[发明专利]一种多点非标记差分超分辨成像方法与装置

说明书

本发明公开了一种基于面阵探测器和艾里斑细分的多焦点非标记差分超分辨成像方法与装置，激光器发出的光被偏振分光镜分为偏振方向互相垂直的两束光，两束光分别被SLM的左右两个半屏加载的相位掩膜调制，两束光分别为实心光束和空心光束；之后实心光束和空心光进行合束，合束后的光束再被分为第一子光束和第二子光束，分别包含实心光束和空心光束，以一定角度入射到扫描振镜模块，并被物镜聚焦，形成第一焦斑组合和第二焦斑组合，从而在焦面上形成四个焦斑。基于时域转化为空域的方法，使用面阵探测器代替单点探测器，在相对较低成本下，可以实现对艾里斑4进行40个以上探测器的细分。同时，采用多焦点激发，进一步提升了系统的成像效率。

技术领域

本发明属于光学工程领域，特别涉及一种基于面阵探测器和艾里斑细分的多点非标记差分超分辨成像方法与装置。

背景技术

光学超分辨成像具有无损、直观、高分辨率的巨大优势，在过去的二十年里，人们提出并研制了多种超分辨显微镜。这些技术可分为两类：①荧光标记超分辨显微镜，包括发射损耗显微镜、定位显微镜、结构照明显微镜等；②非标记超分辨显微镜。非标记显微技术可以直观地观测样品结构，不受染料限制，但相较于荧光成像技术，非标记显微技术在超分辨能力上发展相对较慢。目前，较为流行的非标记超分辨率显微镜为近场扫描光学显微镜（SNOM）技术，但其成像速度较低，探针需要精密控制且极易损坏。对于非标记样品，由于缺少了荧光的非线性效应，成像系统无法有效的收集样品高频信息，使得荧光超分辨成像技术无法直接应用于非标记样品，导致非标记超分辨成像技术的空间分辨率总体上落后于荧光超分辨技术。随后，研究人员提出了多种基于纳米结构的非标记超分辨成像技术，如双曲色散超透镜、微球、基于超材料的固体浸没透镜（MSIL）和纳米线环形照明显微镜（NWRIM）等。虽然这些技术可以获得亚百纳米分辨率，但是往往仅限于表面探测，成像深度有限。另一方面，这些技术实现手段相对复杂，对器件制造提出更高的要求，增加了成本。总体来说，非标记超分辨显微成像技术大多局限于样品表面，无法在远场高分辨率显微成像上解析深度信息，这极大地限制了非标记显微成像技术在生命科学研究等领域的应用。

艾里斑细分技术是采用并行探测器将探测艾里斑进行细分再进行图像重组的一种成像探测技术，传统的基于艾里斑细分的差分成像系统往往基于单点探测器，因此要实现艾里斑的细分，需要多个单点探测器，通常情况下会使用多个单光子计数器来实现。理论上，细分数量越多，成像质量越好，所需要的单光子计数器的数量越多。目前报道的差分成像技术中，最多采用了19个单光子计数器，这是由于系统成本所限制的。蔡司公司的相关共聚焦设备可以实现37个探测器的细分，但该探测器不能单独出售，且目前只用于普通共聚焦成像。采用面阵探测器可以实现更多的细分，但由于面阵探测器单帧曝光速度无法与单光子探测器相比，极大的降低了成像速度。

此外，传统的差分成像需要采用空心焦斑和实心焦斑对样品扫描两次，相同条件下成像速度比共聚焦慢一倍。有研究人员采用双焦点（空心焦斑和实心焦斑）并行扫描，同时探测的方法实现差分成像，但系统结构较为复杂，且需要采用两个单光子计数器。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于面阵探测器和艾里斑细分的非标记差分超分辨成像方法与装置，用于实现对非标记细胞样品的深度超分辨成像。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于面阵探测器和艾里斑细分的多点非标记差分超分辨成像装置，包括激光器、偏振分光镜、SLM、扫描振镜模块和物镜，所述激光器发出的光被偏振分光镜分为偏振方向互相垂直的两束光，两束光分别被SLM的两个半屏加载的相位掩膜调制，其中一束光加载涡旋相位和倾斜相位，两束光分别为实心光束和空心光束；之后实心光束和空心光进行合束，合束后的光束再被分为能量相同的两束光，称为第一子光束和第二子光束，第一子光束和第二子光束分别包含实心光束和空心光束；第一子光束和第二子光束以一定角度入射到扫描振镜模块，并被物镜聚焦，形成第一焦斑组合和第二焦斑组合，从而在焦面上形成四个焦斑。

进一步的，所述第一焦斑组合和第二焦斑组合同时扫描。