[发明专利]高吞吐量高光谱成像系统

说明书

提供了一种高吞吐量高光谱成像系统(100)。根据本发明的一个方面，一种系统包括：激发光源(110)；物镜(140)，被配置为将激发光成像到样本(150)上，使得激发光使样本发射荧光；通道分离器(170)，被配置为将荧光分离成多个空间分散的光谱通道；以及传感器(180)。激发光源(110)包括光源和多个小透镜阵列。每个小透镜阵列被配置为接收来自光源的光并产生光的图案，并且由小透镜阵列产生的光的图案被组合以形成激发光。物镜被配置为同时对光的每个图案进行成像，以在样本的不同深度处形成多条平行线或圆形斑点阵列。

相关专利的交叉引用

本申请要求根据35 U.S.C第119条于2018年1月22日提交的美国临时专利申请第62/620,137号的优先权，出于所有目的，通过引用将其全部内容合并于此。

背景技术

高光谱成像系统从样本中收集光，并将其在空间上分散到波长光谱或窄光谱带中。例如，激发光可以聚焦在样本上，并且可以收集由来自样本的荧光产生的发射光。高光谱图像包括一组光谱图像，每个光谱图像是在不同波长或光谱带上获取的二维空间图像。组合光谱图像以形成三维(x，y，λ)高光谱数据立方体，其中x和y代表两个空间维，而λ代表光谱维。

高光谱成像可以用于分析生物样本。最大化来自生物样本的信息吞吐量可能有助于区分不同的细胞类型和组织类型。高吞吐量可能在外科手术环境中有助于在手术台上做出快速决策，或有效地建立用于机器学习应用程序的信息数据库。此外，高吞吐量可以能够捕获快速动力学或运动，或研究细胞信号动力学或蛋白质扩散。

一些高光谱成像系统在发射路径中使用可调滤光片，诸如液晶滤光片，以合理的高光谱分辨率(～5-10nm)捕获荧光。然而，这种方法遭受漂除(bleaching)的缺点，因为滤光片使用吸收来选择性地捕获一小段荧光。漂除是有问题的，因为荧光团通常具有在变暗之前能够发射的有限数量的光子。对于可调滤光片而言，漂除尤其成问题，因为在扫描滤光片时，它会导致发射强度发生变化，使用光谱解混以从高光谱数据中估计荧光团浓度时扭曲光谱并引起误差。而且，这些系统使用广域方法，防止执行共聚焦或深度切片，这使其在使用厚组织样本时会出现问题。

其他高光谱成像系统使用数字微镜设备(DMD)或圆柱小透镜阵列在样本上产生图案化的照明。光栅或棱镜结构将荧光在空间上分散在二维成像传感器上，以获取高光谱图像。然后在整个样本上扫描图案化的照明(或在样本照明保持固定的情况下扫描样本)以获得高光谱数据立方体。这些系统减少了漂除，因为收集了所有激发光子，并且由于一次收集了整个光谱，因此光谱失真进一步减小。此外，这些系统可以提供深度切片，从而可以与较厚的组织样本一起使用。然而，这些系统依赖于一次扫描一个深度或一次扫描一个激发激光器，从而限制了数据采集速度和吞吐量。

发明内容

本发明的示例性实施例提供了高吞吐量高光谱成像系统。根据本发明的一个方面，一种系统包括：激发光源，被配置为发射激发光；物镜，被配置为接收来自激发光源的激发光并将激发光成像到样本上，使得激发光使样本发射荧光；通道分离器，被配置为接收来自样本的荧光并将荧光分离成多个空间分散的光谱通道；以及传感器，被配置为从通道分离器接收多个空间分散的光谱通道。激发光源包括光源和多个第一小透镜阵列。多个第一小透镜阵列中的每一个被配置为接收来自光源的光并产生光的图案，并且由多个第一小透镜阵列产生的光的图案被组合以形成激发光。物镜被配置为在样本的不同深度处同时对光的每个图案进行成像以形成多条平行线或圆形斑点阵列。

在一些实施例中，通道分离器可以包括具有多个第一反射元件的反射层，其中多个第一反射元件中的每个第一反射元件被配置为反射由光的图案的第一光的图案产生的荧光的第一部分；图案化的层，被配置为透射由光的图案的第二光的图案产生的荧光的第二部分；第一分散光学器件，被配置为接收来自反射层的荧光的第一部分，并在空间上分散荧光的第一部分的光谱分量；以及第二分散光学器件，被配置为接收来自反射层的荧光的第二部分，并在空间上分散荧光的第二部分的光谱分量。