CN107014795B - 一种基于均匀结构光照明的共聚焦并行显微成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的基于均匀结构光照明的共聚焦并行显微成像系统，利用平顶高斯光束整形器对激光束进行整形生成平顶高斯光束，利用液晶空间光调制器将一束平顶高斯光束分成两束相干光，通过两束平顶高斯光束干涉得到均匀分布的结构光，采用均匀结构光照明样品，进行共聚焦并行显微成像，有助于扩大共聚焦显微系统的视场范围和成像速度。

Description

一种基于均匀结构光照明的共聚焦并行显微成像系统
技术领域
本发明涉及显微检测仪器设计及制造领域，尤其是涉及一种基于均匀结构光照明的共聚焦并行显微成像系统。
背景技术
点扫描共聚焦显微镜已经广泛应用于生物医学等研究领域，是必不可少的科研工具。目前商业点扫描共聚焦显微镜大都采用振镜进行单点扫描成像，虽然比普通荧光显微镜具有更高的分辨率和信噪比，但是受单点扫描限制，其较慢的成像速度不利于点扫描共聚焦显微镜在活细胞等领域中进一步地推广应用。
近年来，有很多技术被提出，用于提高点扫描共聚焦显微镜的成像速度。但是，这些技术常常以牺牲分辨率等其他性能来改善成像速度，仍不能在保证分辨率前提下很好地解决点扫描共聚焦显微镜的成像速度慢这一问题。
发明内容
本发明的目的是：
提供一种分辨率高且成像速度快的共聚焦并行显微成像系统。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于均匀结构光照明的共聚焦并行显微成像系统，包括照明模块、共聚焦扫描模块、探测模块、控制模块及图像重建模块；其中：
所述照明模块包括：激光器、平顶高斯光束整形器、第一透镜、第二透镜、液晶空间光调制器、第三透镜、通孔掩膜板；
所述共聚焦扫描模块包括：二色镜、物镜和三维纳米载物台，所述三维纳米载物台可在XYZ三维方向移动，所述三维纳米载物台上承载有待检测样品；
所述探测模块包括滤光片、探测透镜以及面阵探测器，所述面阵探测器中的像素可形成虚拟针孔；
所述控制模块电性连接于所述三维纳米载物台、面阵探测器以及液晶空间光调制器，所述图像重建模块电性连接于所述控制模块；其中：
所述激光器出射的任一束激光束经所述平顶高斯光束整形器整形后形成一束能量均匀分布的平顶高斯光束，所述平顶高斯光束再经所述第一透镜及第二透镜后入射到所述液晶空间光调制器，所述平顶高斯光束经所述液晶空间光调制器衍射后生成衍射光，其中，所述衍射光包括±1级衍射光及0级衍射光，所述衍射光经所述第三透镜和通孔掩膜板后，所述衍射光中的0级衍射光被遮挡且只允许±1级衍射光通过；
所述±1级衍射光依次经所述二色镜及物镜后，在所述物镜的前焦面处发生干涉，形成强度均匀分布的结构光，所述结构光对待检测样品进行结构光照明，并激发所述样品产生荧光信号；
所述荧光信号经所述物镜及所述二色镜后再依次进入所述滤光片及探测透镜，并在所述面阵探测器的感光面形成均匀条纹分布的图像，所述面阵探测器探测所述图像，且所述面阵探测器形成的虚拟针孔对探测的所述结构光进行空间滤波，并将所述图像转化为电信号；
所述控制模块采集所述电信号，所述图像重建模块根据所述控制模块采集的电信号实现基于均匀结构光照明的共聚焦并行显微成像系统。
在一些实施例中，所述平顶高斯光束整形器的光出射平面、液晶空间光调制器的感光面、物镜的前焦面和面阵探测器感光面属于共轭面。
在一些实施例中，所述面阵探测器为CCD或CMOS相机中的一种。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的基于均匀结构光照明的共聚焦并行显微成像系统，利用平顶高斯光束整形器对激光束进行整形生成平顶高斯光束，利用液晶空间光调制器将一束平顶高斯光束分成两束相干光，通过两束平顶高斯光束干涉得到均匀分布的结构光，采用均匀结构光照明样品，进行共聚焦并行显微成像，有助于扩大共聚焦显微系统的视场范围和成像速度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于均匀结构光照明的共聚焦并行显微成像系统结构示意图。
图2(a)为本发明实施例提供的面阵探测器上均匀结构光的条纹状图像和虚拟针孔的结构示意图。
图2(b)为本发明实施例提供的单个虚拟针孔的结构示意图。
其中：照明模块110、共聚焦扫描模块120、探测模块130、控制模块140、图像重建模块150、激光器111、平顶高斯光束整形器112、第一透镜113、第二透镜114、液晶空间光调制器115、第三透镜116、通孔掩膜板117、二色镜121、物镜122、三维纳米载物台123、滤光片131、探测透镜132、面阵探测器133。
具体实施方式
请参考图1，为本发明实施例提供的一种基于均匀结构光照明的共聚焦并行显微成像系统100，照明模块110、共聚焦扫描模块120、探测模块130、控制模块140及图像重建模块150。其中：
所述照明模块110包括：激光器111、平顶高斯光束整形器112、第一透镜113、第二透镜114、液晶空间光调制器115、第三透镜116、通孔掩膜板117。
具体地，所述激光器111出射的任一束激光束经所述平顶高斯光束整形器112整形后形成一束能量均匀分布的平顶高斯光束，所述平顶高斯光束再经所述第一透镜113及第二透镜114后入射到所述液晶空间光调制器115，所述平顶高斯光束经所述液晶空间光调制器115衍射后生成衍射光，其中，所述衍射光包括±1级衍射光及0级衍射光，所述衍射光经所述第三透镜116和通孔掩膜板117后，所述衍射光中的0级衍射光被遮挡且只允许±1级衍射光通过。
所述共聚焦扫描模块120包括：二色镜121、物镜122和三维纳米载物台123。
具体地，所述三维纳米载物台123可在XYZ三维方向移动，所述三维纳米载物台133上承载有待检测样品，所述±1级衍射光依次经所述二色镜121及物镜122后，在所述物镜122的前焦面处发生干涉，形成强度均匀分布的结构光，所述结构光对待检测样品进行结构光照明，并激发所述样品产生荧光信号。
探测模块130包括滤光片131、探测透镜132以及面阵探测器133。
具体地，所述面阵探测器133中的像素可形成虚拟针孔，所述荧光信号经所述物镜122及所述二色镜121后再依次进入所述滤光片131及探测透镜132，并在所述面阵探测器133的感光面形成均匀条纹分布的图像，所述面阵探测器133探测所述图像，且所述面阵探测器133形成的虚拟针孔对探测的所述图像进行空间滤波，并将所述图像转化为电信号。可以理解，每幅条纹分布的图像包含很多条光信号条纹，每条光信号条纹都对应一排虚拟针孔。
优选地，平顶高斯光束整形器的光出射平面P1、液晶空间光调制器的感光面P2、物镜的前焦面P3和面阵探测器感光面P4属于共轭面。
进一步地，面阵探测器133可以为CCD或CMOS相机，由于其本身具有很多像素，可以接收结构光光场以及激发荧光样品发出的荧光信号，并将其转化为电信号；此外，面阵探测器133中的像素可以形成虚拟针孔，对探测到的结构光进行空间滤波，同时实现共聚焦成像。
所述控制模块140电性连接于所述三维纳米载物台123、面阵探测器133以及液晶空间光调制器115。可以理解，通过所述控制模块140可实现对共聚焦扫描模块中的面阵探测器133以及液晶空间光调制器115的扫描控制，同时可以采集面阵探测器133的电信号。
所述图像重建模块150电性连接于所述控制模块140，所述图像重建模块根据所述控制模块140采集的电信号实现基于均匀结构光照明的共聚焦并行显微成像系统。
以下详细说明图像重建模块150的工作过程：
第一，采用均匀结构光对样品进行并行照明，被均匀结构光照明的样品经物镜和探测透镜成像后将在面阵探测器感光面上形成呈均匀条纹分布的图像，实现并行光信号的探测收集；
第二，由于每幅条纹分布的图像包含很多条光信号条纹，每条光信号条纹都对应一排虚拟针孔，如图2(a)所示，较宽的长条状矩形代表一条条纹光强分布，较小的正方形格子代表面阵探测器的像素，较大的正方形格子代表一个虚拟针孔(包含多个像素)，虚拟针孔(请参阅图2(b))的排布位于光信号条纹的中央，抑制杂光干扰，将虚拟针孔中每个像素探测到的光强Ii叠加，可以得到样品中一点对应的共聚焦图像像素值
Figure BDA0001291084270000051
将每个光信号条纹对应的所有虚拟针孔进行同样的处理，可以得到样品中一行对应的共聚焦图像像素值，将所有光信号条纹中的虚拟针孔都作相同的处理，将得到一幅像素值条状间隔分布的共聚焦图像；
第三，沿与条纹垂直的方向对样品进行扫描，均匀结构光中条纹之间的间距为d，位移台的移动间距为ds，移动d/ds-1次，可以得到d/ds幅像素值条状间隔分布的共聚焦图像，将这d/ds幅像素值条状间隔分布的共聚焦图像叠加，可以得到一幅完整的共聚焦图像。
本发明提供的基于均匀结构光照明的共聚焦并行显微成像系统，利用平顶高斯光束整形器对激光束进行整形生成平顶高斯光束，利用液晶空间光调制器将一束平顶高斯光束分成两束相干光，通过两束平顶高斯光束干涉得到均匀分布的结构光，采用均匀结构光照明样品，进行共聚焦并行显微成像，有助于扩大共聚焦显微系统的视场范围和成像速度。
当然本发明的基于均匀结构光照明的共聚焦并行显微成像系统还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (3)

1.一种基于均匀结构光照明的共聚焦并行显微成像系统，其特征在于，包括照明模块、共聚焦扫描模块、探测模块、控制模块及图像重建模块；其中：
所述照明模块包括：激光器、平顶高斯光束整形器、第一透镜、第二透镜、液晶空间光调制器、第三透镜、通孔掩膜板；
所述共聚焦扫描模块包括：二色镜、物镜和三维纳米载物台，所述三维纳米载物台可在XYZ三维方向移动，所述三维纳米载物台上承载有待检测样品；
所述探测模块包括滤光片、探测透镜以及面阵探测器，所述面阵探测器中的像素可形成虚拟针孔；
所述控制模块电性连接于所述三维纳米载物台、面阵探测器以及液晶空间光调制器，所述图像重建模块电性连接于所述控制模块；其中：
所述激光器出射的任一束激光束经所述平顶高斯光束整形器整形后形成一束能量均匀分布的平顶高斯光束，所述平顶高斯光束再经所述第一透镜及第二透镜后入射到所述液晶空间光调制器，所述平顶高斯光束经所述液晶空间光调制器衍射后生成衍射光，其中，所述衍射光包括±1级衍射光及0级衍射光，所述衍射光经所述第三透镜和通孔掩膜板后，所述衍射光中的0级衍射光被遮挡且只允许±1级衍射光通过；
所述±1级衍射光依次经所述二色镜及物镜后，在所述物镜的前焦面处发生干涉，形成强度均匀分布的结构光，所述结构光对待检测样品进行结构光照明，并激发所述样品产生荧光信号；
所述荧光信号经所述物镜及所述二色镜后再依次进入所述滤光片及探测透镜，并在所述面阵探测器的感光面形成均匀条纹分布的图像，所述面阵探测器探测所述图像，且所述面阵探测器形成的虚拟针孔对探测的所述结构光进行空间滤波，并将所述图像转化为电信号；
所述控制模块采集所述电信号，所述图像重建模块根据所述控制模块采集的电信号实现基于均匀结构光照明的共聚焦并行显微成像；
图像重建模块的工作过程为：
第一，被均匀结构光照明的样品经物镜和探测透镜成像后将在面阵探测器感光面上形成呈均匀条纹分布的图像，实现并行光信号的探测收集；
第二，每幅条纹分布的图像包含多条光信号条纹，每条光信号条纹对应一排虚拟针孔，将虚拟针孔中每个像素探测到的光强Ii叠加，得到样品中一点对应的共聚焦图像像素值
Figure FDA0002231996740000021
将每个光信号条纹对应的所有虚拟针孔进行同样的处理，可以得到样品中一行对应的共聚焦图像像素值，将所有光信号条纹中的虚拟针孔都作相同的处理，将得到一幅像素值条状间隔分布的共聚焦图像；
第三，沿与条纹垂直的方向对样品进行扫描，均匀结构光中条纹之间的间距为d，位移台的移动间距为ds，移动d/ds-1次，可以得到d/ds幅像素值条状间隔分布的共聚焦图像，将d/ds幅像素值条状间隔分布的共聚焦图像叠加，可以得到一幅完整的共聚焦图像。
2.根据权利要求1所述的基于均匀结构光照明的共聚焦并行显微成像系统，其特征在于，所述平顶高斯光束整形器的光出射平面、液晶空间光调制器的感光面、物镜的前焦面和面阵探测器感光面属于共轭面。
3.根据权利要求1所述的基于均匀结构光照明的共聚焦并行显微成像系统，其特征在于，所述面阵探测器为CCD或CMOS相机中的一种。
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