[发明专利]基于电光调制技术的相位调制荧光差分显微成像方法和装置

说明书

本发明公开一种基于电光调制技术的相位调制荧光差分显微成像装置，包括产生激发光束的照明系统，收集样品发出荧光信号的探测系统，以及用于控制和信号处理的计算机，所述的照明系统包括依次布置的：激光器，发出激光光束；电光调制模块，用于控制激光光束在右旋圆偏振光和左旋圆偏振光之间的快速转换；相位调制器件，对圆偏振光进行相位调制，形成照明样品并激发荧光的实心光斑和空心光斑。本发明还公开了一种基于电光调制技术的相位调制荧光差分显微成像方法，实现了实心和空心光斑的快速转换，在很大程度上提升了荧光差分显微成像系统的成像速度。

技术领域

本发明属于共聚焦显微成像领域，特别涉及到一种基于电光调制技术实现快速相位调制荧光差分显微成像的方法和装置。

背景技术

传统的远场荧光显微技术由于受到衍射极限的限制，其能够实现的分辨率总是很难低于二分之一波长，因此在生物医学、纳米技术以及材料等领域的应用受到很大的限制。为了突破这一限制，从上个世纪90年代开始，相关研究人员便提出了很多超分辨显微技术，例如受激辐射损耗超分辨显微技术(STED)，单分子定位超分辨显微技术(SMS)等。在这些超分辨显微技术中，荧光差分显微技术(FED)是近期提出的超分辨显微技术，以共聚焦显微成像技术为基础，通过两个特定的激发光斑扫描待测样品得到两幅图像，并对得到的两幅图像进行差分实现图像分辨率的提升。实验证明荧光差分显微成像技术在远场可以实现小于四分之一波长的分辨率，并且具有较高的信噪比，此外由于无需高功率的照明光，可以在很大程度上减小光漂白和光损伤。

然而，荧光差分显微成像技术存在成像速度受到限制无法对时间分辨率要求较高的运动样品成像，以及成像过程中可能出现运动伪影的问题。荧光差分显微成像系统中通常使用0到2π的涡旋相位板或加载相同0到2π的涡旋相位图案的空间光调制器调制一个与之同向的圆偏振光，得到所需的空心光斑，如公开号CN 110118726 A和CN 105510290 A的申请文件公开的技术方案。由于成像过程中需要用实心和空心光斑分别对待测样品进行扫描，当使用涡旋相位板作为相位调制方式时，需要用分光棱镜将光束分成两路，一路经过涡旋相位板调制为空心光斑，另一路不经过相位调制为实心光斑，这样会在一定程度上增加系统的复杂性，并提升系统的调节难度；当使用空间光调制器作为相位调制方式时，通常通过改变空间光调制器表面加载的相位调制图案实现实心和空心光斑之间的转换，由于空间光调制器的响应时间限制，以及用软件程序控制空间光调制器加载的相位调制图案在0到2π的涡旋相位调制图案和无相位调制图案之间转换需要时间，导致实心和空心光斑的转换过程需要一定的时间，用实心光斑和空心光斑分别扫描待观测样品会花费较长时间并会出现运动伪影的现象，从而限制了荧光差分显微成像技术的成像速度以及对运动待测样品的观测。要提升该技术的成像速度，解决这一问题的关键便是减少实心和空心光斑转换所需的时间

发明内容

本发明提供了一种基于电光调制技术的相位调制荧光差分显微成像装置。本装置结构紧凑简单，基于普通荧光差分显微成像系统即可进行改装；实现了实心和空心光斑的快速转换，在很大程度上提升了荧光差分显微成像系统的成像速度。

本发明在传统的荧光差分显微成像系统(图1和图2)的基础上，提出了利用电光调制技术实现照明光偏振状态的改变，由于不同旋向的圆偏振光经过同一0到2π的涡旋相位调制后其分布情况存在差异，分别为实心和空心光斑，由于电光调制器具有很高的响应速度，工作频率最高可以达到100MHz，因此能够实现实心和空心光斑之间的高速转换，从而减少系统成像所需的时间，进而实现荧光差分显微成像的速度提升。

一种基于电光调制技术的相位调制荧光差分显微成像装置，包括产生激发光束的照明系统，收集样品发出荧光信号的探测系统，以及用于控制和信号处理的计算机，所述的照明系统包括依次布置的：

激光器，发出激光光束；

电光调制模块，用于控制激光光束在右旋圆偏振光和左旋圆偏振光之间的快速转换；

相位调制器件，对圆偏振光进行相位调制，形成照明样品并激发荧光的实心光斑和空心光斑。