[實用新型]基于徑向偏振調制的干涉式結構光照明顯微鏡系統

有效

• 申請號: 201720813337.3
• 申請日: 2017-07-06
• 公開（公告）號: CN206906687U
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 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

技術領域

本實用新型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。

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f>f₀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_m<f₀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：

(1)產生空間頻率接近光學成像系統衍射極限的結構照明光場，以實現最大的頻譜擴展；(2)產生多個不同方向的結構光照明光場，以實現接近各向同性的頻譜擴展。滿足條件的方式通常是采用兩束線偏振激光干涉產生的干涉條紋來實現。圖2a至圖2c為條紋方向和兩束激光偏振態的關系，其中點表示兩束激光，箭頭為所需的偏振態。若要產生圖示三個不同方向的干涉條紋，兩束激光的空間分布需如圖圓點所示。由于干涉條紋周期與兩光束夾角有關，其夾角越大條紋周期越小。然而，大角度干涉時條紋對比度和兩束線偏光的偏振方向密切相關，只有當兩束線偏光偏振方向與兩光束的干涉條紋方向平行時，條紋對比度才最大，其余偏振方向都會導致條紋對比度的降低。條紋對比度對于軟件解碼十分重要，低條紋對比度會導致軟件解碼產生偽影，甚至無法恢復圖像。綜上所述，為了實現更高分辨率和更準確的恢復圖像，必須對線偏光的偏振方向進行精確控制。