[发明专利]一种基于散斑照明的超分辨显微方法和装置

说明书

本发明公开一种基于散斑照明的超分辨显微方法，包括：对激光光束进行调制，聚焦到待测样品上形成散斑照明图样，并收集所述待测样品发出的荧光，得到荧光强度图像；改变所述的散斑照明图样，得到不同散斑照明图样下的多幅荧光强度图像；将所有的荧光强度图像相加得到的图像作为宽场图，并对所述的宽场图进行反卷积得到样品的初始估计；根据得到的初始估计，使用梯度下降算法计算初始的照明图像；利用FP算法，在获得的物体图像和初始的照明图像的基础上算出更高分辨率的样品图像；以算出的样品图像作为样品的估计值，重复上述的迭代，直至迭代完成，即可得到超分辨图像。本发明还公开一种基于散斑照明的超分辨显微装置。

技术领域

本发明属于光学超分辨显微领域，特别涉及一种基于散斑照明的超分辨显微方法和装置。

背景技术

随着科技的发展，人们对微观世界的需求日益增加，尤其是生命科学和材料科学。为了满足对纳米尺度物质信息的探索，许多学者都在致力于提高分辨率的研究。目前已经实现的超分辨技术有：结构光照明显微技术(structured illumination microscopy,SIM)，受激发射减损显微技术(stimulated emission depletion,STED)，随机光学重构显微技术(stochastic optical reconstruction microscopy,STORM)，光激活定位显微技术(photoactivated localization microscopy,PALM)等。

上述超分辨成像技术中，STORM和PALM的成像速度有限，极大地限制了分子动力学、细胞内环境等基础生物学研究工作的开展；STED需要很强的光源，容易漂白荧光分子；而SIM适用于各种荧光标记的样品，且有较好的时间分辨率，无需很强的光源。这些特点使SIM在实时观测样品的生命活动上具有非常大的优势。

根据照明图样的不同，SIM可以分为线性-SIM、非线性-SIM、盲-SIM。其中，盲-SIM由于其对像差引起的照明变形的不敏感性，所以对实验器材的像差校正要求低，而且不需要对照明图案的形状进行精准的控制，大大简化了实验设置。

而原始的盲-SIM的算法在实验过程中往往不能够使得分辨率提高到我们满意的程度，所以之后又有基于盲-SIM的优化算法。目前，基于盲-SIM的优化算法有PE-SIMS-PR，但是这种基于协方差的盲-SIM算法在复原一个灰度图像时，最终结果会使得强度较弱的荧光信号被丢失，从而损伤最终的图像的信息。

同样的，散班照明的FP(pattern-illuminated Fourier ptychography,piFP)算法也不需要对于照明图案进行精确的控制，但是这种方法需要知道照明图案移动的精确位置，也给这个算法的实现带来了一定的困难。

发明内容

本发明提供了一种基于散斑照明的超分辨显微方法和装置。该种方法结合了散斑照明、图样估计和FP算法，来复原一个超分辨图像。在随机散斑照明图样下，获取物体图像，并且通过一个新算法估计照明图样。基于获得的物体图像和估计出的照明图样，使用FP算法复原出高分辨率图像。此方法不需要提前知道照明图样的具体信息，只要照明图样满足所有图样求和均匀即可，对样品或像差引起的照明变形的不敏感，对装置的要求大大降低，特别适合生命科学研究中的超分辨成像。

一种基于散斑照明的超分辨显微方法，包括步骤：

1)对激光光束进行调制，聚焦到待测样品上形成散斑照明图样，并收集所述待测样品发出的荧光，得到荧光强度图像；

2)改变所述的散斑照明图样，得到不同散斑照明图样下的多幅荧光强度图像；

3)将所有的荧光强度图像相加得到的图像作为宽场图，并对所述的宽场图进行反卷积得到样品的初始估计；

4)根据得到的初始估计，使用梯度下降算法算初始的照明图像；