[發(fā)明專利]一種超靈敏時(shí)間分辨成像光譜儀及其時(shí)間分辨成像方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310027775.3
• 申請日: 2013-01-24
• 公開（公告）號: CN103090971A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 翟光杰;俞文凱;王超
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J11/00;G01N21/25;G01N21/64
• 代理公司: 北京法思騰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;楊青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種超靈敏時(shí)間分辨成像光譜儀及其時(shí)間分辨成像方法。

背景技術(shù)

當(dāng)前，國際現(xiàn)階段用于瞬態(tài)極弱光(如熒光壽命)測量的技術(shù)主要有單分子探測技術(shù)、時(shí)間分辨技術(shù)和超分辨率測量技術(shù)。其中：(1)單分子探測技術(shù)主要有寬場共聚焦熒光顯微技術(shù)、掃描近場光學(xué)顯微(SNOM)技術(shù)、全內(nèi)反射熒光顯微(TIRF)技術(shù)、原子力光學(xué)顯微(AFOM)和拉曼散射技術(shù)；(2)時(shí)間分辨技術(shù)主要有熒光壽命成像(FLIM)、雙光子熒光壽命顯微成像、熒光壽命相關(guān)光譜(FCS)技術(shù)和多維度熒光壽命顯微技術(shù)；(3)超分辨率測量技術(shù)主要有受激發(fā)射損耗顯微(STED)技術(shù)、位置敏感顯微(PALM、STORM、dSTORM、GSDIM)技術(shù)、光學(xué)漲落顯微(SOFI)技術(shù)和熒光共振能量轉(zhuǎn)移顯微技術(shù)(FRET)。

對于生物大分子的熒光壽命成像及相關(guān)光譜定量測量方法是，先用FLIM或FCS系統(tǒng)進(jìn)行單點(diǎn)熒光壽命及相關(guān)光譜測量，然后，采用激光束掃描或樣品掃描系統(tǒng)進(jìn)行生物大分子熒光壽命及相關(guān)光譜成像測量。由于納米位移掃描平臺(tái)的穩(wěn)定性差、掃描過程復(fù)雜，不僅增加了制造成本，也極大延長了納米材料和生物大分子的測試時(shí)間，成功率也受到顯著影響。對于納米材料高分辨率顯微結(jié)構(gòu)成像測量方法，通常是采用電子掃描顯微鏡進(jìn)行圖形表征，由于高能電子電離會(huì)損傷被測樣品，無法進(jìn)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(shù)的通病是無法同時(shí)對觀測對象進(jìn)行相關(guān)光譜分析和時(shí)間分辨工作。隨著科研的需求逐漸向高時(shí)間分辨、多波段、探測快速、光子激發(fā)等方向發(fā)展，這些功能越發(fā)顯得無法滿足日益增長的實(shí)際需求，迫切需要一種能夠同時(shí)對觀測對象進(jìn)行光譜分析和時(shí)間分辨的儀器。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有儀器無法同時(shí)對觀測對象進(jìn)行光譜分析和時(shí)間分辨的缺陷，從而提供一種能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)光譜分析和時(shí)間分辨成像的裝置。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種超靈敏時(shí)間分辨成像光譜儀，包括光學(xué)單元I和電學(xué)單元II，其中，所述光學(xué)單元I包括入射狹縫1、光擴(kuò)束準(zhǔn)直部件2、光學(xué)成像部件3、第一空間光調(diào)制器4_1、凹面鏡5、光柵分光部件6、第二空間光調(diào)制器4_2、會(huì)聚收光部件7；所述電學(xué)單元II包括第一隨機(jī)數(shù)發(fā)生器10_1、第二隨機(jī)數(shù)發(fā)生器10_2、單光子點(diǎn)探測器11、計(jì)數(shù)器12、時(shí)間測量儀13、控制模塊15、數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器16以及壓縮感知模塊17；

單光子級別的待測極弱光通過所述入射狹縫1入射，然后經(jīng)過所述光擴(kuò)束準(zhǔn)直部件2的擴(kuò)束和準(zhǔn)直后變成平行光，該平行光再透過所述光學(xué)成像部件3成像在所述第一空間光調(diào)制器4_1上；所述第一空間光調(diào)制器4_1對在其上的像做隨機(jī)調(diào)制，使得其出射光以一定的隨機(jī)概率向所述凹面鏡5反射；所述凹面鏡5將入射光反射并準(zhǔn)直，使之再次變成平行光，打向所述光柵分光部件6；所述光柵分光部件6形成光譜場，并在位于所述光柵分光部分6的焦平面上的第二空間光調(diào)制器4_2上形成光譜帶；所述第二空間光調(diào)制器4_2對在其上的光譜帶做隨機(jī)調(diào)制，使得出射光以一定隨機(jī)的概率向所述會(huì)聚收光部件7反射；所述會(huì)聚收光部件7濾除雜散光，將過濾后的待測極弱光傳輸?shù)诫妼W(xué)單元II中的單光子點(diǎn)探測器11；

所述第一隨機(jī)數(shù)發(fā)生器10_1、第二隨機(jī)數(shù)發(fā)生器10_2分別生成隨機(jī)數(shù)并分別提供給所述第一空間光調(diào)制器4_1與第二空間光調(diào)制器4_2，每一空間光調(diào)制器中區(qū)域總像素長度的隨機(jī)數(shù)組成一個(gè)相應(yīng)的隨機(jī)基，所述第一空間光調(diào)制器4_1與第二空間光調(diào)制器4_2根據(jù)各自的隨機(jī)基實(shí)現(xiàn)隨機(jī)調(diào)制；所述的單光子點(diǎn)探測器11探測待測極弱光中的各個(gè)單光子點(diǎn)，將采集到的光信號轉(zhuǎn)換成有效脈沖信號后輸出；所述計(jì)數(shù)器12記錄所述單光子點(diǎn)探測器11探測到的單光子點(diǎn)的數(shù)目；所述的時(shí)間測量儀13記錄單光子點(diǎn)到達(dá)的時(shí)間信息；所述控制模塊15對整個(gè)超靈敏時(shí)間分辨成像光譜儀進(jìn)行控制協(xié)調(diào)，包括對各部件的使能和觸發(fā)脈沖控制，確保計(jì)數(shù)器12、第一空間光調(diào)制器4_1、第二空間光調(diào)制器4_2和時(shí)間測量儀13之間的步調(diào)協(xié)調(diào)；所述計(jì)數(shù)器12所記錄的單光子點(diǎn)的數(shù)目、時(shí)間測量儀13所記錄的時(shí)間信息以及第一隨機(jī)數(shù)發(fā)生器10_1、第二隨機(jī)數(shù)發(fā)生器10_2所生成的兩組隨機(jī)基一起存入所述數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器16中，最后導(dǎo)入所述壓縮感知模塊17中，在該模塊中經(jīng)過兩次壓縮感知計(jì)算，實(shí)現(xiàn)光譜帶信號重建，輸出含五維信息的時(shí)間分辨成像光譜。

上述技術(shù)方案中，所述光學(xué)單元I還包括反射鏡8以及出射狹縫9；所述反射鏡8位于所述光柵分光部件6與所述第二空間光調(diào)制器4_2的光路之間，用于將光譜反射至出射狹縫9。