CN107152970B - 基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪 - Google Patents

基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪 Download PDF

Info

Publication number
CN107152970B
CN107152970B CN201710266286.1A CN201710266286A CN107152970B CN 107152970 B CN107152970 B CN 107152970B CN 201710266286 A CN201710266286 A CN 201710266286A CN 107152970 B CN107152970 B CN 107152970B
Authority
CN
China
Prior art keywords
array
hot spot
parallel
light field
module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710266286.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107152970A (zh
Inventor
唐玉国
肖昀
张运海
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Original Assignee
Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS filed Critical Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority to CN201710266286.1A priority Critical patent/CN107152970B/zh
Publication of CN107152970A publication Critical patent/CN107152970A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107152970B publication Critical patent/CN107152970B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J4/00—Measuring polarisation of light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0032—Optical details of illumination, e.g. light-sources, pinholes, beam splitters, slits, fibers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0036—Scanning details, e.g. scanning stages

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

本发明提供的基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪，对照明模块进行设计以生成四束偏振光，由于上述四束偏振光干涉得到包含大量光斑的阵列光场，从而实现了样品的并行照明；同时，本发明提供的基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪，同时采用面阵探测器接收阵列光斑，并对阵列光斑中的每个光斑进行像素再分配处理，实现高分辨、高信噪比的并行显微成像。

Description

基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪
技术领域
本发明涉及显微检测仪器设计及制造领域，尤其是涉及一种基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪。
背景技术
点扫描共聚焦显微镜已经广泛应用于生物医学等研究领域，是必不可少的科研工具。目前商业点扫描共聚焦显微镜大都采用振镜进行单点扫描成像，但是其单点扫描的成像速度限制了点扫描共聚焦显微镜在活细胞等领域中进一步地推广应用。
近年来，有很多技术被提出，用于提高点扫描共聚焦显微镜的成像速度。但是，这些技术常常以牺牲分辨率等其他性能来改善成像速度，仍不能在保证分辨率前提下很好地解决点扫描共聚焦显微镜的成像速度慢这一问题。
发明内容
本发明的目的是：
提供一种分辨率高且呈现速度快的基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪，包括照明模块、扫描模块、探测模块、控制模块及图像重建模块，其中：
所述照明模块包括激光器、二维光栅、光阑、波片及透镜；所述激光器用于出射线偏振激光，所述二维光栅用于将入射的线偏振激光衍射后形成两组±1级衍射光及0级衍射光，且所述两组±1级衍射光及0级衍射光的偏振方向与所述线偏振激光的偏振方向相同，所述光阑用于遮挡0级衍射光，且只允许±1衍射光通过，所述波片用于调制入射的两组±1级衍射光，并将其中一组±1级衍射光的偏振方向旋转90度，而使另一组±1级衍射光的偏振方向保持不变，得到相邻光束偏振方向互相垂直的四束偏振光，所述四束偏振光经过所述透镜聚焦后再进入所述扫描模块；
所述扫描模块包括二色镜、物镜及纳米位移台，所述纳米位移台可在XYZ三维方向移动，所述纳米位移台上承载有待检测样品，所述四束偏振光经所述二色镜后入射进入所述物镜，并在所述物镜的前焦面处发生干涉，形成具有光斑的干涉阵列光场，所述具有光斑的干涉阵列光场对所述样品进行并行照明，使得所述样品产生并行光信号；
所述探测模块包括带通滤色片、探测透镜以及面阵探测器，所述并行光信号经所述物镜及所述二色镜后再依次进入所述带通滤色片、探测透镜以及面阵探测器，并在所述面阵探测器的感光面形成阵列光斑，所述面阵探测器探测所述阵列光斑，并对所述阵列光斑进行空间滤波及对所述阵列光斑的像素进行再分配处理，以形成较小的阵列光斑，并将所述较小的阵列光斑转化为电信号；
所述控制模块电性连接于所述面阵探测器和所述纳米位移台，所述控制模块用于采集所述电信号；
所述图像重建模块电性连接于所述控制模块，所述图像重建模块根据所述控制模块采集所述探测器与所述纳米位移台的所述电信号实现基于干涉阵列光场的高分辨率并行扫描成像图像重建。
在其中一些实施例中，所述光阑为中心为实心的光阑。
在其中一些实施例中，所述面阵探测器为CCD或CMOS相机中的一种。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪，对照明模块进行设计以生成四束偏振光，由于上述四束偏振光干涉得到包含大量光斑的阵列光场，从而实现了样品的并行照明；同时，本发明提供的基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪，同时采用面阵探测器接收阵列光斑，并对阵列光斑中的每个光斑进行像素再分配处理，实现高分辨、高信噪比的并行显微成像。
本发明提供的基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪，利用四束光干涉形成的阵列光场和像素再分配技术，可以提高点扫描显微技术的成像速度和分辨率，同时还能保证图像具有较高的信噪比，提高了图像质量，有利于点扫描显微技术在亚细胞结构观察、细胞动态过程观察等研究方面的应用，有益于生物医学领域的发展。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪结构示意图。
图2(a)为样品处的照明阵列光斑的结构示意图；
图2(b)为面阵探测器上的探测阵列光斑的结构示意图；
图2(c)为单个阵列光斑及1AU虚拟针孔区域的结构示意图；
图2(d)为1AU虚拟针孔对应的像素区域的结构示意图；
图2(e)为经过像素再分配后的新光斑及新虚拟针孔的结构示意图；
图2(f)为经过像素再分配后的新虚拟针孔对应的像素区域的结构示意图；
图2(g)为经过像素再分配后的新阵列光斑的结构示意图；
图3为样品沿Y方向移动前(实心)和移动后(虚线)样本上阵列光斑的相对位置，光斑间距为d，移动步距s的结构示意图。
其中：照明模块110、扫描模块120、探测模块130、控制模块140、图像重建模块150、激光器111、二维光栅112、光阑113、波片114及透镜115、二色镜121、物镜122、纳米位移台123。
具体实施方式
请参考图1，为本发明实施例提供的一种基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪100，包括照明模块110、扫描模块120、探测模块130、控制模块140及图像重建模块150。其中：
所述照明模块110包括激光器111、二维光栅112、光阑113、波片114及透镜115。
具体地，所述激光器111用于出射线偏振激光，所述二维光栅用于将入射的线偏振激光衍射后形成两组±1级衍射光及0级衍射光，且所述两组±1级衍射光及0级衍射光的偏振方向与所述线偏振激光的偏振方向相同，所述光阑用于遮挡0级衍射光，且只允许±1衍射光通过，所述波片用于调制入射的两组±1级衍射光，并将其中一组±1级衍射光的偏振方向旋转90度，而使另一组±1级衍射光的偏振方向保持不变，得到相邻光束偏振方向互相垂直的四束偏振光，所述四束偏振光经过所述透镜聚焦后再进入所述扫描模块。
优选地，所述光阑113为中心为实心的光阑，可以理解，采用中心为实心的光阑遮挡0级衍射光，只允许±1衍射光通过，由于衍射光的分布方向与光栅方向相关，因此两组±1衍射光光束中心连线互相垂直。
所述扫描模块120包括二色镜121、物镜122及纳米位移台123，所述纳米位移台123可在XYZ三维方向移动，所述纳米位移台123上承载有待检测样品。
具体地，所述四束偏振光经所述二色镜121后入射进入所述物镜122，并在所述物镜122的前焦面处发生干涉，形成具有光斑的干涉阵列光场，所述具有光斑的干涉阵列光场对所述样品进行并行照明，使得所述样品产生并行光信号。
可以理解，由于纳米位移台123可通过XY方向移动样品，实现高精度的并行扫描成像，提高扫描成像速度。
所述探测模块130包括带通滤色片131、探测透镜132以及面阵探测器133。
具体地，所述并行光信号经所述物镜122及所述二色镜121后再依次进入所述带通滤色片131、探测透镜132以及面阵探测器133，并在所述面阵探测器133的感光面形成阵列光斑，所述面阵探测器133探测所述阵列光斑，并对所述阵列光斑进行空间滤波及对所述阵列光斑的像素进行再分配处理，以形成较小的阵列光斑，并将所述较小的阵列光斑转化为电信号。
优选地，面阵探测器133为CCD或CMOS相机中的一种。可以理解，本申请采用的面阵探测器133为CCD或CMOS相机，具有很多像素，可以接收阵列光场中大量光斑同时激发荧光样品发出的荧光信号，并将其转化为电信号。
所述控制模块140电性连接于所述面阵探测器133，进一步地，所述控制模块140还电性连接于所述纳米位移台123，所述控制模块140用于控制所述纳米位移台140的移动。
可以理解，所述控制模块140可实现对扫描模块中的所述纳米位移台123扫描控制，同时可以采集面阵探测器133的电信号。
所述图像重建模块150电性连接于所述控制模块140，所述图像重建模块150可根据所述控制模块140采集所述面阵探测器133与所述纳米位移台123的所述电信号实现基于干涉阵列光场的高分辨并行扫描成像图像重建。
以下详细说明图像重建模块150的工作过程：
第一，采用包含阵列光斑的阵列光场对样品进行并行照明，如图2(a)所示，被阵列光斑照明的样品经物镜和探测透镜成像后将在面阵探测器感光面形成阵列光斑(M个聚集光斑)图像，如图2(b)所示，实现并行光信号的探测收集。
第二，为了实现高分辨成像，需要对探测到的光斑进行空间滤波和像素再分配处理，以每个阵列光斑中心为原点，选择1个艾里斑大小(可以理解，艾力斑大小可根据实际需求调整)对应的像素区域(N个像素)作为每个阵列光斑的虚拟针孔，如图2(c)和(d)所示；将虚拟针孔中每个像素探测到的光强Ii进行si/2(其中，si为每个像素到光斑中心的距离)移位，形成较小的新光斑，如图2(e)所示；
再根据新光斑的大小，重新选择一定尺寸的虚拟针孔(虚拟针孔的区域以新光斑大小为例，如图2(e)中较小的虚线方框和图2(f)所示，对应面阵探测器中Q个像素)，将该虚拟针孔内每个像素探测到的光强k叠加，可以得到样品中一点对应的高分辨显微图像像素值这个过程即为像素再处理过程。
第三、将面阵探测器上的每个阵列光斑都进行像素再分配处理，形成较小的阵列光斑(如图2(g)所示，黑色虚线为原阵列光斑，实心光斑为小的新阵列光斑)，得到样品中多个点对应的高分辨显微图像像素值，所有光斑处理计算完后，将得到一幅像素值间隔分布的高分辨显微图像。
第四、当对样品进行扫描时，如图3所示，样品上阵列光斑发生移动(虚线为移动后的阵列光斑)，阵探测器上阵列光斑位置不变，照射样品的阵列光场中光斑间距为d，若沿Y方向移动位移台，移动间距为s，每移动一次会得到一幅像素值间隔分布的高分辨显微图像，移动d/ds次，可以得到d/ds幅像素值间隔分布的高分辨显微图像，若沿X方向移动移动d/ds-1次位移台，也可以得到d/ds幅高分辨显微图像，将这d/ds幅像素值间隔分布的高分辨显微图像叠加，可以得到一幅完整的高分辨显微图像。
本发明提供的基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪100，其工作过程如下：
所述激光器111出射的一束线偏振激光，依次经所述二维光栅112、所述光阑113、所述波片114及所述透镜115后形成相邻光束偏振方向互相垂直的四束偏振光，所述四束偏振光经所述二色镜121后入射进入所述物镜122，并在所述物镜122的前焦面处发生干涉，形成具有光斑的干涉阵列光场，所述具有光斑的干涉阵列光场对所述样品进行并行照明，使得所述样品产生并行光信号，所述并行光信号经所述物镜122及所述二色镜121后再依次进入所述带通滤色片131、探测透镜132以及面阵探测器133，并在所述面阵探测器133的感光面形成阵列光斑，所述面阵探测器133探测所述阵列光斑，并对所述阵列光斑进行空间滤波及对所述阵列光斑的像素进行再分配处理，以形成较小的阵列光斑，同时并将所述阵列光斑转化为电信号，所述控制模块140采集所述电信号，所述图像重建模块150根据所述控制模块140采集所述电信号实现基于干涉阵列光场的高分辨并行扫描成像图像重建。
本发明提供的基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪100，对照明模块110进行设计以生成四束偏振光，由于上述四束偏振光干涉得到包含大量光斑的阵列光场，从而实现了样品的并行照明；同时，本发明提供的基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪，同时采用面阵探测器133接收阵列光斑，并对阵列光斑中的每个光斑进行像素再分配处理，实现高分辨、高信噪比的并行显微成像。
本发明提供的基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪，利用四束光干涉形成的阵列光场和像素再分配技术，可以提高点扫描显微技术的成像速度和分辨率，同时还能保证图像具有较高的信噪比，提高了图像质量，有利于点扫描显微技术在亚细胞结构观察、细胞动态过程观察等研究方面的应用，有益于生物医学领域的发展。
当然本发明的基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (3)

1.一种基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪，其特征在于，包括照明模块、扫描模块、探测模块、控制模块及图像重建模块，其中：
所述照明模块包括激光器、二维光栅、光阑、波片及透镜；所述激光器用于出射线偏振激光，所述二维光栅用于将入射的线偏振激光衍射后形成两组±1级衍射光及0级衍射光，且所述两组±1级衍射光及0级衍射光的偏振方向与所述线偏振激光的偏振方向相同，所述光阑用于遮挡0级衍射光，且只允许±1级衍射光通过，所述波片用于调制入射的两组±1级衍射光，并将其中一组±1级衍射光的偏振方向旋转90度，而使另一组±1级衍射光的偏振方向保持不变，得到相邻光束偏振方向互相垂直的四束偏振光，所述四束偏振光经过所述透镜聚焦后再进入所述扫描模块；
所述扫描模块包括二色镜、物镜及纳米位移台，所述纳米位移台可在XYZ三维方向移动，所述纳米位移台上承载有待检测样品，所述四束偏振光经所述二色镜后入射进入所述物镜，并在所述物镜的前焦面处发生干涉，形成具有光斑的干涉阵列光场，所述具有光斑的干涉阵列光场对所述样品进行并行照明，使得所述样品产生并行光信号；
所述探测模块包括带通滤色片、探测透镜以及面阵探测器，所述并行光信号经所述物镜及所述二色镜后再依次进入所述带通滤色片、探测透镜以及面阵探测器，并在所述面阵探测器的感光面形成阵列光斑，所述面阵探测器探测所述阵列光斑，并对所述阵列光斑进行空间滤波及对所述阵列光斑的像素进行再分配处理，以形成较小的阵列光斑，并将所述较小的阵列光斑转化为电信号；
所述控制模块电性连接于所述面阵探测器和所述纳米位移台，所述控制模块用于采集所述电信号；
所述图像重建模块电性连接于所述控制模块，所述图像重建模块根据所述控制模块采集所述探测器与所述纳米位移台的所述电信号实现基于干涉阵列光场的高分辨率并行扫描成像图像重建。
2.根据权利要求1所述的基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪，其特征在于，所述光阑为中心为实心的光阑。
3.根据权利要求1所述的基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪，其特征在于，所述面阵探测器为CCD或CMOS相机中的一种。
CN201710266286.1A 2017-04-21 2017-04-21 基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪 Active CN107152970B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710266286.1A CN107152970B (zh) 2017-04-21 2017-04-21 基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710266286.1A CN107152970B (zh) 2017-04-21 2017-04-21 基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107152970A CN107152970A (zh) 2017-09-12
CN107152970B true CN107152970B (zh) 2018-11-09

Family

ID=59794219

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710266286.1A Active CN107152970B (zh) 2017-04-21 2017-04-21 基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107152970B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3575773A1 (en) * 2018-05-28 2019-12-04 Universität für Bodenkultur Wien A method for determining a three-dimensional particle distribution in a medium
CN111948830B (zh) * 2020-08-11 2022-06-17 合肥维信诺科技有限公司 屏下成像装置、屏体模组、显示装置和滤波片的制作方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8228601B2 (en) * 2008-05-13 2012-07-24 Applied Materials Israel, Ltd. Scanning microscopy using inhomogeneous polarization
CN103257130B (zh) * 2013-05-31 2015-04-01 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 受激辐射损耗显微成像***
CN104198040B (zh) * 2014-09-24 2016-03-02 山东师范大学 一种二维琼斯矩阵参量的全息测量方法及实施装置
CN204085698U (zh) * 2014-09-24 2015-01-07 山东师范大学 一种二维琼斯矩阵参量的全息测量装置
GB201515862D0 (en) * 2015-09-08 2015-10-21 Univ Southampton Polarisation microscope

Also Published As

Publication number Publication date
CN107152970A (zh) 2017-09-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106872034B (zh) 快速三维多光谱显微成像***
US20200242735A1 (en) Super-resolution lattice light field microscopic imaging system and method
US7554725B2 (en) Microscope with a viewing direction perpendicular to the illumination direction
CN104570315B (zh) 一种基于结构照明的彩色三维层析显微成像***及方法
CN106908942A (zh) 基于微透镜阵列的高分辨并行显微成像仪
CN107907981A (zh) 一种基于双振镜的三维结构光照明超分辨显微成像装置
CN108594418A (zh) 一种基于阵列单像素探测器的光场显微成像***及其方法
CN107014795A (zh) 一种基于均匀结构光照明的共聚焦并行显微成像***
CN101893755B (zh) 使用四棱锥镜产生结构照明的荧光显微方法和装置
US20150131148A1 (en) Spinning disk confocal using paired microlens disks
CN108845410B (zh) 基于多面体棱镜的多光束共聚焦高速扫描成像方法与装置
CN208044186U (zh) 基于白光线光源的照明装置、病理切片成像装置及扫描***
CN107152970B (zh) 基于干涉阵列光场的高分辨并行显微成像仪
CN107678151A (zh) 基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪
CN103744172A (zh) 一种具备空间光调制照明的共聚焦显微成像方法
CN1702452B (zh) 数字微镜多目标成像光谱仪装置
CN108121059A (zh) 一种基于结构光照明的sted并行显微成像***
DE102019203129A1 (de) Messvorrichtung für optische Interferenz
CN107478628A (zh) 一种基于光子重组的双光子荧光显微方法及装置
CN108254340A (zh) 基于线偏振调制的扫描显微镜
Shao et al. High-speed spectrally resolved multifocal multiphoton microscopy
CN108982455A (zh) 一种多焦点光切片荧光显微成像方法和装置
US20200358946A1 (en) Methods and Systems for Single Frame Autofocusing Based on Color-Multiplexed Illumination
US20160033330A1 (en) Spectral imaging using single-axis spectrally dispersed illumination
CN1837763A (zh) 采用菲涅尔双面镜的全反射式傅立叶变换成像光谱仪

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant