專(zhuān)利名稱(chēng)：一種超靈敏時(shí)間分辨光譜儀及其時(shí)間分辨方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種超靈敏時(shí)間分辨光譜儀及其時(shí)間分辨方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，國(guó)際現(xiàn)階段用于瞬態(tài)極弱光(如熒光壽命)測(cè)量的技術(shù)主要有單分子探測(cè)技術(shù)、時(shí)間分辨技術(shù)和超分辨率測(cè)量技術(shù)。其中:(I)單分子探測(cè)技術(shù)主要有寬場(chǎng)共聚焦突光顯微技術(shù)、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微(SNOM)技術(shù)、全內(nèi)反射突光顯微(TIRF)技術(shù)、原子力光學(xué)顯微(AFOM)和拉曼散射技術(shù)；(2)時(shí)間分辨技術(shù)主要有熒光壽命成像(FUM)、雙光子熒光壽命顯微成像、熒光壽命相關(guān)光譜(FCS)技術(shù)和多維度熒光壽命顯微技術(shù)；(3)超分辨率測(cè)量技術(shù)主要有受激發(fā)射損耗顯微(STED)技術(shù)、位置敏感顯微(PALM、ST0RM、dST0RM、GSDM)技術(shù)、光學(xué)漲落顯微(SOFI)技術(shù)和熒光共振能量轉(zhuǎn)移顯微技術(shù)(FRET )。對(duì)于生物大分子的熒光壽命成像及相關(guān)光譜定量測(cè)量方法是，先用FLIM或FCS系統(tǒng)進(jìn)行單點(diǎn)熒光壽命及相關(guān)光譜測(cè)量，然后，采用激光束掃描或樣品掃描系統(tǒng)進(jìn)行生物大分子熒光壽命及相關(guān)光譜成像測(cè)量。由于納米位移掃描平臺(tái)的穩(wěn)定性差、掃描過(guò)程復(fù)雜，不僅增加了制造成本，也極大延長(zhǎng)了納米材料和生物大分子的測(cè)試時(shí)間，成功率也受到顯著影響。對(duì)于納米材料高分辨率顯微結(jié)構(gòu)成像測(cè)量方法，通常是采用電子掃描顯微鏡進(jìn)行圖形表征，由于高能電子電離會(huì)損傷被測(cè)樣品，無(wú)法進(jìn)行生物活性分子及納米材料的無(wú)損成像測(cè)量。上述這些技術(shù)的通病是無(wú)法同時(shí)對(duì)觀(guān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行相關(guān)光譜分析和時(shí)間分辨工作。隨著科研的需求逐漸向高時(shí)間分辨、多波段、探測(cè)快速、光子激發(fā)等方向發(fā)展，這些功能越發(fā)顯得無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的實(shí)際需求，迫切需要一種能夠同時(shí)對(duì)觀(guān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行光譜分析和時(shí)間分辨的儀器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的裝置無(wú)法同時(shí)對(duì)觀(guān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行光譜分析和時(shí)間分辨的缺陷，從而提供一種能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)光譜分析和時(shí)間分辨的裝置。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種超靈敏時(shí)間分辨光譜儀，包括:光學(xué)單元I和電學(xué)單元II，其中，所述光學(xué)單元I包括入射狹縫1、光準(zhǔn)直部件2、凹面鏡3、光柵分光部件4、空間光調(diào)制器5以及會(huì)聚收光部件6 ;所述凹面鏡3有兩個(gè)，包括第一凹面鏡3-1和第二凹面鏡3-2 ;所述電學(xué)單元II包括隨機(jī)數(shù)發(fā)生器9、單光子點(diǎn)探測(cè)器10、計(jì)數(shù)器11、時(shí)間測(cè)量?jī)x12、控制模塊14、數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器15以及壓縮感知模塊16 ；單光子級(jí)別的待測(cè)極弱光經(jīng)由所述入射狹縫I入射，然后通過(guò)所述光準(zhǔn)直部件2和第一凹面鏡3-1對(duì)待測(cè)極弱光做擴(kuò)束和準(zhǔn)直，使所述待測(cè)極弱光成為平行光；所述平行光照射到所述光柵分光部件4 ;所述光柵分光部件4所生成的光譜場(chǎng)再經(jīng)過(guò)所述第二凹面鏡3-2反射，進(jìn)而在所述空間光調(diào)制器5上展開(kāi)形成光譜帶；所述空間光調(diào)制器5對(duì)所形成的光譜帶進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制，使得其出射光以一定的隨機(jī)概率向所述會(huì)聚收光部件6反射；所述會(huì)聚收光部件6用于濾除雜散光，將過(guò)濾后的待測(cè)極弱光傳輸?shù)剿鲭妼W(xué)單元II中的單光子點(diǎn)探測(cè)器10 ；所述隨機(jī)數(shù)發(fā)生器9產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)并提供給所述空間光調(diào)制器5，每一空間光調(diào)制器5中區(qū)域總像素長(zhǎng)度的隨機(jī)數(shù)組成一個(gè)隨機(jī)基，所述空間光調(diào)制器5根據(jù)該隨機(jī)基實(shí)現(xiàn)隨機(jī)調(diào)制；所述的單光子點(diǎn)探測(cè)器10探測(cè)待測(cè)極弱光中的各個(gè)單光子點(diǎn)，將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成有效脈沖信號(hào)后輸出；所述計(jì)數(shù)器11記錄所述單光子點(diǎn)探測(cè)器10探測(cè)到的單光子點(diǎn)的數(shù)目；所述的時(shí)間測(cè)量?jī)x12記錄單光子點(diǎn)到達(dá)的時(shí)間；所述控制模塊14對(duì)整個(gè)超靈敏光譜儀進(jìn)行控制協(xié)調(diào)，包括對(duì)各部件的使能和觸發(fā)脈沖控制，確保所述計(jì)數(shù)器11、空間光調(diào)制器5和時(shí)間測(cè)量?jī)x12之間的步調(diào)一致；所述計(jì)數(shù)器11所記錄的單光子點(diǎn)的數(shù)目、時(shí)間測(cè)量?jī)x12所記錄的時(shí)間信息以及隨機(jī)數(shù)發(fā)生器9生成的隨機(jī)基一起打包存入所述數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器15中，所述壓縮感知模塊16根據(jù)單光子點(diǎn)的數(shù)目、時(shí)間信息、隨機(jī)基實(shí)現(xiàn)光譜帶信號(hào)重建，最后輸出分辨光譜強(qiáng)度圖。上述技術(shù)方案中，所述光學(xué)單元I還包括反射鏡7以及出射狹縫8 ;所述反射鏡7位于第二凹面鏡3-2與空間光調(diào)制器5的光路之間，用于將光譜反射至所述出射狹縫8，以供其它類(lèi)型探測(cè)器接收或進(jìn)入其它光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量研究。上述技術(shù)方案中，所述電學(xué)單元II還包括數(shù)字延遲器13，所述數(shù)字延遲器13在所述控制模塊14的控制下，完成對(duì)所述單光子點(diǎn)探測(cè)器10的皮秒級(jí)門(mén)控。上述技術(shù)方案中，所述光柵分光部件4將不同波長(zhǎng)的光場(chǎng)按波長(zhǎng)從短到長(zhǎng)依次投射到所述空間光調(diào)制器5的不同位置上。上述技術(shù)方案中，所述空間光調(diào)制器5采用數(shù)字微鏡器件實(shí)現(xiàn)。上述技術(shù)方案中，將所述數(shù)字微鏡器件的對(duì)角線(xiàn)作為所述光譜帶的成像位置。上述技術(shù)方案中，所述會(huì)聚收光部件6包括濾光片和衰減片。上述技術(shù)方案中，所述單光子點(diǎn)探測(cè)器10采用蓋革模式雪崩二極管或光電倍增管實(shí)現(xiàn)。上述技術(shù)方案中，所述控制模塊14確保所述計(jì)數(shù)器11和空間光調(diào)制器5之間步調(diào)一致包括:所述空間光調(diào)制器5中的微鏡陣列每翻轉(zhuǎn)一次，所述計(jì)數(shù)器11累積計(jì)數(shù)在該翻轉(zhuǎn)時(shí)間間隔內(nèi)檢測(cè)到的所有光子，翻轉(zhuǎn)完成后，計(jì)數(shù)器11清零。上述技術(shù)方案中，所述壓縮感知模塊16采用下列算法中的任意一種實(shí)現(xiàn)壓縮感知:貪心重建算法、匹配跟蹤算法MP、正交匹配跟蹤算法0MP、基跟蹤算法BP、LASSO、LARS,GPSR、貝葉斯估計(jì)算法、magi C、1ST、TV、StOMP、CoSaMP、LB1、SP、ll_ls、smp 算法、SpaRSA 算法、TwIST算法、10重建算法、I1重建算法、I2重建算法。本發(fā)明還提供了一種基于所述的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀的時(shí)間分辨方法，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)非周期變化的長(zhǎng)時(shí)間序列的時(shí)間分辨，包括:步驟I)、單光子入射的步驟；單光子級(jí)別的待測(cè)極弱光經(jīng)由所述入射狹縫I入射，然后通過(guò)所述光準(zhǔn)直部件2和第一凹面鏡3-1對(duì)待測(cè)極弱光做擴(kuò)束和準(zhǔn)直，使所述待測(cè)極弱光成為平行光；所述平行光照射到所述光柵分光部件4 ;所述光柵分光部件4所生成的光譜場(chǎng)再經(jīng)過(guò)所述第二凹面鏡3-2反射，進(jìn)而在所述空間光調(diào)制器5上展開(kāi)形成光譜帶；所述空間光調(diào)制器5對(duì)所形成的光譜帶進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制，使得其出射光以一定的隨機(jī)概率向所述會(huì)聚收光部件6反射；所述會(huì)聚收光部件6用于濾除雜散光，將過(guò)濾后的待測(cè)極弱光傳輸?shù)剿鲭妼W(xué)單元II中的單光子點(diǎn)探測(cè)器10 ；步驟2)、檢測(cè)單光子并計(jì)數(shù)的步驟；所述單光子點(diǎn)探測(cè)器10探測(cè)待測(cè)極弱光中的各個(gè)單光子點(diǎn)，將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成有效脈沖信號(hào)后輸出；在待測(cè)物體還未來(lái)得及變化的時(shí)間間隔內(nèi)，空間光調(diào)制器5每翻轉(zhuǎn)一次，所述計(jì)數(shù)器11記錄達(dá)到單光子點(diǎn)檢測(cè)器10上的單光子點(diǎn)的數(shù)目，將其作為測(cè)
量值;步驟3)、壓縮感知的步驟；所述計(jì)數(shù)器11所記錄的單光子點(diǎn)的數(shù)目和隨機(jī)數(shù)發(fā)生器9生成的隨機(jī)基一起打包存入所述數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器13中，最后導(dǎo)入所述壓縮感知模塊14中，在該模塊中實(shí)現(xiàn)光譜帶信號(hào)重建，恢復(fù)出該時(shí)間間隔內(nèi)的光譜強(qiáng)度圖；步驟4)、在待測(cè)極弱光發(fā)生變化后到還未發(fā)生下一次變化的時(shí)間間隔內(nèi)，重復(fù)上述操作，實(shí)現(xiàn)非周期變化的長(zhǎng)時(shí)間序列過(guò)程的時(shí)間分辨。本發(fā)明又提供了一種基于所述的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀所實(shí)現(xiàn)的基于時(shí)間間隔測(cè)量的時(shí)間分辨方法，用于對(duì)周期為1.5ms 5ms的瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行時(shí)間分辨；包括:步驟I)、開(kāi)啟光源，假設(shè)瞬態(tài)周期為T(mén)，將該時(shí)間周期等分為d個(gè)時(shí)間間隔，記做t1； t2, t3,…，td，在該周期T內(nèi)保持所述空間光調(diào)制器5中的微鏡陣列固定一幀不變；步驟2)、單光子入射的步驟；步驟3)、檢測(cè)單光子并計(jì)數(shù)的步驟；所述單光子點(diǎn)探測(cè)器10對(duì)落在\時(shí)間間隔內(nèi)的單光子進(jìn)行探測(cè)，所述計(jì)數(shù)器11記錄下每段時(shí)間間隔內(nèi)的單光子數(shù)，與所述時(shí)間測(cè)量?jī)x12記錄下的時(shí)間碼合在一起作為一個(gè)數(shù)據(jù)包，在下一次激光脈沖發(fā)射前，所述空間光調(diào)制器5中的微鏡陣列瞬間翻轉(zhuǎn)到下一幀，如此重復(fù)P次同樣操作，每個(gè)t時(shí)間間隔有P個(gè)計(jì)數(shù)，分別對(duì)應(yīng)P個(gè)隨機(jī)矩陣；步驟4)、壓縮感知的步驟；根據(jù)步驟3)所得到的結(jié)果，分別對(duì)這d個(gè)時(shí)間間隔做算法重建，反演出一個(gè)瞬態(tài)周期內(nèi)的光譜強(qiáng)度變化過(guò)程，即時(shí)間分辨光譜強(qiáng)度圖。本發(fā)明又提供了一種基于所述的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀所實(shí)現(xiàn)的基于延遲測(cè)量的時(shí)間分辨方法，用于對(duì)周期為80ns 1.5ms的瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行時(shí)間分辨；該方法包括:步驟I)、保持所述空間光調(diào)制器5中的微鏡陣列固定一幀不變，保持單光子點(diǎn)探測(cè)器的門(mén)寬的起始端與瞬態(tài)周期起始時(shí)刻重合，門(mén)寬小于瞬態(tài)周期T ；步驟2)、周期開(kāi)始時(shí)，單光子入射；步驟3)、所述單光子點(diǎn)探測(cè)器10和所述時(shí)間測(cè)量?jī)x12同時(shí)開(kāi)始測(cè)量，在該瞬態(tài)周期內(nèi)僅探測(cè)一次，所測(cè)得計(jì)數(shù)值為門(mén)寬和該瞬態(tài)周期交疊時(shí)間段內(nèi)的單光子數(shù)，依次重復(fù)Q次，然后基于統(tǒng)計(jì)原理將每次的計(jì)數(shù)加和，在此之后利用所述數(shù)字延遲器13將門(mén)寬增加20ps，依上述步驟同樣可以獲得一個(gè)計(jì)數(shù)加和，以第一個(gè)加和作為參考值，第二個(gè)加和與第一個(gè)加和之差作為延長(zhǎng)的那段門(mén)寬時(shí)間內(nèi)的統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，依此法得到參考點(diǎn)時(shí)刻到瞬態(tài)周期結(jié)束時(shí)刻之間的d段統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)；步驟4)、保持門(mén)寬不變， 將門(mén)寬的到達(dá)時(shí)刻提前，重新執(zhí)行步驟3)得到一系列計(jì)數(shù)差值為瞬態(tài)周期開(kāi)始時(shí)刻到參考點(diǎn)時(shí)刻之間的d段統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)；步驟5)、根據(jù)步驟3)得到的參考點(diǎn)時(shí)刻到瞬態(tài)周期結(jié)束時(shí)刻之間的d段統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)以及步驟4)得到的瞬態(tài)周期開(kāi)始時(shí)刻到參考點(diǎn)時(shí)刻之間的d段統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，得到整個(gè)瞬態(tài)周期內(nèi)的分段統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)；步驟6)、所述空間光調(diào)制器5中的微鏡陣列瞬間翻轉(zhuǎn)到下一幀，如此重復(fù)P次同樣操作，每個(gè)時(shí)間間隔便相應(yīng)有P個(gè)計(jì)數(shù)，分別對(duì)應(yīng)P個(gè)隨機(jī)矩陣；步驟7)、壓縮感知的步驟；根據(jù)步驟6)所得到的結(jié)果，分別對(duì)這d個(gè)時(shí)間間隔做算法重建，反演出一個(gè)瞬態(tài)周期內(nèi)的光譜強(qiáng)度變化過(guò)程，即時(shí)間分辨光譜強(qiáng)度圖。本發(fā)明還提供了一種基于所述的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀所實(shí)現(xiàn)的基于光子到達(dá)時(shí)間的時(shí)間分辨方法，包括:步驟I)、提供給所述時(shí)間測(cè)量?jī)x12中的時(shí)間幅度變換器一個(gè)參考脈沖，然后將所述空間光調(diào)制器5中的微鏡陣列固定一幀不動(dòng)，利用所述時(shí)間測(cè)量?jī)x12中的時(shí)間幅度變換器把獲得光子的時(shí)間以電壓形式記錄下來(lái)，記錄在對(duì)應(yīng)的時(shí)間通道中，并按光子達(dá)到時(shí)間將光子數(shù)分段劃分，統(tǒng)計(jì)出一個(gè)周期內(nèi)各時(shí)間間隔內(nèi)的d段累積計(jì)數(shù)；步驟2)、所述空間光調(diào)制器5中的微鏡陣列瞬間翻轉(zhuǎn)到下一幀，如此重復(fù)P次同樣操作，每個(gè)時(shí)間間隔便相應(yīng)有P個(gè)計(jì)數(shù)，分別對(duì)應(yīng)P個(gè)隨機(jī)矩陣；步驟3)、壓縮感知的步驟；根據(jù)步驟2)所得到的結(jié)果，分別對(duì)這d個(gè)時(shí)間間隔做算法重建，反演出一個(gè)瞬態(tài)周期內(nèi)的光譜強(qiáng)度變化過(guò)程，即時(shí)間分辨光譜強(qiáng)度圖。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:1、本發(fā)明能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)光譜分析與時(shí)間分辨；2、本發(fā)明引入壓縮感知理論，以單光子點(diǎn)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光譜帶的平面探測(cè)，大大縮小了測(cè)量維度和測(cè)量規(guī)模；3、本發(fā)明具有極高的時(shí)間分辨精度，分辨精度能夠達(dá)到皮秒量級(jí)。


圖1是本發(fā)明的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀所能得到的時(shí)間分辨光譜強(qiáng)度圖的示意圖；圖3是DMD中的單個(gè)微鏡的反射機(jī)制的示意圖；圖4是數(shù)字微鏡器件上時(shí)間分辨光譜原理圖；圖5是基于時(shí)間間隔測(cè)量的時(shí)間分辨方法框圖；圖6是分時(shí)間間隔記錄單光子數(shù)示意圖；圖7是基于延遲測(cè)量的時(shí)間分辨方法框圖；圖8是統(tǒng)計(jì)作差后時(shí)間間隔內(nèi)單光子計(jì)數(shù)示意圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。在對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明前，首先對(duì)本發(fā)明中所涉及的相關(guān)概念做相應(yīng)的說(shuō)明。時(shí)間分辨:是指能觀(guān)察物理和化學(xué)的瞬態(tài)過(guò)程并能分辨其時(shí)間。
壓縮感知(Compressive Sensing,簡(jiǎn)稱(chēng)CS)原理:所述的壓縮感知原理是由Donoho>Tao和CandSs等人提出的一個(gè)全新數(shù)學(xué)理論,按照該理論能夠以隨機(jī)采樣的方式、通過(guò)更少的數(shù)據(jù)采樣數(shù)(遠(yuǎn)低于奈奎斯特/香農(nóng)采樣定理的極限)來(lái)完美地恢復(fù)原始信號(hào)，且具有更高的魯棒性。壓縮感知主要分為三步驟:壓縮采樣、稀疏變換與算法重建；其中，壓縮采樣，是指被測(cè)信號(hào)由高維向低維映射與采集的過(guò)程；所述的稀疏變換是選取合適的因子W，使得X經(jīng)W變化所得值X’是稀疏的，即X在W框架下可稀疏表達(dá)；所述的算法重建是在已知觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)y、測(cè)量矩陣A和框架叫的條件下求解y = A^x' +e的過(guò)程，最后再由x=∑xΨ反演出X。
在對(duì)本發(fā)明中所涉及的概念做統(tǒng)一說(shuō)明后，下面對(duì)本發(fā)明的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀做詳細(xì)說(shuō)明。參考圖1，本發(fā)明的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀包括光學(xué)單元I (圖1中矩形虛線(xiàn)框內(nèi)部分)和電學(xué)單元II，其中，光學(xué)單元I包括入射狹縫1、光準(zhǔn)直部件2、凹面鏡3、光柵分光部件4、空間光調(diào)制器5、會(huì)聚收光部件6、反射鏡7以及出射狹縫8 ;所述凹面鏡3有兩個(gè)，分別用第一凹面鏡3-1，第二凹面鏡3-2表示。電學(xué)單元II包括隨機(jī)數(shù)發(fā)生器9、單光子點(diǎn)探測(cè)器10、計(jì)數(shù)器11、時(shí)間測(cè)量?jī)x12、控制模塊14、數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器15以及壓縮感知模塊16。在光學(xué)單元I中，單光子級(jí)別的待測(cè)極弱光通過(guò)入射狹縫I進(jìn)入超靈敏時(shí)間分辨光譜儀，然后通過(guò)光準(zhǔn)直部件2和第一凹面鏡3-1對(duì)待測(cè)極弱光做擴(kuò)束和準(zhǔn)直，使所述待測(cè)極弱光成為平行光；所述平行光照射到光柵分光部件4，并應(yīng)當(dāng)盡可能覆蓋整個(gè)光柵面；光柵分光部件4所生成的光譜場(chǎng)再經(jīng)過(guò)第二凹面鏡3-2反射，進(jìn)而在空間光調(diào)制器5上展開(kāi)形成光譜帶，使不同波長(zhǎng)的光在焦平面上實(shí)現(xiàn)空間分離；空間光調(diào)制器5對(duì)所形成的光譜帶進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制，使得其出射光以一定的隨機(jī)概率向會(huì)聚收光部件6反射；所述會(huì)聚收光部件6用于濾除雜散光，將過(guò)濾后的待測(cè)極弱光傳輸?shù)诫妼W(xué)單元II中的單光子點(diǎn)探測(cè)器10 ;所述反射鏡7位于第二凹面鏡3-2與空間光調(diào)制器5的光路之間，用于將光譜反射至出射狹縫8，以供其它類(lèi)型探測(cè)器接收或進(jìn)入其它光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量研究。在電學(xué)單元II中，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器9用于生成隨機(jī)數(shù)，其中每空間光調(diào)制器(5)中區(qū)域總像素長(zhǎng)度的隨機(jī)數(shù)組成一個(gè)隨機(jī)基，所產(chǎn)生的隨機(jī)基提供給空間光調(diào)制器5，所述空間光調(diào)制器5根據(jù)該隨機(jī)基實(shí)現(xiàn)隨機(jī)調(diào)制；所述的單光子點(diǎn)探測(cè)器10用于探測(cè)待測(cè)極弱光中的各個(gè)單光子點(diǎn)，將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成有效脈沖信號(hào)后輸出；所述計(jì)數(shù)器11用于記錄單光子點(diǎn)探測(cè)器10探測(cè)到的單光子點(diǎn)的數(shù)目；所述的時(shí)間測(cè)量?jī)x12用于記錄下單光子點(diǎn)到達(dá)的時(shí)間信息；所述控制模塊14用于對(duì)整個(gè)超靈敏光譜儀進(jìn)行控制協(xié)調(diào)，包括對(duì)各部件的使能和觸發(fā)脈沖控制，確保計(jì)數(shù)器11、空間光調(diào)制器(SLM)5和時(shí)間測(cè)量?jī)x12之間的步調(diào)一致，必要時(shí)去除異步時(shí)差；計(jì)數(shù)器11所記錄的單光子點(diǎn)的數(shù)目、時(shí)間測(cè)量?jī)x12所記錄的時(shí)間信息以及隨機(jī)數(shù)發(fā)生器9生成的隨機(jī)基一一對(duì)應(yīng)，一起打包存入數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器15中，最后導(dǎo)入壓縮感知模塊16中，在該模塊中實(shí)現(xiàn)光譜帶信號(hào)重建，最后輸出分辨光譜強(qiáng)度圖
(λ，I, t)。以上是對(duì)一個(gè)實(shí)施例中本發(fā)明的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀的總體結(jié)構(gòu)的描述，在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀還包括有數(shù)字延遲器13，所述數(shù)字延遲器13在控制模塊14的控制下，用于完成對(duì)單光子點(diǎn)探測(cè)器10的皮秒級(jí)門(mén)控。下面對(duì)光譜儀中各個(gè)部件的具體實(shí)現(xiàn)做進(jìn)一步的描述。
狹縫是由一對(duì)隔板在光通路上形成的縫隙，入射狹縫I用于調(diào)節(jié)入射光的純度和強(qiáng)度，形成光譜儀的物點(diǎn)，出射狹縫8用于出光。所述光柵分光部件4用于光譜分光,該部件米用色散式分光的工作方式，光柵分光部件4中的色散元件(棱鏡或光柵)將不同波長(zhǎng)的光場(chǎng)按波長(zhǎng)從短到長(zhǎng)依次投射到空間光調(diào)制器(SLM)5的不同位置上，無(wú)需進(jìn)行掃描，各光譜波段同時(shí)獲得。該分光方式中，光譜分辨率的高低與到達(dá)色散元件(棱鏡或光柵)的入射光的準(zhǔn)直度成正比，準(zhǔn)直性越好光譜分辨率越高。在本實(shí)施例中，所述光柵分光部件4采用閃耀光柵實(shí)現(xiàn)。所述空間光調(diào)制器(SLM) 5能將信息加載于一維或兩維的光學(xué)數(shù)據(jù)場(chǎng)上，是實(shí)時(shí)光學(xué)信息處理、自適應(yīng)光學(xué)和光計(jì)算等現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵器件，這類(lèi)器件可在隨時(shí)間變化的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)或其他信號(hào)的控制下，改變空間上光分布的振幅或強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)以及波長(zhǎng)，或者把非相干光轉(zhuǎn)化成相干光。其種類(lèi)有很多種，主要有數(shù)字微鏡器件(DigitalMicro-mirror Device,簡(jiǎn)稱(chēng)DMD)、毛玻璃、液晶光閥等。在本實(shí)施例中,所述SLM為數(shù)字微鏡器件，包括微鏡陣列和集成電路部分。在其他實(shí)施例中，也可以是其它類(lèi)型的SLM。本實(shí)施例中所采用的DMD是包含有成千上萬(wàn)個(gè)安裝在鉸鏈上的微鏡的陣列(主流的DMD由1024X768的陣列構(gòu)成，最大可至2048X 1152)，每一鏡片的尺寸為14iimX14iim(或16 y mX 16 y m)并可以通斷一個(gè)像素的光，這些微鏡皆懸浮著，通過(guò)對(duì)每一個(gè)鏡片下的存儲(chǔ)單元都以二進(jìn)制平面信號(hào)進(jìn)行電子化尋址，便可讓每個(gè)鏡片以靜電方式向兩側(cè)傾斜10 12°左右(本實(shí)施例中取+12°和-12° )，把這兩種狀態(tài)記為I和0，分別對(duì)應(yīng)“開(kāi)”和“關(guān)”，當(dāng)鏡片不工作時(shí)，它們處于0°的“停泊”狀態(tài)。在圖3中，對(duì)DMD中的單個(gè)微鏡的反射機(jī)制做了描述。圖中的細(xì)實(shí)線(xiàn)表示單個(gè)微鏡初始位置時(shí)的基線(xiàn)和法線(xiàn)，取順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，逆時(shí)針為負(fù)。當(dāng)入射光線(xiàn)與該初始法線(xiàn)成24°時(shí)，反射光線(xiàn)也與初始法線(xiàn)成24°，但當(dāng)微鏡翻轉(zhuǎn)+12°時(shí)，該圖例中微鏡的法線(xiàn)隨之順時(shí)針旋轉(zhuǎn)+12°，根據(jù)反射定律，反射光線(xiàn)則需順時(shí)針旋轉(zhuǎn)+24°，即與初始法線(xiàn)在同一直線(xiàn)上，可設(shè)置該初始法線(xiàn)方向?yàn)閱喂庾狱c(diǎn)探測(cè)器10的接收方向。同理，當(dāng)微鏡翻轉(zhuǎn)-12°時(shí)，這時(shí)的反射光線(xiàn)與初始法線(xiàn)成-48°，幾乎不能被單光子點(diǎn)探測(cè)器10接收，可忽略不計(jì)。當(dāng)然接收方向也可設(shè)置為微鏡-12°翻轉(zhuǎn)時(shí)的出射方向。需要說(shuō)明的是，為使光譜帶的分辨長(zhǎng)度盡可能長(zhǎng)，如圖4所示，可選取DMD的對(duì)角線(xiàn)作為光譜帶的成像位置，而DMD中每個(gè)微鏡的翻轉(zhuǎn)方向剛好是對(duì)角線(xiàn)方向，若將DMD對(duì)角線(xiàn)作為水平方向，光譜帶成像位置也在水平方向，該法獲得的像素點(diǎn)最多，例如2048 X 1152大小的DMD對(duì)角線(xiàn)可約達(dá)2350個(gè)像素點(diǎn)。會(huì)聚收光部件6包括濾光片和衰減片，所述濾光片用于濾除待檢測(cè)光中的雜散光，當(dāng)待檢測(cè)光比較強(qiáng)時(shí)，需采用多組衰減片組合進(jìn)行光衰減，以防止單光子點(diǎn)探測(cè)器10飽和。本實(shí)施例中，所述單光子點(diǎn)探測(cè)器10采用蓋革模式雪崩二極管(avalanchephotodiode，簡(jiǎn)稱(chēng)APD)，在其他實(shí)施例中，該點(diǎn)探測(cè)器也可替換成其它具有單光子探測(cè)能力的點(diǎn)探測(cè)器，如光電倍增管Photomultiplier tube (PMT)。所述時(shí)間測(cè)量?jī)x12采用帶有時(shí)間幅度變換器(Time to Amplitude Converter,簡(jiǎn)稱(chēng)TAC)功能的時(shí)間相關(guān)計(jì)數(shù)卡(Time-correlated Single Photon Counting Module,簡(jiǎn)稱(chēng)TCSPC)或獨(dú)立的時(shí)間幅度變換器實(shí)現(xiàn)。
所述控制模塊14所實(shí)現(xiàn)的控制是指各部件的使能和觸發(fā)脈沖控制，該模塊所實(shí)現(xiàn)的協(xié)調(diào)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)數(shù)器11和SLM5之間的步調(diào)協(xié)調(diào)，SLM5中的微鏡陣列每翻轉(zhuǎn)一次，計(jì)數(shù)器11累積計(jì)數(shù)在該翻轉(zhuǎn)時(shí)間間隔內(nèi)檢測(cè)到的所有光子，翻轉(zhuǎn)完成后，計(jì)數(shù)器清零，所有的計(jì)數(shù)、時(shí)間測(cè)量?jī)x12測(cè)得的時(shí)間信息與隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊9產(chǎn)生的隨機(jī)矩陣(隨機(jī)基)打包被傳至數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器15中。所述的壓縮感知模塊16根據(jù)計(jì)數(shù)器11得到的計(jì)數(shù)值、時(shí)間測(cè)量?jī)x12測(cè)得的時(shí)間信息、隨機(jī)測(cè)量矩陣(由若干隨機(jī)基組成，而單個(gè)隨機(jī)基是由某個(gè)隨機(jī)矩陣?yán)斓玫?進(jìn)行壓縮感知稀疏變換和光譜帶重建，得到分辨光譜強(qiáng)度圖(X，I，t)。該模塊僅需可壓縮光譜帶的少量線(xiàn)性隨機(jī)投影便可重建出光譜帶，并利用矩陣填充理論彌補(bǔ)光譜帶中的信號(hào)缺失，其中，所述的稀疏變換是選取合適的W，使得光譜帶信號(hào)X可在W框架下可稀疏表達(dá)。壓縮感知時(shí)所采用的算法有多種，包括貪心重建算法、匹配跟蹤算法MP、正交匹配跟蹤算法0MP、基跟蹤算法 BP、LASS O, LARS, GPSR、貝葉斯估計(jì)算法、magic、1ST、TV、StOMP、CoSaMP,LB1、SP、ll_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、10重建算法、I1重建算法、I2重建算法等，采用上述算法中的任意一種都可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。下面對(duì)壓縮感知模塊16的工作過(guò)程做一較為詳細(xì)的說(shuō)明。假設(shè)X G Rn是被測(cè)數(shù)據(jù)，y G Rk是觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，A G Rkxn是隨機(jī)測(cè)量矩陣(K << N)，e G Rk是儀器噪聲，K為X中的非零元素的個(gè)數(shù)，也稱(chēng)稀疏度，那么，壓縮采樣的過(guò)程可以描述為(I)式:y = Ax+ (I)如果X是可壓縮或可稀疏表達(dá)的,則，屯=[V1, V2, ，Vn]是稀疏
變換矩陣，也稱(chēng)框架或字典，那么(I)式變化為(2)式:y = A^x' +e (2)其中AW滿(mǎn)足RIP準(zhǔn)則。令二維圖像區(qū)域(內(nèi)含整個(gè)光譜帶)的像素總數(shù)為N，則(I)式中的測(cè)量矩陣則為A=Ia1, a2,..., aN]，由I和0組成，共計(jì)M維，即M燈N列的矩陣，Si是A的弟i 7TT。將p X q像素的二維圖像區(qū)域的列首尾相連，化成NXl (其中N=pXq)的一維列向量，對(duì)應(yīng)(I)式中的X，其中的每一個(gè)元素代表相應(yīng)位置處的光強(qiáng)。令每次翻轉(zhuǎn)時(shí)微鏡陣列的行首尾相連，化成IXN的一維行向量，對(duì)應(yīng)測(cè)量矩陣A中的一行，其I和0代表相應(yīng)位置處微鏡是否向單光子點(diǎn)探測(cè)器方向翻轉(zhuǎn)?？臻g光調(diào)制器5中的微鏡陣列開(kāi)始隨機(jī)翻轉(zhuǎn)，每次單光子點(diǎn)探測(cè)器探測(cè)到的光子數(shù)記為count，相當(dāng)于隨機(jī)基與原光譜帶強(qiáng)度的內(nèi)積和，對(duì)應(yīng)于(I)式中觀(guān)察向量y的一個(gè)元素，重復(fù)K次測(cè)量，就可以得到整組觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)y (y為KXl的一維列向量)。所述的稀疏變換是選取合適的W，使得X經(jīng)W變化所得值X’是稀疏的，即X可在W框架下可稀疏表達(dá)，而算法重建是在已知觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)I和測(cè)量矩陣A的條件下求解(I)式中的X,當(dāng)11 < N,這是一個(gè)NP-hard問(wèn)題,但利用壓縮感知算法可轉(zhuǎn)為凸優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，其中一種常見(jiàn)范式表達(dá)為(3)式:niin|||v-AWxf + 十| (],
其中11-| |p代表范數(shù)算符，(\\4j =I",l^r第一項(xiàng)是最小二乘約束，記為f(x)，
' 1 ，
第二項(xiàng)是對(duì)X稀疏度的一種約束，兩項(xiàng)之和是目標(biāo)函數(shù)。僅需M彡0(K Gog(NK))次測(cè)量，便可完美重建原始光強(qiáng)信號(hào)，配合以數(shù)字微鏡器件(DMD)上標(biāo)定的像元所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)，便可恢復(fù)出光譜強(qiáng)度曲線(xiàn)，加之以時(shí)間分辨測(cè)量方法，便能生成時(shí)間分辨光譜強(qiáng)度圖(X，I，t)。圖2是本發(fā)明的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀所能得到的時(shí)間分辨光譜強(qiáng)度圖的示意圖，作為示例，這里假設(shè)光譜帶寬一個(gè)像素，長(zhǎng)度在區(qū)域工作范圍內(nèi)，數(shù)字微鏡器件(DMD)的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍在350nm 2700nm，配合多個(gè)波段的特定光柵，便可實(shí)現(xiàn)超寬連續(xù)光譜，加之以時(shí)間分辨測(cè)量方法，便能在皮秒時(shí)間分辨精度上直觀(guān)地分析出光譜強(qiáng)度隨時(shí)間的變化情況。以上是對(duì)本發(fā)明的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀的結(jié)構(gòu)說(shuō)明。下面對(duì)該超靈敏時(shí)間分辨光譜儀的工作過(guò)程進(jìn)行描述。本發(fā)明的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，可采用不同的方法實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨，下面分別予以說(shuō)明。1、非周期變化的長(zhǎng)時(shí)間序列對(duì)于非周期變化的長(zhǎng)時(shí)間序列過(guò)程，即待測(cè)物體變化緩慢且所發(fā)生的變化為非周期變化，以本發(fā)明的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀為基礎(chǔ)，采用一幀幀順序測(cè)量的方法，即令單光子點(diǎn)探測(cè)器10常開(kāi)，空間光調(diào)制器5與計(jì)數(shù)器11時(shí)刻保持同步，當(dāng)測(cè)完第一幀光譜強(qiáng)度序列，再測(cè)下一幀光譜強(qiáng)度序列，通過(guò)壓縮感知算法恢復(fù)出每一幀的光譜強(qiáng)度曲線(xiàn)，便實(shí)現(xiàn)在光譜強(qiáng)度曲線(xiàn)上增加時(shí)間維度，最終得到時(shí)間分辨光譜強(qiáng)度圖。

其中每一幀光譜強(qiáng)度序列的具體測(cè)量過(guò)程如下:步驟I)、單光子入射的步驟。在待測(cè)極弱光未發(fā)生變化的某一時(shí)間間隔內(nèi)，單光子級(jí)別的待測(cè)極弱光通過(guò)入射狹縫I進(jìn)入超靈敏光譜儀，然后通過(guò)光準(zhǔn)直部件2和第一凹面鏡3-1對(duì)待測(cè)極弱光做擴(kuò)束和準(zhǔn)直，使所述待測(cè)極弱光成為平行光；所述平行光照射到光柵分光部件4 ;光柵分光部件4所生成的光譜場(chǎng)再經(jīng)過(guò)第二凹面鏡3-2反射，進(jìn)而在空間光調(diào)制器5上展開(kāi)形成光譜帶，使不同波長(zhǎng)的光在焦平面上發(fā)生空間分離；空間光調(diào)制器5加載由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器9所產(chǎn)生的隨機(jī)基，進(jìn)而對(duì)所形成的光譜帶進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制，使得光譜帶以一定的隨機(jī)概率向會(huì)聚收光部件6反射；所述會(huì)聚收光部件6將過(guò)濾后的待測(cè)極弱光傳輸?shù)诫妼W(xué)單元II中的單光子點(diǎn)探測(cè)器10。步驟2)、檢測(cè)單光子并計(jì)數(shù)的步驟。單光子點(diǎn)探測(cè)器10探測(cè)待測(cè)極弱光中的各個(gè)單光子點(diǎn)，將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成有效脈沖信號(hào)后輸出；在待測(cè)物體還未來(lái)得及變化的時(shí)間間隔內(nèi)，空間光調(diào)制器5每翻轉(zhuǎn)一次，計(jì)數(shù)器11記錄達(dá)到單光子點(diǎn)檢測(cè)器10上的單光子點(diǎn)的數(shù)目，將其作為測(cè)量值。步驟3)、壓縮感知的步驟。計(jì)數(shù)器11所記錄的單光子點(diǎn)的數(shù)目和隨機(jī)數(shù)發(fā)生器9生成的隨機(jī)基一一對(duì)應(yīng)，一起打包存入數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器13中，最后導(dǎo)入壓縮感知模塊14中，在該模塊中實(shí)現(xiàn)光譜帶信號(hào)重建，恢復(fù)出該時(shí)間間隔內(nèi)的光譜強(qiáng)度圖。步驟4)、在待測(cè)極弱光發(fā)生變化后到還未發(fā)生下一次變化的時(shí)間間隔內(nèi)，重復(fù)上述操作，便可實(shí)現(xiàn)非周期變化的長(zhǎng)時(shí)間序列過(guò)程的時(shí)間分辨。2、具有周期變化特性的瞬態(tài)過(guò)程對(duì)于熒光壽命等具有周期變化特性的瞬態(tài)過(guò)程，為突破其時(shí)間分辨精度的瓶頸，本發(fā)明基于前述的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀，提出了三種全新的基于壓縮感知原理的時(shí)間分辨測(cè)量方法:①基于時(shí)間間隔測(cè)量的時(shí)間分辨方法、②基于延遲測(cè)量的時(shí)間分辨方法、③基于光子到達(dá)時(shí)間的時(shí)間分辨方法，考慮到皮秒的時(shí)間分辨精度，因而能完美涵蓋周期在80ns 5ms范圍的瞬態(tài)過(guò)程，并能以更直觀(guān)的光子數(shù)進(jìn)行定量分析。①當(dāng)瞬態(tài)過(guò)程的周期為1.5ms 5ms時(shí)，可采用基于時(shí)間間隔測(cè)量的時(shí)間分辨方法。如圖5所示，該方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下:步驟I)、開(kāi)啟光源，假設(shè)瞬態(tài)周期為T(mén)，將該時(shí)間周期等分為d個(gè)時(shí)間間隔，記做t1； t2, t3,…，td，在該周期T內(nèi)保持所述空間光調(diào)制器5中的微鏡陣列固定一幀不變。步驟2)、單光子入射的步驟。該步驟與非周期變化的長(zhǎng)時(shí)間序列情況下的相關(guān)步驟相同，不在此處重復(fù)。步驟3)、檢測(cè)單光子并計(jì)數(shù)的步驟。單光子點(diǎn)探測(cè)器10對(duì)落在\時(shí)間間隔內(nèi)的單光子進(jìn)行探測(cè)，計(jì)數(shù)器11記錄下每段時(shí)間間隔內(nèi)的單光子數(shù)，與時(shí)間測(cè)量?jī)x12記錄下的時(shí)間碼(戳)合在一起作為一個(gè)數(shù)據(jù)包，這樣便可得知每個(gè)計(jì)數(shù)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔，在下一次激光脈沖發(fā)射前(即d個(gè)時(shí)間間隔剛好全部測(cè)完的時(shí)刻)，空間光調(diào)制器5中的微鏡陣列瞬間翻轉(zhuǎn)到下一幀，如此重復(fù)P次同樣操作，每個(gè)h時(shí)間間隔便相應(yīng)有P個(gè)計(jì)數(shù)，分別對(duì)應(yīng)P個(gè)隨機(jī)矩陣。步驟4)、壓縮感知的步驟。`根據(jù)步驟3)所得到的結(jié)果，分別對(duì)這d個(gè)時(shí)間間隔做算法重建，便可反演出一個(gè)瞬態(tài)周期內(nèi)的光譜強(qiáng)度變化過(guò)程(如熒光壽命)，即時(shí)間分辨光譜強(qiáng)度圖。若探測(cè)光的光強(qiáng)極弱，則經(jīng)過(guò)多個(gè)瞬態(tài)周期多次分時(shí)間段統(tǒng)計(jì)累加計(jì)數(shù)(分時(shí)間段統(tǒng)計(jì)累加計(jì)數(shù)的結(jié)果如圖6所示)，使相應(yīng)的計(jì)數(shù)變大，從而得到時(shí)間分辨光譜強(qiáng)度圖。②當(dāng)瞬態(tài)過(guò)程的周期為80ns 1.5ms時(shí)，可采用基于延遲測(cè)量的時(shí)間分辨方法，采用該方法時(shí)，所述超靈敏時(shí)間分辨光譜儀需包括數(shù)字延遲器13?？紤]到單光子點(diǎn)探測(cè)器10的死時(shí)間和納秒量級(jí)的周期時(shí)間，每個(gè)瞬態(tài)周期內(nèi)僅能做一次有效探測(cè)，可在控制信號(hào)到達(dá)單光子點(diǎn)探測(cè)器10和高精度時(shí)間測(cè)量?jī)x12之前先經(jīng)過(guò)數(shù)字延遲器13，以完成對(duì)單光子點(diǎn)探測(cè)器的皮秒級(jí)門(mén)控。如圖7所示，基于延遲測(cè)量的時(shí)間分辨方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:步驟I)、首先保持空間光調(diào)制器5中的微鏡陣列固定一幀不變，保持單光子點(diǎn)探測(cè)器的門(mén)寬的起始端與瞬態(tài)周期起始時(shí)刻重合，門(mén)寬小于瞬態(tài)周期T。步驟2)、周期開(kāi)始時(shí)，單光子入射。步驟3)、單光子點(diǎn)探測(cè)器10和高精度時(shí)間測(cè)量?jī)x12同時(shí)開(kāi)始測(cè)量，在該瞬態(tài)周期內(nèi)僅探測(cè)一次，所測(cè)得計(jì)數(shù)值為門(mén)寬和該瞬態(tài)周期交疊時(shí)間段內(nèi)的單光子數(shù)，依次重復(fù)Q次，然后基于統(tǒng)計(jì)原理將每次的計(jì)數(shù)加和，在此之后利用數(shù)字延遲器13將門(mén)寬增加20ps，依上述步驟同樣可以獲得一個(gè)計(jì)數(shù)加和，以第一個(gè)加和作為參考值，第二個(gè)加和與第一個(gè)加和之差作為延長(zhǎng)的那段門(mén)寬時(shí)間內(nèi)的統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，依此法就可得到參考點(diǎn)時(shí)刻到瞬態(tài)周期結(jié)束時(shí)刻之間的d段統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)；
步驟4)、若保持門(mén)寬不變，但門(mén)寬的到達(dá)時(shí)刻提前，依步驟3)中所描述的操作得到的一系列計(jì)數(shù)差值為瞬態(tài)周期開(kāi)始時(shí)刻到參考點(diǎn)時(shí)刻之間的d段統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)。步驟5)、根據(jù)步驟3)得到的參考點(diǎn)時(shí)刻到瞬態(tài)周期結(jié)束時(shí)刻之間的d段統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)以及步驟4)得到的瞬態(tài)周期開(kāi)始時(shí)刻到參考點(diǎn)時(shí)刻之間的d段統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，得到整個(gè)瞬態(tài)周期內(nèi)的分段統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)(分段統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)的結(jié)果如圖8所示)。步驟6)、空間光調(diào)制器5中的微鏡陣列瞬間翻轉(zhuǎn)到下一幀，如此重復(fù)P次同樣操作，每個(gè)時(shí)間間隔便相應(yīng)有P個(gè)計(jì)數(shù)，分別對(duì)應(yīng)P個(gè)隨機(jī)矩陣。步驟7)、壓縮感知的步驟。根據(jù)步驟6)所得到的結(jié)果，分別對(duì)這d個(gè)時(shí)間間隔做算法重建，便可反演出一個(gè)瞬態(tài)周期內(nèi)的光譜強(qiáng)度變化過(guò)程(如熒光壽命)，即時(shí)間分辨光譜強(qiáng)度圖。③基于光子到達(dá)時(shí)間的時(shí)間分辨方法，該方法時(shí)間精度更高，均方寬可達(dá)5ps，不受限于周期長(zhǎng)短，適用性更廣。該方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:步驟I)、提供給時(shí)間測(cè)量?jī)x12中的時(shí)間幅度變換器一個(gè)參考脈沖，然后將空間光調(diào)制器5中的微鏡陣列固定一幀不動(dòng)，利用所述時(shí)間幅度變換器把獲得光子的時(shí)間(startto stop)以電壓形式記錄下來(lái)，記錄在對(duì)應(yīng)的時(shí)間通道中，并按光子達(dá)到時(shí)間將光子數(shù)分段劃分，統(tǒng)計(jì)出一個(gè)周期內(nèi)各時(shí)間間隔內(nèi)的d段累積計(jì)數(shù)。步驟2)、空間光調(diào)制器5中的微鏡陣列瞬間翻轉(zhuǎn)到下一幀，如此重復(fù)P次同樣操作，每個(gè)時(shí)間間隔便相應(yīng)有P個(gè)計(jì)數(shù)，分別對(duì)應(yīng)P個(gè)隨機(jī)矩陣。步驟3)、壓縮感知的步驟。根據(jù)步驟2)所得到的結(jié)果，分別對(duì)這d個(gè)時(shí)間間隔做算法重建，便可反演出一個(gè)瞬態(tài)周期內(nèi)的光譜強(qiáng)度變化過(guò)程(如熒光壽命)，即時(shí)間分辨光譜強(qiáng)度圖。若探測(cè)光的光強(qiáng)極弱，則經(jīng)過(guò)多個(gè)瞬態(tài)周期多次測(cè)量累加，使相應(yīng)的計(jì)數(shù)變大，從而得到時(shí)間分辨光譜強(qiáng)度圖。作為一種優(yōu)選實(shí)現(xiàn)方式，在另一個(gè)實(shí)施例中，在上述各個(gè)方法實(shí)施前，還包括對(duì)數(shù)字微鏡器件(DMD)對(duì)角線(xiàn)方向上的每個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)進(jìn)行標(biāo)定的步驟。在標(biāo)定時(shí)，一般選定幾個(gè)特定波長(zhǎng)的激光器，每次單色光經(jīng)光柵分光部件4后投射到數(shù)字微鏡器件(DMD)對(duì)角線(xiàn)上的特定某點(diǎn)，標(biāo)識(shí)該點(diǎn)對(duì)應(yīng)該特定波長(zhǎng)，反復(fù)多次得到許多測(cè)量點(diǎn)，相鄰兩個(gè)點(diǎn)之間的光譜分布做線(xiàn)性劃分，從而完成對(duì)整個(gè)對(duì)角線(xiàn)上的每個(gè)像元所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的標(biāo)定。通過(guò)該標(biāo)定操作，有助于提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。作為一種優(yōu)選實(shí)現(xiàn)方式，在又一個(gè)實(shí)施例中，在上述各個(gè)方法實(shí)施前，還包括有提高儀器信噪比(signal to noise ratio，簡(jiǎn)稱(chēng)SNR)的操作。SNR為信號(hào)與儀器噪聲的方差之比，其中儀器噪聲包含環(huán)境噪聲、光學(xué)噪聲、電學(xué)噪聲(含暗計(jì)數(shù))等，而方差可理解為信號(hào)的波動(dòng)情況。若儀器噪聲的波動(dòng)淹沒(méi)了信號(hào)的波動(dòng)，則壓縮感知算法失效；若儀器噪聲的波動(dòng)小于或遠(yuǎn)小于信號(hào)的波動(dòng)，則能幾乎完美重建圖像。提高儀器信噪比有助于提高成像質(zhì)量。提高儀器信噪比的方式有多種，如對(duì)儀器進(jìn)行密閉封裝，提高單光子點(diǎn)探測(cè)器10的相應(yīng)參數(shù)和儀器穩(wěn)定性。最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種超靈敏時(shí)間分辨光譜儀，其特征在于，包括:光學(xué)單元(I)和電學(xué)單元(II)，其中，所述光學(xué)單元(I)包括入射狹縫(I)、光準(zhǔn)直部件(2)、凹面鏡(3)、光柵分光部件(4)、空間光調(diào)制器(5)以及會(huì)聚收光部件(6);所述凹面鏡(3)有兩個(gè)，包括第一凹面鏡(3-1)和第二凹面鏡(3-2);所述電學(xué)單元(II)包括隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(9)、單光子點(diǎn)探測(cè)器(10)、計(jì)數(shù)器(11)、時(shí)間測(cè)量?jī)x(12)、控制模塊(14)、數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器(15)以及壓縮感知模塊(16)； 單光子級(jí)別的待測(cè)極弱光經(jīng)由所述入射狹縫(I)入射，然后通過(guò)所述光準(zhǔn)直部件(2)和第一凹面鏡(3-1)對(duì)待測(cè)極弱光做擴(kuò)束和準(zhǔn)直，使所述待測(cè)極弱光成為平行光；所述平行光照射到所述光柵分光部件(4);所述光柵分光部件(4)所生成的光譜場(chǎng)再經(jīng)過(guò)所述第二凹面鏡(3-2)反射，進(jìn)而在所述空間光調(diào)制器(5)上展開(kāi)形成光譜帶；所述空間光調(diào)制器(5)對(duì)所形成的光譜帶進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制，使得其出射光以一定的隨機(jī)概率向所述會(huì)聚收光部件(6)反射；所述會(huì)聚收光部件(6)濾除雜散光，將過(guò)濾后的待測(cè)極弱光傳輸?shù)剿鲭妼W(xué)單元(II)中的單光子點(diǎn)探測(cè)器(10)； 所述隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(9)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)并提供給所述空間光調(diào)制器(5)，每一空間光調(diào)制器(5)中區(qū)域總像素長(zhǎng)度的隨機(jī)數(shù)組成一個(gè)隨機(jī)基，所述空間光調(diào)制器(5)根據(jù)該隨機(jī)基實(shí)現(xiàn)隨機(jī)調(diào)制；所述的單光子點(diǎn)探測(cè)器(10)探測(cè)待測(cè)極弱光中的各個(gè)單光子點(diǎn)，將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成有效脈沖信號(hào)后輸出；所述計(jì)數(shù)器(11)記錄所述單光子點(diǎn)探測(cè)器(10)探測(cè)到的單光子點(diǎn)的數(shù)目；所述的時(shí)間測(cè)量?jī)x(12)記錄單光子點(diǎn)到達(dá)的時(shí)間；所述控制模塊(14)對(duì)整個(gè)超靈敏光譜儀進(jìn)行控制協(xié)調(diào)，包括對(duì)各部件的使能和觸發(fā)脈沖控制，確保所述計(jì)數(shù)器(11)、空間光調(diào)制器 (5)和時(shí)間測(cè)量?jī)x(12)之間的步調(diào)一致；所述計(jì)數(shù)器(11)所記錄的單光子點(diǎn)的數(shù)目、時(shí)間測(cè)量?jī)x(12)所記錄的時(shí)間信息以及隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(9)生成的隨機(jī)基一起打包存入所述數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器(15)中，所述壓縮感知模塊(16)根據(jù)單光子點(diǎn)的數(shù)目、時(shí)間信息、隨機(jī)基實(shí)現(xiàn)光譜帶信號(hào)重建，最后輸出分辨光譜強(qiáng)度圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀，其特征在于，所述光學(xué)單元(I)還包括反射鏡(7)以及出射狹縫(8);所述反射鏡(7)位于第二凹面鏡(3-2)與空間光調(diào)制器(5)的光路之間，用于將光譜反射至所述出射狹縫(8)，以供其它類(lèi)型探測(cè)器接收或進(jìn)入其它光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量研究。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀，其特征在于，所述電學(xué)單元(II)還包括數(shù)字延遲器(13)，所述數(shù)字延遲器(13)在所述控制模塊(14)的控制下，完成對(duì)所述單光子點(diǎn)探測(cè)器(10)的皮秒級(jí)門(mén)控。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀，其特征在于，所述光柵分光部件(4)將不同波長(zhǎng)的光場(chǎng)按波長(zhǎng)從短到長(zhǎng)依次投射到所述空間光調(diào)制器(5)的不同位置上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀，其特征在于，所述空間光調(diào)制器(5)采用數(shù)字微鏡器件實(shí)現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀，其特征在于，將所述數(shù)字微鏡器件的對(duì)角線(xiàn)作為所述光譜帶的成像位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀，其特征在于，所述會(huì)聚收光部件(6)包括濾光片和哀減片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀，其特征在于，所述單光子點(diǎn)探測(cè)器(10 )采用蓋革模式雪崩二極管或光電倍增管實(shí)現(xiàn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀，其特征在于，所述控制模塊(14)確保所述計(jì)數(shù)器(11)和空間光調(diào)制器(5)之間步調(diào)一致包括:所述空間光調(diào)制器(5)中的微鏡陣列每翻轉(zhuǎn)一次，所述計(jì)數(shù)器(11)累積計(jì)數(shù)在該翻轉(zhuǎn)時(shí)間間隔內(nèi)檢測(cè)到的所有光子，翻轉(zhuǎn)完成后，計(jì)數(shù)器(11)清零。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀，其特征在于，所述壓縮感知模塊(16)采用下列算法中的任意一種實(shí)現(xiàn)壓縮感知:貪心重建算法、匹配跟蹤算法MP、正交匹配跟蹤算法OMP、基跟蹤算法BP、LASSO, LARS, GPSR、貝葉斯估計(jì)算法、magic、1ST、TV、StOMP、CoSaMP, LB1、SP、ll_ls、smp 算法、SpaRSA 算法、TwIST 算法、10 重建算法、I1 重建算法、I2重建算法。
11.一種基于權(quán)利要求1-3之一所述的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀的時(shí)間分辨方法，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)非周期變化的長(zhǎng)時(shí)間序列的時(shí)間分辨，包括: 步驟I)、單光子入射的步驟； 單光子級(jí)別的待測(cè)極弱光經(jīng)由所述入射狹縫(I)入射，然后通過(guò)所述光準(zhǔn)直部件(2)和第一凹面鏡(3-1)對(duì)待測(cè)極弱光做擴(kuò)束和準(zhǔn)直，使所述待測(cè)極弱光成為平行光；所述平行光照射到所述光柵分光部件(4);所述光柵分光部件(4)所生成的光譜場(chǎng)再經(jīng)過(guò)所述第二凹面鏡(3-2)反射，進(jìn)而在所述空間光調(diào)制器(5)上展開(kāi)形成光譜帶；所述空間光調(diào)制器(5)對(duì)所形成的光譜帶進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制，使得其出射光以一定的隨機(jī)概率向所述會(huì)聚收光部件(6)反射；所述會(huì)聚收光部件(6)用于濾除雜散光，將過(guò)濾后的待測(cè)極弱光傳輸?shù)剿鲭妼W(xué)單元(II)中的單光子點(diǎn)探測(cè)器(10)； 步驟2)、檢測(cè)單光子并計(jì)數(shù)的 步驟； 所述單光子點(diǎn)探測(cè)器(10)探測(cè)待測(cè)極弱光中的各個(gè)單光子點(diǎn)，將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成有效脈沖信號(hào)后輸出；在待測(cè)物體還未來(lái)得及變化的時(shí)間間隔內(nèi)，空間光調(diào)制器(5)每翻轉(zhuǎn)一次，所述計(jì)數(shù)器(11)記錄達(dá)到單光子點(diǎn)檢測(cè)器(10 )上的單光子點(diǎn)的數(shù)目，將其作為測(cè)量值； 步驟3)、壓縮感知的步驟； 所述計(jì)數(shù)器(11)所記錄的單光子點(diǎn)的數(shù)目和隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(9)生成的隨機(jī)基一起打包存入所述數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器(13)中，最后導(dǎo)入所述壓縮感知模塊(14)中，在該模塊中實(shí)現(xiàn)光譜帶信號(hào)重建，恢復(fù)出該時(shí)間間隔內(nèi)的光譜強(qiáng)度圖； 步驟4)、在待測(cè)極弱光發(fā)生變化后到還未發(fā)生下一次變化的時(shí)間間隔內(nèi)，重復(fù)上述操作，實(shí)現(xiàn)非周期變化的長(zhǎng)時(shí)間序列過(guò)程的時(shí)間分辨。
12.一種基于權(quán)利要求1-3之一所述的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀所實(shí)現(xiàn)的基于時(shí)間間隔測(cè)量的時(shí)間分辨方法，用于對(duì)周期為1.5ms 5ms的瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行時(shí)間分辨；包括: 步驟I)、開(kāi)啟光源，假設(shè)瞬態(tài)周期為T(mén)，將該時(shí)間周期等分為d個(gè)時(shí)間間隔，記做t1； t2, t3,…，td，在該周期T內(nèi)保持所述空間光調(diào)制器(5)中的微鏡陣列固定一幀不變； 步驟2)、單光子入射的步驟； 步驟3)、檢測(cè)單光子并計(jì)數(shù)的步驟； 所述單光子點(diǎn)探測(cè)器(10)對(duì)落在\時(shí)間間隔內(nèi)的單光子進(jìn)行探測(cè)，所述計(jì)數(shù)器(11)記錄下每段時(shí)間間隔內(nèi)的單光子數(shù)，與所述時(shí)間測(cè)量?jī)x(12)記錄下的時(shí)間碼合在一起作為一個(gè)數(shù)據(jù)包，在下一次激光脈沖發(fā)射前，所述空間光調(diào)制器(5)中的微鏡陣列瞬間翻轉(zhuǎn)到下一幀，如此重復(fù)P次同樣操作，每個(gè)\時(shí)間間隔有P個(gè)計(jì)數(shù)，分別對(duì)應(yīng)P個(gè)隨機(jī)矩陣； 步驟4)、壓縮感知的步驟； 根據(jù)步驟3)所得到的結(jié)果，分別對(duì)這d個(gè)時(shí)間間隔做算法重建，反演出一個(gè)瞬態(tài)周期內(nèi)的光譜強(qiáng)度變化過(guò)程，即時(shí)間分辨光譜強(qiáng)度圖。
13.一種基于權(quán)利要求3所述的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀所實(shí)現(xiàn)的基于延遲測(cè)量的時(shí)間分辨方法，用于對(duì)周期為80ns 1.5ms的瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行時(shí)間分辨；該方法包括: 步驟I)、保持所述空間光調(diào)制器(5)中的微鏡陣列固定一幀不變，保持單光子點(diǎn)探測(cè)器的門(mén)寬的起始端與瞬態(tài)周期起始時(shí)刻重合，門(mén)寬小于瞬態(tài)周期T ； 步驟2)、周期開(kāi)始時(shí)，單光子入射； 步驟3)、所述單光子點(diǎn)探測(cè)器(10)和所述時(shí)間測(cè)量?jī)x(12)同時(shí)開(kāi)始測(cè)量，在該瞬態(tài)周期內(nèi)僅探測(cè)一次，所測(cè)得計(jì)數(shù)值為門(mén)寬和該瞬態(tài)周期交疊時(shí)間段內(nèi)的單光子數(shù)，依次重復(fù)Q次，然后基于統(tǒng)計(jì)原理將每次的計(jì)數(shù)加和，在此之后利用所述數(shù)字延遲器(13)將門(mén)寬增加20ps，依上述步驟同樣可以獲得一個(gè)計(jì)數(shù)加和，以第一個(gè)加和作為參考值，第二個(gè)加和與第一個(gè)加和之差作為延長(zhǎng)的那段門(mén)寬時(shí)間內(nèi)的統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，依此法得到參考點(diǎn)時(shí)刻到瞬態(tài)周期結(jié)束時(shí)刻之間的d段統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)； 步驟4)、保持門(mén)寬不變，將門(mén)寬的到達(dá)時(shí)刻提前，重新執(zhí)行步驟3)得到一系列計(jì)數(shù)差值為瞬態(tài)周期開(kāi)始時(shí)刻到參考點(diǎn)時(shí)刻之間的d段統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)； 步驟5)、根據(jù)步驟3)得到的參考點(diǎn)時(shí)刻到瞬態(tài)周期結(jié)束時(shí)刻之間的d段統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)以及步驟4)得到的瞬態(tài)周期開(kāi)始時(shí)刻到參考點(diǎn)時(shí)刻之間的d段統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，得到整個(gè)瞬態(tài)周期內(nèi)的分段統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)； 步驟6)、所述空間光調(diào)制器(5)中的微鏡陣列瞬間翻轉(zhuǎn)到下一幀，如此重復(fù)P次同樣操作，每個(gè)時(shí)間間隔便相應(yīng)有P個(gè)計(jì)數(shù)，分別對(duì)應(yīng)P個(gè)隨機(jī)矩陣； 步驟7)、壓縮感知的步驟； 根據(jù)步驟6)所得到的結(jié)果，分別對(duì)這d個(gè)時(shí)間間隔做算法重建，反演出一個(gè)瞬態(tài)周期內(nèi)的光譜強(qiáng)度變化過(guò)程，即時(shí)間分辨光譜強(qiáng)度圖。
14.一種基于權(quán)利要求1-3之一所述的超靈敏時(shí)間分辨光譜儀所實(shí)現(xiàn)的基于光子到達(dá)時(shí)間的時(shí)間分辨方法，包括: 步驟I)、提供給所述時(shí)間測(cè)量?jī)x(12)中的時(shí)間幅度變換器一個(gè)參考脈沖，然后將所述空間光調(diào)制器(5)中的微鏡陣列固定一幀不動(dòng)，利用所述時(shí)間測(cè)量?jī)x(12)中的時(shí)間幅度變換器把獲得光子的時(shí)間以電壓形式記錄下來(lái)，記錄在對(duì)應(yīng)的時(shí)間通道中，并按光子達(dá)到時(shí)間將光子數(shù)分段劃分，統(tǒng)計(jì)出一個(gè)周期內(nèi)各時(shí)間間隔內(nèi)的d段累積計(jì)數(shù)； 步驟2)、所述空間光調(diào)制器(5)中的微鏡陣列瞬間翻轉(zhuǎn)到下一幀，如此重復(fù)P次同樣操作，每個(gè)時(shí)間間隔便相應(yīng)有P個(gè)計(jì)數(shù)，分別對(duì)應(yīng)P個(gè)隨機(jī)矩陣； 步驟3)、壓縮感知的步驟； 根據(jù)步驟2)所得到的結(jié)果，分別對(duì)這d個(gè)時(shí)間間隔做算法重建，反演出一個(gè)瞬態(tài)周期內(nèi)的光譜強(qiáng)度變化過(guò)程，即時(shí)間分辨光譜強(qiáng)度圖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超靈敏時(shí)間分辨光譜儀，包括光學(xué)單元和電學(xué)單元，其中，光學(xué)單元包括入射狹縫、光準(zhǔn)直部件、凹面鏡、光柵分光部件、空間光調(diào)制器以及會(huì)聚收光部件；凹面鏡包括第一凹面鏡和第二凹面鏡；電學(xué)單元包括隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、單光子點(diǎn)探測(cè)器、計(jì)數(shù)器、時(shí)間測(cè)量?jī)x、控制模塊、數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器以及壓縮感知模塊；待測(cè)極弱光經(jīng)由入射狹縫入射，通過(guò)光準(zhǔn)直部件和第一凹面鏡做擴(kuò)束和準(zhǔn)直，成為平行光；平行光照射到光柵分光部件；所生成的光譜場(chǎng)經(jīng)過(guò)第二凹面鏡反射，在空間光調(diào)制器上展開(kāi)成光譜帶；空間光調(diào)制器對(duì)光譜帶進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制，使得其出射光以一定的隨機(jī)概率向會(huì)聚收光部件反射；會(huì)聚收光部件濾除雜散光，將過(guò)濾后的光傳輸?shù)絾喂庾狱c(diǎn)探測(cè)器。
文檔編號(hào)G01J3/28GK103115681SQ201310028319
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月24日
發(fā)明者翟光杰, 俞文凱, 王超 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心