光学超分辨显微成像系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种光学超分辨显微成像系统，包括沿光路设置的光源、准直镜、激发滤光镜、光束整形器、扫描透镜、显微镜，其中，所述光源发射的光经过所述准直镜和所述激发滤光镜后形成准直的激发光；所述光束整形器将所述准直的激发光整形为环形平行光；所述扫描透镜将所述环形平行光聚焦在所述显微镜的成像平面上，以使所述样品发射荧光。本实用新型专利技术的光学超分辨显微成像系统，在常规的共聚焦成像系统的激发光路里加入光束整形器，将激发光由高斯光束整形为环形光束，使共聚焦成像系统对样品的照明，具有主光斑尺寸小于艾利斑、带有明显旁瓣特征，提高了图像分辨率。

Optical super-resolution microscopic imaging system

The utility model discloses an optical super-resolution micro imaging system, which comprises a light source, a collimator, an excitation filter, a beam shaper, a scanning lens and a microscope arranged along the optical path, wherein the light emitted by the light source passes through the collimator and the excitation filter to form a collimated excitation light; the beam shaper reshapes the collimated excitation light into a ring flat light The scanning lens focuses the circular parallel light on the imaging plane of the microscope so that the sample emits fluorescence. In the optical super-resolution micro imaging system of the utility model, a beam shaper is added to the excitation light path of the conventional confocal imaging system to shape the excitation light from a Gaussian beam to an annular beam, so that the confocal imaging system can illuminate the sample, which has the characteristics of the main spot size smaller than the Elliot spot, with obvious side lobe, and improves the image resolution.

【技术实现步骤摘要】
光学超分辨显微成像系统
本技术涉及生物医学显微成像、材料研究和集成电路芯片检测成像领域，更具体地说，本技术涉及一种光学超分辨显微成像的系统。
技术介绍
目前，超分辨光学显微成像技术主要有受激发射损耗显微镜技术(STED)、光激活定位显微镜技术(PALM)/随机光学重建显微镜技术(STORM)和结构照明(SIM)三大类。受激发射损耗显微镜技术需要两束严格共轴的激光，其中一束为激发光，另外一束为损耗光，系统结构复杂，搭建成本高昂。同时，该技术的分辨率与损耗光的光强相关，光强越高分辨率越高。而过高的损耗光光强，会对生物样品带来额外的光损伤，因而限制了该技术的适用性。光激活定位显微成像技术/随机光学重建显微成像技术利用光谱特性对荧光分子进行分时探测和中心位置定位，从而实现荧光密集标记样本的超分辨成像。此类技术需要大量地重复激活-激发-定位-漂白过程，需要成像几千上万次，才能重构得到超分辨图像。因此，该技术的使用受到极大的限制。结构照明显微成像技术利用一个载频条纹的照明光在样品上形成摩尔纹(Moirefringes)，样品的荧光信息通过成像系统被CCD接收，之后通过傅里叶变换将空间域和频域进行变化，从而获得超分辨图像。在实际应用中，该技术主要受限于CCD，很难在视野大小和超分辨率之间做好平衡。传统的传统共聚焦得到的图像艾利斑直径大，分辨率差，不满足使用要求。
技术实现思路
本技术的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。本技术还有一个目的是提供一种光学超分辨显微成像系统，在常规的共聚焦成像系统的激发光路里加入光束整形器，将激发光由高斯光束整形为环形光束，使共聚焦成像系统对样品的照明，具有主光斑尺寸小于艾利斑、带有明显旁瓣特征，提高了图像分辨率。为了实现根据本技术的这些目的和其它优点，提供了一种光学超分辨显微成像系统，包括沿光路设置的光源、准直镜、激发滤光镜、光束整形器、扫描透镜、显微镜，其中，所述光源发射的光经过所述准直镜和所述激发滤光镜后形成准直的激发光；所述光束整形器将所述准直的激发光整形为环形平行光；所述扫描透镜将所述环形平行光聚焦在所述显微镜的成像平面上，以使样品发射荧光。优选的是，所述的光学超分辨显微成像系统，光束整形器与显微镜之间还设有二色分光镜，所述二色分光镜将所述样品发射的荧光从所述环形平行光光路分离；在沿样品发射的荧光的光路上还设有发射滤光镜、聚焦透镜、设有针孔的针孔板、光电探测器；所述发射滤光镜仅透过所述样品发射的荧光，截止其余波长的光；所述聚焦透镜将所述样品发射的荧光聚焦于所述设有针孔的针孔板；所述光电探测器将穿过所述设有针孔的针孔板的荧光转为电信号，并传至计算机并将所述电信号还原为图像。优选的是，所述的光学超分辨显微成像系统，所述光束整形器包括沿光路依次设置的平凹锥透镜、平凸锥透镜、长焦距凸透镜、短焦距凸透镜或短焦距凹透镜，其中所述平凹锥透镜与平凸锥透镜的锥角相同。优选的是，所述的光学超分辨显微成像系统，所述光束整形器包括沿光路依次设置的光空间调制器、长焦距凸透镜、短焦距凸透镜或短焦距凹透镜，其中，通过所述光空间调制器来改变所述环形平行光光束的直径。优选的是，所述的光学超分辨显微成像系统，所述设有针孔的针孔板的直径等于或大于所述聚焦透镜对所述样品发射的荧光汇聚形成的光斑的直径。优选的是，所述的光学超分辨显微成像系统，还包括移动机构，其可改变环形平行光扫描样品的角度，从而使样品被完全地、均匀地扫描。优选的是，所述的光学超分辨显微成像系统，移动机构为位于二色分光镜后方的XY扫描振镜，通过XY扫描振镜的摆动使样品被完全地、均匀地扫描；或移动机构为三维平移台，通过所述三维平移台带动所述样品移动，以使所述样品被完全地、均匀地扫描。优选的是，所述的光学超分辨显微成像系统，所述光束整形器还包括运动机构，所述运动机构可控制所述平凸锥透镜沿光轴前后移动，以改变所述环形平行光光束的直径。还提供了一种光学超分辨显微成像方法，包括以下步骤：S1、获取待测样品的共聚焦图像，将共聚焦图像分割成多个区域图像，每个区域图像均包括一个中心光斑以及环绕中心光斑外周的环形旁瓣，对每个区域图像进行线性插值计算得到插值后的区域图像，获取每个插值后的区域图像的灰阶分布曲线，依据灰阶强度分布曲线构建与区域图像的中心光斑灰阶强度分布一致的第一光斑图像或依据灰阶强度分布曲线构建最高强度与灰阶强度分布曲线最高灰阶相同、分布与区域图像的环形旁瓣灰阶强度分布一致的第二光斑图像；S2、将每个第一光斑图像代替每个区域图像拼接后形成没有旁瓣的超分辨图像；或将每个第二光斑图像代替每个区域图像拼接后形成没有旁瓣的超分辨图像。还提供了一种光学超分辨显微成像方法，包括以下步骤：A1、获取标准样品的共聚焦图像，在标准样品的共聚焦图像选择一个包含中心光斑以及环绕中心光斑外周的环形旁瓣的区域作为模板；A2、对每个模板区域的图像进行插值计算得到插值后的模板区域图像，获取插值后的模板区域图像的灰阶强度分布曲线，依据灰阶强度分布曲线构建与模板区域图像的中心光斑灰阶强度分布一致的第三光斑图像或依据灰阶强度分布曲线构建最高强度与灰阶强度分布曲线最高灰阶相同、分布与模板区域图像的环形旁瓣灰阶强度分布一致的第四光斑图像；A3、在与标准样品相同条件下，获得待测样品的共聚焦图像，在待测样品的共聚焦图像中标记出多个与模板相对应的位置，并使用第三光斑图像或第四光斑图像代替对应位置处的图像，拼接后形成没有旁瓣的超分辨图像。本技术至少包括以下有益效果：1、本技术的光学超分辨显微成像系统，在常规的共聚焦成像系统的激发光路里加入光束整形器，将激发光由高斯光束整形为环形光束，使共聚焦成像系统对样品的照明，具有主光斑尺寸小于艾利斑、带有明显旁瓣特征，提高了图像分辨率。2、本技术的光学超分辨显微成像系统，设置共聚焦成像系统的设有针孔的针孔板的尺寸，等于或大于样品发射的荧光在共聚焦成像系统光路里形成的艾利斑，不以牺牲系统的光采集效率为代价压制旁瓣，而是保持系统原有的光采集效率，获取具有明显旁瓣特征的原始共聚焦图像。3、本申请的主光斑直径比传统共聚焦的艾利斑直径小，分辨率高，且环形旁瓣比主光斑更小，更进一步提高分辨率。本技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明图1为本技术的光学超分辨显微成像系统其中一个技术方案的结构示意图；图2为本技术的光学超分辨显微成像系统另一个技术方案的结构示意图；图3为本技术的光学超分辨显微成像系统另一个技术方案的结构示意图；图4为本技术的光学超分辨显微成像系统另一个技术方案的结构示意图；图5为本技术的光束整形器将准直的激发光整形为环形平行光的原理示意图；图6为样品共聚焦图像的区域图像的示意图；图7为经插值计算后区域图像的示意图；图8为区域图像的灰阶分布曲线；图9为样品共聚焦图像的示意图；图10为第一光斑的示意图；图11为第一光斑拼接后的示意图；图12为第二光斑的示意图；图13为第二光斑拼接后的示意图。具体实施方式下面结合附图对本技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。需要说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.光学超分辨显微成像系统，其特征在于，包括沿光路设置的光源、准直镜、激发滤光镜、光束整形器、扫描透镜、显微镜，其中，所述光源发射的光经过所述准直镜和所述激发滤光镜后形成准直的激发光；所述光束整形器将所述准直的激发光整形为环形平行光；所述扫描透镜将所述环形平行光聚焦在所述显微镜的成像平面上，以使样品发射荧光。

【技术特征摘要】
1.光学超分辨显微成像系统，其特征在于，包括沿光路设置的光源、准直镜、激发滤光镜、光束整形器、扫描透镜、显微镜，其中，所述光源发射的光经过所述准直镜和所述激发滤光镜后形成准直的激发光；所述光束整形器将所述准直的激发光整形为环形平行光；所述扫描透镜将所述环形平行光聚焦在所述显微镜的成像平面上，以使样品发射荧光。2.如权利要求1所述的光学超分辨显微成像系统，其特征在于，光束整形器与显微镜之间还设有二色分光镜，所述二色分光镜将所述样品发射的荧光从所述环形平行光光路分离；在沿样品发射的荧光的光路上还设有发射滤光镜、聚焦透镜、设有针孔的针孔板、光电探测器；所述发射滤光镜仅透过所述样品发射的荧光，截止其余波长的光；所述聚焦透镜将所述样品发射的荧光聚焦于所述设有针孔的针孔板；所述光电探测器将穿过所述设有针孔的针孔板的荧光转为电信号，并传至计算机并将所述电信号还原为图像。3.如权利要求1所述的光学超分辨显微成像系统，其特征在于，所述光束整形器包括沿光路依次设置的平凹锥透镜、平凸锥透镜、长焦距凸透镜、短焦距凸透镜或短焦距凹透镜，其中所述平凹锥透镜与平凸锥透镜的锥角相同。4.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖博，
申请(专利权)人：北京世纪桑尼科技有限公司，
类型：新型
国别省市：北京,11