CN112666135B - 一种三维显微成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维显微成像装置及方法，包括：激光光源器件；设置于激光光束的光路上的光场整形器件，光场整形器件用于将激光光束整形且逐一得到多个具有三维分布的照明平面波，其中所有所述照明平面波划分为具有相同空间频率和不同初始相位角的多组；设置于照明平面波的光路上的第一显微物镜，设置于第一显微物镜的出光光路上的用于放置样品物体的样品台，设置于样品台的出光光路上的第二显微物镜；设置于第二显微物镜的出光光路上的光探测器件，光探测器件用于采集样品物体所产生的荧光的光强，并将荧光的光强转换为电信号；与光探测器件相连的成像器件，成像器件根据电信号获取样品物体的三维形态分布图像。实现了三维显微成像的目的。

Description

一种三维显微成像装置及方法

技术领域

本发明涉及显微成像技术领域，更为具体地说，涉及一种三维成像显微成像装置及方法。

背景技术

传统的成像技术主要使用阵列型光敏探测器(例如CCD(charge coupled device，电荷耦合器件)，CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体)等)探测物体强度分布。目前广泛使用的光敏探测器主要适用于可见光波段，非可见光波段，例如红外、太赫兹、X射线等的波段的阵列探测器价格十分昂贵甚至还未开发出来，然而，在生物医学等领域，需要使用非可见光进行照明成像，这极大限制了阵列型光敏探测器的应用。因此，使得具有宽光谱响应的单像素成像技术受到了极大的关注，并成为研究的热点。

单像素成像技术是一种新兴计算成像技术，由于单像素成像使用光电二极管或光电倍增管作为探测器，因此适用的光谱范围很广，可以用于红外、太赫兹、X射线等波段的成像，也可以应用于弱光条件下的成像。现有的单像素成像技术主要用于二维场景的成像，三维成像仍然是一个重大的挑战。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种三维显微成像装置及方法，有效解决现有技术存在的技术问题，实现三维显微成像的目的。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种三维显微成像装置，包括：

激光光源器件，所述激光光源器件用于输出激光光束；

设置于所述激光光束的光路上的光场整形器件，所述光场整形器件用于将所述激光光束整形且逐一得到多个具有三维分布的照明平面波，其中所有所述照明平面波划分为具有相同空间频率和不同初始相位角的多组；

设置于所述照明平面波的光路上的第一显微物镜，设置于所述第一显微物镜的出光光路上的用于放置样品物体的样品台，及设置于所述样品台的出光光路上的第二显微物镜；

设置于所述第二显微物镜的出光光路上的光探测器件，所述光探测器件用于采集所述样品物体所产生的荧光的光强，并将所述荧光的光强转换为电信号；

以及，与所述光探测器件相连的成像器件，所述成像器件用于根据所述电信号获取所述样品物体的三维形态分布图像。

可选的，所述激光光源器件包括：一激光器；

或者，所述激光光源器件包括：第一激光器至第N激光器和第一合束器至第N合束器，第i合束器设置于第i激光器的出光光路上，且第j+1合束器设置于第j合束器的出光光路上，所述光场整形器件设置于第N合束器的出光光路上，N为大于1的整数，i为大于或等于1且小于或等于N的整数，j大于或等于1且小于N的整数。

可选的，所述第一激光器至第N激光器的激光波长不完全相同。

可选的，所述三维显微成像装置还包括：

设置于所述激光光束的光路上的光扩束器件，所述光场整形器件设置于所述光扩束器件的出光光路上。

可选的，所述光场整形器件包括：

设置于所述激光光束的光路上的数字微镜阵列；

设置于所述数字微镜阵列的出光光路上的第一透镜；

设置于所述第一透镜的出光光路上的第一小孔滤波器；

及，设置于所述第一小孔滤波器的出光光路上的第二透镜，其中，所述第一显微物镜的焦平面与所述第二透镜的焦平面共轭。

可选的，所述光场整形器件还包括：

设置于所述激光光束的光路上的第一反射镜，所述数字微镜阵列设置于所述第一反射镜的出光光路上；

及，设置于所述第二透镜的出光光路上的第三透镜，设置于所述第三透镜的出光光路上的第二反射镜，所述第一显微物镜设置于所述第二反射镜的出光光路上。

可选的，所述光探测器件包括：第一二向分色镜至第M二向分色镜、第一滤波片至第M+1滤波片、第一采集透镜至第M+1采集透镜及第一单像素探测器至第M+1单像素探测器，M为大于或等于1的整数；

第一二向分色镜设置于所述第二显微物镜的出光光路上，第h+1二向分色镜设置于第h二向分色镜的透光光路上，第M+1滤波片设置于所述第M二向分色镜的透光光路上，第h滤波片设置于所述第h二向分色镜的反光光路上，h为大于或等于1且小于M的整数；

第k采集透镜设置于所述第k滤波片的出光光路上，第k单像素探测器设置于所述第k采集透镜的出光光路上，k为大于或等于1且小于或等于M的整数。

相应的，本发明还提供了一种三维显微成像方法，包括：

提供激光光束；

将所述激光光束整形且逐一得到多个具有三维分布的照明平面波，其中所有所述照明平面波划分为具有相同空间频率和不同初始相位角的多组；

将所述照明平面波通过第一显微物镜后照射至样品物体，且所述样品物体产生的荧光被第二显微物镜出射；

采集所述样品物体所产生的荧光的光强，并将所述荧光的光强转换为电信号；

根据所述电信号获取所述样品物体的三维形态分布图像。

可选的，采集所述样品物体所产生的荧光的光强，并将所述荧光的光强转换为电信号，包括：

采集所述样品物体所产生的荧光的傅里叶频谱的零频位置的光强，并将所述荧光的傅里叶频谱的零频位置的光强转换为电信号。

可选的，根据所述电信号获取所述样品物体的三维形态分布图像，包括：

采用四步相移法，根据具有相同空间频率、不同初始相位照明平面波相对应的电信号计算该空间频率对应的频谱系数，根据所述频谱系数且利用三维傅里叶逆变换获取所述样品物体的三维形态分布图像。

相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：

本发明提供了一种三维显微成像装置及方法，包括：激光光源器件，所述激光光源器件用于输出激光光束；设置于所述激光光束的光路上的光场整形器件，所述光场整形器件用于将所述激光光束整形且逐一得到多个具有三维分布的照明平面波，其中所有所述照明平面波划分为具有相同空间频率和不同初始相位角的多组；设置于所述照明平面波的光路上的第一显微物镜，设置于所述第一显微物镜的出光光路上的用于放置样品物体的样品台，及设置于所述样品台的出光光路上的第二显微物镜；设置于所述第二显微物镜的出光光路上的光探测器件，所述光探测器件用于采集所述样品物体所产生的荧光的光强，并将所述荧光的光强转换为电信号；以及，与所述光探测器件相连的成像器件，所述成像器件用于根据所述电信号获取所述样品物体的三维形态分布图像。本发明提供的技术方案，通过光场整形器件获取的具有三维分布的照明平面波照射样品物体，而后根据样品物体所产生的荧光的光强获取样品物体的三维形态分布图像，实现了三维显微成像的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种三维显微成像装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种激光光源器件的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种三维显微成像装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种光探测器件的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种三维显微成像方法的流程图；

图6为本发明实施例提供的一种仿真结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术所述，单像素成像技术是一种新兴计算成像技术，由于单像素成像使用光电二极管或光电倍增管作为探测器，因此适用的光谱范围很广，可以用于红外、太赫兹、X射线等波段的成像，也可以应用于弱光条件下的成像。现有的单像素成像技术主要用于二维场景的成像，三维成像仍然是一个重大的挑战。

基于此，本发明实施例提供了一种三维显微成像装置及方法，有效解决现有技术存在的技术问题，实现三维显微成像的目的。

为实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图6对本发明实施例提供的技术方案进行详细的描述。

参考图1所示，为本发明实施例提供的一种三维显微成像装置的结构示意图，其中，三维显微成像装置包括：

激光光源器件100，所述激光光源器件100用于输出激光光束。

设置于所述激光光束的光路上的光场整形器件200，所述光场整形器件200用于将所述激光光束整形且逐一得到多个具有三维分布的照明平面波，其中所有所述照明平面波划分为具有相同空间频率和不同初始相位角的多组；即光场整形器件将激光光束整形为一系列具有三维分布的照明平面波时，每次仅仅生成一束具有特定空间频率和初始相位角的照明平面波，且所有照明平面波能够划分为具有相同空间频率和不同初始相位角的多组；可选的，每组照明平面波中所有照明平面波可以为在时序上相邻生成的照明平面波，或者可以为在时序上不相邻的照明平面波，对此本发明不做具体限制。。

设置于所述照明平面波的光路上的第一显微物镜310，设置于所述第一显微物镜310的出光光路上的用于放置样品物体的样品台320，及设置于所述样品台320的出光光路上的第二显微物镜330。

设置于所述第二显微物镜330的出光光路上的光探测器件400，所述光探测器件400用于采集所述样品物体所产生的荧光的光强，并将所述荧光的光强转换为电信号。

以及，与所述光探测器件400相连的成像器件500，所述成像器件500用于根据所述电信号获取所述样品物体的三维形态分布图像。

本发明实施例提供的技术方案，通过光场整形器件逐次产生的单个具有三维分布照明平面波照射样品物体，而后根据样品物体所产生的荧光的光强获取样品物体的三维形态分布图像，实现了三维显微成像的目的。

在本发明一实施例中，本发明所提供的激光光源器件用于输出激光光束，进而对激光光束进行相关整形后激发样品物体产生荧光。本发明实施例提供的激光光源器件可以包括一个激光器，该激光器的出光光路设置光场整形器件；或者，本发明实施例提供的激光光源器件还可以包括多个激光器，可以通过对多个激光器同时点亮或不同时点亮等控制，提高三维显微成像装置的适用范围。即本发明实施例提供的所述激光光源器件包括：一激光器；或者，所述激光光源器件包括：第一激光器至第N激光器和第一合束器至第N合束器，第i合束器设置于第i激光器的出光光路上，且第j+1合束器设置于第j合束器的出光光路上，所述光场整形器件设置于第N合束器的出光光路上，N为大于1的整数，i为大于或等于1且小于或等于N的整数，j大于或等于1且小于N的整数。

具体如图2所述，为本发明实施例提供的一种激光光源器件的结构示意图，其中，本发明实施例所提供的激光光源器件100以包括第一激光器111至第三激光器113为例进行说明，其中激光光源器件100还包括第一合束器121至第三合束器123，第一激光器111的出光光路设置有第一合束器121，第二激光器112的出光光路设置有第二合束器122，第三激光器113的出光光路设置有第三合束器123。以及，第一合束器121的出光光路设置第二合束器122，第二合束器122的出光光路设置第三合束器123。

可以理解的，本发明实施例通过对第一激光器至第三激光器进行同时点亮或不同时点亮，以满足三维显微成像装置在不同场景中的应用。可选的，本发明实施例提供的所述第一激光器至第N激光器的激光波长不完全相同，进而能够进一步提高三维显微成像装置的适用范围。如本发明实施例提供的一激光器的激光波长可以为405nm，第二激光器的激光波长可以为488nm，第三激光器的激光波长可以为532nm，对此本发明不做具体限制。

如图3所示，为本发明实施例提供的另一种三维显微成像装置的结构示意图，其中，本发明实施例提供的所述三维显微成像装置还包括：

设置于所述激光光束的光路上的光扩束器件600，所述光场整形器件200设置于所述光扩束器件600的出光光路上，进而通过光扩束器件600将激光光束进行扩束处理，提高三维显微成像装置的激光照射效果。如图3所示，本发明实施例提供的光扩束器件600可以包括有透镜610(如透镜610的焦距为200mm)和透镜620(如透镜620的焦距为1000mm，透镜610和透镜620之间间距可以为1200mm，通过此可以将激光光束扩大为5倍，对此本发明不做具体限制)，透镜610设置于激光光束的光路上，而透镜620设置于透镜610的出光光路上，激光光束通过透镜610和透镜620组成的光扩束器件进行扩束。

如图3所示，本发明实施例提供的所述光场整形器件200包括：

设置于所述激光光束的光路上的数字微镜阵列210。

设置于所述数字微镜阵列210的出光光路上的第一透镜220。

设置于所述第一透镜220的出光光路上的第一小孔滤波器230。

及，设置于所述第一小孔滤波器230的出光光路上的第二透镜240，其中，所述第一显微物镜310的焦平面与所述第二透镜240的焦平面共轭。

可以理解的，本发明实施例提供的激光光束入射到数字微镜阵列上，由数字微镜阵列对激光光束进行整形，以在其上逐次加载具有预定空间频率和预定初始相位角的照明平面波的全息图。其中数字微镜阵列与激光光束可以呈12°夹角。而后，数字微透镜阵列将整形后的光束输出至第一透镜(如第一透镜的焦距可以为300mm)和第二透镜(如第二透镜的焦距可以为100mm)构成的4-f系统，及在第一透镜和第二透镜之间的第一小孔滤波器选取光束傅里叶频谱的+1级或-1级的光，以此经过第二透镜焦平面后形成了一系列具有三维分布的照明平面波(对此照明平面波的空间频率和初始相位角由数字微镜阵列上全息图决定)。其中，本发明实施例提供的第一显微物镜的焦平面和第二透镜的焦平面共轭，故而两位置具有相同分布的照明平面波。

在本发明一实施例中，本发明所提供的光场整形器件还可以包括一些光学器件来改变传播光束的方向，进而优化光场整形器件的体积等参数，对此本发明不做具体限制。如图3所示，本发明实施例提供的所述光场整形器件200还包括：

设置于所述激光光束的光路上的第一反射镜250，所述数字微镜阵列210设置于所述第一反射镜250的出光光路上；

及，设置于所述第二透镜240的出光光路上的第三透镜260，设置于所述第三透镜260的出光光路上的第二反射镜270，所述第一显微物镜310设置于所述第二反射镜270的出光光路上。

需要说明的是，本发明实施例对光学整形器件所包括的优化其参数的光学器件种类和数量不做具体限制，对此需要根据实际应用进行具体设计。

在本发明一实施例中，本发明所提供的光探测器件用于采集样品物体所产生的荧光的光强，并将其转换为电信号后输出。本发明实施例提供的所述光探测器件可以包括：第一二向分色镜至第M二向分色镜、第一滤波片至第M+1滤波片、第一采集透镜至第M+1采集透镜及第一单像素探测器至第M+1单像素探测器，M为大于或等于1的整数；

第一二向分色镜设置于所述第二显微物镜的出光光路上，第h+1二向分色镜设置于第h二向分色镜的透光光路上，第M+1滤波片设置于所述第M二向分色镜的透光光路上，第h滤波片设置于所述第h二向分色镜的反光光路上，h为大于或等于1且小于M的整数。第k采集透镜设置于所述第k滤波片的出光光路上，第k单像素探测器设置于所述第k采集透镜的出光光路上，k为大于或等于1且小于或等于M的整数。

具体如图4所示，为本发明实施例提供的一种光探测器件的结构示意图，其中，光探测器件400以包括第一二向分色镜411至第二二向分色镜412为例进行说明，光探测器件400还包括第一滤波片421至第三滤波片423、第一采集透镜431至第三采集透镜433及第一单像素探测器441至第三单像素探测器443。其中第一二向分色镜411设置于所述第二显微物镜330的出光光路上，第二二向分色镜412设置于第一二向分色镜411的透光光路上，第三滤波片423设置于所述第二二向分色镜412的透光光路上，第一滤波片421设置于所述第一二向分色镜411的反光光路上，第二滤波片422设置于第二二向分色镜412的反光光路上。以及，第一采集透镜431设置于所述第一滤波片421的出光光路上，第二采集透镜432设置于所述第二滤波片422的出光光路上，第三采集透镜433设置于所述第三滤波片423的出光光路上；第一单像素探测器441设置于所述第一采集透镜431的出光光路上，第二单像素探测器442设置于所述第二采集透镜432的出光光路上，第三单像素探测器443设置于所述第三采集透镜433的出光光路上。

可以理解的，本发明实施例提供照明平面波进入第一二向分色镜后，由第一二向分色镜分成透光和反光两路，将样品物体产生的荧光反射至第一滤波片上，由第一滤波片滤出杂光后输出至第一采集透镜(如第一采集透镜的焦距可以为50mm)进行傅里叶变换，而后传输至第一单像素探测器中；其中第一单像素探测器可以为包括有第二小孔滤波器的单像素探测器，由该第一单像素探测器采集荧光的傅里叶频谱的零频位置的光强，并转换为模拟电信号；其中，模拟电信号后续可以通过数据采集卡进行模数转换，以将模拟电信号转换为数字信号，对此本发明不做具体限制。此外，本发明实施例提供的光探测器包括有其他二向分色镜、滤光片、采集透镜、单像素探测器组成的支路光路时，可以由其他支路光路采集除荧光外的其他光，进而能够对其他光进行处理获取更多样品物体的类型，如照明光波中包括有参考光束时，可以通过支路光路对该参考光束进行采集，对此本发明不做具体限制。

由此，通过光探测器件探测到的荧光的光强相关信息传输至成像器件后，成像器件可以根据相应恢复算法进行处理得到样品物体的三维形态分布图像。可选的，本发明实施例提供的成像器件可以为电脑等，对此本发明不做具体限制。

可以理解的，本发明实施例提供的技术方案，采用数字微镜阵列能够高速切换空间照明光场，提高效率。同时可以灵活选择激光光源器件的照明方式，实现多波长荧光显微成像。此外本发明采用单像素探测器采集光束，使得装置具有弱光探测能力，抗散射能力，实现复杂环境下三维显微成像。

与本发明上述实施例提供的三维显微成像装置相应的，本发明实施例还提供了一种三维显微成像方法，如图5所述，为本发明实施例提供的一种三维显微成像方法的流程图，方法包括：

S1、提供激光光束。

S2、将所述激光光束整形且逐一得到多个具有三维分布的照明平面波，其中所有所述照明平面波划分为具有相同空间频率和不同初始相位角的多组。

S3、将所述照明平面波通过第一显微物镜后照射至样品物体，且所述样品物体产生的荧光被第二显微物镜出射。

S4、采集所述样品物体所产生的荧光的光强，并将所述荧光的光强转换为电信号。

S5、根据所述电信号获取所述样品物体的三维形态分布图像。

在本发明一实施例中，本发明提供的采集所述样品物体所产生的荧光的光强，并将所述荧光的光强转换为电信号，包括：

采集所述样品物体所产生的荧光的傅里叶频谱的零频位置的光强，并将所述荧光的傅里叶频谱的零频位置的光强转换为电信号。

及本发明实施例提供的根据所述电信号获取所述样品物体的三维形态分布图像，包括：

采用四步相移法，根据具有相同空间频率、不同初始相位的照明平面波相对应的电信号计算该空间频率对应的频谱系数，根据所述频谱系数且利用三维傅里叶逆变换获取所述样品物体的三维形态分布图像。

可以理解的，本发明实施例提供的三维显微成像方法，在获取激光光束后通过光场整形器件对其进行整形生成多个具有不同复振幅分布的照明平面波，经过空间传输后形成具有特定空间分布，光轴取向不同的三维光场。利用该照明平面波经过第一显微物镜后照射至样品物体，样品物体随后发出荧光，且荧光被第二显微物镜出射。而后采集样品物体所产生的荧光的傅里叶频谱的零频位置的光强，并将荧光的傅里叶频谱的零频位置的光强转换为电信号，其中一个照明平面波对应一个电信号。最后利用相同空间频率照明平面波相应的电信号计算对应的频谱系数，从而得到荧光的三维频谱系数分布，最后基于三维傅里叶逆变换获得样品物体的三维形态分布图像。

为了生成照明平面波，本发明实施例采用光场整形器件对激光光束进行整形，其中光场整形器件只能生成二维分布的光场，故而需要将所需的三维的光场分布转换为二维分布。首先将一三维光场转化为两束三维平面波的叠加，两束波矢量分别为

和

的平面波。对于两束三维平面波，受到物镜数值孔径和光波长的约束，由于三维空间光场为平面波光场，基于标量衍射理论，取两束三维平面波的k_x，k_y两项。随着产生的光束的传播，会得到特定三维光场。为了达到快速的光场切换，本发明实施例使用数字微镜阵列作为光场整形器件的组件，调制生成照明平面波的结构光场。数字微镜阵列是一种基于微机电系统的器件，由数百万个微镜构成。每一个微镜都可以通过寻址电极电压独立控制，从而改变微镜的状态。微镜状态包括三种，为开、关和静态，分别使用微镜的反射角度12°、-12°和0°来表示。

本发明实施例提供的光场整形器件生成多组具有不同空间频率(k_x,k_y,k_z)的照明平面波，为获得对应空间频率的复系数，本发明实施例使用四步相移法进行处理。每个空间频率对应有四个初相位不同的光场(即本发明实施例提供的每组照明平面波中包括四个照明平面波，该四个照明平面波的空间频率相同，该四个照明平面波分别具有不同初始相位角)，相邻两初相位之差为π/2，分别为0，π/2，π，3π/2。利用这四个光场的单像素探测器响应值，可以计算出空间频率为(k_x,k_y,k_z)的四个光场对应的傅里叶谱系数：

其中(k_x,k_y,k_z)分别为照明平面波在x，y，z方向的空间频率，g(k_x,k_y,k_z)表示与(k_x,k_y,k_z)对应的一个傅里叶谱系数；

表示四个相同空间频率、不同初相位的单像素探测器响应信号值。在采用四步相移方法进行复系数获取时，需要一束参考光与荧光进行干涉。因此，在光场整形器件生成具有不同空间频率的照明平面波时，还需要同时生成一束光强恒定，相位恒定的参考平面波，对此参考光可以有光探测器件采集。

由于光场整形器件只能加载二维的全息图，因此需要将三维的k矢量转化为二维的分布，同时不改变三维的光场分布，因此，设两束波矢量分别为

和

的平面波。由下述方程式联立：

计算得到的k1，k2只需要取x，y两项，相当于改变了光轴的方向。每一组k1，k2都有唯一的k与之对应。这样随着光束在空间中的传输，就可以得到所需的三维空间分布光场。

光场整形器件生成多个照明平面波后，经过第一显微物镜对样品物体进行照明，显微物镜使得照明光场尺寸与样品物体相匹配。在样品空间生成所需的具有特定空间分布的光场，并对样品物体进行照明，由特定波长激发的荧光被激发后，产生的荧光被光探测器件收集。

荧光光强由傅里叶透镜(第一采集透镜)进行傅里叶变换，一带有第二小孔滤波器的单像素探测器被放置在透镜的傅里叶平面，收集荧光频谱的零频强度。多个零频光强被单像素探测器探测后依次产生模拟信号，经由数据采集卡将模拟信号进行模数转换，输出数字信号。最后经由成像器件处理，其中信号采集完成后，首先利用四步相移法计算各空间频率对应的频谱系数，然后利用三维傅里叶逆变换即可直接得到样品物体的荧光分布；也就是说，对于任意样品物体，都可以将其视为一系列平面波的叠加；每个平面波对应的复值系数即表示对应频谱位置的傅里叶系数，即：

O(x,y,z)＝∑g(k_x,k_y,k_z)P(x,y,z,k_x,k_y,k_z)

其中，P(x,y,z,k_x,k_y,k_z)＝exp(k_xx+k_yy+k_zz)表示空间频率为(k_x,k_y,k_z)的一束三维空间平面波，(x,y,z)表示三维空间笛卡尔坐标，∑表示以空间频率作为变量，对(k_x,k_y,k_z)三维坐标进行求和。根据逆傅里叶变换，O(x,y,z)＝F^-1{g(k_x,k_y,k_z)}，其中F^-1{}表示逆傅里叶变换。对于任何样品物体，当三维傅里叶系数已知，那么就可以利用傅里叶逆变换得到该物体的图像；其中在信号采集时，由于频谱以z轴正负半轴对称，因此只需要采集一半的频谱就可以得到该物体的荧光成像。如图6所示，为本发明实施例提供的一种仿真结果示意图，可见成像效果较高。

本发明实施例提供了一种三维显微成像装置及方法，包括：激光光源器件，所述激光光源器件用于输出激光光束；设置于所述激光光束的光路上的光场整形器件，所述光场整形器件用于将所述激光光束整形且逐一得到多个具有三维分布的照明平面波，其中所有所述照明平面波划分为具有相同空间频率和不同初始相位角的多组；设置于所述照明平面波的光路上的第一显微物镜，设置于所述第一显微物镜的出光光路上的用于放置样品物体的样品台，及设置于所述样品台的出光光路上的第二显微物镜；设置于所述第二显微物镜的出光光路上的光探测器件，所述光探测器件用于采集所述样品物体所产生的荧光的光强，并将所述荧光的光强转换为电信号；以及，与所述光探测器件相连的成像器件，所述成像器件用于根据所述电信号获取所述样品物体的三维形态分布图像。本发明实施例提供的技术方案，通过光场整形器件逐次获取一系列具有三维分布照射样品物体，而后根据样品物体所产生的荧光的光强获取样品物体的三维形态分布图像，实现了三维显微成像的目的。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种三维显微成像装置，其特征在于，包括：

激光光源器件，所述激光光源器件用于输出激光光束；

设置于所述激光光束的光路上的光场整形器件，所述光场整形器件用于将所述激光光束整形且逐一得到多个具有三维分布的照明平面波，其中所有所述照明平面波划分为具有相同空间频率和不同初始相位角的多组；

设置于所述照明平面波的光路上的第一显微物镜，设置于所述第一显微物镜的出光光路上的用于放置样品物体的样品台，及设置于所述样品台的出光光路上的第二显微物镜；

设置于所述第二显微物镜的出光光路上的光探测器件，所述光探测器件用于采集所述样品物体所产生的荧光的光强，并将所述荧光的光强转换为电信号，其中，一个所述照明平面波对应一个所述电信号；所述光探测器件包括：第一二向分色镜至第M二向分色镜、第一滤波片至第M+1滤波片、第一采集透镜至第M+1采集透镜及第一单像素探测器至第M+1单像素探测器，M为大于或等于1的整数；第一二向分色镜设置于所述第二显微物镜的出光光路上，第h+1二向分色镜设置于第h二向分色镜的透光光路上，第M+1滤波片设置于所述第M+1二向分色镜的透光光路上，第h滤波片设置于所述第h二向分色镜的反光光路上，h为大于或等于1且小于M的整数；第k采集透镜设置于所述第k滤波片的出光光路上，第k单像素探测器设置于所述第k采集透镜的出光光路上，k为大于或等于1且小于或等于M的整数；

以及，与所述光探测器件相连的成像器件，所述成像器件用于根据所述电信号获取所述样品物体的三维形态分布图像。

2.根据权利要求1所述的三维显微成像装置，其特征在于，所述激光光源器件包括：一激光器；

或者，所述激光光源器件包括：第一激光器至第N激光器和第一合束器至第N合束器，第i合束器设置于第i激光器的出光光路上，且第j+1合束器设置于第j合束器的出光光路上，所述光场整形器件设置于第N合束器的出光光路上，N为大于1的整数，i为大于或等于1且小于或等于N的整数，j大于或等于1且小于N的整数。

3.根据权利要求2所述的三维显微成像装置，其特征在于，所述第一激光器至第N激光器的激光波长不完全相同。

4.根据权利要求1所述的三维显微成像装置，其特征在于，所述三维显微成像装置还包括：

设置于所述激光光束的光路上的光扩束器件，所述光场整形器件设置于所述光扩束器件的出光光路上。

5.根据权利要求1所述的三维显微成像装置，其特征在于，所述光场整形器件包括：

设置于所述激光光束的光路上的数字微镜阵列；

设置于所述数字微镜阵列的出光光路上的第一透镜；

设置于所述第一透镜的出光光路上的第一小孔滤波器；

及，设置于所述第一小孔滤波器的出光光路上的第二透镜，其中，所述第一显微物镜的焦平面与所述第二透镜的焦平面共轭。

6.根据权利要求5所述的三维显微成像装置，其特征在于，所述光场整形器件还包括：

设置于所述激光光束的光路上的第一反射镜，所述数字微镜阵列设置于所述第一反射镜的出光光路上；

及，设置于所述第二透镜的出光光路上的第三透镜，设置于所述第三透镜的出光光路上的第二反射镜，所述第一显微物镜设置于所述第二反射镜的出光光路上。

7.一种三维显微成像方法，其特征在于，应用权利要求1-6任意一项所述的三维显微成像装置，包括：

提供激光光束；

将所述激光光束整形且逐一得到多个具有三维分布的照明平面波，其中所有所述照明平面波划分为具有相同空间频率和不同初始相位角的多组；

将所述照明平面波通过第一显微物镜后照射至样品物体，且所述样品物体产生的荧光被第二显微物镜出射；

采集所述样品物体所产生的荧光的光强，并将所述荧光的光强转换为电信号；

根据所述电信号获取所述样品物体的三维形态分布图像。

8.根据权利要求7所述的三维显微成像方法，其特征在于，采集所述样品物体所产生的荧光的光强，并将所述荧光的光强转换为电信号，包括：

采集所述样品物体所产生的荧光的傅里叶频谱的零频位置的光强，并将所述荧光的傅里叶频谱的零频位置的光强转换为电信号。

9.根据权利要求8所述的三维显微成像方法，其特征在于，根据所述电信号获取所述样品物体的三维形态分布图像，包括：

采用四步相移法，根据具有相同空间频率、不同初始相位的照明平面波相对应的电信号计算该空间频率对应的频谱系数，根据所述频谱系数且利用三维傅里叶逆变换获取所述样品物体的三维形态分布图像。

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