CN103605202A

CN103605202A - 一种基于硅基液晶芯片的结构光照明显微成像系统

Info

Publication number: CN103605202A
Application number: CN201310549905.XA
Authority: CN
Inventors: 熊大曦; 杨西斌; 朱剑锋; 李辉
Original assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2014-02-26

Abstract

本发明公开了一种基于硅基液晶芯片的结构光照明显微成像系统，包括高亮度LED激发光源，所述高亮度LED激发光源前方设置有准直模块，所述准直模块前方设置有物镜偏振分束器PBS，所述物镜偏振分束器PBS前方设置有硅基液晶芯片LCoS开发系统，所述硅基液晶芯片LCoS开发系统与计算机连接，所述计算机与光电探测器连接，所述光电探测器前方设置有窄带滤光片，所述窄带滤光片前方设置有聚焦物镜，所述聚焦物镜前方设置有二向色镜，所述二向色镜前方设置有显微物镜，所述显微物镜前方设置有待测物体。本发明技术方案，具有光能量利用量高、系统体积小、结构光照明周期可调节、成像分辨率高等优点，更适用于活体生物细胞的实时三维成像研究。

Description

一种基于硅基液晶芯片的结构光照明显微成像系统

技术领域

本发明涉及一种超分辨率显微镜的成像系统，具体涉及一种基于硅基液晶芯片的结构光照明显微成像系统。

背景技术

当前，高分辨率光学显微镜已经成为生物学、医学、药学等领域原始创新并取得重大突破的重要工具，特别是生物学研究向nm尺度亚细胞结构方向的发展，对光学显微镜向超高分辨率、活体实时成像发展提出了更高的要求。

普通光学显微镜受光学衍射极限的限制，横向分辨率一般只能达到200nm，纵向分辨率约500nm，难以满足当前生物学领域对亚细胞结构和分子结构的研究需求。

结构光成像技术最初是由Neil等人于1997年首次提出的，并将之应用于生物学成像，分辨率可以达到100nm。该技术使用特殊调制的结构光场照明样品，通过运用相移算法从不同相位的调制图像数据中提取聚焦平面的信息，得到结构光照明显微成像的图像数据，与目前已有的几种超分辨光学显微成像方法，如光激活定位法（PALM）、随机光学重构法（STORM）以及受激发射损耗法（STED）等相比，具有成像速度较快，结构简单，适合于活体组织实时观察等优点。

结构光照明显微最早是通过将照明光路中加入一个正弦光栅来实现的，光栅图案被投影到样品上形成结构光照明，光栅加装在一个压电陶瓷上通过压电陶瓷控制器实现步进，每次移动光栅周期的1/3，相当于光栅图案相移2π/3。三次相移(0，2π/3，4π/3)得到样品的三幅源图像，通过一个简单的算法，可以得到样品的层析图像；而通过另外一个算法，则可以将与光栅条纹垂直方向上的横向空间分辨率提高一倍。在这些用光栅获得结构光照明的系统中,必须移动光栅来获得不同相移下的源图像，因此这种机械移动装置会减低系统的稳定性。

本发明基于硅基液晶芯片的结构光照明显微成像系统，采用的空间光调制器硅基液晶芯片LCoS，是一种可编程数字光调制器件，结构光照明显微所需的照明图案相移由LCoS经编程后实现，有效避免了传统光栅式结构光照明成像系统中机械装置移动对系统稳定性带来的影响。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于硅基液晶芯片的结构光照明显微成像系统，该成像系统采用超高亮度LED激发光源作为激发光源，采用硅基液晶芯片LCoS作为空间光调制器，通过运用相移算法从不同相位的调制图像数据中提取聚焦平面的信息，得到结构光照明显微成像的图像数据，具有光能量利用量高、系统体积小、结构光照明周期可调节、成像分辨率高（达100nm）等优点，更适用于活体生物细胞的实时三维成像研究。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于硅基液晶芯片的结构光照明显微成像系统，包括高亮度LED激发光源，所述高亮度LED激发光源前方设置有准直模块，所述准直模块前方设置有物镜偏振分束器PBS，所述物镜偏振分束器PBS前方设置有硅基液晶芯片LCoS开发系统，所述硅基液晶芯片LCoS开发系统与计算机连接，所述计算机与光电探测器连接，所述光电探测器前方设置有窄带滤光片，所述窄带滤光片前方设置有筒镜，所述筒镜前方设置有二向色镜，所述二向色镜前方设置有显微物镜，所述显微物镜前方设置有待测物体。

进一步的，所述硅基液晶芯片LCoS开发系统包括LCoS芯片和同步控制系统，所述LCoS芯片是所述硅基液晶芯片LCoS开发系统的核心部件，所述LCoS芯片的工作模式为反射式或透射式，工作方式为纯相位调制，纯振幅调制或相位振幅混合调制模式。

优选的，所述硅基液晶芯片LCoS开发系统采用了大容量缓存的工作模式，以保证循环产生结构光条纹方式下的高帧频刷新速度

进一步的，所述高亮度LED光源为可发射多个窄带光波长的单个LED光源模组。

进一步的，所述光电探测器为SCMOS或科研级CCD器件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、采用硅基液晶芯片LCoS产生结构光，其相移由LCoS经编程后实现，有效避免了传统光栅式结构光照明成像系统中机械装置移动对系统稳定性带来的影响，并实现了高速成像。

2、采用了窄带多谱段LED光源，单一光源模组即可实现多个窄带光波长的发射，实现传统多个光源组合才能实现的宽波段窄带光覆盖，缩小了系统体积，实现了便携式设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1 为结构光照明显微成像系统工作原理图；

图2 为本发明采用硅基液晶芯片LCoS开发系统的结构光照明超分辨显微系统示意图；

图3 为本发明的高亮度LED光源结构示意图；

图4 为本发明中硅基液晶芯片LCoS开发系统的上位机数据工作模式示意图；

图5 为本发明空间光调制器硅基液晶芯片LCoS像素的开关状态示意图；

图6 为本发明光束入射硅基液晶芯片LCoS调制后的出射光示意图。

图中标号说明：1、高亮度LED激发光源，2、准直模块，3、物镜偏振分束器PBS，4、二向色镜，5、显微物镜，6、待测物体，7、聚焦物镜，8、窄带滤光片，9、硅基液晶芯片LCoS开发系统，901、LCoS芯片，902、同步控制系统，10、光电探测器，11、计算机。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

如图2所示，一种基于硅基液晶芯片的结构光照明显微成像系统，包括高亮度LED激发光源1，所述高亮度LED激发光源1前方设置有准直模块2，所述准直模块2前方设置有物镜偏振分束器PBS3，所述物镜偏振分束器PBS3前方设置有硅基液晶芯片LCoS开发系统9，所述硅基液晶芯片LCoS开发系统9与计算机11连接，所述计算机11与光电探测器10连接，所述光电探测器10前方设置有窄带滤光片8，所述窄带滤光片8前方设置有聚焦物镜7，所述聚焦物镜7前方设置有二向色镜4，所述二向色镜4前方设置有显微物镜5，所述显微物镜5前方设置有待测物体6。

进一步的，所述硅基液晶芯片LCoS开发系统9包括LCoS芯片901和同步控制系统902，所述LCoS芯片901是所述硅基液晶芯片LCoS开发系统9的核心部件，所述LCoS芯片901的工作模式为反射式或透射式，工作方式为纯相位调制，纯振幅调制或相位振幅混合调制模式。

进一步的，所述高亮度LED光源1为可发射多个窄带光波长的单个LED光源模组。

进一步的，所述光电探测器10为SCMOS或科研级CCD器件。

实施例一：

如图1所示，目前结构中采用光栅的结构光照明显微成像系统工作原理图。该光路主要由光栅、照明光源、透镜系统、CCD以及同步控制系统组成。光源发出的光经过准直，经光栅产生结构光，照明待测物体表面，透镜系统将物体表面发出的荧光成像于CCD平面上。利用压电装置使得光栅的移动（对应于相位移动）与CCD记录图像的速度同步，即一幅图像记录完成后，光栅移动一个位移，记录新位相对应的图像。将记录的图像利用特定算法进行重构，得到层析图像以及超高分辨率的二维图像。这类光路，结构简单、成像速度快。但是，存在移动过程中位相的精度问题、同步过程中时间精度问题、信噪比低等问题。

实施例二：

如图2所示，为本发明采用硅基液晶芯片LCoS开发系统9的结构光照明超分辨显微系统，从高亮度LED光源1发出的光，首先经过准直模块2准直，入射到偏振分束器PBS3，其中的P偏振光透过入射到硅基液晶LCoS芯片901，而S偏振光被反射不能进入光路。硅基液晶芯片LCoS901受到开发系统控制，将目标结构图案加载到LCoS每个像素点，因此入射的S偏振光受到调制，当像素点处于“1”的“开”状态时，光经过该像素点偏振方向旋转90度，从而变为P偏振态，经偏振分束器PBS3反射进入光路成像到待测物体。当像素点处于“0”的“关”状态时，光经过该像素点偏振方向不变，不能经偏振分束器PBS3反射进入光路成像到待测物体6。

从待测物体6发射的荧光，经过二向色镜4反射，并经过聚焦透镜7聚焦，从而在光电探测器10上得到光信号。改变结构光条纹相位，得到不同结构光条纹方向和不同相位的多幅图像，通过运用相移算法从不同相位的调制图像数据中提取聚焦平面的信息，得到结构光照明显微成像的图像数据。硅基液晶芯片LCoS开发系统9提供整个成像过程中对硅基液晶LCoS芯片901的同步控制和结构光信息高速加载，并向光电探测器10输出同步信号，以获得对目标待测物体6的同步扫描图像。

实施例三：

如图3所示，一种高亮度LED模组，包括高导热基板1和LED芯片2，所述LED芯片2为9组不同中心波长的LED芯2片，所述每组LED芯片2的数量至少为一个，所述LED芯片2为共阳极结构；所述LED芯片2直接固定连接于所述高导热基板1上。

所述9个LED芯片2的中心波长范围涵盖紫外波段到红外波段，各自设有独立的控制电路单独控制。所述控制电路包括可以控制对应组LED芯片的电路通断的开关电路，还包括控制该组LED芯片的通电电流大小的电流控制电路。在驱动电路控制下，单个或多个LED芯片实现光出射。

实施例四：

图4为本发明中硅基液晶芯片LCoS开发系统的上位机数据工作模式示意图，主要包括数据下载（USB）、参数初始化（串口）、LCoS数据生成。该开发系统采用大容量缓存的模式，系统工作时，首先将需要显示的数据下载到开发系统的板载大容量缓存中，接着通过串口设置帧频、循环帧数、同步脉宽等参数，驱动板定时从缓存中取出顺序数据，送到硅基液晶芯片LCoS进行显示。硅基液晶芯片LCoS开发系统的数据下载采用高速USB传输方式，主机读取二进制图像数据，通过USB总线向硅基液晶芯片LCoS控制板发送。

实施例五：

如图5所示，示出了本发明空间光调制器硅基液晶芯片LCoS像素的开关状态，其中“1”表示“开”状态，“0”表示“关”状态。图6示出了光束入射硅基液晶芯片LCoS调制后的出射光示意图，当像素点处于“1”的“开”状态时，光可以经过该像素点，改变偏振态，从入射P光变为S光，经偏振分束器PBS进入光路并到达探测器；当像素点处于“0”的“关”状态时，光经过该像素点后不能改变偏振状态，入射P光仍为P光，不能被PBS反射并到达探测器被接收。通过控制每一个像素点的开关状态，本发明实现结构光照明条纹的产生。

本发明的原理：

通过计算机控制硅基液晶芯片，改变硅基液晶芯片每个像素点的反射光强度，实现每一个像素点的锁定，从而形成稳定的结构光照明条纹，结构光照明条纹经过准直透镜进一步准直，并通过二向色镜反射，被显微物镜投射到载物台上的照明靶面，反射的荧光通过窄带滤光片滤光，由经过筒镜被光电探测器接收。通过运用相移算法从不同相位的调制图像数据中提取聚焦平面的信息，得到结构光照明显微成像的图像数据。

简单来说,结构光照明提高横向空间分辨利用的是莫尔效应。对于包含样品每一个频率分量（频率为k），在频率为k₀的结构光照明下,会产生和频（k_m'= k+k₀)和差频（k_m= k-k₀）的莫尔条纹，后者的频率k_m与样品频率k、结构光频率k₀之间的关系如图1b所示，光学系统的可探测频率成分由图1c中的粗线圆表示，圆内区域可被探测，最大可探测频率表示为k_max。因此,当k_m属于光学系统的可探测频率时，就可以通过探测到的k_m与已知的结构光频率k₀，求出样品频率k。也就是说,可以将系统的最高可探测频率由k_max扩展到(k_max+k₀),如图1c所示，也就是说，获得了结构光频率方向的超衍射极限分辨。

结构光照明成像技术的算法比较典型是Neil提出的RMS（root-mean-square , 均方根）算法，最终层析图像由公式（1）得到：

(1)

其中，

、

、

分别对应于照明结构光处于三个不同相位时候，CCD上获得的光场分布。获取二维超分辨率图像的算法是基于图像频域处理的基础上。将照明结构光处于三个不同相位时候，在CCD上获得的图像

、

、

进行傅里叶变换，再利用公式（2）所示矩阵计算出

、

、

，移动到对应位置后进行叠加，最后对叠加图做傅里叶逆变换就可以得到超分辨率图像。

（2）

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于硅基液晶芯片的结构光照明显微成像系统，其特征在于，包括高亮度LED激发光源（1），所述高亮度LED激发光源（1）前方设置有准直模块（2），所述准直模块（2）前方设置有物镜偏振分束器PBS（3），所述物镜偏振分束器PBS（3）前方设置有硅基液晶芯片LCoS开发系统（9），所述硅基液晶芯片LCoS开发系统（9）与计算机（11）连接，所述计算机（11）与光电探测器（10）连接，所述光电探测器（10）前方设置有窄带滤光片（8），所述窄带滤光片（8）前方设置有聚焦物镜（7），所述聚焦物镜（7）前方设置有二向色镜（4），所述二向色镜（4）前方设置有显微物镜（5），所述显微物镜（5）前方设置有待测物体（6）。

2.根据权利要求1所述的基于硅基液晶芯片的结构光照明显微成像系统，其特征在于，所述硅基液晶芯片LCoS开发系统（9）包括LCoS芯片（901）和同步控制系统（902），所述LCoS芯片（901）是所述硅基液晶芯片LCoS开发系统（9）的核心部件，所述LCoS芯片（901）的工作模式为反射式或透射式，工作方式为纯相位调制，纯振幅调制或相位振幅混合调制模式。

3.根据权利要求1所述的基于硅基液晶芯片的结构光照明显微成像系统，其特征在于，所述高亮度LED光源（1）为可发射多个窄带光波长的单个LED光源模组。

4.根据权利要求1所述的基于硅基液晶芯片的结构光照明显微成像系统，其特征在于，所述光电探测器（10）为SCMOS或科研级CCD器件。