CN1737515A - 一种两维空间同时实现光谱分辨的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种两维空间同时光谱分辨的方法和装置，用一对相同的微透镜阵列和一个针孔阵列板将样品离散成二维空间点阵；再经准直透镜准直成为平行光束后，由分光元件实现两维空间同时分光，色散的光束通过聚束透镜会聚以及中继光学系统成像在面阵探测器上，形成按波长顺序展开的二维离散点色散像，不同的离散点在面阵探测器上对应一条色散展开的光谱，实现了一次成像同时获得被测样品的二维空间强度图像和二维空间光谱分布图像。再通过两维空间间歇微位移系统，补上由于空间离散化而丢失的平面内其它点的光谱分辨信息，从而获得物体高空间分辨和高光谱分辨的两维空间光谱分辨信息。

Description

一种两维空间同时实现光谱分辨的方法和装置

技术领域

本发明涉及光谱技术。是一种新型的利用透镜阵列实现两维同时光谱成像的方法和装置。

背景技术

光谱仪器是在研究光谱学和光谱技术问题时最基本的测试设备，其目的是通过物质光谱强度信号测量获得物质成份和结构的信息。它是物理、化学、生物医学及环境科学等领域广泛使用的分析仪器。传统的光谱仪器的色散原理属于空间分离光谱，即是说将光谱按波长的顺序在空间有规律的排列。所以传统的光谱仪器均由入射狭缝、分光系统和探测系统组成。光束经入射狭缝进入光谱仪，分光之后入射狭缝的像沿焦平面色散展开，狭缝的作用在于保证仪器的光谱分辨率。狭缝的存在使得这类光谱仪器只有一维空间分辨本领，因而只能获得样品局部的光谱信息。随着科技的发展，例如活体生物细胞、组织的生理及生化研究，一方面需要进行大量的光谱空间分布测量；另一方面还需要实时的、快速的测量，以保证生物样品的活性，因为很多样品尤其是活细胞，其光谱信号随生命的进程可能是变化的，故对此类样品的快速光谱检测是非常必要的。为了得到二维空间的光谱分布信息，目前常用的两种技术为传统的色散型成像光谱仪和窄带滤光片成像光谱仪。色散型成像光谱仪通过色散元件(棱镜或光栅)，将狭缝的像成像到二维探测器上，色散方向垂直于狭缝的长轴，探测器在一维方向上记录了一维空间信息，另一维记录了一维空间不同点的光谱信息。然后采用逐行扫描的方法，样品或激发光束作X方向扫描，测量出不同X处Y方向每一点的光谱信息。最后通过计算机重建，获得二维空间不同位置的光谱信息。当然，对于荧光光谱测量来说，还有通过逐点扫描的方法获得两维空间的光谱信息，例如激光扫描共焦显微镜就是采用了这种方法。这种方法不能一次得到二维光谱图像，采样效率低，计算量大，不利于实时、原位观察生物活体。另外一种是窄带滤光片成像光谱仪，它采用滤光片的方法，一次成像可以获得样品的两维空间单色图像，通过更换滤光片来获得不同光谱的信息。但这种方法的最大缺点是受限于滤光片制作工艺的限制，光谱分辨率不可能太高。另外，每测量一次就要更换一次滤光片，工作也不方便。

可对比的技术文献有：

Mark F.Hopkins，“Multi-spectral Two-dimensional Imaging Spectrometer”，United StatesPatent，Patent Number：5982497，1999.

发明内容

本发明的目的是在色散型分光原理的基础上，利用微透镜阵列实现两维空间同时分光，一次成像即可获得样品两维空间的光谱分布图像，从而克服了现有技术中的必须逐行或逐点扫描才能获得两维空间光谱分辨的缺点，并从而解决了现有技术中存在的采样效率低的问题。

本发明的技术方案由三部分组成：二维空间样品图像离散系统、分光系统和面阵探测系统。二维空间样品图像离散系统包括物镜、微透镜阵列组和二维阵列针孔板。物镜的作用是把样品成像于微透镜阵列组的物方焦平面上，它可以是显微物镜或望远物镜或摄影物镜，视研究的样品而定。透镜阵列组由2个具有相同结构、相同光学性能、相同排列方式和相同排列走向的微透镜阵列组成，在透镜阵列组的像方焦平面上放置有一个二维阵列针孔板，其包含针孔的个数与透镜阵列的个数相同，并且每个针孔的中心都在微透镜阵列中相应的微透镜光轴上。阵列针孔板相当于光学系统的孔径光阑，它经其前面的微透镜阵列组在光学系统物空间所成的像是光学系统的入射光瞳。在本系统中阵列针孔板通过其前面的微透镜阵列组成的像位于物方焦平面，而物方焦平面与样品通过物镜的像面重合，起到对样品像二维空间离散的作用。经过二维空间离散系统，样品的像被离散化成一个二维空间点阵。

分光系统由准直微透镜阵列、反射镜、分光元件和聚束微透镜阵列组成。准直微透镜阵列与上述的图像离散化微透镜阵列具有相同的结构、相同的光学性质、相同的排列方式和相同的排列走向，它把二维空间离散点阵像准直为相互平行的平行光束，以实现二维空间同时分光。反射镜的作用是改变光束传播的方向，使探测光路与入射光路垂直，使系统更加紧凑。分光元件对所有平行光束同时分光，它可以是棱镜，也可以是光栅。色散后的光束经聚束微透镜阵列聚焦，在其焦平面上可得到二维空间点阵按波长顺序色散的像。因此，利用光学系统固有的并行处理能力，实现了二维空间的同时光谱分辨。这里应当提及的是分光元件与准直微透镜阵列之间的方位角关系，应使由聚束微透镜阵列输出的光谱分辨色散线方向与两维空间离散点阵的行和列方向成一定的角度，从而可获得更大的光谱展开空间范围。

面阵探测系统包括中继光学系统和面阵探测器。因为微透镜阵列中每一微透镜的焦距一般都很短，因此采用中继光学系统把二维空间离散光谱像投影到面阵探测器上，中继光学系统可以由光学镜头组成，为了提高耦合效率，它也可以由光锥和/或光学纤维面板组成，以使系统能对弱光探测。面阵探测器接收二维空间离散点色散线图像。

本发明利用微透镜阵列在传统的色散型成像光谱仪原理的基础上，实现了在一个面阵探测器上记录两维空间的同时光谱图像。理论上一个面阵探测器只能记录2维信息：即两维空间位置的强度分布信息。本发明用一个二维的面阵探测器同时记录了3维信息，即X-Y两维空间上各离散点不同光谱的强度信息。其原理就是使样品的像首先经过一两维空间离散系统成为一个两维的离散像，两维离散像经分光系统同时分光，每个离散点都在接收平面上按波长顺序色散展开，因此，一次成像获得了样品二维空间的光谱分布信息。通过计算机的处理，就可以得到样品的二维空间积分强度图像和二维空间光谱分布图像。

本发明为了获得足够高得空间分辨率，在样品台上装有一两维间歇式微位移系统，它可以使样品在垂直于光轴方向的平面内做两维精密间歇式移动，从而可填补由于离散而丢失的其它空间点的光谱信息，从而获得高的空间分辨率。和逐点扫描的方法相比较，本发明所述的方法其扫描效率提高了N×M倍，其中N和M分别为微透镜阵列中一行和一列中所包含的透镜个数。

采用本发明所述的利用微透镜阵列实现两维同时光谱成像的方法和装置，与现有技术相比，有以下优点：

1)利用二维离散系统代替传统光谱仪器的狭缝，可以对样品同时进行二维离散；

2)分光元件可实现二维空间同时分光，充分发挥了光学元件并行处理的能力；

3)一次成像即可获得样品两维空间不同光谱的强度信息，通过积分又可获得两维空间光强分布信息，可以同时获取样品更多的特征信息；

4)取代了逐点扫描再重构二维图像的方法，实现了二维同时采样和二维同时扫描，提高了N×M倍采样效率，节省了测试时间；

5)被测样品的光谱范围可以是从红外到紫外的任何波段，只是物镜、微透镜阵列、分光元件、中继光学系统等所用的光学元件和探测器的光谱响应范围不同而已。

附图说明

图1是按照本发明所述的方法构成的两维空间同时光谱成像装置。

图2是透镜阵列示意图。

图3是色散后的两维空间点阵色散像示意图。

图4是采用光锥耦合探测器的两维空间同时光谱成像装置。

图5是一种简化的两维空间同时光谱成像装置。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

如附图1所示，样品101通过物镜102成像于像面103上，该像面位于微透镜阵列组的物方焦平面上。微透镜阵列组由2个具有相同结构、相同光学性能、相同排列方式、相同排列走向的N×M(N≥2，M≥2)的透镜阵列104、105组成，即两个微透镜阵列包含透镜的个数、排列方式，以及每个透镜的外形尺寸、焦距和透过率等都是相同的。这里的物镜可以是显微物镜、或望远物镜或摄影物镜，微透镜阵列可以是自聚焦透镜阵列，也可以是其它类型的微透镜阵列。在透镜阵列组的像方焦平面上置有一个二维阵列针孔板106，其包含针孔的个数同样是N×M个，并且每个针孔的中心都在微透镜阵列104、105的相应微透镜的光轴上，二维阵列针孔板106相当于光学系统的孔径光阑，在本系统中两维阵列针孔板通过其前面的微透镜阵列组成的像位于物方焦平面上，在物方焦平面起到对样品图像的二维离散化作用。二维阵列针孔板的选材和加工方式不受限制，只要能满足上述要求即可。经过二维空间离散系统，样品的像被离散化成一个N×M的二维空间点阵107，然后进入分光系统。在分光系统中首先由一个和微透镜阵列104、105具有相同结构、相同光学性能、相同排列方式和相同排列走向的准直微透镜阵列108把二维空间点阵像准直为相互平行的N×M个平行光束109，以使分光元件可以实现二维空间同时分光。调整反射镜110与光轴的夹角，使探测光路与入射光路垂直。经反射镜反射平行光束109被分光元件如棱镜111同时分光，色散后的光束112被聚束微透镜阵列113聚焦，在其焦平面上得到二维空间点阵107在空间上按波长顺序色散的像114。聚束微透镜阵列113与准直透镜阵列108具有相同的结构、相同的光学性能、相同的排列方式和相同的排列走向，但它们与分光元件之间的方位角由所得到的色散线的走向确定。色散线的方向应和点阵像的阵和列的方向成一定的角度，以使色散线能有更大的空间延伸而不与其它色散线相交。同时，能保证经准直透镜阵列108上(i，j)微透镜(i、j表示微透镜在微透镜阵列上的空间位置)的光束色散后经聚束微透镜阵列113的(i，j)微透镜会聚。通过调节反射镜110和分光元件如棱镜111可以使光束通过两个微透镜阵列的透镜一一对应。这里所述的分光元件既可用棱镜，也可用光栅。因为微透镜阵列中的微透镜焦距一般较短，因此采用中继光学系统115把二维离散光谱像114投影到面阵探测器116上；面阵探测器116接收二维离散的光谱图像117，从而在面阵探测器上可以同时记录两维空间各离散点的不同光谱强度。间歇式两维微位移系统118由控制电路驱动，可以使样品在垂直于光轴方向的平面内做两维精密移动，以高的空间分辨率获取样品二维空间不同光谱的信息。

本发明实现了在一个面阵探测器上记录两维空间的同时光谱图像。一次成像获得了样品二维空间不同光谱的信息。通过计算机的处理，还可以得到样品的二维空间积分强度图像信息。

如附图2所示，201是微透镜阵列，202是微透镜，(i，j)表示微透镜在微透镜阵列板上的位置。示意图中微透镜阵列放置的方式即为实际装置中的放置方式之一，目的是使光谱的色散沿微透镜阵列的对角线方向展开，和水平或垂直方向相比，光谱的色散具有更大的展开空间范围。

附图3所示是两维同时分光后，色散后的两维点阵按波长大小顺序展开后的图像示意图，例如最上方为红光、最下方为紫光。

附图4所示是本方案的另外一种实施例。它是采用光锥耦合的面阵探测器116′代替了由光学透镜耦合的面阵探测器116，光锥耦合面可以和色散的像面114重合，具有高的光耦合效率，采用这种方案可以测量较弱的光谱。

根据不同的要求可以采用不同的面阵探测器。例如，当信号较弱时，可以采用像增强器和CCD或CMOS直接耦合的面阵探测器，即ICCD或ICMOS。又如，当需要系统的成本较低时，可以采用CMOS或便宜的CCD作为系统的面阵探测器。必要时还可以采用分离的半导体光电探测器，例如PIN或APD构成面阵探测器，或用光电倍增管构成面阵探测器。

附图5所示是本方案的又一种实施例。它用透镜119替代了准直微透镜阵列108，用透镜120替代了聚束微透镜阵列113，降低了系统对空间位置对准的要求，但这种方案由于不能实现二维空间点阵和点阵光谱像之间的同比成像，不利于系统标定和计算机重建被测物体光谱像，这也是它相对于之前所述方案的缺点所在。如图5所示，经过二维空间离散系统形成的N×M二维空间点阵107位于透镜119的物方焦平面，点阵107被准直为若干束平行光109′，但平行光之间是相互交叉的，各光束之间最大的夹角必须小于90度，或者可以量化为：

                             α＜2arctan(d/f)

其中α为任意两光束之间的夹角，d为距光轴距离最大的微透镜中心到光轴的距离，f为透镜119的焦距。满足上式的光束可以保证经反射镜110反射后进入分光棱镜111时的入射角在分光棱镜入射面法线的一侧。由于各个光束的入射角不同，因此，色散后的光束112′中同一角度入射的同一光束中的不同波长的单色光，将有不同的偏向角；不同角度入射的不同光束中相同波长的单色光，也将有不同的偏向角；而同一光束中的相同波长的单色光具有相同的偏向角。色散后的光束112′经透镜120聚集，可以在面阵探测器116上获得二维空间点阵107在空间上按波长顺序色散的像。

Claims (16)

1.一种两维空间同时光谱分辨成像的方法，其特征是样品被二维空间离散成像后，由分光系统进行二维空间同时分光，再聚焦成像在探测器上，形成按波长顺序展开的二维空间离散点各自的色散像，一次成像即可同时得到样品的二维空间平面上离散点各自的光谱信息；再通过两维空间间歇微位移系统，补上由于空间离散化而丢失的平面内其它点的光谱分辨信息，从而获得物体高空间分辨和高光谱分辨的两维空间光谱分辨信息。

2.一种两维同时光谱成像装置，其特征是由二维空间离散系统、两维空间分光系统和面阵探测系统等三部分组成。

3.根据权利要求1、2所述的方法和装置，其特征是所述的二维空间离散系统由物镜102、微透镜阵列104、105和二维阵列针孔板106组成。一对结构和性能一致的N×M(N≥2，M≥2)微透镜阵列和一个具有N×M个针孔的针孔阵列板将样品离散成N×M二维空间点阵。

4.根据权利要求3所述的二维空间离散系统，其特征是所述的物镜102将样品进行成像，它可以是显微物镜或望远物镜或摄影物镜，视研究的样品而定。

5.根据权利要求3所述的二维空间离散系统，其特征是所述的微透镜阵列将物镜所成的样品两维图象离散化，所用的两个微透镜阵列具有相同的结构和相同的光学性能，它们可以是自聚焦透镜阵列或其它种类的微透镜阵列。

6.根据权利要求3所述的二维空间离散系统，其特征是所述的针孔阵列板具有和权利要求5所述的微透镜阵列相同的行和列，并具有和微透镜阵列相同的行间距和列间距，针孔阵列板上所有的针孔具有相同的形状和大小。

7.根据权利要求1、2所述的方法和装置，其特征是所述的两维空间分光系统由准直微透镜阵列108、反射镜110、分光元件111和聚束微透镜阵列113组成。由两维空间离散系统所获得的二维空间离散点阵107，经N×M的准直透镜阵列108准直成为N×M个平行光束后，由分光元件同时分光，色散的光束通过N×M的聚束微透镜阵列113会聚，在其焦平面上形成不同离散点的一条条色散线，从而实现二维空间同时分光。

8.根据权利要求7所述的两维空间分光系统，其特征是所述的准直微透镜阵列108和聚束微透镜阵列113与权利要求5所述的微透镜阵列具有相同的结构和相同的光学性能，并且准直微透镜阵列108和权利要求所述的微透镜阵列具有相同的方位角，它们可以是自聚焦透镜阵列或其它微透镜阵列。

9.根据权利要求7所述的两维空间分光系统，其特征是反射镜110的作用只是为了使探测光路与入射光路垂直，系统更加紧凑，也可不用，光束109直接进入分光元件111。

10.根据权利要求7所述的两维空间分光系统，其特征是所述的分光元件111用来进行光谱分光，它与准直微透镜阵列108之间的方位关系，应使由聚束微透镜阵列113输出的色散线方向与两维空间离散点阵的行和列方向成一定的角度，以获得更大的光谱展开空间范围；分光元件111可以是棱镜，也可以是光栅。

11.根据权利要求7所述的两维空间分光系统，其特征是可以用透镜119替代准直微透镜阵列108，用透镜120替代聚束微透镜阵列113，透镜119放置的位置必须满足二维点阵像107在它的物方焦平面处。

12.根据权利要求1、2所述的方法和装置，其特征是所述的面阵探测系统由中继光学系统115和面阵探测器116组成。二维空间离散点色散像经中继光学系统成像在面阵探测器上。

13.根据权利要求11所述的面阵探测系统，其特征是所述的中继光学系统可以由光学镜头组成，或是由光锥和/或光学纤维面板组成，将由两维空间分光系统所获得的两维空间离散点色散线成像到面阵探测器116上。

14.根据权利要求11所述的面阵探测系统，其特征是所述的面阵探测器116用于记录两维空间离散点积分光强或光谱强度信息，它可以是面阵CCD器件，或面阵CMOS器件，或像增强器，或像增强CCD(ICCD)器件，或像增强CMOS(ICMOS)器件等面阵探测器。

15.根据权利要求1、2所述的方法和装置，其特征是通过一个微位移结构118，将样品在垂直于光轴方向的平面内做两维精密间歇移动，即可填补由于离散而丢失的其它空间点的光谱信息，从而获得高的空间分辨率。

16.根据权利要求1、2所述的方法和装置，其特征是被测样品的光谱范围可以是从红外到紫外的任何波段，只是物镜、微透镜阵列、分光元件、中继光学系统等所用的光学元件和面阵探测器的光谱响应范围不同。

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