一种快速三维多参量非线性光学表征显微成像系统

1.本发明涉及光学显微成像领域，尤其涉及一种快速三维多参量非线性光学表征显微成像系统。


背景技术：

2.多参量非线性光学显微成像技术，主要集成了包括二次谐波、三次谐波、双光子激发荧光、三光子激发荧光、双光子荧光寿命和相干拉曼散射等成像模块，是研究复杂生化过程的有力工具，能够实现生物医学成像检测中多参量信息的精准特异性获取。
3.非线性成像系统中相干拉曼显微成像通常需要多幅扫描成像已获得拉曼光谱，而基于时间相关单光子计数的荧光寿命显微成像技术需要多次激发与采集以获得荧光寿命衰减曲线。以高斯光束作为光源，三维成像通常采用xy二维成像结合z方向层析扫描实现。综合上述问题，三维多参量非线性光学表征需要较长时间，难以实现生物体的多参量光学体成像。


技术实现要素：

4.鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种快速三维多参量非线性光学表征显微成像系统，旨在解决现有技术中三维多参量非线性光学表征显微成像信息获取速度慢的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明实施例提供了如下的技术方案：
6.本发明提供了一种快速三维多参量非线性光学表征显微成像系统，包括信号生成与探测装置及成像处理终端；
7.所述信号生成与探测装置包括：激发光路模块，用于产生实现多种非线性过程的激发光并空间共线入射至扫描显微镜；样品控制模块，用于承载与移动样品；扫描与聚焦模块，用于将激发光路模块的激光聚焦到样品承载片上的样品，并实现扫描激发；非线性信号探测模块，用于探测经样品承载片上的样品而产生的多参量非线性信号；
8.所述成像处理终端包括：信号解调模块，用于多参量非线性信号解调；信号采集与同步控制，用于实现多参量非线性信号的同步采集与扫描显微镜的同步控制以及图像重构与保存。
9.作为本发明的进一步方案，所述激发光路模块包括：飞秒激光器，用于同步输出至少两束飞秒级的激光；第一玻璃棒，用于将一束飞秒激光线性啁啾展宽为皮秒光束；第二玻璃棒，用于将另一束飞秒激光线性啁啾展宽为皮秒光束；第一半波片，用于改变所述线性啁啾后的一束皮秒激光的线偏振角度；第二半波片，用于改变所述线性啁啾后的另一束皮秒激光的线偏振角度；电光调制器，用于对经过第二半波片的激光进行强度调制；信号发生器，用于产生所述电光调制器所需的模拟电压信号；第一偏振分束器，用于将所述电光调制器调制后的光束分离为水平偏振态与垂直偏振态；第一时间延迟单元，用于调节第一半波片输出的激光光路的光程，用于匹配一个分子振动的拉曼频差；第二时间延迟单元，用于调
节第一偏振分束器分出的一束激光光路的光程，用于匹配另一个分子振动的拉曼频差；第二偏振分束器，用于将穿过所述第二时间延迟单元的激光与所述偏振分束器分离的另一束激光进行偏振耦合；第三半波片，用于改变经所述第二偏振分束器合束的激光光束的线偏振角度；第一二向色镜，用于将经过所述第一时间延迟单元的激光与经过所述第三半波片的激光光束进行波长合束；第四半波片，用于改变所述第一二向色镜合束后的激光光束的线偏振角度，并结合第三偏振分束器调节激光功率；第三偏振分束器，用于将经过所述第四半波片的激光光束进行偏振分离，水平偏振输出为高斯光束，垂直偏振态用于产生贝塞尔光束；贝塞尔光束生成模块，用于产生具有无衍射与自愈特性的贝塞尔光束；切换镜，用于切换光束通路可使所述高斯光束通过入射至扫描与聚焦模块，或者使贝塞尔光束经反射后入射至扫描与聚焦模块。
10.作为本发明的进一步方案，所述第一时间延迟单元包括：第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜，均用于反射激光，第二反射镜和第三反射镜且对称放置在位移台上，所述经过第一半波片的激光依次经过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜，传输至所述第一二向色镜；所述第二时间延迟单元包括：第五反射镜和第六反射镜，且对称放置在位移台上，所述经过第一偏振分束器的垂直偏振态光束分别经过第五反射镜和第六反射镜，传输至第二偏振分束器；所述第一玻璃棒可替换为包括但不限于光栅对、棱镜对以及光纤等线性啁啾装置；所述第二玻璃棒可替换为包括但不限于光栅对、棱镜对以及光纤等线性啁啾装置；所述贝塞尔光束生成模块包括贝塞尔光束产生器件和透镜组，所述贝塞尔光束产生器件包括但不限于轴棱锥、变形镜、环缝透镜和空间光调制器，所述透镜组用于贝塞尔光束准直扩束，并匹配物镜对入射光的参数需求。
11.作为本发明的进一步方案，所述扫描与聚焦模块包括：扫描装置、扫描透镜、套筒透镜及物镜；所述激发光路模块激发的激光依次经过所述扫描装置、扫描透镜、套筒透镜及物镜聚焦到所述样品承载片上的样品。
12.作为本发明的进一步方案，所述扫描装置包括但不限于xy二维摆镜，或者，x方向的共振镜和y方向的检流计，或者，x方向的第一检流计和y方向的第二检流计，或者，x方向的第一声光偏转器和y方向的第二声光偏转器，或者，数字微镜阵列。
13.作为本发明的进一步方案，所述样品控制模块，包括样品夹持器和xy二轴位移台，所述样品夹持器用于细胞、切片以及活体小鼠等样品固定，所述xy二轴位移台用于手动或电动移动样品，用于选择感兴趣区域进行成像。
14.作为本发明的进一步方案，所述非线性信号探测模块包括透射光信号探测模块和反射光信号探测模块；所述透射光处理模块包括聚光镜、第一透镜组、第一滤光片组、第四偏振分束器、双通道光电探测模块，所述透射光依次经过聚光镜、第一透镜组、第一滤光片组、第四偏振分束器，分离为水平偏振探测光和垂直偏振探测光，被所述双通道光电探测模块探测，生成第一、第二电压信号；所说激发光路模块产生的激发光束经所述扫描与聚焦模块激发所述样品控制模块中的样品，经样品后的前向散射信号由透射光处理模块进行探测与解调，经样品后的后向散射信号通过所述物镜进行收集，由反射光处理模块进行信号分离与探测；反射光处理模块包括第二二向色镜、第二透镜组、第二滤光片组、多路光电倍增管；所述第二二向色镜放置于所述套筒透镜和所述物镜之间，用于反射样品产生的非线性信号至所述第二透镜组，并透射激发光；所述第二透镜组聚焦所述非线性光学信号；所述第
二滤光片组一次将不同波长的非线性信号进行波长分离，并通过所述多路光电倍增管进行探测，产生第三电压信号、第四电压信号、第五电压信号。
15.作为本发明的进一步方案，所述信号解调模块包括双通道受激拉曼信号解调模块及频域荧光寿命处理模块；所述双通道受激拉曼信号解调模块包括移频器，线性加法器与锁相放大器；第一电压信号经移频器进行π/2，所述线性加法器将移频后的第一电压信号与第二电压信号进行线性叠加，作为最终信号被所述锁相放大器进行双通道正交解调，生成两个受激拉曼频移信号；所述频域荧光寿命处理模块，用于对所述第三电压信号与激光器同步脉冲进行分频与混频信号处理，以实现第二反射光信号的荧光寿命信息探测。
16.作为本发明的进一步方案，所述信号采集与同步控制模块包括采集卡与工业控制器；所述采集卡用于控制所述扫描与聚焦模块的扫描振镜、所述非线性信号探测模块中第四、第五电压信号、双通道受激拉曼信号解调模块输出信号以及频域荧光寿命处理模块输出信号等多参量信息的采集；工业控制器用于将采集卡所获得并重构的非线性图像进行显示。
17.相对于现有技术而言，本发明具有以下有益效果：
18.本发明提供一种快速三维多参量非线性光学表征显微成像系统，能够利用双相位调制与正交解调，同时探测双拉曼频移产生的受激拉曼散射信号，利用数字调制频域荧光寿命成像快速探测生物体荧光寿命信息，两种信号探测与解调机制结合无衍射贝塞尔光束激发，能够实现三维多参量非线性光学表征显微成像系统，从而快速获得样品的三维多参量信息，且具有较高的成像速度。
19.本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。在附图中：
21.图1为本技术实施例快速三维多参量非线性光学表征显微成像系统的结构示意框图；
22.图2为本技术实施例快速三维多参量非线性光学表征显微成像系统的结构示意图。
23.图中附图标记：1-飞秒激光器、2-第一玻璃棒、3-第二玻璃棒、4-第一半波片、5-第二半波片、6-电光调制器、7-信号发生器、8-第一时间延迟单元、9-第一偏振分束器、10-第二时间延迟单元、11-第二偏振分束器、12-第三半波片、13-第一二向色镜、14-第四半波片、15-第三偏振分束器、16-贝塞尔光束生成模块、17-切换镜、18-扫描装置、19-扫描透镜、20-套筒透镜、21-第二二向色镜、22-物镜、23-样品承载片、24-聚光镜、25-第一透镜组、26-第一滤光片组、27-第四偏振分束器、28-双通道受激拉曼信号解调模块、29-反射光处理模块、30-频域荧光寿命处理模块、31-信号采集与同步控制模块、32-双通道光电探测模块、101-激发光路模块、102-扫描与聚焦模块、103-样品控制模块、104-非线性信号探测模块、105-信号解调模块、106-信号采集与同步控制。
24.本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
25.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
26.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
27.在本发明的描述中，对方法步骤的连续标号是为了方便审查和理解，结合本发明的整体技术方案以及各个步骤之间的逻辑关系，调整步骤之间的实施顺序并不会影响本发明技术方案所达到的技术效果。
28.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
29.请参阅图1，为一种快速三维多参量非线性光学表征显微成像系统，包括：信号生成与探测装置及成像处理终端，信号生成与探测装置用于产生和探测非线性成像信号，成像处理终端用于根据非线性信号解调和图像重构。
30.信号采集装置包括：激发光路模块101、扫描与聚焦模块102、样品控制模块103、非线性信号探测模块104；激发光路模块101用于产生实现多种非线性过程的激发光并空间共线入射至扫描显微镜；扫描与聚焦模块102，用于将激发光路模块的激光聚焦到样品承载片上的样品，并实现扫描激发；样品控制模块103，用于承载与移动样品；非线性信号探测模块104，用于探测经样品承载片上的样品而产生的多参量非线性信号。
31.成像处理终端包括：信号解调模块105和信号采集与同步控制106；信号解调模块105，用于多参量非线性信号解调；信号采集与同步控制106，用于实现多参量非线性信号的同步采集与扫描显微镜的同步控制以及图像重构与保存。
32.本实施例提供的快速三维多参量非线性光学表征显微成像系统，能够利用信号解调模块105，同时探测双拉曼频移产生的受激拉曼散射信号并快速探测生物体荧光寿命信息，两种信号探测与解调机制结合无衍射贝塞尔光束激发，能够实现三维多参量非线性光学表征显微成像系统多模态显微成像，从而快速获得样品的三维多参量信息，且具有较高的成像速度。
33.在本实施例中，本技术中描述的终端可以包括诸如手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、个人数字助理(persona l di gita l ass i stant，简称pda)、便捷式媒体播放器(portab l e med i a p l ayer，简称pmp)、导航装置、可穿戴设备、智能手环等移动终端，以及诸如数字tv、台式计算机等固定终端。
34.在一个实施例中，请参阅图2所示，激发光路模块101包括：飞秒激光器1、第一玻璃棒2、第二玻璃棒3、第一半波片4、第二半波片5、电光调制器6、信号发生器7、第一时间延迟单元8、第一偏振分束器9、第二时间延迟单元10、第二偏振分束器11、第三半波片12、第一二向色镜13、第四半波片14、第三偏振分束器15、贝塞尔光束生成模块16及切换镜17。
35.其中，飞秒激光器1，用于同步输出至少两束飞秒级的激光；第一玻璃棒2，用于将一束飞秒激光线性啁啾展宽为皮秒光束；第二玻璃棒3，用于将另一束飞秒激光线性啁啾展
宽为皮秒光束；第一半波片4，用于改变所述线性啁啾后的一束皮秒激光的线偏振角度；第二半波片5，用于改变所述线性啁啾后的另一束皮秒激光的线偏振角度；电光调制器6，用于对经过第二半波片的激光进行强度调制；信号发生器7，用于产生所述电光调制器所需的模拟电压信号；第一偏振分束器9，用于将所述电光调制器调制后的光束分离为水平偏振态与垂直偏振态；第一时间延迟单元8，用于调节第一半波片输出的激光光路的光程，用于匹配一个分子振动的拉曼频差；第二时间延迟单元10，用于调节第一偏振分束器分出的一束激光光路的光程，用于匹配另一个分子振动的拉曼频差；第二偏振分束器11，用于将穿过所述第二时间延迟单元的激光与所述偏振分束器分离的另一束激光进行偏振耦合；第三半波片12，用于改变经所述第二偏振分束器合束的激光光束的线偏振角度；第一二向色镜13，用于将经过所述第一时间延迟单元的激光与经过所述第三半波片的激光光束进行波长合束；第四半波片14，用于改变所述第一二向色镜合束后的激光光束的线偏振角度，并结合第三偏振分束器调节激光功率；第三偏振分束器15，用于将经过所述第四半波片的激光光束进行偏振分离，水平偏振输出为高斯光束，垂直偏振态用于产生贝塞尔光束；贝塞尔光束生成模块16，用于产生具有无衍射与自愈特性的贝塞尔光束；切换镜12，用于切换光束通路可使所述高斯光束通过入射至扫描与聚焦模块，或者使贝塞尔光束经反射后入射至扫描与聚焦模块102。
36.在本实施例中，飞秒激光器1同步输出两路飞秒脉冲型激光后，两束激光分别经过第一玻璃棒2和第二玻璃棒3进行线性啁啾，展宽为皮秒级的激光，两束皮秒激光分别经过第一半波片4和第二半波片5改变激光的线偏振角度，其中，经过第一半波片4的激光经过第一时间延迟单元8，经过第二半波片5的激光经过电光调制器6，进行激发光的强度调制，再经过第一偏振分束器9分离为水平偏振与垂直偏振，其中，垂直偏振经过第二时间延迟单元10，并被第二偏振分束器11与水平偏振态光束进行偏振耦合，再经过第三半波片12进行检偏，经过第二偏振分束器11和第一时间延迟单元8后的2路激光在第一二向色镜13处汇合，并被第一二向色镜13耦合成一束激光，该光束经过第四半波片14和第三偏振分束15后分离为水平偏振态光束和垂直偏振态光束，其中垂直偏振态光束经过贝塞尔光束生成模块16产生贝塞尔光束，并通过切换镜17反射至扫描与聚焦模块102，水平偏振态光束可直接入射至扫描与聚焦模块102。
37.在一个实施例中，第一玻璃棒2和第二玻璃棒3可替换为包括但不限于光栅对、棱镜对以及光纤等线性啁啾装置；贝塞尔光束生成模块16包括贝塞尔光束产生器件和透镜组，所述贝塞尔光束产生器件包括但不限于轴棱锥、变形镜、环缝透镜和空间光调制器，所述透镜组用于贝塞尔光束准直扩束，并匹配物镜对入射光的参数需求。
38.在本实施例中，第二时间延迟单元10与第一时间延迟单元8的原理相同，将两个反射镜放置于电动位移台上，通过移动电动位移台位置以调节激光的传输时间；从而增加或减少第一时间延迟单元8或第二时间延迟单元10的激光光路长度。
39.在一个实施例中，所述第一时间延迟单元8包括：第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜，均用于反射激光，第二反射镜和第三反射镜且对称放置在位移台上，所述经过第一半波片4的激光依次经过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜，传输至所述第一二向色镜13。
40.所述第二时间延迟单元10包括：第五反射镜和第六反射镜，且对称放置在位移台
上，所述经过第一偏振分束器9的垂直偏振态光束分别经过第五反射镜和第六反射镜，传输至第二偏振分束器11；所述第一玻璃棒2可替换为包括但不限于光栅对、棱镜对以及光纤等线性啁啾装置；所述第二玻璃棒3可替换为包括但不限于光栅对、棱镜对以及光纤等线性啁啾装置；所述贝塞尔光束生成模块16包括贝塞尔光束产生器件和透镜组，所述贝塞尔光束产生器件包括但不限于轴棱锥、变形镜、环缝透镜和空间光调制器，所述透镜组用于贝塞尔光束准直扩束，并匹配物镜22对入射光的参数需求。
41.在一个实施例中，扫描与聚焦模块102包括：扫描装置18、扫描透镜19、套筒透镜20及物镜22；激发光路模块101激发的激光依次经过扫描振镜18、扫描透镜19、套筒透镜20及物镜22聚焦到样品承载片23上的样品。
42.在本实施例中，扫描装置18包括但不限于xy二维摆镜，或者，x方向的共振镜和y方向的检流计，或者，x方向的第一检流计和y方向的第二检流计，或者，x方向的第一声光偏转器和y方向的第二声光偏转器，或者，数字微镜阵列。
43.在一个实施例中，样品控制模块103，包括样品夹持器和xy二轴位移台，所述样品夹持器用于细胞、切片以及活体小鼠等样品固定，xy二轴位移台用于手动或电动移动样品，用于选择感兴趣区域进行成像。
44.在一个实施例中，非线性信号探测模块104包括透射光信号探测模块和反射光信号探测模块29；透射光处理模块包括聚光镜24、第一透镜组25、第一滤光片组26、第四偏振分束器27和双通道光电探测模块32，透射光依次经过聚光镜24、第一透镜组25、第一滤光片组26、第四偏振分束器27，分离为水平偏振探测光和垂直偏振探测光，被所述双通道光电探测模块32探测，生成第一、第二电压信号。
45.所说激发光路模块101产生的激发光束经所述扫描与聚焦模块102激发所述样品控制模块103中的样品，经样品后的前向散射信号由透射光处理模块进行探测与解调，经样品后的后向散射信号通过所述物镜22进行收集，由反射光处理模块29进行信号分离与探测。
46.在本实例中，反射光处理模块29包括第二二向色镜21、第二透镜组、第二滤光片组、多路光电倍增管；第二二向色镜放置于所述套筒透镜和所述物镜之间，用于反射样品产生的非线性信号至所述第二透镜组，并透射激发光；第二透镜组聚焦所述非线性光学信号；所述第二滤光片组一次将不同波长的非线性信号进行波长分离，并通过所述多路光电倍增管进行探测，产生第三、第四、第五等电压信号。
47.在本实施例中，在激光照射到承载片乘载的样品上后，透射光经过聚光镜24、第一透镜组25和第一滤光片组26后，由第四偏振分束器27分离为水平偏振探测光与垂直偏振探测光，有双通道光电探测模块32探测，产生第一、第二电压信号；在此过程中，聚光镜24将经过样品的前向散射信号进行收集，第一透镜组25将探测光束聚焦，第一滤光片组26用于滤除探测光之外的其他光束；第四偏振分束器27将探测光分离为水平偏振态和垂直偏振态；双通道光电探测模块32实现两个偏振态光束的探测。
48.在一个实施例中，信号解调模块105包括双通道受激拉曼信号解调模块28及频域荧光寿命处理模块30；
49.在本实施例中，双通道受激拉曼信号解调模块28包括移频器，线性加法器与锁相放大器；所述第一电压信号经移频器进行π/2，线性加法器将移频后的第一电压信号与第二
电压信号进行线性叠加，作为最终信号被所述锁相放大器进行双通道正交解调，生成两个受激拉曼频移信号；
50.在本实施例中，频域荧光寿命处理模块30，用于对所述第三电压信号与激光器同步脉冲进行分频与混频信号处理，以实现第二反射光信号的荧光寿命信息探测；
51.在一个实施例中，所述信号采集与同步控制模块31包括采集卡与工业控制器；采集卡用于控制所述扫描与聚焦模块的扫描振镜、非线性信号探测模块中第四、第五电压信号、双通道受激拉曼信号解调模块28输出信号以及频域荧光寿命处理模块输出信号等多参量信息的采集；工业控制器用于将采集卡所获得并重构的非线性图像进行显示。
52.因此本实施例提供的快速三维多参量非线性光学表征显微成像系统，包括但不限于受激拉曼显微成像、双光子激发荧光、二次谐波等非线性成像，其中无衍射光束包括但不限于贝塞尔光束。
53.在本技术的所有实施例中，为了便于激光的传输，均能够使用反射镜来改变激光的方向。
54.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
55.以上为对本发明所提供的一种多模态非线性显微成像系统的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
56.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。