一种多模式多光子激光扫描立体显微成像装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种多模式多光子激光扫描立体显微成像装置及方法，属于三维光学显微成像技术领域。成像装置包括沿光路依次设置的超快激发光源模块、多模式光场产生模块、激光扫描模块与荧光收集和探测模块；还包括控制和数据采集模块、立体显示模块与电控样品台；多模式光场产生模块包括沿光路依次设置的扩束器、波前调制器件、孔径光阑及傅立叶变换透镜；利用可编程控制波前整形器件，产生不同焦深的激发光场，分别实现点扫描光学层切成像、线扫描光学投影成像以及双视角立体扫描实时立体成像三种成像模式，通过兼容的立体显示器对三维样品进行三种成像模式的实时观测。品进行三种成像模式的实时观测。品进行三种成像模式的实时观测。

【技术实现步骤摘要】
一种多模式多光子激光扫描立体显微成像装置及方法


[0001]本专利技术涉及一种集成点扫描光学层切、线扫描光学投影和双视角立体扫描实时三维成像三种成像模式的显微成像装置和方法，属于三维光学显微成像


技术介绍

[0002]激光扫描显微镜在生命科学、材料等领域应用广泛。其中双光子激发激光扫描荧光显微是目前主流的用于活体深层组织成像的光学显微技术，自上世纪90年代提出后，至今已被应用到生物活体成像、发育生物学、材料科学等多个领域中，因其具有高穿透深度、低光损伤、高空间分辨率的优点而收到研究人员的广泛关注。但是由于其逐点扫描、逐层成像的三维成像方式限制了成像速度的提高，其三维成像速度一般不到1体帧/秒，三维动态变化需要数据重构之后才可以观测；而且此成像方式单层成像景深很短，无法观测大景深范围的动态变化。
[0003]为了提高三维显微成像速度，研究人员从多方面进行了努力：首先是采用具有更高扫描频率的器件，如共振振镜实现8KHz到16KHz的扫描，也可使用声光扫描器件实现频率更高的扫描，但是三维成像仍受限于慢的轴向移动速度，而且成像的视场较小。同时，这一类通过提高点扫描速度的方法，会减少聚焦的激发光束在单个成像点的停留时间，从而每个像素对应的荧光光子数会降低，泊松噪声的影响变得更加显著，图像信噪比下降。其次是利用多焦点激发和多像素探测方法来实现扫描成像的并行化。Bewersdorf等人提出利用微透镜阵列来产生多个激发焦点，并利用相机来记录荧光图像(J.Bewersdorf,R.Pick,and S.W.Hell,"Multifocal multiphoton microscopy,"Opt.Lett.23,655
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657(1998))，但这类方法在深层组织成像中受到很大限制，因为荧光光子受到的散射随着成像深度的增加而加剧，最终使得多个焦点之间的串扰大大增加。另外一种思路是通过增加显微成像系统的景深，即扩展景深(EDOF)显微成像，特别是和能对组织深层成像的双光子激发激光扫描荧光显微成像结合起来，可以避免慢速的轴向扫描，从而提高三维成像速度。Dufour等人于2006年利用锥镜产生的贝塞尔光束完成了扩展景深的双光子荧光成像(P.Dufour,M.Pich
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,Y.De Koninck,and N.McCarthy,"Two
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photon excitation fluorescence microscopy with a high depth of field using an axicon,"Appl.Opt.45,9246
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9252(2006).)，但成像系统未采用显微物镜，光学分辨率很低，而且系统通过移动样品来代替激光扫描，成像速度很慢。同年，牛津大学的Botcherby等人提出了利用衍射光学元件产生贝塞尔光束的高分辨率双光子荧光成像(E.J.Botcherby,R.and T.Wilson,"Scanning two photon fluorescence microscopy with extended depth of field,"Opt.Commun.268,253
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260(2006).)，但是成像系统也是利用了样品台的扫描代替光束的扫描。
[0004]专利ZL201210384895.4和US 10,809,510 B2利用线状分布的准贝塞尔光束替代高斯光束聚焦的点状光场，提高了成像的景深，避免了沿样品深度方向的扫描，以牺牲三维成像区域的深度信息为代价快速获取此区域的投影成像。专利ZL201210384895.4提出手动平移锥镜实现对线状光束的角向偏移，但受限于此操作的时间延迟较大，亦无对应的电控
和数据采集措施，无法对三维样品进行实时立体成像。
[0005]综上可知，现有的激光扫描显微镜大多利用高斯光束聚焦的点扫描方式，获取短景深的光学层切图像，或者线状的准贝塞尔光束实现光学投影成像，成像功能单一，同时也不能对三维样品的实时立体三维显微成像。

技术实现思路

[0006]为了解决现有的激光扫描显微镜成像功能单一且不能对三维样品的实时立体三维显微成像的问题，本专利技术提供一种多模式多光子激光扫描立体显微成像装置及方法，基于光场调控方法，利用波前调制器件，分别产生适用于点扫描光学层切、线扫描光学投影成像以及双视角立体扫描三种成像模式的激发光场，并通过计算机控制，与两维扫描振镜协同扫描，实现光学层切、光学投影以及双视角立体扫描实时成像三种成像功能。
[0007]本专利技术的技术方案是提供一种多模式多光子激光扫描立体显微成像装置，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的超快激发光源模块、多模式光场产生模块、激光扫描模块与荧光收集和探测模块；还包括控制和数据采集模块、立体显示模块与电控样品台；控制和数据采集模块包括计算机；
[0008]上述超快激发光源模块用于产生激发样品的激发光并进行功率调节；
[0009]上述多模式光场产生模块包括沿光路依次设置的扩束器、波前调制器件、孔径光阑及傅立叶变换透镜；上述扩束器用于调节激发光束直径，使激发光束直径与波前调制器件反射面尺寸相匹配；上述波前调制器件用于根据控制和数据采集模块的控制加载相位图，完成不同成像模式对应光场的产生和快速切换；上述孔径光阑用于阻挡从波前调制器件出射光束的零级光斑，放置在距离波前调制器件的f1处，f1为所加载的菲涅尔透镜相位图的焦距；傅立叶变换透镜与孔径光阑同轴放置且使孔径光阑处于其焦平面位置，用于将光束聚焦投射至激光扫描模块；
[0010]上述激光扫描模块用于对入射光束做正交方向的二维扫描；
[0011]上述荧光收集和探测模块包括荧光收集模块与探测模块，荧光收集模块用于收集样品发出的荧光信号，探测模块用于将荧光信号转化为电信号输出至控制和数据采集模块；
[0012]上述控制和数据采集模块，用于产生多模式光场对应的相位图并通过波前调制器件加载，用于控制激光扫描模块进行光束扫描，用于采集荧光收集和探测模块的电信号，并完成图像重构，输出至立体显示模块；
[0013]上述立体显示模块，用于根据不同的成像模式完成传统图像显示和立体图像显示；
[0014]上述电控样品台用于放置样品和位置调节。
[0015]进一步地，上述超快激发光源模块，包括沿光路依次设置的光束超快激光光源、用以保护激光光源的光学隔离器及用于调节激光功率的功率调节部件。
[0016]进一步地，上述激光扫描模块包括沿光路依次设置的二维扫描振镜对、扫描透镜与筒镜；二维扫描振镜对放置在傅立叶变换透镜的焦平面位置，用于根据控制和数据采集模块的控制对入射光束做正交方向的二维扫描；扫描透镜放置在距离扫描振镜对一倍焦距处，并和筒镜共焦放置。
[0017]进一步地，上述荧光收集模块包括双色镜与位于双色镜一路出射光路中的物镜；上述探测模块包括依次位于双色镜另一路出射光路中的透镜和光电探测器；
[0018]光束在二维扫描振镜对上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多模式多光子激光扫描立体显微成像装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的超快激发光源模块(1)、多模式光场产生模块(2)、激光扫描模块(3)与荧光收集和探测模块(4)；还包括控制和数据采集模块(5)、立体显示模块(6)与电控样品台(7)；控制和数据采集模块(5)包括计算机；所述超快激发光源模块(1)用于产生激发样品的激发光并进行功率调节；所述多模式光场产生模块(2)包括沿光路依次设置的扩束器(21)、波前调制器件(22)、孔径光阑(23)及傅立叶变换透镜(24)；所述扩束器(21)用于调节激发光束直径，使激发光束直径与波前调制器件(22)反射面尺寸相匹配；所述波前调制器件(22)用于根据控制和数据采集模块(5)的控制加载相位图，完成不同成像模式对应光场的产生和快速切换；所述孔径光阑(23)用于阻挡从波前调制器件(22)出射光束的零级光斑，放置在距离波前调制器件(22)的f1处，f1为所加载的菲涅尔透镜相位图的焦距；傅立叶变换透镜(24)与孔径光阑(23)同轴放置且使孔径光阑(23)处于其焦平面位置，用于将光束聚焦投射至激光扫描模块(3)；所述激光扫描模块(3)用于对入射光束做正交方向的二维扫描；所述荧光收集和探测模块(4)包括荧光收集模块与探测模块，荧光收集模块用于收集样品(43)发出的荧光信号，探测模块用于将荧光信号转化为电信号输出至控制和数据采集模块(5)；所述控制和数据采集模块(5)，用于产生多模式光场对应的相位图并通过波前调制器件(22)加载，用于控制激光扫描模块(3)进行光束扫描，用于采集荧光收集和探测模块(4)的电信号，并完成图像重构，输出至立体显示模块(6)；所述立体显示模块(6)，用于根据不同的成像模式完成传统图像显示和立体图像显示；所述电控样品台(7)用于放置样品和位置调节。2.根据权利要求1所述的多模式多光子激光扫描立体显微成像装置，其特征在于：所述超快激发光源模块(1)，包括沿光路依次设置的光束超快激光光源、用以保护激光光源的光学隔离器及用于调节激光功率的功率调节部件。3.根据权利要求2所述的多模式多光子激光扫描立体显微成像装置，其特征在于：所述激光扫描模块(3)包括沿光路依次设置的二维扫描振镜对(31)、扫描透镜(32)与筒镜(33)；二维扫描振镜对(31)放置在傅立叶变换透镜(24)的焦平面位置，用于根据控制和数据采集模块(5)的控制对入射光束做正交方向的二维扫描；扫描透镜(32)放置在距离二维扫描振镜对(31)一倍焦距处，并和筒镜(33)共焦放置。4.根据权利要求3所述的多模式多光子激光扫描立体显微成像装置，其特征在于：所述荧光收集模块包括双色镜(41)与位于双色镜(41)一路出射光路中的显微物镜(42)；所述探测模块包括依次位于双色镜(41)另一路出射光路中的聚焦透镜(45)和光电探测器(46)；光束在二维扫描振镜对(31)上的分布与在显微物镜(42)入瞳面处的分布共轭；所述显微物镜(42)的入瞳面和筒镜(33)的焦面重合，所述双色镜(41)位于显微物镜(42)和筒镜(33)之间；所述显微物镜(42)用于收集样品(43)发出的荧光；所述双色镜(41)用于分离激发光和荧光信号；所述聚焦透镜(45)用于聚焦荧光信号；所述光电探测器(46)位于聚焦透镜(45)焦平面附近，用于荧光信号探测。5.根据权利要求4所述的多模式多光子激光扫描立体显微成像装置，其特征在于：所述
立体显示模块(6)包括兼容人眼双目观测的立体显示器(61)，根据不同的成像模式完成传统图像显示和立体图像显示。6.根据权利要求1
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5任一所述的一种多模式多光子激光扫描立体显微成像装置，其特征在于：所述不同成像模式包括点扫描光学层切成像模式、线扫描光学投影成像模式以及双视角立体扫描实时立体成像模式。7.利用权利要求1
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6任一所述的一种多模式多光子激光扫描立体显微成像装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、超快激发光源模块产生脉冲激光，扩束并准直；步骤2、针对不同...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨延龙，姚保利，于湘华，闵俊伟，但旦，尹威禹，杨睿文，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：