一種深層散射介質(zhì)中的三維成像系統(tǒng)，包括沿光路傳播方向依次設(shè)置的光源、貝賽爾光束產(chǎn)生及掃描裝置、熒光收集系統(tǒng)、信號(hào)探測部件以及圖像采集系統(tǒng)，貝塞爾光束產(chǎn)生及掃描裝置包括沿光路設(shè)置的平移臺(tái)、錐鏡、第一透鏡、振鏡以及4f系統(tǒng)；本發(fā)明專利技術(shù)解決了現(xiàn)有的三維技術(shù)采用逐點(diǎn)掃描獲取三維圖像的低效性且無法對散射介質(zhì)中的熒光體進(jìn)行成像的技術(shù)問題，采用了能夠產(chǎn)生沿光傳播方向形成線聚焦的準(zhǔn)貝塞爾光束作為激發(fā)光，代替現(xiàn)有的雙光子激發(fā)熒光掃描顯微技術(shù)中產(chǎn)生點(diǎn)聚焦的高斯光束，將原本的平面掃描變成了體積掃描，實(shí)現(xiàn)了快速獲取散射介質(zhì)內(nèi)部熒光分布圖像。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)提出了一種在深層散射介質(zhì)中進(jìn)行三維成像的系統(tǒng)及方法。利用超短脈沖線聚焦光束激發(fā)產(chǎn)生雙光子熒光，實(shí)現(xiàn)對散射介質(zhì)中，尤其是生物組織內(nèi)部，熒光標(biāo)記物的三維空間分布成像。該專利技術(shù)適用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)，生物物理和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。
技術(shù)介紹
熒光顯微技術(shù)以其高靈敏度、高空間分辨率、豐富的分子對比機(jī)制成為生物醫(yī)學(xué)研究中必不可少的設(shè)備。由于光的散射效應(yīng)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(jìn)行成像，才能得到較理想的高分辨圖像。對于散射 介質(zhì)內(nèi)的熒光體的顯微成像，目前要借助共聚焦或雙光子激發(fā)等手段，來去除焦點(diǎn)以外各處發(fā)出的突光影響，同時(shí)結(jié)合激光掃描成像技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。激光掃描成像技術(shù)采用的是掃描聚焦的光斑來逐點(diǎn)激發(fā)產(chǎn)生熒光，并同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，圖像是由計(jì)算機(jī)按掃描的順序重建而得到。這種逐點(diǎn)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Ik行/秒，大致需要2分鐘時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)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(qū)域，使得很多快速的動(dòng)態(tài)過程無法觀測。其次是無法實(shí)時(shí)得到三維視場的體視效果，因?yàn)榈玫饺咳S信息需要對整個(gè)視場范圍進(jìn)行200次幅掃描(每幅512x512)。傳統(tǒng)的體視顯微技術(shù)可以實(shí)時(shí)得到體視效果，但是無法對散射介質(zhì)中的熒光體進(jìn)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(shù)中的點(diǎn)聚焦光束，來實(shí)現(xiàn)散射介質(zhì)中的立體成像。實(shí)現(xiàn)線聚焦的最常用方法是用透鏡聚焦一個(gè)圓錐形的波前，在聚焦區(qū)域產(chǎn)生所謂的準(zhǔn)貝塞爾光束，這種光束在有限的聚焦區(qū)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(xì)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(shí)，中心光束會(huì)自行修復(fù)其缺失，具有“自愈和”的特性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了解決現(xiàn)有的三維技術(shù)采用逐點(diǎn)掃描獲取三維圖像的低效性且無法對散射介質(zhì)中的熒光體進(jìn)行成像的技術(shù)問題，本專利技術(shù)提供，本專利技術(shù)提出了用線聚焦的光束替代普通掃描熒光顯微成像技術(shù)中的點(diǎn)聚焦光束，來實(shí)現(xiàn)散射介質(zhì)中的三維成像。本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案一種深層散射介質(zhì)中的三維成像系統(tǒng)，其特殊之處在于包括沿光路傳播方向依次設(shè)置的光源、貝賽爾光束產(chǎn)生及掃描裝置、熒光收集系統(tǒng)、信號(hào)探測部件以及圖像采集系統(tǒng)，所述光源為激光器，所述貝塞爾光束產(chǎn)生及掃描裝置包括沿光路設(shè)置的平移臺(tái)、錐鏡、第一透鏡I、振鏡以及4f系統(tǒng)；所述4f系統(tǒng)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(tái)上，所述錐鏡與第一透鏡之間的距離等于第一透鏡的焦距Π，所述振鏡8放置在第一透鏡和第二透鏡的焦點(diǎn)重合處，所述信號(hào)探測部件的輸入端朝向熒光收集系統(tǒng)的熒光輸出端，所述信號(hào)探測部件的輸出端與圖像采集系統(tǒng)的輸入端連接。上述熒光收集系統(tǒng)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(hào)探測部件為光電倍增管或單光子探測器。·還包括準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)，所述準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)置在光源和貝賽爾光束產(chǎn)生及掃描裝置之間，所述準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)包括沿光源傳輸方向設(shè)置的擴(kuò)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(shè)置在樣品的一側(cè)，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(zhì)中的三維成像方法，其特殊之處在于包括以下步驟I光源產(chǎn)生一束激光；2將激光轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)貝塞爾光束；3將準(zhǔn)貝塞爾光束通過第一透鏡聚焦，在振鏡上產(chǎn)生準(zhǔn)貝塞爾光束的傅立葉頻譜，形成兩個(gè)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(qū)，在物鏡的焦區(qū)產(chǎn)生聚焦的、在z方向線狀延伸的準(zhǔn)貝塞爾光束；5獲取圖像5. I轉(zhuǎn)動(dòng)振鏡,準(zhǔn)貝塞爾光束作為激發(fā)光對樣品做垂直光軸的橫向掃描,收集所產(chǎn)生的熒光并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過圖像采集系統(tǒng)得到樣品的第一幅兩維圖像；5. 2橫向移動(dòng)錐鏡，然后轉(zhuǎn)動(dòng)振鏡，準(zhǔn)貝塞爾光束作為激發(fā)光對樣品做垂直光軸的第二次橫向掃描，收集所產(chǎn)生的熒光并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過圖像采集系統(tǒng)得到樣品的第二幅兩維圖像；5. 3對掃描得到的兩幅兩維圖像進(jìn)行體視合成，獲得樣品的三維分布信息。上述步驟5具體為，物鏡收集樣品所產(chǎn)生的熒光，并通過雙色鏡反射給光電倍增管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換或聚光鏡收集樣品所產(chǎn)生的熒光，并透射給第二光電倍增管。在激光束轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)貝塞爾光束之前還經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束。本專利技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)I、本專利技術(shù)采用了能夠產(chǎn)生沿光傳播方向形成線聚焦的準(zhǔn)貝塞爾光束作為激發(fā)光，代替現(xiàn)有的雙光子激發(fā)熒光掃描顯微技術(shù)中產(chǎn)生點(diǎn)聚焦的高斯光束，將原本的平面掃描變成了體積掃描，實(shí)現(xiàn)了快速獲取散射介質(zhì)內(nèi)部熒光分布圖像。2、本專利技術(shù)使得聚焦線的延伸方向與光軸方向形成一個(gè)傾斜角，對同一個(gè)樣品分別用帶有不同傾斜角的聚焦線進(jìn)行兩次掃描成像，然后再將兩幅圖分別顯示給觀察者的左右兩眼實(shí)現(xiàn)三維立體的成像效果。附圖說明圖I本專利技術(shù)錐鏡所產(chǎn)生準(zhǔn)貝賽爾光束；圖2通過移動(dòng)錐鏡實(shí)現(xiàn)雙視角掃描示意圖；圖3本專利技術(shù)三維成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4本專利技術(shù)獲取第一個(gè)視角的兩維圖像的流程；圖5本專利技術(shù)獲取第二個(gè)視角的兩維圖像的流程。具體實(shí)施方式 各組成部分的作用和實(shí)現(xiàn)如下超短脈沖激光器產(chǎn)生的皮秒或飛秒脈沖可以在樣品上通過雙光子吸收效應(yīng)產(chǎn)生熒光，其信號(hào)強(qiáng)度正比于激光強(qiáng)度的平方，這種非線性效應(yīng)導(dǎo)致熒光信號(hào)被定位在縱向延伸的貝塞爾零級(jí)光束聚焦線上，從而使高穿透深度的體掃描成為可能。擴(kuò)束準(zhǔn)直部分，可以對飛秒脈沖進(jìn)行空間整形，為后面的掃描裝置提供更理想的高斯光束。貝賽爾光束產(chǎn)生和掃描裝置貝塞爾光束可以通過很多方法來產(chǎn)生，一個(gè)比較簡單的方法是用基模高斯光束通過圓錐鏡形成的零階準(zhǔn)貝塞爾光束，假設(shè)圓錐鏡的張角為Y，材料的折射率為n，高斯光束的束腰半徑為\，波長為λ，那么貝塞爾光束的幾何光學(xué)傳播方向和光軸Z方向的夾角a C1,最大傳播距離Zmax,中心光瓣的半徑A和軸上的光強(qiáng)分布1(0，ζ)可表示為α 0=(η-1) YZmax=W0/ (tan α )r0=2. 405 λ / (2 π sin α 0)Ib (O, ζ) α 02ζ/λ · exp (I)產(chǎn)生的貝塞爾光束由第一透鏡I聚焦到振鏡上，再通過焦距為f2的第二透鏡2和焦距為f3的第三透鏡3組成的4f系統(tǒng)，入射到物鏡的入瞳。第二透鏡2和第三透鏡3的相距L=fl+f2。為了產(chǎn)生兩個(gè)傾斜的聚焦線，錐鏡放在一個(gè)可以橫向移動(dòng)的平移臺(tái)上。貝塞爾光束最終被投射到物鏡焦區(qū)，通過雙光子吸收產(chǎn)生熒光信號(hào)。部分反向傳播的熒光信號(hào)被顯微物鏡收集并通過光電探測器(如光電倍增管)接收變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)的處理，用于重建熒光圖像。由于物鏡的收集的體積只限于其設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)區(qū)域，所以不能很有效的收集聚焦線上發(fā)出的熒光。為了盡可能的多收集產(chǎn)生的熒光，可以采用聚光鏡進(jìn)行前向收集，聚光鏡所收集的熒光信號(hào)可以最后匯總到另一個(gè)第二光電探測器15上，其信號(hào)輸出與物鏡收集的信號(hào)疊加后，就可以得到整個(gè)體積本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種深層散射介質(zhì)中的三維成像系統(tǒng)，其特征在于：包括沿光路傳播方向依次設(shè)置的光源、貝賽爾光束產(chǎn)生及掃描裝置、熒光收集系統(tǒng)、信號(hào)探測部件以及圖像采集系統(tǒng)，所述光源為激光器，所述貝塞爾光束產(chǎn)生及掃描裝置包括沿光路設(shè)置的平移臺(tái)、錐鏡、第一透鏡（1）、振鏡以及4f系統(tǒng)；所述4f系統(tǒng)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(tái)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(diǎn)重合處，所述信號(hào)探測部件的輸入端朝向熒光收集系統(tǒng)的熒光輸出端，所述信號(hào)探測部件的輸出端與圖像采集系統(tǒng)的輸入端連接。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：葉彤，楊延龍，姚保利，雷銘，鄭娟娟，嚴(yán)紹輝，但旦，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：
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