CN115901623B - 一种高速光学衍射层析显微成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学显微成像技术领域，提供一种高速光学衍射层析显微成像系统，包括光源模块、第一分光模块、分束旋转模块、第二分光模块、反射模块和相机；本发明通过分束旋转模块配合相机进行旋转扫描，第一旋转件和第二旋转件的转动对整体系统的扰动远小于扫描振镜带来的影响，保证了重构的三维频谱的精度，提高了最终解算的图像质量，且基于第一旋转件和第二旋转件上分布的多个第一通光孔和第一透镜，实现在同一时间存在多个照明角度，保证了光学衍射层析显微成像的时间分辨率，且基于样品光数量的增多，实现了数据采集速度成倍的提升，进而提高了成像速度。

Description

一种高速光学衍射层析显微成像系统

技术领域

本发明涉及光学显微成像技术领域，尤其涉及一种高速光学衍射层析显微成像系统。

背景技术

光学衍射层析技术是根据光场的衍射效应并结合定量相位成像的一种新型的非标记、非侵入的三维显微成像技术，该显微成像技术能够实现样品的三维结构成像，通常的思路是通过旋转照明光束来获得样品在不同光照角度下的多幅图像，然后利用这组角度图像重建三维结构。

目前常用的一种旋转照明光束的方法是通过控制位于样品共轭面的两个扫描振镜来实现，然而机械驱动的扫描振镜在扫描的过程中，由于高电压造成的非线性响应会造成扫描位置的抖动，即扫描振镜对整个系统的扰动较大，导致二维频谱拼接的准确度降低，进而影响了其重构的三维频谱的精度，降低了最终解算的图像质量。另外，上述的旋转照明光束的方式在同一时间只能存在一个照明角度，因此限制了光学衍射层析显微成像的时间分辨率，同时限制了成像速度。

发明内容

本发明提供一种高速光学衍射层析显微成像系统，用以解决现有技术中通过扫描振镜实现旋转照明光束过程中对整个系统扰动较大、同一时间只能存在一个照明角度且制约了成像速度的缺陷，实现提高最终解算的图像质量和成像速度。

本发明提供一种高速光学衍射层析显微成像系统，包括光源模块、第一分光模块、分束旋转模块、第二分光模块、反射模块和相机；

其中，所述光源模块用于发出准直的偏振光；所述第一分光模块用于将所述光源模块发出的偏振光分为第一分光和第二分光，所述第一分光用于照明光，所述第二分光用于参考光；

所述分束旋转模块包括相连接的第一旋转件和第二旋转件，所述第一旋转件上周向设有多个第一通光孔，所述第二旋转件上周向设有与所述第一通光孔一一对应的多个第一透镜，所述第一分光能够依次通过所述第一通光孔和所述第一透镜并形成多束准直光，所述第二旋转件远离所述第一旋转件的一侧设有照明物镜，多束准直光能够通过所述照明物镜折射、并以多个角度照射样品，以形成带有样品信息的多束样品光；

所述反射模块用于将所述第二分光反射至所述第二分光模块，且所述样品光和所述第二分光至少经过所述第二分光模块合束后被所述相机收集。

根据本发明提供的一种高速光学衍射层析显微成像系统，所述光源模块包括激光器、第一起偏器、第一扩束模块和第一准直模块；

其中，所述激光器用于发出激光；所述第一起偏器用于将所述激光转变为偏振光，所述第一起偏器发出的偏振光能够依次经过所述第一扩束模块和所述第一准直模块进行扩束和准直。

根据本发明提供的一种高速光学衍射层析显微成像系统，所述第一旋转件和/或所述第二旋转件与第一驱动件的驱动端相连接，所述第一驱动件用于驱动所述第一旋转件和所述第二旋转件自转。

根据本发明提供的一种高速光学衍射层析显微成像系统，还包括位于所述照明物镜与所述第二分光模块之间的第二扩束模块和第二准直模块，所述样品光能够依次经过所述第二扩束模块和第二准直模块进行扩束和准直。

根据本发明提供的一种高速光学衍射层析显微成像系统，所述第二分光模块相对于所述相机的中轴线倾斜设置。

根据本发明提供的一种高速光学衍射层析显微成像系统，还包括第三分光模块，所述第三分光模块包括相连接的第一连接机构和第二连接机构，所述第一连接机构上周向设有多个第二通光孔，所述第二连接机构上周向设有与所述第二通光孔一一对应的第二透镜，所述反射模块能够将所述第二分光反射至所述第三分光模块，且所述第二分光能够依次通过所述第二通光孔和所述第二透镜后形成多束准直光，通过所述第二透镜的多束准直光至少能够经过所述第二分光模块与所述样品光合束。

根据本发明提供的一种高速光学衍射层析显微成像系统，所述第二连接机构和所述第二分光模块之间设有第三透镜。

根据本发明提供的一种高速光学衍射层析显微成像系统，所述第二通光孔的数量为至少两个。

根据本发明提供的一种高速光学衍射层析显微成像系统，所述第一通光孔与所述第二通光孔内设有第二起偏器。

根据本发明提供的一种高速光学衍射层析显微成像系统，所述反射模块包括至少两个反射镜。

本发明提供的一种高速光学衍射层析显微成像系统，通过第一分光模块将光源模块发出的准直的偏振光分为第一分光和第二分光，由第一分光作为照明光作用于样品，在对样品照明前经过分束旋转模块，其在经过第一旋转件上的第一通光孔和第二旋转件上的第一透镜后被分为多束准直光，在经过照明物镜的折射后能够以多个角度照射样品，并形成带有样品信息的多束样品光，第二分光作为参考光，并被反射模块反射至第二分光模块后与多束样品光合束，且被相机收集，其中，第一旋转件和第二旋转件同步转动，其每转动一次，相机曝光一次，本发明通过分束旋转模块配合相机进行旋转扫描，第一旋转件和第二旋转件的转动对整体系统的扰动远小于扫描振镜带来的影响，保证了重构的三维频谱的精度，提高了最终解算的图像质量，且基于第一旋转件和第二旋转件上分布的多个第一通光孔和第一透镜，实现在同一时间存在多个照明角度，保证了光学衍射层析显微成像的时间分辨率，且基于样品光数量的增多，实现了数据采集速度成倍的提升，进而提高了成像速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的高速光学衍射层析显微成像系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的第一旋转件的结构示意图；

图3是本发明实施例一提供的第二旋转件的结构示意图；

图4是传统的光学衍射层析显微成像系统中收集到的一个样品光同参考光的干涉全息图；

图5是本发明实施例一提供的高速光学衍射层析显微成像系统中收集到的多个样品光同参考光的干涉全息图；

图6是本发明实施例一中经傅里叶变换后的三维频谱图；

图7是本发明实施例二提供的高速光学衍射层析显微成像系统的结构示意图；

图8是本发明实施例二提供的第一旋转件的结构示意图；

图9是本发明实施例二提供的第二旋转件的结构示意图；

图10是本发明实施例二提供的第一连接机构的结构示意图；

图11是本发明实施例二提供的第二连接机构的结构示意图；

图12是本发明实施例二中经傅里叶变换后的三维频谱图。

附图标记：

1：第一分光模块；2：分束旋转模块；3：第二分光模块；4：反射模块；5：相机；6：第一旋转件；7：第二旋转件；8：第一通光孔；9：第一透镜；10：照明物镜；11：激光器；12：第一起偏器；13：第一扩束模块；14：第一准直模块；15：第二扩束模块；16：第二准直模块；17：第三分光模块；18：第一连接机构；19：第二连接机构；20：第二通光孔；21：第二透镜；22：第三透镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图12描述本发明的高速光学衍射层析显微成像系统。

实施例一

参照图1-6，本实施例提供一种高速光学衍射层析显微成像系统，包括光源模块、第一分光模块1、分束旋转模块2、第二分光模块3、反射模块4和相机5。

其中，光源模块用于发出准直的偏振光；第一分光模块1用于将光源模块发出的偏振光分为第一分光和第二分光，第一分光用于照明光，第二分光用于参考光；分束旋转模块2包括相连接的第一旋转件6和第二旋转件7，第一旋转件6上周向设有多个第一通光孔8，第二旋转件7上周向设有与第一通光孔8一一对应的多个第一透镜9，第一分光能够依次通过第一通光孔8和第一透镜9并形成多束准直光，第二旋转件7远离第一旋转件6的一侧设有照明物镜10，多束准直光能够通过照明物镜10折射、并以多个角度照射样品，以形成带有样品信息的多束样品光；反射模块4用于将第二分光反射至第二分光模块3，且样品光和第二分光至少经过第二分光模块3合束后被相机5收集。

进一步的，通过第一分光模块1将光源模块发出的准直的偏振光分为第一分光和第二分光，由第一分光作为照明光作用于样品，在对样品照明前经过分束旋转模块2，其在经过第一旋转件6上的第一通光孔8和第二旋转件7上的第一透镜9后被分为多束准直光，在经过照明物镜10的折射后能够以多个角度照射样品，并形成带有样品信息的多束样品光，第二分光作为参考光，并被反射模块4反射至第二分光模块3后与多束样品光合束，且被相机5收集，其中，第一旋转件6和第二旋转件7同步转动，其每转动一次，相机5曝光一次，通过分束旋转模块2配合相机5进行旋转扫描，第一旋转件6和第二旋转件7的转动对整体系统的扰动远小于扫描振镜带来的影响，保证了重构的三维频谱的精度，提高了最终解算的图像质量，且基于第一旋转件6和第二旋转件7上分布的多个第一通光孔8和第一透镜9，实现在同一时间存在多个照明角度，保证了光学衍射层析显微成像的时间分辨率，且基于样品光数量的增多，实现了数据采集速度成倍的提升，进而提高了成像速度。

作为一种可选的实施方式，第一旋转件6和第二旋转件7可以是圆盘，二者可同步转动，第一旋转件6带有四个第一通光孔8，第一通光孔8分布于上下左右相对90°，第二旋转件7上的第一透镜9与第一通光孔8一一对应，第一透镜9对经过第一通光孔8的准直光进行聚焦。

进一步的，第一分光作为照明光首先经过分束旋转模块2，其中第一旋转件6选择出四路准直光，并经过第二旋转件7被聚焦在照明物镜10的后焦面的边缘位置后，以同样的角度、不同的方向同时斜入射在样品面上，经过样品后形成带有样品信息的样品光，其通过第二分光模块3后被相机5收集；第二分光作为参考光经过反射模块4后，在第二分光模块3处同之前的四束样品光一起被合束和干涉，并被相机5收集。

更进一步的说，本实施例提供一种可以同时进行四个斜照明角度的方法。分束旋转模块2的转动同相机5的曝光同步：分束旋转模块2每转动一个小的角度，相机5进行一次曝光。在传统的光学衍射层析显微成像中，每次曝光收集到的是一个斜照明角度同参考光的干涉全息图，其干涉条纹如图4所示；而本实施例中，相机5每次曝光，收集到的是四个斜照明角度的样品光同参考光的干涉全息图，其干涉条纹如图5所示，经过快速傅里叶变换后对应的频谱如图6所示，可以通过空间滤波的方式将其从频谱中提取出来，其中两个共轭项中出现了四个基频点，分别对应四个斜照明角度对频谱的调制。四个斜照明角度的样品光在频谱中对应四个组分，因此需要四组不同角度的图像来将四个样品光拓展的频谱信息分离开来。经过足够多的角度的扫描，并将每个斜照明角度的样品光的频谱信息分离开后，可以通过自相关函数等方式将其拼接为一个完整的拓展的二维频谱；最后基于傅里叶衍射理论，将二维频谱映射为三维的散射势，并最终解算出三维高分辨的折射率分布。传统的光学衍射层析显微成像中需要的斜照明角度数目为N，本实施例中光学衍射层析显微成像需要的照明角度则为N/4+4；在N足够大的情况下，成像速度可以提升四倍，同时收集到的数据的大小则减少为1/4，同时解决了光学衍射层析显微成像中高速成像和大数据量的传输及存储的难题。

本实施例中，光源模块包括激光器11、第一起偏器12、第一扩束模块13和第一准直模块14；其中，激光器11用于发出激光；第一起偏器12用于将激光转变为偏振光，第一起偏器12发出的偏振光能够依次经过第一扩束模块13和第一准直模块14进行扩束和准直。

进一步的，通过激光器11发出的激光经过第一起偏器12可以转化为偏振光，该偏振光依次经过第一扩束模块13和第一准直模块14进行扩束和准直，而后作用于第一分光模块1上被分为第一分光和第二分光。

本实施例中，第一旋转件6和/或第二旋转件7与第一驱动件的驱动端相连接，第一驱动件用于驱动第一旋转件6和第二旋转件7自转，该第一驱动件可以是机械轴，通过机械轴可以同步驱动第一旋转件6和第二旋转件7旋转。

本实施例中，高速光学衍射层析显微成像系统还包括位于照明物镜10与第二分光模块3之间的第二扩束模块15和第二准直模块16，样品光能够依次经过第二扩束模块15和第二准直模块16进行扩束和准直。

进一步的，样品光能够依次通过第二扩束模块15和第二准直模块16被重新扩束和准直，通过第二分光模块3后被相机5收集。

本实施例中，第二分光模块3相对于相机5的中轴线倾斜设置。第二分光模块3以一定的角度倾斜放置，使得样品光与第二分光合束后具有一定的角度。

本实施例中，反射模块4包括至少两个反射镜，以使得第二分光能够在通过各反射镜之间的反射后最终被反射至第二分光模块3。

实施例二

参照图7-12，与上述实施例一的不同之处在于，该高速光学衍射层析显微成像系统还包括第三分光模块17，第三分光模块17包括相连接的第一连接机构18和第二连接机构19，第一连接机构18上周向设有多个第二通光孔20，第二连接机构19上周向设有与第二通光孔20一一对应的第二透镜21，反射模块4能够将第二分光反射至第三分光模块17，且第二分光能够依次通过第二通光孔20和第二透镜21后形成多束准直光，通过第二透镜21的多束准直光至少能够经过第二分光模块3与样品光合束。

进一步的，第一通光孔8与第二通光孔20内设有第二起偏器，第一分光或第二分光能够通过第二起偏器形成偏振光，偏振方向相同的样品光和分成多束准直光的第二分光能够在第二分光模块3合束时进行干涉。

其中，第二通光孔20的数量为至少两个，保证第二分光通过第二通光孔20内的第二起偏器后分成的多束准直光中至少有两个偏振方向。

作为一种可选的实施方式，第一旋转件6、第二旋转件7、第一连接机构18和第二连接机构19均可以为圆盘结构，第一旋转件6上依次排列着间隔为45°的八个第一通光孔8，第一通光孔8内设置第二起偏器，其中四个第一通光孔8与另外四个第一通光孔8对应的偏振方向成正交方向；第三分光模块17与分束旋转模块2区别在于通光孔和透镜阵列在圆盘结构上的数量和分布不同；第一连接机构18和第二连接机构19上的第二通光孔20和第二透镜21阵列仍为一一对应关系，数目为各2个，两个第二通光孔20内均设有第二起偏器，且两个起偏器的偏振方向呈正交，并以90°的夹角分布于圆盘结构上。

进一步的，第一分光作为照明光首先经过分束旋转模块2，其中第一旋转件6选择出八路准直光，相邻的第一通光孔8选择出的准直光偏振方向正交，经过第二旋转件7被聚焦在照明物镜10的后焦面的边缘位置后，以同样的角度、不同的方向同时斜入射在样品面上；这八束样品光通过第二分光模块3后被相机5收集；第二分光作为参考光经过反射模块4后，到达第三分光模块17后被第一连接机构18选择出两路准直光，并经过第二连接机构19后在第二分光模块3与样品光合束，偏振方向相同的参考光与样品光产生干涉，并被相机5收集。

更进一步的说，本实施例提供一种可以同时进行八个角度的光学衍射层析显微成像的方法。分束旋转模块2的转动同相机5的曝光同步：分束旋转模块2每转动一个小的角度，相机5进行一次曝光。本实施例中，相机5每次曝光，相机5探测面上存在着八个角度的样品光和两个角度的参考光，但是只有偏振相同的样品光和参考光才能够进行干涉，即八个角度的样品光中偏振同向的四组样品光与相同偏振的一束参考光干涉，另外四组样品光同另一束参考光干涉。样品光的八个角度在相机5探测面处同参考光相比非常小，这两组干涉组分在频谱上的分离主要由参考光的角度决定，90°夹角的配置使得两个参考光同对应样品光的干涉共轭项互不重合，如图12所示，可以通过空间滤波的方式将其从频谱中提取出来；提取出的共轭项中包含四个斜照明角度拓展的频谱信息，需要四组不同角度的图像来将其分离开来。经过足够多的角度的扫描，并将每个斜照明角度的频谱信息分离开后，可以通过求解自相关函数等方式将其拼接为一个完整的拓展的二维频谱；最后基于傅里叶衍射理论，将二维频谱映射为三维的散射势，并最终解算出三维高分辨的折射率分布。传统的光学衍射层析显微成像中需要的斜照明角度数目为N，本实施例中光学衍射层析显微成像需要的照明角度则为N/8+4；在N足够大的情况下，成像速度可以提升八倍，同时收集到的数据的大小则减少为1/8，同时解决了光学衍射层析显微成像中高速成像和大数据量的传输及存储的难题。

本实施例中，第二连接机构19和第二分光模块3之间设有第三透镜22。通过第二透镜21的参考光聚焦在第三透镜22的焦平面上后被扩束和准直，经过第二分光模块3后倾斜入射到相机5的探测面上同样品光合束和干涉，并被相机5收集。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“第一方面实施例”、“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实施例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。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高速光学衍射层析显微成像系统，其特征在于，包括光源模块、第一分光模块（1）、分束旋转模块（2）、第二分光模块（3）、反射模块（4）和相机（5）；

其中，所述光源模块用于发出准直的偏振光；所述第一分光模块（1）用于将所述光源模块发出的偏振光分为第一分光和第二分光，所述第一分光用于照明光，所述第二分光用于参考光；

所述分束旋转模块（2）包括相连接的第一旋转件（6）和第二旋转件（7），所述第一旋转件（6）上周向设有多个第一通光孔（8），所述第二旋转件（7）上周向设有与所述第一通光孔（8）一一对应的多个第一透镜（9），所述第一分光能够依次通过所述第一通光孔（8）和所述第一透镜（9）并形成多束准直光，所述第二旋转件（7）远离所述第一旋转件（6）的一侧设有照明物镜（10），多束准直光能够通过所述照明物镜（10）折射、并以多个角度照射样品，以形成带有样品信息的多束样品光；

所述反射模块（4）用于将所述第二分光反射至所述第二分光模块（3），且所述样品光和所述第二分光至少经过所述第二分光模块（3）合束后被所述相机（5）收集。

2.根据权利要求1所述的高速光学衍射层析显微成像系统，其特征在于，所述光源模块包括激光器（11）、第一起偏器（12）、第一扩束模块（13）和第一准直模块（14）；

其中，所述激光器（11）用于发出激光；所述第一起偏器（12）用于将所述激光转变为偏振光，所述第一起偏器（12）发出的偏振光能够依次经过所述第一扩束模块（13）和所述第一准直模块（14）进行扩束和准直。

3.根据权利要求1所述的高速光学衍射层析显微成像系统，其特征在于，所述第一旋转件（6）和所述第二旋转件（7）与第一驱动件的驱动端相连接，所述第一驱动件用于驱动所述第一旋转件（6）和所述第二旋转件（7）自转。

4.根据权利要求1所述的高速光学衍射层析显微成像系统，其特征在于，还包括位于所述照明物镜（10）与所述第二分光模块（3）之间的第二扩束模块（15）和第二准直模块（16），所述样品光能够依次经过所述第二扩束模块（15）和第二准直模块（16）进行扩束和准直。

5.根据权利要求1所述的高速光学衍射层析显微成像系统，其特征在于，所述第二分光模块（3）相对于所述相机（5）的中轴线倾斜设置。

6.根据权利要求1所述的高速光学衍射层析显微成像系统，其特征在于，还包括第三分光模块（17），所述第三分光模块（17）包括相连接的第一连接机构（18）和第二连接机构（19），所述第一连接机构（18）上周向设有多个第二通光孔（20），所述第二连接机构（19）上周向设有与所述第二通光孔（20）一一对应的第二透镜（21），所述反射模块（4）能够将所述第二分光反射至所述第三分光模块（17），且所述第二分光能够依次通过所述第二通光孔（20）和所述第二透镜（21）后形成多束准直光，通过所述第二透镜（21）的多束准直光至少能够经过所述第二分光模块（3）与所述样品光合束。

7.根据权利要求6所述的高速光学衍射层析显微成像系统，其特征在于，所述第二连接机构（19）和所述第二分光模块（3）之间设有第三透镜（22）。

8.根据权利要求6所述的高速光学衍射层析显微成像系统，其特征在于，所述第二通光孔（20）的数量为至少两个。

9.根据权利要求6所述的高速光学衍射层析显微成像系统，其特征在于，所述第一通光孔（8）与所述第二通光孔（20）内设有第二起偏器。

10.根据权利要求1所述的高速光学衍射层析显微成像系统，其特征在于，所述反射模块（4）包括至少两个反射镜。

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