基于DMD的单帧曝光快速三维荧光成像系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于DMD的单帧曝光快速三维荧光成像系统及方法，系统包括DMD双侧照明模块，用于产生两束不同波长的光并分别从不同的方向入射至DMD，生成互补的条纹光；双色荧光激发模块，用于接收互补的条纹光，激发样品上的双色荧光，生成携带双色荧光的条纹光；双色分画幅成像模块，用于将不同波长的携带双色荧光的条纹光成像至相机靶面的不同位置，形成双色图像；重构模块，用于实现去除离焦信息。本发明专利技术通过单次曝光、单次采集即可以实现结构光照明三维层切成像；此外，采用DMD投影，提高投影速度和投影条纹的精度，进而提高了三维成像的速度和精度。

【技术实现步骤摘要】
基于DMD的单帧曝光快速三维荧光成像系统及方法
本专利技术属于荧光成像领域，特别是一种基于DMD的单帧曝光快速三维荧光成像系统及方法。
技术介绍
对活体生物样品的三维荧光成像是生物学研究中常用的重要的手段。现专利技术了一系列的三维荧光成像的方法，包括共聚焦荧光显微镜、双光子显微镜、光片显微镜和结构照明显微镜等。共聚焦显微镜和双光子显微镜都是点扫描显微镜，成像速度慢不适合活体成像。光片显微镜的样品夹持复杂，普通实验室不易获得。结构光照明荧光显微镜是一种宽场成像，成像速度快，而且容易在传统荧光显微镜上改造。现有结构光照明显微镜实现三维荧光成像的方法有：论文“Methodofobtainingopticalsectioningbyusingstructuredlightinaconventionalmicroscope”提出使用结构光照明样品去除离焦信息的方法，采集三张不同相位的样品结构条纹图像，使用零差检测的方法，重构出一张去除离焦信息的层切图像，层切效果可以和共聚焦显微镜相当。论文“Opticallysectionedfluorescenceendomicroscopywithhybrid-illuminationimagingthroughaflexiblefiberbundle”提出的方法是采集两张图像，一张均匀照明的宽场图像(uniformilluminationimage)和一张结构照明的图像(structuredilluminationimage)。结构照明可以是散斑(论文“OpticallysectionedinvivoimagingwithspeckleilluminationHiLomicroscopy”)或条纹(论文“Opticallysectionedfluorescenceendomicroscopywithhybrid-illuminationimagingthroughaflexiblefiberbundle”)，该方法通过融合在焦的、互补的高频Ihp(x,y)和低频Ilp(x,y)信息获得去离焦信息的层切图像；因为高频信息中包含的基本都是在焦信息，所以直接从宽场图像中通过高通滤波提取高频信息；由于离焦信号总是具有低频的和低的局部对比度，利用局部对比度信息可以将其从宽场图像的低频分量中分离出来。由上可以看出，现在的结构光照明显微镜技术至少要采集两张图像才可以重构出一张层切的图像，而且在进行三维体成像时需要一层一层的分别成像，所以需要采集大量的图像，以至于三维成像速度很慢。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的问题，提高三维成像的速度，提供一种基于DMD的单帧曝光快速三维荧光成像系统。实现本专利技术目的的技术解决方案为：基于DMD的单帧曝光快速三维荧光成像系统，所述系统包括DMD双侧照明模块、双色荧光激发模块、双色分画幅成像模块以及重构模块；所述DMD双侧照明模块，用于产生两束不同波长的光并分别从不同的方向入射至DMD，生成互补的条纹光；所述双色荧光激发模块，用于接收所述互补的条纹光，激发样品上的双色荧光，生成携带双色荧光的条纹光；所述双色分画幅成像模块，用于将不同波长的携带双色荧光的条纹光成像至相机靶面的不同位置，形成双色图像；所述重构模块，用于实现去除离焦信息。进一步地，所述DMD双侧照明模块包括：第一激光耦合单元、第二激光耦合单元、第一科勒照明透镜组、第二科勒照明透镜组和DMD；所述第一激光耦合单元包括第一光源和第一光纤，第一光源的出射光耦合进入第一光纤；所述第二激光耦合单元包括第二光源和第二光纤，第二光源的出射光耦合进入第二光纤；所述第一光源和第二光源的波长不同；所述第一激光耦合单元、第二激光耦合单元分别位于DMD轴线的两侧；所述第一激光耦合单元、第二激光耦合单元的出射光分别通过第一科勒照明透镜组、第二科勒照明透镜组入射至DMD，调节两束光入射至DMD的角度，使经DMD的反射光垂直于DMD的靶面，且形成互补的条纹光。进一步地，所述第一光源或第二光源采用激光光源或汞灯或LED。进一步地，所述双色荧光激发模块包括沿光轴依次设置的第一筒镜、第一反射镜、第一二向色镜、第二反射镜、液体变焦透镜、第一中继透镜组、第一物镜以及样品；所述第一中继透镜组包括第一中继透镜、第二中继透镜；所述样品的同一位点进行双色荧光标记；所述互补的条纹光经第一筒镜、第一反射镜反射、第一二向色镜反射至第二反射镜，之后经液体变焦透镜、第一中继透镜组、第一物镜激发样品产生携带双色荧光的不同波长的条纹光。进一步地，所述双色分画幅成像模块包括沿光轴设置的第二中继透镜组、第二二向色镜、第一滤色片、第二滤色片、第三反射镜、第四反射镜、第二筒镜、第三筒镜、第三二向色镜以及相机；所述第二中继透镜组包括第四筒镜、第三中继透镜；所述携带双色荧光的不同波长的条纹光原路返回，依次经第一物镜、第一中继透镜组、液体变焦透镜、第二反射镜反射、第一二向色镜透射后进入第二中继透镜组；第二中继透镜组的出射光经第二二向色镜反射后入射至第二滤色片、第四反射镜，经第二二向色镜透射后入射至第一滤色片、第三反射镜；所述第三反射镜的反射光经第二筒镜、第三二向色镜透射后成像至相机靶面，所述第四反射镜的反射光经第三筒镜、第三二向色镜反射后成像至相机靶面，形成双色图像；所述第一滤色片、第二滤色片的截止波长分别与第一光源、第二光源的波长对应。进一步地，所述第三反射镜、第三二向色镜和第四反射镜的角度、位置均可调，用于调整所述双色图像在相机靶面上的位置；其中第三反射镜用于调节一路单色成像后的图像在相机靶面上的位置，第三二向色镜和第四反射镜构成双反射系统，共同调节另一路单色成像后的图像在相机靶面上的位置。进一步地，所述DMD、相机、液体变焦透镜、第一光源、第二光源均通过FPGA控制；所述FPGA可调节第一光源、第二光源发射光的强度；所述FPGA输出的上升沿信号同时触发DMD和相机工作，DMD开始显示条纹，相机开始曝光；在所述相机完成一帧曝光时，FPGA发送模拟电压信号给液体变焦透镜，该模拟电压信号用于改变液体变焦透镜光曲度，实现对样品的三维层切扫描。进一步地，所述重构模块包括：图像预处理单元，用于对相机采集到的图像进行分割，通过定位分割出两幅相位互补的条纹图像；之后根据两幅图像的条纹位置进行图像配准，去除图像边缘由于光学系统误差引入的未配准像素；去卷积单元，用于对两幅相位互补的条纹图像分别执行若干次Richardson-Lucy去卷积处理；归一化处理单元，用于对去卷积处理后的两幅相位互补的条纹图像分别进行强度归一化处理；宽场图像生成单元，用于对强度归一化处理后的两幅相位互补的条纹图像求和取平均，获得宽场图像；局部对比度提取单元，用于针对某一幅条纹图像，提取条纹的局部对比度，形成一个局部对比度矩阵；低频信息提取单元，用于将所述局部对比度矩阵与宽场图像相乘，之后利用低通滤波从宽场图像中提取在焦信息的低频信息；高频信息提取单元，用于利本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于DMD的单帧曝光快速三维荧光成像系统，其特征在于，所述系统包括DMD双侧照明模块、双色荧光激发模块、双色分画幅成像模块以及重构模块；/n所述DMD双侧照明模块，用于产生两束不同波长的光并分别从不同的方向入射至数字微镜装置DMD，生成互补的条纹光；/n所述双色荧光激发模块，用于接收所述互补的条纹光，激发样品上的双色荧光，生成携带双色荧光的条纹光；/n所述双色分画幅成像模块，用于将不同波长的携带双色荧光的条纹光成像至相机靶面的不同位置，形成双色图像；/n所述重构模块，用于实现去除离焦信息。/n

【技术特征摘要】
1.基于DMD的单帧曝光快速三维荧光成像系统，其特征在于，所述系统包括DMD双侧照明模块、双色荧光激发模块、双色分画幅成像模块以及重构模块；
所述DMD双侧照明模块，用于产生两束不同波长的光并分别从不同的方向入射至数字微镜装置DMD，生成互补的条纹光；
所述双色荧光激发模块，用于接收所述互补的条纹光，激发样品上的双色荧光，生成携带双色荧光的条纹光；
所述双色分画幅成像模块，用于将不同波长的携带双色荧光的条纹光成像至相机靶面的不同位置，形成双色图像；
所述重构模块，用于实现去除离焦信息。


2.根据权利要求1所述的基于DMD的单帧曝光快速三维荧光成像系统，其特征在于，所述DMD双侧照明模块包括：第一激光耦合单元(1)、第二激光耦合单元(5)、第一科勒照明透镜组(2)、第二科勒照明透镜组(4)和DMD(3)；所述第一激光耦合单元(1)包括第一光源和第一光纤，第一光源的出射光耦合进入第一光纤；所述第二激光耦合单元(5)包括第二光源和第二光纤，第二光源的出射光耦合进入第二光纤；所述第一光源和第二光源的波长不同；所述第一激光耦合单元(1)、第二激光耦合单元(5)分别位于DMD(3)轴线的两侧；所述第一激光耦合单元(1)、第二激光耦合单元(5)的出射光分别通过第一科勒照明透镜组(2)、第二科勒照明透镜组(4)入射至DMD(3)，调节两束光入射至DMD(3)的角度，使经DMD(3)的反射光垂直于DMD(3)的靶面，且形成互补的条纹光。


3.根据权利要求2所述的基于DMD的单帧曝光快速三维荧光成像系统，其特征在于，所述第一光源或第二光源采用激光光源或汞灯或LED。


4.根据权利要求1所述的基于DMD的单帧曝光快速三维荧光成像系统，其特征在于，所述双色荧光激发模块包括沿光轴依次设置的第一筒镜(6)、第一反射镜(7)、第一二向色镜(8)、第二反射镜(9)、液体变焦透镜(10)、第一中继透镜组、第一物镜(13)以及样品(14)；所述第一中继透镜组包括第一中继透镜(11)、第二中继透镜(12)；所述样品(14)的同一位点进行双色荧光标记；所述互补的条纹光经第一筒镜(6)、第一反射镜(7)反射、第一二向色镜(8)反射至第二反射镜(9)，之后经液体变焦透镜(10)、第一中继透镜组、第一物镜(13)激发样品(14)产生携带双色荧光的不同波长的条纹光。


5.根据权利要求1或2或4所述的基于DMD的单帧曝光快速三维荧光成像系统，其特征在于，所述双色分画幅成像模块包括沿光轴设置的第二中继透镜组、第二二向色镜(17)、第一滤色片(18)、第二滤色片(22)、第三反射镜(19)、第四反射镜(23)、第二筒镜(20)、第三筒镜(24)、第三二向色镜(21)以及相机(25)；所述第二中继透镜组包括第四筒镜(15)、第三中继透镜(16)；所述携带双色荧光的不同波长的条纹光原路返回，依次经第一物镜(13)、第一中继透镜组、液体变焦透镜(10)、第二反射镜(9)反射、第一二向色镜(8)透射后进入第二中继透镜组；第二中继透镜组的出射光经第二二向色镜(17)反射后入射至第二滤色片(22)、第四反射镜(23)，经第二二向色镜(17)透射后入射至第一滤色片(18)、第三反射镜(19)；所述第三反射镜(19)的反射光经第二筒镜(20)、第三二向色镜(21)透射后成像至相机(25)靶面，所述第四反射镜(23)的反射光经第三筒镜(24)、第三二向色镜(21)反射后成像至相机(25)靶面，形成双色图像；所述第一滤色片(18)、第二滤色片(22)的截止波长分别与第一光源、第二光源的波长对应。


6.根据权利要求5所述的基于DMD的单帧曝光快速三维荧光成像系统，其特征在于，所述第三反射镜(19)、第三二向色镜(21)和第四反射镜(23)的角度、位置均可调，用于调...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈冲，李辉，金鑫，
申请(专利权)人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32