受激辐射损耗光学显微镜及其显微成像系统技术方案

本发明专利技术提供了受激辐射损耗光学显微镜及其显微成像系统，后者包括物镜和模块阵列；模块阵列包括呈阵列设置的多个模块单元；模块单元包括沿光路传输方向依次设置的模块单元包括沿光路传输方向依次设置的如下部件：偏振光分束器，入射光束经偏振光分束器后，第一偏振光束反射后被丢弃；第一1/4波片，从偏振光分束器透射的第二偏振光束经过1/4波片转化为圆偏振光；第一二向色性元件，圆偏振光通过第一二向色性元件分解为第一光束和第二光束，其中，第一光束为被反射的，第二光束为被透射的；光程延迟单元，光程延迟单元的远端设置有位相板，第二光束入射光程延迟单元后，通过位相板将第二光束引入相位差，并将引入相位差的第二光束原路返回。光束原路返回。光束原路返回。

Stimulated radiation loss optical microscope and its microscopic imaging system

【技术实现步骤摘要】
受激辐射损耗光学显微镜及其显微成像系统


[0001]本专利技术涉及显微成像
，特别是涉及一种受激辐射损耗光学显微镜及其显微成像系统。

技术介绍

[0002]当今生命科学中的显微成像研究大约80％仍然使用光学显微镜，可以说生命科学的进步伴随着光学显微镜的发展。然而由于光学衍射极限的存在，使得光学显微镜的空间分辨率被限制在半个波长左右，这样的分辨率严重阻碍了生物学家们对亚细胞结构的精细研究。STED(受激辐射损耗，Stimulated Emission Depletion
‑
受激辐射损耗)光学显微镜使用一束损耗光通过位相板的调制，形成损耗光斑，将激发光衍射光斑周围的荧光分子通过受激辐射耗尽转化为非辐射态，实现了好于50nm的空间分辨率。由于使用全光设置，图像采集时间与共聚焦显微镜相同，对样品准备没有特殊要求，因此可以实现活细胞内亚细胞结构的实时成像和动态跟踪。
[0003]受激辐射损耗光学显微镜专利技术以来，已经被广泛应用于生物学和生命医学科学研究中。但在实际应用中受激辐射损耗光学显微镜有四项问题，一、光路复杂，难以实现小型化；二、难以维持激发光斑与受激辐射损耗光斑的高精度长时间稳定对准(纳米级)；三、受激辐射损耗光学显微镜对于生物样品的光毒性较大，往往经过受激辐射损耗光学显微镜成像后的生物样品会出现失活、光漂白等现象；四、受激辐射损耗光学显微镜采用点扫描的方式进行成像，该种成像方式速度较慢，时间分辨率较低，无法被用来进行高帧率成像。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是至少解决激发光斑和损耗光斑无法长时间稳定对准的问题，该目的是通过以下技术方案实现的。
[0005]本专利技术提供了一种受激辐射损耗光学显微镜的显微成像系统，包括物镜，还包括：
[0006]模块阵列，所述模块阵列包括呈阵列设置的多个模块单元；
[0007]所述模块单元包括沿光路传输方向依次设置的如下部件：
[0008]偏振光分束器，入射光束经所述偏振光分束器后，第一偏振光束反射后被丢弃；
[0009]第一1/4波片，从所述偏振光分束器透射的第二偏振光束经过所述第一1/4波片转化为圆偏振光；
[0010]第一二向色性元件，所述圆偏振光通过所述第一二向色性元件分解为被反射的第一光束和被透射的第二光束；
[0011]光程延迟单元，所述光程延迟单元的远端设置有位相板，所述第二光束入射所述光程延迟单元后，通过所述位相板将所述第二光束引入相位差，并将所述引入相位差的第二光束原路返回，与被反射的第一光束在所述第一二向色性元件靠近所述第一1/4波片的一端汇合并共轴形成第三光束；
[0012]第二1/4波片，所述第三光束通过所述第一1/4波片和所述第二1/4波片后转化为
圆偏振光；以及
[0013]组合光楔，所述组合光楔将所述转化为圆偏振光的第三光束引入偏转角，并聚焦至所述物镜的后口，形成点阵光阵列；
[0014]所述聚焦至所述物镜的后口的第三光束在所述物镜的焦面处形成有光斑，所述光斑包括所述第一光束的激光光斑和所述第二光束的损耗光斑。
[0015]进一步地，所述模块单元的数量为九个及以上。
[0016]进一步地，所述位相板为反射式位相板，所述位相板用于对入射的所述第二光束的波前进行调制。
[0017]进一步地，所述组合光楔为消色差组合光楔，所述第三光束通过所述消色差组合光楔引入偏转角。
[0018]进一步地，所述第一二向色性元件为选择性透射介质膜，所述介质膜镀设在所述光程延迟单元的入射端；或者，所述第一二向色性元件为二向色性板。
[0019]进一步地，所述入射光束与所述模块单元的数量一致。
[0020]进一步地，所述相位差为2π相位差。
[0021]本专利技术还提供了一种受激辐射损耗光学显微镜，包括：
[0022]照明系统，所述照明系统产生入射光束；
[0023]如上面所述的受激辐射损耗光学显微镜的显微成像系统，所述入射光束通过所述显微成像系统发出荧光光束；以及
[0024]探测系统，所述荧光光束进入所述探测系统。
[0025]进一步地，所述照明系统包括沿光路传输方向依次设置的激光器、第一滤波片、第一透镜、单模保偏光纤、第二透镜以及光束分束器；
[0026]所述光束分束器将投射入所述光束分束器的光束分为与模块单元的数量相等的光束集，并入射模块阵列。
[0027]进一步地，所述探测系统包括沿光束传播方向包括：
[0028]第二二向色性元件，所述荧光光束通过所述第二二向色性元件滤出；
[0029]第二滤波片，所述第二滤波片用于滤除荧光光束中的激发光和受激辐射损耗光；
[0030]反射镜，所述反射镜对滤除激发光和受激辐射损耗光的荧光光束进行反射；
[0031]第三透镜及荧光信号探测器，所述第三透镜用于对反射得到的荧光光束汇聚收集至所述荧光信号探测器。
[0032]本专利技术的优点如下：
[0033]本专利技术中的受激辐射损耗光学显微镜，通过模块阵列调制受激辐射损耗光学显微镜发出的第一光束和第二光束，优化了照明系统的光路，减少了光学元件，避免了单元器件相互几何关系的物理调节以及机械调节机构所固有的温度和振动不稳定性，避免了激发光斑和损耗光斑偏移等现象，使受激辐射损耗仪器设备能够在各种环境下长期可靠工作。
[0034]本专利技术中的受激辐射损耗光学显微镜，能够大幅提高超分辨受激辐射损耗显微系统的成像速率，提高受激辐射损耗系统时间分辨率。拍摄同样大小照片需要更短的曝光时间，降低了受激辐射损耗系统所固有光毒性对生物样品所带来的不利影响。
[0035]本专利技术中的受激辐射损耗光学显微镜，通过模块阵列使得第一光束和第二光束可以在共轴的情况下进行相位调制和引入光程延迟。并且经该模块阵列调制后的第一光束的
激发光斑和第二光束的损耗光斑，长时间、稳定、严格中心重合。
[0036]本专利技术中的受激辐射损耗光学显微镜，其模块阵列的体积较小，极大的缩小了受激辐射损耗成像系统的体积，使得模块阵列可以嵌入至其他仪器作为核心部件进行联用，使得本专利技术可以应用于多场景。
附图说明
[0037]通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
[0038]图1为本专利技术实施例提供的受激辐射损耗光学显微镜的显微成像系统的结构示意图；
[0039]图2为本专利技术实施例提供的显微成像系统的模块单元的结构示意图；
[0040]图3为本专利技术实施例提供的受激辐射损耗光学显微镜的结构示意图；
[0041]图4为根据现有的共聚焦显微镜照射40nm荧光微球样品获得的共聚焦成像图；
[0042]图5为本专利技术实施例提供的受激辐射损耗光学显微镜的照明系统照射40nm荧光微球样本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种受激辐射损耗光学显微镜的显微成像系统，包括物镜，其特征在于，还包括：模块阵列，所述模块阵列包括呈阵列设置的多个模块单元；所述模块单元包括沿光路传输方向依次设置的如下部件：偏振光分束器，入射光束经所述偏振光分束器后，第一偏振光束反射后被丢弃；第一1/4波片，从所述偏振光分束器透射的第二偏振光束经过所述第一1/4波片转化为圆偏振光；第一二向色性元件，所述圆偏振光通过所述第一二向色性元件分解为被反射的第一光束和被透射的第二光束；光程延迟单元，所述光程延迟单元的远端设置有位相板，所述第二光束入射所述光程延迟单元后，通过所述位相板将所述第二光束引入相位差，并将所述引入相位差的第二光束原路返回，与被反射的第一光束在所述第一二向色性元件靠近所述第一1/4波片的一端汇合并共轴形成第三光束；第二1/4波片，所述第三光束通过所述第一1/4波片和所述第二1/4波片后转化为圆偏振光；以及组合光楔，所述组合光楔将所述转化为圆偏振光的第三光束引入偏转角，并聚焦至所述物镜的后口，形成点阵光阵列；所述聚焦至所述物镜的后口的第三光束在所述物镜的焦面处形成有光斑，所述光斑包括所述第一光束的激光光斑和所述第二光束的损耗光斑。2.根据权利要求1所述的受激辐射损耗光学显微镜的显微成像系统，其特征在于，所述模块单元的数量为九个及以上。3.根据权利要求1所述的受激辐射损耗光学显微镜的显微成像系统，其特征在于，所述位相板为反射式位相板，所述位相板用于对入射的所述第二光束的波前进行调制。4.根据权利要求1所述的受激辐射损耗光学显微镜的显微成像系统，其特征在于，所述组合光楔为消色差组合光楔，所述第三...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁景和，师锦涛，方晓红，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：