CN103018173A - 结构光照明层析显微成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种结构光照明层析显微成像系统，本系统主要包括结构光照明装置和成像装置。在结构光照明装置方面，照明光由三个中心波长相近但光谱互不重叠的窄带光或激光组成，三路光通过各自独立的投影路径，把格栅投影到样品上获得结构光照明；在成像装置方面，利用分光模块把不同波长的样品反射光投影到成像模块的不同感光区域并同时进行成像。本系统与现有的多次曝光结构光照明成像装置不同。本系统利用照明光颜色的不同，实现单次曝光的层析显微成像，从而可对动态目标进行快速成像研究。

Description

结构光照明层析显微成像系统

技术领域

本发明涉及光学显微成像领域，尤其涉及一种结构光照明层析显微成像系统。

背景技术

传统的宽场光学显微镜是部分相干成像系统，光学传递函数中某些频率成分不随着离焦距离的增加而衰减，因而系统不具备层析成像的能力。在弱光成像条件下考察系统光学传递函数，发现只有空间频率为零的成分不随着离焦而衰减。进一步研究发现，通过改变显微镜的照明系统，将具有单一空间频率的条纹格栅投射到样本，显微镜可以对条纹格栅投影到所在的焦面进行很好的成像，这样便可以获得标记有锐利的条纹的样本层析图像。在格栅位于不同的相对空间位置时进行三次成像，通过图像处理便可以获得宽场层析成像结果。

现有的结构光层析显微成像系统一般采用横向移动格栅的方式改变其相对空间位置，在不同的位置进行三次成像。这种方式需要对格栅的位置移动进行严格的控制并与摄像机同步操作，成像速度慢且只能用于观察静态的样本。另外，还有一种基于彩色CCD的结构光成像系统，采用不同颜色的格栅作为照明模式，虽然实现了不同空间位置的单次结构光成像，但是CCD探测得到的不同颜色光之间会存在严重的光谱串扰，而且由于光源采用宽谱光源，成像系统色差会极大的影响成像质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种稳定、快速以及单次曝光的结构光照明层析显微成像系统。

为了达到上述目的，本发明提供了一种结构光照明层析显微成像系统，用于样品层析成像，其特征在于，包括：

结构光照明装置，包括第一结构光装置、第二结构光装置、第三结构光装置、对应第一、第二结构光装置设置的第一分光镜、对应第三结构光装置和第一分光镜设置的第二分光镜以及对应第二分光镜设置的第一透镜，结构光由第一透镜出射，所述结构光装置均包括依次设置的光源、光束准直器和格栅；

成像装置，依次包括第二透镜、分光模块以及成像模块；

以及设置于结构光照明装置与成像装置的光路之间可将产生的结构光投影到样品的半透半反镜和显微物镜；

所述结构光经半透半反镜、显微物镜投影到样品，样品反射光经显微物镜、半透半反镜由成像装置接收，成像装置的分光模块将样品反射光分为三束，由成像模块接收。

优选的，所述各结构光装置的光源为中心波长相近但光谱互不重叠的窄带光源。

优选的，所述结构光照明装置包括三个光源，分别对应设置在第一结构光装置、第二结构光装置以及第三结构光装置中。

优选的，所述窄带光源为窄带LED或激光器或白光源和带通滤光片的组合。

优选的，所述各结构光装置的格栅的线状条纹密度相同。

优选的，所述成像模块设有三个不同的感光区域，三束样品反射光对应不同的感光区域。

优选的，所述成像模块为CCD或CMOS。

优选的，所述光源采用激光器时，分光模块为三角棱镜或光栅。

优选的，所述光源采用窄带LED或白光源和带通滤光片的组合时，分光模块为分光镜组。

优选的，所述系统还包括升降台，用于承载及移动样品。

本发明提供了一种结构光照明层析显微成像系统，与现有的多次曝光结构光照明成像装置不同。本系统利用照明光颜色的不同，实现单次曝光的层析显微成像，从而可对动态目标进行快速成像研究。本系统主要包括结构光照明装置和成像装置。结构光照明装置方面，照明光由三个中心波长相近但光谱互不重叠的窄带光或激光组成，三路光通过各自独立的投影路径，把格栅投影到样品上获得结构光照明。在成像装置方面，利用分光装置把不同波长的反射光投影到成像模块的不同感光区域并同时进行成像。与现有的结构光照明层析显微成像装置相比，本系统除减少了曝光次数外，还包括以下几个优点：（1）由于采用了中心波长相近的窄带光或激光，可以有效地消除色差对成像质量的影响；（2）三路照明光采用各自独立的格栅产生结构照明模式，反射光经分光装置后由成像模块的不同感光区域接受，减少了信号间的相互串扰。

附图说明

图1为本发明采用激光作为光源时的一种实施例的示意图。

图2为本发明采用窄带光源作为光源时的另一种实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种结构光照明层析显微成像系统，用于样品层析成像。

请参考图1，该实施例揭示了一种基于单色光源照明的结构光照明层析显微成像系统，该系统包括结构光照明装置10、成像装置20以及设置于结构光照明装置10与成像装置20的光路之间可将产生的结构光投影到样品51的半透半反镜53和显微物镜52。

所述成像装置20依次包括第二透镜54、分光模块55以及成像模块56。

所述结构光照明装置10包括第一结构光装置101、第二结构光装置102、第三结构光装置103、对应第一、第二结构光装置（101、102）设置的第一分光镜40、对应第三结构光装置103和第一分光镜40设置的第二分光镜41以及对应第二分光镜41设置的第一透镜42，结构光由第一透镜42出射，所述结构光装置（101、102、103）均包括依次设置的光源（11、21、31）、光束准直器（12、22、32）和格栅（13、23、33）。所述各结构光装置（101、102、103）包括三个中心波长相近但光谱互不重叠的窄带光源（11、21、31），分别对应设置在第一结构光装置101、第二结构光装置102以及第三结构光装置103中。所述窄带光源（11、21、31）为激光器，其对应采用的分光模块55为三角棱镜或光栅。所述结构光照明装置10中共有三个格栅（13、23、33），对应光源（11、21、31）设置，该等格栅（13、23、33）的线状条纹密度相同。

所述结构光经半透半反镜53、显微物镜52投影到样品51，样品反射光经显微物镜52、半透半反镜53由成像装置20接收，成像装置20的分光模块55将样品反射光分为三束，由成像模块56接收。所述成像模块56为CCD或CMOS，其设有三个不同的感光区域，三束样品反射光对应不同的感光区域。

在实施例中，所述系统还包括升降台50，用于承载样品51，通过样品51的移动从而使系统聚焦在样品51不同深度，实现层析成像。所述系统还包括与成像装置20连接的计算机（未图示）。

具体地，光源（11、21、31）可分别采用中心波长为642nm、658nm和670nm的单模激光二极管，三束激光经扩束、准直后，投射在各自光路中的格栅（13、23、33）上，经过透镜42、半透半反镜53和显微物镜52，格栅（13、23、33）条纹同时成像在样品51特定深度，三个格栅（13、23、33）的像在空间上具有三分之一条纹周期的横向平移。样品反射光经过显微物镜52、半透半反镜53和透镜54后，被分光模块55分为三束，在成像模块56三个不同的感光区域同时获得三幅不同的图像，通过图像处理获得样品51特定断面成像，再通过升降台50移动样品51，便可以获得样品51不同深度的层析成像。

请参考图2，为本发明的另一实施例，该实施例中与图1实施例不同之处在于光源（11、21、31）和分光模块55，故图2与图1采用相同的标号进行说明。

所述光源（11、21、31）采用窄带LED或白光源和带通滤光片的组合时，分光模块55为分光镜组，分光镜组包含三个分光镜。具体地，光源（11、21、31）采用中心波长依次为505nm、530nm、565nm，光谱带宽为10nm的窄带LED。三束光经扩束、准直后，投射在各自光路中的格栅（13、23、33）上，经过透镜42、半透半反镜53和显微物镜52，格栅（13、23、33）条纹同时成像在样品51特定深度，三个格栅（13、23、33）的像在空间上具有三分之一条纹周期的横向平移。样品反射光经过显微物镜52、半透半反镜53和透镜54后，被分光模块55分为三束，在成像模块56三个不同的感光区域同时获得三幅不同的图像，通过图像处理获得样品51特定断面成像，再通过升降台50移动样品51，便可以获得样品51不同深度的层析成像。

总体归纳，本系统主要包括结构光照明装置和成像装置。在结构光照明装置方面，照明光由三个中心波长相近但光谱互不重叠的窄带光或激光组成，三路光通过各自独立的投影路径，把格栅投影到样品上获得结构照明模式；在成像装置方面，利用分光模块把不同波长的样品反射光投影到成像模块的不同感光区域并同时进行成像。本系统与现有的多次曝光结构光照明成像装置不同。本系统利用照明光颜色的不同，实现单次曝光的层析显微成像，从而可对动态目标进行快速成像研究。

可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其他各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种结构光照明层析显微成像系统，用于样品层析成像，其特征在于，包括：

结构光照明装置，包括第一结构光装置、第二结构光装置、第三结构光装置、对应第一、第二结构光装置设置的第一分光镜、对应第三结构光装置和第一分光镜设置的第二分光镜以及对应第二分光镜设置的第一透镜，结构光由第一透镜出射，所述结构光装置均包括依次设置的光源、光束准直器和格栅；

成像装置，依次包括第二透镜、分光模块以及成像模块；

以及设置于结构光照明装置与成像装置的光路之间可将产生的结构光投影到样品的半透半反镜和显微物镜；

所述结构光经半透半反镜、显微物镜投影到样品，样品反射光经显微物镜、半透半反镜由成像装置接收，成像装置的分光模块将样品反射光分为三束，由成像模块接收。

2.根据权利要求1所述的结构光照明层析显微成像系统，其特征在于：所述结构光照明装置包括三个光源，分别对应设置在第一结构光装置、第二结构光装置以及第三结构光装置中。

3.根据权利要求2所述的结构光照明层析显微成像系统，其特征在于：所述各结构光装置的光源为中心波长相近但光谱互不重叠的窄带光源。

4.根据权利要求3所述的结构光照明层析显微成像系统，其特征在于：所述窄带光源为窄带LED或激光器或白光源和带通滤光片的组合。

5.根据权利要求1所述的结构光照明层析显微成像系统，其特征在于：所述各结构光装置的格栅的线状条纹密度相同。

6.根据权利要求1所述的结构光照明层析显微成像系统，其特征在于：所述成像模块设有三个不同的感光区域，三束样品反射光对应不同的感光区域。

7.根据权利要求1所述的结构光照明层析显微成像系统，其特征在于：所述成像模块为CCD或CMOS。

8.根据权利要求1所述的结构光照明层析显微成像系统，其特征在于：所述光源采用激光器时，分光模块为三角棱镜或光栅。

9.根据权利要求1所述的结构光照明层析显微成像系统，其特征在于：所述光源采用窄带LED或白光源和带通滤光片的组合时，分光模块为分光镜组。

10.根据权利要求1所述的结构光照明层析显微成像系统，其特征在于：所述系统还包括升降台，用于承载及移动样品。

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