[發明專利]隨機光學重建與結構光照明復合超分辨成像系統

有效

• 申請號: 202011524528.0
• 申請日: 2020-12-22
• 公開（公告）號: CN112798564B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 李思黽;陳曉虎;文剛;梁永;金鑫;李輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64;G01N21/01
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱炳斐;馬魯晉

1.一種隨機光學重建與結構光照明復合超分辨成像系統，其特征在于，所述系統包括：

光源模塊，用于提供多個不同波長的合束照明光線，并控制光線照明時序，還用于控制單一波長光線照明，或者多個波長光線交替照明，或者多個波長光線同時照明；

復合光場調控模塊，包括用于將入射光場調控為余弦結構照明光場的第一光學調控裝置，和用于將入射光場調控為均勻照明光場的第二光學調控裝置；兩種光學調控裝置可以獨立工作、交替工作或者同時工作；

熒光成像模塊，用于采集樣本的多幅原始熒光圖像并由計算機重建超分辨圖像；

所述光源模塊包括：多個波長不同的光源、反射合束組件、聲光可調諧濾波器(13)、光纖耦合器(14)、保偏光纖(15)；所述多個波長不同的光源發出的光線通過反射合束組件合束后，照射到聲光可調諧濾波器(13)，所述聲光可調諧濾波器(13)的一級衍射光經光纖耦合器(14)收集進入保偏光纖(15)中，之后經保偏光纖(15)將光線引入復合光場調控模塊；

所述反射合束組件包括：

多個反射鏡，分別對應不同波長的光源，并將所有光源發出的光線引導至二向色鏡上完成合束；

多個二向色鏡，用于將來自反射鏡的光線合束為一個光束，并將該光束傳輸給聲光可調諧濾波器(13)；

或，其中某個或多個光源發出的光線直接與某個二向色鏡匹配，省略與之對應的反射鏡；

所述多個波長不同的光源包括第一光源(1)、第二光源(2)、第三光源(3)、第四光源(4)；所述反射合束組件包括第一反射鏡(5)、第二反射鏡(9)、第三反射鏡(10)、第四反射鏡(11)、第五反射鏡(12)、第一二向色鏡(6)、第二二向色鏡(7)、第三二向色鏡(8)；

所述第一光源(1)發出的光線依次通過第二反射鏡(9)、第一反射鏡(5)后，依次透過第一二向色鏡(6)、第二二向色鏡(7)、第三二向色鏡(8)；

所述第二光源(2)發出的光線通過第三反射鏡(10)后，經第一二向色鏡(6)反射，再依次透過第二二向色鏡(7)、第三二向色鏡(8)；

所述第三光源(3)發出的光線通過第五反射鏡(12)后，經第二二向色鏡(7)反射，再透過第三二向色鏡(8)；

所述第四光源(4)發出的光線通過第四反射鏡(11)后，經第三二向色鏡(8)反射，與來自其他三個激光器的光線合束后一起傳輸給聲光可調諧濾波器(13)；

所述復合光場調控模塊包括：

光纖準直擴束組件，包括沿光源模塊出射光線所在光軸依次設置的光纖準直器(16)、激光擴束器(17)、第一消色差二分之一波片(18)；

第一光學調控裝置，包括空間光調制器(20)、偏振分光棱鏡(19)、傅里葉透鏡(21)、多孔掩模板(22)、偏振旋轉器(23)、液晶位相補償器(24)、準直透鏡(25)；

第二光學調控裝置，包括二維掃描振鏡(33)、第二消色差二分之一波片(34)、偏振分光棱鏡(19)、傅里葉透鏡(21)、多孔掩模板(22)、偏振旋轉器(23)、液晶位相補償器(24)、準直透鏡(25)；

4f成像系統，包括傅里葉透鏡(21)和準直透鏡(25)，即傅里葉透鏡(21)的后焦面與準直透鏡(25)的前焦面重合；

所述空間光調制器(20)和二維掃描振鏡(33)均位于所述4f成像系統的前焦面；所述多孔掩模板(22)處于4f成像系統的傅里葉面；

所述4f成像系統與熒光成像模塊光學連接；

所述復合光場調控模塊實現結構光照明模式的過程：光纖準直擴束組件輸出的光經偏振分光棱鏡(19)透射入射至空間光調制器(20)，之后經空間光調制器(20)反射、偏振分光棱鏡(19)反射后依次通過傅里葉透鏡(21)、多孔掩模板(22)、偏振旋轉器(23)、液晶位相補償器(24)、準直透鏡(25)；

所述復合光場調控模塊實現均勻照明模式的過程：光纖準直擴束組件輸出的光經偏振分光棱鏡(19)反射后依次通過第二消色差二分之一波片(34)、二維掃描振鏡(33)，經二維掃描振鏡(33)反射后依次通過第二消色差二分之一波片(34)、偏振分光棱鏡(19)，再經偏振分光棱鏡(19)透射后依次通過傅里葉透鏡(21)、多孔掩模板(22)、偏振旋轉器(23)、液晶位相補償器(24)、準直透鏡(25)；

所述空間光調制器(20)上加載了二元周期性條紋計算全息圖，光線經空間光調制器(20)衍射到多個級次；

所述多孔掩模板(22)由2N個旋轉對稱分布的針孔構成，每個針孔為長方形結構，長邊中心位置對應樣品面全內反射臨界角，其中N為整數；該多孔掩模板(22)用于實現空間濾波，僅允許滿足特定入射角度的光線進入熒光成像模塊照明樣品，且從針孔不同位置通過的光線具有不同的入射角度；

所述偏振旋轉器(23)用于使從任意一個針孔通過的光束的偏振態都垂直于該針孔中心點與4f成像系統光軸所確定的平面；

所述液晶 位相補償器(24)的快軸方向與偏振分光棱鏡(19)的透射光偏振方向平行，液晶 位相補償器(24)用于主動補償光學元件引起的激光位相漂移，使得最終到達樣品面的任意一束光線的偏振態都保持為線偏振態，且偏振方向垂直該光線的入射面；

所述熒光成像模塊包括兩個相機，一個相機接收結構照明光場激發的熒光并成像，另一個相機接收均勻照明光場激發的熒光并成像，相機采集的原始圖像經計算機重建超分辨圖像，且兩個相機的圖像采集時序與復合光場調控模塊和光源模塊通過計算機同步控制；

所述熒光成像模塊包括：

實現結構光照明超分辨成像的裝置，包括透鏡(26)、顯微物鏡(27)、樣品臺(28)、第四二向色鏡(29)、第五二向色鏡(37)、第一管透鏡(31)、第一相機(32)；復合光場調控模塊的出射光透過透鏡(26)后再經第四二向色鏡(29)反射后照射放置于樣品臺(28)上的樣品表面，產生余弦結構照明光場，激發樣品發射熒光，激發的熒光經顯微物鏡(27)收集，之后依次經第四二向色鏡(29)透射、第五二向色鏡(37)透射、第一管透鏡(31)后成像到第一相機(32)的探測面；

實現均勻光照明超分辨成像的裝置，包括透鏡(26)、顯微物鏡(27)、樣品臺(28)、第四二向色鏡(29)、第五二向色鏡(37)、第二管透鏡(35)、第二相機(36)；復合光場調控模塊的出射光透過透鏡(26)后再經第四二向色鏡(29)反射后照射放置于樣品臺(28)上的樣品表面，產生均勻照明光場，激發樣品發射熒光，激發的熒光經顯微物鏡(27)收集，之后依次經第四二向色鏡(29)透射、第五二向色鏡(37)反射、第二管透鏡(35)后成像到第二相機(36)的探測面。