CN116195977A - 基于线扫描的超分辨成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及基于线扫描的超分辨成像方法及装置。一种基于线扫描的超分辨成像方法，包括：提供多种线型结构激发光，所述多种线型结构激发光中的每种线型结构激发光具有不同的照明模式；在切换所述多种线型结构激发光的同时以沿单个第一方向逐行扫描的方式对目标区域照明，使得所述目标区域中的每一行被所述多种线型结构激发光中的相应一种线型结构激发光照明；以及检测所述目标区域中的每一行响应于被所述相应一种线型结构激发光照明而生成的响应光。

Description

基于线扫描的超分辨成像方法及装置

技术领域

本公开总体上涉及成像技术领域，并且更具体而言，本公开涉及基于线扫描的超分辨成像方法及装置。

背景技术

诸如共聚焦成像技术、宽场成像技术等之类的传统成像技术受限于阿贝衍射极限，使得其最高成像分辨率往往在250纳米(nm)左右，而无法分辨尺寸更加微小的结构。对此，超分辨成像技术应运而生，其可以超越衍射极限的限制，使得成像分辨率可以达到100nm甚至更小，为微小尺寸结构的研究提供了重要的技术支持。

但是，目前主流的超分辨成像技术通常要求样本或者更具体地说其中的目标区域保持静止，并且对于目标区域在成像过程中的即使很微小的移动也非常敏感。有鉴于此，在广泛使用成像技术的生物学研究中，现有的超分辨成像技术多用于对培养的细胞成像，而难以拓展到对活体动物成像，这是因为活体动物(例如小鼠)的呼吸和心跳等生理活动不可避免地会造成目标区域的微小移动。在一些实验需求中，甚至需要对清醒状态和行动状态下的活体动物成像，而在此过程中，活体动物的肢体运动会造成更大幅度的目标区域移动，使得现有的超分辨成像技术无法得以应用。

因此，需要一种能够耐受目标区域在成像过程中的移动的改进的超分辨成像技术。

发明内容

根据本公开的一方面，提供了一种基于线扫描的超分辨成像方法，包括：提供多种线型结构激发光，所述多种线型结构激发光中的每种线型结构激发光具有不同的照明模式；在切换所述多种线型结构激发光的同时以沿单个第一方向逐行扫描的方式对目标区域照明，使得所述目标区域中的每一行被所述多种线型结构激发光中的相应一种线型结构激发光照明；以及检测所述目标区域中的每一行响应于被所述相应一种线型结构激发光照明而生成的响应光。

根据本公开的另一方面，提供了一种基于线扫描的超分辨成像装置，包括：照明模块，被配置为提供多种线型结构激发光，所述多种线型结构激发光中的每种线型结构激发光具有不同的照明模式；扫描模块，被配置为在切换所述多种线型结构激发光的同时以沿单个第一方向逐行扫描的方式对目标区域照明，使得所述目标区域中的每一行被所述多种线型结构激发光中的相应一种线型结构激发光照明；以及检测模块，被配置为检测所述目标区域中的每一行响应于被所述相应一种线型结构激发光照明而生成的响应光。

通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得更为清楚。

附图说明

从结合附图示出的本公开的实施例的以下描述中，本公开的前述和其它特征和优点将变得清楚。附图结合到本文中并形成说明书的一部分，进一步用于解释本公开的原理并使本领域技术人员能够制造和使用本公开。其中：

图1A是示出基于点扫描的成像方法的示例扫描过程的示意图；

图1B是示出基于线扫描的成像方法的示例扫描过程的示意图；

图2是示出根据本公开的一些实施例的基于线扫描的超分辨成像方法的流程图；

图3A是示出根据本公开的一些实施例的基于线扫描的超分辨成像方法的示例扫描过程的示意图；

图3B是出于说明的目的而合并示出图3A中已扫描的各行的照明模式的示意图；

图4是出于说明的目的而合并示出在根据本公开的另一些实施例的基于线扫描的超分辨成像方法的示例扫描过程中已扫描的各行的照明模式的示意图；

图5是出于说明的目的而合并示出在根据本公开的又一些实施例的基于线扫描的超分辨成像方法的示例扫描过程中已扫描的各行的照明模式的示意图；

图6A是示出根据本公开的其它一些实施例的基于线扫描的超分辨成像方法的示例扫描过程的示意图；

图6B是出于说明的目的而合并示出图6A中已扫描的各行的照明模式的示意图；

图7是示出根据本公开的其它另一些实施例的基于线扫描的超分辨成像方法的示例扫描过程的示意图；

图8是示出根据本公开的一些实施例的基于线扫描的超分辨成像装置的示意框图；

图9A是示出根据本公开的一些实施例的图8的照明模块的示意框图；

图9B是示出根据本公开的另一些实施例的图8的照明模块的示意框图；

图10是示出根据本公开的一些实施例的图8的照明模块的示例光路图；

图11是示出根据本公开的一些实施例的图8的扫描模块和检测模块的示例光路图；

图12的A部分示出了由图10的照明模块提供的线型结构激发光1和线型结构激发光2各自在图11的显微物镜的焦面处的样本上形成的在三个二维切面xy、zy、xz上的光强分布图，图12的B部分示出了在图12的A部分所示的光强分布图中的选定切线y1、x2、y2、z1、z2上的光强分布曲线；

图13是出于说明的目的而合并示出用由图10的照明模块提供的线型结构激发光1和线型结构激发光2已扫描的各行的照明模式的示意图；

图14的A部分示出了利用本公开的超分辨成像技术对荧光微珠的成像结果，图14的B部分示出了利用传统共聚焦显微镜对与图14的A部分所示区域相同的区域中的荧光微珠的成像结果，图14的C部分示出了利用本公开的超分辨成像技术对清醒小鼠脑中神经元的成像结果。

注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在一些情况中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，本公开并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。

具体实施方式

下面将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节。

另外，对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

在现有的超分辨成像技术中，提出过基于点扫描的超分辨成像技术，诸如受激发射损耗超分辨成像技术(STED)、点扫描结构光照明超分辨成像技术等。例如，参考图1A，在点扫描过程中，通过对目标区域的逐点扫描串行采集信息，然后将在每一行的每个点采集的信息重构成目标区域的一幅图像，由此基于点扫描的超分辨成像技术的成像速度通常较低。如果目标区域在某一行被逐点扫描时相比于相邻的上一行被逐点扫描时发生了位移，那么这两行的像素就发生了错位，导致无法获得正确的图像信息。因此，基于点扫描的超分辨成像技术因其成像速度较低而往往仅能容忍目标区域在成像过程中的极低速移动或根本不能容忍目标区域在成像过程中的任何移动。

还提出过基于宽场成像的超分辨成像技术，诸如结构光照明超分辨成像技术，单分子定位成像技术等。基于宽场成像的超分辨成像技术需要对整个目标区域进行多次成像以拍摄多幅全视野二维图像，最后通过计算将该多幅全视野二维图像合成一幅超分辨图像。但是，这种技术需要目标区域在整个拍摄过程中保持静止，否则无法重构出超分辨图像。

本公开的发明人注意到，线扫描相比于点扫描具有更快的速度。例如，参考图1B，在线扫描过程中，目标区域中的一整行(在x方向上)被激发光同时照明，并利用诸如相机等检测装置对这一整行同时进行检测。然后，通过沿y方向进行逐行扫描，就可以对整个目标区域进行二维成像。因此，对比图1A所示的点扫描过程和图1B所示的线扫描过程可以发现，基于线扫描的成像速度要比基于点扫描的成像速度快得多。然而，传统的基于线扫描的共聚焦成像技术通过单次扫描仅能获得衍射极限分辨率的图像。而要想实现超越衍射极限限制的分辨率，现有的超分辨成像技术(例如，前述基于宽场成像的超分辨成像技术)通常需要通过多次扫描获得多次成像结果然后再将其整合成一幅超分辨图像。然而，相邻两次扫描之间的时间间隔较长，使得这种超分辨成像技术的成像速度也较低。

为此，本公开提出了一种基于线扫描的超分辨成像技术，其通过单次扫描就能获得超分辨图像，而无需反复多次扫描后对多次成像结果进行整合。本公开的基于线扫描的超分辨成像技术具有较高的成像速度，从而对目标区域在成像过程中的移动具有较高的容忍度。

下面首先结合图2详细描述根据本公开的一些实施例的基于线扫描的超分辨成像方法100(以下简称为方法100)。如图2所示，方法100包括：在步骤S102处，提供多种线型结构激发光，所述多种线型结构激发光中的每种线型结构激发光具有不同的照明模式；在步骤S104处，在切换所述多种线型结构激发光的同时以沿单个第一方向(例如，图3A所示的y方向)逐行扫描的方式对目标区域照明，使得所述目标区域中的每一行被所述多种线型结构激发光中的相应一种线型结构激发光照明；以及在步骤S106处，检测所述目标区域中的每一行响应于被所述相应一种线型结构激发光照明而生成的响应光。

在本文中，“线型结构激发光”是指具有线型结构的激发光，其投射在目标区域上的光斑呈线状分布。在本文中，“线型结构激发光”的“照明模式”是指线型结构激发光的光强空间分布模式，或者更具体而言可以是指线型结构激发光投射在目标区域上的光斑的图案(这可以体现线型结构激发光在目标区域所在平面的二维切面上的光强分布)。可以理解，如果两束光投射在目标区域上的光斑的图案完全重合或者在经过平移后可以完全重合，则这两束光的照明模式可以被认为是相同的。基于荧光成像原理，目标区域在受到“激发光”照明后会相应地发出“响应光”，根据“响应光”可以对目标区域进行成像。在本文中，“目标区域”是待成像的区域。

在一些实施例中，在步骤S102处提供的多种线型结构激发光可以包括第一线型结构激发光和第二线型结构激发光。第一线型结构激发光可以具有完全照明一整行的照明模式，第二线型结构激发光可以具有不完全照明一整行的照明模式。例如，第一线型结构激发光可以具有在与第一方向(例如，图3A所示的y方向)垂直的第二方向(例如，图3A所示的x方向)上连续延伸的光斑(例如，图3A所示的具有照明模式a的线型结构激发光a)，第二线型结构激发光可以具有在第二方向(例如，图3A所示的x方向)上基本上周期性间隔排列的多个光斑(例如，图3A所示的具有照明模式b的线型结构激发光b和具有照明模式c的线型结构激发光c)。在本文中，“基本上”周期性间隔排列是指间隔的变化在设计间隔周期或目标间隔周期的±20％的范围内，或者例如在±15％的范围内，或者例如在±10％的范围内，或者例如在±5％的范围内等。在一些实施例中，在步骤S102处提供的多种线型结构激发光还可以附加地或替代地包括多种这样的第二线型结构激发光，其中每种第二线型结构激发光相比于其它第二线型结构激发光可以具有光斑形状与间隔周期的不同组合。例如，图3A所示的具有照明模式b的线型结构激发光b的光斑形状与间隔周期不同于图3A所示的具有照明模式c的线型结构激发光c的光斑形状与间隔周期。在本文中，间隔周期的不同可以理解为间隔周期不相同或不“基本上”相同，例如间隔周期可以相差超过±20％，或者例如超过±50％，或者例如超过±70％等。在另一些实施例中，第二线型结构激发光也可以具有在第二方向(例如，图3A所示的x方向)上非周期性间隔排列的多个光斑。

作为非限制性示例，图3A和图3B示出了三种不同照明模式的线型结构激发光，即具有照明模式a的线型结构激发光a、具有照明模式b的线型结构激发光b和具有照明模式c的线型结构激发光c。可以理解的是，可以根据需要设置任何合适数量种类的线型结构激发光，包括但不限于两种、三种、四种或更多种。

图3A示例性地示出了步骤S104和S106的实现过程：(1)首先从目标区域的第一行开始扫描，使用具有照明模式a的线型结构激发光a照明该第一行，并检测该第一行响应于被线型结构激发光a照明而生成的响应光；(2)然后沿y方向扫描至目标区域的第二行，切换使用具有照明模式b的线型结构激发光b照明该第二行，并检测该第二行响应于被线型结构激发光b照明而生成的响应光；(3)然后沿y方向扫描至目标区域的第三行，切换使用具有照明模式c的线型结构激发光c照明该第三行，并检测该第三行响应于被线型结构激发光c照明而生成的响应光；(4)然后沿y方向扫描至目标区域的第四行，使用具有照明模式a的线型结构激发光a照明该第四行，并检测该第四行响应于被线型结构激发光a照明而生成的响应光；(5)然后沿y方向扫描至目标区域的第五行，切换使用具有照明模式b的线型结构激发光b照明该第五行，并检测该第五行响应于被线型结构激发光b照明而生成的响应光；(6)然后沿y方向扫描至目标区域的第六行，切换使用具有照明模式c的线型结构激发光c照明该第六行，并检测该第六行响应于被线型结构激发光c照明而生成的响应光；……以此类推，轮流切换使用线型结构激发光a、线型结构激发光b和线型结构激发光c来依次对目标区域接下来的每一行进行照明和检测。最终，在逐行扫描完整个目标区域之后，可以直接基于由目标区域的每一行生成的响应光的检测结果重构出一幅超分辨图像。

可以按照预设次序切换在步骤S102处提供的多种线型结构激发光来照明目标区域中的相应行。例如，在图3A所示的实施例中，每轮按照相同次序遍历使用在步骤S102处提供的多种线型结构激发光来照明目标区域中的相应行。替代地，也可以每轮按照不同次序遍历使用在步骤S102处提供的多种线型结构激发光来照明目标区域中的相应行。在一些实施例中，也可以仅要求目标区域中的相邻两行被所述多种线型结构激发光中的不同线型结构激发光照明即可。在另一些实施例中，也可以每隔几行切换一种线型结构激发光照明。简言之，可以根据实际应用场景具体设计切换次序。“a、b、c、a、b、c……”、“a、b、c、c、b、a、b、a、c……”、“a、a、b、b、c、c、a、a、b、b、c、c……”、“a、b、a、c、b、c……”等各种切换次序都可有其具体适用的应用场景。

在扫描两行之间的时间差可受限于检测装置(例如相机)对响应光的检测速度、不同照明模式的线型结构激发光的切换速度(如果需要切换不同照明模式的线型结构激发光的话)、扫描速度等因素的限制。在允许的情况下，可以将该时间差设置得尽可能短，从而尽可能提高方法100的成像速度。

出于说明的目的，图3B虚拟地示出了图3A的六张图的合并表示。在图3B的实施例中，在逐行扫描期间，相邻两次使用线型结构激发光在目标区域中照明的区域彼此不重叠。这仅仅是示例性的而非限制性的。在另一些实施例中，例如如图4所示，在逐行扫描期间，相邻两次使用线型结构激发光在目标区域中照明的区域可以彼此部分地重叠。在一些实施例中，相邻两次使用线型结构激发光在目标区域中照明的区域在第一方向(例如，y方向)上的间距可以在设计分辨率(例如，100nm)的5％至50％之间。在一些实施例中，可以等间距地执行逐行扫描。在另一些实施例中，也可以不等间距地执行逐行扫描。

另外，在图3B的实施例中，在逐行扫描期间，每次使用不完全照明一整行的线型结构激发光(例如，诸如具有照明模式b的线型结构激发光b和具有照明模式c的线型结构激发光c之类的前述第二线型结构激发光)照明时相比于上一次使用这种线型结构激发光照明时没有使这种线型结构激发光在第二方向(例如，x方向)上经历任何相位移动。在另一些实施例中，例如如图5所示，在逐行扫描期间，每次使用不完全照明一整行的线型结构激发光(例如，诸如具有照明模式b的线型结构激发光b和具有照明模式c的线型结构激发光c之类的前述第二线型结构激发光)照明时相比于上一次使用这种线型结构激发光照明时使这种线型结构激发光在第二方向(例如，x方向)上经历预设相位移动。当这种线型结构激发光是前述第二线型结构激发光时，所述预设相位移动的距离可以是这种线型结构激发光的光斑的间隔周期的非整数倍。这样的相位移动可以有利于从目标区域更充分地采集信息以用于成像。

在一些实施例中，在步骤S102处提供的多种线型结构激发光可以包括第三线型结构激发光和第四线型结构激发光，第三线型结构激发光的照明模式可以被配置用于提高第三方向上的成像性能，第四线型结构激发光的照明模式可以被配置用于提高不同于第三方向的第四方向上的成像性能。在一些示例中，第三方向可以与第一方向平行，以及第四方向可以与第三方向垂直。在一些示例中，第四线型结构激发光的照明模式可以被配置用于提高第四方向和第五方向二者上的成像性能，第五方向与第三方向和第四方向二者垂直。在一些示例中，在步骤S102处提供的多种线型结构激发光还可以包括第五线型结构激发光，第五线型结构激发光的照明模式可以被配置用于提高第五方向上的成像性能，第五方向与第三方向和第四方向二者垂直。例如，如稍后描述的图12中所示，线型结构激发光1的照明模式1被配置为提高y方向上的成像分辨率，而线型结构激发光2的照明模式2被配置为提高x和z方向上的成像分辨率，由此使得最终获得的目标区域的图像在x、y、z三个方向上都具有高成像分辨率。

还可以通过并行处理的方式来进一步提高方法100的成像速度。例如，参考图6A和图6B，在一些实施例中，目标区域可以包括沿第一方向(例如，y方向)布置的多个子目标区域(例如，第一子目标区域和第二子目标区域)，并且方法100包括并行地对每个子目标区域执行如下操作：在切换在步骤S102处提供的多种线型结构激发光的同时以沿单个第一方向(例如，y方向)逐行扫描的方式对该子目标区域照明，使得该子目标区域中的每一行被所述多种线型结构激发光中的相应一种线型结构激发光照明；以及检测该子目标区域中的每一行响应于被所述相应一种线型结构激发光照明而生成的响应光。在如图6A所示的实施例中，第一子目标区域和第二子目标区域中的扫描方向是相同的。在另一些实施例中，第一子目标区域和第二子目标区域中的扫描方向也可以是不同的，例如可以是相反的。

在一些实施例中，第一子目标区域中的第一行与第二子目标区域中的第二行可以被同时照明，其中在一些示例中，例如如图6A所示，该第一行和该第二行可以被所述多种线型结构激发光中的相同线型结构激发光照明；在另一些示例中，例如如图7所述，该第一行和该第二行可以被所述多种线型结构激发光中的不同线型结构激发光照明。可以理解，虽然在图6A至图7的示例中仅示出了将目标区域划分为两个子目标区域，但是可以根据具体需要而将目标区域划分成任何合适数量和形状的子目标区域。

方法100仅需要单次线扫描成像就能正确重构超分辨图像。其受益于较高的线扫描成像速度，能够有效提高超分辨成像方法对目标区域在成像过程中的移动的容忍度。例如，现有科研级相机中如果只使用4行像素来对目标区域进行成像，帧率可超过40KHz。如果希望目标区域在连续10行的采集中发生的位移量低于50nm(设计分辨率100nm的一半)，那么方法100对于目标区域可容忍的移动速度可高达每秒200微米，这足以应对绝大多数应用场景的需求了(例如，麻醉小鼠的脑区域的移动速度在每秒2微米左右，清醒小鼠的脑区域的移动速度在每秒50微米左右)。即使目标区域的移动剧烈到使得所获得的图像在大尺度上可能已发生形变，也不会影响方法100在微观尺度上对精细结构进行解析的能力。

下面结合图8详细描述根据本公开的一些实施例的基于线扫描的超分辨成像装置200(以下简称为装置200)。如图8所示，装置200包括照明模块220、扫描模块240和检测模块260。照明模块220被配置为提供多种线型结构激发光，所述多种线型结构激发光中的每种线型结构激发光具有不同的照明模式。扫描模块240被配置为在切换所述多种线型结构激发光的同时以沿单个第一方向逐行扫描的方式对目标区域照明，使得目标区域中的每一行被所述多种线型结构激发光中的相应一种线型结构激发光照明。检测模块260被配置为检测目标区域中的每一行响应于被所述相应一种线型结构激发光照明而生成的响应光。

在一些实施例中，例如参考图9A，照明模块220可以包括：光源221，被配置为提供激发光；分光单元222，被配置为将来自光源221的激发光分成多束激发光；多个线型结构激发光生成单元2241、2242、……、224N，每个线型结构激发光生成单元被配置为接收来自分光单元222的相应一束激发光并基于所接收的相应一束激发光生成相应一种线型结构激发光；合光单元225，被配置为将来自所述多个线型结构激发光生成单元2241、2242、……、224N的多种线型结构激发光合成一束；以及多个光开关单元2231、2232、……、223N，每个光开关单元例如可以设置在分光单元222与相应一个线型结构激发光生成单元2241、2242、……、224N之间且被配置为控制来自分光单元222的激发光是否输出到所述相应一个线型结构激发光生成单元(例如，如图9A所示的情况)，或者每个光开关单元也可以替代地设置在相应一个线型结构激发光生成单元2241、2242、……、224N与合光单元225之间且被配置为控制来自所述相应一个线型结构激发光生成单元的线型结构激发光是否输出到合光单元225。由所述多个线型结构激发光生成单元2241、2242、……、224N中的不同线型结构激发光生成单元生成的线型结构激发光具有不同的照明模式。

在另一些实施例中，例如参考图9B，照明模块220也可以包括：光源221，被配置为提供激发光；单个调制单元226，被配置为将来自光源221的激发光调制成具有不同照明模式的线型结构激发光。调制单元226例如可以包括空间光调制器和/或偏振调制器等，并且可以根据设置输出不同照明模式的线型结构激发光。

顺带一提的是，光源221所提供的激发光可以包括一个或多个波长或波长范围，只要能够激发目标区域产生响应光即可，而不受特别限制。

如图9B所示的照明模块220相比于如图9A所示的照明模块220具有更为简单的结构和更少数量的部件，但是如图9A所示的照明模块220相比于如图9B所示的照明模块220可以更快地切换不同照明模式的线型结构激发光。可以理解，图9A和图9B仅仅是示例性的而非限制性的，可以根据本公开的教导采用或设计任何合适的照明模块220来提供具有不同照明模式的多种线型结构激发光。

在一些实施例中，由照明模块220所提供的多种线型结构激发光可以包括第一线型结构激发光和第二线型结构激发光，第一线型结构激发光具有在与第一方向垂直的第二方向上连续延伸的光斑，第二线型结构激发光具有在第二方向上基本上周期性间隔排列的多个光斑。在一些实施例中，所述多种线型结构激发光还可以附加地或替代地包括多种第二线型结构激发光，所述第二线型结构激发光具有在第二方向上基本上周期性间隔排列的多个光斑，所述多种第二线型结构激发光中的每种第二线型结构激发光相比于所述多种第二线型结构激发光中的其它第二线型结构激发光具有光斑形状与间隔周期的不同组合。

在一些实施例中，由照明模块220所提供的多种线型结构激发光可以包括第三线型结构激发光和第四线型结构激发光，第三线型结构激发光的照明模式被配置用于提高第三方向上的成像性能，第四线型结构激发光的照明模式被配置用于提高不同于第三方向的第四方向上的成像性能。在一些示例中，第三方向与第一方向平行，以及第四方向与第三方向垂直。在一些示例中，第四线型结构激发光的照明模式被配置用于提高第四方向和第五方向二者上的成像性能，第五方向与第三方向和第四方向二者垂直。在一些实施例中，所述多种线型结构激发光还包括第五线型结构激发光，第五线型结构激发光的照明模式被配置用于提高第五方向上的成像性能，第五方向与第三方向和第四方向二者垂直。

在一些实施例中，扫描模块240还可以被配置为在逐行扫描期间，每次使用第二线型结构激发光照明时相比于上一次使用所述第二线型结构激发光照明时使所述第二线型结构激发光在第二方向上经历预设相位移动，所述预设相位移动的距离是所述第二线型结构激发光的光斑的间隔周期的非整数倍。在一些实施例中，扫描模块240还可以被配置为用所述多种线型结构激发光中的不同线型结构激发光照明目标区域中的相邻两行。在一些实施例中，扫描模块240还可以被配置为按照预设次序切换所述多种线型结构激发光来照明目标区域中的相应行。在一些实施例中，扫描模块240还可以被配置为在逐行扫描期间使得相邻两次使用线型结构激发光在目标区域中照明的区域彼此部分地重叠。

为了进一步提升装置200的成像速度，可以将目标区域划分为多个子目标区域后执行并行处理。在一些实施例中，目标区域可以包括沿第一方向布置的多个子目标区域。扫描模块240可以被配置为并行地对每个子目标区域执行如下操作：在切换所述多种线型结构激发光的同时以沿单个第一方向逐行扫描的方式对该子目标区域照明，使得该子目标区域中的每一行被所述多种线型结构激发光中的相应一种线型结构激发光照明。检测模块260可以被配置为并行地对每个子目标区域执行如下操作：检测该子目标区域中的每一行响应于被所述相应一种线型结构激发光照明而生成的响应光。在一些实施例中，该多个子目标区域可以包括第一子目标区域和第二子目标区域，第一子目标区域中的第一行与第二子目标区域中的第二行可以被同时照明。扫描模块240可以被配置为用由照明模块220提供的多种线型结构激发光中的相同或者不同线型结构激发光照明该第一行和该第二行。

装置200的实施例可以类似于前述方法100的实施例，在此不多赘述。

出于说明的目的，下面结合图10至图14详细描述应用本公开的超分辨成像技术的一个非限制性具体示例。应理解，实际的光学系统可能还存在其它光学元件，而为了避免模糊此处的要点，本文不去讨论并且附图也未示出这些其它光学元件。

可以搭建如图10所示的光学系统来实现提供两种具有不同照明模式的线型结构激发光的照明模块。该照明模块的输入可以是单波长或多波长的平行激光光束。输入的光束通过偏振分束器PBS1(可充当分光单元)被分为两束偏振互相垂直的光束，这两束偏振互相垂直的光束分别被两个声光可调滤波器AOTF1、AOTF2(可充当光开关单元)控制。声光可调滤波器AOTF1、AOTF2可以选择性地允许特定波长或波长范围的光通过，并可以快速控制光的通断。在图10的左部的光路中，从偏振分束器PBS1透射的平行光束通过声光可调滤波器AOTF1后被柱面透镜CL1会聚为沿x方向的一条线，即如图12的A部分所示的照明模式1。在图10的右部的光路中，从偏振分束器PBS1反射的平行光束先被反射镜M1反射，然后在通过声光可调滤波器AOTF2后被柱面透镜CL2会聚为沿x方向的一条线。与左部的光路不同的是，在柱面透镜CL2的焦面处设置有由旋转电机驱动的透射光栅TG，该透射光栅TG沿x方向调制从柱面透镜CL2出射的线型会聚光的相位或强度，从而将其调制为具有如图12的A部分所示的照明模式2。除了使用由旋转电机驱动的透射光栅TG之外，还可以替代地使用数字微镜器件DMD、液晶空间光调制器SLM等其它方案来调制光的相位或强度。由旋转电机驱动的透射光栅TG相比于DMD、SLM可以更快速地改变相位，而DMD、SLM则可以简单地实现相位改变而不需要旋转电机的驱动。至此，柱面透镜CL1可充当提供具有照明模式1的线型结构激发光1的第一线型结构激发光生成单元，柱面透镜CL2与透射光栅TG可充当提供具有照明模式2的线型结构激发光2的第二线型结构激发光生成单元。具有照明模式1的线型结构激发光1与具有照明模式2的线型结构激发光2(经反射镜M2反射)通过偏振分束器PBS2(可充当合光单元)被合为一束。另外，球面透镜L1与球面透镜L3构成中继成像系统以将具有照明模式1的线型结构激发光1成像在球面透镜L3的焦面处，球面透镜L2与球面透镜L3也构成中继成像系统以将具有照明模式2的线型结构激发光2成像在球面透镜L3的焦面处。由此，通过控制声光可调滤波器AOTF1、AOTF2，如图10所示的照明模块可以选择性地输出具有照明模式1的线型结构激发光1或具有照明模式2的线型结构激发光2。

可以搭建如图11所示的光学系统来实现扫描模块和检测模块，其中实线箭头示意性指示扫描模块的光路，而虚线箭头示意性指示检测模块的光路。球面透镜L4与球面透镜L5可构成中继成像系统。球面透镜L6与显微物镜也可构成中继成像系统。由照明模块输出的线型结构激发光经二向色镜DM反射后穿过球面透镜L4以到达扫描反射镜SM，然后经扫描反射镜SM反射后穿过球面透镜L5、球面透镜L6与显微物镜到达样本的目标区域。在图11所示的实现方式中，通过扫描反射镜SM的转动来实现线型结构激发光的照明位置在目标区域中的扫描，在这种情况下样本可以被固定不动。附加地或替代地，可以将样本设置在样本扫描位移台上，通过样本的位移来实现线型结构激发光的照明位置在目标区域中的扫描，在这种情况下可以仍使用扫描反射镜SM也可以将其替换为固定的反射镜。样本发出的响应光被显微物镜收集，然后通过球面透镜L6、球面透镜L5、扫描反射镜SM、球面透镜L4、二向色镜DM，最终被相机捕获。除了使用相机之外，还可以替代地使用光电探测器、图像传感器等其它方案来检测响应光。在如图11所示的实施例中，扫描模块和检测模块共享了大多数光学元件，其可以被集成在称为线扫描共聚焦成像模块的单个模块中。

参考图12，其具体示出了由图10的照明模块提供并由图11的扫描模块投射到样本的目标区域上的线型结构激发光1和线型结构激发光2的照明模式。如图12所示，照明模式1是沿x方向均匀而沿y方向最大程度会聚的一条线，其在y方向上产生了最快速的强度变化，从而可以提高y方向上的成像分辨率；照明模式2是沿x方向基本上周期性间隔排列的一排点，其在x和z方向上产生了最快速的强度变化，从而可以提高x和z方向上的成像分辨率。

在线扫描过程中，通过控制图10的照明模块的声光可调滤波器AOTF1、AOTF2的交替通断来实现具有照明模式1的线型结构激发光1和具有照明模式2的线型结构激发光2对样本的目标区域的交替照明，在此期间还可以利用旋转电机旋转图10的照明模块的透射光栅TG以使线型结构激发光2的照明模式2的相位不断沿x方向移动，例如参考图13。通过这样的方式针对目标区域采集的信息包含了x、y、z三个方向上的高分辨率信息，从而可以超分辨重构出在x、y、z三个方向上均具有高分辨率的目标区域图像。

参考图14，图14的A部分示出了利用本公开的超分辨成像技术对荧光微珠的成像结果，图14的B部分示出了利用传统共聚焦显微镜对与A部分所示区域相同的区域中的荧光微珠的成像结果，以及图14的C部分示出了利用本公开的超分辨成像技术对清醒小鼠脑中神经元的成像结果。可以看出，本公开的超分辨成像技术的成像性能显著优于传统成像技术的成像性能，并且能够抵抗目标区域在成像过程中的移动，非常适于对活体动物成像。

在说明书及权利要求中的词语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”、“高”、“低”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其它取向上操作。例如，在附图中的装置倒转时，原先描述为在其它特征“之上”的特征，此时可以描述为在其它特征“之下”。装置还可以以其它方式定向(旋转90度或在其它方位)，此时将相应地解释相对空间关系。

在说明书及权利要求中，称一个元件位于另一元件“之上”、“附接”至另一元件、“连接”至另一元件、“耦合”至另一元件、“耦接”至另一元件、或“接触”另一元件等时，该元件可以直接位于另一元件之上、直接附接至另一元件、直接连接至另一元件、直接耦合至另一元件、直接耦接至另一元件或直接接触另一元件，或者可以存在一个或多个中间元件。相对照的是，称一个元件“直接”位于另一元件“之上”、“直接附接”至另一元件、“直接连接”至另一元件、“直接耦合”至另一元件、“直接耦接”至另一元件或“直接接触”另一元件时，将不存在中间元件。在说明书及权利要求中，一个特征布置成与另一特征“相邻”，可以指一个特征具有与相邻特征重叠的部分或者位于相邻特征上方或下方的部分。

如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。

如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪声以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。

另外，仅仅为了参考的目的，还可以在本文中使用“第一”、“第二”等类似术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。

还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。

在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。

如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。本文中使用的术语只是出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚指示。

本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其它各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。可以以任何方式和/或与其它实施例的方面或元件相结合地组合以上公开的所有实施例的方面和元件，以提供多个附加实施例。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (28)

1.一种基于线扫描的超分辨成像方法，包括：

提供多种线型结构激发光，所述多种线型结构激发光中的每种线型结构激发光具有不同的照明模式；

在切换所述多种线型结构激发光的同时以沿单个第一方向逐行扫描的方式对目标区域照明，使得所述目标区域中的每一行被所述多种线型结构激发光中的相应一种线型结构激发光照明；以及

检测所述目标区域中的每一行响应于被所述相应一种线型结构激发光照明而生成的响应光。

2.根据权利要求1所述的超分辨成像方法，其中，所述多种线型结构激发光包括第一线型结构激发光和第二线型结构激发光，所述第一线型结构激发光具有在与所述第一方向垂直的第二方向上连续延伸的光斑，所述第二线型结构激发光具有在所述第二方向上基本上周期性间隔排列的多个光斑。

3.根据权利要求1或2所述的超分辨成像方法，其中，所述多种线型结构激发光包括多种第二线型结构激发光，所述第二线型结构激发光具有在与所述第一方向垂直的第二方向上基本上周期性间隔排列的多个光斑，所述多种第二线型结构激发光中的每种第二线型结构激发光相比于所述多种第二线型结构激发光中的其它第二线型结构激发光具有光斑形状与间隔周期的不同组合。

4.根据权利要求2所述的超分辨成像方法，其中，在逐行扫描期间，每次使用第二线型结构激发光照明时相比于上一次使用所述第二线型结构激发光照明时使所述第二线型结构激发光在所述第二方向上经历预设相位移动，所述预设相位移动的距离是所述第二线型结构激发光的光斑的间隔周期的非整数倍。

5.根据权利要求1所述的超分辨成像方法，其中，所述多种线型结构激发光包括第三线型结构激发光和第四线型结构激发光，所述第三线型结构激发光的照明模式被配置用于提高第三方向上的成像性能，所述第四线型结构激发光的照明模式被配置用于提高不同于所述第三方向的第四方向上的成像性能。

6.根据权利要求5所述的超分辨成像方法，其中，所述第三方向与所述第一方向平行，以及所述第四方向与所述第三方向垂直。

7.根据权利要求6所述的超分辨成像方法，其中，所述第四线型结构激发光的照明模式被配置用于提高所述第四方向和第五方向二者上的成像性能，所述第五方向与所述第三方向和所述第四方向二者垂直。

8.根据权利要求6所述的超分辨成像方法，其中，所述多种线型结构激发光还包括第五线型结构激发光，所述第五线型结构激发光的照明模式被配置用于提高第五方向上的成像性能，所述第五方向与所述第三方向和所述第四方向二者垂直。

9.根据权利要求1所述的超分辨成像方法，其中，所述目标区域中的相邻两行被所述多种线型结构激发光中的不同线型结构激发光照明。

10.根据权利要求1所述的超分辨成像方法，其中，按照预设次序切换所述多种线型结构激发光来照明所述目标区域中的相应行。

11.根据权利要求1所述的超分辨成像方法，其中，在逐行扫描期间，相邻两次使用线型结构激发光在所述目标区域中照明的区域彼此部分地重叠。

12.根据权利要求1所述的超分辨成像方法，其中，所述目标区域包括沿所述第一方向布置的多个子目标区域，并且其中，所述方法包括并行地对所述多个子目标区域中的每个子目标区域执行如下操作：

在切换所述多种线型结构激发光的同时以沿单个所述第一方向逐行扫描的方式对该子目标区域照明，使得该子目标区域中的每一行被所述多种线型结构激发光中的相应一种线型结构激发光照明；以及

检测该子目标区域中的每一行响应于被所述相应一种线型结构激发光照明而生成的响应光。

13.根据权利要求12所述的超分辨成像方法，其中，所述多个子目标区域中的第一子目标区域中的第一行与所述多个子目标区域中的第二子目标区域中的第二行被同时照明，并且其中：

所述第一行和所述第二行被所述多种线型结构激发光中的相同线型结构激发光照明；或者

所述第一行和所述第二行被所述多种线型结构激发光中的不同线型结构激发光照明。

14.一种基于线扫描的超分辨成像装置，包括：

照明模块，被配置为提供多种线型结构激发光，所述多种线型结构激发光中的每种线型结构激发光具有不同的照明模式；

扫描模块，被配置为在切换所述多种线型结构激发光的同时以沿单个第一方向逐行扫描的方式对目标区域照明，使得所述目标区域中的每一行被所述多种线型结构激发光中的相应一种线型结构激发光照明；以及

检测模块，被配置为检测所述目标区域中的每一行响应于被所述相应一种线型结构激发光照明而生成的响应光。

15.根据权利要求14所述的超分辨成像装置，其中，所述多种线型结构激发光包括第一线型结构激发光和第二线型结构激发光，所述第一线型结构激发光具有在与所述第一方向垂直的第二方向上连续延伸的光斑，所述第二线型结构激发光具有在所述第二方向上基本上周期性间隔排列的多个光斑。

16.根据权利要求14或15所述的超分辨成像装置，其中，所述多种线型结构激发光包括多种第二线型结构激发光，所述第二线型结构激发光具有在与所述第一方向垂直的第二方向上基本上周期性间隔排列的多个光斑，所述多种第二线型结构激发光中的每种第二线型结构激发光相比于所述多种第二线型结构激发光中的其它第二线型结构激发光具有光斑形状与间隔周期的不同组合。

17.根据权利要求15所述的超分辨成像装置，其中，所述扫描模块还被配置为在逐行扫描期间，每次使用第二线型结构激发光照明时相比于上一次使用所述第二线型结构激发光照明时使所述第二线型结构激发光在所述第二方向上经历预设相位移动，所述预设相位移动的距离是所述第二线型结构激发光的光斑的间隔周期的非整数倍。

18.根据权利要求14所述的超分辨成像装置，其中，所述多种线型结构激发光包括第三线型结构激发光和第四线型结构激发光，所述第三线型结构激发光的照明模式被配置用于提高第三方向上的成像性能，所述第四线型结构激发光的照明模式被配置用于提高不同于所述第三方向的第四方向上的成像性能。

19.根据权利要求18所述的超分辨成像装置，其中，所述第三方向与所述第一方向平行，以及所述第四方向与所述第三方向垂直。

20.根据权利要求19所述的超分辨成像装置，其中，所述第四线型结构激发光的照明模式被配置用于提高所述第四方向和第五方向二者上的成像性能，所述第五方向与所述第三方向和所述第四方向二者垂直。

21.根据权利要求19所述的超分辨成像装置，其中，所述多种线型结构激发光还包括第五线型结构激发光，所述第五线型结构激发光的照明模式被配置用于提高第五方向上的成像性能，所述第五方向与所述第三方向和所述第四方向二者垂直。

22.根据权利要求14所述的超分辨成像装置，其中，所述扫描模块还被配置为用所述多种线型结构激发光中的不同线型结构激发光照明所述目标区域中的相邻两行。

23.根据权利要求14所述的超分辨成像装置，其中，所述扫描模块还被配置为按照预设次序切换所述多种线型结构激发光来照明所述目标区域中的相应行。

24.根据权利要求14所述的超分辨成像装置，其中，所述扫描模块还被配置为在逐行扫描期间使得相邻两次使用线型结构激发光在所述目标区域中照明的区域彼此部分地重叠。

25.根据权利要求14所述的超分辨成像装置，其中，所述目标区域包括沿所述第一方向布置的多个子目标区域，并且其中，

所述扫描模块被配置为并行地对所述多个子目标区域中的每个子目标区域执行如下操作：

在切换所述多种线型结构激发光的同时以沿单个所述第一方向逐行扫描的方式对该子目标区域照明，使得该子目标区域中的每一行被所述多种线型结构激发光中的相应一种线型结构激发光照明，所述检测模块被配置为并行地对所述多个子目标区域中的每个子目标区域执行如下操作：

检测该子目标区域中的每一行响应于被所述相应一种线型结构激发光照明而生成的响应光。

26.根据权利要求25所述的超分辨成像装置，其中，所述多个子目标区域中的第一子目标区域中的第一行与所述多个子目标区域中的第二子目标区域中的第二行被同时照明，并且其中：

所述扫描模块被配置为用所述多种线型结构激发光中的相同线型结构激发光照明所述第一行和所述第二行；或者

所述扫描模块被配置为用所述多种线型结构激发光中的不同线型结构激发光照明所述第一行和所述第二行。

27.根据权利要求14所述的超分辨成像装置，其中，所述照明模块包括：

光源，被配置为提供激发光；

分光单元，被配置为将来自所述光源的激发光分成多束激发光；

多个线型结构激发光生成单元，每个线型结构激发光生成单元被配置为接收来自所述分光单元的相应一束激发光并基于所接收的相应一束激发光生成相应一种线型结构激发光；

合光单元，被配置为将来自所述多个线型结构激发光生成单元的多种线型结构激发光合成一束；以及

多个光开关单元，每个光开关单元设置在所述分光单元与相应一个线型结构激发光生成单元之间且被配置为控制来自所述分光单元的激发光是否输出到所述相应一个线型结构激发光生成单元，或者每个光开关单元设置在相应一个线型结构激发光生成单元与所述合光单元之间且被配置为控制来自所述相应一个线型结构激发光生成单元的线型结构激发光是否输出到所述合光单元，

其中，由所述多个线型结构激发光生成单元中的不同线型结构激发光生成单元生成的线型结构激发光具有不同的照明模式。

28.根据权利要求14所述的超分辨成像装置，其中，所述照明模块包括：

光源，被配置为提供激发光；

单个调制单元，被配置为将来自所述光源的激发光调制成具有不同照明模式的线型结构激发光。

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