[发明专利]基于结构光照明的超分辨扫描光场成像系统和方法在审

专利信息
申请号: 202111023576.6 申请日: 2021-09-02
公开(公告)号: CN113484296A 公开(公告)日: 2021-10-08
发明(设计)人: 戴琼海;卢志;刘文辉;吴嘉敏 申请(专利权)人: 清华大学
主分类号: G01N21/64 分类号: G01N21/64;G02B21/00
代理公司: 北京清亦华知识产权代理事务所(普通合伙) 11201 代理人: 罗岚
地址: 10008*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 基于 结构 照明 分辨 扫描 成像 系统 方法
【说明书】:

本申请提出一种基于结构光照明的超分辨扫描光场成像系统和方法,包括:结构光照明模块用于生成正弦周期的照明调制;成像镜头用于放大目标样本并成像于二维扫描系统的图像平面上;二维扫描系统用于在频域平面内旋转光路角度,以亚像素平移图像平面,同时匹配物镜和微透镜阵列之间的数值孔径并放大或缩小图像平面;微透镜阵列用于在后焦平面上调制不同的光束;图像传感器用于记录多个调制图像;控制系统用于同步触发结构光照明模块、二维扫描系统和图像传感器;重建模块用于获取图像传感器记录的多个调制图像,并通过三维重建算法、频域融合算法实现超分辨三维成像。本申请具有结构简单、成本低、适用于活细胞显微观测、多细胞器互作观测等优点。

技术领域

本申请涉及计算成像技术领域,尤其涉及一种基于结构光照明的超分辨扫描光场成像系统和方法。

背景技术

光学分辨率存在衍射极限的限制,在空间中位置靠得很近的两个点,无法被光学系统所分辨。这种分辨率的限制,通常在200nm左右,影响了显微系统对生物组织细胞的观测效果。例如,常规光学显微镜无法观测到线粒体、溶酶体等重要细胞器的内部清晰结构。研究人员一直在努力研究超分辨显微的方法,到目前为止,相关技术主要包括以下几种成像方法。

第一种方法是,基于荧光淬灭的受激发射损耗显微技术。通过将光斑外围的光晕淬灭,实现超分辨率的成像,理论上可以实现10-20 nm的分辨率。但这样方法缺点同样明显,需要很强的光毒性才能实现,会对样本造成严重的光损伤,无法实现长时间的观测。

第二种方法是,随机光学重建显微。通过随机点亮部分荧光分子,实现精确的荧光定位。但这种方法需要拍摄上百张的图像才能重建一张超分辨图像,严重降低了成像速度,而且要求特殊的荧光蛋白,对实验带来很大的不便。

第三种方法是,结构光超分辨显微技术。通过结构光技术,可以将传统光学极限分辨率扩展一倍。结构光技术的光毒性较弱,适合长时间的活细胞成像,是目前观测动态样本的最有效技术之一。不过,细胞在物理空间中都是三维分布的。结构光技术要实现三维成像,需要轴向扫描样本,大大降低了成像速度,难以应用于快速的成像应用中。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此,本申请的第一个目的在于提出一种基于结构光照明的超分辨扫描光场成像系统,解决了现有显微技术成像速度低的问题,还解决了现有显微技术光毒性强,无法实现长时间观测的问题,通过结构光照明扩展两倍的频谱探测范围,提升空间分辨率,使用亚像素扫描光场采集三维图像,解决空间分辨率和时间分辨率的矛盾,且具有结构简单、成本低、快速、适用于活细胞显微观测、多细胞器互作观测等优点。

本申请的第二个目的在于提出一种基于结构光照明的超分辨扫描光场成像方法。

本申请的第三个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。

为达上述目的,本申请第一方面实施例提出了一种基于结构光照明的超分辨扫描光场成像系统,包括:结构光照明模块、成像镜头、二维扫描系统、微透镜阵列、图像传感器、控制系统、重建模块,其中,结构光照明模块,用于生成正弦周期的照明调制,照射目标样本;成像镜头,包括显微领域的物镜、管镜,用于放大目标样本,并成像于二维扫描系统的图像平面上;二维扫描系统,包括二维扫描振镜和中继透镜对,二维扫描振镜放置于中继透镜对的频域平面内,二维扫描振镜,用于在频域平面内旋转光路角度,以亚像素平移图像平面,中继透镜对,用于匹配物镜和微透镜阵列之间的数值孔径,并放大或缩小图像平面;微透镜阵列,用于在后焦平面上调制不同的光束,并根据经过亚像素平移图像平面调制得到多个调制图像;图像传感器,用于记录多个调制图像;控制系统,用于同步触发结构光照明模块、二维扫描系统和图像传感器;重建模块,用于获取图像传感器记录的多个调制图像,并通过三维重建算法、频域融合算法实现超分辨三维成像。

可选地,在本申请的一个实施例中,结构光照明模块,在目标样本三维平面内生成均一的正弦周期照明图样,用于实现超过10微米轴向范围的条纹照明。

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