[发明专利]基于径向偏振调制的干涉式结构光照明显微镜系统与方法

说明书

本发明具体涉及基于径向偏振调制的干涉式结构光照明显微镜系统与方法，解决了现有干涉式结构光照明显微成像系统偏振控制方法操作复杂、光能透过率低的问题。系统包括偏振分束器、半波片、空间光调制器、第一透镜、空间滤波器、涡旋半波片、双色镜、显微物镜、筒镜和数字相机；半波片和空间光调制器依次设置在偏振分束器的第一出射光路上；第一透镜、空间滤波器、涡旋半波片、双色镜和显微物镜依次设置在偏振分束器与第一出射光路垂直的第二出射光路上；筒镜、数字相机依次设置在双色镜垂直于第二出射光路的光路上。本发明采用的涡旋半波片降低了系统的复杂度，光能利用率高，适用于低功率激光器作为光源，便于结构光照明光学显微系统的集成。

技术领域

本发明涉及光学显微成像领域，具体涉及基于径向偏振调制的干涉式结构光照明显微镜系统与方法。

背景技术

传统的光学显微成像技术空间分辨率受到阿贝瑞利极限的限制，空间分辨率最高只能达到半波长，制约了其在亚细胞水平观测中的应用。虽然电子显微镜和原子力显微镜可以达到亚纳米的分辨率，但是其只能对非活性离体细胞样品进行观测的缺点限制了其在生物领域的广泛应用。近几十年，伴随着荧光探针技术的发展，一系列超分辨光学显微成像方法被提出，使得光学显微镜的空间分辨率突破了阿贝瑞利极限。其中最具代表性的技术包括光激活定位荧光显微技术(Photo-Activation Localization Microscopy，简称PALM)、随机光学重构荧光显微技术(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy，简称STORM)、受激辐射损耗荧光显微技术(Stimulated Emission Depletion microscopy，简称STED)和结构光照明荧光显微技术(Structured Illumination Microscopy，简称SIM)。

由于SIM是成像速度最快的超分辨成像技术，自该技术出现伊始，就受到了广泛关注。SIM的基本原理如下：显微物镜的空间分辨率取决于它能采集到的最大空间频率f₀，f₀取决于显微物镜的光学传递函数(optical transfer function，简称OTF)，f₀＝2NA/λ，其中NA表示显微物镜的数值孔径，λ表示成像光波的波长。当样品包含的高频信息ff₀时，样品的细节将难以被分辨。如果使用空间频率为f₁的正弦条纹结构光照明样品，则会产生空间频率为f_m＝|f-f₁|的低频莫尔条纹。莫尔条纹实际上是样品与结构光的拍频信号，它包含有样品超衍射分辨的高频信息f。当f_mf₀时，莫尔条纹可以在显微物镜下观察到，通过解码，可以提取出样品的超分辨率信息，重组出样品的高分辨率图像。

为保证结构照明显微系统OTF的各向同性，实验中需要旋转照明光场在多个方向上对称地照明样品。通常在每一个成像平面旋转3个方向，两两夹角互为60度。如图1所示，图1a为普通显微镜的OTF，图1b为单一方向上频谱进行扩展，图1c为三个方向频谱得到扩展。从频域来看，结构光照明拓展了显微系统的OTF，将物镜能收集到的最大空间频率从f₀提高到了f₀+f₁。因此f₁越大，SIM显微的空间分辨率就越高。但是结构照明光场的空间频率f₁同样受衍射极限限制，即f₁≤f₀，所以线性SIM显微技术至多可以将光学显微系统的空间分辨率提高一倍。

由SIM超分辨成像的基本原理可知，其成像系统需要满足以下条件：