CN103257130B - 受激辐射损耗显微成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的受激辐射损耗显微成像系统包括激发光激光、第一二色镜、荧光激发和成像单元、损耗光激光、矢量光束调制单元及控制单元。荧光激发和成像单元包括：第二二色镜、XY振镜扫描部件、扫描透镜、筒镜、物镜、探测针孔及光电倍增管。本发明提供的受激辐射损耗显微成像系统采用矢量光束调制单元对入射的损耗光激光光束振幅、相位及偏振态进行调制，利用物镜光瞳处的损耗光波振幅、相位和偏振态来形成损耗光焦斑，在多物理量同时作用下，对损耗光焦斑进行细微而复杂的整形，使得生成的损耗光焦斑能够和激发光焦斑分布精确匹配，同时能够在保证一定信噪比的情况下使得损耗光焦斑中央暗区直径最小，使得该受激辐射损耗显微成像系统具有很高的光学分辨率。

Description

受激辐射损耗显微成像系统

技术领域

本发明涉及光学显微检测仪器设计及制造领域，尤其是涉及一种受激辐射损耗显微成像系统。

背景技术

超分辨光学显微术对生物医学和材料学等领域的研究具有革命性地推动作用，其研究进展在很多科学领域内都产生了深远的影响。受激辐射损耗（Stimulated Emission Depletion，STED）显微术是建立在激光共聚焦显微术基础上的一种光学超分辨显微术，是首先提出也是最直接地客服光学衍射极限的远场光学显微术，相对于其它类型的超分辨显微术，成像速度相对较快，能够对活细胞进行成像，在生物医学研究中可以探测更精细的结构，也为材料科学领域研究提供了新手段。STED超分辨显微术的分辨能力主要依赖于损耗光束，一个半峰全宽窄、中心光强为零的圆环形中空损耗光焦斑对于STED显微术分辨率影响至关重要，已成为STED超分辨显微术中的研究热点问题，是建造STED超分辨显微镜的基础。

为了形成好的圆环形中空损耗光焦斑，当前的STED超分辨显微系统中通常使用圆偏振光，通过一个0-2π的静态涡旋相位片进行调制以形成损耗光焦斑；此外，也展开了采用特殊的偏振光用以生成损耗光焦斑的研究，偏振状态的获得是靠玻片等静态光学元件将激光发出的线偏振光转换成某种固定的偏振态。

但是，当前STED显微系统中损耗光生成方法的缺点是显著的，主要表现在两方面：一、现有STED系统中的损耗光焦斑在理论上并不好，损耗光焦斑的影响因素是多方面的，这是由于光束是由振幅、相位、偏振态组成的矢量光束，矢量光束的这三个物理量均会影响到损耗光焦斑分布，当前的研究往往只从一个物理量研究损耗光焦斑，这样从理论上难以得到好的损耗光焦斑分布模型；二、损耗光实现时均采用静态的光学元件，STED超分辨系统的适用范围受到了限制，例如采用静态的涡旋相位片，在实验条件发生变化时实验效果会大打折扣，这是因为涡旋相位片只适用于一个较窄范围的损耗光波长，当用于损耗光的激光波长发生变化时，需要采用新的涡旋相位片。

发明内容

本发明的目的是：提供一种受激辐射损耗显微成像系统，该受激辐射损耗显微成像系统具有很高的光学分辨率。

本发明的技术方案是：一种受激辐射损耗显微成像系统，包括激发光激光、第一二色镜、荧光激发和成像单元、损耗光激光、矢量光束调制单元及控制单元；

所述荧光激发和成像单元包括：第二二色镜、XY振镜扫描部件、扫描透镜、筒镜、物镜、探测针孔及光电倍增管，其中，所述探测针孔位于所述成像镜头的焦点处；

所述矢量光束调制单元用于对入射的损耗光激光光束的振幅、相位及偏振态进行调制；

所述激发光激光出射的光束分别由所述第一二色镜、第二二色镜反射，再依次经所述XY振镜扫描部件、扫描透镜、筒镜和物镜后，聚焦于所述物镜焦点处并形成激发光焦斑，所述激发光焦斑激发待测组织样本中的荧光分子产生荧光；

所述损耗光激光出射的光束经所述矢量光束调制单元调制后透射所述第一二色镜，再经所述第二二色镜反射后、依次经所述XY振镜扫描部件、扫描透镜、筒镜和物镜后，聚焦于所述物镜焦点处并形成圆环形损耗光斑，所述圆环形损耗光斑损耗所述激发光焦斑周围激发态的荧光分子，使所述激发光焦斑周围的荧光分子不再产生荧光，而中央区域的荧光分子产生荧光；其中，所述圆环形损耗光斑中央光强为零；

所述荧光依次经所述物镜、筒镜、扫描透镜、XY振镜扫描部件后、再透射所述第二二色镜后进入所述成像镜头，并被所述成像镜头聚焦在所述探测针孔处，从所述探测针孔出射的荧光被所述光电倍增管探测，所述光电倍增管并将所述荧光转换为电信号；

所述控制单元还电性连接于所述XY振镜扫描部件和光电倍增管，用于同步采集所述光电倍增管的电信号与XY振镜扫描部件的位置坐标并进行关联，以生成待测组织样本区域图像。

下面对上述技术方案进一步解释：

所述矢量光束调制单元包括λ/2玻片、偏振分束棱镜、第一棱镜、第二棱镜、液晶空间光调制器、第一扩束镜、中空光阑及第二扩束镜，其中，所述中空光阑设于所述第一扩束镜焦点处；

所述损耗光激光出射的光束经所述λ/2玻片进入所述偏振分束棱镜，并在所述偏振分束棱镜的分束面分解为第一光束和第二光束，其中，所述第一光束和第二光束的偏振方向相互垂直，光强相同；

所述第一光束透射所述分束面后再经所述第一棱镜表面反射进入所述液晶空间光调制器，所述液晶空间光调制器对应的区域对所述第一光束的振幅和位相进行调制，调制后的第一光束再返回至所述第一棱镜，经所述第一棱镜表面反射后入射所述分束面，再经所述分束面反射出所述偏振分束棱镜；

所述第二光束经所述分束面反射后进入所述第二棱镜，再经所述第二棱镜表面反射进入所述液晶空间光调制器，所述液晶空间光调制器对应的区域对所述第二光束的振幅和位相进行调制，调制后的第二光束再返回至所述第二棱镜，经所述第二棱镜表面反射后入射所述分束面，再由所述分束面透射出所述偏振分束棱镜；

从所述偏振分束棱镜出射的第一光束和第二光束叠加形成合适偏振态的损耗光束，所述损耗光束依次经所述第一扩束镜、中空光阑及第二扩束镜后进入所述第一二色镜；

其中，所述第一扩束镜及第二扩束镜形成扩束望远镜，所述扩束望远镜用于对所述损耗光束直径进行缩放，使其和所述物镜的入射光瞳直径相匹配；所述中空光阑用于滤除所述液晶空间光调制器衍射形成的多级衍射杂光，只允许+1级衍射光透过。

所述控制单元与所述液晶空间光调制器电性连接，用于控制所述液晶空间光调制器对入射的损耗光激光光束的振幅、相位进行调制。

本发明的优点是：

1.本发明提供的受激辐射损耗显微成像系统采用矢量光束调制单元对入射的损耗光激光光束的振幅、相位及偏振态进行调制，利用物镜光瞳处的损耗光波振幅、相位和偏振态来形成损耗光焦斑，在多物理量同时参与作用下，能对损耗光焦斑进行细微而复杂的整形，使得生成的损耗光焦斑能够和激发光焦斑分布精确匹配，同时能够在保证一定信噪比的情况下使得损耗光焦斑中央暗区直径最小，使得该受激辐射损耗显微成像系统具有很高的光学分辨率。

2.本发明提供的受激辐射损耗显微成像系统利用矢量光束动态调制单元对光瞳处的光波振幅、相位、偏振态进行动态调制，采用软件编程控制的方法，可以在不同的光波振幅、相位和偏振态之间进行快速切换，当荧光物质发生改变时，只进行简单的编程或只对程序参数进行简单的修改，就很快能够生成新的适用于新荧光物质的损耗光焦斑，不需要进行机械移动，使用起来方便快捷，扩大了STED显微成像系统的应用范围，适合开展复杂的生物学研究。

附图说明

图1为本发明实施例提供的受激辐射损耗显微成像系统结构示意图。

图2为本发明一较佳实施例提供的矢量光束调制单元的结构示意图。

图3为本发明一较佳实施例提供的对损耗光激光束从进入偏振分束棱镜到射出偏振分束棱镜的光路传播示意图。

其中：激发光激光110、第一二色镜120、荧光激发和成像单元130、损耗光激光140、矢量光束调制单元150、控制单元160、第二二色镜131、XY振镜扫描部件132、扫描透镜133、筒镜134、物镜135、成像镜头136、探测针孔137及光电倍增管138、λ/2玻片151、偏振分束棱镜152、第一棱镜153、第二棱镜154、液晶空间光调制器155、第一扩束镜156、中空光阑157及第二扩束镜158。

具体实施方式

请参考图1，图1为本发明实施例提供的受激辐射损耗显微成像系统结构示意图100。

受激辐射损耗显微成像系统100包括激发光激光110、第一二色镜120、荧光激发和成像单元130、损耗光激光140、矢量光束调制单元150及控制单元160。

荧光激发和成像单元130包括：第二二色镜131、XY振镜扫描部件132、扫描透镜133、筒镜134、物镜135、成像镜头136、探测针孔137及光电倍增管138。其中，探测针孔137位于成像镜头136和光电倍增管138之间且位于成像镜头136的焦点处。

矢量光束调制单元150用于对入射的损耗光激光140光束的振幅、相位及偏振态进行调制。

本发明上述实施例提供的受激辐射损耗显微成像系统100的工作过程为：

激发光激光110出射的光束分别由第一二色镜120、第二二色镜131反射，再依次经XY振镜扫描部件132、扫描透镜133、筒镜134和物镜135后，聚焦于物镜135焦点处并形成激发光焦斑，激发光焦斑激发待测组织样本170中的荧光分子产生荧光；

损耗光激光140出射的光束经矢量光束调制单元150调制后透射第一二色镜120，再经第二二色镜131反射后、依次经XY振镜扫描部件132、扫描透镜133、筒镜134和物镜135后，聚焦于物镜135焦点处并形成圆环形损耗光斑，圆环形损耗光斑损耗上述激发光焦斑周围激发态的荧光分子，使激发光焦斑周围的荧光分子不再产生荧光，而中央区域的荧光分子产生荧光；其中，圆环形损耗光斑中央光强为零；

上述荧光依次经物镜135、筒镜134、扫描透镜133、XY振镜扫描部件132后、再透射第二二色镜131后进入成像镜头136，并被成像镜头136聚焦在探测针孔137处，从探测针孔137出射的荧光被光电倍增管138探测，光电倍增管138并将荧光转换为电信号。

控制单元160电性连接于XY振镜扫描部件132和光电倍增管138，控制单元160同步采集上述光电倍增管138电信号与XY振镜扫描部件132的位置坐标并进行关联，以生成待测组织样本170区域图像。

本发明提供的受激辐射损耗显微成像系统100采用矢量光束调制单元150对入射的损耗光激光140光束的振幅、相位及偏振态进行调制，利用物镜135光瞳处的损耗光波振幅、相位和偏振态来形成损耗光焦斑，在多物理量同时参与作用下，能对损耗光焦斑进行细微而复杂的整形，使得生成的损耗光焦斑能够和激发光焦斑分布精确匹配，同时能够在保证一定信噪比的情况下使得损耗光焦斑中央暗区直径最小，使得该受激辐射损耗显微成像系统100具有很高的光学分辨率。

请参阅图2，图2为本发明一较佳实施例提供的矢量光束调制单元150的结构示意图。

矢量光束调制单元150用于对入射的损耗光激光140光束的振幅、相位及偏振态进行调制，包括λ/2玻片151、偏振分束棱镜152、第一棱镜153、第二棱镜154、液晶空间光调制器155、第一扩束镜156、中空光阑157及第二扩束镜158。其中，液晶空间光调制器155是一种可编程的光信息处理器件,能够在可变电信号的驱动下对光波振幅和相位进行连续调制；中空光阑157设于第一扩束镜156和第二扩束镜158之间且位于第一扩束镜156焦点处。

本发明一较佳实施方式中，光束的振幅、相位及偏振态的调制方法为：通过偏振分束棱镜152将入射光分解成偏振方向相互垂直且强度相同的两束，之后两束偏振光分别在液晶空间光调制器155的不同区域分别进行振幅和相位调制，从偏振分束棱镜152合束出射后的两束偏振光偏振方向同样相互垂直，但相位和振幅发生了变化，两束光叠加后就能形成所需要的偏振态。

请参阅图3，图3为本发明一较佳实施例提供的对损耗光激光束从进入偏振分束棱镜到射出偏振分束棱镜的光路传播示意图。

损耗光激光140出射的光束经λ/2玻片151进入偏振分束棱镜152的入射面A，并在偏振分束棱镜152的分束面B分解为第一光束1和第二光束2，其中，第一光束1和第二光束2的偏振方向相互垂直，光强相同；

第一光束1透射分束面B后再经第一棱镜153表面C反射进入液晶空间光调制器155，液晶空间光调制器155对应的区域（D区域）对第一光束1的振幅和位相进行调制，调制后的第一光束1再返回至第一棱镜153，经第一棱镜153表面C反射后入射分束面B，再经分束面B反射出偏振分束棱镜152；

第二光束2经分束面B反射后进入第二棱镜154，再经第二棱镜154表面E反射进入液晶空间光调制器155，液晶空间光调制器155对应的区域（F区域）对第二光束2的振幅和位相进行调制，调制后的第二光束2再返回至第二棱镜154，经第二棱镜154表面反射后入射分束面B，再由分束面B透射出偏振分束棱镜152；

从偏振分束棱镜152出射的第一光束1和第二光束2叠加形成合适偏振态的损耗光束，损耗光束依次经第一扩束镜156、中空光阑157及第二扩束镜158后进入第一二色镜120；

其中，控制单元160还与液晶空间光调制器155电性连接，用于控制液晶空间光调制器155对入射的损耗光激光光束的振幅、相位进行调制。在控制单元160的控制下，液晶空间光调制器155产生衍射光栅，从而对入射光束的振幅相位进行调制。

第一扩束镜156及第二扩束镜158形成扩束望远镜，扩束望远镜用于对损耗光束直径进行缩放，使其和物镜135的入射光瞳直径相匹配；中空光阑157用于滤除液晶空间光调制器155衍射形成的多级衍射杂光，只允许+1级衍射光透过。

本发明提供的受激辐射损耗显微成像系统利用矢量光束动态调制单元对光瞳处的光波振幅、相位、偏振态进行动态调制，采用软件编程控制的方法，可以在不同的光波振幅、相位和偏振态之间进行快速切换，当荧光物质发生改变时，只进行简单的编程或只对程序参数进行简单的修改，就很快能够生成新的适用于新荧光物质的损耗光焦斑，不需要进行机械移动，使用起来方便快捷，扩大了STED显微成像系统的应用范围，适合开展复杂的生物学研究。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种受激辐射损耗显微成像系统，其特征在于，包括激发光激光、第一二色镜、荧光激发和成像单元、损耗光激光、矢量光束调制单元及控制单元；

所述荧光激发和成像单元包括：第二二色镜、XY振镜扫描部件、扫描透镜、筒镜、物镜、成像镜头、探测针孔及光电倍增管，其中，所述探测针孔位于所述成像镜头的焦点处；

所述矢量光束调制单元用于对入射的损耗光激光光束的振幅、相位及偏振态进行调制；

所述激发光激光出射的光束分别由所述第一二色镜、第二二色镜反射，再依次经所述XY振镜扫描部件、扫描透镜、筒镜和物镜后，聚焦于所述物镜焦点处并形成激发光焦斑，所述激发光焦斑激发待测组织样本中的荧光分子产生荧光；

所述损耗光激光出射的光束经所述矢量光束调制单元调制后透射所述第一二色镜，再经所述第二二色镜反射后、依次经所述XY振镜扫描部件、扫描透镜、筒镜和物镜后，聚焦于所述物镜焦点处并形成圆环形损耗光斑，所述圆环形损耗光斑损耗所述激发光焦斑周围激发态的荧光分子，使所述激发光焦斑周围的荧光分子不再产生荧光，而中央区域的荧光分子产生荧光；其中，所述圆环形损耗光斑中央光强为零；

所述荧光依次经所述物镜、筒镜、扫描透镜、XY振镜扫描部件后、再透射所述第二二色镜后进入所述成像镜头，并被所述成像镜头聚焦在所述探测针孔处，从所述探测针孔出射的荧光被所述光电倍增管探测，所述光电倍增管并将所述荧光转换为电信号；

所述控制单元还电性连接于所述XY振镜扫描部件和光电倍增管，用于同步采集所述光电倍增管的电信号与XY振镜扫描部件的位置坐标并进行关联，以生成待测组织样本区域图像；

所述矢量光束调制单元包括λ/2玻片、偏振分束棱镜、第一棱镜、第二棱镜、液晶空间光调制器、第一扩束镜、中空光阑及第二扩束镜，其中，所述中空光阑设于所述第一扩束镜焦点处；

所述损耗光激光出射的光束经所述λ/2玻片进入所述偏振分束棱镜，并在所述偏振分束棱镜的分束面分解为第一光束和第二光束，其中，所述第一光束和第二光束的偏振方向相互垂直，光强相同；

所述第一光束透射所述分束面后再经所述第一棱镜表面反射进入所述液晶空间光调制器，所述液晶空间光调制器对应的区域对所述第一光束的振幅和位相进行调制，调制后的第一光束再返回至所述第一棱镜，经所述第一棱镜表面反射后入射所述分束面，再经所述分束面反射出所述偏振分束棱镜；

所述第二光束经所述分束面反射后进入所述第二棱镜，再经所述第二棱镜表面反射进入所述液晶空间光调制器，所述液晶空间光调制器对应的区域对所述第二光束的振幅和位相进行调制，调制后的第二光束再返回至所述第二棱镜，经所述第二棱镜表面反射后入射所述分束面，再由所述分束面透射出所述偏振分束棱镜；

从所述偏振分束棱镜出射的第一光束和第二光束叠加形成合适偏振态的损耗光束，所述损耗光束依次经所述第一扩束镜、中空光阑及第二扩束镜后进入所述第一二色镜；

其中，所述第一扩束镜及第二扩束镜形成扩束望远镜，所述扩束望远镜用于对所述损耗光束直径进行缩放，使其和所述物镜的入射光瞳直径相匹配；所述中空光阑用于滤除所述液晶空间光调制器衍射形成的多级衍射杂光，只允许+1级衍射光透过。

2.根据权利要求1所述的受激辐射损耗显微成像系统，其特征在于，所述控制单元与所述液晶空间光调制器电性连接，用于控制所述液晶空间光调制器对入射的损耗光激光光束的振幅、相位进行调制。