一种基于超表面调控光场的显微成像系统以及方法

本发明涉及显微成像领域，尤其是一种基于超表面调控光场的显微成像系统以及方法。

背景技术：

1、通过对光场的振幅、相位和偏振分布的调制来调控空间光场的三维分布，从而实现超越衍射极限的光学显微成像，是超分辨成像领域的重要手段。结构光照明显微技术是其中的一种典型的基于光场调控的超分辨成像技术，该技术利用生成和调控具有特定结构的照明光场激发样品荧光，将原本位于成像系统传递函数外的高频部分耦合到低频信息中，实现超分辨成像。

2、现有结构光照明显微技术主要采用液晶空间光调制器(slm)或者数字微镜器件(dmd)等光场调制器件产生和调制结构光场。但是液晶空间光调制器为了保持液晶平衡，slm调控效率较低，会产生冗余的采集时间，并且液晶器件存在电蠕变特性、机械扰动噪声、旁瓣散斑噪声等固有缺陷，会降低系统时间分辨率和超分辨图像重构质量；数字微镜器件的光路复杂，系统体积庞大，调试难度大。因此，目前基于照明光场调控的超分辨成像系统存在不可避免的时间分辨率低、系统复杂等问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种结构简单、时间分辨率高的基于超表面调控光场的显微成像系统。

2、为了克服现有技术的不足，本发明的目的之二在于提供一种结构简单、时间分辨率高的基于超表面调控光场的显微成像方法。

3、本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

4、一种基于超表面调控光场的显微成像系统，包括光源?？橐约跋晕⒊上衲？?，所述显微成像?？榘ǘ蛏?、显微物镜、载物台以及相机，所述基于超表面调控光场的显微成像系统还包括超表面光场调控?？?，所述超表面光场调控?？榘ㄒ来紊柚玫某砻嫦辔坏髦破?、傅里叶透镜以及超表面偏振调制器，所述光源?？椴墓饩龀砻嫦辔坏髦破鹘邢辔坏骺?，经过相位调控的光经过所述傅里叶透镜后衍射为各级次衍射光斑，所述超表面偏振调制器选通预设的级次衍射光斑并将光线偏振方向调制为与照明结构光的条纹方向一致，光线经过所述二向色镜反射聚焦在所述显微物镜后焦面，经过所述显微物镜后平行出射，多束光线互相干涉形成结构光照亮所述载物台上的样品，所述样品发射出来的荧光经过所述显微物镜、所述二向色镜后被所述相机收集形成荧光图像。

5、进一步的，所述超表面相位调制器包括衬底和置于衬底之上的超表面元件。

6、进一步的，所述超表面偏振调制器包括亚波长结构单元周期阵列，通过改变入射圆偏振光的旋向来控制透镜的正负极性，从而实现偏振调节。

7、进一步的，所述超表面偏振调制器选通0级、±1级次衍射光斑。

8、进一步的，所述二向色镜反射800nm-1000nm波段光线，透射400nm-700nm波段光线。

9、进一步的，所述载物台包括三维电动位移台，所述三维电动位移台能够通过旋转改变样品与照明条纹的相对角度。

10、进一步的，所述光源?？榘ㄒ来紊柚玫募す馄?、准直扩束镜以及反射镜，所述激光器发出的近红外激光经过所述准直扩束镜照射至所述反射镜，所述反射镜将所述近红外激光反射至所述超表面相位调制器。

11、本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

12、一种基于超表面调控光场的显微成像方法，采用上述任意一种基于超表面调控光场的显微成像系统实施，包括以下步骤：

13、光源?？榉⒊鼋焱饧す?，超表面相位调制器调制近红外激光的相位，相位调制后的近红外激光通过傅里叶透镜后衍射为各级次衍射光斑，超表面偏振调制器选通预设的级次衍射光斑，光线经过二向色镜反射聚焦在显微物镜后焦面，经过显微物镜后平行出射，多束光线互相干涉形成结构光照亮载物台上的样品；

14、样品产生激发荧光，激发荧光聚焦到相机的靶面成像，形成荧光图像；

15、载物台上的三维电动位移台带动样品转动，改变样品与照明条纹的相对角度；

16、相机采集不同角度下的荧光图像，并且根据多个荧光图像重构出1幅超分辨图像；

17、载物台进行轴向移动，对样品进行轴向层切成像，从而获得三维超分辨图像。

18、进一步的，所述超表面偏振调制器选通0级、±1级次衍射光斑，并将光线偏振方向调制为与照明结构光条纹方向一致。

19、进一步的，所述超表面相位调制器被配置为能够将入射光线的相位按需要调控为0和π。

20、相比现有技术，本发明基于超表面调控光场的显微成像系统还包括超表面光场调控?？?，超表面光场调控?？榘ㄒ来紊柚玫某砻嫦辔坏髦破?、傅里叶透镜以及超表面偏振调制器，光源?？椴墓饩砻嫦辔坏髦破鹘邢辔坏骺?，经过相位调控的光经过傅里叶透镜后衍射为各级次衍射光斑，超表面偏振调制器选通预设的级次衍射光斑并将光线偏振方向调制为与照明结构光的条纹方向一致，光线经过二向色镜反射聚焦在显微物镜后焦面，经过显微物镜后平行出射，多束光线互相干涉形成结构光照亮载物台上的样品，样品发射出来的荧光经过显微物镜、二向色镜后被相机收集形成荧光图像，由干涉产生的近红外结构化光场照明被荧光染色的生物样品时，所激发的荧光包含了在衍射受限图像中观察不到的样本的精细结构信息，让原本位于传递函数之外的高频信息也能够被物镜和相机捕捉到，拓展了光学系统的频谱信息，因此时间分辨率高，并且显微成像系统整体结构简单。

技术特征：

1.一种基于超表面调控光场的显微成像系统，包括光源?？橐约跋晕⒊上衲？?，所述显微成像?？榘ǘ蛏?、显微物镜、载物台以及相机，其特征在于：所述基于超表面调控光场的显微成像系统还包括超表面光场调控?？?，所述超表面光场调控?？榘ㄒ来紊柚玫某砻嫦辔坏髦破?、傅里叶透镜以及超表面偏振调制器，所述光源?？椴墓饩龀砻嫦辔坏髦破鹘邢辔坏骺?，经过相位调控的光经过所述傅里叶透镜后衍射为各级次衍射光斑，所述超表面偏振调制器选通预设的级次衍射光斑并将光线偏振方向调制为与照明结构光的条纹方向一致，光线经过所述二向色镜反射聚焦在所述显微物镜后焦面，经过所述显微物镜后平行出射，多束光线互相干涉形成结构光照亮所述载物台上的样品，所述样品发射出来的荧光经过所述显微物镜、所述二向色镜后被所述相机收集形成荧光图像。

2.根据权利要求1所述的基于超表面调控光场的显微成像系统，其特征在于：所述超表面相位调制器包括衬底和置于衬底之上的超表面元件。

3.根据权利要求1所述的基于超表面调控光场的显微成像系统，其特征在于：所述超表面偏振调制器包括亚波长结构单元周期阵列，通过改变入射圆偏振光的旋向来控制透镜的正负极性，从而实现偏振调节。

4.根据权利要求1所述的基于超表面调控光场的显微成像系统，其特征在于：所述超表面偏振调制器选通0级、±1级次衍射光斑。

5.根据权利要求1所述的基于超表面调控光场的显微成像系统，其特征在于：所述二向色镜反射800nm-1000nm波段光线，透射400nm-700nm波段光线。

6.根据权利要求1所述的基于超表面调控光场的显微成像系统，其特征在于：所述载物台包括三维电动位移台，所述三维电动位移台能够通过旋转改变样品与照明条纹的相对角度。

7.根据权利要求1所述的基于超表面调控光场的显微成像系统，其特征在于：所述光源?？榘ㄒ来紊柚玫募す馄?、准直扩束镜以及反射镜，所述激光器发出的近红外激光经过所述准直扩束镜照射至所述反射镜，所述反射镜将所述近红外激光反射至所述超表面相位调制器。

8.一种基于超表面调控光场的显微成像方法，采用如权利要求1-7任意一项所述的基于超表面调控光场的显微成像系统实施，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的基于超表面调控光场的显微成像方法，其特征在于：所述超表面偏振调制器选通0级、±1级次衍射光斑，并将光线偏振方向调制为与照明结构光条纹方向一致。

10.根据权利要求8所述的基于超表面调控光场的显微成像方法，其特征在于：所述超表面相位调制器被配置为能够将入射光线的相位按需要调控为0和π。

技术总结
本发明公开了一种基于超表面调控光场的显微成像系统以及方法，属于显微成像领域，光源?？椴墓饩砻嫦辔坏髦破鹘邢辔坏骺?，经过相位调控的光经过傅里叶透镜后衍射为各级次衍射光斑，超表面偏振调制器选通预设的级次衍射光斑，光线经过二向色镜反射聚焦在显微物镜后焦面，经过显微物镜后平行出射，多束光线互相干涉形成结构光照亮载物台上的样品，样品发射出来的荧光经过被相机收集形成荧光图像，由干涉产生的近红外结构化光场使样品所激发的荧光包含了在衍射受限图像中观察不到的样本的精细结构信息，让原本位于传递函数之外的高频信息也能够被物镜和相机捕捉到，拓展了光学系统的频谱信息，因此时间分辨率高，系统整体结构简单。

技术研发人员：高若谦,徐林钰,葛明锋,李力,董文飞,李俊博
受?；さ募际跏褂谜撸?/b>中国科学院苏州生物医学工程技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29