CN108897126B - 一种荧光成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种荧光成像系统，包括点光源阵列模块(1)、光学透镜系统(2)、滤光片组(3)、显微物镜(4)、载物台(5)、成像透镜(6)、光电探测器(7)和同步控制系统(8)，其中：所述点光源阵列模块(1)发射的光经所述光学透镜系统(2)和滤光片组(3)后，通过所述显微物镜(4)，在放置于所述载物台(5)上的样品表面形成相干结构光照明，并激发样品荧光，所述成像透镜(6)将该样品荧光成像在所述光电探测器(7)上；所述同步控制系统(8)连接所述点光源阵列模块(1)、载物台(5)和光电探测器(7)，用于同步切换所述滤光片组(3)。本发明中的荧光成像系统具有成像速度快、光源能量利用率高、系统体积小以及成本较低等优点，极大地提升了结构光照明荧光成像的能力。

Description

一种荧光成像系统

技术领域

本发明涉及一种荧光成像系统。

背景技术

传统光学显微成像由于受到光学衍射极限的限制，无法实现小于200nm分辨率的成像。为了满足生命科学研究中对亚细胞尺度结构观测的需求，研究人员提出了多种荧光超分辨显微技术来实现突破光学衍射极限的成像，如受激发射损耗显微技术、光激活定位显微技术、随机光学重构显微技术以及结构光照明显微技术等。这些超分辨显微技术可将光学成像的分辨率扩展到了10nm～100nm范围内。

在上述的超分辨成像技术中，结构光照明超分辨荧光成像技术能够实现宽场、快速的超分辨成像，其低漂白的特点适合于活体细胞或组织的实时成像，具有极大的应用前景。结构光照明超分辨荧光成像的基本原理是利用条纹照明带来的摩尔干涉效应，将原本无法采集的样品高频荧光信号(即高分辨率信息)编码进光学成像系统的采集范围内，通过采集多个方向、多个条纹相位的多帧荧光图像，利用图像处理算法，重构出突破光学衍射极限的样品图像。从理论上来说，结构光照明超分辨成像技术极限上最高可以将光学成像系统的分辨能力提高一倍。

结构光照明超分辨成像的核心技术是照明条纹的形成和调制。目前，主流的结构光照明超分辨成像系统通常利用空间光调制器来实现结构光照明。在空间光调制器上显示类光栅的二值图像，照射在空间光调制器上的平行激光束会发生多级衍射，仅让正负1级衍射光束通过，利用这两束光的干涉图样作为照明，激发样品荧光信号。通过改变空间光调制器上显示光栅二值图像的周期、方向以及相位，可以实现照明条纹空间频率、方向以及相位的调制。一般的，结构光照明超分辨成像技术需要在至少3个方向(0°、60°和120°)上采集3张不同照明条纹相位(0、2π/3和4π/3)的荧光图像，总计至少9张图像才能利用算法重构出超分辨图像。虽然基于空间光调制器的结构光照明超分辨成像系统可以快速方便地实现照明条纹的形成和调制，但是空间光调制器本身对光的衍射，一方面会导致大部分入射光能量不能被利用，另一方面需要构建相应的滤波光路，增加了系统的体积和复杂性。并且，目前空间光调制器的成本较高，限制了结构光照明超分辨成像技术的广泛应用。

综上所述，目前主流的结构光照明荧光成像系统由于普遍采用空间光调制器，导致其系统光路较为复杂、光能量利用率低且成本较高。目前还没有一种结构简单、光能量利用率高且成本低的结构光照明荧光成像系统。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种荧光成像系统，以克服现有技术中结构光照明荧光成像系统光路复杂、光能量利用率低且成本较高的问题，本发明中的荧光成像系统具有成像速度快、光源能量利用率高、系统体积小以及成本较低等优点，极大地提高了结构光照明荧光成像的能力。

(二)技术方案

本发明提供了一种荧光成像系统，包括点光源阵列模块、光学透镜系统、滤光片组、显微物镜、载物台、成像透镜、光电探测器和同步控制系统，其中：所述点光源阵列模块发射的光经所述光学透镜系统和滤光片组后，通过所述显微物镜，在放置于所述载物台上的样品表面形成相干结构光照明，并激发样品荧光，所述成像透镜将该样品荧光成像在所述光电探测器上；所述同步控制系统连接所述点光源阵列模块、载物台和光电探测器，用于同步切换所述滤光片组。

可选地，所述点光源阵列模块由点光源阵列和驱动电路模块组成，所述点光源阵列由多个点光源组成，所述点光源对称分布在该点光源阵列中，所述驱动电路模块用于驱动所述点光源发光。

可选地，所述点光源为具有发散角的激光点光源。

可选地，所述点光源的位置上包含三个及三个以上不同波长的所述激光点光源。

可选地，所述点光源的开关调制速率大于100MHz。

可选地，所述驱动电路模块同一时间驱动至少一个点光源，被驱动的点光源同时以相同功率发射激光光束。

可选地，所述驱动电路模块驱动所述点光源的开关速率等于或大于一个所述点光源的开关调制速率。

可选地，所述光学透镜系统是由两个凸透镜组成的4f系统，用于调制所述被驱动的点光源。

可选地，所述滤光片组由激发滤光片、二向色镜和发射滤光片组成。用于分离所述激光光束和样品荧光。

可选地，所述点光源阵列模块放置于显微物镜的前焦面，该前焦面为系统成像的共轭傅里叶面。

(三)有益效果

本发明提供的一种荧光成像系统，具有以下有益效果：

(1)通过将点光源阵列放置在系统成像的共轭傅里叶面上，在物镜后焦面形成相干结构光照明，避免在系统中使用空间光调制器，提高了系统的集成度，并降低了成本；

(2)采用激光器二极管或光纤耦合输出激光器作为点光源，其开关调制速率可达到100MHz以上，远大于现有结构光照明成像系统的照明图样形成速度，可以实现高速的结构光超分辨成像；

(3)点光源发出的大部分光能量可以被光学透镜系统收集，实现高光密度的照明，与现有的基于空间光调制器的高速结构光照明荧光成像系统相比，具有更高的光能量利用率。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例提供的一种荧光成像系统的示意图。

图2示意性示出了本发明实施例提供的点光源阵列实现相干结构光照明的原理示意图。

图3示意性示出了本发明实施例提供的相干结构光可调控的点光源阵列的示意图。

图4示意性示出了本发明实施例提供的一种多激发波长结构光照明荧光成像系统的点光源阵列的示意图。

附图标记说明：

1-点光源阵列模块；2-光学透镜系统；3-滤光片组；4-显微物镜；5-载物台；6-成像透镜；7-光电探测器；8-同步控制系统；101-若干点光源；301-激发滤光片；302-二向色镜；303-发射滤光片。

具体实施方式

本发明提供了一种荧光成像系统，采用点光源阵列作为光源，通过驱动电路模块一次点亮两个对称的点光源发射激光光束，该激光光束通过光学透镜系统、二向色镜和显微物镜聚焦后，在样品表面形成相干结构光照明，并激发样品荧光，激发的样品荧光通过发射滤光片和成像透镜，成像在光电探测器上。选通点光源阵列中不同方向的点光源对，使得光电探测器采集N个不同方向上的相干结构光照明，其中N≥3，然后通过相应图像重构算法，实现本发明中荧光成像系统突破衍射极限的超分辨成像。本发明提供的基于点光源阵列的高速结构光照明的荧光成像系统，避免了使用价格较为昂贵的空间光调制器，并且具有更快的相干结构光形成速率，极大地提高了系统的性能。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1示意性示出本发明实施例提供的一种荧光成像系统的示意图，从图中可以看出该系统包括：点光源阵列模块1、光学透镜系统2、滤光片组3、显微物镜4、载物台5、成像透镜6、光电探测器7、同步控制系统8。

本实施例中，光学透镜系统2和滤光片组3依次置于点光源阵列模块1之后，显微物镜4和载物台5依次置于滤光片组3上方，成像透镜6和光电探测器7依次置于滤光片组3下方，同步控制系统8连接着点光源阵列模块1、载物台5和光电探测器7。点光源阵列模块1包含点光源阵列和驱动电路模块。滤光片组3包含激发滤光片301、二向色镜302和发射滤光片303。结合图2和图3具体说明本发明实施例提供的基于点光源阵列的高速结构光照明荧光成像系统的结构及工作原理。

图2示意性示出了本发明实施例提供的点光源阵列实现相干结构光照明的原理示意图。

如图2所示，若干小圆形区域101代表若干点光源，该若干点光源呈中心对称分布并等分圆周，形成点光源阵列。该点光源阵列中点光源的数量至少为6个，并且点光源的数量越多，能够形成相干结构光的方向越多，进而重构出来的图像质量越高。驱动电路模块按照一定顺序驱动不同方向且中心对称放置的点光源对，使被驱动的点光源对发出稳定的激光光束，驱动电路模块可以同一时间驱动多个点光源，被驱动的点光源同时以相同功率发射激光光束。驱动电路模块驱动点光源的开关速率等于或大于一个点光源的开关调制速率，如驱动电路模块只驱动一个点光源时，驱动电路模块驱动点光源的开关速率等于一个点光源的开关调制速率；如驱动电路同时驱动M个点光源时，其中M≥2，驱动电路模块驱动点光源的开关速率等于M个点光源的开关调制速率的和，即驱动电路模块驱动点光源的开关速率大于一个点光源的开关调制速率。

本实施例中，点光源可以是激光二极管、光纤耦合输出激光器或其他具有一定发散角输出的激光点光源。该点光源具有高调制速率的特性，即能够实现大于100MHz的开关调制速率，在同步控制系统8的同步控制下实现高速的结构光照明荧光成像。可以理解的是，该点光源也能实现100MHz以内的开关调制速率。

进一步地，如图2所示，点光源阵列模块1放置在显微物镜4的前焦面上，该前焦面为系统的共轭傅里叶面，驱动电路模块驱动点光源阵列在某一时刻仅点亮两个位于中心对称位置的点光源对，该点亮的点光源对以一定的发散角发射均匀、稳定的激光光束，经显微物镜4聚焦后，在显微物镜4后焦面上形成两束平行光的相干结构光，进而在放置于载物台5上的样品表面形成相干结构光照明。该相干结构光的空间频率由点亮的两个点光源之间的距离决定，这两个点光源之间的距离越大，形成的相干结构光的空间频率越高。

图3示意性示出了本发明实施例提供的相干结构光可调控的点光源阵列的示意图。

如图3所示，图中小圆形表示若干点光源，该若干点光源按一定规律排列，通过驱动电路模块驱动不同方向和位置的对称的点光源对，调制相干结构光的方向和空间频率。

本实施例中，若干点光源中心对称分布，并三等分圆周，同一个方向上的点光源按一定的间距排列，如图3(a)所示。或者若干点光源在横向和纵向上按一定的间距排列成矩形，如图3(b)所示。

进一步地，如图1所示，点光源阵列模块1放置于系统成像的共轭傅里叶面上，即放置于显微物镜4和光学透镜系统2之前。光学透镜系统2是由两个凸透镜组成4f系统，可以通过选择特定的焦距组合，调制所述点亮的两个点光源，使这两个点光源在显微物镜4后焦面上形成等效的点光源像，被调制后的点光源像的间距适合显微物镜4的通光孔径，并在显微物镜4后焦面上形成稳定的相干结构光。滤光片组3由激发滤光片301、二向色镜302和发射滤光片303组成，用于分离所述激光光束和样品荧光。滤光片组3一方面对点光源阵列模块1发射的激光光束进行带通滤波，使得显微物镜4后焦面上形成高质量的相干结构光；另一方面使相干结构光激发的样品荧光通过成像透镜6，并成像在光电探测器7上。同步控制系统8连接点光源阵列模块1、载物台5和光电探测器7，并对该光源阵列模块1、载物台5和光电探测器7进行同步控制。

进一步地，驱动电路模块按照一定顺序驱动不同方向且中心对称放置的点光源对，可以实现不同方向的相干结构光照明，并激发样品荧光。光电探测器7采集不同方向相干结构光激发下的荧光图像，通过相应的图像重构算法，重构出高分辨率图像。通过同步控制系统8控制载物台5，可以实现纵向不同样品深度的成像，最终实现三维的高分辨率成像。

进一步地，本实施例中的图像重构方法具体如下：

相干结构光激发下，采集到的荧光图像在数学上可以由下式表示：

其中，i(x)为采集到的荧光图像，s(x)为样品表面的荧光分布，k₀为相干结构光的空间频率，Φ为相干结构光的相位，h(x)为成像系统的点扩散函数。

为卷积运算符，k₀的值由点亮的两个点光源的间距以及光学透镜系统2调制后的两个点光源像的间距决定。

本实施例中需要采集多个不同方向相干结构光激发下的荧光图像，超分辨的荧光图像可以通过引入最大似然估计，优化下式获得：

其中，i_s为荧光图像，i_n为第n方向上采集的样品荧光，N为采集样品荧光的方向总数，e_n为第n方向上的相干结构光照明，h为荧光成像系统的点扩散函数，

为卷积运算符。本实施例以采集三个方向相干结构光激发下的荧光图像为例，将N＝3代入此公式即可获得超分辨荧光图像，具体优化方法通过joint Richardson-Luck算法实现。

本发明的另一个实施例提供了一种多激发波长的结构光照明荧光成像系统的点光源阵列模块，如图4所示。

本实施例中，点光源阵列的排列与图3中点光源阵列的排列相似，不同之处在于，本实施例中点光源阵列的每个点光源位置上包含三个及三个以上不同波长的激光点光源，如图4(b)所示，图4(b)示出了每个点光源位置上包含三个不同波长的激光点光源，但是可以理解，每个点光源位置上也可以包含三个以上不同波长的激光点光源。

本实施例中，驱动电路模块驱动可以按照一定的顺序驱动不同方向、间距和发射波长的点光源对，调制相干结构光的方向、空间频率和波长。点光源阵列模块1切换发射的激光光束波长时，通过同步控制系统8同步切换不同的滤光片组3，实现不同激发波长的样品荧光成像。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种荧光成像系统，其特征在于，包括点光源阵列模块(1)、光学透镜系统(2)、滤光片组(3)、显微物镜(4)、载物台(5)、成像透镜(6)、光电探测器(7)和同步控制系统(8)，所述点光源阵列模块(1)由点光源阵列和驱动电路模块组成，所述点光源阵列包含多个点光源，所述点光源对称分布在所述点光源阵列中，所述点光源为具有发散角的激光点光源，其中：

所述驱动电路模块驱动所述点光源阵列中两个中心对称的点光源发射激光光束，所述激光光束经所述光学透镜系统(2)和滤光片组(3)后，通过所述显微物镜(4)，在放置于所述载物台(5)上的样品表面形成相干结构光照明，并激发样品荧光，所述成像透镜(6)将该样品荧光成像在所述光电探测器(7)上；所述同步控制系统(8)连接所述点光源阵列模块(1)、载物台(5)和光电探测器(7)，用于同步切换所述滤光片组(3)。

2.根据权利要求1所述的荧光成像系统，其中，所述点光源的位置上包含三个及三个以上不同波长的所述激光点光源。

3.根据权利要求1所述的荧光成像系统，其中，所述点光源的开关调制速率大于100MHz。

4.根据权利要求1所述的荧光成像系统，其中，所述驱动电路模块同一时间驱动至少一个点光源，被驱动的点光源同时以相同功率发射激光光束。

5.根据权利要求1所述的荧光成像系统，其中，所述驱动电路模块驱动所述点光源的开关速率等于或大于一个所述点光源的开关调制速率。

6.根据权利要求4所述的荧光成像系统，其中，所述光学透镜系统(2)是由两个凸透镜组成的4f系统，用于调制所述被驱动的点光源。

7.根据权利要求4所述的荧光成像系统，其中，所述滤光片组(3)由激发滤光片(301)、二向色镜(302)和发射滤光片(303)组成，用于分离所述激光光束和样品荧光。

8.根据权利要求1所述的荧光成像系统，其中，所述点光源阵列模块(1)放置于显微物镜(4)的前焦面，该前焦面为系统成像的共轭傅里叶面。

Images