一种基于结构光的流式高速超分辨成像装置及方法与流程

本发明属于高速超分辨成像领域，尤其涉及一种基于结构光的流式高速超分辨成像装置及方法。

背景技术

成像技术是人类认识自然和改造自然的重要工具之一，目前已经在众多的领域中获得了广泛的应用。对于在微流体通道内细胞或者微粒等的筛选和分类，具有高空间分辨和高时间分辨能力并能长时间连续成像的装置和方法可以使得不仅筛选和分类的细胞数量和速度得到极大的提高，并能实现很高的筛选和分类精度。研究具有高空间和高时间分辨的成像装置和方法一直是人们追求的目标之一，但是目前的成像技术大多分别讨论如何在成像过程中单一的提高空间分辨率或时间分辨率，未能同时对两者进行改进，并且现有高速超分辨装置和方法无法实现长时间连续观测。

当前，应用最广泛的成像技术是使用电荷藕合器件图像传感器和互补性氧化金属半导体成像器件，但其由于成像帧速率低的原因，无法实现超快过程的连续探测。泵浦-探测技术可以实现ps乃至fs量级的时间分辨率，但是需要多次重复测量，通常只适用于非破坏性的、人造的事件的观测，并且其无法突破衍射极限的限制获得高空间分辨的图像。

当前提高空间分辨率的主要方法有饱和结构照明显微技术、受激发射损耗显微技术、光激活定位显微技术和随机光学重构显微技术等，这些具有高空间分辨能力的成像技术其时间分辨率只能达到微秒级别。

因此，当前迫切需要一种具有高空间和高时间分辨率性能的成像装置和方法可以实现对微流体通道内的细胞或微粒等连续长时间观测。

技术实现要素：

针对现有的成像技术大多只单一方面的在时间分辨率和空间分辨率上改进，未能同时对两者进行改进的缺陷，对在微流体通道内细胞或微粒等成像时，提出一种基于结构光的流式高速超分辨成像装置及方法，同时具有高空间和高时间分辨率的性能，并能克服现有高速超分辨不能满足长时间连续观测的要求，以实现对微流体通道内细胞或微粒等的连续观测，获得高质量的图像，满足筛选、分类的速度和精度要求。

本发明装置的技术方案为一种基于结构光的流式高速超分辨成像装置，其特征在于，包括：飞秒脉冲激光器、耦合器、第一光电探测器、任意波形发生器、第一泵浦激光器、第一波分复用器、色散补偿光纤、第二波分复用器、第二泵浦激光器、光电调制器、环形器、准直器、衍射光栅、第一平凸透镜、第二平凸透镜、显微物镜、观测对象、第二光电探测器、高速示波器、数据处理单元；

所述飞秒脉冲激光器与所述耦合器连接；所述的耦合器、第一光电探测器、任意波形发生器依次串联连接；所述的耦合器、第一波分复用器、色散补偿光纤、第二波分复用器依次串联连接；所述第一波分复用器与所述第一泵浦激光器连接；所述第二波分复用器与所述第二泵浦激光器连接；所述任意波形发生器与所述光电调制器连接；所述第二波分复用器与所述光电调制器连接；所述的光电调制器、环形器、准直器依次串联连接；所述衍射光栅以一定距离d1和角度θ1置于所述准直器前方；所述第一平凸透镜以一定的距离d2和角度θ2置于所述衍射光栅前方；所述第二平凸透镜以一定的距离d3平行的置于所述第一平凸透镜前方；所述显微物镜以一定的距离d4平行的置于所述第二平凸透镜前方；所述观测对象以一定的距离d5平行置于所述显微物镜前方；所述的环形器、第二光电探测器、高速示波器、数据处理单元依次串联连接。

所述飞秒脉冲激光器用于产生飞秒脉冲；所述耦合器用于将飞秒脉冲分为第一路光信号脉冲以及第二路光信号脉冲；所述第一光电探测器用于将第一路光信号脉冲转换为脉冲电信号；所述任意波形发生器根据脉冲电信号同步产生n种相位正弦波，n≥3；通过所述色散补偿光纤对第二路光信号脉冲进行时域拉伸；通过第一波分复用器、第一泵浦激光器、第二波分复用器和第二泵浦激光器在所述色散补偿光纤中实现分布式拉曼放大以补偿第二路光信号脉冲在时域拉伸中的光功率损失；所述光电调制器对时域上拉伸并被补偿的第二路光信号脉冲根据n种相位正弦波进行光脉冲调制产生光谱编码的脉冲；所述环形器以及所述准直器用于调整光谱编码的脉冲发射角度；所述衍射光栅上将发射角度调整后光谱编码的脉冲分散开形成线性一维色散脉冲的结构光；所述第一平凸透镜、所述第二平凸透镜以及所述显微物镜将线性一维色散脉冲聚焦到位于微流体通道内的观测对象上，并通过观测对象反射线性一维色散脉冲；所述显微物镜、所述第二平凸透镜、所述第一平凸透镜、所述衍射光栅将反射的线性一维色散脉冲还原为单脉冲；单脉冲通过所述准直器耦合进所述环形器；所述第二光电探测器将单脉冲转换为模拟电信号；所述高速示波器采集模拟电信号转换为数字电信号，并将数字电信号传输至所述数据处理单元；所述数据处理单元处理数字电信号得到图像并进行存储。

本发明方法的技术方案为一种基于结构光的流式高速超分辨成像方法，具体方法为：

步骤1：飞秒脉冲激光器产生飞秒脉冲；

步骤2：耦合器将飞秒脉冲分为第一路光信号脉冲以及第二路光信号脉冲；第一光电探测器将第一路光信号脉冲转换为脉冲电信号；任意波形发生器根据脉冲电信号同步产生n种相位正弦波，n≥3；通过色散补偿光纤对第二路光信号脉冲进行时域拉伸；通过第一波分复用器、第一泵浦激光器、第二波分复用器和第二泵浦激光器在色散补偿光纤中实现分布式拉曼放大以补偿第二路光信号脉冲在时域拉伸中的光功率损失；光电调制器对时域上拉伸并被补偿的第二路光信号脉冲根据n种相位正弦波进行光脉冲调制产生光谱编码的脉冲；

步骤3：环形器以及准直器用于调整光谱编码的脉冲发射角度；衍射光栅上将发射角度调整后光谱编码的脉冲分散开形成线性一维色散脉冲的结构光；第一平凸透镜、第二平凸透镜以及显微物镜将线性一维色散脉冲聚焦到位于微流体通道内的观测对象上，当观测对象在高速移动的时候，线性一维色散脉冲照亮观测对象的不同位置，将观测对象的表面信息编码到线性一维色散脉冲的光谱上，完成了空间编码，然后将从观测对象反射的线性一维色散脉冲通过显微物镜、第二平凸透镜、第一平凸透镜、衍射光栅还原为携带观测对象表面信息的单脉冲；携带观测对象表面信息的单脉冲通过准直器耦合进环形器；

步骤4：第二光电探测器将携带观测对象表面信息的单脉冲转换为模拟电信号；

步骤5：高速示波器采集模拟电信号转换为数字电信号，并将数字电信号传输至数据处理单元；

步骤6：数据处理单元处理数字电信号得到图像并进行存储。

本发明的优点在于：成像装置中的光学仪器均为常用的光学仪器，便于系统实现；能突破衍射极限的瓶颈，实现高空间分辨率；能突破时间分辨能力的瓶颈，实现帧数的10mhz以上的成像帧速度；将成像技术中实现高空间分辨模块和实现高时间分辨模块集成在一起，能使得该成像装置同时具有高空间分辨率和高时间分辨率；能实现对微流体通道内细胞或微粒等的连续长时间观测。

附图说明

图1：本发明专利的结构示意图；

图2：任意波形发生器产生的预先设定的具有三种不同相位的正弦波；

图3：经过光电调制器产生的光谱编码脉冲的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于结构光的流式高速超分辨成像装置如图1所示，其特征在于，包括：飞秒脉冲激光器101、耦合器102、第一光电探测器103、任意波形发生器104、第一泵浦激光器105、第一波分复用器106、色散补偿光纤107、第二波分复用器108、第二泵浦激光器109、光电调制器110、环形器111、准直器112、衍射光栅113、第一平凸透镜114、第二平凸透镜115、显微物镜116、观测对象117、第二光电探测器118、高速示波器119、数据处理单元120；

所述飞秒脉冲激光器101选型为中心波长800nm的钛宝石激光器vitara-t-hp；所述耦合器102选型为thorlabs的tw805r2f1；所述第一光电探测器103选型为newport-1481-s；所述任意波形发生器104选型为美国是德科技的m8195a；所述第一泵浦激光器105选型为中心波长为633nm的泵浦激光器；所述第一波分复用器106选型为thorlabs的nr73f1；所述色散补偿光纤107选型为群速度色散为-800ps/nm的色散补偿光纤；所述第二波分复用器108选型为thorlabs的nr71f1；所述第二泵浦激光器109选型为中心波长为532nm的泵浦激光器；所述光电调制器110选型为800nm波段的马赫-曾德尔调制器；所述环形器111选型为800nm波段的环形器；所述准直器112选型为thorlabs的c40fc-b；所述衍射光栅113选型为刻线密度1200/nm；所述第一平凸透镜114选型为焦距f＝100nm；所述第二平凸透镜115选型为焦距f＝50nm；所述显微物镜116选型为数值孔径0.65，放大倍率40x；所述观测对象117选型为细胞或者微颗粒；所述第二光电探测器118选型为newport-1481-s；所述高速示波器119选型为美国是德科技的dsa91304a；所述数据处理单元120选型为服务器。

所述飞秒脉冲激光器101与所述耦合器102连接；所述的耦合器102、第一光电探测器103、任意波形发生器104依次串联连接；所述的耦合器102、第一波分复用器106、色散补偿光纤107、第二波分复用器108依次串联连接；所述第一波分复用器106与所述第一泵浦激光器105连接；所述第二波分复用器108与所述第二泵浦激光器109连接；所述任意波形发生器104与所述光电调制器110连接；所述第二波分复用器108与所述光电调制器110连接；所述的光电调制器110、环形器111、准直器112依次串联连接；所述衍射光栅113以一定距离d1＝40mm和角度θ1＝60°置于所述准直器112前方；所述第一平凸透镜114以一定的距离d2＝100mm和角度θ2＝4°置于所述衍射光栅113前方；所述第二平凸透镜115以一定的距离d3＝150mm平行的置于所述第一平凸透镜114前方；所述显微物镜116以一定的距离d4＝50mm平行的置于所述第二平凸透镜115前方；所述观测对象117以一定的距离d5＝8mm平行置于所述显微物镜116前方；所述的环形器111、第二光电探测器118、高速示波器119、数据处理单元120依次串联连接。

所述飞秒脉冲激光器101用于产生飞秒脉冲；所述耦合器102用于将飞秒脉冲分为第一路光信号脉冲以及第二路光信号脉冲；所述第一光电探测器103用于将第一路光信号脉冲转换为脉冲电信号；所述任意波形发生器104根据脉冲电信号同步产生n种相位正弦波，n≥3；通过所述色散补偿光纤107对第二路光信号脉冲进行时域拉伸；通过第一波分复用器106、第一泵浦激光器105、第二波分复用器108和第二泵浦激光器109在所述色散补偿光纤107中实现分布式拉曼放大以补偿第二路光信号脉冲在时域拉伸中的光功率损失；所述光电调制器110对时域上拉伸并被补偿的第二路光信号脉冲根据n种相位正弦波进行光脉冲调制产生光谱编码的脉冲；所述环形器111以及所述准直器112用于调整光谱编码的脉冲发射角度；所述衍射光栅113上将发射角度调整后光谱编码的脉冲分散开形成线性一维色散脉冲的结构光；所述第一平凸透镜114、所述第二平凸透镜115以及所述显微物镜116将线性一维色散脉冲聚焦到位于微流体通道内的观测对象117上，并通过观测对象117反射线性一维色散脉冲；所述显微物镜116、所述第二平凸透镜115、所述第一平凸透镜114、所述衍射光栅113将反射的线性一维色散脉冲还原为单脉冲；单脉冲通过所述准直器112耦合进所述环形器111；所述第二光电探测器118将单脉冲转换为模拟电信号；所述高速示波器119采集模拟电信号转换为数字电信号，并将数字电信号传输至所述数据处理单元120；所述数据处理单元120处理数字电信号得到图像并进行存储。

下面结合图1至图3，介绍本发明的实施方式。本发明具体实施方式实现步骤如下：

步骤1：飞秒脉冲激光器101产生飞秒脉冲，其中心波长为800nm，带宽大于60nm，重复频率为10mhz，成像的帧速率等于脉冲的重复频率，实现10mhz的成像速度；

步骤2：通过耦合比为90:10的耦合器102将飞秒脉冲分为第一路光信号脉冲以及第二路光信号脉冲；第一光电探测器103将第一路光信号脉冲转换为脉冲电信号；任意波形发生器104根据脉冲电信号同步产生n＝3种相位正弦波，相位分别为120°，240°，三种不同相位的正弦波持续时间均等于飞秒脉冲激光器的脉冲周期，任意波形发生器连续不断的产生三种不同相位的正弦波如图2所示，借助光电探测器作为触发器保证调制的同步性；通过色散补偿光纤107对第二路光信号脉冲进行时域拉伸；通过第一波分复用器106、第一泵浦激光器105、第二波分复用器108第二泵浦激光器109在色散补偿光纤107中实现分布式拉曼放大以补偿第二路光信号脉冲在时域拉伸中的光功率损失；光电调制器110对时域上拉伸并被补偿的第二路光信号脉冲根据n＝3种相位正弦波进行光脉冲调制产生光谱编码的脉冲，如图3所示，其中，红、橙、黄等只代表脉冲内不同波长经时间分散单元后在时间上分开，不代表实际波长。

步骤3：环形器111以及准直器112用于调整光谱编码的脉冲发射角度；衍射光栅113上将发射角度调整后光谱编码的脉冲分散开形成线性一维色散脉冲的结构光；第一平凸透镜114、第二平凸透镜115以及显微物镜116将线性一维色散脉冲聚焦到位于微流体通道内的如细胞或微粒的观测对象117上，当观测对象在高速移动的时候，线性一维色散脉冲照亮观测对象的不同位置，将观测对象的表面信息编码到线性一维色散脉冲的光谱上，完成了空间编码，然后将从观测对象117反射的线性一维色散脉冲通过显微物镜116、第二平凸透镜115、第一平凸透镜114、衍射光栅113还原为携带观测对象表面信息的单脉冲；携带观测对象表面信息的单脉冲通过准直器112耦合进环形器111；

步骤4：第二光电探测器118将携带观测对象表面信息的单脉冲转换为模拟电信号；

步骤5：高速示波器119采集模拟电信号转换为数字电信号，并将数字电信号传输至数据处理单元120；

步骤6：数据处理单元120处理数字电信号得到图像并进行存储。

综上，上述成像装置和方法中的光学元器件皆是常用元器件，便于实现，同时将高空间分辨率和高时间分辨率模块集成在一起，能在线形一维色散脉冲横向方向上突破衍射极限的限制，提高成像的空间分辨率，并实现10mhz帧速度的连续成像速率，可以对微流体通道内细胞或微粒等的连续长时间观测，获得高质量的图像。

尽管本文较多地使用了飞秒脉冲激光器101、耦合器102、第一光电探测器103、任意波形发生器104、第一泵浦激光器105、第一波分复用器106、色散补偿光纤107、第二波分复用器108、第二泵浦激光器109、光电调制器110、环形器111、准直器112、衍射光栅113、第一平凸透镜114、第二平凸透镜115、显微物镜116、观测对象117、第二光电探测器118、高速示波器119、数据处理单元120等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。