CN118056114A

CN118056114A - 光谱仪和检测光谱的方法

Info

Publication number: CN118056114A
Application number: CN202280067056.1A
Authority: CN
Inventors: 周光亚
Original assignee: National University of Singapore
Current assignee: National University of Singapore
Priority date: 2021-09-06
Filing date: 2022-09-01
Publication date: 2024-05-17
Also published as: WO2023033744A2; WO2023033744A9; WO2023033744A8; WO2023033744A3

Abstract

一种用于检测在感兴趣的光谱带内具有一种或多种波长成分的电磁(EM)波谱的光谱仪、一种检测在感兴趣的光谱带内具有一种或多种波长成分的电磁(EM)波谱的方法，以及光谱仪的构造方法。该方法包括以下步骤：在出口孔径的平面上创建入口孔径的色散图像，使得不同波长成分的各个图像沿色散方向偏移不同量的位移；将入射在所述入口孔径上的第一电磁波能量收集到所述电磁检测器；将离开所述出口孔径的第二电磁波能量收集到至少一个单像素检测器；测量电磁检测器的输出和所述至少一个单像素检测器的输出，以基于入口孔径上的入射电磁波的强度分布来重建所述电磁波谱。

Description

光谱仪和检测光谱的方法

发明领域

本发明大体上涉及一种用于检测在感兴趣的光谱带内具有一种或多种波长成分的电磁(EM)波谱的光谱仪、一种检测在感兴趣的光谱带内具有一种或多种波长成分的电磁(EM)波谱的方法以及一种制造该光谱仪的方法。在非限制性示例性实施例中，本发明可以应用于拉曼光谱。

背景

整个说明书中对现有技术的任何提及和/或讨论不应以任何方式被视为承认该现有技术是众所周知的或构成本领域公知常识的一部分。

如图1示意性所示，传统光谱仪采用较窄的入口狭缝(通常宽度为微米级)，这严重限制了光谱仪的聚光能力(即吞吐量)。如图所示，光谱仪的聚光能力或吞吐量被定义为入口面积和该入口处所对的立体角的乘积。吞吐量是决定光谱仪信噪比(SNR)和光谱测量速度的关键性能指标。由于其设计的性质，扩大狭缝宽度会增加吞吐量，但不可避免地会降低光谱仪的分辨率。有两种报道的方法可用于提高光谱仪的吞吐量而不牺牲其分辨率。一种是编码孔径方法，如图2所示，它在光谱仪入口孔径处采用固定的编码掩模，并使用相机来接收编码孔径的色散图像。然后通过图像处理重建光谱。本发明人在WO2021/029827中描述了另一种方法，更具体地是如图3所示的高吞吐量光谱仪，其中两个编码器分别放置在光谱仪的入口和出口孔径平面处。两个编码器中至少有一个是动态可调或可编程的，从而允许光谱仪仅使用单像素光电检测器重建光谱。与编码孔径方法相比，WO2021/029827中的方法具有相同的高吞吐量和高分辨率优点，但它消除了在光谱仪系统中使用图像传感器的要求。因此，对于许多没有图像传感器或图像传感器价格过于昂贵的应用，如红外波长或需要超快时间分辨率的应用，这种方法是非常理想的。

在光学光谱技术中，拉曼光谱是一种用于生物和生化分子的无标记检测和分析的强大技术。然而，传统拉曼技术的致命弱点是激光诱导样品荧光发射，其强度比拉曼散射技术高几个数量级，从而淹没了所需的拉曼信号。为了解决这个问题，提出了使用脉冲激光的时间门(TG)拉曼光谱法，其利用了拉曼散射超快且与激光脉冲几乎同时发生，而荧光发射相对较慢并且在激光脉冲后具有纳秒级的时间延迟的事实。如图4示意性所示，精确的纳秒或亚纳秒时间门在每个激光脉冲之后立即打开以进行检测，并且在激光脉冲重复周期的大部分时间期间关闭。该方案可以有效检测拉曼信号，同时荧光背景得到很大抑制。

时间门拉曼光谱装置示意图如图5(a)所示。尽管拉曼光谱法与可见脉冲激光配合良好，并且诱导拉曼光谱确实在可见光至近红外(VNIR)波长范围内，而硅基图像传感器在该波长范围内普遍存在且成本低廉，但超快时间门检测的要求使这种传统图像传感器在时间门拉曼光谱应用中毫无用处。如图所示，时间门拉曼设置中通常使用昂贵的门控增强电荷耦合器件(ICCD)相机(内置微通道板(MCP)图像增强器)或条纹相机，从而使系统成本高昂。据报道，光电倍增管(PMT)和单光子雪崩二极管(SPAD)等高速单像素检测器也被用于时间门拉曼系统。然而，如图5(b)所示，必须使用电动平台一次机械扫描单个波长，以移动单色仪出口处的检测器或旋转单色仪内部的光栅以获得完整的拉曼光谱波长。这些单像素时间门拉曼系统的主要缺点包括由于多路复用优势的丧失而导致的低信噪比、由于系统中庞大的机械电动平台而导致的稳健性、紧凑性和现场可用性的降低以及测量时间的延长。

本发明的实施例试图解决上述问题中的至少一个。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于检测在感兴趣的光谱带内具有一种或多种波长成分的电磁(EM)波谱的光谱仪，包括：

入口孔径；

出口孔径；

色散和成像光学器件，被配置为在出口孔径的平面上创建所述入口孔径的色散图像，使得不同波长成分处的各个图像沿色散方向偏移不同量的位移；

至少一个单像素检测器，每个单像素检测器对一种或多种波长成分敏感；

电磁检测器；

第一收集光学器件，被配置为将入射在所述入口孔径上的第一电磁波能量收集到所述电磁检测器；

第二收集光学器件，被配置为将离开所述出口孔径的第二电磁波能量收集到所述至少一个单像素检测器；以及

测量单元，被配置为测量所述电磁检测器的输出和所述至少一个单像素检测器的输出，用于在考虑所述入口孔径上的入射电磁波的强度分布的情况下重建所述电磁波谱。

根据本发明的第二方面，提供了一种检测在感兴趣的光谱带内具有一种或多种波长成分的电磁(EM)波谱的方法，该方法包括以下步骤：

在出口孔径的平面上创建入口孔径的色散图像，使得不同波长成分的各个图像沿色散方向偏移不同量的位移；

将入射在所述入口孔径上的第一电磁波能量收集到所述电磁检测器；

将离开所述出口孔径的第二电磁波能量收集到至少一个单像素检测器；

测量电磁检测器的输出和所述至少一个单像素检测器的输出，以基于入口孔径上的入射电磁波的强度分布来重建所述电磁波谱。

根据本发明的第三方面，提供了一种构造第一方面的光谱仪的方法。

附图简要说明

本领域的普通技术人员通过以下仅作为示例并结合附图的书面描述将更好地理解和显而易见本发明的实施例，其中：

图1显示了光谱仪的示意图。

图2示出了编码孔径光谱仪的示意图。

图3示出了高吞吐量光谱仪的示意图，其中两个编码器分别放置在光谱仪的入口和出口孔径平面处。

图4示出了曲线图，示出了精确的纳秒或亚纳秒时间门在每个激光脉冲之后立即打开用于检测，并且在激光脉冲重复周期的大部分时间期间关闭，用于提取具有最小荧光信号的拉曼散射信号。

图5A显示了使用ICCD相机的时间门拉曼光谱装置的示意图。

图5B显示了使用高速单像素检测器(例如光电倍增管(PMT)和单光子雪崩二极管(SPAD))的时间门拉曼系统的示意图。

图6示出了图示根据示例性实施例的光谱仪的示意图。

图7示出了根据示例性实施例的示意图，该示意图示出了来自色散光学器件的0级衍射光在第一检测器处被收集和接收。

图8示出了根据示例性实施例的针对第j次测量(j＝1～M)，在入口狭缝处设置编码图案并且第k个编码像素的权重为a_jk的示意图。

图9示出了根据示例性实施例的示出来自所有狭缝的信号的求和的示意图。

图10示出了图示根据示例性实施例的光谱仪的示意图。

图11示出了根据示例性实施例的光谱仪的示意图。

图12示出了示意图，说明在某些应用中，当检测器上的光斑大于其感光区域时，可以在示例性实施例中使用多个单像素检测器的级联。

图13示出了高吞吐量光谱仪在时间分辨(TR)拉曼光谱应用中的工作原理的示意图。

图14示出了根据示例性实施例的时间分辨拉曼系统的示意图。

图15A示出了示意图，其示出了根据示例性实施例，紧接在每个激光脉冲之后，检测器D3的输出经过鉴别器产生触发脉冲以启动两个时间幅度转换器(TAC)。

图15B示出了示意图，其示出了根据示例性实施例，当启动时，TAC的电压在电容器上线性斜坡并且仅在检测到光子时停止。

图16示出了示意图，其示出了根据示例性实施例，利用在不同时间延迟获得的一系列拉曼位移光谱，可以构建表示时间分辨拉曼位移的3D拉曼位移光谱数据立方体。

图17示出了根据示例性实施例示出检测具有感兴趣的光谱带内的一种或多种波长成分的电磁(EM)波谱的方法的流程图。

详细说明

本发明人已经认识到，如果光谱仪入口孔径上的照射是均匀的，则WO2021/029827中的高吞吐量光谱仪设计是优化的。任何不均匀的照射都会转化为系统噪声，从而降低光谱仪的信噪比。这种均匀的照射要求也会使光谱仪前置光学器件的设计变得复杂，并可能增加前置光学器件的成本。本发明的示例性实施例可以提供一种去除均匀照射限制的装置和方法，使得光谱仪可以具有更好的SNR并且在操作中更加稳健。本发明的示例性实施例还可以提供在时间门或时间分辨拉曼光谱系统中应用单像素高吞吐量光谱仪的装置和方法。

在示例性实施例中，提供了一种高吞吐量单像素光谱仪，该光谱仪通过采用独特的设计来消除入口孔径上均匀照射的限制，从而实现了增强。结果，本发明的示例性实施例可以极大地简化采样光学器件或前置光学器件设计，从而使得用于光谱检测和化学/生化分析的采样过程更容易、更稳健并且更方便现场使用。本发明的示例性实施例还可以具有以下所有独特的优点：(1)它不基于光学干涉仪，因此更加稳健并且对外部干扰不太敏感；(2)具有扩大的入口孔径，从而可以显著增强聚光能力，因此能够检测非常微弱的信号；(3)使用单像素光电检测器，因此可以在图像传感器/检测器阵列昂贵的应用中以经济高效的方式运行；(4)具有多路复用优势，因此支持高SNR检测。

高吞吐量单像素光谱仪的示例性实施例可以在拉曼光谱系统中实现。在拉曼系统中使用本发明的示例性实施例的优点包括：(1)极大的光谱仪吞吐量，允许更容易地检测微弱的拉曼散射信号；(2)可以使用不聚焦的激光，从而导致样品上的功率密度较低，从而对脆弱样品的伤害较小；(3)消除了激光光斑在样品上精确聚焦的要求，也增强了设备的稳健性，便于现场应用。(3)样品上的激光照射可以具有大面积(例如逐毫米)，由于综合平均效应，可以更快、更容易地检测粉末和药丸等不均匀样品。(4)单像素检测使得实施时间门或时间分辨拉曼光谱以抑制荧光背景变得更容易且更具成本效益。

值得注意的是，本发明的示例性实施例可以用于各种应用领域，例如食品和饮料质量评估、气体传感、环境监测、精准农业、工业过程控制、物联网、生物医学即时检测、药物筛选等，的IR和拉曼光谱传感。

图6示出了根据示例性实施例的光谱仪600的示意图。应当理解，图6还通过提供和布置光谱仪600的各个组件来阐释光谱仪600的构造。如图所示，电磁波602照射光谱仪600的入口孔径/第一编码器604。入口孔径/第一编码器604具有显著放大的孔径尺寸并且包括至少一个狭缝606，狭缝606沿着其长度方向(即，沿着基本上横向于色散方向608的方向)被空间编码。入口孔径/第一编码器604可以是透射的(如图6或图10的示例性实施例中所示)或反射的(如图11的示例性实施例中所示)。场透镜(未示出)可以放置在光谱仪600的入口孔径/第一编码器604附近，以促进与入口孔径604之前的光学器件(未示出)光瞳匹配。在入口孔径/第一编码器604之后，接收光学器件605接收电磁波并将其引导至色散光学器件610。色散光学器件610包含至少一个衍射光栅。0级衍射波不被色散而是被引导至第一收集光学器件612，第一收集光学器件612收集波能量并将其引导至第一检测器613。第一检测器可以包括例如单像素检测器或成像相机。所选择的非0级衍射波(通常，它将是+第一级或-第一级)由成像光学器件614收集并聚焦到出口孔径/第二编码器616平面，在该平面处形成编码入口孔径604的色散图像。出口孔径/第二编码器616包括沿色散方向布置的多个狭缝，其中每个狭缝沿基本上横向于色散方向618的方向被空间编码。场透镜(未示出)可以放置在出口孔径/第二编码器616附近，以促进与出口孔径616之后的第二收集光学器件620的光瞳匹配。出口孔径/第二编码器616之后的波因此被第二次编码，并且由第二收集光学器件620收集并被引导至第二检测器622，此处该第二检测器622为单像素检测器。在下面的描述中，将示出从耦合到第一收集光学器件612的检测器613获得电磁波602在入口孔径604处的空间强度分布，并且基于入口孔径604处的电磁波602的强度分布，从耦合到第二收集光学器件620的第二检测器622重建电磁波的光谱。

对图6所示的系统进行轻微的修改就可以在各种实施例中实现相同的功能。例如，可以在色散光学器件之前使用分束器将电磁波分成两部分，而不是检测来自色散光学器件的0级衍射光。一部分被引导至第一收集光学器件612和检测器613，而另一部分被引导至色散光学器件610、成像光学器件614、出口孔径/第二编码器616、第二收集光学器件620和第二检测器622。在根据示例性实施例的该修改系统中，再次从耦合到第一收集光学器件612的检测器613获得在入口孔径604处的电磁波602的空间强度分布，并且基于入口孔径604处的电磁波602的强度分布，从耦合到第二收集光学器件620的第二检测器622重建电磁波的光谱。

入射电磁辐射在光谱仪600的感兴趣光谱范围[λ_min,λ_max]内包含N个光谱成分λ₁,λ₂,…,λ_i,…,λ_Ν(i＝1～N)。如果电磁辐射的光谱范围比感兴趣的范围更宽，则可以在光谱仪600中插入带通滤波器以截止[λ_min,λ_max]之外的所有成分。辐射光谱的形状由列向量X′＝[x′₁ x′₂ ...x′_i ...x′_N]^T表示，其中x′_i是波长λ_i处辐射的相对强度。值得注意的是，x′_i相对于其他波长的相对值对于光谱的形状很重要，而x′_i的绝对值则不是很重要。

首先，为了简单起见，考虑单个编码狭缝606。狭缝606由沿其长度方向的总共K个像素编码。来自样本的EM辐射被引导至光谱仪600的入口狭缝606，其中，由于包括光源的均匀性、光学对准的条件以及聚焦和样品的均匀性。另一方面，对于光谱学应用，沿着狭缝606的每个编码像素处的输入辐射光谱应该是相同的。因此k^th编码像素处的总辐射强度可以写为其中，I′_k是反映沿狭缝的不均匀照射的缩放因子。

在第j次测量(j＝1～M)处，在狭缝606处设置编码图案，其中k^th编码像素的权重被表示为a_jk(其中，对于透明像素a_jk＝1，或对于不透明像素，a_jk＝0)。如图6所示，来自色散光学器件610的0级衍射光在第一检测器613处被收集和接收。如图7所示，第一检测器处的测量信号可写为：

其中η_i是波长λ_i处的检测效率。并且，η_i可能包括许多因素，包括光栅的0级衍射效率、沿0级路径的光学损耗以及波长λ_i下的光电检测器效率。应当注意，在上式中，该项具有与编码处理无关的值，并且该项被定义为系数c₁。接下来，定义一个新向量来表示频谱而不改变其形状：

和一个新的缩放因子I_k＝c₁I′_k。有了这些定义，并在从j＝1到M的编码过程的完整周期之后，方程(1)可以写成矩阵形式。

U＝AI, (3)

其中，U是Mx1测量向量，A是MxK编码矩阵，I是表示每个像素处的强度缩放的Kx1向量。可以理解，向量I可以使用以下方程求解：

(a)如果M＝K，A是方阵且可逆，则I＝A^-1U。

(b)如果M<K，则可以使用压缩感知算法和/或正则化回归来求解向量I。

(c)如果M>K，则可以使用包括包括Moore-Penrose广义逆在内的多种方法来获得向量I。

值得注意的是，给定像素数k处的总辐射强度可以写为或者/>并且它们是相等的。因此，入射到光谱仪狭缝上的总辐射强度由下式给出：

还值得注意的是，光谱X根据其在方程(2)中的定义，通过以下方程进行归一化：

因此，在一些需要比较光谱的光谱传感情况下，例如通过比较光源的光谱和穿过样品的光的光谱来获得吸收光谱，光谱X需要按因子缩放以反映落在入口狭缝606上的总辐射强度的实际量。

接下来，考虑光谱X的测量。如图6所示，选定的衍射级(这里以第一级为例)由成像光学器件614收集并聚焦到出口孔径616，第二编码掩模位于出口孔径616。在示例性实施例中，光谱仪600的入口孔径604处的第一编码掩模图案是动态可调的，而出口孔径616处的第二编码图案是固定的。然而，在不同的示例性实施例中，其他配置也是可能的，例如第一编码图案是固定的，而第二是可调整的，或者第一和第二编码图案都是可调整的。通过出口孔径616/第二编码器的光被第二次编码，然后由另一组收集光学器件620收集并发送到第二检测器622。

如图8所示，对于第j次测量(j＝1～M)，在入口狭缝606处设置编码图案，并且第k个编码像素的权重为a_jk。穿过狭缝、第二编码器并被第二检测器622接收的总光强为：

其中，b_ki是从入口狭缝上第k个像素处可以通过第二编码器的波长λ_i的光强度的权重(或部分)，ξ_i是第二检测器在该波长的检测效率。同样，ξ_i可能包括许多因素，包括光栅的第一级衍射效率、沿第一级路径的光学损耗以及波长λ_i处的光电检测器效率。重要的是要注意，一旦光谱仪600被构造好，ξ_i是保持恒定的系统参数，因此可以容易地用具有已知波长和强度的激光器来校准。考虑到这一点，进行以下定义：

y_i＝x_iξ_i或Y＝[x₁ξ₁ x₂ξ₂ … x_iξ_i … x_Nξ_N]^T, (7)

因此，方程(6)可以改写为矩阵形式：

经过从j＝1到M的一组完整测量，上式可以写成矩阵形式：

V＝AOBY, (9)

其中，V是Mx1测量向量，A是维度MxK的第一个编码矩阵，O是维度KxK的对角矩阵，包含从方程(3)获得的缩放因子I_k。B是维度KxN的第二编码矩阵，Y是包含辐射频谱的Nx1列向量。在上面的方程中，矩阵A和B通过光谱仪编码器设计是已知的，并且矩阵O可以通过使用第一检测器613测量0级衍射来获得。然后，当进行了足够次数的测量时，可以对上面的线性方程求解Y。根据测量总次数M和未知光谱成分的数量N(即是否M＝N、M<N或M>N)，可以使用包括矩阵求逆、广义反演、压缩感知、回归和正则化广义回归在内的多种方法来获得求解。一旦向量Y被求解出来，就可以使用方程(7)获得辐射光谱X。

下面以M＝N为例进行说明。还需要注意的是，(AOB)是一个MxN矩阵，其秩还受到入口狭缝上编码像素总数K的影响。为了使(AOB)的秩最大化，数量K应该等于或大于N。在下面的描述中，我们将设置K＝N。

在方程(9)中，由狭缝处的可编程编码器精确确定的第一编码图案设计确定A矩阵，并且该矩阵是已知的且准确的。缩放因子矩阵O通过使用第一检测器测量0级衍射光来确定，并使用压缩感知等计算算法获得。这个矩阵也是比较准确的。然而，B矩阵受到光谱仪光学器件的像差以及尤其是编码狭缝和第二编码掩模之间的对准误差的影响，因此可能包含可能影响光谱重建结果的大误差。幸运的是，B矩阵中的误差是系统性的，这意味着只要构建后的光谱仪光学器件不变，就可以通过适当的校准方法来校准和消除它们。

一种可能的校准过程如下。(1)使用可调谐激光器作为光谱仪输入，并将激光波长设置为λ_i(i＝1,2,…,N)，强度设置为1。(2)记录一组完整的编码图案的测量值Zi。然后，具有以下方程：

在校准过程中，可以通过多次重复步骤(2)，采用平均的方法来抑制检测器噪声。那么，由上式可以很容易地通过下面的方程得到B矩阵的第i列：

(3)对于新的波长λ_i+1，重复步骤(1)和(2)，直到B矩阵的所有列都被校准。还值得注意的是，B矩阵也可以使用其他方法来校准。例如，通过向光谱仪输入一系列已知光谱的输入电磁波，然后采用机器学习算法通过使重建光谱和已知光谱之间的误差最小化来校准B矩阵。一旦B被校准，就可以使用方程(3)和(9)来测量未知的EM光谱，提高精度和信噪比。

接下来，认为入口孔径现在包含总数为Ns的编码狭缝。可以使用上述方法处理每个单独的狭缝。考虑到第一个检测器接收来自所有狭缝的0级衍射光，方程(3)现在变为：

其中A_l和I_l分别表示第l个狭缝的编码矩阵和强度缩放向量。该方程可以进一步转化为分块矩阵形式。

已知测量向量U和编码矩阵即可求解向量/>或I₁,I₂,…,I_Ns。需要注意的是，向量现在包含NxNs个未知数，可能需要很长时间才能完成NxNs个测量。在这种情况下，可以进行较少数量的测量，并且可以使用压缩感知算法来找到/>该过程通常是准确的，因为入口孔径处的强度分布确实缓慢变化，因此向量/>在某些基础上是稀疏的。

如图6所示，在该示例性实施例中，第二检测器622接收在来自光栅的第一级衍射路径中穿过出口孔径/第二编码器616的所有光。在图9中进一步示意性地强调了测量方程(9)，然后测量方程(9)变成所有狭缝的求和：

其中V是测量向量，A_l,O_l和B_l分别表示第l个狭缝的第一编码矩阵、强度缩放矩阵和第二编码矩阵，Y是包含光谱X的向量。同样，该方程可以进一步转换为块矩阵形式。

在上面的方程中，可以通过使用前面描述的在单个狭缝情况中建立的方法校准每个单独的编码狭缝的B₁,B₂,…和B_Ns，从而校准矩阵一旦/>被校准，它包含的系统参数不会改变，除非调整光谱仪光学器件。然后，我们可以与单编码狭缝情况类似的方式使用方程(13)和(15)来测量未知的EM谱，以提高精度和SNR。

总之，根据示例性实施例的光谱仪以以下方式工作。光谱仪入口孔径平面中的至少一个编码狭缝用于生成一系列编码图案以对入射电磁波进行编码。对于每个编码图案，第一检测器613用于记录0级衍射波的总强度，并且第二检测器622用于记录穿过第二编码器的非0级衍射波(通常为+1或-1级)的总强度。记录足够数量的测量值后，可以通过采用包括矩阵求逆、广义求逆、回归和正则化回归在内的多种方法来求解方程(13)和(15)，从而重建电磁波的频谱。

根据示例性实施例的光谱仪的主要优点包括：(1)由于低成本的单像素光电检测器被用于记录衍射波总强度，可以方便地在包括近红外、中红外、远红外以及UV和DUV的任何电磁波段处进行操作；(2)具有复用优势，信噪比高；(3)由于采用了大的入口孔径，因此具有极高的吞吐量，从而能够检测非常微弱的电磁波信号；(4)消除了对入口孔径均匀照射的要求，从而大大简化了光谱仪前置光学器件的设计，使光谱传感的采样过程更加容易，更方便现场使用。

特别是对于拉曼光谱，根据示例性实施例的光谱仪具有以下显著优点：(1)极大的光谱仪吞吐量，允许更容易地检测微弱的拉曼散射信号；(2)可以使用不聚焦的激光，从而导致样品上的功率密度较低，从而对脆弱样品的伤害较小；(3)消除了激光光斑在样品上精确聚焦的要求，也增强了设备的稳健性，便于现场应用。(3)样品上的激光照射可以具有大面积(例如逐毫米)，由于综合平均效应，可以更快、更容易地检测粉末和药丸等不均匀样品。(4)单像素检测使得实施时间门或时间分辨拉曼光谱以抑制荧光背景变得更容易且更具成本效益。

图10中示出了光谱仪1000的示例性实施例。应当理解，图10还通过提供和布置光谱仪1000的各种部件来示出光谱仪1000的构造。如图所示，入口孔径1010被电磁波照射，可移动掩模1014被放置在紧接入口孔径/第一编码器1010的前面或后面，并且通过移动掩模1014来生成不同的编码图案。可移动掩模1014包含多个编码狭缝，例如，1016，相邻的狭缝可以有很小的间隙，也可以以零间隙彼此紧接着布置。每个狭缝例如1016沿着其长度方向编码，如图所示，该长度方向基本上横向于色散1018的方向。所有狭缝可以具有如设计B中所示的相同编码图案或者如设计A中所示具有不同的编码图案。穿过入口孔径1010的电磁波因此被第一次编码。然后该波被接收光学器件(反射镜M1)收集并被色散光学器件1020(光栅)色散。来自色散光学器件1020的0级衍射波由第一收集光学器件(透镜L1)聚集并聚焦到第一检测器D1。来自色散光学器件1020的选定衍射级(通常是第一级)波被成像光学器件(反射镜M2)聚集并聚焦到出口孔径/第二编码器1022。然后对该波进行第二次编码。穿过出口孔径/第二编码器1022的波然后由第二收集光学器件(透镜L2)收集并聚焦到第二检测器D2，此处为单像素检测器。如图所示，入口孔径/第一编码器1010和出口孔径/第二编码器1022形成一对光学共轭面，光栅1020表面与检测器D2上的感光区域形成另一对光学共轭面。在该构造中，虽然出口孔径/第二编码器上的照射面积由于色散效应可能很大，但是检测器D2上的光斑只是光栅1020上的照射光斑的图像，因此可以做得更小，只要光学放大倍数小于一。单像素检测器D2(以及D1)上的小光斑尺寸是有益的，有利于小感光区域检测器的设计，从而减少暗电流噪声并加快响应速度。另外，可以将场透镜放置在出口孔径/第二编码器1022附近以用于光瞳匹配。

图11示出了光谱仪1100的另一个示例性实施例。应当理解，图11还通过提供和布置光谱仪1100的各种部件来示出光谱仪1100的构造。如图所示，来自样本的光由透镜L1收集并引导至入口孔径/第一编码器1102。第一编码器使用微机电系统(MEMS)技术，更具体地说是MEMS微镜阵列技术来实现。第一编码器包含多个编码狭缝，例如1104,每个编码狭缝都由一列微镜组成。如图11所示，当微镜，例如1105，向右旋转(当沿电磁波1106的方向观察时)，它将落在其上的光引导到光谱仪1100的接收光学器件中，并且因此其对应的像素处于“开启(ON)”状态。相反，当微镜(例如1107)向左旋转时，它会引导光线远离光谱仪1100的接收光学器件，因此其对应的像素处于“关闭(OFF)”状态。从第一编码器中的所有“开启”状态微镜反射的光由接收光学器件(反射镜M1)收集并引导至色散光学器件(光栅G1)。来自色散光学器件G1的0级衍射1107由第一收集光学器件(透镜L2)收集并引导至第一检测器D1。将选定的非零衍射级(通常+1或-1级)光束从色散光学器件G1引导至成像光学器件(反射镜M2)并聚焦至出口孔径/第二编码器1108平面。此处，在出口孔径/第二编码器1108平面上产生入口孔径/第一编码器1102的色散图像。然后，通过出口孔径/第二编码器1108传输的光被第二收集光学器件收集，该第二收集光学器件包含反射镜M3、光栅G2和反射镜M4。此处，光栅G2反转由色散光学器件G1产生的色散，并将具有不同波长的光束组合成单个光束1110，然后由镜子M4将其聚焦到检测器D2，此处为单像素检测器。因此，在D2的感光表面上，形成入口孔径1102的缩小图像。这种第二收集光学设计有助于减少检测器D2上所需的感光区域，这对于高速和低噪声检测来说是理想的。

在上述示例性实施例中，检测器(613、622、D1和D2)可以是单像素检测器，例如光电二极管、雪崩光电二极管(APD)、单光子雪崩二极管(SPAD)、光子倍增管(PMT)等等。在一些应用中，当检测器上的光斑大于其感光区域时，可以在示例性实施例中采用具有多个单像素检测器的级联，如图12所示。

接下来，将描述高吞吐量光谱仪的示例性实施例在时间分辨(TR)拉曼光谱应用中的使用。如图13示意图所示，时间分辨拉曼光谱是TG拉曼的增强版本。在时间分辨拉曼光谱中，一系列非常短的时间门检测窗口在每个激光脉冲后以不同的时间延迟依次打开，从而捕获随时间变化的超快样品光谱演变(拉曼加荧光)。时间分辨拉曼光谱不仅能够抑制荧光背景，还可以揭示样品的其他关键信息，例如荧光寿命和分层样品在不同深度中的材料。

根据示例性实施例的时间分辨拉曼系统1400在图14中示出。应当理解，图14还通过提供和布置光谱仪1400的各个组件示出了光谱仪1400的构造。来自激发激光器1402源的激光脉冲穿过激光线滤波器LLF并在分束器BS处分成两个路径。在一条路径上，激光脉冲被引导至光电检测器D3以生成用于启动/触发时间门窗口以及系统同步的电脉冲。在另一条路径上，激光脉冲通过二向色滤光器DF和透镜L3被引导至样本1404。利用根据示例性实施例的高吞吐量光谱仪设计，不需要将激光束聚焦到样本1404表面上的微小点。这种独特的该特性消除了传统拉曼光谱仪中激发路径中的精密光学器件和精确样品对准的要求，同时降低了光子引起样品损坏的风险。拉曼散射光随后被透镜L3收集，穿过二向色滤光片DF，并进入高吞吐量单像素光谱仪1408。作为示例，光谱仪1408是根据示例性实施例的光谱仪1100的形式(比较图11)，在此在根据示例性实施例的拉曼系统1400中采用。检测器D1记录0级衍射光信号，然后将其用于重构入口孔径/第一编码器1102上的强度分布。检测器D2记录1级衍射光信号，并结合入口孔径/第一编码器1102上的强度分布信息，确定拉曼散射光光谱。值得注意的是，如本领域技术人员将理解的，根据本发明的各种实施例的任何光谱仪可以用在不同的示例性实施例中。可以向系统添加额外的滤波器，以进一步增强拉曼系统性能，例如添加长通滤波器用于检测斯托克斯拉曼信号。

值得注意的是，对于根据示例性实施例并且使用可见脉冲激光的时间分辨拉曼系统，图14所示的高吞吐量光谱仪1408中的检测器D1可以是单像素检测器或传统的阵列图像传感器。下面进一步强调为什么可以在这里使用传统图像传感器的原因。D1的主要功能是捕获入口孔径处的强度分布，并且这种检测是在可见波长处并且不需要超快时间门功能。因此，常见的CCD或CMOS图像传感器就适合这里使用。在下面示例性实施例的描述中，检测器D1仍然优选为单像素检测器，例如PMT或SPAD，因为它们的内部增益和高灵敏度高。

利用根据示例性实施例的拉曼系统中使用的单像素检测器，可以直接应用时间相关单光子计数(TCSPC)技术来获得时间分辨拉曼光谱。如图15(a)所示，紧接在每个激光脉冲之后，检测器D3的输出经过鉴别器产生触发脉冲以启动两个时间幅度转换器(TAC)1501、1502。如图15(b)所示，启动时，TAC1501、1502的电压在电容器上线性上升，仅当检测器D1和D2分别检测到光子时才会停止。然后保持TAC1501、1502的输出电压以供模数转换器(ADC)记录该单光子检测事件的时间。在足够数量的激光脉冲后，会生成直方图，它表示激光脉冲后不同时间延迟处检测到的光子数量。D1和D2的直方图分别相当于随时间延迟而变化的检测到的光强度。如图15(a)所示，检测器D1和D2分别停止上部和下部TAC1501、1502，并随时间分别产生两个直方图1511、1512。然后数据处理如上文针对高吞吐量光谱仪的示例性实施例所述。简言之，处理D1直方图1511以重建入口孔径处的空间强度分布，同时处理D2直方图1512以重建拉曼位移谱。

为了进一步说明根据示例性实施例的数据处理算法，以D2直方图1512为例。在操作期间，根据示例性实施例的高吞吐量光谱仪在其入口孔径处生成一系列编码图案，并且在每个编码图案处利用图15中讨论的硬件产生直方图。如图16所示，记录的直方图例如1600然后被组合起来形成直方图数据立方体1602(如图16左侧所示)，其中x轴为编码图案编号，y轴为时间延迟，z轴为光子计数次数。然后，3D直方图数据立方体1602以不同的时间延迟被“切割”，如数字1604所示。然后，每个时间“切片”1604代表在高吞吐量光谱仪的入口孔径处记录的一组完整编码图案的测量结果，其随后可以被解码成拉曼位移光谱1606。然后可以根据示例性实施例使用上面描述的方法重建每个时间延迟处的拉曼位移光谱(例如1606)。如图16右侧所示，具有一系列拉曼位移光谱，例如根据在各种时间延迟处获得的1606，可以构建表示时间分辨拉曼位移的3D拉曼位移光谱数据立方体1608。值得注意的是，利用根据示例性实施例的拉曼系统中使用的诸如PMT和SPAD的单像素检测器，实现皮秒级时间门检测窗口是成本有效的，从而使得时间分辨拉曼中的高时间分辨率成为可能。另外，根据示例性实施例的具有扩大的孔径尺寸的高吞吐量光谱仪设计进一步增强了吞吐量并因此提高了时间分辨拉曼光谱的SNR。

根据示例性实施例的光谱仪的主要优点包括：(1)由于所施用的低成本的单像素光电检测器，可以方便地在包括近红外、中红外、远红外以及UV和DUV的任何电磁波段处进行操作；(2)具有复用优势，信噪比高；(3)由于采用了大的入口孔径，因此具有极高的吞吐量，从而能够检测非常微弱的电磁波信号；(4)消除了对入口孔径均匀照射的要求，从而大大简化了光谱仪前置光学器件的设计，使光谱传感的采样过程更加容易，更方便现场使用。

特别是对于拉曼光谱，根据示例性实施例的光谱仪具有以下显著优点：(1)极大的光谱仪吞吐量，允许更容易地检测微弱的拉曼散射信号；(2)可以使用不聚焦的激光，从而导致样品上的功率密度较低，从而对脆弱样品的伤害较小；(3)消除了激光光斑在样品上精确聚焦的要求，也增强了设备的稳健性，便于现场应用。(3)样品上的激光照射可以具有大面积(例如逐毫米)，由于综合平均效应，可以更快、更容易地检测粉末和药丸等不均匀样品。(4)单像素检测使得实施时间门或时间分辨拉曼光谱以抑制荧光背景变得更容易且更具成本效益；(5)TCSPC与基于MEMS-微镜的编码入口孔径的结合可实现高灵敏度时间门/时间分辨拉曼检测，基本上无需机械移动部件。

{以下是说明书中权利要求语言的常见“重复”。}

在一实施例中，提供了一种用于检测在感兴趣的光谱带内具有一种或多种波长成分的电磁(EM)波谱的光谱仪，包括：入口孔径；出口孔径；色散和成像光学器件，被配置为在出口孔径的平面上创建所述入口孔径的色散图像，使得不同波长成分处的各个图像沿色散方向偏移不同量的位移；至少一个单像素检测器，每个单像素检测器对一种或多种波长成分敏感；电磁检测器；第一收集光学器件，被配置为将入射在所述入口孔径上的第一电磁波能量收集到所述电磁检测器；第二收集光学器件，被配置为将离开所述出口孔径的第二电磁波能量收集到所述至少一个单像素检测器；以及测量单元，被配置为测量所述电磁检测器的输出和所述至少一个单像素检测器的输出，用于在考虑所述入口孔径上的入射电磁波的强度分布的情况下重建所述电磁波谱。

所述入口孔径包括至少一个入口狭缝，所述至少一个入口狭缝沿着基本上横向于色散方向的方向被空间编码。

所述出口孔径包括布置在色散方向上的多个出口狭缝，其中，每个出口狭缝沿着基本上横向于所述色散方向的方向被空间编码。

所述至少一个入口狭缝的编码图案和/或所述多个出口狭缝的编码图案是可调节的，并且被配置为多次改变。

所述第一收集光学器件被配置为收集来自色散和成像光学器件的色散元件的0级衍射的第一电磁波能量。

所述第一收集光学器件被配置为从设置在所述入口孔径附近的分束器元件收集所述第一电磁波能量。

所述电磁检测器包括单像素检测器或成像相机。

该光谱仪可以包括带通滤波器，用于从所述入射电磁波中过滤出感兴趣的光谱带。

该光谱仪可以包括第一场透镜，所述第一场透镜被配置为与前置光学器件进行光瞳匹配，用于布置在所述入口孔径附近。

该光谱仪可以包括第二场透镜，所述第二场透镜被配置为与所述第二收集光学器件进行光瞳匹配，用于布置在所述出口孔径附近。

所述第二收集光学器件包括色散元件以消除来自所述色散和成像光学器件的色散效应。

使用微机电系统(MEMS)技术或使用MEMS微镜阵列分别实现所述入口狭缝和/或所述出口狭缝中的至少一者的可调节编码图案。

使用放置在固定孔径开口附近的可移动掩模分别实现所述入口狭缝和/或所述出口狭缝中的至少一者的可调节编码图案。

该光谱仪可以被配置为拉曼光谱系统。光谱仪可以被配置用于时间门和/或时间分辨拉曼光谱。

所述测量单元被配置为使用时间相关单光子计数(TCSPC)，其中，利用所述电磁检测器和所述至少所述单像素检测器构造3D直方图数据立方体。所述测量单元被配置为在不同时间延迟处对所述3D直方图数据立方体进行切片，每个时间延迟切片代表用于在相应时间延迟处重建拉曼光谱的完整的一组编码强度测量结果。所述测量单元被配置成使得时间分辨拉曼位移光谱在各种时间延迟处重建。

图17示出了流程图1700，其示出了根据示例性实施例的一种检测在感兴趣的光谱带内具有一种或多种波长成分的电磁(EM)波谱的方法。在步骤1702中，在出口孔径的平面上创建入口孔径的色散图像，使得不同波长成分的各个图像沿色散方向偏移不同量的位移。在步骤1704，将入射在所述入口孔径上的第一电磁波能量收集到所述电磁检测器。在步骤1706，将离开所述出口孔径的第二电磁波能量收集到所述至少一个单像素检测器。在步骤1708，测量电磁检测器的输出和所述至少一个单像素检测器的输出，以基于入口孔径上的入射电磁波的强度分布来重建所述电磁波谱。

该方法可以包括沿着基本上横向于色散方向的方向对所述入口孔径的至少一个入口狭缝进行空间编码。

该方法可以包括沿着基本上横向于色散方向的方向对所述出口孔径的多个出口狭缝进行空间编码。

该方法可以包括多次改变所述至少一个入口狭缝的编码图案和/或所述多个出口狭缝的编码图案。

所述第一电磁波能量可以从来自色散元件的0级衍射收集的。

可以从设置在所述入口孔径附近的分束器元件收集所述第一电磁波能量。

EM检测器可以包括单像素检测器或成像相机。

该方法可以包括从所述入射的电磁波中过滤出感兴趣的谱带。

该方法可以包括与前置光学器件进行瞳孔匹配。

该方法可以包括在将所述第二电磁波能量收集到所述至少一个单像素检测器期间进行光瞳匹配。

该方法可以包括消除在所述出口孔径的平面上创建所述入口孔径的色散图像过程中的色散效应。

使用微机电系统(MEMS)技术或使用MEMS微镜阵列分别实现所述入口狭缝和/或所述出口狭缝中的至少一者的可调节编码图案

该方法可用于执行拉曼光谱。该方法可用于执行时间门和/或时间分辨拉曼光谱。

该方法可以包括使用时间相关单光子计数(TCSPC)，其中，利用所述电磁检测器和所述至少所述单像素检测器构建构造3D直方图数据立方体。该方法可以包括在各种时间延迟处对所述3D直方图数据立方体进行切片，每个时间延迟切片代表用于在相应时间延迟处重建拉曼光谱的完整的一组编码强度测量结果。该方法可以包括在各种时间延迟处重建时间分辨拉曼位移谱。

在一实施例中，提供了一种构造示例性实施例中的任一个的光谱仪的方法。

本发明的实施例的工业应用包括，该技术可用于开发具有高吞吐量和高光谱分辨率的IR和/或拉曼光谱仪，用于一系列应用中的现场使用，包括但不限于气体传感、材料识别和验证、环境监测、物联网传感器、生物科学、食品和饮料质量评估、法医学和执法，以及药物研究和药物开发。

本发明的实施例可以具有以下特征中的一个或多个以及相关的益处/优点：

本文所述系统和方法的各方面可以实现为编程到各种电路中的功能，包括可编程逻辑器件(PLD)，例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程阵列逻辑(PAL)器件、电可编程逻辑和存储器器件和标准基于单元的器件，以及专用集成电路(ASIC)。实现系统方面的一些其他可能性包括：具有存储器的微控制器(例如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))、嵌入式微处理器、固件、软件等。此外，系统的各方面可以体现在具有基于软件的电路仿真、离散逻辑(顺序和组合)、定制设备、模糊(神经)逻辑、量子设备以及任何上述设备类型的混合的微处理器中。当然，底层器件技术可以以多种组件类型提供，例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)技术(如互补金属氧化物半导体(CMOS))、双极技术(如发射极晶体管)。耦合逻辑(ECL)、聚合物技术(例如硅共轭聚合物和金属共轭聚合物-金属结构)、混合模拟和数字等。

本文公开的各种功能或过程可以在其行为、寄存器传输、逻辑组件、晶体管、布局几何形状和/或其他特性方面被描述为体现在各种计算机可读介质中的数据和/或指令。其中，可以体现这种格式化数据和/或指令的计算机可读介质包括但不限于各种形式的非易失性存储介质(例如，光、磁或半导体存储介质)以及可以使用的载波通过无线、光学或有线信令介质或其任何组合来传输此类格式化数据和/或指令。当被接收到多种电路(例如计算机)中的任何一种中时，这样的数据和/或指令可以由处理实体(例如，一个或多个处理器)进行处理。

系统和方法的所示实施例的以上描述并不旨在是穷举的或将系统和方法限制为所公开的精确形式。尽管本文出于说明目的描述了系统组件和方法的特定实施例和示例，但相关领域的技术人员将认识到，在系统、组件和方法的范围内可以进行各种等效修改。本文提供的系统和方法的教导可以应用于其他处理系统和方法，而不仅限于上述系统和方法。

本领域技术人员应当理解，在不脱离广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，可以对具体实施例中所示的本发明进行多种变化和/或修改。因此，本实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。此外，本发明包括针对不同实施例(包括在摘要部分中)描述的特征的任何组合，即使该特征或特征组合未在权利要求或本实施例的详细描述中明确指定。

一般而言，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将系统和方法限制为说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被解释为包括根据权利要求操作的所有处理系统。因此，系统和方法不受本公开的限制，而是系统和方法的范围完全由权利要求书确定。

除非上下文另有明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等应被解释为包含性含义，而不是排他性或穷举性含义；也就是说，在某种意义上“包括但不限于”。使用单数或复数的词语也分别包括复数或单数。另外，词语“此处”、“下文”、“上面”、“下面”以及类似含义的词语是指本申请的整体，而不是指本申请的任何特定部分。当“或”一词用于指代两个或多个项目的列表时，该词涵盖以下所有解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目以及列表中项目的任意组合。

Claims

1.一种用于检测在感兴趣的光谱带内具有一种或多种波长成分的电磁(EM)波谱的光谱仪，包括：

入口孔径；

出口孔径；

电磁检测器；

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述入口孔径包括至少一个入口狭缝，所述至少一个入口狭缝沿着基本上横向于色散方向的方向被空间编码。

3.根据权利要求1或2所述的光谱仪，其中，所述出口孔径包括布置在色散方向上的多个出口狭缝，其中，每个出口狭缝沿着基本上横向于所述色散方向的方向被空间编码。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光谱仪，其中，所述至少一个入口狭缝的编码图案和/或所述多个出口狭缝的编码图案是可调节的，并且被配置为多次改变。

5.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，其中，所述第一收集光学器件被配置为收集来自色散和成像光学器件的色散元件的0级衍射的第一电磁波能量。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的光谱仪，其中，所述第一收集光学器件被配置为从设置在所述入口孔径附近的分束器元件收集所述第一电磁波能量。

7.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，其中，所述电磁检测器包括单像素检测器或成像相机。

8.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，包括带通滤波器，用于从所述入射电磁波中过滤出感兴趣的光谱带。

9.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，包括第一场透镜，所述第一场透镜被配置为与前置光学器件进行光瞳匹配，用于布置在所述入口孔径附近。

10.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，包括第二场透镜，所述第二场透镜被配置为与所述第二收集光学器件进行光瞳匹配，用于布置在所述出口孔径附近。

11.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，其中，所述第二收集光学器件包括色散元件以消除来自所述色散和成像光学器件的色散效应。

12.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，其中，使用微机电系统(MEMS)技术或使用MEMS微镜阵列分别实现所述入口狭缝和/或所述出口狭缝中的至少一者的可调节编码图案。

13.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，其中，使用放置在固定孔径开口附近的可移动掩模分别实现所述入口狭缝和/或所述出口狭缝中的至少一者的可调节编码图案。

14.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪，配置为拉曼光谱系统。

15.根据权利要求14所述的光谱仪，被配置用于时间门和/或时间分辨拉曼光谱。

16.根据权利要求14或15所述的光谱仪，其中，所述测量单元被配置为使用时间相关单光子计数(TCSPC)，其中，利用所述电磁检测器和所述至少所述单像素检测器构造3D直方图数据立方体。

17.根据权利要求16所述的光谱仪，其中，所述测量单元被配置为在不同时间延迟处对所述3D直方图数据立方体进行切片，每个时间延迟切片代表用于在相应时间延迟处重建拉曼光谱的完整的一组编码强度测量结果。

18.根据权利要求17所述的光谱仪，其中，所述测量单元被配置成使得时间分辨拉曼位移光谱在各种时间延迟处重建。

19.一种检测在感兴趣的光谱带内具有一种或多种波长成分的电磁(EM)波谱的方法，该方法包括以下步骤：

20.根据权利要求19所述的方法，包括沿着基本上横向于色散方向的方向对所述入口孔径的至少一个入口狭缝进行空间编码。

21.根据权利要求19或20所述的方法，包括沿着基本上横向于色散方向的方向对所述出口孔径的多个出口狭缝进行空间编码。

22.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，包括多次改变所述至少一个入口狭缝的编码图案和/或所述多个出口狭缝的编码图案。

23.根据权利要求19至22中任一项所述的方法，其中，所述第一电磁波能量是从来自色散元件的0级衍射收集的。

24.根据权利要求19至22中任一项所述的方法，其中，从设置在所述入口孔径附近的分束器元件收集所述第一电磁波能量。

25.根据权利要求19至24中任一项所述的方法，其中，所述电磁检测器包括单像素检测器或成像相机。

26.根据权利要求19至25中任一项所述的方法，包括从所述入射电磁波中过滤出感兴趣的谱带。

27.根据权利要求19至26中任一项所述的方法，包括与前置光学器件进行瞳孔匹配。

28.根据权利要求19至27中任一项所述的方法，包括在将所述第二电磁波能量收集到所述至少一个单像素检测器期间进行光瞳匹配。

29.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括消除在所述出口孔径的平面上创建所述入口孔径的色散图像过程中的色散效应。

30.根据权利要求19至29中任一项所述的方法，其中，使用微机电系统(MEMS)技术或使用MEMS微镜阵列分别实现所述入口狭缝和/或所述出口狭缝中的至少一者的可调节编码图案。

31.根据权利要求19至30中任一项所述的方法，其中，使用放置在固定孔径开口附近的可移动掩模分别实现所述入口狭缝和/或所述出口狭缝中的至少一者的可调节编码图案。

32.根据权利要求19至31中任一项所述的方法，用于执行拉曼光谱。

33.根据权利要求32所述的方法，用于执行时间门和/或时间分辨拉曼光谱。

34.根据权利要求32或33所述的方法，包括使用时间相关单光子计数(TCSPC)，其中，利用所述电磁检测器和所述至少所述单像素检测器构建构造3D直方图数据立方体。

35.权利要求34所述的方法，包括在各种时间延迟处对所述3D直方图数据立方体进行切片，每个时间延迟切片代表用于在相应时间延迟处重建拉曼光谱的完整的一组编码强度测量结果。

36.根据权利要求35所述的方法，包括在各种时间延迟处重建时间分辨拉曼位移谱。

37.一种构造根据权利要求1至18中任一项所述的光谱仪的方法。