CN107678151B - 基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪 - Google Patents

基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪 Download PDF

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Abstract

本发明提供的基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪，对照明模块进行设计以生成四束偏振光，由于上述四束偏振光干涉得到包含大量光斑的阵列光场，从而实现了样品的并行照明；同时，本发明提供的基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪，采用面阵探测器接收阵列光信号，并将光信号转化为电信号，再根据所述电信号实现基于干涉阵列光场的共聚焦并行扫描成像图像重建，从而实现了共聚焦并行显微成像，提高点扫描共聚焦显微镜的成像速度，同时还能保证图像的信噪比，提高了图像质量，有利于共聚焦显微技术在细胞动态过程观察等研究方面的应用，有益于生物医学领域的发展。

Description

基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪
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干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪。
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，但是其单点扫描的成像速度限制了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呈现速度快的的基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪，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、二维光栅、光阑、波片及透镜；所述激光器用于出射线偏振激光，所述二维光栅用于将入射的线偏振激光衍射后形成两组±1级衍射光及0级衍射光，且所述两组±1级衍射光及0级衍射光的偏振方向与所述线偏振激光的偏振方向相同，所述光阑用于遮挡0级衍射光，且只允许±1衍射光通过，所述波片用于调制入射的两组±1级衍射光，并将其中一组±1级衍射光的偏振方向旋转90度，而使另一组±1级衍射光的偏振方向保持不变，得到相邻光束偏振方向互相垂直的四束偏振光，所述四束偏振光经过所述透镜聚焦后再进入所述共聚焦扫描模块；
所述共聚焦扫描模块包括二色镜、物镜及纳米位移台，所述四束偏振光经所述二色镜后入射进入所述物镜，并在所述物镜的焦面处发生干涉，形成具有光斑的干涉阵列光场，所述具有光斑的干涉阵列光场对所述样品进行并行照明，使得所述样品产生并行光信号，所述纳米位移台可在XYZ三维方向移动，所述纳米位移台上承载有待检测样品；
所述探测模块包括带通滤色片、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，所述并行光信号经所述物镜及所述二色镜后再依次进入所述带通滤色片、探测透镜以及面阵探测器，并在所述面阵探测器的感光面形成阵列光斑，所述面阵探测器探测所述阵列光斑，所述面阵探测器形成的虚拟针孔可对所述阵列光斑进行空间滤波，使所述阵列光斑与所述虚拟针孔的中心重合，并将滤波后的阵列光斑转化为电信号；
所述控制模块电性连接于所述面阵探测器和所述纳米位移台，所述控制模块采集所述电信号；
所述图像重建模块电性连接于所述控制模块，所述图像重建模块根据所述控制模块采集所述探测器与所述纳米位移台的所述电信号实现基于干涉阵列光场的共聚焦并行扫描成像图像重建。
在其中一些实施例中，所述光阑为中心为实心的光阑。
在其中一些实施例中，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：
本发明提供的基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪，对照明模块进行设计以生成四束偏振光，由于上述四束偏振光干涉得到包含大量光斑的阵列光场，从而实现了样品的并行照明；同时，本发明提供的基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪，采用面阵探测器接收阵列光信号，并将光信号转化为电信号，再根据所述电信号实现基于干涉阵列光场的共聚焦并行扫描成像图像重建，从而实现了共聚焦并行显微成像，提高点扫描共聚焦显微镜的成像速度，同时还能保证图像的信噪比，提高了图像质量，有利于共聚焦显微技术在细胞动态过程观察等研究方面的应用，有益于生物医学领域的发展。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪结构示意图。
图2(a)为样品处的照明阵列光斑的结构示意图。
图2(b)为面探测器上的探测阵列光斑的结构示意图。
图2(c)为单个阵列光斑及虚拟针孔区域的结构示意图。
图2(d)为虚拟针孔对应的像素区域的结构示意图。
图3为样品沿Y方向移动前(实心)和移动后(虚线)样本上阵列光斑的相对位置，光斑间距为d，移动步距ds。
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、二维光栅112、光阑113、波片114及透镜115、二色镜121、物镜122、纳米位移台123。
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干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪100，包括照明模块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、二维光栅112、光阑113、波片114及透镜115。
具体地，所述激光器111用于出射线偏振激光，所述二维光栅用于将入射的线偏振激光衍射后形成两组±1级衍射光及0级衍射光，且所述两组±1级衍射光及0级衍射光的偏振方向与所述线偏振激光的偏振方向相同，所述光阑用于遮挡0级衍射光，且只允许±1衍射光通过，所述波片用于调制入射的两组±1级衍射光，并将其中一组±1级衍射光的偏振方向旋转90度，而使另一组±1级衍射光的偏振方向保持不变，得到相邻光束偏振方向互相垂直的四束偏振光，所述四束偏振光经过所述透镜聚焦后再进入所述共聚焦扫描模块。
优选地，所述光阑113为中心为实心的光阑，可以理解，采用中心为实心的光阑遮挡0级衍射光，只允许±1衍射光通过，由于衍射光的分布方向与光栅方向相关，因此两组±1衍射光光束中心连线互相垂直。
所述共聚焦扫描模块120包括二色镜121、物镜122及纳米位移台123，所述纳米位移台123可在XYZ三维方向移动，所述纳米位移台123上承载有待检测样品。
可以理解，四束偏振光经过二色镜121后在物镜122的焦面处发生干涉，形成具有很多光斑的干涉阵列光场。
进一步地，由于纳米位移台123可通过XY方向移动样品，实现高精度的并行扫描成像，提高扫描成像速度。
所述探测模块130包括带通滤色片131、探测透镜132以及面阵探测器133，所述面阵探测器133中的像素可形成虚拟针孔，所述并行光信号经所述物镜及所述二色镜后再依次进入所述带通滤色片131、探测透镜132以及面阵探测器133后在所述面阵探测器133的感光面形成阵列光斑，所述面阵探测器133探测所述阵列光斑，且所述面阵探测器133形成的虚拟针孔可对所述阵列光斑进行空间滤波，使所述阵列光斑与所述虚拟针孔的中心重合，并将滤波后的阵列光斑转化为电信号。
优选地，面阵探测器133为CCD或CMOS相机中的一种。可以理解，本申请采用的面阵探测器133为CCD或CMOS相机，具有很多像素，可以接收阵列光场中大量光斑同时激发荧光样品发出的荧光信号，并将其转化为电信号。
所述控制模块140电性连接于所述面阵探测器133，进一步地，所述控制模块140还电性连接于所述纳米位移台123，所述控制模块140用于控制所述纳米位移台140的移动。
可以理解，所述控制模块140可实现对共聚焦扫描模块中的所述纳米位移台123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150可根据所述控制模块140采集所述面阵探测器133与所述纳米位移台123的所述电信号实现基于干涉阵列光场的共聚焦并行扫描成像图像重建。
以下详细说明图像重建模块150的工作过程：
首先，采用包含阵列光斑的阵列光场对样品进行并行照明，如图2(a)所示，待检测样品将反射或发射并行光信号，该光信号在面阵探测器133感光面形成阵列光斑(记为M个聚集光斑)，如图2(b)所示，实现并行光信号的探测收集；
然后，为了实现共聚焦成像，需要对探测到的光斑进行针孔滤波，选择1个艾里斑大小(可以理解，艾力斑大小可根据实际需求调整)对应的像素区域(N个像素)，使其中心与光斑重合，形成虚拟针孔，如图2(c)和(d)所示，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 BDA0001275979540000051
可以理解，面阵探测器133上的每个光斑都对应一个虚拟针孔，和上面的方法类似，将针孔内像素值分别叠加，得到样品中多个点对应的共聚焦图像像素值，所有光斑处理计算完后，将得到一幅像素值间隔分布的共聚焦图像；
最后，当对样品进行扫描时，如图3所示，样品上阵列光斑发生移动(虚线为移动后的阵列光斑)，面阵探测器133上阵列光斑位置不变，照射样品的阵列光场中光斑间距为d，若沿Y方向移动位移台，移动间距为ds，每移动一次会得到一幅像素值间隔分布的共聚焦图像，移动d/ds-1次，可以得到d/ds幅像素值间隔分布的共聚焦图像，若沿X方向移动移动d/ds次位移台，也可以得到d/ds幅共聚焦并行图像，将这2d/ds幅像素值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。
本发明提供的基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪100，其工作过程如下：
所述激光器111出射的一束线偏振激光，依次经所述二维光栅112、所述光阑113、所述波片114及所述透镜115后形成相邻光束偏振方向互相垂直的四束偏振光，所述四束偏振光经所述二色镜121后入射进入所述物镜122，并在所述物镜122的焦面处发生干涉，形成具有光斑的干涉阵列光场，所述具有光斑的干涉阵列光场对所述样品进行并行照明，使得所述样品产生并行光信号，所述并行光信号经所述物镜122及所述二色镜121后再依次进入所述带通滤色片131、探测透镜132以及面阵探测器133，并在所述面阵探测器133的感光面形成阵列光斑，所述面阵探测器133探测所述阵列光斑，且所述面阵探测器133形成的虚拟针孔对所述阵列光斑进行空间滤波，使所述阵列光斑与所述虚拟针孔的中心重合，并将滤波后的阵列光斑转化为电信号，所述控制模块140采集所述电信号，所述图像重建模块150根据所述电信号实现基于干涉阵列光场的共聚焦并行扫描成像图像重建。
本发明提供的基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪100，对照明模块110进行设计以生成四束偏振光，由于上述四束偏振光干涉得到包含大量光斑的阵列光场，从而实现了样品的并行照明；同时，本发明提供的基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪100，采用面阵探测器133接收阵列光信号，并将光信号转化为电信号，再根据所述电信号实现基于干涉阵列光场的共聚焦并行扫描成像图像重建，从而实现了共聚焦并行显微成像，提高点扫描共聚焦显微镜的成像速度，同时还能保证图像的信噪比，提高了图像质量，有利于共聚焦显微技术在细胞动态过程观察等研究方面的应用，有益于生物医学领域的发展。
当然本发明的基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪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)

1.一种基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪，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、二维光栅、光阑、波片及透镜；所述激光器用于出射线偏振激光，所述二维光栅用于将入射的线偏振激光衍射后形成两组±1级衍射光及0级衍射光，且所述两组±1级衍射光及0级衍射光的偏振方向与所述线偏振激光的偏振方向相同，所述光阑用于遮挡0级衍射光，且只允许±1级衍射光通过，所述波片用于调制入射的两组±1级衍射光，并将其中一组±1级衍射光的偏振方向旋转90度，而使另一组±1级衍射光的偏振方向保持不变，得到相邻光束偏振方向互相垂直的四束偏振光，所述四束偏振光经过所述透镜聚焦后再进入所述共聚焦扫描模块；
所述共聚焦扫描模块包括二色镜、物镜及纳米位移台，所述纳米位移台可在XYZ三维方向移动，所述纳米位移台上承载有待检测样品，所述四束偏振光经所述二色镜后入射进入所述物镜，并在所述物镜的焦面处发生干涉，形成具有光斑的干涉阵列光场，所述具有光斑的干涉阵列光场对所述样品进行并行照明，使得所述样品产生并行光信号；
所述探测模块包括带通滤色片、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，所述并行光信号经所述物镜及所述二色镜后再依次进入所述带通滤色片、探测透镜以及面阵探测器，并在所述面阵探测器的感光面形成阵列光斑，所述面阵探测器探测所述阵列光斑，且所述面阵探测器形成的虚拟针孔对所述阵列光斑进行空间滤波，使所述阵列光斑与所述虚拟针孔的中心重合，并将滤波后的阵列光斑转化为电信号；
所述控制模块电性连接于所述面阵探测器和所述纳米位移台，所述控制模块采集所述电信号；
所述图像重建模块电性连接于所述控制模块，所述图像重建模块根据所述控制模块采集所述探测器与所述纳米位移台的所述电信号实现基于干涉阵列光场的共聚焦并行扫描成像图像重建。
2.根据权利要求1所述的基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪，其特征在于，所述光阑为中心为实心的光阑。
3.根据权利要求1所述的基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪，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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