透过强散射介质受激辐射损耗成像的光束生成方法及系统技术方案

本公开提供了一种透过强散射介质受激辐射损耗成像的光束生成方法及系统，包括以下步骤：获取激发光束和损耗光束；根据所获取的激发光束和损耗光束以及传输矩阵，得到整形后的激发光束和损耗光束的组合波前；根据整形后的组合波前和强散射介质，生成光束；所述整形后的激发光束和损耗光束的组合波前，使用了传输矩阵和复用计算全息技术，实现激发光束和损耗光束在时间和空间上的重叠。基于双波长传输矩阵，使得激发光和损耗光通过强散射介质后同时生成在时间和空间上均重叠的激发光束和损耗光束，实现光束的快速扫描。实现光束的快速扫描。实现光束的快速扫描。

【技术实现步骤摘要】
透过强散射介质受激辐射损耗成像的光束生成方法及系统


[0001]本公开属于光学显微成像
，具体涉及一种透过强散射介质受激辐射损耗成像的光束生成方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]受激辐射损耗(Stimulated emission depletion,STED)显微镜具有超分辨率成像能力，能够将视野扩展到纳米量级，突破衍射极限对光学显微镜的分辨率的限制，实现超分辨显微成像，在生物成像中得到广泛的应用。
[0004]与共聚焦成像技术相比，STED显微成像技术利用一对在空间和时间上重叠的焦点构成激光照明光束，这个巧妙设计是实现超分辨成像的关键。其中，一个焦点是作为激发光束的高斯聚焦点，用来实现荧光分子的激发；另一个焦点是面包圈光束，它被称为STED光束，用于受激辐射耗尽荧光。尽管这两种激光焦点是衍射受限的，但是将后者从前者中减去就会产生一个亚衍射的荧光焦点，用这个点在样品上扫描就能得到亚衍射级的图像。因此，要实现STED成像的首要的条件是生成其所需的照明光束。自从STED显微镜被专利技术以来，它通常被用来对生物体外折射率分布均匀环境中的样品进行超分辨成像，由于动物活体内部环境复杂，体外的实验不能确切地模拟体内的环境。然而当要实现对动物活体内部的STED成像时，由于像生物组织这样的强散射介质会扰乱入射光束的波前，从而抑制激发焦点和STED焦点的形成，进而使得STED成像无法进行。当STED成像中所需的结构照明光束通过强散射介质(如生物组织)时，光在介质中发生的多重散射会撕碎结构照明光束的波前，从而抑制STED成像。
[0005]目前，透过非均匀介质实现STED成像已经取得了许多成果。对于对光扰动比较弱的标本，如视网膜切片或果蝇大脑，波前受到的扰动较小，一般发生倾斜、离焦等，这些因素只会对聚焦点的形成引入很小的偏移。在这些情况中，运用自适应光学中泽尼克多项式修正的方法，可以实现对STED显微镜中两个聚焦点的像差校正。为了增加STED的成像深度，一方面，可把双光子激发技术引入到STED显微镜，因为这些实验中使用的光子具有较长的波长，通常在近红外波段，这个波段的光子可以穿透更深的散射组织。另一方面，也可以使用具有自修复能力的光针用于荧光的激发和损耗。然而,当想把STED成像应用于强散射介质后面或者内部时，例如：厚的生物组织，上述方法都会失效。在强散射介质条件下，多重散射将会扰乱入射的激发光束和STED光束的波前，产生随机的强度散斑图。事实上，多重散射可以看作是一个线性的和确定性的过程，其中输入场和散射场可以通过传输矩阵(Transmission matrix，TM)相互关联。基于传输矩阵，人们已经提出了很多种透过强散射介质实现波前调制的技术。这些技术为深度组织中的显微成像铺平了道路。然而，在强散射介质后生成STED成像中所需的照明光束还没有被研究。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本公开提出了一种透过强散射介质受激辐射损耗成像的光束生成方法及系统，基于双波长传输矩阵，使得激发光和损耗光通过强散射介质后同时生成在时间和空间上均重叠的激发光束和损耗光束，实现光束的快速扫描。
[0007]根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种透过强散射介质受激辐射损耗成像的光束生成方法，采用如下技术方案：
[0008]一种透过强散射介质受激辐射损耗成像的光束生成方法，包括以下步骤：
[0009]获取激发光束和损耗光束；
[0010]根据所获取的激发光束和损耗光束以及传输矩阵，得到整形后的激发光束和损耗光束的组合波前；
[0011]根据整形后的组合波前和强散射介质，生成光束；
[0012]所述整形后的激发光束和损耗光束的组合波前，使用了传输矩阵和复用计算全息技术，实现激发光束和损耗光束在时间和空间上的重叠。
[0013]作为进一步的技术限定，在获取激发光束和损耗光束之后，需要进行激发光束传输矩阵和损耗光束传输矩阵的校准。
[0014]进一步的，所述激发光束传输矩阵和损耗光束传输矩阵之间完全不相关，两个传输矩阵可被单独测量。
[0015]进一步的，对测量后的激发光束传输矩阵进行光学相位共轭操作，得到共轭波前，根据得到的共轭波前在输出平面上形成所需的激发焦点。
[0016]进一步的，对测量后的损耗光束进行点扩散函数调制，得到呈点扩散分布的损耗焦点。
[0017]进一步的，利用空间光调制器加载复用计算全息图，对激发光束和损耗光束同时进行波前整形，将整形后的组合波前入射到强散射介质上，构建出重叠焦点，生成光束。
[0018]根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种透过强散射介质受激辐射损耗成像的光束生成系统，采用如下技术方案：
[0019]一种透过强散射介质受激辐射损耗成像的光束生成系统，包括：
[0020]激光器，用于获取激发光束和损耗光束；
[0021]光束处理模块，基于传输矩阵和复用计算全息技术，将激发光束的焦点和损耗光束的焦点调整到时间和空间上的重叠，对激光光束和损耗光束进行波前整形，得到整形后的激发光束和损耗光束的组合波前；
[0022]光束生成模块，将整形后的组合波前透过强散射介质生成光束。
[0023]作为进一步的技术限定，所述激光器和光束处理模块之间依次设置有分束器和扩束器；所述激发光束和损耗光束均采用连续光源。
[0024]作为进一步的技术限定，所述光束处理模块采用数字微镜器件，包括光束校准模块、光束空间处理单元和光束时间处理单元。
[0025]进一步的，所述光束校准模块将所获取的激发光束进行传输矩阵的光学相位共轭操作得到激发聚焦光束，将所获取的损耗光束进行传输矩阵的点扩散函数调制得到损耗聚焦光束。
[0026]与现有技术相比，本公开的有益效果为：
[0027]本公开利用复用全息技术，构建了用于2D STED和3D STED显微镜中具有精细结构的重叠焦点。此外，在无机械运动的情况下，基于数字微镜器件的快速切换能力，能快速实现对照明光束的快速扫描，为强散射介质(如厚的生物组织)后的STED成像开辟道路。
附图说明
[0028]构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
[0029]图1是本公开实施例一中透过强散射介质受激辐射损耗成像的光束生成方法的流程图；
[0030]图2(a)是本公开实施例一中强散射介质扰乱激发和STED光束的波前图；
[0031]图2(b)是本公开实施例一中基于双波长传输矩阵透过强散射介质进行波前调制的过程图；
[0032]图2(c)是本公开实施例一中复用全息技术透过强散射介质生成重叠的焦点图；
[0033]图3是本公开实施例一中透过ZnO散射层生成2D STED成像的照明光束图；
[0034]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种透过强散射介质受激辐射损耗成像的光束生成方法，其特征在于，包括以下步骤：获取激发光束和损耗光束；根据所获取的激发光束和损耗光束以及传输矩阵，得到整形后的激发光束和损耗光束的组合波前；根据整形后的组合波前和强散射介质，生成光束；所述整形后的激发光束和损耗光束的组合波前，使用了传输矩阵和复用计算全息技术，实现激发光束和损耗光束在时间和空间上的重叠。2.如权利要求1中所述的一种透过强散射介质受激辐射损耗成像的光束生成方法，其特征在于，在获取激发光束和损耗光束之后，需要进行激发光束传输矩阵和损耗光束传输矩阵的校准。3.如权利要求2中所述的一种透过强散射介质受激辐射损耗成像的光束生成方法，其特征在于，所述激发光束传输矩阵和损耗光束传输矩阵之间完全不相关，两个传输矩阵可被单独测量。4.如权利要求3中所述的一种透过强散射介质受激辐射损耗成像的光束生成方法，其特征在于，对测量后的激发光束传输矩阵进行光学相位共轭操作，得到共轭波前，根据得到的共轭波前在输出平面上形成所需的激发焦点。5.如权利要求4中所述的一种透过强散射介质受激辐射损耗成像的光束生成方法，其特征在于，对测量后的损耗光束进行点扩散函数调制，得到呈点扩散分布的损耗焦点。6.如权利要求5中所述的一种透过强散射介质受激辐射损耗成像的光束生...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵倩，赵鑫，国承山，蔡阳健，涂诗杰，岳庆炀，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：