光谱学的制作方法

本发明涉及光谱学，具体地涉及用于生成用于进行时间相关单光子计数（tcspc）的光谱数据的光谱镜、光谱仪、光谱设备和方法。

背景技术：

1、拉曼效应是样品将给定频率的激发光散射成一定频谱的现象，该频谱具有由激发光与构成样品的分子的相互作用引起的特性峰。不同分子种类具有不同的特性拉曼峰，并且因此该效应可以用于分析存在的分子种类。

2、对于一些样品，激发辐射与拉曼辐射一起产生荧光辐射。由于与荧光信号（几千皮秒或甚至几十纳秒）相比，拉曼信号在更短的时间范围（不到一皮秒）内从样品发射，因此可以使用快速时间分辨检测器来区分来自两个过程的光谱。已知使用时间相关单光子计数（tcspc）来分离拉曼信号和荧光信号。

3、us2012/0194815 a1披露了包括单光子检测器的设备，该单光子检测器可以是单光子雪崩二极管（spad）阵列，以“盖革模式”起作用，其中，照射在光电检测器上的单光子使得生成输出脉冲（类似于盖革计数器的“咔嗒声”）。以脉冲模式检测拉曼辐射有效地滤除背景噪声和荧光，因为在检测或配准周期之外，没有考虑光脉冲或电脉冲。

4、us2013/0342835 a1披露了一种时间分辨拉曼光谱设备，该设备通过光学或电触发来使用spad。

5、ep2956748 a1披露了用于测量来自物体的拉曼辐射的设备，该设备包括具有多个单光子雪崩二极管（spad）元件的检测器。

6、us5442438披露了光谱设备，该光谱设备包括衍射光栅，该衍射光栅安装在精密旋转台或载物台上以可围绕轴线旋转。由衍射光栅色散的光聚焦到电荷耦合器件（ccd）上。跨ccd的色散随入射光束与衍射光栅的法线形成的角度而变。使用精密旋转台，光栅可以步进到各种不同角度，以便涵盖要研究的一系列拉曼光谱。一种方法是将光谱的一部分曝光到ccd上持续足够时间，然后将与光谱的该部分相关的所有数据从ccd读取到计算机中。接下来，转台被转位，使得ccd接收光谱的下一部分，允许足够的曝光时间，并且将来自光谱的该部分的所有数据读出到计算机中。另一方法是与电荷从一个像素迁移到下一个像素并将数据从结束像素读出到计算机中同步地将光谱沿着像素列或像素行扫描。

技术实现思路

1、根据第一方面，提供了一种用包括多个像素的检测器执行的光谱方法，每个像素包括至少两个单光子检测器元件，其中，该检测器记录每个像素从样品上的激发束的最近脉冲开始随时间进行的单光子检测的分布，该方法包括：-

2、接收通过用所述激发束的脉冲激发所述样品而产生的光谱光；

3、将所述光谱光色散成光谱；

4、在第一时间段期间，将所述光谱的第一部分引导到所述多个像素中的第一像素上并将所述光谱的第二部分引导到所述多个像素中的第二像素上，并且从所述检测器读出由所述第一像素进行的单光子检测的第一分布和由所述第二像素进行的单光子检测的第二分布；以及

5、在第二时间段期间，将所述光谱的第一部分引导到所述第二像素上并且将所述光谱的第二部分引导到所述多个像素中的第三像素上，并且从所述检测器读出由所述第二像素进行的单光子检测的第三分布和由所述第三像素进行的单光子检测的第四分布；以及

6、通过将所述第一分布和所述第三分布与所述光谱的第一部分相关联并且将所述第二分布和所述第四分布与所述光谱的第二部分相关联来生成光谱数据。

7、对于包括单光子检测器元件的检测器，单光子检测器元件可以具有非常不同的性能，并且通常，单光子检测器元件中的某些根本不可用。这种性能差异以及在一些情况下像素内的非工作单光子检测器元件的任意模式，取决于所使用的单光子检测器元件的照射和模式，而将模式噪声引入到由每个像素进行的检测中。在常规收集技术中，这可能使模式噪声是样品相关的，并且因此不适于表征和校正。通过用至少一个共用像素（至少第二像素）记录光谱的不同（第一和第二）部分的分布，由至少一个共用像素引入的模式噪声存在于光谱的这些不同部分中的每一个的分布中。相应地，可以比较由同一像素进行的针对光谱的不同部分的检测，因为在这些检测中将存在相同的模式噪声，并且可以比较由不同像素进行的针对光谱的相同部分的检测的差异以考虑模式噪声。

8、该光谱方法可以包括通过按时间将第一分布和第三分布汇总并且按时间将第二分布和第四分布汇总来生成组合光谱数据。由于针对光谱的每个不同（第一和第二）部分的单光子检测是跨多个像素执行的，因此引入到光谱的该部分的汇总分布中的模式噪声是用于生成分布的每个像素的噪声模式的平均值。如果光谱的每个部分的汇总分布是根据由同一像素集合进行的检测来确定的，则每个分布的模式噪声将是相同的。光谱的不同部分之间的共同背景噪声水平（比如暗电流）有助于光谱的分析。此外，其可以允许在每个像素中使用更多单光子检测器元件，从而提高检测器的灵敏度。

9、该方法可以包括相继地将光谱的第一部分引导到该多个像素的集合中的每一个像素上，以及相继地将光谱的第二部分引导到该多个像素的集合中的每一个像素上，从检测器读出由该集合中的像素针对光谱的第一部分进行的单光子检测的第一对应分布以及由该集合中的像素针对光谱的第二部分进行的单光子检测的第二对应分布，以及通过按时间将第一对应分布汇总并且按时间将第二对应分布汇总来生成光谱数据。该方法可以包括将光谱定位在检测器上，使得光谱的第一部分被引导到该集合中的一个像素（比如第一像素或第二像素），而同时，光谱的第二部分被引导到该集合中的另一像素（比如分别是第二像素或第三像素）。该方法可以包括将光谱定位在检测器上满足这种条件的多个位置处。

10、该多个像素的集合包括检测器的一行中的所有像素。

11、检测器的行可以处于光谱被移位以使第一部分和第二部分在检测器的像素之间移动的方向上。检测器的行可以在光谱例如由色散光学器件色散的维度（本文称为“光谱维度”）上。以这种方式，跨同一像素集合收集第一部分和第二部分两者的光谱数据。

12、替代性地，多个像素的集合可以包括检测器的一行中的像素的子集。例如，可以认为仅跨一行中的像素的子集而不是跨所有像素收集光谱的两个部分的数据对模式噪声求平均是足够的。除了该集合的共用像素之外，还可以跨不同像素收集光谱的第一部分和第二部分中的每一个的光谱数据。在一个实施例中，光谱可以抖动，使得光谱的第一部分和第二部分中的每一个被引导到像素行中的两个或更多个但不是所有像素。

13、术语“单光子检测器元件”在本文中用于意指被布置成当光电检测器检测到单光子时生成输出信号以使得可以区分每个光子的检测的光电检测器元件。例如，单光子检测器元件可以针对光电检测器检测的每个光子生成信号脉冲。单光子检测器元件可以被布置成当光电检测器检测到单光子时生成输出信号，并且在检测到单光子之后的“关闭”时段内，单光子检测器不能够检测照射在光电检测器上的另外的光子。“关闭”时段可以是至少十纳秒。单光子检测器元件可以包括单光子雪崩二极管（spad）。

14、对于阵列，由单光子检测器元件对光子进行的检测是每像素地记录的，即，不存在由构成像素的单光子检测器元件中的不同单光子检测器元件检测到的光子的单独计数。

15、每个像素可以包括一组单光子检测器元件，该组中的每个单光子检测器元件用于检测相同波长范围内的光。

16、检测器可以包括一维像素阵列。

17、每个像素可以包括在光谱维度（光谱在其中色散）和/或在与光谱维度正交的空间维度上的多个单光子检测器元件。

18、单光子检测器元件阵列可以是线传感器（一维像素阵列）。线传感器可以被定向成仅在空间维度上具有单像素宽度并且在光谱维度上具有多个像素。例如，线传感器可以如以下文献中所述：“a cmos spad line sensor with per-pixel histogramming tdc fortime-resolved multispectral imaging [用于时间分辨多光谱成像的每像素直方图型tdc的cmos spad线传感器]”，ieee固态电路学报（ieee journal of solid statecircuits），第54卷，第6期，2019年6月，该文献通过援引以其全文并入本文。

19、该方法可以包括输出光谱数据或组合光谱数据，例如以显示器上的表示的形式或作为来自光谱仪和/或计算机的数字输出。

20、该方法可以包括分析光谱数据或组合光谱数据，比如光谱数据或组合光谱数据中的拉曼信号，以识别样品的性质，并且基于所识别的性质来控制过程和/或对样品执行进一步处理。例如，该过程可以是制造过程。该样品可以是一个或多个所制造的产品的样品，并且所识别的性质可以用于确定所制造的产品是否满足所要求的规格。如果未满足所要求的规格，则可能需要调整过程，使得按照所要求的规格来制造产品。该样品可以是组织样品并且该过程可以是对提供该组织样品的患者的治疗。该方法可以用作检查程序（例如安全程序或质量控制程序）的一部分，该检查程序包括基于对光谱数据的分析而生成警报。

21、该方法可以包括针对多个波数中的每一个从光谱数据或组合光谱数据识别拉曼检测的次数。例如，可以根据第一分布和第三分布的汇总来确定针对光谱的第一部分（波数）的拉曼检测的次数，并且可以根据第二分布和第四分布的汇总来确定针对光谱的第二部分（波数）的拉曼检测的次数。

22、可以使用ep2956748 a1、英国专利申请号2404511.4中披露的方法来确定拉曼检测的次数，这些专利文献通过援引以其全文并入本文。

23、第一分布和第三分布与光谱的第一部分的关联以及第二分布和第四分布与光谱的第二部分的关联可以基于将光谱光色散成光谱的色散光学器件和/或检测器的移动（例如为了改变光谱光在色散光学器件上的入射角而进行的色散光学器件的旋转）的定时。色散光学器件可以从第一位置步进到第二不同位置，在该第一位置中，光谱的第一部分被引导到第一像素上并且光谱的第二部分被引导到第二像素上，在该第二不同位置中，光谱的第一部分被引导到第二像素上并且光谱的第二部分被引导到第三像素上。可以在色散光学器件位于第二位置中之前从检测器读出第一分布和第二分布。

24、根据本发明的第二方面，提供了一种光谱仪，该光谱仪包括：光学输入端，该光学输入端用于接收通过用激发束的脉冲激发样品而产生的光谱光；检测器，该检测器包括多个像素，每个像素包括至少两个单光子检测器元件，其中，检测器被配置成记录每个像素从样品上的激发束的最近脉冲开始随时间进行的单光子检测的分布；以及色散光学器件，该色散光学器件用于将光谱光跨越检测器的多个像素色散成光谱，其中，色散光学器件和/或检测器是可调整的，以在一种配置中将光谱的第一部分引导到多个像素中的第一像素并且将光谱的第二部分引导到该多个像素中的第二像素，并且在第二配置中，将光谱的第一部分引导到第二像素并且将光谱的第二部分引导到多个像素中的第三像素。

25、以这种方式，光谱仪可以用于本发明的第一方面的方法中。

26、光谱仪可以包括控制器，该控制器被布置成：-

27、在第一时间段期间，控制色散光学器件和/或检测器将所述光谱的第一部分引导到第一像素上并且将第二部分引导到第二像素上；

28、在第二时间段期间，控制色散光学器件和/或检测器将所述光谱的第一部分引导到第二像素上并且将光谱的第二部分引导到第三像素上。

29、色散光学器件可以被安装成旋转以改变光谱光在色散光学器件上的入射角。光谱仪可以包括用于驱动色散光学器件的旋转的马达。控制器可以控制马达的移动。

30、光谱仪可以包括处理器，该处理器被布置成在第一时间段期间从检测器读出由第一像素进行的单光子检测的第一分布以及由第二像素进行的单光子检测的第二分布；并且在第二时间段期间，从检测器读出由第二像素进行的单光子检测的第三分布以及由第三像素进行的单光子检测的第四分布。处理器可以是控制器的一部分或与控制器分开。

31、该处理器或另外的处理器被布置成通过按时间将第一分布和第三分布汇总并且按时间将第二分布和第四分布汇总来生成组合光谱数据。组合光谱数据可以包括光谱的每一部分（波数）的直方图，光谱的第一部分的直方图由第一分布和第三分布的汇总形成，并且第二部分的直方图由第二分布和第四分布的汇总形成。

32、处理器可以被布置成例如在显示器上或以数字形式在数据载体上输出光谱数据。

33、根据本发明的第三方面，提供了一种用于根据本发明的第二方面的光谱仪的控制器，该控制器被布置成：-

34、在第一时间段期间，控制色散光学器件和/或检测器将光谱的第一部分引导到第一像素上并且将第二部分引导到第二像素上；

35、在第二时间段期间，控制色散光学器件和/或检测器将光谱的第一部分引导到第二像素上并且将光谱的第二部分引导到第三像素上。

36、根据本发明的第四方面，提供了一种数据载体，该数据载体当在根据本发明的第二方面的光谱仪的控制器上执行时使该控制器：-

37、在第一时间段期间，控制色散光学器件和/或检测器将光谱的第一部分引导到第一像素上并且将第二部分引导到第二像素上；

38、在第二时间段期间，控制色散光学器件和/或检测器将光谱的第一部分引导到第二像素上并且将光谱的第二部分引导到第三像素上。

39、根据本发明的第五方面，提供了一种计算机实施的时间相关单光子计数（tcspc）方法，该方法包括：-

40、接收使用本发明的第一方面的方法生成的第一分布、第二分布、第三分布和第四分布；以及

41、通过按时间将所述第一分布和所述第三分布汇总并且按时间将所述第二分布和所述第四分布汇总来生成组合光谱数据。

42、组合光谱数据可以包括光谱的每一部分（波数）的直方图，光谱的第一部分的直方图由第一分布和第三分布的汇总形成，并且第二部分的直方图由第二分布和第四分布的汇总形成。第一分布和第三分布的汇总以及第二分布和第四分布的汇总可以是按时间进行的。

43、该方法可以包括例如在显示器上或以数字形式在数据载体上输出组合光谱数据。

44、根据本发明的第六方面，提供了一种被配置成执行本发明的第五方面的方法的处理器。

45、根据本发明的第七方面，提供了一种数据载体，该数据载体当在处理器上执行时，使处理器执行本发明的第五方面的方法。

46、本发明的上述方面的数据载体可以是非暂态数据载体，比如易失性存储器（例如ram）、非易失性存储器（例如rom）、闪存存储器和数据存储设备（比如硬盘、光盘）、或者暂态数据载体（比如电子信号或光学信号）。