本發(fā)明屬于光學(xué)顯微技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于dmd的雙模式光學(xué)超分辨顯微成像裝置及方法，其通過使用數(shù)字微鏡器件(dmd)可實現(xiàn)兩種模式成像所需的激光光源調(diào)制。

背景技術(shù)：

光學(xué)顯微鏡允許自然環(huán)境生長下無損傷地觀察樣品，但受到衍射極限的限制，橫向分辨率只有半波長，無法獲取納米尺度的細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的信息。為改進遠場光學(xué)顯微鏡的空間分辨率，人們開始研究超分辨顯微技術(shù)并在近年取得很大進展，光學(xué)顯微鏡的分辨率得到顯著提高，在國際上達到數(shù)nm水平，極大地促進了細胞生物學(xué)研究。現(xiàn)有的多種超分辨成像技術(shù)都通過不同的機理突破了光學(xué)成像的衍射極限：單分子定位技術(shù)(smlm)利用激光調(diào)控可逆光轉(zhuǎn)化熒光分子的開關(guān)，進而實現(xiàn)單分子點的分離定位，然后通過合成上千張定位子圖重建超分辨熒光圖像；結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)(sim)通過調(diào)制結(jié)構(gòu)照明光，通過特定算法獲取圖像高頻信息，進而擴大成像帶寬，得到高分辨圖像。這兩種技術(shù)都在細胞生物學(xué)研究中發(fā)揮著巨大的作用，成為細胞生物學(xué)家了解大分子結(jié)構(gòu)與活動、醫(yī)學(xué)家了解病變細胞的生理狀態(tài)的強有力工具。然而，smlm需要消耗更多的時間以得到更高的分辨率，sim的成像速度較快但對分辨率的提高有限。雖然兩種成像方法都已經(jīng)有商品化系統(tǒng)出現(xiàn)，但都價格昂貴，讓多數(shù)研究者望而卻步，或只能二選其一，極大限制了進行相關(guān)研究的手段。

已有研究通過光路的切換在一個系統(tǒng)里實現(xiàn)兩種超分辨成像并將結(jié)果整合，進行優(yōu)勢互補。然而，他們的研究中smlm和sim仍然是兩個獨立的部分，smlm光路中需要多個快門或昂貴的聲光可調(diào)諧濾波器實現(xiàn)激光脈沖調(diào)制，sim光路中也需要空間光調(diào)制元件，光路系統(tǒng)非常復(fù)雜，成本并未得到降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種基于dmd的雙模式光學(xué)超分辨顯微成像裝置，該裝置通過采用dmd，利用激光器、光路系統(tǒng)等，可分別實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)(sim)和單分子定位顯微技術(shù)(smlm)，具有系統(tǒng)緊湊易用、成本低的優(yōu)點，并且便于在相關(guān)研究中利用兩種成像方式得到互補信息。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于上述雙模式光學(xué)超分辨顯微成像裝置的成像方法，該方法利用dmd的光調(diào)制能力，通過合理設(shè)計控制系統(tǒng)、調(diào)節(jié)光路，能夠得到快速的多波長交替脈沖光和結(jié)構(gòu)照明光，從而能夠在同一光路系統(tǒng)中實現(xiàn)單分子定位顯微和結(jié)構(gòu)光照明顯微兩種光學(xué)超分辨顯微術(shù)，彌補現(xiàn)有技術(shù)中兩種光學(xué)超分辨顯微系統(tǒng)完全獨立、成本高昂的缺陷。

本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)：基于dmd的雙模式光學(xué)超分辨顯微成像裝置，包括第一激光器、第二激光器、激光調(diào)制模塊、顯微鏡光學(xué)成像系統(tǒng)和載物臺，第一激光器、第二激光器為穩(wěn)態(tài)連續(xù)半導(dǎo)體激光器，分別產(chǎn)生第一波長和第二波長的連續(xù)激光；所述激光調(diào)制模塊包括反射鏡組件、dmd圖案發(fā)生模塊、透鏡組和掩板，dmd圖案發(fā)生模塊包括dmd芯片和dmd圖案控制器，第一激光器、第二激光器所發(fā)射激光分別經(jīng)反射鏡組件反射后經(jīng)調(diào)節(jié)以不同角度入射到dmd芯片的相同位置，保證出射光的衍射主極大重合，dmd圖案控制器控制dmd芯片上微鏡陣列使其先后顯示為一定周期、不同相位、不同角度的黑白條紋圖案，該圖案作用等效為反射光柵，將激光轉(zhuǎn)換為對稱分布的衍射光斑，如圖3所示；透鏡組包括一對透鏡，透鏡組之間共焦位置放置掩板，dmd芯片、透鏡組、掩板為4f系統(tǒng)，掩板與衍射光斑匹配以完成激光選通；掩板選通的激光束進入顯微鏡光學(xué)成像系統(tǒng)，顯微鏡光學(xué)成像系統(tǒng)對載物臺上的樣品進行成像。本發(fā)明通過dmd圖案控制器生成不同的黑白條紋圖案，可實現(xiàn)對激光進行不同的調(diào)制，在sim系統(tǒng)中可以調(diào)制結(jié)構(gòu)照明光，在smlm光路中可作為激光脈沖產(chǎn)生裝置，便于實現(xiàn)雙模式的工作方式。

具體的，所述顯微鏡光學(xué)成像系統(tǒng)，包括鏡筒透鏡、長通二向色鏡、熒光濾光片、物鏡、成像透鏡和相機，在掩板選通的激光束前進方向上，透鏡組中第二透鏡后依次放置鏡筒透鏡和長通二向色鏡，其中透鏡組中的第二透鏡和鏡筒透鏡形成共焦望遠系統(tǒng)，長通二向色鏡與光路光軸成45°角放置；在垂直于該激光束且穿過該長通二向色鏡的光軸方向上，在該長通二向色鏡下方同軸地放置有熒光濾光片、成像透鏡和相機，在該長通二向色鏡上方放置有物鏡，樣品放置在載物臺上，處于物鏡的焦點處；對稱分布的光束被聚集到物鏡的后焦面，激光激發(fā)樣品上熒光染料發(fā)出的下轉(zhuǎn)換熒光信號由物鏡收集，透過長通二向色鏡和熒光濾光片，經(jīng)過成像透鏡成像到相機的感光芯片表面，由相機記錄所成圖像。

更進一步的，在鏡筒透鏡與其前面的透鏡組中的透鏡之間設(shè)有一用于調(diào)節(jié)照明視野大小的孔徑光闌。

具體的，所述第一激光器、第二激光器分別采用用于單分子定位技術(shù)中激發(fā)熒光分子的長波長(第一波長)激光器和激活熒光分子的短波長(第二波長)激光器。這里的長波長和短波長是這兩個激光器之間進行比較定義的。

具體的，所述dmd圖案控制器內(nèi)預(yù)先下載有設(shè)計好的黑白條紋圖案，在進行顯微成像時，按照一定周期、一定相位傳送到dmd芯片上，黑條紋位置微鏡偏轉(zhuǎn)負12度將激光反射出光路，白條紋位置處微鏡偏轉(zhuǎn)正12度一定角度將激光反射進入后面的光路。

作為一種優(yōu)選，當(dāng)顯微成像裝置用于結(jié)構(gòu)光照明顯微模式成像時，dmd圖案控制器控制dmd芯片依次顯示水平方向n個等間隔相位、垂直方向n個等間隔相位的黑白條紋圖案，激光照射到dmd芯片上被轉(zhuǎn)換為對稱分布的多級衍射光斑；所述掩板為有4個對稱小孔的金屬片，用于將多級衍射光斑中需要的+1、-1級光斑濾出；兩光斑對稱經(jīng)過后面光路進入顯微鏡光學(xué)成像系統(tǒng)后，在樣品面形成光強呈正弦分布的結(jié)構(gòu)光照明圖像。不同波長激光可以通過改變所述dmd圖案發(fā)生模塊顯示的條紋周期，達到相同的衍射角，使+1、-1級光斑選通，用于激發(fā)不同熒光樣品進行多色成像。

更進一步的，所述掩板安裝在可以在垂直光軸的平面調(diào)節(jié)的精密平移安裝座上。

作為另一種優(yōu)選，當(dāng)顯微成像裝置用于單分子定位顯微模式成像時，dmd圖案控制器控制dmd芯片重復(fù)交替顯示水平方向兩個不同周期的黑白條紋圖案，使兩個不同波長的激光+1、-1級衍射角相同，并交替出現(xiàn)在相同位置，掩板為一單孔掩板，可左右移動以進入或離開光路，當(dāng)其位于光路中時，僅讓水平方向的一個衍射光斑通過；不同波長的兩種激光交替通過掩板后，經(jīng)過后面共同光路進入顯微鏡光學(xué)成像系統(tǒng)，經(jīng)物鏡在樣品面形成交替的寬場照明。

具體的，所述dmd圖案控制器與相機的外部觸發(fā)信號接口相連；在進行顯微成像時，一旦dmd圖案控制器切換圖案，就同時發(fā)送信號到相機以觸發(fā)相機同步采集圖像。

一種基于上述雙模式光學(xué)超分辨顯微成像裝置的成像方法，該成像裝置中的dmd圖案發(fā)生模塊可作為sim中的結(jié)構(gòu)照明光調(diào)制器，也可以作為smlm中的激光脈沖產(chǎn)生裝置，在同一光路中實現(xiàn)sim和smlm兩種超分辨顯微技術(shù)，方法分別如下：

(1)實現(xiàn)sim的步驟是：dmd圖案控制器控制dmd芯片依次顯示水平方向n個等間隔相位、垂直方向n個等間隔相位的黑白條紋圖案，n為大于2的整數(shù)，激光照射到dmd芯片上被轉(zhuǎn)換為對稱分布的多級衍射光斑；掩板為有4個對稱小孔的金屬片，用于將多級衍射光斑中需要的+1、-1級光斑濾出；兩光斑對稱經(jīng)過后面光路進入顯微鏡光學(xué)成像系統(tǒng)，在樣品面形成光強呈正弦分布的結(jié)構(gòu)光照明圖像，顯微鏡光學(xué)成像系統(tǒng)記錄下該結(jié)構(gòu)光照明圖像；

改變dmd芯片的圖案相位，采集多幅調(diào)制圖像，分離出高頻信息，進而擴展圖像頻譜，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光照明超分辨成像；

(2)實現(xiàn)smlm的步驟是：dmd圖案控制器控制dmd芯片重復(fù)交替顯示水平方向兩個不同周期的黑白條紋圖案，使兩個不同波長激光的+1、-1級衍射角相同，并交替出現(xiàn)在相同位置，掩板為一單孔掩板，可左右移動以進入或離開光路，當(dāng)其位于光路中時，僅讓水平方向的一個衍射光斑通過；不同波長的兩種激光交替通過掩板后，每次可以隨機激發(fā)一部分分離的染料分子，對該次點亮的熒光點進行精確定位；最后將所有圖像序列得到的熒光定位點疊加實現(xiàn)smlm的超分辨成像。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：

1、本發(fā)明拓展了數(shù)字微鏡器件(digitalmicromirrordevice,dmd)的新用途，將其用在sim系統(tǒng)中調(diào)制產(chǎn)生結(jié)構(gòu)照明光的同時，也可作為smlm光路中的激光脈沖產(chǎn)生裝置，通過分析其功能，搭配掩板選通不同衍射光斑，進而設(shè)計出一套雙模式光學(xué)超分辨成像顯微系統(tǒng)，達到共用同一光路實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光照明顯微和單分子定位顯微這兩種超分辨顯微成像方式的目的。

2、本發(fā)明通過dmd的復(fù)用，大大降低成本的同時，使得在更緊湊的系統(tǒng)中實現(xiàn)兩項超分辨技術(shù)成為可能，降低相關(guān)研究的門檻。

3、本發(fā)明激光調(diào)制模塊為非掃描非機械的系統(tǒng)構(gòu)成，有很高的穩(wěn)定性和易用性；dmd作為調(diào)制器件，同時應(yīng)用于兩種成像方式中，相比快門、光柵等機械器件響應(yīng)速度更快，相比空間光調(diào)制器和聲光調(diào)諧濾波器等更加經(jīng)濟。

4、本發(fā)明在同一系統(tǒng)中實現(xiàn)不同方式的超分辨成像，有助于在成像研究中獲取更多互補信息，為相關(guān)生物學(xué)問題研究提供一個新的研究視角。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為數(shù)字微鏡器件dmd進行余弦調(diào)制時3個不同相位對應(yīng)微鏡的開關(guān)形式。

圖3(a)為不同波長激光以不同角度和相同角度入射dmd示意圖。

圖3(b)為圖3(a)dmd芯片對應(yīng)的微鏡像素開關(guān)狀態(tài)圖。

圖4為結(jié)構(gòu)光照明成像模式下數(shù)字微鏡器件對激光進行調(diào)制后3個不同相位對應(yīng)的樣品照明圖案示意圖。

圖5(a)為結(jié)構(gòu)光照明成像模式下對稱衍射光斑選通掩板的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5(b)為單分子定位成像模式下單個衍射光斑選通掩板的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為結(jié)構(gòu)光照明成像模式下不同相位的光柵條紋和不同方向衍射光斑及對應(yīng)的結(jié)構(gòu)光照明樣品圖案。

圖7(a)為納米顆粒的寬場熒光成像圖。

圖7(b)為采用結(jié)構(gòu)光照明后重構(gòu)圖像的頻譜圖。

圖7(c)為采用結(jié)構(gòu)光照明后重構(gòu)的圖像。

圖8為插入圖5(b)所示掩板后切換到單分子定位成像模式下光路示意圖。

圖9(a)為單分子定位成像模式下dmd顯示空間頻率為k1的黑白條紋選通405nm激光得到t1光脈沖的工作示意圖。

圖9(b)為單分子定位成像模式下dmd顯示空間頻率為k2的黑白條紋選通532nm激光得到t2光脈沖的工作示意圖。

圖10為單分子定位成像模式下采集n張分離單分子發(fā)光圖像后用算法定位重構(gòu)出超分辨圖像的效果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1

本實施例基于dmd的雙模式光學(xué)超分辨顯微成像裝置如圖1所示，其中，1為波長為532nm的半導(dǎo)體激光器，2為波長為405nm的半導(dǎo)體激光器，兩種不同波長的激光器根據(jù)實際成像需要可選擇其他搭配。3、4、5、6、8、11為角度可調(diào)節(jié)的平面反射鏡，7為dmd芯片，9、12、14為透鏡，10為用于衍射光斑選通的掩板，13為孔徑光闌，15為545nm長通二向色鏡，16為物鏡，17為熒光濾光片，18為成像透鏡，19為scmos相機。

本實施例所述的超分辨顯微成像裝置按照實現(xiàn)的功能分為以下幾個部分，分別是兩個激光器、激光調(diào)制模塊、顯微鏡光學(xué)成像系統(tǒng)和載物臺，所述激光調(diào)制模塊包括dmd圖案發(fā)生模塊、反射鏡8、透鏡9、12和掩板10。dmd圖案發(fā)生模塊包括dmd芯片和dmd圖案控制器，dmd圖案控制器與相機的外部觸發(fā)信號接口相連。所述顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)包括鏡筒透鏡14，孔徑光闌13，長通二向色鏡15、tirf物鏡16，熒光濾光片17，成像透鏡18和scmos相機19。

工作時，可通過平面反射鏡5、6調(diào)節(jié)激光器1產(chǎn)生的532nm連續(xù)激光使其以適當(dāng)角度照射在dmd芯片7上，dmd芯片7安裝在二維角度調(diào)節(jié)座上，通過調(diào)節(jié)dmd芯片的角度使得所需衍射光進入后面的光學(xué)系統(tǒng)中。通過平面反射鏡3、4調(diào)節(jié)激光器2產(chǎn)生的405nm激光光束，使其以不同的入射角照射在dmd芯片7上，確保其衍射光沿與532nm激光相同的光軸進入后面的光學(xué)系統(tǒng)中。控制dmd芯片上微鏡陣列使其先后顯示為一定周期、不同相位、不同角度的黑白條紋(對應(yīng)關(guān)和開狀態(tài)，參見圖3)，其作用等效為反射光柵，產(chǎn)生的多級衍射光經(jīng)平面鏡8反射后，透鏡9將衍射光聚焦到掩板10上，掩板10遮擋住無用的光束，讓所需的光束通過，完成選通的功能。掩板10選通的光束由平面反射鏡11反射進入所述顯微鏡光學(xué)成像系統(tǒng)。透鏡12將光束轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄庠儆社R筒透鏡14聚焦，由45°角放置的長通二向色鏡15反射進入tirf物鏡。光束需聚焦到tirf物鏡的后焦面邊緣位置，經(jīng)物鏡后在載玻片上表面形成對樣品的全內(nèi)反射照明。孔徑光闌13置于兩光束相交的位置，用于調(diào)節(jié)照明視野的大小。激光激發(fā)樣品上熒光染料發(fā)出的下轉(zhuǎn)換熒光信號由同一物鏡收集，透過長通二向色鏡15和熒光濾光片17，經(jīng)過成像透鏡18成像到scmos相機19的感光芯片表面，由scmos相機記錄所成圖像。

本發(fā)明dmd芯片表面結(jié)構(gòu)參見圖3(a)、(b)，dmd芯片是通過微鏡陣列存在的偏轉(zhuǎn)來調(diào)整光源。微鏡是不連續(xù)的，每個微鏡有一個衍射效應(yīng)，等同于閃耀光柵衍射效果，不同波長激光打在dmd芯片上時，如果是相同入射角，最亮的光斑出射角不同，如圖3中左側(cè)光路所示。本發(fā)明要保證不同波長最亮的光斑出射角相同，需要調(diào)節(jié)不同激光使其入射角不同，保證出射光的衍射主極大重合，如圖3中右側(cè)光路所示。

基于本實施例裝置，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光照明成像(sim)的步驟是：

激光器1和激光器2分別產(chǎn)生波長為532nm和405nm的連續(xù)激光，波長為532nm的激光光束經(jīng)平面鏡5和平面鏡6，調(diào)節(jié)一定角度射入dmd芯片7，同理405nm波長的激光通過平面反射鏡3、4、5、6亦打在dmd芯片7上。dmd圖案控制器可采用一fpga開發(fā)板，用于控制dmd芯片上各微鏡的開關(guān)，使dmd的圖案如圖2所示，具有反射光柵的功能，能產(chǎn)生多級衍射光。調(diào)節(jié)平面鏡3、4、5、6改變兩束激光的入射角，使不同波長激光照射在dmd上產(chǎn)生的衍射條紋的主極沿光軸進入后面光路系統(tǒng)。衍射條紋在4f系統(tǒng)中經(jīng)衍射光斑選通掩板10(圖5(a))，僅剩±1級光斑通過(如圖6所示)得到對稱分布并強度相同的雙光束。雙光束經(jīng)長通二向色鏡15反射射入物鏡16照射在位于物鏡焦點處的樣品產(chǎn)生干涉條紋。激光激發(fā)樣品后發(fā)射出長波長的熒光由同一物鏡收集，經(jīng)長通二向色鏡15、熒光濾光片17透射，經(jīng)成像透鏡18匯聚后由scmos相機19記錄下結(jié)構(gòu)光照明圖像。

本實施例dmd圖案控制器用fpga開發(fā)板實現(xiàn)，用于實現(xiàn)dmd的圖像顯示控制和快速切換，每次切換的同時向相機發(fā)送觸發(fā)信號同步控制采集圖像。參見圖7(a)‐(c)，改變dmd圖案條紋的相位可以采集多幅調(diào)制圖像，從中分離出高頻信息，進而可擴展圖像頻譜。通過多個角度(兩個或兩個以上)高頻信息的獲取、重構(gòu)即可均勻提高圖像的空間分辨率，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光照明超分辨成像。兩種波長激光可以用來激發(fā)兩種不同的熒光分子，實現(xiàn)雙色成像。圖4為結(jié)構(gòu)光照明成像模式下數(shù)字微鏡器件對激光進行調(diào)制后3個不同相位對應(yīng)的樣品照明圖案示意圖。

實施例2：

本實施例是基于圖8所示裝置，實現(xiàn)單分子定位成像smlm，其步驟是：

與實施例1相同的光路系統(tǒng)中，在選通掩板10位置處插入圖5(b)所示單孔掩板，選通出單個衍射光斑(如圖8所示)。控制dmd芯片在k1、k2兩個不同空間頻率的黑白條紋間切換，使405nm和532nm波長激光光斑交替通過掩板小孔，得到交替的光脈沖(如圖9(a、b)所示)。使用相應(yīng)的可開關(guān)熒光染料，如alexa‐fluo532，對細胞樣品進行標記，染料分子在405nm激光照射下隨機轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顟B(tài)，而在532nm激光照射下激發(fā)發(fā)射出熒光，由高靈敏度相機探測記錄下來。

dmd圖案控制器控制dmd芯片顯示的圖像在k1和k2兩種空間頻率的條紋之間反復(fù)切換，顯示k2條紋的同時向相機發(fā)送觸發(fā)信號同步控制采集熒光圖像。激光反復(fù)交替切換，每次可以激發(fā)一部分分離的染料分子，通過圖像處理算法對每次點亮的熒光點進行精確定位，將所有圖像序列得到的熒光定位點疊加得到超分辨圖像，如圖10所示。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。