本發明涉及光學領域，尤其涉及一種結構光照明顯微成像系統。

背景技術：

結構光顯微成像技術是一種基于光學顯微鏡的超分辨顯微成像技術，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，可以突破普通光學顯微鏡受光學衍射極限的限制，達到更高的顯微成像分辨率。

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，但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。

發明專利201110448980.8提出了一種基于數字微鏡器件的高速結構照明光學顯微系統及方法，實現了高速成像和高光能量利用率。但是空間光調制器存在成本高、成像速度仍然受到限制、系統體積大等缺點。

另外，也有通過陣列排布的led光源結合復眼透鏡實現結構光照明的顯微系統，該系統中需要引入復眼透鏡，而且對復眼透鏡的加工和裝調有極高的難度，安裝和加工精度要求非常高。當復眼透鏡在安裝和加工精度沒有達到要求時，通過安裝有該復眼透鏡的結構光照明顯微成像系統，無法得到高對比度、高信噪比的顯微圖像。

技術實現要素：

本發明的一個目的是提供一種結構光照明顯微成像系統，能夠解決已有結構光照明顯微成像系統成本高、裝調困難、穩定性差等問題。

根據本發明的一個方面，提供了一種結構光照明顯微成像系統，包括：

結構光光源；

依次設置于所述結構光光源的發射光路上的光束整形透鏡、激發濾光片和二向色鏡；

依次設置于所述二向色鏡的第一光路上的物鏡和樣品；

依次設置于所述二向色鏡的第二光路上的發射濾光片、筒鏡和探測器。

進一步的，上述結構光照明顯微成像系統中，所述物鏡和樣品依次設置于所述二向色鏡的反射光路上；所述發射濾光片、筒鏡和探測器依次設置于所述二向色鏡的透射光路上。

進一步的，上述結構光照明顯微成像系統中，所述物鏡和樣品依次設置于所述二向色鏡的透射光路上；所述發射濾光片、筒鏡和探測器依次設置于所述二向色鏡的反射光路上。

進一步的，上述結構光照明顯微成像系統中，所述結構光光源包括微尺寸發光光源，用于產生具有亮暗條紋的結構光。

進一步的，上述結構光照明顯微成像系統中，所述微尺寸發光光源包括基板和排布于所述基板上的發光單元陣列。進一步的，上述結構光照明顯微成像系統中，所述每個發光單元的尺寸范圍不超過500μm×500μm方形區域。

進一步的，上述結構光照明顯微成像系統中，所述光束整形透鏡，設置于所述結構光光源的發射光路上；

所述激發濾光片，設置于所述光束整形透鏡的發射光路上；

所述二向色鏡，用于反射所述激發濾光片的發射光路上的結構光至所述物鏡。

進一步的，上述結構光照明顯微成像系統中，所述物鏡，用于接收所述二向色鏡反射的結構光并將所述接收的結構光投影至所述樣品；

所述樣品，用于接收所述物鏡投影的結構光后形成結構光照明并激發產生熒光，所述熒光依次透射過所述物鏡和二向色鏡。

進一步的，上述結構光照明顯微成像系統中，所述發射濾光片，用于對透射過所述二向色鏡的所述熒光進行濾波；

所述筒鏡位于所述發射濾光片的透射光路上，用于收集和透射所述經所述發射濾光片濾波后的熒光；

所述熒光探測器，用于接收所述筒鏡透射后的熒光。

進一步的，上述結構光照明顯微成像系統中，所述結構光光源與所述樣品的表面、所述樣品的表面與所述探測器的成像面均處于共軛結構位置。

進一步的，上述結構光照明顯微成像系統中，所述光束整形透鏡包括一個或多個透鏡。

與現有技術相比，本發明通過結構光光源，依次設置于所述結構光光源的發射光路上的光束整形透鏡、激發濾光片和二向色鏡，依次設置于所述二向色鏡的第一光路上的物鏡和樣品，依次設置于所述二向色鏡的第二光路上的發射濾光片、筒鏡和探測器，與設置有復眼透鏡的結構光顯微成像系統相比，在降低結構光照明顯微成像系統的安裝和加工精度要求前提下，可以得到信噪比和對比度更高的超分辨顯微圖像；與基于數字微透鏡陣列或光柵的結構光顯微成像系統相比，大幅降低系統成本，且系統穩定性更高。另外，通過采用微尺寸發光二極管光源作為結構光光源，使結構光顯微成像系統結構簡單，易于裝調，且成本更低，獲得高分辨率、高穩定性、高對比度的結構光照明顯微光學系統。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：

圖1示出根據本發明一實施例的結構光照明顯微成像系統示意圖；

圖2示出根據本發明另一實施例的結構光照明顯微成像系統示意圖；

圖3示出根據本發明一實施例的排布于基板上的圓形發光單元陣列的正視圖；

圖4示出根據本發明一實施例的排布于基板上的方形發光單元陣列的正視圖；

圖5示出圖4的側視圖；

圖6示出根據本發明一實施例的正方形發光單元形成縱向條紋的示意圖；

圖7示出根據本發明一實施例的正方形發光單元形成橫向條紋的示意圖；

圖8示出根據本發明一實施例的正方形發光單元形成斜向條紋的示意圖；

圖9示出根據本發明一實施例的圓形發光單元形成縱向條紋的示意圖；

圖10示出根據本發明一實施例的圓形發光單元形成橫向條紋的示意圖；

圖11示出根據本發明一實施例的圓形發光單元形成斜向條紋的示意圖；

圖12示出根據本發明一實施例的占空比為1:2縱向結構光條紋；

圖13示出根據本發明一實施例的占空比為1:3縱向結構光條紋；

圖14示出根據本發明一實施例的微尺寸發光二極管的無源選址的驅動模式示意圖。

附圖中相同或相似的附圖標記代表相同或相似的部件。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。

如圖1和2所示，本發明提供一種結構光照明顯微成像系統，包括：

結構光光源1；

依次設置于所述結構光光源1的發射光路上的光束整形透鏡2、激發濾光片3和二向色鏡4；如圖1和2所示，所述光束整形透鏡2、激發濾光片3和二向色鏡4可以離所述結構光光源1由近及遠依次設置于所述結構光光源的發射光路上；

依次設置于所述二向色鏡4的第一光路上的物鏡5和樣品6；如圖1和2所示，物鏡5和樣品可6以離所述二向色鏡4由近及遠依次設置于所述二向色鏡4的第一光路上；

依次設置于所述二向色鏡4的第二光路上的發射濾光片7、筒鏡8和探測器9。如圖1和2所示，所述發射濾光片7、筒鏡8和探測器9可以離所述所述二向色鏡依次設置于所述二向色鏡的第二光路上，其中，所述二向色鏡的第一光路和第二光路平行或垂直。本實施例的結構光照明顯微成像系統與設置有復眼透鏡的結構光顯微成像系統相比，在降低結構光照明顯微成像系統的安裝和加工精度要求前提下，可以得到信噪比和對比度更高的超分辨顯微圖像，與基于數字微透鏡陣列或光柵的結構光顯微成像系統相比，大幅降低系統成本，且系統穩定性更高。

本發明的結構光照明顯微成像系統一實施例中，如圖1所示，所述二向色鏡4的第一光路為所述二向色鏡的反射光路，所述二向色鏡4的第二光路為所述二向色鏡的透射光路，如此，所述物鏡和樣品依次設置于所述二向色鏡的反射光路上；所述發射濾光片、筒鏡和探測器依次設置于所述二向色鏡的透射光路上。

本發明的結構光照明顯微成像系統一實施例中，如圖2所示，所述二向色鏡4的第一光路為所述二向色鏡的透射光路，所述二向色鏡4的第二光路為所述二向色鏡的反射光路，如此，所述物鏡和樣品依次設置于所述二向色鏡的透射光路上；所述發射濾光片、筒鏡和探測器依次設置于所述二向色鏡的反射光路上。

本發明的結構光照明顯微成像系統一實施例中，所述結構光光源包括微尺寸發光二極管光源(microled)，用于產生具有亮暗條紋的結構光。在此，microled技術，即led微縮化和矩陣化技術，指的是在一個芯片上集成的高密度微小尺寸的led陣列，每一個發光單元可定址、單獨驅動點亮。具有高效率、高亮度、高可靠度及反應時間快等特點，并且具自發光無需背光源的特性，更具節能、機構簡易、體積小、薄型等優勢。如圖3～5所示，所述微尺寸發光二極管光源1由基板11和排布于所述基板上的發光單元12陣列組成，每個發光單元12可以為一個微尺寸發光二極管，本實施例中，可以通過控制微尺寸發光二極管陣列，得到結構光照明顯微成像系統所需的結構光條紋，通過結構光條紋的高速切換與相移，實現超分辨顯微成像的目的。相比傳統的基于dmd或光柵的結構光顯微成像系統，本實施例提供的基于微尺寸發光二極管陣列的結構光顯微成像系統結構簡單，易于裝調，且成本更低。

本實施例通過微尺寸發光二極管產生具有亮暗條紋的結構光，代替傳統結構光顯微成像系統中使用的光柵或二維空間光調制器實現結構光照明，大幅簡化照明系統光路結構，降低結構光顯微成像系統成本；同時因微尺寸發光二極管效率高、亮度高、可靠性強及響應時間短的特性，基于微尺寸發光二極管的結構光照明顯微成像系統有更高的可靠性和穩定性。本實施例的結構光照明顯微成像系統，獲得高分辨率、高穩定性、高對比度的結構光照明顯微光學系統。

本發明的結構光照明顯微成像系統一實施例中，所述每個發光單元有其對應的獨立驅動電路，每個發光單元同時出射一種或多種不同波長的光，以使所述微尺寸led光源產生特定的結構光。例如，某個發光單元的出射光波長為488nm。

本發明的結構光照明顯微成像系統一實施例中，所述發光單元的形狀為方形或圓形，例如,圖3所示為排布于基板上的圓形發光單元陣列的正視圖,圖4所示為排布于基板上的方形發光單元陣列的正視圖,圖5為圖4的側視圖。所述每個發光單元的尺寸范圍在不超過500μm×500μm方形區域，例如，所述發光單元的形狀為方形或圓形，圓形發光單元直徑尺寸為φ1～500μm，方形發光單元尺寸為1μm×1μm～500μm×500μm。進一步的，圓形發光單元直徑尺寸可以為φ1～500μm，方形發光單元尺寸可以為1μm×1μm～500μm×500μm。

本發明的結構光照明顯微成像系統一實施例中，所述光束整形透鏡，設置于所述結構光光源的發射光路上；

所述激發濾光片，設置于所述光束整形透鏡的發射光路上；

所述二向色鏡，用于反射所述激發濾光片的發射光路上的結構光至所述物鏡。

本發明的結構光照明顯微成像系統一實施例中，所述物鏡，用于接收所述二向色鏡反射的結構光并將所述接收的結構光投影至所述樣品；在此，所述物鏡，可用于接收所述二向色鏡反射的結構光并將所述接收的結構光按照預設倍率放大后投影至所述樣品；

所述樣品設置于載物臺上，所述樣品用于接收所述物鏡投影的結構光后形成結構光照明并激發產生熒光，所述熒光依次透射過所述物鏡和二向色鏡。

本發明的結構光照明顯微成像系統一實施例中，所述發射濾光片，用于對透射過所述二向色鏡的所述熒光進行濾波；

所述筒鏡位于所述發射濾光片的透射光路上，用于收集和透射所述經所述發射濾光片濾波后的熒光；

所述熒光探測器，用于接收所述筒鏡透射后的熒光。

本發明的結構光照明顯微成像系統一實施例中，所述結構光光源與所述樣品的表面、所述樣品的表面與所述探測器的成像面均處于共軛結構位置，以保證所述探測器采集的圖像具有較高的對比度和信噪比。

本發明一實施例中，所述微尺寸發光二極管光源(microled)為一分辨率為512×512的發光單元陣列，每個發光單元為尺寸20μm×20μm的正方形，相鄰發光單元之間間距為4μm。圖6～8為正方形發光單元的微尺寸發光二極管陣列，陣列中的每個發光單元均獨立可控，用于得到所需的結構光條紋，包括縱向條紋(如圖6)、橫向條紋(如圖7)和斜向45°條紋(如圖8)。

同理，如圖9～11所示，所述微尺寸發光二極管的發光單元也可以是直徑為φ20μm的圓形。所述光束整形透鏡包括一個或多個透鏡，所述光束整形透鏡的焦距可以是270mm，所述物鏡放大倍數可以為100，物鏡焦距1.8mm。由于微尺寸發光二極管發光單元之間間距僅4μm，經光束整形透鏡、二向色鏡、物鏡作用后投影到樣品表面后，發光單元在樣品表面的像之間間距不超過200nm，小于出射光波長(488nm)的一半，達到衍射極限，故在樣品表面得到的是連續的條紋光，不需要設置復眼透鏡實現條紋數目倍增使發光單元間距小于衍射極限而得到連續條紋光。復眼透鏡的取消可以降低系統的裝調和加工難度，并提高顯微圖像的對比度和信噪比，使成像質量更高。

為進一步提高結構光顯微成像系統的圖像質量，可以適當調整條紋光的占空比，即明暗條紋的比例，可以提高條紋光的對比度，達到改善成像質量的目的。圖12～13為亮暗條紋的占空比分別為1:2、1:3縱向結構光條紋。

圖14為微尺寸發光二極管的無源選址的驅動模式，把微尺寸發光二極管陣列中每一列的發光單元的陽極連接到列掃描線，同時把每一行的發光單元的陰極連接到行掃描線。當某一特定的第y列掃描線和第x行掃描線被選通的時候，其交叉點(x，y)的led像素即會被點亮。整個微尺寸發光二極管陣列以這種方式進行高速逐點掃描即可實現所需的結構光條紋。

此外，微尺寸發光二極管也可以采用有源選址的方式，每個發光單元有其對應的獨立驅動電路，驅動電流由驅動晶體管提供。相比圖14中無源選址的方式，有源選址的控制方式結構更復雜，但可以簡化每個發光單元間的連接，改善選通信號易發生串擾的缺陷。

綜上所述，本發明通過結構光光源，依次設置于所述結構光光源的發射光路上的光束整形透鏡、激發濾光片和二向色鏡，依次設置于所述二向色鏡的第一光路上的物鏡和樣品，依次設置于所述二向色鏡的第二光路上的發射濾光片、筒鏡和探測器，與設置有復眼透鏡的結構光顯微成像系統相比，在降低結構光照明顯微成像系統的安裝和加工精度要求前提下，可以得到信噪比和對比度更高的超分辨顯微圖像，與基于數字微透鏡陣列或光柵的結構光顯微成像系統相比，大幅降低系統成本，且系統穩定性更高。另外，通過采用微尺寸發光二極管光源作為結構光光源，使結構光顯微成像系統結構簡單，易于裝調，且成本更低，獲得高分辨率、高穩定性、高對比度的結構光照明顯微光學系統。

顯然，本領域的技術人員可以對本申請進行各種改動和變型而不脫離本申請的精神和范圍。這樣，倘若本申請的這些修改和變型屬于本申請權利要求及其等同技術的范圍之內，則本申請也意圖包含這些改動和變型在內。

對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化涵括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。此外，顯然“包括”一詞不排除其他單元或步驟，單數不排除復數。裝置權利要求中陳述的多個單元或裝置也可以由一個單元或裝置通過軟件或者硬件來實現。第一，第二等詞語用來表示名稱，而并不表示任何特定的順序。