CN109358030B - 一种具有自动对准功能的多色超分辨显微镜系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有自动对准功能的多色超分辨显微镜系统，属于显微成像领域，该系统将激发光束和抑制光束耦合进同一根单模保偏光纤中形成混合光束，混合光束经由相位调制组件进行相位调制时，仅仅对抑制光束起作用，而激发光束不受影响。该系统可以避免由于光束漂移对超分辨显微镜系统性能产生影响，简化了系统结构，增加了系统稳定性。同时，与已有方法相比，本发明所公开的系统可以很方便地实现多色成像。
Description
技术领域
本发明涉及显微成像领域，具体地说，涉及一种具有自动对准功能的多色超分辨显微镜系统。
背景技术
与绝大部分光学成像一样，自从显微镜被发明以来，阿贝衍射极限也一直制约着显微系统分辨率的提高。早期的显微系统均为宽场成像系统，成像分辨能力有限。这一情况直到共聚焦显微系统(Confocal Microscope)发明后才得到一定的改善。共聚焦显微的基本概念在1957年由Marvin Minsky提出(参见《Microscopy Apparatus》，美国专利US3013467A)，但直到1978年该技术才真正得以仪器化(参见Christoph Cremer等《Considerations on a laser-scanning-microscope with high resolution and depthof field》，Microscopia Acta 81，31-44(1978))。与传统的宽场显微系统相比，共聚焦显微系统采用扫描成像的方式，在与成像物面共轭的焦平面上放置一个针孔(Pinhole)对非成像点周围的杂散光进行遮挡，从而有效地限制了系统的有效点扩散函数。通过系统的光学传递函数分析可以证明，使用共聚焦方法，能够在系统的极限分辨率提高约1.4倍。
近年来，随着受激发射损耗显微技术(Stimulated Emission Depletion(STED)microscopy)的提出(参见Stefan W.Hell等Breaking the Diffraction ResolutionLimit by Stimulated-Emission-Stimulated-Emission-Depletion FluorescenceMicroscopy，Optics Letters 19，780-782，1994)，远场光学显微成像的分辨率得到更大的改进，其分辨率被进一步推进达到纳米量级，可以在活细胞上看到纳米尺度的蛋白质，从而从物理上打破了衍射光学极限。其具体原理是：基于传统共焦显微技术，对荧光标记进行荧光激发，与此同时用另一束高强度同轴激光光束形成空心聚焦暗斑，对荧光标记周围的衍射弥散发光进行抑制，这样只有中心点的荧光激发现象可以被观察到，从而打破衍射极限，达到超分辨显微成像的目的。
虽然STED显微技术有效地提高了光学荧光显微系统的成像分辨能力，但是由于其理论本身的限制，需要在原有激发光的基础上增加一束抑制光束，并且要求两束激光在整个成像过程中保持完美对准，以保证最优的图像显示效果。但是，由于激光在传输过程中产生的高热量易引发系统器件变形、操作环境中温度湿度变化造成的空气折射率不均匀等原因，激光光束容易产生能量漂移、平行偏移、角向偏移和光束准直度下降等问题，并随着时间的推移该现象会愈发严重，极大地影响显微镜的精度，甚至影响设备的使用寿命。因此，保证激发光与抑制光的对准一直是STED显微镜中的难点。
为了解决上述问题，其中一个方案是在设备使用过程中对激光光束进行监控并对产生的偏移进行实时调整与补偿。为此，科研工作者为此也进行了大量的工作，如赵维谦(参见《光束漂移量快速反馈控制式高精度激光准直方法及装置》，中国专利ZL200410033610.8)、匡翠方(参见《一种光束漂移实时自动校正补偿的方法和装置》，中国专利ZL 201110338933.8)等都曾经提出过具有类似功能的设计。然而，由于上述方法都需要在原有显微镜架构上增加额外元件用以实现对光束的监控与漂移补偿，因此都增大了系统复杂性和成本。
一个更为直接的解决办法是将激发光和抑制光耦合进同一根光纤中，从而实现两束激光的自动对准。然而，由于通常抑制光需要额外的位相调制以优化相应的点扩散函数，如何避免位相调制对于激发光的影响成为使用该方案的瓶颈。Matthias Reuss等在2010年提出的基于波片的easySTED设计方案在一定程度上解决了上述问题(参见Matthias Reuss等，《Birefringent device converts a standard scanning microscope into a STEDmicroscope that also maps molecular orientation》，Optics Express 18，1049-1058，2010)。然而，由于波片自身并非具有波长选择特性的光学器件，为了尽量减小对于激发光的影响，只能根据波片的色散曲线将激发光波长限制在很窄的范围内。因此，easySTED架构仅适用于单色超分辨显微成像。
发明内容
本发明的目的为提供一种具有自动对准功能的多色超分辨显微镜系统，在保证STED显微镜自动对准功能的同时，兼顾它的多色成像功能，同时不增加额外器件，降低系统复杂度。
为了实现上述目的，本发明提供的具有自动对准功能的多色超分辨显微镜系统包括照明单元和探测单元，照明单元包括激发光光源和抑制光光源，激发光光源发出的激发光束和抑制光光源发出的抑制光束经合束元件合成为一束混合光，沿混合光的光路依次设置有单模保偏光纤、用于对抑制光束的相位进行调制的相位调制组件、第一二色镜、第一望远组件、扫描组件、第二望远组件、显微物镜和样品台；抑制光束的光路上设有将抑制光束分束为相互垂直的两个偏振分量并对两个偏振分量产生位相延迟以破坏两个分量间相干性的相对位相延迟组件；探测单元包括设置在第一二色镜的反射光路上的成像组件，成像组件通讯连接至计算机，且包括至少一个成像模块；样品经混合光激发长生荧光信号并沿原路返回至第一二色镜后反射至所述成像组件，成像组件将光信号转换为电信号并传送至所述计算机，计算机对其进行读取并还原成荧光图像。
上述技术方案中，来自抑制光光源的抑制光束从相对位相延迟组件输出后到达合束元件，与来自激发光激光光源的激发光束合并为混合光束。混合光束被耦合进单模保偏光纤中，经过单模保偏光纤后出射的混合光束依次经过相位调制组件、第一望远组件、扫描组件和第二望远组件，入射到显微物镜后被聚焦到到放置于样品台上的样品内。来自样品的荧光被显微物镜反向收集后，沿原路返回，最后被二色镜反射进入成像组件，通过计算机处理后形成观察图像。
本发明中合束元件的作用是将激发光束和抑制光束合并为混合光束，有多种实现方案；作为优选，合束元件选择对激发光束波长反射、而对抑制光束波长透射的二色镜。
作为优选，激发光束的光路上设有用于选择激发光束的波长并调制对应波长的透射光强的第一光调制器，抑制光束的光路上设有用于调制抑制光束的透射光强的第二光调制器。第一光调制器优选为声光可调协滤光片，所需要的激发光波长由样品中所用荧光染料确定，优选波长包括485nm、590nm和650nm。第二光调制器优选为声光调制器。
作为优选，相对位相延迟组件包括将抑制光束分为水平偏振分量和垂直偏振分量的第一偏振分光器、用于改变水平偏振分量方向的第一反射镜、用于改变垂直偏振分量方向的第二反射镜、以及对水平偏振分量和所述垂直偏振分量进行合束的第二偏振分光器。
为了使水平偏振分量的偏振方向与单模保偏光纤快轴方向平行，作为优选，相对位相延迟组件还包括用于旋转所述抑制光束的水平偏振分量的偏振方向的1/2波片。
作为优选，相位调制组件包括沿光路依次设置的第四反射镜、空间光调制器、第二1/4波片、第三透镜、第五反射镜；第三透镜位于空间光调制器与第五反射镜的中间位置，且第三透镜的焦距等于第三透镜到第五反射镜之间的距离。
混合光束首先到达空间光调制器的第一相位图区域，并对混合光束中抑制光部分的水平偏振分量进行一次相位调制；然后混合光束依次经过第二1/4波片和第三透镜，随后经第五反射镜反射后返回，经过第三透镜和第二1/4波片后，再次到达空间光调制器的第二相位图区域进行二次相位调制；二次位相调制针对混合光束中抑制光部分的垂直偏振分量；经过调制后的抑制光被显微物镜聚焦后，聚焦光斑内光强围绕焦点呈中空分布。
其中，空间光调制器只对单一方向线偏振光具有相位调制作用，对应工作波长范围为750～850nm，对应工作波长范围外的其它可见光波段仅表现为高反射率效果，优选为日本Hamamatsu公司的X10468-02型空间光调制器。空间光调制器的第一、第二相位图为圆形，处于整个空间光调制器有效区域的水平居中位置，两个相位图位置可交换，半径与相位调制组件有效孔径等大。
扫描组件的作用是改变混合光束在显微物镜入瞳处的偏转角使混合光束焦点在样品内部显微物镜焦平面上二维扫描，有多种实现方案，作为优选，扫描组件包括沿光路依次布置的第一扫描镜、第二扫描镜和第三扫描镜，第一扫描镜的扫描方向与第二扫描镜、第三扫描镜的扫描方向垂直。第一扫描镜与扫描组件有效孔径等大，扫描方向与第二扫描镜和第三扫描镜垂直。第一扫描镜扫描频率快于第二扫描镜和第三扫描镜。作为优选，第一扫描镜、第二扫描镜和第三扫描镜的扫描频率分别为15KHz、0.1KHz和0.1KHz。
作为优选，第一望远组件和第二望远组件均包含两个凸面向背设置且共焦的凸透镜。用于扩束(或者缩小光束)准直并维持系统中扫描组件和显微物镜后焦平面的共轭关系，其放大倍率等于显微物镜入瞳大小除以扫描组件有效孔径。
作为优选，成像模块包括用于分离当前成像模块探测荧光信号与后续成像模块荧光信号的第二二色镜、用于过滤不属于探测通道光谱外的杂散光信号的滤光器、将收集的荧光聚焦到光子计数器上的第四透镜以及根据收集到的荧光光子数将荧光信号线性转换为电信号的光子计数器。
作为优选，光子计数器为雪崩式发光二极管或光电倍增管。
样品台用于承载样品，并提供三维移动能力，作为优选，样品台的二维径向移动范围大于5mm，轴向移动范围大于100μm，移动精度小于1μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)简化现有系统光学原件数量、结构简单、系统稳定；
(2)实现难度低，成本便宜；
(3)可以获得多色荧光成像能力。
附图说明
图1为本发明实施例中具有自动对准功能的多色超分辨显微镜系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中相对位相延迟组件的结构示意图；
图3为本发明实施例中相位调制组件的结构示意图；
图4为本发明实施例的空间光调制器的结构示意图；
图5为本发明实施例中扫描组件的结构示意图；
图6为本发明实施例中成像组件的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。
实施例
参见图1至图6，本实施例的自动对准功能的多色超分辨显微镜系统包括：
激发光光源1、抑制光光源2、第一光调制器3、第二光调制器4、相对位相延迟组件5、合束元件6、第一1/2波片7、第一透镜8、单模保偏光纤9、第二透镜10、第二1/2波片11、相位调制组件12、第一二色镜13、第一望远组件14、扫描组件15、第二望远组件16、第一反射镜17、第一1/4波片18、显微物镜19、样品台20、成像组件21和计算机22。所有光学元件和荧光样品均位于同轴光路上。
本实施例中，来自激发光光源1的激发光束经过第一光调制器3后到达合束元件6。来自抑制光光源2的抑制光束通过第二光调制器4后到达相对位相延迟组件5；从相对位相延迟组件5输出后到达合束元件6。激发光束和抑制光束通过合束元件6合并为混合光束。混合光束经过第一1/2波片7后，再经过第一透镜8聚焦耦合进单模保偏光纤9中。经过单模保偏光纤9后出射的混合光束经过第二透镜10重新扩束准直，经过扩束准直的混合光束，经过第二1/2波片11到达相位调制组件12。从相位调制组件12输出的混合光束透射穿过第一二色镜13后，再经过第一望远组件14到达扫描组件15。从扫描组件15出射后的混合光束经过第二望远组件16后，被第一反射镜17折转，再经过第一四分之一波片18后入射显微物镜19，最后被聚焦到放置于样品台20上的样品23内。来自样品12的荧光被显微物镜19反向收集后，依次通过第一1/4波片18、第一反射镜17、第二望远组件16、扫描组件15，第一望远组件14、最后被二色镜13反射进入成像组件21，通过计算机22处理后形成观察图像。
本实施例中，激发光光源1为显微镜系统提供激发光束，可以是白光激光器、也可以是由多个固体激光器组成的激光器组，本实施例为白光激光器；波长范围为450～700nm。激发光光源1的平均功率不小于0.5mW/nm；激发光束为纯度高于1000:1的线偏振光。
本实施例中，抑制光光源2为显微镜系统提供抑制光束，光束波长相对激发光束的波长应更长，其波长范围为770～775nm；抑制光光源2的平均功率大于3W/nm；抑制光束为纯度高于10000:1的线偏振光。
激发光光源1和抑制光光源2可以是连续光激光器，也可以是脉冲激光器。本实施例中，当二者是脉冲激光器时，激光器脉冲频率在20～200MHz之间并且保持同步，优选为80MHz，其中，激光发光源脉冲宽度应该小于100ps，抑制光光源2的脉冲宽度应该在500～1000ps之间。
第一光调制器3用来选择需要的激发光束波长并调制对应波长的透射光强，本实施例的第一光调制器为声光可调协滤光片，所需要的激发光波长由样品中所用荧光染料确定，优选波长包括485nm、590nm和650nm。第二光调制器4用来调制抑制光的透射光强，本实施例的第二光调制器为声光调制器。
相对位相延迟组件5用于对输入抑制光束的两个垂直偏振分量产生足够大的位相延迟以破坏两个分量间的相干性。相对位相延迟组件5有多种实现方案。本实施例的相对位相延迟组件包括第三1/2波片24，第一偏振分光器25、第二偏振分光器26、第一反射镜27、第二反射镜28和玻璃块29。进入相对位相延迟组件5的抑制光束光路走向如图2中箭头所示：抑制光束首先经过第三1/2波片24到达第一偏振分光器25。其中，第三1/2波片24的作用是旋转抑制光束的偏振方向，从而调节抑制光束在经过第一偏振分光器25后的能量分配。抑制光束到达第一偏振分光器25后被分为水平偏振分量和垂直偏振分量，其中，水平偏振分量直接透过第一偏振分光器25后，经第一反射镜27反射后到达第二偏振分光器26；垂直偏振分量被第一偏振分光器25反射后，经过第一偏振分光器25反射，透过玻璃块29后到达第二偏振分光器26。玻璃块29为BK-7矩形玻璃块，矩形长边与垂直方向偏振光束入射方向垂直，玻璃块沿光线传输方向厚度大于18mm；水平方向偏振分量和垂直偏振分量经过第二偏振分光器26合束后出射。
经过相对位相延迟组件5出射的抑制光束与经过第一光调制器3出射的激发光束被合束元件6合并为混合光束。其中，合束元件6有多种实现方案，本实施例的合束元件6选择对激发光束波长反射、而对抑制光束波长透射的二色镜。
混合光束从合束元件6出射后，依次经过第一1/2波片7和第一透镜8后被耦合进单模保偏光纤9中。其中，第一1/2波片7的作用是旋转抑制光束水平方向偏振分量使它的偏振方向与单模保偏光纤9快轴方向平行；第一透镜8为减小色差，选择双胶合透镜，第一透镜8的焦距由单模保偏光纤9的数值孔径和混合光束半径决定，并用如下公式加以表示：
f2=r2/NA
其中f1为第一透镜8焦距，NA为单模保偏光纤9的数值孔径，r1为混合光束半径；单模保偏光纤9的长度<1m。
从单模保偏光束9出射的混合光束，经第二透镜10后重新还原为准直光束。其中，第二透镜10为减小色差，选择双胶合透镜，第二透镜10的焦距由单模保偏光纤9的数值孔径和相位调制组件12的有效孔径决定，并用如下公式加以表示：
f2=r2/NA
其中f2为第二透镜10焦距，NA为单模保偏光纤9数值孔径，r2为相位调制组件有效孔径。经过准直后的混合光束进一步经过第二1/2波片11。其中，第二1/2波片11的作用是旋转出射混合光束内抑制光束的原水平偏振分量重新回到水平位置。
从第二1/2波片11出射的混合光束进入相位调制组件12。相位调制组件12用于对输入抑制光的相位进行调制，有多种实现方案。本实施例的相位调制组件12包括第四反射镜30、空间光调制器31、第二1/4波片32、第三透镜33、第五反射镜34。混合光束在相位调制组件12内的传输方向如图3箭头所示：混合光束首先经过第四反射镜30首次到达空间光调制器31的第一相位图区域，并对混合光束中抑制光部分的水平偏振分量进行一次相位调制；而后，混合光束依次经过第二1/4波片32和第三透镜33，再经第五反射镜34反射后返回，经过第三透镜33和第二1/4波片32后，最后再到到达空间光调制器31的第二相位图区域进行二次相位调制；二次位相调制针对混合光束中抑制光部分的垂直偏振分量；经过调制后的抑制光被显微物镜聚焦后，聚焦光斑内光强围绕焦点呈中空分布。
其中，空间光调制器31只对单一方向线偏振光具有相位调制作用，对应工作波长范围为750～850nm，对应工作波长范围外的其它可见光波段仅表现为高反射率效果，选择日本Hamamatsu公司的X10468-02型空间光调制器。空间光调制器31的第一、第二相位图为圆形，处于整个空间光调制器有效区域的水平居中位置(如图4所示)，两个相位图位置可交换，半径与相位调制组件有效孔径等大。第三透镜33位于空间光调制器31和第五反射镜34之间正中间位置，透镜焦距等于第三透镜33到第五反射镜34之间的距离。经过调制后的抑制光被显微物镜19聚焦后，聚焦光斑内光强围绕焦点呈中空分布。
从相位调制组件12出射的混合光束，透过第一二色镜13后，经第一望远组件14到达扫描组件15。其中，第一二色镜对于混合光束的传播不产生影响。第一望远组件14包括两个凸面向背设置且共焦的凸透镜，用于扩束(或者缩小光束)准直并维持系统中相位调制组件12与扫描组件15的共轭关系，其放大倍率等于扫描组件12有效孔径除以相位调制组件15有效孔径。
扫描组件15的作用是改变混合光束在显微物镜19入瞳处的偏转角使混合光束焦点在样品内部显微物镜焦平面上二维扫描，有多种实现方案。本实施例的扫描组件15包括第一扫描镜35、第二扫描镜36和第三扫描镜37，混合光束在扫描组件15内的传播路径如图5箭头所示。其中第一扫描镜35与扫描组件15有效孔径等大，扫描方向与第二扫描镜36、第三扫描镜37垂直。第一扫描镜35扫描频率快于第二扫描镜36、第三扫描镜37。第一扫描镜35、第二扫描镜36和第三扫描镜37的扫描频率分别为15KHz、0.1KHz和0.1KHz。
从扫描组件15出射的混合光束，经过第二望远组件16，被反射镜17反射，而后透过第一1/4波片18，进入显微物镜19入瞳，最后被聚焦在放置于样品台20上的样品23内。
其中，第二望远组件16包括两个凸面向背设置且共焦的凸透镜，用于扩束(或者缩小光束)准直并维持系统中扫描组件15和显微物镜19后焦平面的共轭关系，其放大倍率等于显微物镜入瞳大小除以扫描组件有效孔径。
第一1/4波片18的作用是将混合光束的偏振状由线偏振改变为圆偏振。
显微物镜19用于将混合光束聚焦在样品上照明，并反向收集来自样品的荧光；为保证分辨率，选择数值孔径大于1.05、放大倍率60～100倍的平场消色差浸没式显微物镜。
样品台20用于承载样品23，并提供三维移动能力；样品台20选择二维径向移动范围大于5mm、轴向移动范围大于100μm，移动精度小于1μm。
在混合光束的照明下，样品23产生荧光，并被显微物镜19反向收集。荧光依次经过第一1/4波片18、第一反射镜17、第二望远系统16、扫描组件15、第一望远系统14后，最终在第一二色镜发生反射进入成像组件21。根据是否需要多色成像，成像组件21可包含1个或多个基本成像模块，如图6所示，本实施例包括三个基本成像模块，其中，第一基本成像模块38、第二基本成像模块39、第三基本成像模块40均有相同光学元件构成，结构也完全相同。以第一基本成像模块38为例，包含第二二色镜41、滤光器42、第四透镜43和单光子计数器44。
其中，第三二色镜41的作用是分离该通道探测荧光信号与后续通道荧光信号，其透过滤曲线由所探测荧光光谱决定，其中对本通道荧光光谱道保持高反射率(>95％)，对于后续通道探测荧光光谱段保持高透过滤(>98％)；滤光器42的作用是过滤不属于探测通道光谱外的杂散光信号；滤光器42由2个或2个以上具有相同透过滤曲线的窄带滤光片推叠而成。第四透镜43的作用是将收集的荧光聚焦到光子计数器上，本实施例的第四透镜43选择焦距为100mm的双胶合透镜。单光子计数器44的作用是根据收集到的荧光光子数，将荧光信号线性转换为电信号；本实施例的光子计数器选择雪崩式发光二极管或光电倍增管。由单光子计数器44产生的电信号，最终经由计算机22读取，并将其还原成荧光图像。
Claims (8)
1.一种具有自动对准功能的多色超分辨显微镜系统，包括照明单元和探测单元，其特征在于：
所述照明单元包括激发光光源和抑制光光源，所述激发光光源发出的激发光束和所述抑制光光源发出的抑制光束经合束元件合成为一束混合光，沿所述混合光的光路依次设置有单模保偏光纤、用于对所述抑制光束的相位进行调制的相位调制组件、第一二色镜、第一望远组件、扫描组件、第二望远组件、显微物镜和样品台；
所述抑制光束的光路上设有将所述抑制光束分束为相互垂直的两个偏振分量并对两个偏振分量产生位相延迟以破坏两个分量间相干性的相对位相延迟组件；所述的相对位相延迟组件包括将所述抑制光束分为水平偏振分量和垂直偏振分量的第一偏振分光器、用于改变所述水平偏振分量方向的第一反射镜、用于改变所述垂直偏振分量方向的第二反射镜、对所述水平偏振分量和所述垂直偏振分量进行合束的第二偏振分光器、以及用于旋转所述抑制光束的水平偏振分量偏振方向的1/2波片；
所述探测单元包括设置在所述第一二色镜的反射光路上的成像组件，所述成像组件通讯连接至计算机，且包括至少一个成像模块；样品经所述混合光激发长生荧光信号并沿原路返回至所述第一二色镜后反射至所述成像组件，所述成像组件将光信号转换为电信号并传送至所述计算机，所述计算机对其进行读取并还原成荧光图像。
2.根据权利要求1所述的多色超分辨显微镜系统，其特征在于：所述的激发光束的光路上设有用于选择所述激发光束的波长并调制对应波长的透射光强的第一光调制器，所述的抑制光束的光路上设有用于调制所述抑制光束的透射光强的第二光调制器。
3.根据权利要求1所述的多色超分辨显微镜系统，其特征在于：所述的相位调制组件包括沿光路依次设置的第四反射镜、空间光调制器、第二1/4波片、第三透镜、第五反射镜；
所述第三透镜位于所述空间光调制器与所述第五反射镜的中间位置，且所述第三透镜的焦距等于所述第三透镜到所述第五反射镜之间的距离。
4.根据权利要求1所述的多色超分辨显微镜系统，其特征在于：所述的扫描组件包括沿光路依次布置的第一扫描镜、第二扫描镜和第三扫描镜，所述第一扫描镜的扫描方向与所述第二扫描镜、第三扫描镜的扫描方向垂直。
5.根据权利要求1所述的多色超分辨显微镜系统，其特征在于：所述的第一望远组件和所述的第二望远组件均包含两个凸面向背设置且共焦的凸透镜。
6.根据权利要求1所述的多色超分辨显微镜系统，其特征在于：所述的成像模块包括用于分离当前成像模块探测荧光信号与后续成像模块荧光信号的第二二色镜、用于过滤不属于探测通道光谱外的杂散光信号的滤光器、将收集的荧光聚焦到光子计数器上的第四透镜以及根据收集到的荧光光子数将荧光信号线性转换为电信号的光子计数器。
7.根据权利要求6所述的多色超分辨显微镜系统，其特征在于：所述的光子计数器为雪崩式发光二极管或光电倍增管。
8.根据权利要求1所述的多色超分辨显微镜系统，其特征在于：所述的样品台的二维径向移动范围大于5mm，轴向移动范围大于100μm，移动精度小于1μm。
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