本發(fā)明實(shí)施例涉及一種高速結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

多年來，寬場/共聚焦熒光顯微鏡的分辨率受限于光的阿貝/瑞利極限，不能分辨出200nm以下的結(jié)構(gòu)，而超分辨光學(xué)成像技術(shù)打破了該限制，為生命科學(xué)研究提供了有效的工具。目前的超分辨成像技術(shù)主要包括基于單分子成像的超分辨率顯微成像方法，如光激活定位顯微技術(shù)(photoactivatedlocalizationmicroscopy,palm)和隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)顯微技術(shù)(stochasticopticalreconstructionmicroscopy,storm)，以及通過改造光源的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)來提高成像分辨率的方法，包括受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)(stimulatedemissiondepletion,sted)和飽和結(jié)構(gòu)照明顯微技術(shù)(saturatedstructureilluminationmicroscopy,ssim).與前三種超分辨成像技術(shù)相比，sim的分辨率雖然只有傳統(tǒng)顯微鏡的兩倍(100nm)，但它擁有成像速度快且所需的照明光強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它方法的優(yōu)勢，因此結(jié)構(gòu)光技術(shù)為活體細(xì)胞成像提供了可能。但現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)光成像方法成像速度緩慢，嚴(yán)重制約著結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的成像幀率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種高速結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)，以解決上述技術(shù)問題。

根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例，提供了一種高速結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)，包括：脈沖光信號發(fā)生裝置，光環(huán)形器，空間色散器件，空間光調(diào)制器以及光成像裝置；所述脈沖光信號發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生脈沖光信號；所述光環(huán)形器，用于調(diào)整光路，以使從所述脈沖光信號發(fā)生裝置入射的所述脈沖光信號經(jīng)所述光環(huán)形器進(jìn)入第一光路，再從所述第一光路返回，并入射到所述光成像裝置；空間色散器件，位于所述第一光路中，用于將從所述光環(huán)形器入射的脈沖光信號的頻譜在空間展開；空間光調(diào)制器，位于所述第一光路中，用于將所述在空間展開的光信號進(jìn)行調(diào)制；光成像裝置，利用所述空間光調(diào)制器調(diào)制后的光信號對目標(biāo)物體進(jìn)行成像。

例如，所述脈沖光信號發(fā)生裝置為寬譜脈沖光源，短脈沖光源或直流光源。

例如，所述空間光調(diào)制器對所述光的空間方向進(jìn)行調(diào)制。

例如，所述空間光調(diào)制器對所述光的相位進(jìn)行調(diào)制。

例如，所述空間光調(diào)制器對光的空間頻率振幅進(jìn)行調(diào)制。

例如，還包括濾波器，所述濾波器用于將所述空間色散器件展開的光基于光的波長進(jìn)行濾波，以將其分成不同波段；所述空間光調(diào)制器基于波段對所述濾波器分成的不同波段的光進(jìn)行調(diào)制。

例如，所述空間光調(diào)制器將所述不同波段的光調(diào)制到三個(gè)不同的空間方向上。

例如，所述空間光調(diào)制器將所述不同波段的光的空間頻率調(diào)制成三個(gè)不同的相位。

例如，所述空間光調(diào)制器為數(shù)字微鏡陣列，通過調(diào)制所述數(shù)字微鏡陣列的方向和角度，來調(diào)制所述射入的光的方向和相位。

例如，所述空間光調(diào)制器為固定圖案掩膜版，基于所述固定圖案掩膜版的圖案，來調(diào)制所述射入的光的方向和相位。

11、根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的光成像系統(tǒng)，其中，所述空間光調(diào)制器調(diào)制出不同圖案，以使入射到所述空間光調(diào)制器的光具有不同的空間方向和相位。

例如，所述圖案為條紋。

例如，所述條紋包括至少兩種。

例如，所述至少兩種條紋包括三種條紋或三種以上條紋。

例如，所述至少兩種條紋包括橫條紋，豎條紋以及斜條紋中的至少兩種。

例如，所述空間光調(diào)制器基于不同光強(qiáng)度，將所述不同波段的光調(diào)制為不同圖案。

例如，所述空間光調(diào)制器基于不同光的顏色，將所述不同波段的光調(diào)制為不同圖案。

例如，還包括透鏡，所述透鏡位于所述濾波器以及所述空間光調(diào)制器之間，所述透鏡將所述濾波器過濾的光進(jìn)行匯聚，所述空間光調(diào)制器對所述匯聚后的不同波段的光進(jìn)行調(diào)制。

例如，所述光成像裝置包括物鏡，所述物鏡利用從所述第一光路返回的調(diào)制后的光對所述目標(biāo)物體進(jìn)行成像。

例如，所述物鏡包括第一物鏡以及第二物鏡，分別位于所述目標(biāo)物體的兩側(cè)；所述第一物鏡接收從所述第一光路返回的調(diào)制后的光并入射到所述目標(biāo)物體，所述第二物鏡對所述目標(biāo)物體的反射光和/或散射光進(jìn)行采集。

例如，所述光成像裝置還包括第二色散器件，用于對所述第二物鏡采集的光進(jìn)行色散。

例如，所述光成像裝置還包括第二透鏡，所述第二透鏡對所述第二色散器件采集的光進(jìn)行匯聚。

例如，所述光成像裝置還包括感光元件，用于對從所述目標(biāo)物體采集的光進(jìn)行成像。

例如，所述感光元件從所述目標(biāo)物體采集的光信號中包括基頻分量與正負(fù)頻移分量的線性組合。

例如，所述頻移分量的線性系數(shù)與所述空間光調(diào)整器調(diào)制的圖案的相位相關(guān)。

例如，所述空間光調(diào)制器將所述不同波段的光的空間頻率調(diào)制成三個(gè)不同的相位，所述感光元件基于所述三個(gè)不同的相位對所述目標(biāo)物體反射和/或散射的光進(jìn)行采集，獲得三個(gè)探測結(jié)果。

例如，所述三個(gè)探測結(jié)果構(gòu)成一組三元一次線性方程組，根據(jù)該線性方程組，分離出成像圖像信號的所述基頻分量以及所述正負(fù)頻移分量。

例如，將所述基頻分量以及所述正負(fù)頻移分量在空間頻域進(jìn)行組合，并變換回空間位置域，以恢復(fù)出所述目標(biāo)物體的圖像。

例如，所述空間光調(diào)制器包括：數(shù)字微鏡陣列或液晶調(diào)制器。

本發(fā)明實(shí)施例中，成像系統(tǒng)通過將脈沖光進(jìn)行光譜分割，利用光柵將不同波長分量的脈沖光在空間中分離，照射在數(shù)字微鏡陣列上載有不同條紋圖案的位置上，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光的并行獲取。該過程不涉及電控或機(jī)械運(yùn)動(dòng)的過程，大大提高了重構(gòu)一幀高分辨圖像所需的時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高速的結(jié)構(gòu)光超分辨成像系統(tǒng)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例的描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹。下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的示例性實(shí)施例。

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種高速結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一種高速結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

在下文中，將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。注意，在本說明書和附圖中，具有基本上相同步驟和元素用相同的附圖標(biāo)記來表示，且對這些步驟和元素的重復(fù)解釋將被省略。

圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的高速結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)示意圖。下面將參照圖1來描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的高速結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)。參見圖1，高速結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)100包括：脈沖光信號發(fā)生裝置110，光環(huán)形器120，空間色散器件130，空間光調(diào)制器140以及光成像裝置150。脈沖光信號發(fā)生裝置110用于產(chǎn)生脈沖光信號。光環(huán)形器120用于調(diào)整光路，以使從脈沖光信號發(fā)生裝置110入射到光環(huán)形器120的脈沖光信號進(jìn)入第一光路，再從第一光路返回，并入射到光成像裝置150?？臻g色散器件130(例如光柵或棱鏡)，位于第一光路中，用于將從光環(huán)形器120入射的脈沖光信號的頻譜在空間展開?？臻g光調(diào)制器140，也位于第一光路中，用于將在空間展開的光信號進(jìn)行調(diào)制。光成像裝置150利用空間光調(diào)制器140調(diào)制后的光信號對目標(biāo)物體進(jìn)行成像。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，脈沖光信號發(fā)生裝置110可以為寬譜脈沖光源，短脈沖光源或直流光源。例如，采用中心波長處于可見光波段(400～760nm)的寬譜脈沖光源。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，空間色散器件130為光柵，例如衍射光柵或散射光柵。由于受到光柵角色散的作用，不同波長的光的衍射角不同，因此脈沖光中不同的波長分量在空間上散開。例如，空間色散器件130可以通過一個(gè)反射鏡接收光環(huán)形器120的入射光。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，空間光調(diào)制器140可以對光的空間方向進(jìn)行調(diào)制。此外，空間光調(diào)制器也可以對光的相位進(jìn)行調(diào)制。或者，空間光調(diào)制器也可以對光的空間方向和相位同時(shí)進(jìn)行調(diào)制。

空間光調(diào)制器可以將光調(diào)制到三個(gè)不同的空間方向上，或者，空間光調(diào)制器可以將光的空間頻率調(diào)制成三個(gè)不同的相位。此外，空間光調(diào)制器還可以對光的空間頻率振幅進(jìn)行調(diào)制。

例如，空間光調(diào)制器用的是數(shù)字微鏡陣列(dmd)，用來對光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。用dmd將光斑的強(qiáng)度分布調(diào)制成正弦分布的條紋狀。這里可以通過數(shù)字編程改變條紋光斑的方向和初始相位。比如條紋方向間隔60度的三組條紋光斑，將其中一個(gè)條紋光斑的方向設(shè)為0度，則另兩個(gè)條紋光斑的方向?yàn)?0度和120度。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一種高速結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。參見圖2，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，高速結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)100還可以包括濾波器160，濾波器用于將空間色散器件展開的光基于光的波長進(jìn)行濾波，以將其分成不同波段。這樣，空間光調(diào)制器基于波段對濾波器分成的不同波段的光進(jìn)行調(diào)制。例如，空間光調(diào)制器將不同波段的光調(diào)制到三個(gè)不同的空間方向上?；蛘撸臻g光調(diào)制器將不同波段的光調(diào)制成三個(gè)不同的相位。

為了將不同波段的光調(diào)制成三個(gè)不同的相位和方向，空間光調(diào)制器為數(shù)字微鏡陣列，通過調(diào)制數(shù)字微鏡陣列的方向和角度，來調(diào)制射入的光的方向和相位。例如，數(shù)字微鏡陣列調(diào)制為不同圖案，這樣，入射到數(shù)字微鏡陣列的光的空間分別則具有不同的空間方向和相位。該圖案可以為條紋，也可以是方塊，點(diǎn)陣等其他圖案。當(dāng)圖案是條紋時(shí)，條紋可以包括至少兩種?？蛇x地，為了提高成像圖像分辨率，條紋可以包括三種條紋或三種以上條紋?？蛇x地，至少兩種條紋包括橫條紋，豎條紋以及斜條紋中的至少兩種。當(dāng)然，如果分辨率要求不高，也可以采用橫條紋，豎條紋以及斜條紋中的一種。參見圖2，圖2示出了空間光調(diào)制器調(diào)制出的條紋圖案p以及光照射到條紋圖案上產(chǎn)生的圓形光斑l。

例如，濾波器160選出其中9個(gè)波長分量的脈沖光，根據(jù)結(jié)構(gòu)光超分辨成像的原理，為了獲得高分辨率的成像圖像，一幀高分辨圖像可以由9幀載有不同方向、不同相位條紋的低分辨圖像來重建。例如三個(gè)方向0度、60度和120度，每個(gè)方向又包含3個(gè)相位。這些脈沖光照射在作為空間光調(diào)制器的數(shù)字微鏡陣列上的不同位置，通過預(yù)先將微鏡陣列相應(yīng)位置進(jìn)行上述9種條紋的編碼，我們可以實(shí)現(xiàn)不需要電控或者機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方式同時(shí)獲得9種不同的結(jié)構(gòu)光。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，空間光調(diào)制器可以基于入射光的不同光強(qiáng)度，將不同波段的光調(diào)制到不同圖案上?？商鎿Q或增加地，空間光調(diào)制器也可以基于不同光的顏色，將不同波段的光調(diào)制成不同圖案。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，空間光調(diào)制器140可以是數(shù)字微鏡陣列或液晶調(diào)制器。這里我們采用數(shù)字微鏡陣列或液晶調(diào)制器的原因是可靈活調(diào)節(jié)條紋的寬度和間隔，當(dāng)調(diào)制參數(shù)確定后，可以使用固定圖案掩膜版代替數(shù)字微鏡陣列，通過固定圖案掩膜版的圖案，來調(diào)制射入的光的方向和相位。從而可以有效節(jié)省成本。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，高速結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)100還可以包括透鏡170，透鏡170可以位于濾波器160以及空間光調(diào)制器140之間，透鏡170可以將濾波器過濾的光進(jìn)行匯聚，這樣，空間光調(diào)制器對匯聚后的不同波段的光進(jìn)行調(diào)制。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，光成像裝置150可以包括物鏡，物鏡利用從第一光路返回的調(diào)制后的光對目標(biāo)物體進(jìn)行成像。例如，參見圖2，從光環(huán)形器120出射光入射到物鏡中。例如，物鏡包括第一物鏡151以及第二物鏡152，分別位于目標(biāo)物體s的兩側(cè)。第一物鏡151接收從第一光路返回的調(diào)制后的光并入射到目標(biāo)物體，第二物鏡152對目標(biāo)物體的反射光和/或散射光進(jìn)行采集。通過使用第一物鏡151和第二物鏡152，可以將目標(biāo)物體處于物鏡數(shù)值孔徑之外的空間頻譜信息搬移到數(shù)值孔徑之內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，光成像裝置150還包括第二色散器件153(例如光柵)，用于對第二物鏡152采集的光進(jìn)行色散,將目標(biāo)物體反射和/或散射的光在空間中分開，照射到電荷耦合器件ccd的不同空間位置上。光成像裝置150還可以包括第二透鏡154，第二透鏡154對第二色散器件153采集的光進(jìn)行匯聚。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，光成像裝置150還包括感光元件155，例如電荷耦合器件ccd，用于對從目標(biāo)物體采集的光進(jìn)行成像。如圖2所示，經(jīng)過光成像裝置150，可以得到對目標(biāo)物體s的成像圖像，該圖像中包括三個(gè)帶有空間光調(diào)制器140調(diào)制的圖案，可以利用這3個(gè)圖像來恢復(fù)出一個(gè)高分辨的圖像。

由于采用正弦強(qiáng)度的光進(jìn)行入射，因此每幅圖像的探測結(jié)果都是基頻信號與正負(fù)兩個(gè)正弦頻移分量的線性組合，其中頻移分量的線性系數(shù)與調(diào)制正弦圖案的初始相位有關(guān)。三次不同初相的測量結(jié)果，可以構(gòu)成一組三元一次線性方程組，從而分離出圖像信號基頻分量與兩個(gè)含有高頻信息的正負(fù)頻移分量。繼而，將三者在空間頻域進(jìn)行組合，并變換回空間位置域即能恢復(fù)出分辨率增強(qiáng)的圖像。

綜上，本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于該成像系統(tǒng)通過將寬譜脈沖光進(jìn)行光譜分割，利用衍射光柵將不同波長分量的脈沖光在空間中分離，照射在微鏡陣列載有不同條紋圖案的位置上，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光的并行獲取。該過程不涉及電控或機(jī)械運(yùn)動(dòng)的過程，大大提高了重構(gòu)一幀高分辨圖像所需的時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高速的結(jié)構(gòu)光超分辨成像系統(tǒng)。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識到，結(jié)合本文中所公開的實(shí)施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、計(jì)算機(jī)軟件或者二者的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。并且軟件模塊可以置于任意形式的計(jì)算機(jī)存儲介質(zhì)中。為了清楚地說明硬件和軟件的可互換性，在上述說明中已經(jīng)按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術(shù)方案的特定應(yīng)用和設(shè)計(jì)約束條件。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對每個(gè)特定的應(yīng)用來使用不同方法來實(shí)現(xiàn)所描述的功能，但是這種實(shí)現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，可依賴于設(shè)計(jì)需求和其它因素對本發(fā)明進(jìn)行各種修改、組合、部分組合和替換，只要它們在所附權(quán)利要求書及其等價(jià)物的范圍內(nèi)。