[发明专利]基于光场多维信息融合显微超分辨成像装置和成像方法

权利要求书

1.一种基于光场多维信息融合显微超分辨成像装置的成像方法，该装置包括多色荧光显微成像系统及单次曝光光谱成像系统，所述的多色荧光显微成像系统包括N台不同波长的激光器(1)、N个二向色滤波片(2)、多通道窄带滤波片(3)、供样品放置的三维纳米平台(4)，显微物镜(5)、二向色片(6)、多通道滤波片(7)和套筒透镜(8)；所述的单次曝光光谱成像系统依次包括空间随机相位调制器(9)、中继放大成像系统(10)和光电探测器(11)；所述的N台激光器(1)输出的激光经相应的二向色滤波片(2)反射后融合为一路，经所述的多通道窄带滤波片(3)窄带滤波后经所述的二向色片(6)、显微物镜(5)照射位于所述的三维纳米平台(4)上的样品；该样品激发的多峰荧光和激光经过所述的显微物镜(5)、二向色片(6)、多通道滤波片(7)及套筒透镜(8)后会聚，再依次经所述的空间随机相位调制器(9)、中继放大成像系统(10)后，由所述的光电探测器(11)探测，所述的N为2以上的正整数；其特征在于，该方法包括如下三个阶段：

1)第一阶段，标定阶段，具体步骤如下：

①将第一荧光小球放置在三维纳米平台(4)上，打开与第一荧光小球激发谱对应波长的激光器(1)，激光器输出光依次经过二向色滤波片(2)、多通道窄带滤波片(3)、二向色片(6)和显微物镜(5)入射到放置有荧光小球的三维纳米平台(4)上，激发荧光小球发射荧光信号；

所述的荧光信号依次经过所述的显微物镜(5)、二向色片(6)、多通道滤波片(7)、套筒透镜(8)、空间随机相位调制器(9)和中继放大成像系统(10)，形成散斑信号I_r(r,λ)，被所述的光电探测器(11)探测记录；

②控制所述的三维纳米平台(4)，使荧光小球在空间位置上等间距地移动，并记录对应空间位置处的散斑信号I_r(r_i,λ),i＝1,…,n,其中n为对应三维空间标定点的数目，r_i为荧光小球的空间位置，λ为荧光小球的发射波长；完成空间维度的标定，得到第一组散斑图像；

③替换第一荧光小球，将第二荧光小球放置在三维纳米平台(4)上，打开与第二荧光小球激发谱对应波长的激光器，重复前一个波长标定过程，记录此发射波长的对应的系统响应信号，完成该波长的标定，得到第二组散斑图像；

④依次类推，完成第N个荧光小球的波长的标定，得到第N组散斑图像；

⑤所述的第一荧光小球、第二荧光小球、…、和第N荧光小球的材料不同，吸收光谱不同，发射光谱也不同；

2)第二阶段，成像阶段，具体步骤如下：

①将多色染料标记的生物样品放置在所述的三维纳米平台(4)上，打开与荧光染料分子对应激发谱的多波长激光器(1)，激光器输出光依次经过二向色滤波片(2)、多通道窄带滤波片(3)、二向色片(6)和显微物镜(5)入射到位于所述的三维纳米平台(4)上的多色染料标记的生物样品的表面，激发该多色染料标记的生物样品发射荧光信号；

②所述的生物样品发射的荧光信号依次经过所述的显微物镜(5)、二向色片(6)、多通道滤波片(7)、套筒透镜(8)、空间随机相位调制器(9)和中继放大成像系统(10)，形成散斑信号I_t，被所述的光电探测器(11)探测记录，完成对多色染料标记的生物样品成像；

3)第三阶段，图像反演阶段，具体步骤如下：

按照标定点源空间位置和光谱顺序，将每一组散斑图像拉成一列，作为构建系统测量矩阵A的一列，将所述的散斑信号I_t拉成一列作为测量信号y，反演得到生物样品的图像x，公式如下：

其中，||·||₁,||·||₂分别为l₁范数和l₂范数，x_j为图像x的第j个像素强度值，α,β为权重系数。