[發明專利]基于徑向偏振調制的干涉式結構光照明顯微鏡系統與方法

有效

• 申請號: 201710547086.3
• 申請日: 2017-07-06
• 公開（公告）號: CN107329245B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發明（設計）人: 雷銘;趙天宇;姚保利;楊星科;白明;周興;但旦;千佳;汪召軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G02B21/00
• 分類號: G02B21/00;G02B21/06;G02B21/36
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 楊引雪

本發明具體涉及基于徑向偏振調制的干涉式結構光照明顯微鏡系統與方法，解決了現有干涉式結構光照明顯微成像系統偏振控制方法操作復雜、光能透過率低的問題。系統包括偏振分束器、半波片、空間光調制器、第一透鏡、空間濾波器、渦旋半波片、雙色鏡、顯微物鏡、筒鏡和數字相機；半波片和空間光調制器依次設置在偏振分束器的第一出射光路上；第一透鏡、空間濾波器、渦旋半波片、雙色鏡和顯微物鏡依次設置在偏振分束器與第一出射光路垂直的第二出射光路上；筒鏡、數字相機依次設置在雙色鏡垂直于第二出射光路的光路上。本發明采用的渦旋半波片降低了系統的復雜度，光能利用率高，適用于低功率激光器作為光源，便于結構光照明光學顯微系統的集成。

技術領域

本發明涉及光學顯微成像領域，具體涉及基于徑向偏振調制的干涉式結構光照明顯微鏡系統與方法。

背景技術

傳統的光學顯微成像技術空間分辨率受到阿貝瑞利極限的限制，空間分辨率最高只能達到半波長，制約了其在亞細胞水平觀測中的應用。雖然電子顯微鏡和原子力顯微鏡可以達到亞納米的分辨率，但是其只能對非活性離體細胞樣品進行觀測的缺點限制了其在生物領域的廣泛應用。近幾十年，伴隨著熒光探針技術的發展，一系列超分辨光學顯微成像方法被提出，使得光學顯微鏡的空間分辨率突破了阿貝瑞利極限。其中最具代表性的技術包括光激活定位熒光顯微技術(Photo-Activation?Localization?Microscopy，簡稱PALM)、隨機光學重構熒光顯微技術(Stochastic?Optical?Reconstruction?Microscopy，簡稱STORM)、受激輻射損耗熒光顯微技術(Stimulated?Emission?Depletion?microscopy，簡稱STED)和結構光照明熒光顯微技術(Structured?Illumination?Microscopy，簡稱SIM)。

由于SIM是成像速度最快的超分辨成像技術，自該技術出現伊始，就受到了廣泛關注。SIM的基本原理如下：顯微物鏡的空間分辨率取決于它能采集到的最大空間頻率f₀，f₀取決于顯微物鏡的光學傳遞函數(optical?transfer?function，簡稱OTF)，f₀＝2NA/λ，其中NA表示顯微物鏡的數值孔徑，λ表示成像光波的波長。當樣品包含的高頻信息ff₀時，樣品的細節將難以被分辨。如果使用空間頻率為f₁的正弦條紋結構光照明樣品，則會產生空間頻率為f_m＝|f-f₁|的低頻莫爾條紋。莫爾條紋實際上是樣品與結構光的拍頻信號，它包含有樣品超衍射分辨的高頻信息f。當f_mf₀時，莫爾條紋可以在顯微物鏡下觀察到，通過解碼，可以提取出樣品的超分辨率信息，重組出樣品的高分辨率圖像。

為保證結構照明顯微系統OTF的各向同性，實驗中需要旋轉照明光場在多個方向上對稱地照明樣品。通常在每一個成像平面旋轉3個方向，兩兩夾角互為60度。如圖1所示，圖1a為普通顯微鏡的OTF，圖1b為單一方向上頻譜進行擴展，圖1c為三個方向頻譜得到擴展。從頻域來看，結構光照明拓展了顯微系統的OTF，將物鏡能收集到的最大空間頻率從f₀提高到了f₀+f₁。因此f₁越大，SIM顯微的空間分辨率就越高。但是結構照明光場的空間頻率f₁同樣受衍射極限限制，即f₁≤f₀，所以線性SIM顯微技術至多可以將光學顯微系統的空間分辨率提高一倍。

由SIM超分辨成像的基本原理可知，其成像系統需要滿足以下條件：