CN101904735A - 基于快速倾斜镜的宽视场共焦扫描显微镜 - Google Patents
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Abstract
基于快速倾斜镜的宽视场共焦扫描显微镜，由光源组件、二维成像扫描组件、宽视场扫描组件和探测器组件组成。该发明提出的共焦扫描显微镜装置，更多的使用球面反射镜望远镜的设计，避免了系统高阶像差的产生，同时使用柱面透镜补偿了系统的低阶像差。通过快速倾斜镜与二维扫描成像组件同步工作，在获得小视场单帧图像的基础上，采用自动拼接技术，得到大视场范围内人眼眼底(或增加了物镜的样品)的高分辨率图像。该发明主要解决了高分辨率与大视场同步成像的困难，实现了一种设计紧凑、成像分辨率高、成像视场大的宽视场共焦扫描显微镜，大幅改善传统共焦显微镜的成像视场与成像质量。藉本发明可对人眼眼底(或待测样品)在大视场范围内实现高分辨率成像。
Description
技术领域
本发明涉及一种显微镜，特别是一种基于快速倾斜镜的宽视场共焦扫描显微镜，能在大视场范围内对生物组织进行共焦扫描高分辨率成像。
背景技术
共焦显微镜技术最早应用于生物组织成像(Webb RH，Hughes GW.Scanning Laser Ophthalmoscope.Biomedical Engineering，IEEE Transactions on.1981，BME-28(7)：488-92.)，在1987年发展成为成熟的激光共焦扫描成像设备(Webb R，Hughes G，Delori F.Confocal scanning laser ophthalmoscope.Applied optics.1987；26(8)：1492-9)。
专利号为US4863226(1989)的发明专利提出了激光共焦扫描成像的概念，该专利通过声光调制器来实现对样品的横向扫描，通过另一扫描镜实现对样品的纵向扫描即帧扫描，提出使用针孔来实现共焦高分辨率成像的目的。但该专利仅仅给出了共焦扫描成像的原理性装置，其声光调制器会带来较大的色散效应，大幅降低系统的成像分辨率。专利号为US5825533(1998)的发明专利通过两个独立的扫描振镜来进行横向和纵向的同步扫描，以实现共焦扫描成像。但该专利仅通过简单的二维扫描，无法同时实现高分辨率与大视场同步成像功能。专利号为98111188.2(1998)的发明专利提出了一种激光共焦扫描显微镜装置，该专利与专利号为US5825533(1998)的发明专利有着类似的共焦扫描成像原理，通过一块45°角放置的的分光棱镜实现扫描照明光路、信号光返回光路和观测光路的重合。但同样没有解决高分辨率与大视场同步成像的限制。专利号为200810117071.4的发明专利也提出了共焦成像的基本装置，但没有扫描装置，而是通过点光源单帧成像的原理，实现对样品的共焦成像。分辨率较低并且无法实现视频成像。专利号为99115053.8(1999)的发明专利等，提出了基于自适应光学技术的视网膜成像装置，但该装置没有实现共焦扫描成像，更没有提出大视场的概念。
综上所述可知，现有的共焦扫描成像设备存在诸多不足，亟待改进。
对比国际国内在共焦显微成像领域的技术成果，本发明在激光共焦显微成像的基本原理基础上，提出一种新的共焦成像显微镜装置，通过快速倾斜镜与两个扫描振镜的同步工作，结合共轭成像的原理，实现了大视场范围内高分辨率成像的功能。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服传统共焦扫描显微镜不能同时实现高分辨率与大视场同步成像的限制，提出一种基于快速倾斜镜的共焦扫描显微镜。可以对人眼(或待测样品，下同)在大视场范围内实现高分辨率成像。
本发明的技术解决方案：一种基于快速倾斜镜的宽视场共焦扫描显微镜，其特征在于，所述显微镜包括光源组件、二维成像扫描组件、宽视场扫描组件和探测器组件。通过控制快速倾斜镜，与二维扫描振镜组同步工作，既能得到某一成像子区域的高分辨率图像，又能通过控制快速倾斜镜来实现对人眼眼底不同区域的主动扫描，来达到增加成像视场的目的。
本发明的原理：本发明的核心原理是光学成像共轭关系。即在本发明所述的系统装置中，光源、两个二维扫描振镜、快速倾斜镜以及人眼在光学上精确共轭。两个独立的二维扫描振镜依次对人眼实现线扫描和帧扫描，以实现在单帧图像成像视场内的高分辨率成像。再通过置于光学共轭面的快速倾斜镜，实现对人眼眼底成像区域的面扫描，扩展成像视场。
本发明与现有技术相比有如下优点：本发明使传统的共焦扫面显微镜成像视场大幅增加，成像主动性大幅增强。尤其是应用于人眼眼底成像时，将不再需要人眼目标自身做主动调整，而可以通过控制快速倾斜镜主动扫描的方式来达到成像人眼眼底不同区域的目的。明显改善传统共焦显微镜的可操作性和主动性。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中基于快速倾斜镜的宽视场共焦扫描显微镜结构示意图；
图2为本发明的室内验证实验，通过主动扫描人眼眼底不同区域后所得到的宽视场高分辨率图像。
具体实施方式
根据说明书附图1，对如何具体实施本发明提出的基于快速倾斜镜的宽视场共焦扫描显微镜的功能，详细介绍如下：
1、由光源组件之激光光源(1)通过光纤耦合器链接光纤(2)，激光通过光纤(2)的传输，光纤的末端置于耦合透镜(3)的焦点位置，经过耦合透镜(3)，激光以平行光的方式出射，经反射镜(4)，进入分光镜(5)。本发明所述的分光镜(5)，一般为透射率高反射率低的分光镜，投射率与反射率的比值一般为9∶1。透射率高是为了保证从人眼返回回来的信号光能较大程度的通过分光镜(5)进入光电探测器部分。照明激光在经过分光镜(5)后进入反射式球面望远镜(6和7)。在球面反射镜7的共轭平面处放置一柱面透镜(8)。由于该系统使用较多的球面反射镜，光学系统的系统像差将以象散为主，因此我们通过合理的光学设计，保证系统的光学像差能被柱面透镜(8)抵消。经过柱面透镜(8)后的照明光再经过望远镜(9和10)缩束。进入二维成像扫描组件。
2、二维成像扫描组件以两个独立的光学扫描振镜为主，振镜之间通过球面望远镜连接。照明光经过横向扫描振镜(11)的扫描后变成线扫描光，再经过望远镜(12和13)扩束后被纵向扫描振镜(14)扫描，形成面照明光。
3、经过纵向扫描振镜(14)后的面照明光再经过望远镜(15和16)进入宽视场扫描组件。由于快速倾斜镜(17)处于光学系统的共轭面，与横向扫描振镜、纵向扫描振镜和人眼瞳孔精密共轭。因此快速倾斜镜在X(横向)和Y(纵向)两个方向上的倾斜运动，将使得照明光束在人眼瞳孔入射处形成较大的入射角。照明光束通过大视场缩束望远镜(18和19)后，直接照射在人眼瞳孔。
(4)照明光束入射在人眼瞳孔(或待测样品)表面，经瞳孔聚焦后进入人眼眼底，从人眼眼底返回的信号光按原路返回(从19返回到5)，经过分光镜(5)后，进入探测器组件部分。探测器组件由聚光透镜(21)、针孔(22)和探测器(23)组成。被聚光透镜会聚后的信号光经过针孔(22)，针孔的通光孔径大小和放置位置非常重要。针孔的通光孔径大小一般为1-2倍光学系统的艾利衍射斑尺寸，针孔放置于聚光透镜(21)的焦点处。经过针孔后的信号光，将具备与成像平面(即人眼瞳孔或被成像样品)精确共焦的性质，也就是共焦平面之外的杂散光将被针孔遮挡。这样探测器(23)所接收到的信号光与成像平面精确共焦，并且噪声被抑制。
(5)快速倾斜镜静止不动的时候，系统通过扫描振镜(11和14)的二维扫描来完成图像重构，得到共焦图像视频图像，此时系统成像视场一般比较小，典型扫描视场为为1-3°。此时，通过控制快速倾斜镜在X和Y两个方向对人眼眼底进行倾斜扫描，根据实际应用需要，对人眼眼底任何子区域进行成像。假设快速倾斜镜在人眼瞳孔处可以产生的倾斜角度为20°，则系统总的成像视场为20°+3°＝23°，大幅提高了系统的成像视场。通过控制快速倾斜镜在人眼眼底各子区域依次成像，再通过图像拼接，就可以得到人眼眼底大视场范围内的高分辨率图像。
(6)图2是本发明在实验室内验证时得到实验结果。具体实施实例解释如下：系统使用840nm近红外光源作为照明光源，二维扫描振镜的单帧图像视场为1.5°，通过控制快速倾斜镜扫描人眼眼底，我们得到了人眼眼底大于20°的大视场高分辨率的图像。图2所示大视场高分辨率图像为系统通过各小视场单帧图像拼接而成。
经过上述过程，即可对人眼(或其他待测样品)实现大视场与高分辨率相结合的成像功能。
需要说明的是，尽管本发明的较佳实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.一种基于快速倾斜镜的宽视场共焦扫描显微镜，其特征在于：所述共焦扫描显微镜包括光源组件、二维成像扫描组件、宽视场扫描组件和探测器组件。二维成像扫描组件与宽视场扫描组件通过球面反射式望远镜系统连接。探测器组件置于系统返回光路的终端，分光镜之后。由光源组件发射的照明光依次通过系统的二维成像扫描组件、宽视场扫描组件后进入人眼(或物镜与待成像样品)，从人眼(或物镜与待成像样品)反射回来的信号光原路返回系统后通过分光镜，被探测器组件探测。
2.根据权利要求1所述的基于快速倾斜镜的宽视场共焦扫描显微镜，其特征在于：所述光源组件包含一个柱面透镜，用以预补偿光学系统的静态像差。由于系统多使用球面反射镜作为反射式望远镜子系统，因此系统像差以象散为主，系统光学设计保证单片柱面透镜能够补偿光学系统的静态像差。
3.根据权利要求1所述的基于快速倾斜镜的宽视场共焦扫描显微镜，其特征在于：所述二维成像扫描组件包含一个横向扫描镜和一个纵向扫描镜组成。通过横向扫描与纵向扫描同步工作，完成对人眼(或待扫描成像样品)的面扫描过程。再结合探测器组件所记录信号光的强度信息，完成对人眼(或物镜与待成像样品)的图像重构。
4.根据权利要求1所述的基于快速倾斜镜的宽视场共焦扫描显微镜，其特征在于：所述宽视场扫描组件由一个在X(横向)和Y(纵向)两个方向上都能产生一定倾斜角度的快速倾斜镜和一组大视场透射式缩束望远镜组成。
5.根据权利要求1和4所述的基于快速倾斜镜的宽视场共焦扫描显微镜，其特征在于：所述快速倾斜镜为基于压电陶瓷变形技术的快速倾斜镜，或者为基于微机械变形技术的快速倾斜镜。
6.根据权利要求1和4所述的基于快速倾斜镜的宽视场共焦扫描显微镜，其特征在于：所述大视场透射式望远镜包含入射透镜和出射透镜，出射透镜可以根据实际应用需求进行更换，以改变大视场透射式望远镜的缩束比，同时改变系统对人眼(或物镜与待成像样品)的成像视场(或成像面积)。
7.根据权利要求1所述的基于快速倾斜镜的宽视场共焦扫描显微镜，其特征在于：所述探测器组件包含聚光透镜、针孔和光电探测器组成。
8.根据权利要求1和7所述的基于快速倾斜镜的宽视场共焦扫描显微镜，其特征在于：所述探测器为电荷耦合器件或光电倍增管等光电转换器件。该探测器主要用来记录系统返回信号光的强度信息。
9.根据权利要求1和7所述的基于快速倾斜镜的宽视场共焦扫描显微镜其特征在于：所述针孔为一中心通光的圆形光阑，其通光孔径一般在50～200μm之间，主要用来接受信号光，屏蔽杂散光。
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