一种结构光产生装置及结构光照明显微镜

摘要

本发明提供了一种结构光产生装置及结构光照明显微镜，该结构光产生装置可以快速产生高质量的不同方向和不同相位状态的结构光，有效消除了结构光产生过程中相位移动和方向切换的时间，让图像采集速度不受到结构光产生速度的限制。并且，该结构光产生装置具有通用性，对于N个方向(如互成90度的两个方向，或互成120度的三个方向等)，以及M步相位移动(如三步相位移动或五步相位移动等)的结构光产生均可使用该结构光产生装置。

权利要求

1.一种结构光产生装置，其特征在于，所述结构光产生装置包括：N组结构光产生单元，所述N组结构光产生单元之间的角度为360/N度，以使所述N组结构光产生单元生成的结构光条纹在待测样品表面互成360/N度，N≥2，且为正整数；

其中，所述结构光产生单元包括：光源、光场调制器件和光路耦合器件；

当其中一组所述结构光产生单元处于照明状态时，其余组所述结构光产生单元处于非照明状态，且其余组所述结构光产生单元中的光场调制器件进行相位移动。

2.根据权利要求1所述的结构光产生装置，其特征在于，所述N组结构光产生单元中的光场调制器件的相位起始位置相同，均为第一相位状态。

3.根据权利要求2所述的结构光产生装置，其特征在于，当对第一组结构光产生单元进行第一相位状态上的图像采集时，打开所述第一组结构光产生单元中的光源；

其余组所述结构光产生单元中的光源均处于关闭状态。

4.根据权利要求3所述的结构光产生装置，其特征在于，当对所述第二组结构光产生单元进行第一相位状态上的图像采集时，打开所述第二组结构光产生单元中的光源；

其余组所述结构光产生单元中的光源均处于关闭状态，且所述第一组结构光产生单元中的光场调制器件向第二或其它相位状态移动。

5.根据权利要求4所述的结构光产生装置，其特征在于，当N组所述结构光产生单元在所述第一相位状态上的图像采集均已完成时，打开所述第一组结构光产生单元中的光源，进行第一组结构光产生单元在所述第二或其它相位状态上的图像采集；

其余组所述结构光产生单元中的光源均处于关闭状态，且其余组所述结构光产生单元中的光场调制器件进行相位移动，直至位于所述第二或其它相位状态。

6.根据权利要求5所述的结构光产生装置，其特征在于，P为任一组所述结构光产生单元中的光场调制器件所需移动相位数，当N组所述结构光产生单元在所述第p‑1相位状态上的图像采集均已完成时，

打开所述第一组结构光产生单元中的光源，进行第一组结构光产生单元在所述第p相位状态上的图像采集；

其余组所述结构光产生单元中的光源均处于关闭状态，且其余组所述结构光产生单元中的光场调制器件进行相位移动，直至位于所述第p相位状态；

持续进行图像采集，直至N组所述结构光产生单元在所述第p相位状态上的图像采集均已完成。

7.根据权利要求1所述的结构光产生装置，其特征在于，所述结构光产生装置还包括：N个电源开关；

其中，每个所述电源开关分别相对应控制一个所述电源。

8.根据权利要求1所述的结构光产生装置，其特征在于，所述光源为LED光源。

9.根据权利要求1所述的结构光产生装置，其特征在于，所述位移台为压电位移平台。

10.一种结构光照明显微镜，其特征在于，所述结构光照明显微镜包括如权利要求1‑9任一项所述的结构光产生装置。

说明书

一种结构光产生装置及结构光照明显微镜

技术领域

[0001] 本发明涉及显微技术领域，更具体地说，涉及一种结构光产生装置及结构光照明显微镜。

背景技术

[0002] 结构光照明显微镜是一种常用的突破衍射极限的显微成像技术，利用该技术可实现活细胞内亚细胞器的高时空分辨观察。

[0003] 结构光照明显微镜以其快速的数据采集率、低激发光强、高时空分辨率以及对细胞低光毒性等性能成为最合适观察活细胞的超分辨率显微成像技术。

[0004] 利用该技术合成一张超分辨率图像时需要产生多种结构光照明模态，这就导致系统成像速度受到结构光产生速度的限制。准确地捕捉快速移动的结构光对于研究活细胞的
动态过程是至关重要的，慢的采集速度会导致运动引起的伪影并且会遗漏快速的动态过
程，从而产生错误的生物医学研究结论。

[0005] 传统的结构光照明显微镜中，由投射光栅产生相干光束并产生结构化的照明团，使用旋转台旋转光栅可实现不同方向的结构光产生，使用压电位移台平移光栅产生结构光
的相位移动，然而，机械式的改变结构光的照明模态严重的限制了结构光显微技术的成像
速度，例如，商用尼康NSIM显微系统的帧速率只有一帧每秒。

[0006] 空间光调制器和数字显微阵列作为光电信息处理器件可以电控的实现光场分布的快速调制，在一定程度上提高了结构光产生的速度。但是，利用这些器件在进行结构光模
态的切换时是无法进行图像采集的，并且，空间光调制器和数字显微阵列等器件的光利用
率也极低，延长系统的曝光时间才能获得同等质量的图像，因此，这些技术虽然在结构光模
态切换上节约了时间，但是也需要延长曝光时间，从而间接制约了系统的成像速度。

[0007] 因此，如何提供一种可以快速产生结构光的技术，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

[0008] 有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种结构光产生装置及结构光照明显微镜，技术方案如下：

[0009] 一种结构光产生装置，所述结构光产生装置包括：N组结构光产生单元，所述N组结构光产生单元之间的角度为360/N度，以使所述N组结构光产生单元生成的结构光条纹在待
测样品表面互成360/N度，N≥2，且为正整数；

[0010] 其中，所述结构光产生单元包括：光源、光场调制器件和光路耦合器件；

[0011] 当其中一组所述结构光产生单元处于照明状态时，其余组所述结构光产生单元处于非照明状态，且其余组所述结构光产生单元中的光场调制器件进行相位移动。

[0012] 优选的，在上述结构光产生装置中，所述N组结构光产生单元中的光场调制器件的相位起始位置相同，均为第一相位状态。

[0013] 优选的，在上述结构光产生装置中，当对第一组结构光产生单元进行第一相位状态上的图像采集时，打开所述第一组结构光产生单元中的光源；

[0014] 其余组所述结构光产生单元中的光源均处于关闭状态。

[0015] 优选的，在上述结构光产生装置中，当对所述第二组结构光产生单元进行第一相位状态上的图像采集时，打开所述第二组结构光产生单元中的光源；

[0016] 其余组所述结构光产生单元中的光源均处于关闭状态，且所述第一组结构光产生单元中的光场调制器件向第二或其它相位状态移动。

[0017] 优选的，在上述结构光产生装置中，当N组所述结构光产生单元在所述第一相位状态上的图像采集均已完成时，

[0018] 打开所述第一组结构光产生单元中的光源，进行第一组结构光产生单元在所述第二或其它相位状态上的图像采集；

[0019] 其余组所述结构光产生单元中的光源均处于关闭状态，且其余组所述结构光产生单元中的光场调制器件进行相位移动，直至位于所述第二或其它相位状态。

[0020] 优选的，在上述结构光产生装置中，当N组所述结构光产生单元在所述第p‑1相位状态上的图像采集均已完成时，

[0021] 打开所述第一组结构光产生单元中的光源，进行第一组结构光产生单元在所述第p或其它相位状态上的图像采集；

[0022] 其余组所述结构光产生单元中的光源均处于关闭状态，且其余组所述结构光产生单元中的光场调制器件进行相位移动，直至位于所述第p或其它相位状态；

[0023] 持续进行图像采集，直至N组所述结构光产生单元在所述第p或其它相位状态上的图像采集均已完成。

[0024] 优选的，在上述结构光产生装置中，所述结构光产生装置还包括：N个电源开关；

[0025] 其中，每个所述电源开关分别相对应控制一个所述电源。

[0026] 优选的，在上述结构光产生装置中，所述光源为LED光源。

[0027] 优选的，在上述结构光产生装置中，所述位移台为压电位移平台。

[0028] 一种结构光照明显微镜，所述结构光照明显微镜包括上述任一项所述的结构光产生装置。

[0029] 相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

[0030] 本发明提供的一种结构光产生装置包括：N组结构光产生单元，所述N组结构光产生单元之间的角度为360/N度，以使所述N组结构光产生单元生成的结构光条纹在待测样品
表面互成360/N度，N≥2，且为正整数；其中，所述结构光产生单元包括：光源、光场调制器件
和光路耦合器件；当其中一组所述结构光产生单元处于工作状态时，其余组所述结构光产
生单元处于非工作状态，且其余组所述结构光产生单元中的光场调制器件进行相位移动。

[0031] 也就是说，该结构光产生装置可以快速产生高质量的不同方向和不同相位状态的结构光，有效消除了结构光产生过程中相位移动和方向切换的时间，让图像采集速度不受
到结构光产生速度的限制。

[0032] 并且，该结构光产生装置具有通用性，对于N个方向(如互成90度的两个方向，或互成120度的三个方向等)，以及M步相位移动(如三步相位移动或五步相位移动等)的结构光
产生均可使用该结构光产生装置。

附图说明

[0033] 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
提供的附图获得其他的附图。

[0034] 图1为本发明实施例提供的一种结构光产生装置的结构示意图。

具体实施方式

[0035] 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他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0036] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0037] 参考图1，图1为本发明实施例提供的一种结构光产生装置的结构示意图。

[0038] 所述结构光产生装置包括：N组结构光产生单元，所述N组结构光产生单元之间的角度为360/N度，以使所述N组结构光产生单元生成的结构光条纹在待测样品表面互成360/
N度，N≥2，且为正整数；

[0039] 其中，所述结构光产生单元包括：光源、光场调制器件和光路耦合器件；

[0040] 当其中一组所述结构光产生单元处于照明状态时，其余组所述结构光产生单元处于非照明状态，且其余组所述结构光产生单元中的光场调制器件进行相位移动。

[0041] 需要说明的是，在本发明实施例中，所述N组结构光产生单元之间的角度也可以是自定义的其它角度，以使所述N组结构光产生单元生成的结构光条纹在待测样品表面互成
相对应的角度即可。

[0042] 并且，图1中所示的光路耦合器件以反射的光路耦合器件为例说明，其还可以为透射的光路耦合器件。

[0043] 在该实施例中，该结构光产生装置可以快速产生高质量的不同方向和不同相位状态的结构光，有效消除了结构光产生过程中相位移动和方向切换的时间，让图像采集速度
不受到结构光产生速度的限制。

[0044] 并且，该结构光产生装置具有通用性，对于N个方向(如互成90度的两个方向，或互成120度的三个方向等)，以及M步相位移动(如三步相位移动或五步相位移动等)的结构光
产生均可使用该结构光产生装置。

[0045] 具体的，对于一幅结构光照明显微镜所采集的超分辨率图像而言，结构光需要在360度内分为N个方向，每两个方向之间互成360/N度夹角；每个方向上的结构光条纹又需要
在一个光场调制器件(光栅)周期内移动p个相位，所以共需要采集N*p幅图像进行合成。

[0046] 那么，结构光照明显微镜每拍摄一幅生物样本的超分辨率图像都需要N个条纹方向上的结构光条纹各位移p次，共N*p种结构光照明模态。

[0047] 在本申请中，光源发出的光经过装夹在位移台上的结构光发生器件(本申请中以光栅为例进行说明)，通过光路耦合器(如二向色镜)进入照明光路最终在样品平面上形成
结构光照明。

[0048] N路通道上的结构光产生单元按照互成360/N度的方向进行安装，这样就可以在样品表面产生互成360/N度的结构光照明条纹。

[0049] 通过对进入光路的光源进行开关控制，可以实现不同方向的结构光条纹的转换，从而避免了传统技术需要机械旋转所耗费的时间。该不同方向结构光条纹的切换速度仅仅
为光源开关的速度，而光源开关的速度可以做到极快(例如微秒量级)，从而实现结构光方
向的快速切换。

[0050] 在每个通道中，通过位移台带动光栅位移1/p个光栅相位，可以实现对每个方向上的结构光条纹的相位移动，当其中一个通道进行结构光模态采集时，其它p‑1个通道的位移
台提前进行光栅相位位移，这样在切换到其它通道的时候，位移台已经位移就绪，从而避免
光栅相位移动所消耗的时间。

[0051] 进而可知，该结构光产生装置可以消除结构光产生过程中相位移动和方向切换的时间，从而实现了高质量的快速结构光产生。

[0052] 进一步的，基于本发明上述实施例，所述N组结构光产生单元中的光场调制器件的相位起始位置相同，均为第一相位状态。

[0053] 在该实施例中，在安装固定的初始位置，可以将所述N组结构光产生单元中的光场调制器件起始位置相同，均为第一相位状态，以方便直接进行第一相位状态的图像采集。

[0054] 进一步的，基于本发明上述实施例，当对第一组结构光产生单元进行第一相位状态上的图像采集时，打开所述第一组结构光产生单元中的光源；

[0055] 其余组所述结构光产生单元中的光源均处于关闭状态。

[0056] 当对所述第二组结构光产生单元进行第一相位状态上的图像采集时，打开所述第二组结构光产生单元中的光源；

[0057] 其余组所述结构光产生单元中的光源均处于关闭状态，且所述第一组结构光产生单元中的光场调制器件向第二或其它相位状态移动。

[0058] 在该实施例中，当对对第一组结构光产生单元进行第一相位状态上的图像采集时，只需打开所述第一组结构光产生单元中的光源即可，其余组所述结构光产生单元中的
光源均处于关闭状态。

[0059] 在下一个流程中，对第二组结构光产生单元进行第一相位状态上的图像采集时，只需打开所述第二组结构光产生单元中的光源即可，其余组所述结构光产生单元中的光源
均处于关闭状态，并且所述第一组结构光产生单元中的光场调制器件向第二或其它相位状
态移动。

[0060] 类似上述流程，在第N个流程中，仅打开第N组结构光产生单元中的光源即可，其它组结构光产生单元中的光场调制器件均向第二或其它相位状态移动即可，且相对于的光源
均为关闭状态。

[0061] 进一步的，基于本发明上述实施例，当N组所述结构光产生单元在所述第一相位状态上的图像采集均已完成时，

[0062] 打开所述第一组结构光产生单元中的光源，进行第一组结构光产生单元在所述第二相位状态上的图像采集；

[0063] 其余组所述结构光产生单元中的光源均处于关闭状态，且其余组所述结构光产生单元中的光场调制器件进行相位移动，直至位于所述第二或其它相位状态。

[0064] 在该实施例中，当所有方向的结构光在第一相位状态上的图像采集均已完成时，开始进入下一个相位状态(第二相位状态)的图像采集。

[0065] 由于，在第一相位状态的采集过程中，第一组结构光产生单元中的光场调制器件已移动至第二相位状态，因此，此时只需打开第一组结构光产生单元中的光源即可，进行第
一组结构光产生单元在所述第二相位状态上的图像采集。

[0066] 当第二组结构光产生单元中的光场调制器件移动到第二相位状态时，仅打开第二组结构光产生单元中的光源即可，进行第二组结构光产生单元在所述第二相位状态上的图
像采集。

[0067] 类似上述流程，在第N个流程中，当第N组结构光产生单元中的光场调制器件移动到第二相位状态时，仅打开第N组结构光产生单元中的光源即可，其它组结构光产生单元中
的光场调制器件均向下一个相位状态移动即可，且相对于的光源均为关闭状态。

[0068] 进一步的，基于本发明上述实施例，当N组所述结构光产生单元在所述第p‑1相位状态上的图像采集均已完成时，

[0069] 打开所述第一组结构光产生单元中的光源，进行第一组结构光产生单元在所述第p相位状态上的图像采集；

[0070] 其余组所述结构光产生单元中的光源均处于关闭状态，且其余组所述结构光产生单元中的光场调制器件进行相位移动，直至位于所述第p或其它相位状态；

[0071] 持续进行图像采集，直至N组所述结构光产生单元在所述第p或其它相位状态上的图像采集均已完成。

[0072] 在该实施例中，当所有方向的结构光在第二相位状态采集完成后，类似上述的流程，一直进行到第p相位的图像采集。

[0073] 由于第一组结构光产生单元中的光场调制器件，在第p‑1相位状态的采集过程中，其一直进行移动直至第p相位状态，那么，此时只需打开所述第一组结构光产生单元中的光
源，进行第一组结构光产生单元在所述第p相位状态上的图像采集。

[0074] 在第一组结构光产生单元在所述第p相位状态上的图像采集的过程中，其余组结构光产生单元中的光场调制器件进行相位移动，直至位于所述第p相位状态，持续进行图像
采集，直至N组所述结构光产生单元在所述第p相位状态上的图像采集均已完成。

[0075] 当一个完整的结构光方向和相位所有状态均采集完成后，且在第p相位状态的图像采集过程中，第1组‑第N‑1组结构光产生单元中的光场调制器件均开始向下一个第一相
位状态进行移动。

[0076] 进一步的，基于本发明上述实施例，所述结构光产生装置还包括：N个电源开关；

[0077] 其中，每个所述电源开关分别相对应控制一个所述电源。

[0078] 所述光源为LED光源。

[0079] 在该实施例中，可选的，所述光源包括但不限定于LED光源，其开关速度可以是微秒量级。

[0080] 进一步的，基于本发明上述实施例，所述位移台为压电位移平台。

[0081] 在该实施例中，所述位移台包括但不限定于压电位移平台，其开环响应时间可以达到亚毫秒级。

[0082] 进一步的，基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种结构光照明显微镜，所述结构光照明显微镜包括上述所述的结构光产生装置。

[0083] 以上对本发明所提供的一种结构光产生装置及结构光照明显微镜进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只
是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发
明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理
解为对本发明的限制。

[0084] 需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相
关之处参见方法部分说明即可。

[0085] 还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间
存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵
盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，
或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，
由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备
中还存在另外的相同要素。

[0086] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明
将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一
致的最宽的范围。