CN103792654B

CN103792654B - 一种结构光照明光学系统

Info

Publication number: CN103792654B
Application number: CN201410036645.0A
Authority: CN
Inventors: 熊大曦; 杨西斌
Original assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date: 2014-01-26
Filing date: 2014-01-26
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2034-01-26
Also published as: CN103792654A

Abstract

本发明公开了一种结构光照明光学系统，包括：计算机、同步控制系统、超高亮度LED激发光源、中继透镜组、复眼透镜阵列、中间像面、二向色镜、投影物镜、载物台、筒镜、窄带滤光片和光电探测器。本发明采用计算机控制超高亮度LED激发光源的多芯片结构获得初始条纹光，通过中继透镜组、复眼透镜阵列将条纹数目倍增，然后用投影物镜按一定放大倍率成像于照明载物台上形成结构光照明，采用对LED芯片电控的方式获得结构光照明，摒弃了传统采用光栅和空间光调制器所带来的成本高、体积大、条纹相移速度慢的缺点，可适用于活体生物细胞的快速实时三维成像研究。

Description

一种结构光照明光学系统

技术领域

本发明涉及一种超分辨率显微成像技术中新型的结构光照明光学系统，具体的说是指一种基于复眼透镜阵列的结构光照明显微镜成像光学系统，属于光学成像技术领域。

背景技术

普通光学显微镜受光学衍射极限的限制，横向分辨率一般只能达到200nm，纵向分辨率约500nm，难以满足当前生物学领域对亚细胞结构和分子结构的研究需求。

结构光成像技术最初是由Neil等人于1997年首次提出的，并将之应用于生物学成像，分辨率可以达到100nm。该技术使用特殊调制的结构光场照明样品，通过运用相移算法从不同相位的调制图像数据中提取聚焦平面的信息，得到结构光照明显微成像的图像数据，与目前已有的几种超分辨光学显微成像方法，如光激活定位法（PALM）、随机光学重构法（STORM）以及受激发射损耗法（STED）等相比，具有成像速度较快，结构简单，适合于活体组织实时观察等优点。

结构光照明显微最早是通过将照明光路中加入一个正弦光栅来实现的，光栅图案被投影到样品上形成结构光照明，光栅加装在一个压电陶瓷上通过压电陶瓷控制器实现步进，每次移动光栅周期的1/3，相当于光栅图案相移2π/3。三次相移(0，2π/3，4π/3)得到样品的三幅源图像，通过一个简单的算法，可以得到样品的层析图像；而通过另外一个算法，则可以将与光栅条纹垂直方向上的横向空间分辨率提高一倍。在这些用光栅获得结构光照明的系统中,必须移动光栅来获得不同相移下的源图像，因此这种机械移动装置会减低系统的稳定性。

图1为传统的结构光照明显微成像系统工作原理图。

如图1所示：目前结构中采用光栅的结构光照明显微成像系统的光路主要由光栅、照明光源、透镜系统、CCD以及同步控制系统组成。光源发出的光经过准直，经光栅产生结构光，照明待测物体表面，透镜系统将物体表面发出的荧光成像于CCD平面上。利用压电装置使得光栅的移动（对应于相位移动）与CCD记录图像的速度同步，即一幅图像记录完成后，光栅移动一个位移，记录新位相对应的图像。将记录的图像利用特定算法进行重构，得到层析图像以及超高分辨率的二维图像。这类光路，结构简单、成像速度快。但是，存在移动过程中位相的精度、同步过程中时间精度、信噪比低等问题。

发明专利200810071654.8提出了一种基于二维调制技术的切层图像获取方法，该方法利用二维空间光调制器如数字微镜片DMD、穿透式液晶LCD、反射式硅基液晶LCOS等代替传统结构光显微镜中的光栅，对照明进行二维调制，从而产生一维不同相位的调制图案。发明专利201110448980.8提出了一种基于数字微镜器件的高速结构照明光学显微系统及方法，实现了高速成像和高光能量利用率。但是空间光调制器存在成本高、成像速度仍然受到限制、系统体积大等缺点。目前为止，所有涉及结构光照明显微的技术，主要是基于以上两种方式。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种通过LED芯片的电控发光，实现结构光条纹的ns级切换速度，获得高速结构光显微成像能力的结构光照明光学系统。

为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：

一种结构光照明光学系统，其特征在于，包括：

具有多个芯片结构的LED激发光源；

与LED激发光源连通且独立控制每个芯片的亮暗、进而控制整个LED激发光源形成亮暗条纹光的计算机；

位于亮暗条纹光的发射光路上的中继透镜组；

包括多个复眼透镜单元，且每个复眼透镜单元均接收透过中继透镜组的亮暗条纹光以对LED激发光源的多个芯片结构进行成像，从而在中间像面上形成数目倍增的结构光条纹的复眼透镜阵列；

用于反射结构光条纹的中间像面；

位于结构光条纹发射光路上的用于透射结构光条纹的二向色镜；

接收透过二向色镜的结构光条纹并将其按照一定倍率放大后投影的投影物镜；

设置于载物台上，接收投影物镜投影的结构光条纹后形成结构光照明并激发产生荧光的照明靶面；

位于所述的荧光经二向色镜反射后的光路上，用于透射所述荧光的筒镜；

用于对透过筒镜的荧光进行滤光的窄带滤光片；

用于接收所述荧光的光电探测器。

进一步，还包括一同步控制系统，所述的同步控制系统分别与所述的计算机和LED激发光源连通。

且所述的LED激发光源与中间像面、中间像面与照明靶面、照明靶面与光电探测器成像面均处于共轭结构位置。

更进一步，所述的LED激发光源包括LED基板、多组LED芯片、电源正极和电源负极，所述的多组LED芯片、电源正极和电源负极均设置有LED基板上，所述的多组LED芯片按组竖向并列设置，且所述的多组LED芯片的其中一电极端均与电源正极连通形成共阳极电连接，而所述的多个LED芯片的另外一个电极端通过光路层独立引出通过与LED芯片等量多组电源负极与计算机连通。

或者，所述的LED激发光源包括LED基板、多组LED芯片、电源正极和电源负极，所述的多组LED芯片、电源正极和电源负极均设置有LED基板上，所述的多组LED芯片按组竖向并列设置，且所述的多组LED芯片的其中一电极端均与电源负极连通形成共阴极电连接，而所述的多个LED芯片的另外一个电极端通过光路层独立引出通过与LED芯片等量多组电源正极与计算机连通。

此外，所述的LED基板为金属基板或陶瓷基板。而所述的多组LED芯片的发光波段相同或不同。

更进一步，所述的多个复眼透镜单元以矩阵的方式排列。

其中，所述的复眼透镜单元为单面复眼透镜单元或双面复眼透镜单元。

而所述的单面复眼透镜单元的其中一面为平面，另一面为自由曲面或球面。

本发明的有益效果是：本发明提出的一种新型的结构光照明光学系统，通过将复眼透镜阵列引入结构光照明显微技术，大大降低了系统体积和成本，并且利用LED芯片的ns级光切换能力，获得了结构光条纹的高速切换与相移能力，有效避免了采用传统光栅式结构和空间光调制器的光照明成像系统对系统稳定性的影响，更适用于活体生物细胞的实时三维成像研究。

附图说明

图1为传统的结构光照明显微成像系统工作原理图；

图2为本发明一实施例的结构示意图；

图3为本发明所述的LED激发光源的结构示意图；

图4为本发明所述的复眼透镜单元的平面结构示意图；

图5为本发明所述的复眼透镜单元的侧面结构示意图；

图6为本发明所述的中间像面形成的结构光条纹示意图；

图7为本发明所述的照明靶面的结构光条纹示意图。

图中主要附图标记含义为：

1、计算机 2、同步控制系统 3、LED激发光源

4、复眼透镜阵列 41、复眼透镜单元 5、中继透镜组

6、中间像面 7、二向色镜 8、投影物镜

9、照明靶面 10、筒镜 11、窄带滤光片

12、光电探测器 13、LED芯片 14、LED基板

15、电源正极 16、电源负极。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行具体的介绍。

图2为本发明一实施例的结构示意图。

如图2所示：一种结构光照明光学系统，包括：具有多个芯片结构的LED激发光源3；与LED激发光源3连通且独立控制每个芯片的亮暗、进而控制整个LED激发光源3形成亮暗条纹光的计算机1；位于亮暗条纹光的发射光路上的中继透镜组5；包括多个复眼透镜单元41，且每个复眼透镜单元41均接收透过中继透镜组5的亮暗条纹光以对LED激发光源3的多个芯片结构进行成像，从而在中间像面6上形成数目倍增的结构光条纹的复眼透镜阵列4；用于反射结构光条纹的中间像面6；位于结构光条纹发射光路上的用于透射结构光条纹的二向色镜7；接收透过二向色镜7的结构光条纹并将其按照一定倍率放大后投影的投影物镜8；设置于载物台上，接收投影物镜8投影的结构光条纹后形成结构光照明并激发产生荧光的照明靶面9；位于所述的荧光经二向色镜7反射后的光路上，用于透射所述荧光的筒镜10；用于对透过筒镜10的荧光进行滤光的窄带滤光片11；以及用于接收所述荧光的光电探测器12。同时还包括一同步控制系统2，所述的同步控制系统2分别与所述的计算机1和LED激发光源3连通。

本实施例通过运用相移算法从不同相位的调制图像数据中提取聚焦平面的信息，得到结构光照明显微成像的图像数据，且上述的结构光条纹可经由对芯片的亮暗控制，实现结构光条纹方向的旋转和结构光条纹相位的移动。

在本实施方式中，所述的LED激发光源3与中间像面6、中间像面6与照明靶面9、照明靶面9与光电探测器12成像面均处于共轭结构位置。

图3为本发明所述的LED激发光源的结构示意图。

如图3所示：所述的LED激发光源3包括LED基板14、多组LED芯片13、电源正极15和电源负极16，所述的多组LED芯片13、电源正极15和电源负极16均设置有LED基板14上，所述的多组LED芯片13按组竖向并列设置，如，本实施例中所述的多组LED芯片13设置有八组，分别标号为L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7和L8，而所述的多组LED芯片13的其中一电极端均与电源正极15连通形成共阳极电连接，所述的多个LED芯片13的另外一个电极端通过光路层独立引出通过与LED芯片13等量多组的电源负极16与计算机1连通，具体为：所述的电源负极16也并排设置有多组，在本实施例中，与LED芯片13等量多组，即为八组，分别标号为n1、n2、n3、n4、n5、n6、n7和n8，所述的8组电源负极16分别对应控制8组LED芯片13。

当然，所述的多组LED芯片13的其中一电极端也可以均与电源负极连通形成共阴极电连接，此时，所述的多个LED芯片13的另外一个电极端则通过光路层独立引出通过与LED芯片13等量多组的电源正极15与计算机1连通，以实现每组LED芯片13能独立控制。

此外，在本实施例中，所述的LED基板为金属基板，当然其也可以为陶瓷基板，而所述的多组LED芯片13的发光波段相同或不同。本发明所述光学系统工作时，由计算机1控制相邻LED芯片13的亮暗，从而形成多种条纹结构，由于LED芯片3亮暗切换速度为ns量级，因此可以实现结构光条纹的高速切换。

图4为本发明所述的复眼透镜单元的平面结构示意图；图5为本发明所述的复眼透镜单元的侧面结构示意图。

如图3和图4所示：所述的复眼透镜单元41以矩阵的方式排列。且其可以为单面复眼透镜单元或双面复眼透镜单元。在本实施例中，其为单面复眼透镜，且单面复眼透镜单元的其中一面为平面，另一面为自由曲面，自由曲面可有效减小像差的影响，实现更好的匀光效果，当然，其也可以为球面。系统工作时，每个复眼透镜单元41均对LED芯片13阵列进行成像，从而在中间像面6上形成数目倍增的结构光条纹，所述中间像面6上形成的结构光条纹的倍增数目，由复眼透镜单元41的数目决定。

图6为本发明所述的中间像面形成的结构光条纹示意图。

如图6所示，复眼透镜阵列4中的每个复眼透镜单元41，对LED芯片13阵列进行成像，从而将多芯片结构形成的结构光条纹的结构数目倍增，获得近乎连续的结构光条纹，本实施例中所示的为近乎正弦结构的条纹，在中间像面6上仍可见每个LED芯片的结构。当然，也可以通过增加电源电极的数目，对LED芯片13的亮暗进行调节，获得其他形状的结构光条纹，如圆形、方形等均可。

图7为本发明所述的照明靶面的结构光条纹示意图。

如图7所示：其为经投影物镜8在照明靶面9上形成的正弦结构光条纹，投影物镜8将条纹缩小成像于照明靶面9，由于衍射的作用，在照明靶面9上形成近乎理想的正弦结构光条纹，当然，也可以对LED芯片的亮暗进行调节，获得其他形状的结构光条纹，如圆形、方形等。

本发明通过LED芯片13的亮暗变化，来实现结构光条纹的高速切换与相移，LED芯片的ns级切换能力，将实现结构光照明显微技术的高速成像能力；而由于采用复眼透镜阵列代替传统的光栅和空间光调制器，大大降低了系统体积和成本。

本发明按照上述实施例进行了说明应当理解，上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种结构光照明光学系统，其特征在于，包括：

具有多个芯片结构的LED激发光源；

位于亮暗条纹光的发射光路上的中继透镜组；

用于反射结构光条纹的中间像面；

位于荧光经二向色镜反射后的光路上，用于透射所述荧光的筒镜；

用于对透过筒镜的荧光进行滤光的窄带滤光片；

用于接收所述荧光的光电探测器。

2.根据权利要求1所述的一种结构光照明光学系统，其特征在于，还包括一同步控制系统，所述的同步控制系统分别与所述的计算机和LED激发光源连通。

3.根据权利要求1或2所述的一种结构光照明光学系统，其特征在于，所述的LED激发光源与中间像面、中间像面与照明靶面、照明靶面与光电探测器成像面均处于共轭结构位置。

4.根据权利要求1所述的一种结构光照明光学系统，其特征在于，所述的LED激发光源包括LED基板、多组LED芯片、电源正极和电源负极，所述的多组LED芯片、电源正极和电源负极均设置有LED基板上，所述的多组LED芯片按组竖向并列设置，且所述的多组LED芯片的其中一电极端均与电源正极连通形成共阳极电连接，而所述的多组LED芯片的另外一个电极端通过光路层独立引出通过与LED芯片等量多组电源负极与计算机连通。

5.根据权利要求1所述的一种结构光照明光学系统，其特征在于，所述的LED激发光源包括LED基板、多组LED芯片、电源正极和电源负极，所述的多组LED芯片、电源正极和电源负极均设置有LED基板上，所述的多组LED芯片按组竖向并列设置，且所述的多组LED芯片的其中一电极端均与电源负极连通形成共阴极电连接，而所述的多组LED芯片的另外一个电极端通过光路层独立引出通过与LED芯片等量多组电源正极与计算机连通。

6.根据权利要求4或5所述的一种结构光照明光学系统，其特征在于，所述的LED基板为金属基板或陶瓷基板。

7.根据权利要求5所述的一种结构光照明光学系统，其特征在于，所述的多组LED芯片的发光波段相同或不同。

8.根据权利要求1所述的一种结构光照明光学系统，其特征在于，所述的多个复眼透镜单元以矩阵的方式排列。

9.根据权利要求8所述的一种结构光照明光学系统，其特征在于，所述的复眼透镜单元为单面复眼透镜单元或双面复眼透镜单元。

10.根据权利要求9所述的一种结构光照明光学系统，其特征在于，所述的单面复眼透镜单元的其中一面为平面，另一面为自由曲面或球面。