CN111158130A - 一种采用激光阵列光源的傅里叶叠层显微成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用激光阵列光源的傅里叶叠层显微成像系统，能够提高傅里叶叠层显微成像系统的分辨率，克服光照强度低、光照强度不均匀的问题，并且系统光路简单、成像速度较高。本发明的光开关为挡板式光开关，可通过编程控制板进而有选择地使光开关上的某个小孔处于“开”或“关”状态，激光只能从打开着的小孔通过，从而实现激光阵列照明，提高了傅里叶叠层显微成像系统的分辨率，克服光照强度低、光照强度不均匀的问题，并且系统的成像速度较高。

Description

一种采用激光阵列光源的傅里叶叠层显微成像系统

技术领域

本发明属于成像系统照明技术领域，具体涉及一种采用激光阵列光源的傅里叶叠层显微成像系统。

背景技术

傅里叶叠层显微成像技术是近年来发展出的一种大视场、高分辨率、定量相位计算的显微成像技术，并且该方法整合了相位恢复和合成孔径的概念。傅里叶叠层显微成像技术的处理过程是根据在空域中记录的光强信息，以及在频域中某种固定的映射关系来进行交替迭代的，借用了合成孔径叠层成像的思想。在传统的傅里叶叠层成像系统中，样品被不同角度的平面波照明并通过一个低数值孔径的物镜进行成像，二维的薄物体由来自不同角度的平面波照明，在物镜后焦面上物体的频谱被平移到对应的不同位置上。因此，一些本来超出物镜数值孔径的频率成分被平移到物镜数值孔径以内，从而能够传递到成像面进行成像。反过来看，不同角度的入射光可等效为在频谱上不同位置的交叠的光瞳函数(子孔径)过不同位置子孔径的频谱在频域上形成叠层，之后再利用相机拍摄到的一系列低分辨率图像在频域里迭代，依次更新对应的子孔径里的频谱信息，子孔径与子孔径交叠着扩展了频域带宽并恢复出超过物镜空间分辨率限制的高频信息(合成孔径)，最终同时重构出物体的大视场高分辨率的光强和相位图像(相位恢复)。这样就实现了使用一个低数值孔径、低放大倍率的物镜，获得大视场和高分辨率的成像结果，最终重构的分辨率取决于频域中合成数值孔径的大小。

最常见的傅里叶叠层显微成像系统是在传统光学显微镜的基础上进行改造的，通常是使用可编程的LED阵列光源来实现照明的。通过连续点亮一个或多个LED元件，可以获得不同照明角度的样品散射相对应的样品图像。使用LED阵列光源的傅里叶叠层成像系统存在光照强度低以及未知系统误差的问题，例如每个LED单元照明亮度的不一致、显微物镜的像差、物面聚焦程度等，这些未知系统误差都会影响傅里叶叠层成像重构的图像质量。而且由于需要依次点亮每个LED单元并拍摄对应的上百幅低分辨率图像，因此需要在图像采集过程中花费大量的时间，数据采集效率偏低，严重限制了其在多个领域中的应用。为解决传统傅里叶叠层显微成像系统的光照强度低、光照不均匀的问题，2015年，Kuang Cuifang等提出了基于数字微镜器件的激光照明方式，数字微镜器件包括多个微镜元件，通过有选择地使数字微镜器件上的某个反射镜旋转，实现不同角度的平面波照明。但是，数字微镜器件上的多个二元微镜元件需呈菱形阵列排列，对硬件的要求较高，并且该照明方式引入4F系统，光路设计较复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种采用激光阵列光源的傅里叶叠层显微成像系统，能够提高傅里叶叠层显微成像系统的分辨率，克服光照强度低、光照强度不均匀的问题，并且系统光路简单、成像速度较高。

为实现上述目的，本发明的一种采用激光阵列光源的傅里叶叠层显微成像系统，采用激光阵列光源作为照明光源；

所述激光阵列光源包括阵列式光开关以及激光光源，利用阵列式光开关的开闭选择激光光源的通光位置；

其中，所述阵列式光开关为挡板式光开关，包括带有阵列小孔的底板、挡光板以及挡光板控制单元，一个小孔对应一个挡光板及其控制单元，挡光板控制单元用于控制挡光板的位置实现小孔的“开”或“关”状态。

其中，所述挡光板控制单元包括衔铁、线圈、蹄形铁芯以及弹簧；弹簧固定连接在底板上，挡光板的一侧连接弹簧，另一侧连接衔铁，在衔铁外侧沿弹簧伸长方向，固定有缠着线圈的蹄形铁芯，通过线圈通断电控制挡光板的移动。

其中，每个控制单元中蹄形铁芯的线圈均与同一个控制板连接，控制板对其中一个线圈交替通、断电，通过编程或人工对控制板进行控制，进而控制对应的小孔处于“开”和“关”的交替状态。

其中，在激光阵列光源的基础上设有聚光镜，激光阵列光源放置在聚光镜的焦平面处，聚光镜用于对激光阵列光源的通光光束进行聚焦。

有益效果：

本发明对傅里叶叠层显微成像系统中照明光源进行改进，将LED阵列光源改为基于光开关编程控制的激光阵列光源，本发明采用的激光阵列光源比LED阵列光源的光照强度大，而且光照强度均匀，因此使用激光阵列光源照明的傅里叶叠层显微成像系统的成像效果更好。本发明的光开关为挡板式光开关，可通过编程控制板进而有选择地使光开关上的某个小孔处于“开”或“关”状态，激光只能从打开着的小孔通过，从而实现激光阵列照明，提高了傅里叶叠层显微成像系统的分辨率，克服光照强度低、光照强度不均匀的问题，并且系统的成像速度较高。

本发明激光阵列光源的基础上还添加了一个聚光镜，激光阵列光源放置在聚光镜的焦平面处，聚光镜用于对激光阵列光源通过小孔之后的光束进行聚焦，消除激光阵列的边缘效应，从而进一步提高照明亮度，达到最好的照明效果。

附图说明

图1为本发明光开关对激光光源的控制原理图。

图1(a)为小孔“关”状态示意图；图1(b)为小孔“开”状态示意图。

其中，1-弹簧，2-小孔，3-挡光板，4-衔铁，5-蹄形铁芯，6-线圈。

图2为本发明激光阵列光源的整体结构图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

针对传统傅里叶叠层显微成像系统照明光源中存在的光照强度低，光照不均匀以及成像速度较低的问题，本发明提出了一种采用激光阵列光源的傅里叶叠层显微成像系统，采用光开关控制的激光光源，激光光源相对于LED光源而言，亮度大大提高，而且光照均匀。目前所有基于LED的傅里叶叠层显微成像系统都是基于部分相干照明的，都存在亮度不足，低光功率，相机暗噪声，以及吞吐量有限，难以实现强劲的高速成像。因此采用高功率相干激光光源，以实现镜头噪声限制的高速成像，并且克服了低光照、光照强度不均匀、暗噪声限制检测、低成像速度等问题。

具体为：本发明采用激光阵列光源作为照明光源，所述激光阵列光源包括阵列式光开关以及激光光源，利用阵列式光开关的开闭选择激光光源的通光位置。其中，阵列式光开关的开闭通过编程控制。

如图1所示，本实施例的阵列式光开关为挡板式光开关，包括带有阵列小孔2的底板、挡光板3以及挡光板3控制单元，一个小孔对应一个挡光板3及其控制单元，挡光板3控制单元用于控制挡光板3的位置实现小孔的“开”或“关”状态。

本实施例中，利用电磁铁原理来实现挡光板的移动，具体地，对于一个控制单元，还包括弹簧1、衔铁4和蹄形铁芯5，其中两个相同弹簧一端固定在底板上，另一端连接挡光板3的一侧，衔铁4连接挡光板3的另一侧，沿弹簧1伸长方向，在衔铁4外侧固定有缠着线圈6的蹄形铁芯5，通过线圈6通断电控制挡光板3的移动。

如图1(a)所示，线圈6断电，弹簧处于原长，小孔2完全被挡光板3遮盖，此时激光束不能通过小孔2，即小孔2处于“关”状态；如图1(b)所示，线圈6通电，电流通过线圈6会在线圈6内形成均匀磁场，铁芯5被磁化，吸引衔铁连接的挡光板向弹簧1伸长方向移动，弹簧1处于伸长状态，衔铁4与铁芯5连接，此时激光可以通过小孔2，即小孔2处于“开”状态；当线圈6再次断电后，铁芯5快速消磁，伸长的弹簧1会拉着挡光板向左移动，待弹簧1恢复原长，挡光板3刚好完全遮盖小孔2，小孔2又重新处于“关”状态，如图1(a)所示。每个控制单元中蹄形铁芯5的线圈6均与同一个控制板连接，控制板对其中一个线圈交替通、断电，可以通过编程或人工控制控制板，进而控制对应的小孔处于“开”和“关”的交替状态，从而使激光束从不同通光位置通过，实现不同角度的平面波照明模式。

另外，也可以旋转挡光板的方式实现小孔的“开”或“关”状态切换。

本发明的阵列式光开关不限于挡板式光开关，能利用开闭选择激光光源的通光位置的均可。

为实现照在样品上的光束强度足够大，使照明效果最好，得到更好的成像结果。本发明在上述激光阵列光源的基础上还添加了一个聚光镜，激光阵列光源放置在聚光镜的焦平面处，聚光镜用于对激光阵列光源通过小孔之后的光束进行聚焦。

激光阵列光源的整体结构如图2所示，包括激光器、透镜、光开关以及聚光镜。其中，本实施中激光器是可调谐波长的，通过对其调节，可以发出红(635nm)、绿(532nm)、蓝(445nm)三种波长的激光。激光器发散的激光首先要经过准直扩束，形成平行的激光光束，之后照射到光开关上。光开关上的小孔可以被编程控制，呈现“开”或“关”状态。传统的傅里叶叠层显微成像系统的照明模式一般是从左上角开始，依次点亮每个小LED灯。通过编程控制板对光开关进行控制，也可以达到这种照明模式。通过编程控制板进而有选择地使其中一个小孔处于“开”状态，其余的小孔处于“关”状态，这样激光就只能从打开着的小孔通过。通过从左上角依次打开每一个小孔，样品就可以被不同入射角的平面波照亮。通过对光开关进行编程控制，从而进行照明，照明模式的控制更灵活，因此可以提高系统采集数据的速度。进一步地，通过小孔的激光束经聚光镜汇聚，这样样品就可以被不同入射角的平面波照亮。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种采用激光阵列光源的傅里叶叠层显微成像系统，其特征在于，采用激光阵列光源作为照明光源；

所述激光阵列光源包括阵列式光开关以及激光光源，利用阵列式光开关的开闭选择激光光源的通光位置；

其中，所述阵列式光开关为挡板式光开关，包括带有阵列小孔(2)的底板、挡光板(3)以及挡光板(3)控制单元，一个小孔对应一个挡光板(3)及其控制单元，挡光板(3)控制单元用于控制挡光板(3)的位置实现小孔的“开”或“关”状态。

2.如权利要求1所述的采用激光阵列光源的傅里叶叠层显微成像系统，其特征在于，所述挡光板(3)控制单元包括衔铁(4)、线圈(6)、蹄形铁芯(5)以及弹簧；弹簧固定连接在底板上，挡光板(3)的一侧连接弹簧，另一侧连接衔铁(4)，在衔铁(4)外侧沿弹簧(1)伸长方向，固定有缠着线圈(6)的蹄形铁芯(5)，通过线圈(6)通断电控制挡光板(3)的移动。

3.如权利要求2所述的采用激光阵列光源的傅里叶叠层显微成像系统，其特征在于，每个控制单元中蹄形铁芯(5)的线圈(6)均与同一个控制板连接，控制板对其中一个线圈交替通、断电，通过编程或人工对控制板进行控制，进而控制对应的小孔处于“开”和“关”的交替状态。

4.如权利要求1、2或3所述的采用激光阵列光源的傅里叶叠层显微成像系统，其特征在于，在激光阵列光源的基础上设有聚光镜，激光阵列光源放置在聚光镜的焦平面处，聚光镜用于对激光阵列光源的通光光束进行聚焦。

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