[发明专利]一种空间相移的结构光超分辨成像系统及方法

说明书

本发明公开了一种空间相移的结构光超分辨成像系统及方法，该系统通过将两束偏振方向相互正交的线偏振光束相干叠加，形成结构光照明待测物体，结构光被非偏振分光棱镜分光后，通过不同角度的第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片分别被对应的第一图像传感器、第二图像传感器和第三图像传感器接收；该系统利用相干光的偏振特性产生空间相移，通过三个图像传感器同时采集到三幅图像信息，极大地压缩了系统图像采集的时间，为提升结构光超分辨系统的成像效率和处理速度提供了新的解决思路。

技术领域

本发明涉及微观三维形貌测量技术领域，尤其涉及一种空间相移的结构光超分辨成像系统及方法。

背景技术

随着应用需求的提升，要求微纳器件具有更大的信息容量，促使微纳器件由二维、微米级向三维、纳米级发展，也就对纳米级三维结构检测技术提出了迫切需求。在众多测量方法中，光学测量由于其具有非接触、非破坏、测量速度高、系统结构简单、环境适应性强等优点，应用十分广泛。但由于光学衍射极限的存在，传统光学显微镜的横向分辨率受到极大限制，如何突破光学衍射极限，实现超分辨光学测量，一直是科学界关注的热点与难点问题之一。

针对这一问题，研究人员开发了多种光学超分辨显微技术。包括基于点扩散函数改造的受激发射损耗显微技术(Stimulated Emission Depletion Microscopy， STED)、光激活定位显微技术(Photoactivated Localization Microscopy，PALM)、随机光学重构显微技术(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy，STROM)、结构光照明显微术(Structure Illumination Microscopy，SIM)。其中结构光照明显微术因其具有对荧光染料的非特异性需求、快速的宽场成像优势，是目前在活细胞超分辨光学显微成像方面应用最多的技术。然而传统的结构光超分辨解调算法在同一角度至少需要采集三幅具有相移差的结构光图像，同时为了实现图像所有方向的超分辨效果，至少需要采集三个方向的结构光图像，即最少需要九次图像采集才能实现超分辨效果，采集效率较低，这样的采集效率极大地限制了结构光超分辨方法的实时性，因此如何提高结构光超分辨测量的采集效率是急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的结构光超分辨测量的采集效率低等问题，提供一种空间相移的结构光超分辨成像系统及方法，能够有效提升图像采集效率，极大地缩短超分辨成像的时间。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。

一种空间相移的结构光超分辨成像系统，包括计算机以及沿光路方向依次设置的光源、显微物镜、四分之一波片、第三聚光透镜、第二非偏振分光棱镜、第一偏振片、第一图像传感器、第三非偏振分光棱镜、第二偏振片、第二图像传感器、第三偏振片和第三图像传感器；

所述光源配置为产生两束偏振方向相互正交的线偏振光束相干叠加，形成结构光照明待测物体；

光路中各光学元件的中心保持在光轴上，以使光源发出的光束经过待测物体后，再依次通过显微物镜、四分之一波片、第三聚光透镜入射到第二非偏振分光棱镜中，并被分为能量相同的第一光束和第二光束；第一光束透过第二非偏振分光棱镜，经第一偏振片被第一图像传感器接收，第二光束被第二非偏振分光棱镜反射，经第三非偏振分光棱镜分为第三光束和第四光束；第三光束经第二偏振片被第二图像传感器接收，第四光束经第三偏振片被第三图像传感器接收；

所述计算机与第一图像传感器、第二图像传感器、以及第三图像传感器通信连接，并设置为解调出原始的高频信息，重建物光波，获得三幅带有固定相位差的结构光图像。

进一步地，还包括沿光路方向依次设置的He-Ne激光器、衰减片、扩束镜、第一非偏振分光棱镜、空间光调制器、第一聚光透镜、滤光片和第二聚光透镜；