CN109814361A

CN109814361A - 一种上转换荧光数字全息成像系统及数字全息成像方法

Info

Publication number: CN109814361A
Application number: CN201711173737.3A
Authority: CN
Inventors: 吴爱国; 俞樟森; 杨方
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2017-11-22
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2019-05-28
Anticipated expiration: 2037-11-22
Also published as: CN109814361B

Abstract

本发明公开了一种上转换荧光数字全息成像系统，该系统的光源发射的入射光的波长范围为1000nm至2500nm，该波长范围处于近红外II区和近红外III区，该波段的红外光在样品中的穿透深度比较深，进而可以增加荧光成像深度；其次通过空间光调制器将原本非相干的荧光信号调整成相干的荧光信号，之后再通过光信号接收器与处理器将接收的荧光信号进行处理和重建，以生成具有3D图像信息的全息图像光束，最后通过成像再现装置将所述全息图像光束进行投影来得到上转换荧光全息图像，即通过数字全息成像技术可以实现上转换荧光的三维成像；本发明还公开了一种上转换荧光的数字全息成像方法，同样具有上述有益效果。

Description

一种上转换荧光数字全息成像系统及数字全息成像方法

技术领域

本发明涉及数字全息成像领域，特别是涉及一种上转换荧光数字全息成像系统及数字全息成像方法。

背景技术

随着近年来科技不断的进步，荧光成像技术在人们的日常生活中应用的越来越广泛。

荧光成像技术由于其具有非电离低能辐射、非侵入、高敏感性、高灵敏度等一系列优点，同时荧光能够对生物分子、细胞、组织、器官等进行实施可视化成像，被广泛的应用于生物医学领域。在多种荧光材料之中，上转换荧光纳米颗粒(Upconversion Nanoparticls,简称：UCNPs)的发光机理是通过吸收两个或两个以上低能量的光子来发出一个高能量的光子，即上转换荧光纳米颗粒可以通过吸收波长比较长的光来发出波长比较短的光。相比于其他荧光材料，上转换荧光纳米颗粒具有Stokes位移大，成像信噪比高，发射光谱窄、荧光寿命长等特点。

但是在现阶段，通常是通过上转换荧光纳米颗粒发出的上转换荧光实现样品在二维平面上的荧光成像，目前尚无利用上转换荧光实现三维成像的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种上转换荧光数字全息成像系统，可以实现上转换荧光的3D荧光成像；本发明的另一目的在于提供一种上转换荧光的数字全息成像方法，可以实现上转换荧光的3D荧光成像。

为解决上述技术问题，本发明提供一种上转换荧光数字全息成像系统，所述系统包括光源、空间光调制器、光信号接收器、处理器和成像再现装置；

所述光源用于发射入射光照射样品，其中，所述入射光的波长范围为：1000nm至2500nm，包括端点值；

所述样品用于吸收所述入射光并发射出射光，所述样品为经过上转换荧光纳米颗粒标记的样品；

所述空间光调制器用于将所述出射光调整成相干出射光；

所述光信号接收器连接所述处理器，所述光信号接收器用于接收所述相干出射光，并将所述相干出射光转换成全息图像数据，以发送至所述处理器；

所述处理器用于根据所述全息图像数据生成全息图像光束，并将所述全息图像光束传输至成像再现装置；

所述成像再现装置用于将所述全息图像光束进行投影，以生成上转换荧光全息图像。

可选的，所述上转换荧光纳米颗粒为AReF₄(Re³⁺，n％)@mAReF₄或Re₂O₃(Re³⁺，n％)；其中，A包括Li、Na、K；Re包括Sc、Y、La、Gd、Lu；Re³⁺包括Pr³⁺、Nd³⁺、Sm³⁺、Dy³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺；所述n的取值范围为：0至100，包括右端点值；所述m的取值范围为：0至30，包括端点值。

可选的，所述光源为激光光源。

可选的，所述样品与所述空间光调制器之间设置有滤光器，所述滤光器用于选取预先设定波长的单色出射光；

所述空间光调制器用于将所述单色出射光调整成相干单色出射光。

可选的，所述样品与所述空间光调制器之间设置有荧光信号检测器，所述荧光信号检测器用于检测所述出射光中各个单色出射光的波长。

可选的，所述系统包括多个所述成像再现装置，所述滤光器用于分别选取多个预先设定波长的所述单色出射光；

所述空间光调制器用于将多个所述单色出射光调整成多个所述单色相干出射光；

所述光信号接收器连接所述处理器，所述光信号接收器用于接收多个所述单色相干出射光，并将多个所述单色相干出射光转换成多个所述全息图像数据，以发送至所述处理器；

所述处理器用于根据多个所述全息图像数据生成多个所述全息图像光束，并将所述全息图像光束传输至成像再现装置；其中，多个所述全息图像光束的波长与多个所述单色出射光的波长一一对应；

多个所述成像再现装置分别用于将多个所述全息图像光束进行投影，以生成上转换荧光全息图像。

可选的，所述系统包括多个所述荧光信号检测器和多个所述滤光器，多个所述荧光信号检测器与多个所述滤光器一一对应。

可选的，所述光信号接收器为CCD检测器。

本发明还提供了一种上转换荧光的数字全息成像方法，所述方法包括：

光源发射入射光照射样品，其中，所述入射光的波长范围为：1000nm至2500nm，包括端点值；

所述样品吸收所述入射光并发射出射光，所述样品为经过上转换荧光纳米颗粒标记的样品；

空间光调制器将所述出射光调整成相干出射光；

光信号接收器接收所述相干出射光，并将所述相干出射光转换成全息图像数据，以发送至处理器；

所述处理器根据所述全息图像数据生成全息图像光束，并将所述全息图像光束传输至成像再现装置；

所述成像再现装置将所述全息图像光束进行投影，以生成上转换荧光全息图像。

本发明所提供的一种上转换荧光数字全息成像系统，该系统的光源发射的入射光的波长范围为1000nm至2500nm，该波长范围处于近红外II区和近红外III区，该波段的红外光在样品中的穿透深度比较深，进而可以增加荧光成像深度；其次通过空间光调制器将原本非相干的荧光信号调整成相干的荧光信号，之后再通过光信号接收器与处理器将接收的荧光信号进行处理和重建，以生成具有3D图像信息的全息图像光束，最后通过成像再现装置将所述全息图像光束进行投影来得到上转换荧光全息图像，即通过数字全息成像技术可以实现上转换荧光的三维成像。

本发明还提供了一种上转换荧光的数字全息成像方法，同样具有上述有益效果，在此不再进行赘述。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种上转换荧光数字全息成像系统的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种荧光采集器的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种上转换荧光的数字全息成像方法的流程图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种上转换荧光数字全息成像系统。在现有技术中，通常是通过上转换荧光纳米颗粒发出的上转换荧光实现样品在二维平面上的荧光成像。由于在现阶段通常采用的3D光学图像采集系统均是需要光源发出的入射光在三维空间中逐点扫描并收集上转换荧光纳米颗粒发出的出射光来实现的。但是由于上转换荧光纳米颗粒的量子产率较低，通常需要较强的入射光才能激发出相应的出射光，即荧光。所以这会对样品造成严重的热损伤。并且在现阶段，通常是采用808nm或980nm激光激发，采集540nm、660nm或800nm的荧光信号实现上转换荧光成像。由于在现有技术中光源发出的入射光的波长范围处于近红外I区，其波长相对较短，在样品中的穿透深度比较浅，从而会导致整体成像深度较浅。

而本发明所提供的一种上转换荧光数字全息成像系统，该系统的光源发射的入射光的波长范围为1000nm至2500nm，该波长范围处于近红外II区和近红外III区，该波段的红外光在样品中的穿透深度比较深，进而可以增加荧光成像深度；其次通过空间光调制器将原本非相干的荧光信号调整成相干的荧光信号，之后再通过光信号接收器与处理器将接收的荧光信号进行处理和重建，以生成具有3D图像信息的全息图像光束，最后通过成像再现装置将所述全息图像光束进行投影来得到上转换荧光全息图像，即通过数字全息成像技术可以实现上转换荧光的三维成像；由于数字全息成像是将光源发出的入射光覆盖式的照射到样品，还可以避免入射光对样品造成严重的热损伤。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种上转换荧光数字全息成像系统的结构示意图。

参见图1，在本发明实施例中，所述上转换荧光数字全息成像系统包括光源10、空间光调制器40、光信号接收器50、处理器60和成像再现装置70。

上述光源10用于发射入射光照射样品20，其中，所述入射光的波长范围为：1000nm至2500nm，包括端点值，即光源10发出的入射光的波长包括1000nm至2500nm，同时包括1000nm和2500nm。所述样品20用于吸收所述入射光并发射出射光，所述样品20为经过上转换荧光纳米颗粒标记的样品20。

在本发明实施例中，样品20通常放置在样品台上。所述样品20中添加了上转换荧光纳米颗粒，所述上转换荧光纳米颗粒为AReF₄(Re³⁺，n％)@mAReF₄或Re₂O₃(Re³⁺，n％)；其中，A包括Li、Na、K；Re包括Sc、Y、La、Gd、Lu；Re³⁺包括Pr³⁺、Nd³⁺、Sm³⁺、Dy³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺；所述n的取值范围为：0至100，包括右端点值；所述m的取值范围为：0至30，包括端点值。在上述AReF₄(Re³⁺，n％)@mAReF₄中，@表示核壳结构，即所述上转换荧光纳米颗粒为包覆结构。上述m表示AReF₄的壳层数，若m值为0，则对于每一个上转换荧光纳米颗粒，从内到外只有一层AReF₄；若m值为5，则对于每一个上转换荧光纳米颗粒，从内到外一共包覆有5层AReF₄，即从内到外一共有6层AReF₄。在本发明实施例中，所述AReF₄(Re³⁺，n％)@mAReF₄的壳层数可以是从0到30的任意数，包括0和30。

上述AReF₄(Re³⁺，n％)@mAReF₄中，A代表碱金属，包括Li、Na、K三种元素；上述AReF₄(Re³⁺，n％)@mAReF₄与Re₂O₃(Re³⁺，n％)中，Re为适合做上转换荧光纳米颗粒基质的5中稀土元素，分别为Sc、Y、La、Gd、Lu。其他的稀土元素并不适合用来做上转换荧光纳米颗粒的基质。上述Re³⁺为在上转换荧光纳米颗粒的基质中添加的稀土离子，在本发明实施例中添加的稀土离子通常均是以+3价的形式存在于所述基质中。上述Re³⁺包括Pr³⁺、Nd³⁺、Sm³⁺、Dy³⁺、Ho³ ⁺、Er³⁺、Tm³⁺；上述AReF₄与Re₂O₃分别为两种上转换荧光纳米颗粒的基质。对于掺杂不同种类的稀土离子，上转换荧光纳米颗粒会有不同的吸收峰，相应的也会有不同的发射峰；同时上转换荧光纳米颗粒的基质也会影响其吸收峰与发射峰。例如，若掺杂的Re³⁺为Tm³⁺，那么整个上转换荧光纳米颗粒的吸收峰为1630nm，相应的上转换荧光纳米颗粒的发射峰包括465nm、684nm、785nm、1190nm和1800nm；若Re₂O₃(Re³⁺，n％)中掺杂的Re³⁺为Tm³⁺那么整个上转换荧光纳米颗粒的吸收峰包括800nm与1200nm，相应的上转换荧光纳米颗粒的发射峰为1800nm。由于在本发明实施例中，上转换荧光纳米颗粒可以掺杂多种Re³⁺，但是对于每一种上转换荧光纳米颗粒通常只掺杂一种Re³⁺。当然，在使用过程中可以同时使用多种掺杂有不同Re³⁺的上转换荧光纳米颗粒，也可以同时使用多种基质的上转换荧光纳米颗粒。上述多种Re³⁺对应的吸收峰分布在1000nm至2500nm的近红外II区和近红外III区。当然，对于添加的某一种Re³⁺来说，通常会具有多个发射峰。例如，若AReF₄(Re³⁺，n％)@mAReF₄中掺杂的Re³⁺为Sm³⁺，那么整个上转换荧光纳米颗粒的吸收峰为1225nm，相应的上转换荧光纳米颗粒的发射峰包括562nm、598nm、645nm、943nm、1078nm、1400nm、1500nm和1980nm，上述发射峰包括从可见光一直到近红外光这一跨度较大的范围，但是由于上转换荧光纳米颗粒的特性，对于某一种Re³⁺来说，其吸收峰的波长均大于发射峰的波长。由于掺杂的Re³⁺具有多个发射峰，可以实现多色荧光成像，详细内容将在后续的段落中进行详细描述。

当然，对于任意一种Re³⁺的吸收峰与发射峰来说，都具有相应的峰宽和半峰宽，所以上述举例说明所使用的具体数值仅仅是吸收峰或发射峰的峰值所对应的波长，在实际情况中上转换荧光纳米颗粒可以吸收的入射光的波长与发射的出射光的波长均是一个范围。在本发明实施例中，掺杂的稀土离子并不仅仅限于上述7种稀土离子，同时对于掺杂的稀土离子的价态也不仅仅限于+3价，只要在掺杂的稀土离子的吸收峰处于1000nm至2500nm之间均可，在本发明实施例中对于掺杂的稀土离子的价态以及离子种类并不做具体限定。

在上述表达式中，n代表着掺杂稀土离子Re³⁺的浓度。在本发明实施例中，稀土离子的掺杂浓度可以从0至100，包括右端点值，即稀土离子的掺杂浓度包括100％。对于掺杂不同稀土离子的上转换荧光纳米颗粒，稀土离子的掺杂浓度仅仅会影响到上转换荧光纳米颗粒发出的发射光的强度，并不会影响吸收峰的位置。

在本发明实施例中，由于标记在样品20中的上转换荧光纳米颗粒的吸收峰的范围是从1000nm至2500nm，相应的上述光源10发射的入射光的波长范围为：1000nm至2500nm，包括端点值。通常情况下，由于激光具有良好的单色性、方向性，以及亮度高等特点，在本发明是实例中所用的光源10通常为激光光源。由于激光光源发出的入射光的单色性较强，波峰较窄，在具体使用过程中需要激光光源发出的入射光的波长与上述上转换荧光纳米颗粒的吸收峰相对应，例如若上转换荧纳米颗粒的吸收峰位于2000nm，那么需要相应可以发出波长为2000nm的入射光的激光光源。在现阶段，根据上转换荧光纳米颗粒中掺杂的稀土离子的种类不同，可以选用发射入射光的波长为1050nm、1150nm、1250nm、1500nm、1600nm或2100nm的半导体激光器作为光源10。当然，在本发明实施例中对于所述光源10发射的入射光的波长并不做具体限定，只要位于1000nm至2500nm之间均可。

通常情况下，在激光光源与样品20之间会设置有激发光滤光片和偏振光片，以此来提高所述光源10发出的入射光的单色性以及调节入射光的偏振方向。由于在后续步骤中，需要实现数字全息成像，那么在本发明实施例中，所述光源10通常发出的是宽光束，可以同时大面积的照射样品20，此时可以避免入射光对样品20造成严重的热损伤。

在本发明实施例中，光源10会发射入射光照射样品20，所述样品20吸收所述入射光并发射出射光。所述样品20为经过上转换荧光纳米颗粒标记的样品20。具体的讲，所述出射光是添加在样品20中的上转换荧光纳米颗粒在吸收所述入射光之后发射出的荧光。所述样品台的具体结构和功能可以根据实际情况来具体设置，有关样品台具体的结构和功能在本发明实施例中并不做具体限定。

在本发明实施例中，所述上转换荧光数字全息成像系统还包括有空间光调制器40、光信号接收器50、处理器60和成像再现装置70。

上述空间光调制器40用于将所述出射光调整成相干出射光。空间光调制器40可以作为整个上转换荧光数字全息成像系统中的分光元件和移相元件可以将上述样品20发出的出射光分成传播方向相同，曲率半径不同的两束光。通常情况下，有空间光调制器40分出的两束光分别称为参考光和物光。参考光和物光可以自相干成相干光信号，即本发明实施例中的相干出射光。由于想要实现全息图像则必须要用相干光信号，而通常情况下上转换荧光纳米颗粒发出的荧光信号通常为非相干信号，所以需要通过空间光调制器40将所述出射光调整成相干出射光，才能在后续步骤中生成上转换荧光全息图像80。

在空间光调制器40将样品20发出的出射光调整成相干出射光之后，光信号接收器50接收所述相干出射光，并将所述相干出射光转换成全息图像数据，以发送至处理器60。即所述光信号接收器50的作用是将接收的光信号转换成电信号，以方便处理器60对样品20发出的荧光信号进行处理。由于在本发明实施例中，添加有上转换荧光纳米颗粒的样品20发出的出射光通常包括有多种波长的单色出射光，但是由于各个单色出射光的波长不同，相应的在样品20中穿透深度也不尽相同。通常情况下，上述光信号接收器50每次仅仅接收一种由空间光调制器40调整的相干单色出射光，并将接收到的相干单色出射光转换成相应的全息图像数据并发送至处理器60。相应的，需要在所述样品20与空间光调制器40之间设置有滤光器31，所述滤光器31用于选取预先设定波长的单色出射光。

滤光器31的作用与带通滤光片相类似，可以分离出某一波段单色光。通常情况下，所述滤光器31允许通过的单色出射光的波长范围需要与上述上转换荧光纳米颗粒的发射峰的峰位和半峰宽相对应。通常情况下，样品20与所述空间光调制器40之间设置有荧光信号检测器32，所述荧光信号检测器32用于检测所述出射光中各个单色出射光的波长。所述滤光器31可以仅仅能选取一种预先设定波长的单色出射光，也可以根据所述荧光信号检测器32检测到的单色出射光来控制自身允许通过的单色出射光的波长。进一步的，所述滤光器31可以对选取的单色出射光的荧光峰进行窄化，即将所述单色出射光的荧光峰变窄，这会有利于空间光调制器40将该荧光信号调整成相干信号。

在本发明实施例中，可以设置有多种滤光器31来依次选取不同波长的单色发射光，也可以通过一个滤光器31根据荧光信号检测器32检测到的单色出射光来依次选取不同波长的单色发射光，并通过上述空间光调制器40将多个单色发射光分别对应的调整成多个相干单色发射光。相应的所述光信号接收器50也可以依次接收到不同波长的相干单色发射光，并且对于每一种相干单色发射光都可以生成相应的全息图像数据，最后将多个全息图像数据发送至处理器60进行处理。由于不同波长的单色出射光在样品20中的穿透深度深度不同，光信号接收器50依次获取不同波长的相干单色出射光之后，方便后期所述处理器60生成具有不同成像深度的多色荧光全息图像。上述滤光器31和荧光信号检测器32可以集成在荧光采集器30中。在所述荧光采集器30中，可以仅设置有一个滤光器31与一个荧光信号检测器32；也可以设置有多个滤光器31和一个荧光信号检测器32，多个滤光器31与一个荧光信号检测器32相对应；还可以设置多个滤光器31和多个个荧光信号检测器32，多个滤光器31与多个荧光信号检测器32一一对应，有关所述滤光器31的数量以及所述荧光信号检测器32的数量在本发明实施例中不做具体限定。

当然，所述空间光调制器40可以同时将混合有多种单色出射光的所述出射光调整成相干出射光，并且述光信号接收器50也可以接收该相干出射光并转换成全息图像数据，但是这并不利于后期处理器60对全息图像数据进行处理，同时也会影响到最终生成的荧光全息图像的效果。

在本发明实施例中，所述光信号接收器50连接所述处理器60，通常情况下光信号接收器50是通过数据线连接处理器60。所述光信号接收器50通常为CCD(Charge-coupledDevice)检测器。由于上述上转换荧光纳米颗粒的发射峰通常在紫外光波段、可见光波段和近红外波段都有分布，所以所述CCD检测器中通常需要至少包括有两种荧光探测器，一种是用来检测紫外光与可见光波段荧光信号的焦平面阵列探测器，另一种是用来检测近红外光波段荧光信号的焦平面阵列探测器。通过上述两种焦平面阵列探测器可以实现CCD检测器可以接收从紫外光波段，到可见光波段，再到红外光波段的荧光信号，并将该荧光信号转换成全息图像数据。所述荧光信号对应于本发明实施例中上述的出射光。

在本发明是实例中，光信号接收器50可以接收上述相干出射光，并将所述相干出射光转换成全息图像数据，以发送至处理器60；所述处理器60根据所述全息图像数据生成全息图像光束，并将所述全息图像光束传输至成像再现装置70。

上述处理器60主要用于对接收到的全息图像数据进行计算、分析、处理和3D重建等等，例如消除相差、降低噪音等等。同时在本发明实施例中，处理器60具有电光转换功能，可以在处理完上述全息图像数据之后，根据所述全息图像数据生成全息图像光束，并将所述全息图像光束传输至成像再现装置70。所述全息图像光束中包含有上述样品20的信息。由于全息图像无法在二维平面生成，所以通常需要所述成像再现装置70将所述全息图像光束在三维空间中进行投影，以此来生成全息图像。

在本发明实施例中，所述处理器60连接所述成像再现装置70，通常情况下处理器60是通过光纤连接成像再现装置70。成像再现装置70在接收到处理器60发送的全息图像光束之后，可以将所述全息图像光束进行投影，以生成全息图像。由于在本发明实施例中，所述光信号接收器50接收的光信号是由上转换荧光纳米颗粒发出的荧光，所以在本发明实施例中成像再现装置70最终生成的是上转换荧光全息图像80。

在本发明实施例中，若所述滤光器31分别选取有多个预先设定波长的单色出射光，那么空间光调制器40就会将多个单色出射光调整成多个单色相干出射光，此时光信号接收器50会获取有多个相干单色发射光，上述处理会生成多个所述全息图像光束，此时多个所述全息图像光束的波长与多个所述单色出射光的波长一一对应。当上述成像再现装置70将所述全息图像光束进行投影时，需要投影多个全息图像光束，此时通常需要对个成像再现装置70分别对多个所述全息图像光束进行投影。当有多个成像再现装置70对多个全息图像光束进行投影时，需要保证多个全息图像光束可以在投影区域中实现完全耦合，以最终生成上转换荧光全息图像80。

本发明所提供的一种上转换荧光数字全息成像系统，该系统的光源10发射的入射光的波长范围为1000nm至2500nm，该波长范围处于近红外II区和近红外III区，该波段的红外光在样品20中的穿透深度比较深，进而可以增加荧光成像深度；其次通过空间光调制器40将原本非相干的荧光信号调整成相干的荧光信号，之后再通过光信号接收器50与处理器60将接收的荧光信号进行处理和重建，以生成具有3D图像信息的全息图像光束，最后通过成像再现装置70将所述全息图像光束进行投影来得到上转换荧光全息图像80，即通过数字全息成像技术可以实现上转换荧光的三维成像；由于数字全息成像是将光源10发出的入射光覆盖式的照射到样品20，还可以避免入射光对样品20造成严重的热损伤。

本发明所提供的上转换荧光数字全息成像系统通常应用于医疗领域，可以实现对活体样品或者是患者的病灶区域的上转换荧光全息成像。详细内容请参照下述发明实施例。

请参考图2，图2为本发明实施例所提供的一种荧光采集器的结构示意图。

本发明实施例着重介绍上述上转换荧光数字全息成像系统中的荧光采集器30的具体内容，有关上转换荧光数字全息成像系统的其他部件的详细内容请参照上述发明实施例，在本发明实施例中不再进行赘述。

参见图2，在本发明实施例中，荧光采集器30呈圆环形结构，在使用过程中是套在样品20或者是患者病灶区域。所述荧光采集器30中一共集成了3个荧光信号检测器32和3个滤光器31。其中，一个荧光信号检测器32与一个滤光器31构成一段子荧光采集器，一共构成有三段子荧光采集器。每段子荧光采集器成圆弧状，每段子荧光采集器的弧度为120度，三段子荧光采集器共同围成整个荧光采集器30。

在本发明实施例中，所述样品20或者是患者病灶区域中添加有上转换荧光纳米颗粒，所述上转换荧光纳米颗粒具有多个发射峰，可以发出多种单色出射光。上述每段子荧光采集器中集成的荧光信号检测器32分别用于检测不同的单色出射光，该单色出射光需要与样品20发出的单色出射光相对应，整个荧光采集器30一共可以检测三种单色出射光；上述每段子荧光采集器中集成的滤光器31分别用于选取不同的单色出射光，该单色出射光需要与样品20发出的单色出射光相对应，整个荧光采集器30一共可以选取三种单色出射光。每段子荧光采集器中集成的滤光器31选取的单色出射光与在同一段子荧光采集器中集成的荧光信号检测器32检测的单色出射光相同。

相应的，在整个上转换荧光数字全息成像系统中，处理器60一共会生成三个波长分别对应三种单色出射光的全息图像光束，在整个成像系统中需要设置有三个成像再现装置70，用于分别将三个所述全息图像光束进行投影，并最终耦合成上转换荧光全息图像80。

下面对本发明实施例提供的一种上转换荧光的数字全息成像方法进行介绍，下文描述的数字全息成像方法与上文描述的上转换荧光数字全息成像系统可相互对应参照。

图3为本发明实施例所提供的一种上转换荧光的数字全息成像方法的流程图，参照图3，所述数字全息成像方法可以包括：

S101：光源发射入射光照射样品。

在本发明实施例中，所述入射光的波长范围为：1000nm至2500nm，包括端点值。

S102：样品吸收入射光并发射出射光。

在本发明实施例中，所述样品为经过上转换荧光纳米颗粒标记的样品。

S103：空间光调制器将出射光调整成相干出射光。

S104：光信号接收器接收相干出射光，并将所述相干出射光转换成全息图像数据，以发送至处理器。

S105：处理器根据全息图像数据生成全息图像光束，并将全息图像光束传输至成像再现装置。

S106：成像再现装置将全息图像光束进行投影，以生成上转换荧光全息图像。

在本发明实施例中，所述上转换荧光纳米颗粒具体为AReF₄(Re³⁺，n％)@mAReF₄或Re₂O₃(Re³⁺，n％)；其中，A包括Li、Na、K；Re包括Sc、Y、La、Gd、Lu；Re³⁺包括Pr³⁺、Nd³⁺、Sm³⁺、Dy³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺；所述n的取值范围为：0至100，包括右端点值；所述m的取值范围为：0至30，包括端点值。

本实施例的上转换荧光的数字全息成像方法用于使用前述上转换荧光数字全息成像系统，因此上转换荧光的数字全息成像方法中的具体实施方式可见前文中的上转换荧光数字全息成像系统的实施例部分，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种上转换荧光数字全息成像系统及数字全息成像方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种上转换荧光数字全息成像系统，其特征在于，所述系统包括光源、空间光调制器、光信号接收器、处理器和成像再现装置；

所述空间光调制器用于将所述出射光调整成相干出射光；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上转换荧光纳米颗粒为AReF₄(Re³⁺，n％)@mAReF₄或Re₂O₃(Re³⁺，n％)；其中，A包括Li、Na、K；Re包括Sc、Y、La、Gd、Lu；Re³⁺包括Pr³⁺、Nd³⁺、Sm³⁺、Dy³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺；所述n的取值范围为：0至100，包括右端点值；所述m的取值范围为：0至30，包括端点值。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述光源为激光光源。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述样品与所述空间光调制器之间设置有滤光器，所述滤光器用于选取预先设定波长的单色出射光；

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述样品与所述空间光调制器之间设置有荧光信号检测器，所述荧光信号检测器用于检测所述出射光中各个单色出射光的波长。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统包括多个所述成像再现装置，所述滤光器用于分别选取多个预先设定波长的所述单色出射光；

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统包括多个所述荧光信号检测器和多个所述滤光器，多个所述荧光信号检测器与多个所述滤光器一一对应。

8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述光信号接收器为CCD检测器。

9.一种上转换荧光的数字全息成像方法，其特征在于，所述方法包括：

空间光调制器将所述出射光调整成相干出射光；

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述上转换荧光纳米颗粒为AReF₄(Re³⁺，n％)@mAReF₄或Re₂O₃(Re³⁺，n％)；其中，A包括Li、Na、K；Re包括Sc、Y、La、Gd、Lu；Re³⁺包括Pr³⁺、Nd³⁺、Sm³⁺、Dy³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺；所述n的取值范围为：0至100，包括右端点值；所述m的取值范围为：0至30，包括端点值。