[发明专利]一种随机交错投影的无监督压缩拉曼高光谱成像方法

说明书

本发明公开了一种随机交错投影的无监督压缩拉曼高光谱成像方法，包括：产生激光点阵，并行激发多个位点的拉曼散射；将拉曼散射随机交错地投影到成像光谱仪的输入平面上，在光谱采集探测器上形成多条压缩光谱带；从压缩光谱带中提取压缩的二维高光谱数据，利用高光谱重建算法在压缩感知框架下求解线性逆问题，重构出原始的三维高光谱图像。采用本发明方法可以将传统共聚焦拉曼高光谱成像的速度提高3个数量级以上；能够在没有光谱先验知识和模型训练的情况下准确重构高光谱图像；能够在高压缩比(50)下同时在空间维度和光谱维度获得高保真度和高分辨率图像重建；本发明成像方法可拓展到不同形式的光谱成像技术，譬如红外高光谱成像等。

技术领域

本发明属于高光谱成像领域，更具体的，涉及一种随机交错投影的无监督压缩拉曼高光谱成像技术。

背景技术

拉曼光谱(Raman spectroscopy)是一种利用分子化学键的固有振动模式来检测分子的分析方法。由于其无标记、无损的优点，拉曼光谱已广泛应用于药物筛选、医疗诊断、材料表征和环境监测等领域。将激光扫描与拉曼光谱相结合的共聚焦显微拉曼成像技术，可以无标记、高分辨率地提供样品中特定分子的空间分布情况。目前共聚焦拉曼成像常采用光栅扫描方案，但由于自发拉曼的散射横截面非常小，对空间每一位点进行采样时需要较长的积分时间，因此对大尺度空间进行成像时耗时长，严重降低了高光谱成像技术的分析通量。更严重的是，当共聚焦拉曼高光谱成像应用于光强敏感的场景时，如活体生物样本和纳米结构材料成像，高功率激光的长时间照射会产生光损伤效应，需要降低激发光功率，进一步延长了光谱的采集时间。

光谱激发和探测并行化是提高共聚焦拉曼高光谱成像速度的一种方法。例如，通过微透镜阵列或分时复用技术产生聚焦激光点阵，并行激发样品上多个位点的拉曼散射，最后将产生的散射光谱投影到阵列探测器的不同行像素上，形成多个无串扰的光谱带，从而同时采集多个焦点处的拉曼光谱。该方法本质上是采用多个光谱采集通道并行化数据采集达到提高数据采集效率的目的，但是该方法的采集速度最终受到光谱采集相机宽度的限制，无法进一步提高。

压缩感知技术是另一种光谱采集策略，它在加快光谱采集速度的同时减少了数据存储量，近年来受到了广泛的关注。拉曼光谱通常情况下只包含少量的化学特征或本征谱成分，因此只需少量精心设计的测量就足以捕捉这些特征信息或者恢复全光谱。其中，有监督的拉曼成像方法正是利用这些本征谱作为先验知识，求解线性可逆问题从而实现高光谱的重建。虽然已经取得了很大成功，但是该类方法难以应用于测量对象未知或者动态变化的场合。正因为如此，无监督的压缩拉曼成像方法是提高共聚焦拉曼成像速度的技术发展趋势。目前虽然有若干无监督压缩拉曼成像方法的成功案例，但是这些基于空间或者光谱维度随机欠采样的方法主要有两方面的问题：(1)利用微反射镜阵列(DMD)在空间或者光谱维度进行随机欠采样时，DMD总是有一半的像素处于关闭状态，减少了一半原本就比较微弱的拉曼信号；(2)这些方法在较高的压缩比时通常难以同时兼顾空间维度和光谱维度的保真度以及分辨率。

发明内容

针对上述现有技术，基于上述问题，本公开提供了一种随机交错投影的无监督压缩拉曼高光谱成像技术，解决现有技术在高压缩比(50)下难以同时在空间维度和光谱维度获得高保真度图像重建的问题。该技术采用二维聚焦激光点阵并行激发样品中多个位置的拉曼散射，并在成像光谱仪输入端对拉曼散射的投影位置进行随机交错排列，继而将三维的光谱数据压缩在二维的光电探测器上，仅需一次曝光即可采集整个空间尺度的全部光谱信息。在此基础上，该技术在压缩感知框架下通过高光谱重建算法，在无需任何先验知识的条件下，在空间维度和光谱维度准确地重建出样品的高光谱图像，最终将共聚焦拉曼高光谱成像的速度提高了3个数量级以上。