二維空間平面上離散點各自的光譜信息；再通過兩維空間間歇微位移系統，補上由於空間離散化而丟失的平面內其它點的光譜分辨信息，從而獲得物體高空間分辨和高光譜分辨的兩維空間光譜分辨信息。
2.一種兩維同時光譜成像裝置，其特徵是由二維空間離散系統、兩維空間分光系統和面陣探測系統等三部分組成。
3.根據權利要求1、2所述的方法和裝置，其特徵是所述的二維空間離散系統由物鏡102、微透鏡陣列104、105和二維陣列針孔板106組成。一對結構和性能一致的N×M(N≥2，M≥2)微透鏡陣列和一個具有N×M個針孔的針孔陣列板將樣品離散成N×M二維空間點陣。
4.根據權利要求3所述的二維空間離散系統，其特徵是所述的物鏡102將樣品進行成像，它可以是顯微物鏡或望遠物鏡或攝影物鏡，視研究的樣品而定。
5.根據權利要求3所述的二維空間離散系統，其特徵是所述的微透鏡陣列將物鏡所成的樣品兩維圖象離散化，所用的兩個微透鏡陣列具有相同的結構和相同的光學性能，它們可以是自聚焦透鏡陣列或其它種類的微透鏡陣列。
6.根據權利要求3所述的二維空間離散系統，其特徵是所述的針孔陣列板具有和權利要求5所述的微透鏡陣列相同的行和列，並具有和微透鏡陣列相同的行間距和列間距，針孔陣列板上所有的針孔具有相同的形狀和大小。
7.根據權利要求1、2所述的方法和裝置，其特徵是所述的兩維空間分光系統由準直微透鏡陣列108、反射鏡110、分光元件111和聚束微透鏡陣列113組成。由兩維空間離散系統所獲得的二維空間離散點陣107，經N×M的準直透鏡陣列108準直成為N×M個平行光束後，由分光元件同時分光，色散的光束通過N×M的聚束微透鏡陣列113會聚，在其焦平面上形成不同離散點的一條條色散線，從而實現二維空間同時分光。
8.根據權利要求7所述的兩維空間分光系統，其特徵是所述的準直微透鏡陣列108和聚束微透鏡陣列113與權利要求5所述的微透鏡陣列具有相同的結構和相同的光學性能，並且準直微透鏡陣列108和權利要求所述的微透鏡陣列具有相同的方位角，它們可以是自聚焦透鏡陣列或其它微透鏡陣列。
9.根據權利要求7所述的兩維空間分光系統，其特徵是反射鏡110的作用只是為了使探測光路與入射光路垂直，系統更加緊湊，也可不用，光束109直接進入分光元件111。
10.根據權利要求7所述的兩維空間分光系統，其特徵是所述的分光元件111用來進行光譜分光，它與準直微透鏡陣列108之間的方位關係，應使由聚束微透鏡陣列113輸出的色散線方向與兩維空間離散點陣的行和列方向成一定的角度，以獲得更大的光譜展開空間範圍；分光元件111可以是稜鏡，也可以是光柵。
11.根據權利要求7所述的兩維空間分光系統，其特徵是可以用透鏡119替代準直微透鏡陣列108，用透鏡120替代聚束微透鏡陣列113，透鏡119放置的位置必須滿足二維點陣像107在它的物方焦平面處。
12.根據權利要求1、2所述的方法和裝置，其特徵是所述的面陣探測系統由中繼光學系統115和面陣探測器116組成。二維空間離散點色散像經中繼光學系統成像在面陣探測器上。
13.根據權利要求11所述的面陣探測系統，其特徵是所述的中繼光學系統可以由光學鏡頭組成，或是由光錐和/或光學纖維面板組成，將由兩維空間分光系統所獲得的兩維空間離散點色散線成像到面陣探測器116上。
14.根據權利要求11所述的面陣探測系統，其特徵是所述的面陣探測器116用於記錄兩維空間離散點積分光強或光譜強度信息，它可以是面陣CCD器件，或面陣CMOS器件，或像增強器，或像增強CCD(ICCD)器件，或像增強CMOS(ICMOS)器件等面陣探測器。
15.根據權利要求1、2所述的方法和裝置，其特徵是通過一個微位移結構118，將樣品在垂直於光軸方向的平面內做兩維精密間歇移動，即可填補由於離散而丟失的其它空間點的光譜信息，從而獲得高的空間解析度。
16.根據權利要求1、2所述的方法和裝置，其特徵是被測樣品的光譜範圍可以是從紅外到紫外的任何波段，只是物鏡、微透鏡陣列、分光元件、中繼光學系統等所用的光學元件和面陣探測器的光譜響應範圍不同。
全文摘要
一種兩維空間同時光譜分辨的方法和裝置，用一對相同的微透鏡陣列和一個針孔陣列板將樣品離散成二維空間點陣；再經準直透鏡準直成為平行光束後，由分光元件實現兩維空間同時分光，色散的光束通過聚束透鏡會聚以及中繼光學系統成像在面陣探測器上，形成按波長順序展開的二維離散點色散像，不同的離散點在面陣探測器上對應一條色散展開的光譜，實現了一次成像同時獲得被測樣品的二維空間強度圖像和二維空間光譜分布圖像。再通過兩維空間間歇微位移系統，補上由於空間離散化而丟失的平面內其它點的光譜分辨信息，從而獲得物體高空間分辨和高光譜分辨的兩維空間光譜分辨信息。
文檔編號G01J3/28GK1737515SQ200410056200
公開日2006年2月22日 申請日期2004年8月18日 優先權日2004年8月18日
發明者田勁東, 王淑巖, 牛憨笨, 屈軍樂, 林子揚, 劉立新 申請人:深圳大學