[发明专利]一种自适应二次三次谐波联合探测显微成像方法及装置

说明书

本发明涉及一种自适应二次三次谐波联合探测显微成像方法及装置，属于光学显微成像技术领域；本发明在传统谐波显微装置的探测路径上同时设置二次、三次谐波信号探测模块，利用二向色镜和滤光片实现二次谐波信号和三次谐波信号的分离和滤波，采用独立的光电探测器分别对二次谐波、三次谐波信号进行探测；在系统中引入自适应像差校正装置，用于校正对样品进行大深度探测时存在的像差。本发明装置包括激光扫描系统、自适应像差校正系统、谐波信号激发系统、谐波信号探测系统、宽场成像系统、以及图像重建与数据处理系统。本发明实现了二次、三次谐波信号的联合探测以及样品结构信息的互补，且在大深度探测时保持了成像质量。

技术领域

本发明属于光学显微测量领域，主要涉及一种用于活体生物样品的三维微细结构成像的自适应二次三次谐波联合探测显微成像方法及装置。

背景技术

随着科学技术的不断发展，对活体生物样品进行高分辨率、高穿透深度成像已成为系统生物学研究不可或缺的条件。然而，由于光学衍射极限的存在，传统光学显微成像的分辨率受到制约。荧光显微成像能够对生物样品进行超分辨率成像。其中，多光子显微成像技术是最佳的无侵害荧光显微成像方式。双光子激发显微过程存在实际的能量转换，响应时间在纳秒量级。而二次、三次谐波生成过程只有虚拟的能量转换，且响应时间在飞秒量级。因此利用谐波生成过程进行成像可实现高灵敏度，高速响应成像。谐波显微成像方法是一种三维光学成像技术，具有非线性光学成像特有的成像特性。谐波信号的激发需要高强度激光脉冲，因此仅在焦点区域才有谐波信号产生。非线性的强局域效应减少了成像时焦点外的背景噪声干扰，具有很高的信噪比。谐波信号是样品自身产生的非线性效应，不需要外在荧光标记，从而不影响生物样品的活性。谐波信号的激发通常使用近红外的激发光，可以实现很高的探测深度。二次谐波的产生需要样品不具有反转对称性。三次谐波的产生则对样品的特性无要求。二次谐波、三次谐波可以反映样品的不同结构信息，联合探测可以实现样品结构信息的互补。

在对活体生物组织进行高深度成像时，由于样品自身光学特性的不均匀性以及折射率失配，成像过程中存在明显的像差。谐波显微成像过程作为高阶非线性光学过程，对像差极其敏感。像差的存在会降低谐波信号的强度以及成像质量。且探测深度越大，像差的影响就越大。一些具有重大研究意义的细节信息会因为像差的存在而无法成像。为了实现大深度高质量的成像，必须对生物样品引起的像差进行校正。

因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够同时对样品进行二次谐波、三次谐波的联合探测，并通过数据处理，实现二次、三次谐波图像的融合和信息的互补。此外，在利用谐波显微成像进行大深度探测时，能够对样品引起的像差进行校正。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种自适应二次三次谐波联合探测显微成像方法及装置。本发明在谐波显微成像装置中的探测路径上同时设置了二次谐波探测模块和三次谐波探测模块，利用二向色镜和滤光片实现二次谐波信号和三次谐波信号的分离和滤波，采用独立的光电探测器分别对二次谐波、三次谐波信号进行探测；在系统中引入自适应像差校正装置，用于校正对样品大深度探测时存在的像差。本发明克服了传统谐波显微成像探测模式单一以及大深度探测时存在像差的挑战。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种自适应二次三次谐波联合探测显微成像装置，其特征在于所述装置包括：激光扫描系统、自适应像差校正系统、谐波信号激发系统、谐波信号探测系统、宽场成像系统、以及图像重建与数据处理系统；

其中：所述激光扫描系统包括超短脉冲激光光源、光开关、光束变换单元，以及光束扫描元件；超短脉冲激光光源用于提供产生谐波信号的激发脉冲光，光开关用于激发光的开关控制，光束变换单元用于调整所述激发脉冲光光束尺寸，光束扫描元件用于激发光对样品的扫描。