CN111855639A - 一种光谱采集系统和光谱采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光谱采集系统和光谱采集方法，光谱采集系统包括：第一光源、第一相位调制器件、扫描振镜、第二相位调制器件和第一检测装置。本发明中，采用第一相位调制器件对第一光源出射的激发光的相位进行调制，对激发光加载了额外的预设相位，可以延长激发深度，从而可以有效地激发更多的待测样品的物质成分信息，进而提高了待测样品的的激发速度和范围；采用第二相位调制器件对信号光进行相位调制，以对信号光加载预设相位，可以保证信号光都能被第一检测装置收集，从而拓展了采集系统的景深，进而提高了待测样品的出射光光谱的采集速度和范围。

Description

一种光谱采集系统和光谱采集方法

技术领域

本发明涉及光谱学技术领域，更具体地说，涉及一种光谱采集系统和光谱采集方法。

背景技术

不同类型的原子有不同的能级分布，这些能级的差异会反映在相应的光谱上，即不同物质会有不同的光谱，因此，光谱学被广泛的应用于物质检测、化学成分分析、生物医学等领域。

通常情况下，光谱采集系统会将激发光照射到待测样品上，并采集待测样品的出射光的光谱，该出射光的光谱包含了激发光照射区域内待测样品的物质成分信息，即对采集的出射光的光谱进行分析后，即可得到激发光照射区域内待测样品的物质成分信息。

但是，由于采集到的出射光只能包含激光光斑处的物质成分信息，因此，如果想要获得整个待测样品的信息，需要对待测样品从三个维度即从X轴、Y轴和Z轴方向逐点扫描或者随机取点实现，这样就很难做到快速精确地采集光谱。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种光谱采集系统和光谱采集方法，以快速精确地采集待测样品的出射光光谱。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光谱采集系统，包括：

第一光源，用于发射激发光；

第一相位调制器件，用于对所述第一光源出射的激发光的相位进行调制，以对所述激发光加载预设相位；

扫描振镜，用于对所述激发光的方向进行调节，以使调节后的激发光从第一侧照射到待测样品的不同位置，所述激发光经所述待测样品散射后形成信号光；

所述扫描振镜还用于将所述信号光传输至第二相位调制器件；

所述第二相位调制器件用于对所述信号光进行相位调制，以对所述信号光加载预设相位，并将所述信号光传输至第一检测装置；

所述第一检测装置用于收集所述信号光，获得光谱信息，并根据所述光谱信息获得所述待测样品的物质成分信息。

可选地，所述第一相位调制器件和所述第二相位调制器件为相位掩模板。

可选地，所述第一相位调制器件和所述第二相位调制器件为圆对称相位掩模板。

可选地，还包括：

位于所述第一光源和所述第一相位掩模板之间的带通滤波片；

位于所述第二相位掩模板和所述第一检测装置之间的高通滤波片。

可选地，还包括：

依次位于扫描振镜和待测样品之间的第一透镜、第二透镜和物镜。

可选地，还包括：

位于第二相位调制器件和第一检测装置之间的第三透镜。

可选地，还包括：

位于所述扫描振镜的出射光路上的第一分光元件；

所述第一分光元件用于将所述激发光反射至所述扫描振镜、将所述扫描振镜出射的信号光透射至所述第二相位掩模板。

可选地，还包括：

第二光源，用于从第二侧向所述待测样品发射照明光，以使所述照明光穿透所述待测样品后出射，所述第二侧和所述第一侧相对设置；

第二分光元件，用于将所述信号光反射至所述扫描振镜，将所述照明光透射至第二检测装置；

所述第二检测装置用于收集所述照明光，并根据所述照明光获得所述待测样品的图像信息，以根据所述图像信息调整所述激发光照射到所述待测样品的位置。

一种光谱采集方法，应用于如上任一项所述的光谱采集系统，所述方法包括：

第一光源发射激发光；

第一相位调制器件对所述第一光源出射的激发光的相位进行调制，以对所述激发光加载预设相位；

扫描振镜对所述激发光的方向进行调节，以使调节后的激发光从第一侧照射到待测样品的不同位置，所述激发光经所述待测样品散射后形成信号光；

所述扫描振镜将所述信号光传输至第二相位调制器件；

所述第二相位调制器件对所述信号光进行相位调制，以对所述信号光加载预设相位，并将所述信号光传输至第一检测装置；

所述第一检测装置收集所述信号光，获得光谱信息，并根据所述光谱信息获得所述待测样品的物质成分信息。

可选地，还包括：

第二光源从第二侧向所述待测样品发射照明光，以使所述照明光穿透所述待测样品后出射，所述第二侧和所述第一侧相对设置；

第二分光元件将所述信号光反射至所述扫描振镜，将所述照明光透射至第二检测装置；

所述第二检测装置收集所述照明光，并根据所述照明光获得所述待测样品的图像信息，以根据所述图像信息调整所述激发光照射到所述待测样品的位置。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的光谱采集系统和光谱采集方法，采用第一相位调制器件对所述第一光源出射的激发光的相位进行调制，对所述激发光加载了额外的预设相位，从而延长了有效的激发深度(光片激发)，进而可以有效地激发更多的待测样品的物质成分信息，提高了待测样品的出射光光谱的激发速度和范围。

采用第二相位调制器件对所述信号光进行相位调制，以对所述信号光加载预设相位，可以保证信号光都能被第一检测装置收集，从而拓展了采集系统的景深，进而提高了待测样品的出射光光谱的采集速度和范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例提供的一种光谱采集系统的结构示意图；

图2为本发明另一个实施例提供的一种光谱采集系统的结构示意图；

图3为一种待测样品的实际三维分布图；

图4示出了待测样品S1平面内的光谱信息；

图5为本发明实施例提供拓展景深后的待测样品的投影图像；

图6示出了本发明实施例提供的光谱采集系统采集的待测样品的光谱信息；

图7为本发明一个实施例提供的一种光谱采集方法的流程图。

具体实施方式

以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种光谱采集系统，如图1所示，包括：

第一光源1，用于发射激发光；可选地，第一光源1为激光器。

第一相位调制器件2，用于对第一光源1出射的激发光的相位进行调制，以对激发光加载预设相位；

扫描振镜3，用于对激发光的方向进行调节，以使调节后的激发光从第一侧照射到待测样品4的不同位置，激发光经待测样品4散射后形成信号光；

扫描振镜3还用于将信号光传输至第二相位调制器件5；

第二相位调制器件5用于对信号光进行相位调制，以对信号光加载预设相位，并将信号光传输至第一检测装置6；

第一检测装置6用于收集信号光，获得光谱信息，并根据光谱信息获得待测样品的物质成分信息。

本发明实施例中，采用第一相位调制器件2对第一光源1出射的激发光的相位进行调制，对激发光加载了额外的预设相位，从而延长了有效的激发深度(实现了光片激发)，进而可以有效地激发出更多的待测样品4更深层的物质成分信息，提高了待测样品4的出射光光谱的采集速度和精确度。

采用第二相位调制器件5对信号光进行相位调制，以对信号光加载预设相位，可以保证信号光都能被第一检测装置6收集，从而实现了景深拓展，进而提高了待测样品4的出射光光谱的采集精确度。

需要说明的是，本发明实施例中的光谱采集系统还包括：依次位于扫描振镜3和待测样品4之间的第一透镜6、第二透镜7、反射镜8和物镜9，第一透镜6、第二透镜7和物镜9用于将激发光会聚至待测样品4上，其中物镜9还用于收集待测样品4反射的信号光等，第一透镜6和第二透镜7还用于将信号光会聚至扫描振镜3。其中，反射镜8用于反射激发光和信号光，以改变光路的方向。当然，本发明实施例中，为了降低成本，可以省去反射镜8，在此不再赘述。

本发明实施例中的光谱采集系统还包括：位于扫描振镜3和第二相位调制器件5之间的第一分光元件10，以及，位于第二相位调制器件5和第一检测装置6之间的第三透镜11。第一分光元件10用于将激发光反射至扫描振镜3，将扫描振镜3出射的信号光透射至第二相位调制器件5。第三透镜11用于将信号光会聚至第一检测装置6。

本发明实施例中的光谱采集系统还包括：

位于第一光源1和第一相位掩模板2之间的带通滤波片12；

位于第二相位掩模板5和第一检测装置6之间的高通滤波片13。

可选地，本发明实施例中的第一检测装置6为光谱仪，其通过光纤接收第三透镜11出射的信号光。本发明实施例中的光谱仪通过光谱曲线获得光谱信息，但是，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，可以利用多元分析的方法获得高光谱图像，能够直观的反映待测样品中各成分的三维分布。

如图2所示，本发明另一实施例提供的光谱采集系统还包括：

第二光源20，用于从第二侧向待测样品4发射照明光，以使照明光穿透待测样品4后出射，第二侧和第一侧相对设置；可选地，第二光源20为LED光源。

第二分光元件21，用于将信号光反射至扫描振镜3，将照明光透射至第二检测装置22；

第二检测装置22用于收集照明光，并根据照明光获得待测样品4的图像信息，以根据图像信息调整激发光照射到待测样品4的位置。

当然，本发明实施例提供的光谱采集系统还包括位于第二分光元件21和第二检测装置22之间的第四透镜23和反射镜24，其中第四透镜23用于对照明光进行会聚，反射镜24用于对照明光进行反射，以将其反射至第二检测装置22。可选地，本发明实施例中的第二检测装置22可以为相机等成像装置。可选地，本发明实施例中的第一分光元件10和第二分光元件21都为二向色镜。

本发明实施例中，通过第一相位调制器件2和第二相位调制器件5将景深延长技术应用到了光谱的采集过程中。可选地，第一相位调制器件2和第二相位调制器件5为相位掩模板。当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，第一相位调制器件2和第二相位调制器件5还可以为液晶、变形镜或变焦透镜等快速电调焦器件。

其中，相位掩模板的应用属于光瞳工程，光瞳工程属于景深延长技术，即通过在光谱采集系统光瞳平面上添加特定的相位掩模，对光瞳平面内的波前进行处理，对系统的光瞳函数进行改造，使三维点扩散函数沿z轴缓慢变化，从而可以同步记录三维样品的信息，进而可以快速精确地对光谱信息进行采集。

由于发明中设计的圆对称位相掩模不仅具有更高的斯特列尔比，对光谱的激发非常有好处，而且可产生直接可用的图像，减少了数据处理的复杂程度，也可在一定程度上拓宽聚焦层的厚度即延长了景深，因此，进一步可选地，本发明实施例中的第一相位调制器件2和第二相位调制器件5为圆对称相位掩模。当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，第一相位调制器件2和第二相位调制器件5还可以为环形掩模或对数掩模等。

本发明实施例中，可以采用下述公式(1)来计算第一相位调制器件2和第二相位调制器件5需要加载的相位，并根据计算结果设计相位掩模，以对其透射的光加载预设相位。

其中，k代表波数，f_TL2表示第二透镜7的焦距，f_obj表示物镜9的焦距，f_L1表示第一透镜6的焦距。在极坐标表示下，

代表在光瞳平面的半径。C是常数。需要说明的是，本发明实施例提供的相位加载方法并不针对某一种特定的光谱和特定的光瞳加工技术。

本发明实施例提供的光谱采集系统，通过第一相位调制器件2对激发光进行相位调制，在单位时间下能够获得更多的待测样品4的物质成分信息，基于此，可以缩短获得待测样品4整体物质成分信息的时间。也就是说，本发明实施例提供的光谱采集系统能够提升光谱采集的时间分辨率，这在一些对时间分辨率有一定要求的场合是非常有利的。例如在细胞成像方面，由于细胞是动态的，因此，为了获取细胞的三维数据，需沿Z轴对细胞进行扫描，采用传统的共聚焦采集系统耗时较长，会导致信息丢失、图像模糊，而本发明实施例中的光谱采集系统耗时较短，更有利于细胞三维数据的采集。

由于拉曼光谱具有无损和高特异性等优点，因此，可选地，本发明实施例提供的光谱采集系统为拉曼光谱系统。如下以拉曼光谱系统以及圆对称相位掩膜为例，对光谱采集系统的检测过程进行说明。

参考图2，第一光源10出射激发光，带通滤光片12将连续的激光即激发光的带宽限制的非常窄，然后通过第一相位掩模板2对平面波做相应的相位调制，经过第一分光元件10、扫描振镜3以及第一透镜6和第二透镜7构成的延伸系统到达物镜9的后焦面，物镜9再做傅里叶变换，即拓展了激发光的激发深度，实现光片激发。被激发的拉曼信号光经由相同的物镜9收集，经过与入射的激发光相同的光路到达第一分光元件10，透射拉曼信号光，并且反射入射激发光以及瑞利信号。由于光纤的纤芯有一定大小，因此，为了保证拉曼信号光都能通过光纤的纤芯，通过第二相位掩模板5对收集的背向散射的拉曼信号光加额外的相位，通过第三透镜11做傅里叶变换之后确保所有的光谱信息都能进入光纤，实现景深延长的目的。其中，放置高通滤波片13的目的是进一步削减光线中反射光以及瑞利信号的成分，突出拉曼信号光。通常拉曼系统只能采集到一两个微米深的待测样品信息，而本发明实施例中，可以将采集深度延长到十倍左右。

待测样品4内的物质分类如图3所示，现有的共聚焦光谱系统只能采集处在S1平面内的物质的信息。与之对应的光谱数据集如图4所示。而应用本发明实施例中的光谱采集系统，可以获得图3沿着Z方向投影的数据，结果如图5所示。如果在Z轴方向上有两个物质重叠，那么我们获取的图像会有一定的信息损失。如图3中的B1、B2点，投影之后变成图5中B3点。由于光谱本身满足稀疏性要求，因此，当本发明中加入额外的相位即加入光谱信息后，在Z方向上重叠的两个点，所对应的光谱如图6中的B3光谱所示，我们可以通过对采集到的光谱进行数据处理，实现将在Z方向重叠的两个点区分开来。

本发明实施例还提供了一种光谱采集方法，应用于如上任一实施例提供的光谱采集系统，如图7所示，方法包括：

S101：第一光源发射激发光；

S102：第一相位调制器件对第一光源出射的激发光的相位进行调制，以对激发光加载预设相位；

S103：扫描振镜对激发光的方向进行调节，以使调节后的激发光从第一侧照射到待测样品的不同位置，激发光经待测样品散射后形成信号光；

S104：扫描振镜将信号光传输至第二相位调制器件；

S105：第二相位调制器件对信号光进行相位调制，以对信号光加载预设相位，并将信号光传输至第一检测装置；

S106：第一检测装置收集信号光，获得光谱信息，并根据光谱信息获得待测样品的物质成分信息。

参考图2，本发明另一实施例提供的方法，还包括：

第二光源从第二侧向待测样品发射照明光，以使照明光穿透待测样品后出射，第二侧和第一侧相对设置；

第一分光元件将信号光反射至扫描振镜，将照明光透射至第二检测装置；

第二检测装置收集照明光，并根据照明光获得待测样品的图像信息，以根据图像信息调整激发光照射到待测样品的位置。

参考图2，第一光源10出射激发光，带通滤光片12将连续的激光即激发光的带宽限制的非常窄，然后通过第一相位掩模板2对平面波做相应的相位调制，经过第一分光元件10、扫描振镜3以及第一透镜6和第二透镜7构成的延伸系统到达物镜9的后焦面，物镜9再做傅里叶变换，即拓展了激发光的激发深度，实现光片激发。被激发的拉曼信号光经由相同的物镜9收集，经过与入射的激发光相同的光路到达第一分光元件20，透射拉曼信号光，并且反射入射激发光以及瑞利信号。由于光纤的纤芯有一定大小，因此，为了保证拉曼信号光都能通过光纤的纤芯，通过第二相位掩模板5对收集的背向散射的拉曼信号光加额外的相位，通过第三透镜11做傅里叶变换之后确保所有的光谱信息都能进入光纤，实现景深延长的目的。其中，放置高通滤波片13的目的是进一步削减光线中反射光以及瑞利信号的成分，突出拉曼信号光。

本发明所提供的光谱采集系统和光谱采集方法，采用第一相位调制器件对第一光源出射的激发光的相位进行调制，对激发光加载了额外的预设相位，从而延长了有效的激发深度(实现光片激发)，进而可以有效地激发出更多的待测样品的物质成分信息，提高了待测样品的出射光光谱的激发速度和范围。

采用第二相位调制器件对信号光进行相位调制，以对信号光加载预设相位，可以保证信号光都能被第一检测装置收集，从而拓展了采集系统的景深，进而提高了待测样品的出射光光谱的采集速度和范围。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种光谱采集系统，其特征在于，包括：

第一光源，用于发射激发光；

第一相位调制器件，用于对所述第一光源出射的激发光的相位进行调制，以对所述激发光加载预设相位；

扫描振镜，用于对所述激发光的方向进行调节，以使调节后的激发光从第一侧照射到待测样品的不同位置，所述激发光经所述待测样品散射后形成信号光；

所述扫描振镜还用于将所述信号光传输至第二相位调制器件；

所述第二相位调制器件用于对所述信号光进行相位调制，以对所述信号光加载预设相位，并将所述信号光传输至第一检测装置；

所述第一检测装置用于收集所述信号光，获得光谱信息，并根据所述光谱信息获得所述待测样品的物质成分信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一相位调制器件和所述第二相位调制器件为相位掩模板。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一相位调制器件和所述第二相位调制器件为圆对称相位掩模板，不需要做傍轴近似，因此适用于大数值孔径的物镜。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

位于所述第一光源和所述第一相位掩模板之间的带通滤波片；

位于所述第二相位掩模板和所述第一检测装置之间的高通滤波片。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

依次位于扫描振镜和待测样品之间的第一透镜、第二透镜和物镜。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

位于第二相位调制器件和第一检测装置之间的第三透镜。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

位于所述扫描振镜的出射光路上的第一分光元件；

所述第一分光元件用于将所述激发光反射至所述扫描振镜、将所述扫描振镜出射的信号光透射至所述第二相位掩模板。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

第二光源，用于从第二侧向所述待测样品发射照明光，以使所述照明光穿透所述待测样品后出射，所述第二侧和所述第一侧相对设置；

第二分光元件，用于将所述信号光反射至所述扫描振镜，将所述照明光透射至第二检测装置；

所述第二检测装置用于收集所述照明光，并根据所述照明光获得所述待测样品的图像信息，以根据所述图像信息调整所述激发光照射到所述待测样品的位置。

9.一种光谱采集方法，其特征在于，应用于权利要求1～8任一项所述的光谱采集系统，所述方法包括：

第一光源发射激发光；

第一相位调制器件对所述第一光源出射的激发光的相位进行调制，以对所述激发光加载预设相位；

扫描振镜对所述激发光的方向进行调节，以使调节后的激发光从第一侧照射到待测样品的不同位置，所述激发光经所述待测样品散射后形成信号光；

所述扫描振镜将所述信号光传输至第二相位调制器件；

所述第二相位调制器件对所述信号光进行相位调制，以对所述信号光加载预设相位，并将所述信号光传输至第一检测装置；

所述第一检测装置收集所述信号光，获得光谱信息，并根据所述光谱信息获得所述待测样品的物质成分信息。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

第二光源从第二侧向所述待测样品发射照明光，以使所述照明光穿透所述待测样品后出射，所述第二侧和所述第一侧相对设置；

第二分光元件将所述信号光反射至所述扫描振镜，将所述照明光透射至第二检测装置；

所述第二检测装置收集所述照明光，并根据所述照明光获得所述待测样品的图像信息，以根据所述图像信息调整所述激发光照射到所述待测样品的位置。

Images