一种微型光场显微系统及其成像方法

本发明涉及光学显微成像领域，特别是涉及一种微型光场显微系统及其成像方法。

背景技术：

1、记录自由行为动物的脑神经元活动，精准重建脑细胞在自然状态或外界刺激下的空时变化，为揭示大脑神经网络结构，探究大脑工作机理提供关键的研究手段。为实现自由行为动物的脑观测，重量极轻、体积极小的微型显微系统应运而生，能够方便地安装于哺乳动物例如小鼠头部进行在体的脑神经元观测。微型显微系统蓬勃发展，已经出现了包括微型宽场显微、微型双光子显微、微型光片显微、微型共聚焦显微、微型光场显微等众多观测技术。但脑神经元在三维脑组织中广泛分布，且神经元信号迅速变化，因此基于扫描成像的微型双光子显微、微型光片显微、微型共聚焦显微难以满足三维快速时变神经元信号的观测需求；而微型光场显微凭借同步快速三维记录能力在三维脑神经元观测领域展现出无可替代的优势，成为在体脑神经元观测的有力工具。

2、但现有微型光场显微的光场图像中包含严重的散射噪声，信噪比差；受散射噪声的影响，成像深度骤减；且重建分辨率差，难以实现脑组织中精细结构的观测，严重阻碍了对散射脑组织的观测。

技术实现思路

1、为解决现有微型光场显微系统的成像信噪比、成像深度和重建分辨率较低的问题，本发明提出了一种微型光场显微成像方法及系统。

2、本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

3、一种微型光场显微系统，包括激光耦合模块、微型光照调制模块、微型激发模块、微型光场荧光成像模块；

4、所述激光耦合模块用于发出激光信号并将所述激光信号传导到所述微型光照调制模块；

5、所述微型光照调制模块用于对所述激光信号进行调制，生成计算光照，并将所述计算光照传导到所述微型激发模块；

6、所述微型激发模块用于将所述计算光照传递至样本端，对样本进行荧光激发，产生样本荧光信号，并传导到所述微型光场荧光成像模块；

7、所述微型光场荧光成像模块用于对样本荧光信号进行光场成像，从而得到基于计算光照的样本图像。

8、在一些实施例中，所述激光耦合模块包括光纤耦合激光器、光纤开关和若干条光纤；

9、所述光纤耦合激光器用于发出激光信号；所述光纤开关用于分配所述激光信号至所述光纤，并且控制相应光纤内激光信号是否通过，以及调控多个光纤内激光信号的通过时序与频率；所述光纤用于将所述激光信号传导到达所述微型光照调制模块。

10、在一些实施例中，所述微型激发模块包括透镜、光阑、激发光滤光片、二向色镜、渐变折射率透镜；

11、所述计算光照依次通过透镜、光阑、激发光滤光片、二向色镜、渐变折射率透镜到达样本端。

12、在一些实施例中，所述微型光场荧光成像模块包括渐变折射率透镜、二向色镜、发射光滤光片、消色差透镜、微透镜阵列、相机；

13、所述样本荧光信号经由渐变折射率透镜、二向色镜、发射光滤光片、消色差透镜、微透镜阵列后在相机上成像。

14、在一些实施例中，所述光纤耦合激光器包括至少一个具有不同激发波长的光源。

15、在一些实施例中，所述微型光照调制模块包括若干个相位调制单元，所述相位调制单元用于对所述激光信号进行相位调制。

16、在一些实施例中，所述相位调制单元的数量为3-15个。

17、在一些实施例中，所述光阑设置在所述透镜的傅里叶面，其仅通过计算光照的一级衍射光。

18、在一些实施例中，所述微型光场荧光成像模块包括伽利略型聚焦式成像光路、开普勒型聚焦式成像光路、散焦式成像光路或傅里叶式成像光路。

19、本发明还提出了一种微型光场显微成像方法，包括以下步骤：

20、s1：利用激光耦合模块发出并耦合激光信号，将其传导至微型光照调制模块；

21、s2：利用微型光照调制模块对所述激光信号进行振幅调制或相位调制生成计算光照，并将所述计算光照传导到微型激发模块；

22、s3：利用微型激发模块接收的所述计算光照对样本进行荧光激发产生样本荧光信号；

23、s4：利用微型光场荧光成像模块接收所述样本荧光信号，并对所述样本荧光信号进行光场成像。

24、本发明与现有技术对比的有益效果包括：

25、本发明将计算光照微型化，通过计算光照对样本进行荧光激发，基于计算光照与样本信号的相互作用，结合拍频成像原理，可将微型光场显微系统成像频谱以外的高频信息移频至系统成像光学传递函数的频域范围以内，从而扩大微型光场显微的等效成像频谱范围，提升成像分辨率。而且，基于计算光照的波动成像原理，可有效抑制背景荧光噪声，进而提升微型光场显微成像的信噪比与成像深度，实现高性能三维成像。

26、在一些实施例中，基于光场显微的成像原理，通过光场显微中的微透镜阵列对样本信号的角度信息进行分解，同时采集二维空间信息与二维角度信息，能够实现单次曝光内观测对象多维信息的采集，进而能够重建出观测对象的三维信息。

27、本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。

技术特征：

1.一种微型光场显微系统，其特征在于，包括激光耦合模块、微型光照调制模块、微型激发模块、微型光场荧光成像模块；

2.如权利要求1所述微型光场显微系统，其特征在于，所述激光耦合模块包括光纤耦合激光器(1)、光纤开关(2)和若干条光纤(3)；

3.如权利要求1所述微型光场显微系统，其特征在于，所述微型激发模块包括透镜(5)、光阑(6)、激发光滤光片(7)、二向色镜(10)、渐变折射率透镜(9)；

4.如权利要求1所述微型光场显微系统，其特征在于，所述微型光场荧光成像模块包括渐变折射率透镜(9)、二向色镜(10)、发射光滤光片(11)、消色差透镜(12)、微透镜阵列(13)、相机(14)；

5.如权利要求2所述的微型光场显微系统，其特征在于，所述光纤耦合激光器(1)包括至少一个具有不同激发波长的光源。

6.如权利要求1所述的微型光场显微系统，其特征在于，所述微型光照调制模块包括若干个相位调制单元，所述相位调制单元用于对所述激光信号进行相位调制。

7.如权利要求6所述的微型光场显微系统，其特征在于，所述相位调制单元的数量为3-15个。

8.如权利要求3所述的微型光场显微系统，其特征在于，所述光阑设置在所述透镜的傅里叶面，其仅通过计算光照的一级衍射光。

9.如权利要求4所述的微型光场显微系统，其特征在于，所述微型光场荧光成像模块包括伽利略型聚焦式成像光路、开普勒型聚焦式成像光路、散焦式成像光路或傅里叶式成像光路。

10.一种微型光场显微成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开一种微型光场显微系统及其成像方法，该系统包括激光耦合模块用于发出激光信号并将其传导到微型光照调制模块；微型光照调制模块用于对激光信号进行调制，生成计算光照并将其传导到微型激发光路；微型激发光路用于将计算光照传递至样本端，对样本进行荧光激发，产生样本荧光信号并传导到微型光场荧光成像光路；微型光场荧光成像光路用于对样本荧光信号进行光场成像。本发明可将微型光场显微系统成像频谱以外的高频信息移频至系统成像光学传递函数的频域范围以内，扩大微型光场显微的等效成像频谱范围，提升成像分辨率。基于计算光照的波动成像原理，有效抑制背景荧光噪声，提升微型光场显微成像的信噪比与成像深度，实现高性能三维成像。

技术研发人员：金欣,邢悦
受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25