一种快速宽视场体全息荧光显微成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空间光谱显微成像技术领域，特别是关于一种快速宽视场体全息荧光 显微成像系统。
【背景技术】
[0002] 基于体全息光栅的光谱显微成像系统是一种近年来备受关注的新型显微成像技 术，在浅层肿瘤检测，疾病诊断，食品药品监督，生物检验检疫，材料科学等领域有着非常广 阔的应用前景。体全息显微光谱成像系统是利用体全息光栅器件的布拉格选择特性实现 高光谱分辨率的显微成像。体全息光栅器件是采用具有一定厚度的光致折变材料记录两 束相干光在记录材料内相干图样制作而成，所记录的全息图样是一种具有厚度的三维相位 光栅，这种三维相位光栅具有特殊的衍射特性，精细的光谱角度选择特性，体积复用特性， 而且具有非常宽的光谱调节范围，能够实现宽光谱范围内的连续调节。当采用某种波长的 光对生物组织进行照射，生物组织表面将会对入射光进行散射和吸收，当散射光经过显微 物镜后入射到位于像方焦平面的体全息光栅表面，体全息光栅的布拉格选择特性使只有和 入射角度匹配的入射光波才能以较高的衍射效率通过，从而可以获得组织的窄带光谱的图 像，而且避免了背景光的干扰。
[0003] 体全息光学成像系统能够在窄带光源下实现狭窄视场的成像并获得相应区域的 光谱信息，利用体积复用体全息光栅能够获取半透明组织三维空间层析图像以及对非透明 结构进行轮廓成像。由于体全息光栅简并性，当物体表面反射或者发射的光谱较宽光时，出 现在成像透镜后焦面上的图像是含有多种色光的图像。由于体全息光栅的布拉格选择特 性，在窄带光照明条件下，在图像传感器上获得的图样是一条窄带，若想获得单一色光的宽 视野图像则需要采用水平扫描的方式，但是这种方案增加了系统的复杂度降低成像效率， 且不能实现大视野多个单色光谱的连续快速切换。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种可以用于对宽光谱成像目标进行成像并 且可以实现单光谱的快速切换的宽视场体全息荧光显微成像系统。
[0005] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种快速宽视场体全息荧光显微成 像系统，其特征在于：它包括一激光光源、一二向色分光镜、一显微物镜、一 MEMS微反射镜 阵列器件、一体全息光栅器件、一成像透镜和一图像探测器阵列，其中，所述MEMS微反射镜 阵列器件位于所述显微物镜的像平面且设置在所述体全息光栅器件的入射端；所述激光光 源用于为一成像目标提供强度均匀的光照条件，所述激光光源发射照明光波到所述二向色 分光镜；所述二向色分光镜将照明光波转折为垂直于其入射方向并通过所述显微物镜照射 所述成像目标，所述成像目标发出的荧光经所述显微物镜返回所述二向色分光镜，所述二 向色分光镜滤除所述成像目标发出荧光中含有的照明光波，所述成像目标发出的荧光经所 述显微物镜投射到所述MEMS微反射镜阵列器件；所述MEMS微反射镜阵列器件根据成像光 谱的中心波长以及所述体全息光栅器件的布拉格特性参数对位于不同位置的光波进行角 度编码进而控制成像光束的偏转方向，经偏转后的成像光束以匹配角度入射到所述体全息 光栅器件；所述体全息光栅器件对经过空间角度编码后的入射光进行衍射，衍射光经所述 成像透镜成像到所述图像探测器阵列。
[0006] 进一步，所述体全息荧光显微成像系统还包括一用于进行空间角度解码的MEMS 微反射镜解码阵列器件，所述MEMS微反射镜解码阵列器件位于所述成像透镜的物方空间 的焦平面且设置在所述体全息光栅器件的衍射出射端；所述体全息光栅器件对经过空间 角度编码后的入射光进行衍射并将衍射光发射到所述MEMS微反射镜解码阵列器件，所述 MEMS微反射镜解码阵列器件根据用于空间角度编码的所述MEMS微反射镜阵列器件上各列 微反射镜的偏转角度来控制用于空间解码的各列微反射镜的驱动力，实现完全对称的角度 偏转，对编码后的衍射光进行解码，所述MEMS微反射镜解码阵列器件将解码后的衍射光经 所述成像透镜成像到所述图像探测器阵列。
[0007] 进一步，所述体全息光栅器件采用单路反射式体全息光栅器件、单路透射式体全 息光栅器件、多路波长复用反射式体全息光栅器件或多路波长复用透射式体全息光栅器 件。
[0008] 进一步，所述MEMS微反射镜阵列器件和所述MEMS微反射镜解码阵列器件的空间 角度编解码方式根据成像目标特点和成像光谱需求，具体包括以下两种形式：①当需要获 取所述成像目标的单光谱图像信息时，根据所述体全息光栅器件的匹配条件和成像波长控 制所述MEMS微反射镜阵列器件每一列微反射镜的偏转角度，使成像光波能够以布拉格匹 配的角度入射到所述体全息光栅器件，通过控制所述MEMS微反射镜解码阵列器件对于选 择衍射后的单谱光解码，直接在所述图像探测器上获得宽视野的单光谱图像；②当需要连 续获取所述成像目标的在短时间内连续变化的多个不同波长图像时，根据所述体全息光栅 器件的匹配条件和选择的不同成像光谱的波长参数，控制所述MEMS微反射镜阵列器件每 一列微反射镜的偏转角度，通过对所述MEMS微反射镜阵列器件的偏转角度进行编码实现 成像光谱的快速切换，并通过控制所述MEMS微反射镜解码阵列器件对于选择衍射后的单 谱光解码，直接在所述图像探测器上顺序获得对应的宽视野不同谱段的单光谱图像。
[0009] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用MEMS微反射镜阵 列器件、MEMS微反射镜解码阵列器件并结合体全息光栅器件构建空间角度编解码模块，对 成像区域进行空间角度编解码，根据成像目标的特点和成像光谱的要求设计空间角度编解 码方式，实现单光谱成像和多光谱成像，借助MEMS器件的高速切换功能以及体全息光栅的 光谱选择特性，提高体全息多光谱荧光显微系统的光谱切换速度，扩大成像视场；与现有光 谱成像系统相比，不仅能够简单实现宽视场单光谱成像，而且还能够实现多个单色成像光 谱的快速切换即多光谱成像。2、当成像目标表面反射或者发射的光谱较宽光时，出现在成 像透镜后焦面上的图像是含有多种色光的图像，本发明通过空间角度编码快速调整、切换 MEMS微反射镜阵列器件的倾斜角度，使视场内相应的波长的满足体全息光栅入射的布拉格 条件，不需要采用滤光片装置即可直接获得宽成像视场内的单一色光的图像，提高了不同 光谱间成像的切换速度，实现宽视场多个连续光谱成像。3、本发明在对发射荧光的成像目 标进行成像时，不需要借助滤光片器件即可获得成像目标的多个连续光谱图像，对于需要 实时观察活体组织在不同时刻的不同光谱图像时能够快速切换MEMS微反射镜阵列器件每 列微反射镜的倾斜角度，改变对反射光进行空间角度编码，快速实现多个连续光谱成像，且 成像的单谱光谱宽能够根据实际需要通过MEMS微反射镜阵列具有相同偏转角度的编码微 镜的列数进行调节。4、本发明采用MEMS微反射镜解码阵列器件实现解码功能，MEMS微反 射镜解码阵列器件位于体全息光栅器件衍射输出端，对经空间角度编码后图像进行相对称 的空间角度解码，能够直接恢复入射衍射光的空间信息，并能够在图像探测器阵列上直接 获得宽视野单光谱图像。本发明结构简单，使用方便，成像效率高，可以广泛应用于透射式 和反射式成像结构的荧光显微成像。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明的快速多光谱宽视场体全息荧光显微成像系统结构示意图，其中， (a)体全息光栅器件采用透射式，（b)体全息光栅器件采用反射式；
[0011] 图2是本发明采用透射式体全息光栅的空间角度编解码模块工作原理示意图，其 中，（a)是透射式体全息光栅单波长工作原理示意图，（b)以波长复用方式记录的透射式体 全息光栅多波长工作原理示意图，（c)透射式体波长复用全息光栅在空间角度编解码中的 光路原理不意图；
[0012] 图3是本发明采用反射式体全息光栅的空间角度编解码模块多波长工作原理示 意图，其中，（a)是反