本發(fā)明涉及一種小型結(jié)構(gòu)光顯微照明系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的光學(xué)顯微系統(tǒng)受光學(xué)衍射極限的限制，橫向的分辨率一般最好只能達到200nm，縱向的分辨率達到500nm，不能夠滿足現(xiàn)在生物學(xué)領(lǐng)域?qū)τ趤喖毎Y(jié)構(gòu)等微小結(jié)構(gòu)研究的需求。

結(jié)構(gòu)光顯微成像技術(shù)最初由Neil等人提出，分辨率可以相較于傳統(tǒng)的顯微鏡提高1倍(即100nm)。主要利用特殊調(diào)制的結(jié)構(gòu)光照明樣品，運用后期的圖像處理的算法，從不同相位的調(diào)制圖像中提取樣品焦平面的信息，從而得到結(jié)構(gòu)光顯微成像的圖像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)超分辨率。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光顯微系統(tǒng)根據(jù)光源的不同主要分為兩大類型：以LED為光源的結(jié)構(gòu)光顯微系統(tǒng)；以激光為光源的結(jié)構(gòu)光顯微系統(tǒng)。

目前以LED為光源的結(jié)構(gòu)光顯微系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單(見圖1)，但是目前要想取得比較好的圖像，需要性能較好的光源，以及較長光路的體積，從而限制了其應(yīng)用范圍。而以激光為光源的結(jié)構(gòu)光顯微系統(tǒng)，雖可以取得較好的圖像，但通常具有復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(見圖2)，成本昂貴。

目前傳統(tǒng)使用的結(jié)構(gòu)光顯微照明系統(tǒng)采用光柵結(jié)構(gòu)，主要光路由照明光源、透鏡系統(tǒng)、光柵、探測器以及同步控制系統(tǒng)組成。光源發(fā)出的光經(jīng)過透鏡的準(zhǔn)直，經(jīng)光柵產(chǎn)生所需的結(jié)構(gòu)光，照明到待測物體表面，通過透鏡系統(tǒng)將物體表面發(fā)出的熒光信號成像于探測器的靶面上。利用壓電裝置使光柵移動與探測器記錄的速度進行同步，采集完一幅圖像信息后，光柵移動一段距離，記錄新圖像的位置。之后利用算法將圖信息進行處理，重構(gòu)出超高分辨率的二維圖像。這類系統(tǒng)的特點是，光路結(jié)構(gòu)簡單、成像速度較快。但是，由于需要移動光柵，這就會導(dǎo)致在移動過程中產(chǎn)生位移的精度、同步過程中時間精度、信噪比低等問題。

發(fā)明專利200810071654.8提出了一種基于二維調(diào)制技術(shù)的層切圖像獲取方法，該方法利用二維空間光調(diào)制器如DMD(數(shù)字微反射鏡)、穿透式液晶LCD、反射式硅基液晶LCOS等代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)光顯微鏡中的光柵，對照明進行二維調(diào)制，并產(chǎn)生一組不同相位的調(diào)制圖案，結(jié)合二維相移算法重建切層圖像。

發(fā)明專利201110448980.8提出一種基于數(shù)字微反射鏡器件的高速結(jié)構(gòu)照明光學(xué)顯微系統(tǒng)及方法，包括光源、設(shè)置在照明光源路上的結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生器、設(shè)置在分光棱鏡的投射光路上的透鏡、設(shè)置在透鏡光路上的分光鏡、設(shè)置在分光鏡下方光路上的反光鏡和筒鏡、設(shè)置在筒鏡后方的CCD相機。

上述兩種發(fā)明專利代表了目前大多數(shù)結(jié)構(gòu)光照明顯微的技術(shù)，其主要的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大、成像速度任然受到限制等缺點。

發(fā)明專利201410036645.0公開了一種結(jié)構(gòu)光照明光學(xué)系統(tǒng)，包括：計算機、同步控制系統(tǒng)、超高亮度LED激發(fā)光源、中繼透鏡組、復(fù)眼透鏡陣列、中間像面、二向色鏡、投影物鏡、載物臺、筒鏡、窄帶濾光片和光電探測器。上述專利存在著復(fù)眼透鏡的效果不好，會使產(chǎn)生的條紋效果下降，降低圖像的分辨率，并且上述的結(jié)構(gòu)目前沒有相關(guān)實驗圖像的進行驗證。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述問題，提出了一種小型結(jié)構(gòu)光顯微照明系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，以激光為光源，在合理的保留系統(tǒng)的分辨率的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，極大的縮小了系統(tǒng)的體積，降低了成本，大大的提高了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種小型結(jié)構(gòu)光顯微照明系統(tǒng)，包括：激光光源、準(zhǔn)直物鏡、擴束透鏡組、1/4λ片、PBS、LCOS、管透鏡、物鏡以及載物臺，在物鏡的入瞳面上設(shè)有MASK，MASK用于過濾不同級次的光；

激光光源通過準(zhǔn)直物鏡準(zhǔn)直后經(jīng)過1/4λ片進行光線偏振方向的調(diào)整，再經(jīng)過擴束透鏡組擴束后，通過PBS將光打入LCOS上，之后通過管透鏡實現(xiàn)與物鏡入瞳面孔徑的匹配，激光打入到物鏡入瞳面的MASK上，通過物鏡將結(jié)構(gòu)光照明在載物臺的樣品面上，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光的照明。

本發(fā)明一種小型結(jié)構(gòu)光顯微照明系統(tǒng)將MASK裝入物鏡的入瞳面上，可以極大的縮短光路，減小體積，通過分離傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)與成像系統(tǒng)，極大的提升了該系統(tǒng)的拓展，與傳統(tǒng)顯微鏡的結(jié)合便可以實現(xiàn)超分辨率顯微系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)了在保持一定的系統(tǒng)分辨率的基礎(chǔ)上極大減小體積。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，還可做如下改進：

作為優(yōu)選的方案，激光光源由激光器發(fā)出。

采用上述優(yōu)選的方案，能發(fā)射穩(wěn)定的激光光束。

作為優(yōu)選的方案，激光器通過光纖將光進行導(dǎo)入至準(zhǔn)直物鏡。

采用上述優(yōu)選的方案，利用激光器耦合進光纖的方式將光導(dǎo)入。

作為優(yōu)選的方案，在MASK上設(shè)有多個用于過濾不同級次光的孔位。

采用上述優(yōu)選的方案，MASK可以讓所需的結(jié)構(gòu)光通過。

作為優(yōu)選的方案，多個孔位以物鏡入瞳面的中心為圓心沿其圓周方向均勻分布。

采用上述優(yōu)選的方案，光照均勻。

作為優(yōu)選的方案，孔位的個數(shù)為偶數(shù)個。

采用上述優(yōu)選的方案，偶數(shù)個孔位可以有效對稱分布。

作為優(yōu)選的方案，擴束透鏡組包括平行設(shè)置的第一透鏡和第二透鏡。

采用上述優(yōu)選的方案，結(jié)構(gòu)簡單，對光束進行擴束，有效實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的小型化。

作為優(yōu)選的方案，準(zhǔn)直物鏡、擴束透鏡組、1/4λ片、PBS、LCOS、管透鏡以及物鏡設(shè)置于殼體內(nèi)。

采用上述優(yōu)選的方案，裝置整體簡單，且殼體可以對內(nèi)部的部件進行固定和保護。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中LED結(jié)構(gòu)光顯微照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中激光結(jié)構(gòu)光顯微照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例提供的小型結(jié)構(gòu)光顯微照明系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例提供的裝有MASK的物鏡的結(jié)構(gòu)示意圖之一。

圖5為本發(fā)明實施例提供的裝有MASK的物鏡的結(jié)構(gòu)示意圖之二。

圖6為本發(fā)明實施例提供的小型結(jié)構(gòu)光顯微照明系統(tǒng)的外部物理結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明實施例提供的小型結(jié)構(gòu)光顯微照明系統(tǒng)的內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：11-LED芯片；12-低倍物鏡或者消色差好的透鏡；13-透鏡；14-透鏡；15-DMD(數(shù)字微反射鏡)；16-管透鏡；17-物鏡；18-載物臺；

21-光纖；22-低倍物鏡或者消色差好的透鏡；23-透鏡；24-透鏡；25-LCOS(液晶空間光調(diào)制器)；26-PBS；27-透鏡；28-MASK；29-透鏡；210-反射鏡；211-LCC(液晶延時器)；212-管透鏡；213-物鏡；14-載物臺；

31-激光器；32-光纖；33-準(zhǔn)直物鏡；34-1/4λ片；356-擴束透鏡組；35-第一透鏡；36-第二透鏡；37-LCOS；38-PBS；39-管透鏡；310MASK；311-物鏡；312-載物臺；313-殼體。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。

為了達到本發(fā)明的目的，一種小型結(jié)構(gòu)光顯微照明系統(tǒng)的其中一些實施例中，

如圖3和4所示，一種小型結(jié)構(gòu)光顯微照明系統(tǒng)包括：由激光器31通過單模光纖32導(dǎo)入的激光光源、準(zhǔn)直物鏡33、1/4λ片34、擴束透鏡組356、LCOS37、PBS38、管透鏡39、物鏡311以及載物臺312，在物鏡311的入瞳面上設(shè)有MASK310，MASK310用于過濾不同級次的光。擴束透鏡組包括平行設(shè)置的第一透鏡35和第二透鏡36。

在本實施例中，準(zhǔn)直物鏡33選用低倍數(shù)物鏡消色差效果很好的低倍數(shù)物鏡。MASK310可以直接膠接在物鏡311的入瞳面上，也可以在物鏡311的制作過程中加入MASK310。

在MASK310上設(shè)有六個用于過濾不同級次光的孔位，以便MASK310可以讓所需的結(jié)構(gòu)光通過，六個孔位以物鏡311入瞳面的中心為圓心沿其圓周方向均勻分布。

除了上述的光學(xué)系統(tǒng)，在具體的實施過程中，其還需要成像系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)以及后續(xù)的圖像處理算法，目前大多數(shù)的系統(tǒng)這兩個部分均采用常規(guī)的CCD采集圖像，用開源的結(jié)構(gòu)光處理的算法軟件處理圖像，產(chǎn)生高分辨率圖像。

本發(fā)明一種小型結(jié)構(gòu)光顯微照明系統(tǒng)的光路如下：

激光器31通過光纖32導(dǎo)入激光光源，激光光源通過準(zhǔn)直物鏡33準(zhǔn)直后經(jīng)過1/4λ片34進行光線偏振方向的調(diào)整，再經(jīng)過擴束透鏡組擴束后，通過PBS38將光打入LCOS37上，之后通過管透鏡39實現(xiàn)與物鏡311入瞳面孔徑的匹配，激光打入到物鏡311入瞳面的MASK310上，通過物鏡311將結(jié)構(gòu)光照明在載物臺312的樣品面上，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光的照明。

本發(fā)明一種小型結(jié)構(gòu)光顯微照明系統(tǒng)將MASK310裝入物鏡311的入瞳面上，可以極大的縮短光路，減小體積，通過光學(xué)系統(tǒng)及相應(yīng)結(jié)構(gòu)的改變，實現(xiàn)了在保持一定的系統(tǒng)分辨率的基礎(chǔ)上極大減小體積，拓展了其應(yīng)用的范圍。

本發(fā)明通過分離傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)與成像系統(tǒng)，極大的提升了該系統(tǒng)的拓展，與傳統(tǒng)顯微鏡的結(jié)合便可以實現(xiàn)超分辨率顯微系統(tǒng)的功能。相較于傳統(tǒng)超分辨系統(tǒng)采用的照明和成像共用一個物鏡，其不方便拓展，而本申請可以有效將其分開，照明系統(tǒng)與成像系統(tǒng)各使用對應(yīng)的物鏡，更便于拓展。

該發(fā)明利用激光器31耦合進光纖32的方式將光導(dǎo)入，也可以使用光纖激光器或者直接進行激光光源的引入，通過消色差效果很好的低倍數(shù)物鏡，將光進行準(zhǔn)直，通過1/4λ片34進行光線偏正方向的調(diào)整，并通過一組擴束透鏡組進行擴束，與后面的管透鏡39組合實現(xiàn)與物鏡311入瞳面孔徑的匹配，實現(xiàn)最好的光學(xué)特性。之后，通過PBS38將光打入LCOS37上，之后通過管透鏡39打入到MASK310上，MASK310裝入物鏡311的入瞳面上，可以極大的縮短光路，減小體積，可以把需要的結(jié)構(gòu)光的級次分出來，通過物鏡311將結(jié)構(gòu)光照明在載物臺的樣品面上，有效實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光的照明。值得注意的是，MASK310有效到濾不同級次的光的作用，讓所需的結(jié)構(gòu)光通過，其需要極高的加工精度及其對稱性。

本發(fā)明設(shè)計了一種小型結(jié)構(gòu)光顯微照明系統(tǒng)，通過了簡單的結(jié)構(gòu)及光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)光照明系統(tǒng)的小型化，為超分辨顯微成像提供了一種方便、快速的實現(xiàn)系統(tǒng)，為研究生物樣品提供了一種便捷的成像系統(tǒng)，可以獲得相對較好的圖像，解決了現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，成像的效果不是特別的好的問題。

如圖5所示，為了進一步地優(yōu)化本發(fā)明的實施效果，在另外一些實施方式中，其余特征技術(shù)相同，不同之處在于，在MASK310上設(shè)有十二個用于過濾不同級次光的孔位。

設(shè)置六個和十二個不同個數(shù)的孔位，主要用于實現(xiàn)線性結(jié)構(gòu)光照明與非線性結(jié)構(gòu)光照明的區(qū)別，提高分辨率。

如圖6和7所示，為了進一步地優(yōu)化本發(fā)明的實施效果，在另外一些實施方式中，其余特征技術(shù)相同，不同之處在于，準(zhǔn)直物鏡33、擴束透鏡組、1/4λ片34、PBS38、LCOS37、管透鏡39以及物鏡311設(shè)置于殼體313內(nèi)。其裝置整體簡單，且殼體313可以對內(nèi)部的部件進行固定和保護，由于本發(fā)明提出的小型結(jié)構(gòu)光顯微照明系統(tǒng)的小型化，其殼體313的尺寸長*寬*高不超過250*250*150mm。

以上的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。