[发明专利]基于平顶照明的高时空分辨多路复用宽场拉曼成像系统及方法

说明书

基于平顶照明的高时空分辨多路复用宽场拉曼成像系统及方法，包括光源模块、激光调制模块、共聚焦激发模块、基于平顶照明的宽场激发模块、光谱模块、宽场成像模块、光谱与图像控制模块。利用共聚焦激发模式获得高信噪比的拉曼光谱确定拉曼光谱特征峰；利用基于平顶照明的宽场激发模式能够以大视场、均匀强度激发样品，同时以高时空分辨率实现单个拉曼特征峰的快速检测或动态变化过程的监测，还能采集全光谱范围的宽场高光谱图像。通过多路复用宽场成像方式实现完全时空同步的多特征峰动态变化监测与比较。有利于实现对存在样品空间分布异质性、强度波动或动态变化等体系的准确定量或定性分析，在生物医学、物理化学等领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及光学显微成像技术和光谱成像技术领域，尤其涉及基于平顶照明的高时空分辨多路复用宽场拉曼成像系统及方法。

背景技术

拉曼光谱作为一种无标记的分子指纹光谱，主要用于实现物质分子结构和成分的定性或定量分析。通常，传统拉曼光谱数据是一维的，很难分辨样品空间中不同区域化学信息的差异性和动态变化过程。拉曼光谱成像技术将拉曼光谱技术与光学成像技术结合，可以同时获得包含样品空间信息和光谱信息的高光谱图像，从而实现物质分子的定性、定量和定位分析。然而，经典的逐步扫描成像方法，例如点扫描或线扫描成像方法，对于较大区域的样品扫描时间最快为秒级甚至更慢，同时由于步进扫描方式存在时间延迟和成像误差，成像过程具有严重的时空不同步性，无法对大多数毫秒级时间分辨率的动态变化过程进行研究。

幸运地是，宽场成像方法可以解决上述问题，该方法在单次相机曝光时间(毫秒级)内就可直接获得大视场单波长成像信息而具有时空同步性，因此具有高时空分辨率，这对于大多数仅需研究特征拉曼峰的动态体系来说十分适用。对于静态或相对稳定的样品，不仅可以实现特征峰的快速检测，还能通过波长扫描装置在很短时间内获取高光谱图像，成像速度依然比大多数扫描成像技术快。

然而，常规的宽场拉曼成像系统中，单个成像探测器无法实现多特征峰的时空同步动态成像比较与分析，这限制了多物种同时分析的可能性。其次，宽场拉曼成像系统的激发光源通常为具有高斯强度分布的激光，其不均匀的激发强度会造成宽场拉曼强度图像中的强度信息来源具有不确定性，不利于存在空间分布异质性、强度波动或动态变化过程的体系研究。同时，不均匀激发强度会产生场依赖的图像质量和光谱信噪比，降低有效成像视场，阻碍了高通量、高质量宽场拉曼成像。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供基于平顶照明的高时空分辨多路复用宽场拉曼成像系统及方法。利用共聚焦激发模式获得高信噪比的拉曼光谱，从而确定样品的拉曼光谱特征峰；利用基于平顶照明的宽场激发模式能够以大视场、均匀强度激发样品，同时以高时空分辨率实现单个拉曼特征峰的快速检测或动态变化过程的监测，还能采集全光谱范围的宽场高光谱图像。此外，通过多路复用宽场成像方式可以实现完全时空同步的多特征峰动态变化监测与比较。本发明解决了扫描成像技术存在的成像速度慢、时空不同步等问题，还解决了激光不均匀强度激发导致的场依赖图像质量与光谱信噪比、受限的有效视场等问题，有利于实现对存在样品空间分布异质性、强度波动或动态变化等体系的准确定量或定性分析，在生物医学、物理化学等领域具有广泛的应用前景。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明涉及一种基于平顶照明的高时空分辨双通道宽场拉曼成像系统，包括光源模块、激光调制模块、共聚焦激发模块、基于平顶照明的宽场激发模块、光谱模块、宽场成像模块和光谱与图像控制模块；

所述光源模块，用于选择不同波长的激光；

所述激光调制模块，用于实现激光线宽、功率、光束质量和光束大小的调制；

所述共聚焦激发模块，用于通过共聚焦方式激发样品产生拉曼散射；

所述基于平顶照明的宽场激发模块，用于通过宽场方式以均匀强度激发样品产生拉曼散射；

所述光谱模块，用于获得高信噪比的一维拉曼光谱；