[发明专利]高动态范围成像

说明书

一种用于从超快脉冲激光源生成一系列强度降低的激光脉冲的系统。强度降低的系列脉冲在来自所述激光源的脉冲之间间隔相等的时间。重复系列的强度降低的激光脉冲用于显微镜成像。所述显微镜能够检测系列中每个脉冲产生的、来自样本的荧光。利用已知的脉冲强度、测试样本上的位置和测得的荧光量处理数据，生成一个相对于普通双光子成像系统获得的图像而言动态范围增加的图像。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年02月01日提交的序列号为62/800,160的美国临时申请的优先权。该美国临时申请62/800,160的公开内容和全部教导在此通过引用方式并入本申请作。

技术领域

本发明涉及显微技术，更具体地，涉及一种在多光子显微技术中用于高动态范围成像的系统及方法。

背景技术

在激光扫描荧光显微镜中，同时吸收两个光子(或多个光子)进行分子激发可提供固有的三维分辨率。双光子显微镜和多光子显微镜已被广泛应用于测量完整大脑神经元群的动态过程(如钙动力学)，甚至是大脑在动物行为期间的动态过程。

可检测低至单光子水平的光的光电探测器，如光电倍增管(photomultipliertube，PMT)和硅光电倍增管(silicon photomultiplier，SiPM)，因成本低、灵敏度高且波长覆盖范围广而常被用于双光子显微镜系统中。在荧光显微镜中，激发样本时，样本某些结构的更多光子及其他结构会发出荧光。例如，在对神经元活动成像时，组织体的亮度比在神经网络中的活动要亮得多。样品结构的成像能力取决于背景信号和探测器检测到的光子数量。为了检测样本中的细微结构，需增加探测器的增益或积分时间。然而，增益或积分时间的增加受样本中最亮物体的限制，因为如果将增益或积分时间调整得太高，则最亮物体发出的光子会使包括探测器、放大器和数字化工具等在内的检测系统饱和。因此，荧光显微镜中使用的光电探测器、放大器和数字化工具的检测动态范围有限，因其检测范围受到视野内可同时检测的最大强度和最小强度的限制。当前成像技术的动态范围可达到约14位。然而，在某些成像应用中需要高达22-24位的高动态范围，例如，神经活动和精细神经结构的光学成像。因此，需要一种克服上述局限的方法，以对样本进行高动态范围成像。

发明内容

本发明的实施例提供了一种成像系统，包括：光源，配置成生成具有脉冲间隔的强度衰减的连续光脉冲；以及显微镜系统，配置成成像样本，并基于连续光脉冲的强度处理从样本检测到的信号。

此外，针对成像系统，本发明的实施例还提供了一种配置成生成一系列强度降低的激光脉冲的光源，包括：脉冲激光器，配置成生成具有重复间隔的光脉冲；第一分束器，配置成接收光脉冲，并将第一百分比光脉冲引导至延迟环路上以及输出第二百分比光脉冲；其中，延迟环路配置成将第一百分比光脉冲延时引导回第一分束器；并且其中，系统配置成通过在延迟环路中连续循环光脉冲，输出强度衰减且脉冲间隔等于延时的连续光脉冲。

此外，针对成像系统，本发明的实施例还提供了一种显微系统，包括：样本物镜，探测器，以及一个或多个光学元件，配置成将连续光脉冲引导至样本物镜；其中，样本接物镜配置成将连续光脉冲聚焦在样本内的焦平面上；其中，探测器配置成响应于聚焦的连续光脉冲，检测从样本内的焦平面发射的光。

本发明的实施例提供了一种成像方法，包括：通过光源生成具有脉冲间隔的强度衰减的连续光脉冲；以及成像样本，并基于连续光脉冲的强度处理从样本检测到的信号。

此外，针对成像方法，本发明的实施例还提供了一种用于生成一系列强度降低的激光脉冲的方法，包括：通过脉冲激光器生成具有重复间隔的光脉冲；通过第一分束器接收光脉冲，并将第一百分比光脉冲引导至延迟环路上以及输出第二百分比光脉冲；通过延迟环路将第一百分比光脉冲延时引导回第一分束器；以及通过在延迟环路中连续循环光脉冲，输出强度衰减且脉冲间隔等于延时的连续光脉冲。