[发明专利]一种多色双模式结构光照明显微成像系统及其成像方法

权利要求书

1.一种基于数字微镜阵列和激光干涉的多色双模式结构光照明显微成像系统，其特征在于，所述多色双模式结构光照明显微成像系统包括：照明光源、合束装置、波长选择装置、偏振控制装置、准直扩束装置、入射角调节装置、数字微镜阵列、聚光透镜、空间滤光器、第一二向色镜、第二二向色镜、4f系统、偏振矫正装置、物镜、镜筒透镜、相机、数据采集卡和变换旋转架；其中，照明光源包括多个单波长激光器，每一个单波长激光器发出一个波长的线偏振激光，多个激光器分别发出不同波长的线偏振激光；不同波长的线偏振激光经合束装置合束，传输至波长选择装置；通过波长选择装置快速选择通过的线偏振激光的波长，选定波长的线偏振激光通偏振控制装置进行光的偏振控制，通偏振控制装置调制过的线偏振激光的偏振方向与数字微镜阵列上加载的二值周期条纹的方向一致；经准直扩束装置进行扩束后入射至数字微镜阵列；在结构光照明显微成像系统中，数字微镜阵列相当于衍射光栅，其衍射形成的不同级次的线偏振光通过在样本表面干涉形成照明结构光，入射的线偏振激光需要满足数字微镜阵列的闪耀条件，从而产生高对比度的照明结构光，闪耀条件为不同波长的入射光，具有相应的入射角；入射角调节装置采用二向色镜和反射镜的组合，根据闪耀条件调整不同波长的线偏振激光的路线，将选定波长的线偏振激光调整至以相应的入射角入射至数字微镜阵列，从而满足闪耀条件；数字微镜阵列的平面垂直于光轴，数字微镜阵列上加载有周期性的黑白相间的二值周期条纹，被数字微镜阵列反射后，形成多级线偏振衍射光；多级线偏振衍射光经聚光透镜聚焦后至空间滤光器，空间滤光器设置在变换旋转架上，通过变换旋转架选择空间滤光器为三维结构光照明模式下的三维通光孔滤光器，或者为二维结构光照明模式下的二维通光孔滤光器；

在三维结构光照明模式下，经空间滤光器0级和±1级偏振衍射光通过；0级和±1级偏振衍射光经第一二向色镜后通过4f系统，再经第二二向色镜，汇聚至物镜后焦面处，通过物镜之后入射到样本平面上进行干涉，4f系统将空间光调制器的傅里叶面延迟到物镜的后焦面，即通过4f系统使得物镜的后焦面位于空间光调制器的傅里叶面；0级和±1级线偏振衍射光在样本平面上干涉形成正弦条纹照明，激发样本产生荧光，荧光返回后由物镜收集，经第二二向色镜后，通过发射滤光片滤波，再由镜筒透镜聚焦；第一二向色镜与第二二向色镜s轴和p轴互换，从而消除单独使用一个二向色镜引入的偏振畸变；经镜筒透镜聚焦的荧光投射在相机上实现数字化成像；在选定波长下相机采集相应波长的荧光得到一张原始图像；保持二值周期条纹的角度不变，将数字微镜阵列上加载的二值周期条纹进行2π/n的相位移动形成新的二值周期条纹，再通过相机采集得到第二张原始图像，该过程经过n次重复总计得到同一方向的n张不同相位的原始图像，构成第一个方向的原始图像；二值周期条纹绕着水平光轴进行π/k的角度旋转，与第一个方向进行相同的数据采集过程，从而获得一共k个方向原始图像，每个方向上具有n张原始图像，k个方向总计k×n张原始图像构成一组原始图像；样本沿光轴方向以设定的步长进行步进，仍然采集k个方向且每个方向n个相位的一组原始图像；经过多次步进，采集设定范围的多组原始图像，从而形成多层原始图像；经三维结构光照明显微成像算法进行三维重建得到样本的三维超分辨图像，k和n均为≥2的自然数；

在二维结构光照明模式下，通过变换旋转架，选择空间滤光器为二维结构光照明模式下的二维通光孔滤光器，经空间滤光器±1级偏振衍射光通过；±1级偏振衍射光经第一二向色镜后通过4f系统，再经第二二向色镜，汇聚至物镜后焦面处，通过物镜之后打到样本平面上进行干涉，4f系统将空间光调制器的傅里叶面延迟到物镜的后焦面，即通过4f系统使得物镜的后焦面位于空间光调制器的傅里叶面；±1级线偏振衍射光在样本平面上干涉形成正弦条纹照明，激发样本产生荧光，荧光返回后由物镜收集，经第二二向色镜后，通过发射滤光片滤波，再由镜筒透镜聚焦；第一二向色镜与第二二向色镜s轴和p轴互换，从而消除单独使用一个二向色镜引入的偏振畸变；经镜筒透镜聚焦的荧光投射在相机上实现数字化成像；在选定波长下相机采集相应波长的荧光得到一张原始图像；保持二值周期条纹的角度不变，将数字微镜阵列上加载的二值周期条纹进行2π/n′的相位移动形成新的二值周期条纹，再通过相机采集得到第二张原始图像，该过程经过n′次重复总计得到同一方向的n′张不同相位的原始图像，构成第一个方向的原始图像；二值周期条纹绕着水平光轴进行π/k′的角度旋转，与第一个方向进行相同的数据采集过程，从而获得一共k′个方向原始图像，每个方向上具有n′张原始图像，k′个方向总计k′×n′张原始图像构成一组原始图像；经二维结构光照明显微成像算法进行重建,得到样本的二维超分辨图像，k′和n′均为≥2的自然数。