一种结构光照明超分辨显微成像系统及其成像方法与流程

技术特征：

1.一种结构光照明超分辨显微成像系统，其特征在于，所述超分辨显微成像系统包括：照明光源、旋转结构光生成器、第一会聚透镜、分光镜、物镜、载物台、样品、第二会聚透镜、数字成像设备和计算机；其中，所述数字成像设备通过数据线连接至计算机；所述照明光源发出激发光；激发光经旋转结构光生成器发生衍射；衍射的激发光经第一会聚透镜会聚后，经二向色镜，由物镜聚焦，照射在放置在载物台上的样品上，形成结构光条纹；样品在结构光条纹的激发下发射荧光；荧光经物镜聚焦后，经二向色镜后，再经第二会聚透镜会聚，由数字成像设备采集荧光，并将光信号转换成电信号后传输至计算机；计算机形成原始图像；旋转样品上的结构光条纹至新的角度，在每一个角度上分别采集形成一幅原始图像，形成4幅以上或3幅的原始图像；通过成像图像重建算法处理原始图像，得到样品的超分辨图像。

2.如权利要求1所述的超分辨显微成像系统，其特征在于，所述旋转结构光生成器采用光栅、数字微镜阵列或空间光调制器。

3.如权利要求2所述的超分辨显微成像系统，其特征在于，如果旋转结构光生成器采用光栅，则将光栅或者放置样品的载物台设置在旋转装置上，旋转装置以光轴为旋转轴，带动光栅或载物台能够360°旋转，从而带动光栅与样品之间发生相对角度变化，使得样品上的结构光条纹旋转至新的角度；如果旋转结构光生成器采用数字微镜阵列或空间光调制器，通过数字方式生成光条纹产生角度变化，使得样品上的结构光条纹旋转至新的角度。

4.如权利要求1所述的超分辨显微成像系统，其特征在于，所述照明光源采用激光光源、LED光源或汞灯光源。

5.如权利要求1所述的超分辨显微成像系统，其特征在于，所述分光镜采用二向色镜或半透半反镜。

6.一种结构光照明超分辨显微成像方法，其特征在于，所述成像方法包括以下步骤：

1)激发光经旋转结构光生成器发生衍射，衍射的激发光经第一会聚透镜会聚后，经二向色镜，由物镜聚焦，照射在放置在载物台上的样品上，形成结构光条纹；样品在结构光条纹的激发下发射荧光，荧光经物镜聚焦后，经二向色镜后，由第二会聚透镜会聚，由数字成像设备采集荧光，并将光信号转换成电信号后传输至计算机，计算机形成原始图像；

2)旋转样品上的结构光条纹至新的角度，重复步骤1)，在每个角度采集形成一幅原始图像，直至在M个不同的角度下形成M幅原始图像，M≥4；

3)将每一幅原始图像进行离散傅里叶变换，获得各幅原始图像的频谱Dn，其中Dn为第n张原始图像的频谱，n＝1,2,……,M，M≥4；

4)计算每幅原始图像对应的结构光条纹的方向和相位，根据结构光条纹的方向和相位计算得到结构光条纹的频谱In，其中In为第n个结构光条纹的频谱；

5)样品的超分辨图像的频谱S，结构光照明超分辨显微成像系统的光学传递函数H，结构光条纹的频谱In和原始图像的频谱Dn满足下式：

$Dn=(Is\⊗S)\·H$

其中为卷积，·为点乘；从上式得到，各幅原始图像的频谱Dn在各个像素上的值，均是超分辨图像的频谱S的多个像素的值的线性组合，其系数由In和H决定；故将上述公式改写为下述线性方程组：

d＝Ms

其中，向量d是所有原始图像的频谱的各个像素的值，一维向量s是样品的超分辨图像的频谱的各个像素的值，M是构造得到的稀疏卷积矩阵；

6)解上述线性方程组得到向量s，将一维向量s重排得到二维的样品的超分辨图像的频谱，然后通过傅里叶逆变换得到样品的超分辨图像。

7.如权利要求6的成像方法，其特征在于，在步骤2)中，所述旋转结构光生成器采用光栅、数字微镜阵列或空间光调制器；如果旋转结构光生成器采用光栅，则将光栅或者放置样品的载物台设置在旋转装置上，旋转装置以光轴为旋转轴，带动光栅或载物台能够360°旋转，从而带动光栅与样品之间发生相对角度变化，使得样品上的结构光条纹旋转至新的角度。如果旋转结构光生成器采用数字微镜阵列或空间光调制器，通过数字方式生成光条纹产生角度变化，使得样品上的结构光条纹旋转至新的角度。

8.结构光照明超分辨显微成像方法，其特征在于，所述成像方法包括以下步骤：

1)激发光经旋转结构光生成器发生衍射，衍射的激发光经第一会聚透镜会聚后，经二向色镜，由物镜聚焦，照射在放置在载物台上的样品上，形成结构光条纹；样品在结构光条纹的激发下发射荧光，荧光经物镜聚焦后，经二向色镜后，由第二会聚透镜会聚，由数字成像设备采集荧光，并将光信号转换成电信号后传输至计算机，计算机形成原始图像；

2)旋转样品上的结构光条纹至新的角度，重复步骤1)，在每个角度采集形成一幅原始图像，直至在3个不同的角度下形成3幅原始图像；

3)将每一幅原始图像进行离散傅里叶变换，获得各幅原始图像的频谱Dn，其中Dn为第n张原始图像的频谱，n＝1,2,3；

4)计算每幅原始图像对应的结构光条纹的方向和相位，根据结构光条纹的方向和相位计算得到结构光条纹的频谱In，其中In为第n个结构光条纹的频谱；

5)样品的超分辨图像的频谱S，结构光照明超分辨显微成像系统的光学传递函数H，结构光条纹的频谱In和原始图像的频谱Dn满足下式：

$Dn=(In\⊗S)\·H$

其中为卷积，·为点乘；从上式得到，各幅原始图像的频谱Dn在各个像素上的值，均是超分辨图像的频谱S的多个像素的值的线性组合，其系数由In和H决定；故将上述公式改写为下述线性方程组：

d＝Ms

其中，向量d是所有原始图像的频谱的各个像素的值，一维向量s是样品的超分辨图像的频谱的各个像素的值，M是构造得到的稀疏卷积矩阵；

6)解上述线性方程组得到向量s，将一维向量s重排得到二维的样品的超分辨图像的频谱，然后通过傅里叶逆变换得到样品的超分辨图像。

9.如权利要求8的成像方法，其特征在于，在步骤2)中，所述旋转结构光生成器采用光栅、数字微镜阵列或空间光调制器；如果旋转结构光生成器采用光栅，则将光栅或者放置样品的载物台设置在旋转装置上，旋转装置以光轴为旋转轴，带动光栅或载物台能够360°旋转，从而带动光栅与样品之间发生相对角度变化，使得样品上的结构光条纹旋转至新的角度。如果旋转结构光生成器采用数字微镜阵列或空间光调制器，通过数字方式生成光条纹产生角度变化，使得样品上的结构光条纹旋转至新的角度。