近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院張鵬飛副教授、高峰教授等報(bào)道了一種基于散射隨機(jī)交錯投影的共聚焦拉曼高光譜成像方法，簡稱SIRI (Scattering Interleaved Raman Imaging)，僅需單次曝光即可采集物體的三維高光譜圖像。
拉曼光譜是一種利用分子振動的指紋特征來對物質(zhì)進(jìn)行檢測的光譜分析技術(shù)，具有非接觸、無標(biāo)記以及非侵入式測量等諸多優(yōu)點(diǎn)，在材料表征、環(huán)境監(jiān)測、藥物研發(fā)、食品安全檢測以及醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。拉曼光譜與共聚焦顯微鏡相結(jié)合的共聚焦拉曼成像技術(shù)，不僅能夠?qū)悠分械姆肿咏M份進(jìn)行識別，還能夠?qū)λ鼈兊目臻g分布進(jìn)行高分辨率的成像。然而，自發(fā)拉曼散射信號極其微弱，通常需要較長的積分時(shí)間。基于單點(diǎn)激發(fā)和光柵掃描的傳統(tǒng)高光譜成像方法因此非常耗時(shí)。應(yīng)用于活體生物樣品以及微納材料結(jié)構(gòu)成像時(shí)，為了避免光損傷效應(yīng)，難以通過提高激發(fā)功率來降低光譜采集時(shí)間，這種局限性表現(xiàn)得尤為突出。
SIRI采用高速掃描振鏡產(chǎn)生時(shí)間上平均的二維激光陣列，并行激發(fā)樣品中多達(dá)1600（40×40）個(gè)位置的拉曼散射，并利用另外一對掃描振鏡同步掃描退掃描后的拉曼散射，對其投影位置進(jìn)行調(diào)控。在成像光譜儀的輸入平面上，激光陣列所激發(fā)的拉曼散射雖仍然以二維陣列的方式排列，但是同一行焦點(diǎn)所激發(fā)的拉曼散射的投影位置被隨機(jī)地置換，呈現(xiàn)出交錯排列的構(gòu)型。在成像光譜儀內(nèi)部，隨機(jī)編碼的三維高光譜信息被剪切后最終壓縮在光譜采集CCD上，形成二維的壓縮光譜圖像。
圖1. SIRI成像方法實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
SIRI的交錯投影方式避免了在光譜壓縮過程中相鄰空間像素點(diǎn)的拉曼譜峰之間的重疊，有效地對高光譜重建病態(tài)逆問題的求解空間進(jìn)行了壓縮。數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)合總變分（Total variation, TV）或者海森（Hessian）正則化，SIRI能夠以非常高的保真度從壓縮的二維光譜數(shù)據(jù)中重建出原始的三維高光譜信息，能夠?qū)⒐簿劢估吖庾V成像的速度提高三個(gè)數(shù)量級。此外，與常用的TV正則化方法相比，該課題組提出的海森正則化方法將二次梯度空間的最大稀疏性作為約束條件，不僅避免了邊緣過度銳化的問題，而且提高了重建圖像的空間分辨率和光譜保真度。
圖2. SIRI成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果
該成果近日在光學(xué)頂級期刊《Optica》(IF=11.1)上發(fā)表，題目為“Compressive hyperspectral Raman imaging via randomly interleaved scattering projection”。文章第一作者為天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院碩士研究生苑航，通訊作者為張鵬飛副教授，高峰教授參與并指導(dǎo)了論文的研究工作。
