CN109557070B - 一种基于空间编码光的拉曼成像*** - Google Patents

Abstract

本发明属于用于测定生物或医学样本的物理或化学性质或成分，例如，生物样本未知成分的鉴定或医学临床活检样本的分析技术领域，公开了一种基于空间编码光的拉曼成像***；连续波激光器经光源模块后输出均匀平面照射光源，并传输到空间编码器；采用空间编码器的编码模式，使得空间编码器每个像元通过的光具有不同的强度调制频率；利用信号收集模块采集时间序列拉曼散射信号，并传递到控制与计算模块进行存储和后续处理；利用空间编码的物理过程，建立空间编码的数学模型；基于稀疏正则化策略建立目标函数，采用合适的优化方法对样本拉曼图像进行恢复。本发明将宽场照明的成像速度优势以及点扫描的图像质量优势结合起来，图像质量高、成像速度快。

Description

一种基于空间编码光的拉曼成像***

技术领域

本发明属于用于测定生物或医学样本的物理或化学性质或成分，例如，生物样本未知成分的鉴定或医学临床活检样本的分析技术领域，尤其涉及一种基于空间编码光的拉曼成像***。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：目前实现拉曼成像主要采用点扫描、线扫描和宽场照明三种方式。点扫描拉曼成像是最早出现的拉曼成像模式，激发光聚焦于样品表面一点激发拉曼散射信号，并通过振镜或者平移台控制样本照射位置，进而记录每一个像素点的拉曼信号。目前基于该技术可实现目标样本二维以及三维成像；然而，由于拉曼散射信号很弱，每点的激发光驻留时间通常在毫秒到秒的量级上。此外，每点采集后都需要对数据进行读取，这一过程通常会为信号探测器增加几百毫秒。因此，传统的点扫描拉曼成像是一个耗时的过程，可能需要几个小时才能映射一块很小的区域。线扫描成像方式比点扫描拉曼成像方式速度提高了300～600倍，该技术使激发光以直线的形式聚焦于样品表面，激发光激发的拉曼散射信号被CCD相机收集，但存在像场弯曲和光子散射等问题，这使得成像对象在相机的对焦点比中心略前，导致成像对象在相机两侧的成像模糊，不利于高质量图像的获取。宽场照明方式的拉曼成像技术采用激发光照射整个样本视野，然后采用CCD相机获取样本的二维拉曼图像。从成像速度与图像质量角度，点扫描拉曼成像技术通过扫描样本每一像素点激发拉曼信号，使其具有最佳的图像质量，但这是一个耗时的过程，导致成像速度慢；宽场照明拉曼成像技术成像速度较快，但由于直接使用激发光照射整个样本，不利于捕捉每像素点详细的化学成分及组成，导致图像质量略低。

综上所述，现有技术存在的问题是：传统的拉曼成像方法存在成像速度慢，像场弯曲和光子散射，图像质量低。

解决上述技术问题的难度和意义：

难度：如何克服点扫描方式成像速度慢、宽场照明方式成像质量低、以及线扫描方式像场弯曲和光子散射问题。

意义：通过空间编码方式将点扫描方式图像质量高和宽场照明方式成像速度快的优势相结合，解决已有技术中的上述问题，可以对生物或医学样本的物理或化学成分及分布进行快速、高质量成像，有利于对目标样本进行更精确的分析。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于空间编码光的拉曼成像***。

本发明是这样实现的，一种基于空间编码光的拉曼成像***，所述基于空间编码光的拉曼成像***包括：

光源模块，用于提供高质量、低噪声、稳定的均匀平面照射光源；

空间编码模块，用于采用空间编码器对平面照射光源不同位置处的光强度进行不同的频率调制；

样本控制模块，用于六个自由度控制样本处于成像的最佳位置；

信号收集模块，用于收集样本受激后产生的拉曼散射光信号；

控制与计算模块，用于对光源模块、空间编码模块、样本控制模块、信号收集模块的控制，以及用于采用基于空间编码光的成像方法对样本拉曼信号空间分布进行图像恢复。

进一步，所述光源模块包括连续波激光器、光束质量优化与均匀平面照射光源产生子模块；

空间编码模块包括空间光调制器；用于对光源模块出射的均匀平面照射光源进行光强度的频率调制，确保样本不同照射位置的光束强度具有不同的调制频率，使得样本每一点被激发的拉曼散射光携有不同的调制频率；

样本控制模块包括样品承载台、样品三维平移台；用于固定样本并调整样本位置，处于成像视野最佳位置；

信号收集模块包括陷波滤光片、大数值孔径收集透镜、波长可调滤波器、高灵敏度单点光信号探测器；样本被激发后发射的拉曼散射光先通过陷波滤光片滤除瑞利散射光，再经大数值孔径收集透镜收集，经波长可调滤波器选定波长后，被高灵敏度单点光信号探测器接收，将光信号转化为电信号后，传输至控制与计算模块进行存储和后续处理；

控制与计算模块包括计算机控制单元和计算机处理单元；计算机控制单元包括图像采集卡，与高灵敏度单点光信号探测器和空间编码模块相连；控制接口，与光源模块和波长可调滤波器相连；

计算机处理单元包括基于空间编码光的成像方法，用于设计空间编码器的编码模式，用于利用采集的时间序列拉曼散射光信号进行样本拉曼信号的图像恢复。

本发明的另一目的在于提供一种基于空间编码光的拉曼成像***的基于空间编码光的拉曼成像方法，所述基于空间编码光的拉曼成像方法包括以下步骤：

步骤一，连续波激光器经光源模块后输出均匀平面照射光源，并传输到空间编码器；

步骤二，设计空间编码器的编码模式，使得空间编码器每个像元通过的光具有不同的强度调制频率；

步骤三，利用信号收集模块采集时间序列拉曼散射信号，并传递到控制与计算模块进行存储和后续处理；

步骤四，利用空间编码的物理过程，建立空间编码的数学模型，并构造空间编码矩阵，建立采集的时间序列拉曼散射信号与待恢复样本拉曼信号二维图像之间的数学关系式；

步骤五，基于稀疏正则化策略建立目标函数，采用合适的优化方法对样本拉曼图像进行恢复。

进一步，所述步骤二具体包括：

(1)由单点采集时间t确定最高调制频率f_max，

(2)由待恢复图像像素个数N确定时间序列采集点数n，

(3)由时间序列采集点数n确定最低调制频率f_min，

(4)由最高调制频率f_max、最低调制频率f_min和待恢复图像像素个数N，确定调制频率分辨率以及每个像元的调制频率。

进一步，所述步骤四具体包括：利用空间编码的物理过程，建立空间编码的数学模型，并构造空间编码矩阵W，建立采集的时间序列拉曼散射信号R与待恢复样本拉曼信号二维图像X之间的数学关系式：

R＝WX。

进一步，所述空间编码矩阵W和时间序列拉曼散射信号R与待恢复样本拉曼信号二维图像X之间数学关系式的构造包括：

(1)将待恢复图像标记为二维矩阵形式，并按照规律转化为列向量X；

(2)将固定时间点的空间编码器编码模式以权重标记为二维矩阵形式，并按照规律转化为行向量W；

(3)建立高灵敏度单点光信号探测器探测信号强度与空间编码器编码模式、待恢复图像之间的数学关系式：

式中，i表示第i个采集时间点；

(4)随着时间序列数据采集，空间编码器的编码模式发生变化，导致W_i发生变化；编码模式共变化n次，则有：

(5)建立采集的时间序列拉曼散射信号与待恢复样本拉曼信号二维图像之间的数学关系式：

R＝WX；

式中，R为空间编码模式编码n次对应的单点信号探测器记录值；W为空间编码矩阵，其中每一行代表一种编码模式；X表示待恢复的样本拉曼散射图像。

进一步，所述步骤五目标函数为：

minarg||R-WX||₂+β||X||₁；

其中，β是正则化因子。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于空间编码光的拉曼成像***在电池无损检测中的应用。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于空间编码光的拉曼成像***在生物材料无损检测中的应用。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于空间编码光的拉曼成像***在石墨烯无损检测中的应用。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明的图像质量高，基于空间编码光的拉曼成像***通过采用空间编码器对平面照射光源不同空间位置进行不同频率的强度调制，可实现多通道点扫描方式成像，大大提高了宽场照明方式的图像质量。本发明的成像速度快，基于空间编码光的拉曼成像***通过采用空间编码器对平面照射光源不同空间位置进行不同频率的强度调制，可通过空间照明方式实现多通道点扫描方式的同时并行成像，大大提高了点扫描方式的成像速度。

本发明通过采用空间编码器对平面照射光源不同位置处的光强度进行不同的频率调制方式；提供一种宽场照明可比拟点扫描的成像方式，将宽场照明的成像速度优势以及点扫描的图像质量优势结合起来，具有图像质量高、成像速度快的优点。本发明的方法操作简单，易于掌握，应用前景广。速度上可以有对比，点扫描方式需要一个点一个点的扫描，如果要成512*512个像素的图像，需要扫描262144次；而宽场方式是需要采集一次。采用本发明的***，结合稀疏采样，可以在数据采集上节省至少一半的时间。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于空间编码光的拉曼成像***的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于空间编码光的拉曼成像***的原理示意图；

图中：1、光源模块；1-1、连续激光器；1-2、光束质量优化与均匀平面照射光源产生子模块；2、空间光调制器；3、样本控制模块；4、信号收集模块；4-1、陷波滤光片；4-2、大数值孔径收集透镜；4-3、波长可调滤波器(AOTF)；4-4、高灵敏度单点光信号探测器(PMT)；5、控制与计算模块；5-1、计算机控制单元；5-2、计算机处理单元。

图3是本发明实施例提供的基于空间编码光的拉曼成像方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对传统的拉曼成像方法存在成像速度慢，像场弯曲和光子散射，图像质量低的问题；本发明通过采用空间编码器对平面照射光源不同位置处的光强度进行不同的频率调制；提供一种宽场照明可比拟点扫描的成像方式，提高重建图像的质量以及成像速度；可以获得样本每一像素点的化学组成，浓度以及分布，对于样本图像的恢复和重构采用基于稀疏正则化的优化方法求解，恢复的图像质量高、成像速度快，可以获得全面的样本信息。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的基于空间编码光的拉曼成像***包括：

光源模块1，用于提供高质量、低噪声、稳定的均匀平面照射光源；光源模块1包括连续波激光器1-1、光束质量优化与均匀平面照射光源产生子模块1-2。

空间编码模块2，用于采用空间编码器对平面照射光源不同位置处的光强度进行不同的频率调制；空间编码模块2包括空间光调制器；用于对光源模块1出射的均匀平面照射光源进行光强度的频率调制，确保样本不同照射位置的光束强度具有不同的调制频率，使得样本每一点被激发的拉曼散射光携有不同的调制频率；

样本控制模块3，用于六个自由度控制样本处于成像的最佳位置；样本控制模块3包括样品承载台、样品三维平移台；用于固定样本并调整样本位置，使其处于成像视野最佳位置。

信号收集模块4，用于收集样本受激后产生的拉曼散射光信号；信号收集模块4包括陷波滤光片4-1、大数值孔径收集透镜4-2、波长可调滤波器(AOTF)4-3、高灵敏度单点光信号探测器(PMT)4-4；样本被激发后发射的拉曼散射光先通过陷波滤光片滤除瑞利散射光，再经大数值孔径收集透镜收集，经波长可调滤波器选定波长后，被高灵敏度单点光信号探测器接收，将光信号转化为电信号后，传输至控制与计算模块5进行存储和后续处理；

控制与计算模块5，用于对光源模块1、空间编码模块2、样本控制模块3、信号收集模块4的控制，以及用于采用基于空间编码光的成像方法对样本拉曼信号空间分布进行图像恢复。

控制与计算模块5包括计算机控制单元5-1和计算机处理单元5-2；计算机控制单元5-1包括图像采集卡，与高灵敏度单点光信号探测器4-4和空间编码模块相连；控制接口，与光源模块1和波长可调滤波器4-3相连。计算机处理单元5-2包括基于空间编码光的成像方法，用于设计空间编码器的编码模式，用于利用采集的时间序列拉曼散射光信号进行样本拉曼信号的图像恢复。

如图3所示，本发明实施例提供的基于空间编码光的拉曼成像方法包括以下步骤：

S301：连续波激光器经光源模块后输出均匀平面照射光源，并传输到空间编码器；

S302：设计空间编码器的编码模式，使得空间编码器每个像元通过的光具有不同的强度调制频率，且随着时间流逝，空间编码器的编码模式不同；

S303：利用信号收集模块采集时间序列拉曼散射信号，并传递到控制与计算模块进行存储和后续处理；

S304：利用空间编码的物理过程，建立空间编码的数学模型，并构造空间编码矩阵，建立采集的时间序列拉曼散射信号与待恢复样本拉曼信号二维图像之间的数学关系式；

S305：基于稀疏正则化策略建立目标函数，采用合适的优化方法对样本拉曼图像进行恢复。

本发明实施例提供的基于空间编码光的拉曼成像方法具体包括以下步骤：

步骤一，输出并传输光源；连续波激光器经光源模块后输出均匀平面照射光源，并传输到空间编码器；

步骤二，设计编码模式；设计空间编码器的编码模式，使得空间编码器每个像元通过的光具有不同的强度调制频率，且随着时间流逝，空间编码器的编码模式不同；其中，空间编码器每个像元的调制频率由单点采集时间和待恢复图像像素个数按如下原则确定：

(1)由单点采集时间t确定最高调制频率f_max，即

(2)由待恢复图像像素个数N确定时间序列采集点数n，即

(3)由时间序列采集点数n确定最低调制频率f_min，即

(4)由最高调制频率f_max、最低调制频率f_min和待恢复图像像素个数N，确定调制频率分辨率以及每个像元的调制频率。

步骤三，收集并存储信号；利用信号收集模块采集时间序列拉曼散射信号，并传递到控制与计算模块进行存储和后续处理；

步骤四，建立模型；利用空间编码的物理过程，建立空间编码的数学模型，并构造空间编码矩阵W，建立采集的时间序列拉曼散射信号R与待恢复样本拉曼信号二维图像X之间的数学关系式：

R＝WX；

其中，空间编码矩阵W和时间序列拉曼散射信号R与待恢复样本拉曼信号二维图像X之间数学关系式的构造包括：

(1)将待恢复图像标记为二维矩阵形式，并按照规律转化为列向量X；

(2)将固定时间点的空间编码器编码模式以权重标记为二维矩阵形式，并按照规律转化为行向量W；

(3)建立高灵敏度单点光信号探测器探测信号强度与空间编码器编码模式、待恢复图像之间的数学关系式：

式中，i表示第i个采集时间点；

(4)随着时间序列数据采集，空间编码器的编码模式发生变化，从而导致W_i发生变化；编码模式共变化n次，则有：

(5)建立采集的时间序列拉曼散射信号与待恢复样本拉曼信号二维图像之间的数学关系式：

R＝WX；

式中，R为空间编码模式编码n次对应的单点信号探测器记录值；W为空间编码矩阵，其中每一行代表一种编码模式；X表示待恢复的样本拉曼散射图像。

步骤五，恢复图像；基于稀疏正则化策略建立目标函数，采用合适的优化方法对样本拉曼图像进行恢复，其中目标函数为：

minarg||R-WX||₂+β||X||₁；

其中，β是正则化因子。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于空间编码光的拉曼成像***，其特征在于，所述基于空间编码光的拉曼成像***包括：

光源模块，用于提供高质量、低噪声、稳定的均匀平面照射光源；

空间编码模块，用于采用空间编码器对平面照射光源不同位置处的光强度进行不同的频率调制；

样本控制模块，用于六个自由度控制样本处于成像的最佳位置；

信号收集模块，用于收集样本受激后产生的拉曼散射光信号；

控制与计算模块，用于对光源模块、空间编码模块、样本控制模块、信号收集模块的控制，以及用于采用基于空间编码光的成像方法对样本拉曼信号空间分布进行图像恢复；

所述光源模块包括连续波激光器、光束质量优化与均匀平面照射光源产生子模块；

空间编码模块包括空间光调制器；用于对光源模块出射的均匀平面照射光源进行光强度的频率调制，确保样本不同照射位置的光束强度具有不同的调制频率，使得样本每一点被激发的拉曼散射光携有不同的调制频率；

样本控制模块包括样品承载台、样品三维平移台；用于固定样本并调整样本位置，处于成像视野最佳位置；

信号收集模块包括陷波滤光片、大数值孔径收集透镜、波长可调滤波器、高灵敏度单点光信号探测器；样本被激发后发射的拉曼散射光先通过陷波滤光片滤除瑞利散射光，再经大数值孔径收集透镜收集，经波长可调滤波器选定波长后，被高灵敏度单点光信号探测器接收，将光信号转化为电信号后，传输至控制与计算模块进行存储和后续处理；

控制与计算模块包括计算机控制单元和计算机处理单元；计算机控制单元包括图像采集卡，与高灵敏度单点光信号探测器和空间编码模块相连；控制接口，与光源模块和波长可调滤波器相连；

计算机处理单元包括基于空间编码光的成像方法，用于设计空间编码器的编码模式，用于利用采集的时间序列拉曼散射光信号进行样本拉曼信号的图像恢复。

2.一种运行权利要求1所述基于空间编码光的拉曼成像***的基于空间编码光的拉曼成像方法，其特征在于，所述基于空间编码光的拉曼成像方法包括以下步骤：

步骤一，连续波激光器经光源模块后输出均匀平面照射光源，并传输到空间编码器；

步骤二，设计空间编码器的编码模式，使得空间编码器每个像元通过的光具有不同的强度调制频率；

步骤三，利用信号收集模块采集时间序列拉曼散射信号，并传递到控制与计算模块进行存储和后续处理；

步骤四，利用空间编码的物理过程，建立空间编码的数学模型，并构造空间编码矩阵，建立采集的时间序列拉曼散射信号与待恢复样本拉曼信号二维图像之间的数学关系式；

步骤五，基于稀疏正则化策略建立目标函数，采用合适的优化方法对样本拉曼图像进行恢复。

3.如权利要求2所述的基于空间编码光的拉曼成像方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：

(1)由单点采集时间t确定最高调制频率f_max，

(2)由待恢复图像像素个数N确定时间序列采集点数n，

(3)由时间序列采集点数n确定最低调制频率f_min，

(4)由最高调制频率f_max、最低调制频率f_min和待恢复图像像素个数N，确定调制频率分辨率以及每个像元的调制频率。

4.如权利要求2所述的基于空间编码光的拉曼成像方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：利用空间编码的物理过程，建立空间编码的数学模型，并构造空间编码矩阵W，建立采集的时间序列拉曼散射信号R与待恢复样本拉曼信号二维图像X之间的数学关系式：

R＝WX。

5.如权利要求4所述的基于空间编码光的拉曼成像方法，其特征在于，所述空间编码矩阵W和时间序列拉曼散射信号R与待恢复样本拉曼信号二维图像X之间数学关系式的构造包括：

(1)将待恢复图像标记为二维矩阵形式，并按照规律转化为列向量X；

(2)将固定时间点的空间编码器编码模式以权重标记为二维矩阵形式，并按照规律转化为行向量W；

(3)建立高灵敏度单点光信号探测器探测信号强度与空间编码器编码模式、待恢复图像之间的数学关系式：

式中，i表示第i个采集时间点；

(4)随着时间序列数据采集，空间编码器的编码模式发生变化，导致W_i发生变化；编码模式共变化n次，则有：

(5)建立采集的时间序列拉曼散射信号与待恢复样本拉曼信号二维图像之间的数学关系式：

R＝WX；

式中，R为空间编码模式编码n次对应的单点信号探测器记录值；W为空间编码矩阵，其中每一行代表一种编码模式；X表示待恢复的样本拉曼散射图像。

6.如权利要求2所述的基于空间编码光的拉曼成像方法，其特征在于，所述步骤五目标函数为：

minarg||R-WX||₂+β||X||₁；

其中，β是正则化因子。

7.一种应用权利要求1所述基于空间编码光的拉曼成像***在电池无损检测中的应用。

8.一种应用权利要求1所述基于空间编码光的拉曼成像***在生物材料无损检测中的应用。

9.一种应用权利要求1所述基于空间编码光的拉曼成像***在石墨烯无损检测中的应用。

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