结构光滤波装置及具有该装置的结构光照明显微成像系统

技术领域

本发明涉及结构光照明显微镜领域，特别涉及一种结构光滤波装置以及具有该装置的结构光照明显微成像系统。

背景技术

结构光照明荧光显微镜是基于常规荧光显微镜，通过对其照明方式的改进，以特定结构光成像，从而突破衍射极限，获得高分辨率样品信息，进而由傅里叶变换获得样品显微图像的一种光学显微镜。通过在照明光路中插入一个结构光的发生装置(如光栅，空间光调制器，或者数字微镜阵列DMD等)，照明光受到调制后，形成亮度规律性变化的图案，然后经物镜投影在样品上，调制光所产生的荧光信号再被相机接收。通过移动和旋转照明图案使其覆盖样本的各个区域，并将拍摄的多幅图像用软件进行组合和重建，就可以得到该样品的超分辨率图像了。从而使得结构光照明荧光显微镜在细胞生物学、神经生物学、微生物生理学等方面具有广泛的应用。

但现有的结构光照明荧光显微镜存在以下不足，例如：现有结构光照明荧光显微镜中的滤波元件多采用矩形孔Mask(如图4)在光束的频谱面进行滤波，除使光束的正负一级衍射光经过Mask后产生干涉外，会使周围杂光通过并直接降低后续光束干涉条纹的对比度，导致影响最终的成像质量。另外，现有结构光照明荧光显微镜中通常由于生成的结构光的均匀性较差(通常是中央强、边缘若)，容易导致成像图片出现中央亮、边缘暗的现象，而使图像失真。所以，现在有必要提供一种更为可靠的方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构光滤波装置以及具有该装置的结构光照明显微成像系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种用于结构光生成的滤波装置，包括沿光路依次设置的衍射光学元件、傅里叶透镜、圆孔滤波元件、相位延迟器以及第一准直透镜；

所述衍射光学元件出射的衍射光依次经过所述傅里叶透镜聚焦、圆孔滤波元件滤光、相位延迟器进行相位调制以及第一准直透镜准直后输出；

所述圆孔滤波元件具有若干不同孔径的可切换进入光路以进行滤光的圆孔。

优选的是，所述圆孔滤波元件包括间隔设置的具有若干不同孔径的圆孔的MASK板以及用于驱动所述MASK板进行位置移动以将不同的圆孔切换进入光路的驱动机构。

优选的是，，所述衍射光学元件出射的衍射光中只有±1级光能透过所述圆孔滤波元件。

优选的是，所述傅里叶透镜和圆孔滤波元件之间还设置有第一反射镜，所述傅里叶透镜出射的光经所述第一反射镜反射后到达所述圆孔滤波元件。

优选的是，所述衍射光学元件为空间光调制器。

本发明还提供一种结构光照明显微成像系统，其包括如上所述的结构光滤波装置、照明光源模块以及显微成像模块。

优选的是，所述照明光源模块包括沿光路依次设置的激光器、光纤、第二准直透镜、孔径光阑、第二反射镜、半波片以及偏振棱镜；

所述激光器发出的激光经光纤传输到所述第二准直透镜，然后依次经过所述孔径光阑、第二反射镜、半波片后被所述偏振棱镜反射至所述衍射光学元件上，所述衍射光学元件产生的衍射光再透射所述偏振棱镜后输出至所述结构光滤波装置的傅里叶透镜上。

优选的是，所述显微成像模块包括第三反射镜、二向色镜、相机以及显微镜；

所述结构光滤波装置的第一准直透镜出射的光依次经所述第三反射镜反射、二向色镜反射后，再经过所述显微镜的显微物镜照射到样品面上发生干涉，产生结构光并照射样品，样品被激发产生的荧光由所述显微物镜收集后再透射二向色镜，到达所述相机进行成像。

本发明的有益效果是：本发明提供的用于结构光生成的滤波装置通过圆孔滤波元件可精确控制正负一级衍射光通过频谱面继续传输，能提高后续样品表面结构照明光的对比度；本发明进一步提供的结构光照明显微成像系统，在提高了样品表面结构照明光的对比度的基础上，通过孔径光阑挡住光斑的边缘部分，从而能获得强度均匀性更好的激光，最终确保了生成的结构光有良好的均匀性，解决了成像图片中央亮、边缘暗的缺点，能降低图像的荧光失真度。

附图说明

图1为本发明的实施例1中的用于结构光生成的滤波装置的结构示意图；

图2为本发明的实施例2中的结构光照明显微成像系统的结构示意图；

图3为本发明的实施例1中的圆孔滤波元件的结构示意图；

图4为现有技术中采用的矩形孔Mask板的结构示意图。

附图标记说明：

1—激光器；2—光纤；3—第二准直透镜；4—孔径光阑；5—第二反射镜；6—半波片；7—偏振棱镜；8—衍射光学元件；9—傅里叶透镜；10—第一反射镜；11—圆孔滤波元件；12—相位延迟器；13—第一准直透镜；14—第三反射镜；15—二向色镜；16—相机；17—显微物镜；18—样品；110—MASK板；111—圆孔。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种用于结构光生成的滤波装置，包括沿光路依次设置的衍射光学元件8、傅里叶透镜9、第一反射镜10、圆孔滤波元件11、相位延迟器12以及第一准直透镜13；

衍射光学元件8出射的衍射光依次经过傅里叶透镜9聚焦(将光线聚焦至频谱面)、第一反射镜10反射、圆孔滤波元件11滤光(只允许正负一级衍射光通过)、相位延迟器12进行相位调制以及第一准直透镜13准直后输出。第一准直透镜13准直输出的正负一级衍射光后续在样品18面产生干涉，从而生成结构照明光照射样品18。

其中，圆孔滤波元件11具有若干不同孔径的可切换进入光路以进行滤光的圆孔。滤波装置的入射光源可包括多种不同波长的激光，针对不同波长的激光切换对应孔径的圆孔进行滤波，从而可显著提升滤波效果。

在一种优选的实施例中，参照图3，圆孔滤波元件11包括间隔设置的具有若干不同孔径的环形布置的圆孔111的MASK板110以及用于驱动MASK板110进行位置移动以将不同的圆孔111切换进入光路的驱动机构(图中未示出)。

衍射光学元件8出射的衍射光包括0级、±1级光等，但其中只有±1级光能透过圆孔滤波元件11。通过圆孔滤波元件11可精确控制正负一级衍射光通过频谱面继续传输，能提高后续样品18表面结构照明光的对比度。

在一种优选的实施例中，衍射光学元件8为空间光调制器。

实施例2

本实施例提供一种结构光照明显微成像系统，其包括实施例1的结构光滤波装置、照明光源模块以及显微成像模块。

其中，照明光源模块包括沿光路依次设置的激光器1、光纤2、第二准直透镜3、孔径光阑4、第二反射镜5、半波片6以及偏振棱镜7，显微成像模块包括第三反射镜14、二向色镜15、相机16以及显微镜。

激光器1发出的激光经光纤2传输到第二准直透镜3，然后依次经过孔径光阑4、第二反射镜5、半波片6后被偏振棱镜7反射至衍射光学元件8上，衍射光学元件8产生的衍射光再透射偏振棱镜7后输出至结构光滤波装置的傅里叶透镜9上聚焦；然后依次经过第一反射镜10反射、圆孔滤波元件11滤光(只允许正负一级衍射光通过)、相位延迟器12进行相位调制以及第一准直透镜13准直后输出，再被依次第三反射镜14反射、二向色镜15反射后，经过显微镜的显微物镜17照射到样品18面上发生干涉，产生结构光并照射样品18，样品18被激发产生的荧光由显微物镜17收集后再透射二向色镜15，到达相机16进行成像。

其中，激光器1为可发出多种不同波长激光的可调谐激光器1，或是包括多个激光器1以提供不同波长的激光(如常用的405nm、488nm、561nm、638nm波长的激光)。

其中，空间光调制器不停的变化条纹周期和方向，每种条纹周期和方向都对应了相位延迟期的一种相位，因此相位延迟器12是跟着空间光调制器一起不停变化。例如，空间光调制器生成0°、60°、120°三个方向的条纹，激光入射到空间光调制器产生对应方向的衍射光，但60°及120°的衍射光与其偏振方向不匹配，因此通过相位延迟器12调整衍射光的偏振方向，使偏振方向与条纹方向对应，以获得期望的结构光分布。需要理解的是，空间光调制器与相位延迟器12为现有常规产品，其工作原理为现有技术。

其中，激光经过第二准直透镜3准直成较大的平行光斑，光斑的强度分布满足高斯分布，中央位置光强大，边缘位置光强小，通过调节孔径光阑4的大小，使光斑中央部分透过光阑，边缘部分被遮挡住，透过孔径光阑4的光在经过半波片6后入射到偏振棱镜7，半波片6可沿着光轴旋转从而调节激光偏振态的方向，确保进入偏振棱镜7的光在偏振棱镜7斜面都被反射到空间光调制器上，空间光调制器生成莫尔条纹图案，相当于一个反射式光栅的作用，将光衍射出去，衍射光透射偏振棱镜7后输出到结构光滤波装置的傅里叶透镜9上，然后被第一反射镜10反射至圆孔滤波元件11，衍射光包括0级、±1级光等，其中只有±1级光能透过圆孔滤波元件11继续传输，最后经过如上的后续若干光学元件后在样品18面上发生干涉，产生结构光，±1级光相互干涉形成对比度更好的莫尔条纹，能提高结构照明光的对比度。

本实施例中，可以在入射光束的频谱面精准匹配入射光的波长及衍射元件的周期，有效的阻挡衍射杂光，仅使正负一级衍射光通过频谱面继续传播，并在透镜组的后焦面产生高对比度的结构光干涉条纹。

本实施例中，通过孔径光阑4挡住光斑的边缘部分，从而能获得强度均匀性更好的激光，最终确保了生成的结构光有良好的均匀性，解决了成像图片中央亮、边缘暗的缺点；且更均匀的结构光照明能减少对图片不同区域荧光相对亮度的误判，降低图像的荧光失真度。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。