(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210146738.3 (22)申请日 2022.02.17 (71)申请人 中国科学院西安 光学精密机 械研究 所 地址 710119 陕西省西安市高新区新型工 业园信息大道17号 (72)发明人 李亚晖　李杭　田进寿　何凯　 高贵龙　张敏睿　薛彦华　 (74)专利代理 机构 西安智邦专利商标代理有限 公司 6121 1 专利代理师 董娜 (51)Int.Cl. G01N 21/64(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种基于条纹相机的高光谱荧光寿命成像 系统及方法 (57)摘要 本发明提供一种基于条纹相机的高光谱荧 光寿命成像系统及方法， 解决现有光谱荧光寿命 成像技术存在获取速度慢、 光谱分辨率低， 或数 据获取时间在分钟甚至小时量级、 光谱分辨通道 数受限的问题。 该系统包括脉冲光源模块、 脉冲 光耦合模块、 脉冲光编码模块、 编码图样耦合模 块、 分束器、 设在分束器两个出射光路的显微镜 和信号处理单元及同步控制模块； 脉冲光源模块 产生的脉冲光经脉冲光耦合模块、 脉冲光编码模 块、 编码图样耦 合模块、 分束器、 显微镜成像于样 品表面， 样品经激发后产生的荧光信号经显微 镜、 分束器进入信号处理单元； 信号处理单元包 括依次设在分束器出射光路上的信号聚焦模块、 光谱分光模块、 条纹相机和数据处 理模块。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 114705661 A 2022.07.05 CN 114705661 A 1.一种基于条纹相机的高光谱荧光寿命成像系统， 其特征在于： 包括照明光编码单元 (01)、 分束器(5)、 显微镜(6)、 信号处 理单元(02)和同步控制模块(13)； 所述照明光编码单元(01)包括脉冲光源模块(1)以及沿脉冲光源模块(1)出射光路依 次设置的脉冲光耦合模块(2)、 脉冲光编码模块(3)、 编码图样耦合模块(4)； 所述脉冲光源模块(1)用于产生脉冲光， 激发样品(7)中的外源标记荧光分子或内源荧 光分子， 脉冲光波长在荧 光分子的激发光谱范围内， 单 脉冲宽度在飞秒到皮秒量级； 所述脉冲光耦合模块(2)用于将脉冲光源模块(1)产生的脉冲光进行匀滑、 扩束和准 直， 并耦合照明至脉冲光编码模块(3)； 所述脉冲光编码模块(3)用于将脉冲光耦合模块(2)处 理后的脉冲光进行编码； 所述编码图样耦合模块(4)用于将编码后的脉冲光进行耦合， 产生照明光； 所述分束器(5)位于编码图样耦合模块(4)的出射 光路上； 所述显微镜(6)和信号处理单元(02)分别位于分束器(5)的两个出射光路； 显微镜(6) 用于将分束器(5)出射的照明光成像于样 品(7)表面， 以及用于收集样 品(7)经照明光激发 后产生的荧光信号， 分束器(5)用于将显微镜(6)收集的荧光信号出射至信号处理单元 (02)； 所述信号处理单元(02)包括依次设在分束器(5)出射光路上的信号聚焦模块(9)、 光谱 分光模块(10)、 条纹相机(1 1)和数据处 理模块(12)； 所述信号聚焦模块(9)用于将荧光信号聚焦在光谱分光模块(10)的入口处， 形成点荧 光信号； 所述光谱分光模块(10)用于将点 荧光信号展开 为一维荧光光谱信号； 所述条纹相机(11)用于对一维荧光光谱信号进行高时间分辨成像， 并输出N张条纹相 机(11)图像； 所述数据处理模块(12)用于处理条纹相机(11)输出的N张条纹相机(11)图像， 输出高 光谱荧光寿命图像； 所述同步控制模块(13)同步控制脉冲光源模块(1)的脉冲 光产生、 脉冲 光编码模块(3) 图样的更新以及条纹相机(1 1)的曝光。 2.根据权利要求1所述基于条纹相机的高光谱荧光寿命成像系统， 其特征在于： 所述脉 冲光编码模块(3)的编码图案为高斯随机编码图案或哈达 玛编码图案或傅里叶编码图案 。 3.根据权利要求1所述基于条纹相机的高光谱荧光寿命成像系统， 其特征在于： 所述脉 冲光编码模块(3)为数字微镜阵列； 所述分束器(5)为 二向色镜分束器。 4.根据权利要求1至3任一所述基于条纹相机的高光谱荧光寿命成像系统， 其特征在 于： 所述显微镜(6)位于分束器(5)的反射光路上， 信号处理单元(02)位于分束器(5)的透射 光路； 所述信号处 理单元(02)还 包括位于分束器(5)和信号聚焦模块(9)之间的反射镜(8)。 5.一种基于条纹相机的高光谱荧 光寿命成像方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 1)脉冲光源模块(1)产生的脉冲光经脉冲光耦合模块(2)匀滑、 扩束和准直后， 照明至 脉冲光编码模块(3)； 2)脉冲光编码模块(3)将脉冲 光耦合模块(2)处理后的脉冲光进行编码， 然后编码图样权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114705661 A 2耦合模块(4)将编码后的脉冲光进 行耦合， 产生照明光,并与显微镜(6)配合， 将编码的照明 光图样耦合成像到样品(7)表面； 其中， 编码图样耦合模块(4)与显微镜(6)之间设有分束器(5)； 3)样品(7)经照明光激发后产 生荧光信号， 荧光信号经显微镜(6)收集、 分束器(5)及信 号聚焦模块(9)聚焦后， 聚焦于光谱分光模块(10)的入口处， 形成点 荧光信号； 4)光谱分光模块(10)将点 荧光信号展开 为一维荧光光谱信号； 5)条纹相机(11)对一维荧光光谱信号进行高时间分辨成像， 并输出N张条纹相机(11) 图像； 6)同步控制模块(13)控制所述脉冲光源模块(1)的脉冲光产 生、 脉冲光编码模块(3)图 样的更新以及条 纹相机(11)的曝光， 使 得条纹相机(11)输出N张条 纹图像， 每张条 纹图像对 应的编码图像不同； 7)数据处理模块(12)处理条纹相机(11)输出的N张条纹相机(11)图像， 输出高光谱荧 光寿命图像。 6.根据权利要求5所述基于条纹相机的高光谱荧光寿命成像方法， 其特征在于： 步骤1) 中， 脉冲光的单 脉冲宽度在飞秒到皮秒量级。 7.根据权利要求6所述基于条纹相机的高光谱荧光寿命成像方法， 其特征在于， 步骤7) 具体为： 数据处理模块(12)首先采用单像素重建算法处理条纹相机(11)图像每个像素对应的N 个采样数据， 重构出四维数据(x， y， λ， t)Mx×My×Ms×Mt， 再使用荧光寿命算法处理时间维 度信息， 重建出高光谱荧光寿命图像集Mx×My×Ms， 即获得Ms张尺寸为Mx×My的寿命图像， 每 张寿命图像对应于不同的光谱分辨 通道； 其中， Mx×My为编码图案尺寸， Mx和My分别为投影在样品(7)上的编码图案在空间横轴和 纵轴方向上的像素数， 单像素尺寸由脉冲光编码模块(3)中的数字微镜阵列的像素尺寸决 定； Ms×Mt为条纹相机(1 1)图像尺寸， Ms和Mt分别为条纹图像中光谱和时间轴上的像素 数。 8.根据权利要求7所述基于条纹相机的高光谱荧光寿命成像方法， 其特征在于： 步骤2) 中， 所述脉冲光编码模块(3)的编码图案为高斯 随机编码图案或哈达玛编码图案或傅里叶 编码图案； 步骤7)中， 所述单像素重建算法为压缩所感知算法或逆哈达 玛算法或逆傅里叶算法。 9.根据权利要求8所述基于条纹相机的高光谱荧光寿命成像方法， 其特征在于： 步骤7) 中， 所述荧光寿命算法为指数拟合 算法或快速荧 光寿命算法。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114705661 A 3