平铺光片选择性平面照明显微镜、其使用方法以及显微镜系统技术方案

本公开涉及一种平铺光片选择性平面照明显微镜、其使用方法以及显微镜系统。该使用方法通过空间光调制器(SLM)对光瞳的各组光瞳分部加载相应相位图，对激发光束进行相位调制，从而创建至少两个同轴激发光束阵列。可对所创建的至少两个同轴激发光束阵列进行扫描，以相应生成不连续光片。并且，可以对所生成的至少一个不连续光片在激发光的传播方向上进行平铺，以得到平铺光片用于样本的选择性平面照明。利用根据本公开的TLS‑SPIM的使用方法、TLS‑SPIM及包含其的系统，能够显著地加快成像速度、提高分辨率、并且减少源数据量。

【技术实现步骤摘要】
平铺光片选择性平面照明显微镜、其使用方法以及显微镜系统
本公开涉及一种精密光学仪器及其使用方法和系统，更具体地，涉及一种平铺光片选择性平面照明显微镜、其使用方法以及平铺光片选择性平面照明的显微镜系统。
技术介绍
选择性平面照明显微镜(SPIM)(也称为光片显微镜)的3D成像能力取决于用于3D成像的激发光片的强度分布。光片的厚度、光约束能力以及尺寸分别决定了SPIM的轴向分辨率、光学切片能力以及视野(FOV)。然而，由于光的衍射，随着光片的长度增加，激发光受约束会减少，从而无法兼顾光片的厚度、光约束能力以及尺寸，因而使得使用SPIM对大样本进行高空间分辨率和高信噪比(SNR)成像变得有挑战性。除了优化光片强度分布的方法以外，另一种有效的手段是在像平面内沿着激发光的传播方向上快速移动平铺光片，以便能够在比光片尺寸大得多的FOV中保持高的空间分辨率和良好的光学切片能力。平铺光片选择性平面照明显微镜(TLS-SPIM)使用该策略以提高SPIM对大样本的3D成像能力。TLS-SPIM通过使用实时优化的平铺光片改进了SPIM的3D成像能力。在TLS-SPIM中，通过在像平面内的多个位置处平铺短而薄的光片并取得在各个光片平铺处的图像，对大视野(FOV)进行成像。使用在所有平铺位置处所采集的原始图像来重建最终图像。尽管TLS-SPIM能够具有提高的3D成像能力，但是平铺过程和额外的相机曝光，导致成像速度减慢且源图像量增加。具体说来，成像速度与平铺次数成比例地降低且原始图像数据量与平铺次数成比例地增加，所述平铺次数也就是每个像平面所需的相机的曝光次数。虽然这些问题在平铺次数和样本尺寸较小的时候不是大问题，但在以高空间分辨率使用TLS-SPIM对大样本进行成像(这样每个像平面需要大量的平铺)时会成为严重问题。例如，当使用TLS-SPIM以微米级别的空间分辨率对光学透明化的生物组织成像时，尽管空间分辨率得以提高，但总成像时间相较非平铺情况会延长几个小时甚或更多。同时，通过额外的相机曝光生成数十万兆字节或者更多的额外原始图像数据，这些数据必须被采集和处理。这对大多数成像系统的有限的数据采集和分析带宽生成了严重负担。目前，为了让每次平铺对更大的有效区域成像，通常的做法是，通过扫描“非衍射”的光束或光束阵列所获得的激发光片，诸如贝塞尔光片和晶格光片，来试图沿着激发光传播方向扩展进行平铺的光片。但是，当光片尺寸增加时，尤其对大体积样本进行成像时，这种“非衍射”的光片的激发光束的约束能力迅速下降，这显著降低了光学切片能力，显著降低了空间分辨率。提供了本公开以解决
技术介绍
中存在的上述缺陷。
技术实现思路
因此，需要一种TLS-SPIM的使用方法、一种新型的TLS-SPIM及包含其的系统，相较普通TLS-SPIM能够显著地加快成像速度、提高分辨率、并且减少源数据量。根据本公开的第一方案，提供一种平铺光片选择性平面照明显微镜的使用方法。该使用方法通过空间光调制器(SLM)对光瞳的各组光瞳分部加载相应相位图，对激发光束进行相位调制，从而创建至少两个同轴激发光束阵列。可对所创建的至少两个同轴激发光束阵列进行扫描，以相应生成不连续光片。并且，可以对所生成的至少一个不连续光片在激发光的传播方向上进行平铺，以得到平铺光片用于样本的选择性平面照明。根据本公开的第二方案，提供一种平铺光片选择性平面照明显微镜。该平铺光片选择性平面照明显微镜包括用于对激发光束进行相位调制的空间光调制器(SLM)、振镜、照明路径以及所述照明路径末端的激发物镜，所述SLM的光学调制平面与所述激发物镜的入瞳共轭。所述SLM可以被配置为：加载预先仿真计算的组合相位图，实现对光瞳的各组光瞳分部加载相应的相位图，从而创建数个同轴激发光束阵列。所述振镜可以被配置为：对至少一个所创建的同轴激发光束阵列进行扫描，以相应生成至少一个不连续光片。所述SLM可以进一步配置为：加载叠加球面相位后的组合相位图，来实现同轴激发光束阵列的创建连同不连续光片在激发光的传播方向上的平铺。根据本公开的第三方案，提供一种平铺光片选择性平面照明的显微镜系统。该显微镜系统可以包括根据本公开各种实施例的平铺光片选择性平面照明显微镜。该显微镜系统还可以包括处理单元，该处理单元可以配置为：预先仿真计算所述组合相位图，使得向所述SLM加载该组合相位图实现对光瞳的各组光瞳分部加载相应的相位图，从而创建数个同轴激发光束阵列；以及根据所生成的至少一个不连续光片的平铺需求，对所述组合相位图叠加球面相位。利用根据本公开的TLS-SPIM的使用方法、TLS-SPIM及包含其的系统，能够显著地加快成像速度、提高分辨率、并且减少源数据量。附图说明在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所公开的实施例进行说明。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。图1(a)示出根据本公开实施例的在TLS-SPIM中使用不连续光片进行3D成像的示意图；图1(b)示出根据本公开实施例的在TLS-SPIM中使用不连续光片的方法的第一示例的图示；图1(c)示出根据本公开实施例的在TLS-SPIM中使用不连续光片的方法的第二示例的图示；图1(d)示出根据本公开实施例的TLS-SPIM的使用方法的流程图；图2(a)示出根据本公开实施例的用于生成第一对同轴激发光束(也一起称为第一同轴激发光束阵列)的第一组光瞳分部、第一相位图以及该第一对同轴激发光束的图示；图2(b)示出根据本公开实施例的用于生成第二对同轴激发光束(也一起称为第二同轴激发光束阵列)的第二组光瞳分部、第二相位图以及该第二对同轴激发光束的图示；图2(c)示出根据本公开实施例的用于生成包括第一对和第二对同轴激发光束的同轴激发光束阵列的组合相位图以及所述同轴激发光束阵列的图示；图2(d)示出根据本公开实施例的用于平铺图2(c)所示的同轴激发光束阵列的平铺相位图以及平铺的同轴激发光束阵列的图示；图3(a)示出根据本公开实施例的通过扫描图2(c)所示的同轴激发光束阵列所创建的不连续光片在YZ平面内的最大强度投影、及其在指定位置处的强度分布；图3(b)示出具有与图3(a)所示的不连续光片相当的厚度和有效长度的贝塞尔光片在YZ平面内的最大强度投影、及其在指定位置处的强度分布；图3(c)示出根据本公开实施例的当与宽度为7.5μm的虚拟共焦狭缝的曝光同步地扫描图2(c)所示的同轴激发光束阵列所得到的等效光片在YZ平面内的最大强度投影、及其使用不同宽度的虚拟共焦狭缝在指定位置处的强度分布；图3(d)示出当与宽度为7.5μm的虚拟共焦狭缝的曝光同步地扫描图3(b)中使用的贝塞尔射束所得到的等效光片在YZ平面内的最大强度投影、及其使用不同宽度的虚拟共焦本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种平铺光片选择性平面照明显微镜的使用方法，其特征在于，包括：/n通过空间光调制器(SLM)对光瞳的各组光瞳分部加载相应相位图，对激发光束进行相位调制，从而创建至少两个同轴激发光束阵列；/n对所创建的至少两个同轴激发光束阵列进行扫描以相应生成不连续光片；/n对所生成的至少一个不连续光片在激发光的传播方向上进行平铺，以得到平铺光片用于样本的选择性平面照明。/n

【技术特征摘要】
20191028 US 62/926,8881.一种平铺光片选择性平面照明显微镜的使用方法，其特征在于，包括：
通过空间光调制器(SLM)对光瞳的各组光瞳分部加载相应相位图，对激发光束进行相位调制，从而创建至少两个同轴激发光束阵列；
对所创建的至少两个同轴激发光束阵列进行扫描以相应生成不连续光片；
对所生成的至少一个不连续光片在激发光的传播方向上进行平铺，以得到平铺光片用于样本的选择性平面照明。


2.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于，所述光瞳为激发物镜的入瞳。


3.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于，光瞳的各组光瞳分部通过对光瞳的划分来得到，经由空间光调制器(SLM)对光瞳的各组光瞳分部加载相应的相位图是通过向SLM加载组合相位图来实现的，且所述组合相位图通过预先仿真计算来确定。


4.根据权利要求3所述的使用方法，其特征在于，通过对所述组合相位图执行叠加球面相位的处理，并将处理后的相位图加载到SLM，来实现同轴激发光束阵列的创建连同不连续光片在激发光的传播方向上的平铺。


5.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于，对所生成的至少一个不连续光片在激发光的传播方向上进行平铺包括：在所述激发光的传播方向上的多个位置处平铺同个不连续光片。


6.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于，对所生成的至少一个不连续光片在激发光的传播方向上进行平铺包括：对不同且彼此互补的数个不连续光片进行平铺。


7.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于，各组光瞳分部通过对光瞳的划分来得到，每组光瞳分部包括加载相位图的有效图案的分部和不加载相位图的有效图案的分部。


8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于，加载相位图的有效图案的分部在不同组光瞳分部之间不重叠。


9.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于，所述光瞳分部为径向分部，且每组光瞳分部中加载相位图的有效图案的分部在周向上均匀分布。


10.根据权利要求9所述的使用方法，其特征在于，还包括：通过调节各个光瞳分部的面积及加载的相应的相位图，独立地控制各个同轴射束阵列的强度分布和位置。


11.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于，每个同轴激发光束阵列包括在激发光的传播方向上间隔开的一对同轴激发光束，通过对光瞳的各组光瞳分部加载相应的相位图，使得各个同轴激发光束阵列中的各对同轴激发光束彼此交错布置。


12.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于，所述SLM为二元SLM，且向其加载的相位图为二元相位图，所述二元相位图通过将相应连续相位图二值化来得到。


13.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于，用于平铺的至少一个不连续光片的相邻腰部中心在激发光的传播方向上的间距超过阈值，所述阈值与不连续光片的尺寸相关。


14.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于，对至少一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：高亮，
申请(专利权)人：西湖大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33