一種超分辨虛擬結(jié)構(gòu)光照明成像裝置及其成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種成像裝置及其成像方法，具體涉一種超分辨虛擬結(jié)構(gòu)光照明成像 裝置及其成像方法，屬于光學(xué)緊密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)顯微術(shù)是一種歷史悠久且十分重要的無(wú)破壞性技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于生物和材 料科學(xué)等領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)(Structured Illumination Microscopy，SIM)由美國(guó)科學(xué) 家Gustafsson于2000年提出，其原理類似于莫爾條紋原理，通過(guò)調(diào)制寬場(chǎng)顯微鏡的照明函 數(shù)，使得整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的光強(qiáng)傳遞函數(shù)(0TF)得到平移與疊加，從而使得系統(tǒng)頻域帶寬增 加，截止頻率提高。通常采用一個(gè)正弦光柵改變寬場(chǎng)顯微鏡的照明強(qiáng)度分布，照明光場(chǎng)在光 柵方向上被調(diào)制，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)光柵實(shí)現(xiàn)整個(gè)橫向的調(diào)制。相比于光瞳濾波技術(shù)，結(jié)構(gòu)光技術(shù)注 重考慮光學(xué)系統(tǒng)頻域的變化與影響，只要滿足光柵周期等于寬場(chǎng)顯微鏡空間截止頻率，結(jié) 構(gòu)光照明技術(shù)即可使系統(tǒng)0TF帶寬變?yōu)樵瓉?lái)的2倍，即分辨率提高為原來(lái)的2倍。
[0003] 但是，通常寬場(chǎng)結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡只能測(cè)量比較薄的生物樣品，當(dāng)測(cè)量較厚的樣 品時(shí)，隨入射距離的增加，平行光入射的衍射光受散射效應(yīng)影響明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的顯微成像技術(shù)只能測(cè)量較薄的生物樣品， 并且成像系統(tǒng)的橫向分辨力較差的問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種超分辨虛擬結(jié)構(gòu)光照明成像裝置，包括LED光源，沿LED 光源光線傳播方向依次放置準(zhǔn)直擴(kuò)束器、掃描系統(tǒng)、分光棱鏡、1/4波片、照明物鏡、樣品、收 集透鏡和C⑶探測(cè)器。
[0006] 所述的LED光源為非相干光源，對(duì)樣品的照明為非相干照明，整個(gè)成像過(guò)程均為非 相干成像。
[0007] 所述掃描系統(tǒng)包括掃描振鏡，掃描振鏡改變光束偏轉(zhuǎn)角。
[0008] 基于所述一種超分辨虛擬結(jié)構(gòu)光照明成像裝置的成像方法，通過(guò)探測(cè)面探測(cè)靈敏 度系數(shù)進(jìn)行調(diào)制，得到等效掃描點(diǎn)瞬時(shí)光強(qiáng)信號(hào)I(x s，ys;t)，最后對(duì)時(shí)間積分，得到在樣品 表面照明光場(chǎng)的強(qiáng)度分布I (XS，ys)。
[0009] 具體包括以下步驟：
[0010] 步驟一、對(duì)探測(cè)面探測(cè)靈敏度系數(shù)進(jìn)行調(diào)制，得到等效掃描照明光場(chǎng)；
[0011] 步驟二、對(duì)照明光透過(guò)樣品并經(jīng)過(guò)物鏡再次成像得到探測(cè)面上的光強(qiáng)分布，對(duì)所 述探測(cè)面上的光強(qiáng)分布在掃描時(shí)間上進(jìn)行積分，得到樣品表面照明光的強(qiáng)度分布；
[0012] 步驟三、對(duì)樣品表面照明光光強(qiáng)分布進(jìn)行超分辨圖像重構(gòu)處理，得到清晰圖像。
[0013] 所述步驟一具體包括：
[0014] 通過(guò)對(duì)探測(cè)面靈敏度系數(shù)進(jìn)行調(diào)試，得到照明光場(chǎng)的不同掃描位置的光強(qiáng)最大 值，進(jìn)而得到掃描后的照明光場(chǎng)光強(qiáng)分布；
[0015] 對(duì)掃描后的照明光場(chǎng)光強(qiáng)分布進(jìn)行時(shí)間積分得到等效照明光場(chǎng)。
[0016] 所述步驟二包括：
[0017] 得到照明光透過(guò)樣品后光強(qiáng)分布，進(jìn)而得到經(jīng)過(guò)物鏡再次成像到探測(cè)面上的光強(qiáng) 分布；
[0018] 對(duì)探測(cè)面上的光強(qiáng)分布在掃描時(shí)間上進(jìn)行積分，得到積分圖像的光強(qiáng)分布；
[0019] 對(duì)積分圖像的光強(qiáng)分布進(jìn)行傅里葉變換得到積分圖像的圖像頻譜。
[0020] 步驟三所述超分辨圖像重構(gòu)處理包括對(duì)樣品表面照明光的光強(qiáng)分布引入不同的 調(diào)制相位并進(jìn)行解調(diào)。
[0021] 所述對(duì)樣品表面照明光的光強(qiáng)分布引入不同的調(diào)制相位并進(jìn)行解調(diào)的過(guò)程包括：
[0022] 根據(jù)引入不同的調(diào)制相位得到照明光場(chǎng)的不同掃描位置的光強(qiáng)最大值，進(jìn)而得到 引入相位后的積分圖像的光強(qiáng)分布；
[0023] 對(duì)引入相位后的積分圖像的光強(qiáng)分布進(jìn)行傅里變換，得到帶有相位的積分圖像頻 譜；
[0024]通過(guò)構(gòu)造相位矩陣、像頻譜矩陣和物頻譜矩陣，得到物頻譜的三部分的頻率信息。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下效果:在探測(cè)端改變CCD探測(cè)靈敏度系數(shù)，通過(guò)時(shí)域累計(jì)得 到光強(qiáng)按正弦分布的虛擬照明光場(chǎng)。照明光場(chǎng)對(duì)樣品物函數(shù)進(jìn)行調(diào)制，使其高頻信息移向 低頻段，進(jìn)而能被探測(cè)光路探測(cè)并參與成像。改變照明光場(chǎng)方向可以對(duì)物函數(shù)進(jìn)行不同方 向的調(diào)制。每個(gè)照明方向通過(guò)改變照明光場(chǎng)相位，對(duì)探測(cè)頻譜中的高低頻成分加以區(qū)分，最 后進(jìn)行圖像重構(gòu)得到超分辨圖像。
[0025]本發(fā)明探測(cè)面靈敏度系數(shù)與樣品被掃描點(diǎn)位置成正弦關(guān)系的，等效于在樣品表面 進(jìn)行光強(qiáng)按正弦分布的結(jié)構(gòu)照明，可以把樣品結(jié)構(gòu)中的高頻分量向低頻方向平移并且與低 頻成分疊加，系統(tǒng)探測(cè)到普通顯微成像系統(tǒng)中無(wú)法探測(cè)到的高頻信息，從而顯著改善系統(tǒng) 橫向分辨力。
[0026]本發(fā)明創(chuàng)造性的將虛擬結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)引入到掃描顯微系統(tǒng)中，利用掃描顯微鏡 采用聚焦照明的特性，能量集中，受厚樣品散射影響小，因此掃描結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)不僅可以 提高掃描顯微系統(tǒng)的空間截止頻率，拓寬空間頻域帶寬，從而顯著改善系統(tǒng)橫向分辨力，增 加了光學(xué)成像的穿透深度，而且滿足測(cè)量厚的生物樣品的要求，可適用于工業(yè)形貌及厚生 物樣品成像的測(cè)量領(lǐng)域。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1是本發(fā)明超分辨虛擬結(jié)構(gòu)光照明成像裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2是ΝΑ = 0.1，λ = 660ηπι時(shí)普通掃描顯微成像系統(tǒng)的0TF歸一化仿真圖；
[0029]圖3是ΝΑ = 0.1，λ = 660ηπι時(shí)虛擬結(jié)構(gòu)光照明顯微成像系統(tǒng)的0TF歸一化仿真圖； [0030]圖4是X方向上間隔為3.3um的條紋樣品仿真圖；
[0031]圖5是樣品的頻譜分布仿真圖；
[0032]圖6是條紋樣品在ΝΑ = 0.1，λ = 660ηπι的普通掃描顯微系統(tǒng)中所探測(cè)到的頻譜仿真 圖；
[0033]圖7是條紋樣品在ΝΑ = 0.1，λ = 660ηπι的普通掃描顯微系統(tǒng)中所成像光強(qiáng)歸一化仿 真圖；
[0034] 圖8是條紋樣品在ΝΑ = 0.1，λ = 660ηηι，照明光場(chǎng)光強(qiáng)分布為/ 斗+1的虛 Λ 擬結(jié)構(gòu)光照明系統(tǒng)中所探測(cè)到的頻譜仿真圖；
[0035] 圖9是圖7中數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)圖像重構(gòu)后的到的超分辨圖像的頻譜；
[0036] 圖10是條紋樣品在NA = 0.1，λ=660nm，照明光場(chǎng)光強(qiáng)分布為/ <^?_(.二7二X) + 1的虛 Λ 擬結(jié)構(gòu)光照明系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)圖像重構(gòu)后所得超分辨圖像的光強(qiáng)歸一化仿真圖；
[0037]圖11是條紋樣品與其在普通掃描顯微系統(tǒng)和虛擬結(jié)構(gòu)光照明系統(tǒng)中所成像在X方 向光強(qiáng)歸一化仿真圖。
[0038]圖中：1、LED光源，2、準(zhǔn)直擴(kuò)束器，3、掃描系統(tǒng)，4、(XD探測(cè)器，5、收集透鏡，6、分光 棱鏡，7、1 /4波片，8、照明物鏡，9樣品。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 結(jié)合【附圖說(shuō)明】本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，本發(fā)明的一種超分辨虛擬結(jié)構(gòu)光照明成像 裝置，包括LED光源1，其特征在于:沿LED光源1光線傳播方向依次放置準(zhǔn)直擴(kuò)束器2、掃描系 統(tǒng)3、分光棱鏡4、1 /4波片5、照明物鏡6、樣品7、收集透鏡8和(XD探測(cè)器9。
[0040] 所述的LED光源為非相干光源，對(duì)樣品的照明為非相干照明，整個(gè)成像過(guò)程均為非 相干成像。
[0041 ]所述掃描系統(tǒng)3包括掃描振鏡，掃描振鏡改變光束偏轉(zhuǎn)角。
[0042] 基于所述一種超分辨虛擬結(jié)構(gòu)光照明成像裝置的成像方法，通過(guò)探測(cè)面探測(cè)靈敏 度系數(shù)進(jìn)行調(diào)制，得到等效掃描點(diǎn)瞬時(shí)光強(qiáng)信號(hào)I(x s，ys;t)，最后對(duì)時(shí)間積分，得到在樣品 表面照明光場(chǎng)的強(qiáng)度分布I (Xs，ys)。
[0043] 具體包括以下步驟：
[0044] 步驟一、非相干照明掃描顯微系統(tǒng)中，省略放大倍數(shù)以及常數(shù)系數(shù)，照明光強(qiáng)點(diǎn)擴(kuò) 展函數(shù)hn(r)與探測(cè)光強(qiáng)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)11(1(^)相同，表示如式（1):
[0045]
⑴；
[0046] 式中，JKx)表示第一類一階貝塞爾函數(shù);