CN106500837A - 成像光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种成像光谱仪，其包括沿光线传输方向依次设置的振镜组或柱面镜、第一透镜、反射镜、第二透镜、二向色镜、物镜、光栅、成像透镜及相机，飞秒激光射向振镜组或柱面镜，经第一透镜聚焦于反射镜，被反射至第二透镜准直并射向二向色镜，二向色镜透射激光而反射荧光，透射过二向色镜的飞秒激光经物镜后射向样品，样品中的荧光粉受激发产生荧光并射向二向色镜，反射至光栅进行光谱分离后经成像透镜成像于相机的感光面。所述成像光谱仪通过飞秒激光对样品进行线照明，利用双光子荧光激发效应的空间选择性，替代了一般光谱仪的狭缝结构，提高了成像光谱仪的荧光探测效率，再通过机械振镜扫描照明线或移动样品即能重构出一幅二维光谱图像。

Description

成像光谱仪
技术领域
本发明涉及成像光谱仪技术领域，尤其涉及一种可提高荧光探测效率的成像光谱仪。
背景技术
成像光谱仪最初用于地面矿物的识别，后来在摄影测量与遥感、显微成像等许多领域均有应用。成像光谱仪的最基本结构是：狭缝-透镜-光栅-透镜-相机。狭缝用于选取单条线上的样品信息，光栅将样品的光谱分离，不同的光谱成像在相机感光面的不同线阵列上。相机每拍摄一张图，相当于得到了样品上一条线的信息，这时再改变样品的位置，相机将得到另一条线上的信息，如此重复就得到一个二维平面的光谱和结构信息。
但当样品发出的荧光很弱而且发散度较大时，狭缝的空间选择性会阻挡许多有效的荧光光子，导致荧光探测效率很低。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和问题，本发明提供一种可提高荧光探测效率的成像光谱仪。
一种成像光谱仪，其包括沿光线传输方向依次设置的振镜组或柱面镜、第一透镜、反射镜、第二透镜、二向色镜、物镜、光栅、成像透镜及相机，飞秒激光射向所述振镜组或柱面镜，经所述第一透镜聚焦于所述反射镜，被所述反射镜反射至所述第二透镜准直并射向所述二向色镜，所述二向色镜透射激光而反射荧光，透射过所述二向色镜的飞秒激光经所述物镜后射向样品，样品中的荧光粉受所述飞秒激光的激发产生荧光并射向所述二向色镜，荧光被所述二向色镜反射至所述光栅进行光谱分离，经所述光栅光谱分离后的荧光经过所述成像透镜并成像于所述相机的感光面。
本发明一较佳实施方式中，所述振镜组包括第一机械振镜和第二机械振镜，所述第一机械振镜的扫描方向为快轴，所述第二机械振镜的扫描方向为垂直于所述快轴的慢轴。
本发明一较佳实施方式中，所述第一机械振镜和所述第二机械振镜相互平行设置。
本发明一较佳实施方式中，所述第一机械振镜和所述第二机械振镜相对于水平方向45°设置。
本发明一较佳实施方式中，所述反射镜和所述二向色镜相互垂直，且所述二向色镜相对于水平方向45°设置。
本发明一较佳实施方式中，所述光栅垂直于水平方向设置。
相较于现有技术，本发明提供的成像光谱仪通过飞秒激光对样品进行线照明，利用双光子荧光激发效应的空间选择性，替代了一般光谱仪的狭缝结构，提高了成像光谱仪的荧光探测效率，再通过机械振镜扫描照明线或移动样品的方式能重构出一幅二维光谱图像。本发明的成像光谱仪在摄影测量与遥感、显微成像、地质矿物识别等应用领域均有应用价值。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的使用振镜扫描形成飞秒激光照明线的成像光谱仪的示意图；
图2为本发明第二实施例提供的使用柱面镜形成飞秒激光照明线的成像光谱仪示意图；
图3位光谱像在相机感光面上的分布示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种成像光谱仪，其包括沿光线传输方向依次设置的第一机械振镜21和第二机械振镜22、第一透镜23、反射镜31、第二透镜32、二向色镜35、物镜33、光栅36、成像透镜37及相机38。
飞秒激光11依次经过第一机械振镜21、第二机械振镜22、第一透镜23、反射镜31、第二透镜32、二向色镜35及物镜33后到达样品34。
可以理解的是，样品34设置于物镜33出射激光的一端，由此，从物镜33出射的激光射向样品34并激发样品34中的荧光粉产生荧光，荧光穿过物镜并射向二向色镜35。
飞秒激光11经过第一机械振镜21和第二机械振镜22进行扫描，其中，第一机械振镜21的扫描方向为照明线的方向，为快轴，第二机械振镜22的扫描方向为光谱分离的方向，为慢轴；快轴与慢轴相互垂直。飞秒激光11在物镜33的焦面上聚焦成一个焦点，经过第一快轴机械振镜21扫描后形成一条照明线。
优选地，第一机械振镜21和第二机械振镜22相互平行设置，且第一机械振镜21和第二机械振镜22相对于水平方向45°设置。
本实施例中，二向色镜35的作用是分离飞秒激光11和荧光12，其透射激光而反射荧光。
样品在照明线上发射的荧光12具有某种光谱，通过物镜33收集后再通过二向色镜35反射至光栅36。
本实施例中，反射镜31和二向色镜35相互垂直，且二向色镜35相对于水平方向45°设置，即反射镜31相对于水平方向-45°设置。
光栅36对荧光12起到光谱分离作用，经光谱分离后的荧光12(λ1、λ2、λ3)经过成像透镜37成像在相机38的感光面上，感光面上每一条线阵列对应一种光谱成分。
本实施例中，光栅36垂直于水平方向设置。
可以理解的是，本实施例通过第二机械振镜22扫描照明线的方式，激光照明样品另外一条线，相机将得到另一条线上的信息，如此重复就可以得到一个二维平面的信息，进而能重构出一幅二维的光谱图像。
请参阅图2，本发明第二实施例提供一种成像光谱仪，其包括沿光线传输方向依次设置的柱面镜24、第一透镜23、反射镜31、第二透镜32、二向色镜35、物镜33、光栅36、成像透镜37及相机38。
可知，与本发明第一实施提供的成像光谱仪的区别在于：本实施例以柱面镜24代替振镜组，即第一机械振镜21和第二机械振镜22。
飞秒激光11依次经过柱面镜24、第一透镜23、反射镜31、第二透镜32、二向色镜35及物镜33后到达样品34。
可以理解的是，样品34设置于物镜33出射激光的一端，由此，从物镜33出射的激光射向样品34并激发样品34中的荧光粉产生荧光，荧光穿过物镜并射向二向色镜35。
飞秒激光11通过柱面镜24后，最终在物镜33的焦面上聚焦成一条焦线。焦线方向或柱面镜24的透镜弧线方向与光谱分离方向垂直。
本实施例中，二向色镜35的作用是分离飞秒激光11和荧光12，其透射激光而反射荧光。
样品在照明线上发射的荧光12具有某种光谱，通过物镜33收集后再通过二向色镜35反射至光栅36。
本实施例中，反射镜31和二向色镜35相互垂直，且二向色镜35相对于水平方向45°设置，即反射镜31相对于水平方向-45°设置。
光栅36对荧光12起到光谱分离作用，经光谱分离后的荧光12(λ1、λ2、λ3)经过成像透镜37成像在相机38的感光面上，感光面上每一条线阵列对应一种光谱成分。
本实施例中，光栅36垂直于水平方向设置。
可以理解的是，本实施例通过移动样品的方式，激光照明样品另外一条线，相机将得到另一条线上的信息，如此重复就可以得到一个二维平面的信息，进而能重构出一幅二维的光谱图像。
请参阅图3，是光谱像在相机38的感光面上的分布示意图。荧光像是一个光谱分离的像51(或52)，分布在感光阵列4上。
图中感光阵列4的竖向为线扫描方向(即照明线方向或快轴)，横向为光谱分离方向(即慢轴)。
光谱分离的荧光像51(或52)在感光阵列4上分布形成为：每一条竖阵列对应一个光谱分量的像(如λ1到λ3)。
相机每拍摄一张图，就得到一幅荧光像分布图，相当于得到了样品一条线上的结构和光谱信息。
可以理解的是，通过第二机械振镜22扫描照明线或移动样品的方式，激光照明样品另外一条线，相机将得到另一条线上的信息，如此重复就可以得到一个二维平面的信息，进而能重构出一幅二维的光谱图像。
需要注意的是，通过第二机械振镜22扫描照明线位置时，荧光像在感光阵列4上的位置也发生改变，如图中荧光像51的位置随着扫描移动到荧光像52的位置。
相较于现有技术，本发明提供的成像光谱仪通过飞秒激光对样品进行线照明，利用双光子荧光激发效应的空间选择性，替代了一般光谱仪的狭缝结构，提高了成像光谱仪的荧光探测效率，再通过机械振镜扫描照明线或移动样品的方式能重构出一幅二维光谱图像。本发明的成像光谱仪在摄影测量与遥感、显微成像、地质矿物识别等应用领域均有应用价值。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种成像光谱仪，其特征在于，包括沿光线传输方向依次设置的振镜组或柱面镜、第一透镜、反射镜、第二透镜、二向色镜、物镜、光栅、成像透镜及相机，飞秒激光射向所述振镜组或柱面镜，经所述第一透镜聚焦于所述反射镜，被所述反射镜反射至所述第二透镜准直并射向所述二向色镜，所述二向色镜透射激光而反射荧光，透射过所述二向色镜的飞秒激光经所述物镜后射向样品，样品中的荧光粉受所述飞秒激光的激发产生荧光并射向所述二向色镜，荧光被所述二向色镜反射至所述光栅进行光谱分离，经所述光栅光谱分离后的荧光经过所述成像透镜并成像于所述相机的感光面。
2.如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述振镜组包括第一机械振镜和第二机械振镜，所述第一机械振镜的扫描方向为快轴，所述第二机械振镜的扫描方向为垂直于所述快轴的慢轴。
3.如权利要求2所述的成像光谱仪，其特征在于，所述第一机械振镜和所述第二机械振镜相互平行设置。
4.如权利要求2所述的成像光谱仪，其特征在于，所述第一机械振镜和所述第二机械振镜相对于水平方向45°设置。
5.如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述反射镜和所述二向色镜相互垂直，且所述二向色镜相对于水平方向45°设置。
6.如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述光栅垂直于水平方向设置。
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