一種基于硅基液晶芯片的結構光照明顯微成像系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于硅基液晶芯片的結構光照明顯微成像系統，包括高亮度LED激發光源，所述高亮度LED激發光源前方設置有準直模塊，所述準直模塊前方設置有物鏡偏振分束器PBS，所述物鏡偏振分束器PBS前方設置有硅基液晶芯片LCoS開發系統，所述硅基液晶芯片LCoS開發系統與計算機連接，所述計算機與光電探測器連接，所述光電探測器前方設置有窄帶濾光片，所述窄帶濾光片前方設置有聚焦物鏡，所述聚焦物鏡前方設置有二向色鏡，所述二向色鏡前方設置有顯微物鏡，所述顯微物鏡前方設置有待測物體。本發明技術方案，具有光能量利用量高、系統體積小、結構光照明周期可調節、成像分辨率高等優點，更適用于活體生物細胞的實時三維成像研究。
【專利說明】—種基于硅基液晶芯片的結構光照明顯微成像系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超分辨率顯微鏡的成像系統，具體涉及一種基于硅基液晶芯片的結構光照明顯微成像系統。
【背景技術】
[0002]當前，高分辨率光學顯微鏡已經成為生物學、醫學、藥學等領域原始創新并取得重大突破的重要工具，特別是生物學研究向rim尺度亞細胞結構方向的發展，對光學顯微鏡向超高分辨率、活體實時成像發展提出了更高的要求。
[0003]普通光學顯微鏡受光學衍射極限的限制，橫向分辨率一般只能達到200nm，縱向分辨率約500nm，難以滿足當前生物學領域對亞細胞結構和分子結構的研究需求。
[0004]結構光成像技術最初是由Neil等人于1997年首次提出的，并將之應用于生物學成像，分辨率可以達到lOOnm。該技術使用特殊調制的結構光場照明樣品，通過運用相移算法從不同相位的調制圖像數據中提取聚焦平面的信息，得到結構光照明顯微成像的圖像數據，與目前已有的幾種超分辨光學顯微成像方法，如光激活定位法(PALM)、隨機光學重構法(STORM)以及受激發射損耗法(STED)等相比，具有成像速度較快，結構簡單，適合于活體組織實時觀察等優點。
[0005]結構光照明顯微最早是通過將照明光路中加入一個正弦光柵來實現的，光柵圖案被投影到樣品上形成結構光照明，光柵加裝在一個壓電陶瓷上通過壓電陶瓷控制器實現步進，每次移動光柵周期的1/3，相當于光柵圖案相移2 π/3。三次相移(0，2π/3，4π/3)得到樣品的三幅源圖像，通過一個簡單的算法，可以得到樣品的層析圖像；而通過另外一個算法，則可以將與光柵條紋垂直方向上的橫向空間分辨率提高一倍。在這些用光柵獲得結構光照明的系統中，必須移動光柵來獲得不同相移下的源圖像，因此這種機械移動裝置會減低系統的穩定性。
[0006]本發明基于硅基液晶芯片的結構光照明顯微成像系統，采用的空間光調制器硅基液晶芯片LCoS，是一種可編程數字光調制器件，結構光照明顯微所需的照明圖案相移由LCoS經編程后實現，有效避免了傳統光柵式結構光照明成像系統中機械裝置移動對系統穩定性帶來的影響。

【發明內容】

[0007]為克服現有技術中的不足，本發明提供一種基于硅基液晶芯片的結構光照明顯微成像系統，該成像系統采用超高亮度LED激發光源作為激發光源，采用硅基液晶芯片LCoS作為空間光調制器，通過運用相移算法從不同相位的調制圖像數據中提取聚焦平面的信息，得到結構光照明顯微成像的圖像數據，具有光能量利用量高、系統體積小、結構光照明周期可調節、成像分辨率高(達IOOnm)等優點，更適用于活體生物細胞的實時三維成像研究。
[0008]為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現: 一種基于硅基液晶芯片的結構光照明顯微成像系統，包括高亮度LED激發光源，所述高亮度LED激發光源前方設置有準直模塊，所述準直模塊前方設置有物鏡偏振分束器PBS，所述物鏡偏振分束器PBS前方設置有硅基液晶芯片LCoS開發系統，所述硅基液晶芯片LCoS開發系統與計算機連接，所述計算機與光電探測器連接，所述光電探測器前方設置有窄帶濾光片，所述窄帶濾光片前方設置有筒鏡，所述筒鏡前方設置有二向色鏡，所述二向色鏡前方設置有顯微物鏡，所述顯微物鏡前方設置有待測物體。
[0009]進一步的，所述硅基液晶芯片LCoS開發系統包括LCoS芯片和同步控制系統，所述LCoS芯片是所述硅基液晶芯片LCoS開發系統的核心部件，所述LCoS芯片的工作模式為反射式或透射式，工作方式為純相位調制，純振幅調制或相位振幅混合調制模式。
[0010]優選的，所述硅基液晶芯片LCoS開發系統采用了大容量緩存的工作模式，以保證循環產生結構光條紋方式下的高幀頻刷新速度
進一步的，所述高亮度LED光源為可發射多個窄帶光波長的單個LED光源模組。
[0011]進一步的，所述光電探測器為SCMOS或科研級CCD器件。
[0012]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
1、采用硅基液晶芯片LCoS產生結構光，其相移由LCoS經編程后實現，有效避免了傳統光柵式結構光照明成像系統中機械裝置移動對系統穩定性帶來的影響，并實現了高速成像。
[0013]2、采用了窄帶多譜段LED光源，單一光源模組即可實現多個窄帶光波長的發射，實現傳統多個光源組合才能實現的寬波段窄帶光覆蓋，縮小了系統體積，實現了便攜式設計。
[0014]上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。本發明的【具體實施方式】由以下實施例及其附圖詳細給出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
圖1為結構光照明顯微成像系統工作原理圖；
圖2為本發明采用硅基液晶芯片LCoS開發系統的結構光照明超分辨顯微系統示意
圖；
圖3為本發明的高亮度LED光源結構示意圖；
圖4為本發明中硅基液晶芯片LCoS開發系統的上位機數據工作模式示意圖；
圖5為本發明空間光調制器娃基液晶芯片LCoS像素的開關狀態不意圖；
圖6為本發明光束入射硅基液晶芯片LCoS調制后的出射光示意圖。
[0016]圖中標號說明:1、高亮度LED激發光源，2、準直模塊，3、物鏡偏振分束器PBS，4、二向色鏡，5、顯微物鏡，6、待測物體，7、聚焦物鏡，8、窄帶濾光片，9、硅基液晶芯片LCoS開發系統，901、LCoS芯片，902、同步控制系統，10、光電探測器，11、計算機。
【具體實施方式】[0017]下面將參考附圖并結合實施例，來詳細說明本發明。
[0018]如圖2所不,一種基于娃基液晶芯片的結構光照明顯微成像系統，包括聞売度LED激發光源1，所述高亮度LED激發光源I前方設置有準直模塊2，所述準直模塊2前方設置有物鏡偏振分束器PBS3，所述物鏡偏振分束器PBS3前方設置有硅基液晶芯片LCoS開發系統9，所述硅基液晶芯片LCoS開發系統9與計算機11連接，所述計算機11與光電探測器10連接，所述光電探測器10前方設置有窄帶濾光片8，所述窄帶濾光片8前方設置有聚焦物鏡7，所述聚焦物鏡7前方設置有二向色鏡4，所述二向色鏡4前方設置有顯微物鏡5，所述顯微物鏡5前方設置有待測物體6。
[0019]進一步的，所述硅基液晶芯片LCoS開發系統9包括LCoS芯片901和同步控制系統902，所述LCoS芯片901是所述硅基液晶芯片LCoS開發系統9的核心部件，所述LCoS芯片901的工作模式為反射式或透射式，工作方式為純相位調制，純振幅調制或相位振幅混合調制模式。
[0020]優選的，所述硅基液晶芯片LCoS開發系統采用了大容量緩存的工作模式，以保證循環產生結構光條紋方式下的高幀頻刷新速度
進一步的，所述高亮度LED光源I為可發射多個窄帶光波長的單個LED光源模組。
[0021]進一步的，所述光電探測器10為SCMOS或科研級CXD器件。
[0022]實施例一:
如圖1所示，目前結構中采用光柵的結構光照明顯微成像系統工作原理圖。該光路主要由光柵、照明光源、透鏡系統、CCD以及同步控制系統組成。光源發出的光經過準直，經光柵產生結構光，照明待測物體表面，透鏡系統將物體表面發出的熒光成像于CCD平面上。利用壓電裝置使得光柵的移動(對應于相位移動)與CCD記錄圖像的速度同步，即一幅圖像記錄完成后，光柵移動一個位移，記錄新位相對應的圖像。將記錄的圖像利用特定算法進行重構，得到層析圖像以及超高分辨率的二維圖像。這類光路，結構簡單、成像速度快。但是，存在移動過程中位相的精度問題、同步過程中時間精度問題、信噪比低等問題。
[0023]實施例二:
如圖2所示，為本發明采用硅基液晶芯片LCoS開發系統9的結構光照明超分辨顯微系統，從高亮度LED光源I發出的光，首先經過準直模塊2準直，入射到偏振分束器PBS3，其中的P偏振光透過入射到硅基液晶LCoS芯片901，而S偏振光被反射不能進入光路。硅基液晶芯片LCoS901受到開發系統控制，將目標結構圖案加載到LCoS每個像素點，因此入射的S偏振光受到調制，當像素點處于“I”的“開”狀態時，光經過該像素點偏振方向旋轉90度，從而變為P偏振態，經偏振分束器PBS3反射進入光路成像到待測物體。當像素點處于“O”的“關”狀態時，光經過該像素點偏振方向不變，不能經偏振分束器PBS3反射進入光路成像到待測物體6。
[0024]從待測物體6發射的熒光，經過二向色鏡4反射，并經過聚焦透鏡7聚焦，從而在光電探測器10上得到光信號。改變結構光條紋相位，得到不同結構光條紋方向和不同相位的多幅圖像，通過運用相移算法從不同相位的調制圖像數據中提取聚焦平面的信息，得到結構光照明顯微成像的圖像數據。硅基液晶芯片LCoS開發系統9提供整個成像過程中對硅基液晶LCoS芯片901的同步控制和結構光信息高速加載，并向光電探測器10輸出同步信號，以獲得對目標待測物體6的同步掃描圖像。[0025]實施例三:
如圖3所示，一種高亮度LED模組，包括高導熱基板I和LED芯片2，所述LED芯片2為9組不同中心波長的LED芯2片，所述每組LED芯片2的數量至少為一個，所述LED芯片2為共陽極結構；所述LED芯片2直接固定連接于所述高導熱基板I上。
[0026]所述9個LED芯片2的中心波長范圍涵蓋紫外波段到紅外波段，各自設有獨立的控制電路單獨控制。所述控制電路包括可以控制對應組LED芯片的電路通斷的開關電路，還包括控制該組LED芯片的通電電流大小的電流控制電路。在驅動電路控制下，單個或多個LED芯片實現光出射。
[0027]實施例四:
圖4為本發明中硅基液晶芯片LCoS開發系統的上位機數據工作模式示意圖，主要包括數據下載(USB)、參數初始化(串口)、LCoS數據生成。該開發系統采用大容量緩存的模式，系統工作時，首先將需要顯示的數據下載到開發系統的板載大容量緩存中，接著通過串口設置幀頻、循環幀數、同步脈寬等參數，驅動板定時從緩存中取出順序數據，送到硅基液晶芯片LCoS進行顯示。硅基液晶芯片LCoS開發系統的數據下載采用高速USB傳輸方式，主機讀取二進制圖像數據，通過USB總線向硅基液晶芯片LCoS控制板發送。
[0028]實施例五:
如圖5所示，示出了本發明空間光調制器硅基液晶芯片LCoS像素的開關狀態，其中“I”表示“開”狀態，“O”表示“關”狀態。圖6示出了光束入射硅基液晶芯片LCoS調制后的出射光示意圖，當像素點處于“I”的“開”狀態時，光可以經過該像素點，改變偏振態，從入射P光變為S光，經偏振分束器PBS進入光路并到達探測器；當像素點處于“O”的“關”狀態時，光經過該像素點后不能改變偏振狀態，入射P光仍為P光，不能被PBS反射并到達探測器被接收。通過控制每一個像素點`的開關狀態，本發明實現結構光照明條紋的產生。
[0029]本發明的原理:
通過計算機控制硅基液晶芯片，改變硅基液晶芯片每個像素點的反射光強度，實現每一個像素點的鎖定，從而形成穩定的結構光照明條紋，結構光照明條紋經過準直透鏡進一步準直，并通過二向色鏡反射，被顯微物鏡投射到載物臺上的照明靶面，反射的熒光通過窄帶濾光片濾光，由經過筒鏡被光電探測器接收。通過運用相移算法從不同相位的調制圖像數據中提取聚焦平面的信息，得到結構光照明顯微成像的圖像數據。
[0030]簡單來說，結構光照明提高橫向空間分辨利用的是莫爾效應。對于包含樣品每一個頻率分量(頻率為k)，在頻率為1?的結構光照明下，會產生和頻(km’= k+k0)和差頻(km=k-k0)的莫爾條紋，后者的頻率Ic111與樣品頻率k、結構光頻率1?之間的關系如圖1b所示，光學系統的可探測頻率成分由圖1c中的粗線圓表示，圓內區域可被探測，最大可探測頻率表示為kmax。因此，當< 屬于光學系統的可探測頻率時，就可以通過探測到的1^與已知的結構光頻率Ictl，求出樣品頻率k。也就是說，可以將系統的最高可探測頻率由kmax擴展到(kfflax+k0),如圖1c所示，也就是說，獲得了結構光頻率方向的超衍射極限分辨。
[0031]結構光照明成像技術的算法比較典型是Neil提出的RMS (root-mean-square ,均方根)算法，最終層析圖像由公式(I)得到::
【權利要求】
1.一種基于硅基液晶芯片的結構光照明顯微成像系統，其特征在于，包括高亮度LED激發光源(I)，所述高亮度LED激發光源(I)前方設置有準直模塊(2 )，所述準直模塊(2 )前方設置有物鏡偏振分束器PBS (3)，所述物鏡偏振分束器PBS (3)前方設置有硅基液晶芯片LCoS開發系統(9)，所述硅基液晶芯片LCoS開發系統(9)與計算機(11)連接，所述計算機(11)與光電探測器(10)連接，所述光電探測器(10)前方設置有窄帶濾光片(8)，所述窄帶濾光片(8 )前方設置有聚焦物鏡(7 )，所述聚焦物鏡(7 )前方設置有二向色鏡(4 )，所述二向色鏡(4)前方設置有顯微物鏡(5)，所述顯微物鏡(5)前方設置有待測物體(6)。
2.根據權利要求1所述的基于硅基液晶芯片的結構光照明顯微成像系統，其特征在于，所述硅基液晶芯片LCoS開發系統(9)包括LCoS芯片(901)和同步控制系統(902)，所述LCoS芯片(901)是所述硅基液晶芯片LCoS開發系統(9)的核心部件，所述LCoS芯片(901)的工作模式為反射式或透射式，工作方式為純相位調制，純振幅調制或相位振幅混合調制模式。
3.根據權利要求1所述的基于硅基液晶芯片的結構光照明顯微成像系統，其特征在于，所述高亮度LED光源(I)為可發射多個窄帶光波長的單個LED光源模組。
4.根據權利要求1所述的基于硅基液晶芯片的結構光照明顯微成像系統，其特征在于，所述光電探測器(10)為SCMOS或科研級CCD器件。
【文檔編號】G02B21/36GK103605202SQ201310549905
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月8日 優先權日:2013年11月8日
【發明者】熊大曦, 楊西斌, 朱劍鋒, 李輝 申請人:中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所