一种结构光照明多焦面三维超分辨率成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种结构光照明多焦面三维超分辨率成像系统，包括激发光调制模块、显微放大模块和多焦面成像模块，其中，多焦面成像模块包括增焦分光组件和荧光探测器，增焦分光组件用于将荧光信号均分为不同传播方向和聚焦程度的多束信号光，从而使多束信号光在荧光探测器靶面的不同位置形成不同焦面的图像，实现多焦面图像的同时探测，获得物体的三维结构信息。相对传统结构光照明三维超分辨成像，此系统无需移动样品，因此成像速度大大提升，为活体样本三维结构的研究提供有力的技术手段。

A 3D super-resolution imaging system of multi focal plane illuminated by structured light

【技术实现步骤摘要】
一种结构光照明多焦面三维超分辨率成像系统
本专利技术属于显微镜
，具体涉及一种结构光照明多焦面三维超分辨率成像系统。
技术介绍
超分辨率荧光显微成像技术可以突破衍射极限观察更加微小的样品结构，因此获得了极大的关注和广泛的应用。结构光照明超分辨显微成像技术(StructureIlluminationMicroscope，简称SIM技术)是超分辨率荧光显微成像技术的一种，它利用周期分布的条纹状激发光照明样品，在荧光信号激发过程中，照明条纹和样品本身的空间频率发生混频，使得样品中的高频信息被调制到低频区域，进而能够被光学系统所探测，最终利用衍射受限的荧光图像重建出突破衍射极限的清晰图像。由于成像过程是在整个二维平面/三维空间同时操作完成，因此具有成像速度快，光毒性小的优点，被广泛的应用于生物活体样本成像。然而，使用SIM技术进行三维超分辨率成像(3D-SIM)时，由于物镜的景深有限，只能让样品沿物镜光轴方向移动，对样品各平面依次成像，而通常样品的机械运动速度较慢，因此3D-SIM成像速度远低于二维SIM成像，并且随着样本厚度的增加成像速度逐渐减慢。由于3D-SIM中使用三维结构光场照明样品，样品的不同层面都被照亮，因此，如果可以实现多个层面荧光信号同时进行采集，则可在不移动样品的情况下完成信号采集，大大提高成像速度。但是由于显微镜自身技术特点，不同焦面的荧光图像通常混在一起，需要特殊设计的成像结构进行成像。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的不足之处，本专利技术提供了一种结构光照明多焦面三维超分辨率成像系统。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种结构光照明多焦面三维超分辨率成像系统，包括激发光调制模块、显微放大模块和多焦面成像模块，所述激发光调制模块，用于将所述激发光调制到指定状态后，发送给所述显微放大模块；所述显微放大模块，用于利用调制后的所述激发光照亮样品，对所述样品进行显微观察，并将收集到的所述样品的荧光信号输送给所述多焦面成像模块；所述多焦面成像模块，包括增焦分光组件和荧光探测器，所述增焦分光组件用于将所述荧光信号均分为不同传播方向和聚焦程度的多束信号光，进而使所述多束信号光在所述荧光探测器靶面的不同位置形成不同焦面的图像，实现多焦面图像的同时探测。进一步的，所述增焦分光组件包括至少一组分光组件，所述分光组件包括两个分光棱镜和两个反射镜；一所述分光棱镜，用于将所述显微放大模块输送的荧光信号或另一所述分光组件的两个反射镜输送的一束信号光，均分为不同传播方向和聚焦程度的两束信号光；所述两个反射镜，用于分别反射均分后的两束信号光，使所述的两束信号光分别输送至另一所述分光棱镜上；另一所述分光棱镜，用于将反射后的两束信号光均分为具有不同传播方向和聚焦程度的四束信号光，并使所述四束信号光分别输送至所述荧光探测器靶面的不同位置或再一所述分光组件的两个反射镜上。进一步的，所述显微放大模块和所述增焦分光组件之间设置有第一透镜，所述第一透镜用于汇聚所述显微放大模块输出的荧光信号。进一步的，所述增焦分光组件包括反射式衍射元件和第二透镜，所述反射式衍射元件，用于将所述显微放大模块输出的荧光信号反射为多束传播方向和聚焦程度不同的信号光；所述第二透镜，用于将经所述反射式衍射元件分出的多束信号光分别汇聚，使汇聚后的所述多束信号光在所述荧光探测器的靶面的不同位置进行成像，进而实现多焦面同时成像。进一步的，所述反射式衍射元件为反射式光栅、数字微镜器件(DMD)或反射式液晶空间光调制器(SLM)中的一种。进一步的，所述增焦分光组件包括一反射镜、透射式衍射元件、色差补偿光栅、色差补偿晶体和第三透镜，一所述反射镜，用于将所述显微放大模块输出的荧光信号反射到所述透射式衍射元件上；所述透射式衍射元件，用于将经反射后的荧光信号分为多束波长和传播方向不同的光信号；所述色差补偿光栅和色差补偿晶体，用于对经分出的多束光信号的色差进行补偿；所述第三透镜，用于将经色差补偿后的多束信号光分别汇聚，使汇聚后的所述多束信号光在所述荧光探测器的靶面的不同位置进行成像，进而实现多焦面同时成像。进一步的，所述透射式衍射元件为透射式光栅或衍射晶体或透射式液晶空间光调制器。进一步的，所述激发光调制模块包括激发光发生组件、第一透镜组、偏振分束器、消色差半波片、空间光调制器和第四透镜，所述第一透镜组，用于将激发光发生组件产生的初始激发光进行扩束；所述偏振分束器，用于对经扩束后的初始激发光分束，将经分束后得到的激发光依次发送至所述消色差半波片和空间光调制器；所述空间光调制器，用于将从所述消色差半波片接收到的激发光进行调制，并将调制后的激发光分为两或三束后，再依次将所述两或三束激发光发送给所述消色差半波片和偏振分束器；所述第四透镜，用于将依次经过所述消色差半波片和偏振分束器的两或三束激发光汇聚成光轴平行的两束或三束聚焦激发光，并将两或三束激发光发送给所述显微放大模块。进一步的，所述激发光调制模块还包括依次设置在所述第四透镜和显微放大模块之间的偏振调制器、消色差四分之一波片和掩膜板，所述偏振调制器和消色差四分之一波片，用于调制两或三束激发光的偏振状态，并将两或三束激发光调制为偏振方向均垂直于光轴连线的线偏振光；所述掩膜板，用于去掉两或三束激发光以外的由空间光调制器产生的高频杂散光。进一步的，所述显微放大模块包括二向色镜、第二透镜组和物镜，所述二向色镜，用于透射所述激发光调制模块调制后的激发光；所述第二透镜组，用于将透射后的激发光汇聚到所述物镜的后焦面处；所述物镜，用于将汇聚后的激发光变为两束或三束准直光，并利用两束或三束准直光干涉后产生结构光场照明样品，激发出的所述样品的荧光信号被物镜收集，使所述荧光信号再依次经过所述第二透镜组和所述二向色镜后输送至所述多焦面成像模块。进一步的，所述增焦分光组件和所述荧光探测器之间设置有一50：50分光镜，所述分光镜用于将一荧光信号平均分为两路，再将经平分后的每一路所述荧光信号分别输送给两个荧光探测器，实现两个所述荧光探测器的多焦面图像的同时探测。本专利技术提供的一种结构光照明多焦面三维超分辨率成像系统，包括激发光调制模块、显微放大模块和多焦面成像模块，其中，多焦面成像模块包括增焦分光组件和荧光探测器，增焦分光组件用于将荧光信号均分为不同传播方向和聚焦程度的多束信号光，从而使多束信号光在荧光探测器靶面的不同位置形成不同焦面的图像，实现多焦面图像的同时探测，获得物体的三维结构信息。相对传统结构光照明三维超分辨成像，此系统无需移动样品，因此成像速度大大提升，为活体样本三维结构的研究提供有力的技术手段。附图说明图1为本专利技术示例性实施例1的一种结构光照明多焦面三维超分辨率成像系统的光路图；图2为本专利技术示例性实施例2的一种结构光照明多焦面三维超分辨率成像系统的光路图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结构光照明多焦面三维超分辨率成像系统，其特征在于，包括激发光调制模块、显微放大模块和多焦面成像模块，/n所述激发光调制模块，用于将所述激发光调制到指定状态后，发送给所述显微放大模块；/n所述显微放大模块，用于利用调制后的所述激发光照亮样品，对所述样品进行显微观察，并将收集到的所述样品的荧光信号输送给所述多焦面成像模块；/n所述多焦面成像模块，包括增焦分光组件和荧光探测器，所述增焦分光组件用于将所述荧光信号均分为不同传播方向和聚焦程度的多束信号光，进而使所述多束信号光在所述荧光探测器靶面的不同位置形成不同焦面的图像，实现多焦面图像的同时探测。/n

【技术特征摘要】
1.一种结构光照明多焦面三维超分辨率成像系统，其特征在于，包括激发光调制模块、显微放大模块和多焦面成像模块，
所述激发光调制模块，用于将所述激发光调制到指定状态后，发送给所述显微放大模块；
所述显微放大模块，用于利用调制后的所述激发光照亮样品，对所述样品进行显微观察，并将收集到的所述样品的荧光信号输送给所述多焦面成像模块；
所述多焦面成像模块，包括增焦分光组件和荧光探测器，所述增焦分光组件用于将所述荧光信号均分为不同传播方向和聚焦程度的多束信号光，进而使所述多束信号光在所述荧光探测器靶面的不同位置形成不同焦面的图像，实现多焦面图像的同时探测。


2.根据权利要求1所述的一种结构光照明多焦面三维超分辨率成像系统，其特征在于，所述增焦分光组件包括至少一组分光组件，所述分光组件包括两个分光棱镜和两个反射镜；
一所述分光棱镜，用于将所述显微放大模块输送的荧光信号或另一所述分光组件的两个反射镜输送的一束信号光，均分为不同传播方向和聚焦程度的两束信号光；
所述两个反射镜，用于分别反射均分后的两束信号光，使所述两束信号光分别输送至另一所述分光棱镜上；
另一所述分光棱镜，用于将反射后的两束信号光均分为具有不同传播方向和聚焦程度的四束信号光，并使所述四束信号光分别输送至所述荧光探测器靶面的不同位置或再一所述分光组件的两个反射镜上。


3.根据权利要求2所述的一种结构光照明多焦面三维超分辨率成像系统，其特征在于，所述显微放大模块和所述增焦分光组件之间设置有第一透镜，所述第一透镜用于汇聚所述显微放大模块输出的荧光信号。


4.根据权利要求1所述的一种结构光照明多焦面三维超分辨率成像系统，其特征在于，所述增焦分光组件包括反射式衍射元件和第二透镜，
所述反射式衍射元件，用于将所述显微放大模块输出的荧光信号反射为多束传播方向和聚焦程度不同的信号光；
所述第二透镜，用于将经所述反射式衍射元件分出的多束信号光分别汇聚，使汇聚后的所述多束信号光在所述荧光探测器的靶面的不同位置进行成像，进而实现多焦面同时成像。


5.根据权利要求4所述的一种结构光照明多焦面三维超分辨率成像系统，其特征在于，所述反射式衍射元件为反射式光栅、数字微镜器件(DMD)或反射式液晶空间光调制器(SLM)中的一种。


6.根据权利要求1所述的一种结构光照明多焦面三维超分辨率成像系统，其特征在于，所述增焦分光组件包括一反射镜、透射式衍射元件、色差补偿光栅、色差补偿晶体和第三透镜，
一所述反射镜，用于将所述显微放大模块输出的荧光信号反射到所述透射式衍射元件上；
所述透射式衍射元件，用于将经反射后的荧光信号分为多束波长和传播方向不同的光信号；

【专利技术属性】
技术研发人员：李栋，李迪，
申请(专利权)人：中国科学院生物物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11