激發(fā)光的激發(fā)光源模塊101 ;接收所述多色激發(fā)光后形成準直激發(fā)光的 光纖耦合與全內(nèi)反射模塊102 ;對所述準直激發(fā)光進行成像、掃描、空間調(diào)制及探測的整合 模塊103 ;控制所述激發(fā)光源模塊、光纖耦合與全內(nèi)反射模塊以及整合模塊的時序電機控 制模塊以及探測采集到的數(shù)據(jù)，并進行隨機重構成像處理和壓縮感知處理的成像采集分析 軟件包104。
[0038] 所述激發(fā)光源模塊101包括兩組用于分別輸出不同波長的多色單模激光的連續(xù) 激光器1、對該多色單模激光進行強度和相位調(diào)制的二分之一波片2和偏正分束器3、通過 其開關進行時序與同步控制的光閘4、依次接收光閘輸出的二向色鏡5和銀鏡6 ;所述二向 色鏡5和銀鏡6將兩個方向的多色單模激光統(tǒng)一入射至一光纖親合器7中形成隨機重構光 學成像的多色激發(fā)光并輸入至光纖耦合與全內(nèi)反射模塊102中。
[0039] 所述光纖耦合與全內(nèi)反射模塊102包括用以精確控制多色激發(fā)光源空間位置的 第一反射鏡9和第二反射鏡8以及用于控制多色激發(fā)光聚焦于物鏡的后焦平面的聚焦透鏡 10。
[0040] 所述整合模塊103包括放置探測物16的三維納米平移臺、依次接收光纖耦合與全 內(nèi)反射模塊102輸出的準直激發(fā)光的色鏡14和物鏡15以及采用整體隨機的測量模式對信 號進行探測的壓縮感知系統(tǒng)。
[0041] 所述壓縮感知系統(tǒng)包括對探測物16發(fā)出的寬帶熱光進行窄帶濾波的濾光片13、 將探測物16按點到點方式成像于前置成像面的前置成像透鏡、對前置成像面上每一點發(fā) 出的光場經(jīng)過自由傳輸后進行空間隨機相位調(diào)制的空間隨機相位調(diào)制器12、將空間隨機相 位調(diào)制器12輸出的光形成散斑場于設有多個光電探測單元的探測面上；所述多個光電探 測單元在探測面上隨機排布形成陣列，對光子數(shù)分布進行隨機采樣探測以及收集空間隨機 相位調(diào)制器輸出的信噪比較高的熒光信號的電子倍增電荷耦合器11。
[0042] 本發(fā)明還包括一種實現(xiàn)快速隨機光學重構成像方法，該方法包括以下步驟：
[0043] 1)、激發(fā)光源模塊產(chǎn)生多色激發(fā)光并輸出；
[0044] 2)、光纖耦合與全內(nèi)反射模塊接收所述多色激發(fā)光后形成準直激發(fā)光并輸出；
[0045] 3)、整合模塊接收所述準直激發(fā)光并對所述準直激發(fā)光進行成像、掃描、空間調(diào)制 及探測；
[0046] 同時，時序電機控制模塊控制所述激發(fā)光源模塊、光纖耦合與全內(nèi)反射模塊以及 整合模塊；成像采集分析軟件包探測采集到的數(shù)據(jù)，并進行隨機重構成像處理和壓縮感知 處理。
[0047] 本發(fā)明研制的快速隨機光學重構成像系統(tǒng)中的激發(fā)光源模塊101提供多色單模 激光源，經(jīng)過二向色鏡6,銀鏡5和光纖耦合器7,進入光纖耦合與全內(nèi)反射模塊102進行 全內(nèi)反射調(diào)制，成像、掃描、空間調(diào)制與探測整合系統(tǒng)模塊103將光纖耦合與全內(nèi)反射模塊 102輸出的準直激發(fā)光經(jīng)二向色鏡14和物鏡15,大角度照射在樣品表面，由于全內(nèi)反射效 應，使得只有探測物表面的熒光基團被激發(fā)，大大降低了背景噪聲的影響，信噪比較高的熒 光信號通過物鏡15的另一邊緣返回，經(jīng)過二向色鏡14和濾光片13,被空間隨機相位調(diào)制器 12進行空間調(diào)制后，最終由電子倍增電荷耦合器11收集。
[0048] 本發(fā)明中所述的整合模塊103采用了整體隨機的測量模式對信號進行探測，其設 計實現(xiàn)了上述基于壓縮感知系統(tǒng)原理，濾波片13和二向色鏡14對通過物鏡15收集到的探 測物體16發(fā)出的熒光進行濾波，探測物16的像面上每一點發(fā)出的熒光光場經(jīng)過自由傳輸 后，由空間隨機相位調(diào)制器12對它進行空間隨機相位調(diào)制，最終在電子倍增電荷耦合器11 的探測面上形成散斑場。由于探測物16的熒光信號中各點光源可近似為空間不相干，這些 點光源形成的散斑場在探測面上按強度疊加。多個光電探測單元在探測面上隨機排布形成 陣列，對光子數(shù)分布進行隨機采樣探測。數(shù)據(jù)采集完之后，通過稀疏重構算法由探測到的原 始信號恢復出目標物體的圖像。
[0049] 所述時序電機控制模塊與成像采集分析軟件包將控制激發(fā)光源101、光閘4、全內(nèi) 反射模塊調(diào)節(jié)裝置102、探測物16的載物三維納米平移臺、以及電子倍增電荷耦合器11，對 其進行高精度的時序控制。此外，成像采集分析軟件包將主要處理采集到的大量數(shù)據(jù)，并進 行隨機重構成像處理和壓縮感知處理，最終獲得超高分辨率的圖像。
[0050] 本發(fā)明激發(fā)光源模塊101的設計要求激發(fā)光穩(wěn)定性強，光閘切換頻率高、切換時 間準確。
[0051] 所述光纖耦合與全內(nèi)反射模塊102首先將激發(fā)光源模塊101的激發(fā)光通過光纖接 入，通過在光纖耦合器7中耦合的微調(diào)裝置以達到準直的目的。由于隨機光學重構納米熒 光成像是弱信號甚至是單分子熒光現(xiàn)象的探測，需要用到全內(nèi)反射技術，只激發(fā)探測物體 表面的熒光標記物而不收集探測物體內(nèi)部的信號，從而提高信噪比，使得弱信號得以被采 集到。全內(nèi)反射技術要求激發(fā)光從物鏡的邊緣處入射，以大角度激發(fā)到探測物體表面，從物 鏡的另一邊緣處收集物體表面的熒光信號，從光纖耦合器7出來的激發(fā)光通過反射鏡8、9， 用以精確控制入射光的空間位置，然后經(jīng)過聚焦透鏡10,來控制激發(fā)光聚焦于物鏡的后焦 平面，獲得最佳的全內(nèi)反射效果。
[0052] 如何能夠在保證STORM其原有超高空間分辨率的同時能提高其時間分辨率，成為 拓展STORM成像技術的關鍵技術問題。在STORM的整個成像過程中，需要經(jīng)過足夠多次的 采樣，每次采樣只激活少數(shù)的熒光基團，探測系統(tǒng)也只采集了少量非零信號（對應于少數(shù) 的熒光基團發(fā)出的熒光信號）和大量的零信號或接近于零的信號，使得采樣信號在空間上 具有非常強的稀疏性。這一稀疏特性恰恰是壓縮感知理論運用的基礎，通過利用信號的稀 疏先驗，具備了壓縮采樣率，從而加快成像速度的能力。
[0053] 本發(fā)明利用了滿足稀疏約束條件的信號可以實現(xiàn)超分辨的能力的證明，圍繞這個 思路設計了基于稀疏約束的快速隨機光學重構方法。本發(fā)明設計了整體隨機光學調(diào)制器， 完美滿足了測量域與圖像域的非相干性，使得稀疏約束技術可以在此項目中發(fā)揮最大的功 效。本發(fā)明所研究體系具體從以下兩個方面對減少采樣率、加快成像速度做出了貢獻：1) 由于滿足了稀疏特性和非相干性，可以發(fā)揮稀疏約束的超分辨能力，使得信號在變換域中 范圍擴大后依舊能夠重構出信號，在空間域中能夠獲得更高的分辨率，這就意味著當采樣 率不變的情況下，可以獲得比傳統(tǒng)STORM更高的分辨率，或者在分辨率不變的條件下，可以 同時激活更多的熒光基團還依舊可以分辨，根據(jù)相關的實驗論證，這部分將使成像速度有 所提高；2)本發(fā)明所運用的壓縮感知技術本身可以通過稀疏先驗和對應的重構算法準確 恢復或以很大概率恢復原始信號。它所需的信號采樣數(shù)目遠少于奈奎斯特采樣定律所規(guī)定 的信號采樣數(shù)目，實際采樣次數(shù)m~klog(n/k)，其中k為稀疏度，這部分又將成像速度提 升。
[0054] 不同于傳統(tǒng)的逐點掃描測量模式，壓縮感知采用整體隨機的測量模式對信號進行 探測，在合適的信號稀疏表達域中，通過稀疏重構算法，用遠小于信號元素數(shù)目的采樣信號 以一定精度恢復出原始信號。本方案采用的"整體隨機"采樣模式使得在信號采集階段實 現(xiàn)了數(shù)據(jù)壓縮。運用壓縮感知理論有兩個重要核心，一是目標信號的稀疏表達，二是測量的 非相干性。目標的稀疏表達指的