CN116990950B - 基于光场调控的快速三维光片荧光显微成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光场调控的快速三维光片荧光显微成像装置及方法，涉及光学仪器技术领域。成像装置包括：沿着光路依次设置的激光光源模块、照明光场调控模块、振镜扫描光片生成模块、照明和探测正交双物镜模块、样品池模块、探测光场调控模块、宽场成像模块；还包括控制和数据采集模块。本发明通过调控探测成像系统的点扩散函数，可以扩展成像景深，实现在大的轴向区域都能清晰成像，避免机械移动探测物镜或样品的延迟，仅需快速轴向移动光片并用相机同步拍摄即可实现三维显微成像，可大幅提高光片荧光显微的三维成像速度，为生物医学提供一种快速三维成像工具。

Description

基于光场调控的快速三维光片荧光显微成像装置及方法

技术领域

本发明属于光学仪器技术领域，具体涉及一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微成像装置及方法。

背景技术

光学显微是人类最早发明的显微成像技术，具有非侵入、对观测物体损伤低、丰富的成像机制、实时动态观察和较低的经济成本等优点，已被广泛地应用于生物医学、工业、农业、科研等领域。相比于传统的二维光学显微技术，三维光学显微成像技术可对生物结构形态进行三维成像与分析，能更加直观、准确地了解观测目标的三维形貌及结构，为科学研究提供最直接的证据。

光片荧光显微使用一层薄光片从侧面照明样品激发荧光，然后通过与光片垂直放置的探测物镜收集荧光，通过轴向移动样品，或同步轴向移动光片/物镜可以拍摄得到样品一系列不同轴向位置的二维荧光图像，从而实现三维显微成像。由于光片荧光显微只对样品成像区域进行选择性照明，不但避免了离焦背景的产生，天然具有三维层析能力，还将光损伤控制在极低水平，合适长时间对活体样品进行三维显微成像。

虽然光片荧光显微相对于其它三维光学显微技术具有速度较快的优势，但在观测亚秒至毫秒级快速三维动态过程时，其快速成像能力特别是三维成像速度仍然不足，无法实现实时三维成像。光片荧光显微系统的三维成像速度取决于对单个焦面的二维成像速度和垂直于焦面的轴向移动速度。其中二维成像速度指对单个像面连续成像时的速度，主要由相机的参数决定，高灵敏商用数字相机能达到100帧每秒的全画幅速度，通过降低曝光时间或进行像素合并等方法可以进一步提高成像速度。三维成像速度主要受制于轴向移动速度，即拍摄三维样品沿轴向不同深度处二维图像从而获得数据体帧的速度，光片和样品相对移动速度、相机成像速度、硬件同步、数据传输和后期图像处理等很多因素都会影响三维成像速度，目前主要受光片和样品相对移动速度制约。早期的光片荧光显微系统中成像物镜和光片同时保持静止，由于成像系统景深有限，样品只能在焦面附近清晰成像，因此需要沿着轴向机械移动样品并用相机同步拍摄二维图像序列实现三维成像。成像速度受限于电动位移台移动速度，而且相机曝光时间内，样品需处于静止状态，获取单个视场一个完整的三维数据体帧需要花费数秒到数分钟时间，此外机械移动引起的振动还会影响成像质量。用移动速度较快的压电位移台沿轴向移动成像物镜和光片，而保持样品静止实现三维成像，可将成像速度提高一倍，但还无法实时三维显微成像。

传统的光片荧光显微装置成像景深小，在成像过程中需要机械移动样品或成像探测物镜实现三维成像，受限于位移平台的机械移动速度，成像速度限制在几十帧每秒，获取一体帧的数据需要花费数秒到分钟量级的时间，无法实现实时三维显微成像。

因此，提出一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微成像装置及方法，来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微成像装置及方法，解决了当前显微成像装置受限于电动/压电位移台性能，三维成像速度很难再大幅提升的问题，本发明利用探测光场调控技术调控成像系统的点扩散函数(例如，艾里点扩散函数、球差型点扩散函数等)扩展成像系统景深在很大轴向范围能清晰成像，然后通过轴向扫描光片并用相机同步拍摄样品一系列不同轴向位置处的二维荧光图像实现三维成像，可有效避免成像探测物镜或样品的机械移动，是提高三维成像速度的一种策略。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置，包括沿着光路先后顺序依次设置的以下模块：

激光光源模块、照明光场调控模块、振镜扫描光片生成模块、照明和探测正交双物镜模块、样品池模块、探测光场调控模块、宽场成像模块；

还包括控制和数据采集模块，数据控制和数据采集模块与照明光场调控模块、振镜扫描光片生成模块和探测光场调控模块单向连接，与宽场成像模块双向连接。

上述的装置，可选的，激光光源模块，包括单色或多色激光光源、扩束准直透镜和线性偏振片，用于产生照明样品的激光并保证光束模式和偏振态；

照明光场调控模块，包括液晶空间光调制器和第一反射棱镜，用于调控激光束的空间相位分布，生成新型无衍射部分贝塞尔光束；

振镜扫描光片生成模块，用于快速一维扫描新型无衍射部分贝塞尔光束生成光片和轴向扫描移动光片；

照明和探测正交双物镜模块，由长工作距离照明物镜成像探测物镜组成；

样品池模块，用于安放微管或标准显微切片样品，且成像探测物镜位于样品池内，照明物镜位于样品池外；

探测光场调控模块，用于调控系统点扩散函数从而扩展成像景深，避免机械移动延迟而实现快速三维成像；

宽场探测模块，由成像镜头和SCMOS相机组成，用于对荧光图像进行成像；

控制和数据采集模块，包括一台计算机和数字控制板卡，用于产生新型光束的计算相位全息图并通过液晶空间光调制器加载，以及控制SCMOS相机同步采集荧光显微图像。

上述的装置，可选的，振镜扫描光片生成模块包括沿着光路依次设置的第一透镜、第一反射镜和第二反射镜、第二透镜、二维扫描振镜、第三透镜和第四透镜组成激光扩束器和道威棱镜，用于快速一维扫描光束生成光片并轴向扫描移动光片。

上述的装置，可选的，探测光场调控模块包括依次设置的荧光滤光片、第三反射镜、第五透镜和第六透镜组成荧光缩束器、第四反射镜、第二反射棱镜、变形镜、反射镜，第七透镜和第八透镜组成荧光扩束器。

一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置的成像方法，应用于上述任一项所述的一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置，包括以下步骤：

S1、生成部分贝塞尔光束；

S2、形成光片照明光场；

S3、探测光场调控模块调控探测点扩散函数扩展成像景深；

S4、拍摄样品的二维荧光图像序列；

S5、图像去卷积及三维可视化重构。

上述的方法，可选的，S1具体包括以下步骤：

S101激光光源扩束准直照射到照明光场调控模块；

S102通过加载计算相位全息图到照明光场调控模块，调控激光束的空间相位分布，从而生成部分贝塞尔光束。

上述的方法，可选的，S2具体包括以下步骤：

S201启动二维扫描振镜扫描程序；

S202振镜沿着y轴快速扫描部分贝塞尔光束生成光片照明光场，并经过长工作距离照明物镜从侧面照明放置在样品池中的样品。

上述的方法，可选的，S3具体包括以下步骤：

S301在探测光场调控模块中的变形镜上加载产生三次曲面面形；

S302将成像探测系统的点扩散函数从传统高斯型调控成艾里点扩散函数，从而扩展成像探测系统的成像景深。

上述的方法，可选的，S4具体包括以下步骤：

S401保持二维扫描振镜沿着y轴快速扫描生成光片场，与此同时二维扫描振镜沿着z轴移动光片扫描显微样品；

S402用SCMOS相机同步拍摄显微样品不同轴向位置处的二维荧光图像序列。

上述的方法，可选的，S5具体包括以下步骤：

S501对二维荧光图像序列进行去卷积操作；

S502然后利用软件对二维荧光图像序列进行三维可视化重构，从而实现基于光场调控的无机械移动的快速三维显微成像。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置及方法，具有以下有益效果：

1、本发明通过扩展成像景深，无需机械移动物镜或样品，仅需快速轴向移动光片并用相机同步拍摄实现三维成像，可将成像速度从数秒到数分钟一体帧提高到每秒数十体帧，满足实时三维显微成像需求。

2、本发明在三维成像过程中，样品池中的成像探测物镜和显微样品都无需机械移动，从而避免了机械移动导致样品池中水的流动对显微成像的不利影响。照明物镜位于样品池外，照明光片通过样品池中玻璃窗口进入，样品池中仅有成像探测物镜，充足的空间可以兼用微管样品和标准显微切片样品成像，可以降低样本制备难度，扩展显微成像应用场景和范围。

3、本发明中探测光场调控模块中的连续面形变形镜调控成像探测点扩散函数扩展成像景深，具有偏振不敏感、无色散和荧光利用率高的优点。照明光场调控模块中的核心器件为液晶空间光调制器，具有调控像素多的优点，可以灵活动态生成新型复杂无衍射光场。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置结构框图；

图2为本发明公开的一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置具体光路示意图；

图3为光片荧光显微中不同三维成像方式原理图，其中，3a为光片和成像物镜静止、样品轴向移动实现三维成像，3b为样品静止、光片和物镜同步轴向移动实现三维成像，3c为扩展成像景深、样品和成像物镜都保持静止仅轴向移动光片实现三维成像；

图4为部分贝塞尔光束生成及性能调控结果图，其中，4a和4b为用于生成部分贝塞尔光束的计算相位全息图(CGH)；4c和4d为部分贝塞尔光束横截面强度分布实验结果；4e和4f为部分贝塞尔光束三维强度分布yz平面最大值投影结果；

图5为探测光场调控探测系统点扩散函数扩展成像景深图，其中，5a为变形镜为平面面形；5b为变形镜加载三次曲面面形；5c为传统的高斯型点扩散函数(GaussianPSF)，成像景深(DOF)有限；5d为调控生成的艾里点扩散函数(AiryPSF)，成像景深有效扩展；

图6为基于光场调控的快速三维光片荧光显微对荧光微球成像结果，6a为传统高斯点扩散函数，荧光微球xy平面最大值投影结果；6b为艾里点扩散函数扩展成像景深，荧光微球xy平面最大值投影结果；6c为对6b去卷积后的成像结果；6d-6f与6a-6c为对应的xz平面最大值投影结果；6g、6h、6i为6d、6e、6f中间视场局部放大结果；

图7基于光场调控的快速三维光片荧光显微对真菌微丝成像结果，7a为传统高斯点扩散函数，真菌微丝xy平面最大值投影结果；7b为艾里点扩散函数扩展成像景深，真菌微丝xy平面最大值投影结果；7c为对7b去卷积后的成像结果；7d-7f与7a-7c为对应的xz平面最大值投影结果；7h、7i、7j为7d、7e、7f中间视场局部放大结果；7g为沿着z轴强度曲线图；

图8为本发明公开的一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

在本申请中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

参照图1所示，本发明公开了一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置，包括沿着光路先后顺序依次设置的以下模块：

激光光源模块、照明光场调控模块、振镜扫描光片生成模块、照明和探测正交双物镜模块、样品池模块、探测光场调控模块、宽场成像模块；

还包括控制和数据采集模块，数据控制和数据采集模块与照明光场调控模块、振镜扫描光片生成模块和探测光场调控模块单向连接，与宽场成像模块双向连接。

进一步的，如图2所示，本实施例基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置详细光路包括沿光路依次设置的单色或多色激光光源1、扩束准直透镜2、线性偏振片3、第一反射棱镜4、液晶空间光调制器5、第一透镜6、第一反射镜7、第二反射镜8、第二透镜9(第一透镜6和第二透镜9组成激光缩束器)、二维扫描振镜10、第三透镜11和第四透镜12组成激光扩束器、道威棱镜13、长工作距离照明物镜14、成像物镜15、样品池16、荧光滤光片17、第三反射镜18、第五透镜19和第六透镜20组成荧光缩束器、第四反射镜21、第二反射棱镜22、变形镜23、第五反射镜24、第七透镜25、第八透镜26(第七透镜25、第八透镜26组成荧光扩束器)、成像镜头27、SCMOS相机28；控制和数据采集模块包含一台计算机和数字控制板卡。

具体的，此实施例通过控制和数据采集模块中的计算机主机统一调配硬件资源，与各个电控部件的连接和控制。液晶空间光调制器5通过HDMI线缆与计算机主机连接，变形镜23通过USB接口与计算机主机连接，数字控制板卡30经过USB接口与计算机主机连接，计算机主机控制数字控制板卡输出三路数字模拟电压信号控制二维扫描振镜10和SCMOS相机28，实现振镜沿y轴扫描生成光片场及沿着z轴移动光片场，同时给SCMOS相机28提供外触发方波同步信号，SCMOS相机28获取的图像数据由数据线经过PCI接口输出到计算机主机。

进一步的，激光光源模块，包括单色或多色激光光源1、扩束准直透镜2和线性偏振片3，用于产生照明样品的激光并保证光束模式和偏振态；

进一步的，照明光场调控模块，包括液晶空间光调制器5和第一反射棱镜4，用于调控激光束的空间相位分布，生成新型无衍射部分贝塞尔光束；

进一步的，振镜扫描光片生成模块，用于快速一维扫描新型无衍射部分贝塞尔光束生成光片和轴向扫描移动光片；

更进一步的，振镜扫描光片生成模块包括按照光路依次设置的激光缩束器、二维扫描振镜10、激光扩束器和道威棱镜13；

具体的，上述激光缩束器用于调控光束直径，使激光束直径与二维扫描振镜10尺寸匹配；上述激光扩束器用于扩大激光束与照明物镜14后瞳匹配，且保证扫描振镜10与照明物镜14后瞳满足光学共轭关系；上述道威棱镜13用于旋转光片，保证光片平面垂直于成像探测物镜光轴；还包括用于折转光束的反射镜；

进一步的，照明和探测正交双物镜模块，由长工作距离照明物镜14和成像探测物镜15组成；

具体的，包括长工作距离的照明显微物镜14和用于探测成像的浸水物镜；

进一步的，样品池模块，用于安放微管或标准显微切片样品，且成像探测物镜15位于样品池内，照明物镜14位于样品池外；

具体的，充足的空间可对位于微管中的样品或标准显微切片样品进行显微成像；

进一步的，探测光场调控模块，用于调控系统点扩散函数从而扩展成像景深，避免机械移动延迟而实现快速三维成像；

具体的，核心调控器件可选用变形镜23、液晶空间光调制器或数字微镜器件，以变形镜为最佳；探测光场调控模块用于调控系统点扩散函数从而扩展成像景深，包括按照光路先后顺序依次设置的荧光缩束器、第二反射棱镜22、变形镜23、荧光扩束器；上述荧光缩束器用于调控荧光束直径，使荧光束直径与变形镜尺寸匹配；上述变形镜为连续面形反射式变形镜；荧光扩束器用于扩大荧光束直径；还包括用于去除激光背景的荧光滤光片和用于光束折转的反射镜；

更进一步的，此实施例的三维成像实施方式如图3c所示，基于探测光场调控技术调控成像探测系统的点扩散函数，从而扩展系统成像景深，在很大轴向范围都能清晰成像，仅仅轴向移动光片并用SCMOS相机28同步拍摄二维图片序列实现三维成像。传统的光片荧光显微成像系统的成像景深有限，为了能够获得清晰的图像，在三维成像过程中需要轴向移动样品(如图3a所示)，或移动探测物镜并同步轴向移动光片(如图3b所示)，成像速度受到机械移动速度限制。图3c所示本实施例避免了慢的机械移动，可以大幅提高三维成像速度。

进一步的，宽场探测模块，由成像镜头27和SCMOS相机28组成，用于对荧光图像进行成像；

进一步的，控制和数据采集模块，包括一台计算机和数字控制板卡，用于产生新型光束的计算相位全息图并通过液晶空间光调制器加载，同时，控制SCMOS相机28同步采集荧光显微图像。

进一步的，振镜扫描光片生成模块包括沿着光路依次设置的第一透镜6、第一反射镜7和第二反射镜8、第二透镜9、二维扫描振镜10、第三透镜11和第四透镜12组成激光扩束器和道威棱镜13，用于快速一维扫描光束生成光片并轴向扫描移动光片。

探测光场调控模块包括依次设置的荧光滤光片17、第三反射镜18、第五透镜19和第六透镜20组成荧光缩束器、第四反射镜21、第二反射棱镜22、变形镜23、反射镜24，第七透镜25和第八透镜26组成荧光扩束器。

与图1所示的装置对应，本发明实例还提供了一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置的成像方法，用于对图1中一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置的成像装置的具体工作过程进行解释，具体步骤参见图8，包括以下步骤：

S1、生成部分贝塞尔光束；

S2、形成光片照明光场；

S3、探测光场调控模块调控探测点扩散函数扩展成像景深；

S4、拍摄样品的二维荧光图像序列；

S5、图像去卷积及三维可视化重构。

进一步的，S1具体包括以下步骤以下步骤：

S101激光光源扩束准直照射到照明光场调控模块；

S102通过加载计算相位全息图到照明光场调控模块，调控激光束的空间相位分布，从而生成部分贝塞尔光束。

具体的，本发明通过给液晶空间光调制器5加载对应的如图4a和4b所示的计算相位全息图(CGH)生成新型无衍射部分贝塞尔光束。图4c和4d展示了部分贝塞尔光束横平面强度分布，与经典贝塞尔光束相比它的旁瓣更少，用于光片荧光显微成像，能获得更好的轴向分辨率和光学层析效果。图4e和4f部分贝塞尔光束三维强度分布yz平面最大值投影结果，部分贝塞尔光束的传播长度可以灵活调控。

进一步的，S2具体包括以下步骤：

S201启动二维扫描振镜10扫描程序；

S202振镜沿着y轴快速扫描部分贝塞尔光束生成光片照明光场，并经过照明物镜从侧面照明放置在样品池中的样品。

进一步的，S3具体包括以下步骤：

S301在探测光场调控模块中的变形镜23上加载产生三次曲面面形；

S302将成像探测系统的点扩散函数从传统高斯型调控成艾里点扩散函数，从而扩展成像探测系统的成像景深。

具体的，5a为变形镜为平面面形，本发明通过变形镜23加载如图5b所示的三次相位曲面，探测成像系统为艾里点扩散函数，从而扩展显微系统的成像景深(如图5d所示)。传统的光片荧光显微装置的成像探测点扩散函数为高斯型，其成像景深(DOF)有限如图5c所示，因此要进行三维显微成像，需要机械移动样品或成像探测物镜，从而制约了三维成像速度。本发明中扩展成像景深的点扩散函数不局限于艾里点扩散函数，包含其它能扩展成像景深的点扩散函数。

进一步的，S4具体包括以下步骤：

S401保持二维扫描振镜沿着y轴快速扫描生成光片场，与此同时二维扫描振镜沿着z轴移动光片扫描显微样品；

具体的，图6是利用本实施例对荧光微球进行光片荧光显微成像得到的结果。其中，探测成像系统分别为传统高斯点扩散函数(图6a)和艾里点扩散函数(图6b)，对荧光微球进行三维显微成像后在xy平面最大值投影结果，图6c是图6b去卷积的结果。图6d-6f与图6a-6c对应的xz平面最大值投影结果。子图6g-6i为图6d-6f中间视场局部放大结果。

S402用SCMOS相机28同步拍摄显微样品不同轴向位置处的二维荧光图像序列。

进一步的，具体包括以下步骤：

S501对二维荧光图像序列进行去卷积操作；

S502然后利用软件对二维荧光图像序列进行三维可视化重构，从而实现基于光场调控的无机械移动的快速三维显微成像。

图7是利用本实施例对真菌微丝进行光片荧光显微成像得到的结果。其中，探测成像系统分别为传统高斯点扩散函数图7a和艾里点扩散函数图7b，对荧光微球进行三维显微成像后在xy平面最大值投影结果，图7c是图7b去卷积的结果，图7d-7f与图7a-7c对应的xz平面最大值投影结果，子图7a-7c为图7d-7f中间视场局部放大结果，图7g为沿着z轴曲线分布。

以上两组实验结果表明：当成像探测光路的点扩散函数为传统高斯型时，能够清晰成像的范围有限(图6d和图7d所示)，利用探测光场调控技术调控成像探测点扩散函数可以将成像景深扩大到3倍(图6b和图6c所示)，在很大的范围内都能进行清晰成像，去卷积可以进一步提升图像质量(图6f和图7f所示)。因此在三维成像过程中，避免了机械移动样品或成像探测物镜，只需轴向移动光片并与相机同步拍摄即可实现三维成像，可以显著提高三维成像速度。传统的光片荧光显微三维成像需要机械移动样品，三维成像速度约为1vps(10fps@2048×2048pixels)，本发明只受到相机成像速度限制，其三维成像速度可达22vps(220fps@2048×2048pixels)。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置，其特征在于，包括沿着光路先后顺序依次设置的以下模块：

激光光源模块、照明光场调控模块、振镜扫描光片生成模块、照明和探测正交双物镜模块、样品池模块、探测光场调控模块、宽场成像模块；

还包括控制和数据采集模块，数据控制和数据采集模块与照明光场调控模块、振镜扫描光片生成模块和探测光场调控模块单向连接，与宽场成像模块双向连接；

其中，激光光源模块，包括单色或多色激光光源(1)、扩束准直透镜(2)和线性偏振片(3)，用于产生照明样品的激光并保证光束模式和偏振态；

照明光场调控模块，包括液晶空间光调制器(5)和第一反射棱镜(4)，用于调控激光束的空间相位分布，生成新型无衍射部分贝塞尔光束；

振镜扫描光片生成模块，用于快速一维扫描新型无衍射部分贝塞尔光束生成光片和轴向扫描移动光片；

照明和探测正交双物镜模块，由长工作距离照明物镜(14)和成像探测物镜(15)组成；

样品池模块，用于安放微管或标准显微切片样品，且成像探测物镜(15)位于样品池内，照明物镜(14)位于样品池外；

探测光场调控模块包括依次设置的荧光滤光片(17)、第三反射镜(18)、第五透镜(19)和第六透镜(20)组成荧光缩束器、第四反射镜(21)、第二反射棱镜(22)、变形镜(23)、反射镜(24)，第七透镜(25)和第八透镜(26)组成荧光扩束器；用于调控系统点扩散函数从而扩展成像景深，避免机械移动延迟而实现快速三维成像；

宽场探测模块，由成像镜头(27)和SCMOS相机(28)组成，用于对荧光图像进行成像；

控制和数据采集模块，包括一台计算机和数字控制板卡，用于产生新型光束的计算相位全息图并通过液晶空间光调制器加载，以及控制SCMOS相机(28)同步采集荧光显微图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置，其特征在于，

振镜扫描光片生成模块包括沿着光路依次设置的第一透镜(6)、第一反射镜(7)和第二反射镜(8)、第二透镜(9)、二维扫描振镜(10)、第三透镜(11)和第四透镜(12)组成激光扩束器和道威棱镜(13)，用于快速一维扫描光束生成光片并轴向扫描移动光片。

3.一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置的成像方法，其特征在于，应用于权利要求1-2任一项所述的一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置，包括以下步骤：

S1、生成部分贝塞尔光束；

S2、形成光片照明光场；

S3、探测光场调控模块调控探测点扩散函数扩展成像景深；

S4、拍摄样品的二维荧光图像序列；

S5、图像去卷积及三维可视化重构。

4.根据权利要求3所述的一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置的成像方法，其特征在于，

S1具体包括以下步骤：

S101激光光源扩束准直照射到照明光场调控模块；

S102通过加载计算相位全息图到照明光场调控模块，调控激光束的空间相位分布，从而生成部分贝塞尔光束。

5.根据权利要求3所述的一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置的成像方法，其特征在于，

S2具体包括以下步骤：

S201启动二维扫描振镜(10)扫描程序；

S202振镜沿着y轴快速扫描部分贝塞尔光束生成光片照明光场，并经过长工作距离照明物镜(14)从侧面照明放置在样品池中的样品。

6.根据权利要求3所述的一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置的成像方法，其特征在于，

S3具体包括以下步骤：

S301在探测光场调控模块中的变形镜(23)上加载产生三次曲面面形；

S302将成像探测系统的点扩散函数从传统高斯型调控成艾里点扩散函数，从而扩展成像探测系统的成像景深。

7.根据权利要求3所述的一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置的成像方法，其特征在于，

S4具体包括以下步骤：

S401保持二维扫描振镜(10)沿着y轴快速扫描生成光片场，与此同时二维扫描振镜(10)沿着z轴移动光片扫描显微样品；

S402用SCMOS相机(28)同步拍摄显微样品不同轴向位置处的二维荧光图像序列。

8.根据权利要求3所述的一种基于光场调控的快速三维光片荧光显微装置的成像方法，其特征在于，

S5具体包括以下步骤：

S501对二维荧光图像序列进行去卷积操作；

S502然后利用软件对二维荧光图像序列进行三维可视化重构，从而实现基于光场调控的无机械移动的快速三维显微成像。