CN209265063U - 一种基于双光子激发的非线性结构光成像装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于双光子激发的非线性结构光成像装置，其包括飞秒激光器，其的出射方向上设有第一反射镜，第一反射镜的出射方向上设有第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜的一个出射方向上沿光束前进方向依次设有第一相位光栅和第二反射镜，第一偏振分光棱镜的另一个出射方向上设有第三反射镜，第三反射镜的出射方向上沿光束前进方向依次设有第二相位光栅和第二偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜的两个入射方向分别为第二相位光栅的出射方向和第二反射镜的出射方向，第二偏振分光棱镜的出射方向上沿光束前进方向依次设有样品台和相机；第一相位光栅和第二相位光栅的相位相互垂直。本实用新型能够将分辨率提高两倍以上，并加深成像深度。
Description
技术领域
本实用新型涉及结构光照明技术领域，特别是涉及一种基于双光子激发的非线性结构光成像装置。
背景技术
众所周知，光学显微镜是生物学家们深入了解细胞和组织内部微小结构必不可少的工具，但光学衍射极限的存在限制了传统光学显微镜在单分子层次研究中的应用。三位科学家埃里克·白兹格(Eric Betzig)、斯特凡·W·赫尔(Stefan W.Hell)和威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔(William E.Moerner)因其在光学超分辨领域取得的伟大成绩而获得了2014年的诺贝尔化学奖，实现了真正意义上突破衍射极限。超分辨显微成像技术主要包括：受激发射损耗显微镜(Stimulated Emission Depletion Microscopy,STED)，结构照明光学显微镜(Structured Illumination Microscopy，SIM)，基于单分子定位方法的光敏定位显微镜(Photo Activated Localization Microscopy，PALM)和随机光学重建显微镜(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy，STORM)。采用这些技术，分辨率可以达到纳米尺度，从而可以直接在单分子水平上对生物细胞内部进行细微的观察研究。
不同于荧光探针的单光子激发，双光子激发是由处于基态的荧光探针同时吸收两个光子，跃迁至激发态，通过辐射出一个荧光光子回到基态。使用长波红外光或近红外光来保持光聚焦于深部组织，其背景干扰小，有更深的穿透深度，同时可降低焦点外的光漂白与光毒性，常用于厚的组织成像，但双光子激发共聚焦显微镜的空间分辨率受到衍射极限的限制成为其应用的一个障碍。
线性SIM作为一种无损耗、无光开关的宽场照明成像方法，与需要巨大能量的激发光STED和PALM/STORM类型的超高分辨率成像技术相比，是实时观察活细胞最有效的工具之一，虽然线性SIM与传统的光学显微镜相比在空间分辨率上只提高了两倍。由于衍射极限的存在，光学传递函数滤除了代表细节的高频信息，只允许低频信息通过系统，从而限制了分辨率。而结构光照明显微镜技术利用摩尔条纹使得高频信息可见，通过计算机利用特定的算法将高频信息移动到原位实现图像重建，从而使得重构图像的分辨率超越衍射极限的限制。但线性SIM成像的信噪比受相机暗电流噪声以及人为噪声的影响较大，且成像深度有限，限制了其在厚组织成像领域的应用。
实用新型内容
本实用新型主要解决的技术问题是提供一种基于双光子激发的非线性结构光成像装置，能够将分辨率提高两倍以上，并加深成像深度。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种基于双光子激发的非线性结构光成像装置，包括飞秒激光器，所述飞秒激光器的出射方向上设有第一反射镜，所述第一反射镜的出射方向上设有第一偏振分光棱镜，所述第一偏振分光棱镜的一个出射方向上沿光束前进方向依次设有第一相位光栅和第二反射镜，所述第一偏振分光棱镜的另一个出射方向上设有第三反射镜，所述第三反射镜的出射方向上沿光束前进方向依次设有第二相位光栅和第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜的两个入射方向分别为第二相位光栅的出射方向和第二反射镜的出射方向，所述第二偏振分光棱镜的出射方向上沿光束前进方向依次设有样品台和相机；其中，所述第一相位光栅和第二相位光栅的相位相互垂直。
优选的，所述飞秒激光器与第一反射镜之间的光路上还设有第一透镜。
优选的，所述第一偏振分光棱镜与第一相位光栅之间的光路上还设有第二透镜。
优选的，所述第一相位光栅与第二反射镜之间的光路上还设有第三透镜。
优选的，所述第三反射镜与第二相位光栅之间的光路上还设有第四透镜。
优选的，所述第二相位光栅与第二偏振分光棱镜之间的光路上还设有第五透镜。
优选的，所述样品台与相机之间的光路上还设有第六透镜。
优选的，所述第三透镜和第五透镜为正透镜。
本实用新型的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型通过将SIM与双光子激发相结合，产生具有双光子特性的网格状激发光，可以得到比线性SIM穿透力更强的结构光，从而能够将分辨率提高两倍以上，并加深成像深度，实现厚样本成像，大大提高成像质量以及抗噪能力。
附图说明
图1是本实用新型实施例基于双光子激发的非线性结构光成像装置的结构示意图。
图2是成像过程示意图。
具体实施例
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
参阅图1，是本实用新型实施例基于双光子激发的非线性结构光成像装置的结构示意图。本实施例的非线性结构光成像装置包括飞秒激光器1，飞秒激光器1的出射方向上设有第一反射镜3，第一反射镜3的出射方向上设有第一偏振分光棱镜4，第一偏振分光棱镜4的一个出射方向上沿光束前进方向依次设有第一相位光栅6和第二反射镜8，第一偏振分光棱镜4的另一个出射方向上设有第三反射镜9，第三反射镜9的出射方向上沿光束前进方向依次设有第二相位光栅11和第二偏振分光棱镜13，第二偏振分光棱镜13的两个入射方向分别为第二相位光栅11的出射方向和第二反射镜8的出射方向，第二偏振分光棱镜13的出射方向上沿光束前进方向依次设有样品台14和相机16。其中，第一相位光栅6和第二相位光栅11的相位相互垂直。图1中虚线代表光束前进方向。
为了提高成像效果，在本实施例中，飞秒激光器1与第一反射镜3之间的光路上还设有第一透镜2，第一偏振分光棱镜4与第一相位光栅6之间的光路上还设有第二透镜5，第一相位光栅6与第二反射镜8之间的光路上还设有第三透镜7，第三反射镜9与第二相位光栅11之间的光路上还设有第四透镜10，第二相位光栅11与第二偏振分光棱镜13之间的光路上还设有第五透镜12，样品台14与相机16之间的光路上还设有第六透镜15。第三透镜7和第五透镜12优选为正透镜。
本实施例的非线性结构光成像装置在工作时，飞秒激光器1输出的激光依次经过第一透镜2、第一反射镜3和第一偏振分光棱镜4后形成两束线偏振光束。其中一束线偏振光束由第一相位光栅6在x方向上分为两束后再经过第三透镜7后，垂直方向和水平方向上的光束都变得相互平行，另一束线偏振光束由第二相位光栅11在y方向上分为两束后再经过第五透镜12后，垂直方向和水平方向上的光束都变得相互平行，从而形成二维干涉条纹。四束光再分别由第二偏振分光棱镜13重新组合后传播到位于样品台14上的样品，从而相机16能够采集到荧光图像。
通过对荧光图像进行图像处理，即可得到高分辨图像。图像处理过程举例如下：
1)：对荧光图像进行处理得到有效光强照明分布图。
用于生成有效照明光强分布图的函数为：
x，y分别表示水平和竖直两个方向的坐标，kx,ky分别表示x,y方向上的频率，分别表示x,y方向上的相位。
2)：将网格状的有效光强照明分布图沿着x、y两个方向进行5*5次相移后得到5*5幅有效照明图像；
3)：将5*5有效照明图像分别与艾里斑进行卷积后得到5*5幅原始图像；
4)：利用得到的原始图像以及对应的x、y两个方向的相位，在频域上联立方程求解得到5*5幅频域分量图；
5)：对频域分量图中的5*5个频域分量进行组合，重组得到高分辨图像所需的完整的傅里叶频域分量；
6)：将傅里叶频域分量进行傅里叶反变换后得到时域图像，时域图像即为重建的高分辨率图像。
该图像处理的成像过程如图2所示，图2(a)为模拟的物体图像，图像包含了三个圆环，从内到外圆环的间距分别为250nm和150nm，圆环中间的四对竖条纹的间距从左到右分别为250nm、150nm、130nm和120nm。图2(b)表示的是空间频率的有效照明光强分布的示意图。图2(c)为不同相移的有效照明光示意图。图2(d)为5*5幅原始图像。图2(e)为傅里叶空间上的原始图像。图2(f)为5*5幅图像重组所需的傅里叶频域分量图的对数形式。图2(g)为重组得到的傅里叶频域分量图的对数形式。图2(h)为重组得到的高分辨图像。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于双光子激发的非线性结构光成像装置，其特征在于，包括飞秒激光器，所述飞秒激光器的出射方向上设有第一反射镜，所述第一反射镜的出射方向上设有第一偏振分光棱镜，所述第一偏振分光棱镜的一个出射方向上沿光束前进方向依次设有第一相位光栅和第二反射镜，所述第一偏振分光棱镜的另一个出射方向上设有第三反射镜，所述第三反射镜的出射方向上沿光束前进方向依次设有第二相位光栅和第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜的两个入射方向分别为第二相位光栅的出射方向和第二反射镜的出射方向，所述第二偏振分光棱镜的出射方向上沿光束前进方向依次设有样品台和相机；
其中，所述第一相位光栅和第二相位光栅的相位相互垂直。
2.根据权利要求1所述的非线性结构光成像装置，其特征在于，所述飞秒激光器与第一反射镜之间的光路上还设有第一透镜。
3.根据权利要求2所述的非线性结构光成像装置，其特征在于，所述第一偏振分光棱镜与第一相位光栅之间的光路上还设有第二透镜。
4.根据权利要求3所述的非线性结构光成像装置，其特征在于，所述第一相位光栅与第二反射镜之间的光路上还设有第三透镜。
5.根据权利要求4所述的非线性结构光成像装置，其特征在于，所述第三反射镜与第二相位光栅之间的光路上还设有第四透镜。
6.根据权利要求5所述的非线性结构光成像装置，其特征在于，所述第二相位光栅与第二偏振分光棱镜之间的光路上还设有第五透镜。
7.根据权利要求6所述的非线性结构光成像装置，其特征在于，所述样品台与相机之间的光路上还设有第六透镜。
8.根据权利要求7所述的非线性结构光成像装置，其特征在于，所述第三透镜和第五透镜为正透镜。
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