CN108121060A - 共焦多线扫描宽视场层析成像系统及方法 - Google Patents

共焦多线扫描宽视场层析成像系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种共焦多线扫描宽视场层析成像系统及方法，其中，系统包括：光源用于发出超短脉冲光；第一凸透镜和第二凸透镜用于对超短脉冲光进行扩束；空间光调制器用于通过扩束后的超短脉冲光生成多个分区的平面图案；第三凸透镜和第四凸透镜；扫描振镜；柱透镜和光栅用于多区域光斑经过柱透镜在光栅的表面行程多条扫描线；准直透镜和物镜用于多条扫描线经过准直透镜和物镜后，在像面上行程多线，并且由扫描振镜提供扫描；探测器的曝光区域与扫描振镜的扫描区域重叠；控制器用于控制扫描振镜和探测器达到同步，以实现大视场高速成像。该系统可以有效提升大视场成像速度及穿透深度，实现深层组织大视场高速观测。

Description

共焦多线扫描宽视场层析成像系统及方法
技术领域
本发明涉及光学显微技术领域，特别涉及一种共焦多线扫描宽视场层析成像系统及方法。
背景技术
光学显微成像技术广泛应用于生物微结构观察和生物动态功能信号的提取。相关技术中，传统的宽场成像技术无需扫描，成像速度快，但不具有层析能力，背景信号强；共聚焦点扫描成像通过引入共焦针孔在一定范围内抑制了背景信号，获得了轴向分辨能力但是受限于扫描元件的机械惯性，但是时间分辨率较低。尽管提出了采用多光子荧光显微进行宽视场层析激发的方案，无需扫描，但是其面临着以下两方面的挑战：所需高激发功率；深层组织成像中，所发射荧光信号经历强组织散射。首先，基于多光子效应实现宽视场同时激发的方案需要保证足够高的激发能量密度，因此，所需的激发光功率极易超过生物组织可承受的安全功率范围；其次，在深层组织成像中，所发射荧光将经历散射造成信号串扰，这成为限制最大穿透深度的瓶颈。考虑到生物组织散射，基于普通多光子荧光的宽视场层析激发方案还具有横向、轴向分辨率降低等缺点。
为了在快速成像的同时保证较高的轴向分辨率，人们发展了时空聚焦技术。该技术的基本原理是利用色散元件在焦面处形成空间和时间聚焦的光束并激发荧光，在焦外光束发散避免激发离焦荧光。具体的，时空聚焦技术可分为无扫描成像和线扫描成像两种方式。前者可实现大视场区域的同时激发，具备较高的轴向分辨率，但其与基于普通多光子荧光的宽视场层析激发方案一样存在着高激发功率、浅成像深度、轴向分辨率低等缺点。相比而言，基于线扫描的时空聚焦技术降低了激发功率的要求，并可获得更高的轴向分辨率。该方法的原理是利用柱透镜或其他元件产生一条光学聚焦线，在扫描元件的驱动下，这条扫描线在被测物体表面扫描，实现成像。对比于点扫描成像，线扫描成像只需在一个横向维度进行扫描，提高了成像速率。
但是，在实际生物光学成像中，为了研究生物体的动态过程，需要在大视场范围内进行高速成像。尽管相对于点扫描成像技术，线扫描成像技术大大缩短了成像时间，但是受限于机械惯性，大视场高速成像依然是重大挑战。此外，随着成像深度的增加，生物组织散射造成的信号串扰也不容忽视，有待解决。
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，本发明的一个目的在于提出一种共焦多线扫描宽视场层析成像系统，该系统可以有效提升大视场成像速度及穿透深度，实现深层组织大视场高速观测。
本发明的另一个目的在于提出一种共焦多线扫描宽视场层析成像方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种共焦多线扫描宽视场层析成像系统，包括：光源，用于发出超短脉冲光；第一凸透镜和第二凸透镜，用于对所述超短脉冲光进行扩束；空间光调制器，用于通过扩束后的超短脉冲光生成多个分区的平面图案；第三凸透镜和第四凸透镜；扫描振镜，用于通过所述第三凸透镜和第四凸透镜在所述扫描振镜的表面上形成多区域光斑；柱透镜和光栅，用于所述多区域光斑经过所述柱透镜在所述光栅的表面行程多条扫描线；准直透镜和物镜，用于所述多条扫描线经过所述准直透镜和物镜后，在像面上行程多线，并且由所述扫描振镜提供扫描；探测器，所述探测器的曝光区域与所述扫描振镜的扫描区域重叠；控制器，用于控制所述扫描振镜和所述探测器达到同步，以实现大视场高速成像。
本发明实施例的共焦多线扫描宽视场层析成像系统，可以通过引入多束激发光在大视场的不同区域同时进行线扫描，并通过结合与线扫描同步的虚拟共焦探测技术抑制散射光造成的串扰，实现深层组织大视场高速成像，从而突破线扫描技术在深层组织大视场范围成像的速度限制，实现大视场动态高速观测；采用多线扫描，在激光器输出功率受限时可调高激发能量密度，提高激发效率，进而提高成像速度；采用与多线扫描同步的共焦探测，一定程度上可抑制组织散射造成的信号串扰，提高穿透深度。
另外，根据本发明上述实施例的共焦多线扫描宽视场层析成像系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述光源可以为飞秒光源。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多条扫描线经过色散原件后不同频率的分量在空间展开。
进一步地，在本发明的一个实施例中，扫描线在样本焦面重新汇聚，以提供荧光层析扫描信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，相机特定曝光扫描线所在区域，以利用虚拟共焦探测抑制背景噪声。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过数字微镜系统生成所述多条扫描线，其中，所述数字微镜系统包括多个微镜，所述多个微镜的每个微镜具有开形态和关形态，且在光打在所述数字微镜系统的表面上时，所述数字微镜系统行程开、关交错排列的形态，从而形成所述多条扫描线。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述扫描线映射到所述相机的表面后，对应的是相机的感光区域的多个子区域，而在所述扫描线移动时，所述多个子区域跟随移动，且在所述相机只特定曝光所述子区域时，完成多线同步曝光。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种共焦多线扫描宽视场层析成像方法，包括以下步骤：发出超短脉冲光；对所述超短脉冲光进行扩束；通过扩束后的超短脉冲光生成多个分区的平面图案；通过第三凸透镜和第四凸透镜在扫描振镜的表面上形成多区域光斑；所述多区域光斑经过柱透镜在光栅的表面行程多条扫描线；所述多条扫描线经过准直透镜和物镜后，在像面上行程多线，并且由所述扫描振镜提供扫描；探测器的曝光区域与所述扫描振镜的扫描区域重叠，并控制所述扫描振镜和所述探测器达到同步，以实现大视场高速成像。
本发明实施例的共焦多线扫描宽视场层析成像方法，可以通过引入多束激发光在大视场的不同区域同时进行线扫描，并通过结合与线扫描同步的虚拟共焦探测技术抑制散射光造成的串扰，实现深层组织大视场高速成像，从而突破线扫描技术在深层组织大视场范围成像的速度限制，实现大视场动态高速观测；采用多线扫描，在激光器输出功率受限时可调高激发能量密度，提高激发效率，进而提高成像速度；采用与多线扫描同步的共焦探测，一定程度上可抑制组织散射造成的信号串扰，提高穿透深度。
另外，根据本发明上述实施例的共焦多线扫描宽视场层析成像方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述扫描线在样本焦面重新汇聚，以提供荧光层析扫描信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，相机特定曝光扫描线所在区域，以利用虚拟共焦探测抑制背景噪声。
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
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的共焦多线扫描宽视场层析成像系统的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的共焦多线扫描宽视场层析成像的流程图；
图3为根据本发明一个实施例的共焦多线扫描宽视场层析成像系统的多线扫描的结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的共焦多线扫描宽视场层析成像系统的多线并行曝光的结构示意图；
图5为根据本发明实施例的共焦多线扫描宽视场层析成像方法的流程图。
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。
在介绍本发明实施例的共焦多线扫描宽视场层析成像系统及方法之前，先来简单介绍下相关技术中的光学成像方法。
线扫描成像是光学成像方法中的一类。对比于点扫描成像(二维扫描成像)，线扫描成像属一维扫描成像，速度更快，同时对比面成像(无需扫描)，线扫描成像具抑制背景信号的能力，有更好的信噪比及轴向分辨率。
然而，线扫描成像的速度仍然受限于扫描器件的速度，尤其在大视场范围内做高速成像，扫描器件的速度成为实时观测生物动态过程的阻碍。此外，组织散射造成的信号串扰成为提升成像穿透深度的瓶颈。
本发明正是基于上述问题，而提出了一种共焦多线扫描宽视场层析成像系统及方法。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的共焦多线扫描宽视场层析成像系统及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的共焦多线扫描宽视场层析成像系统。
图1是本发明实施例的共焦多线扫描宽视场层析成像系统的结构示意图。
如图1所示，该共焦多线扫描宽视场层析成像系统100包括：光源1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、第三凸透镜4、第四凸透镜5、空间光调制器6、扫描振镜7、柱透镜8、光栅9、准直透镜10、物镜11、探测器12和控制器13。
其中，光源1用于发出超短脉冲光。第一凸透镜2和第二凸透镜3用于对超短脉冲光进行扩束。空间光调制器6用于通过扩束后的超短脉冲光生成多个分区的平面图案。扫描振镜7用于通过第三凸透镜4和第四凸透镜5在扫描振镜7的表面上形成多区域光斑。柱透镜8和光栅9用于多区域光斑经过柱透镜在光栅的表面行程多条扫描线。准直透镜10和物镜11用于多条扫描线经过准直透镜10和物镜11后，在像面上行程多线，并且由扫描振镜7提供扫描。探测器12的曝光区域与扫描振镜7的扫描区域重叠。控制器13用于控制扫描振镜7和探测器12达到同步，以实现大视场高速成像。本发明实施例的成像系统100可以突破现有线扫描技术在大视场范围成像时的速度、深度限制，有效提升大视场成像速度及穿透深度，实现深层组织大视场高速观测
可以理解的是，如图1所示，在本发明的一个具体实施例中，本发明实施例展示了多条线并行扫描的时空聚焦系统。光源1可以发出超短脉冲光，经过第一凸透镜2和第二凸透镜3扩束后打在空间光调制器6的表面，空间光调制器6可以产生多个分区的平面图案，经过第三凸透镜4和第四凸透镜5后形成4f系统后，即在扫描振镜7表面形成多区域光斑，并且这些多区域光斑经过柱透镜8后在光栅9的表面形成多条扫描线；在经过准直透镜10和物镜11后，在像面上形成多线，并由扫描振镜7提供扫描；探测器12的曝光区域与扫描振镜7扫描区域重叠，控制器13控制扫描振镜7与探测器12达到同步，即可实现大视场高速成像。
可选地，在本发明的一个实施例中，光源1可以为飞秒光源。
进一步地，在本发明的一个实施例中，多条扫描线经过色散原件后不同频率的分量在空间展开。
进一步地，在本发明的一个实施例中，扫描线在样本焦面重新汇聚，以提供荧光层析扫描信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，相机特定曝光扫描线所在区域，以利用虚拟共焦探测抑制背景噪声。
可以理解的是，如图2所示，在步骤S201中，超短脉冲光束经过器件后形成多条扫描线，并经由扫描器件扫描；需要说明的是，超短脉冲光束可以为飞秒光源，产生多条扫描线的方式可以是多种方式，生成扫描线的数量没限制；在步骤S202中，多条扫描线经过色散元件后不同频率的分量在空间展开；在步骤S203中，在样本焦面处，样本汇聚到最小，并重新形成若干条扫描线并激发出荧光信号，焦面外的激发大大被抑制，也就是说，扫描线在样本表面重新汇聚，提供荧光层析扫描信号；在步骤S204中，相机的曝光区域恰好和样本的激发区域重叠，也就是说，相机特定曝光扫描线所在区域，利用虚拟共焦探测抑制背景噪声，需要说明的是，本发明实施例的相机采取滚动曝光模式，即每次只曝光扫描线所在的区域，并且该区域在每次曝光完毕后会在相机靶面上移动，对应于扫描线的移动，曝光区域总是和扫描线一致的。本发明实施例通过这种虚拟共焦探测技术，抑制激发的背景荧光以及多条扫描线，抑制背景信号，提升信噪比，大大提升了成像速率。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过数字微镜系统生成多条扫描线，其中，数字微镜系统包括多个微镜，多个微镜的每个微镜具有开形态和关形态，且在光打在数字微镜系统的表面上时，数字微镜系统行程开、关交错排列的形态，从而形成多条扫描线。
可以理解的是，如图3所示，本发明实施例可以通过DMD(Digital MicromirrorDevices，数字微镜)系统生成多条扫描线，DMD可以由一系列微小的镜子组成，每面镜子有开、关两种形态，其中，DMD的速度可以是千赫兹。一束光打在DMD表面上，DMD形成开、关交错排列的形态，就形成了多条线。开、关的状态在DMD表面滚动时，就可以让这多条扫描线并行快速扫描；条纹间隔可以是等间距的，也可以是不等间距的。如需扫描成像的分辨率，条纹可以尽可能细，直到宽度只有1个像素；如需增加成像信噪比，则应当扩大条纹宽度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，扫描线映射到相机的表面后，对应的是相机的感光区域的多个子区域，而在扫描线移动时，多个子区域跟随移动，且在相机只特定曝光子区域时，完成多线同步曝光。
可以理解的是，如图4所示，本发明实施例展示了相机多线滚动曝光的模式。当本发明实施例形成如图4所示的多条扫描线时，扫描线映射到相机表面后，对应的是相机的感光区域的多个子区域，当扫描线移动时，这多个子区域也跟着移动，当相机只特定曝光这些子区域时，就完成了多线同步曝光，扫描线有多少条，那么线扫描的成像速度即为之前的多少倍。
根据本发明实施例提出的共焦多线扫描宽视场层析成像系统，可以通过引入多束激发光在大视场的不同区域同时进行线扫描，并通过结合与线扫描同步的虚拟共焦探测技术抑制散射光造成的串扰，实现深层组织大视场高速成像，从而突破线扫描技术在深层组织大视场范围成像的速度限制，实现大视场动态高速观测；采用多线扫描，在激光器输出功率受限时可调高激发能量密度，提高激发效率，进而提高成像速度；采用与多线扫描同步的共焦探测，一定程度上可抑制组织散射造成的信号串扰，提高穿透深度。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的共焦多线扫描宽视场层析成像方法。
图5是本发明实施例的共焦多线扫描宽视场层析成像方法的流程图。
如图5所示，该共焦多线扫描宽视场层析成像方法包括以下步骤：
在步骤S501中，发出超短脉冲光。
在步骤S502中，对超短脉冲光进行扩束。
在步骤S503中，通过扩束后的超短脉冲光生成多个分区的平面图案。
在步骤S504中，通过第三凸透镜和第四凸透镜在扫描振镜的表面上形成多区域光斑。
在步骤S505中，多区域光斑经过柱透镜在光栅的表面行程多条扫描线。
在步骤S506中，多条扫描线经过准直透镜和物镜后，在像面上行程多线，并且由扫描振镜提供扫描。
在步骤S507中，探测器的曝光区域与扫描振镜的扫描区域重叠，并控制扫描振镜和探测器达到同步，以实现大视场高速成像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，扫描线在样本焦面重新汇聚，以提供荧光层析扫描信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，相机特定曝光扫描线所在区域，以利用虚拟共焦探测抑制背景噪声。
需要说明的是，前述对共焦多线扫描宽视场层析成像系统实施例的解释说明也适用于该实施例的共焦多线扫描宽视场层析成像方法，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的共焦多线扫描宽视场层析成像方法，可以通过引入多束激发光在大视场的不同区域同时进行线扫描，并通过结合与线扫描同步的虚拟共焦探测技术抑制散射光造成的串扰，实现深层组织大视场高速成像，从而突破线扫描技术在深层组织大视场范围成像的速度限制，实现大视场动态高速观测；采用多线扫描，在激光器输出功率受限时可调高激发能量密度，提高激发效率，进而提高成像速度；采用与多线扫描同步的共焦探测，一定程度上可抑制组织散射造成的信号串扰，提高穿透深度。
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 (10)

1.一种共焦多线扫描宽视场层析成像系统，其特征在于，包括：
光源，用于发出超短脉冲光；
第一凸透镜和第二凸透镜，用于对所述超短脉冲光进行扩束；
空间光调制器，用于通过扩束后的超短脉冲光生成多个分区的平面图案；
第三凸透镜和第四凸透镜；
扫描振镜，用于通过所述第三凸透镜和第四凸透镜在所述扫描振镜的表面上形成多区域光斑；
柱透镜和光栅，用于所述多区域光斑经过所述柱透镜在所述光栅的表面行程多条扫描线；
准直透镜和物镜，用于所述多条扫描线经过所述准直透镜和物镜后，在像面上行程多线，并且由所述扫描振镜提供扫描；
探测器，所述探测器的曝光区域与所述扫描振镜的扫描区域重叠；以及
控制器，用于控制所述扫描振镜和所述探测器达到同步，以实现大视场高速成像。
2.根据权利要求1所述的共焦多线扫描宽视场层析成像系统，其特征在于，所述光源为飞秒光源。
3.根据权利要求1所述的共焦多线扫描宽视场层析成像系统，其特征在于，所述多条扫描线经过色散原件后不同频率的分量在空间展开。
4.根据权利要求1所述的共焦多线扫描宽视场层析成像系统，其特征在于，扫描线在样本焦面重新汇聚，以提供荧光层析扫描信号。
5.根据权利要求1所述的共焦多线扫描宽视场层析成像系统，其特征在于，相机特定曝光扫描线所在区域，以利用虚拟共焦探测抑制背景噪声。
6.根据权利要求5所述的共焦多线扫描宽视场层析成像系统，其特征在于，通过数字微镜系统生成所述多条扫描线，其中，所述数字微镜系统包括多个微镜，所述多个微镜的每个微镜具有开形态和关形态，且在光打在所述数字微镜系统的表面上时，所述数字微镜系统行程开、关交错排列的形态，从而形成所述多条扫描线。
7.根据权利要求6所述的共焦多线扫描宽视场层析成像系统，其特征在于，所述扫描线映射到所述相机的表面后，对应的是相机的感光区域的多个子区域，而在所述扫描线移动时，所述多个子区域跟随移动，且在所述相机只特定曝光所述子区域时，完成多线同步曝光。
8.一种共焦多线扫描宽视场层析成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
发出超短脉冲光；
对所述超短脉冲光进行扩束；
通过扩束后的超短脉冲光生成多个分区的平面图案；
通过第三凸透镜和第四凸透镜在扫描振镜的表面上形成多区域光斑；
所述多区域光斑经过柱透镜在光栅的表面行程多条扫描线；
所述多条扫描线经过准直透镜和物镜后，在像面上行程多线，并且由所述扫描振镜提供扫描；以及
探测器的曝光区域与所述扫描振镜的扫描区域重叠，并控制所述扫描振镜和所述探测器达到同步，以实现大视场高速成像。
9.根据权利要求8所述的共焦多线扫描宽视场层析成像方法，其特征在于，所述扫描线在样本焦面重新汇聚，以提供荧光层析扫描信号。
10.根据权利要求8或9所述的共焦多线扫描宽视场层析成像方法，其特征在于，相机特定曝光扫描线所在区域，以利用虚拟共焦探测抑制背景噪声。
CN201711384248.2A 2017-12-20 2017-12-20 共焦多线扫描宽视场层析成像系统及方法 Pending CN108121060A (zh)

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