[发明专利]快速三维显微成像系统

说明书

本发明提出一种快速三维显微成像系统，包括：显微镜，将显微样本放大并成像到像面引出口；视场光阑，用于约束后级成像视场范围；窄带滤光片，用于对来自样本的信息进行窄带滤光；分束光栅，用于将经过第一级4f系统后的显微输出图像在二维空间分束；多焦距透镜阵列，用于对各光束加入不同相位调制，以在后级透镜后焦面得到不同深度图像；微透镜阵列，用于将经过分束光栅和多焦距透镜阵列的不同角度光线调制到微透镜后不同空间位置；像感器，用于记录经前级调制的样本图像。本发明能够以普通宽场显微镜单张成像速度实现多深度同时成像，成像速度快，图像分辨率高，可用于活体样本，且系统结构简单，成像深度间隔便于调整。

技术领域

本发明涉及计算摄像学技术领域，特别涉及一种快速三维显微成像系统。

背景技术

生命科学和材料科学研究对三维显微成像提出了更高要求。目前，大多显微三维成像利用共聚焦显微镜或双光子、多光子显微镜，逐点扫描采集荧光样本，形成不同深度下的图像。但这些方法存在两方面缺点。第一，所需激发光较强，容易造成荧光漂白，而且强光照射可能损伤样本细胞或组织结构；第二，对荧光样本特定深度成像需要逐点扫描，时间效率低。因此，上述方法不适用于光敏荧光样本和生物样本，而且成像速度慢，不能记录动态场景。

宽视场显微镜则不同，其光通量大，在较弱激发光下即能成像，而且每个深度可以直接成像，相比前述方法成像速度快。但利用宽场显微镜获得荧光图像存在如下问题：激发光不但激发了样本位于物镜焦平面处荧光信号，也激发了非焦平面的荧光信号，因此，成像传感器每个像素点光强是焦平面上荧光强度和非焦平面荧光强度以及噪声叠加，每个深度获得图像分辨率比前述方法分辨率低。三维显微成像就需要逐层扫描整个样本得到一组不同深度下的图像序列，然后通过计算方法消除噪声和模糊重建样本三维结构。

光场显微成像虽然不需要逐层扫描，单次拍摄即能计算重建样本三维结构。但该方法牺牲了空间分辨率，导致计算重建的样本三维分辨率较低，而且对于较厚的样本，重构质量差。基于多焦光栅的多平面同时成像方法在傅立叶面同时加入分束和相位调制，但为解决色散问题使系统结构复杂。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种快速三维显微成像系统，该系统能够以普通宽场显微镜单张成像速度实现多深度同时成像，成像速度快，图像分辨率高，可用于活体样本，且系统结构简单，成像深度间隔便于调整。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种快速三维显微成像系统，包括：显微镜，用于将显微样本放大并成像到像面引出口；视场光阑，位于所述显微镜的输出像面上，用于约束后级成像视场范围；窄带滤光片，位于视场光阑后的第一级4f系统中间，用于对来自样本的信息进行窄带滤光；分束光栅，用于将经过所述第一级4f系统后的显微输出图像在二维空间分束；多焦距透镜阵列，位于第二级4f系统的傅立叶面上，用于对各光束加入不同相位调制，以在后级透镜后焦面得到不同深度图像；微透镜阵列，位于所述第二级4f系统的像面，用于将经过分束光栅和多焦距透镜阵列的不同角度光线调制到微透镜后不同空间位置；像感器，位于第三级4f系统或成像镜头像面上，用于记录经前级调制的样本图像。

另外，根据本发明上述实施例的快速三维显微成像系统还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述显微镜为宽视场荧光显微镜。

在一些示例中，所述分束光栅与所述窄带滤光片通过所述第一级4f系统继接，用于进行光束信息复制和波段截取。

在一些示例中，所述多焦距透镜阵列的分布和第二级4f系统的傅立叶面空间位置相对应。

在一些示例中，对所述显微镜输出的荧光图像以衍射极限分辨率通过所述微透镜阵列进行调制。