本发明涉及光学显微成像领域，具体涉及一种基于数字微镜阵列和激光干涉的多色双模式结构光照明显微成像系统及其成像方法。
背景技术：
荧光显微成像可用于细胞和生物大分子结构与功能的研究，在生命科学研究等领域扮演着重要角色。然而，传统宽场荧光显微成像技术的分辨率受到衍射极限的限制，无法获取高分辨率的结构信息。此外，传统宽场荧光显微成像技术还具有失焦问题，从原理上无法获得完整的三维结构信息。结构光照明显微成像作为一种新兴的荧光显微成像技术，以分辨率高，成像速度快，光毒性小，无需特殊样本制作，具有多种成像模式等优势在荧光显微成像中脱颖而出。其中，通过双光束干涉技术实现的二维结构光照明显微成像能够获取二维平面内两倍于光学衍射极限的样本信息，成为生物学家进行生物学研究的有效工具。然而，二维结构光照明只能获得二维平面内的超分辨成像，无法获得三维空间的超分辨成像。
针对上述问题，其中一种解决方案是利用三光束干涉技术来形成三维的结构光照明，从而将三维空间的高频信息编码于采集图像的低频信息中，在采集多个方向多个相位的原始图像后，再通过图像的三维重建实现三维空间的超分辨成像。此前，三维结构光照明主要通过光栅或液晶空间光调制器衍射实现。传统三维结构光照明显微成像通过光栅衍射产生0级和±1级线偏振光在样本表面进行干涉，通过光栅的旋转和平移来实现不同方向不同角度的结构照明光，系统复杂且成像速度慢，很难进行活细胞实时动态成像。此外，通过液晶空间光调制器进行三维结构光照明显微成像时，由于液晶空间光调制器产生的相邻级次线偏振光具有相互垂直的偏振方向，直接使用0级和±1级线偏振光进行干涉无法形成高对比度的照明结构光，需要将衍射光进行复杂的偏振调节。
技术实现要素：
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于数字微镜阵列和激光干涉的多色双模式结构光照明显微成像系统及其成像方法，包括双光束干涉实现多色二维结构光照明成像和三光束干涉形成多色三维结构光照明成像，且上述两种模式能够快速切换。
本发明的一个目的在于提出一种基于数字微镜阵列和激光干涉的多色双模式结构光照明显微成像系统。
本发明的基于数字微镜阵列和激光干涉的多色双模式结构光照明显微成像系统包括：照明光源、合束装置、波长选择装置、偏振控制装置、准直扩束装置、入射角调节装置、数字微镜阵列、聚光透镜、空间滤光器、第一二向色镜、第二二向色镜、4f系统、偏振矫正装置、物镜、镜筒透镜、相机、数据采集卡和变换旋转架；其中，照明光源包括多个单波长激光器，每一个单波长激光器发出一个波长的线偏振激光，多个激光器分别发出不同波长的线偏振激光；不同波长的线偏振激光经合束装置合束，传输至波长选择装置；通过波长选择装置快速选择通过的线偏振激光的波长，选定波长的线偏振激光通偏振控制装置进行光的偏振控制，通偏振控制装置调制过的线偏振激光的偏振方向与数字微镜阵列上加载的二值周期条纹的方向一致；经准直扩束装置进行扩束后入射至数字微镜阵列；在结构光照明显微成像系统中，数字微镜阵列相当于衍射光栅，其衍射形成的不同级次的线偏振光通过在样本表面干涉形成照明结构光，入射的线偏振激光需要满足数字微镜阵列的闪耀条件，从而产生高对比度的照明结构光，闪耀条件为不同波长的入射光，具有相应的入射角；入射角调节装置采用二向色镜和反射镜的组合，根据闪耀条件调整不同波长的线偏振激光的路线，将选定波长的线偏振激光调整至以相应的入射角入射至数字微镜阵列，从而满足闪耀条件；数字微镜阵列的平面垂直于光轴，数字微镜阵列上加载有周期性的黑白相间的二值周期条纹，被数字微镜阵列反射后，形成多级线偏振衍射光；多级线偏振衍射光经聚光透镜聚焦后至空间滤光器，空间滤光器设置在变换旋转架上，通过变换旋转架选择空间滤光器为三维结构光照明模式下的三维通光孔滤光器，或者为二维结构光照明模式下的二维通光孔滤光器；
在三维结构光照明模式下，经空间滤光器0级和±1级偏振衍射光通过；0级和±1级偏振衍射光经第一二向色镜后通过4f系统，再经第二二向色镜，汇聚至物镜后焦面处，通过物镜之后入射到样本平面上进行干涉，4f系统将空间光调制器的傅里叶面延迟到物镜的后焦面，即通过4f系统使得物镜的后焦面位于空间光调制器的傅里叶面；0级和±1级线偏振衍射光在样本平面上干涉形成正弦条纹照明，激发样本产生荧光，荧光返回后由物镜收集，经第二二向色镜后，通过发射滤光片滤波，再由镜筒透镜聚焦；第一二向色镜与第二二向色镜s轴和p轴互换，从而消除单独使用一个二向色镜引入的偏振畸变；经镜筒透镜聚焦的荧光投射在相机上实现数字化成像；在选定波长下相机采集相应波长的荧光得到一张原始图像；保持二值周期条纹的角度不变，将数字微镜阵列上加载的二值周期条纹进行2π/n的相位移动形成新的二值周期条纹，再通过相机采集得到第二张原始图像，该过程经过n次重复总计得到同一方向的n张不同相位的原始图像，构成第一个方向的原始图像；二值周期条纹绕着水平光轴进行π/k的角度旋转，与第一个方向进行相同的数据采集过程，从而获得一共k个方向原始图像，每个方向上具有n张原始图像，k个方向总计k×n张原始图像构成一组原始图像；样本沿光轴方向以设定的步长进行步进，仍然采集k个方向且每个方向n个相位的一组原始图像；经过多次步进，采集设定范围的多组原始图像，从而形成多层原始图像；经三维结构光照明显微成像算法进行三维重建得到样本的三维超分辨图像；
在二维结构光照明模式下，通过变换旋转架，选择空间滤光器为二维结构光照明模式下的二维通光孔滤光器，经空间滤光器±1级偏振衍射光通过；±1级偏振衍射光经第一二向色镜后通过4f系统，再经第二二向色镜，汇聚至物镜后焦面处，通过物镜之后打到样本平面上进行干涉，4f系统将空间光调制器的傅里叶面延迟到物镜的后焦面，即通过4f系统使得物镜的后焦面位于空间光调制器的傅里叶面；±1级线偏振衍射光在样本平面上干涉形成正弦条纹照明，激发样本产生荧光，荧光返回后由物镜收集，经第二二向色镜后，通过发射滤光片滤波，再由镜筒透镜聚焦；第一二向色镜与第二二向色镜s轴和p轴互换，从而消除单独使用一个二向色镜引入的偏振畸变；经镜筒透镜聚焦的荧光投射在相机上实现数字化成像；在选定波长下相机采集相应波长的荧光得到一张原始图像；保持二值周期条纹的角度不变，将数字微镜阵列上加载的二值周期条纹进行2π/n′的相位移动形成新的二值周期条纹，再通过相机采集得到第二张原始图像，该过程经过n′次重复总计得到同一方向的n′张不同相位的原始图像，构成第一个方向的原始图像；二值周期条纹绕着水平光轴进行π/k′的角度旋转，与第一个方向进行相同的数据采集过程，从而获得一共k′个方向原始图像，每个方向上具有n′张原始图像，k′个方向总计k′×n′张原始图像构成一组原始图像；经二维结构光照明显微成像算法进行重建,得到样本的二维超分辨图像。
本发明利用数字微镜阵列产生三束线偏振光，在数字微镜阵列前利用偏振控制装置进行偏振控制，经过偏振调制的三束光再在样本表面干涉实现结构光照明显微成像，具有系统结构简单，成像速度快的优势。然而，数字微镜阵列作为一种闪耀光栅，不同波长光经数字微镜阵列衍射需要满足不同的入射角，本发明通过特殊的入射角度设计使不同波长光经数字微镜阵列衍射后0级光耦合，实现了基于数字微镜阵列的多色结构光照明显微成像。此外，本发明能在三维多色结构光照明显微成像与二维多色结构光照明显微成像两种模式间快速切换，适用于不同的成像需求。
将数字微镜阵列的衍射问题简化为一维讨论。α为入射角，即为入射光与数字微镜阵列平面法线的夹角，β是其对应的反射角，于是有光栅方程：
其中，λ为入射光的波长，d为数字微镜阵列的像素尺寸，m为量化闪耀条件的因子。若m为整数，则满足闪耀条件，若m为整数加0.5，则会远偏于闪耀条件。为了更好的量化闪耀条件，用μ定义：
因此，若μ为0.5，代表满足闪耀条件，若μ为0，则完全背离闪耀条件。
样本放置在三维载物台上。波长选择装置、偏振控制装置、数字微镜阵列、三维载物台和相机分别连接至数据采集卡，由数据采集卡来实现整体和同步控制。变换旋转架连接至数据采集卡，由数据采集卡来实现控制切换。
合束装置采用二向色镜，针对多个激光器分别发出不同波长的线偏振激光，不同波长的线偏振激光经对应波长的二向色镜合束。
照明光源包括n个单波长激光器，n为≥2的自然数，相应的，合束装置采用n-1个二向色镜，每一波长上相应设置一个或多个反射镜，从而调节相应波长光路的空间取向，从而使各波长合束。根据闪耀条件，不同波长的入射光，具有相应的入射角，n个波长的线偏振激光具有l组入射角，入射角调节装置相应采用l-1组二向色镜和反射镜的组合，分别将相应波长的光经二向色镜的反射或透射并调整角度，再经相应的反射镜反射进一步调整至满足闪耀条件的入射角。
三维结构光照明模式下，空间滤光器为三维通光孔滤光器；二维结构光照明模式下，空间滤光器为二维通光孔滤光器；三维通光孔滤光器具有位于中心的0级通孔和关于中心对称的n对一级通孔，每一对一级通孔分别位于过中心的直线上；二维通光孔滤光器具有关于中心对称的n对一级通孔，每一对一级通孔分别位于过中心的直线上。
波长选择装置采用声光可调谐滤波器，或者n个声光调制器，n为单波长激光器的个数，n为≥2的自然数；偏振控制装置采用电光调制器、超快铁电液晶偏振旋转器或向列型液晶相位延迟器。
样本平面为物镜的前焦面；0级和正负一级光是聚焦到物镜的后焦面，经过物镜之后平行出射，在样本平面发生干涉，产生结构光。
本发明的另一个目的在于提出一种基于数字微镜阵列和激光干涉的多色双模式结构光照明显微成像方法。
本发明的基于数字微镜阵列和激光干涉的多色双模式结构光照明显微成像方法，包括三维结构光照明模式和二维结构光照明模式：
三维结构光照明模式
1)照明光源包括多个单波长激光器，每一个单波长激光器发出一个波长的线偏振激光，多个激光器分别发出不同波长的线偏振激光；
2)不同波长的线偏振激光经合束装置合束，传输至波长选择装置；
3)通过波长选择装置快速选择通过的线偏振激光的波长，选定波长的线偏振激光通偏振控制装置进行光的偏振控制，通偏振控制装置调制过的线偏振激光的偏振方向与数字微镜阵列上加载的二值周期条纹的方向一致；
4)经准直扩束装置进行扩束后入射至数字微镜阵列；
5)在结构光照明显微成像系统中，数字微镜阵列相当于衍射光栅，其衍射形成的不同级次的线偏振光通过在样本表面干涉形成照明结构光，入射的线偏振激光需要满足数字微镜阵列的闪耀条件，从而产生高对比度的照明结构光，闪耀条件为不同波长的入射光，具有相应的入射角；入射角调节装置采用二向色镜和反射镜的组合，根据闪耀条件调整不同波长的线偏振激光的路线，将选定波长的线偏振激光调整至以相应的入射角入射至数字微镜阵列，从而满足闪耀条件；数字微镜阵列的平面垂直于光轴，数字微镜阵列上加载有周期性的黑白相间的二值周期条纹，被数字微镜阵列反射后，形成多级线偏振衍射光；多级线偏振衍射光经聚光透镜聚焦后至空间滤光器；
6)通过变换旋转架选择空间滤光器为三维结构光照明模式下的三维通光孔滤光器；经空间滤光器0级和±1级偏振衍射光通过；
7)0级和±1级偏振衍射光经第一二向色镜后通过4f系统，再经第二二向色镜，汇聚至物镜后焦面处，通过物镜之后打到样本平面上进行干涉，4f系统将空间光调制器的傅里叶面延迟到物镜的后焦面，即通过4f系统使得物镜的后焦面位于空间光调制器的傅里叶面；
8)0级和±1级线偏振衍射光在样本平面上干涉形成正弦条纹照明，激发样本产生荧光，荧光返回后由物镜收集，经第二二向色镜后，通过发射滤光片滤波，再由镜筒透镜聚焦；第一二向色镜与第二二向色镜s轴和p轴互换，从而消除单独使用一个二向色镜引入的偏振畸变；
9)经镜筒透镜聚焦的荧光投射在相机上实现数字化成像；
10)在选定波长下相机采集相应波长的荧光得到一张原始图像；
11)保持二值周期条纹的角度不变，将数字微镜阵列上加载的二值周期条纹进行2π/n的相位移动形成新的二值周期条纹，重复步骤1)～10)得到第二张原始图像，该过程经过n次重复总计得到同一方向的n张不同相位的原始图像，构成第一个方向的原始图像；
12)二值周期条纹绕着水平光轴进行π/k的角度旋转，重复步骤1)～11)，从而获得一共k个方向原始图像，每个方向上具有n张原始图像，k个方向总计k×n张原始图像构成一组原始图像，k和n均为≥2的自然数；
13)控制放置样本的三维载物台沿光轴方向移动，使得样本沿光轴方向以设定的步长进行步进，仍然采集k个方向且每个方向n个相位的一组原始图像；经过多次步进，采集设定范围的多组原始图像，从而形成多层原始图像；
14)经三维结构光照明显微成像算法进行三维重建得到样本的三维超分辨图像；
二维结构光照明模式
1)照明光源包括多个单波长激光器，每一个单波长激光器发出一个波长的线偏振激光，多个激光器分别发出不同波长的线偏振激光；
2)不同波长的线偏振激光经合束装置合束，传输至波长选择装置；
3)通过波长选择装置快速选择通过的线偏振激光的波长，选定波长的线偏振激光通偏振控制装置进行光的偏振控制，通偏振控制装置调制过的线偏振激光的偏振方向与数字微镜阵列上加载的二值周期条纹的方向一致；
4)经准直扩束装置进行扩束后入射至数字微镜阵列；
5)在结构光照明显微成像系统中，数字微镜阵列相当于衍射光栅，其衍射形成的不同级次的线偏振光通过在样本表面干涉形成照明结构光，入射的线偏振激光需要满足数字微镜阵列的闪耀条件，从而产生高对比度的照明结构光，闪耀条件为不同波长的入射光，具有相应的入射角；入射角调节装置采用二向色镜和反射镜的组合，根据闪耀条件调整不同波长的线偏振激光的路线，将选定波长的线偏振激光调整至以相应的入射角入射至数字微镜阵列，从而满足闪耀条件；数字微镜阵列的平面垂直于光轴，数字微镜阵列上加载有周期性的黑白相间的二值周期条纹，被数字微镜阵列反射后，形成多级线偏振衍射光；多级线偏振衍射光经聚光透镜聚焦后至空间滤光器；
6)通过变换旋转架选择空间滤光器为三维结构光照明模式下的二维通光孔滤光器；经空间滤光器±1级偏振衍射光通过；
7)±1级偏振衍射光经第一二向色镜后通过4f系统，再经第二二向色镜，汇聚至物镜后焦面处，通过物镜之后打到样本平面上进行干涉，4f系统将空间光调制器的傅里叶面延迟到物镜的后焦面，即通过4f系统使得物镜的后焦面位于空间光调制器的傅里叶面；
8)±1级线偏振衍射光在样本平面上干涉形成正弦条纹照明，激发样本产生荧光，荧光返回后由物镜收集，经第二二向色镜后，通过发射滤光片滤波，再由镜筒透镜聚焦；第一二向色镜与第二二向色镜s轴和p轴互换，从而消除单独使用一个二向色镜引入的偏振畸变；
9)经镜筒透镜聚焦的荧光投射在相机上实现数字化成像；
10)在选定波长下相机采集相应波长的荧光得到一张原始图像；
11)保持二值周期条纹的角度不变，将数字微镜阵列上加载的二值周期条纹进行2π/n′的相位移动形成新的二值周期条纹，重复步骤1)～10)n′次，得到同一方向的n′张不同相位的原始图像，构成第一个方向的原始图像；
12)二值周期条纹绕着水平光轴进行π/k′的角度旋转，重复步骤1)～11)k′次，从而获得一共k′个方向原始图像，每个方向上具有n′张原始图像，k′个方向总计k′×n′张原始图像构成一组原始图像，k′和n′均为≥2的自然数；
13)经二维结构光照明显微成像算法进行重建，得到样本的二维超分辨图像。
其中，在三维结构光照明模式的步骤13)中，设定的步长为100～300nm。
本发明的优点：
本发明采用数字微镜阵列实现多色双模式结构光照明显微成像系统，具有以下优点：1.相比于传统的光栅衍射，数字微镜阵列极大地加快了成像速度；2.本系统可实现快速二维和三维结构光照明显微成像模式的切换；3.针对数字微镜阵列闪耀光栅的特性，本发明提出了多角度照明的耦合方式，可实现多色成像。
附图说明
图1为数字微镜阵列的实现结构光照明显微成像的依据及其对不同波长光的衍射关系图，其中，(a)为干涉条纹对比度与正负一级光强差的关系说明图，(b)为闪耀条件与照明光入射角及照明光波长的关系图，(c)为利用数字微镜阵列开关态来实现多色成像示意图；
图2为本发明的基于数字微镜阵列和激光干涉的多色双模式结构光照明显微成像系统的一个实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的基于数字微镜阵列和激光干涉的多色双模式结构光照明显微成像系统包括：照明光源、合束装置、声光可调谐滤波器aotf、电光调制器eom、准直扩束装置、入射角调节装置、数字微镜阵列dmd、聚光透镜l3、空间滤光器sm、第一二向色镜dm1、第二二向色镜dm2、4f系统、偏振矫正装置、物镜obj、镜筒透镜l6、相机scmos、数据采集卡和变换旋转架；其中，照明光源包括四个单波长激光器分别为l1～l4，每一个单波长激光器发出一个波长的线偏振激光，多个激光器分别发出不同波长的线偏振激光，分别为370nm、488nm、561nm和640nm；合束装置采用第四至第六二向色镜dm4～dm6，第一单波长激光器l1发出的线偏振激光经第一反射镜m1和第二反射镜m2反射，第二至第四单波长激光器l2～l4发出的线偏振激光分别经第三至第五反射镜m3～m5反射后，分别经第四至第六二向色镜dm4～dm6合束，传输至声光可调谐滤波器aotf；通过声光可调谐滤波器aotf快速选择通过的线偏振激光的波长，选定波长的线偏振激光通电光调制器eom进行光的偏振控制，通电光调制器eom调制过的线偏振激光的偏振方向与数字微镜阵列dmd上加载的二值周期条纹的方向一致；准直扩束装置采用第一和第二透镜l1和l2，经第六反射镜m6反射后经准直扩束装置进行扩束后经第七反射镜m7反射后，由入射角调节装置调节入射角度，入射至数字微镜阵列dmd；入射角调节装置采用第三二向色镜dm3和第八反射镜m8的组合，根据闪耀条件调整不同波长的线偏振激光的路线，将选定波长的线偏振激光调整至以相应的入射角入射至数字微镜阵列dmd，从而满足闪耀条件；数字微镜阵列dmd的平面垂直于光轴，数字微镜阵列dmd上加载有周期性的黑白相间的二值周期条纹，被数字微镜阵列dmd反射后，形成多级线偏振衍射光；多级线偏振衍射光经聚光透镜l3聚焦后经第九反射镜m9至空间滤光器sm，空间滤光器sm设置在变换旋转架上，变换旋转架采用电动快速变换旋转架，通过变换旋转架选择空间滤光器sm为三维结构光照明模式下的三维通光孔滤光器，或者为二维结构光照明模式下的二维通光孔滤光器；在三维结构光照明模式下，经空间滤光器sm后0级和±1级偏振衍射光通过；0级和±1级偏振衍射光经第一二向色镜dm1后通过4f系统，4f系统采用第四和第五透镜l4和l5，经第四透镜后经第十反射镜m10反射再至第五透镜l5，再经第十一反射镜m11反射后经第二二向色镜dm2，汇聚至物镜obj后焦面处，通过物镜obj之后入射到样本平面上进行干涉，4f系统将空间光调制器的傅里叶面延迟到物镜obj的后焦面，即通过4f系统使得物镜obj的后焦面位于空间光调制器的傅里叶面；0级和±1级线偏振衍射光在样本平面上干涉形成正弦条纹照明，激发样本产生荧光，荧光返回后由物镜obj收集，经第二二向色镜dm2后，经第十二反射镜m12反射通过发射滤光片ef滤波，再由镜筒透镜l6聚焦；第一二向色镜dm1与第二二向色镜dm2的s轴和p轴互换，从而消除单独使用一个二向色镜引入的偏振畸变；经镜筒透镜l6聚焦的荧光投射在相机scmos上实现数字化成像。
数字微镜阵列是工业上广泛使用的空间光调制器，由位于cmos记忆单元上的微反射镜阵列组成，可以通过每个微反射镜的转动/开关态对光波前进行调制。数字微镜阵列在结构光照明显微成像系统中的作用相当于衍射光栅，其衍射形成的不同级次线偏振光通过在样本表面干涉形成照明结构光。数字微镜阵列应用于结构光照明显微成像的关键是保证入射光满足数字微镜阵列dmd的闪耀条件，从而产生高对比度的照明结构光。闪耀条件的满足需要匹配入射光波长，光栅常数以及入射角度。对于实现特定的分辨率，所需的光栅常数是给定的，因此基于数字微镜阵列dmd的多色结构光照明显微成像需要选择合适的激光波长和入射角度。数字微镜阵列dmd上的方形微反射镜子是绕微反射镜的对角线进行±12°的旋转来实现开关状态的切换，数字微镜阵列dmd沿微镜边长x和y方向的衍射效应相同，因此可将数字微镜阵列dmd的衍射问题简化为一维讨论。若α为入射光与数字微镜阵列dmd平面法线的夹角，β是其对应的反射角，于是有光栅方程：
其中，λ是入射光波长，d是数字微镜阵列dmd的像素尺寸，m是量化闪耀条件的因子。若m为整数，则满足闪耀条件，若m为整数加0.5，则会远偏于闪耀条件。为了更好的量化闪耀条件，用μ定义：
因此，若μ为0.5，代表满足闪耀条件，若μ为0，则完全背离闪耀条件。对于一个给定的入射光的波长λ会有多个满足条件的入射角α，图1(b)为入射线偏振光角度、波长及闪耀条件的关系图，图上的强度值表示闪耀条件μ的取值，μ值高于0.43在实验上认为是可取的。在本实施例中，对于波长370nm、488nm、561nm和640nm，找到这样两组满足闪耀条件的入射角：波长561nm和640nm对应的入射角为48°，对应数字微镜阵列dmd的开状态；370nm和488nm对应的入射角为24°，对应数字微镜阵列dmd的关状态，如图1(b)上星标值和图1(c)所示，四束光经过数字微镜阵列dmd反射之后沿同一方向出射。在结构光照明显微成像中，数字微镜阵列dmd上加载二值周期条纹，入射光通过数字微镜阵列dmd反射形成±1级线偏振衍射光。在入射条件满足闪耀条件时，产生的±1级线偏振衍射光具有均一的光强，才可在样本表面干涉形成高对比度的结构光照明条纹，如图1(a)所示，进而重建出高质量的结构光照明超分辨图像。基于图1(b)的关系，不同激光波长均可以以对应的入射角入射至数字微镜阵列dmd来满足闪耀条件。本发明通过分析波长与入射及衍射角的关系给出能使不同波长衍射光在光路中自然耦合的方案，实现多色结构光照明显微成像。
从闪耀条件求得，四个波长对应两组入射角，入射角调节装置相应采用一组二向色镜和反射镜的组合，分别将相应波长的光经二向色镜的反射或透射并调整角度，再经相应的反射镜反射进一步调整至满足闪耀条件的入射角；其中，波长561nm和640nm经第三二向色镜dm3反射，以48°入射角入射至数字微镜阵；370nm和488nm经第三二向色镜dm3透射，再经第八反射镜反射，以24°入射角入射至数字微镜阵。
实施例一
在本实施例中，采用三维结构光照明模式，多色双模式结构光照明显微成像方法包括以下步骤：
1)照明光源包括四个单波长激光器，每一个单波长激光器发出一个波长的线偏振激光，多个激光器分别发出不同波长的线偏振激光，分别为370nm、488nm、561nm和640nm；
2)不同波长的线偏振激光经合束装置合束，传输至波长选择装置；
3)通过波长选择装置快速选择通过的线偏振激光的波长，选定波长的线偏振激光通偏振控制装置进行光的偏振控制，通偏振控制装置调制过的线偏振激光的偏振方向与数字微镜阵列dmd上加载的二值周期条纹的方向一致；
4)经准直扩束装置进行扩束后入射至数字微镜阵列dmd；
5)在结构光照明显微成像系统中，数字微镜阵列dmd相当于衍射光栅，其衍射形成的不同级次的线偏振光通过在样本表面干涉形成照明结构光，入射的线偏振激光需要满足数字微镜阵列dmd的闪耀条件，从而产生高对比度的照明结构光，闪耀条件为不同波长的入射光，具有相应的入射角；入射角调节装置采用二向色镜和反射镜的组合，根据闪耀条件调整不同波长的线偏振激光的路线，将选定波长的线偏振激光调整至以相应的入射角入射至数字微镜阵列dmd，从而满足闪耀条件；数字微镜阵列dmd的平面垂直于光轴，数字微镜阵列dmd上加载有周期性的黑白相间的二值周期条纹，被数字微镜阵列dmd反射后，形成多级线偏振衍射光；多级线偏振衍射光经聚光透镜l3聚焦后至空间滤光器sm；
6)通过变换旋转架选择空间滤光器sm为三维结构光照明模式下的三维通光孔滤光器；经空间滤光器sm后0级和±1级偏振衍射光通过；
7)0级和±1级偏振衍射光经第一二向色镜dm1后通过4f系统，再经第二二向色镜dm2，汇聚至物镜obj后焦面处，通过物镜obj之后打到样本平面上进行干涉，4f系统将空间光调制器的傅里叶面延迟到物镜obj的后焦面，即通过4f系统使得物镜obj的后焦面位于空间光调制器的傅里叶面；
8)0级和±1级线偏振衍射光在样本平面上干涉形成正弦条纹照明，激发样本产生荧光，荧光返回后由物镜obj收集，经第二二向色镜dm2后，通过发射滤光片滤波，再由镜筒透镜l6聚焦；第一二向色镜dm1与第二二向色镜dm2的s轴和p轴互换，从而消除单独使用一个二向色镜引入的偏振畸变；
9)经镜筒透镜l6聚焦的荧光投射在相机scmos上实现数字化成像；
10)在选定波长下相机scmos采集相应波长的荧光得到一张原始图像；
11)保持二值周期条纹的角度不变，将数字微镜阵列dmd上加载的二值周期条纹进行2π/5的相位移动形成新的二值周期条纹，重复步骤1)～10)得到第二张原始图像，该过程经过五次重复总计得到同一方向的五张不同相位的原始图像，构成第一个方向的原始图像；
12)二值周期条纹绕着水平光轴进行60°的角度旋转，重复步骤1)～11)，从而获得一共三个方向原始图像，每个方向上具有五张原始图像，三个方向总计15张原始图像构成一组原始图像；
13)控制放置样本的三维载物台沿光轴方向移动，使得样本沿光轴方向以125nm的步长进行步进，仍然采集三个方向且每个方向五个相位的一组原始图像；经过多次步进，
采集设定范围的多组原始图像，从而形成多层原始图像；
14)经三维结构光照明显微成像算法进行三维重建得到样本的三维超分辨图像。
实施例二
在本实施例中，采用二维结构光照明模式，多色双模式结构光照明显微成像方法包括以下步骤：
1)照明光源包括多个单波长激光器，每一个单波长激光器发出一个波长的线偏振激光，
多个激光器分别发出不同波长的线偏振激光；
2)不同波长的线偏振激光经合束装置合束，传输至波长选择装置；
3)通过波长选择装置快速选择通过的线偏振激光的波长，选定波长的线偏振激光通偏振控制装置进行光的偏振控制，通偏振控制装置调制过的线偏振激光的偏振方向与数字微镜阵列dmd上加载的二值周期条纹的方向一致；
4)经准直扩束装置进行扩束后入射至数字微镜阵列dmd；
5)在结构光照明显微成像系统中，数字微镜阵列dmd相当于衍射光栅，其衍射形成的不同级次的线偏振光通过在样本表面干涉形成照明结构光，入射的线偏振激光需要满足数字微镜阵列dmd的闪耀条件，从而产生高对比度的照明结构光，闪耀条件为不同波长的入射光，具有相应的入射角；入射角调节装置采用二向色镜和反射镜的组合，根据闪耀条件调整不同波长的线偏振激光的路线，将选定波长的线偏振激光调整至以相应的入射角入射至数字微镜阵列dmd，从而满足闪耀条件；数字微镜阵列dmd的平面垂直于光轴，数字微镜阵列dmd上加载有周期性的黑白相间的二值周期条纹，被数字微镜阵列dmd反射后，形成多级线偏振衍射光；多级线偏振衍射光经聚光透镜l3聚焦后至空间滤光器sm；
6)通过变换旋转架选择空间滤光器sm为三维结构光照明模式下的二维通光孔滤光器；
经空间滤光器sm后±1级偏振衍射光通过；
7)±1级偏振衍射光经第一二向色镜dm1后通过4f系统，再经第二二向色镜dm2，汇聚至物镜obj后焦面处，通过物镜obj之后打到样本平面上进行干涉，4f系统将空间光调制器的傅里叶面延迟到物镜obj的后焦面，即通过4f系统使得物镜obj的后焦面位于空间光调制器的傅里叶面；
8)±1级线偏振衍射光在样本平面上干涉形成正弦条纹照明，激发样本产生荧光，荧光返回后由物镜obj收集，经第二二向色镜dm2后，通过发射滤光片滤波，再由镜筒透镜l6聚焦；第一二向色镜dm1与第二二向色镜dm2的s轴和p轴互换，从而消除单独使用一个二向色镜引入的偏振畸变；
9)经镜筒透镜l6聚焦的荧光投射在相机scmos上实现数字化成像；
10)在选定波长下相机scmos采集相应波长的荧光得到一张原始图像；
11)保持二值周期条纹的角度不变，将数字微镜阵列dmd上加载的二值周期条纹进行2π/3的相位移动形成新的二值周期条纹，重复步骤1)～10)三次，得到同一方向的三张不同相位的原始图像，构成第一个方向的原始图像；
12)二值周期条纹绕着水平光轴进行60°的角度旋转，重复步骤1)～11)三次，从而获得一共三个方向原始图像，每个方向上具有三张原始图像，三个方向总计九张原始图像构成一组原始图像；
13)经二维结构光照明显微成像算法进行重建，得到样本的二维超分辨图像。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。