CN110967817A

CN110967817A - 基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像方法与装置

Info

Publication number: CN110967817A
Application number: CN201911198164.9A
Authority: CN
Inventors: 王伟波; 张宝元; 吴必伟; 谭久彬
Original assignee: Harbin Institute of Technology Shenzhen
Current assignee: Harbin Institute of Technology Shenzhen
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2020-04-07

Abstract

本发明涉及一种基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像方法与装置，属于光学显微测量技术领域；本发明通过微透镜阵列产生的阵列式多焦点对样品照明，提高了成像速率，通过针孔阵列消除离焦荧光的影响，第二个微透镜阵列对每个聚焦光束1/2缩放，实现传统图像扫描显微后续数字信息处理的全光学实现，保证分辨率提升两倍的同时解决了传统图像扫描显微系统成像速度慢的问题。激光光束扩展后到达第一微透镜阵列，产生阵列式照明光束，射向样品表面后，物镜从样品中采集多焦点荧光并射到针孔阵列，以消除失焦荧光的影响。第二个微透镜阵列将每个聚焦点局部收缩，同时保持光束原来的聚焦方向，缩放处理后的荧光焦点在扫描振镜的偏转作用下成像到sCMOS相机上。

Description

基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像方法与装置

技术领域

基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像方法与装置属于光学显微测量领域，主要涉及一种基于微结构光学元件对生物样品精细结构进行非接触式快速成像的方法与装置。

背景技术

现代的荧光显微镜结合了成像速度、分子特异性、对比度，使细胞成像过程可视化，但是衍射限制了宽场显微荧光显微镜的分辨率，而超分辨率成像技术突破了传统的衍射极限，但在速度、成像时间和视野等方面有所下降。例如，单分子成像计数和受激发射损耗显微镜使得细胞的空间分辨率小于100nm，但成像速度限制在了0.01-1Hz。

与单分子成像计数和受激发射损耗显微镜相比，结构光照明显微镜通过空间混频的方式将物体高频信息载入光学系统的探测通带，可达到原始分辨率极限的两倍，并提供相较前者更加快速的图像获取速度和去除杂散光的能力。但结构光照明成像显微技术需要采集多张原始图像，通过算法对所得图像进行数字组合，生成一张单一的二维高分辨率图像，这种需要在每个平面上获取和合并多张原始图像的方法从根本上限制了结构光照显微镜相对于传统显微镜的成像速度。

另一种以衍射受限光斑作为照明光源的结构光成像的方法称为图像扫描显微成像技术，利用面阵探测器的每一个像素点记录光斑激发的荧光图像，通过像素移动和缩放等操作重建出超分辨图像，相较于结构光照明显微成像技术，这种方法在设备上更加简单，但由于需要采集大量的原始图像，且在后续图像处理中需要将原始图像缩放至1/2大小，成像速度依旧没有得到提升。

因此，目前需要技术人员亟待解决的问题为：如何能够应用图像扫描显微成像的分辨率高、设备简单、对实验设备的缺陷鲁棒性强的优点来对样品进行快速的超分辨率成像，同时减少或摒弃后续复杂的图像重建过程以实现更加快速的图像重建。

发明内容

为解决图像扫描显微成像技术成像速度慢、后续重建算法复杂的问题，本发明设计了一种基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像方法与装置，激发光束通过第一个微透镜阵列生成阵列式激发光束，实现对样品的多焦点同时扫描，提升扫描速度，利用第二个扫描透镜将原始图像缩放至原图像的1/2，实现光学图像处理，省去后续数字图像处理操作，减少重建时间。整个过程无需获取和存储多张相机曝光图像，保留两倍分辨率的同时大幅提升数据采集效率。

本发明的目的是这样实现的：

基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像方法，包括以下步骤：

a.激发光经第一微透镜阵列形成阵列式激发焦点，对样品进行面阵扫描，用相同的物镜从样品中采集多焦点荧光；

b.多焦点荧光经扫描振镜偏转后射向位于扫描透镜后焦面处的针孔阵列，实现对离焦荧光的阻隔；

c.第二微透镜阵列将透过经针孔阵列的光进行局部缩放处理，将每个聚焦点缩放至原始大小的1/2，并通过扫描振镜成像到sCMOS相机上。

上述基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像方法，所述的第a步中，第一个微透镜阵列焦距为第二个微透镜阵列的两倍，所述的第b步中，微孔阵列的针孔间隔与微透镜阵列中的微透镜间距相等，针孔直径略大于微透镜的直径；所述的第c步中，第二微透镜阵列的焦距为第一个微透镜阵列的一半，实现对焦点的缩放处理。

基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像装置，使用双微透镜阵列及相关光路实现传统图像扫显微的全光学实现。其特征在于所述装置包括：激光器、半波片、微透镜阵列、补偿板、分束镜、扫描透镜、扫描振镜、管状透镜、针孔阵列、sCMOS相机，其中：激光器用于激发样品中的荧光，激光经半波片、光束扩展后到达第一微透镜阵列，产生阵列式照明光束。其后设置补偿板以减小散光，后经分束镜、第一扫描透镜、第二扫描透镜和扫描振镜、管状透镜，经物镜射向样品表面。用同一物镜从样品中采集多焦点荧光，依次经过管状透镜、第一扫描透镜、扫描振镜和第二扫描透镜，经分束镜反射到针孔阵列，用以消除失焦荧光的影响。第二个微透镜阵列用于将每个聚焦点局部收缩，同时保持原来的聚焦方向，缩放处理后的荧光焦点经第三扫描镜，在扫描振镜的偏转作用下成像到sCMOS相机上。

上述基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像装置，所述第一扫描透镜和第二扫描透镜的焦距相等，构成4f系统；

上述基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像装置，所述管状透镜的后焦平面与扫描透镜2的前焦平面重合；

上述基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像装置，激发光经第一微透镜阵列形成阵列式激发焦点对样品进行面阵扫描，样品平面产生的受激发射的荧光信号也为多焦点形式。

上述基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像装置，多焦点荧光经扫描振镜和分束镜的偏转后射向针孔阵列，该针孔阵列的针孔间隔与微透镜阵列的微透镜间隔相同。

上述基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像装置，所述针孔阵列位于第一扫描透镜的前焦面；

上述基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像装置，所述第二个微透镜阵列的焦距为第一微透镜阵列焦距的一半，从而将原始图像缩放至1/2；

上述基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像装置，其特征在于每一个扫描位置均被对位置敏感的sCMOS相机的像素点记录，通过算法将阵列焦点扫描所记录的图像叠加，生成最终的高分辨率图像；

上述基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像装置，其特征在于采用微透镜阵列产生的阵列式焦点对样品照明，通过针孔阵列消除离焦荧光的影响，通过第二个微透镜阵列实现每个聚焦点1/2缩放，实现传统图像扫描显微后续数字信息处理的全光学实现。

本发明基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像装置，包括激光器、在激光器前放置半波片，在激光器直射光路上配置有扩束器，微透镜阵列，补偿板，多焦点照明通过两个扫描透镜进行照准，通过管状透镜和物镜对样品平面的激发荧光光束，第一扫描透镜和第二扫描透镜之间放置单轴双侧扫描的扫描振镜，通过扫描振镜的旋转实现样品平面上多焦点照明阵列的转换。样品激发荧光从物镜出发，依次通过管状透镜、第一扫描透镜和第二扫描透镜、扫描振镜，从分束镜处经反射到达位于第一扫描透镜前焦面处的针孔阵列，以阻隔失焦荧光的影响。经针孔阵列过滤后得到的荧光光束传至第二个微透镜阵列，荧光经微透镜阵列后局部收缩至原始大小的1/2，同时保持每个聚焦点的传播方向。随后，光学重构后的焦点经扫描透镜反射成像在sCMOS相机上。这种设计，通过微透镜阵列产生的阵列式焦点对样品照明，提高了成像速率，通过针孔阵列消除离焦荧光的影响，通过第二个微透镜阵列实现每个聚焦点的缩放，实现传统图像扫描显微后续数字信息处理的全光学重建，保证了分辨率提升两倍的同时，解决了传统图像扫描显微系统成像速度慢的问题。

附图说明

图1是基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像方法与装置示意图

图中：1激光器、2半波片、3第一反射镜、4第二反射镜、5第一透镜、6第二透镜、7第三反射镜、8第一微透镜阵列、9补偿板、10分束镜、11第一扫描透镜、12第二扫描透镜、13管状透镜、14物镜、15样品、16针孔阵列、17第四反射镜、18第五反射镜、19第二微透镜阵列、20第三扫描透镜、21扫描振镜、22第四扫描透镜、23滤光片、24sCMOS相机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施实例进行详细的描述

本实施例的基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像方法与装置，包括激光器1、在激光器1前放置半波片2以实现激光的强度控制，在激光器直射光路上配置有第一透镜5和第二透镜6组成的扩束器，扩束后的光射向第一微透镜阵列8，该第一微透镜阵列焦距为2mm，直径为25mm，其后设置有补偿板9，用以消除聚焦光束的散光。多焦点照明通过第一扫描透镜11和第二扫描透镜12进行照准，第一扫描透镜11和第二扫描透镜12构成4f系统。通过管状透镜13和物镜14对样品15平面的激发光束成像，其中管状透镜13的后焦平面与第二扫描透镜12的前焦平面重合，第一扫描透镜11和第二扫描透镜12之间放置单轴双侧扫描的扫描振镜21，通过扫描振镜21的旋转实现样品15平面上多焦点照明阵列的转换。样品15激发荧光从物镜14出发、依次通过管状透镜13、第一扫描透镜11和第二扫描透镜12、扫描振镜21，从分束镜10处经反射到达位于扫描透镜1前焦面处的针孔阵列，微孔阵列的针孔间隔与微透镜阵列中的微透镜间距相等，针孔间距为200μm，针孔直径为40μm以阻隔失焦荧光的影响。经针孔阵列16过滤后得到的荧光光束传至第二微透镜阵列19，该第二微透镜阵列的焦距为1mm，荧光经微透镜阵列19后局部收缩至原始大小的1/2，同时保持每个聚焦点的传播方向。随后，光学重构后的焦点经第三扫描透镜20和扫描振镜21反射，经第四扫描透镜22和滤光片23后成像在sCMOS相机24上，实现传统图像扫描显微后续数字信息处理的全光学重建。

以上对本发明所提出的基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像方法与装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，这些改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像方法与装置，使用双微透镜阵列及相关光路实现传统图像扫描显微的全光学实现；其特征在于所述装置包括：激光器、半波片、微透镜阵列、补偿板、分束镜、扫描透镜、扫描振镜、管状透镜、针孔阵列、sCMOS相机，其中：激光器用于激发样品中的荧光，激光经半波片、光束扩展后到达第一微透镜阵列，产生阵列式多焦点照明光束；其后设置补偿板以减小散光影响，后经分束镜、第一扫描透镜、扫描振镜、第二扫描透镜、管状透镜，最终经物镜射向样品表面；用同一物镜从样品中采集多焦点荧光，依次经过管状透镜、第一扫描透镜、扫描振镜和第二扫描透镜，经分束镜反射到针孔阵列，用以消除失焦荧光的影响；第二个微透镜阵列用于将每个聚焦点局部收缩，同时保持原来的聚焦方向，缩放处理后的荧光焦点经过第三扫描透镜，随后在扫描振镜的偏转作用下成像到sCMOS相机上。

2.基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像方法与装置，其特征包括以下步骤：

(1)激发光经第一微透镜阵列对样品进行面阵扫描，用相同的物镜从样品中采集荧光；

(2)荧光信号经扫描振镜偏转后射向位于扫描透镜后焦面处的针孔阵列，实现对离焦荧光的阻隔；

(3)第二微透镜阵列将透过经针孔阵列的光进行局部缩放处理，并通过扫描振镜成像到sCMOS相机上。

3.根据权利要求1所述的基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像方法与装置，其特征在于所述第一扫描透镜和第二扫描透镜的焦距相等，构成4f系统。

4.根据权利要求1所述的基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像方法与装置，其特征在于所述管状透镜的后焦平面与第二扫描透镜的前焦平面重合。

5.根据权利要求2所述的基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像方法与装置，其特征在于步骤(1)中，激发光经第一微透镜阵列形成阵列式激发焦点对样品进行面阵扫描，样品平面产生的受激发射的荧光信号也为多焦点形式。

6.根据权利要求2所述的基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像方法与装置，其特征在于步骤(2)中，多焦点荧光经扫描振镜和分束镜的偏转后射向针孔阵列，该针孔阵列的针孔间隔与微透镜阵列的微透镜间隔相同。

7.根据权利要求2所述的基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像方法与装置，其特征在于步骤(3)中，第二微透镜阵列的透镜焦距为第一微透镜焦距的一半，可对透过经针孔阵列的光进行局部缩放处理，将每个聚焦点缩放至原始大小的1/2。

8.根据权利要求1所述的基于双微透镜阵列的图像扫描显微成像方法与装置，其特征在于所述针孔阵列位于第一扫描透镜的前焦面。

9.经第一微透镜阵列后的多焦点光束对样品进行扫描，经完整光路处理后，扫描的每一个位置均被对位置敏感的sCMOS相机的像素点记录，通过算法将阵列焦点扫描所记录的图像叠加，生成最终的高分辨率图像。