一种基于光片照明的高分辨率四维光场显微成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光片照明的高分辨率四维光场显微成像系统，包括光片照明模块、运动控制模块和探测采集模块，其中，光片照明模块用于产生强度可调节、波长可调节、且厚度可调节的高斯光片，从而用于对待观测样本的层析照明；运动控制模块用于实现待观测样本在三维空间中的运动；探测采集模块用于采集来自待观测样本的信号，对待观测样本进行光场探测，并利用图像传感器对采集得到的信号进行记录存储。本发明专利技术中给出了综合光片照明与光场探测优点的四维显微成像系统，可有效解决显微成像问题中观测三维活体运动样本的困难，同时在不牺牲空间分辨率的情况下实现高帧率、高时间分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光片照明的高分辨率四维光场显微成像系统
本专利技术属于显微成像领域，更具体地，涉及一种基于光片照明的高分辨率四维光场显微成像系统，该系统是一种高帧率、高信噪比的三维显微成像系统，尤其适用于运动样本的实时三维观察与成像。
技术介绍
光片荧光显微镜是本世纪兴起的一种新型显微成像技术。与传统的荧光显微镜不同，光片荧光显微镜采用层析的照明方式，即照明光源和探测采集相互垂直，利用一种片状的光源从侧面去激发样品的荧光，利用宽场采集照明层的激发的荧光图像，通过扫描获取二维图像序列来重构三维。相比普通的宽场荧光显微镜和激光扫描共聚焦显微镜，光片显微镜具有较低的光毒性和光漂白性，较高的轴向分辨率，较快的成像速度。同时，由于抑制了焦外激发，所获得的图像具有更高的信噪比。光片荧光显微镜的这些特点使得对生物组织/生物体的三维、动态观察成为可能，已在生物医学成像领域得到广泛的关注。但由于光片的层析特性，在获取三维图像时需要依靠扫描的方式进行，因此不具有较好的实时性。光场成像是一种实时三维成像方法。传统的图像采集方式仅记录光线的强度信息，因此通过一张图像只能获得成像系统物面上的信号信息。光场成像通过在探测光路中添加特殊的光学元件，使得在一张图像中不仅保存了光线的强度信息，也同时保存了光线的角度信息，后期通过特殊的图像处理方法，就可以从这一张图像中获取系统物面附近一定区域内所有的信号信息。由于光场成像具有实时三维成像的特点，常用于对时间分辨率有要求的三维成像场景。但高时间分辨率的特点，注定导致相对于传统的成像系统，光场成像的空间分辨率在一定程度上受到了牺牲。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种基于光片照明的高分辨率四维光场显微成像系统，其中通过对构成四维光场显微成像系统的各个功能模块(尤其是光片照明模块及探测采集模块)所采用的细节组件及它们的配合工作方式等进行改进，得到同时结合光片照明与光场探测优点的四维显微成像系统，可有效解决显微成像问题中观测三维活体运动样本的困难，同时在不牺牲空间分辨率的情况下实现高帧率、高时间分辨率。并且，本专利技术同时具有光场探测和正常探测两种模式，具有结构紧凑，易于搭建，实现成本低，图像质量高等特点。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种基于光片照明的高分辨率四维光场显微成像系统，其特征在于，包括光片照明模块、运动控制模块和探测采集模块，其中，所述光片照明模块用于产生强度可调节、波长可调节、且厚度可调节的高斯光片，从而用于对待观测样本的层析照明；所述运动控制模块用于实现所述待观测样本在三维空间中的运动，从而实现对所述待观测样本不同位置的光片照明和探测采集；所述探测采集模块用于采集来自所述待观测样本的信号，对所述待观测样本进行光场探测，并利用图像传感器对采集得到的信号进行记录存储，该光场探测具体用于采集四维光场图像数据。作为本专利技术的进一步优选，所述探测采集模块还用于对所述待观测样本进行宽场探测，并同样利用图像传感器对采集得到的信号进行记录存储；所述宽场探测具体是用于采集普通的光片成像荧光数据。作为本专利技术的进一步优选，所述光片照明模块包括光轴均相互重合的多波长激光器(11)、光纤(12)、光纤准直器(13)、光束整形模块(15)和光片生成模块，其中，所述光纤(12)和所述光纤准直器(13)用于将所述多波长激光器(11)的出射光耦合至所述光束整形模块(15)；所述光束整形模块(15)包括依次位于光轴上的可调节狭缝(14)、可更换的第一透镜(151)、以及可更换的第二透镜(152)；其中，所述可调节狭缝(14)用于对耦合进该光束整形模块(15)的光束进行压缩，实现在成像过程中光片厚度的动态调整；所述可更换的第一透镜(151)与所述可更换的第二透镜(152)两者共焦平行放置，所述可更换的第一透镜(151)与所述可更换的第二透镜(152)独立的选自圆透镜或柱透镜，通过选择不同焦距的圆透镜或柱透镜实现对光束不同程度、不同维度的压缩与扩束；优选的，经过所述光束整形模块(15)整形后得到的光束再经过所述光片生成模块形成用于照明的一束压成片状的高斯光束，得到高斯光片。作为本专利技术的进一步优选，所述光片生成模块包括位于光轴上的可更换的柱透镜(16)及位移器；其中，所述柱透镜(16)用于控制生成的所述高斯光片的厚度；所述位移器则用于控制所述柱透镜(16)沿光轴的移动，从而控制生成的所述高斯光片的瑞利范围位置。作为本专利技术的进一步优选，所述探测采集模块包括无限远成像模块、分束4F模块(34)、光场探测模块、以及宽场探测模块；其中，所述无限远成像模块依次包括显微物镜(31)、滤色片(32)以及无限远校正套筒透镜(33)，这些显微物镜(31)、滤色片(32)以及无限远校正套筒透镜(33)依次放置在与高斯光片平面相垂直的第二光轴上；所述分束4F模块(34)包括三个全同透镜以及分路模块(342)，记这三个全同透镜分别第一透镜(341)、第二透镜(343)、第三透镜(344)，则所述第一透镜(341)与所述第二透镜(343)两者同轴等焦放置，它们的光轴与所述第二光轴重合；所述第一透镜(341)与所述第二透镜(343)的光轴还经过所述分路模块(342)，且所述分路模块(342)放置在所述第一透镜(341)与所述第二透镜(343)之间，所述分路模块(342)具体为分束光路或翻转平面镜，用于将光束分为两路或者使光束发生90°偏折；所述第三透镜(344)的光轴与所述第二光轴相垂直，经过所述分束光路得到的两路光束相互垂直；对于所述光场探测模块及所述宽场探测模块，其中任意一个位于所述分束4F模块(34)中所述第三透镜(344)后方的光路上，另一个位于所述分束4F模块(34)中所述第二透镜(343)后方的光路上；其中，所述光场探测模块包括依次位于所述第三透镜(344)或所述第二透镜(343)后方光路且均位于所述第三透镜(344)光轴或均位于所述第二透镜(343)光轴上的微透镜阵列(35)、微距镜头(36)及探测器(37)，所述微距镜头(36)还能够被分光计或滤光片代替；所述宽场探测模块则包括位于所述第二透镜(343)或所述第三透镜(344)后方光路上的探测器(37)。作为本专利技术的进一步优选，在所述分束4F模块(34)的傅里叶平面上还设置有光学掩模。作为本专利技术的进一步优选，所述运动控制模块具体包括样品夹持元件及三维运动模块；其中，所述样品夹持元件用于固定所述待观测样本，所述三维运动模块则用于控制所述待观测样本实现空间三维方向上的运动；优选的，所述三维运动模块包括三维位移台、以及能够驱动该三维位移台沿空间三个两两相互垂直的方向独立运动的直线电机；这些直线电机均优选为压电陶瓷电机。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用特定组件构成的光片照明模块及探测采集模块，利用两者的有效配合，可实现基于光片照明的高分辨率四维光场显微成像系统。本专利技术引入了光片照明的方法对光场探测进行了优化，可以获取更好的图像质量。并且，本专利技术提供的基于光片照明的光场显微成像系统，在设计上具有易于搭建、成本低、高空间利用率以及紧凑的特点，获取的三维图像具有较高的时间分辨率，三维分辨率，高成像速度等优点。本专利技术采用光片照明的方式，能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光片照明的高分辨率四维光场显微成像系统，其特征在于，包括光片照明模块、运动控制模块和探测采集模块，其中，所述光片照明模块用于产生强度可调节、波长可调节、且厚度可调节的高斯光片，从而用于对待观测样本的层析照明；所述运动控制模块用于实现所述待观测样本在三维空间中的运动，从而实现对所述待观测样本不同位置的光片照明和探测采集；所述探测采集模块用于采集来自所述待观测样本的信号，对所述待观测样本进行光场探测，并利用图像传感器对采集得到的信号进行记录存储，该光场探测具体用于采集四维光场图像数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于光片照明的高分辨率四维光场显微成像系统，其特征在于，包括光片照明模块、运动控制模块和探测采集模块，其中，所述光片照明模块用于产生强度可调节、波长可调节、且厚度可调节的高斯光片，从而用于对待观测样本的层析照明；所述运动控制模块用于实现所述待观测样本在三维空间中的运动，从而实现对所述待观测样本不同位置的光片照明和探测采集；所述探测采集模块用于采集来自所述待观测样本的信号，对所述待观测样本进行光场探测，并利用图像传感器对采集得到的信号进行记录存储，该光场探测具体用于采集四维光场图像数据。2.如权利要求1所述基于光片照明的高分辨率四维光场显微成像系统，其特征在于，所述探测采集模块还用于对所述待观测样本进行宽场探测，并同样利用图像传感器对采集得到的信号进行记录存储；所述宽场探测具体是用于采集普通的光片成像荧光数据。3.如权利要求1或2所述基于光片照明的高分辨率四维光场显微成像系统，其特征在于，所述光片照明模块包括光轴均相互重合的多波长激光器(11)、光纤(12)、光纤准直器(13)、光束整形模块(15)和光片生成模块，其中，所述光纤(12)和所述光纤准直器(13)用于将所述多波长激光器(11)的出射光耦合至所述光束整形模块(15)；所述光束整形模块(15)包括依次位于光轴上的可调节狭缝(14)、可更换的第一透镜(151)、以及可更换的第二透镜(152)；其中，所述可调节狭缝(14)用于对耦合进该光束整形模块(15)的光束进行压缩，实现在成像过程中光片厚度的动态调整；所述可更换的第一透镜(151)与所述可更换的第二透镜(152)两者共焦平行放置，所述可更换的第一透镜(151)与所述可更换的第二透镜(152)独立的选自圆透镜或柱透镜，通过选择不同焦距的圆透镜或柱透镜实现对光束不同程度、不同维度的压缩与扩束；优选的，经过所述光束整形模块(15)整形后得到的光束再经过所述光片生成模块形成用于照明的一束压成片状的高斯光束，得到高斯光片。4.如权利要求1或2所述基于光片照明的高分辨率四维光场显微成像系统，其特征在于，所述光片生成模块包括位于光轴上的可更换的柱透镜(16)及位移器；其中，所述柱透镜(16)用于控制生成的所述高斯光片的厚度；所述位移器则用于控制所述柱透镜(16)沿光轴的移动，从而控制生成的所述高斯光片的瑞利范围位置。5.如权利要求2所述基于光片照明的高分辨...

【专利技术属性】
技术研发人员：费鹏，杨一聪，汪兆强，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42