本文亮点：三维光致发光（PL）显微成像是表征光学材料内部缺陷的重要手段。然而，传统扫描系统在测量缺陷产生的微弱光致发光信号时，采集时间过长。本文提出了一种新型三维压缩成像技术，将单像素相机原理拓展至体积光致发光断层成像，实现了具有微米级深度分辨能力的三维重建。
使用设备：激发光源选择的是Integrated Optics 的405 nm激光器，PL光谱测试设备使用的是海洋光学的flame型号光谱仪
各种科学任务和应用都依赖于三维成像及物体形态信息。因此，深度分辨成像一直是一个活跃的研究领域，人们通过不同的概念来缩短采集时间、增加成像模式或降低系统成本。当研究团队需要进行毫米级、微米级甚至更小尺度上的三维成像时，最直接的方法是使用显微镜或共聚焦显微镜进行三维扫描成像。然而，对于某些应用而言，这种方法并不适用。本文所关注的缺陷类型包括玻璃的局部杂质、色心或局部键断裂。
本文通过在激光束上生成具有独特三维结构的散斑图案，实现了三维成像。这种三维图案可以在透镜焦平面附近获得。利用标准的二维空间光调制器（SLM），可以对激光束的相位进行随机调制。通过聚焦这种调制后的光束，在焦点附近获得了一个三维散斑图案，沿光束传播方向的两个平面具有高度不相关性。每一次独特的SLM调制都会产生一个唯一的三维散斑图案，这使研究团队能够获取单像素相机（SPC）实验所需的大量不同图案。结果表明，利用标准SPC算法的扩展，可以从总光致发光强度数据集中重建出光致发光断层图像。与传统成像扫描相比，该方法将光致发光成像的采集时间缩短至仅需原来的5%。研究团队预期该方法非常适合用于研究光学材料中的缺陷，并能够区分不同类型的缺陷，包括材料内部的缺陷与表面缺陷。
在测量过程中，激发激光束（405 nm 二极管激光器，MatchBox，Integrated Optics）通过一个 λ/2 波片设置为水平偏振。光束直径被扩束 10 倍，并通过放置在扩束器中的一个针孔（20 μm，透镜焦距 f = 5 cm）进行空间滤波。随后通过一个光阑将光束中心部分裁剪成一个 10×10 mm 的矩形平顶光束，其强度分布在整个光束截面上接近均匀。该矩形光束随后被一个空间光调制器（SLM，Holoeye PLUTO-2.1-UV-099，1929×1080 像素）调制并反射。SLM 略微倾斜，并通过一面反射镜将光束导向聚焦透镜。除非另有说明，研究团队使用焦距为 40 mm、直径为 18 mm 的透镜对光束进行聚焦。聚焦于待测样品上的光束激发光致发光（PL），信号由一个离轴抛物面镜收集，并耦合到连接光纤光谱仪（Flame，Ocean Optics）的光纤中。装置示意图见图 1(A)，测试样品的图像见图 1(B)。对于每个 SLM 模式，光谱仪采集一个完整的 PL 光谱——见图 1(C)。随后对光谱进行处理以提取感兴趣的强度，例如通过对特定波长范围内的 PL 强度进行平均，或将光谱分解为若干个主成分。通过这种方式，研究团队获得了一组可用于三维图像重建的 PL 强度——见图 1(D)。
通过使用一组 4500 个图案，研究团队提取了三个数据立方体（散射激光和来自两个发光板的两个光致发光信号），并展示了它们的平均 Z 轴强度依赖性——见图 C。在每个光致发光最大值对应的 Z 轴位置处的代表性切片如图 D 所示。强烈的激发激光散射来自绿色板的边缘，在空间上与绿色板发射的边缘重叠。后方的板则没有类似的散射。在这种情况下，光致发光信号的收集被前方绿色板的散射边缘遮挡。出于同样的原因，来自黄色板的光致发光（图 D 右图）偏移到了下边缘。不过研究团队指出，这一缺点源于测试样品的结构，在抛光的光学基底上将不会出现。实验证实，黄色板根据隔片宽度在其 z 轴位置上发生了偏移。接下来，研究团队验证了系统实现高轴向分辨率的能力。研究团队进行了成像实验，比较了在单个图案化发光板上的松散聚焦和强聚焦透镜（f = 20 cm 对比 f = 4 cm）所生成的图案——对比结果见下图。与研究团队的模拟一致，透镜焦距的减小大大降低了 Z 轴分辨率。考虑到发光体靶材厚度（0.1 mm），研究团队可以推算出 f = 4 cm 透镜的景深宽度约为 100 μm，这与预测值一致。
为了验证成像能力不仅与焦区本身有关，还与相邻的“近场”模式（其中散斑图案快速变化）有关，研究团队通过电动位移台将同一样品移动到多个位置，并记录了三维数据立方体。研究团队观察到数据立方体随之变化，沿 Z 轴的最大位置与电动位移台的移动完全一致。
综上所述，本文展示了一种新颖的三维压缩高光谱成像方法，将单像素相机原理扩展到三维光致发光断层扫描中，并在 Z 轴方向上实现了微米级分辨率。通过在焦平面附近利用空间光调制器控制的相位调制生成独特的三维散斑图案，本文实现了快速的深度分辨三维成像，并显著提高了采集效率。
本文分析表明：压缩比低至 1% 时即可实现基本图像重建以及单发射体沿 Z 轴位置的识别，而 5% 的压缩比足以获得最佳的轴向分辨率。理论分析证实，轴向分辨率遵循由透镜焦距和孔径直径所决定的传统景深标度规律，但与传统的扫描方法不同，本文的方法可以在单次测量序列中捕获完整的三维数据立方体。这对于采集速度至关重要的时间敏感型应用来说是一个根本性的优势。
本文预期该方法可用于光学材料中缺陷的高效光致发光断层扫描，其中可根据缺陷的光谱特性将其区分开。Z 轴分辨率使得区分体缺陷和表面缺陷成为可能，从而填补了当前在对弱信号或慢衰减光致发光信号进行快速三维分析的技术中存在的空白。
Integrated Optics超小型激光器
本研究中所使用的Integrated Optics小型激光器专为集成设计，深受科学家青睐。MatchBox系列激光器具备高度可配置性，在微型封装中实现高端性能。智能功率电子元件集成于同一外壳内。MatchBox提供最高功率密度与最佳性能价格比。
连续激光器:超过20个波长可选，空间光输出，多模光纤输出，单模光纤输出，保偏光纤输出，并有窄线宽可选。
激光器合束器:可以集成4个波长在Matchbox内，可选空间光输出和光纤输出。
脉冲激光器:1029nm，514.3nm高能量纳秒、皮秒激光器。
产品特点及优势
- 体积小巧，50x30x18 mm，适用于集成具有相同的尺寸，相同的控制接口，便于更换5V供电，低功耗，适用于电池供电的系统
- 多波长可选
- 数字调制和模拟调制
- 可选光纤耦合输出(SM，FM，MI)
- 节省空间的针头连接器，便于0m集成控制
- 自动功率控制
- TEC制令
- 过热保护
- 多种配件可选
- 友好的软件界面
主要应用：
- 激光雷达
- 流式细胞仪
- 荧光显微
- 全反射荧光TIRF
- 共焦显微
- DHA测序
- 拉曼光谱学
- 医学诊断
- 环境监测
- 激光衍射粒子分析
- 食品分析
- NV磁力测量
- 量子密码学
- LIBS
- 光声成像
各功率可选波段列表
海洋光学光谱仪
文中所用海洋光学Flame光谱仪现已更新换代，最新的SR2系列光谱仪作为科研级仪器，可提供精准测量数据。相较于Flame系列光谱仪，SR2在信噪比、检测范围、分辨率、响应速度及灵敏度平衡等方面均有显著提升。
海洋SR光谱仪采用行业领先的制造技术，有助于提供高热稳定性和低单位间变化，而不会影响设计的灵活性和可配置性。可互换的狭缝，指示灯led和简单的设备连接器等功能提供了更多的自由和灵活性。
应用领域：
- 高亮度吸光度测量
- 低杂散光下的吸光度
- 蛋白质的紫外线吸收
- 激光/LED分析
- 气体和等离子体的发射谱分析
- 化学样品的荧光
- 颜色和反射率测量
- 固体样品的反射率
- 高灵敏度分析
ViALUX V-Modules 是基于TI DLP Discovery™ 4100平台的高速空间光调制模块，支持USB 3.0数据传输，最高2277 fps帧率，适用于可见光、紫外与近红外光谱范围。
该系列模块覆盖从363 nm紫外到2500 nm近红外的宽光谱范围，并采用A型DMD封装，支持高达160 W的持续光功率照明，适用于高功率光学系统。SuperSpeed V-Modules 搭载预配置的FPGA逻辑与USB 3.0固件，用户无需自主开发硬件与固件即可快速投入应用开发。模块支持多设备同时控制，并可通过无损实时压缩技术提升数据传输效率，实现低至1.5 ms更新周期的反馈环路操作。
应用领域：
- 光学实验与光束调制
- 光谱成像与分析
- 结构光3D扫描与检测
- 生物医学显微成像
- 工业视觉与OEM集成系统
参考文献
1. Lísková Š, Hlubuček J, Hlubučková M, Touš J, Žídek K. Single-pixel hyperspectral photoluminescence tomography of optical materials. Appl Opt 2025; 64(35):10497-10504.
