[实用新型]基于偏振光学的超分辨率光电成像仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于偏振光学的超分辨率光电成像仪，尤其是能对观测物进行超分辨率重建的高分辨率成像方法与装置，属于光学成像与信号处理领域。

背景技术

在许多数字成像应用领域，高分辨率的图像或视频对于图像处理和分析都是非常需要的。这种需要主要在两个方面起到重要作用：一个是改善或增强人类对于图像信息的理解；另一个就是有助于机器自动感知和表示。图像的分辨率描述了图像中所包含的细节，分辨率越高，细节也就越丰富。数字图像的分辨率可按照许多不同的方式分类，如：像素分辨率、空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率以及辐射分辨率。这里我们感兴趣的主要是空间分辨率。

近几年，纳米级生物学观测研究迅速发展，客观上激发了高分辨率成像研究向分子尺度进一步迈进。其中，荧光显微技术已经成为生物学研究的重要工具，依靠荧光显微镜可以观测到活细胞、组织以及动物体内的生物分子、通路和活动。与诸如电子显微技术的其它成像技术相比，荧光显微技术的主要优势在于与活细胞的兼容性，能够实现动态的和微创性成像实验。共焦显微术和宽场（WF）显微术是最为广泛使用的荧光成像方法，能够分辨出活细胞中的某些细胞器（例如：细胞核、内质网和高尔基体）和追踪蛋白质与其它生物分子。然而，多年以来，上述荧光成像法一直都存在一个极限空间分辨率。按照阿贝的衍射理论，传统荧光显微成像无法逾越低于200纳米的距离，这样就分辨不出单个突触泡和相互作用蛋白对。事实上，生物学研究的许多领域都能够从改善的空时组合分辨率中获益。例如，神经元突触泡大小只有约40纳米，其信号发生的时间尺度为毫秒。细菌大小只有1-5微米，传统的荧光显微术是很难分辨其亚细胞特征的。

正是上述需求和局限，迫使人们在近年来持续地研究荧光显微方法，以打破传统的横向衍射极限。许多新的远场荧光成像技术不断涌现，这些革命性创造在理论上突破了空间分辨率的极限，被称为超分辨率成像技术。目前，在超分辨率荧光显微成像方面，出现了基态损耗（GSD）显微术、饱和结构照明显微术（SSIM）、受激发射损耗（STED）显微术、光激活定位显微术（PALM）、随机光学重建显微术（STORM）和近场扫描光学显微术（NSOM）等。超分辨率荧光显微术的蓬勃发展直接带动了生命科学的飞速进步。

在诸多超分辨率荧光显微术中，STED显微术在生物样本实验中优势明显。STED是第一个用于细胞成像的远场超分辨率成像技术，它在两个分子状态之间运用空间调制和饱和跃迁达到打破衍射极限的目的。具体来说就是用两束激光照射样本，一束为激励激光脉冲，紧随的另一束是一种红移脉冲称为STED束。暴露于STED束的激发荧光团几乎立刻通过受激发射的方式返回自身的基态。这种由STED束引起的荧光态非线性（几乎指数）去激是打破STED成像衍射极限的基础。虽然两个激光脉冲都是衍射受限的，但是STED脉冲在聚焦中心被调制成零强度点而在这一点的外围却分布高强度点（也即聚焦为面包圈状的光圈）。如果两束脉冲中心重合，那么只有靠近STED束零中心的分子发荧光，这样就将激发荧光限制在零中心周围极小的范围。这种有效收窄点扩散函数（PSF）的方式最终超越了衍射极限增强了分辨率。

有许多方式可以进一步缩小零中心荧光范围，其中借助光的偏振效应激发荧光团是普遍采用的方式。主要的偏振形式包括线偏振、圆偏振、径向偏振等等，每种偏振各有其优缺点和适用范围。最近有文献报道新型的切向偏振光激发显微具有低功耗特点，可以保护生物样本免受损害，因此受到关注。尽管基于切向偏振光的STED显微技术能够获得良好的显微效果，然而要实现这一效果需要复杂的光路、昂贵的精密光学元器件作为保障，例如具有精确平移尺度的纳米平移台，高昂的成本限制了这种技术的推广；同时整个系统的稳定性要求非常高，即使仪器精确也需要频繁的校准，例如要使扫描位置准确定位，这无疑也增加了操作的复杂度。总之，对于切向偏振光的STED显微技术来讲，其实现条件较为苛刻。