[发明专利]一种压缩感知多光子体成像装置及方法、光学系统

说明书

本发明提供了一种压缩感知多光子体成像装置及方法、光学系统。根据本发明的光学系统包括：光电倍增管、第一会聚透镜、滤波片、第一扩束镜、二向色镜、第二扩束镜、物镜、第一振镜、第一准直透镜、第二振镜、第二会聚透镜、第二准直透镜、第三会聚透镜和飞秒激光器；其中，光路中的激发光路包括从飞秒激光器依次经过第三会聚透镜、第二准直透镜、第二会聚透镜、第二振镜、第一准直透镜、第一振镜、第二扩束镜、第二向色镜、物镜到样本，光路中探测光路包括从样本依次经过物镜、第二向色镜、第一扩束镜、滤波片、第一会聚透镜到光电倍增管。

技术领域

本发明涉及计算成像领域，具体涉及生命科学领域；更具体地说，本发明涉及一种宽视场、高分辨率且高速的压缩感知多光子体成像装置及方法。

背景技术

多光子显微镜已经成为生命科学领域必不可少的一项工具，它以其天然具有层析能力、具有高的穿透深度等性能而闻名于世。同时，多光子显微镜具有多模态成像的优点，它能够对样本进行荧光标记成像、自发荧光成像和二次、三次谐波成像等多类信号的采集，从而提供更多的样本信息。多光子显微镜在朝着成像速度快、成像面积大、成像分辨率高和成像深度深这四个方向发展。然而，多光子显微镜想要同时获得四个方面的高性能指标，是一件十分困难的事情。

传统点扫描多光子成像显微镜具有高信噪比的优势，其一般性的性能局限如下：

首先，常用的线性二维振镜采集一张512×512像素的图片，成像速度大约为1Hz；其中，像素停留时间为～3000ns。二维振镜的其中一个轴用共振振镜代替线性检流计振镜，能够显著提高图像采集速度，通常一张512×512像素的图像采集速度为30Hz。点扫描多光子成像显微镜进行体成像的方法通常是沿轴向移动焦平面。这意味着，当进行体成像时，速度将大幅度减慢。例如，采集5个不同平面进行体成像，其速度不会超过6Hz。

而且，受限于物镜尺寸的大小，显微系统的成像分辨率和视场面积大小通常很难兼得高性能。典型的多光子显微镜其视场大小不会超过700×700μm²，横向分辨率能到达0.3-0.6μm。

此外，穿透能力深的一个主要因素是多光子显微镜的激发波长长。据目前文献资料表明，在小鼠大脑皮层上做显微成像实验，双光子显微镜的最大成像深度能达到1.0mm，三光子显微镜的最大成像深度为～1.7mm。

目前，多光子显微镜需要一种快速、大范围和同时保持高分辨率的体成像方法，以扩展其在生命科学领域的应用，做出更多贡献。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种宽视场、高分辨率且高速的压缩感知多光子体成像装置及方法。

根据本发明，提供了一种压缩感知多光子体成像装置的系统包括：点扫描激发装置、多角度激发装置、压缩感知模块、光学照明装置、信号采集装置和图像重构模块；

其中，点扫描激发装置用于实现在成像面上的激光扫描激发，其中激发端未完全填充物镜后焦面，在物镜前焦面处的激发点扩散函数轴向被拉长，从而将从全数值孔径的点激发转变为低数值孔径的针激发；

多角度激发装置用于实现针激发的不同角度的偏转，其中多角度激发装置的偏转面处于物镜前焦面的共轭面，即物镜后焦面的傅里叶面上，而且偏转面的偏转使光斑在物镜后焦面上平移，从而实现在激发面上点扩散函数的不同角度的激发；

压缩感知模块用于加速成像采集，其利用成像过程中样本时间和空间维度上信息的冗余性来实现低于奈奎斯特采样定理的采样频率；

光学照明装置包括激光器、光学透镜、4f中继透镜以及物镜，其中激光器用于激发样本信号，光学透镜和4f中继透镜用于调整光束直径大小、光束准直度和不同焦面之间的共轭关系，物镜用于低数值孔径激发和高数值孔径探测；

信号采集装置用于探测体成像信号，包括单通道或者多通道的信号采集及成像；