本发明涉及显微成像技术领域，更具体的说是涉及一种基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像装置及方法。
背景技术：
在常规超分辨显微镜中，通常需要荧光标记，利用荧光的非线性效应达到超分辨的效果，而标记样本由于其光漂白特性无法长时间成像，并且由于荧光标记会影响生物特性运动影响理论研究，所以无标记超分辨成像对观测无干扰快速长时间生物运动更加理想，现在暂无有效无荧光标记的超分辨方法
因此，如何提供一种不需要荧光标记即可实现超分辨成像的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像装置及方法，不需要荧光标记即可实现超分辨成像。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像装置，包括：偏振照明模块和检偏探测模块；
所述偏振照明模块按照光线传播方向依次包括：环形led阵列和圆锥透镜；其中，所述圆锥透镜上放置有样品；
所述检偏探测模块按照光线传播方向依次包括：物镜、管镜和图像采集模块；
所述环形led阵列中的单个led灯所发出的照明光束，进入所述圆锥透镜，并在所述圆锥透镜与样品交界面产生倏逝场；所述样品经过倏逝场照明后所产生的散射光依次通过物镜和管镜后被图像采集模块接收。
优选的，照明光束入射所述圆锥透镜后与光学系统主光轴夹角大于全内反射临界角θc，其中，θc＝arcsin(n1)，n1为圆锥透镜折射率。
优选的，所述图像采集模块包括：相机。
一种基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像方法，适用于上述的基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像装置，所述方法包括如下步骤：
步骤a：逐次顺序点亮环形led阵列中的单个led灯，使照明光束在预设半径的圆周上移动，每点亮一个不同照明角度的led灯，图像采集模块拍摄一次图像，逐次点亮环形led阵列中的所有n个led灯，实现对样品的360°圆周扫描照明，扫描一圈后得到n张不同照明方位角下的待测样品散射光强分布图像，获得三维数据集{ii(x,y),i＝1,2,3,…,n；x＝1,2,3,…,px；y＝1,2,3,…,py,}，其中x,y为图像像素的行号和列号，px为图像每行的总像素数，py为图像每列的总像素数；
步骤b：对步骤a所得到的n张不同照明方位角下的待测样品散射光强分布图像的每个相同位置像素点利用如下公式进行m阶自相关量的计算，得到一张分辨率提升的超分辨图像cm，即获得二维数据集{cm(x,y),x＝1,2,3,…,px；y＝1,2,3,…,py,}；
其中，x,y代表像素位置，ii代表图像采集模块在不同照明角θi下所获取的图像，n为一次360°圆周扫描所获取的图像数量，m代表计算阶数，m为不大于4的正整数；
步骤c：对得到的超分辨图像cm进行迭代去卷积，然后取
优选的，在步骤a中还包括：对得到的n张光强分布图像进行反卷积去噪预处理。
优选的，在步骤c中，利用下式对得到的超分辨图像进行迭代去卷积：
其中，h为系统点扩散函数，y为去卷积后图像，第一次迭代时，y1＝cm，fft与ifft分别为快速傅里叶变换和快速逆傅里叶变换，j为迭代次数，然后取
优选的，j的最大值为100。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像装置及方法，存在如下技术优势：
1、对观测样本除光照以外没有其他干预，例如：染色，可以更加真实观测样品动态；
2、无类似荧光成像的漂白特性，可以长时间成像；
3、无需标记即可超分辨，根据不同阶数m可得到m倍分辨率提升。
附图说明
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。
图1为本发明提供的基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像装置的结构示意图；
图2为本发明提供的环形led阵列的示意图；
图3为本发明提供的基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像方法的流程示意图。
其中，1、环形led阵列，2、圆锥透镜，3、样品，4、物镜，5、管镜，6、图像采集模块。
具体实施方式
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。
参见附图1和附图2，本发明实施例公开了一种基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像装置，包括：偏振照明模块和检偏探测模块；
偏振照明模块按照光线传播方向依次包括：环形led阵列1和圆锥透镜2；其中，圆锥透镜2上放置有样品3；
检偏探测模块按照光线传播方向依次包括：物镜4、管镜5和图像采集模块6；
环形led阵列1中的单个led灯所发出的照明光束，进入圆锥透镜2，并在圆锥透镜2与样品3交界面产生倏逝场；样品3经过倏逝场照明后所产生的散射光依次通过物镜4和管镜5后被图像采集模块6接收。其中，优选的，图像采集模块6包括：相机。其中，环形led阵列1中包括均匀分布的n个led灯。优选的，环形led阵列1的照明倾角与对应的圆锥透镜2的侧表面倾斜角度相同，且该圆锥透镜的母线不大于led灯的尺寸，能够保证垂直入射。
为了进一步优化上述技术方案，照明光束入射圆锥透镜2后与光学系统主光轴夹角大于全内反射临界角θc，其中，θc＝arcsin(n1)，n1为圆锥透镜折射率。优选的，所述环形led阵列1的半径为所述圆锥透镜2半径的2～4倍。
参见附图3，一种基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像方法，用于重建得到超分辨图像，适用于上述的基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像装置，所述方法包括如下步骤：
步骤a：逐次顺序点亮环形led阵列1中的单个led灯，使照明光束在预设半径的圆周上移动，每点亮一个不同照明角度的led灯，图像采集模块6拍摄一次图像，逐次点亮环形led阵列1中的所有n个led灯，实现对样品的360°圆周扫描照明，扫描一圈后得到n张不同照明方位角下的待测样品散射光强分布图像，获得三维数据集{ii(x,y),i＝1,2,3,…,n；x＝1,2,3,…,px；y＝1,2,3,…,py,}，其中x,y为图像像素的行号和列号，px为图像每行的总像素数，py为图像每列的总像素数；
步骤b：对步骤a所得到的n张不同照明方位角下的待测样品散射光强分布图像的每个相同位置像素点利用如下公式进行m阶自相关量的计算，得到一张分辨率提升的超分辨图像cm，即获得二维数据集{cm(x,y),x＝1,2,3,…,px；y＝1,2,3,…,py,}；
其中，x,y代表像素位置，ii代表图像采集模块6在不同照明角θi下所获取的图像，n为一次360°圆周扫描所获取的图像数量，m代表计算阶数，m为不大于4的正整数；
步骤c：利用下式对得到的超分辨图像cm进行迭代去卷积，
其中，h为系统点扩散函数，y为去卷积后图像，第一次迭代时，y1＝cm，fft与ifft分别为快速傅里叶变换和快速逆傅里叶变换，j为迭代次数，一般最大值为100，然后取
为了进一步优化上述技术方案，在步骤a中还包括：对得到的n张光强分布图像进行反卷积去噪预处理。
本发明提供的技术方案应用环形led阵列产生不同方位角的照明光束，利用样品结构不对称性对不同方向单波矢倏逝场激励产生极性散射和相邻观测点自相关累积量差异，实现超分辨成像。该发明具有装调简单，观测成本低，无需标记样品即可实现全内反射超分辨显微成像的优点。
此外，还需要说明的是，为满足计算之后提升m倍分辨率后的采样要求，系统的放大倍率应使原始图像的像素尺寸小于原系统分辨率的
本说明书中各个实施例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。
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。
1.一种基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像装置，其特征在于，包括：偏振照明模块和检偏探测模块；
所述偏振照明模块按照光线传播方向依次包括：环形led阵列(1)和圆锥透镜(2)；其中，所述圆锥透镜(2)上放置有样品(3)；
所述检偏探测模块按照光线传播方向依次包括：物镜(4)、管镜(5)和图像采集模块(6)；
所述环形led阵列(1)中的单个led灯所发出的照明光束，进入所述圆锥透镜(2)，并在所述圆锥透镜(2)与样品(3)交界面产生倏逝场；所述样品(3)经过倏逝场照明后所产生的散射光依次通过物镜(4)和管镜(5)后被图像采集模块(6)接收。
2.根据权利要求1所述的一种基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像装置，其特征在于，照明光束入射所述圆锥透镜(2)后与光学系统主光轴夹角大于全内反射临界角θc，其中，θc＝arcsin(n1)，n1为圆锥透镜折射率。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像装置，其特征在于，所述图像采集模块(6)包括：相机。
4.一种基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像方法，其特征在于，适用于权利要求1～3任意一项所述的基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像装置，所述方法包括如下步骤：
步骤a：逐次顺序点亮环形led阵列(1)中的单个led灯，使照明光束在预设半径的圆周上移动，每点亮一个不同照明角度的led灯，图像采集模块(6)拍摄一次图像，逐次点亮环形led阵列(1)中的所有n个led灯，实现对样品的360°圆周扫描照明，扫描一圈后得到n张不同照明方位角下的待测样品散射光强分布图像，获得三维数据集{ii(x,y),i＝1,2,3,…,n；x＝1,2,3,…,px；y＝1,2,3,…,py,}，其中x,y为图像像素的行号和列号，px为图像每行的总像素数，py为图像每列的总像素数；
步骤b：对步骤a所得到的n张不同照明方位角下的待测样品散射光强分布图像的每个相同位置像素点利用如下公式进行m阶自相关量的计算，得到一张分辨率提升的超分辨图像cm，即获得二维数据集{cm(x,y),x＝1,2,3,…,px；y＝1,2,3,…,py,}；
其中，x,y代表像素位置，ii代表图像采集模块(6)在不同照明角θi下所获取的图像，n为一次360°圆周扫描所获取的图像数量，m代表计算阶数，m为不大于4的正整数；
步骤c：对得到的超分辨图像cm进行迭代去卷积，然后取
5.根据权利要求4所述的一种基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像方法，其特征在于，在步骤a中还包括：对得到的n张光强分布图像进行反卷积去噪预处理。
6.根据权利要求4所述的一种基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像方法，其特征在于，在步骤c中，利用下式对得到的超分辨图像进行迭代去卷积：
其中，h为系统点扩散函数，y为去卷积后图像，第一次迭代时，y1＝cm，fft与ifft分别为快速傅里叶变换和快速逆傅里叶变换，j为迭代次数，然后取
7.根据权利要求6任意一项所述的一种基于环形阵列光源照明的超分辨率全内反射显微成像方法，其特征在于，j的最大值为100。
技术总结