基于压缩感知的锥形光纤单像素成像系统及方法

本发明属于成像，尤其是涉及一种基于压缩感知的锥形光纤单像素成像系统及方法及方法。

背景技术：

1、早在几个世纪以来，光学显微镜一直作为化学、生物等材料不可替代重要表征手段。随着技术的发展，光学成像一直向更微小尺寸突破，而阿贝尔衍射极限表明远场成像系统的分辨率一直受光波长和成像系统的数值孔径限制。为了克服远场衍射极限带来的限制，一系列超分辨成像技术得到突破和发展，其中包括近场光学显微镜，其绕开了远场的限制，利用光纤探针将光源变为纳米级光源并将其深入样品的近场区域即小于一个光波长距离内进行探测，通过扫描的方式实现一定区域的超分辨成像，该技术经常被用于分子或化学材料的成像。此外，基于荧光特性的超分辨显微镜技术在远场观察中具有较好的优势，先后出现光激活定位显微镜(palm)、随机光学重构显微镜(storm)、受激发射损耗(sted)显微技术、基于光学闪烁的超分辨成像(sofi)、基于闪烁半径的超分辨成像(srrf)。基于荧光分子的超分辨显微镜更加适用于分析生物切片，而基于光纤的成像系统展现出了在深组织成像的巨大优势，其微小的尺寸和较好的韧性可以灵活地深入活体生物内部进行内窥成像。

2、目前基于光纤束的内窥成像技术即内窥镜已经较为成熟的运用到了医疗行业。光纤束本身是由数千个光纤组成，其在尺寸上还不够微型化，其成像的分辨率依赖于光纤的数量，光纤与光纤之间的空隙容易导致成像的伪影。近几年，基于单根光纤成像的技术逐渐被广泛研究，在小型化上比光纤束更加具有优势。其成像手段主要是利用波前整形的复杂波前使其在多模光纤输出端产生不同位置的激光聚焦点，由此进行栅格扫描成像。为了简化波前整形的复杂度以及提高成像速度，基于压缩感知(cs)重构算法的光纤散斑照明成像方法也得到了进一步的发展，该成像方法的本质和单像素相机一致，不同之处在于调制光斑不是简单依赖于数字微镜(dmd)或空间光调制器(slm)，而是利用多模光纤的模式干涉效应或光纤端面镀膜产生的散斑作为照明的调制光斑，最后利用桶探测器进行一维强度信号的收集。且基于传统波前整形的单根多模光纤成像技术的成像分辨率受限于光纤本身的衍射极限，无法进一步提高成像分辨率。相反，cs技术基于原始信号的稀疏性，可以重构出远多于压缩信号的数据；同理，对于稀疏图像信号，也可以重构出比远场图像分辨率更高的图像。最近，有仿真详细讨论了基于cs技术的散斑照明单像素成像的分辨率极限，限制成像分辨率的本质因素是样本的稀疏性。此外，数据测量次数、测量散斑的选取以及重建算法的性能也会极大地影响成像质量，从而影响成像分辨率。在实验层面，近期有研究通过激光激励多模光纤入射端纤芯的不同位置产生多个干涉散斑对荧光小球进行调制照明和荧光信号探测，最后通过压缩感知重构算法重构荧光图像，实现了亚微米尺寸的成像，其成功超过了多模光纤的衍射极限。然而，进一步提高基于光纤内窥成像分辨率是具有极大意义的，有助于观察生物或组织体中更加微观地活动。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中的基于单根光纤成像的分辨率有待进一步提高，提供一种基于压缩感知的锥形光纤单像素成像系统及方法及方法，通过将多模光纤制备成锥形多模光纤的方法来缩小成像视场进而有效地提高成像分辨率。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一方面，本发明提供了一种基于压缩感知的锥形光纤单像素成像系统及方法，包括：锥形多模光纤、二维微米移动台、成像模块、信号收集模块和点探测器；锥形多模光纤安装在二维微米移动台上，通过二维微米移动台调节锥形多模光纤的位置，激光光源经过锥形多模光纤传输后出射随空间位置变化的多模干涉散斑，用于照射并调制样品信息。

4、锥形多模光纤是由多模光纤被横向拉锥并从腰区切割制成。多模光纤在给定工作波长上传输多种模式。二维微米移动台是通过移动固定在其上面的光纤来改变激光入射位置，进而产生空间调制的随机多模干涉散斑，二维微米移动台最小移动距离不大于0.1μm，可移动方向至少为x-y两方向。

5、成像模块包括物镜和相机，用于对样品进行成像观察激光散斑照射在样品上的照射情况。

6、信号收集模块包括物镜和分束镜点探测器。信号收集模块为物镜将散斑调制样品后的光强信息聚焦并用分束镜分开一路光由点探测器收集。

7、点探测器用于探测调制散斑用于样品后的一维光强信息，并通过压缩感知重构算法对欠采样的一维光强进行二维图像重构；

8、一种基于压缩感知和单像素成像的锥形多模光纤超分辨成像方法，其特征在于以下包括以下步骤：s1产生多模干涉散斑，s2产生空间调制散斑照明源，s3调整散斑照明样品的视场，s4表征调制散斑序列信息，s5收集光强信息并重构成像。

9、具体步骤过程如下

10、s1：激光光源入射锥形多模光纤输入端面经一段距离传输后产生多种模式干涉的激光散斑；

11、s2：利用二维微米台来控制锥形多模光纤输入面移动产生空间调制的随机激光散斑；

12、s3：锥形多模光纤输出端直接靠近样品照明，通过控制锥形多模光纤输出端和样品的相对距离来控制照明视场范围的变化，由此实现不同放大倍数的成像；

13、s4：利用物镜和相机组成的成像模块精准控制调制散斑的照射位置和视场大小并利用相机预先表征散斑信息作为后续图像重构的输入参数；

14、s5：信号收集模块对调制散斑作用于样品后的光强信息进行聚焦并通过点探测器收集，通过压缩感知重构算法根据探测的光强和散斑信息重构出样品图像。

15、本发明将锥形多模光纤端面固定在二维微米台上；控制微米台移动来改变激光在锥形多模光纤端面的激励位置；产生空间调制的随机多模干涉散斑；通过点探测器收集调制散斑作用于样品后的光强，基于散斑和已探测的光强，并利用压缩感知重构算法对样品图像信息进行重构。与现有技术相比，具有以下优点：

16、(1)传统基于压缩感知和单像素成像的多模光纤成像技术由于其固定的末端芯径，其照射样品时无法进一步缩小照明视场，而本发明提出将多模光纤制备成锥形多模光纤，通过制备不同末端芯径的锥形多模光纤灵活调控最小照明视场范围。

17、(2)传统基于压缩感知和单像素成像的多模光纤成像技术提高成像分辨率的程度有限，而本发明使用的锥形多模光纤在保留了多模散斑特征的同时缩小了照明视场，在基于cs的计算超分辨成像中表现出了比普通多模光纤更大的优势。

技术特征：

1.一种基于压缩感知的锥形光纤单像素成像系统及方法，其特征在于，包括：锥形多模光纤、二维微米移动台、成像模块、信号收集模块和点探测器；锥形多模光纤安装在二维微米移动台上，通过二维微米移动台控制锥形多模光纤移动，相应的激光入射到锥形多模光纤端面的位置发生变化，激光光源经过锥形多模光纤传输后出射由空间位置调制的多模干涉散斑，用于照射并调制样品信息。

2.根据权利要求1所述基于压缩感知的锥形光纤单像素成像系统及方法，其特征在于，锥形多模光纤是由多模光纤被横向拉锥并从腰区切割制成。

3.根据权里要求2所述基于压缩感知的锥形光纤单像素成像系统及方法，其特征在于：多模光纤在给定工作波长上传输多种模式。

4.根据权利要求3所述基于压缩感知的锥形光纤单像素成像系统及方法，其特征在于，二维微米移动台是通过移动固定在其上面的光纤来改变激光入射位置，进而产生空间调制的随机多模干涉散斑，二维微米移动台最小移动距离不大于0.1μm，可移动方向至少为x-y两方向。

5.根据权利要求4所述基于压缩感知的锥形光纤单像素成像系统及方法，其特征在于，所述成像模块包括物镜和相机，用于对样品进行成像来观察激光散斑照射在样品上的照射情况。

6.根据权利要求5所述基于压缩感知的锥形光纤单像素成像系统及方法，其特征在于，所述信号收集模块包括物镜、分束镜以及点探测器。

7.根据权利要求6所述基于压缩感知的锥形光纤单像素成像系统及方法，其特征在于其信号收集模块为物镜将散斑调制样品后的光强信息聚焦并用分束镜分开一路光由点探测器收集。

8.根据权利要求6或7所述基于压缩感知的锥形光纤单像素成像系统及方法，其特征在于点探测器用于探测调制散斑作用到样品后的一维光强信息，并通过压缩感知重构算法对欠采样的一维光强进行二维图像重构。

9.一种基于压缩感知和单像素成像的锥形多模光纤超分辨成像方法，其特征在于以下包括以下步骤：s1产生多模干涉散斑，s2产生空间调制散斑照明源，s3调整散斑照明样品的视场，s4表征调制散斑序列信息，s5收集光强信息并重构成像。

10.根据权利要求9所述的一种基于压缩感知和单像素成像的锥形多模光纤超分辨成像方法其具体步骤过程如下

技术总结
本发明公开了一种基于压缩感知的锥形光纤单像素成像系统及方法基于压缩感知的锥形光纤单像素成像系统及方法，包括：锥形多模光纤、二维微米移动台、成像模块、信号收集模块和点探测器；锥形多模光纤安装在二维微米移动台上，通过二维微米移动台调节锥形多模光纤的位置，激光光源经过锥形多模光纤传输后出射多模干涉散斑，用于照射并调制样品信息。锥形多模光纤的末端芯径可以控制在微米级，通过减小末端芯径来缩小散斑照明视场进而实现更小尺寸样品的成像并结合压缩感知技术实现计算超分辨成像。该方法的成像极限远高于普通多模光纤的成像极限。

技术研发人员：陈娜,孙梦,商娅娜,刘书朋,刘勇,庞拂飞,王廷云
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15