一种基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦成像系统及成像方法与流程

本发明涉及光学显微技术领域，特别涉及一种基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦成像系统及成像方法。

背景技术：

激光扫描共聚焦显微镜成像具有层析特性，可以对样本分层成像，且具有较高的成像清晰度，在生物学和基础医学研究中得到广泛的应用。但由于受到光波衍射的限制，共聚焦显微镜的成像分辨率一般在200nm-300nm。为了提高共聚焦显微镜的成像分辨率，出现了多种方法，比较常见的是采用图像解卷积等后期图像处理方法，但是上述图像处理方法在提高共聚焦成像分辨率的同时会带来一些伪影。

技术实现要素：

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种分辨率高并避免图像伪影的基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦成像系统。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦成像系统，包括：激光器、径向偏振转换器、液晶空间光调制器、二色镜、扫描振镜、扫描透镜、筒镜、物镜、荧光滤光片、聚焦镜头、针孔、光电倍增管及控制单元，所述径向偏振转换器、所述液晶空间光调制器及所述光电倍增管均连接所述控制单元，其中：

所述激光器出射的激光光束经所述径向偏振转换器形成径向偏振光，所述径向偏振光经所述液晶空间光调制器后形成lg3,1模式的拉盖尔高斯光束，其中的3为拉盖尔光束的径向指数，1为其角向指数；

所述lg3,1模式的拉盖尔高斯光束入射进入所述二色镜，并经所述二色镜反射后进入所述扫描振镜，再依次经所述扫描透镜、所述筒镜及所述物镜后聚焦于样品处，并激发所述样品产生荧光光束；所述荧光光束依次经所述物镜、所述筒镜、所述扫描透镜及扫描振镜后入射进入所述二色镜，并经所述二色镜透射后进入所述荧光滤光片，再经所述聚焦镜头后进入位于所述聚焦镜头焦点处的针孔，并被所述光电倍增管探测，所述光电倍增管将探测的荧光转换成电信号，以形成基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦图像。

在一些较佳的实施例中，所述针孔的直径取值为0.2倍像方艾里斑直径。

另外，本发明还提供了一种基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦成像系统的成像方法，包括下述步骤：

所述激光器出射的激光光束经所述径向偏振转换器形成径向偏振光，所述径向偏振光经所述液晶空间光调制器后形成lg3,1模式的拉盖尔高斯光束，其中的3为拉盖尔光束的径向指数，1为其角向指数；

所述lg3,1模式的拉盖尔高斯光束入射进入所述二色镜，并经所述二色镜反射后进入所述扫描振镜，再依次经所述扫描透镜、所述筒镜及所述物镜后聚焦于样品处，并激发所述样品产生荧光光束；所述荧光光束依次经所述物镜、所述筒镜、所述扫描透镜及扫描振镜后入射进入所述二色镜，并经所述二色镜透射后进入所述荧光滤光片，再经所述聚焦镜头后进入位于所述聚焦镜头焦点处的针孔，并被所述光电倍增管探测，所述光电倍增管将探测的荧光转换成电信号，以形成基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦图像。

在一些较佳的实施例中，所述针孔的直径取值为0.2倍像方艾里斑直径。

本发明采用上述技术方案的优点是：

本发明提供的基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦成像系统及成像方法，在激光点扫描共聚焦成像照明光路中引入液晶空间光调制器和径向偏振转换器，通过径向偏振转换器在照明光路中引入径向偏振光，在液晶空间光调制器上形成lg3,1模式的拉盖尔高斯光束，进行共聚焦成像，得到基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦图像上述基于径向偏振光的高分辨差分共聚焦图像的点扩散函数光斑尺寸显著小于常规激光扫描共聚焦显微成像时的点扩散函数，因而具有较高的成像分辨率，并避免图像处理方法带来的伪影等弊端。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例1提供的基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦成像系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1和2提供的液晶空间光调制器生成lg3,1模式的拉盖尔高斯光束的相位分布图。

图3为本发明实施例1和2提供的lg3,1模式的拉盖尔高斯光束照明下的照明点扩散函数示意图。

图4为本发明实施例1和2提供的经过0.2倍像方艾里斑直径的针孔滤波后的综合点扩散函数示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1，为本发明实施1提供的一种基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦成像系统100的结构示意图，包括：激光器110、径向偏振转换器120、液晶空间光调制器130、二色镜140、扫描振镜150、扫描透镜160、筒镜170、物镜180、荧光滤光片190、聚焦镜头210、针孔220、光电倍增管230及控制单元240。

具体地，所述径向偏振转换器120、所述液晶空间光调制器130及所述光电倍增管230均连接所述控制单元240。

本发明提供的基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦成像系统100，其工作原理如下：

所述激光器110出射的激光光束经所述径向偏振转换器120形成径向偏振光，所述径向偏振光经所述液晶空间光调制器130后形成lg3,1模式的拉盖尔高斯光束，其中的3为拉盖尔光束的径向指数，1为其角向指数；

所述lg3,1模式的拉盖尔高斯光束入射进入所述二色镜140，并经所述二色镜140反射后进入所述扫描振镜150，再依次经所述扫描透镜160、所述筒镜170及所述物镜180后聚焦于样品a处，并激发所述样品a产生荧光光束；所述荧光光束依次经所述物镜180、所述筒镜170、所述扫描透镜160及扫描振镜150后入射进入所述二色镜140，并经所述二色镜140透射后进入所述荧光滤光片190，再经所述聚焦镜头210后进入位于所述聚焦镜头210焦点处的针孔220，并被所述光电倍增管230探测，所述光电倍增管230将探测的荧光转换成电信号，以形成基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦图像。

在一些较佳的实施例中，所述针孔的直径取值为0.2倍像方艾里斑直径。

上述实施例提供的基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦成像系统，光学成像物理过程为：

i为像分布，o为物分布，h为成像综合点扩散函数，为卷积算符。点扩散函数h的光斑直径越小，所得图像的分辨率越高。h由照明点扩散函数hill和探测点扩散函数hdet以及针孔形成，关系如下式：

请参阅图2，为本发明实施例1提供的液晶空间光调制器生成lg3,1模式的拉盖尔高斯光束的相位分布图，图中由黑到白代表相位由0到2π。

请参阅图3，为本发明实施例1提供的lg3,1模式的拉盖尔高斯光束照明下的照明点扩散函数hill，图4为经过0.2倍像方艾里斑直径的针孔滤波后的综合点扩散函数，上述图3和图4中，横向为点扩散函数的x轴坐标，纵向为点扩散函数的y轴坐标，单位都是μm，右侧亮度条为点扩散函数强度的对应标尺，通过图4可以看出该点扩散函数光斑尺寸显著小于常规激光扫描共聚焦显微成像时的点扩散函数，因而具有较高的成像分辨率。

本发明提供的基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦成像系统，在激光点扫描共聚焦成像照明光路中引入液晶空间光调制器和径向偏振转换器，通过径向偏振转换器在照明光路中引入径向偏振光，在液晶空间光调制器上形成lg3,1模式的拉盖尔高斯光束，进行共聚焦成像，得到基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦图像上述基于径向偏振光的高分辨差分共聚焦图像的点扩散函数光斑尺寸显著小于常规激光扫描共聚焦显微成像时的点扩散函数，因而具有较高的成像分辨率，并避免图像处理方法带来的伪影等弊端。

实施例2

本实施例2提供了一种基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦成像方法，工作步骤如下：

所述激光器110出射的激光光束经所述径向偏振转换器120形成径向偏振光，所述径向偏振光经所述液晶空间光调制器130后形成lg3,1模式的拉盖尔高斯光束，其中的3为拉盖尔光束的径向指数，1为其角向指数；

所述lg3,1模式的拉盖尔高斯光束入射进入所述二色镜140，并经所述二色镜140反射后进入所述扫描振镜150，再依次经所述扫描透镜160、所述筒镜170及所述物镜180后聚焦于样品a处，并激发所述样品a产生荧光光束；所述荧光光束依次经所述物镜180、所述筒镜170、所述扫描透镜160及扫描振镜150后入射进入所述二色镜140，并经所述二色镜140透射后进入所述荧光滤光片190，再经所述聚焦镜头210后进入位于所述聚焦镜头210焦点处的针孔220，并被所述光电倍增管230探测，所述光电倍增管230将探测的荧光转换成电信号，以形成基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦图像。

在一些较佳的实施例中，所述针孔的直径取值为0.2倍像方艾里斑直径。

上述实施例2提供的基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦成像系统，光学成像物理过程为：

i为像分布，o为物分布，h为成像综合点扩散函数，为卷积算符。点扩散函数h的光斑直径越小，所得图像的分辨率越高。h由照明点扩散函数hill和探测点扩散函数hdet以及针孔形成，关系如下式：

请再参阅图2，为本发明实施例2提供的液晶空间光调制器生成lg3,1模式的拉盖尔高斯光束的相位分布图，图中由黑到白代表相位由0到2π。

请再参阅图3，为本发明实施例2提供的lg3,1模式的拉盖尔高斯光束照明下的照明点扩散函数hill，图4为为本发明实施例2提供的经过0.2倍像方艾里斑直径的针孔滤波后的综合点扩散函数，通过图4可以看出该点扩散函数光斑尺寸显著小于常规激光扫描共聚焦显微成像时的点扩散函数，因而具有较高的成像分辨率。

本发明提供的基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦成像方法，在激光点扫描共聚焦成像照明光路中引入液晶空间光调制器和径向偏振转换器，通过径向偏振转换器在照明光路中引入径向偏振光，在液晶空间光调制器上形成lg3,1模式的拉盖尔高斯光束，进行共聚焦成像，得到基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦图像上述基于径向偏振光的高分辨差分共聚焦图像的点扩散函数光斑尺寸显著小于常规激光扫描共聚焦显微成像时的点扩散函数，因而具有较高的成像分辨率，并避免图像处理方法带来的伪影等弊端。

当然本发明的基于高阶拉盖尔光束的高分辨共聚焦成像还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。