CN106707485B - 一种小型结构光显微照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种小型结构光显微照明系统，其包括：激光光源、准直物镜、扩束透镜组、1/4λ片、PBS、LCOS、管透镜、物镜以及载物台，在物镜的入瞳面上设有MASK，MASK用于过滤不同级次的光。本发明一种小型结构光显微照明解决了现有系统结构复杂，体积大，成像的效果不是特别好的问题，本发明系统结构简单，以激光为光源，在合理的保留系统的分辨率的基础上，通过分离传统的照明系统与成像系统，极大的提升了该系统的拓展，与传统显微镜的结合便可以实现超分辨率显微系统的功能，实现了在保持一定的系统分辨率的基础上极大减小体积。

Description

一种小型结构光显微照明系统

技术领域

本发明涉及一种小型结构光显微照明系统。

背景技术

传统的光学显微系统受光学衍射极限的限制，横向的分辨率一般最好只能达到200nm，纵向的分辨率达到500nm，不能够满足现在生物学领域对于亚细胞结构等微小结构研究的需求。

结构光显微成像技术最初由Neil等人提出，分辨率可以相较于传统的显微镜提高1倍(即100nm)。主要利用特殊调制的结构光照明样品，运用后期的图像处理的算法，从不同相位的调制图像中提取样品焦平面的信息，从而得到结构光显微成像的图像数据，实现超分辨率。

传统的结构光显微系统根据光源的不同主要分为两大类型：以LED为光源的结构光显微系统；以激光为光源的结构光显微系统。

目前以LED为光源的结构光显微系统，系统结构相对简单(见图1)，但是目前要想取得比较好的图像，需要性能较好的光源，以及较长光路的体积，从而限制了其应用范围。而以激光为光源的结构光显微系统，虽可以取得较好的图像，但通常具有复杂的系统结构(见图2)，成本昂贵。

目前传统使用的结构光显微照明系统采用光栅结构，主要光路由照明光源、透镜系统、光栅、探测器以及同步控制系统组成。光源发出的光经过透镜的准直，经光栅产生所需的结构光，照明到待测物体表面，通过透镜系统将物体表面发出的荧光信号成像于探测器的靶面上。利用压电装置使光栅移动与探测器记录的速度进行同步，采集完一幅图像信息后，光栅移动一段距离，记录新图像的位置。之后利用算法将图信息进行处理，重构出超高分辨率的二维图像。这类系统的特点是，光路结构简单、成像速度较快。但是，由于需要移动光栅，这就会导致在移动过程中产生位移的精度、同步过程中时间精度、信噪比低等问题。

发明专利200810071654.8提出了一种基于二维调制技术的层切图像获取方法，该方法利用二维空间光调制器如DMD(数字微反射镜)、穿透式液晶LCD、反射式硅基液晶LCOS等代替传统结构光显微镜中的光栅，对照明进行二维调制，并产生一组不同相位的调制图案，结合二维相移算法重建切层图像。

发明专利201110448980.8提出一种基于数字微反射镜器件的高速结构照明光学显微系统及方法，包括光源、设置在照明光源路上的结构光产生器、设置在分光棱镜的投射光路上的透镜、设置在透镜光路上的分光镜、设置在分光镜下方光路上的反光镜和筒镜、设置在筒镜后方的CCD相机。

上述两种发明专利代表了目前大多数结构光照明显微的技术，其主要的缺点是结构复杂，体积大、成像速度任然受到限制等缺点。

发明专利201410036645.0公开了一种结构光照明光学系统，包括：计算机、同步控制系统、超高亮度LED激发光源、中继透镜组、复眼透镜阵列、中间像面、二向色镜、投影物镜、载物台、筒镜、窄带滤光片和光电探测器。上述专利存在着复眼透镜的效果不好，会使产生的条纹效果下降，降低图像的分辨率，并且上述的结构目前没有相关实验图像的进行验证。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种小型结构光显微照明系统，其结构简单，以激光为光源，在合理的保留系统的分辨率的基础上，通过结构优化，极大的缩小了系统的体积，降低了成本，大大的提高了系统的应用范围。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种小型结构光显微照明系统，包括：激光光源、准直物镜、扩束透镜组、1/4λ片、PBS、LCOS、管透镜、物镜以及载物台，在物镜的入瞳面上设有MASK，MASK用于过滤不同级次的光；

激光光源通过准直物镜准直后经过1/4λ片进行光线偏振方向的调整，再经过扩束透镜组扩束后，通过PBS将光打入LCOS上，之后通过管透镜实现与物镜入瞳面孔径的匹配，激光打入到物镜入瞳面的MASK上，通过物镜将结构光照明在载物台的样品面上，实现结构光的照明。

本发明一种小型结构光显微照明系统将MASK装入物镜的入瞳面上，可以极大的缩短光路，减小体积，通过分离传统的照明系统与成像系统，极大的提升了该系统的拓展，与传统显微镜的结合便可以实现超分辨率显微系统的功能，实现了在保持一定的系统分辨率的基础上极大减小体积。

在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：

作为优选的方案，激光光源由激光器发出。

采用上述优选的方案，能发射稳定的激光光束。

作为优选的方案，激光器通过光纤将光进行导入至准直物镜。

采用上述优选的方案，利用激光器耦合进光纤的方式将光导入。

作为优选的方案，在MASK上设有多个用于过滤不同级次光的孔位。

采用上述优选的方案，MASK可以让所需的结构光通过。

作为优选的方案，多个孔位以物镜入瞳面的中心为圆心沿其圆周方向均匀分布。

采用上述优选的方案，光照均匀。

作为优选的方案，孔位的个数为偶数个。

采用上述优选的方案，偶数个孔位可以有效对称分布。

作为优选的方案，扩束透镜组包括平行设置的第一透镜和第二透镜。

采用上述优选的方案，结构简单，对光束进行扩束，有效实现结构的小型化。

作为优选的方案，准直物镜、扩束透镜组、1/4λ片、PBS、LCOS、管透镜以及物镜设置于壳体内。

采用上述优选的方案，装置整体简单，且壳体可以对内部的部件进行固定和保护。

附图说明

图1为现有技术中LED结构光显微照明系统的结构示意图。

图2为现有技术中激光结构光显微照明系统的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的小型结构光显微照明系统的光学结构示意图。

图4为本发明实施例提供的装有MASK的物镜的结构示意图之一。

图5为本发明实施例提供的装有MASK的物镜的结构示意图之二。

图6为本发明实施例提供的小型结构光显微照明系统的外部物理结构示意图。

图7为本发明实施例提供的小型结构光显微照明系统的内部物理结构示意图。

其中：11-LED芯片；12-低倍物镜或者消色差好的透镜；13-透镜；14-透镜；15-DMD(数字微反射镜)；16-管透镜；17-物镜；18-载物台；

21-光纤；22-低倍物镜或者消色差好的透镜；23-透镜；24-透镜；25-LCOS(液晶空间光调制器)；26-PBS；27-透镜；28-MASK；29-透镜；210-反射镜；211-LCC(液晶延时器)；212-管透镜；213-物镜；14-载物台；

31-激光器；32-光纤；33-准直物镜；34-1/4λ片；356-扩束透镜组；35-第一透镜；36-第二透镜；37-LCOS；38-PBS；39-管透镜；310MASK；311-物镜；312-载物台；313-壳体。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。

为了达到本发明的目的，一种小型结构光显微照明系统的其中一些实施例中，

如图3和4所示，一种小型结构光显微照明系统包括：由激光器31通过单模光纤32导入的激光光源、准直物镜33、1/4λ片34、扩束透镜组356、LCOS37、PBS38、管透镜39、物镜311以及载物台312，在物镜311的入瞳面上设有MASK310，MASK310用于过滤不同级次的光。扩束透镜组包括平行设置的第一透镜35和第二透镜36。

在本实施例中，准直物镜33选用低倍数物镜消色差效果很好的低倍数物镜。MASK310可以直接胶接在物镜311的入瞳面上，也可以在物镜311的制作过程中加入MASK310。

在MASK310上设有六个用于过滤不同级次光的孔位，以便MASK310可以让所需的结构光通过，六个孔位以物镜311入瞳面的中心为圆心沿其圆周方向均匀分布。

除了上述的光学系统，在具体的实施过程中，其还需要成像系统、同步控制系统以及后续的图像处理算法，目前大多数的系统这两个部分均采用常规的CCD采集图像，用开源的结构光处理的算法软件处理图像，产生高分辨率图像。

本发明一种小型结构光显微照明系统的光路如下：

激光器31通过光纤32导入激光光源，激光光源通过准直物镜33准直后经过1/4λ片34进行光线偏振方向的调整，再经过扩束透镜组扩束后，通过PBS38将光打入LCOS37上，之后通过管透镜39实现与物镜311入瞳面孔径的匹配，激光打入到物镜311入瞳面的MASK310上，通过物镜311将结构光照明在载物台312的样品面上，实现结构光的照明。

本发明一种小型结构光显微照明系统将MASK310装入物镜311的入瞳面上，可以极大的缩短光路，减小体积，通过光学系统及相应结构的改变，实现了在保持一定的系统分辨率的基础上极大减小体积，拓展了其应用的范围。

本发明通过分离传统的照明系统与成像系统，极大的提升了该系统的拓展，与传统显微镜的结合便可以实现超分辨率显微系统的功能。相较于传统超分辨系统采用的照明和成像共用一个物镜，其不方便拓展，而本申请可以有效将其分开，照明系统与成像系统各使用对应的物镜，更便于拓展。

该发明利用激光器31耦合进光纤32的方式将光导入，也可以使用光纤激光器或者直接进行激光光源的引入，通过消色差效果很好的低倍数物镜，将光进行准直，通过1/4λ片34进行光线偏正方向的调整，并通过一组扩束透镜组进行扩束，与后面的管透镜39组合实现与物镜311入瞳面孔径的匹配，实现最好的光学特性。之后，通过PBS38将光打入LCOS37上，之后通过管透镜39打入到MASK310上，MASK310装入物镜311的入瞳面上，可以极大的缩短光路，减小体积，可以把需要的结构光的级次分出来，通过物镜311将结构光照明在载物台的样品面上，有效实现结构光的照明。值得注意的是，MASK310有效到滤不同级次的光的作用，让所需的结构光通过，其需要极高的加工精度及其对称性。

本发明设计了一种小型结构光显微照明系统，通过了简单的结构及光学系统的设计，实现了结构光照明系统的小型化，为超分辨显微成像提供了一种方便、快速的实现系统，为研究生物样品提供了一种便捷的成像系统，可以获得相对较好的图像，解决了现有系统结构复杂，体积大，成像的效果不是特别的好的问题。

如图5所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，在MASK310上设有十二个用于过滤不同级次光的孔位。

设置六个和十二个不同个数的孔位，主要用于实现线性结构光照明与非线性结构光照明的区别，提高分辨率。

如图6和7所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，准直物镜33、扩束透镜组、1/4λ片34、PBS38、LCOS37、管透镜39以及物镜311设置于壳体313内。其装置整体简单，且壳体313可以对内部的部件进行固定和保护，由于本发明提出的小型结构光显微照明系统的小型化，其壳体313的尺寸长*宽*高不超过250*250*150mm。

以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种小型结构光显微照明系统，包括：激光光源、准直物镜、扩束透镜组、1/4λ片、PBS、LCOS、管透镜、物镜以及载物台，其特征在于，在所述物镜的入瞳面上设有MASK，所述MASK用于过滤不同级次的光，在所述MASK上设有多个用于过滤不同级次光的孔位；

所述激光光源通过所述准直物镜准直后经过所述1/4λ片进行光线偏振方向的调整，再经过所述扩束透镜组扩束后，通过所述PBS将光打入所述LCOS上，之后通过所述管透镜实现与所述物镜入瞳面孔径的匹配，激光打入到所述物镜入瞳面的所述MASK上，通过所述物镜将结构光照明在所述载物台的样品面上，实现结构光的照明。

2.根据权利要求1所述的小型结构光显微照明系统，其特征在于，所述激光光源由激光器发出。

3.根据权利要求2述的小型结构光显微照明系统，其特征在于，所述激光器通过光纤将光进行导入至所述准直物镜。

4.根据权利要求1所述的小型结构光显微照明系统，其特征在于，多个所述孔位以所述物镜入瞳面的中心为圆心沿其圆周方向均匀分布。

5.根据权利要求4所述的小型结构光显微照明系统，其特征在于，所述孔位的个数为偶数个。

6.根据权利要求5所述的小型结构光显微照明系统，其特征在于，所述扩束透镜组包括平行设置的第一透镜和第二透镜。

7.根据权利要求6所述的小型结构光显微照明系统，其特征在于，所述准直物镜、所述扩束透镜组、所述1/4λ片、所述PBS、所述LCOS、所述管透镜以及所述物镜设置于壳体内。