一种横向扫描变焦的光学成像方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种横向扫描变焦的光学成像方法及系统，方法包括：以设定扫面范围及扫描速度沿激发光束传播方向轴向扫描荧光光束，以形成具有大视场的光片；沿垂直激发光束传播方向横向扫描荧光光束并与相机的滚动快门同步得到横向扫描图像；将相机采集到的横向扫描图像中的共聚图像进行像素的重新分配及重新组合，以消除光片的旁瓣效应。本发明专利技术通过沿光束传播的方向扫描荧光光束，以形成一个具有较大视场的光片，其后与相机的滚动快门同步以实现荧光光束的横向扫描，以在不牺牲荧光光束检测效率的同时增大成像视场，并将扫描得到的图像的共聚图像进行像素的重新分配与重新组合，以消除光片的旁瓣效应，可以在保持高光子效率的同时提高成像分辨率。的同时提高成像分辨率。的同时提高成像分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种横向扫描变焦的光学成像方法及系统


[0001]本专利技术涉及光片荧光显微成像
，尤其涉及的是一种横向扫描变焦的光学成像方法及系统。

技术介绍

[0002]光片荧光显微镜作为生命科学领域的一个重要成像方法，由于具有独特的照明与探测方式，而逐渐受到广泛的关注。照明路仅照亮激发样品的薄层区域，从照明路垂直的方向采集发射荧光信号，实现了高的时间
‑
空间分辨率、低光漂白和光毒性的长时间体成像。在光片荧光显微镜的三维体成像中，需要在不同的轴向位置进行扫描拍摄二维图像。常规的扫描方法有采用步进电机或压电马达实现机械移动样本，但机械扫描导致的样本抖动可能会干扰敏感的生物样本，会产生成像伪影，并且无法追踪单粒子追踪或斑马鱼心跳等一些快速动态的过程。对于上述问题，现有方案通过将波前编码技术与光片荧光显微镜相结合使用，利用可变焦透镜或空间光调制器改变光片的聚焦位置或改变探测物镜的聚焦位置，无需移动样品或物镜就可以实现快速的三维扫描。
[0003]在光片荧光显微镜的三维体成像中，光片的形状和强度分布对于最终成像性能也至关重要。对于高斯光片，其光片长度和厚度如图1所示，可以分别表示为：z
r
＝2λ/πNA2，ω0＝2λ/πNA，其中Zr表示瑞利半径，ω0表示束腰半径。可见，高数值孔径可以实现更薄的光片，实现更高的轴向分辨率/光学切片能力，但高数值孔径下的高斯光片会迅速偏离焦点导致成像视场小，因此轴向分辨率和成像视场存在相互制约关系。
[0004]在动态扫描光片显微镜中，通过扫描单个高斯光束(低数值孔径的激发物镜情况下)生成的光片(图2(a)，(a)上图为NA＝0.5情况下的单个高斯光束，下图为扫描单个高斯光束生成的光片)，可以扩大视场，但是厚度增加导致较低的轴向分辨率。对于扫描贝塞尔光束和艾里光束这些传播不变的光束生成的光片(图2(b)，(b)上图为NA＝0.5情况下的单个贝塞尔光束，下图为扫描贝塞尔光束生成的光片)，可以在任意长的距离内保持很薄的厚度，增大视场的同时但部分能量却分散在旁瓣中，导致降低了光学切片的能力并导致更强的光毒性，因此也不能解决轴向分辨率与成像视场不可兼得的问题。轴向扫光片方法(ASLM，Axially swept light
‑
sheet microscopy)利用sCMOS相机的滚动快门与光束扫描同步，只对光片的聚焦区域进行成像(图2(c)，上图为NA＝0.5情况下ASLM方法只对高斯光片的聚焦区域成像生成的光片，下图为NA＝0.8情况下ASLM方法生成的光片)，有效地避免了激发光片的旁瓣影响，虽可以在保持较高轴向分辨率的同时又获得较大的视场，但该方法是以光子效率为代价的。因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

[0005]鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种横向扫描变焦的光学成像方法及系统，以在解决成像分辨率与视场制约的问题的同时保持高光子效率在。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种横向扫描变焦的光学成像方法，其包括：
[0008]以设定扫面范围以及扫描速度沿激发光束传播方向扫描荧光光束，以形成具有大视场的光片；
[0009]沿垂直激发光束传播方向横向扫描荧光光束并与相机的滚动快门同步，以得到横向扫描图像；
[0010]将相机采集到的横向扫描图像中的共聚图像进行像素的重新分配及重新组合，以消除光片的旁瓣效应。
[0011]本专利技术的进一步设置，所述沿垂直激发光束传播方向横向扫描荧光光束并与相机的滚动快门同步，以得到横向扫描图像的步骤包括：
[0012]在对荧光光束进行横向扫描时，相机对每个扫描位置焦点内的厚度范围内的激发区域进行成像；其中，所述激发区域为薄光片激发的区域。
[0013]本专利技术的进一步设置，所述相机的滚动快门的宽度越小，荧光光束的检测效率越低，所述相机的滚动快门的宽度越大，荧光光束的检测效率越高。
[0014]本专利技术的进一步设置，所述将相机采集到横向扫描图像中的共聚图像进行像素的重新分配及重新组合，以消除光片的旁瓣效应的步骤包括：
[0015]在每个焦点扫描位置定位扫描光束的中心；
[0016]将共聚图像沿扫描方向按照设定比例系数缩小；
[0017]将缩小后的共聚图像放回至初始的共聚图像的位置；
[0018]将各个共聚图像按照设定比例系数缩小后并放回至初始位置后相加，以得到像素重定位的横向扫描图像。
[0019]本专利技术的进一步设置，所述设定比例系数为二分之一。
[0020]本专利技术的进一步设置，所述以设定扫面范围以及扫描速度沿激发光束传播方向扫描光束，以形成具有大视场的光片的步骤包括：
[0021]对激发光束的相位进行调整，使光片焦点进行光传输方向或垂直于光传输方向的变焦，以控制焦点的位置生成不同大小的视场；
[0022]将变焦得到的多个光片进行非相干叠加以生成大视场的光片。
[0023]本专利技术的进一步设置，所述对激发光束的相位进行调整，使光片焦点进行光传输方向或垂直于光传输方向的变焦，以控制焦点的位置生成不同大小的视场的步骤包括：
[0024]对相机的曝光时间进行调整，以对激发光束的相位进行调整，使光片焦点移动至不同的位置。
[0025]基于同样的专利技术构思，本专利技术还提供了一种用于实现如上述所述横向扫描变焦的光学成像方法的横向扫描变焦的光学成像系统，其包括激发照明光路以及与所述激发照明光路垂直设置的荧光探测光路；其中，
[0026]所述激发照明光路包括：光源、第一透镜、第一半波片、分光镜、第二半波片、空间光调制器、第二透镜、第三透镜与激发物镜；所述光源出射的光束通过单模光纤引入所述第一透镜，经所述第一透镜准直并通过所述第一半波片调整偏振方向后经所述分光镜、第二半波片到达所述空间光调制器，经所述空间光调制器相位调制后输出激发光束并通过所述第二透镜和所述第三透镜入射至所述激发物镜，经所述激发物镜出射的激发光束激发荧光样本，使荧光样本发出荧光光束；
[0027]所述荧光光路包括：相机、第四透镜、滤光片与探测物镜；所述探测物镜接收荧光样本发出的荧光光束，并经所述过滤片与所述第四透镜后出射至所述相机，并通过所述相机采集图像。
[0028]本专利技术的进一步设置，所述探测物镜与所述激发物镜垂直设置。
[0029]本专利技术的进一步设置，所述空间光调制器为反射式二元相位空间光调制器。
[0030]本专利技术所提供的一种横向扫描变焦的光学成像方法及系统，横向扫描变焦的光学成像方法包括步骤：以设定扫面范围以及扫描速度沿激发光束传播方向横向扫描荧光光束，以形成具有大视场的光片；沿垂直激发光束传播方向横向扫描荧光光束并与相机的滚动快门同步，以得到横向扫描图像；将相机采集到的横向扫描图像中的共聚图像进行像素的重新分配及重新组合，以消除光片的旁瓣效应。本专利技术通过以设定扫面范围以及扫描速度沿光束传播的方向横向扫描荧光光束，以形成一个具有较大视场的光片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种横向扫描变焦的光学成像方法，其特征在于，包括：以设定扫面范围以及扫描速度沿激发光束传播方向轴向扫描荧光光束，以形成具有大视场的光片；沿垂直激发光束传播方向横向扫描荧光光束并与相机的滚动快门同步，以得到横向扫描图像；将相机采集到的横向扫描图像中的共聚图像进行像素的重新分配及重新组合，以消除光片的旁瓣效应。2.根据权利要求1所述的横向扫描变焦的光学成像方法，其特征在于，所述垂直沿激发光束传播方向横向扫描荧光光束并与相机的滚动快门同步，以得到横向扫描图像的步骤包括：在对荧光光束进行横向扫描时，相机对每个扫描位置焦点内的厚度范围内的激发区域进行成像；其中，所述激发区域为薄光片激发的区域。3.根据权利要求1或2所述的横向扫描变焦的光学成像系统，其特征在于，所述相机的滚动快门的宽度越小，荧光光束的检测效率越低，所述相机的滚动快门的宽度越大，荧光光束的检测效率越高。4.根据权利要求2所述的横向扫描变焦的光学成像方法，其特征在于，所述将相机采集到横向扫描图像中的共聚图像进行像素的重新分配及重新组合，以消除光片的旁瓣效应的步骤包括：在每个焦点扫描位置定位扫描光束的中心；将共聚图像沿扫描方向按照设定比例系数缩小；将缩小后的共聚图像放回至初始的共聚图像的位置；将各个共聚图像按照设定比例系数缩小后并放回至初始位置后相加，以得到像素重定位的横向扫描图像。5.根据权利要求4所述的横向扫描变焦的光学成像方法，其特征在于，所述设定比例系数为二分之一。6.根据权利要求1所述的横向扫描变焦的光学成像方法，其特征在于，所述以设定扫面范围以及扫描速度沿激发光束传播方向横向扫描荧光光束，以形成具有大视场的光片的步骤包括：对激发光束的相位进行调整，使...

【专利技术属性】
技术研发人员：张昊，乔良，钟素艺，李虹瑾，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：