基于结构光照明的宽谱段显微拉曼鬼成像装置和成像方法

本发明涉及稀疏约束的鬼成像，具体涉及一种基于结构光照明的宽谱段显微拉曼鬼成像装置和成像方法。

背景技术：

1、拉曼光谱作为一种无损、无标记的化学信息获取方法，在生命科学、医药学、材料学等领域有广泛应用。传统的拉曼成像是通过扫描的方式(点扫描或线扫描)获取拉曼光谱，因此时间分辨率较低。近年来，利用拉曼光谱的稀疏性，soldevila等人(参见文献：f.soldevila,et al.fast compressive raman bio-imaging via matrixcompletion.optica 6,341-346(2019))借助压缩感知的拉曼成像进一步提高了拉曼成像速度。更快的拉曼成像方式采用宽场成像，需要借助特殊的光学元件，例如厦门大学的王磊研究组(参见文献：l.wang,et al.dynamic raman imaging system with high spatialand temporal resolution.review of scientific instruments 88(9),095110(2017))利用可调滤波器来实现宽场拉曼成像。

2、除了成像速度(时间分辨率)，空间分辨率也备受关注，超分辨拉曼成像是通过将传统的光学超分辨显微技术，包括受激发射损耗显微镜(sted)、单分子定位显微镜(smlm)、结构光照明显微镜(sim)等，与超光谱拉曼成像相结合，从而提高拉曼成像的空间分辨率，例如中国科学院长春应用化学研究所的王宏达等人将结构光照明与拉曼技术相结合，提出了基于结构光照明的拉曼超分辨显微成像系统及成像方法(参见专利号：cn108107034a)。

3、近年来，中科院上海光机所的韩申生研究组提出的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统(专利号：zl201410348475.x)能够单次曝光获取目标空间光谱三维图像。上海高等研究院的王中阳研究组将该技术与storm技术相结合，提出了基于稀疏约束的快速随机光学重构成像系统及方法(专利号：cn105044897a)。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种基于结构光照明的宽谱段显微拉曼鬼成像装置和成像方法，利用基于稀疏约束鬼成像光谱相机的可单次曝光获取光谱信息的优势，并结合结构光照明显微成像能提高成像空间分辨率及其宽场成像特性，以实现快速、宽场超分辨拉曼显微成像。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种基于结构光照明的宽谱段显微拉曼鬼成像装置，包括结构光照明模块、显微成像系统模块、单次曝光光谱成像系统模块，所述的结构光照明模块包括光源、结构光调制模块、准直镜；所述的显微成像系统模块包括二向色镜、显微物镜、平移台、多通道窄带滤波片；所述的单次曝光光谱成像系统模块包括光场相位随机调制模块、套筒透镜、面阵探测器；所述的光源输出的光束入射到所述的结构光调制模块后，经过所述的准直镜、二向色镜、显微物镜后投影至该显微物镜的焦平面并产生结构光，该结构光照明位于所述的平移台上的样品，激发产生荧光、弹性散射和非弹性散射，被所述的显微物镜反向收集，由所述的二向色镜反射，然后经所述的多通道窄带滤波片滤除后，所述的荧光和拉曼散射再经所述的光场相位随机调制模块调制、经所述的套筒透镜后，由所述的面阵探测器记录散斑图样。

4、所述的光源可以是不同波长的激光器，或多波长led光源。

5、所述的结构光调制模块用于产生结构光，产生结构光的方式可以是干涉法或投影式。

6、所述的结构光调制模块可以是数字微镜器件，在数字微镜器件上加载二值光栅图样，通过投影或成像的方式在物镜的焦平面产生结构光。

7、所述的结构光调制模块也可以是空间光调制器结合滤波的方式，利用衍射±1级两束相干光干涉，在物镜焦平面产生结构光。

8、所述的结构光调制模块可以是物理光栅。

9、所述的样品为需要鉴别的物质。

10、所述的光场相位随机调制模块为随机相位板或空间光调制器。

11、利用上述基于结构光照明的显微拉曼鬼成像装置进行成像的方法，该方法包括如下三个阶段：

12、1)第一阶段，标定阶段，具体步骤如下：

13、①首先进行空间维度的标定：将标定点源(例如荧光小球)放在所述的平移台上，该平移台控制标定点源的空间位置，选用波长为λ的光源作为照明光，该照明光经所述的二向色镜、显微物镜后激发标定点源产生荧光，该荧光再次经显微物镜、二向色镜、光场相位随机调制模块和套筒透镜后形成的散斑被所述的面阵探测器接收，然后控制平移台等间距移动(即标定点源等间距移动)，记录所移动的位置，所述的面阵探测器探测的散斑为i(x,y,λ)，其中，x，y是所述的标定点源移动的空间位置坐标，x＝1,…m，y＝1,…n，m、n分别为标定散斑矩阵的行数和列数；λ为标定点源对应的波长；

14、②进行光谱维度的标定，标定波长覆盖拉曼成像的谱宽，选用另外一个波长的照明光激发标定点源，依次记录该波长下标定点源在所有空间位置点处对应的散斑，以此类推，以同样的方式，进行其他波长的标定，得到所有空间位置、所有波长的标定散斑，即获取系统的响应；

15、2)第二阶段，成像阶段，具体步骤如下：

16、①结构光产生：设计合适空间周期的光栅图样加载在所述的结构光调制模块(2)上，投影至所述的显微物镜(5)的焦平面产生正弦条纹的结构光，然后以此为基础产生其他8幅同频率差、同相位差的结构光图样；

17、②在所述的平移台(6)上设置样品，所述的正弦条纹的结构光激发样品产生的荧光被所述的显微物镜(5)反向收集、由二向色镜(4)反射，经所述的多通道窄带滤光片(7)后，被所述的空间随机相位器(8)调制，再采用合适的套筒透镜(9)进行缩放，所述的面阵探测器(10)记录散斑，通过9次结构光照明得到的探测散斑按顺序排列，得到成像探测散斑it；

18、3)第三阶段：重建阶段，具体步骤如下：

19、①按照标定点空间位置和光谱顺序，将第一阶段中的每一幅标定散斑矩阵拉成一列，组成测量矩阵a的一列，将第二阶段所述的结构光照明下的成像探测散斑it拉成一列形成测量信号y，通过压缩感知、深度学习等图像重建算法重建得到样品的光谱图像x：

20、

21、其中，||·||1和||·||2分别为l1范数和l2范数，τ为权重系数；

22、②从所述的光谱图像x中的相同空间位置处沿波长方向提取数据，即可得到样品的拉曼峰。

23、本发明的技术效果：

24、1、本发明基于稀疏约束鬼成像光谱相机，可单次曝光获得光谱信息，相比传统拉曼成像(扫描式)，本发明实现拉曼信号收集的效率更高；相比宽场拉曼成像，本发明不需要不停地变换滤光片的透过波段，因此本发明拉曼成像的时间分辨率有较大提升，成像速度更快；

25、2、本发明采用投影式结构光照明，相比干涉式结构光照明，系统更简单、紧凑，同时避免了相干光干涉时，偏振方向的不同对结构光条纹对比度的影响以及激光散斑的不利影响；

26、3、本发明采用结构光照明，相比传统的稀疏约束鬼成像，能够进一步提高成像的空间分辨率；