[发明专利]一种实现远场超分辨成像的方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于超分辨成像领域，具体涉及一种实现远场超分辨成像的方法和装置。

背景技术

衍射极限一直是超分辨成像领域无法回避的一个问题，由于衍射极限的存在，很长时间以来，传统超分辨显微成像技术的分辨力都被限制在200nm以上。随着科学技术的持续发展以及对微观世界认识的逐渐深入，人们对于超衍射极限的超分辨显微成像技术越发渴求。为了突破衍射极限的限制，研究人员沿着不同的途径展开了深入研究，在不懈努力之下，各种超分辨显微成像技术被相继提出，STED显微技术便是其中的典型代表之一。

STED显微技术由德国人Stefan Hell于1994年率先提出，其原理是在普通光学显微镜中引入一束STED光束，通过适当的位相调制使STED光束在荧光样品表面聚焦为环状光斑，调节环状光斑的位置使其与激发光斑重合，通过受激发射损耗过程，使激发光斑外缘区域的荧光分子不再发射荧光，从而有效减小激发光斑的面积，也即减小成像系统的点扩散函数，提高系统的成像分辨力。STED显微技术具有超高分辨力、远场成像、工作于可见光波段等显著特点，因此极其适用于生物活体成像。然而要想实现STED显微成像确并非易事，STED显微成像系统中，为了获得超高的分辨力，普遍选用数值孔径为1.4左右的高数值孔径物镜，因此聚焦于样品表面的激发光斑和STED光斑尺寸均在500nm以下，此时要调节两光斑位置重合对光路系统的调节精度要求非常高，此外，由于光斑尺寸都在亚波长量级，而普通的成像设备如CCD等都达不到如此高的分辨率，因此在调节过程中无法对两光斑的位置进行实时监控，这又从另一方面增加了光路调节的难度。

基于上述原因，我们提出一种实现远场超分辨成像的方法和装置，该方法和装置首先将激发光和STED光同时耦合进入单模光纤，然后再依次通过准直透镜、起偏器、双波长波片以及液晶偏振转换器，获得径向偏振的激发光和角向偏振的STED光，由于高数值孔径下径向偏振光和角向偏振光聚焦光斑存在巨大差异，因此最终在样品表面可以得到自然重合的圆形激发光斑和环形STED光斑，从而有效降低STED成像系统的光路调节难度，为快速、简便的实现STED超分辨成像提供有利保障。

发明内容

本发明解决的主要技术问题是：针对STED成像系统中，聚焦的激发光斑和STED光斑尺寸均为亚波长量级这一事实，以及由此带来的光路调节的技术难点，我们提出了一种实现远场超分辨成像的方法和装置，在降低系统光路调节难度的同时，可以保证成像的高分辨力。

本发明提供的实现远场超分辨成像的方法，包括以下步骤：

(1)将激发光和STED光同时耦合进入单模光纤，在光纤出射端形成双波长光束出射；

(2)采用消色差透镜使单模光纤出射的双波长光束同时准直；

(3)将准直光束依次通过起偏器和双波长波片，其中双波长波片对激发光为全波片，对STED光为半波片，通过调节双波长波片使其光轴与起偏器透光方向夹角为45°，可以得到偏振方向互相垂直的激发光束和STED光束；

(4)将所述偏振方向互相垂直的激发光束和STED光束通过液晶偏振转换器，调节偏振转换器，可以得到径向偏振的激发光束和角向偏振的STED光束；

(5)将所述径向偏振的激发光束和角向偏振的STED光束通过高数值孔径物镜聚焦，在样品表面分别聚焦为圆形光斑和环形光斑；

(6)调节STED光束光强，使STED光对激发光斑面积的压缩效果达到最佳状态，控制扫描台移动，采用光强探测器采集每一扫描点位的光强信息，通过后期数据处理，获得超分辨力的成像结果。

本发明提供的实现上述方法的装置，包括：用于产生激发光的激光光源；用于产生STED光的激光光源；用于耦合所述激发光和STED光的单模光纤；用于准直单模光纤出射光束的消色差透镜；用于将准直光束变为线偏振光的起偏器；用于将激发光和STED光调制为偏振方向相互垂直的线偏振光的双波长波片；用于将偏振方向相互垂直的激发光和STED光分别转换为径向偏振光和角向偏振光的液晶偏振转换器；用于透射激发光和STED光，且将信号光反射入光强探测器的二向色镜；用于聚焦激发光和STED光的数值孔径为1～1.4的物镜；用于固定样品以及对样品实现扫描成像的纳米位移台；用于将信号光聚焦于光强探测器的聚焦透镜；用于探测样品所发出信号光的光强探测器。

本发明与现有技术相比的优点：

(1)相对于现有技术需要调节激发光斑和STED光斑重合，本发明中两光斑在样品表面自然重合，因此系统光路调节难度低，也更利于STED超分辨成像的实现；