一种超分辨CARS成像方法及系统

一种超分辨cars成像方法及系统
技术领域
1.本技术属于相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-stokes raman scattering，cars)技术领域，尤其涉及一种超分辨cars成像方法及系统。


背景技术：

2.cars技术，是一种通过探测分子中的化学键对应的特征光谱，来对分子进行特异性识别的方法，具有非标记、低损伤、高分辨率等优势，在细胞生物学研究以及相关应用领域具有重要的意义。
3.然而，现有的基于cars技术的光学系统，由于受到cars信号的点扩展函数(point spread function，psf)的轴向分辨率以及光谱仪的探测速度的限制，而无法实现宽光谱、高速度的光谱探测。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术实施例提供了一种超分辨cars成像方法及系统，以解决现有技术中基于cars技术的光学系统，由于受到cars信号的点扩展函数的轴向分辨率的限制，而无法实现宽光谱、高速度的光谱探测的问题。
5.本技术实施例的第一方面提供了一种超分辨cars成像方法，包括：
6.通过相位板对样品产生的第一cars信号进行相位调制得到第二cars信号，所述第一cars信号的空间分布表示为高斯型点扩展函数；
7.通过光纤束传输所述第二cars信号，以通过所述光纤束的色散作用分离所述第二cars信号中不同波长的信号；
8.通过光电转换器阵列采集所述第二cars信号；
9.通过信号处理装置分析所述第二cars信号，获得所述第二cars信号的强度和空间分布以及所述第二cars信号携带的光谱信息和所述样品中化学键的空间分布，所述第二cars信号的空间分布表示为双螺旋点扩展函数。
10.本技术实施例的第二方面提供了一种超分辨cars成像系统，包括探测光路；
11.相位板，用于对样品产生的第一cars信号进行相位调制得到第二cars信号，所述第一cars信号的空间分布表示为高斯型点扩展函数；
12.光纤束，用于传输所述第二cars信号，以通过色散作用分离所述第二cars信号中不同波长的信号；
13.光电转换器阵列，用于采集所述第二cars信号；
14.信号处理装置，分别与所述光电转换器阵列中的每个光电转换器电连接，所述信号处理装置用于分析所述第二cars信号，获得所述第二cars信号的强度和空间分布以及所述第二cars信号携带的光谱信息和所述样品中化学键的空间分布，所述第二cars信号的空间分布表示为双螺旋点扩展函数。
15.本技术实施例的第一方面通过相位板对样品产生的第一cars信号进行相位调制
得到第二cars信号，可以将样品产生的cars信号的空间分布的表示形式由高斯型点扩展函数转化为双螺旋点扩展函数，提高了轴向分辨率；通过光纤束传输第二cars信号，以通过光纤束的色散作用分离第二cars信号中不同波长的信号，可以将信号由频域转化为时域，便于获得双螺旋点扩展函数中各点扩展函数的位置信息；通过光电转换器阵列采集第二cars信号，可以有效提高cars信号的采集速度；通过信号处理装置分析第二cars信号，获得第二cars信号的强度和空间分布以及第二cars信号携带的光谱信息，最终可以实现宽光谱、高速度的光谱探测。
16.可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是本技术实施例提供的探测光路结构示意图；
19.图2是本技术实施例提供的光纤束的结构示意图；
20.图3是本技术实施例提供的超分辨cars成像系统的结构示意图；
21.图4是本技术实施例提供的超分辨cars成像方法的流程示意图；
22.图5是本技术实施例提供的第一cars信号的空间分布和第二cars信号的空间分布的示意图。
具体实施方式
23.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
24.另外，在本技术说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.在本技术说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
26.本技术实施例提供一种超分辨cars成像方法及用于实现该方法的超分辨cars成像系统，可以应用于细胞生物学研究及相关领域，能够探测化学或生物样品的分子中的化学键的特征光谱，从而对分子进行特异性识别，还可以用于对样品进行三维成像，具有非标记、低损伤、高分辨率、宽光谱、高速度等优点。
27.如图1所示，本技术实施例提供的超分辨cars成像系统，包括探测光路；
28.探测光路包括：
29.相位板11，用于对样品台100上的样品产生的第一cars信号进行相位调制得到第二cars信号，第一cars信号的空间分布表示为高斯型点扩展函数；
30.光纤束12，用于传输第二cars信号，通过色散作用分离第二cars信号中不同波长的信号，将第二cars信号由频域转化为时域；
31.光电转换器阵列13，用于采集第二cars信号；
32.信号处理装置14，分别与光电转换器阵列13中的每个光电转换器电连接，用于分析光电转换器阵列13采集的第二cars信号，获得第二cars信号的强度和空间分布以及第二cars信号携带的光谱信息和样品中化学键的空间分布，第二cars信号的空间分布表示为双螺旋点扩展函数。
33.在应用中，通过相位板对样品产生的第一cars信号进行相位调制，可以改变第一cars信号的空间分布，使空间分布表示为高斯型点扩展函数第一cars信号转化为空间分布表示为双螺旋点扩展函数(double-helix point spread function，dh-psf)的第二cars信号，从而提高轴向分辨率，实现轴向超分辨。
34.在应用中，光纤束由多根光纤规则排列构成，光纤可以根据实际需要选择由单模光纤或多模光纤。
35.在应用中，通过多根单模光纤构成光纤束可以实现对第二cars信号的远距离传输，同时可以更好的分离第二cars信号中不同波长的信号。
36.在一个实施例中，探测光路还包括：
37.透镜阵列，用于将第二cars信号耦合至光纤束，透镜阵列的排布方式与光纤束的横截面的排布方式相同。
38.在应用中，透镜阵列包括与光纤束中光纤数量相等的聚焦透镜，一个聚焦透镜对应一根光纤，第二cars信号经过透镜阵列后得到与透镜阵列中聚焦透镜的数量相等的多路光束，经由每个聚焦透镜聚焦的光束入射至对应的一根光纤。
39.在一个实施例中，光纤束由多根光纤构成，光纤束的外周环绕设置有至少一层光纤。
40.在应用中，由于第二cars信号经过光纤束色散作用分离之后光束会变宽，因此，通过在光纤束的外周设置至少一层光纤，使得经过色散分解之后的不同波长的信号能够尽可能的分布在不同的光纤中进行传输，从而起到更好的分离作用。
41.如图2所示，示例性的示出了一个由七根光纤(示意为实线环形)构成的光纤束12的横截面的结构示意图，该光纤束12的外周环绕设置有由十二根光纤(示意为虚线环形)构成的一层光纤。
42.在应用中，光电转换器阵列由多个光电转换器构成，光电转换器可以根据实际需要选择响应时间能够达到10-11
秒(s)量级的器件，例如，光电二极管或光电倍增管。通过响应时间能够达到10-11
秒量级的光电转换器阵列来采集信号，能够有效提高采样速度。
43.在一个实施例中，光电转换器为光电二极管。
44.在应用中，光电转换器阵列中光电转换器的数量应当大于或等于光纤束中的光纤及光纤束外周环绕设置的光纤的总数量，以使每根光纤对应至少一个光电转换器，每根光
纤输出的第二cars信号都能被至少一个光电转换器采集并转换为电信号。
45.在应用中，信号处理装置可以是采样速度能够达到每秒1高斯(gs)以上的高速示波器或其他装置，例如，光谱仪。
46.如图3所示，在一个实施例中，超分辨cars成像系统还包括光源光路、探测光信号光路和超连续光谱光路(supercontinuum，sc)；
47.光源光路包括：
48.半波片21，用于改变激光器200发射的激光信号的偏振方向，得到偏振方向相互垂直的偏振激光信号；
49.偏振分光棱镜22，用于对激光器200发射的激光信号进行分光得到探测光信号和泵浦光信号；
50.探测光信号光路包括：
51.光延时线31，用于对探测光信号进行延时；
52.倍频晶体32，用于对探测光信号进行倍频，得到具有特定中心波长的探测光信号；
53.超连续光谱光路包括：
54.光子晶体光纤41，用于对泵浦光信号进行孤子自频移，得到斯托克斯信号；
55.双色镜42，用于对具有特定中心波长的探测光信号和斯托克斯信号进行合束；
56.第一物镜43，用于将合束后的具有特定中心波长的探测光信号和斯托克斯信号聚焦至样品，以激发样品产生第一cars信号。
57.在应用中，偏振分光棱镜(polarizing beam splitter，pbs)可以是格兰汤普森棱镜，用于将激光信号分为一路水平偏振光和一路垂直偏振光。光延迟线可以是高精度电控光延迟线。倍频晶体(frequency doubling crystal)可以根据实际选择硼酸盐类的偏硼酸钡(β-bab2o4)、三硼酸锂(lib3o5)等晶体。光子晶体光纤(photonic crystal fiber，pcf)可以是高非线性报偏光子晶体光纤。双色镜(dichroic mirrors，dm)可以为平板形、三棱形或立方体形，图3中示例性的示出双色镜为平板形。
58.在应用中，超连续光谱光路满足3400-1
厘米(cm)及以上的探测范围，能够探测生物指纹光谱。特定中心波长可以根据实际需要进行设置，例如，532纳米(nm)。
59.在应用中，为了使系统的光学结构更加紧凑，降低系统的长度或宽度，可以额外设置反射镜来改变信号的传输方向；为了过滤杂散光可以额外设置滤光片；为了使具有特定中心波长的探测光信号和斯托克斯信号同步发射至样品，可以额外设置光延迟线来延迟探测光信号的传输时间；为了消除色差可以额外设置消色差透镜。
60.如图3所示，在一个实施例中，探测光路10还包括：
61.第二物镜15，设置在相位板11的入射面所在的一侧，用于将样品产生的第一cars信号聚焦至相位板11；
62.低通滤光片16，设置在第二物镜15和相位板11之间，用于过滤残余的探测光信号、斯托克斯信号及其他杂光信号等；
63.第一消色差透镜17，设置在低通滤光片16和相位板11之间；
64.第二消色差透镜18，设置在相位板11和光纤束12的入射端面所在的一侧之间，第一消色差透镜17和第二消色差透镜18构成一个4f系统；
65.第三消色差透镜19，设置在第二消色差透镜18和光纤束12的入射端面之间；
66.第四消色差透镜10，设置在光纤束12的出射端面和光电转换器阵列13之间；
67.探测光信号光路还包括：
68.第一反射镜33，用于将探测光信号反射至光延迟线31；
69.第五消色差透镜34，设置在光延迟线31和倍频晶体32之间；
70.第六消色差透镜35，与第五消色差透镜34相对设置在倍频晶体32的两侧，第五消色差透镜34和第六消色差透镜35构成一个4f系统；
71.第二反射镜36，用于将经由第六消色差透镜35出射的具有特定中心波长的探测光信号反射至双色镜42；
72.超连续光谱光路还包括：
73.第三反射镜44，用于将泵浦光信号反射至光子晶体光纤41的入射端面；
74.第七消色差透镜45，设置在光子晶体光纤41的入射端面所在的一侧；
75.第八消色差透镜46，设置在光子晶体光纤41的出射端面所在的一侧；
76.第四反射镜47、半透半反棱镜48、透射式光纤对49、屋脊棱镜40和第五反射镜50，斯托克斯信号依次经第四反射镜47反射、半透半反棱镜48和透射式光纤对49次透射、屋脊棱镜40反射、透射式光纤对49透射和第五反射镜50反射之后，传输至双色镜42；
77.第六反射镜51，用于将经由双色镜42合束之后的具有特定中心波长的探测光信号和斯托克斯信号反射至第一物镜43。
78.在应用中，系统中的反射镜、消色差透镜和滤光片的数量可以根据实际需要进行增加或删减，本实施例中不作特别限定。
79.如图4所示，本技术实施例提供的超分辨cars成像方法，包括：
80.步骤s401、通过相位板对样品产生的第一cars信号进行相位调制得到第二cars信号，所述第一cars信号的空间分布表示为高斯型点扩展函数；
81.步骤s402、通过光纤束传输所述第二cars信号，以通过所述光纤束的色散作用分离所述第二cars信号中不同波长的信号；
82.步骤s403、通过光电转换器阵列采集所述第二cars信号；
83.步骤s404、通过信号处理装置分析所述第二cars信号，获得所述第二cars信号的强度和空间分布以及所述第二cars信号携带的光谱信息和所述样品中化学键的空间分布，所述第二cars信号的空间分布表示为双螺旋点扩展函数。
84.在应用中，在步骤s401之前还可以通过低通滤光片滤除杂散光。在步骤s402之前和/或步骤s403之前还可以通过消色差透镜消除第二cars信号的色差。
85.如图5所示，示例性的示出了第一cars信号的空间分布和第二cars信号的空间分布；其中，上图为第二cars信号的空间分布，下图为第一cars信号的空间分布。
86.在一个实施例中，步骤s402之前，包括：
87.通过透镜阵列将所述第二cars信号耦合至所述光纤束，所述透镜阵列的排布方式与所述光纤束的横截面的排布方式相同。
88.在一个实施例中，步骤s401之前，包括：
89.通过半波片改变激光器发射的激光信号的偏振方向，得到偏振方向相互垂直的偏振激光信号；
90.通过偏振分光棱镜对所述偏振激光信号进行分光得到探测光信号和泵浦光信号；
91.通过光延时线对所述探测光信号进行延时；
92.通过倍频晶体对所述探测光信号进行倍频，得到具有特定中心波长的探测光信号；
93.通过光子晶体光纤对所述泵浦光信号进行孤子自频移，得到斯托克斯信号；
94.通过双色镜对所述具有特定中心波长的探测光信号和所述斯托克斯信号进行合束；
95.通过第一物镜将合束后的所述具有特定中心波长的探测光信号和所述斯托克斯信号聚焦至所述样品，以激发所述样品产生所述第一cars信号。
96.本技术实施例通过相位板对样品产生的第一cars信号进行相位调制得到第二cars信号，可以将样品产生的cars信号的空间分布的表示形式由高斯型点扩展函数转化为双螺旋点扩展函数，提高了轴向分辨率；通过光纤束传输第二cars信号，以通过光纤束的色散作用分离第二cars信号中不同波长的信号，可以将信号由频域转化为时域，便于获得双螺旋点扩展函数中各点扩展函数的位置信息；通过光电转换器阵列采集第二cars信号，可以有效提高cars信号的采集速度；通过信号处理装置分析第二cars信号，获得第二cars信号的强度和空间分布以及第二cars信号携带的光谱信息，最终可以实现宽光谱、高速度的光谱探测。
97.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或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
98.以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。