[发明专利]基于高级次轴对称偏振光的并行共焦显微成像方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及并行共焦显微成像技术，具体涉及一种基于高级次轴对称偏振光的并行共焦显微成像方法及装置。

背景技术

近年来，共焦显微成像技术由于其高精度、高分辨率、非接触和独特的轴向层析成像能力以及易于实现三维图像重构等能力在微纳检测、精密测量和生物科学研究等领域得到了广泛应用，而且欧美发达国家的很多大公司也推出了高精度的成熟产品。

传统的共焦显微检测技术都是基于光源、被测物点和探测器三点彼此共轭的原理进行单点扫描成像的，因此成像速度较慢，而且扫描时因为机械振动等因素限制了测量精度，很难实现快速实时的三维测量。但是为了从分子水平揭示生命过程和材料性能的物理本质，需要实时观察活细胞和细胞膜的动态变化过程。因此，如何利用光学方法突破传统光学显微镜的分辨率极限，使其既具有纳米尺度的光学分辨本领又可以连续监测生物大分子和细胞器微小结构的演化，成为共焦显微成像技术发展的一个重要挑战和机遇。为了解决共焦显微镜成像速度慢、视场较小的确定，提出了并行共焦显微成像技术，成为近些年的一个研究热点。该方法采用微光学器件实现对光束的分割，使单点扫描变为多光束同时并行扫描，极大提高了测量速度。截止到目前位置，提出了多种并行共焦显微成像方法，如Nipkow转盘法、微透镜阵列法、达曼光栅法、像散法、集成光纤束法、数字微镜法和彩色色差法等。但总体来说，这些方法尽管提高了显微成像的速度，但是其分辨率还较低，尚不能满足对亚细胞微结构进行高分辨率观测的要求。

发明内容

本发明提供一种基于高级次轴对称偏振光束的并行共焦显微成像方法和装置，以期在提高检测速度的同时，实现高分辨率成像，满足对亚细胞微纳结构进行实时、高分辨率观测的要求。

本发明提供一种基于高级次轴对称偏振光束的并行共焦显微成像装置，其中包括如下部分：针孔滤波器，激光器发出的光束经过针孔滤波器滤波；准直透镜，经过滤波的光束被准直透镜准直为平行光束；偏振转换系统，该平行光束被随后的偏振转换系统转换为预定形式的高级次轴对称偏振光束；光瞳滤波器，所述高级次轴对称偏振光束经过光瞳滤波器进行振幅及相位调制；分束镜，经振幅及相位调制的高级次轴对称偏振光束被分束镜反射后聚焦到探测样品上，得到多个聚焦光斑，可同时探测样品多个位置的信息，以及，从样品多个探测位置反射回的光信号经过分束镜后透射；滤光片，透射的光束中包含原有波长的激发信号和激发的荧光信号，利用滤光片将其中的激发信号去除，使得只允许荧光信号透过并被聚焦在焦平面上，得到对应的多个聚焦光斑；针孔阵列板，布置于焦平面上，该针孔阵列板的针孔位置与聚焦光斑的位置匹配，使每个聚焦光斑只从其中的一个针孔透射，保证了共轭成像关系；传感器，从针孔阵列透射的荧光信号被传感器接收，被传送到计算上进行后续的数据处理和图像重构，其中，样品被放置于一三维平移台上，通过移动三维平移台可改变聚焦光斑在探测样品上的探测位置，以实现样品的三维扫描成像。

可选的，在焦平面上获得多个聚焦光斑，光斑数量为2×(P-1)个，其中P为光束的偏振级次P。

可选的，光束的偏振级次P为3或4。

本发明提供一种基于高级次轴对称偏振光束的并行共焦显微成像方法，其中包括如下步骤：

激光器发出的光束经过针孔滤波器滤波，；经过滤波的光束被准直透镜准直为平行光束，；该平行光束被随后的偏振转换系统转换为预定形式的高级次轴对称偏振光束，；所述高级次轴对称偏振光束经过光瞳滤波器进行振幅及相位调制，；经振幅及相位调制的高级次轴对称偏振光束被分束镜反射后聚焦到探测样品上，得到多个聚焦光斑，可同时探测样品多个位置的信息，以及，从样品多个探测位置反射回的光信号经过分束镜后透射；透射的光束中包含原有波长的激发信号和激发的荧光信号，利用滤光片将其中的激发信号去除，使得只允许荧光信号透过并被聚焦在焦平面上，得到对应的多个聚焦光斑；针孔阵列板布置于焦平面上，该针孔阵列板的针孔位置与聚焦光斑的位置匹配，使每个聚焦光斑只从其中的一个针孔透射，保证了共轭成像关系；从针孔阵列透射的荧光信号被传感器接收，被传送到计算上进行后续的数据处理和图像重构；其中，样品被放置于一三维平移台上，通过移动三维平移台可改变聚焦光斑在探测样品上的探测位置，以实现样品的三维扫描成像。

附图说明

图1(a)是轴对称偏振光束的空间偏振分布特性，图1(b)-图1(d)是高级次轴对称偏振光束的空间偏振分布特性，其中，图1(b)是偏振级次P=2的情况，图1(c)是偏振级次P=3的情况，图1(d)是偏振级次P=4的情况，其中箭头表示对应位置线偏振的方位。