基于空间光调制器的高光谱共焦显微镜及其使用方法技术

描述了用于共焦成像的系统和方法。在一个实施方式中，共焦成像系统(100)包括：光源(110)，被配置为发射具有一个或多个波长的激发光(10)；样品保持器(180)，被配置为保持样品；二维(2‑D)成像设备(190)，以及光学系统，该光学系统包括：第一空间光调制器(140)和第二空间光调制器(150)；其中，该光学系统被配置为(i)准直激发光(10)；(ii)使用第一空间光调制器(140)将预定的相位调制图案应用于准直的激发光(12)；(iii)使用相位调制的准直的激发光(14)作为激发图案来照射样品，其中激发图案位于相对于样品内的焦平面的傅里叶平面处；(iv)从样品内的焦平面收集发射光(18)；以及(v)经由第二空间光调制器(150)将收集的发射光(20)向成像设备(190)引导，使得样品内的焦平面与由第二空间光调制器(150)的像素形成的针孔图案共轭。

Hyperspectral Confocal Microscope Based on Spatial Light Modulator and Its Application

Systems and methods for confocal imaging are described. In one embodiment, the confocal imaging system (100) includes a light source (110) configured to emit exciting light (10) with one or more wavelengths, a sample holder (180) configured to hold the sample, a two-dimensional (2_D) imaging device (190), and an optical system comprising a first spatial light modulator (140) and a second spatial light modulator (150), wherein the optical system comprises a first spatial light modulator (140) and a second spatial light modulator (150). The system is configured to (i) collimate the excitation light (10); (i i) apply the predetermined phase modulation pattern to the collimated excitation light (12) using the first spatial light modulator (140); (i I i) use the phase modulation collimated excitation light (14) as the excitation pattern to illuminate the sample, in which the excitation pattern is located at the Fourier plane relative to the focal plane of the sample; (iv) collect and emit from the focal plane of the sample. Light (18); and (v) guide the collected emitted light (20) to the imaging device (190) via the second spatial light modulator (150), so that the focal plane in the sample is conjugated with the pinhole pattern formed by the pixels of the second spatial light modulator (150).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于空间光调制器的高光谱共焦显微镜及其使用方法相关申请的交叉引用本申请要求2016年5月27日提交的美国临时专利申请No.62/342,256和2017年5月27日提交的美国非临时专利申请No.15/607,455的权益，并且其内容通过引用并入本申请。
本公开一般涉及成像领域和显微镜系统以及方法。更具体地，但不限于，所公开的实施例涉及用于通过使用空间光调制器共焦成像的系统和方法。
技术介绍
荧光显微镜使用荧光原理而不是光吸收、相位或干涉效应来突出检查结构。例如，它能够应用于生物学和其他学科中以表征样品。在荧光显微镜中，样品中的荧光团或其他光学标记被指向样品的激发光束激发。在激发时，荧光团发射能够被获取为图像的荧光。当对厚样品成像时，能够采用光学技术来执行光学切片，即，获得轴向上的高分辨率图像。一种这样的技术是共焦显微镜。执行共焦显微镜的最常用方法是使用空间针孔，其拒绝从焦平面外部的平面发射的光。因为离焦荧光明显减少或消除，所以共焦显微镜实现了良好的轴向分辨率。因此，共焦显微镜能够进一步允许根据沿着轴向的一系列焦平面处获得的图像重建样品的三维(Three-Dimensional，3-D)图像(例如，虚拟体积图像)。在共焦显微镜中，通过使用点照射和检测来实现光学切片。激发光源，经常是激光束被聚焦到一个点，对整个样品进行扫描或在激光点固定的情况下在横向方向上平移样品。从样品收集的荧光然后通过单个针孔以产生样品的光学切片。通过逐点地侧向平移针孔或样品来生成二维(Two-Dimensional，2-D)图像。为了生成虚拟体积图像，将样品或物镜(objective)轴向平移以调节到焦平面，并且横向扫描针孔(或样品)以在该平面中构建图像。这显著地限制了图像采集的速度。通过使用并行扫描技术能够提高图像采集的速度，诸如使用具有针孔阵列的Nipkow盘的横河电机扫描单元。当Nipkow盘高速旋转时，激光并行穿过盘上的针孔，同时照亮样品上的许多离散点。然而，横河电机扫描单元的激发路径受非常低效率的影响。Nipkow盘典型地拒绝绝大多数激发光，因为相邻针孔之间的间距需要很大以维持合理程度的光学切片或共焦。另外，针孔的尺寸和间距是固定的，并且可以仅针对物镜的一个特定数值孔进行优化。改变光学切片的程度可能需要物理地移除和更换盘，这在大多数系统中可能是麻烦的、昂贵的或甚至是不可能的。因此，需要用于允许快速图像采集、激发光的有效利用以及针孔的容易调节的共焦成像的方法和系统。
技术实现思路
本公开的实施例包括通过同时捕获来自样品中的焦平面处的多个位置的光来改善共焦显微镜的吞吐量或时间性的系统和方法。有利地，示例性实施例通过使用诸如微镜设备(MicromirrorDevice，DMD)或液晶设备(LiquidCrystalDevice，LCD)的空间光调制器(SpatialLightModulator，SLM)来允许激发光的有效利用和容易调节的光学切片程度。根据本公开的示例性实施例，描述了共焦成像系统。该系统可以包括：光源，被配置为发射具有一个或多个波长的激发光；样品保持器，被配置为保持样品；二维(2-D)成像设备；第一组光学元件；和第二组光学元件。第一组光学元件可以包括第一空间光调制器(SLM)和至少一个透镜。第一组光学元件可以被配置为准直激发光，将预定的相位调制图案应用于准直的激发光，以及以激发图案照射样品。激发图案可以处于相位调制图案的傅立叶平面处。第二组光学元件可以包括第二SLM和至少一个透镜。第二组光学元件可以被配置为将从样品中的焦平面收集的发射光成像到成像设备。焦平面可以与由第二SLM的像素形成的针孔图案共轭。根据本公开的另一示例性实施例，描述了一种用于获得共焦图像的方法。该方法包括以下步骤：提供发射具有一个或多个波长的激发光的光源，准直来自光源的激发光，通过第一空间光调制器(SLM)将预定的相位调制图案应用于准直的激发光，以二维激发图案照射样品，以及将从样品中的焦平面收集的发射光成像到成像设备。激发图案可以处于相位调制图案的傅立叶平面处。焦平面可以与由第二SLM的像素形成的针孔图案共轭。根据本公开的又一示例性实施例，描述了一种用于配置共焦显微镜以获得样品的共焦图像的方法。该方法包括以下步骤：提供发射具有一个或多个波长的激发光的光源，准直来自光源的激发光，通过第一空间光调制器(SLM)将预定的相位调制图案应用于准直的激发光，以二维激发图案照射样品，以及将从样品中的焦平面收集的发射光成像到成像设备。激发图案可以处于相位调制图案的傅立叶平面处。焦平面可以与由第二SLM的像素形成的针孔图案共轭。所公开的实施例的附加特征和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中显而易见，或者可以通过实践所公开的实施例来学习。通过所附权利要求中特别指出的元素和组合，将实现和获得所公开实施例的特征和优点。应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都只是示例和说明，而不是对要求保护的所公开的实施例的限制。附图构成本说明书的一部分。附图示出了本公开的若干实施例，并且与说明书一起用于解释所附权利要求中阐述的所公开的实施例的原理。附图说明图1是根据本公开的实施例的示例性共焦成像系统的示意图。图2是根据本公开的实施例的用于执行高光谱共焦成像的示例性方案的图形说明。图3是根据本公开的实施例的用于获得共焦图像的示例性方法的流程图。具体实施方式所公开的实施例涉及用于实现共焦成像的系统和方法，其允许快速图像采集和激发光的有效利用。本公开的实施例可以使用具有一个或多个2-D成像设备(例如CCD或CMOS传感器或相机)的显微镜来实施，诸如荧光显微镜、共焦显微镜、透射显微镜或反射显微镜。可替代地，可以使用合适的光学元件来根据本公开的实施例构建光学成像系统。不是使用具有预定的针孔和/或微透镜阵列的Nipkow盘，本公开的实施例而是允许使用具有可调节尺寸和间距的可编程人造针孔来获取样品中的焦平面的2-D图像。能够在多个焦平面处获取多个2-D图像并且计算地重建多个2-D图像以获得样品的3-D或虚拟体积图像。另外，本公开的实施例允许获取样品中焦平面的高光谱共焦图像数据集。根据本公开的一个方面，具有一个或多个波长的激发光可以用于激发样品中的荧光团。激发光可以由单色光源或多色光源发射。在一些实施例中，单色光源可以是脉冲或连续的“单波长”激光器，其发射具有非常窄光谱的光。在其他实施例中，单色光源可以是单色器的输出。在一些实施例中，多色光源可以具有连续光谱。例如，多色光源可以是宽带光源，诸如某些超连续激光器、白光源(例如，高压汞灯、氙灯、卤素灯或金属卤化物灯)、或一个或多个LED。在其他实施例中，多色光源可以具有离散光谱。例如，多色光源可以是发射具有非常窄光谱的光的脉冲或连续“单波长”激光器的组合。根据本公开的一个方面，使用第一空间光调制器(SLM)可以将由光源发射的激发光构造成以激发图案照射样品上的区域的子集。为了构造激发光，第一SLM可以通过选择性地调制(例如，致动或切换)其像素来调制激发光的相位或振幅。在调制中像素可以是数字的或模拟的。第一SLM可以从包括数字微镜设备(DMD)、变形镜(DeformableMirror，DM)、衍射光学元件、液晶设备(LCD)和硅上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种共焦成像系统，包括：光源，被配置为发射具有一个或多个波长的激发光；样品保持器，被配置为保持样品；二维成像设备；和光学系统，包括：第一空间光调制器(SLM)；和第二SLM；其中，所述光学系统被配置为(i)准直激发光；(ii)使用所述第一SLM将预定的相位调制图案应用于准直的激发光；(iii)使用相位调制的准直的激发光作为激发图案来照射样品，其中所述激发图案位于相对于样品内的焦平面的傅里叶平面处；(iv)从样品内的焦平面收集发射光；以及(v)经由所述第二SLM将收集的发射光向所述成像设备引导，使得样品内的焦平面与由所述第二SLM的像素形成的针孔图案共轭。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.27 US 62/342,2561.一种共焦成像系统，包括：光源，被配置为发射具有一个或多个波长的激发光；样品保持器，被配置为保持样品；二维成像设备；和光学系统，包括：第一空间光调制器(SLM)；和第二SLM；其中，所述光学系统被配置为(i)准直激发光；(ii)使用所述第一SLM将预定的相位调制图案应用于准直的激发光；(iii)使用相位调制的准直的激发光作为激发图案来照射样品，其中所述激发图案位于相对于样品内的焦平面的傅里叶平面处；(iv)从样品内的焦平面收集发射光；以及(v)经由所述第二SLM将收集的发射光向所述成像设备引导，使得样品内的焦平面与由所述第二SLM的像素形成的针孔图案共轭。2.根据权利要求1所述的系统，还包括物镜，其中所述物镜将已经与所述第一SLM交互的激发光聚焦到样品内的焦平面上，以及准直从样品内的焦平面收集的发射光。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述光学系统还包括一个或多个中继透镜，其中所述一个或多个中继透镜将相位调制图案成像到所述物镜的后孔上。4.根据权利要求3所述的系统，其中所述光学系统还包括放置在所述一个或多个中继透镜中的两个中继透镜之间的光束转储器，使得所述光束转储器吸收已经与所述第一SLM交互的激发光中的低阶衍射最大值。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学系统还包括光学分束器，其中所述光学分束器将已经与所述第一SLM交互的激发光向样品引导，以及将发射光从样品透射到所述第二SLM。6.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学系统还包括半波片，其中所述半波片改变激发光的偏振方向。7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一SLM包括液晶设备(LCD)或硅基液晶(LCOS)设备中的至少一种。8.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二SLM包括数字微镜设备(DMD)、液晶设备(LCD)或硅基液晶(LCOS)设备中的至少一个。9.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学系统还包括一个或多个管透镜，其中所述一个或多个管透镜将所述第二SLM的针孔图案成像到所述成像设备。10.根据权利要求9所述的系统，其中所述光学系统还包括放置在一对管透镜之间的色散元件，其中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：CH吴，C桑托里，S辛哈，
申请(专利权)人：威里利生命科学有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US