一种多模态超分辨光学系统

本技术涉及光学成像与图像处理领域，尤其是涉及一种多模态超分辨光学系统。

背景技术：

1、具有活细胞成像能力的光学显微镜是生物医学研究的主要工具。但传统光学显微镜由于其分辨率受限于光学衍射极限(～200-500nm)，极大的限制了其研究生物纳米结构的能力。在过去的十年中，超分辨光学显微镜技术的进步使研究人员能够分辨过去认为无法通过光学显微镜检测的细节。2014年诺贝尔化学奖强调了超分辨光学成像技术在揭示生物分子过程中的重要性，表彰了受激辐射损耗显微成像技术(stimulated emissiondepletion microscopy，sted)和单分子定位显微技术(single molecule localizationmicroscopy，smlm)在突破光学衍射极限上的重要贡献。其中单分子定位显微技术通过对时空上离散的单分子荧光发射事件的概率位置进行精确定位，能够获得分辨率达到10-20nm的标记结构图像。这一系列技术使研究人员对纳米级细胞结构有了更好的理解。

2、然而，现有的单分子定位显微镜仅能单一获取结构信息，通过现有的单分子定位显微技术所获取的结构信息并不能完全说明细胞是如何运作的。因此，有必要对单分子定位显微镜进行改进，获得结构信息以外更为多维度的信息。

技术实现思路

1、本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多模态超分辨光学系统。

2、本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种多模态超分辨光学系统，包括照明模块、信号引导模块、套筒透镜模块、多模态成像模块和图像传感器，所述照明模块包括被配置为发射用于激发样品的激发光的光源，所述信号引导模块包括被配置为将来自所述照明模块的激发光引导至样品的引导物镜以及被配置为收集来自样品的荧光信号的收集物镜，所述套筒透镜模块被配置为将来自所述收集物镜的荧光信号引导至所述多模态成像模块，所述多模态成像模块设置在套筒透镜模块与图像传感器之间，包括色散单元和偏振单元，所述图像传感器被配置为对来自多模态成像模块的荧光信号进行成像。

4、优选地，所述色散单元被配置为获取荧光信号的光谱信息，所述偏振单元被配置为将荧光信号分离偏振变量并形成不同角度的偏振光束，所述图像传感器被配置为对来自多模态成像模块的光谱信息和多个不同角度的偏振光束进行成像。

5、优选地，所述多模态成像模块包括中继透镜、具有色散功能的光学元件、柱面透镜、无偏振效应分束装置、第一偏振分束器、消色差半波片、第二偏振分束器和投影透镜；来自所述套筒透镜模块的荧光信号，经过所述中继透镜、所述具有色散功能的光学元件后被分配至第一路径和第二路径；在所述第一路径中荧光信号经过柱面透镜后经过所述无偏振效应分束装置并被所述无偏振效应分束装置分配至路径a和路径b，在所述路径a中荧光信号依次经过第一偏振分束器和投影透镜后送入图像传感器，在所述路径b中荧光信号依次经过消色差半波片、第二偏振分束器和投影透镜后送入图像传感器；在所述第二路径中荧光信号经过投影透镜后送入图像传感器。

6、优选地，所述多模态成像模块包括中继透镜、第一无偏振效应分束装置、柱面透镜、第二无偏振效应分束装置、第一偏振分束器、消色差半波片、第二偏振分束器、具有色散功能的光学元件和投影透镜；来自所述套筒透镜模块的荧光信号经过所述中继透镜、所述第一无偏振效应分束装置后被分配至第一路径和第二路径；在所述第一路径中荧光信号经过柱面透镜后经过所述第二无偏振效应分束装置并被所述第二无偏振效应分束装置分配至路径a和路径b，在所述路径a中荧光信号依次经过第一偏振分束器和投影透镜后送入图像传感器，在所述路径b中荧光信号依次经过消色差半波片、第二偏振分束器和投影透镜后送入图像传感器；在所述第二路径中荧光信号依次经过所述具有色散功能的光学元件和投影透镜后送入图像传感器。

7、优选地，所述收集物镜的数量为两个，所述套筒透镜模块的数量为两个，第一套筒透镜模块被配置为将来自第一收集物镜的荧光信号引导至所述多模态成像模块，第二套筒透镜模块被配置为将来自第二收集物镜的荧光信号引导至所述多模态成像模块，所述图像传感器的数量为2个，所述多模态成像模块包括第一中继透镜、无偏振效应分束装置、第一偏振分束器、柱面透镜、消色差半波片、第二偏振分束器、第一投影透镜、第二中继透镜、具有色散功能的光学元件和第二投影透镜；来自所述第一套筒透镜模块的荧光信号经过所述第一中继透镜、所述无偏振效应分束装置后被分配至第一路径和第二路径；在所述第一路径中荧光信号依次经过第一偏振分束器和第一投影透镜后送入第一图像传感器；在所述第二路径中荧光信号依次经过柱面透镜、消色差半波片、第二偏振分束器和第一投影透镜后送入第一图像传感器；来自所述第二套筒透镜模块的荧光信号经过所述第二中继透镜、所述具有色散功能的光学元件后经过第二投影透镜送入第二图像传感器。

8、优选地，所述多模态成像模块包括中继透镜、无偏振效应分束装置、柱面透镜、消色差半波片、第一偏振分束器、具有色散功能的光学元件、第二偏振分束器和投影透镜；来自所述套筒透镜模块的荧光信号经过所述中继透镜、所述无偏振效应分束装置后被分配至第一路径和第二路径；在所述第一路径中荧光信号依次经过柱面透镜、消色差半波片、第一偏振分束器和投影透镜后送入图像传感器；在所述第二路径中荧光信号依次经过具有色散功能的光学元件、第二偏振分束器和投影透镜后送入图像传感器。

9、优选地，所述多模态成像模块包括中继透镜、具有色散功能的光学元件、柱面透镜、消色差半波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器和投影透镜；来自所述套筒透镜模块的荧光信号经过所述中继透镜、所述具有色散功能的光学元件后被分配至第一路径和第二路径；在所述第一路径中荧光信号依次经过柱面透镜、消色差半波片、第一偏振分束器和投影透镜后送入图像传感器；在所述第二路径中荧光信号依次经过第二偏振分束器和投影透镜后送入图像传感器。

10、优选地，所述多模态成像模块包括中继透镜、无偏振效应分束装置、消色差半波片、第一偏振分束器、具有色散功能的光学元件、第二偏振分束器、投影透镜和平面反射镜组；来自所述套筒透镜模块的荧光信号经过所述中继透镜、所述无偏振效应分束装置后被分配至第一路径和第二路径；在所述第一路径中荧光信号依次经过消色差半波片、第一偏振分束器和投影透镜后送入图像传感器；在所述第二路径中荧光信号依次经过具有色散功能的光学元件、第二偏振分束器和投影透镜后再通过所述平面反射镜组送入图像传感器。

11、优选地，所述多模态成像模块包括中继透镜、具有色散功能的光学元件、消色差半波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、投影透镜和平面反射镜组；来自所述套筒透镜模块的荧光信号经过所述中继透镜、所述具有色散功能的光学元件后被分配至第一路径和第二路径；在所述第一路径中荧光信号依次经过消色差半波片、第一偏振分束器和投影透镜后送入图像传感器；在所述第二路径中荧光信号依次经过第二偏振分束器和投影透镜后再通过所述平面反射镜组送入图像传感器。

12、优选地，所述多模态成像模块还包括n个平面反射镜，n≥1，所述平面反射镜用于偏转荧光信号以引导所述荧光信号经过多模态成像模块的各个部件。

13、与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

14、基于单分子定位显微镜的框架下，同时引入色散单元和偏振单元进而拓展得到单分子光谱信息和偏振信息，研究人员可以基于本技术获得结构信息以外更为丰富的信息，实现结构和功能的同步观测。