CN114076750B - 超分辨成像装置与方法、生物样品识别系统与识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超分辨成像装置，包括：光源模组，用于出射第一光；光调制模组，包括光引导组件和至少两个光调制器，光引导组件用于对第一光进行分束以产生至少两束第二光，并引导至少两束第二光投射至至少两个光调制器，至少两束第二光与至少两个光调制器一一对应，每一光调制器用于调制接收到的第二光，以使得光调制模组出射结构光，结构光用于照射生物样品，以生成图像光；成像模组，用于接收图像光，并根据图像光获取对应生物样品的目标图像；以及控制器，电连接光源模组、光调制模组及成像模组，用于控制光源模组、光调制模组及成像模组的作动过程。本发明还提供一种超分辨成像方法、生物样品识别系统及生物样品识别方法。
Description
技术领域
本发明涉及超分辨成像装置、超分辨成像方法、生物样品识别系统与生物样品识别方法。
背景技术
基因测序是指分析核酸样品上的四种碱基的排列序列。随着基因测序的迅猛发展，出现了用于实现基因测序的超分辨成像测序系统。所述超分辨测序系统依赖数字微镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)。
数字微镜器件用于接收照明光并调制出结构光投射至装载有核酸样品的测序芯片上，在核酸样品表面形成特定的结构光场(Structured illumination)。该超分辨成像测序系统可以提高核酸样品密度，控制核酸样品间距缩小至200nm以下。但是，传统的基于数字微镜器件的超分辨成像测序系统，受限(主要体现于工艺难以实现)于数字微镜器件的面阵大小与数字微镜器件上微反射镜的数量(数字微镜器件包括多个微反射镜)，结构光在核酸样品上的结构光场面积难以扩大，限制了测序通量的进一步提高。
发明内容
本发明一方面提供一种超分辨成像装置，包括：
光源模组，用于出射第一光；
光调制模组，包括光引导组件和至少两个光调制器，所述光引导组件用于对所述第一光进行分束以产生至少两束第二光，并引导所述至少两束第二光投射至所述至少两个光调制器，所述至少两束第二光与所述至少两个光调制器一一对应，每一光调制器用于调制接收到的第二光，以使得所述光调制模组出射结构光，所述结构光用于照射生物样品，以生成图像光；
成像模组，用于接收所述图像光，并根据所述图像光获取对应所述生物样品的目标图像；以及
控制器，电连接所述光源模组、所述光调制模组及所述成像模组，用于控制所述光源模组、所述光调制模组及所述成像模组的作动过程。
本发明另一方面提供一种超分辨成像方法，包括：
驱动光源模组出射第一光，所述第一光被分束为至少两束第二光；
驱动光调制模组中至少两个光调制器对所述至少两束第二光进行调制，以生成结构光，所述结构光用于照射生物样品，以生成图像光；
控制成像模组根据所述图像光获取对应所述生物样品的目标图像。
本发明另一方面提供生物样品识别系统，包括：
超分辨成像装置，所述超分辨成像装置如上述；以及
生物特征识别装置，电连接所述超分辨成像装置，用于根据所述超分辨成像装置获取的目标图像识别所述生物样品的生物特征。
本发明另一方面提供生物样品识别方法，包括：
驱动光源模组出射第一光，所述第一光被分束为至少两束第二光；
驱动光调制模组中至少两个光调制器对所述至少两束第二光进行调制，以生成结构光，所述结构光用于照射生物样品，以生成图像光；
控制成像模组根据所述图像光获取对应所述生物样品的目标图像；
控制生物特征识别系统根据所述目标图像识别所述生物样品的生物特征。
上述超分辨成像装置，通过对第一光进行分束生成至少两束第二光，并通过至少两个光调制器对至少两束第二光进行调制，可形成结构光。通过增加光调制器和第二光的数量，可增加结构光在生物样品上的视场面积，使得超分辨成像过程中光通量进一步提高；且有利于在实现样品密度200nm以下的基础上，进一步缩小样品间间距，降低成像成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的超分辨成像装置和生物样品的一结构示意图。
图2为本发明实施例提供的超分辨成像装置和生物样品的另一结构示意图。
图3为本发明实施例提供的光调制器的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的光调制器的微反射镜在不同状态下的结构示意图。
图5为本发明实施例提供的以方式一投射第二光时棱锥镜与光调制器的结构示意图。
图6为本发明实施例提供的以方式二投射第二光时棱锥镜与光调制器的结构示意图。
图7为本发明实施例提供的结构光在生物样品上的视场与四束第二光在光调制器上的视场比对示意图。
图8A为本发明实施例提供的另一棱锥镜与光调制器的结构示意图。
图8B为本发明实施例提供的又一棱锥镜与光调制器的结构示意图。
图9为本发明实施例提供的超分辨成像方法的流程示意图。
图10为本发明实施例提供的生物样品识别系统的模块结构示意图。
图11为本发明实施例提供的生物样品识别方法的流程示意图。
主要元件符号说明
超分辨成像装置 10
光源模组 11
激光器 111
反射镜 112
二向色镜 113、131、136
第一透镜 114
第二透镜 115
光调制模组 12
光调制器 121
微反射镜 1211
有效调制区域 1212
棱锥镜 122
全内反射镜 123
成像模组 13
第三透镜 132
滤光片 133
第四透镜 134
相机 135
控制器 14
生物样品 20
样品载体 30
样品平台 40
生物样品识别系统 50
生物特征识别装置 51
第一光 L1
第二光 L2
结构光 L3
图像光 L4
视场 FOV0、FOV1、FOV2、FOV3
步骤 S11、S12、S13、S21、S22、S23、
S24
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1，超分辨成像装置10，用于获取生物样品20的目标图像。生物样品20可为核酸样品(DNA或RNA)、蛋白或者细胞等，本实施例中，生物样品20为核酸样品。
本实施例中，生物样品20承载于样品载体30上，超分辨成像装置10获取生物样品20的目标图像过程中，样品载体30被放置于样品平台40。样品平台40在一平面内平移，以带动生物样品20在所述平面内平移。于其他实施方式中，也可不使用样品平台40。
超分辨成像装置10获取生物样品20的目标图像过程中，投射激光至生物样品20表面。生物样品20携带荧光标记物，所述荧光标记物可被接收到的激光激发而受激发射荧光。超分辨成像装置10接收所述荧光可获取生物样品20的目标图像。通过样品平台40带动生物样品20平移，所述激光可分时投射至生物样品20上的不同位置。通过上述分时、多次地投射激光的方式，生物样品20可被激光全面照射，以有利于生物样品20完整成像。
请参阅图2，超分辨成像装置10包括光源模组11、光调制模组12、成像模组13及控制器14，光源模组11、光调制模组12及成像模组13分别电连接控制器14。
请继续参阅图2，光源模组11包括至少一台激光器111，所述至少一台激光器111用于出射激光。本实施例中，光源模组11包括两台激光器111，两台激光器111用于出射波长不同的激光。光源模组11还包括合光组件，所述合光组件用于将两台激光器111出射的激光合光，以形成第一光L1。本实施例中，所述合光组件包括一反射镜112及一二向色镜113，其中一激光器111出射的激光入射至二向色镜113并被二向色镜113透射，另一激光器111出射的激光经反射镜112反射至二向色镜113，被二向色镜113反射。也即，两台激光器111出射的激光在二向色镜113合束作为第一光L1出射。
请继续参阅图2，光源模组11还包括扩束组件。所述扩束组件位于所述第一光L1的出射路径上，用于对所述第一光L1进行扩束处理，以满足后续光路中对视场面积的需求，此处不作过多描述。本实施例中，所述扩束组件包括第一透镜114和第二透镜115。第一透镜114与第二透镜115配合对第一光L1进行扩束。
请继续参阅图2，光调制模组12包括光引导组件和至少两个光调制器121。光引导组件用于接收经扩束后的第一光L1，并用于将第一光L1进行分束以形成至少两束第二光L2。本实施例中，光引导组件包括一棱锥镜122和一全内反射镜123。全内反射镜123用于接收第一光L1，并引导第一光L1至棱锥镜122。棱锥镜122用于将第一光L1分束为至少两束第二光L2。
本实施例中，棱锥镜122为四棱锥镜，用于将第一光L1分束为四束第二光L2。光调制模组12包括四个光调制器121。四个光调制器121排列为包括两行两列的调制器阵列，其中两行光调制器121之间的间距与两列光调制器121之间的间距相等。光调制器121之间的间距用于设置走线等必要结构，且可用于使得光调制器121之间电绝缘。棱锥镜122用于将四束第二光L2分别引导至四个光调制器121。棱锥镜122用于将每一束第二光L2引导至其中一个光调制器121，每个光调制器121接收唯一一束第二光L2。也即，四束第二光L2与四个光调制器121一一对应。则，第二光L2数量与光调制器121数量相同。
每一光调制器121用于调制其接收到的第二光L2，并将调制后的第二光L2反射至棱锥镜122。棱锥镜122接收四个光调制器121反射的调制后的第二光L2并将其合束，以形成结构光L3。棱锥镜122将结构光L3引导至全内反射镜123，全内反射镜123用于将结构光L3投射至生物样品20表面。
请参阅图3，本实施例中，每一光调制器121为一数字微镜器件(DigitalMicromirror Device，DMD)。每一光调制器121包括多个排列于同一平面的多个微反射镜1211。多个微反射镜1211排列为包括多行和多列的微镜阵列。定义每一光调制器121中的所述微镜阵列所占的区域为每一光调制器121的有效调制区域1212。有效调制区域1212为可对第二光L2进行调制的区域。每一光调制器121上有效调制区域1212之外的围绕有效调制区域1212边缘设置的区域可用于设置上述的走线等必要结构。
本实施例中，每一微反射镜1211为大致矩形，每一光调制器121上微镜阵列为大致矩形，每一光调制器121上有效调制区域1212为大致矩形。于本发明其他实施例中，每一微反射镜1211可为大致方形，每一光调制器121上微镜阵列为大致方形，每一光调制器121上有效调制区域1212为大致方形。
请参阅图4，每一微反射镜1211可在一定角度范围内偏转。本实施例中，每一微反射镜1211可绕轴在两个相反方向偏转，且在所述两个相反方向的最大偏转角相同，在所述两个相反方向的最大偏转角分别定义为α和-α。超分辨成像装置10工作过程中，分别控制每一微反射镜1211的状态为偏转角度α或偏转角度-α。定义每一微反射镜1211偏转角度为α时为“ON”状态，定义每一微反射镜1211偏转角度为-α时为“OFF”状态。
请再一并参阅图2和图3，通过调节每一光调制器121中的各个微反射镜1211的状态，可调制被光调制器121反射的第二光L2为不同的形态，从而使得上述的四束调制后的第二光L2经棱锥镜122合束之后形成不同形态的结构光L3。本实施例中，结构光L3为条纹形态。
如上述的，每束第二光L2被引导至一光调制器121上。控制每束第二光L2在其所对应的光调制器121上的视场完全覆盖所述光调制器121上有效调制区域1212，且控制每一第二光L2入射至光调制器121时被光调制器121调制并在光调制器121上发生正反射，以再次被棱锥镜122接收。
本实施例中，根据每一光调制器121的结构参数，配置每一光调制器121中微反射镜1211的偏转方式和棱锥镜122的结构参数以使得每束第二光L2在其所对应的光调制器121上的视场完全覆盖所述光调制器121上有效调制区域1212，且每一第二光L2入射至光调制器121时被光调制器121调制并在光调制器121上发生正反射，以再次被棱锥镜122接收。
如上述的，每一光调制器121上有效调制区域1212为大致矩形。则，定义每一光调制器121上有效调制区域1212的长边长度为H，短边长度为D。每束第二光L2在其所对应的光调制器121上的视场面积主要通过两种方式控制：方式一，以每一光调制器121上有效调制区域1212的长边为基准投射每束第二光L2，此时每一光调制器调制第二光L2的面积为H*D；方式二，以每一光调制器121上有效调制区域1212的短边为基准投射每束第二光L2，此时每一光调制器调制第二光的面积为D*D。当以方式二投射每束第二光L2时，一方面第二光L2在光调制器121上的光损失减少，另一方面方形视场更有利于适应相机的圆形孔径，因此以方式二投射每束第二光L2有利于提高第二光L2的利用率。
请参阅图5，定义所述调制器阵列中两行光调制器121之间的间距与两列光调制器121之间的间距为d，定义光调制器121上与有效调制区域1212的长边平行的边长为H1。定义棱锥镜122上距离光调制器121最近的点与光调制器121之间的垂直距离为L。定义棱锥镜122的折射率为n。定义棱锥镜122的锥面角为β。定义经扩束后的第一光L1入射至棱锥镜122时的光束直径为D0。
当采用方式一投射每束第二光L2时，通过设置：
β＝α
D0＝2H
2H1+d＝2·L·tan[α·(n-1)]，
即可实现每束第二光L2在其所对应的光调制器121上的视场面积等于所述光调制器121上有效调制区域1212的面积，且每一第二光L2入射至光调制器121时被光调制器121调制并在光调制器121上发生正反射，以再次被棱锥镜122接收。
请参阅图6，定义光调制器121上与有效调制区域1212的短边平行的边长为D1，当采用方式二投射每束第二光L2时，通过设置：
β＝α
D0＝2D
2D1+d＝2·L·tan[α·(n-1)]，
即可实现每束第二光L2在其所对应的光调制器121上的视场面积等于所述光调制器121上有效调制区域1212的面积，且每一第二光L2入射至光调制器121时被光调制器121调制并在光调制器121上发生正反射，以再次被棱锥镜122接收。
也即，根据每一光调制器121的有效调制区域1212的边长、每一微反射镜1211的最大偏转角度、棱锥镜122的折射率，配置所述调制器阵列中两行光调制器121之间的间距以及两列光调制器121之间的间距以及棱锥镜122上距离光调制器121最近的点与光调制器121之间的垂直距离。
且上述参数设定方式下，由于每束第二光L2入射至光调制器121时在光调制器121上发生正反射，还进一步有利于提升每束第二光L2的光利用率。
进一步的，在光调制器121调制第二光L2的过程中，以图5所示方位为例进行描述，控制位于图5上侧的一行(或一列)光调制器121(图5所示方位仅能看见一个)中所有的微反射镜1211处于“ON”状态，并控制位于图5下侧的一行(或一列)光调制器121(图5所示方位仅能看见一个)中所有的微反射镜1211处于“OFF”状态。使得每一第二光L2入射至光调制器121时被光调制器121调制并在光调制器121上发生正反射，以再次被棱锥镜122接收。
在上述过程中，记录每一光调制器121上的所有微反射镜1211的偏转状态，将其记录为条纹状态进行缓存，该条纹状态可用于表征光调制器121调制得到的结构光L3的条纹形态。
请参阅图7，结构光L3为经光调制器121调制后的四束第二光L2合光形成。结构光L3在生物样品20上形成的视场FOV0面积远大于任一束第二光L2在一光调制器121上形成的视场面积。本实施例中，结构光L3在生物样品20上的视场FOV0面积大于四束第二光L2在光调制器121上的视场FOV1、FOV2、FOV3、FOV4的面积之和。
应当理解，虽然上述提及本实施例中，结构光L3为条纹形态，但图7主要用于展示视场之间的关系，因此并未具体示出条纹图样。
因此本实施中，通过光调制模组12中的棱锥镜122对第一光L1进行分束，并通过四个光调制器121对四束第二光L2进行调制，可形成具有例如条纹形态的结构光L3，由于结构光L3在生物样品20上的视场面积大于四束第二光L2在光调制器121上的视场面积之和，结构光L3在生物样品20上形成的视场面积大幅提升。
当每束第二光L2在光调制器121上的视场面积相等时，通过增加第二光L2和光调制器121的数量，可控制结构光L3在生物样品20上的视场面积成倍增加。例如本实施例中，通过设置四束第二光L2和四个光调制器121，结构光L3在生物样品20上的视场面积相较于以一束经调制后的第二光L2照射生物样品20时在生物样品20上的视场面积，至少增加了三倍。
本发明不对第二光L2的数量、光调制器121的数量及棱锥镜122的具体类型作限定。于其他实施例中，第二光L2的数量、光调制器121的数量及棱锥镜122的具体类型可不同。
例如，请参阅图8A，于一实施例中，棱锥镜122为二棱锥镜，用于将第一光L1分为两束第二光L2，光调制模组12包括两个光调制器121，两束第二光L2与两个光调制器121一一对应，也即，每一束第二光L2被投射至唯一一个光调制器121上，两个光调制器121反射的调制后的第二光L2合束后作为结构光L3，结构光L3在生物样品20上的视场FOV0面积大于两束第二光L2在光调制器121上的视场FOV1、FOV2的面积之和。
或例如，请参阅图8B，于另一实施例中，棱锥镜122为三棱锥镜，用于将第一光L1分为三束第二光L2，光调制模组12包括三个光调制器121，三束第二光L2与三个光调制器121一一对应，也即，每一束第二光L2被投射至唯一一个光调制器121上，三个光调制器121反射的调制后的第二光L2合束后作为结构光L3，结构光L3在生物样品20上的视场FOV0面积大于三束第二光L2在光调制器121上的视场FOV1、FOV2和FOV3的面积之和。
本实施例中，某一时刻出射的结构光L3在生物样品20上的视场不足以完全覆盖生物样品20的表面。则通过平移如图1所示的样品平台40，可控制结构光L3分时照射在生物样品20上的不同位置。
请再参阅图2，本实施例中，生物样品20为核酸样品(DNA或RNA)。生物样品20具有四种碱基，即腺嘌呤(A)，胸腺嘧啶(T)，胞嘧啶(C)及鸟嘌呤(G)。以不同的荧光试剂标记上述四种碱基。每种荧光试剂可被结构光L3激发产生受激荧光。每种荧光试剂可被特定波长的激光激发产生受激荧光。本实施例中，标记腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T)的荧光试剂可被结构光L3中处于其中一激光器111发射的激光波段的光激发，标记胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)的荧光试剂可被结构光L3中处于另一激光器111发射的激光波段的光激发。于其他实施例中，可采用其他荧光试剂标记上述四种碱基，相应的，可采用位于其他波段的激光激发所述荧光试剂。
定义生物样品20反射的荧光为图像光L4。本实施例中，成像模组13用于接收图像光L4，并用于根据图像光L4获取生物样品20的目标图像。
成像模组13包括二向色镜131和第三透镜132。二向色镜131用于透射结构光L3至第三透镜132，第三透镜132用于将结构光L3聚焦至生物样品20表面。第三透镜132还用于透射图像光L4至二向色镜131，二向色镜131用于反射图像光L4。
图像光L4中包括不同波长的荧光(由不同的荧光试剂受激形成)，成像模组13还包括二向色镜136和两个独立的成像路径，二向色镜136用于根据图像光L4中的波长选择反射或透射，被二向色镜136反射或透射的光分别进入所述两个独立的成像路径。每一成像路径用于选择特定波段的荧光以获取目标图像。于其他实施例中，成像模组13可包括其他数量的成像路径。本实施例中每一成像路径上依次设置有一滤光片133、第四透镜134和一相机135。滤光片133用于选择图像光L4中特定波段的荧光透射，相机135用于接收经滤光片133透射和第四透镜134聚焦的荧光并成像。
请继续参阅图2，控制器14电连接光源模组11、结构光调制模组12及成像模组13，用于分别控制光源模组11、结构光调制模组12及成像模组13的作动过程。
具体的，控制器14分别电连接两台激光器111，用于控制两台激光器111的开闭或发光功率等。控制器14分别电连接四个光调制器121，用于分别控制各个光调制器121中每一微反射镜1211的偏转状态(控制微反射镜1211偏转状态为“ON”或“OFF”)。控制器14分别电连接设置于每一成像路径中的相机135，用于控制各相机135根据图像光L4生成生物样品20的目标图像。
本实施例中所述的用于引导光线(第一光L1、第二光L2、结构光L3及图像光L4)的光学器件(例如第一透镜、第二透镜、光引导组件等等)仅用作示例，不用于限定本发明，在其他实施中，上述光学器件可采用其他类型的可对光线实现相同引导效果的其他光学器件或其他多个光学器件组合替代。
本实施例提供的超分辨成像装置10，包括结构光调制模组12，结构光调制模组12包括四个光调制器121，通过光调制模组12中的棱锥镜122对第一光L1进行分束形成四束第二光，并通过四个光调制器121对四束第二光L2进行调制，可形成结构光L3，结构光L3在生物样品20上的视场面积大于四束第二光L2在光调制器121上的视场面积之和，且结构光L3在生物样品20上形成的视场相当于是使得四束经调制后的第二光L2的视场被互不重叠地无缝拼接起来，因此通过棱锥镜122对第一光L1分束，并增加光调制器121的数量，有利于增大结构光L3在生物样品20上的视场面积。当每束第二光L2在光调制器121上的视场面积相等时，通过增加第二光L2和光调制器121的数量，可控制结构光L3在生物样品20上的视场面积成倍增加。
通过控制结构光L3在生物样品20上的视场面积成倍增加，超分辨成像过程中光通量进一步提高，有利于在实现样品密度200nm以下的基础上，进一步缩小样品间间距，降低成像成本。
本实施例还提供一种超分辨成像方法，应用于控制器14。请参阅图9，所述超分辨成像方法包括如下方法步骤：
步骤S11，驱动光源模组出射第一光，所述第一光被分束为至少两束第二光；
步骤S12，驱动光调制模组中至少两个光调制器对所述至少两束第二光进行调制，以生成结构光，所述结构光用于照射生物样品，以生成图像光；
步骤S13，控制成像模组根据所述图像光获取对应所述生物样品的目标图像。
步骤S11中，控制器14根据预设的参数(例如电压、功率等)控制两个激光器111同步发射激光。
步骤S12中，控制器14输出控制信号至每一光调制器121的每一微反射镜1211以控制每一微反射镜1211的偏转状态。通过控制每一微反射镜1211的偏转状态可控制结构光L3的形态(例如结构光L3为条纹形态时可控制条纹间距、条纹宽度等)。上述控制每一微反射镜1211的偏转状态控制结构光L3的形态可定义为所述“调制”的过程。
结构光L3被投射至生物样品20上，生物样品20反射图像光。步骤S13中，控制器14控制两个相机135分别接收不同波段的图像光以形成目标图像。
本实施例提供的超分辨成像方法，可以实现如上述超分辨成像装置相同的有益效果，此处不再赘述。
请参阅图10，本实施例还提供生物样品识别系统50，包括上述的超分辨成像装置10和电连接超分辨成像装置10的生物特征识别装置51。超分辨成像装置10用于根据生物样品的图像光L4获取指示生物样品20的目标图像。生物特征识别装置51用于对超分辨成像装置10获取的目标图像进行数据处理，以获取生物样品20的生物特征。
本实施例中，生物样品20为核酸样品，所述生物特征包括生物样品20中的碱基类别及碱基排列序列。
具体的，生物特征识别装置51用于基于同一成像视场下同一波长激发光激发的受激荧光的图像，执行图像重建以获取重建后的超分辨图像，及根据重建后的超分辨图像识别所述成像视场内所述受激荧光对应的生物样品的所述生物特征。其中，同一成像视场是指在某一时段由具有不同空间方向和不同相位(通过改变光调制器121中微反射镜1211的偏转状态改变空间方向与相位)的结构光L3照射生物样品20形成的视场。
请参阅图11，本实施例还提供一种生物样品识别方法，所述生物样品识别方法包括如下步骤：
步骤S21，驱动光源模组出射第一光，所述第一光被分束为至少两束第二光；
步骤S22，驱动光调制模组中至少两个光调制器对所述至少两束第二光进行调制，以生成结构光，所述结构光用于照射生物样品，以生成图像光；
步骤S23，控制成像模组根据所述图像光获取对应所述生物样品的目标图像；
步骤S24，根据所述目标图像识别所述生物样品的生物特征。
步骤S21、S22及S23如上述的步骤S11、S12及S13，此处不再赘述。
本实施例中，所述生物样品识别方法用于获取生物样品20的生物特征，生物样品20为核酸样品，生物样品20为核酸样品，所述生物特征包括生物样品20中的碱基类别及碱基排列序列。步骤S24中，基于同一成像视场下同一波长激发光激发的受激荧光的图像，执行图像重建以获取重建后的超分辨图像，及根据重建后的超分辨图像识别所述成像视场内所述受激荧光对应的生物样品的所述生物特征。其中，同一成像视场是指在某一时段由具有不同空间方向和不同相位(通过改变光调制器121中微反射镜1211的偏转状态改变空间方向与相位)的结构光L3照射生物样品20形成的视场。
本实施例提供的生物样品识别系统50及生物样品识别方法，通过光调制模组12中的棱锥镜122对第一光L1进行分束，并通过四个光调制器121对四束第二光L2进行调制，可形成结构光L3，结构光L3在生物样品20上的视场面积大于四束第二光L2在光调制器121上的视场面积之和，且结构光L3在生物样品20上形成的视场相当于是使得四束经调制后的第二光L2的视场被互不重叠地无缝拼接起来，因此通过棱锥镜122对第一光L1分束，并增加光调制器121的数量，有利于增大结构光L3在生物样品20上的视场面积。当每束第二光L2在光调制器121上的视场面积相等时，通过增加第二光L2和光调制器121的数量，可控制结构光L3在生物样品20上的视场面积成倍增加。
通过控制结构光L3在生物样品20上的视场面积成倍增加，超分辨成像过程中光通量进一步提高，有利于在实现样品密度200nm以下的基础上，进一步缩小样品间间距，降低生物样品20的识别成本。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种超分辨成像装置，其特征在于，包括：
光源模组，用于出射第一光；
光调制模组，包括光引导组件和至少两个光调制器，所述光引导组件用于对所述第一光进行分束以产生至少两束第二光，并引导所述至少两束第二光投射至所述至少两个光调制器，所述至少两束第二光与所述至少两个光调制器一一对应，每一光调制器用于调制接收到的第二光，以使得所述光调制模组出射结构光，所述结构光为多束调制后的所述第二光通过所述光引导组件合光而成，所述结构光用于照射生物样品，以生成图像光；
成像模组，用于接收所述图像光，并根据所述图像光获取对应所述生物样品的目标图像；以及
控制器，电连接所述光源模组、所述光调制模组及所述成像模组，用于控制所述光源模组、所述光调制模组及所述成像模组的作动过程。
2.如权利要求1所述的超分辨成像装置，其特征在于，每一光调制器用于反射调制后的第二光；
所述结构光为所述至少两个光调制器所反射的调制后的至少两束第二光的合光。
3.如权利要求2所述的超分辨成像装置，其特征在于，所述光引导组件还用于引导所述结构光至所述生物样品，所述结构光在所述生物样品上的视场面积大于任一束第二光在所述光调制器上的视场面积。
4.如权利要求1所述的超分辨成像装置，其特征在于，所述光引导组件包括棱锥镜，所述棱锥镜用于对所述第一光进行分束以产生所述至少两束第二光，并用于接收所述至少两个光调制器调制后的至少两束第二光，以形成所述结构光。
5.如权利要求4所述的超分辨成像装置，其特征在于，每一束第二光由所述棱锥镜入射至一光调制器时在所述光调制器上发生正反射，并再次被所述棱锥镜接收。
6.如权利要求4所述的超分辨成像装置，其特征在于，每一光调制器为数字微镜器件。
7.如权利要求6所述的超分辨成像装置，其特征在于，所述数字微镜器件包括阵列式同层排布的多个微反射镜，每个微反射镜具有一最大偏转角，所述最大偏转角与所述棱锥镜的锥面角相等。
8.一种超分辨成像方法，应用于如权利要求1-7中任意一项所述的超分辨成像装置，其特征在于，包括：
驱动光源模组出射第一光，所述第一光被分束为至少两束第二光；
驱动光调制模组中至少两个光调制器对所述至少两束第二光进行调制，以生成结构光，所述结构光用于照射生物样品，以生成图像光；
控制成像模组根据所述图像光获取对应所述生物样品的目标图像。
9.一种生物样品识别系统，其特征在于，包括：
超分辨成像装置，所述超分辨成像装置如权利要求1至7任一项所述；以及
生物特征识别装置，电连接所述超分辨成像装置，用于根据所述超分辨成像装置获取的目标图像识别所述生物样品的生物特征。
10.一种生物样品识别方法，应用于如权利要求9所述的生物样品识别系统，其特征在于，包括：
驱动光源模组出射第一光，所述第一光被分束为至少两束第二光；
驱动光调制模组中至少两个光调制器对所述至少两束第二光进行调制，以生成结构光，所述结构光用于照射生物样品，以生成图像光；
控制成像模组根据所述图像光获取对应所述生物样品的目标图像；
控制生物特征识别系统根据所述目标图像识别所述生物样品的生物特征。
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Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101661159A (zh) * | 2008-08-25 | 2010-03-03 | 麦克奥迪实业集团有限公司 | 一种基于二维调制技术的切层图像获取方法 |
| DE102008054317A1 (de) * | 2008-11-03 | 2010-05-06 | Carl Zeiss Microlmaging Gmbh | Kombinationsmikroskopie |
| CN101893755A (zh) * | 2010-07-06 | 2010-11-24 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 使用四棱锥镜产生结构照明的荧光显微方法和装置 |
| EP2369401A1 (en) * | 2010-03-23 | 2011-09-28 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Optical modulator device and spatio-temporally light modulated imaging system |
| CN102540446A (zh) * | 2011-12-28 | 2012-07-04 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种基于数字微镜器件的高速结构照明光学显微系统及方法 |
| WO2015040618A1 (en) * | 2013-09-17 | 2015-03-26 | Ramot At Tel-Aviv University Ltd. | A system and a method for quantitative sample imaging using off-axis interferometry with extended field of view or faster frame rate |
| CN105784653A (zh) * | 2016-03-08 | 2016-07-20 | 浙江大学 | 一种宽场超分辨荧光显微成像装置 |
| CN105814402A (zh) * | 2013-11-27 | 2016-07-27 | 苏州大学 | 连续可调结构光照明的超分辨显微成像方法与系统 |
| CN205827039U (zh) * | 2016-06-29 | 2016-12-21 | 广景视睿科技（深圳）有限公司 | 一种dlp投影模组 |
| CN106980174A (zh) * | 2017-02-28 | 2017-07-25 | 浙江大学 | 一种综合性荧光超分辨显微成像装置 |
| CN107167929A (zh) * | 2017-06-12 | 2017-09-15 | 华南师范大学 | 基于dmd的双模式光学超分辨显微成像装置及方法 |
| CN107389631A (zh) * | 2017-04-28 | 2017-11-24 | 中国科学院生物物理研究所 | 高速多色多模态结构光照明超分辨显微成像系统及其方法 |
| CN108073045A (zh) * | 2016-11-07 | 2018-05-25 | 俞庆平 | 一种双分镜头直写式曝光机系统 |
| CN208283721U (zh) * | 2018-05-21 | 2018-12-25 | 长春理工大学 | 一种大面积投影光刻系统 |
| CN109497959A (zh) * | 2019-01-11 | 2019-03-22 | 福建师范大学 | 一种定量检测光敏剂空间分布的荧光成像系统及方法 |
| EP3640590A1 (en) * | 2018-10-17 | 2020-04-22 | Trimble Jena GmbH | Surveying apparatus for surveying an object |
| CN111458318A (zh) * | 2020-05-12 | 2020-07-28 | 西安交通大学 | 利用正方晶格结构光照明的超分辨成像方法及系统 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6635052B2 (ja) * | 2015-02-05 | 2020-01-22 | 株式会社ニコン | 構造化照明顕微鏡、及び観察方法 |
-
2020
- 2020-08-20 CN CN202010845869.1A patent/CN114076750B/zh active Active
Patent Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101661159A (zh) * | 2008-08-25 | 2010-03-03 | 麦克奥迪实业集团有限公司 | 一种基于二维调制技术的切层图像获取方法 |
| DE102008054317A1 (de) * | 2008-11-03 | 2010-05-06 | Carl Zeiss Microlmaging Gmbh | Kombinationsmikroskopie |
| EP2369401A1 (en) * | 2010-03-23 | 2011-09-28 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Optical modulator device and spatio-temporally light modulated imaging system |
| CN101893755A (zh) * | 2010-07-06 | 2010-11-24 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 使用四棱锥镜产生结构照明的荧光显微方法和装置 |
| CN102540446A (zh) * | 2011-12-28 | 2012-07-04 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种基于数字微镜器件的高速结构照明光学显微系统及方法 |
| WO2015040618A1 (en) * | 2013-09-17 | 2015-03-26 | Ramot At Tel-Aviv University Ltd. | A system and a method for quantitative sample imaging using off-axis interferometry with extended field of view or faster frame rate |
| CN105814402A (zh) * | 2013-11-27 | 2016-07-27 | 苏州大学 | 连续可调结构光照明的超分辨显微成像方法与系统 |
| CN105784653A (zh) * | 2016-03-08 | 2016-07-20 | 浙江大学 | 一种宽场超分辨荧光显微成像装置 |
| CN205827039U (zh) * | 2016-06-29 | 2016-12-21 | 广景视睿科技（深圳）有限公司 | 一种dlp投影模组 |
| CN108073045A (zh) * | 2016-11-07 | 2018-05-25 | 俞庆平 | 一种双分镜头直写式曝光机系统 |
| CN106980174A (zh) * | 2017-02-28 | 2017-07-25 | 浙江大学 | 一种综合性荧光超分辨显微成像装置 |
| CN107389631A (zh) * | 2017-04-28 | 2017-11-24 | 中国科学院生物物理研究所 | 高速多色多模态结构光照明超分辨显微成像系统及其方法 |
| CN107167929A (zh) * | 2017-06-12 | 2017-09-15 | 华南师范大学 | 基于dmd的双模式光学超分辨显微成像装置及方法 |
| CN208283721U (zh) * | 2018-05-21 | 2018-12-25 | 长春理工大学 | 一种大面积投影光刻系统 |
| EP3640590A1 (en) * | 2018-10-17 | 2020-04-22 | Trimble Jena GmbH | Surveying apparatus for surveying an object |
| CN109497959A (zh) * | 2019-01-11 | 2019-03-22 | 福建师范大学 | 一种定量检测光敏剂空间分布的荧光成像系统及方法 |
| CN111458318A (zh) * | 2020-05-12 | 2020-07-28 | 西安交通大学 | 利用正方晶格结构光照明的超分辨成像方法及系统 |
Non-Patent Citations (7)
| Title |
|---|
| Display system architectures for digital micromirror device (DMDTM)-based projectors;James M. Florence;SPIE;第2650卷;193-208 * |
| Fast optical sectioning obtained by structured illumination microscopy using a digital mirror device;Dongli Xu et al.;Journal of Biomedical Optics;第18卷(第6期);1-3 * |
| Wave front engineering by means of diffractive optical elements for applications in microscopy;Dan Cojoc et al.l.;Proc. of SPIE;20061231;第6254卷;全文 * |
| 干涉高斯光诱导的表面等离子激元驻波场的分析;黄频波等;光学学报;第31卷(第10期);1-6 * |
| 结构光照明并行物方差动快速测量方法研究;刘志群 等;仪器仪表学报;20171231;第38卷(第12期);全文 * |
| 结构光照明荧光显微镜突破衍射极限的原理和在生命科学中的应用;吴美瑞;杨西斌;熊大曦;李辉;武晓东;;激光与光电子学进展(第01期);1-11 * |
| 部分相干照明下的相位恢复方法及应用研究进展;卢兴园 等;中国激光;20200531;第47卷(第5期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114076750A (zh) | 2022-02-22 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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