基于偏振光学的超分辨率光电成像仪制造技术

本实用新型专利技术公布了一种基于偏振光学的超分辨率光电成像仪。该装置包括以主控计算机为核心的两种激光光源，依光路布置的偏振器、位相板、分光镜、消复色差透镜、窄带滤波器、针孔和探测器；依控制处理目的布置的成像器、机电控制设备、低精度平移台以及监视、网络和人机操作设备。本实用新型专利技术将超分辨率光学成像技术与超分辨率重建处理技术相结合，可在进一步改善成像分辨率的同时减少对器件的精度要求，节省成本，降低操作复杂性。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种基于偏振光学的超分辨率光电成像仪，尤其是能对观测物进行超分辨率重建的高分辨率成像方法与装置，属于光学成像与信号处理领域。
技术介绍
在许多数字成像应用领域，高分辨率的图像或视频对于图像处理和分析都是非常需要的。这种需要主要在两个方面起到重要作用一个是改善或增强人类对于图像信息的理解；另一个就是有助于机器自动感知和表示。图像的分辨率描述了图像中所包含的细节， 分辨率越高，细节也就越丰富。数字图像的分辨率可按照许多不同的方式分类，如像素分辨率、空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率以及辐射分辨率。这里我们感兴趣的主要是空间分辨率。近几年，纳米级生物学观测研究迅速发展，客观上激发了高分辨率成像研究向分子尺度进一步迈进。其中，荧光显微技术已经成为生物学研究的重要工具，依靠荧光显微镜可以观测到活细胞、组织以及动物体内的生物分子、通路和活动。与诸如电子显微技术的其它成像技术相比，荧光显微技术的主要优势在于与活细胞的兼容性，能够实现动态的和微创性成像实验。共焦显微术和宽场(WF)显微术是最为广泛使用的荧光成像方法，能够分辨出活细胞中的某些细胞器(例如细胞核、内质网和高尔基体)和追踪蛋白质与其它生物分子。然而，多年以来，上述荧光成像法一直都存在一个极限空间分辨率。按照阿贝的衍射理论，传统荧光显微成像无法逾越低于200纳米的距离，这样就分辨不出单个突触泡和相互作用蛋白对。事实上，生物学研究的许多领域都能够从改善的空时组合分辨率中获益。例如，神经元突触泡大小只有约40纳米，其信号发生的时间尺度为毫秒。细菌大小只有1-5 微米，传统的荧光显微术是很难分辨其亚细胞特征的。正是上述需求和局限，迫使人们在近年来持续地研究荧光显微方法，以打破传统的横向衍射极限。许多新的远场荧光成像技术不断涌现，这些革命性创造在理论上突破了空间分辨率的极限，被称为超分辨率成像技术。目前，在超分辨率荧光显微成像方面，出现了基态损耗(GSD)显微术、饱和结构照明显微术(SSIM)、受激发射损耗(STED)显微术、光激活定位显微术(PALM)、随机光学重建显微术(STORM)和近场扫描光学显微术(NSOM)等。超分辨率荧光显微术的蓬勃发展直接带动了生命科学的飞速进步。在诸多超分辨率荧光显微术中，STED显微术在生物样本实验中优势明显。STED是第一个用于细胞成像的远场超分辨率成像技术，它在两个分子状态之间运用空间调制和饱和跃迁达到打破衍射极限的目的。具体来说就是用两束激光照射样本，一束为激励激光脉冲，紧随的另一束是一种红移脉冲称为STED束。暴露于STED束的激发荧光团几乎立刻通过受激发射的方式返回自身的基态。这种由STED束引起的荧光态非线性(几乎指数)去激是打破STED成像衍射极限的基础。虽然两个激光脉冲都是衍射受限的，但是STED脉冲在聚焦中心被调制成零强度点而在这一点的外围却分布高强度点(也即聚焦为面包圈状的光圈)。如果两束脉冲中心重合，那么只有靠近STED束零中心的分子发荧光，这样就将激发荧光限制在零中心周围极小的范围。这种有效收窄点扩散函数(PSF)的方式最终超越了衍射极限增强了分辨率。有许多方式可以进一步缩小零中心荧光范围，其中借助光的偏振效应激发荧光团是普遍采用的方式。主要的偏振形式包括线偏振、圆偏振、径向偏振等等，每种偏振各有其优缺点和适用范围。最近有文献报道新型的切向偏振光激发显微具有低功耗特点，可以保护生物样本免受损害，因此受到关注。尽管基于切向偏振光的STED显微技术能够获得良好的显微效果，然而要实现这一效果需要复杂的光路、昂贵的精密光学元器件作为保障，例如具有精确平移尺度的纳米平移台，高昂的成本限制了这种技术的推广；同时整个系统的稳定性要求非常高，即使仪器精确也需要频繁的校准，例如要使扫描位置准确定位，这无疑也增加了操作的复杂度。总之，对于切向偏振光的STED显微技术来讲，其实现条件较为苛刻。为了克服偏振光显微所暴露出的局限，需要设计出一种在降低上述苛刻条件时， 也能获得比较满意的高分辨率图像的方法。事实上，除了超分辨率光学成像技术，在数字图像处理领域还有一种超分辨率重建处理技术也被广泛研究。这种技术不依赖于光学硬件设备，是一种用时间来换取空间分辨率的方法，可以先利用较为廉价的器件进行低分辨率序列成像，而后运用信号处理算法将序列图像重建为高分辨率图像。已报道的超分辨率重建技术大致可分为以下几类频域法、凸集投影法、插值-复原法、统计法和基于样本法。大量的文献分析可看出，利用统计法中的最大后验(MAP)模型可以加入图像的先验知识，具有更为严格的数学推理，因此重建结果的置信度较高。不仅如此，MAP超分辨率重建对于噪声、 配准误差和时变PSF都具有较强的处理能力，这也为有效地简化改造偏振光显微仪器提供了可能。以上研究表明，将基于切向偏振光的STED显微技术和基于MAP的超分辨率重建处理技术相结合，可以在降低仪器成本、简化操作难度的基础上很好实现纳米尺度上的高分辨率成像。这里，基于MAP的超分辨率重建也会根据STED显微的特点作进一步改进。近年来国内外在超分辨率技术研究方面，快速发展为两大分支超分辨率光学成像和超分辨率重建处理。两分支从不同角度对图像的分辨率进行提高，取得了丰硕的成果。 但将超分辨率光学成像技术和超分辨率重建处理技术相结合，利用超分辨率光学成像技术纳米级的硬件成像能力，利用超分辨率重建处理技术成本低廉处理灵活的特点，从而实现高分辨率的成像，迄今为止未见报道。
技术实现思路
本技术的目的是为了克服现有的超分辨率光学成像设备对器件精密度和稳定性要求过高导致价格昂贵、操作复杂的不足，提出了一种成本可接受的、稳定性要求不太苛刻的基于切向偏振光的STED显微装置。为了达到原有显微装置的高分辨率成像效果，本技术结合了超分辨率重建处理技术在获取多幅信息互补的显微图像后，利用时间换空间的软方法进行超分辨率重建，从而改善了显微图像的空间分辨率。特别指出的是，如果仅通过传统的单纯的光学显微设备来获取同样的图像，其成本是高昂的而且光学系统的稳定性要求也是极高的。另外根据显微成像的特点序列图像中每一帧的噪声、配准误差和 PSF估计误差的级别都极有可能不同(有的受污染严重有的则轻微)，本技术提出了新的MAP超分辨率重建处理算法，对于这里的显微成像更具针对性和鲁棒性本技术的目的是通过下述技术方案实现的。本技术基于偏振光学的超分辨率光电成像仪，包括激光光源，依次放置在激光光源发射端方向的第一切向偏振转换器、涡旋分布的 0 2 π位相板、第一分光镜、第二分光镜；STED激光光源，依次放置在STED激光光源发射端方向的第二切向偏振转换器、第三分光镜、第四分光镜；依次放置于第二、第四分光镜反射光方向的消复色差透镜、样品、用于固定样品的低精度平移台；依次放置于第二、第四分光镜透射光方向的探测和成像系统，包括用于去除背景噪声的窄带滤波器、用于聚焦的消复色差透镜、用于去除背景杂散光的针孔、用于探测光子强度的探测器、用于对探测到的光强进行处理获得二维图像的成像器；本技术所述的成像装置，包括主控计算机和机电控制装置组成的双信号反馈控制系统；主控计算机可分别通过探测器和成像器获得光子和图像两种信号，通过控制机电控制装本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于偏振光学的超分辨率光电成像仪，其特征在于，包括：由主控计算机控制启闭的激光光源，依次放置在激光光源发射端方向的第一切向偏振转换器、涡旋分布的０～２π位相板、第一分光镜、第二分光镜；由主控计算机控制启闭的ＳＴＥＤ激光光源，依次放置在ＳＴＥＤ激光光源发射端方向的第二切向偏振转换器、第三分光镜、第四分光镜；依次放置于第二、第四分光镜反射光方向的消复色差透镜、荧光样品、用于固定荧光样品的低精度平移台；依次放置于第二、第四分光镜透射光方向的探测和成像系统，包括：用于去除背景噪声的窄带滤波器、用于聚焦的消复色差透镜、用于去除背景杂散光的针孔、用于探测光子强度的探测器、用于对探测到的光强进行处理获得二维图像的成像器；光强探测器和成像器分别连接主控计算机以完成电信号的通信；主控计算机与光强探测器、成像器、机电控制装置联合组成双信号反馈控制系统，这样，主控计算机可分别通过探测器和成像器获得光子和图像两种信号，通过控制机电控制装置来调节低精度平移台从而移动样品位置，实现样品的两种扫描：二维扫描和循环扫描；主控计算机连接有网络接口可实现远程数据传输和控制；连接有监视器可实时监视图像；连接有用于人工干预的人机操作接口，以方便在必要时引入人为的调度。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐枫，王慧斌，王鑫，沈洁，徐立中，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：实用新型
国别省市：84