[实用新型]一种超分辨率荧光数字全息断层显微成像系统

说明书

技术领域

本实用新型公开了一种基于结构照明和荧光数字全息术的超分辨率荧光数字全息断层显微三维成像系统，属于荧光数字全息与超分辨率成像技术领域。

背景技术

数字全息术作为一种干涉成像技术，能够实现相干照明样品图像的三维数值重建或定量相衬成像。数字全息显微技术已被广泛地应用于生物医学领域的具体研究中。在实际成像应用时，与传统的显微成像技术相比，数字全息显微术具有快速、实时、三维和高精度等优点。荧光数字全息术的出现，解决了传统数字全息术对照明光源相干性的依赖，将数字全息显微技术拓展至空间非相干成像领域。通过利用光的空间自相干特性，荧光数字全息技术中使用空间光调制器等器件对样品发出的光波进行分光和相移等操作，再利用图像采集器件记录全息图，通过计算机中的数值算法对全息图进行处理,最终可实现荧光样品不同深度处图像的三维重建。荧光数字全息术虽然具有三维成像能力，但样品内某一深度处的成像结果更容易受到来自样品其它深度发出荧光的影响，即光学断层成像能力较差。将荧光数字全息技术与共聚焦显微等技术结合，可以实现样品的高分辨率光学断层成像。然而，为了实现样品信息的三维重建，现有大多数类似研究中，依然需要对样品进行二维或三维扫描，系统的采集速度较慢。且共焦技术中照射到样品上的聚焦光斑具有较高的能量密度，容易导致荧光蛋白或染料的光漂白。

结构照明显微术是一种主要应用与宽场荧光显微领域的超分辨率成像技术。传统的结构照明显微术中，一般利用激光照明光栅或空间光调制器等器件，进而在样品上产生条纹状的强度周期分布激发光。激发出的荧光具有类似的周期性强度分布，而后通过成像系统和图像探测器探测该荧光信号，并结合数值算法在计算机中重构超分辨率的荧光样品图像。通过该方法获取的往往只是二维的超分辨率图像，缺乏样品的三维信息。通过结构光断层重建算法，可以从结构光显微获取的原始数据中重构样品的光学断层成像结果。但是，重建出的光学断层结果的分辨率至多等于衍射极限分辨率，即不能实现超分辨率成像。结合多光束干涉技术，可以产生三维结构的激发光照明样品。利用精密压电平移台对样品进行深度方向扫描并记录一系列样品不同深度处的荧光图像，对图像进行三维数值运算后能够实现荧光样品图像的三维超分辨率重构。但是，该方法的扫描过程耗时较长，记录的数据量较大，涉及的数值运算量大且耗时较长。因而不适合动态样品成像或样品内动态过程的观察。

为了解决上述局限，本发明将三维结构照明显微和荧光数字全息术相结合，公开了一种超分辨率荧光数字全息断层显微成像系统。与现有的结构照明显微技术或荧光数字全息术相比，本发明提出的系统和方法能够实现荧光样品的宽场超分辨率光学断层三维成像。

实用新型内容

为了在现有结构照明显微中结合荧光数字全息技术，实现超分辨率的光学断层成像并提高成像速度，本实用新型提供了一种超分辨率荧光数字全息断层显微成像系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型专利公开了一种超分辨率荧光数字全息断层显微成像系统，其特征在于，包括光路连接放置的激光器(1)、光纤(2)、准直透镜(3)、I空间光调制器(4)，第一透镜(5)、二向色镜(6)、第二透镜(7)、第三透镜(8)、反射镜(9)、显微物镜(10)、第四透镜(12)、样品(11)、分束棱镜(13)、II空间光调制器(14)、图像采集器(15)；其特征在于：激光器(1)发出的光经光纤(2)传导和准直透镜(3)准直后照明I空间光调制器(4)，I空间光调制器(4) 反射光波经过第一透镜(5)汇聚后被二向色镜(6)反射，二向色镜(6)反射的光进而依次经过第二透镜(7)、第三透镜(8)后，再被反射镜(9)反射后进入显微物镜(10)，经过显微物镜(10)后的光波照射在样品(11)上，激发出的荧光被显微物镜(10)收集后被反射镜(9)反射，然后再依次通过第三透镜 (8)、第二透镜(7)、二向色镜(6)、第四透镜(12)和分束棱镜(13)后照射到II空间光调制器(14)上，II空间光调制器(14)反射的光再次被分束棱镜(13) 反射后照射到图像采集器(15)上，由图像采集器(15)记录光强分布；其中I 空间光调制器(4)、II空间光调制器(14)和图像采集器(15)均与计算机(16) 相连接。

其中，为了产生三维结构照明光，进一步优选，在计算机(16)中生成并于 I空间光调制器(4)上显示二值光栅；为了实现分光和相移进而实现全息图的记录，还在计算机(16)中生成并于II空间光调制器(14)上显示衍射分光相位掩膜图样。