基于贝塞尔光束双向照明的光切片显微技术及系统研究

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在传统的高斯照明的光切片显微镜中,高斯光束穿透样品的能力有限,在面对吸收以及散射能力比较强的样品时难以实现均匀的照明;此外高斯光束轴向分辨率与照明视场间的相互限制,难以同时实现大视场照明以及高的轴向分辨率。本文提出使用贝塞尔光束代替高斯光束作为照明光束,利用贝塞尔光束的无衍射特性以及自愈性,提升有效的照明视场范围以及照明的均匀性;并提出了将贝塞尔光束的扫描与相机逐行曝光配合的线共焦探测模式,抑制贝塞尔光束旁瓣产生的背景噪声,用以提升系统的成像对比度。此外对于一些吸收和散射很强的样品,系统可以提供双向照明,进一步提升照明的均匀性,本文主要完成的工作有以下几点:(1)设计并搭建了一套完整的光切片显微镜系统,该光切片系统使用贝塞尔光束进行照明,相比于高斯光束照明能获得更大的照明视场,而且贝塞尔光束穿透能力更强,对吸收和散射较强的样品也能实现均匀的照明;同时设计了硬件间具体的时序,将贝塞尔光束的扫描与相机的逐行曝光配合,实现了线共焦探测,有效的抑制了由贝塞尔光束的旁瓣激发的离焦信号,提升了图像的对比度以及系统的轴向分辨率;此外系统还可以提供双向照明,对于一些透明度较低的样品也能实现均匀照明。最终系统单幅最大视场可以达到832μm×832μm,最大视场下成像帧率可以达到40帧/s。(2)基于Lab VIEW编写了系统控制软件,设计了具体的软件架构,并基于生产者-消费者模式完成系统软件的编写,软件主要可以实现线共焦探测模式以及宽场探测模式;同时在这两种扫描模式下都可以实现二维以及三维层切的图像采集;软件支持对样品移动平台,激光器,扫描振镜等硬件的单独控制;软件具备强度曲线功能,直方图功能,灰度图像与伪彩图像显示之间的转换,图像显示的亮度,对比度以及伽马曲线矫正等图像处理功能。(3)在线共焦探测模式下,系统最优的横向分辨率可以达到1.06μm,轴向分辨率可以达到2.96μm;可以对斑马鱼样品进行三维层析成像并进行三维数据重构;同时对斑马鱼的心脏,血管进行成像,可以观察到心脏有规律的跳动,以及血管内细胞的流动,证实系统具有观测活体样品生命活动的能力。
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