基于外置推扫的显微干涉成像光谱装置及实现方法

本发明涉及显微高光谱成像，具体地，涉及一种基于外置推扫的显微干涉成像光谱装置及实现方法。

背景技术：

1、高光谱显微干涉成像技术是一种结合了高光谱成像技术和干涉成像光谱技术的先进分析手段，提供丰富的光谱信息和空间信息。通过利用高光谱分辨率的特性，能够连续测量窄波段的光所生成的干涉图，再结合干涉图和复原光谱之间的傅立叶变换关系，对干涉图进行傅里叶积分变换计算得到被测对象的光谱信息，从而进一步实现对观测目标光谱特性的精细分析。

2、传统的显微干涉成像装置往往采用时间型傅里叶变换干涉光谱仪或是旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪。时间型傅里叶变换干涉光谱仪通常以迈克尔逊干涉仪作为基础，通过移动动镜来改变光路中的光程差以形成不同的干涉条纹图像。旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪通过旋转横向剪切分束器来调节光程差，生成干涉条纹图像。这两种显微干涉成像装置均存在着运动部件，装置在运动过程中所产生的机械振动会影响观测目标干涉图像的采集，从而易造成数据误差，降低测量的准确性。此外，若通过增加伺服系统控制运动部件来克制机械振动，又会增加显微干涉成像装置的复杂性，导致装调难度更高，维护成本增加。此两点缺陷限制了显微干涉成像装置的大规模应用。

3、中国专利102322956a、中国专利102759402b、袁艳等人提出的(转镜式高灵敏度干涉光谱成像仪rosi的设计方法[j].光子学报,2007,(02):279-281.)都是旋转式傅里叶变换干涉成像光谱技术，对横向剪切干涉模块的装调要求高、运动过程中会产生机械振动，系统稳定性和可靠性差。

4、为改善当前显微干涉成像光谱装置存在的缺陷，本发明提出一种基于外置推扫的显微干涉成像光谱装置，采用固定横向剪切干涉模块的设计，确保显微干涉成像光谱过程中干涉模块内部部件无位移，具有极高的系统稳定性、可靠性。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于外置推扫的显微干涉成像光谱装置及实现方法。

2、根据本发明提供的基于外置推扫的显微干涉成像光谱装置，包括：光源、聚光镜、电动载物台、显微物镜、横向剪切分束器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、电动平面反射镜、成像镜头、面阵相机和计算单元；

3、聚光镜将光源射出的光束转换为平行光束，均匀照射电动载物台上的样本，显微物镜将样本的辐射光束转换成平行光束，射入sagnac干涉装置的横向剪切分束器，横向剪切分束器将入射光束横向剪切为反射与透射两束平行的相干光；

4、sagnac干涉装置中有三个平面反射镜，分别定义为第一平面反射镜、第二平面反射镜与电动平面反射镜，其中第一平面反射镜放置在横向剪切分束器的反射光路中，第二平面反射镜位于横向剪切分束器的透射光路中；电动平面反射镜与计算单元相连，放置在横向剪切分束器透射光路后，并在第二平面反射镜前；

5、成像镜头为傅里叶透镜组，放置在sagnac干涉装置的出射光线后，用于将sagnac干涉装置中透射和反射的两路光束进行干涉成像；

6、面阵相机放置在成像镜头的焦平面上，用来接受在焦平面上形成的干涉条纹图像；

7、计算单元与面阵相机相连，对面阵相机接收的干涉图像序列进行数据处理与傅里叶变换，反演得到观测目标的光谱信息。

8、优选地，横向剪切分束器的分束面与平行光束成45度角。

9、优选地，第一平面反射镜与入射光方向成22.5度角，第二平面反射镜与入射光方向成67.5度角。

10、优选地，第二平面反射镜和第一平面反射镜夹角为45度，且与第一平面反射镜的中心与横向剪切分束器的中心位于同一高度上。

11、优选地，计算单元与电动载物台相连，通过计算单元控制电动载物台带动样品进行直线推扫，获取干涉图像序列；

12、在干涉图像序列中提取每幅图像中观测目标对应的光强，重新组合成观测目标的干涉信息，再利用计算单元对该干涉信息进行傅里叶变换计算，反演得到观测目标的光谱信息；

13、在显微干涉成像光谱的实现过程中，固定第一平面反射镜、第二平面反射镜、横向剪切分束器的位置，仅通过计算单元自动控制带有闭环反馈控制的高精度光栅尺的电动载物台来进行直线运动推扫，得到连续时间的干涉图像序列。

14、优选地，被横向剪切分束器分出的反射光束，第一次先到达第一平面反射镜，经由反射后到达第二平面反射镜，再反射后到达横向剪切分束器，最后通过横向剪切分束器的反射到达成像镜头；

15、被横向剪切分束器分出的透射光束，第一次先到达第二平面反射镜，经由反射后到达第一平面反射镜，再反射后到达横向剪切分束器，最后通过横向剪切分束器的透射到达成像镜头；

16、这两束光是横向剪切分束器对入射光束进行横向剪切得到的相干光，最终在面阵相机所处的焦平面上形成干涉条纹图像。

17、优选地，在第一次成像时，计算单元控制电动平面反射镜插入光路中，切换至普通成像模式，经过横向分束剪切器后的反射光路到达电动平面反射镜后8后被屏蔽；经过横向剪切分束器的透射光路到达电动平面反射镜后直接被反射回横向剪切分束器，经过横向剪切分束器的反射后射入成像镜头，在面阵相机上直接成像，进行观测目标的显微对焦与辅助定位，待对焦定位完成后，移除电动平面反射镜，切换至干涉成像模式，得到观测目标的干涉图像。

18、根据本发明提供的基于外置推扫的显微干涉成像光谱方法，包括如下步骤：

19、步骤一：聚光镜将光源射出的光束转换为平行光束，均匀照射电动载物台上的样本，样本的辐射光束通过无限远共轭显微物镜形成平行光束，射入横向剪切分束器；

20、步骤二：横向剪切分束器横向剪切每一束射入的光线，得到两束相互平行的相干光，成像镜头内的傅里叶透镜组将两束相干光汇聚到面阵相机上生成对应的干涉条纹；

21、步骤三：在横向剪切后的其中一束光路中插入平面反射镜，转换到普通成像模式，进行观测目标的显微对焦和辅助定位；

22、步骤四：移除平面反射镜，恢复到干涉成像模式，得到观测目标的干涉图像，计算单元控制电动载物台带动样品进行直线推扫，获得连续时间分布的干涉图像序列，面阵相机将采集到的干涉图像序列传输至计算单元；

23、步骤五：计算单元从图像序列中提取每幅图像中观测目标对应的光强，重新组合成观测目标的干涉信息，随后对该干涉信息进行傅里叶变换计算，反演得到观测目标的光谱信息。

24、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

25、1)本发明采用外置推扫的模式获取干涉图像序列，采用固定横向剪切干涉模块的设计，有效避免了传统成像方法中横向剪切干涉模块旋转或动镜位移而产生的机械振动问题，极大的提高了系统的稳定性与可靠性；

26、2)本发明装置通过在横向剪切干涉装置其中一束光路中插入和移除平面反射镜来实现普通成像模式与干涉成像模式的切换，提高了装置的灵活性。

技术特征：

1.一种基于外置推扫的显微干涉成像光谱装置，其特征在于，包括：光源(1)、聚光镜(2)、电动载物台(3)、显微物镜(4)、横向剪切分束器(5)、第一平面反射镜(6)、第二平面反射镜(7)、电动平面反射镜(8)、成像镜头(9)、面阵相机(10)和计算单元(11)；

2.根据权利要求1所述的基于外置推扫的显微干涉成像光谱装置，其特征在于，横向剪切分束器(5)的分束面与平行光束成45度角。

3.根据权利要求1所述的基于外置推扫的显微干涉成像光谱装置，其特征在于，第一平面反射镜(6)与入射光方向成22.5度角。

4.根据权利要求1所述的基于外置推扫的显微干涉成像光谱装置，其特征在于，第二平面反射镜(7)与入射光方向成67.5度角。

5.根据权利要求1所述的基于外置推扫的显微干涉成像光谱装置，其特征在于，第二平面反射镜(7)和第一平面反射镜(6)夹角为45度。

6.根据权利要求1所述的基于外置推扫的显微干涉成像光谱装置，其特征在于，第二平面反射镜(7)与第一平面反射镜(6)的中心与横向剪切分束器(5)的中心位于同一高度上。

7.根据权利要求1所述的基于外置推扫的显微干涉成像光谱装置，其特征在于，计算单元(11)与电动载物台(3)相连，通过计算单元(11)控制电动载物台(3)带动样品进行直线推扫，获取干涉图像序列；

8.根据权利要求1所述的基于外置推扫的显微干涉成像光谱装置，其特征在于，被横向剪切分束器(5)分出的反射光束，第一次先到达第一平面反射镜(6)，经由反射后到达第二平面反射镜(7)，再反射后到达横向剪切分束器(5)，最后通过横向剪切分束器(5)的反射到达成像镜头(9)；

9.根据权利要求1所述的基于外置推扫的显微干涉成像光谱装置，其特征在于，在第一次成像时，计算单元(11)控制电动平面反射镜(8)插入光路中，切换至普通成像模式，经过横向分束剪切器(5)后的反射光路到达电动平面反射镜后8后被屏蔽；经过横向剪切分束器(5)的透射光路到达电动平面反射镜(8)后直接被反射回横向剪切分束器(5)，经过横向剪切分束器(5)的反射后射入成像镜头(9)，在面阵相机(10)上直接成像，进行观测目标的显微对焦与辅助定位，待对焦定位完成后，移除电动平面反射镜(8)，切换至干涉成像模式，得到观测目标的干涉图像。

10.一种基于外置推扫的显微干涉成像光谱实现方法，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项所述的基于外置推扫的显微干涉成像光谱装置，包括如下步骤：

技术总结本发明提供了一种基于外置推扫的显微干涉成像光谱装置及实现方法，将处于照明视场的观测目标经无限远共轭显微物镜成像后以平行光入射横向剪切干涉模块，由横向剪切干涉模块得到的两束相互平行的光线，经成像镜头内的傅里叶透镜组，在面阵相机上产生干涉条纹；以无运动部件的空间干涉显微成像光路为基础，通过电动载物台带动样品位移实现直线推扫显微成像，获得连续时间分布的干涉图像序列，在干涉图像序列中提取每幅图像中观测目标对应的光强，重新组合成观测目标的干涉信息，然后利用计算单元对该干涉信息进行傅里叶变换计算，反演得到观测目标的光谱信息。该装置的干涉模块内部部件无位移，确保高光谱显微成像装置长期运行的稳定性和可靠性。技术研发人员：吴开杰,秦羽珩,关新平,程昊受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17