[發明專利]一種深層散射介質中的三維成像系統及方法

有效

• 申請號: 201210384895.4
• 申請日: 2012-10-11
• 公開（公告）號: CN102944540A
• 公開（公告）日: 2013-02-27
• 發明（設計）人: 葉彤;楊延龍;姚保利;雷銘;鄭娟娟;嚴紹輝;但旦
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 張倩

技術領域

本發明提出了一種在深層散射介質中進行三維成像的系統及方法。利用超短脈沖線聚焦光束激發產生雙光子熒光，實現對散射介質中，尤其是生物組織內部，熒光標記物的三維空間分布成像。該發明適用于生物學、醫學，生物物理和環境科學等領域的研究和應用。

背景技術

熒光顯微技術以其高靈敏度、高空間分辨率、豐富的分子對比機制成為生物醫學研究中必不可少的設備。由于光的散射效應的存在，普通的熒光顯微鏡只能對很薄（<10微米）的樣品或者是樣品表面很薄的一層進行成像，才能得到較理想的高分辨圖像。對于散射介質內的熒光體的顯微成像，目前要借助共聚焦或雙光子激發等手段，來去除焦點以外各處發出的熒光影響，同時結合激光掃描成像技術來實現。

激光掃描成像技術采用的是掃描聚焦的光斑來逐點激發產生熒光，并同時進行數據采集，圖像是由計算機按掃描的順序重建而得到。這種逐點掃描的方式對于三維的厚組織的成像存在明顯的不足。首先是獲取三維圖像的低效性：比如對于一塊厚組織成像，要獲得一幅512x512x200的三維圖像，如果掃描的速度是1k行/秒，大致需要2分鐘時間，在這段時間內被觀察的對象很有可能早已改變了原先所在的位置，甚至于已完全離開了掃描觀察的區域，使得很多快速的動態過程無法觀測。其次是無法實時得到三維視場的體視效果，因為得到全部三維信息需要對整個視場范圍進行200次幅掃描（每幅512x512）。傳統的體視顯微技術可以實時得到體視效果，但是無法對散射介質中的熒光體進行成像。

針對上述問題我們提出了用線聚焦的光束替代普通掃描熒光顯微成像技術中的點聚焦光束，來實現散射介質中的立體成像。實現線聚焦的最常用方法是用透鏡聚焦一個圓錐形的波前，在聚焦區域產生所謂的準貝塞爾光束，這種光束在有限的聚焦區域里具有貝塞爾光束的特性。貝塞爾光束具有“無衍射”的特性，即其光場分布的粗細不隨光束的傳播而變化，而且其居于中心的中心光瓣的束腰大小接近于衍射極限的大小。另外，貝塞爾光束在遇到障礙物時，中心光束會自行修復其缺失，具有“自愈和”的特性。

發明內容

為了解決現有的三維技術采用逐點掃描獲取三維圖像的低效性且無法對散射介質中的熒光體進行成像的技術問題，本發明提供一種深層散射介質中的三維成像系統及方法，本發明提出了用線聚焦的光束替代普通掃描熒光顯微成像技術中的點聚焦光束，來實現散射介質中的三維成像。

本發明的技術解決方案：

一種深層散射介質中的三維成像系統，其特殊之處在于：包括沿光路傳播方向依次設置的光源、貝賽爾光束產生及掃描裝置、熒光收集系統、信號探測部件以及圖像采集系統，

所述光源為激光器，

所述貝塞爾光束產生及掃描裝置包括沿光路設置的平移臺、錐鏡、第一透鏡1、振鏡以及4f系統；所述4f系統包括第二透鏡和第三透鏡，所述第二透鏡放置在振鏡的反射光路上，第二透鏡2和第三透鏡3之間的距離L=f2+f3，其中f2為第二透鏡的焦距，f3為第三透鏡的焦距，所述錐鏡放置在平移臺上，所述錐鏡與第一透鏡之間的距離等于第一透鏡的焦距f1，所述振鏡8放置在第一透鏡和第二透鏡的焦點重合處，

所述信號探測部件的輸入端朝向熒光收集系統的熒光輸出端，所述信號探測部件的輸出端與圖像采集系統的輸入端連接。

上述熒光收集系統包括雙色鏡以及物鏡，所述雙色鏡放置在第三透鏡的透射光路上，所述物鏡放置在雙色鏡的透射光路上，物鏡的另一端放置有樣品。

上述信號探測部件為光電倍增管或單光子探測器。

還包括準直擴束系統，所述準直擴束系統設置在光源和貝賽爾光束產生及掃描裝置之間，所述準直擴束系統包括沿光源傳輸方向設置的擴束器5和光闌6。

還包括聚光鏡13和第二光電倍增管15，所述聚光鏡設置在樣品的一側，與物鏡相對，所述聚光鏡的透射端朝向第二光電倍增管15。

一種深層散射介質中的三維成像方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1】光源產生一束激光；

2】將激光轉變為準貝塞爾光束；

3】將準貝塞爾光束通過第一透鏡聚焦，在振鏡上產生準貝塞爾光束的傅立葉頻譜，形成兩個正交的掃描光場；

4】將掃描光場通過雙色鏡后透射至物鏡焦區，在物鏡的焦區產生聚焦的、在z方向線狀延伸的準貝塞爾光束；

5】獲取圖像：

5.1】轉動振鏡，準貝塞爾光束作為激發光對樣品做垂直光軸的橫向掃描，收集所產生的熒光并進行光電轉換，通過圖像采集系統得到樣品的第一幅兩維圖像；