一種超分辨陣列掃描結(jié)構(gòu)光照明成像裝置及其成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種成像裝置及其成像方法，具體設(shè)一種超分辨陣列掃描結(jié)構(gòu)光照明 成像裝置及其成像方法，屬于光學(xué)緊密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)顯微術(shù)是一種歷史悠久且十分重要的無破壞性技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于生物和材 料科學(xué)等領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)（St;ruc1:ured Illumination Microscopy ,SIM)由美國科學(xué) 家Gustafsson于2000年提出，其原理類似于莫爾條紋原理，通過調(diào)制寬場(chǎng)顯微鏡的照明函 數(shù)，使得整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的光強(qiáng)傳遞函數(shù)(0TF)得到平移與疊加，從而使得系統(tǒng)頻域帶寬增 加，截止頻率提高。通常采用一個(gè)正弦光柵改變寬場(chǎng)顯微鏡的照明強(qiáng)度分布，照明光場(chǎng)在光 柵方向上被調(diào)制，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)光柵實(shí)現(xiàn)整個(gè)橫向的調(diào)制。相比于光瞳濾波技術(shù)，結(jié)構(gòu)光技術(shù)注 重考慮光學(xué)系統(tǒng)頻域的變化與影響，只要滿足光柵周期等于寬場(chǎng)顯微鏡空間截止頻率，結(jié) 構(gòu)光照明技術(shù)即可使系統(tǒng)0TF帶寬變?yōu)樵瓉淼?倍，即分辨率提高為原來的2倍。
[0003] 通常寬場(chǎng)結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡只能測(cè)量比較薄的生物樣品，當(dāng)測(cè)量較厚的樣品時(shí)， 隨入射距離的增加，平行光入射的衍射光受散射效應(yīng)影響明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的顯微成像技術(shù)只能測(cè)量較薄的生物樣品， 當(dāng)測(cè)量較厚的樣品時(shí)，隨入射距離的增加，平行光入射的衍射光受散射效應(yīng)影響明顯，測(cè)量 效率低的問題。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種超分辨陣列掃描結(jié)構(gòu)光照明成像裝置，包括LED光源， 沿Lm)光源光線傳播方向依次放置光強(qiáng)調(diào)制器、準(zhǔn)直擴(kuò)束器、掃描系統(tǒng)、微透鏡陣列、準(zhǔn)直透 鏡、分光棱鏡、1/4波片、照明物鏡，樣品、收集透鏡、CCD光強(qiáng)探測(cè)器W及數(shù)據(jù)采集卡;所述光 強(qiáng)調(diào)制器是聲光調(diào)制器，光束經(jīng)過調(diào)制后光強(qiáng)與時(shí)間成正弦關(guān)系，經(jīng)過掃描系統(tǒng)，在樣品表 面可W得到空間上光強(qiáng)按正弦分布的照明光場(chǎng);所述數(shù)據(jù)采集卡可W同步控制光強(qiáng)調(diào)制與 掃描。
[0006] 采用CCD探測(cè)，成像過程需要逐點(diǎn)掃描，那么整個(gè)圖像采集過程效率大大降低。因 此，在光路中加入微透鏡陣列，同時(shí)對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行掃描可W極大提高測(cè)量效率。
[0007] 所述的Lm)光源為非相干光源，對(duì)樣品的照明為非相干照明，整個(gè)成像過程均為非 相干成像。
[000引所述掃描系統(tǒng)包括掃描振鏡，掃描振鏡改變光束偏轉(zhuǎn)角。
[0009] 基于所述一種超分辨陣列掃描結(jié)構(gòu)光照明成像裝置的成像方法，包括W下步驟：
[0010] 步驟一、通過A0M聲光調(diào)制器對(duì)照明光束的光強(qiáng)在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行調(diào)制成正弦函數(shù)，調(diào) 制探測(cè)面探測(cè)靈敏度系數(shù)，得到等效掃描照明光場(chǎng)；
[0011] 步驟二、對(duì)照明光透過樣品并經(jīng)過物鏡再次成像得到探測(cè)面上的光強(qiáng)分布，對(duì)所 述探測(cè)面上的光強(qiáng)分布在掃描時(shí)間上進(jìn)行積分，得到樣品表面照明光的強(qiáng)度分布；
[0012] 步驟Ξ、對(duì)樣品表面照明光光強(qiáng)分布進(jìn)行超分辨圖像重構(gòu)處理，得到清晰圖像。
[0013] 所述步驟一具體包括：
[0014] 通過對(duì)探測(cè)面靈敏度系數(shù)進(jìn)行調(diào)試，得到照明光場(chǎng)的不同掃描位置的光強(qiáng)最大 值，進(jìn)而得到掃描后的照明光場(chǎng)光強(qiáng)分布；
[0015] 對(duì)掃描后的照明光場(chǎng)光強(qiáng)分布進(jìn)行時(shí)間積分得到等效照明光場(chǎng)。
[0016] 所述步驟二包括：
[0017] 得到照明光透過樣品后光強(qiáng)分布，進(jìn)而得到經(jīng)過物鏡再次成像到探測(cè)面上的光強(qiáng) 分布；
[0018] 對(duì)探測(cè)面上的光強(qiáng)分布在掃描時(shí)間上進(jìn)行積分，得到積分圖像的光強(qiáng)分布；
[0019] 對(duì)積分圖像的光強(qiáng)分布進(jìn)行傅里葉變換得到積分圖像的圖像頻譜。
[0020] 步驟Ξ所述超分辨圖像重構(gòu)處理包括對(duì)樣品表面照明光的光強(qiáng)分布引入不同的 調(diào)制相位并進(jìn)行解調(diào)。
[0021] 所述對(duì)樣品表面照明光的光強(qiáng)分布引入不同的調(diào)制相位并進(jìn)行解調(diào)的過程包括：
[0022] 根據(jù)引入不同的調(diào)制相位得到照明光場(chǎng)的不同掃描位置的光強(qiáng)最大值，進(jìn)而得到 引入相位后的積分圖像的光強(qiáng)分布；
[0023] 對(duì)引入相位后的積分圖像的光強(qiáng)分布進(jìn)行傅里變換，得到帶有相位的積分圖像頻 譜；
[0024] 通過構(gòu)造相位矩陣、像頻譜矩陣和物頻譜矩陣，得到物頻譜的Ξ部分的頻率信息。
[0025] 所述的聲光調(diào)制器Α0Μ的調(diào)制周期Τ與掃描點(diǎn)在樣品表面的掃描速度V的乘積 νΤ=-- 1ΝΑ.
[0026] 通過微透鏡陣列在物面產(chǎn)生的照明光斑中，相鄰照明光斑中屯、距離為照明光場(chǎng)空 間周期的整數(shù)倍。
[0027] 為了增加光學(xué)成像的穿透深度，結(jié)構(gòu)光照明原理被引入到掃描顯微鏡中，由于掃 描顯微鏡采用聚焦照明，能量集中，受厚樣品散射影響小。2009年，美國哈佛大學(xué)謝曉亮課 題組提出一種應(yīng)用于巧光激光掃描顯微鏡的結(jié)構(gòu)光照明超分辨，利用同步完成激光掃描顯 微鏡中的空間掃描與照明光強(qiáng)調(diào)制，在非相干系統(tǒng)中，獲得了一個(gè)在時(shí)間域上不同位置光 強(qiáng)調(diào)制分布的結(jié)構(gòu)光照明，從而改善系統(tǒng)分辨力，原理仿真表明，激光掃描顯微鏡的分辨力 提高為原來的2倍。此外，該系統(tǒng)亦可用于雙光子巧光顯微鏡。
[0028] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有W下效果:本發(fā)明的裝置設(shè)置有聲光調(diào)制器和與其同 步的振鏡掃描系統(tǒng)，能在掃描的同時(shí)改變掃描光斑的光強(qiáng)。本發(fā)明的方法利用調(diào)制經(jīng)過樣 品之前的光束，完成同步掃描，得到不同掃描點(diǎn)的瞬時(shí)光強(qiáng)信號(hào)，最后時(shí)間不同的每次掃描 得到的像疊加。運(yùn)種不同掃描點(diǎn)照明光強(qiáng)不同，且照明光強(qiáng)與樣品被掃描點(diǎn)位置成正弦關(guān) 系的設(shè)計(jì)，可W把樣品結(jié)構(gòu)中的高頻分量向低頻方向平移并且與低頻成分疊加，系統(tǒng)探測(cè) 到普通顯微成像系統(tǒng)中無法探測(cè)到的高頻信息，從而顯著改善系統(tǒng)橫向分辨力。
[0029] 本發(fā)明在物面通過時(shí)域累計(jì)得到光強(qiáng)按正弦分布的照明光場(chǎng)。照明光場(chǎng)對(duì)樣品物 函數(shù)進(jìn)行調(diào)制，使其高頻信息移向低頻段，進(jìn)而能被探測(cè)光路探測(cè)并參與成像。改變照明光 場(chǎng)方向可W對(duì)物函數(shù)進(jìn)行不同方向的調(diào)制。每個(gè)照明方向通過改變照明光場(chǎng)相位，對(duì)探測(cè) 頻譜中的高低頻成分加 W區(qū)分，最后進(jìn)行圖像重構(gòu)得到超分辨圖像。為了提高測(cè)量效率，在 光路中加入微透鏡陣列，可w同時(shí)實(shí)現(xiàn)多路照明與多路探測(cè)，成像速率隨微透鏡陣列中微 透鏡數(shù)量成倍提高。該裝置與方法可W提高掃描顯微系統(tǒng)的空間截止頻率，拓寬空間頻域 帶寬，從而顯著改善系統(tǒng)橫向分辨力，并且同時(shí)具有高測(cè)量效率，可適用于工業(yè)形貌及厚生 物樣品成像的測(cè)量領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明超分辨陣列掃描結(jié)構(gòu)光照明成像裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2是ΝΑ = 0.1，λ = 660ηπι時(shí)普通掃描顯微成像系統(tǒng)的0TF歸一化仿真圖；
[0032] 圖3是ΝΑ = 0.1，λ = 660ηπι時(shí)陣列掃描結(jié)構(gòu)光照明顯微成像系統(tǒng)的0TF歸一化仿真 圖；
[0033] 圖4是X方向上間隔為3.3皿的條紋樣品仿真圖；
[0034] 圖5是樣品的頻譜分布仿真圖；
[0035] 圖6是條紋樣品在ΝΑ = 0.1，λ = 660ηπι的普通掃描顯微系統(tǒng)中所探測(cè)到的頻譜仿真 圖；
[0036] 圖7是條紋樣品在ΝΑ = 0.1，λ = 660皿的普通掃描顯微系統(tǒng)中所成像光強(qiáng)歸一化仿 真圖；
[0037] 圖8是條紋樣品在ΝΑ = 0.1，λ = 660皿，照明光場(chǎng)光強(qiáng)分布為盧^ Λ') +1.的陣 乂 列掃描結(jié)構(gòu)光照明系統(tǒng)中所探測(cè)到的頻譜仿真圖；
[0038] 圖9是圖7中數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像重構(gòu)后的到的超分辨圖像的頻譜；
[0039 ]圖10是條紋樣品在ΝΑ = 0.1，λ = 660皿，照明光場(chǎng)光強(qiáng)分布為/=做蛛^^ .V) +1的陣 ,Λ 列掃描結(jié)構(gòu)光照明系統(tǒng)中經(jīng)過圖像重構(gòu)后所得超分辨圖像的光強(qiáng)歸一化仿真圖；
[0040]圖11是條紋樣品與其在普通掃描顯微系統(tǒng)和陣列掃描結(jié)構(gòu)光照明系統(tǒng)中所成像 在X方向光強(qiáng)歸一化仿真圖。
[0041 ] 圖1中：1、L邸光源，2、Α0Μ聲光調(diào)制器，3、準(zhǔn)直擴(kuò)束器，4、掃描系統(tǒng)，5、微透鏡陣列， 6、準(zhǔn)直透鏡，7、收集透鏡，8、分光棱鏡，9、CCD探測(cè)器，10、1 /4波片，11、照明物鏡，12、樣品。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 結(jié)合【附圖說明】本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，本發(fā)明的一種超分辨陣列掃描結(jié)構(gòu)光照明 成像裝置包括L邸光源1，其特征在于:沿Lm)光源1光線傳播方向依次放置Α0Μ聲光調(diào)制器2、 準(zhǔn)直擴(kuò)束器3、掃描系統(tǒng)4、微透鏡陣列5、準(zhǔn)直透鏡6、分光棱鏡8、1/4波片10、照明物鏡11、樣 品12、收集透鏡7、CCD探測(cè)器9W及數(shù)據(jù)采集卡;所述的聲光調(diào)制器A0M的調(diào)制周期T與掃描 點(diǎn)在樣品表面的掃描速度V的乘積W' 且相鄰照明光斑中屯、距離為照明光場(chǎng)空間周 2規(guī) 期的整數(shù)倍。
[0043] 所述的Lm)光源為非相干光源，對(duì)樣品的照明為非相干照明，整個(gè)成像過程均為非 相干成像D
[0044] 所述掃描系統(tǒng)3包括掃描振鏡，掃描振鏡改變光束偏轉(zhuǎn)角D
[0045] 本實(shí)施例的超分辨掃描結(jié)構(gòu)光照明成像方法，利用AOM聲光調(diào)制器對(duì)系統(tǒng)中經(jīng)過 樣品前的照明光進(jìn)行時(shí)間調(diào)制，同步完成掃描，得到樣