一種基於均勻結構光照明的共聚焦並行顯微成像系統的製作方法
2023-05-18 20:59:01 1
本發明涉及顯微檢測儀器設計及製造領域，尤其是涉及一種基於均勻結構光照明的共聚焦並行顯微成像系統。
背景技術：
點掃描共聚焦顯微鏡已經廣泛應用於生物醫學等研究領域，是必不可少的科研工具。目前商業點掃描共聚焦顯微鏡大都採用振鏡進行單點掃描成像，雖然比普通螢光顯微鏡具有更高的解析度和信噪比，但是受單點掃描限制，其較慢的成像速度不利於點掃描共聚焦顯微鏡在活細胞等領域中進一步地推廣應用。
近年來，有很多技術被提出，用於提高點掃描共聚焦顯微鏡的成像速度。但是，這些技術常常以犧牲解析度等其他性能來改善成像速度，仍不能在保證解析度前提下很好地解決點掃描共聚焦顯微鏡的成像速度慢這一問題。
技術實現要素：
本發明的目的是：
提供一種解析度高且成像速度快的共聚焦並行顯微成像系統。
為實現上述目的，本發明採用下述技術方案：
一種基於均勻結構光照明的共聚焦並行顯微成像系統，包括照明模塊、共聚焦掃描模塊、探測模塊、控制模塊及圖像重建模塊；其中：
所述照明模塊包括：雷射器、平頂高斯光束整形器、第一透鏡、第二透鏡、液晶空間光調製器、第三透鏡、通孔掩膜板；
所述共聚焦掃描模塊包括：二色鏡、物鏡和三維納米載物臺，所述三維納米載物臺可在xyz三維方向移動，所述三維納米載物臺上承載有待檢測樣品；
所述探測模塊包括濾光片、探測透鏡以及面陣探測器，所述面陣探測器中的像素可形成虛擬針孔；
所述控制模塊電性連接於所述三維納米載物臺、面陣探測器以及液晶空間光調製器，所述圖像重建模塊電性連接於所述控制模塊；其中：
所述雷射器出射的任一束雷射束經所述平頂高斯光束整形器整形後形成一束能量均勻分布的平頂高斯光束，所述平頂高斯光束再經所述第一透鏡及第二透鏡後入射到所述液晶空間光調製器，所述平頂高斯光束經所述液晶空間光調製器衍射後生成衍射光，其中，所述衍射光包括±1級衍射光及0級衍射光，所述衍射光經所述第三透鏡和通孔掩膜板後，所述衍射光中的0級衍射光被遮擋且只允許±1級衍射光通過；
所述±1級衍射光依次經所述二色鏡及物鏡後，在所述物鏡的前焦面處發生幹涉，形成強度均勻分布的結構光，所述結構光對待檢測樣品進行結構光照明，並激發所述樣品產生螢光信號；
所述螢光信號經所述物鏡及所述二色鏡後再依次進入所述濾光片及探測透鏡，並在所述面陣探測器的感光面形成均勻條紋分布的圖像，所述面陣探測器探測所述圖像，且所述面陣探測器形成的虛擬針孔對探測的所述結構光進行空間濾波，並將所述圖像轉化為電信號；
所述控制模塊採集所述電信號，所述圖像重建模塊根據所述控制模塊採集的電信號實現基於均勻結構光照明的共聚焦並行顯微成像系統。
在一些實施例中，所述平頂高斯光束整形器的光出射平面、液晶空間光調製器的感光面、物鏡的前焦面和面陣探測器感光面屬於共軛面。
在一些實施例中，所述面陣探測器為ccd或cmos相機中的一種。
本發明採用上述技術方案的優點是：
本發明提供的基於均勻結構光照明的共聚焦並行顯微成像系統，利用平頂高斯光束整形器對雷射束進行整形生成平頂高斯光束，利用液晶空間光調製器將一束平頂高斯光束分成兩束相干光，通過兩束平頂高斯光束幹涉得到均勻分布的結構光，採用均勻結構光照明樣品，進行共聚焦並行顯微成像，有助於擴大共聚焦顯微系統的視場範圍和成像速度。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的基於均勻結構光照明的共聚焦並行顯微成像系統結構示意圖。
圖2(a)為本發明實施例提供的面陣探測器上均勻結構光的條紋狀圖像和虛擬針孔的結構示意圖。
圖2(b)為本發明實施例提供的單個虛擬針孔的結構示意圖。
其中：照明模塊110、共聚焦掃描模塊120、探測模塊130、控制模塊140、圖像重建模塊150、雷射器111、平頂高斯光束整形器112、第一透鏡113、第二透鏡114、液晶空間光調製器115、第三透鏡116、通孔掩膜板117、二色鏡121、物鏡122、三維納米載物臺123、濾光片131、探測透鏡132、面陣探測器133。
具體實施方式
請參考圖1，為本發明實施例提供的一種基於均勻結構光照明的共聚焦並行顯微成像系統100，照明模塊110、共聚焦掃描模塊120、探測模塊130、控制模塊140及圖像重建模塊150。其中：
所述照明模塊110包括：雷射器111、平頂高斯光束整形器112、第一透鏡113、第二透鏡114、液晶空間光調製器115、第三透鏡116、通孔掩膜板117。
具體地，所述雷射器111出射的任一束雷射束經所述平頂高斯光束整形器112整形後形成一束能量均勻分布的平頂高斯光束，所述平頂高斯光束再經所述第一透鏡113及第二透鏡114後入射到所述液晶空間光調製器115，所述平頂高斯光束經所述液晶空間光調製器115衍射後生成衍射光，其中，所述衍射光包括±1級衍射光及0級衍射光，所述衍射光經所述第三透鏡116和通孔掩膜板117後，所述衍射光中的0級衍射光被遮擋且只允許±1級衍射光通過。
所述共聚焦掃描模塊120包括：二色鏡121、物鏡122和三維納米載物臺123。
具體地，所述三維納米載物臺123可在xyz三維方向移動，所述三維納米載物臺133上承載有待檢測樣品，所述±1級衍射光依次經所述二色鏡121及物鏡122後，在所述物鏡122的前焦面處發生幹涉，形成強度均勻分布的結構光，所述結構光對待檢測樣品進行結構光照明，並激發所述樣品產生螢光信號。
探測模塊130包括濾光片131、探測透鏡132以及面陣探測器133。
具體地，所述面陣探測器133中的像素可形成虛擬針孔，所述螢光信號經所述物鏡122及所述二色鏡121後再依次進入所述濾光片131及探測透鏡132，並在所述面陣探測器133的感光面形成均勻條紋分布的圖像，所述面陣探測器133探測所述圖像，且所述面陣探測器133形成的虛擬針孔對探測的所述圖像進行空間濾波，並將所述圖像轉化為電信號。可以理解，每幅條紋分布的圖像包含很多條光信號條紋，每條光信號條紋都對應一排虛擬針孔。
優選地，平頂高斯光束整形器的光出射平面p1、液晶空間光調製器的感光面p2、物鏡的前焦面p3和面陣探測器感光面p4屬於共軛面。
進一步地，面陣探測器133可以為ccd或cmos相機，由於其本身具有很多像素，可以接收結構光光場以及激發螢光樣品發出的螢光信號，並將其轉化為電信號；此外，面陣探測器133中的像素可以形成虛擬針孔，對探測到的結構光進行空間濾波，同時實現共聚焦成像。
所述控制模塊140電性連接於所述三維納米載物臺123、面陣探測器133以及液晶空間光調製器115。可以理解，通過所述控制模塊140可實現對共聚焦掃描模塊中的面陣探測器133以及液晶空間光調製器115的掃描控制，同時可以採集面陣探測器133的電信號。
所述圖像重建模塊150電性連接於所述控制模塊140，所述圖像重建模塊根據所述控制模塊140採集的電信號實現基於均勻結構光照明的共聚焦並行顯微成像系統。
以下詳細說明圖像重建模塊150的工作過程：
第一，採用均勻結構光對樣品進行並行照明，被均勻結構光照明的樣品經物鏡和探測透鏡成像後將在面陣探測器感光面上形成呈均勻條紋分布的圖像，實現並行光信號的探測收集；
第二，由於每幅條紋分布的圖像包含很多條光信號條紋，每條光信號條紋都對應一排虛擬針孔，如圖2(a)所示，較寬的長條狀矩形代表一條條紋光強分布，較小的正方形格子代表面陣探測器的像素，較大的正方形格子代表一個虛擬針孔(包含多個像素)，虛擬針孔(請參閱圖2(b))的排布位於光信號條紋的中央，抑制雜光幹擾，將虛擬針孔中每個像素探測到的光強ii疊加，可以得到樣品中一點對應的共聚焦圖像像素值將每個光信號條紋對應的所有虛擬針孔進行同樣的處理，可以得到樣品中一行對應的共聚焦圖像像素值，將所有光信號條紋中的虛擬針孔都作相同的處理，將得到一幅像素值條狀間隔分布的共聚焦圖像；
第三，沿與條紋垂直的方向對樣品進行掃描，均勻結構光中條紋之間的間距為d，位移臺的移動間距為ds，移動d/ds-1次，可以得到d/ds幅像素值條狀間隔分布的共聚焦圖像，將這d/ds幅像素值條狀間隔分布的共聚焦圖像疊加，可以得到一幅完整的共聚焦圖像。
本發明提供的基於均勻結構光照明的共聚焦並行顯微成像系統，利用平頂高斯光束整形器對雷射束進行整形生成平頂高斯光束，利用液晶空間光調製器將一束平頂高斯光束分成兩束相干光，通過兩束平頂高斯光束幹涉得到均勻分布的結構光，採用均勻結構光照明樣品，進行共聚焦並行顯微成像，有助於擴大共聚焦顯微系統的視場範圍和成像速度。
當然本發明的基於均勻結構光照明的共聚焦並行顯微成像系統還可具有多種變換及改型，並不局限於上述實施方式的具體結構。總之，本發明的保護範圍應包括那些對於本領域普通技術人員來說顯而易見的變換或替代以及改型。