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基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统及成像方法

阅读：625发布：2020-05-16

专利汇可以提供基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统及成像方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统及成像方法，能够实现较强的抗干扰能力，硬件消耗资源非常少，对文本本身的要求较少。本发明提出一种采用集束光纤及图像传感器 (CCD)配合替代DMD进行观测矩阵变化的新方法。将集束光纤中的一支连接传感器采集信号，其余分支连接可调制光源。各光源不同的开闭状态在照射目标上形成不同的光强分布，该光强分布即为观测矩阵由于光源可以简单地实现10-100KHz的调制，故观测矩阵的变化频率也可达到该速率。系统搭建完成后，先采用CCD对观测矩阵进行逐帧采集并记录，建立恢复模型，后实际观测过程中不再采集。该方法即可实现高速单像元成像。，下面是基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统及成像方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统，其特征在于，包括光纤光谱仪、多模光纤(1-6)、光纤耦合光源组(1-7)、第二准直透镜(1-8)、分束镜(1-9)、物镜(1-10)、样品台(1-11)、第二滤色片(1-12)、图像传感器(1-13)、信号处理设备(1-14)和计算机(1-15)；
其中，光纤耦合光源组(1-7)中各光源以不同开闭状态及输出功率情况形成不同激发光组合，不同激发光组合形成固定序列，所述光纤耦合光源组(1-7)依照固定序列依次发出激发光，每次的激发光均通过多模光纤(1-6)出射，经第二准直透镜(1-8)准直，穿过分束镜(1-9)后通过物镜(1-10)聚焦照射至样品台(1-11)上的样品上，形成有空间分布形态的结构光；
样品在结构光激发下发射荧光；荧光经物镜(1-10)聚焦后，在分束镜(1-9)处发生透射及反射，部分荧光反射穿透第二滤色片(1-12)后在图像传感器(1-13)上被检测到，另一部分荧光透射后通过第二准直透镜(1-8)汇聚进入多模光纤(1-6)；进入多模光纤(1-6)的荧光从对应光纤束中出射，经光纤光谱仪检测；信号处理设备(1-14)对光纤光谱仪及图像传感器(1-13)采集的荧光信号进行光电转换后传输至计算机(1-15)。
2.如权利要求1所述的基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统，其特征在于，所述光纤光谱仪用点或阵列单光子探测器(1-1)、孔径光阑(1-2)、汇聚透镜(1-3)、第一滤色片(1-4)以及第一准直透镜(1-5)组成的整体进行替换；
进入多模光纤(1-6)的荧光从对应光纤束中出射，经第一准直透镜(1-5)准直，第一滤色片(1-4)滤色，汇聚透镜(1-3)汇聚，孔径光阑(1-2)空间滤波后被点或阵列单光子探测器(1-1)检测；信号处理设备(1-14)对点或阵列单光子探测器(1-1)及图像传感器(1-13)采集的荧光信号进行光电转换后传输至计算机(1-15)。
3.如权利要求2所述的基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统，其特征在于，所述点或阵列单光子探测器(1-1)采用光电倍增管或雪崩二极管。
4.如权利要求1或2所述的基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统，其特征在于，多模光纤(1-6)采用一转多扇出光纤束，扇出数量大于或等于7。
5.如权利要求2所述的基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统，其特征在于，光纤耦合光源组(1-7)采用可调制的光源，通过占空比调制控制光源强度及开闭状态，光源数量与多模光纤(1-6)扇出数量减去点或阵列单光子探测器(1-1)数量相等。
6.如权利要求1或5所述的基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统，其特征在于，光纤耦合光源组(1-7)采用激光光源或LED光源。
7.如权利要求1或2所述的基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统，其特征在于，图像传感器(1-13)采用电荷耦合元件或互补金属氧化物半导体。
8.一种成像方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统，包括以下步骤：
步骤1，在样品台(1-11)放置均匀的标准荧光样品，光纤耦合光源组(1-7)中各光源以不同开闭状态及输出功率情况形成不同激发光组合，不同激发光组合形成长度为N的固定序列，光纤耦合光源组(1-7)依照固定序列依次发出激发光，每次激发光经多模光纤(1-6)出射，经第二准直透镜(1-8)准直，穿过分束镜(1-9)后通过物镜(1-10)聚焦照射至样品台(1-11)上的样品上，形成有空间分布形态的结构光；样品在结构光激发下发射荧光；荧光经物镜(1-10)聚焦后，在分束镜(1-9)处发生反射，穿透第二滤色片(1-12)后在图像传感器(1-13)上被检测到形成该次激发光对应的二维图像，该二维图像经过信号处理设备(1-14)成像传输至计算机(1-15)进行重构，重构为一个行向量，该行向量长度为图像总像素数M，所有激发光组合对应的行向量依照发出顺序记录为N行M列的观测矩阵φ；
步骤2，在样品台(1-11)放置目标样品，光纤耦合光源组(1-7)依照固定序列依次发出激发光，每次激发光经多模光纤(1-6)出射，经第二准直透镜(1-8)准直，穿过分束镜(1-9)后通过物镜(1-10)聚焦照射至样品台(1-11)上的样品上，形成有空间分布形态的结构光；
样品在结构光激发下发射荧光；荧光经物镜(1-10)聚焦后，在分束镜(1-9)处发生透射，经第二准直透镜(1-8)汇聚进入多模光纤(1-6)，进入多模光纤(1-6)的荧光从对应光纤束中出射，在光纤光谱仪上被检测到形成该次激发光对应的荧光强度值，所有激发光组合对应的荧光强度值依照发出顺序记录为N行的列向量Y；
步骤3，记待恢复样品图像重构的列向量为X，列向量Y、观测矩阵φ与X满足如下关系：
Y＝φ·X
其中·为矩阵相乘；
采用欠定方程求解算法求得X的近似值X’；
将X’反向重构为二维图像矩阵S，将S作为样品图像。
9.如权利要求8所述的成像方法，其特征在于，所述光纤光谱仪用点或阵列单光子探测器(1-1)、孔径光阑(1-2)、汇聚透镜(1-3)、第一滤色片(1-4)以及第一准直透镜(1-5)组成的整体进行替换；
进入多模光纤(1-6)的荧光从对应光纤束中出射，经第一准直透镜(1-5)准直，第一滤色片(1-4)滤色，汇聚透镜(1-3)汇聚，孔径光阑(1-2)空间滤波后被点或阵列单光子探测器(1-1)检测；信号处理设备(1-14)对点或阵列单光子探测器(1-1)及图像传感器(1-13)采集的荧光信号进行光电转换后传输至计算机(1-15)。

说明书全文

基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统及成像方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光学计算成像技术领域，具体涉及一种基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统及成像方法。

背景技术

[0002] 目前的高灵敏快速荧光检测技术主要包括单分子检测技术，时间分辨技术和超分辨率测量技术。其中针对高时间分辨率的成像技术中，荧光寿命成像显微镜(FLIM)是目前领域内使用较多的技术。但其中包含的纳米位移扫描平台稳定性差，扫描过程复杂，不仅制造成本增加，而且纳米材料和生物大分子的测试时间大大延长，因此成功率也受到显着影响。因此，同时进行实现高时间分辨率和被观察物体的相关光谱分析目前存在较大困难。

[0003] 现代数码相机使用光电检测器阵列来捕获图像，而单像元成像通过使用一系列掩模对场景进行采样并将这些掩模的分布与使用单像元检测器测量的相应强度相关联来重建图像。虽然在传统的可见成像中表现不如数码相机那么好，但已经证明单像元成像在非常规应用中是有利的。

[0004] 单像元相机作为一种新的成像方式，是探索数据稀疏性的一种典型应用。系统以一组观测矩阵及其对应的采样值Y作为算法输入，通过矩阵关系采用欠定方程求解方法求出图像X。

[0005] 2006年，RICE大学将压缩感知理论应用于成像系统，提出了单像元相机。该相机利用数字微镜阵列对光学图像进行线性采样，通过单个探测器元件测量采样值，利用重构算法重构出目标图像，从而实现单像元成像。单像元相机将图像采集和压缩合二为一，节省了储存资源和传输带宽，适用于传统方法无法拍摄的非可见光领域。如图1为单像元相机成像原理图和恢复图像效果。

[0006] 2014年中国科学院空间科学与应用研究中心的专利《TIME-RESOLVED SINGLE-PHOTON OR ULTRA-WEAK LIGHT MULTI-DIMENSIONAL IMAGING SPECTRUM SYSTEM AND METHOD》提出了基于压缩感知算法的高时间分辨率多光谱单光子成像算法。其实施方法如图2，光源1照射至样本后，通过滤光片或衰减片2、光学成像组件3、空间光调制器(SLM)或数字微镜(DMD)4、凹面镜5、光栅分光元件6、光汇聚和收集组件(多波长可切换)7后，进入点或阵列单光子探测器9，多通道测量仪10及高精度时间测量仪11处理探测器数据后进入数据包存储器14，通过压缩感知相关算法15进行计算。但该系统是基于空间光调制器(SLM)或数字微镜(DMD)进行压缩感知的随机矩阵生成，虽然单光子传感器能够达到皮秒级的响应速率，但受限于SLM及DMD的响应速率(100-300Hz左右)。

[0007] 目前绝大多数针对单像元相机的研究是采用数字微镜(DMD)依据设定观测矩阵进行翻转变化，同时以高灵敏传感器光电倍增管(PMT)或雪崩二极管(APD)采集对应的采样值Y。针对高速成像应用，与成像帧频相关的因素主要有观测矩阵频率、成像分辨率及图像压缩率，在成像分辨率及图像压缩率相同的情况下，观测矩阵帧频成为了制约成像帧频的主要原因。目前常用的DMD帧频在100-300Hz左右，也有20KHz高帧频DMD，但价格高昂，控制数据流庞大，使用条件较高。

发明内容

[0008] 有鉴于此，本发明提供了一种基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统及成像方法，能够实现较强的抗干扰能力，硬件消耗资源非常少，对文本本身的要求较少。

[0009] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统，其特征在于，包括光纤光谱仪、多模光纤、光纤耦合光源组、第二准直透镜、分束镜、物镜、样品台、第二滤色片、图像传感器、信号处理设备和计算机；

[0010] 其中，光纤耦合光源组中各光源以不同开闭状态及输出功率情况形成不同激发光组合，不同激发光组合形成固定序列，所述光纤耦合光源组依照固定序列依次发出激发光，每次的激发光均通过多模光纤出射，经第二准直透镜准直，穿过分束镜后通过物镜聚焦照射至样品台上的样品上，形成有空间分布形态的结构光；

[0011] 样品在结构光激发下发射荧光；荧光经物镜聚焦后，在分束镜处发生透射及反射，部分荧光反射穿透第二滤色片后在图像传感器上被检测到，另一部分荧光透射后通过第二准直透镜汇聚进入多模光纤；进入多模光纤的荧光从对应光纤束中出射，经光纤光谱仪检测；信号处理设备对光纤光谱仪及图像传感器采集的荧光信号进行光电转换后传输至计算机。

[0012] 其中，所述光纤光谱仪用点或阵列单光子探测器、孔径光阑、汇聚透镜、第一滤色片以及第一准直透镜组成的整体进行替换；

[0013] 进入多模光纤的荧光从对应光纤束中出射，经第一准直透镜准直，第一滤色片滤色，汇聚透镜汇聚，孔径光阑空间滤波后被点或阵列单光子探测器检测；信号处理设备对点或阵列单光子探测器及图像传感器采集的荧光信号进行光电转换后传输至计算机。

[0014] 其中，所述点或阵列单光子探测器采用光电倍增管或雪崩二极管。

[0015] 其中，多模光纤采用一转多扇出光纤束，扇出数量大于或等于7。

[0016] 其中，光纤耦合光源组采用可调制的光源，通过占空比调制控制光源强度及开闭状态，光源数量与多模光纤扇出数量减去点或阵列单光子探测器数量相等。

[0017] 其中，光纤耦合光源组采用激光光源或LED光源。

[0018] 其中，图像传感器采用电荷耦合元件或互补金属氧化物半导体。

[0019] 本发明还提供了一种成像方法，采用上述的基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统，包括以下步骤：

[0020] 步骤1，在样品台放置均匀的标准荧光样品，光纤耦合光源组中各光源以不同开闭状态及输出功率情况形成不同激发光组合，不同激发光组合形成长度为N的固定序列，光纤耦合光源组依照固定序列依次发出激发光，每次激发光经多模光纤出射，经第二准直透镜准直，穿过分束镜后通过物镜聚焦照射至样品台上的样品上，形成有空间分布形态的结构光；样品在结构光激发下发射荧光；荧光经物镜聚焦后，在分束镜处发生反射，穿透第二滤色片后在图像传感器上被检测到形成该次激发光对应的二维图像，该二维图像经过信号处理设备成像传输至计算机进行重构，重构为一个行向量，该行向量长度为图像总像素数M，所有激发光组合对应的行向量依照发出顺序记录为N行M列的观测矩阵φ；

[0021] 步骤2，在样品台放置目标样品，光纤耦合光源组依照固定序列依次发出激发光，每次激发光经多模光纤出射，经第二准直透镜准直，穿过分束镜后通过物镜聚焦照射至样品台上的样品上，形成有空间分布形态的结构光；样品在结构光激发下发射荧光；荧光经物镜聚焦后，在分束镜处发生透射，经第二准直透镜汇聚进入多模光纤，进入多模光纤的荧光从对应光纤束中出射，在光纤光谱仪上被检测到形成该次激发光对应的荧光强度值，所有激发光组合对应的荧光强度值依照发出顺序记录为N行的列向量Y；

[0022] 步骤3，记待恢复样品图像重构的列向量为X，列向量Y、观测矩阵φ与X满足如下关系：

[0023] Y＝φ·X

[0024] 其中·为矩阵相乘；

[0025] 采用欠定方程求解算法求得X的近似值X’；

[0026] 将X’反向重构为二维图像矩阵S，将S作为样品图像。

[0027] 其中，所述光纤光谱仪用点或阵列单光子探测器、孔径光阑、汇聚透镜、第一滤色片以及第一准直透镜组成的整体进行替换；

[0028] 进入多模光纤的荧光从对应光纤束中出射，经第一准直透镜准直，第一滤色片滤色，汇聚透镜汇聚，孔径光阑空间滤波后被点或阵列单光子探测器检测；信号处理设备对点或阵列单光子探测器及图像传感器采集的荧光信号进行光电转换后传输至计算机。

[0029] 有益效果：

[0030] 本发明提出一种采用集束光纤及图像传感器(CCD)配合替代DMD进行观测矩阵变化的新方法。将集束光纤中的一支连接传感器采集信号，其余分支连接可调制光源。各光源不同的开闭状态在照射目标上形成不同的光强分布，该光强分布即为观测矩阵由于光源可以简单地实现10-100KHz的调制，故观测矩阵的变化频率也可达到该速率。系统搭建完成后，先采用CCD对观测矩阵进行逐帧采集并记录，建立恢复模型，后实际观测过程中不再采集。该方法即可实现高速单像元成像。附图说明

[0031] 图1为单像元相机原理图与恢复结果示意图；

[0032] 图2为时间分辨率的单光子或超弱光多维成像光谱系统；

[0033] 图3为本发明基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统示意图。

[0034] 其中，1-1-点或阵列单光子探测器，1-2-孔径光阑，1-3-汇聚透镜，1-4-第一滤色片(可转轮切换)，1-5-第一准直透镜，1-6-多模光纤，1-7-光纤耦合光源组(多波长可切换)，1-8-第二准直透镜，1-9-分束镜，1-10-物镜，1-11-样品台，1-12-第二滤色片(可转轮切换)，1-13-图像传感器，1-14-信号处理设备，1-15-计算机。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

[0036] DMD(数字微镜)单帧翻转的频率一般在100-200Hz，通过5-10张图片重建，常见图像帧频在30-50Hz。而PMT(光电倍增管)或APD(雪崩二极管)等单像元传感器，带宽可达到10KHz-100KHz，光源调制后也可达到该带宽范围，目前实施例采用3KHz成像及调制速率，算法采用64张图片重建，帧频可达470Hz。该高速荧光成像方法在生物学观测、流式细胞等领域有较好的应用前景。

[0037] 基于上述基础，本发明采用光纤光谱仪替代点或阵列单光子探测器，可实现连续光谱成像。

[0038] 如图1所示，本发明基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统包括：光纤光谱仪、多模光纤1-6、光纤耦合光源组(多波长可切换)1-7、第二准直透镜1-8、分束镜1-9、物镜1-10、样品台1-11、第二滤色片(可转轮切换)1-12、图像传感器1-13、信号处理设备1-14和计算机1-15；

[0039] 改变光纤耦合光源组(多波长可切换)1-7中各光源的开闭状态及强弱，即可在样品上形成不同空间分布形态的激发光；通过图像传感器1-13采集不同空间分布形态的激发光，在计算机1-15内构建恢复模型；通过点或阵列单光子探测器1-1采集荧光强度，代入恢复模型，即可完成显微成像恢复。

[0040] 具体地，所述光纤耦合光源组(多波长可切换)1-7依照固定序列发出激发光；激发光通过多模光纤1-6出射，经第二准直透镜1-8准直，穿过分束镜1-9后通过物镜1-10聚焦照射至样品台1-11上的样品上，形成有空间分布形态的结构光；样品在结构光激发下发射荧光；荧光经物镜1-10聚焦后，在分束镜1-9处发生透射及反射，部分荧光反射穿透第二滤色片(可转轮切换)1-12后在图像传感器1-13上被检测到，另一部分荧光透射后通过第二准直透镜1-8汇聚进入多模光纤1-6；

[0041] 进入多模光纤1-6的荧光从对应光纤束中出射，经光纤光谱仪检测；信号处理设备1-14对光纤光谱仪及图像传感器1-13采集的荧光信号进行光电转换后传输至计算机1-15。

[0042] 其中，为了实现更好的灵敏度，光纤光谱仪可以用点或阵列单光子探测器1-1、孔径光阑1-2、汇聚透镜1-3、第一滤色片1-4(可转轮切换)以及第一准直透镜1-5组成的整体进行替换。进入多模光纤1-6的荧光从对应光纤束中出射，经第一准直透镜1-5准直，第一滤色片(可转轮切换)1-4滤色，汇聚透镜1-3汇聚，孔径光阑1-2空间滤波后被点或阵列单光子探测器1-1检测；信号处理设备1-14对点或阵列单光子探测器1-1及图像传感器1-13采集的荧光信号进行光电转换后传输至计算机1-15。

[0043] 点或阵列单光子探测器1-1采用光电倍增管(PMT)或雪崩二极管(APD)。

[0044] 多模光纤1-6采用一转多扇出光纤束，扇出数量大于等于1-7。

[0045] 光纤耦合光源组(多波长可切换)1-7采用激光光源、LED光源等可高速调制的光源，通过占空比调制控制光源强度及开闭状态，光源数量与多模光纤1-6扇出数量减去点或阵列单光子探测器1-1数量相等。

[0046] 图像传感器1-13采用电荷耦合元件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)。

[0047] 本发明还提供了一种基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统的成像方法，包括以下步骤：

[0048] 步骤1，在样品台1-11放置均匀的标准荧光样品，光纤耦合光源组(多波长可切换)1-7中各光源以不同开闭状态及输出功率情况形成不同组合，形成固定序列，序列长度为N。
光纤耦合光源组(多波长可切换)1-7依照固定序列发出激发光，激发光经多模光纤1-6出射，经第二准直透镜1-8准直，穿过分束镜1-9后通过物镜1-10聚焦照射至样品台1-11上的样品上，形成有空间分布形态的结构光；样品在结构光激发下发射荧光；荧光经物镜1-10聚焦后，在分束镜1-9处发生反射，穿透第二滤色片(可转轮切换)1-12后在图像传感器1-13上被检测到，经过信号处理设备1-14成像传输至计算机1-15，该二维图像重构后记录为二维观测矩阵中一行，该行长度为图像总像素数M，所有荧光图像通过图像传感器1-13成像存入计算机1-15并重构为观测矩阵该矩阵由N行M列构成；

[0049] 步骤2，在样品台1-11放置目标样品，光纤耦合光源组(多波长可切换)1-7依照固定序列发出激发光，激发光经多模光纤1-6出射，经第二准直透镜1-8准直，穿过分束镜1-9后通过物镜1-10聚焦照射至样品台1-11上的样品上，形成有空间分布形态的结构光；样品在结构光激发下发射荧光；荧光经物镜1-10聚焦后，在分束镜1-9处发生透射，经第二准直透镜1-8汇聚进入多模光纤1-6，进入多模光纤1-6的荧光从对应光纤束中出射，经第一准直透镜1-5准直，第一滤色片(可转轮切换)1-4滤色，汇聚透镜1-3汇聚，孔径光阑1-2空间滤波后被点或阵列单光子探测器1-1检测；点或阵列单光子探测器1-1依固定序列采集，获得长度为N的荧光强度列向量Y；

[0050] 步骤3，记待恢复二维图像矩阵的列向量重构形式为X，则荧光强度列向量Y、观测矩阵与待恢复图像X满足如下关系：

[0051]

[0052] 其中·为矩阵相乘。上式中荧光强度列向量Y与观测矩阵为已知，采用欠定方程求解算法求得X的近似值X’。将一维向量X’重构为二维图像矩阵S，则S为样品图像；由于观测矩阵完全靠CCD采集获取，对于荧光成像的单波段系统可以较为准确的获取观测矩阵信息，而可见光全波段系统由于存在散射、反射、激发等各种光照情况，CCD采集观测矩阵无法准确作为恢复信息，故该方法只可应用于多光谱成像。

[0053] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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