一种超灵敏时间分辨光谱仪及其时间分辨方法

专利名称：一种超灵敏时间分辨光谱仪及其时间分辨方法
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光谱仪及其时间分辨方法。
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测技术、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(FUM)、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、ST0RM、dST0RM、GSDM)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测量方法是，先用FLIM或FCS系统进行单点荧光寿命及相关光谱测量，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测量。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测量方法，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测量。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、探测快速、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，迫切需要一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技术中的装置无法同时对观测对象进行光谱分析和时间分辨的缺陷，从而提供一种能够同时实现光谱分析和时间分辨的装置。为了实现上述目的，本发明提供了一种超灵敏时间分辨光谱仪，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、光准直部件2、凹面镜3、光栅分光部件4、空间光调制器5以及会聚收光部件6 ;所述凹面镜3有两个，包括第一凹面镜3-1和第二凹面镜3-2 ;所述电学单元II包括随机数发生器9、单光子点探测器10、计数器11、时间测量仪12、控制模块14、数据包存储器15以及压缩感知模块16 ；单光子级别的待测极弱光经由所述入射狭缝I入射，然后通过所述光准直部件2和第一凹面镜3-1对待测极弱光做扩束和准直，使所述待测极弱光成为平行光；所述平行光照射到所述光栅分光部件4 ;所述光栅分光部件4所生成的光谱场再经过所述第二凹面镜3-2反射，进而在所述空间光调制器5上展开形成光谱带；所述空间光调制器5对所形成的光谱带进行随机调制，使得其出射光以一定的随机概率向所述会聚收光部件6反射；所述会聚收光部件6用于滤除杂散光，将过滤后的待测极弱光传输到所述电学单元II中的单光子点探测器10 ；所述随机数发生器9产生随机数并提供给所述空间光调制器5，每一空间光调制器5中区域总像素长度的随机数组成一个随机基，所述空间光调制器5根据该随机基实现随机调制；所述的单光子点探测器10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11记录所述单光子点探测器10探测到的单光子点的数目；所述的时间测量仪12记录单光子点到达的时间；所述控制模块14对整个超灵敏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，确保所述计数器11、空间光调制器5和时间测量仪12之间的步调一致；所述计数器11所记录的单光子点的数目、时间测量仪12所记录的时间信息以及随机数发生器9生成的随机基一起打包存入所述数据包存储器15中，所述压缩感知模块16根据单光子点的数目、时间信息、随机基实现光谱带信号重建，最后输出分辨光谱强度图。上述技术方案中，所述光学单元I还包括反射镜7以及出射狭缝8 ;所述反射镜7位于第二凹面镜3-2与空间光调制器5的光路之间，用于将光谱反射至所述出射狭缝8，以供其它类型探测器接收或进入其它光学系统进行测量研究。上述技术方案中，所述电学单元II还包括数字延迟器13，所述数字延迟器13在所述控制模块14的控制下，完成对所述单光子点探测器10的皮秒级门控。上述技术方案中，所述光栅分光部件4将不同波长的光场按波长从短到长依次投射到所述空间光调制器5的不同位置上。上述技术方案中，所述空间光调制器5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6包括滤光片和衰减片。上述技术方案中，所述单光子点探测器10采用盖革模式雪崩二极管或光电倍增管实现。上述技术方案中，所述控制模块14确保所述计数器11和空间光调制器5之间步调一致包括:所述空间光调制器5中的微镜阵列每翻转一次，所述计数器11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11清零。上述技术方案中，所述压缩感知模块16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光谱仪的时间分辨方法，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经由所述入射狭缝I入射，然后通过所述光准直部件2和第一凹面镜3-1对待测极弱光做扩束和准直，使所述待测极弱光成为平行光；所述平行光照射到所述光栅分光部件4 ;所述光栅分光部件4所生成的光谱场再经过所述第二凹面镜3-2反射，进而在所述空间光调制器5上展开形成光谱带；所述空间光调制器5对所形成的光谱带进行随机调制，使得其出射光以一定的随机概率向所述会聚收光部件6反射；所述会聚收光部件6用于滤除杂散光，将过滤后的待测极弱光传输到所述电学单元II中的单光子点探测器10 ；步骤2)、检测单光子并计数的步骤；所述单光子点探测器10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；在待测物体还未来得及变化的时间间隔内，空间光调制器5每翻转一次，所述计数器11记录达到单光子点检测器10上的单光子点的数目，将其作为测
量值;步骤3)、压缩感知的步骤；所述计数器11所记录的单光子点的数目和随机数发生器9生成的随机基一起打包存入所述数据包存储器13中，最后导入所述压缩感知模块14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光谱强度图；步骤4)、在待测极弱光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。本发明又提供了一种基于所述的超灵敏时间分辨光谱仪所实现的基于时间间隔测量的时间分辨方法，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)、开启光源，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t1； t2, t3,…，td，在该周期T内保持所述空间光调制器5中的微镜阵列固定一帧不变；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；所述单光子点探测器10对落在\时间间隔内的单光子进行探测，所述计数器11记录下每段时间间隔内的单光子数，与所述时间测量仪12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5中的微镜阵列瞬间翻转到下一帧，如此重复P次同样操作，每个t时间间隔有P个计数，分别对应P个随机矩阵；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，反演出一个瞬态周期内的光谱强度变化过程，即时间分辨光谱强度图。本发明又提供了一种基于所述的超灵敏时间分辨光谱仪所实现的基于延迟测量的时间分辨方法，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)、保持所述空间光调制器5中的微镜阵列固定一帧不变，保持单光子点探测器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)、所述单光子点探测器10和所述时间测量仪12同时开始测量，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，在此之后利用所述数字延迟器13将门宽增加20ps，依上述步骤同样可以获得一个计数加和，以第一个加和作为参考值，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，依此法得到参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)、保持门宽不变， 将门宽的到达时刻提前，重新执行步骤3)得到一系列计数差值为瞬态周期开始时刻到参考点时刻之间的d段统计计数；步骤5)、根据步骤3)得到的参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参考点时刻之间的d段统计计数，得到整个瞬态周期内的分段统计计数；步骤6)、所述空间光调制器5中的微镜阵列瞬间翻转到下一帧，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；步骤7)、压缩感知的步骤；根据步骤6)所得到的结果，分别对这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，即时间分辨光谱强度图。本发明还提供了一种基于所述的超灵敏时间分辨光谱仪所实现的基于光子到达时间的时间分辨方法，包括:步骤I)、提供给所述时间测量仪12中的时间幅度变换器一个参考脉冲，然后将所述空间光调制器5中的微镜阵列固定一帧不动，利用所述时间测量仪12中的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，统计出一个周期内各时间间隔内的d段累积计数；步骤2)、所述空间光调制器5中的微镜阵列瞬间翻转到下一帧，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；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，反演出一个瞬态周期内的光谱强度变化过程，即时间分辨光谱强度图。本发明的优点在于:1、本发明能够同时实现光谱分析与时间分辨；2、本发明引入压缩感知理论，以单光子点探测器实现光谱带的平面探测，大大缩小了测量维度和测量规模；3、本发明具有极高的时间分辨精度，分辨精度能够达到皮秒量级。


图1是本发明的超灵敏时间分辨光谱仪的结构示意图；图2是本发明的超灵敏时间分辨光谱仪所能得到的时间分辨光谱强度图的示意图；图3是DMD中的单个微镜的反射机制的示意图；图4是数字微镜器件上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方法框图；图6是分时间间隔记录单光子数示意图；图7是基于延迟测量的时间分辨方法框图；图8是统计作差后时间间隔内单光子计数示意图。
具体实施例方式现结合附图对本发明作进一步的描述。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并能分辨其时间。
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CandSs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(远低于奈奎斯特/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、测量矩阵A和框架叫的条件下求解y = A^x' +e的过程，最后再由x=∑xΨ反演出X。
在对本发明中所涉及的概念做统一说明后，下面对本发明的超灵敏时间分辨光谱仪做详细说明。参考图1，本发明的超灵敏时间分辨光谱仪包括光学单元I (图1中矩形虚线框内部分)和电学单元II，其中，光学单元I包括入射狭缝1、光准直部件2、凹面镜3、光栅分光部件4、空间光调制器5、会聚收光部件6、反射镜7以及出射狭缝8 ;所述凹面镜3有两个，分别用第一凹面镜3-1，第二凹面镜3-2表示。电学单元II包括随机数发生器9、单光子点探测器10、计数器11、时间测量仪12、控制模块14、数据包存储器15以及压缩感知模块16。在光学单元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光谱仪，然后通过光准直部件2和第一凹面镜3-1对待测极弱光做扩束和准直，使所述待测极弱光成为平行光；所述平行光照射到光栅分光部件4，并应当尽可能覆盖整个光栅面；光栅分光部件4所生成的光谱场再经过第二凹面镜3-2反射，进而在空间光调制器5上展开形成光谱带，使不同波长的光在焦平面上实现空间分离；空间光调制器5对所形成的光谱带进行随机调制，使得其出射光以一定的随机概率向会聚收光部件6反射；所述会聚收光部件6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中的单光子点探测器10 ;所述反射镜7位于第二凹面镜3-2与空间光调制器5的光路之间，用于将光谱反射至出射狭缝8，以供其它类型探测器接收或进入其它光学系统进行测量研究。在电学单元II中，随机数发生器9用于生成随机数，其中每空间光调制器(5)中区域总像素长度的随机数组成一个随机基，所产生的随机基提供给空间光调制器5，所述空间光调制器5根据该随机基实现随机调制；所述的单光子点探测器10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11用于记录单光子点探测器10探测到的单光子点的数目；所述的时间测量仪12用于记录下单光子点到达的时间信息；所述控制模块14用于对整个超灵敏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11、空间光调制器(SLM)5和时间测量仪12之间的步调一致，必要时去除异步时差；计数器11所记录的单光子点的数目、时间测量仪12所记录的时间信息以及随机数发生器9生成的随机基一一对应，一起打包存入数据包存储器15中，最后导入压缩感知模块16中，在该模块中实现光谱带信号重建，最后输出分辨光谱强度图
(λ，I, t)。以上是对一个实施例中本发明的超灵敏时间分辨光谱仪的总体结构的描述，在另一个实施例中，本发明的超灵敏时间分辨光谱仪还包括有数字延迟器13，所述数字延迟器13在控制模块14的控制下，用于完成对单光子点探测器10的皮秒级门控。下面对光谱仪中各个部件的具体实现做进一步的描述。
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强度，形成光谱仪的物点，出射狭缝8用于出光。所述光栅分光部件4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4中的色散元件(棱镜或光栅)将不同波长的光场按波长从短到长依次投射到空间光调制器(SLM)5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(棱镜或光栅)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4采用闪耀光栅实现。所述空间光调制器(SLM) 5能将信息加载于一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强度、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(DigitalMicro-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2048X 1152)，每一镜片的尺寸为14iimX14iim(或16 y mX 16 y m)并可以通断一个像素的光，这些微镜皆悬浮着，通过对每一个镜片下的存储单元都以二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10 12°左右(本实施例中取+12°和-12° )，把这两种状态记为I和0，分别对应“开”和“关”，当镜片不工作时，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测器10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测器10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，如图4所示，可选取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2048 X 1152大小的DMD对角线可约达2350个像素点。会聚收光部件6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，当待检测光比较强时，需采用多组衰减片组合进行光衰减，以防止单光子点探测器10饱和。本实施例中，所述单光子点探测器10采用盖革模式雪崩二极管(avalanchephotodiode，简称APD)，在其他实施例中，该点探测器也可替换成其它具有单光子探测能力的点探测器，如光电倍增管Photomultiplier tube (PMT)。所述时间测量仪12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14所实现的控制是指各部件的使能和触发脉冲控制，该模块所实现的协调主要实现对计数器11和SLM5之间的步调协调，SLM5中的微镜阵列每翻转一次，计数器11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，计数器清零，所有的计数、时间测量仪12测得的时间信息与随机数产生模块9产生的随机矩阵(随机基)打包被传至数据包存储器15中。所述的压缩感知模块16根据计数器11得到的计数值、时间测量仪12测得的时间信息、随机测量矩阵(由若干随机基组成，而单个随机基是由某个随机矩阵拉伸得到)进行压缩感知稀疏变换和光谱带重建，得到分辨光谱强度图(X，I，t)。该模块仅需可压缩光谱带的少量线性随机投影便可重建出光谱带，并利用矩阵填充理论弥补光谱带中的信号缺失，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、LASS O, 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重建算法等，采用上述算法中的任意一种都可实现本发明。下面对压缩感知模块16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(I)式:y = Ax+ (I)如果X是可压缩或可稀疏表达的,则，屯=[V1, V2, ，Vn]是稀疏
变换矩阵，也称框架或字典，那么(I)式变化为(2)式:y = A^x' +e (2)其中AW满足RIP准则。令二维图像区域(内含整个光谱带)的像素总数为N，则(I)式中的测量矩阵则为A=Ia1, a2,..., aN]，由I和0组成，共计M维，即M灯N列的矩阵，Si是A的弟i 7TT。将p X q像素的二维图像区域的列首尾相连，化成NXl (其中N=pXq)的一维列向量，对应(I)式中的X，其中的每一个元素代表相应位置处的光强。令每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测器方向翻转。空间光调制器5中的微镜阵列开始随机翻转，每次单光子点探测器探测到的光子数记为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的一个元素，重复K次测量，就可以得到整组观测数据y (y为KXl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和测量矩阵A的条件下求解(I)式中的X,当11 < N,这是一个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，其中一种常见范式表达为(3)式:niin|||v-AWxf + 十| (],
其中11-| |p代表范数算符，(\\4j =I",l^r第一项是最小二乘约束，记为f(x)，
' 1 ，
第二项是对X稀疏度的一种约束，两项之和是目标函数。仅需M彡0(K Gog(NK))次测量，便可完美重建原始光强信号，配合以数字微镜器件(DMD)上标定的像元所对应波长，便可恢复出光谱强度曲线，加之以时间分辨测量方法，便能生成时间分辨光谱强度图(X，I，t)。图2是本发明的超灵敏时间分辨光谱仪所能得到的时间分辨光谱强度图的示意图，作为示例，这里假设光谱带宽一个像素，长度在区域工作范围内，数字微镜器件(DMD)的波长响应范围在350nm 2700nm，配合多个波段的特定光栅，便可实现超宽连续光谱，加之以时间分辨测量方法，便能在皮秒时间分辨精度上直观地分析出光谱强度随时间的变化情况。以上是对本发明的超灵敏时间分辨光谱仪的结构说明。下面对该超灵敏时间分辨光谱仪的工作过程进行描述。本发明的超灵敏时间分辨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，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光谱仪为基础，采用一帧帧顺序测量的方法，即令单光子点探测器10常开，空间光调制器5与计数器11时刻保持同步，当测完第一帧光谱强度序列，再测下一帧光谱强度序列，通过压缩感知算法恢复出每一帧的光谱强度曲线，便实现在光谱强度曲线上增加时间维度，最终得到时间分辨光谱强度图。

其中每一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一时间间隔内，单光子级别的待测极弱光通过入射狭缝I进入超灵敏光谱仪，然后通过光准直部件2和第一凹面镜3-1对待测极弱光做扩束和准直，使所述待测极弱光成为平行光；所述平行光照射到光栅分光部件4 ;光栅分光部件4所生成的光谱场再经过第二凹面镜3-2反射，进而在空间光调制器5上展开形成光谱带，使不同波长的光在焦平面上发生空间分离；空间光调制器5加载由随机数发生器9所产生的随机基，进而对所形成的光谱带进行随机调制，使得光谱带以一定的随机概率向会聚收光部件6反射；所述会聚收光部件6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10。步骤2)、检测单光子并计数的步骤。单光子点探测器10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；在待测物体还未来得及变化的时间间隔内，空间光调制器5每翻转一次，计数器11记录达到单光子点检测器10上的单光子点的数目，将其作为测量值。步骤3)、压缩感知的步骤。计数器11所记录的单光子点的数目和随机数发生器9生成的随机基一一对应，一起打包存入数据包存储器13中，最后导入压缩感知模块14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光谱强度图。步骤4)、在待测极弱光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光谱仪，提出了三种全新的基于压缩感知原理的时间分辨测量方法:①基于时间间隔测量的时间分辨方法、②基于延迟测量的时间分辨方法、③基于光子到达时间的时间分辨方法，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方法。如图5所示，该方法的实现步骤如下:步骤I)、开启光源，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t1； t2, t3,…，td，在该周期T内保持所述空间光调制器5中的微镜阵列固定一帧不变。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。单光子点探测器10对落在\时间间隔内的单光子进行探测，计数器11记录下每段时间间隔内的单光子数，与时间测量仪12记录下的时间码(戳)合在一起作为一个数据包，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5中的微镜阵列瞬间翻转到下一帧，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。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，便可反演出一个瞬态周期内的光谱强度变化过程(如荧光寿命)，即时间分辨光谱强度图。若探测光的光强极弱，则经过多个瞬态周期多次分时间段统计累加计数(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，从而得到时间分辨光谱强度图。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方法，采用该方法时，所述超灵敏时间分辨光谱仪需包括数字延迟器13。考虑到单光子点探测器10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测器10和高精度时间测量仪12之前先经过数字延迟器13，以完成对单光子点探测器的皮秒级门控。如图7所示，基于延迟测量的时间分辨方法的具体实现步骤如下:步骤I)、首先保持空间光调制器5中的微镜阵列固定一帧不变，保持单光子点探测器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)、单光子点探测器10和高精度时间测量仪12同时开始测量，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13将门宽增加20ps，依上述步骤同样可以获得一个计数加和，以第一个加和作为参考值，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，依此法就可得到参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参考点时刻之间的d段统计计数。步骤5)、根据步骤3)得到的参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参考点时刻之间的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5中的微镜阵列瞬间翻转到下一帧，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。步骤7)、压缩感知的步骤。根据步骤6)所得到的结果，分别对这d个时间间隔做算法重建，便可反演出一个瞬态周期内的光谱强度变化过程(如荧光寿命)，即时间分辨光谱强度图。③基于光子到达时间的时间分辨方法，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)、提供给时间测量仪12中的时间幅度变换器一个参考脉冲，然后将空间光调制器5中的微镜阵列固定一帧不动，利用所述时间幅度变换器把获得光子的时间(startto 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，统计出一个周期内各时间间隔内的d段累积计数。步骤2)、空间光调制器5中的微镜阵列瞬间翻转到下一帧，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。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，便可反演出一个瞬态周期内的光谱强度变化过程(如荧光寿命)，即时间分辨光谱强度图。若探测光的光强极弱，则经过多个瞬态周期多次测量累加，使相应的计数变大，从而得到时间分辨光谱强度图。作为一种优选实现方式，在另一个实施例中，在上述各个方法实施前，还包括对数字微镜器件(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。在标定时，一般选定几个特定波长的激光器，每次单色光经光栅分光部件4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。作为一种优选实现方式，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，提高单光子点探测器10的相应参数和仪器稳定性。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。尽管参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(I)、光准直部件(2)、凹面镜(3)、光栅分光部件(4)、空间光调制器(5)以及会聚收光部件(6);所述凹面镜(3)有两个，包括第一凹面镜(3-1)和第二凹面镜(3-2);所述电学单元(II)包括随机数发生器(9)、单光子点探测器(10)、计数器(11)、时间测量仪(12)、控制模块(14)、数据包存储器(15)以及压缩感知模块(16)； 单光子级别的待测极弱光经由所述入射狭缝(I)入射，然后通过所述光准直部件(2)和第一凹面镜(3-1)对待测极弱光做扩束和准直，使所述待测极弱光成为平行光；所述平行光照射到所述光栅分光部件(4);所述光栅分光部件(4)所生成的光谱场再经过所述第二凹面镜(3-2)反射，进而在所述空间光调制器(5)上展开形成光谱带；所述空间光调制器(5)对所形成的光谱带进行随机调制，使得其出射光以一定的随机概率向所述会聚收光部件(6)反射；所述会聚收光部件(6)滤除杂散光，将过滤后的待测极弱光传输到所述电学单元(II)中的单光子点探测器(10)； 所述随机数发生器(9)产生随机数并提供给所述空间光调制器(5)，每一空间光调制器(5)中区域总像素长度的随机数组成一个随机基，所述空间光调制器(5)根据该随机基实现随机调制；所述的单光子点探测器(10)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(11)记录所述单光子点探测器(10)探测到的单光子点的数目；所述的时间测量仪(12)记录单光子点到达的时间；所述控制模块(14)对整个超灵敏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，确保所述计数器(11)、空间光调制器 (5)和时间测量仪(12)之间的步调一致；所述计数器(11)所记录的单光子点的数目、时间测量仪(12)所记录的时间信息以及随机数发生器(9)生成的随机基一起打包存入所述数据包存储器(15)中，所述压缩感知模块(16)根据单光子点的数目、时间信息、随机基实现光谱带信号重建，最后输出分辨光谱强度图。
2.根据权利要求1所述的超灵敏时间分辨光谱仪，其特征在于，所述光学单元(I)还包括反射镜(7)以及出射狭缝(8);所述反射镜(7)位于第二凹面镜(3-2)与空间光调制器(5)的光路之间，用于将光谱反射至所述出射狭缝(8)，以供其它类型探测器接收或进入其它光学系统进行测量研究。
3.根据权利要求1或2所述的超灵敏时间分辨光谱仪，其特征在于，所述电学单元(II)还包括数字延迟器(13)，所述数字延迟器(13)在所述控制模块(14)的控制下，完成对所述单光子点探测器(10)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光谱仪，其特征在于，所述光栅分光部件(4)将不同波长的光场按波长从短到长依次投射到所述空间光调制器(5)的不同位置上。
5.根据权利要求1或2或3所述的超灵敏时间分辨光谱仪，其特征在于，所述空间光调制器(5)采用数字微镜器件实现。
6.根据权利要求5所述的超灵敏时间分辨光谱仪，其特征在于，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。
7.根据权利要求1或2或3所述的超灵敏时间分辨光谱仪，其特征在于，所述会聚收光部件(6)包括滤光片和哀减片。
8.根据权利要求1或2或3所述的超灵敏时间分辨光谱仪，其特征在于，所述单光子点探测器(10 )采用盖革模式雪崩二极管或光电倍增管实现。
9.根据权利要求1或2或3所述的超灵敏时间分辨光谱仪，其特征在于，所述控制模块(14)确保所述计数器(11)和空间光调制器(5)之间步调一致包括:所述空间光调制器(5)中的微镜阵列每翻转一次，所述计数器(11)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(11)清零。
10.根据权利要求1或2或3所述的超灵敏时间分辨光谱仪，其特征在于，所述压缩感知模块(16)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。
11.一种基于权利要求1-3之一所述的超灵敏时间分辨光谱仪的时间分辨方法，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经由所述入射狭缝(I)入射，然后通过所述光准直部件(2)和第一凹面镜(3-1)对待测极弱光做扩束和准直，使所述待测极弱光成为平行光；所述平行光照射到所述光栅分光部件(4);所述光栅分光部件(4)所生成的光谱场再经过所述第二凹面镜(3-2)反射，进而在所述空间光调制器(5)上展开形成光谱带；所述空间光调制器(5)对所形成的光谱带进行随机调制，使得其出射光以一定的随机概率向所述会聚收光部件(6)反射；所述会聚收光部件(6)用于滤除杂散光，将过滤后的待测极弱光传输到所述电学单元(II)中的单光子点探测器(10)； 步骤2)、检测单光子并计数的 步骤； 所述单光子点探测器(10)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；在待测物体还未来得及变化的时间间隔内，空间光调制器(5)每翻转一次，所述计数器(11)记录达到单光子点检测器(10 )上的单光子点的数目，将其作为测量值； 步骤3)、压缩感知的步骤； 所述计数器(11)所记录的单光子点的数目和随机数发生器(9)生成的随机基一起打包存入所述数据包存储器(13)中，最后导入所述压缩感知模块(14)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光谱强度图； 步骤4)、在待测极弱光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。
12.一种基于权利要求1-3之一所述的超灵敏时间分辨光谱仪所实现的基于时间间隔测量的时间分辨方法，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)、开启光源，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t1； t2, t3,…，td，在该周期T内保持所述空间光调制器(5)中的微镜阵列固定一帧不变； 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； 所述单光子点探测器(10)对落在\时间间隔内的单光子进行探测，所述计数器(11)记录下每段时间间隔内的单光子数，与所述时间测量仪(12)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(5)中的微镜阵列瞬间翻转到下一帧，如此重复P次同样操作，每个\时间间隔有P个计数，分别对应P个随机矩阵； 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，反演出一个瞬态周期内的光谱强度变化过程，即时间分辨光谱强度图。
13.一种基于权利要求3所述的超灵敏时间分辨光谱仪所实现的基于延迟测量的时间分辨方法，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)、保持所述空间光调制器(5)中的微镜阵列固定一帧不变，保持单光子点探测器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)、所述单光子点探测器(10)和所述时间测量仪(12)同时开始测量，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，在此之后利用所述数字延迟器(13)将门宽增加20ps，依上述步骤同样可以获得一个计数加和，以第一个加和作为参考值，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，依此法得到参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)、保持门宽不变，将门宽的到达时刻提前，重新执行步骤3)得到一系列计数差值为瞬态周期开始时刻到参考点时刻之间的d段统计计数； 步骤5)、根据步骤3)得到的参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参考点时刻之间的d段统计计数，得到整个瞬态周期内的分段统计计数； 步骤6)、所述空间光调制器(5)中的微镜阵列瞬间翻转到下一帧，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； 步骤7)、压缩感知的步骤； 根据步骤6)所得到的结果，分别对这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，即时间分辨光谱强度图。
14.一种基于权利要求1-3之一所述的超灵敏时间分辨光谱仪所实现的基于光子到达时间的时间分辨方法，包括: 步骤I)、提供给所述时间测量仪(12)中的时间幅度变换器一个参考脉冲，然后将所述空间光调制器(5)中的微镜阵列固定一帧不动，利用所述时间测量仪(12)中的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，统计出一个周期内各时间间隔内的d段累积计数； 步骤2)、所述空间光调制器(5)中的微镜阵列瞬间翻转到下一帧，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； 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，反演出一个瞬态周期内的光谱强度变化过程，即时间分辨光谱强度图。
全文摘要
本发明涉及一种超灵敏时间分辨光谱仪，包括光学单元和电学单元，其中，光学单元包括入射狭缝、光准直部件、凹面镜、光栅分光部件、空间光调制器以及会聚收光部件；凹面镜包括第一凹面镜和第二凹面镜；电学单元包括随机数发生器、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；待测极弱光经由入射狭缝入射，通过光准直部件和第一凹面镜做扩束和准直，成为平行光；平行光照射到光栅分光部件；所生成的光谱场经过第二凹面镜反射，在空间光调制器上展开成光谱带；空间光调制器对光谱带进行随机调制，使得其出射光以一定的随机概率向会聚收光部件反射；会聚收光部件滤除杂散光，将过滤后的光传输到单光子点探测器。
文档编号G01J3/28GK103115681SQ201310028319
公开日2013年5月22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