一种超分辨结构探测阵列共焦荧光成像装置及其成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及成像装置及其成像方法，具体涉及一种超分辨结构探测阵列共焦荧光 成像装置及其成像方法，属于光学精密测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 光学显微术是一种历史悠久且十分重要的无破坏性技术，被广泛应用于生物和材 料科学等领域。共焦显微测量技术是一种适用于微米及亚微米尺度测量的三维光学显微技 术。反射式共焦显微系统的层析能力使之在三维成像领域显得十分重要。
[0003] 在20世纪50年代中后期，共焦显微镜由Minsky发明，1977年，C. J. R. Skpparc^P A. Choudhury首次阐明共焦显微系统在点针孔掩模的作用下，以牺牲视场为代价，使横向分 辨率提高到相同孔径普通显微镜的1. 4倍。此后，共焦显微测量技术受到普遍关注，成为了 显微科学领域的重要分支。
[0004] 但是，传统共焦技术一直受到探测器尺寸的影响，共焦显微技术的分辨力难以提 尚。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决现有共焦显微技术的分辨力难以提高，成像速率低，共 焦成像不清晰的问题。
[0006] 本发明的技术方案是：一种超分辨结构探测阵列共焦荧光成像装置，包括激光光 源1，沿激光光源光线传播方向依次放置准直扩束器、微透镜阵列、准直透镜、分光棱镜、1 /4 波片、扫描系统、照明物镜、荧光样品、收集透镜和CCD探测器，整个光路为非相干成像。
[0007] 所述扫描系统包括扫描振镜，扫描振镜改变光束偏转角在焚光样品的物面进行扫 描。
[0008] 基于所述一种超分辨结构探测阵列共焦荧光成像装置的成像方法，包括以下步 骤：
[0009] 步骤一、CCD探测器根据圆形阵列内每个光斑光强的探测函数获得共焦系统的积 分光强；
[0010] 步骤二、根据步骤一所述的积分光强获得共焦系统的三维光强点扩散函数；
[0011] 步骤三、对步骤二所述的三维光强点扩散函数进行三维傅里叶变换，获得共焦系 统的光学传递函数；
[0012] 所述步骤一具体包括：所述探测面采用非均匀探测方式，使得探测面圆形阵列内， 单个圆形区域内探测灵敏度系数成正弦分布，每个探测光斑光强在半径为艾里斑半径的圆 函数内乘以正弦分布的探测系数，得到共焦系统的积分光强。
[0013] 所述探测面采用非均匀探测方式，在探测面区域内进行积分，改变对应探测位置 的光灵敏度系数，进而使探测函数成正弦分布，在该系统中，由于探测函数为正弦分布，探 测函数频谱与普通共焦系统相比有效宽度增加，从而能够使系统OTF带宽增大，系统横向 分辨力显著提高在能发挥反射式共焦显微系统的层析能力的同时充分发掘共焦系统的横 向分辨潜力。
[0014] 所述步骤二获得共焦系统三维光强点扩散函数的方法包括：将步骤一所述的积分 光强转换成三维卷积形式。
[0015] 所述扫描系统在扫描过程中探测光斑在探测面的位置不变。
[0016] 本发明与现有技术相比具有以下效果：本发明超分辨结构探测共焦荧光成像装置 与中，不需要普通共焦系统中探测面的针孔；在探测面特定区域进行积分，改变对应探测位 置的光灵敏度，探测函数成正弦分布，使探测区域和普通共焦中针孔领域相同；由于超分辨 结构探测共焦荧光成像装置中通过CCD采集光斑数据，使得测量速度大大降低；通过在结 构探测共焦荧光成像系统中加入微透镜阵列，在样品表面实现多点照明，并在CCD探测面 选择对应的阵列区域探测光斑可以提高结构探测共焦荧光成像速率；在探测面采用非均匀 探测，探测面圆形阵列内，单个圆形区域内探测灵敏度系数成正弦分布，从而使探测函数的 频谱变宽，探测光路的光学传递函数亦将变宽，进而增大系统OTF带宽，使得系统能够探测 到更高的频率信息。本发明创造性的将结构探测成像方法与共焦相干显微系统相结合，在 提高共焦系统横向分辨力的同时提高结构探测共焦荧光成像系统的成像速率，可适用于荧 光样品成像的测量领域。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明超结构探测共焦成像装置结构示意图。
[0018] 图2是NA = 0. 1，λ = 660nm，探测面针孔半径
时，基本共焦显微系统 的探测面频谱归一化仿真图。
[0019] 图3是NA = 0· 1，λ = 660nm，探测面针孔半径
探测函数D(r)= (2/25+cos(2 π fQx)+c〇s(2 π fQy))circ(r/rd) δ (z)，
时，结构探测共焦系统探测 面频谱归一化仿真图。
[0020] 图4是NA = 0. 1，λ = 660nm，探测面针孔半径
时，基本共焦显微系统 的OTF归一化仿真图。
[0021] 图5是NA = 0· 1，λ = 660nm，探测面针孔半径
：探测函数D(r)= (2/25+cos (2 π f〇x) +cos (2 jt f〇y)) circ (r/rd) δ (z),
时，结构探测共焦系统 OTF 归一化仿真图。
[0022] 图6是NA = 0· 1，λ = 660nm，探测面针孔半径
.探测函数D(r)= (2/25+cos (2 π f〇x) +cos (2 jt f〇y)) circ (r/rd) δ (z),
时，结构探测共焦系统 OTF 与基本共焦系统OTF在fx方向对比归一化仿真图。
[0023] 图7是X方向和y方向上间隔为3. 02um的条纹样品仿真图。
[0024] 图8是条纹样品在NA = 0. 1，λ = 660nm，探测面针孔半吞
时的基本共 焦显微系统中所探测到的频谱仿真图。
[0025] 图9是条纹样品在NA = 0. 1，λ = 660nm，探测面针孔半吞
时的基本共 焦显微系统中所成像光强归一化仿真图。
[0026] 图10是条纹样品在NA = 0. 1，λ = 660nm，探测面针孔半径
.探测函数 D(r) = (2/25+cos(2 π f〇x)+cos(2 π f〇y))circ(r/rd) δ (z),
时，的结构探测共焦 显微系统中所探测到的频谱仿真图。
[0027] 图11是条纹样品在NA = 0. 1，λ = 660nm，探测面针孔半径
探测函数 D(r) = (2/25+cos(2 π f〇x)+cos(2 π f〇y))circ(r/rd) δ (z),
时，结构探测共焦显 微系统中所成像光强归一化仿真图。
[0028] 图12是条纹样品与其在基本共焦显微系统和结构探测共焦显微系统中所成像在 X方向光强对比归一化仿真图。
[0029] 图中：1、激光光源，2、准直扩束器，3、微透镜阵列，4、准直透镜，5、分光棱镜，6、收 集透镜，7、(XD，8、1/4波片，9、扫描系统，10、照明物镜，11、荧光样品。
【具体实施方式】
[0030] 结合【附图说明】本发明的【具体实施方式】，本发明的一种超分辨结构探测阵列共焦荧 光成像装置，包括激光光源1，沿激光光源1光线传播方向依次放置准直扩束器2、微透镜阵 列3、准直透镜4、分光棱镜5、1/4波片8、扫描系统9、照明物镜10、焚光样品11、收集透镜 6和CXD探测器7。
[0031] 所述扫描系9统包括扫描振镜，扫描振镜改变光束偏转角在焚光样品的物面进行 扫描。
[0032] 基于所述一种超分辨结构探测阵列共焦荧光成像装置的成像方法，包括以下步 骤：
[0033] 步骤一、在探测面光强分布为：