[发明专利]基于四芯光纤光操控的动态散斑荧光显微成像方法和系统

权利要求书

1.一种基于四芯光纤光操控的动态散斑荧光显微成像方法和系统，其特征是：所述系统由动态散斑照明宽场荧光显微成像系统和光操控系统两部分组成。所述系统主要由激光器1、18；光纤分束器2、5、6；强度调制器11、12；光纤耦合器15；待测细胞17；透镜19、20、23、24；微位移台21；散射体22；复消色差显微物镜25；双色镜26；滤光片27；成像镜头28；CMOS相机29；单模光纤3、4、7、8、9、10、13、14；四芯光纤16；频率调制器30；时间延迟器31组成。激光器1输出的激光光束耦合进一根输出端加工成特定角度锥台的四芯光纤16的各纤芯。四芯光纤16固定在放置待测细胞的培养皿内，其中两束激光光束经水平位置两个纤芯传输后，在加工成锥台的输出端形成聚焦光场，实现稳定捕获待测细胞17。另外两束激光光束经调制后，形成具有一定时间间隔和重复频率的两束激光脉冲。两束激光脉冲经垂直位置的两个纤芯传输后，在输出端输出的光场分别作用在被捕获的细胞两端，施加方向相反的周期性的光推动脉冲和制动脉冲，从而实现对被捕获的待测细胞17转动角度进行稳定而精准的主动光操控。当待测细胞17转动至一个角度并稳定后，激光光源18输出的激光束经由扩束整形后，耦合进复消色差显微物镜25形成动态散斑照明照射到被捕获的待测细胞17上。激发动态散斑照明层面内的荧光物质产生的荧光信号经复消色差显微物镜25收集，由CMOS相机29记录一副荧光层析图像。通过细胞转动角度的连续精准主动光操控，实现动态散斑在细胞的快速扫描，获取细胞的高空间分辨率三维结构图像。

2.根据权利要求1所述的基于四芯光纤光操控的动态散斑荧光显微成像方法和系统。动态散斑照明宽场荧光显微成像系统主要由激光光源18；透镜19、20、23、24；散射体22；微位移台21；复消色差显微物镜25；双色镜26；滤光片27；待测细胞17；成像镜头28；CMOS相机29组成。所述系统中激光光源18发出的激光光束经透镜19和20扩束后投射到散射体22上形成散斑图案，再经过透镜23和24扩束，经双色镜26反射后在复消色差显微物镜25后焦平面上形成散斑图案的像，经复消色差显微物镜25在待测细胞17上形成全场照明。当待测细胞17在光场控制下旋转至特定角度并达到稳定状态时，通过移动微位移台21来改变散射体22的位置，使投射在待测细胞17上的散斑图案发生变化。不同散斑图案激发产生的荧光信号由复消色差显微物镜25收集，经双色镜26和滤光片27消除背景噪声，由成像镜头28和CMOS相机29同步记录多幅荧光图像。由于散斑照明条件下，焦平面附近激发产生的荧光信号变化最剧烈，利用均方根算法即可提取焦平面附近的荧光层析图像。通过改变光场强度分布控制细胞17绕轴线连续旋转，从而获取整个待测细胞17的三维结构荧光图像。

3.根据权利要求1所述的基于四芯光纤光操控的动态散斑荧光显微成像方法和系统。光操控系统主要由激光光源1；光纤分束器2、5、6；强度调制器11、12；单模光纤3、4、7、8、9、10、13、14；光纤耦合器15；频率调制器30；时间延迟器31组成。所述光操控装置是一条固定在放置待测细胞的培养皿内，输出端加工成特定角度锥台的四芯光纤16。其中两个纤芯与水平面平行，另两个纤芯垂直于水平面。激光光源1输出的激光束通过光纤传输后，经光纤分束器2按7：3的比例分成两束。其中一束强度较小的激光经单模光纤3传输后，经光纤分束器5分为强度相等的两束。两束激光经单模光纤7和8传输后，由光纤耦合器15耦合进输出端加工成特定角度锥台的四芯光纤中水平位置的两根纤芯。经纤芯传输后在输出端形成聚焦光场，作为捕获光以稳定捕获待测细胞17。另一束强度较大的激光经单模光纤4传输后，经频率调制器30调制产生具有一定重复频率的激光脉冲。激光脉冲经光纤分束器6按7：3的比例分为两束，分别耦合进单模光纤9、10。通过强度调制器11、12调节两束激光脉冲的强度，时间延迟器31调节两束激光脉冲之间的时间间隔。两束激光脉冲经光纤耦合器15耦合进四芯光纤垂直位置的两根纤芯，经纤芯传输后在加工成特定角度锥台的光纤输出具有一定时间延迟的激光脉冲，分别作用在被捕获的待测细胞17两端，分别作为推动细胞17转动的推动脉冲和停止细胞转动的制动脉冲。由于水平位置的两个纤芯到光纤中心距离大于垂直位置的两个纤芯到光纤中心距离。因此，被捕获的待测细胞17在作用在细胞一端的推动光脉冲的作用下，绕捕获光形成的转动轴转动。当转动一个角度时，具有一定时间延迟的制动光脉冲作用在细胞的另一端，从而对细胞的转动施加制动力。通过改变推动光脉冲和制动光脉冲的强度和两者之间的时间延迟，从而对细胞转动角度进行稳定而精准的主动光操控。