[發明專利]一種高速倏逝場移頻超分辨顯微成像系統及成像方法

有效

• 申請號: 202010922339.2
• 申請日: 2020-09-04
• 公開（公告）號: CN112213865B
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發明（設計）人: 楊青;湯明煒;劉旭
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G02B27/58
• 分類號: G02B27/58;G02B21/36;G02B21/06
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發明公開了一種高速倏逝場移頻超分辨顯微成像系統及成像方法，利用片上發光器件同時產生同一方向傳輸的三種波長的倏逝場，利用彩色相機對同一方向同時照明的三波長倏逝場產生的移頻圖像進行采集，其中三種波長對應紅、綠、藍三個波段移頻信號，每種波長照明具有不同移頻量。在圖像重構過程中將同時拍攝到的多波長信息分離出來分別進行插值處理，由此獲得不同移頻量、不同照明方向的樣品信息。最后進行圖像重構，在頻譜空間利用拼接算法將樣品的不同方向的高頻和低頻頻譜拼接，最終恢復出突破傳統顯微鏡光學衍射極限的高分辨率圖像。本發明在犧牲一定圖像采樣率的情況下，可以有效降低倏逝場移頻超分辨方法的圖像采集數量，提高成像速度。

技術領域

本發明涉及超分辨顯微領域，尤其涉及一種高速倏逝場移頻超分辨顯微成像系統及成像方法。

背景技術

傳統光學系統受到阿貝衍射極限的限制，其成像分辨率具有一定的極限。為了突破光學顯微系統的分辨率極限，一系列的熒光標記和非熒光標記方法相繼被提出。其中，移頻超分辨顯微成像技術打破了傳統成像系統與探測器件的帶寬限制，并展現出快速、大視場成像等優勢。移頻無標記超分辨顯微術無需熒光標記，可以實現對非生物樣品的超分辨成像，具有廣泛的應用前景。

倏逝場移頻無標記超分辨顯微方法采用倏逝場照明樣品，可以將樣品的高頻空間信息轉移到傳統顯微鏡的低頻帶寬范圍。成像過程中通過采集不同照明方向不同移頻量的樣品空間信息，在頻譜空間以及利用拼接算法將樣品的不同方向的高頻和低頻頻譜拼接，最終恢復出突破傳統顯微鏡光學衍射極限的高分辨率圖像。倏逝場移頻成像是將光場耦合到高折射率波導中激發倏逝場，利用倏逝場的高橫向波失特性來進行移頻成像，其頻譜移頻量取決于波導的有效折射率。一般為了獲得比較高的成像分辨率，需要采用高折射率的波導進行成像。然而，僅僅追求高移頻量的頻譜信息而忽略低頻信息是無法恢復出真實的樣品形貌的。在頻譜拼接的過程中，為了進行正確的頻譜拼接以實現無畸變成像，同樣必須獲取樣品的低頻頻譜信息，且需確保低頻與高頻之間具有一定的頻譜重疊面積。

為了同時獲取樣品的不同移頻量的頻譜信息，實現倏逝場移頻量可調是一種有效方案。目前已有的倏逝場移頻無標記超分辨顯微技術通過改變入射光波長來調節照明倏逝場的移頻量，但在圖像獲取的過程中分開采集各移頻信息，這意味著每獲取一幀超高分辨率的圖像，需要采集多幅低分辨率的移頻圖像。而每幅圖像采集過程中都需要一定的相機積分時間，限制了該成像方法的成像速度，不利于獲取高幀率的動態圖像。

發明內容

本發明目的在于針對現有技術的不足，提出一種高速倏逝場移頻超分辨顯微成像系統及成像方法。利用電調制的多波長片上發光器件同時產生同一方向傳輸的三種波長的倏逝場，利用彩色相機對同一方向同時照明的三波長倏逝場產生的移頻圖像進行采集，其中三種波長對應紅、綠、藍三個波段的移頻信號，每種波長照明具有不同的移頻量。在圖像重構的過程中將同時拍攝到的多波長信息分離出來分別進行插值處理，由此獲得不同移頻量、不同照明方向的樣品信息。最后進行圖像重構，在頻譜空間利用拼接算法將樣品的不同方向的高頻和低頻頻譜拼接，最終恢復出突破傳統顯微鏡光學衍射極限的高分辨率圖像。該方法在犧牲一定圖像采樣率的情況下，可以有效降低倏逝場移頻超分辨方法的圖像采集數量，提高成像速度。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種高速倏逝場移頻超分辨顯微成像系統，該系統包括：倏逝場移頻成像芯片及其發光控制單元、彩色相機、圖像存儲和重構計算單元、物鏡和透鏡，所述物鏡和透鏡將樣品的移頻散射像共軛成像到彩色相機，圖像存儲和重構計算單元對彩色相機記錄到的移頻散射圖進行重構，得到樣品的超分辨顯微圖；

光電集成的倏逝場移頻成像芯片，用于支撐所需觀察的微納尺寸樣品及產生倏逝場照明該樣品。倏逝場移頻成像芯片由芯片襯底、波導層和發光層組成。發光層在倏逝場移頻成像芯片的表面圍成一圈多邊形發光區域，構成片上發光器件，片上發光器件的每條發光邊可單獨控制；

所述倏逝場移頻成像芯片的發光控制單元，用于控制圍成多邊形的片上發光器件每條發光邊的發光順序；