[發明專利]基于光子復位技術的全光學超分辨顯微裝置

在審

• 申請號: 202010671973.3
• 申請日: 2020-07-14
• 公開（公告）號: CN111879740A
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 王偉波;張寶元;吳必偉;譚久彬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64;G02B21/16;G02B26/10;G02B27/58
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種基于光子復位技術的全光學超分辨顯微裝置，包括：照明系統、掃描系統、熒光激發收集系統，激發樣品上的熒光信號；去掃描系統，樣品反射的熒光信號通過同一光路返回后，出射掃描振鏡的熒光光束與掃描系統入射掃描振鏡的光束在同一直線上；再掃描系統，所述去掃描系統后的出射光束擴束，再一次導向掃描振鏡，實現光子復位；成像系統，接收經再掃描處理后的光束，分別對樣品的不同掃描位置成像。由于一個發射光子的真實位置是在激發焦點和探測點之間距離的一半處，本系統在去掃描和再掃描光路中設置二倍的光束擴束，利用光學方法將每一個檢測到的光子重新復位到其相對應位置上，得到一個具有更高檢測效率和分辨率的圖像。

技術領域

基于光子復位技術的全光學超分辨顯微裝置屬于光學顯微測量領域，具體而言，涉及一種利用光子重新分配原理，借助全光學的手段實現高分辨率的顯微成像裝置。

背景技術

激光掃描共聚焦顯微鏡(CLSM)因具有光學切片能力和高的成像對比度而在生物醫學檢測領域應用廣泛。作為一種研究成熟的熒光顯微鏡，CLSM優秀的成像特性是通過使用具有較高動態范圍的探測器和設置共焦探測針孔來實現的。在普通的CLSM中，每個掃描點的探測強度值通過積分探測器來記錄，如光電倍增管(PMT)、雪崩光電二極管等；針孔與激發焦點位置同軸共軛，通過將檢測到的光照強度賦給相應的激勵掃描的位置，從而構造出相應的圖像。此后，有研究表明，應用離軸針孔可以進一步提高分辨率。由于面陣探測器存在多個離軸像素點，且有研究表明樣品上熒光發射光源的實際位置在激光的焦點和偏離光軸的探測點間的1/2處，在最終圖像合成時，結合每個激發掃描位置拍攝到的針孔平面圖像及其位置信息。借助面陣探測器和以上的光子復位算法可實現傳統顯微鏡分辨率的提高。

遵循以上原理，有學者提出了圖像掃描顯微鏡，即將激光掃描共聚焦顯微鏡中作為探測器的光電倍增管(PMT)替換為面陣探測器CCD，基于以上光子復位原理，在后續計算機圖像處理中，對探測器的離軸像素點采集到的圖像進行移位，即將探測圖像移位至激光的焦點和偏離光軸的探測點間距離為一半的位置處，將面陣探測器上每個像素點探測到的光子重新分配到準確位置，對所有移位后的圖像疊加后便可得到一個具有更高檢測效率和分辨率的圖像，最高可達到原始分辨率的兩倍。除分辨率的提升外，圖像掃描顯微鏡的設備簡單，易于操作，可較好的兼容現有的激光掃描共聚焦顯微鏡。

由于在原始的圖像掃描顯微鏡中，需要采集每一個像素點的圖像，此外每張采集到的圖像還需要相應的移位處理，這使得圖像掃描顯微鏡的成像速度十分緩慢，有實驗表明對微米級的小圖像成像也需耗費數十分鐘，后期的圖像重建大大限制了其適用性，若能提升圖像掃描顯微鏡的成像速度，將會極大的提升其在生物醫學等領域的應用。

發明內容

本發明解決的問題是如何借助光學的手段，在圖像掃描顯微鏡成像的同時完成光子復位的步驟，從而省去后續圖像處理時間，一方面大大提升了成像的速度，另一方面也從源頭消除了后續處理算法中人為因素而導致光子復位不精準的問題，同時仍保留其兩倍分辨率提升的優勢。

為解決以上問題，本發明提出一種基于光子復位技術的全光學超分辨顯微裝置，包括照明系統、掃描系統、熒光激發收集系統、去掃描系統、再掃描系統和成像系統，其中：

照明系統，用于生成多焦點照明光束；

進一步地，本技術方案中，所述照明系統包括激光器和位于其出射光路上的透鏡組、微透鏡陣列，激光器作為光源，用于生成激光，透鏡組用于對激光擴束，調整光束尺寸，微透鏡陣列用于接收激光，并在多個微透鏡的聚光作用下生成多個平行照明光束，后續對樣品進行掃描時，可以提升掃描的效率，提升顯微成像裝置的成像速度。

掃描系統：接受照明系統產生的多焦點照明光束，通過掃描振鏡的偏轉實現對樣品的掃描；

進一步的，所述掃描系統位于照明系統之后，即多焦點照明光束的輸出光路上，熒光激發收集系統之前。