基于频谱合成的超分辨全内反射显微成像装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于频谱合成的超分辨全内反射显微成像装置和方法，该装置不需要荧光染色即可实现超分辨成像，可以更加真实观测样品动态；无类似荧光成像的漂白特性，可以长时间成像；通过软件控制二维扫描振镜实现透射照明和倏逝场照明方式的切换，不需要对光学系统元件进行调整，装调简单，结构紧凑，可操作性强；利用圆锥反射镜实现了对样品的全方位角照明，能够对任意照明方向的光线进行反射，同时由于反射镜光能损失小的特点，大大提高了照明的光能利用率，使得装置对照明激光的功率要求降低，更加节能环保。

Super-resolution total internal reflection microimaging device and method based on spectrum synthesis

【技术实现步骤摘要】
基于频谱合成的超分辨全内反射显微成像装置和方法
本专利技术涉及显微成像
，更具体的说是涉及一种基于频谱合成的超分辨全内反射显微成像装置和方法。
技术介绍
目前，在常规超分辨显微镜中，通常需要荧光标记，传统的荧光超分辨显微技术是利用荧光颗粒的非线性效应而将距离很近的结构分辨开来，达到超分辨的效果。基于荧光标记样品的超分辨成像方法对荧光颗粒和成像样品都有着较为严格的要求，普适性不强，标记样本由于其光漂白特性无法长时间成像，且易引起生物体排异反应，影响生物特性运动影响理论研究。相比而言，非荧光标记的超分辨显微方法在活体成像、多类样品成像和快速成像等方面具有天然的优势。但是，该方法需要克服光学中衍射极限的根本性物理瓶颈，故发展非常缓慢，且现有的非荧光标记超分辨显微技术实时性差、视场狭窄，并不能很好的解决荧光超分辨显微技术普适性差、成像时间短等问题。因此，如何提供一种无需荧光标记即可实现超分辨成像的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于频谱合成的超分辨全内反射显微成像装置和方法，不需要荧光染色即可实现超分辨成像，可以更加真实观测样品动态，无类似荧光成像的漂白特性，可以长时间成像，且可以实现全方位角照明，装置对照明激光的功率要求降低，更加节能环保。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一方面，本专利技术提供了一种基于频谱合成的超分辨全内反射显微成像装置，包括：偏振照明模块、光束扫描模块以及检偏探测模块，所述偏振照明模块、光束扫描模块和检偏探测模块沿光线传播方向依次布置；所述偏振照明模块沿光线传播方向依次设有激光器、第一偏振片以及四分之一玻片；所述光束扫描模块沿光线传播方向依次设有二维扫描振镜、扫描透镜、第一管镜、激光扩束镜、圆锥反射镜以及圆锥透镜，所述扫描透镜的工作面置于所述第一管镜的前焦面位置，经所述圆锥反射镜反射的光线与所述圆锥透镜的入射面垂直；所述检偏探测模块沿光线传播方向依次设有物镜、第二偏振片、第二管镜以及相机。进一步地，所述圆锥反射镜为中空环形，所述圆锥反射镜的中心与光轴重合。另一方面，本专利技术还提供了一种基于频谱合成的超分辨全内反射显微成像方法，该方法包括：步骤1：使用上述的成像装置进行照明光束扫描，在成像装置中的二维扫描振镜为无偏转状态下，即入射角θi＝0°时，获取垂直入射下待测样品透射光强分布图像；步骤2：改变二维扫描振镜的偏转状态，获得某一入射角θi＝θp下的透射光场光强分布图像；步骤3：控制二维扫描振镜，对样品进行360°圆周扫描，获得某一入射角θp下的不同照明方位角的透射光场光强分布图像集；步骤4：继续改变二维扫描振镜的偏转状态，获得不同入射角θi以及不同照明方位角αj下待测样品的透射光场光强分布图像集；步骤5：继续改变二维扫描振镜的偏转状态，使得入射角θi大于全内反射临界角，控制二维扫描振镜对样品进行360°圆周扫描，获得倏逝场照明下不同照明方位角的散射光强分布图像集；步骤6：应用傅里叶叠层成像算法进行频谱合成迭代求解，计算出待测样品的高分辨率复振幅最优解，得到高分辨率待测样品图像。进一步地，所述步骤1具体包括：步骤101：激光器发出的平行激光光束，经过第一偏振片和四分之一玻片后形成圆偏振光束；步骤102：设置二维扫描振镜为无偏转状态，圆偏振光束经过二维扫描振镜反射后，通过扫描透镜聚焦至第一管镜的前焦面处，依次通过第一管镜、激光扩束镜生成平行光；步骤103：通过圆锥透镜后以0°入射角照明样品，携带待测样品信息的透射光通过物镜、第二偏振片和第二管镜后被相机接收，获得垂直入射下待测样品透射光强分布图像。具体地，步骤2的实现过程为：改变二维扫描振镜的偏转状态，使得平行光束经过二维扫描振镜反射后偏离中心位置，此时光束通过扫描透镜聚焦至第一管镜前焦面处，发出平行光入射到圆锥反射镜上，经圆锥反射镜反射的平行光束进入圆锥透镜，当入射角θi小于全内反射临界角θc时不会发生全内反射，光束通过圆锥透镜后倾斜照明样品，样品经过倾斜照明后所产生的透射光通过物镜、第二偏振片和第二管镜后被相机接收。进一步地，所述步骤3具体包括：步骤301：控制二维扫描振镜，使照明光束在指定半径的圆周上移动；步骤302：每移动一次，相机拍摄一次图像，每次移动360°/N；步骤303：扫描一圈后得到透射光场光强分布图像集：{I(θp，αj)，j＝1,2,3,…,N}其中，θp为当前二维扫描振镜的偏转状态下的入射角，αj为360°圆周扫描过程中的不同方位角。进一步地，所述步骤4具体包括：步骤401：改变二维扫描振镜的偏转状态，使入射角θi以相同角度间隔增加M次；步骤402：每改变一次入射角度θi，重复一次步骤3的操作，得到M×N张倾斜入射下待测样品透射光强分布图像集：{I(θi，αj)，i＝1,2,3,…,M，j＝1,2,3,…,N}其中，θi为二维扫描振镜调整过程中的不同的入射角，αj为360°圆周扫描过程中不同的方位角。进一步地，所述步骤5具体包括：步骤501：继续改变二维扫描振镜的偏转状态，使得入射角θi大于全内反射临界角，此时光束通过扫描透镜聚焦至第一管镜前焦面处，发出的平行光入射到圆锥反射镜上，经圆锥反射镜反射出的平行光束进入圆锥透镜，并在圆锥透镜与样品交界面处产生倏逝场；步骤502：样品经过倏逝场照明后所产生的散射光通过物镜、第二偏振片和第二管镜后被相机接收；步骤503：控制二维扫描振镜使照明光束在指定半径的圆周上移动，每移动一次，相机拍摄一次图像，每次移动360°/N；步骤504：扫描一圈后得到N张倏逝场照明下不同照明方位角的散射光强分布图像集：{E(αj)，j＝1,2,3,…,N}式中，αj为360°圆周扫描过程中的不同方位角，N为图像总张数。进一步地，所述全内反射临界角的计算公式为：θc＝arcsin(n)式中，n为圆锥透镜折射率，θc为全内反射临界角。经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种基于频谱合成的超分辨全内反射显微成像装置和方法，该装置不需要荧光染色即可实现超分辨成像，可以更加真实观测样品动态；无类似荧光成像的漂白特性，可以长时间成像；通过软件控制二维扫描振镜实现透射照明和倏逝场照明方式的切换，不需要对光学系统元件进行调整，装调简单，结构紧凑，可操作性强；利用圆锥反射镜实现了对样品的全方位角照明，能够对任意照明方向的光线进行反射，同时由于反射镜光能损失小的特点，大大提高了照明的光能利用率，使得装置对照明激光的功率要求降低，更加节能环保。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于频谱合成的超分辨全内反射显微成像装置，其特征在于，包括：偏振照明模块、光束扫描模块以及检偏探测模块，所述偏振照明模块、光束扫描模块和检偏探测模块沿光线传播方向依次布置；/n所述偏振照明模块沿光线传播方向依次设有激光器(1)、第一偏振片(2)以及四分之一玻片(3)；/n所述光束扫描模块沿光线传播方向依次设有二维扫描振镜(4)、扫描透镜(5)、第一管镜(6)、激光扩束镜(7)、圆锥反射镜(8)以及圆锥透镜(9)，所述扫描透镜(5)的工作面置于所述第一管镜(6)的前焦面位置，经所述圆锥反射镜(8)反射的光线与所述圆锥透镜(9)的入射面垂直；/n所述检偏探测模块沿光线传播方向依次设有物镜(11)、第二偏振片(12)、第二管镜(13)以及相机(14)。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于频谱合成的超分辨全内反射显微成像装置，其特征在于，包括：偏振照明模块、光束扫描模块以及检偏探测模块，所述偏振照明模块、光束扫描模块和检偏探测模块沿光线传播方向依次布置；
所述偏振照明模块沿光线传播方向依次设有激光器(1)、第一偏振片(2)以及四分之一玻片(3)；
所述光束扫描模块沿光线传播方向依次设有二维扫描振镜(4)、扫描透镜(5)、第一管镜(6)、激光扩束镜(7)、圆锥反射镜(8)以及圆锥透镜(9)，所述扫描透镜(5)的工作面置于所述第一管镜(6)的前焦面位置，经所述圆锥反射镜(8)反射的光线与所述圆锥透镜(9)的入射面垂直；
所述检偏探测模块沿光线传播方向依次设有物镜(11)、第二偏振片(12)、第二管镜(13)以及相机(14)。


2.根据权利要求1所述的一种基于频谱合成的超分辨全内反射显微成像装置，其特征在于，所述圆锥反射镜(8)为中空环形，所述圆锥反射镜(8)的中心与光轴重合。


3.一种基于频谱合成的超分辨全内反射显微成像方法，其特征在于，包括：
步骤1：使用如权利要求1-2任一项所述的成像装置进行照明光束扫描，在成像装置中的二维扫描振镜为无偏转状态下，即入射角θi＝0°时，获取垂直入射下待测样品透射光强分布图像；
步骤2：改变二维扫描振镜的偏转状态，获得某一入射角θi＝θp下的透射光场光强分布图像；
步骤3：控制二维扫描振镜，对样品进行360°圆周扫描，获得入射角θp下的不同照明方位角的透射光场光强分布图像集；
步骤4：继续改变二维扫描振镜的偏转状态，逐次增大入射角θi，获得不同入射角θi以及不同照明方位角αj下待测样品的透射光场光强分布图像集；
步骤5：继续改变二维扫描振镜的偏转状态，使得入射角θi大于全内反射临界角，控制二维扫描振镜对样品进行360°圆周扫描，获得倏逝场照明下不同照明方位角的散射光强分布图像集；
步骤6：应用傅里叶叠层成像算法进行频谱合成迭代求解，计算出待测样品的高分辨率复振幅最优解，得到高分辨率待测样品图像。


4.根据权利要求3所述的一种基于频谱合成的超分辨全内反射显微成像方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
步骤101：激光器发出的平行激光光束，经过第一偏振片和四分之一玻片后形成圆偏振光束；
步骤102：设置二维扫描振镜为无偏转状态，圆偏振光束经过二维扫描振镜反射后，通过扫描透镜聚焦至第一管镜的前焦面处，依次通过第一管镜、激光扩束镜生成平行光；...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘辰光，刘俭，姜勇，陈刚，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，南京恒锐精密仪器有限公司，江苏锐精光电研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙;23