[发明专利]一种基于超振荡透镜静态光片的荧光显微成像系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于超振荡透镜静态光片的荧光显微成像系统及方法，包括激发光发射装置、超振荡透镜、耗损光发射装置以及光栅光阑，观测样品位于超振荡透镜和光栅光阑之间；激发光发射装置发射偏振方向平行于超振荡透镜狭缝方向的线偏振光，所述超振荡透镜对经过的线偏振光进行调控产生高能旁瓣以及亚衍射极限光片；所述耗损光发射装置发射平行耗损光束，对平行耗损光束进行整形，整形后的平行耗损光束为仅覆盖高能旁瓣的平行耗损光束；这样就可以消除超振荡透镜产生的高能旁瓣对光片荧光显微成像的影响，实现高信噪比、大视场、分辨率增强的静态光片荧光显微成像。

技术领域

本发明涉及显微成像技术领域，尤其是涉及一种基于超振荡透镜静态光片的荧光显微成像系统及方法。

背景技术

光片荧光显微成像(Light Sheet Fluorescence Microscopy，LSFM)技术(光学学报,2017,37(3):71)使用两个正交的显微物镜，一个物镜发出一个薄光片激发样品的一个薄层上的荧光分子，另一个物镜焦平面与激发光片重合，用来收集荧光信号。因为光片选择性的激发了样品的一个薄层，该薄层发射出的荧光全为在焦有用信号，有效降低了照明光带给样品的光毒性和光漂白性、抑制了离焦背景的生成，提高了成像的分辨率。光片荧光显微成像技术已经成为了细胞生物学、生物物理学和神经科学等领域一种重要的荧光成像方式。按照采用的光片类型，光片荧光显微成像系统可分为两类：一类是基于虚拟光片的荧光显微成像系统，另一类是基于静态光片的荧光显微成像系统。关于基于虚拟光片的荧光显微成像系统，虚拟光片是通过扫描光针等光束形成的光片，需要精密、昂贵的机械部件或空间光调制器等实现空间上的扫描，系统本身结构复杂且笨重，无法满足高速实时采集需求(Opt Lett.,2015,40(21):5121)。关于基于静态光片的荧光显微成像系统，静态光片不需要任何空间扫描可以直接实时获取，系统结构更加简单，更利于信息的快速实时捕获和系统的小型化设计。现有技术中的荧光显微成像系统采用的静态光片主要是高斯光片，在数值孔径不变的情况下，高斯光片厚度受衍射极限约束无法更薄，限制了其分辨率的进一步提高。即使通过增大数值孔径来减小光片厚度，光片的离散速度也随之加快，导致成像的视场变小。因此，采用传统的高斯光片搭建的光片荧光显微成像系统，一方面分辨率难以进一步提高，另一方面无法在提高分辨率的同时增大成像视场，即成像视场和分辨率相互制约。

光学超振荡现象是指光场的带限函数在局部的振荡频率比其最快傅里叶分量还要快的现象(Nano Lett.,2009,9(3):1249)。超振荡透镜是一种利用微纳结构对透镜后光场进行精细调控，在特定位置实现特定干涉进而产生超振荡现象的透镜(Sci.Appl.,2019,8:56)。因此，超振荡透镜可以在远场实现突破衍射极限的聚焦。随着微纳光学技术的发展，超振荡透镜作为一种成像的照明光源，依靠其可突破衍射极限、可定制化、可硅微工艺批量制备等优势引起了广泛关注，已经在超分辨成像领域展现出显著的技术优势。近年来，超振荡透镜开始用于产生光片(Opt.Lett.,2022,47(13):3267)，原理如图2(a)所示，通过优化透镜6上狭缝的位置和宽度，对透镜后的光场进行精确地调控，可以获得厚度小于衍射极限的光片7。由超振荡透镜产生的静态光片，相比于传统的高斯光片，如图3所示，其具有更薄厚度(厚度小于衍射极限)的同时，还具有更小的离散速度，提高光片显微成像分辨率的同时，还可以增大光片成像的视场。然而，超振荡透镜产生光片的同时，会伴随着难以消除的高能旁瓣10(超振荡透镜视场之外的旁瓣称之为高能旁瓣)，如图2(b)所示，产生严重的背景噪音，降低了其成像的分辨率，影响成像质量，因此，阻碍了其在荧光显微成像领域的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效地避免超振荡透镜高能旁瓣对光片荧光显微成像的影响，进而实现高信噪比、大视场以及分辨率增强的基于超振荡透镜静态光片的荧光显微成像系统及方法。