[發明專利]基于壓縮感知的超高速結構光照明超分辨顯微成像裝置

有效

• 申請號: 202210678165.9
• 申請日: 2022-06-16
• 公開（公告）號: CN114967092B
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 黃正齊;張詩按;何一林;何宇;姚云華;齊大龍
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: G02B21/00
• 分類號: G02B21/00;G02B21/36;G02B27/58;G06T3/40;G01N21/84
• 代理公司: 上海藍迪專利商標事務所(普通合伙) 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

本發明公開了一種基于壓縮感知的超高速結構光照明超分辨顯微成像裝置，本發明由光源與擴束系統、偏振調制與結構光照明顯微系統、編碼孔徑時域壓縮成像系統、時序控制系統及數據處理與重構系統構成；本發明將壓縮感知原理引入傳統結構光照明顯微系統，通過對結構光照明下樣品的熒光圖像進行超高速編碼并疊加采集獲得壓縮圖像，最后通過數據處理系統進行圖像重構獲得超分辨圖像序列。本發明能夠從單幀壓縮圖像中還原出多幀超分辨圖像，克服了相機的硬件速度限制，大幅度提升了結構光照明超分辨顯微成像系統的成像速度，能夠實現對超高速動態場景的超分辨成像，在生物醫學等領域超高速動力學的精細觀測方面有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及結構光照明超分辨顯微、壓縮感知、孔徑編碼壓縮時域成像領域，尤其是一種基于壓縮感知的超高速結構光照明超分辨顯微成像裝置。通過本發明可以大幅提高超分辨顯微系統對動態場景的成像速度，找到一種緩和信噪比和采集速度之間最佳方式。除此之外，這種方式將有望適用于其他超分辨顯微技術的高速成像領域，為生物醫療研究者研究和解析復雜的高速生物過程帶來全新的幫助。

背景技術

光學顯微技術為一種重要的成像技術，把人類的觀察能力拓展到微觀尺度，實現了對生物醫學等領域的準確觀測，促進了諸多領域的發展。然而由于受到光學衍射極限的限制，光學顯微鏡的空間分辨率極限只能達到大約200納米左右，而生物細胞中大部分亞細胞結構的尺寸都在100納米左右，所以常規的光學顯微鏡很難獲得細胞內的精細結構。在可視化亞細胞器結構細節的迫切需求的驅動下，各種超分辨率顯微技術已經被開發出來，從而打破了常規光學衍射極限的限制。例如，受激發射耗損顯微技術將熒光團的受激發射損耗現象引入掃描共聚焦顯微鏡中，并通過抑制光斑周圍環形區域的熒光同時保留一個中心點來發射熒光，來最小化掃描點的大小，在生物樣品中實現了約20納米的空間分辨率。然而，基于逐點掃描的數據采集方式大大限制了受激發射損耗顯微鏡的成像速度。此外，利用高功率的激光來誘導熒光物質的受激發射損耗，也加劇了光毒性和光漂白。另外單分子定位顯微技術是通過對單分子進行定位而不是記錄熒光分布的方式來提取熒光團的位置，從而規避了光學衍射極限的限制。然而在單分子定位顯微技術中，需要獲取數千張稀疏分布的熒光圖像來提取單張超分辨率圖像，因此成像速度很低，難以觀察到生物動態過程。

結構光照明顯微鏡(SIM)利用一系列結構化的激發光來照明激發生物樣本，通過摩爾紋效應將受到衍射限制的高頻信息搬移到低頻圖像信息中，再通過圖像頻率分量的分離和調制，最終從采集到的多張SIM圖像中重構出超分辨率圖像。受激發射耗損顯微需要逐進行點掃描，單分子定位顯微需要采集大量稀疏照明圖像，這兩種方法都相當耗時。而SIM的成像速度相較于其他幾種典型的超分辨技術的成像速度要高許多，因為只需9張寬場圖像來重構一幀超分辨圖像。所有這些優點使SIM成為動態超分辨率顯微成像的杰出工具。然而由于受到SIM中不同結構光模式的多次測量以及采樣相機的幀率限制，現有的SIM技術仍然難以實現對生物樣品中細小結構的超高速動態觀察。

發明內容

本發明的目的是針對現有結構光照明超分辨顯微技術的成像速度不足而提供的一種基于壓縮感知的超高速結構光照明超分辨顯微成像裝置，通過將壓縮感知原理引入結構光照明超分辨顯微成像技術中，從單次壓縮采集圖像重構出多幀超分辨圖像，實現了對結構光照明超分辨顯微成像技術采樣速度的大幅度提高，達到了常規SIM所不能達到的采樣速度。

實現本發明目的的具體技術方案是：

一種基于壓縮感知的超高速結構光照明超分辨顯微成像裝置，它包括：

一個由連續激光器、擴束鏡、四分之一波片、第一反射鏡及第二反射鏡組成的光源與擴束系統；

所述光源與擴束系統的連續激光器、擴束鏡、四分之一波片、第一反射鏡及第二反射鏡依次光路連接；

一個由第一數字微鏡器件、第一透鏡、線偏振片、半波片、小孔濾波器、分區半波片、第二透鏡、第三透鏡、二相色鏡、物鏡及樣品臺構成的偏振調制與結構光照明顯微系統；