三维高速宽视场层析成像方法及装置

摘要

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：光束产生步骤，用于产生光束；多焦面生成步骤，对光束进行色散，并将色散后的光束进行分光以分为多束光，以及调整多束光中每束光的聚焦深度以实现对样品不同深度平面的同时照明；拓展景深探测步骤，对样品所激发的光进行会聚以形成像面，并在像方焦平面或共轭面对向面进行相位调制以对不同深度的物面进行成像。本发明的方法能够保证空间分辨率，激发物体不同深度的宽视场物面，实现三维高速同时探测的三维高速宽视场层析成像。

权利要求

1.一种三维高速宽视场层析成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

光束产生步骤，用于产生光束；

多焦面生成步骤，对所述光束进行色散，并将色散后的光束进行分光以分为多束光，以及调整所述多束光中每束光的聚焦深度以实现对样品不同深度平面的同时照明；

拓展景深探测步骤，对所述样品所激发的光进行会聚以形成像面，并在像方焦平面或共轭面对所述像面进行相位调制以对不同深度的物面进行成像。

2.根据权利要求1所述的三维高速宽视场层析成像方法，其特征在于，所述光束产生步骤，包括：对脉冲激光光源发出的光进行准直和扩散，以产生所述光束。

3.根据权利要求1所述的三维高速宽视场层析成像方法，其特征在于，所述在像方焦平面或共轭面对所述像面进行相位调制时，施加的相位为 其中，u，v为空间光调制器上的横截坐标，α为增益系数。

4.一种三维高速宽视场层析成像装置，其特征在于，包括：

光束产生装置，用于产生光束；

多焦面生成装置，对所述光束进行色散，并将色散后的光束进行分光以分为多束光，以及调整所述多束光中每束光的聚焦深度以实现对样品不同深度平面的同时照明；

拓展景深探测装置，对所述样品所激发的光进行会聚以形成像面，并在像方焦平面或共轭面对所述像面进行相位调制以对不同深度的物面进行成像。

5.根据权利要求4所述的三维高速宽视场层析成像装置，其特征在于，所述多焦面生成装置包括：光栅(201)、第一偏振分束器(202)、第一会聚透镜(203)、第一半玻片(204)、第一反射镜(205)、第二会聚透镜(206)、第二半玻片(207)、第二反射镜(208)、第二偏振分束器(209)和第一物镜(210)，其中，所述光束经过光栅(201)色散后进入第一偏振分束器(202)，经过第一偏振分束器(202)形成反射光路和透射光路，其中，反射光路的光经过第一会聚透镜(203)进行会聚，经过第一半玻片(204)和第一反射镜(205)，进入第二偏振分束器(209)，透射光路的光经过第二会聚透镜(206)进行会聚，经过第二半玻片(207)和第二反射镜(208)，进入第二偏振分束器209，反射光路和透射光路的光通过第二偏振分束器(209)合束后进入第一物镜(210)，通过第一物镜(210)聚焦会聚在样本(211)。

6.根据权利要求4所述的三维高速宽视场层析成像装置，其特征在于，所述拓展景深探测装置包括：第二物镜(302)、二向色镜(303)、镜筒透镜(304)、第一透镜(305)、空间光调制器(306)、第二透镜(307)和相机(308)，其中，样本(301)受激产生非线性光信号，所述光信号首先通过第二物镜(302)收集，经过二向色镜(303)反射后，通过镜筒透镜(304)进行聚焦成像，为实现拓展景深探测，聚焦面后加入由第一透镜(305)和第二透镜(307)组成的4f系统，空间光调制器(306)放置在第一透镜(305)后的一倍焦距处，相机(308)放置在第二透镜(307)后的一倍焦距处以实现探测成像。

7.根据权利要求6所述的三维高速宽视场层析成像装置，其特征在于，所述空间光调制器(306)施加的相位为 其中，u，v为空间光调制器上的横截坐标，α为增益系数。

8.根据权利要求4所述的三维高速宽视场层析成像装置，其特征在于，所述光束产生装置包括：脉冲激光光源(601)、电光调制器(602)、准直扩束器(603)和第三反射镜(604)，其中，脉冲激光光源(601)发出的光经过电光调制器(602)对光强进行调节后入射准直扩束器(603)进行准直、扩束，并由第三反射镜(604)反射至多焦面生成装置。

说明书

三维高速宽视场层析成像方法及装置

技术领域

[0001] 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

[0002] 光学显微成像技术是指通过光学方法实现物体高分辨图像的成像技术，广泛应用于微观物体的结构成像和功能信号探测，并成为目前生物研究的常用方法。现有的显微成
像技术中，普通宽场单光子荧光成像光漂白严重、背景荧光强、信噪比低、不具备层析能力；
光片显微成像通过将激发与探测置于垂直的两个方向，降低了光漂白，在透明样本中实现
了层析成像，但其无法应用于具有强散射特性的生物样本；共聚焦点扫描成像通过引入共
焦探测在一定深度范围内有效地抑制了背景荧光，提高了穿透深度，但是限于其扫描元件
的机械惯性，时间分辨率较低；此外，多光子点扫描成像系统通过采用基于非线性光学效应
的长波长激发进一步提高了穿透深度，但是其时间分辨率同样无法满足生物医学研究的实
际需求。

[0003] 相关文献中为了实现宽视场层析成像，发展了时空聚焦技术。该技术的原理是首先采用色散元件对飞秒脉冲激光在时间维度进行延展，使能量分散，再通过准直镜和物镜
将展宽的光在聚焦面上重新会聚，在聚焦面上实现能量会聚，从而基于非线性光学效应实
现宽视场层析激发。由此，时空聚焦技术实现了宽视场同时激发并保留了层析成像能力，提
高了时间分辨率，即时空聚焦技术具有轴向分辨率高、穿透深度深、背景荧光弱、信噪比强
等优势。

[0004] 但是，在实际生物光学成像中，为了研究三维动态过程，需要对多个不同深度平面进行同时观测。尽管相对于点扫描显微成像技术，时空聚焦技术大大提高了横向平面的成
像速度，但是其限于机械惯性对轴向扫描速度的限制，三维高速宽视场层析成像速度仍不
高。

发明内容

[0005] 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保证空间分辨率，激发物体不同深度的宽视场物面，实现三
维高速同时探测的三维高速宽视场层析成像方法。

[0006] 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。

[0007] 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；多焦面生成步骤，对所述光束进行色散，
并将色散后的光束进行分光以分为多束光，以及调整所述多束光中每束光的聚焦深度以实
现对样品不同深度平面的同时照明；拓展景深探测步骤，对所述样品所激发的光进行会聚
以形成像面，并在像方焦平面或共轭面对所述像面进行相位调制以对不同深度的物面进行
成像。

[0008] 根据本发明实施例的三维高速宽视场层析成像方法，通过对光束进行扩散以及调整每束光的聚焦深度，对样品激发的光会聚并加以相位调制，实现对样品不同深度面同时
照明和对不同深度的物品进行清晰成像。该方法能够在保证空间分辨率的前提下，同时激
发物体不同深度的宽视场物面，并实现三维高速同时探测。

[0009] 在一些示例中，所述光束产生步骤包括对脉冲激光光源发出的光进行准直和扩散，以产生所述光束。

[0010] 在一些示例中，所述在像方焦平面或共轭面对所述像面进行相位调制时，施加的相位为 其中，u，v为SLM上的横截坐标，α为增益系数。

[0011] 本发明的另一方面的实施例提出了一种三维高速宽视场层析成像装置，包括：光束产生装置，用于产生光束；多焦面生成装置，对所述光束进行色散，并将色散后的光束进
行分光以分为多束光，以及调整所述多束光中每束光的聚焦深度以实现对样品不同深度平
面的同时照明；拓展景深探测装置，对所述样品所激发的光进行会聚以形成像面，并在像方
焦平面或共轭面对所述像面进行相位调制以对不同深度的物面进行成像。

[0012] 根据本发明实施例的三维高速宽视场层析成像装置，通过对光束进行扩散以及调整每束光的聚焦深度，对样品激发的光会聚并加以相位调制，实现对样品不同深度面同时
照明和对不同深度的物品进行清晰成像以达到在保证空间分辨率的前提下，同时激发物体
不同深度的宽视场物面，并实现三维高速同时探测的目的。

[0013] 在一些示例中，所述多焦面生成装置包括：光栅201、第一偏振分束器202、第一会聚透镜203、第一半玻片204、第一反射镜205、第二会聚透镜206、第二半玻片207、第二反射
镜208、第二偏振分束器209和第一物镜210，其中，所述光束经过光栅201色散后进入第一偏
振分束器202，经过第一偏振分束器202形成反射光路和透射光路，其中，反射光路的光经过
第一会聚透镜203进行会聚，经过第一半玻片204和第一反射镜205，进入第二偏振分束器
209，透射光路的光经过第二会聚透镜206进行会聚，经过第二半玻片207和第二反射镜208，
进入第二偏振分束器209，反射光路和透射光路的光通过第二偏振分束器209合束后进入第
一物镜210，通过第一物镜210聚焦会聚在样本211。

[0014] 在一些示例中，所述拓展景深探测装置包括：第二物镜302、二向色镜303、镜筒透镜304、第一透镜305、空间光调制器306、第二透镜307和相机308，

[0015] 其中，样本301受激产生非线性光信号，所述光信号首先通过第二物镜302收集，经过二向色镜303反射后，通过镜筒透镜304进行聚焦成像，为实现拓展景深探测，聚焦面后加
入由第一透镜305和第二透镜307组成的4f系统，空间光调制器306放置在第一透镜305后的
一倍焦距处，相机308放置在第二透镜307后的一倍焦距处以实现探测成像。

[0016] 在一些示例中，所述空间光调制器306施加的相位为 其中，u，v为SLM上的横截坐标，α为增益系数。

[0017] 在一些示例中，所述光束产生装置包括：脉冲激光光源601、电光调制器602、准直扩束器603和第三反射镜604，其中，脉冲激光光源601发出的光经过电光调制器602对光强
进行调节后入射准直扩束器603进行准直、扩束，并由第三反射镜604反射至多焦面生成装
置。

[0018] 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

[0019] 图1是根据本发明实施例的三维高速宽视场层析成像方法的流程图；

[0020] 图2是根据本发明实施例的三维高速宽视场层析成像装置的结构示意图；

[0021] 图3是本发明一个实施例的多焦面生成装置的结构示意图；

[0022] 图4是本发明一个实施例的拓展景深探测装置的结构示意图；

[0023] 图5是根据本发明一个实施例的拓展景深探测装置点扩散函数仿真结果示意图；和

[0024] 图6是根据本发明一个实施例的三维高速宽视场层析成像装置示意图。

具体实施方式

[0025] 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。

[0026] 参见图1，为根据本发明一个实施例的三维高速宽视场层析成像方法的流程图，本发明一个实施例的三维高速宽视场层析成像方法，包括以下步骤：

[0027] S1，光束产生步骤，用于产生光束。

[0028] 具体来说，对脉冲激光光源发出的光进行准直和扩散，以产生多个平行光束。在一些示例中，光束可以为光子荧光、谐波产生等不同光信号的产生机理产生。

[0029] S2，多焦面生成步骤，对光束进行色散，并将色散后的光束进行分光以分为多束光，以及调整多束光中每束光的聚焦深度以实现对样品不同深度平面的同时照明。

[0030] 作为个具体的示例，与相关技术中的时空聚焦照明光路不同，可以经色散元件后采用分光器件将光束分为多束，然后，通过调整每路光的聚焦深度实现对样品不同深度平
面的同时照明。进一步地，在像方焦平面或共轭面对像面进行相位调制时，例如：施加的相
位为 其中，u，v为SLM上的横截坐标，α为增益系数。

[0031] S3，拓展景深探测步骤，对样品所激发的光进行会聚以形成像面，并在像方焦平面或共轭面对像面进行相位调制以对不同深度的物面进行成像。

[0032] 具体的，与相关技术的时空聚焦成像光路不同，本发明的实施例可以在像方焦平面或其共轭面处引入相位调制器件，如空间光调制器、锥透镜等，进而延长探测系统的有效
景深，实现对不同深度的物面实现清晰成像。

[0033] 根据本发明实施例的三维高速宽视场层析成像方法，通过脉冲激光光源发出的光束经过色散后通过分光器件形成多路光束，然后在每路光束的光路上放置不同焦距的透镜
对其会聚程度进行调制，调制后的每路光束经合束后透过物镜，对样品不同深度平面进行
照明，样本中所激发出的光通过物镜收集后，经过相位调制，被光电探测器接收，对不同深
度的物面实现清晰成像。该方法具有在保证空间分辨率的前提下，同时激发物体不同深度
的宽视场物面，并实现三维高速同时探测的优点。

[0034] 另外，本发明的实施例公开了三维高速宽视场层析成像装置，如图2所示，为本发明实施例的三维高速宽视场层析成像装置的示意图，本发明实施例的三维高速宽视场层析
成像装置10，包括：光束产生装置101、多焦面生成装置102和拓展景深探测装置103。

[0035] 其中，光束产生装置101用于产生光束；多焦面生成装置201用于光束进行色散，并将色散后的光束进行分光以分为多束光，以及调整多束光中每束光的聚焦深度以实现对样
品不同深度平面的同时照明；拓展景深探测装置103用于对样品所激发的光进行会聚以形
成像面，并在像方焦平面或共轭面对像面进行相位调制以对不同深度的物面进行成像。

[0036] 以下分别对光束产生装置101、多焦面生成装置102和拓展景深探测装置103进行详细描述。

[0037] 其中，光束产生装置101，用于产生光束。

[0038] 如图6所示，作为个具体的示例，光束产生装置101包括：脉冲激光光源601、电光调制器602、准直扩束器603和第三反射镜604。其中，脉冲激光光源601发出的光经过电光调制
器602对光强进行调节后入射准直扩束器603进行准直、扩束，并由第三反射镜604反射至多
焦面生成装置102。对光源进行调制、准直、扩束，并反射到多焦面生成装置102。

[0039] 多焦面生成装置102，对光束进行色散，并将色散后的光束进行分光以分为多束光，以及调整多束光中每束光的聚焦深度以实现对样品不同深度平面的同时照明。如图2所
示，多焦面生成装置102可由光栅、偏振分束器、透镜、半波片和物镜等构成。多焦面生成装
置102的光路，光源发出的光通过色散器件后，再经过分光器件分成多束光。每路光经过不
同焦距的透镜组进行会聚或准直，最后合束入射至物镜。由于不同光路在物镜入瞳面的聚
焦程度不同，因此经物镜聚焦后聚焦深度不同，形成多焦面。

[0040] 结合图2和3所示，多焦面生成装置102包括：光栅201、第一偏振分束器202、第一会聚透镜203、第一半玻片204、第一反射镜205、第二会聚透镜206、第二半玻片207、第二反射
镜208、第二偏振分束器209和第一物镜210。

[0041] 其中，光束经过光栅201色散后进入第一偏振分束器202，经过第一偏振分束器202形成反射光路和透射光路，其中，反射光路的光经过第一会聚透镜203进行会聚，经过第一
半玻片204和第一反射镜205，进入第二偏振分束器209，透射光路的光经过第二会聚透镜
206进行会聚，经过第二半玻片207和第二反射镜208，进入第二偏振分束器209，反射光路和
透射光路的光通过第二偏振分束器209合束后进入第一物镜210，通过第一物镜210聚焦会
聚在样本211。以将光源发出的光分散成多束，并根据不同焦距进行会聚和准直，最后合束
入射物镜，进而产生多焦面。

[0042] 如图2所示，拓展景深探测装置103，用于样品所激发的光进行会聚以形成像面，并在像方焦平面或共轭面对像面进行相位调制以对不同深度的物面进行成像。其中，拓展景
深探测装置103可以由物镜、镜筒透镜、透镜组、光相位调制器件和光电探测器等构成。拓展
景深探测装置103的光路在物体发射的光被物镜收集，通过透镜会聚形成像面。在像面后加
入中继光路，并在物镜入瞳面的共轭面放置光学相位调制器件进行相位调制，在物面的共
轭面放置光电探测器进行探测成像。

[0043] 作为一个具体的示例，如图4所示，为本发明一个实施例的拓展景深探测装置的结构示意图，如图4所示，拓展景深探测装置103包括：第二物镜302、二向色镜303、镜筒透镜
304、第一透镜305、空间光调制器306、第二透镜307和相机308。

[0044] 其中，样本301受激产生非线性光信号，光信号首先通过第二物镜302收集，经过二向色镜303反射后，通过镜筒透镜304进行聚焦成像，为实现拓展景深探测，聚焦面后加入由
第一透镜305和第二透镜307组成的4f系统，空间光调制器306放置在第一透镜305后的一倍
焦距处，相机308放置在第二透镜307后的一倍焦距处以实现探测成像。该拓展景深探测装
置能够收集物体发射的光，会聚光线形成像面，进而对像面进行相位调制，并在物面的共轭
面放置相机进行探测成像，达到拓展景深的作用。

[0045] 在上述示例中，空间光调制器306施加的相位例如为 其中，u，v为SLM上的横截坐标，α为增益系数。

[0046] 进一步地，点扩散函数仿真结果如图5所示，通过SLM引入相位变化延长轴向的点扩散函数，实现了拓展景深探测。

[0047] 如图6所示，为以上实施例中分别描述的光束产生装置101、多焦面生成装置102和拓展景深探测装置103构成的三维高速宽视场层析成像装置。其成像过程为：

[0048] 在光源601的激光依次经过电光调制器602、准直扩束器603和反射镜604，光束从激光器601出射后，经过电光调制器602对光强进行调节后入射准直扩束器604进行准直、扩
束，经过多焦面产生装置后聚焦在样品301上。样本301受激产生的信号光在探测端的光路
如上段，最后被308sCMOS(即：相机308)采集成像。光源经过调制、多焦面生成、拓展景深和
探测成像，完成三维高速宽视场层析成像。

[0049] 需要说明的是，前述对三维高速宽视场层析成像方法实施例的解释说明也适用于该三维高速宽视场层析成像实施例的装置，此处不再赘述。

[0050] 根据本发明实施例的一种三维高速宽视场层析成像装置，通过脉冲激光光源发出的光束经过色散后通过分光器件形成多路光束，然后在每路光束的光路上放置不同焦距的
透镜对其会聚程度进行调制，调制后的每路光束经合束后透过物镜，对样品不同深度平面
进行照明，样本中所激发出的光通过物镜收集后，经过相位调制，被光电探测器接收，对不
同深度的物面实现清晰成像。该发明具有在保证空间分辨率的前提下，同时激发物体不同
深度的宽视场物面，并实现三维高速同时探测的优点。

[0051] 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。

[0052] 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。

[0053] 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。

[0054] 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。

[0055] 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。

[0056] 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。