具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在实施方式和申请专利范围中，除非文中对于冠词有特别限定，否则“一”与“所述”可泛指单一个或复数个。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

共聚焦显微镜的分辨率取决于针孔大小，针孔越小分辨率越高，但同时更小的针孔也限制了光学系统采集到的光信号，从而导致信噪比较低。近年来，为了同时获得良好的分辨率和信噪比，有人提出了一种图像扫描显微镜(image scanning microscopy，ISM)，将传统的共聚焦显微镜中的光电倍增管替换为CCD，通过对采集到的信号进行数据处理，获得倍的分辨率提升。但是，CCD探测器自身接收的信号能力较弱导致ISM的成像速度较慢，其扫描8μm×8μm大小的样品区域需要花费60s。为了解决成像速度慢的问题，多焦点扫描结构光显微镜(multifocal structuredillumination microscopy，MSIM)被提出，其在光路中使用数字微镜器件产生稀疏的二维激发模式对样品进行扫描，作为并行的ISM，保留了良好的层析能力的同时，能够实现50μm×50μm的视场大小和1Hz的成像速度，并对采集到的数据进行超分辨处理得到横向约145nm和轴向约400nm的分辨率。但MSIM由于采用点阵扫描，成像速度仍相对较慢，而且照明光场强度不均匀，降低了成像的分辨率和视场。

为了解决上述问题，本发明提供了一种平场照明的数字扫描结构光超分辨显微成像系统，如图1所示，所述系统包括：激光光源1、扩束整形反射模块2、数字微镜器件3、物镜4、探测器6以及控制终端7；所述激光光源1用于产生高斯分布的激光光束；所述扩束整形反射模块2用于接收所述激光光源1产生的高斯分布的激光光束，将所述高斯分布的激光光束整形为均匀分布的平顶光，并将所述均匀分布的平顶光以预设角度入射至所述数字微镜器件3；所述数字微镜器件3用于接收所述扩束整形反射模块2入射的所述均匀分布的平顶光，并根据导入的等间隔切换的激发模式对所述均匀分布的平顶光进行调制，产生随时间移动的稀疏聚焦点阵；所述物镜4用于接收所述稀疏聚焦点阵，并将所述稀疏聚焦点阵投射至样品面5上，激发样品产生荧光信号；所述探测器6用于采集所述荧光信号，得到若干幅图像数据；所述控制终端7用于接收所述若干幅图像数据，并对所述若干幅图像数据进行图像重构，得到样品的超分辨率图像。具体成像过程中，扩束整形反射模块2接收激光光源1产生的高斯分布的激光光束，将高斯分布的激光光束整形为均匀分布的平顶光，并将所述均匀分布的平顶光以预设角度入射至数字微镜器件3，数字微镜器件3接收均匀分布的平顶光后，根据导入的等间隔切换的激发模式对均匀分布的平顶光进行调制，产生随时间移动的稀疏聚焦点阵，随时间移动的稀疏聚焦点阵经物镜4投射至样品面5上，激发样品产生荧光信号，荧光信号经探测器6采集，得到若干幅图像数据，控制终端7对接收到的若干幅图像数据进行图像重构，得到样品的超分辨率图像。本实施例通过数字微镜器件3对均匀分布的平顶光进行调制产生随时间移动的多个聚焦点，并通过多个聚焦点同时激发样品产生荧光信号，提高了图像扫描显微系统的成像范围，减少荧光信号采集时间，相比传统图像扫描显微系统具有更高的信噪比，可以实现高分辨率和宽视场的超分辨显微成像。

具体地，本发明的激发模式为1024×768的二值图片，如图2所示，所述照明模式为一系列的黑白点阵图像，黑色方块代表像素，当数字微镜器件3开始按照载入图片的顺序切换激发模式时，像素的位置会随箭头的轨迹进行变化，每次位移一个像素并等间隔切换，使样品面5上产生周期性排列的稀疏聚焦点阵，如图3所示。本实施例通过周期性排列的稀疏聚焦点阵激发样品，提高了图像扫描显微系统的成像范围，减少了样品采集时间，例如，当稀疏聚焦点阵为4×1像素点时，相比传统MSIM1×1像素点扫描模板具有更高的信噪比，扫描步长缩短为原来的1/4。

在一具体实施方式中，所述扩束整形反射模块2包括：扩束准直单元21、光束整形器22以及第一反射镜23。所述扩束准直单元21包括第四透镜211和第五透镜212，所述第四透镜211的后焦面与所述第五透镜212的前焦面位置重合，所述扩束准直单元21用于接收所述高斯分布的激光光束，并对所述高斯分布的激光光束进行扩束准直；所述光束整形器22用于接收扩束准直后的所述高斯分布的激光光束，并将所述高斯分布的激光光束整形为均匀分布的平顶光；所述第一反射镜23用于接收所述均匀分布的平顶光，并将所述均匀分布的平顶光以预设角度入射至所述数字微镜器件3的正中心。在一具体实施例中，所述数字微镜器件3接收到的所述均匀分布的平顶光的入射角与水平面的夹角为24°。具体成像过程中，激光光源1为488nm固体激光器，激光光源1产生特定波长的连续激光，经第四透镜211和第五透镜212组成的扩束准直单元21进行扩束和准直后，由光束整形器22将扩束准直后的高斯分布的激光光束整形为均匀分布的平顶光，再由第一反射镜23将均匀分布的平顶光以预设角度入射至所述扩束整形反射模块2。本实施例中通过改变第四透镜211和第五透镜212的焦距可以调整高斯分布的激光光束的扩束倍数，通过光束整形器22将高斯分布的激光光束整形为均匀分布的平顶光，使得样品的照明光场强度均匀，提高了成像的分辨率和视场。

在一具体实施例中，所述数字微镜器件3与所述物镜4之间设置有4f系统8、第一透镜9以及双色片10；所述4f系统8用于接收所述稀疏聚焦点阵，并对所述稀疏聚焦点阵中的杂散光进行过滤；所述第一透镜9用于接收滤除杂散光后的所述稀疏聚焦点阵，将所述稀疏聚焦点阵投射至所述双色片10；所述双色片10用于接收所述第一透镜9投射的所述稀疏聚焦点阵，并将所述稀疏聚焦点阵投射至物镜4上，以便后续步骤中通过物镜4将稀疏聚焦点阵投射至样品面，激发样品产生荧光信号。具体成像过程中，数字微镜器件3产生的稀疏聚焦点阵经过4f系统8滤除杂散光后，由第一透镜9将滤除杂散光后的稀疏聚焦点阵投射至双色片10，并由双色片10将稀疏聚焦点阵投射至物镜4。

进一步地，所述4f系统8包括沿光路依次设置的第二透镜81、光阑82以及第三透镜83，所述数字微镜器件3设置于所述第二透镜81的前焦面，所述光阑82设置于所述第二透镜81的后焦面，所述光阑82用于遮挡多余衍射级的反射光，所述第二透镜81的后焦面与所述第三透镜83的前焦面重合，所述第三透镜83的后焦面与所述第一透镜9的前焦面重合。

在一具体实施方式中，所述物镜4与所述探测器6之间设置有管镜11，在荧光信号采集过程中，样品产生的荧光信号经物镜4和管镜11进一步放大后，被探测器6采集，得到若干幅图像数据。

在一具体实施方式中，所述控制终端7同时与所述探测器6和所述数字微镜器件3连接，所述控制终端7用于将一系列的激发模式依序导入所述数字微镜器件3，以及接收所述探测器6得到的若干幅图像数据，激发模式的每个像素对应数字微镜器件3面板上的一个微反射镜，像素值1代表微反射镜的“on”状态，0代表微反射镜的“off”状态。具体成像过程中，控制终端7将一系列的激发模式依序导入数字微镜器件3的内存中，数字微镜器件3接收到扩束整形反射模块2入射的均匀分布的平顶光后，通过软件设置等间隔切换激发模式，从而将均匀分布的平顶光调制为随时间移动的稀疏聚焦点阵。

具体实施时，数字微镜器件3是等间隔切换激发模式，为了使探测器6能够精确采集数字微镜器件3切换激发模式时的每一幅图像数据，本实施例中所述数字微镜器件3与所述探测器6数据连接，数字微镜器件3切换照明模式时，会向探测器6发出一个电压为3V的上升沿信号，探测器6在接收到上升沿信号后同步对图像数据进行采集，获得一系列的图像数据I₁，I₂…I_n，其中，探测器6的曝光时间为两个上升沿信号之间的间隔。

具体实施时，探测器6采集到的是激光光束激发样品表面获得的若干张图像数据，还需要进一步对获得的图像数据进行图像重构，获得超分辨率的样品二维信息图像。本实施例中控制终端7与探测器6数据连接，探测器6将获取到的若干幅图像数据传输至控制终端7进行图像重构。具体图像重构过程中，控制终端7首先将若干幅图像数据的图像重构问题转化为多矢量探测问题：其中，Y＝H·X，y_m是第m张点阵数据转换得来的列向量，H为系统PSF获得的测量矩阵，X＝S·E，S和E分别为样品真实结构和激发模式；然后利用多测量矢量稀疏贝叶斯学习(Multi-vectors Sparse BayesianLearning，MSBL)算法求解多矢量探测问题，得到矢量估计值；接着将所述所述矢量估计值的所有列矢量相加，得到叠加矢量；最后将所述叠加矢量转换为大小为m₀×n₀的超分辨率图像，得到样品的超分辨率图像，如图4所示。

进一步地，控制终端7利用多测量矢量稀疏贝叶斯学习算法求解多矢量探测问题时，首先初始化所述多矢量探测问题的超参数，根据所述超参数计算所述多矢量探测问题的后验概率密度的期望值和方差；接着通过期望值最大算法(EM算法)最大化所述后验概率密度得到更新后的超参数，当更新后的超参数未收敛到一个超参数矢量时，继续执行根据所述超参数计算所述多矢量探测问题的后验概率密度的期望值和方差，通过期望值最大算法最大化所述后验概率密度得到更新后的超参数的步骤，直至更新后的所述超参数收敛到一个超参数矢量。本实施例中通过对图像数据进行图像重构，可以实现宽场约2倍的分辨率提升。

基于上述平场照明的数字扫描结构光超分辨显微成像系统，本发明还提供了一种平场照明的数字扫描结构光超分辨显微成像方法，如图5所示，其包括以下步骤：

S1、对激光光源产生的高斯分布的激光光束进行整形，将所述高斯分布的激光光束整形为均匀分布的平顶光；

S2、根据导入的等间隔切换的激发模式对所述均匀分布的平顶光进行调制，产生随时间移动的稀疏聚焦点阵；

S3、接收所述稀疏聚焦点阵，并将所述稀疏聚焦点阵投射至样品面上，激发样品产生荧光信号；

S4、采集所述荧光信号，得到若干幅图像数据；

S5、对所述若干幅图像数据进行图像重构，得到样品的超分辨率图像。

具体实施时，扩束整形反射模块对激光光源产生的高斯分布的激光光束进行整形，将高斯分布的激光光束整形为均匀分布的平顶光后，数字微镜器件根据导入的等间隔切换的激发模式对均匀分布的平顶光进行相位调制，通过不断切换数字微镜器件上的激发模式产生随时间移动的稀疏聚焦点阵，稀疏聚焦点阵经物镜接收后，由物镜投射至样品面上，在样品面上高精度随机寻址扫描，直至样品面上被选择的区域全部被激发产生荧光信号为止，所述荧光信号经探测器采集，得到若干幅图像数据并将其传输至控制终端，控制终端对接收到的若干幅图像进行图像重构，得到样品的超分辨率图像。本实施例通过数字微镜器件对均匀分布的平顶光进行调制产生随时间移动的多个聚焦点，并通过多个聚焦点同时激发样品产生荧光信号，提高了图像扫描显微系统的成像范围，减少荧光信号采集时间，相比传统图像扫描显微系统具有更高的信噪比，可以实现高分辨率和宽视场的超分辨显微成像。

在一具体实施方式中，步骤S5包括步骤：

S51、根据所述若干幅图像数据，构建多矢量探测问题；

S52、对所述多矢量探测问题进行求解，得到矢量估计值；

S53、根据所述矢量估计值，得到样品的超分辨率图像。

具体地，若干幅图像数据的图像重构可以描述为Y＝H·S·E,其中，Y表示图像数据，H表示系统PSF获得的测量矩阵，S和E分别表示样品真实结构和激发模式，令矩阵X＝S·E，其中，S＝diag(s1,…,sN)为非负对角矩阵，表示N像素网格化的样品结构，X和S具有相同的非零行，于是若干幅图像数据的图像重构问题可表达为多矢量探测问题:此时Y＝H·X，Y＝[y₁,y₂,…y_N]，y_m是第m张点阵数据转换得来的列向量。

将若干幅图像数据的图像重构问题转化为多矢量探测问题后，利用多测量矢量稀疏贝叶斯学习(Multi-vectors Sparse Bayesian Learning，MSBL)算法求解多矢量探测问题:得到得到矢量估计值X'，最后根据所述矢量估计值X'，得到样品的超分辨率图像。

在一具体实施方式中，步骤S52具体包括：

S521、初始化所述多矢量探测问题的超参数，根据所述超参数计算所述多矢量探测问题的后验概率密度的期望值和方差；

S522、通过期望值最大算法最大化所述后验概率密度得到更新后的超参数，当更新后的所述超参数未收敛到一个超参数矢量时，继续执行根据所述超参数计算所述多矢量探测问题的后验概率密度的期望值和方差，通过期望值最大算法最大化所述后验概率密度得到更新后的超参数的步骤，直至更新后的所述超参数收敛到一个超参数矢量；

S522、根据更新后的超参数，得到矢量估计值。

具体地，根据贝叶斯推理，多矢量探测问题:的解X'可由最大后验概率估计得到：在利用MSBL算法求解多矢量探测问题时，首先初始化所述多矢量探测问题的超参数，根据所述超参数计算所述多矢量探测问题的后验概率密度p(X|Y)的期望值和方差，然后通过期望值最大算法(EM)来最大化后验概率密度p(X|Y)，得到更新后的超参数，当更新后的所述超参数未收敛到一个超参数矢量时，继续执行根据所述超参数计算所述多矢量探测问题的后验概率密度的期望值和方差，根据所述后验概率密度的期望值和方差更新所述超参数的步骤，直至更新后的所述超参数收敛到一个超参数矢量后，根据更新后的超参数，得到多矢量探测问题的解，即矢量估计值X'。

在一具体实施方式中，步骤S53具体包括：

S531、将所述矢量估计值的所有列矢量相加，得到叠加矢量；

S532、将所述叠加矢量转换为预设尺寸的超分辨率图像，得到样品的超分辨率图像。

得到所述矢量估计值X'后，将所述矢量估计值X'中所有列矢量相加，得到叠加矢量，然后将叠加矢量转换为预设尺寸的超分辨率图像，即得到样品的超分辨率图像。例如，将叠加矢量转换成大小为m₀×n₀的超分辨率图像，该大小为m₀×n₀的超分辨图像即为样品的超分辨率图像。

综上所述，本发明提供了一种平场照明的数字扫描结构光超分辨显微成像系统及方法，所述系统包括：激光光源；将激光光源产生的高斯分布的激光光束整形为均匀分布的平顶光，并将均匀分布的平顶光以预设角度入射至数字微镜器件的扩束整形反射模块；根据导入的等间隔切换的激发模式对均匀分布的平顶光进行调制，产生随时间移动的稀疏聚焦点阵的数字微镜器件；将稀疏聚焦点阵投射至样品面上，激发样品产生荧光信号的探测器；对若干幅图像数据进行图像重构，得到样品的超分辨率图像的控制终端。本发明通过数字微镜器件对均匀分布的平顶光进行调制产生随时间移动的多个聚焦点，并通过多个聚焦点同时激发样品产生荧光信号，提高了图像扫描显微系统的成像范围，减少荧光信号采集时间，相比传统图像扫描显微系统具有更高的信噪比，可以实现高分辨率和宽视场的超分辨显微成像。

应当理解的是，本发明的系统应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。