一种超快超分辨成像方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种超快超分辨成像方法，包括：激光经铁电液晶空间光调制器后聚焦样品面，收集样品发出的荧光；根据曝光时间和视场生成铁电液晶显示图，并进行显示图的拼接；根据得到的铁电液晶拼接图，控制铁电液晶显示和快门开启同步进行，并进行拍摄，得到原始图；根据原始图进行重构得到超分辨图片。本发明专利技术还公开一种超快超分辨成像系统。本发明专利技术所优化的控时序可以保证大视场、高效和高速地进行结构光照明超分辨成像；本发明专利技术中提出的空间滤波模块可以高速、动态、精准的进行空间滤波；解决了现有技术中成像速度慢、视场小和不灵活的问题。视场小和不灵活的问题。视场小和不灵活的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种超快超分辨成像方法及系统


[0001]本专利技术属于光学超分辨显微成像领域，特别涉及一种超快超分辨成像方法及系统。

技术介绍

[0002]在超分辨荧光显微成像领域，目前主要有单分子定位技术、受激辐射损耗技术和结构光照明技术这三种技术。单分子定位技术是一种亚纳米级别超分辨成像技术，通过对多张稀疏分布的荧光图像进行数据融合，从而得到高分辨率图片；但是它会导致过慢的成像速度。受激辐射损耗技术则是通过激发光和损耗光对系统点扩散函数进行调制从而实现超分辨。结构光照明技术则是通过频率域移频，将原本无法采集到的具有细节信息的高频信号移频到系统频率域以内，从而复现高分辨率图像；与以上两种技术相比虽然结构光照明技术的分辨率略低，但是它并不需要很强的光功率，避免了光漂白现象；并且通常只需要几张图就可以完成超分辨图像重构，大大提高了成像速度，适合在活细胞领域进行研究。
[0003]结构光照明技术最早是通过平移和旋转周期的物理光栅从而在成像面产生不同方向和相位的干涉条纹，通过莫尔条纹的移频作用恢复高频信息，从而得到超分辨图片；如公开号为CN106770147A的专利申请文件提供的一种结构光照明超分辨显微成像系统，包括：照明光源、旋转结构光生成器、第一会聚透镜、分光镜、物镜、载物台、样品、第二会聚透镜、数字成像设备和计算机，通过成像图像重建算法处理原始图像，只需要旋转4次结构光条纹，不需要相位平移即可实现超分辨。后来又提出了基于铁电液晶的结构光照明，通过调整铁电液晶显示图，就可对于铁电液晶的衍射光进行调控，从而调控在样品面产生的干涉条纹；故而仅需要一个铁电液晶便可实现条纹的平移和旋转，远远提高了成像速度和精度；如公开号为CN111308682A的专利申请提供的一种基于结构光照明的超分辨重构方法，利用空间光调制器生成结构光，调制物面待测样本，调制后引入原本不可采集的高频信息，并用CCD相机首次采集图像，通过空间光调制器生成相移为π的结构光，调制后二次采集图像，通过首次采集图像和二次采集图像相加获得宽场图像，并且利用宽场图像的频谱以及对该频谱进行维纳滤波生成的频谱，分离出二次采集图像中的高频信息，进行滤波和频谱移动操作，将高频移回原位置，并且通过广义维纳滤波对频谱进行加权平均，获取超分辨率的频谱，最后通过傅里叶逆变换获得超分辨图像。
[0004]但是由于铁电液晶衍射效率低的问题，通常基于铁电液晶的结构光照明需要较长时间的曝光，成像速度受曝光时间影响很大，而通常所用到的控制时序使得光照效率低下，进一步导致成像速度慢。
[0005]另外，为了产生理想的干涉条纹，铁电液晶在生成所需+1、
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1级相干光时，常常需要对产生干扰的空间频率进行空间滤波。但是通常所用的空间滤波器只能对单一频率信息进行滤除，无法实现连续的空间滤波，难以满足多色高分辨率成像的需求。

技术实现思路

[0006]同时本专利技术针对成像时快门开启时间浪费比较多、曝光效率不高的缺点进行了改进，优化控制方式，提高了成像速度和光照效率。
[0007]本专利技术对于多色结构光照明进行了空间滤波器结构上的优化，利用空间滤波器针对不同波长光的傅里叶面信息进行灵活的空间滤波，本专利技术可以实现连续的空间滤波。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提出了一种超快超分辨成像方法及系统，具体技术方案如下：
[0009]一种超快超分辨成像方法，包括步骤：
[0010]激光经铁电液晶空间光调制器后聚焦样品面，收集样品发出的荧光；
[0011]根据曝光时间和视场生成铁电液晶显示图，并进行显示图的拼接；
[0012]根据得到的铁电液晶拼接图，控制铁电液晶显示和快门开启同步进行，并进行拍摄，得到原始图；
[0013]根据原始图进行重构得到超分辨图片。
[0014]本专利技术中，确定曝光时间应考虑样品的荧光强度而定。曝光时间用于确定系统控制时序，直接影响成像的速度和最小视场。
[0015]确定成像所需视场和曝光时间类似，决定系统成像速度；但除此之外，确定成像所需视场还决定了最大曝光时间。
[0016]优选的，所述铁电液晶显示图的拼接由一张或两张原始图片裁剪拼接而成。
[0017]优选的，所述图片裁剪和拼接比例由铁电液晶显示图片时的相机快门的打开程度决定；
[0018]拼接的显示图的黑色区域代表图片该处没有任何显示信息；所述拼接的显示图来自铁电液晶原始图，且所有裁剪图可重新组成九张原始铁电液晶显示图。
[0019]优选的，所述控制铁电液晶显示和快门开启同步进行，控制在相机快门开启时对样品进行曝光；
[0020]在每个快门开启周期进行一次或两次铁电液晶显示；
[0021]时序中，铁电液晶显示时间应保证在相机快门开启时间之内。
[0022]优选的，进行拍摄时，激光器和铁电液晶空间光调制器之间应保持并行配合，保证在铁电液晶的位图显示周期内激光保持同步照射。
[0023]优选的，激光照射开始时间应与相机预设数据传输过程保持同步。
[0024]优选的，所述在铁电液晶的位图显示内容为不同方向、不同相位的位图拼接；所述在铁电液晶的位图显示周期内，动态调节激光照射时长以适应不同荧光样品拍摄需求。
[0025]本专利技术中，所述铁电液晶的准备和切换周期Ts不必等于铁电液晶的位图显示周期Te；所述铁电液晶位图显示周期Te可由实际视场需要合理配置，动态调整曝光时间，增加每一帧数据的平均光照强度；
[0026]进一步地，铁电液晶拼接位图T0可根据条纹形状任意设置，提高成像速度。
[0027]时序控制在相机快门开启时对样品进行曝光，提高了系统曝光时间的利用率，提高了成像质量；
[0028]优选地，所述时序控制在相机快门开启时对样品进行曝光，保证了高速成像时成像视场的最大化；
[0029]进一步地，根据得到的原始图，重构得到高实时性、长曝光时间的超分辨图片。
[0030]本专利技术还提供一种超快超分辨成像系统，包括：发出激光照明样品的光源模块，对所述激光进行调制的结构光调制模块，用于将激光投射到样品并收集荧光的荧光探测模块，和用于时序控制和图像处理的时序控制模块；所述结构光调制模块包括一铁电液晶空间光调制器，加载有按时序显示的拼接图，对入射的光束进行调制；
[0031]所述的时序控制模块用于：
[0032]根据曝光时间和视场生成铁铁电液晶空间光调制器上的显示图，并进行显示图的拼接；
[0033]根据得到的铁电液晶拼接图，控制铁电液晶显示和快门开启同步进行，并进行拍摄，得到原始图；
[0034]根据原始图进行重构得到超分辨图片。
[0035]本申请中，所述光源模块包括激光器光源和用于控制激光强度的声光调制器；
[0036]所述结构光调制模块包括沿光路依次设置的第一半波片、第一偏振分束立方、第二半波片、铁电液晶空间光调制器、消色差双胶合透镜、第一可变相位延迟器、第二可变相位延迟器、四分之一玻片和空间滤波器；所述空间滤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超快超分辨成像方法，其特征在于，包括：激光经铁电液晶空间光调制器后聚焦样品面，收集样品发出的荧光；根据曝光时间和视场生成铁电液晶显示图，并进行显示图的拼接；根据得到的铁电液晶拼接图，控制铁电液晶显示和快门开启同步进行，并进行拍摄，得到原始图；根据原始图进行重构得到超分辨图片。2.根据权利要求1所述的超快超分辨成像方法，其特征在于，所述铁电液晶显示图的拼接由一张或两张原始图片裁剪拼接而成。3.根据权利要求2所述的超快超分辨成像方法，其特征在于，所述图片裁剪和拼接比例由铁电液晶显示图片时的相机快门的打开程度决定；拼接的显示图的黑色区域代表图片该处没有任何显示信息；所述拼接的显示图来自铁电液晶原始图，且所有裁剪图可重新组成九张原始铁电液晶显示图。4.根据权利要求1所述的超快超分辨成像方法，其特征在于，所述控制铁电液晶显示和快门开启同步进行，控制在相机快门开启时对样品进行曝光；在每个快门开启周期进行一次或两次铁电液晶显示；时序中，铁电液晶显示时间应保证在相机快门开启时间之内。5.根据权利要求4所述的超快超分辨成像方法，其特征在于，进行拍摄时，激光器和铁电液晶空间光调制器之间应保持并行配合，保证在铁电液晶的位图显示周期内激光保持同步照射。6.根据权利要求4所述的超快超分辨成像方法，其特征在于，激光照射开始时间应与相机预设数据传输过程保持同步。7.根据权利要求4所述的超快速超分辨成像方法，其特征在于，所述在铁电液晶的位图显示内容为不同方向、不同相位的位图拼接；所述铁电液晶的位图显示周期内，动态调节激光照射时长以适应不同荧光样品拍摄需求。8.一种超快超分辨成像系统，包括：发出激光照明样品的光源模块，对所述激光进行调制的结构光调制模块，用于将激光投射到样品并收集荧光的荧光探测模...

【专利技术属性】
技术研发人员：匡翠方，朱玉坤，陈友华，刘旭，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：