时间：2022-11-27
近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院张鹏飞副教授、高峰教授等报道了一种基于散射随机交错投影的共聚焦拉曼高光谱成像方法，简称SIRI (Scattering Interleaved Raman Imaging)，仅需单次曝光即可采集物体的三维高光谱图像。
拉曼光谱是一种利用分子振动的指纹特征来对物质进行检测的光谱分析技术，具有非接触、无标记以及非侵入式测量等诸多优点，在材料表征、环境监测、药物研发、食品安全检测以及医学诊断等领域均得到了广泛的应用。拉曼光谱与共聚焦显微镜相结合的共聚焦拉曼成像技术，不仅能够对样品中的分子组份进行识别，还能够对它们的空间分布进行高分辨率的成像。然而，自发拉曼散射信号极其微弱，通常需要较长的积分时间。基于单点激发和光栅扫描的传统高光谱成像方法因此非常耗时。应用于活体生物样品以及微纳材料结构成像时，为了避免光损伤效应，难以通过提高激发功率来降低光谱采集时间，这种局限性表现得尤为突出。
SIRI 采用高速扫描振镜产生时间上平均的二维激光阵列，并行激发样品中多达1600（40×40）个位置的拉曼散射，并利用另外一对扫描振镜同步扫描退扫描后的拉曼散射，对其投影位置进行调控。在成像光谱仪的输入平面上，激光阵列所激发的拉曼散射虽仍然以二维阵列的方式排列，但是同一行焦点所激发的拉曼散射的投影位置被随机地置换，呈现出交错排列的构型。在成像光谱仪内部，随机编码的三维高光谱信息被剪切后最终压缩在光谱采集CCD上，形成二维的压缩光谱图像。
图1. SIRI成像方法实验装置示意图
SIRI的交错投影方式避免了在光谱压缩过程中相邻空间像素点的拉曼谱峰之间的重叠，有效地对高光谱重建病态逆问题的求解空间进行了压缩。数值仿真和实验结果表明，结合总变分（Total variation, TV）或者海森（Hessian）正则化，SIRI能够以非常高的保真度从压缩的二维光谱数据中重建出原始的三维高光谱信息，能够将共聚焦拉曼高光谱成像的速度提高三个数量级。此外，与常用的TV正则化方法相比，该课题组提出的海森正则化方法将二次梯度空间的最大稀疏性作为约束条件，不仅避免了边缘过度锐化的问题，而且提高了重建图像的空间分辨率和光谱保真度。
图2. SIRI成像实验结果
该成果近日在光学顶级期刊《Optica》(IF=11.1)上发表，题目为“Compressive hyperspectral Raman imaging via randomly interleaved scattering projection”。文章第一作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院硕士研究生苑航，通讯作者为张鹏飞副教授，高峰教授参与并指导了论文的研究工作。
论文链接：https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-8-11-1462&id=464760
