CN112857568A - 一种基于拓展景深的快速光谱采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于拓展景深的快速光谱采集系统，该快速光谱采集系统结合所述第一相位掩膜，在样品的激发阶段，通过对激发光加载额外的预设相位，使得经过延伸装置后的激发光能够激发更深层的样品信号，即实现了光片激发。并且，在光谱信号的采集阶段，又结合所述第二相位掩膜额外加载相同的相位，以确保光谱信号能够被光谱仪全部接收，实现了样品三维光谱信号的快速采集。
Description
技术领域
本发明涉及光谱学技术领域，更具体地说，涉及一种基于拓展景深的快速光谱采集系统。
背景技术
光谱学常被用于研究原子或者分子的结构，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，即不同物质的光谱不同。基于科学技术以及加工工艺的不断发展，光谱被广泛应用于物质检测、化学成分分析、以及生物医学等领域。
根据光谱的获取方式，主要分为采用光谱仪获取光谱的技术，以及采用干涉仪获取光谱的技术，在本发明中主要讨论采用光谱仪获取光谱的技术。
其中，拉曼光谱技术是一种定量、无标记、无损的分析技术；激光诱导击穿光谱技术同样是一种可以实现定量的、无标记、快速检测的分析技术。
通常情况下，为了满足能级跃迁的需求，激发光谱信号通常需要满足紧聚集的条件，但是这样常常会导致采集到的光谱只能代表激光光斑处的物质成分，如果想要获得更为全面的信息，就需要对待测物质从三个维度(X、Y和Z)上逐点扫描或者随机取点实现。在Z方向上通常是通过上下移动待测物质或物镜位置来实现，但是由于机械响应的速度有限，导致获取三维信息的速度很慢，严重影响在生物医学领域的应用(例如，研究斑马鱼脑部神经活动和行为模式之间的关系)。
另一方面，光谱还被广泛应用于成像领域，例如在生物医学领域应用最广泛的荧光成像技术。这种多光谱图像技术需要先验知识以确定某几个特定的荧光峰，为获得这种类型的光谱图像，还需要配备不同种类的滤波片以实现波长选择。高光谱图像提供了一种完全利用光谱信息，更加准确地从图像上区分各种物质的成像方法。
受成像系统的点扩散函数的影响，系统的景深有限；然而，实际的样品在Z方向上都是有一定深度的，为了获取尽可能全面的信息，通常需要对样品沿Z轴进行扫描，但是该扫描非常耗时，尤其在一些对时间分辨率有要求的场合比如测量样品的动态化学变化，这种扫描方案是非常不切实际的。
那么，如何实现对样品三维光谱信息的快速采集，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种基于拓展景深的快速光谱采集系统，技术方案如下：
一种基于拓展景深的快速光谱采集系统，所述快速光谱采集系统包括：
激光器，所述激光器用于发出窄带的连续激光；
第一相位掩膜，所述第一相位掩膜用于对所述连续激光加载额外的预设相位；
第一二向色镜，所述第一二向色镜用于将通过所述第一相位掩膜的激光反射至二维扫描振镜上；所述二维扫描振镜用于对激光进行反射，改变激光入射到物镜后焦面的角度，进而移动激光在样品上的聚焦位置；
延伸装置，所述延伸装置至少用于对所述二维扫描振镜处理后的激光进行扩束处理；
第二二向色镜，所述第二二向色镜用于将所述扩束处理后的激光反射至所述物镜；所述物镜对激光进行聚焦处理并入射至所述样品的表面；
被所述样品激发的光谱信号依次经过所述物镜、所述第二二向色镜、所述延伸装置、所述二维扫描振镜、以及透过所述第一二向色镜入射至第二相位掩膜；所述第二相位掩膜用于对所述光谱信号加载额外的预设相位；
信号处理装置，所述信号处理装置用于对所述第二相位掩膜处理后的光谱信号进行信号滤波处理，之后通过光纤传输至光谱仪，实现光谱信号的采集。
优选的，在上述快速光谱采集系统中，所述快速光谱采集系统还包括：
设置在所述激光器和所述第一相位掩膜光路之间的带通滤波片；
所述带通滤波片用于降低所述连续激光的带宽。
优选的，在上述快速光谱采集系统中，所述延伸装置包括：
依次设置在所述二维扫描振镜和所述第二二向色镜光路之间的第一透镜和第一管镜。
优选的，在上述快速光谱采集系统中，所述信号处理装置包括：
依次设置在所述第二相位掩膜和所述光纤光路之间的滤波片以及第二透镜；
所述滤波片用于降低所述第二相位掩膜处理后的光谱信号中掺杂的激发光；
所述第二透镜用于将光谱信号耦合到所述光纤中。
优选的，在上述快速光谱采集系统中，所述滤波片为高通滤波片。
优选的，在上述快速光谱采集系统中，所述第一相位掩膜和所述第二相位掩膜完全相同。
优选的，在上述快速光谱采集系统中，所述光纤为多模光纤。
优选的，在上述快速光谱采集系统中，所述快速光谱采集系统还包括：光源、第二管镜、反射镜以及相机；
所述光源用于发出预设颜色的光，通过所述样品，被所述物镜收集后透过所述第二二向色镜；
所述第二管镜和所述反射镜共同用于将透过所述第二二向色镜的光聚焦到所述相机上。
优选的，在上述快速光谱采集系统中，所述反射镜的反射面上镀有银膜。
优选的，在上述快速光谱采集系统中，所述光源为白色LED发光单元。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
本发明提供的一种基于拓展景深的快速光谱采集系统，结合所述第一相位掩膜，在样品的激发阶段，通过对激发光加载额外的预设相位，使得经过延伸装置后的激发光能够激发更深层的样品信号，即实现了光片激发。
并且，在光谱信号的采集阶段，又结合所述第二相位掩膜额外加载相同的相位，以确保光谱信号能够被光谱仪全部接收，实现了三维光谱信号的快速采集。
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为本发明实施例提供的一种基于拓展景深的快速光谱采集系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种图像信息对比示意图；
图3为本发明实施例提供的一种时间分辨率对比示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种基于拓展景深的快速光谱采集系统的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种基于拓展景深的快速光谱采集系统的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的又一种基于拓展景深的快速光谱采集系统的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的又一种基于拓展景深的快速光谱采集系统的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种基于拓展景深的快速光谱采集系统的效果对比示意图。
具体实施方式
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
景深延长技术是一种实现快速三维成像的技术，对此发明人将景深延长技术应用到本发明的光谱信号采集过程中。
在本发明的发明创造初期，通过发明人的整理可知，景深延长基本上可以分为三类：
其一，通过液晶、变形镜或变焦透镜的快速电调焦技术。
其二，利用光场测量进行数字重聚焦技术。
其三，光瞳工程，对光瞳平面内的波前进行处理，使三维点扩散函数沿Z轴缓慢变化。
基于光瞳工程而言，即通过在系统光瞳平面上加载特定的相位，对系统的光瞳函数进行改造，从而使相机可以同步记录三维物体信息。
目前的相位掩膜可以分为对称和不对称两种。
例如，最初用于摄影技术中延长景深的立方相位掩膜，因其可以产生Airy光束而被广泛应用于显微成像领域。
由于加载的非对称相位掩膜，导致加工相位掩膜的难度大大增加。而且它的点扩散函数有很多非对称旁瓣当把其用于宽场成像时，必须进行数字图像处理才能获得可用的、高对比度的图像。
相反对称的相位掩膜，例如环形掩膜，以及对数掩膜可产生直接使用的图像。
其它方法如在成像系统内引进球差等，也可在一定程度上拓宽聚焦层的厚度，即延长了景深。
显而易见的，发明人发现上述技术均可以在不同程度上保证不同纵向位置的点扩散函数高度一致，使得其对物距不敏感。
基于此，发明人提供了一种基于拓展景深的快速光谱采集系统，结合所述第一相位掩膜，在样品的激发阶段，通过对激发光加载额外的预设相位，使得经过延伸装置后的激发光能够激发更深层的样品信号，即实现了光片激发。并且，在光谱信号的采集阶段，又结合所述第二相位掩膜额外加载相同的相位，以确保光谱信号能够被光谱仪全部接收，实现了光谱信号的快速采集。
具体方案如下：
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种基于拓展景深的快速光谱采集系统的结构示意图。
所述快速光谱采集系统包括：
激光器Laser，所述激光器Laser用于发出窄带的连续激光；
第一相位掩膜PM1，所述第一相位掩膜PM1用于对所述连续激光加载额外的预设相位；
第一二向色镜DM1，所述第一二向色镜DM1用于将通过所述第一相位掩膜PM1的激光反射至二维扫描振镜2Dgalvos上；所述二维扫描振镜2Dgalvos用于对激光进行反射，改变激光入射到物镜后焦面的角度，进而移动激光在样品Sample上的聚焦位置；
延伸装置11，所述延伸装置11至少用于对所述二维扫描振镜2Dgalvos处理后的激光进行扩束处理；
第二二向色镜DM2，所述第二二向色镜DM2用于将所述扩束处理后的激光反射至所述物镜Objective；所述物镜Objective对激光进行聚焦处理并入射至所述样品Sample的表面；
被所述样品激发的光谱信号依次经过所述物镜Objective、所述第二二向色镜DM2、所述延伸装置11、所述二维扫描振镜2Dgalvos、以及透过所述第一二向色镜DM1入射至第二相位掩膜PM2；所述第二相位掩膜PM2用于对所述光谱信号加载额外的预设相位；
信号处理装置12，所述信号处理装置12用于对所述第二相位掩膜PM2处理后的光谱信号进行信号滤波处理，之后通过光纤Fiber传输至光谱仪Squeezing spectroscopy，实现光谱信号的采集。
在该实施例中，由于圆对称相位掩膜不仅具有更高的斯特列尔比，而且还可以产生直接可用的图像，减少了数据处理的复杂程度；并且，结合拉曼光谱的无损、高特异性以及不需要样品准备等优点，本发明实现了一种以拉曼光谱系统为基础的结合圆对称相位掩膜的快速光谱采集系统。
即，所述第一相位掩膜PM1和所述第二相位掩膜PM2均为圆对称相位掩膜，所述第一相位掩膜PM1和所述第二相位掩膜PM2完全相同。
具体的，通过所述第一相位掩膜PM1对平面波做相应的相位调制，经过后续的光路系统达到物镜Objective的后焦面，物镜Objective再做傅里叶变换，即拓展了激发光的激发深度，实现了光片激发。
被激发的拉曼信号经由相同的物镜Objective收集，由于光纤Fiber的纤芯有一定大小、会有一定的光切能力，为了保证光片激发的拉曼信号都能通过光纤Fiber的纤芯，再通过所述第二相位掩膜PM2对收集的背向散射的拉曼光增加额外的相位，再通过所述信号处理装置12做傅里叶变换之后，确保所有的光谱信号都能耦合进所述光纤Fiber内，实现了景深延长的目的。
通常情况下的拉曼系统只能采集到一两个微米深的样品信息，利用本发明提供的快速光谱采集系统，可以将采集深度延长到十倍左右。
需要说明的是，所述延伸装置11还用于将物镜Objective的后光瞳面延伸出去，有助于进行光调制，在实际应用中需尽可能保证光瞳的位置和第二相位掩膜PM2的位置重合。
进一步的，在光谱层面，由光片激发的光谱相比较单点激发的光谱，会携带更多的关于待测样品的物质成分的信息，有利于更准确的进行化学成分分析以及物质分类等。
在成像方面，这里以荧光高光谱图像为例进行说明，阐述利用本发明这种技术方案采集到图像的优势。
参考图2，图2为本发明实施例提供的一种图像信息对比示意图。
由图2的仿真结果可以看出，相比较传统的共聚焦系统，景深技术可以在单次曝光下获取更多的样品信息，这些信息来自不同的样品深度，能够更加全面。准确的表征样品。
参考图3，图3为本发明实施例提供的一种时间分辨率对比示意图。
本发明这种技术方案能够提升成像的时间分辨率，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，为了获取三维数据，通常需要利用共聚焦系统需要沿Z轴对细胞进行扫描，这是非常耗时的，会导致信息丢失以及图像模糊。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图4，图4为本发明实施例提供的另一种基于拓展景深的快速光谱采集系统的结构示意图。
所述快速光谱采集系统还包括：
设置在所述激光器Laser和所述第一相位掩膜PM1光路之间的带通滤波片LBF；
所述带通滤波片LBF用于降低所述连续激光的带宽。
在该实施例中，所述带通滤波片LBF用于将连续激光的带宽限制的非常窄，之后再通过所述第一相位掩膜PM1进行相应的相位调制。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图5，图5为本发明实施例提供的又一种基于拓展景深的快速光谱采集系统的结构示意图。
所述延伸装置11包括：
依次设置在所述二维扫描振镜2Dgalvos和所述第二二向色镜DM2光路之间的第一透镜L1和第一管镜TL1。
在该实施例中，所述第一透镜L1和所述第一管镜TL1构成了4f系统多激发光实现扩束功能；在信号采集阶段，所述4f系统将所述物镜的后焦面延伸出来，方便我们对其进行改造。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图6，图6为本发明实施例提供的又一种基于拓展景深的快速光谱采集系统的结构示意图。
所述信号处理装置12包括：
依次设置在所述第二相位掩膜PM2和所述光纤Fiber光路之间的滤波片LPF以及第二透镜L2；
所述滤波片LPF用于降低所述第二相位掩膜PM2处理后的光谱信号中掺杂的激发光；
所述第二透镜L2用于将光谱信号耦合到所述光纤Fiber中。
在该实施例中，由于光纤Fiber的纤芯有一定大小、会有一定的光切能力，为了保证光片激发的信号都能通过光纤Fiber的纤芯，再通过所述第二相位掩膜PM2增加额外的相位，再通过所述滤波片LPF做傅里叶变换之后，确保所有的光谱信号都能耦合进所述光纤Fiber内，实现了景深延长的目的。
可选的，所述滤波片LPF为高通滤波片。
可选的，所述光纤Fiber为多模光纤。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图7，图7为本发明实施例提供的又一种基于拓展景深的快速光谱采集系统的结构示意图。
所述快速光谱采集系统还包括：光源13、第二管镜TL2、反射镜M以及相机Cam；
所述光源13用于发出预设颜色的光，通过所述样品Sample，被所述物镜Objective收集后透过所述第二二向色镜DM2；
所述第二管镜TL2和所述反射镜M共同用于将透过所述第二二向色镜DM2的光聚焦到所述相机Cam上。
在该实施例中，所述光源13、所述第二管镜TL2、所述反射镜M以及所述相机Cam构成的光路是明场的光路，用于辅助信号采集。
可选的，所述光源13为白色LED发光单元。
可选的，所述反射镜M的反射面上镀有银膜，提高反射效率。
进一步的，基于本发明上述全部实施例，参考图8，图8为本发明实施例提供的一种基于拓展景深的快速光谱采集系统的效果对比示意图。
如图8所示，假设待测样品内的物质分类如图8中1所示。
基于传统的共聚焦光谱系统而言，只能采集处在某一平面A内的物质的样品，与之对应的光谱数据集如图8中2所示。
基于本发明提供的基于拓展景深的快速光谱采集系统，可以获得图8中沿着Z方向投影的数据，结果如图8中3所示。
需要说明的是，这种方法要求待测样品在Z轴方向上是稀疏的，也就是说，如果在Z轴方向上有两个物质重叠，那么获取的图像还是会有一定的信息损失。
比如，图8中1所示的两个点，投影之后变成图8中3所示的一个点。
由于光谱本身满足稀疏性要求，因此当加入光谱信息后，在Z方向重叠的两个点，如图8中4所示，所对应的光谱也会重叠，但是，可以通过对采集到的光谱进行数据处理，例如VCA、MCR-ALS等方法实现将在Z方向重叠的两个点区分开，该数据处理并不存在技术难点。
通过上述描述可知，本发明提供的一种基于拓展景深的快速光谱采集系统的关键部件是所述第一相位掩膜PM1和所述第二相位掩膜PM2。
为了提高光的利用效率，在本发明中并没有使用空间光调制器。
假设系统是圆对称的，采用以下公式获取所述第一相位掩膜PM1和所述第二相位掩膜PM2所需要加载的相位。
其中，k表示波数。
fTL1表示第一管镜TL1的焦距。
fcbj表示物镜Objective的焦距。
fL1表示第一透镜L1的焦距。
ρmax表示极坐标下光瞳的最大半径。
C是一个常数。
δ表示设计参数，根据这一设计参数，可以设计出不同的相位掩膜，以实现不同程度的景深拓展。
以上对本发明所提供的一种基于拓展景深的快速光谱采集系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。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。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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)
1.一种基于拓展景深的快速光谱采集系统，其特征在于，所述快速光谱采集系统包括：
激光器，所述激光器用于发出窄带的连续激光；
第一相位掩膜，所述第一相位掩膜用于对所述连续激光加载额外的预设相位；
第一二向色镜，所述第一二向色镜用于将通过所述第一相位掩膜的激光反射至二维扫描振镜上；所述二维扫描振镜用于对激光进行反射，改变激光入射到物镜后焦面的角度，进而移动激光在样品上的聚焦位置；
延伸装置，所述延伸装置至少用于对所述二维扫描振镜处理后的激光进行扩束处理；
第二二向色镜，所述第二二向色镜用于将所述扩束处理后的激光反射至所述物镜；所述物镜对激光进行聚焦处理并入射至所述样品的表面；
被所述样品激发的光谱信号依次经过所述物镜、所述第二二向色镜、所述延伸装置、所述二维扫描振镜、以及透过所述第一二向色镜入射至第二相位掩膜；所述第二相位掩膜用于对所述光谱信号加载额外的预设相位；
信号处理装置，所述信号处理装置用于对所述第二相位掩膜处理后的光谱信号进行信号滤波处理，之后通过光纤传输至光谱仪，实现光谱信号的采集。
2.根据权利要求1所述的快速光谱采集系统，其特征在于，所述快速光谱采集系统还包括：
设置在所述激光器和所述第一相位掩膜光路之间的带通滤波片；
所述带通滤波片用于降低所述连续激光的带宽。
3.根据权利要求1所述的快速光谱采集系统，其特征在于，所述延伸装置包括：
依次设置在所述二维扫描振镜和所述第二二向色镜光路之间的第一透镜和第一管镜。
4.根据权利要求1所述的快速光谱采集系统，其特征在于，所述信号处理装置包括：
依次设置在所述第二相位掩膜和所述光纤光路之间的滤波片以及第二透镜；
所述滤波片用于降低所述第二相位掩膜处理后的光谱信号中掺杂的激发光；
所述第二透镜用于将光谱信号耦合到所述光纤中。
5.根据权利要求4所述的快速光谱采集系统，其特征在于，所述滤波片为高通滤波片。
6.根据权利要求1所述的快速光谱采集系统，其特征在于，所述第一相位掩膜和所述第二相位掩膜完全相同。
7.根据权利要求1所述的快速光谱采集系统，其特征在于，所述光纤为多模光纤。
8.根据权利要求1所述的快速光谱采集系统，其特征在于，所述快速光谱采集系统还包括：光源、第二管镜、反射镜以及相机；
所述光源用于发出预设颜色的光，通过所述样品，被所述物镜收集后透过所述第二二向色镜；
所述第二管镜和所述反射镜共同用于将透过所述第二二向色镜的光聚焦到所述相机上。
9.根据权利要求8所述的快速光谱采集系统，其特征在于，所述反射镜的反射面上镀有银膜。
10.根据权利要求8所述的快速光谱采集系统，其特征在于，所述光源为白色LED发光单元。
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