[实用新型]光学三维成像系统

说明书

本实用新型公开了一种光学三维成像系统，包括：激光光源，激光光源出射的光束依次经过第一空间滤波器、第一数字微镜器件和第二空间滤波器后形成环形扫描衍射光，环形扫描衍射光通过扫描角度范围放大器放大扫描角度范围后，经过物镜、筒镜、第二数字微镜器件后形成具有样品信息的样品光，样品光经过分光器分光后形成两个光束，两个光束经过第三空间滤波器、轴向扫描器后成像在图像获取装置上。本实用新型通过数字微镜器件代替现有的扫描振镜进行环形扫描照明，可提高成像速度和稳定性，降低附加像差，通过加入轴向扫描模块，提升轴向折射率精度一致性，最大程度减小了三维重建折射率图的误差。

技术领域

本实用新型属于三维成像技术领域，具体地涉及一种光学三维成像系统。

背景技术

随着生物医学研究的日益发展，光学三维成像技术由于其可以获取样品三维空间信息而逐渐成为现代生物和医学等研究领域的重要工具。目前在细胞三维成像方面应用较为广泛的是激光扫描共聚焦显微镜和超分辨荧光显微镜。这类显微镜可分辨样品纳米尺度的精细结构，但光路复杂、设备昂贵，荧光标记物会对活性生物样品产生光毒和光漂白作用，且需要使用机械部件对样品进行调焦或扫描，在细胞膜波动等快速动态测量应用中存在不足。光学衍射层析成像方法结合了定量相位成像方法与衍射层析技术的优势，通过旋转照明光束或旋转样品获取样品在一系列不同方向上的干涉场，并通过傅立叶衍射层析重建算法获得样品内部三维折射率分布，从而精确探索样品形态和内部精细结构信息。光学衍射层析具有无标记、非侵入和定量化等优势，已成为显微成像领域新的研究热点并进入快速发展阶段。

随着光学衍射层析成像研究的深入和光电技术的快速发展，快速地获取活细胞的高分辨率三维折射率图像已成为光学衍射层析发展的重要需求之一。光学衍射层析系统的扫描光路结构直接决定了三维折射率成像速度、精度和分辨率。光学衍射层析干涉结构主要采用相移干涉法和离轴干涉法。相移干涉法需要采集两幅或四幅干涉图像提取相位信息，耗时长，不适合用于活细胞的实时监测。离轴干涉法主要包括马赫-曾德(MZ)干涉结构和共光路干涉结构。在光学衍射层析扫描光路结构方面，主要包括照明光束扫描和旋转样品两种方式。当前，几乎所有的照明光束扫描都是通过扫描振镜实现的，存在机械不稳定性和角度模糊问题，达到相对稳定的时间较长(毫秒级)；同时，双轴振镜的两个镜面不可能同时与样品共轭，会在入射波前中引入附加像差。这些因素导致了振镜扫描光学衍射层析无法快速地实现三维折射率的高精度重构。样品旋转方案需要在样品处添加折射率匹配液，会造成光场畸变,同时机械旋转伴随的寄生运动以及旋转过程中细胞的黏弹性引起的细胞变形也会降低重构精度，目前应用较少。在光学衍射层析干涉结构方面，目前大都采用MZ干涉结构，物光和参考光空间上分离，易受到环境扰动的影响，相位随时间变化不稳定性显著。

实用新型内容

为解决上述现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种可提高三维成像速度和稳定性，降低附加像差的光学三维成像系统及光学三维成像方法。

为了达到上述实用新型目的，本实用新型采用了如下的技术方案：

根据本实用新型的一方面，提供了一种光学三维成像系统，包括：激光光源以及设置于所述激光光源的出射光路上的第一空间滤波器、第一数字微镜器件、第二空间滤波器、扫描角度范围放大器、物镜、筒镜、第二数字微镜器件、分光器、第三空间滤波器、轴向扫描器和图像获取装置，所述激光光源出射的光束依次经过所述第一空间滤波器、所述第一数字微镜器件后形成环形扫描衍射光，所述环形扫描衍射光经过所述第二空间滤波器、所述扫描角度范围放大器、所述物镜、所述筒镜、所述第二数字微镜器件后形成具有样品信息的样品光，所述样品光经过所述分光器分光后形成两个光束，所述两个光束经过所述第三空间滤波器、所述轴向扫描器后成像在所述图像获取装置上。