专利名称：一种超灵敏时间分辨成像光谱仪及其时间分辨成像方法
技术领域：
本发明涉及光学领域，特别涉及一种超灵敏时间分辨成像光谱仪及其时间分辨成像方法。
背景技术：
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。
发明内容
本发明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，本发明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。本发明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 ;步骤2)、检测单光子并计数的步骤；单光子点探測器11探测待测物体的各个单光子点，将采集到的光信号转换成有效脉冲信号后输出；在待测极弱光还未来得及变化的时间间隔内，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随机翻转多次，计数器12记录达到所述单光子点检测器11上的单光子点的数目，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，将其作为测量值；步骤3)、压缩感知的步骤；所述计数器12所记录的单光子点的数目和所述随机数发生器10_2生成的随机基一一对应，一起打包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，在该模块中实现光谱带信号重建，恢复出该时间间隔内的图像；步骤4)、在待测物体发生变化后到还未发生下一次变化的时间间隔内，重复上述操作，实现非周期变化的长时间序列过程的时间分辨。本发明又提出了一种基于所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪所实现的基于时间间隔测量的时间分辨成像方法，用于对周期为1.5ms 5ms的瞬态过程进行时间分辨；包括:步骤I)、假设瞬态 周期为T，将该时间周期等分为d个时间间隔，记做^ t2, t3,…，td，在该周期T内保持所述第一空间光调制器4_1和第二空间光调制器4_2都固定ー帧不变；
步骤2)、单光子入射的步骤；步骤3)、检测单光子并计数的步骤；所述单光子点探測器11对落在、时间间隔内的单光子进行探測，所述计数器12记录下每段时间间隔内的单光子数，与所述时间测量仪13记录下的时间码合在一起作为一个数据包，在下一次激光脉冲发射前，所述空间光调制器4_2中的微镜阵列瞬间翻转到下一巾贞，而所述空间光调制器4_1依旧保持原有状态，如此重复P次同样操作，每个t时间间隔便相应有P个计数，分别对应P个随机矩阵，接着判断所述空间光调制器4_1中微镜阵列的翻转帧数是否达到了 0(K log(N/K))，若已经达到，则执行步骤4)，否则，所述空间光调制器4_1中微镜阵列瞬间翻转到下ー帧，重新执行步骤I);其中的K为空间光调制器4_1上所成像的稀疏度，N为空间光调制器4_1上所成像的像素大小；步骤4)、压缩感知的步骤；根据步骤3)所得到的結果，分别对d个时间间隔做算法重建，反演出一个瞬态周期内的光谱强度变化过程， 得到时间分辨光谱强度图，再将每个时刻光谱所对应波长的强度作为测量值，与所述第一随机数发生器10_1中生成的随机矩阵一起重新导入压缩感知算法模块17进行计算，获得该时刻该波长下的ニ维图像，进而得到时间分辨成像光谱。本发明还提出了一种基于所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪所实现的基于延迟测量的时间分辨成像方法，用于对周期为80ns 1.5ms的瞬态过程进行时间分辨；该方法包括:步骤I)、首先保持所述第一空间光调制器4_1和第二空间光调制器4_2都固定一帧不变，保持单光子点探測器11的门宽的起始端与瞬态周期起始时刻重合，门宽小于瞬态周期T ;步骤2)、周期开始时，单光子入射；步骤3)、所述单光子点探測器11和时间测量仪13同时开始測量，在该瞬态周期内仅探测一次，所测得计数值为门宽和该瞬态周期交叠时间段内的单光子数，依次重复Q次，然后基于统计原理将每次的计数加和；步骤4)、利用所述数字延迟器14将门宽増加20ps，重新执行步骤3)获得又ー个计数加和，以第一个加和作为參考值，第二个加和与第一个加和之差作为延长的那段门宽时间内的统计计数，得到參考点时刻到瞬态周期结束时刻之间的d段统计计数；步骤5)、保持门宽不变，提前门宽的到达时刻，重新执行步骤3)与步骤4)，将得到的一系列计数差值作为瞬态周期开始时刻到參考点时刻之间的d段统计计数；步骤6)、根据步骤4)得到的參考点时刻到瞬态周期结束时刻之间的d段统计计数以及步骤5)得到的瞬态周期开始时刻到參考点时刻之间的d段统计计数，得到整个瞬态周期内的分段统计计数；步骤7)、所述空间光调制器4_2中的微镜阵列瞬间翻转到下ー帧，而空间光调制器4_1依旧保持原有状态，如此重复P次同样操作，每个时间间隔便相应有P个计数，分别对应P个随机矩阵，待上述操作结束后，接着判断所述空间光调制器4_1中微镜阵列的翻转帧数是否达到了 0(K log(N/K))，若已经达到，则执行步骤8)，否则，空间光调制器4_1中微镜阵列瞬间翻转到下ー帧，重新执行步骤I);其中的K为空间光调制器4_1上所成像的稀疏度，N为空间光调制器4_1上所成像的像素大小；
步骤8)、压缩感知的步骤；根据步骤7)所得到的結果，分别对这d个时间间隔做算法重建，再对每个时刻各波长的光谱强度做二次算法重建，反演出一个瞬态周期内的时间分辨成像光谱。本发明又提出了一种基于所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪所实现的基于光子到达时间的时间分辨成像方法，包括:步骤1)、提供给所述时间测量仪13中的时间幅度变换器ー个參考脉冲，然后保持所述第一空间光调制器4_1和第二空间光调制器4_2都固定一帧不变，利用所述时间幅度变换器把获得光子的时间以电压形式记录下来，记录在对应的时间通道中，并按光子达到时间将光子数分段划分，统计出ー个周期内各时间间隔内的d段累积计数；步骤2)、所述第二空间光调制器4_2中的微镜阵列瞬间翻转到下ー帧，而第一空间光调制器4_1依旧保持原有状态，如此重复P次同样操作，每个时间间隔便相应有P个计数，分别对应P个随机矩阵；待上述操作结束后，接着判断第一空间光调制器4_1中微镜阵列的翻转帧数是否达到了 0(K log(N/K))，若已经达到，则执行步骤3)，否则，第一空间光调制器4_1中微镜阵列瞬间翻转到下ー帧，重新执行步骤I);其中的K为第一空间光调制器4_1上所成像的稀疏度，N为第一空间光调制器4_1上所成像的像素大小；步骤3)、压缩感知的步骤；根据步骤2)所得到的結果，分别对这d个时间间隔做算法重建，再对每个时刻各波长的光谱强度做二次算法重建，反演出一个瞬态周期内的时间分辨成像光谱。本发明的优点在于:1、本发明利用单光子探测技术，将获得的单光子计数数据按时间进行分组，利用压缩感知理论，分组进行重构实现超灵敏时间分辨成像光谱。2、本发明将传统的线阵或阵列探測器件置換成空间光调制器加单光子点探測器，让光谱成像在空间调制器上，而后单光子点探測器接收，将全新时间分辨测量方法与压缩感知理论相结合，大大节约了维度，无需光栅扫描，縮小了測量規模，3、本发明针对瞬态周期的光谱测量还提出三种全新的基于压缩感知原理的时间分辨测量方法:基于时间间隔测量的时间分辨方法、基于延迟测量的时间分辨方法和基于光子到达时间的时间分辨方法，使得时间分辨精度达到皮秒量级。4、本发明利用时间分辨所获取的光子到达时间推算出空间远近上的光程差，获取空间第三维的维度信息，实现三维立体成像，纵向分辨率达到毫米量级，而平面分辨率可达纳米量级。5、本发明中的单光子点探測器上的光通量比传统线阵或阵列探測器上単位像元上光通量高，通过压缩感知算法的光信号重建，其光谱分辨能力更高、空间分辨能力更高。6、本发明的系统可应用于时间分辨光谱成像、时间分辨荧光显微成像、天文光谱分析、生物细胞探测、纳米材料光谱分析、生物机理验证等新兴高科技领域。
图1是本发明的超灵敏时间分辨成像光谱仪的总体结构图；图2是本发明的超灵敏时间分辨成像光谱仪所能得到的时间分辨成像光谱图；图3是数字微镜中的单个微镜的反射机制原理图4是第二空间光调制器中数字微镜器件的时间分辨光谱原理图；图5是基于时间间隔测量的时间分辨成像方法框图；图6是分时间间隔记录单光子数不意图；图7是基于延迟测量的时间分辨成像方法框图；图8是统计作差后时间间隔内单光子计数示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进ー步的描述。在对本发明做详细说明前，首先对本发明中所涉及的相关概念做相应的说明。时间分辨:是指能观察物理和化学的瞬态过程井能分辨其时间。压缩感知(Compressive Sensing,简称CS)原理:所述的压缩感知原理是由Donoho>Tao和Canc^s等人提出的一个全新数学理论,按照该理论能够以随机采样的方式、通过更少的数据采样数(远低于奈奎斯持/香农采样定理的极限)来完美地恢复原始信号，且具有更高的鲁棒性。压缩感知主要分为三步骤:压缩采样、稀疏变换与算法重建；其中，压缩采样，是指被测信号由高维向低维映射与采集的过程；所述的稀疏变换是选取合适的因子W，使得X经W变化所得值X’是稀疏的，即X在W框架下可稀疏表达；所述的算法重建是在已知观测数据y、測量矩阵A和框架W的条件下求解y = A^x' +e的过程，最后再由X = 反演出X。在对本发明中所涉及的概念做统ー说明后，下面对本发明的超灵敏时间分辨成像光谱仪做详细说明。參考图1，本发明的超灵敏时间分辨成像光谱仪包括光学単元I (图1中矩形虚线框内部分)和电学单元II，其中，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、反射镜8以及出射狭缝9。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。在光学単元I中，单光子级别的待测极弱光通过入射狭缝I进入超灵敏时间分辨成像光谱仪，然后经过光扩束准直部件2的扩束和准直后变成平行光，该平行光再透过光学成像部件3成像在第一空间光调制器4_1上；第一空间光调制器4_1加载第一随机数发生器10_1所生成的随机数后，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凹面镜5反射；凹面镜5将入射光反射并准直，使之再次变成平行光，打向光栅分光部件6并尽可能覆盖整个光栅面；所述光栅分光部件6形成光谱场，并在位于光栅分光部分6的焦平面上的第二空间光调制器4_2上形成光谱带，从而使得不同波长的光在焦平面上实现空间分离；所述第二空间光调制器4_2加载第二随机数发生器10_2生成的随机数，从而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会聚收光部件7反射；所述会聚收光部件7用于滤除杂散光，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 ;所述反射镜8位于光栅分光部件6与第二空间光调制器4_2的光路之间，用于将光谱反射至出射狭缝9，以供其它类型探測器接收或进入其它光学系统进行測量研究。
在电学单元II中，第一随机数发生器10_1、第二随机数发生器10_2分别用于生成随机数，所产生的随机数分别提供给第一空间光调制器4_1与第二空间光调制器4_2，每ー空间光调制器中区域总像素长度的随机数组成ー个随机基，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用于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用于记录单光子点探測器11探測到的单光子点的数目；所述的时间测量仪13用于记录下单光子点到达的时间信息；所述控制模块15用于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，必要时去除异步时差；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一一对应，一起打包存入数据包存储器16中，最后导入压缩感知模块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，输出光谱强度曲线(入，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，1，z)、超灵敏ニ维成像光谱(X，y，入)、超灵敏时间分辨ニ维成像(如突光寿命)(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)等十种結果，即含五維信息的时间分辨成像光谱。以上是对ー个实施例中本发明的超灵敏时间分辨成像光谱仪的总体结构的描述，在另ー个实施例中，本发明的超灵敏时间分辨成像光谱仪还包括有数字延迟器14，所述数字延迟器14在控制模块15的控制下，用于完成对单光子点探測器11的皮秒级门控。在其他实施例中，本发明的超灵敏时间分辨成像光谱仪还可以不包含反射镜8以及出射狭缝9。下面对光谱仪中各个部件的具体实现做进ー步的描述。狭缝是由一对隔板在光通路上形成的缝隙，入射狭缝I用于调节入射光的纯度和強度，形成光谱仪的物点，出射狭缝9用于出光。所述光栅分光部件6用于光谱分光,该部件米用色散式分光的工作方式，光栅分光部件6中的色散元件(棱镜或光柵)将不同波长的光场按波长从短到长依次投射到第二空间光调制器4_2的不同位置上，无需进行扫描，各光谱波段同时获得。该分光方式中，光谱分辨率的高低与到达色散元件(棱镜或光柵)的入射光的准直度成正比，准直性越好光谱分辨率越高。在本实施例中，所述光栅分光部件6采用闪耀光栅实现。所述第一空间光调制器4_1与第二空间光调制器4_2能将信息加载于ー维或两维的光学数据场上，是实时光学信息处理、自适应光学和光计算等现代光学领域的关键器件，这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或強度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。其种类有很多种，主要有数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device,简称DMD)、毛玻璃、液晶光阀等。在本实施例中，所述SLM为数字微镜器件，包括微镜阵列和集成电路部分。在其他实施例中，也可以是其它类型的SLM。本实施例中所采用的DMD是包含有成千上万个安装在铰链上的微镜的阵列(主流的DMD由1024X768的阵列构成，最大可至2048 X 1152)，每ー镜片的尺寸为14 ii mX 14 ii m(或16 ii mX 16 ii m)并可以通断一个像素的光,这些微镜皆悬浮着,通过对姆一个镜片下的存储单元都以ニ进制平面信号进行电子化寻址，便可让每个镜片以静电方式向两侧倾斜1(T12°左右(本实施例中取+12°和-12° )，把这两种状态记为I和O，分别对应“开”和“夫”，当镜片不工作吋，它们处于0°的“停泊”状态。在图3中，对DMD中的单个微镜的反射机制做了描述。图中的细实线表示单个微镜初始位置时的基线和法线，取顺时针旋转为正，逆时针为负。当入射光线与该初始法线成24°时，反射光线也与初始法线成24°，但当微镜翻转+12°时，该图例中微镜的法线随之顺时针旋转+12°，根据反射定律，反射光线则需顺时针旋转+24°，即与初始法线在同一直线上，可设置该初始法线方向为单光子点探測器11的接收方向。同理，当微镜翻转-12°时，这时的反射光线与初始法线成-48°，几乎不能被单光子点探測器11接收，可忽略不计。当然接收方向也可设置为微镜-12°翻转时的出射方向。需要说明的是，为使光谱带的分辨长度尽可能长，可选取用于实现第二空间光调制器4_2的DMD的对角线作为光谱带的成像位置，而DMD中每个微镜的翻转方向刚好是对角线方向，若将DMD对角线作为水平方向，光谱带成像位置也在水平方向，该法获得的像素点最多，例如2048X 1152大小的DMD对角线可约达2350个像素点。会聚收光部件7包括滤光片和衰减片，所述滤光片用于滤除待检测光中的杂散光，当待检测光比较强吋，需采用多组衰减片组合进行光衰减，以防止单光子点探測器11饱和。本实施例中，所述单光子点探測器11采用盖革模式雪崩ニ极管(avalanchephotodiode，简称APD)，在其他实施例中，该点探測器也可替换成其它具有单光子探測能力的点探测器，如光电倍增管Photomultipliertube(PMT)。所述时间测量仪13采用带有时间幅度变换器(Time to Amplitude Converter,简称TAC)功能的时间相关计数卡(Time-correlated Single Photon Counting Module,简称TCSPC)或独立的时间幅度变换器实现。所述控制模块15所实现的控制是指各部件的使能和触发脉冲控制，触发计数器12清零并重新累积计数，该模块所实现的协调主要实现对计数器12和第一空间光调制器4_1、第二空间光调制器4_2之间的步调协调，即先保持第一空间光调制器4_1不变，第二空间光调制器4_2随机翻转，第二空间光调制器4_2中的微镜阵列每翻转一次，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；第二空间光调制器4_2完成一组测量后，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，直至第一空间光调制器4_1所翻转的帧数达到要求。最后所得到的所有的计数、时间测量仪13测得的时间信息与随机数产生模块10产生的随机矩阵(随机基)打包被传至数据包存储器16中。所述的压缩感知模块17根据计数器12得到的计数值、第二个随机測量矩阵(由第二随机数发生器10_2里的若干随机基组成，而单个随机基是由某个随机矩阵拉伸得到)，仅需光谱带的少量线性随机投影便可重建出光谱强度；光谱带上每个点在该时刻的光强作为间接测量值，与第一个随机測量矩阵(由第一随机数发生器10_1里的若干随机基组成)參与重建算法计算，恢复出图像信息，并利用矩阵填充理论弥补光谱带中的信号缺失，再结合时间测量仪13测得的时间码(戳)便可输出时间分辨成像光谱。其中，所述的稀疏变换是选取合适的W，使得光谱带信号X可在W框架下可稀疏表达。压缩感知时所采用的算法有多种，包括贪心重建算法、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、magic、1ST、TV、StOMP、CoSaMP、LB1、SP、Il_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，采用上述算法中的任意ー种都可实现本发明。下面对压缩感知模块17的工作过程做一较为详细的说明。假设X G Rn是被测数据，y G Rk是观测数据，A G Rkxn是随机测量矩阵(K << N)，e G Rk是仪器噪声，K为X中的非零元素的个数，也称稀疏度，那么，压缩采样的过程可以描述为⑴式:y = Ax+e (I)如果叉是可压缩或可稀疏表达的,则1 = 2^1,%，= L^s1,屯2，..，^jn]是稀疏变
换矩阵，也称框架或字典，那么(I)式变化为(2)式:y = AWx，+e (2)其中AW满足RIP准则。令ニ维图像区域(内含整个光谱带)的像素总数为N，则(I)式中的測量矩阵则为A = La1, a2，...，aN]，由I和0组成，共计M维，SP M行N列的矩阵，Bi是A的第i行。将pXq像素的ニ维图像区域的列首尾相连，化成NX I (其中N = pXq)的一维列向量，对应
(I)式中的X，其中的每ー个元素代表相应位置处的光強。令毎次翻转时微镜阵列的行首尾相连，化成IXN的一维行向量，对应测量矩阵A中的一行，其I和0代表相应位置处微镜是否向单光子点探測器11方向翻转。第二空间光调制器4_2中的微镜阵列开始随机翻转，毎次单光子点探測器11探測到的光子数记为count，相 当于随机基与原光谱带强度的内积和，对应于(I)式中观察向量y的ー个元素，重复K次測量，就可以得到整组观测数据y (y为KX I的一维列向量)。所述的稀疏变换是选取合适的W，使得X经W变化所得值X’是稀疏的，即X可在W框架下可稀疏表达，而算法重建是在已知观测数据I和測量矩阵A的条件下求解(I)式中的X,当M < N,这是ー个NP-hard问题,但利用压缩感知算法可转为凸优化问题进行求解，其中ー种常见范式表达为(3)式:mm^\\y-AWxf2+t\\X'1(3)其中1...1 |p代表范数算符，(Wj=SI1W'第一项是最小ニ乘约束，记为f(x),第二项是对X稀疏度的ー种约束，两项之和是目标函数。仅需M彡0(K ^log(NK))次測量，便可完美重建原始光强信号，配合以第二空间光调制器4_2中的数字微镜器件(DMD)上标定的像元所对应波长，便可恢复出光谱强度曲线(入，1)，加之以时间分辨测量方法，便能生成时间分辨光谱强度图(入，I，t);若截取某一波长下的光强进行恢复图像，便可得到超灵敏ニ维成像(x，y);若将时间测量仪13中的时间幅度变换器获取的光子到达时间转换成空间深度远近信息，则可获得超灵敏三维成像(X，1，z);若对每个波长下的光强分别重建出ニ维图像，便可得到ニ维图像随波长的变化分布，即超灵敏ニ维成像光谱U，y，A);若截取某一波长下的光强进行恢复图像，并按时间分辨測量方法观察该波长下图像随时间的变化，便得到超灵敏时间分辨ニ维成像(如荧光寿命)(X，1，t);若在超灵敏三维成像基础上配合以光栅分光，进而获得在不同波长下的三维图像，即超灵敏三维成像光谱(x，y，z，入)；若在超灵敏三维成像基础上加入光子到达时间的维度信息，便可获得各子时间段内的三维重建图像，即超灵敏时间分辨三维成像(X，1，Z, t);若在超灵敏ニ维成像光谱的基础上加入光子到达时间的维度信息，对各子时间段内的各波长下的待测物体重建出图像，便可获得超灵敏时间分辨ニ维成像光谱(X，y, A , t);若在超灵敏时间分辨三维成像基础上配合以光栅分光，进而获得在不同波长下的时间分辨三维图像，即超灵敏时间分辨三维成像光谱 U，y，z,入，t)。图2是本发明的超灵敏时间分辨成像光谱仪所能得到的时间分辨成像光谱重建图的示意图，作为示例，图中是猪表皮以下5iim到60 iim之间的细胞采样,作为示例分析，提取某一波长下对应的光强图像，以灰度图的形式给出，灰度值的大小对应该波长下光强的強弱，时间分辨精度达到皮秒量级，在图例中可清晰分辨其成像光谱随着时间的演变过程。其实质便是具有空间ニ维、光强、时间分辨、光谱分辨五维參量信息的成像光谱测量。以上是对本发明的超灵敏时间分辨成像光谱仪的结构说明。下面对该超灵敏时间分辨成像光谱仪的工作过程进行描述。本发明的超灵敏时间分辨成像光谱仪针对不同的应用场景，可采用不同的方法实现时间分辨成像，下面分别予以说明。1、非周期变化的长时间序列对于非周期变化的长时间序列过程，即待测物体变化缓慢且所发生的变化为非周期变化，以本发明的超灵敏时间分辨成像光谱仪为基础，采用ー帧帧顺序测量的方法，即当测完第一帧光谱強度序列，再测下ー帧光谱強度序列，通过压缩感知算法恢复出每ー帧的光谱强度曲线，便实现在光谱强度曲线上增加时间维度，最終得到时间分辨光谱強度图。其中每ー帧光谱强度序列的具体测量过程如下:步骤I)、单光子入射的步骤。在待测极弱光未发生变化的某ー时间间隔内，待测极弱光通过入射狭缝I进入超灵敏时间分辨成像光谱仪，经过光扩束准直部件2的扩束和准直后变成平行光。准平行光再透过光学成像部件3成像在第一空间光调制器4_1上，受其随机调制，有一部分的光进入朝向凹面镜5的方向(即光栅分光部件6能接收的方向)。凹面镜5将该光反射并准直，使之再次变成平行光，打向光栅分光部件6并尽可能覆盖整个光栅面。将第二空间光调制器4_2放置于光栅分光部件6的焦平面上，于是光谱场将成像在第二空间光调制器4_2上，不同波长的光便能在焦平面上实现空间分离。第一空间光调制器4_1和第二空间光调制器4_2分别加载电学单元II中第一个随机数发生器10_1和第二个随机数发生器10_2生成的随机数，来对极弱光进行随机光学调制，前者功能如前所述，后者是使得其出射光以一定随机的概率朝向单光子点探測器11的接收方向，根据压缩感知理论，其随机性越高，空间分辨精度越高。会聚收光部件7 (包含滤光片和衰减片)采用特殊滤光片滤除杂散光，当光比较强时需采用多组衰减片组合进行光衰减，以防止单光子点探測器11饱和，然后将分光后的光全部收集到光纤中，传输到单光子点探測器11上，当然也可采用自由空间耦合方式。步骤2)、检测单光子并计数的步骤。单光子点探測器11探测待测物体的各个单光子点，将采集到的光信号转换成有效脉冲信号后输出；在待测物体还未来得及变化的时间间隔内，先保持第一空间光调制器4_1不变，第二空间光调制器4_2随机翻转多次，计数器12记录达到单光子点检测器11上的单光子点的数目，完成一组测量后，第一空间光调制器4_1再随机翻转到下ー帧，将其作为测量值；步骤3)、压缩感知的步骤。计数器12所记录的单光子点的数目和随机数发生器10_2生成的随机基一一对应，一起打包存入数据包存储器16中，最后导入压缩感知模块17中，在该模块中实现光谱带信号重建，恢复出该时间间隔内的图像。步骤4)、在待测物体发生变化后到还未发生下一次变化的时间间隔内，重复上述操作，便可实现非周期变化的长时间序列过程的时间分辨。2、具有周期变化特性的瞬态过程对于荧光寿命等具有周期变化特性的瞬态过程，为突破其时间分辨精度的瓶颈，本发明基于前述的超灵敏时间分辨成像光谱仪，提出了三种全新的基于压缩感知原理的时间分辨測量方法:①基于时间间隔测量的时间分辨成像方法、②基于延迟测量的时间分辨成像方法、③基于光子到达时间的时间分辨成像方法，考虑到皮秒的时间分辨精度，因而能完美涵盖周期在80ns 5ms范围的瞬态过程，并能以更直观的光子数进行定量分析。①当瞬态过程的周期为1.5ms 5ms时，可采用基于时间间隔测量的时间分辨成像方法。如图5所示，该方法的实现步骤如下:步骤I)、假设瞬态周期为T，将该时间周期等分为d个时间间隔，记做^ t2, t3,…，td，在该周期T内保持第一空间光调制器4_1和第二空间光调制器4_2都固定ー帧不变。步骤2)、单光子入射的步骤。该步骤与非周期变化 的长时间序列情况下的相关步骤相同，不在此处重复。步骤3)、检测单光子并计数的步骤。单光子点探測器11对落在、时间间隔内的单光子进行探測，计数器12记录下每段时间间隔内的单光子数，与高精度时间测量仪13记录下的时间码(戳)合在一起作为ー个数据包，这样便可得知每个计数所对应的时间间隔，在下一次激光脉冲发射前(即d个时间间隔刚好全部测完的时刻)，空间光调制器4_2中的微镜阵列瞬间翻转到下ー帧，而空间光调制器4_1依旧保持原有状态，如此重复P次同样操作，每个h时间间隔便相应有P个计数，分别对应P个随机矩阵，接着判断空间光调制器4_1中微镜阵列的翻转帧数是否达到了 0(K log(N/K))，若已经达到，则执行步骤4)，否则，空间光调制器4_1中微镜阵列瞬间翻转到下ー帧，重新执行步骤I);其中的0表示复杂度，K为空间光调制器4_1上所成像的稀疏度，N为空间光调制器4_1上所成像的像素大小。步骤4)、压缩感知的步骤。根据步骤3)所得到的结果，分别对这d个时间间隔做算法重建，便可反演出ー个瞬态周期内的光谱强度变化过程，即时间分辨光谱強度图。若探測光的光强极弱，则经过多个瞬态周期多次分时间段统计累加计(分时间段统计累加计数的结果如图6所示)，使相应的计数变大。再将每个时刻光谱所对应波长的強度作为测量值，与第一随机数发生器10_1中生成的随机矩阵一起重新导入压缩感知算法模块17进行计算，获得该时刻该波长下的ニ维图像，进而得到时间分辨成像光谱。②当瞬态过程的周期为80ns 1.5ms时，可采用基于延迟测量的时间分辨成像方法，采用该方法时，所述超灵敏时间分辨成像光谱仪需包括数字延迟器14。考虑到单光子点探測器11的死时间和纳秒量级的周期时间，每个瞬态周期内仅能做一次有效探测，可在控制信号到达单光子点探測器11和高精度时间测量仪13之前先经过数字延迟器14，以完成对单光子点探測器11的皮秒级门控。如图7所示，基于延迟测量的时间分辨成像方法的具体实现步骤如下:步骤I)、首先保持第一空间光调制器4_1和第二空间光调制器4_2都固定ー帧不变，保持单光子点探測器11的门宽的起始端与瞬态周期起始时刻重合，门宽小于瞬态周期T。步骤2)、周期开始吋，单光子入射。步骤3)、单光子点探測器11和高精度时间测量仪13同时开始測量，在该瞬态周期内仅探测一次，所测得计数值为门宽和该瞬态周期交叠时间段内的单光子数，依次重复Q次，然后基于统计原理将每次的计数加和，在此之后利用数字延迟器14将门宽増加20ps，依上述步骤同样可以获得ー个计数加和，以第一个加和作为參考值，第二个加和与第一个加和之差作为延长的那段门宽时间内的统计计数，依此法就可得到參考点时刻到瞬态周期结束时刻之间的d段统计计数；步骤4)、若保持门宽不变，但门宽的到达时刻提前，依步骤3)中所描述的操作得到的一系列计数差值为瞬态周期开始时刻到參考点时刻之间的d段统计计数。步骤5)、根据步骤3)得到的參考点时刻到瞬态周期结束时刻之间的d段统计计数以及步骤4)得到的瞬态周期开始时刻到參考点时刻之间的d段统计计数，得到整个瞬态周期内的分段统计计数(分段统计计数的结果如图8所示)。步骤6)、空间光调制器4_2中的微镜阵列瞬间翻转到下ー帧，而空间光调制器4_1依旧保持原有状态，如此重复P次同样操作，每个时间间隔便相应有P个计数，分别对应P个随机矩阵，待上述操作结束后，接着判断空间光调制器4_1中微镜阵列的翻转帧数是否达到了 0(K log(N/K))，若已经达到，则执行步骤7)，否则，空间光调制器4_1中微镜阵列瞬间翻转到下ー帧，重新执行步骤I);其中的0表示复杂度，K为空间光调制器4_1上所成像的稀疏度，N为空间光调制器4_1上所成像的像素大小。步骤7)、压缩感知的步骤。根据步骤6)所得到的結果，分别对这d个时间间隔做算法重建，再对每个时刻各波长的光谱强度做二次算法重建，便可反演出一个瞬态周期内的时间分辨成像光谱。③基于光子到达时间的时间分辨成像方法，该方法时间精度更高，均方宽可达5ps，不受限于周期长短，适用性更广。该方法的具体实现步骤如下:步骤I)、提供给高精度时间测量仪13中的时间幅度变换器ー个參考脉冲，然后保持第一空间光调制器4_1和第二空间光调制器4_2都固定ー帧不变，利用所述时间幅度变换器把获得光子的时间(start to stop)以电压形式记录下来,记录在对应的时间通道中，并按光子达到时间将光子数分段划分，统计出ー个周期内各时间间隔内的d段累积计数。步骤2)、第二空间光调制器4_2中的微镜阵列瞬间翻转到下ー帧，而空间光调制器4_1依旧保持原有状态，如此重复P次同样操作，每个时间间隔便相应有P个计数，分别对应P个随机矩阵。待上述操 作结束后，接着判断空间光调制器4_1中微镜阵列的翻转帧数是否达到了 0(K log(N/K))，若已经达到，则执行步骤3)，否则，空间光调制器4_1中微镜阵列瞬间翻转到下ー帧，重新执行步骤I);其中的0表示复杂度，K为空间光调制器4_1上所成像的稀疏度，N为空间光调制器4_1上所成像的像素大小。
步骤3)、压缩感知的步骤。根据步骤2)所得到的结果，分别对这d个时间间隔做算法重建，再对每个时刻各波长的光谱强度做二次算法重建，便可反演出一个瞬态周期内的时间分辨成像光谱。若探测光的光强极弱，则经过多个瞬态周期多次測量累加，使相应的计数变大，从而得到时间分辨成像光谱。作为ー种优选实现方式，在另ー个实施例中，在上述各个方法实施前，还包括对第ニ空间光调制器4_2中数字微镜器件(DMD)对角线方向上的每个像元所对应的波长进行标定的步骤。在标定吋，一般选定几个特定波长的激光器，毎次単色光经光栅分光部件6后投射到数字微镜器件(DMD)对角线上的特定某点，标识该点对应该特定波长，反复多次得到许多测量点，相邻两个点之间的光谱分布做线性划分，从而完成对整个对角线上的每个像元所对应波长的标定。通过该标定操作，有助于提高测量的准确度。此时，知道了对角线上每个像元所对应波长，如图4所示，可认为对角线上每个像元类似传统光谱仪中的CCD通道，光谱打在其上面，将有一定光强分布，随着时间序列的延续，如果观测对象的浓度等指标发生变化，落在各个通道上的光强分布也会随时间变化，出现各自的光强涨落，可以选择对应某个特定波长的通道进行光强涨落分析，也可几个通道对比分析。作为ー种优选实现方式，在又一个实施例中，在上述各个方法实施前，还包括有提高仪器信噪比(signal to noise ratio，简称SNR)的操作。SNR为信号与仪器噪声的方差之比，其中仪器噪声包含环境噪声、光学噪声、电学噪声(含暗计数)等，而方差可理解为信号的波动情况。若仪器噪声的波动淹没了信号的波动，则压缩感知算法失效；若仪器噪声的波动小于或远小于信号的波动，则能几乎完美重建图像。提高仪器信噪比有助于提高成像质量。提高仪器信噪比的方式有多种，如对仪器进行密闭封装，提高单光子点探測器11的相应參数和仪器稳定性。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管參照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
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); 步骤2)、检测单光子并计数的步骤； 单光子点探測器(11)探测待测物体的各个单光子点，将采集到的光信号转换成有效脉冲信号后输出；在待测极弱光还未来得及变化的时间间隔内，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)随机翻转多次，计数器(12)记录达到所述单光子点检测器(11)上的单光子点的数目，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，将其作为测量值； 步骤3)、压缩感知的步骤； 所述计数器(12)所记录的单光子点的数目和所述第二随机数发生器(10_2)生成的随机基一一对应，一起打包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，在该模块中实现光谱带信号重建，恢复出该时间间隔内的图像； 步骤4)、在待测物体发生变化后到还未发生下一次变化的时间间隔内，重复上述操作，实现非周期变化的长时间序列过程的时间分辨。
14.一种基于权利要求1-3之一所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪所实现的基于时间间隔测量的时间分辨成像方法，用于对周期为1.5ms 5ms的瞬态过程进行时间分辨；包括: 步骤I)、假设瞬态周期为T，将该时间周期等分为d个时间间隔，记做^ t2, t3,…，td，在该周期T内保持所述第一空间光调制器(4_1)和第二空间光调制器(4_2)都固定ー帧不变； 步骤2)、单光子入射的步骤； 步骤3)、检测单光子并计 数的步骤； 所述单光子点探測器(11)对落在h时间间隔内的单光子进行探測，所述计数器(12)记录下每段时间间隔内的单光子数，与所述时间测量仪(13)记录下的时间码合在一起作为一个数据包，在下一次激光脉冲发射前，所述空间光调制器(4_2)中的微镜阵列瞬间翻转到下ー帧，而所述空间光调制器(4_1)依旧保持原有状态，如此重复P次同样操作，每个t时间间隔便相应有P个计数，分别对应P个随机矩阵，接着判断所述空间光调制器(4_1)中微镜阵列的翻转帧数是否达到了 0(K log(N/K))，若已经达到，则执行步骤4)，否则，所述空间光调制器(4_1)中微镜阵列瞬间翻转到下ー帧，重新执行步骤I);其中的K为空间光调制器(4_1)上所成像的稀疏度，N为空间光调制器(4_1)上所成像的像素大小； 步骤4)、压缩感知的步骤； 根据步骤3)所得到的结果，分别对d个时间间隔做算法重建，反演出一个瞬态周期内的光谱强度变化过程，得到时间分辨光谱强度图，再将每个时刻光谱所对应波长的強度作为测量值，与所述第一随机数发生器(10_1)中生成的随机矩阵一起重新导入压缩感知算法模块(17)进行计算，获得该时刻该波长下的ニ维图像，进而得到时间分辨成像光谱。
15.一种基于权利要求3所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪所实现的基于延迟测量的时间分辨成像方法，用于对周期为80ns 1.5ms的瞬态过程进行时间分辨；该方法包括: 步骤I)、首先保持所述第一空间光调制器(4_1)和第二空间光调制器(4_2)都固定一帧不变，保持单光子点探測器(11)的门宽的起始端与瞬态周期起始时刻重合，门宽小于瞬态周期T ；步骤2)、周期开始时，单光子入射； 步骤3)、所述单光子点探測器(11)和时间测量仪(13)同时开始測量，在该瞬态周期内仅探测一次，所测得计数值为门宽和该瞬态周期交叠时间段内的单光子数，依次重复Q次，然后基于统计原理将每次的计数加和； 步骤4)、利用所述数字延迟器(14)将门宽増加20ps，重新执行步骤3)获得又ー个计数加和，以第一个加和作为參考值，第二个加和与第一个加和之差作为延长的那段门宽时间内的统计计数，得到參考点时刻到瞬态周期结束时刻之间的d段统计计数； 步骤5)、保持门宽不变，提前门宽的到达时刻，重新执行步骤3)与步骤4)，将得到的一系列计数差值作为瞬态周期开始时刻到參考点时刻之间的d段统计计数； 步骤6)、根据步骤4)得到的參考点时刻到瞬态周期结束时刻之间的d段统计计数以及步骤5)得到的瞬态周期开始时刻到參考点时刻之间的d段统计计数，得到整个瞬态周期内的分段统计计数； 步骤7)、所述空间光调制器(4_2)中的微镜阵列瞬间翻转到下ー帧，而空间光调制器(4_1)依旧保持原有状态，如此重复P次同样操作，每个时间间隔便相应有P个计数，分别对应P个随机矩阵，待上述操作结束后，接着判断所述空间光调制器(4_1)中微镜阵列的翻转帧数是否达到了 0(K*log(N/K))，若已经达到，则执行步骤8)，否则，空间光调制器(4_1)中微镜阵列瞬间翻转到下ー帧，重新执行步骤I);其中的K为空间光调制器(4_1)上所成像的稀疏度，N为空间光调制器(4_1)上所成像的像素大小； 步骤8)、压缩感知的步骤； 根据步骤7)所得到的结果，分别对这d个时间间隔做算法重建，再对每个时刻各波长的光谱强度做二次算法重建，反演出一个瞬态周期内的时间分辨成像光谱。
16.一种基于权利要求1-3之一所述的超灵敏时间分辨成像光谱仪所实现的基于光子到达时间的时间分辨成像方法，包括: 步骤I)、提供给所述时间测量仪(13)中的时间幅度变换器ー个參考脉冲，然后保持所述第一空间光调制器(4_1)和第二空间光调制器(4_2)都固定一帧不变，利用所述时间幅度变换器把获得光子的时间以电压形式记录下来，记录在对应的时间通道中，并按光子达到时间将光子数分段划分，统计出ー个周期内各时间间隔内的d段累积计数； 步骤2)、所述第二空间光调制器(4_2)中的微镜阵列瞬间翻转到下ー帧，而第一空间光调制器(4_1)依旧保持原有状态，如此重复P次同样操作，每个时间间隔便相应有P个计数，分别对应P个随机矩阵；待上述操作结束后，接着判断第一空间光调制器(4_1)中微镜阵列的翻转帧数是否达到了 0(K log(N/K))，若已经达到，则执行步骤3)，否则，第一空间光调制器(4_1)中微镜阵列瞬间翻转到下ー帧，重新执行步骤I);其中的K为第一空间光调制器(4_1)上所成像的稀疏度，N为第一空间光调制器(4_1)上所成像的像素大小； 步骤3)、压缩感知的步骤； 根据步骤2)所得到的结果，分别对这d个时间间隔做算法重建，再对每个时刻各波长的光谱强度做二次算法重建，反演出一个瞬态周期内的时间分辨成像光谱。
全文摘要
本发明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。
文档编号G01J11/00GK103090971SQ20131002777
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月24日 优先权日2013年1月24日
发明者翟光杰, 俞文凯, 王超 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心