CN108169887A - 3d多焦面结构光快速显微成像系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D多焦面结构光快速显微成像系统及方法，其中系统包括：物镜OL；延迟透镜组用于确保不同深度的光经过多焦光栅后都能到达相机感光面；衍射多焦光栅MFG；色差矫正光栅CCG用于消除样本同一深度对应子图的色差；数字微镜阵列DMD用于对样本不同深度的照明图案进行调制；第一4f组用于使得激光光束的大小与数字微镜阵列DMD大小匹配；第二4f组用于数字微镜阵列DMD上图案的大小与衍射多焦光栅MFG大小匹配；成像模块用于采集数据并对样本的不同深度分别进行结构光超分辨显微重建，并将每层的重建结果堆叠起来，形成最后的3D超分辨成像结果。该系统可以有效提高显微成像的速度，提升系统的稳定性。

Description

3D多焦面结构光快速显微成像系统及方法
技术领域
本发明涉及显微超分辨成像，显微体成像技术领域，特别涉及一种3D多焦面结构光快速显微成像系统及方法。
背景技术
SIM(structured illumination microscopy，结构光照明显微)在生物显微成像中具有十分重要的作用，该方法可以带来两倍的空间分辨率的提升。与其他超分辨显微方法相比，结构光显微需要拍摄的次数较少，因而具有明显的速度优势，可以更好地应用到活细胞成像的研究中。
但是在对物体进行三维成像时，结构光显微通常需要移动样本，在轴向对样本进行扫描，扫描带来的机械移动一方面会降低成像速度，另一方面会对系统的稳定性带来不利的影响。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种3D多焦面结构光快速显微成像系统，该系统可以有效提高显微成像的速度，提升系统的稳定性。
本发明的另一个目的在于提出一种3D多焦面结构光快速显微成像方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种3D多焦面结构光快速显微成像系统，包括：物镜OL；延迟透镜组，所述延迟透镜组包括第一透镜L1和第二透镜L2，用于确保不同深度的光经过多焦光栅后都能到达相机感光面；衍射多焦光栅MFG，所述衍射多焦光栅MFG放置到所述第一透镜L1的焦平面上；色差矫正光栅CCG，用于消除样本同一深度对应子图的色差；数字微镜阵列DMD，用于对样本不同深度的照明图案进行调制；第一4f组，用于使得激光光束的大小与所述数字微镜阵列DMD大小匹配；第二4f组，用于所述数字微镜阵列DMD上图案的大小与衍射多焦光栅MFG大小匹配；成像模块，用于采集数据并对所述样本的不同深度分别进行结构光超分辨显微重建，并将每层的重建结果堆叠起来，形成最后的3D超分辨成像结果。
本发明实施例的3D多焦面结构光快速显微成像系统，可以将DMD面板分成不同的区域并调制不同的图案，经过多焦光栅后，同时对样本不同深度的照明图案进行调制，并将不同深度的光通过多焦光栅分开到相机的不同空间位置同时进行采集，从而将三维结构光显微成像提升到与二维相同的速度，有效提高显微成像的速度，提升系统的稳定性。
另外，根据本发明上述实施例的3D多焦面结构光快速显微成像系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述色差矫正光栅CCG设置于所述衍射多焦光栅MFG后方，且在该位置处不同深度对应的子图在空间位置上分离设置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，使所述样本发射与照明光相同波长的光，标定样本不同深度的光到达所述数字微镜阵列DMD后对应的位置，以在用对所述样本不同深度的照明图案进行调制时，所述数字微镜阵列DMD上的调制区域与标定的位置相对应。
进一步地，在本明的一个实施例中，所述第一4f组和所述第二4f组均具有两个透镜。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种3D多焦面结构光快速显微成像方法，包括以下步骤：在数字微镜阵列不同的空间位置调制不同的正弦图案，并通过多焦光栅将所述不同的正弦图案投影到样本的不同深度；通过所述多焦光栅将所述样本的不同深度的信息投射到相机的不同空间位置，以对所述样本不同深度的同时成像；通过结构光超分辨成像相关算法恢复样本不同深度的超分辨图像。
本发明实施例的3D多焦面结构光快速显微成像方法，可以将DMD面板分成不同的区域并调制不同的图案，经过多焦光栅后，同时对样本不同深度的照明图案进行调制，并将不同深度的光通过多焦光栅分开到相机的不同空间位置同时进行采集，从而将三维结构光显微成像提升到与二维相同的速度，有效提高显微成像的速度，提升系统的稳定性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的3D多焦面结构光快速显微成像系统的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的衍射多焦光栅MFG的工作示意图；
图3为根据本发明一个实施例的3D多焦面结构光快速显微成像方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在介绍3D多焦面结构光快速显微成像系统及方法之前，先简单介绍一下多平面成像技术。
多平面成像的基本思路为将样本不同深度的信息分开投射到相机的不同空间位置。其中一种多平面成像方法为在样本的傅里叶面放置一个衍射多焦光栅。样本不同深度的光经过多焦光栅后会分成不同的路径，从而到达相机的不同位置，在相机的感光面上形成N×N个子图，每个子图对应多焦光栅不同的衍射级次。实际应用中影响同时成像平面个数的因素主要有：相机感光面的大小、样本发出或反射的光的强度、深度变化带来的相差以及色差等，通常同时成像的平面数为4～25个。
结合结构光照明显微和多平面成像技术，可以在不进行扫描的情况下实现三维超分辨显微成像。本发明充分发挥了结构光显微和多平面成像速度快的优点，可以实现三维样本的视频帧率采集。
正是基于上述原因，本发明实施例提出了一种3D多焦面结构光快速显微成像系统及方法。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的3D多焦面结构光快速显微成像系统及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的3D多焦面结构光快速显微成像系统。
图1是本发明一个实施例的3D多焦面结构光快速显微成像系统的结构示意图。
如图1所示，该3D多焦面结构光快速显微成像系统10包括：物镜OL、延迟透镜组100、衍射多焦光栅MFG、色差矫正光栅CCG、数字微镜阵列DMD、第一4f组200、第二4f组300和成像模块。
其中，物镜OL。延迟透镜组100延迟透镜组包括第一透镜L1和第二透镜L2，用于确保不同深度的光经过多焦光栅后都能到达相机9(camera)感光面。衍射多焦光栅MFG放置到第一透镜L1的焦平面上。色差矫正光栅CCG用于消除样本(sample)同一深度对应子图的色差。数字微镜阵列DMD用于对样本不同深度的照明图案进行调制；第一4f组200用于使得激光(laser)光束的大小与数字微镜阵列DMD大小匹配。第二4f组300用于数字微镜阵列DMD上图案的大小与衍射多焦光栅MFG大小匹配。成像模块用于采集数据并对样本的不同深度分别进行结构光超分辨显微重建，并将每层的重建结果堆叠起来，形成最后的3D超分辨成像结果。本发明实施例的系统10可以将三维结构光显微成像提升到与二维相同的速度，有效提高显微成像的速度，提升系统的稳定性。
可以理解的是，在数字微镜阵列DMD不同的空间位置调制不同的正弦图案，并通过多焦光栅将不同的正弦图案投影到样本的不同深度；通过衍射多焦光栅MFG将样本不同深度的信息投射到相机的不同空间位置，从而实现对样本不同深度的同时成像；用结构光超分辨成像相关算法恢复样本不同深度的超分辨图像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，色差矫正光栅CCG设置于衍射多焦光栅MFG后方，且在该位置处不同深度对应的子图在空间位置上分离设置。
具体而言，首先，确定衍射多焦光栅MFG位置。用明场激发样本，放置延迟透镜组L1、L2，需要合理选择L1、L2参数，确保不同深度的光经过多焦光栅后都能到达相机感光面，且在样本和L1之间放置镜筒透镜(tube lens)，其中，镜筒透镜(tube lens)和物镜之间的距离依据不同生产厂家标示的参数而定，例如可以选择100mm。Tube lens和透镜L1之间的距离应该等于Tube lens和L1的焦距之和。镜筒透镜(tube lens)的作用为：与无限远物镜配合对样本成像，同时矫正像差等。将MFG放置到L1的焦平面上，并放置色差矫正光栅CCG，以便消除样本同一深度对应子图的色差。由于样本发射的光不是严格的单色光，需要在MFG后面放置CCG，且在该位置处不同深度对应的子图在空间位置上应该分离开来。其中，衍射多焦光栅MFG的工作示意图如图2所示，图2中左边数字1～9表示样本不同深度图像对应的傅里叶面，右边的棋盘格表示不同深度的图案分散到相机的不同空间位置。
进一步地，二向色镜(dichroic)应该放在色差矫正光栅CCG和滤光片L2之间，并保证通过多焦光栅MFG后发散的光都能通过该二向色镜。二向色镜(dichroic)的作用为：反射激发光，透射样本荧光，从而达到将激发光和样本荧光分离的效果。滤光片(filter)应该放在透镜L2或相机的前面，只要保证荧光信号都通过该滤光片即可，其透射光的谱段应与荧光信号的谱段相匹配。滤光片(filter)的作用为：滤掉荧光信号中的杂散光，保证相机接受到的都是特定谱段的信号，提高采集信号的信噪比。
进一步地，在本发明的一个实施例中，使样本发射与照明光相同波长的光，标定样本不同深度的光到达数字微镜阵列DMD后对应的位置，以在用对样本不同深度的照明图案进行调制时，数字微镜阵列DMD上的调制区域与标定的位置相对应。
具体而言，标定数字微镜阵列DMD上分块调节照明图案对应的区域。由于照明光和激发光波长不同，所以DMD和相机的位置并不共轭。因此，需要使样本发射与照明光相同波长的光，标定样本不同深度的光到达DMD后对应的位置，并用DMD对样本不同深度的照明图案进行调制时，DMD上的调制区域需要与标定的位置相对应。
进一步地，在本发明的一个实施例中，第一4f组200和第二4f组300均具有两个透镜。
具体而言，第一4f组200为L5、L6，以便激光光束大小与DMD大小匹配，第二4f组300为L3、L4，以便DMD上图案的大小与衍射多焦光栅MFG大小匹配。
根据本发明实施例提出的3D多焦面结构光快速显微成像系统，可以将DMD面板分成不同的区域并调制不同的图案，经过多焦光栅后，同时对样本不同深度的照明图案进行调制，并将不同深度的光通过多焦光栅分开到相机的不同空间位置同时进行采集，从而将三维结构光显微成像提升到与二维相同的速度，有效提高显微成像的速度，提升系统的稳定性。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的3D多焦面结构光快速显微成像方法。
图3是本发明一个实施例的3D多焦面结构光快速显微成像方法的流程图。
如图3所示，该3D多焦面结构光快速显微成像方法包括以下步骤：
在步骤S301中，在数字微镜阵列不同的空间位置调制不同的正弦图案，并通过多焦光栅将不同的正弦图案投影到样本的不同深度。
在步骤S302中，过多焦光栅将样本的不同深度的信息投射到相机的不同空间位置，以对样本不同深度的同时成像。
在步骤S303中，通过结构光超分辨成像相关算法恢复样本不同深度的超分辨图像。
需要说明的是，前述对3D多焦面结构光快速显微成像系统实施例的解释说明也适用于该实施例的3D多焦面结构光快速显微成像方法，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的3D多焦面结构光快速显微成像方法，可以将DMD面板分成不同的区域并调制不同的图案，经过多焦光栅后，同时对样本不同深度的照明图案进行调制，并将不同深度的光通过多焦光栅分开到相机的不同空间位置同时进行采集，从而将三维结构光显微成像提升到与二维相同的速度，有效提高显微成像的速度，提升系统的稳定性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种3D多焦面结构光快速显微成像系统，其特征在于，包括：
物镜OL；
延迟透镜组，所述延迟透镜组包括第一透镜L1和第二透镜L2，用于确保不同深度的光经过多焦光栅后都能到达相机感光面；
衍射多焦光栅MFG，所述衍射多焦光栅MFG放置到所述第一透镜L1的焦平面上；
色差矫正光栅CCG，用于消除样本同一深度对应子图的色差；
数字微镜阵列DMD，用于对样本不同深度的照明图案进行调制；
第一4f组，用于使得激光光束的大小与所述数字微镜阵列DMD大小匹配；
第二4f组，用于所述数字微镜阵列DMD上图案的大小与衍射多焦光栅MFG大小匹配；以及
成像模块，用于采集数据并对所述样本的不同深度分别进行结构光超分辨显微重建，并将每层的重建结果堆叠起来，形成最后的3D超分辨成像结果。
2.根据权利要求1所述的3D多焦面结构光快速显微成像系统，其特征在于，所述色差矫正光栅CCG设置于所述衍射多焦光栅MFG后方，且在该位置处不同深度对应的子图在空间位置上分离设置。
3.根据权利要求1所述的3D多焦面结构光快速显微成像系统，其特征在于，使所述样本发射与照明光相同波长的光，标定样本不同深度的光到达所述数字微镜阵列DMD后对应的位置，以在用对所述样本不同深度的照明图案进行调制时，所述数字微镜阵列DMD上的调制区域与标定的位置相对应。
4.根据权利要求1所述的3D多焦面结构光快速显微成像系统，其特征在于，所述第一4f组和所述第二4f组均具有两个透镜。
5.一种3D多焦面结构光快速显微成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
在数字微镜阵列不同的空间位置调制不同的正弦图案，并通过多焦光栅将所述不同的正弦图案投影到样本的不同深度；
通过所述多焦光栅将所述样本的不同深度的信息投射到相机的不同空间位置，以对所述样本不同深度的同时成像；以及
通过结构光超分辨成像相关算法恢复样本不同深度的超分辨图像。
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