CN108593605A - 三维高速宽视场层析成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种三维高速宽视场层析成像方法及装置，其中，方法包括：束产生步骤，用于产生光束；高速时空聚焦面扫描步骤，对所述光束进行色散和平行准直后，对不同波长/频率的光束施加不同的相位进行调制，使光束产生不同的时间延迟，将调制后的光束会聚到样品上以形成聚焦面；拓展景深探测步骤，对所述样品所激发的光，在物镜入瞳面的共轭面处加入高速可变焦距透镜，进而对不同深度的物面实现与激发端轴向扫描同步的成像；同步控制步骤，对高速时空聚焦面扫描步骤中的光速调制和拓展景深探测步骤中的高速可变焦距透镜进行同步控制。本发明的方法能够在保证空间分辨率的前提下，提高成像速度，实现高时间分辨率的三维成像。

Description

三维高速宽视场层析成像方法及装置

技术领域

本发明涉及光学显微技术领域，尤其涉及一种三维高速宽视场层析成像方法及装置。

背景技术

光学显微成像技术是通过光学方法获取物体的高分辨率图像的技术，广泛应用于微观物体的结构成像和功能信号探测，已成为目前生物学研究的常用方法。现有的显微成像技术中，普通宽场单光子成像穿透深度小，且不具备层析能力；光片成像虽然可以实现层析成像，但是无法应用于强散射介质的样品中。多光子点扫描成像技术利用非线性光学效应激发局域信号，具有较强的层析能力。此外，多光子点扫描成像技术采用长波长激发，可实现较深的穿透深度，但是由于其基于点扫描模式，时间分辨率难以满足一些实际需求。

为了在散射生物组织中实现高速宽视场层析成像，相关文献提出并发展了时空聚焦技术。该技术的基本原理是基于多光子非线性效应的，对光脉冲的时间维度进行整形，从而使得光脉冲仅在聚焦面处达到最短脉冲宽度，获得最高的多光子激发效率。相对于多光子点扫描成像技术，该技术可对一定面积的区域并行激发，提高了成像速度。具体方法是，首先采用色散器件对光脉冲在时间上展宽，使能量分散，之后通过准直透镜和物镜将展宽的光脉冲重新在聚焦面上会聚，从而基于非线性光学效应实现宽场层析激发。相对于普通多光子宽场激发方法，由于引入了光脉冲的时间维度，该方法具有更高的轴向分辨率以及更高的信噪比。

在实际生物光学成像中，为了研究生物动态过程，需要进行三维高速成像。欲采用时空聚焦方法进行三维高速成像，一般需要对目标体积进行高速逐层扫描并实现同步成像。遗憾的是，尽管人们提出了一些基于时空聚焦的轴向扫描方法，但是并未提出相应的轴向同步探测方法，即当前尚未见相关的三维高速宽视场层析成像方法的报道。具体的，现有基于时空聚焦的轴向扫描方法主要是通过调整棱镜对、光栅等光学色散器件改变光脉冲的群速度色散，进而改变聚焦面实现扫描。改变群速度色散的结果是使得色散后不同频率子光束之间的距离发生改变，进而使得光脉冲会聚位置改变，即聚焦面位置变化。然而，上述改变群速度色散的途径受到机械惯性的约束，限制了轴向扫描的速度。此外，为实现清晰成像，探测端像感器(如CCD、sCMOS等)需要同步移动，以保持聚焦面与像面的物像关系，而高速机械移动像感器是不切实际的，因此三维高速宽视场层析成像技术速度依然不快。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一方面目的在于提出一种能够在保证***性能前提下，提升体成像速度的三维高速宽视场层析成像方法。

本发明另一方面目的在于提出一种三维高速宽视场层析成像装置。

为达到上述目的，本发明一方面的实施例提出了一种三维高速宽视场层析成像方法，包括以下步骤：光束产生步骤，用于产生光束；高速时空聚焦面扫描步骤，对所述光束进行色散和平行准直后，对不同波长/频率的光束施加不同的相位进行调制，使光束产生不同的时间延迟，将调制后的光束会聚到样品上以形成聚焦面；拓展景深探测步骤，对所述样品所激发的光，在物镜入瞳面的共轭面处加入高速可变焦距透镜，进而对不同深度的物面实现与激发端轴向扫描同步的成像；同步控制步骤，对高速时空聚焦面扫描步骤中的光速调制和拓展景深探测步骤中的高速可变焦距透镜进行同步控制，以实现照明位置和探测位置的同步。

根据本发明实施例的三维高速宽视场层析成像方法，通过对光束进行扩散和准直，进行相位调制并会聚到样品上形成焦面；接着对样品所激发的光进行高速变焦，对不同深度的物面同步成像，并同步照明位置和探测位置，以达到在不移动***光学器件的情况下，保证成像空间分辨率和照明效率，并提高体成像的时间分辨率的目的。

在一些示例中，所述光束产生步骤，包括：对脉冲激光光源发出的光进行准直和扩散，以产生所述光束。

本发明的另一方面的实施例提出了一种三维高速宽视场层析成像装置，包括：光束产生装置，用于产生光束；高速时空聚焦面扫描装置，对所述光束进行色散和平行准直后，对不同波长/频率的光束施加不同的相位进行调制，使光束产生不同的时间延迟，将调制后的光束会聚到样品上以形成聚焦面；拓展景深探测装置，对所述样品所激发的光，在物镜入瞳面的共轭面处加入高速可变焦距透镜，进而对不同深度的物面实现与激发端轴向扫描同步的成像；控制器，对高速时空聚焦面扫描步骤中的光速调制和拓展景深探测步骤中的高速可变焦距透镜进行同步控制，以实现照明位置和探测位置的同步。

根据本发明实施例的三维高速宽视场层析成像装置，通过对光束进行扩散和准直，进行相位调制并会聚到样品上形成焦面；接着对样品所激发的光进行高速变焦，对不同深度的物面同步成像，并同步照明位置和探测位置，以达到在不移动***光学器件的情况下，保证成像空间分辨率和照明效率，并提高体成像的时间分辨率的目的。

在一些示例中，所述高速时空聚焦面扫描装置包括：光栅201、准直透镜202、空间光调制器203、第一反射镜204、第一透镜205、第二透镜206和第一物镜207。

其中，光束经过在光栅S201上色散，色散后的光束经过准直透镜202而光谱随空间分布，不同频率的子光束经过空间光调制器203调制相位，从而改变光脉冲的群速度色散，调制后的光束经过第一反射镜204反射，经过由第一透镜205和第二透镜206组成的4f***后被第一物镜207收集会聚，在样品301上形成聚焦面。

其中，通过空间光调制器203高速改变对子光束调制的相位，光脉冲的群速度色散发生高速变化，进而使会聚后的聚焦面发生高速轴向移动实现扫描。

在一些示例中，所述拓展景深探测步骤，包括：第二物镜302、二向色镜303、第三透镜304、第四透镜305、可变焦透镜306、镜筒透镜307和相机308。

其中，样品301受激发产生的光信号经过第二物镜302收集后，被二向色镜303反射经过由第三透镜304和第四透镜305组成的中继光路，然后光束通过可变焦透镜306，可变焦透镜通过与激发端轴向扫描同步的电信号驱动实现焦距同步变化，将光束经过镜筒透镜307会聚后被相机308接收，实现扩展景深探测。

在一些示例中，所述光束产生装置包括：脉冲激光光源401、电光调制器402、准直扩束器403和第二反射镜404。

其中，脉冲激光光源401发出的光经过电光调制器402对光强进行调节后入射准直扩束器403进行准直、扩束，并由第二反射镜404反射至高速时空聚焦面扫描装置。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例的三维高速宽视场层析成像方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的三维高速宽视场层析成像装置的结构示意图；

图3是本发明一个实施例的时空聚焦面扫描装置的结构示意图；

图4是本发明一个实施例的拓展景深探测装置的结构示意图；和

图5是根据本发明一个实施例的三维高速宽视场层析成像装置示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参见图1，为根据本发明一个实施例的三维高速宽视场层析成像方法的流程图，本发明一个实施例的三维高速宽视场层析成像方法，包括以下步骤：

S1，光束产生步骤，用于产生光束。

具体来说，对脉冲激光光源发出的光进行准直和扩散，以产生多个平行光束。

S2，高速时空聚焦面扫描步骤，对光束进行色散和平行准直后，对不同波长/频率的光束施加不同的相位进行调制，使光束产生不同的时间延迟，将调制后的光束会聚到样品上以形成聚焦面。

作为个具体的示例，与常规的时空聚焦照明光路不同，激光脉冲经过色散器件后，利用光调制器件对不同波长(频率)的光束施加不同的相位使其产生不同的时间延迟，即引入可调谐的群速度色散，实现聚焦面的高速轴向扫描。

S3，拓展景深探测步骤，对样品所激发的光，在物镜入瞳面的共轭面处加入高速可变焦距透镜，进而对不同深度的物面实现与激发端轴向扫描同步的成像。

具体的，与常规的时空聚焦成像光路不同，在物镜入瞳面的共轭面处加入高速可变焦距透镜，进而对不同深度的物面实现与激发端轴向扫描同步的清晰成像。

S4，同步控制步骤，对高速时空聚焦面扫描步骤中的光速调制和拓展景深探测步骤中的高速可变焦距透镜进行同步控制，以实现照明位置和探测位置的同步。

根据本发明实施例的三维高速宽视场层析成像方法，通过对光源发出的光进行准直和扩散产生光束，对分散光束进行色散和准直并进行相位调制，会聚到样品上形成焦面；接着让样品所激发的光通过高速可变焦距透镜，清晰成像，同时对实现照明位置和探测位置进行同步控制，以达到在不移动***光学器件的情况下，保证成像空间分辨率和照明效率，并提高体成像的时间分辨率的目的。

另外，本发明的实施例公开了三维高速宽视场层析成像装置，如图2所示，为本发明实施例的三维高速宽视场层析成像装置的示意图，本发明实施例的三维高速宽视场层析成像装置10，包括：光束产生装置101、高速时空聚焦面扫描装置102、拓展景深探测装置103和控制器104。

其中，光束产生装置101用于产生光束；高速时空聚焦面扫描装置102，用于对光束进行色散和平行准直后，对不同波长/频率的光束施加不同的相位进行调制，使光束产生不同的时间延迟，将调制后的光束会聚到样品上以形成聚焦面；拓展景深探测装置103，能够对样品所激发的光，在物镜入瞳面的共轭面处加入高速可变焦距透镜，进而对不同深度的物面实现与激发端轴向扫描同步的成像；控制器104作用是对高速时空聚焦面扫描步骤中的光速调制和拓展景深探测步骤中的高速可变焦距透镜进行同步控制，以实现照明位置和探测位置的同步。

以下分别对光束产生装置101、高速时空聚焦面扫描装置102、拓展景深探测装置103和控制器104进行详细描述。

其中，光束产生装置101，用于产生光束。

如图5所示，作为个具体的示例，光束产生装置101包括：脉冲激光光源401、电光调制器402、准直扩束器403和第二反射镜404，其中，脉冲激光光源401发出的光经过电光调制器402对光强进行调节后入射准直扩束器403进行准直、扩束，并由第二反射镜404反射至高速时空聚焦面扫描装置102。对光源进行调制、准直、扩束，并反射到高速时空聚焦面扫描装置102。

高速时空聚焦面扫描装置102，用于对光束进行色散和平行准直后，对不同波长/频率的光束施加不同的相位进行调制，使光束产生不同的时间延迟，将调制后的光束会聚到样品上以形成聚焦面。如图3所示，高速时空聚焦面扫描装置102，可以由色散器件、准直透镜、光调制器件和物镜构成激光脉冲经过色散器件后不同波长的光在空间展开，经过准直透镜使不同波长的光束平行准直，准直后的光束通过光调制器件对不同波长(频率)的光束进行调制，调制后的光束经过物镜重新会聚在样品上。

结合图2和3所示，在一个具体的示例中，高速时空聚焦面扫描装置102包括：光栅201、准直透镜202、空间光调制器203、第一反射镜204、第一透镜205、第二透镜206和第一物镜207，其中，光束经过在光栅S201上色散，色散后的光束经过准直透镜202而光谱随空间分布，不同频率的子光束经过空间光调制器203调制相位，从而改变光脉冲的群速度色散，调制后的光束经过第一反射镜204反射，经过由第一透镜205和第二透镜206组成的4f***后被第一物镜207收集会聚，在样品301上形成聚焦面。其中，通过空间光调制器203高速改变对子光束调制的相位，光脉冲的群速度色散发生高速变化，进而使会聚后的聚焦面发生高速轴向移动实现扫描。高速时空聚焦面扫描装置102根据色散后光束的不同波长，是光束在空间展开，经过准直后再进行相位调制，并会聚到样品上。

如图4所示，拓展景深探测装置103，用于样品所激发的光进行会聚以形成像面，并在像方焦平面或共轭面对向面进行相位调制以对不同深度的物面进行成像。其中，拓展景深探测装置103可以由物镜、镜筒透镜、透镜组、光相位调制器件和光电探测器等构成。拓展景深探测装置103的光路在物体发射的光被物镜收集，通过透镜会聚形成像面。在像面后加入中继光路，并在物镜入瞳面的共轭面放置光学相位调制器件进行相位调制，在物面的共轭面放置光电探测器进行探测成像。

作为一个具体的示例，如图4所示，为本发明一个实施例的拓展景深探测装置的结构示意图，如图4所示，拓展景深探测装置10，包括：第二物镜302、二向色镜303、第三透镜304、第四透镜305、可变焦透镜306、镜筒透镜307和相机308，其中，样品301受激发产生的光信号经过第二物镜302收集后，被二向色镜303反射经过由第三透镜304和第四透镜305组成的中继光路，然后光束通过可变焦透镜306，可变焦透镜通过与激发端轴向扫描同步的电信号驱动实现焦距同步变化，将光束经过镜筒透镜307会聚后被相机308接收，实现扩展景深探测。该拓展景深探测装置能够收集物体发射的光，会聚光线形成像面，进而对像面进行相位调制，并在物面的共轭面放置相机进行探测成像，达到拓展景深的作用。

控制器104，用于对高速时空聚焦面扫描步骤中的光速调制和拓展景深探测步骤中的高速可变焦距透镜进行同步控制，以实现照明位置和探测位置的同步。

作为一个具体的示例，如图5所示，为根据本发明一个实施例的三维高速宽视场层析成像装置示意图。其中，控制器104对空间光调制器203和可变焦透镜306进行同步控制，达到照明位置和探测位置同步的效果。

如图5所示，为以上实施例中分别描述的光束产生装置101、高速时空聚焦面扫描装置102、拓展景深探测装置103和控制器104构成的三维高速宽视场层析成像装置。在一个具体示例中，其成像过程为：

结合图5，在光源401的激光依次经过电光调制器402、准直扩束器403，光束被准直、扩束后，经过反射镜404透射在光栅405上，经过高速时空聚焦面扫描聚焦在样品301上。样品301受激产生的信号光通过拓展景深装置，其中控制器104对空间光调制器203和可变焦透镜306进行同步控制，最后被308sCMOS(即：相机308)采集成像。光源经过调制、高速时空聚焦面扫描聚焦和拓展景深探测，并对高速时空聚焦面扫描步骤中的光速调制和拓展景深探测步骤中的高速可变焦距透镜进行同步控制，完成三维高速宽视场层析成像。

需要说明的是，前述对三维高速宽视场层析成像方法实施例的解释说明也适用于该三维高速宽视场层析成像实施例的装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例的一种三维高速宽视场层析成像装置，通过对光源发出的光进行准直和扩散产生光束，对分散光束进行色散和准直并进行相位调制，会聚到样品上形成焦面；接着让样品所激发的光通过高速可变焦距透镜，清晰成像，同时对实现照明位置和探测位置进行同步控制，以达到在不移动***光学器件的情况下，保证成像空间分辨率和照明效率，并提高体成像的时间分辨率的目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种三维高速宽视场层析成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

光束产生步骤，用于产生光束；

高速时空聚焦面扫描步骤，对所述光束进行色散和平行准直后，对不同波长/频率的光束施加不同的相位进行调制，使光束产生不同的时间延迟，将调制后的光束会聚到样品上以形成聚焦面；

拓展景深探测步骤，对所述样品所激发的光，在物镜入瞳面的共轭面处加入高速可变焦距透镜，进而对不同深度的物面实现与激发端轴向扫描同步的成像；

同步控制步骤，对高速时空聚焦面扫描步骤中的光速调制和拓展景深探测步骤中的高速可变焦距透镜进行同步控制，以实现照明位置和探测位置的同步。

2.根据权利要求1所述的三维高速宽视场层析成像方法，其特征在于，所述光束产生步骤，包括：对脉冲激光光源发出的光进行准直和扩散，以产生所述光束。

3.一种三维高速宽视场层析成像装置，其特征在于，包括：

光束产生装置，用于产生光束；

高速时空聚焦面扫描装置，对所述光束进行色散和平行准直后，对不同波长/频率的光束施加不同的相位进行调制，使光束产生不同的时间延迟，将调制后的光束会聚到样品上以形成聚焦面；

拓展景深探测装置，对所述样品所激发的光，在物镜入瞳面的共轭面处加入高速可变焦距透镜，进而对不同深度的物面实现与激发端轴向扫描同步的成像；

控制器，对高速时空聚焦面扫描步骤中的光速调制和拓展景深探测步骤中的高速可变焦距透镜进行同步控制，以实现照明位置和探测位置的同步。

4.根据权利要求3所述的三维高速宽视场层析成像装置，其特征在于，所述高速时空聚焦面扫描装置包括：光栅201、准直透镜202、空间光调制器203、第一反射镜204、第一透镜205、第二透镜206和第一物镜207，

其中，光束经过在光栅201上色散，色散后的光束经过准直透镜202而光谱随空间分布，不同频率的子光束经过空间光调制器203调制相位，从而改变光脉冲的群速度色散，调制后的光束经过第一反射镜204反射，经过由第一透镜205和第二透镜206组成的4f***后被第一物镜207收集会聚，在样品301上形成聚焦面。

其中，通过空间光调制器203高速改变对子光束调制的相位，光脉冲的群速度色散发生高速变化，进而使会聚后的聚焦面发生高速轴向移动实现扫描。

5.根据权利要求3所述的三维高速宽视场层析成像装置，其特征在于，所述拓展景深探测步骤，包括：第二物镜302、二向色镜303、第三透镜304、第四透镜305、可变焦透镜306、镜筒透镜307和相机308，

其中，样品301受激发产生的光信号经过第二物镜302收集后，被二向色镜303反射经过由第三透镜304和第四透镜305组成的中继光路，然后光束通过可变焦透镜306，可变焦透镜通过与激发端轴向扫描同步的电信号驱动实现焦距同步变化，将光束经过镜筒透镜307会聚后被相机308接收，实现扩展景深探测。

6.根据权利要求3所述的三维高速宽视场层析成像装置，其特征在于，所述光束产生装置包括：脉冲激光光源401、电光调制器402、准直扩束器403和第二反射镜404，

其中，脉冲激光光源401发出的光经过电光调制器402对光强进行调节后入射准直扩束器403进行准直、扩束，并由第二反射镜404反射至高速时空聚焦面扫描装置。