[发明专利]三维高速宽视场层析成像方法及装置

说明书

本发明提出了一种三维高速宽视场层析成像方法及装置，其中，方法包括：束产生步骤，用于产生光束；高速时空聚焦面扫描步骤，对所述光束进行色散和平行准直后，对不同波长/频率的光束施加不同的相位进行调制，使光束产生不同的时间延迟，将调制后的光束会聚到样品上以形成聚焦面；拓展景深探测步骤，对所述样品所激发的光，在物镜入瞳面的共轭面处加入高速可变焦距透镜，进而对不同深度的物面实现与激发端轴向扫描同步的成像；同步控制步骤，对高速时空聚焦面扫描步骤中的光速调制和拓展景深探测步骤中的高速可变焦距透镜进行同步控制。本发明的方法能够在保证空间分辨率的前提下，提高成像速度，实现高时间分辨率的三维成像。

技术领域

本发明涉及光学显微技术领域，尤其涉及一种三维高速宽视场层析成像方法及装置。

背景技术

光学显微成像技术是通过光学方法获取物体的高分辨率图像的技术，广泛应用于微观物体的结构成像和功能信号探测，已成为目前生物学研究的常用方法。现有的显微成像技术中，普通宽场单光子成像穿透深度小，且不具备层析能力；光片成像虽然可以实现层析成像，但是无法应用于强散射介质的样品中。多光子点扫描成像技术利用非线性光学效应激发局域信号，具有较强的层析能力。此外，多光子点扫描成像技术采用长波长激发，可实现较深的穿透深度，但是由于其基于点扫描模式，时间分辨率难以满足一些实际需求。

为了在散射生物组织中实现高速宽视场层析成像，相关文献提出并发展了时空聚焦技术。该技术的基本原理是基于多光子非线性效应的，对光脉冲的时间维度进行整形，从而使得光脉冲仅在聚焦面处达到最短脉冲宽度，获得最高的多光子激发效率。相对于多光子点扫描成像技术，该技术可对一定面积的区域并行激发，提高了成像速度。具体方法是，首先采用色散器件对光脉冲在时间上展宽，使能量分散，之后通过准直透镜和物镜将展宽的光脉冲重新在聚焦面上会聚，从而基于非线性光学效应实现宽场层析激发。相对于普通多光子宽场激发方法，由于引入了光脉冲的时间维度，该方法具有更高的轴向分辨率以及更高的信噪比。

在实际生物光学成像中，为了研究生物动态过程，需要进行三维高速成像。欲采用时空聚焦方法进行三维高速成像，一般需要对目标体积进行高速逐层扫描并实现同步成像。遗憾的是，尽管人们提出了一些基于时空聚焦的轴向扫描方法，但是并未提出相应的轴向同步探测方法，即当前尚未见相关的三维高速宽视场层析成像方法的报道。具体的，现有基于时空聚焦的轴向扫描方法主要是通过调整棱镜对、光栅等光学色散器件改变光脉冲的群速度色散，进而改变聚焦面实现扫描。改变群速度色散的结果是使得色散后不同频率子光束之间的距离发生改变，进而使得光脉冲会聚位置改变，即聚焦面位置变化。然而，上述改变群速度色散的途径受到机械惯性的约束，限制了轴向扫描的速度。此外，为实现清晰成像，探测端像感器(如CCD、sCMOS等)需要同步移动，以保持聚焦面与像面的物像关系，而高速机械移动像感器是不切实际的，因此三维高速宽视场层析成像技术速度依然不快。

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，本发明的一方面目的在于提出一种能够在保证系统性能前提下，提升体成像速度的三维高速宽视场层析成像方法。

本发明另一方面目的在于提出一种三维高速宽视场层析成像装置。

为达到上述目的，本发明一方面的实施例提出了一种三维高速宽视场层析成像方法，包括以下步骤：光束产生步骤，用于产生光束；高速时空聚焦面扫描步骤，对所述光束进行色散和平行准直后，对不同波长/频率的光束施加不同的相位进行调制，使光束产生不同的时间延迟，将调制后的光束会聚到样品上以形成聚焦面；拓展景深探测步骤，对所述样品所激发的光，在物镜入瞳面的共轭面处加入高速可变焦距透镜，进而对不同深度的物面实现与激发端轴向扫描同步的成像；同步控制步骤，对高速时空聚焦面扫描步骤中的光速调制和拓展景深探测步骤中的高速可变焦距透镜进行同步控制，以实现照明位置和探测位置的同步。