CN111562665A - 一种sted超分辨技术中的自适应光学像差校正系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种STED超分辨技术中的自适应光学像差校正系统及方法。从激发光源发出的光束入射到空间光调制器的右半区域，从损耗光源发出的光束入射到空间光调制器的左半区域，空间光调制器与散射介质层共轭，空间光调制器的右半区域对激发光束的像差进行校正，左半区域对损耗光束进行相位调制并对光束像差进行校正，经空间光调制器的两光束合束后，再经过物镜聚焦到样本上，进行超分辨成像。本发明能够对受激辐射损耗显微系统中激发光束和损耗光束的像差进行同时校正，减少了空间光调制器的数量，降低了系统像差校正的成本，提高了散射组织中激发光束和损耗光束的光斑质量，为在厚组织样本中实现超分辨显微成像提供了新技术。

Description

一种STED超分辨技术中的自适应光学像差校正系统及方法
技术领域
本发明属于光学超分辨显微成像领域，具体涉及一种STED超分辨技术中的自适应光学像差校正系统及方法。
背景技术
受激辐射损耗(STED)技术是一种超分辨成像技术，可以突破光学衍射极限对传统光学显微系统的分辨率限制，从而获取样品的高分辨率结构。STED的原理是利用两束激光来实现超分辨成像，包括产生激发光束和与激发光中心重叠且波长匹配的损耗光束，激发光束令荧光分子产生荧光，而具有面包圈形状的损耗光束通过受激辐射将两光束重叠区域内激发的荧光分子进行抑制，而激发光斑中心的荧光分子不受影响，从而实现超分辨。
尽管STED超分辨技术在光学显微领域带来了突破性的进展，但是生物组织的散射问题大大限制了STED超分辨技术的进一步应用。光束在传播过程中易受到散射组织的影响，理想的圆形激发光斑往往发生严重畸变，而损耗光斑的面包圈形状难以维持，无法有效抑制激发光束周围的荧光分子，导致信噪比和分辨率的降低，成像质量变差，而且随着成像深度加深，光斑质量严重恶化。
为克服组织散射这一问题，应用于天文领域的自适应光学技术被引入光学显微成像系统中。自适应光学技术通过波前传感器或光强探测实现对波前畸变进行探测和计算，并采用变形镜或空间光调制器等器件对畸变波前进行相位补偿，从而恢复高质量波前。
如今，自适应光学技术也逐渐应用于超分辨成像技术，以实现在散射组织中的高质量成像。然而，由于STED超分辨系统中激发光束和损耗光束的形状和光路存在区别，难以采用单个变形镜或空间光调制器等器件对两束光束同时进行相位补偿和光斑恢复，这大大加大了系统的成本和复杂性，本发明设计了一种自适应光学像差校正系统，利用单个空间光调制器分区域同步校正激发光束和损耗光束的像差，可大大提高散射组织中STED超分辨成像的能力。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种STED超分辨技术中的自适应光学像差校正系统，采用单个空间光调制器分区域同步校正激发光束和损耗光束的像差，降低了系统的成本，改善了激发光束和损耗光束的聚焦质量，为STED超分辨在深层散射组织中的进一步应用提供了新的合理有效的方案。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种STED超分辨技术中的自适应光学像差校正系统
包括空间光调制器、分布于空间光调制器两侧的损耗光光路和激发光光路、第二二向色镜、四分之一波片、显微物镜、散射样本、载物台和探测模块；
激发光光路包括依次设置的激发光源、第一半波片、第一偏振分光棱镜、光学延迟线、第一反射镜、第一扩束模块、第二反射镜、第二半波片、第一汇聚透镜、第一准直透镜、第一二向色镜；损耗光光路包括依次设置的损耗光源、第三半波片、第二偏振分光棱镜、石英棒、第三反射镜、保偏光纤、第二扩束模块、第四反射镜、第四半波片、第二汇聚透镜、第二准直透镜、第五反射镜；
激发光源发射的激发光束依次经第一半波片和第一偏振分光棱镜后，再经光学延迟线调节光程入射到第一反射镜，第一反射镜反射的光束经第一扩束模块扩束后入射到第二反射镜，第二反射镜反射的光束依次经第二半波片、第一汇聚透镜后入射到空间光调制器的右半区域，空间光调制器的右半区域出射的光束经第一准直透镜准直后进入第一二向色镜，第一二向色镜反射的光束经第二二向色镜透射；
损耗光源发射的损耗光束依次经第三半波片、第二偏振分光棱镜和石英棒后入射到第三反射镜，第三反射镜反射的光束进入保偏光纤后经第二扩束模块扩束，扩束后的损耗光束入射到第四反射镜，第四反射镜反射的光束依次经第四半波片、第二汇聚透镜后入射到空间光调制器的左半区域，空间光调制器的左半区域出射的光束经第二准直透镜准直后入射到第五反射镜，第五反射镜反射的光束入射到第二二向色镜；
第二二向色镜反射的损耗光束与第二二向色镜透射的激发光束重叠，重叠后的光束经四分之一波片后由显微物镜汇聚到位于载物台上的散射样本，散射样本产生的光信号依次经显微物镜、四分之一波片、第二二向色镜透射、第一二向色镜透射后被探测模块接收。
所述第一扩束模块包括依次设置的第一扩束模块汇聚透镜和第一扩束模块准直透镜，第二扩束模块包括依次设置的第二扩束模块汇聚透镜和第二扩束模块准直透镜；
所述第二半波片和第四半波片用于分别调节激发光束和损耗光束的偏振态使空间光调制器的调制效果最优。
所述的激发光源和损耗光源均为脉冲光源，通过光学延迟线使激发光束脉冲相对于损耗光束脉冲产生时间延迟，以满足激发光源和损耗光源预设的时序要求；激发光源的工作波长比损耗光源的工作波长短。
所述空间光调制器分为左右相等的左半区域和右半区域；第一汇聚透镜和第二汇聚透镜分别将激发光束和损耗光束汇聚成一定尺寸的光斑并入射到空间光调制器的右半区域和左半区域。
所述探测模块包括依次设置的滤光片、聚焦透镜、多模光纤和探测器；从第一二向色镜透射的重叠后的光束经滤光片滤光后，由聚焦透镜汇聚到多模光纤空间滤波后被探测器接收；多模光纤作为空间滤波器，探测器采用CCD相机、CMOS相机或sCMOS相机中的一种。
空间光调制器共轭于散射样本的散射介质层；所述的散射样本为生物组织样品或生物仿体样本，如在琼脂样本中加入生物组织作为生物组织样品，在琼脂样本中加入一定浓度的荧光小球作为生物仿体样本，其中加入的生物组织样品和荧光小球作为散射介质层。
所述的石英棒和保偏光纤用于将损耗光束脉冲宽度展宽。
所述的第一半波片和第三半波片用于分别将激发光束和损耗光束调节为线偏振光；所述的四分之一波片用于将重叠后的激发光束和损耗光束由线偏振光转换为圆偏振光。
二、采用上述STED超分辨技术中的自适应光学像差校正系统的校正方法包括以下步骤：
步骤1)开启激发光源，关闭损耗光源，将载物台上的散射样本换成普通载玻片，并将空间光调制器的像素单元均分为左右区域两部分，激发光源发出的激发光束经过空间光调制器右半区域，空间光调制器不做调制处理，从探测器中采集圆形光斑的图像作为理想激发光斑；
步骤2)关闭激发光源，开启损耗光源，空间光调制器左半区域加载涡旋相位调制损耗光源发出的损耗光束，空间光调制器右半区域不做调制处理，从探测器中采集面包圈光斑的图像作为理想损耗光斑；
步骤3)将普通载玻片替换为散射样本，保持步骤2)中空间光调制器左半区域涡旋相位不变，从探测器中采集畸变的面包圈光斑图像作为畸变损耗光斑；
步骤4)采用自适应光学算法对入射到空间光调制器左半区域的损耗光束进行像差校正，获得损耗光束的校正相位和校正损耗光斑；
步骤5)关闭损耗光源，开启激发光源，采用自适应光学算法对入射到空间光调制器右半区域的激发光束进行像差校正，获得激发光束的校正相位和校正激发光斑；
步骤6)保持激发光源和损耗光源同步开启，在空间调制器左半区域和右半区域分别加载步骤4)和5)得到的校正相位，实现对损耗光束和激发光束像差的同步校正。
所述步骤4)和5)中的自适应光学算法包括光瞳分割自适应光学技术、多重相干自适应光学技术或基于机器学习的高速自适应光斑校正方法[Y.Zhang,C.Wu,Y.Song,K.SI,Y.Zheng,L.Hu,J.Chen,L.Tang,and W.Gong,Machine learning based adaptive opticsfordoughnut-shaped beam,Optics Express,27,16871-16881(2019)]。
本发明的有益效果是：
1)本发明结合自适应光学技术，采用单个空间光调制器的左右区域分别用于调制损耗光束和激发光束，以校正两路光束在系统和样本中产生的不同像差，克服了传统STED超分辨系统在散射组织成像过程中像差来源的复杂性，降低了系统的成本，同步改善了激发光束和损耗光束的聚焦质量。
2)本发明能够对受激辐射损耗显微系统中激发光束和损耗光束的像差进行同时校正，减少了空间光调制器的数量，降低了系统像差校正的成本，提高了散射组织中激发光束和损耗光束的光斑质量，为在厚组织样本中实现超分辨显微成像提供了新技术。
3)本发明可进一步与STED超分辨技术结合，实现散射组织中快速同步的成像质量优化，为进一步开展生物学研究提供了优良的基础。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是空间光调制器分区和对应光束示意图；
图3是空间光调制器与散射介质层共轭关系示意图，虚线所在面互为共轭面；
图4是采用实施例1的光瞳分割自适应光学技术的校正图，(A)为空间光调制器分区方式，(B1)(B2)(B3)(B4)为对应的光斑校正效果图；
图5是采用实施例2的多重相干自适应光学技术的校正图，(A)为空间光调制器分区方式，(B1)(B2)(B3)(B4)为对应的光斑校正效果图；
图6是采用实施例3的基于机器学习的高速自适应光斑校正方法对应的光斑校正效果图。
图中：激发光源1、第一半波片2、第一偏振分光棱镜3、光学延迟线4、第一反射镜5、第一扩束模块汇聚透镜6、第一扩束模块准直透镜7、第二反射镜8，第二半波片9、第一汇聚透镜10、空间光调制器11、第一准直透镜12、第一二向色镜13、损耗光源14、第三半波片15、第二偏振分光棱镜16、石英棒17、第三反射镜18、保偏光纤19、第二扩束模块汇聚透镜20、第二扩束模块准直透镜21、第四反射镜22、第四半波片23、第二汇聚透镜24、第二准直透镜25、第五反射镜26、第二二向色镜27、四分之一波片28、显微物镜29、散射样本30、载物台31、滤光片32、聚焦透镜33、多模光纤34、探测器35。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，系统光路具体包括激发光源1、第一半波片2、第一偏振分光棱镜3、光学延迟线4、第一反射镜5、第一扩束模块汇聚透镜6、第一扩束模块准直透镜7、第二反射镜8，第二半波片9、第一汇聚透镜10、空间光调制器11、第一准直透镜12、第一二向色镜13、损耗光源14、第三半波片15、第二偏振分光棱镜16、石英棒17、第三反射镜18、保偏光纤19、第二扩束模块汇聚透镜20、第二扩束模块准直透镜21、第四反射镜22、第四半波片23、第二汇聚透镜24、第二准直透镜24、第五反射镜26、第二二向色镜27、四分之一波片28、显微物镜29、散射样本30、载物台31、滤光片32、聚焦透镜33、多模光纤34和探测器35。
激发光源1发出的激发光束依次经过第一半波片2和第一偏振分光棱镜3调节功率后，经光学延迟线4调节光程后从第一反射镜5的出射光经过汇聚透镜6和准直透镜7扩束，再经第二反射镜8反射后依次经第二半波片9和第一汇聚透镜10入射到空间光调制器11右半区域中，出射的光束经过第一准直透镜12准直后从第一二向色镜13反射，再经第二二向色镜27透射；所述损耗光源14发出的损耗光束依次经过第三半波片15、第二偏振分光棱镜16和石英棒17后，经第三反射镜18反射进入保偏光纤19后经过汇聚透镜20和准直透镜21扩束，再经第四反射镜22反射后依次经第四半波片23和第二汇聚透镜24入射到空间光调制器11左半区域中，出射的光束经过第二准直透镜25准直后经第五反射镜26反射，在第二二向色镜27反射并与激发光束重叠，重叠后的光束经过四分之一波片28后由显微物镜29汇聚到载物台31中的散射样本30上，散射样本30产生的光信号经显微物镜29、四分之一波片28、第二二向色镜27、第一二向色镜13后经滤光片32、聚焦镜33、多模光纤34滤波由探测器35接收进行光强探测。
光学延迟线可由两片成直角放置的反射镜或角反射器与固定光束入射方向的导轨组成，导轨可沿光束入射方向往复运动，光学延迟线通过沿着光束入射方向往复运动调节激发光路光程。
具体的，通过在500微米厚度琼脂样本中插入50微米厚的成年小鼠脑片作为散射样本30，插入的50微米厚的成年小鼠脑片作为散射介质层，散射介质层与空间光调制器作用面形成如图3所示的共轭关系。
本发明的实施例及其具体过程如下：
实施例1
(1)在载物台31上放置普通载玻片，激发光源1发出脉冲激光束，激发光束经第一半波片2调节为线偏振光、第一偏振分光棱镜3调节功率，激发光束经光学延迟线4后从第一反射镜5的出射光经过第一扩束模块汇聚透镜6和第一扩束模块准直透镜7扩束，再经第二反射镜8反射后经第二半波片9调节偏振态，由第一汇聚透镜10汇聚入射到未加载调制相位的空间光调制器11右半区域中，出射的光束经过第一准直透镜12准直后从第一二向色镜13反射，再经第二二向色镜27透射，然后经四分之一波片28调节至圆偏振态后由显微物镜29汇聚到载物台31中的普通载玻片上，从载玻片返回的光信号经显微物镜29、四分之一波片28、第二二向色镜27、第一二向色镜13后经滤光片32滤光、聚焦透镜33汇聚到多模光纤34空间滤波后被探测器35接收，采集到的圆形光斑作为理想激发光斑；
具体的，激发光源可以是重复频率为80MHz、波长为635nm的飞秒脉冲激光器。具体的，空间光调制器可以采用1920×1080像素，像面尺寸约15.36×8.64mm的纯相位型空间光调制器，分成左右相等的两半区域，激发光束扩束至直径约为7mm，第二半波片将激发光束偏振态调节为水平偏振态，入射到空间光调制器右半区域。
(2)损耗光源14发出脉冲激光束，损耗光束依次经过第三半波片15调节为线偏振态、第二偏振分光棱镜16调节功率，通过石英棒17后经第三反射镜18反射进入保偏光纤19后经过汇聚透镜20和准直透镜21扩束，扩束后的损耗光束经第四反射镜22反射后依次经第四半波片23和第二汇聚透镜24入射到空间光调制器11左半区域中，空间光调制器11左半区域加载涡旋相位调制损耗光束，出射的光束经过第二准直透镜25准直后经第五反射镜26反射，在第二二向色镜27反射并与激发光束重叠后，沿相同光路传播，探测器35采集到的面包圈光斑作为理想损耗光斑；
具体的，损耗光源可以是重复频率为80MHz、波长为760nm的飞秒脉冲激光器，并与激发光源脉冲保持同步，石英棒和保偏光纤可以将损耗光束脉冲宽度展宽至约250皮秒；
具体的，损耗光束被空间光调制器左半区域加载的涡旋相位调制并聚焦在普通载玻片上形成面包圈光斑，并与激发光斑重叠，激发光束和损耗光束在空间光调制器和普通载玻片上的对应位置关系如图2所示；
(3)将载物台31上的普通载玻片替换为散射样本30，保持步骤(2)中空间光调制器11左半区域的涡旋相位不变，从探测器35中分别采集畸变的圆形光斑图像和面包圈光斑图像作为畸变激发光斑和畸变损耗光斑；
(4)采用光瞳分割自适应光学技术进行像差校正：
4.1)将空间光调制器11左右半区域像素单元分别均分为m×m形式的多个子区，在第一子区加载2π/n的相位进行调制，其他子区相位保持不变，如图4(A)所示，分别得到一个预校正损耗光斑和预校正激发光斑，然后以2π/n为相位间隔逐渐递增至2π，对第一子区进行n次相位调制，其他子区相位保持不变，分别得到n个预校正损耗光斑或预校正激发光斑，将预校正光斑与步骤(1)(2)得到的理想光斑进行互相关计算，可得到n个相关系数，选取相关系数最大时该子区的相位值并将该子区保持加载该相位值，得到新的校正光斑；
具体的，可在空间光调制器左右半区域都选取512×512像素，并均分为16×16形式，某一个子区加载的相位间隔取2π/50，其它子区先置零；
4.2)逐个遍历所有子区，并重复步骤4.1)的操作，获得各分区最终的校正相位和校正光斑，在空间光调制器11左右区域分别加载最终的校正相位，实现对损耗光束和激发光束像差的同步校正；
本实施例的激发光斑和损耗光斑畸变和校正效果分别如图4(B1,B2)和4(B3,B4)所示，上述过程中将空间光调制器进行分区，对各个子区逐步调制，以校正光斑形状的相关系数为标准寻求最佳校正相位，最终对激发光束和损耗光束的波前像差进行了自适应校正，有效地恢复了在厚组织样本中的光束聚焦质量和光斑形状。
实施例2
(1)激发光源1发出脉冲激光束，激发光束经第一半波片2调节为线偏振光、第一偏振分光棱镜3调节功率，激发光束经光学延迟线4后从第一反射镜5的出射光经过汇聚透镜6和准直透镜7扩束，再经第二反射镜8反射后经第二半波片9调节偏振态，由第一汇聚透镜10汇聚入射到未加载调制相位的空间光调制器11右半区域中，出射的光束经过第一准直透镜12准直后从第一二向色镜13反射，再经第二二向色镜27透射，然后经四分之一波片28调节至圆偏振态后由显微物镜29汇聚到载物台31中的散射样本30上，从载玻片返回的光信号经显微物镜29、四分之一波片28、第二二向色镜27、第一二向色镜13后经滤光片32滤光、聚焦透镜33汇聚到多模光纤34空间滤波后被探测器35接收；
具体的，激发光源可以是重复频率为80MHz、波长为635nm的飞秒脉冲激光器；具体的，空间光调制器可以采用1920×1080像素，像面尺寸约15.36×8.64mm的纯相位型空间光调制器，分成左右相等的两半区域，激发光束扩束至直径约为7mm，第二半波片将激发光束偏振态调节为水平偏振态，入射到空间光调制器右半区域；
(2)损耗光源14发出脉冲激光束，损耗光束依次经过第三半波片15和第二偏振分光棱镜16调节为线偏振态和调节功率，通过石英棒17后经第三反射镜18反射进入保偏光纤19后经过汇聚透镜20和准直透镜21扩束，扩束后的损耗光束经第四反射镜22反射后依次经第四半波片23和第二汇聚透镜24入射到空间光调制器11左半区域中，空间光调制器11左半区域加载涡旋相位调制损耗光束，出射的光束经过第二准直透镜25准直后经第五反射镜26反射，在第二二向色镜27反射并与激发光束重叠后，沿相同光路传播；
具体的，损耗光源可以是重复频率为80MHz、波长为760nm的飞秒脉冲激光器，并与激发光源脉冲保持同步，石英棒和保偏光纤可以将损耗光束脉冲宽度展宽至约250皮秒；
具体的，损耗光束被空间光调制器左半区域加载的涡旋相位调制并聚焦在样本面上形成面包圈光斑，并与激发光斑重叠，激发光束和损耗光束在空间光调制器和样本面上的对应位置关系如图2所示；
(3)采用多重相干自适应光学技术进行像差校正：
3.1)将空间光调制器11左右半区域像素单元分别均分成m×m形式的多个子区，并将m×m个子区分成黑白相间的棋盘格形式，如图5(A)所示，先将全部黑色子区相位置零作为参考区，全部白色子区加载等差相位值作为调制区，白色子区加载的相位等间隔逐步递减；
具体的，可在空间光调制器左右半区域都选取512×512像素，并均分为16×16形式，加载相位对应的频率间隔可取0.025Hz；
3.2)探测器35采集激发光束或损耗光束对应的光强信号，并对光强信号进行傅里叶变换，提取各个白色子区频率值对应的相位，取相位共轭值加载在空间光调制器11白色子区的对应像素单元上；
3.3)对调白色子区和黑色子区，重复步骤3.1)和3.2)的操作，提取黑色子区对应的相位值，综合黑白子区提取的相位值并将相位值加载到空间光调制器11上，得到最终的校正相位和校正光斑；
本实施例的激发光斑和损耗光斑畸变和校正效果分别如图5(B1,B2)和5(B3,B4)所示，上述过程中将空间光调制器分为等数目像素的参考区和调制区，同时提取调制区所有像素的校正相位，实现了对激发光束和损耗光束像差的快速计算，改善了在厚组织样本中的光束聚焦质量。
实施例3
(1)在载物台31上放置普通载玻片，激发光源1发出脉冲激光束，激发光束经第一半波片2和第一偏振分光棱镜3调节为线偏振光和调节功率，激发光束经光学延迟线4后从第一反射镜5的出射光经过汇聚透镜6和准直透镜7扩束，再经第二反射镜8反射后经第二半波片9调节偏振态，由第一汇聚透镜10汇聚入射到未加载调制相位的空间光调制器11右半区域中，出射的光束经过第一准直透镜12准直后从第一二向色镜13反射，再经第二二向色镜27透射，然后经四分之一波片28调节至圆偏振态后由显微物镜29汇聚到载物台31中的普通载玻片上，从载玻片返回的光信号经显微物镜29、四分之一波片28、第二二向色镜27、第一二向色镜13后经滤光片32滤光、聚焦透镜33汇聚到多模光纤34空间滤波后被探测器35接收，采集到的圆形光斑作为理想激发光斑；
具体的，激发光源可以是重复频率为80MHz、波长为635nm的飞秒脉冲激光器，光学延迟线可由两片成直角放置的反射镜或角反射器与沿光束入射方向运动的导轨组成，光学延迟线沿着光束入射方向往复运动，调节激发光路光程；
具体的，空间光调制器可以采用1920×1080像素，像面尺寸约15.36×8.64mm的纯相位型空间光调制器，分成左右相等的两半区域，激发光束扩束至直径约为7mm，半波片将激发光束偏振态调节为水平偏振态，入射到空间光调制器右半区域；
(2)损耗光源14发出脉冲激光束，损耗光束依次经过第三半波片15和第二偏振分光棱镜16调节为线偏振态和调节功率，通过石英棒17后经第三反射镜18反射进入保偏光纤19后经过汇聚透镜20和准直透镜21扩束，扩束后的损耗光束经第四反射镜22反射后依次经第四半波片23和第二汇聚透镜24入射到空间光调制器11左半区域中，空间光调制器11左半区域加载涡旋相位调制损耗光束，出射的光束经过第二准直透镜25准直后经第五反射镜26反射，在第二二向色镜27反射并与激发光束重叠后，沿相同光路传播，探测器35采集到的面包圈光斑作为理想损耗光斑；
具体的，损耗光源可以是重复频率为80MHz、波长为760nm的飞秒脉冲激光器，并与激发光源脉冲保持同步，石英棒和保偏光纤可以将损耗光束脉冲宽度展宽至约250皮秒；
具体的，损耗光束被空间光调制器左半区域加载的涡旋相位调制并聚焦在样本面上形成面包圈光斑，并与激发光斑重叠，激发光束和损耗光束在空间光调制器和样本面上的对应位置关系如图2所示；
(3)将载物台31上的普通载玻片替换为散射样本30，保持步骤(2)中空间光调制器11左半区域的涡旋相位不变，从探测器35中分别采集畸变的圆形光斑图像和面包圈光斑图像作为畸变激发光斑和畸变损耗光斑；
(4)采用基于机器学习的高速自适应光斑校正方法[Y.Zhang,C.Wu,Y.Song,K.SI,Y.Zheng,L.Hu,J.Chen,L.Tang,and W.Gong,Machine learning based adaptive opticsfordoughnut-shaped beam,Optics Express,27,16871-16881(2019)]进行像差校正：根据步骤3)获得的畸变光斑光强分布计算出相应的畸变相位，并对畸变相位采用泽尼克多项式进行分解得到相位重构系数，利用机器学习方法建立畸变光斑的形态与校正相位的重构系数之间的映射关系，得到相应的校正相位和校正光斑；
具体的，可采用机器学习中的深度卷积神经网络结构建立学习模型，求解畸变光斑的校正相位重构系数；
本实施例的激发光斑和损耗光斑畸变和校正效果分别如图6(A1,A3)和如图6(A2,A4)所示，将机器学习应用于STED系统中以计算光学系统的像差，提高了在厚组织样本中的光斑校正效果。
以上实施例采用不同的自适应光学像差校正方法实现对光斑形态的恢复，是结合具体的实施方式对本发明的进一步说明，本发明的具体实施方式并不局限于这些说明。在以上三个实施例中，初始激发光斑和损耗光斑的形状发生了严重畸变，尤其是损耗光斑的面包圈形状已经无法维持，空间光调制器的左右区域分别对激发光斑和损耗光斑进行自适应光学算法校正之后，激发光斑和损耗光斑的形状均得到了有效恢复。
从最终校正结果可见，本发明仅采用单个空间光调制器结合自适应光学算法可有效地同步校正激发光束和损耗光束在系统中产生的不同像差，并改善激发光斑和损耗面包圈光斑在厚组织样本中的聚焦质量，扩展了STED超分辨技术在深层散射组织中进一步应用的能力，为超分辨成像提供更有效的方案。

Claims (10)

1.一种STED超分辨技术中的自适应光学像差校正系统，其特征在于：包括空间光调制器(11)、分布于空间光调制器(11)两侧的损耗光光路和激发光光路、第二二向色镜(27)、四分之一波片(28)、显微物镜(29)、散射样本(30)、载物台(31)和探测模块；
激发光光路包括依次设置的激发光源(1)、第一半波片(2)、第一偏振分光棱镜(3)、光学延迟线(4)、第一反射镜(5)、第一扩束模块、第二反射镜(8)、第二半波片(9)、第一汇聚透镜(10)、第一准直透镜(12)、第一二向色镜(13)；损耗光光路包括依次设置的损耗光源(14)、第三半波片(15)、第二偏振分光棱镜(16)、石英棒(17)、第三反射镜(18)、保偏光纤(19)、第二扩束模块、第四反射镜(22)、第四半波片(23)、第二汇聚透镜(24)、第二准直透镜(25)、第五反射镜(26)；
激发光源(1)发射的激发光束依次经第一半波片(2)和第一偏振分光棱镜(3)后，再经光学延迟线(4)调节光程入射到第一反射镜(5)，第一反射镜(5)反射的光束经第一扩束模块扩束后入射到第二反射镜(8)，第二反射镜(8)反射的光束依次经第二半波片(9)、第一汇聚透镜(10)后入射到空间光调制器(11)的右半区域，空间光调制器(11)的右半区域出射的光束经第一准直透镜(12)准直后进入第一二向色镜(13)，第一二向色镜(13)反射的光束经第二二向色镜(27)透射；
损耗光源(14)发射的损耗光束依次经第三半波片(15)、第二偏振分光棱镜(16)和石英棒(17)后入射到第三反射镜(18)，第三反射镜(18)反射的光束进入保偏光纤(19)后经第二扩束模块扩束，扩束后的损耗光束入射到第四反射镜(22)，第四反射镜(22)反射的光束依次经第四半波片(23)、第二汇聚透镜(24)后入射到空间光调制器(11)的左半区域，空间光调制器(11)的左半区域出射的光束经第二准直透镜(25)准直后入射到第五反射镜(26)，第五反射镜(26)反射的光束入射到第二二向色镜(27)；
第二二向色镜(27)反射的损耗光束与第二二向色镜(27)透射的激发光束重叠，重叠后的光束经四分之一波片(28)后由显微物镜(29)汇聚到位于载物台(31)上的散射样本(30)，散射样本(30)产生的光信号依次经显微物镜(29)、四分之一波片(28)、第二二向色镜(27)透射、第一二向色镜(13)透射后被探测模块接收。
2.根据权利要求1所述的一种STED超分辨技术中的自适应光学像差校正系统，其特征在于：所述第一扩束模块包括依次设置的第一扩束模块汇聚透镜(6)和第一扩束模块准直透镜(7)，第二扩束模块包括依次设置的第二扩束模块汇聚透镜(20)和第二扩束模块准直透镜(21)；
所述第二半波片(9)和第四半波片(23)用于分别调节激发光束和损耗光束的偏振态。
3.根据权利要求1所述的一种STED超分辨技术中的自适应光学像差校正系统，其特征在于：所述的激发光源(1)和损耗光源(14)均为脉冲光源，通过光学延迟线(4)使激发光束脉冲相对于损耗光束脉冲产生时间延迟，以满足激发光源(1)和损耗光源(14)预设的时序要求；激发光源(1)的工作波长比损耗光源(14)的工作波长短。
4.根据权利要求1所述的一种STED超分辨技术中的自适应光学像差校正系统，其特征在于：所述空间光调制器(11)分为左右相等的左半区域和右半区域；第一汇聚透镜(10)和第二汇聚透镜(24)分别将激发光束和损耗光束汇聚成光斑并入射到空间光调制器(11)的右半区域和左半区域。
5.根据权利要求1所述的一种STED超分辨技术中的自适应光学像差校正系统，其特征在于：所述探测模块包括依次设置的滤光片(32)、聚焦透镜(33)、多模光纤(34)和探测器(35)；从第一二向色镜(13)透射的重叠后的光束经滤光片(32)滤光后，由聚焦透镜(33)汇聚到多模光纤(34)空间滤波后被探测器(35)接收；多模光纤(34)作为空间滤波器，探测器(35)采用CCD相机、CMOS相机或sCMOS相机中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种STED超分辨技术中的自适应光学像差校正系统，其特征在于：空间光调制器(11)共轭于散射样本(30)的散射介质层；所述的散射样本(30)为生物组织样品或生物仿体样本。
7.根据权利要求1所述的一种STED超分辨技术中的自适应光学像差校正系统，其特征在于：所述的石英棒(17)和保偏光纤(19)用于将损耗光束脉冲宽度展宽。
8.根据权利要求1所述的一种STED超分辨技术中的自适应光学像差校正系统，其特征在于：所述的第一半波片(2)和第三半波片(15)用于分别将激发光束和损耗光束调节为线偏振光；所述的四分之一波片(28)用于将重叠后的激发光束和损耗光束由线偏振光转换为圆偏振光。
9.采用权利要求1-8任一所述的一种STED超分辨技术中的自适应光学像差校正系统的校正方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1)开启激发光源(1)，关闭损耗光源(14)，将载物台(31)上的散射样本(30)换成普通载玻片，并将空间光调制器(11)的像素单元均分为左右区域两部分，激发光源(1)发出的激发光束经过空间光调制器(11)右半区域，空间光调制器(11)不做调制处理，从探测器(35)中采集圆形光斑的图像作为理想激发光斑；
步骤2)关闭激发光源(1)，开启损耗光源(14)，空间光调制器(11)左半区域加载涡旋相位调制损耗光源(14)发出的损耗光束，空间光调制器(11)右半区域不做调制处理，从探测器(35)中采集面包圈光斑的图像作为理想损耗光斑；
步骤3)将普通载玻片替换为散射样本(30)，保持步骤2)中空间光调制器(11)左半区域涡旋相位不变，从探测器(35)中采集畸变的面包圈光斑图像作为畸变损耗光斑；
步骤4)采用自适应光学算法对入射到空间光调制器(11)左半区域的损耗光束进行像差校正，获得损耗光束的校正相位和校正损耗光斑；
步骤5)关闭损耗光源(14)，开启激发光源(1)，采用自适应光学算法对入射到空间光调制器(11)右半区域的激发光束进行像差校正，获得激发光束的校正相位和校正激发光斑；
步骤6)保持激发光源(1)和损耗光源(14)同步开启，在空间调制器(11)左半区域和右半区域分别加载步骤4)和5)得到的校正相位，实现对损耗光束和激发光束像差的同步校正。
10.根据权利要求9所述的一种STED超分辨技术中的自适应光学像差校正系统的校正方法，其特征在于，所述步骤4)和5)中的自适应光学算法包括光瞳分割自适应光学技术、多重相干自适应光学技术或基于机器学习的高速自适应光斑校正方法。
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