CN116773472B - 一种光谱和成像联用的时空分辨装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光谱和成像联用的时空分辨装置，包括样品池、吸收光谱机构、发射光谱机构、上位机和用于获取样品池图像的成像机构，所述上位机分别与吸收光谱机构、发射光谱机构、成像机构信号连接；所述吸收光谱机构包括光源和吸收光谱仪，所述发射光谱机构包括激光器和发射光谱仪，光源发出的光经过样品池，被样品吸收后进入吸收光谱仪，激光器发出的激光经过样品池，样品被激发产生发射光后，进入发射光谱仪；该原位实验装置将光谱和成像技术联合，协同工作，同时观测样品的光学吸收特性，光学发射特性以及全局结构，可以直接用于研究材料在热力学转化过程(玻璃化转变，结晶和融化)中的结构变化、材料均匀性、有序度以及发光特性。

Description

一种光谱和成像联用的时空分辨装置

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种光谱和成像联用的时空分辨装置。

背景技术

在发光材料表征的研究领域中，光谱技术和光学成像技术是两种重要的研究方法。光谱仪将获得的光分离成不同波长的光谱，根据光谱信号可以对物质的微观结构和化学成分进行定量分析。但这种方法不能直观地获得被测材料的影像信息。

尽管过去的几年中，光谱技术和光学成像技术的联用已有进步，但现有的产品中常考虑应用在显微光谱成像技术中，如公开号为CN109342328A-一种内置扫描型显微高光谱成像系统及成像方法、CN107727614B-时空分辨光谱成像系统、CN104568886A-一种基于全内反射的暗场照明方法、CN104568710B-一种高时空分辨光学检测与显微成像方法与装置、CN104020084A-一种从电介质散射背景中识别贵金属纳米粒子的方法。

以上均是在显微镜的基础上进行升级改造，系统的集成难度大，受到显微镜各部分接口尺寸以及位置的限制，尤其是载物台的结构限制，难以为材料样品提供特定原位环境，且他们依靠显微镜成像系统观测局部特征信息，无法从宏观全局的视角下观测材料样品整体的变化以及分布状态，在测试中只能依次采集吸收光谱信号和发射光谱信号，对于样品信号采集存在不同时性的缺点。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种光谱和成像联用的时空分辨装置，将光谱和成像技术联合，协同工作，同时获取样品池中材料样品的光学吸收特性，光学发射特性以及全局结构。

本发明提出的一种光谱和成像联用的时空分辨装置，包括样品池、吸收光谱机构、发射光谱机构、上位机和用于获取样品池图像的成像机构，所述上位机分别与吸收光谱机构、发射光谱机构、成像机构信号连接；

所述吸收光谱机构包括光源和吸收光谱仪，所述发射光谱机构包括激光器和发射光谱仪，光源发出的光源经过样品池吸收后进入吸收光谱仪，激光器发出的激光经过样品池，样品池中的样品产生发射光进入发射光谱仪。

进一步地，所述吸收光谱机构还包括第一光纤、聚焦镜、第二光纤，第一光纤、聚焦镜、样品池、第二光纤依次设置，第一光纤连接到光源上，第二光纤连接到吸收光谱仪上。

进一步地，光源采用高稳定性卤素光源，所述成像机构包括工业相机。

进一步地，所述发射光谱机构还包括准直镜和第三光纤，第三光纤的一端连接到发射光谱仪上、另一端连接到准直镜上，准直镜在远离发射光谱仪的一端面向样品池设置。

进一步地，所述激光器发射到样品池上的光斑区域与准直镜接收样品池上的光斑区域部分重叠。

进一步地，所述原位实验装置还包括温度台和用于检测样品池温度的测温仪，样品池设置于温度台上。

进一步地，所述原位实验装置还包括运动平台，样品池设置于高精度运动平台上，高精度运动平台配有光栅尺，运动定位精度为1um。

进一步地，所述原位实验装置还包括氮气保护机构，氮气保护机构包括实验舱和用于对实验舱充氮气的氮气瓶，样品池、吸收光谱机构、发射光谱机构、成像机构均设置于实验舱中。

本发明提供的一种光谱和成像联用的时空分辨装置的优点在于：本发明结构中提供的一种光谱和成像联用的时空分辨装置，将光谱和成像技术联合，协同工作，同时观测样品池中材料样品的光学吸收特性，光学发射特性以及全局结构；在具备快速采集能力的探测器辅助下，该装置同时具备了高达1ms的快速采集能力，为研究者提供更完整的时间分辨信息，为光电材料、生物分子、凝聚态溶液等提供综合性分析手段；具体为：两条独立的光路传输使卤素光源-吸收光谱机构，激光-发射光谱机构即可独立工作，又可联合工作同时获得样品的吸收谱和发射谱；而且还可联合成像机构聚焦在样品池上，可快速获得完整的样品图像信息，该实验安装、调试和拆卸简单，不受空间局域性限制。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为原位环境下的结构示意图；

图3为运动环境下的结构示意图；

图4为在原位环境下，成像机构(相机)采集样品宏观图像的示意图，(a1)表示在25℃原位环境下的图像,(b1)表示30℃原位环境下的图像,(c1)表示35℃原位环境下的图像,(d1)表示40℃原位环境下的图像,(e1)表示45℃原位环境下的图像,(f1)表示50℃原位环境下的图像，(g1)表示55℃原位环境下的图像，(h1)表示60℃原位环境下的图像；

图5为在原位环境下，发射光谱仪采集样品发射光谱的曲线图；

图6为在原位环境下，吸收光谱仪采集样品吸光度的曲线图；

图7为在运动环境下，成像机构(相机)采集样品宏观图像的示意图，(a2)表示样品移动500μm后的图像,(b2)表示样品移动1000μm后的图像,(c2)表示样品移动1500μm后的图像,(d2)表示样品移动2000μm后的图像；

图8为在运动环境下，发射光谱仪采集样品发射光谱的曲线图；

图9为在运动环境下，吸收光谱仪采集样品吸光度的曲线图；

其中，1-样品池，2-吸收光谱机构，3-发射光谱机构，4-上位机，5-成像机构，6-温度台，7-测温仪，8-运动平台，9-氮气保护机构，21-光源，22-吸收光谱仪，23-第一光纤，24-聚焦镜，25-第二光纤，31-激光器，32-发射光谱仪，33-准直镜，34-第三光纤，91-实验舱，92-氮气瓶。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

如图1至9所示，本发明提出的一种光谱和成像联用的时空分辨装置，包括样品池1、吸收光谱机构2、发射光谱机构3、上位机4和用于获取样品池1图像的成像机构5，所述上位机4分别与吸收光谱机构2、发射光谱机构3、成像机构5信号连接，信号连接包括有线连接，无线连接；有线连接包括宽带连接、光纤连接；无线连接包括WIFI连接；

所述吸收光谱机构2包括光源21和吸收光谱仪22，所述发射光谱机构3包括激光器31和发射光谱仪32，光源21发出的光源经过样品池1吸收后进入吸收光谱仪22，激光器31发出的激光经过样品池1，样品池1中的样品发射光进入发射光谱仪32。

通过成像机构5获取样品池1的图像，将图像传输到上位机4中，以显示当前样品池1的图像，可以从宏观全局的视角下观测样品池中材料样品整体的变化以及分布状态，避免了传统中在显微镜的基础上进行升级改造，系统的集成难度大，受到显微镜各部分接口尺寸以及位置的限制，尤其是载物台的结构限制，难以为样品池中材料样品提供特定原位环境，且他们依靠显微镜成像系统观测局部特征信息，缺乏对样品宏观结构变化的关注的缺陷。

在本实施例中，为材料样品提供原位环境、运动环境以及两者结合环境，具体有三种形式：(A1)如图2所示为材料样品提供的原位环境，实验装置还包括温度台6和用于检测样品池1温度的测温仪7，样品池1设置于温度台6上，通过测温仪7实时获知温度台6对样品池1的设置温度，可为样品池1提供0-300度的温度环境，以获取样品池1在不同温度下的吸收光谱、发射光谱和宏观图像，样品池1位于温度台上，结构简单，便于模拟工业加工中常见的原位工况环境，且可以直接用于研究样品在热力学转化过程(玻璃化转变，结晶和融化)中的结构变化；(A2)如图3所示为材料样品提供的运动环境，实验装置还包括运动平台8，样品池1设置于运动平台8上，以实现样品池1的运动，运动平台8上配有光栅尺，位移定位精度高，可获得样品不同位置的空间信息，实现样品精准移动，运动平台8可以实现XYZR(X轴、Y轴、Z轴、R转动)运动，具体结构可以参考现有的龙门加工中心中的架体三维运动结构，或者其他可以实现XYZR运动的现有结构，吸收光谱机构2、发射光谱机构3、成像机构5的位置均是不变的，因而当样品池1运动后，吸收光谱、发射光谱和成像观测区域变化，可以实现对样品有序度、均匀度的研究，材料的均匀性会直接影响到其使用功能，比如薄膜材料的不均匀会劣化材料的使用性能；(A3)综合(A1)和(A2)为材料样品提供的原位以及运动的结合环境，将温度台6设置于运动平台8上，样品池1设置于温度台6上，可对样品池1中的样品在不同温度下采集光谱信息和成像信息，用以研究不同原位工况下材料的均匀性和有序度。

该原位试验装置将光谱技术和光学成像技术联用和集成，摆脱了显微镜系统的限制，提供一种可以同时获得吸收光谱，发射光谱和宏观图像信息的时空分辨原位实验装置，一方面可以将材料样品置于0-300度范围的原位环境中，同时测试获得吸收谱，发射谱以及宏观全局图像，为样品池中材料样品的分析提供了更全面的支持，另一方面可以通过运动平台8移动获取样品不同区域的吸收和发射的光学信号。

为了提高该原位实验装置中的试验干燥性，原位实验装置还包括氮气保护机构9，氮气保护机构9包括实验舱91和用于对实验舱中充氮气的氮气瓶92，样品池1、吸收光谱机构2、发射光谱机构3均设置于实验舱91中；为了便于观察实验舱91中试验状态，实验舱91采用透明的实验舱，氮气瓶92可以为整个实验舱提供循环的氮气，带走含有水分的湿空气，保证整套实验装置的干燥性。

以下对吸收光谱机构2和发射光谱机构3具体说明：

其中吸收光谱机构2还包括第一光纤23、聚焦镜24和第二光纤25，第一光纤23、聚焦镜24、样品池1、第二光纤25依次设置，第一光纤23连接到光源21上，第二光纤25连接到吸收光谱仪22上，其中光源21采用卤素光源，所述成像机构5包括工业相机。

发射光谱机构3还包括准直镜33和第三光纤34，第三光纤34的一端连接到发射光谱仪32上、另一端连接到准直镜33上，准直镜33在远离发射光谱仪32的一端面向样品池1设置，激光器31发射在样品池1上的光斑区域与准直镜33接收样品池1上的光斑区域部分重叠，这样才能获得较强的发射光谱信号，其中重叠度越高，获得的发射光谱信号越强。

光源21的白光依次通过第一光纤23、聚焦镜24穿过样品池1，然后聚焦到第二光纤25的入口，最终进入吸收光谱仪22中。激光器31的激光照射在样品池1上，样品池1中样品被激发的发射光被准直镜33获得，最终进入发射光谱仪32中。光源21发出的卤素光斑与激光器31发出的激光光斑竖直分布在样品上，竖直分布优点：B1)垂直分布简化了光路的准直过程，可以保证能同时采集两种光谱(吸收和发射)信号；B2)竖直分布光路采集是相对独立的，两种光谱信号之间的干扰性更小。成像机构5获得样品池1中样品的宏观全局的图像信息。上位机4同时获取吸收光谱仪22、发射光谱仪32和成像机构5的数据，上位机4根据采集的数据形成曲线。

可以理解的是，样品池1可夹持比色皿，以及载玻片，被检测的溶液样品装入比色皿中，再放入样品池1，被检测的薄膜样品可涂附在载玻片上，再放入样品池1。激光器31为低功率激光器，波长为405nm，其功率为3mW，激光器31照射到样品池1上，准直镜33收集样品池1发射的荧光信号，准直镜33后端接口与第三光纤34相连，第三光纤34接入发射光谱仪32中。

需要说明的是，成像机构5、第一光纤23、聚焦镜24、第二光纤25、准直镜33、第三光纤34均采用支架进行固定。

因而本实施例可以实现以下效果：

本实施例高度模块化、高集成度，结构简单，可为样品池中材料样品提供0-300度范围的温度环境，摆脱了显微镜载物台尺寸安装原位设备的局限性。两条独立的光路传输使卤素光源-吸收光谱机构，激光-发射光谱机构即可独立工作，又可联合工作同时获得样品的吸收谱和发射谱；而且还可联合成像机构5聚焦在样品池1上，可快速获得完整的样品图像信息，该实验安装、调试和拆卸简单，不受空间局域性限制。

本实施例结合了2种光谱技术和光学成像技术，卤素光源(光源21发出的光源)与激光光源(激光器31发出的激光)竖直分布地照射在同一样品上，可以同时获得样品池1中样品在原位环境(通过温度台6提供温度或者通过运动平台8运动或者同时通过温度台6以及通过运动平台8运动或者将样品池1固定并没有温度进行处理的环境)中，毫秒级时间变化的吸收光谱、发射光谱、工业相机同时采集样品池1中样品整体的宏观图像信息。克服了显微镜系统中难以从宏观全局的视角下直接观测样品池中材料样品整体的变化以及分布变换的缺点。克服了同一样品在同一原位环境中只能单独依次采集样品的吸收光谱信号、发射光谱信号、图像信息，而产生的测试时间长，样品表征不同时性的缺点；因而本实施例使用了宏观图像信息，发射光谱和吸收光谱联用这一技术，可应用于检测样品有序度，均匀度和发光特性等方面，可以获得同步，综合且全面的样品信息数据。

以下设置两个实验案例，如图4、5、6为实验一，如图7、8、9为实验二，通过实验一和二用以说明在原位环境和运动环境下，样品池1中的样品在时空分辨实验装置下的变化过程。

实验一：0.05mg/mL的3-己基噻吩/四氢呋喃溶液，温度变化范围25-60度，如图4、5、6。

利用本实施例所述(A1)为材料样品提供原位环境形式，获取到宏观图像信息如图4所示，在25度时溶液中有大量的团聚体，随着溶液温度升高，大体积的团聚体逐渐融化成小体积的团聚体，在温度达到60度时，团聚体完全融化。溶液温度升高的过程中，聚集体在溶液中有悬浮运动。因此该溶液的吸收光谱和发射光谱对于研究样品在原位环境中的变化特性是十分重要的。图5展示了样品发射光谱的变化，分析发现样品溶液在波长为405nm的激光照射下，会激发500nm-700nm波段的光，存在的2个峰。在温度为25度时，分别位于577nm和630nm。随着温度的升高，位于577nm处的峰，峰位基本不变，而630nm处峰逐渐左移，在60度时，该峰的峰位位于621nm。此外十分显著的是，随着温度的升高，溶液发射光谱的强度越大，这是由团聚体溶解，3-己基噻吩浓度升高。该现象也被图4中，随着温度升高，激发出的光亮度变强这一现象验证。图6展示了样品吸光度的变化，发现吸光度峰值位于485nm处，说明溶液中有序相(即团聚体)吸光性强，温度在25度时，吸光度最强，团聚体最多。随着温度的升高，整体上看吸光度下降。但由于温度升高，团聚体不是相对静止的状态，在温度的影响下有明显的悬浮运动，因此当团聚体运动到吸收光谱机构的视场时，吸光度值发生扰动。

实验二：0.05mg/mL的3-己基噻吩/苯甲醚溶液，运动位移2um，如图7、8、9。

利用本实施例所述(A2)为材料样品提供运动环境形式，获取到宏观图像信息如图7所示，根据图像可直观的看到样品在水平方向上的位置发生了移动，因此吸收光谱机构和发射光谱机构可采集到样品不同区域的光谱数据。高精度位移平台可准确移动样品位置，运动精度达到1um。图8展示了样品发射光谱随位置移动的变化，分析发现样品溶液在波长为405nm的激光照射下，存在的3个峰，峰值点分别位于456nm，512nm和584nm处。且随着样品位置发生变化，发射光谱峰位和强度基本不变，说明该样品溶液比较均匀。同样地，该样品特点也被获取到的吸收光谱数据验证，如图9所示。图9显示了溶液不同位置的吸光度数据的峰位和强度基本不变，峰值点位于503nm，559nm和604nm。说明该样品溶液均匀。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光谱和成像联用的时空分辨装置，包括样品池（1）、吸收光谱机构（2）、发射光谱机构（3）、上位机（4）和用于获取样品池（1）图像的成像机构（5），所述上位机（4）分别与吸收光谱机构（2）、发射光谱机构（3）、成像机构（5）信号连接；

所述吸收光谱机构（2）包括光源（21）和吸收光谱仪（22），所述发射光谱机构（3）包括激光器（31）和发射光谱仪（32），光源（21）发出的光源经过样品池（1）吸收后进入吸收光谱仪（22），激光器（31）发出的激光经过样品池（1），样品池（1）中的样品产生发射光进入发射光谱仪（32）中；

所述激光器（31）发射到样品池（1）上的光斑区域与准直镜（33）接收样品池（1）上的光斑区域部分重叠；

所述时空分辨装置还包括温度台（6）和用于检测样品池（1）温度的测温仪（7），样品池（1）设置于温度台（6）上。

2.根据权利要求1所述的光谱和成像联用的时空分辨装置，其特征在于，所述吸收光谱机构（2）还包括第一光纤（23）、聚焦镜（24）和第二光纤（25），第一光纤（23）、聚焦镜（24）、样品池（1）、第二光纤（25）依次设置，第一光纤（23）连接到光源（21）上，第二光纤（25）连接到吸收光谱仪（22）上。

3.根据权利要求1所述的光谱和成像联用的时空分辨装置，其特征在于，光源（21）采用高稳定性卤素光源，所述成像机构（5）包括工业相机。

4.根据权利要求1所述的光谱和成像联用的时空分辨装置，其特征在于，所述发射光谱机构（3）还包括准直镜（33）和第三光纤（34），第三光纤（34）的一端连接到发射光谱仪（32）上、另一端连接到准直镜（33）上，准直镜（33）在远离发射光谱仪（32）的一端面向样品池（1）设置。

5.根据权利要求1所述的光谱和成像联用的时空分辨装置，其特征在于，所述时空分辨装置还包括运动平台（8），样品池（1）设置于运动平台（8）上，运动平台（8）配有光栅尺。

6.根据权利要求1所述的光谱和成像联用的时空分辨装置，其特征在于，所述时空分辨装置还包括氮气保护机构（9），氮气保护机构（9）包括实验舱（91）和用于对实验舱中充氮气的氮气瓶（92），样品池（1）、吸收光谱机构（2）、发射光谱机构（3）、成像机构（5）均设置于实验舱（91）中。