CN110715732B - 多功能Stokes-Mueller成像及光谱探测系统和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能Stokes‑Mueller成像及光谱探测系统和检测方法,包括光源模块、偏振态产生模块、聚光镜模块、样品台模块、物镜模块、偏振态分析模块、探测模块、数据处理模块;光源模块出射的光经过偏振态产生模块的调制后,透过聚光镜模块,照射到样品台模块上的样品,样品透射出的光被物镜模块收集,经过偏振态分析模块的调制后,由探测模块接收并发送给数据处理模块;数据处理模块对所接收数据进行分析处理得到透过样品的光的强度、偏振、光谱、相位特性;本发明能够在一个系统中同时检测光的强度、偏振、光谱、相位特性。
Description
技术领域
本发明属于光学测量的技术领域,具体涉及一种多功能Stokes-Mueller成像及光谱探测系统和检测方法。
背景技术
强度、偏振、光谱、相位是光的四个特性。光与样品相互作用后,光的强度、偏振、光谱、相位可能发生改变,其中蕴含着丰富的样品信息。因此,检测光的强度、偏振、光谱、相位从多个维度对样品进行全面的分析和描述是十分必要和有益的。
现有的偏振系统,无论是简易的偏振光成像系统(如专利CN1341209A使用偏振光对组织成像),或者是Stokes-Mueller偏振系统(如专利CN109839191A一种偏振成像方法及其装置、偏振成像系统),由于测量原理的限制,测量得到的Stokes矢量或Mueller矩阵都丢失了绝对相位信息,使测量结果不完整。
现有的偏振光谱系统,如专利CN202614380U一种静态光谱偏振成像仪、专利CN109253801A一种近红外偏振光谱测试装置及方法等,无法同时满足高空间分辨的二维空间强度像获取和高光谱分辨的偏振光谱测量。
现有的偏振系统除无法满足多物理量测量的需求外,功能上也较为单一(如论文DOI:10.1364/OL.41.004336,Scanning Mueller polarimetric microscopy、论文DOI:10.1364/OL.40.000645,100kHz Mueller polarimeter in reflection configuration、论文DOI:10.1038/srep26466,Complete polarization characterization of singleplasmonic nanoparticle enabled by a novel Dark-field Mueller matrixspectroscopy system等),一个系统的照明方式只能选择明场或暗场,成像方式只能选择透射或反射,导致系统能够测量的样品的种类受到限制。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种多功能Stokes-Mueller成像及光谱探测系统和检测方法,能够在一个系统中同时检测光的强度、偏振、光谱、相位特性,补充了Stokes-Mueller测量时丢失的绝对相位信息,且能同时获得高空间分辨的二维空间强度像和高光谱分辨的偏振光谱,还可在明场/暗场照明和透射/反射成像之间切换,满足不同类型样品的检测需求。
实现本发明的技术方案如下:
一种多功能Stokes-Mueller成像及光谱探测系统,包括光源模块、偏振态产生模块、聚光镜模块、样品台模块、物镜模块、偏振态分析模块、探测模块、数据处理模块;
光源模块出射的光经过偏振态产生模块的调制后,透过聚光镜模块,照射到样品台模块上的样品,样品透射出的光被物镜模块收集,经过偏振态分析模块的调制后,由探测模块接收并发送给数据处理模块;所述探测模块包括光谱仪、探测器、相位传感器和分束镜;
经过偏振态分析模块调制后的成像光束被分束镜分为三路,分别进入光谱仪、探测器和相位传感器,光谱仪对样品进行光谱分析、探测器对样品进行二维成像、相位传感器用于检测光束的绝对相位;
数据处理模块对光谱分析结果、二维成像结果和绝对相位进行分析处理得到透过样品的光的强度、偏振、光谱、相位特性。
一种多功能Stokes-Mueller成像及光谱探测系统,包括光源模块、偏振态产生模块、反射模块、样品台模块、物镜模块、偏振态分析模块、探测模块、数据处理模块;
光源模块出射的光经过偏振态产生模块的调制后,被反射模块反射进物镜模块,透过物镜模块的光照射到样品台模块,样品台模块上的样品反射回的光被物镜模块收集,经过偏振态分析模块的调制后,由探测模块接收并发送给数据处理模块;所述探测模块包括光谱仪、探测器、相位传感器和分束镜;
经过偏振态分析模块调制后的成像光束被分束镜分为三路,分别进入光谱仪、探测器和相位传感器,光谱仪对样品进行光谱分析、探测器对样品进行二维成像、相位传感器用于检测光束的绝对相位;
数据处理模块对光谱分析结果、二维成像结果和绝对相位进行分析处理得到样品反射的光的强度、偏振、光谱、相位特性。
一种多功能Stokes-Mueller成像及光谱探测系统,包括第一光源模块、第二光源模块、第一偏振态产生模块、第二偏振态产生模块、聚光镜模块、反射模块、样品台模块、物镜模块、偏振态分析模块、探测模块和数据处理模块。
第一光源模块出射的光经过第一偏振态产生模块的调制后,透过聚光镜模块,照射到样品台模块上的样品,样品透射出的光被物镜模块收集,经过偏振态分析模块的调制后,由探测模块接收并发送给数据处理模块;所述探测模块包括光谱仪、探测器、相位传感器和分束镜;
经过偏振态分析模块调制后的成像光束被分束镜分为三路,分别进入光谱仪、探测器和相位传感器,光谱仪对样品进行光谱分析、探测器对样品进行二维成像、相位传感器用于检测光束的绝对相位;
数据处理模块对光谱分析结果、二维成像结果和绝对相位进行分析处理得到透过样品的光的强度、偏振、光谱、相位特性;
第二光源模块出射的光经过第二偏振态产生模块的调制后,被反射模块反射进物镜模块,透过物镜模块的光照射到样品台模块,样品台模块上的样品反射回的光被物镜模块收集,经过偏振态分析模块的调制后,由探测模块接收并发送给数据处理模块;所述探测模块包括光谱仪、探测器、相位传感器和分束镜;
经过偏振态分析模块调制后的成像光束被分束镜分为三路,分别进入光谱仪、探测器和相位传感器,光谱仪对样品进行光谱分析、探测器对样品进行二维成像、相位传感器用于检测光束的绝对相位;
数据处理模块对光谱分析结果、二维成像结果和绝对相位进行分析处理得到样品反射的光的强度、偏振、光谱、相位特性。
进一步地,所述光源模块包括光源、准直器、光阑、衰减器、滤光器;光源发出的光经过准直器后成为准直光束,依次由光阑调节光束口径、由衰减器调节光强、由滤光器调节波长范围后出射。
进一步地,所述聚光镜模块包括三个可切换的部件:明场聚光镜、暗场聚光镜和通光孔径;明场聚光镜用于透射样品的明场照明,暗场聚光镜用于透射样品的暗场照明,通光孔径用于对透射样品的直接照明。
进一步地,所述物镜模块包括多个可切换的部件:不同参数的物镜和通光孔径。
进一步地,所述反射模块包括三个可切换的部件:分束镜、暗场反射镜和通光孔径;分束镜用于反射样品的明场照明,暗场反射镜用于透射样品的暗场成像和反射样品的暗场照明,通光孔径用于透射样品的成像。
进一步地,所述偏振态分析模块包括光子偏振几率测量模块和偏振态分析器;其中,光子偏振几率测量模块包括两个可切换的部件:空间分布的相位调制器和通光孔径。
进一步地,经过数据处理模块的处理,可以获得样品的强度像、强度光谱、Stokes-Mueller像、Stokes-Mueller光谱、光子偏振几率、绝对相位;进而得到偏振度、偏振像差、Mueller矩阵分解的多种形式的图像和光谱。
一种多功能Stokes-Mueller成像及光谱探测系统的检测方法,包含以下步骤:
步骤一,根据所需的照明方式和成像方式选择聚光镜模块、物镜模块和反射模块中的可切换部件;
步骤二,平移聚光镜模块和物镜模块使待测样品清晰成像,平移样品台使待测样品的待测量区域到达物镜视场中心;
步骤三,通过控制偏振态产生模块和偏振态分析模块使系统处于不同的起偏和检偏状态,同时探测模块进行拍摄;
步骤四,处理探测模块中光谱仪、探测器和相位传感器的数据,得到测量对象的强度像、强度光谱、Stokes-Mueller像、Stokes-Mueller光谱、光子偏振几率、绝对相位;进而得到偏振度、偏振像差、Mueller矩阵分解的多种形式的图像和光谱。
有益效果:
本发明在探测模块采用了分光镜,从而将待测光束分光,并对其中一束进行相位检测,从而使得,本发明能够检测到传统检测仪器丢失的绝对相位信息;再结合偏振调制器件、光谱仪、探测器等,本发明可完成强度像、强度光谱、Stokes-Mueller像、Stokes-Mueller光谱、光子偏振几率、绝对相位的检测,实现了从强度、偏振、光谱和相位多个维度对多种样品进行全面的分析和描述,检测结果具有极其丰富的信息量和使用价值。除此之外,通过切换聚光镜模块和反射模块中的部件,本发明可实现在一台仪器中对透射或反射样品进行明场或暗场成像,大大增加了仪器可检测的样品类型,扩展了仪器的应用范围。
附图说明
图1为多功能Stokes-Mueller偏振成像系统示意图。
其中,101-第一光源模块,102-第一偏振态产生模块,103-聚光镜模块,104-样品台模块,105-物镜模块,106-反射模块,107-偏振态分析模块,108-探测模块,109-数据处理模块,110-第二光源模块,111-第二偏振态产生模块。
图2为光源模块示意图。
其中,211-光源一,212-匹配光源一的准直镜,213-光源二,214-匹配光源二的准直镜,215-分束镜或反射镜,216-光阑,217-衰减器,218-滤光器。
图3为聚光镜模块示意图。
其中,331-暗场聚光镜,332-明场聚光镜,333-通光孔径,334-聚光镜转换器。
图4为物镜模块示意图。
其中,451-物镜转换器,452-通光孔径,453-物镜一,454-物镜二。
图5为反射模块示意图。
其中,561-分束镜,562-暗场反射镜,563-通光孔径,564-反射模块转换器。
图6为偏振态分析模块示意图。
其中,671-空间分布的相位调制器一,672-空间分布的相位调制器二,673-通光孔径,674-偏振态分析模块转换器,675-偏振态分析器。
图7为探测模块示意图。
其中,781-分束镜,782-结像镜,783-光谱仪,784-分束镜,785-结像镜,786-探测器,787-结像镜,788-相位传感器。
图8为多功能Stokes-Mueller偏振成像系统的检测方法。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种多功能Stokes-Mueller成像及光谱探测系统,如图1所示,图1中实心箭头表示透射照明和成像光路,空心箭头表示反射照明光路。
(一)测量透射样品
如图2所示,第一光源模块101中光源211(或光源213)发出的光经过准直镜212(或准直镜214)后变为准直光束,依次经过分束镜215(或反射镜215)光阑216、衰减器217、滤光器218调整为合适的光束尺寸、光强、波长范围,然后传播到第一偏振态产生模块102。
一种优选的第一偏振态产生模块102由固定的线偏振片和由精密电机带动的可绕中心旋转的消色差λ/4波片组成,可以通过旋转波片将光束调整为不同的偏振态,然后传播到聚光镜模块103。
如图3所示,一种优选的聚光镜模块103由明场聚光镜331、暗场聚光镜332、通光孔径333组成,可根据样品的照明需要(明场或暗场)利用聚光镜转换器334切换为合适的聚光镜或通光孔径,将具有特定强度、特定波长范围、特定偏振态的光束照明到样品台模块104的样品上。
透过样品的光束被物镜模块105收集,如图4所示,一种优选的物镜模块105由物镜转换器451、不同类型的物镜453(或454等)和一个通光孔径452组成,可根据样品的成像需要利用物镜转换器451切换为合适的物镜或通光孔径。物镜一和物镜二是不同参数的物镜,参数包括放大率、视场、数值孔径、适用的波长范围、消色差情况、明暗场适用性等,此处仅以两个物镜为例,也可有多个物镜。
由于样品为透射样品,因此从物镜模块105出射的光束直接通过反射模块106的通光孔径563,进入偏振态分析模块107。如图6所示,一种优选的偏振态分析模块107由空间分布的相位调制器671和672、通光孔径673、偏振态分析器组成,671、672、673、674构成光子偏振几率测量模块。其中,空间分布的相位调制器671和672仅在光子偏振几率测量时利用偏振态分析模块转换器674移入光路,否则切换为通光孔径673。一种优选的偏振态分析器675由精密电机带动的可绕中心旋转的消色差λ/4波片和固定的线偏振片组成,可以通过旋转波片使系统处于不同的检偏状态。
经过偏振态分析模块107检偏后的光束进入探测模块108,如图7所示,探测模块108中的分束镜781和分束镜784将光束分为三份,分别进入光谱仪783、探测器786、相位传感器788。
计算机控制与分析模块109根据需要的照明方式和成像方式切换聚光镜模块103、物镜模块105、反射模块106,切换后的组合方式见下表。
平移聚光镜模块103和物镜模块105对焦,平移样品台104到适合的位置;调整第一光源模块101和探测模块108的参数,使图像亮度适中;通过控制第一偏振态产生模块102和偏振态分析模块107使系统处于不同的起偏和检偏状态,同时控制探测模块108进行拍摄。
计算机控制与分析模块109处理探测模块108中光谱仪783、探测器786、相位传感器788的数据,得到测量对象的强度像、强度光谱、Stokes-Mueller像、Stokes-Mueller光谱、光子偏振几率、绝对相位。
(二)测量反射样品
第二光源模块110中光源211(或光源213)发出的光经过准直镜212(或准直镜214)后变为准直光束,依次经过分束镜215(或反射镜215)光阑216、衰减器217、滤光器218调整为合适的光束尺寸、光强、波长范围,然后传播到第二偏振态产生模块111。
一种优选的第二偏振态产生模块111由固定的线偏振片和由精密电机带动的可绕中心旋转的消色差λ/4波片组成,可以通过旋转波片将光束调整为不同的偏振态,然后传播到反射模块106。
如图5所示,一种优选的反射模块106由分束镜561、暗场反射镜562、通光孔径563组成,可根据样品的照明需要(明场或暗场)利用反射模块转换器564切换为合适的分束镜561或暗场反射镜562,光束通过物镜模块105将具有特定强度、特定波长范围、特定偏振态的光束照明到样品台模块104的样品上。
样品反射的光束被物镜模块105收集,一种优选的物镜模块105由物镜转换器451、不同类型的物镜453(或454等)和一个通光孔径452组成,可根据样品的成像需要利用物镜转换器451切换为合适的物镜或通光孔径。从物镜模块105出射的光束通过反射模块106,进入偏振态分析模块107。
一种优选的偏振态分析模块107由空间分布的相位调制器671和672、通光孔径673、偏振态分析器组成,其中,空间分布的相位调制器671和672仅在光子偏振几率测量时利用偏振态分析模块转换器674移入光路,否则切换为通光孔径673。一种优选的偏振态分析器675由精密电机带动的可绕中心旋转的消色差λ/4波片和固定的线偏振片组成,可以通过旋转波片使系统处于不同的检偏状态。
经过偏振态分析模块107检偏后的光束进入探测模块108,探测模块108中的分束镜781和分束镜784将光束分为三份,分别进入光谱仪783、探测器786、相位传感器788。
计算机控制与分析模块109根据需要的照明方式和成像方式切换聚光镜模块103、物镜模块105、反射模块106,切换后的组合方式见下表。
平移聚光镜模块103和物镜模块105对焦,平移样品台104到适合的位置;调整第一光源模块101和探测模块108的参数,使图像亮度适中;通过控制第一偏振态产生模块102和偏振态分析模块107使系统处于不同的起偏和检偏状态,同时控制探测模块108进行拍摄;
计算机控制与分析模块109处理探测模块108中光谱仪783、探测器786、相位传感器788的数据,得到测量对象的强度像、强度光谱、Stokes-Mueller像、Stokes-Mueller光谱、光子偏振几率、绝对相位。
如图8所示,本发明的多功能Stokes-Mueller成像及光谱探测系统的检测方法,具体包括以下步骤:
首先,根据待测对象的透射/反射特征调整光源模块、偏振态产生模块的位置:对于透射样品,将第一光源模块、第一偏振态产生模块放置在101、102处;对于反射样品,将第二光源模块、第二偏振态产生模块放置在110、111处;
步骤一,根据需要的照明方式和成像方式切换聚光镜模块、物镜模块、反射模块,切换后的组合方式见上文中两个表格所示;
步骤二,在光轴方向平移聚光镜模块和物镜模块,使探测器上呈现清晰的样品的像;在垂直于光轴的平面内平移样品台,使样品的待测量区域到达物镜视场中心;调整光源模块和探测模块的参数(如光源亮度、曝光时间等),使图像亮度适中;
步骤三,通过控制偏振态产生模块和偏振态分析模块使系统处于不同的起偏和检偏状态,同时探测模块进行拍摄;
步骤四,计算机处理探测模块中光谱仪、探测器、相位传感器的数据,得到测量对象的强度像、强度光谱、Stokes-Mueller像、Stokes-Mueller光谱、光子偏振几率、绝对相位;进一步,可得到偏振度、偏振像差、Mueller矩阵分解的多种形式的图像和光谱。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多功能Stokes-Mueller成像及光谱探测系统,其特征在于,包括光源模块、偏振态产生模块、聚光镜模块、样品台模块、物镜模块、偏振态分析模块、探测模块、数据处理模块;所述偏振态产生模块包括可旋转偏振片和可旋转λ/4波片,所述偏振态分析模块包括可旋转λ/4波片和可旋转偏振片;
光源模块出射的光经过偏振态产生模块中可旋转偏振片和可旋转λ/4波片的调制后,透过聚光镜模块,照射到样品台模块上的样品,样品透射出的光被物镜模块收集,经过偏振态分析模块中可旋转λ/4波片和可旋转偏振片的调制后,由探测模块接收并发送给数据处理模块;所述探测模块包括光谱仪、探测器、相位传感器和分束镜;
经过偏振态分析模块调制后的成像光束被分束镜分为三路,分别进入光谱仪、探测器和相位传感器,光谱仪对样品进行光谱分析、探测器对样品进行二维成像、相位传感器用于检测光束的绝对相位;
数据处理模块对光谱分析结果、二维成像结果和绝对相位进行分析处理得到透过样品的光的强度、偏振、光谱、相位特性。
2.一种多功能Stokes-Mueller成像及光谱探测系统,其特征在于,包括光源模块、偏振态产生模块、反射模块、样品台模块、物镜模块、偏振态分析模块、探测模块、数据处理模块;所述偏振态产生模块包括可旋转偏振片和可旋转λ/4波片,所述偏振态分析模块包括可旋转λ/4波片和可旋转偏振片;
光源模块出射的光经过偏振态产生模块中可旋转偏振片和可旋转λ/4波片的调制后,被反射模块反射进物镜模块,透过物镜模块的光照射到样品台模块,样品台模块上的样品反射回的光被物镜模块收集,经过偏振态分析模块中可旋转λ/4波片和可旋转偏振片的调制后,由探测模块接收并发送给数据处理模块;所述探测模块包括光谱仪、探测器、相位传感器和分束镜;
经过偏振态分析模块调制后的成像光束被分束镜分为三路,分别进入光谱仪、探测器和相位传感器,光谱仪对样品进行光谱分析、探测器对样品进行二维成像、相位传感器用于检测光束的绝对相位;
数据处理模块对光谱分析结果、二维成像结果和绝对相位进行分析处理得到样品反射的光的强度、偏振、光谱、相位特性。
3.一种多功能Stokes-Mueller成像及光谱探测系统,其特征在于,包括第一光源模块、第二光源模块、第一偏振态产生模块、第二偏振态产生模块、聚光镜模块、反射模块、样品台模块、物镜模块、偏振态分析模块、探测模块和数据处理模块;所述第一偏振态产生模块包括可旋转偏振片和可旋转λ/4波片,所述第二偏振态产生模块包括可旋转偏振片和可旋转λ/4波片,所述偏振态分析模块包括可旋转λ/4波片和可旋转偏振片;
第一光源模块出射的光经过第一偏振态产生模块中可旋转偏振片和可旋转λ/4波片的调制后,透过聚光镜模块,照射到样品台模块上的样品,样品透射出的光被物镜模块收集,经过偏振态分析模块中可旋转λ/4波片和可旋转偏振片的调制后,由探测模块接收并发送给数据处理模块;所述探测模块包括光谱仪、探测器、相位传感器和分束镜;
经过偏振态分析模块调制后的成像光束被分束镜分为三路,分别进入光谱仪、探测器和相位传感器,光谱仪对样品进行光谱分析、探测器对样品进行二维成像、相位传感器用于检测光束的绝对相位;
数据处理模块对光谱分析结果、二维成像结果和绝对相位进行分析处理得到透过样品的光的强度、偏振、光谱、相位特性;
第二光源模块出射的光经过第二偏振态产生模块中可旋转偏振片和可旋转λ/4波片的调制后,被反射模块反射进物镜模块,透过物镜模块的光照射到样品台模块,样品台模块上的样品反射回的光被物镜模块收集,经过偏振态分析模块中可旋转λ/4波片和可旋转偏振片的调制后,由探测模块接收并发送给数据处理模块;所述探测模块包括光谱仪、探测器、相位传感器和分束镜;
经过偏振态分析模块调制后的成像光束被分束镜分为三路,分别进入光谱仪、探测器和相位传感器,光谱仪对样品进行光谱分析、探测器对样品进行二维成像、相位传感器用于检测光束的绝对相位;
数据处理模块对光谱分析结果、二维成像结果和绝对相位进行分析处理得到样品反射的光的强度、偏振、光谱、相位特性。
4.如权利要求1、2或3所述的一种多功能Stokes-Mueller成像及光谱探测系统,其特征在于,所述光源模块包括光源、准直器、光阑、衰减器、滤光器;光源发出的光经过准直器后成为准直光束,依次由光阑调节光束口径、由衰减器调节光强、由滤光器调节波长范围后出射。
5.如权利要求1或3所述的一种多功能Stokes-Mueller成像及光谱探测系统,其特征在于,所述聚光镜模块包括三个可切换的部件:明场聚光镜、暗场聚光镜和通光孔径;明场聚光镜用于透射样品的明场照明,暗场聚光镜用于透射样品的暗场照明,通光孔径用于对透射样品的直接照明。
6.如权利要求1、2或3所述的一种多功能Stokes-Mueller成像及光谱探测系统,其特征在于,所述物镜模块包括多个可切换的部件:不同参数的物镜和通光孔径。
7.如权利要求2或3所述的一种多功能Stokes-Mueller成像及光谱探测系统,其特征在于,所述反射模块包括三个可切换的部件:分束镜、暗场反射镜和通光孔径;分束镜用于反射样品的明场照明,暗场反射镜用于透射样品的暗场成像和反射样品的暗场照明,通光孔径用于透射样品的成像。
8.如权利要求1、2或3所述的一种多功能Stokes-Mueller成像及光谱探测系统,其特征在于,所述偏振态分析模块包括光子偏振几率测量模块和偏振态分析器;其中,光子偏振几率测量模块包括两个可切换的部件:空间分布的相位调制器和通光孔径。
9.如权利要求1、2或3所述的一种多功能Stokes-Mueller成像及光谱探测系统,其特征在于,经过数据处理模块的处理,可以获得样品的强度像、强度光谱、Stokes-Mueller像、Stokes-Mueller光谱、光子偏振几率、绝对相位;进而得到偏振度、偏振像差、Mueller矩阵分解的多种形式的图像和光谱。
10.一种应用于权利要求3所述系统的Stokes-Mueller成像及光谱检测方法,其特征在于,包含以下步骤:
步骤一,根据所需的照明方式和成像方式选择聚光镜模块、物镜模块和反射模块中的可切换部件;
步骤二,平移聚光镜模块和物镜模块使待测样品清晰成像,平移样品台使待测样品的待测量区域到达物镜视场中心;
步骤三,通过控制偏振态产生模块和偏振态分析模块使系统处于不同的起偏和检偏状态,同时探测模块进行拍摄;
步骤四,处理探测模块中光谱仪、探测器和相位传感器的数据,得到测量对象的强度像、强度光谱、Stokes-Mueller像、Stokes-Mueller光谱、光子偏振几率、绝对相位;进而得到偏振度、偏振像差、Mueller矩阵分解的多种形式的图像和光谱。
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