CN103323442A

CN103323442A - 一种应用于共聚焦显微术中的led线扫描光学系统

Info

Publication number: CN103323442A
Application number: CN2013102450751A
Authority: CN
Inventors: 熊大曦; 杨西斌
Original assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明公开了一种应用于共聚焦显微术中的LED线扫描光学系统，包括高亮度LED光源模组，所述亮度LED模组设置有LED发光芯片，所述LED发光芯片的正前方设置有匀光耦合模块，所述匀光耦合模块前方设置有聚焦透镜，所述聚焦叫透镜前方设置有第一狭缝，第一狭缝后依次设置有二向色镜，成像系统，第二狭缝和物面。采用本发明技术方案，实现了理想的线光源激发；功能上完全等效于多个体积庞大、价格昂贵的激光光源，更重要的是获得了激光光源所不具备的线光源激发；大大降低了系统复杂程度和调试难度。

Description

一种应用于共聚焦显微术中的LED线扫描光学系统

技术领域

本发明属于光学成像领域，具体涉及一种应用于共聚焦显微术中的LED线扫描光学系统。

背景技术

共焦显微术自发明以来，特别是被实验证明其具有独特的深度分辨率、可以对生物样品等实现光学断层成像后，获得了深入的研究和广泛的应用。共焦显微术所具有的光学断层性质，使得人们可以以非破坏性的方式将厚的样品切成薄薄的许多光学断层，然后利用计算机将断层图像综合成三维图像。

目前，共聚焦显微术主要采用激光共聚焦点扫描方法，采用激光光源作为激发光源，通过共聚焦光路去除干扰光，激光会聚成点来激发荧光，具有很高的探测灵敏度，但是，成像需要二维机械扫描。

传统采用激光光源的共聚焦显微术工作原理如图1所示。光源处针孔、探测器处针孔及被测样品置于共扼位置。从光源出射的光首先聚焦到针孔，并经成像系统在样品处形成点光源照明，由样品反射的光信息经成像系统和二向色镜被聚焦到探测器附近针孔处，滤除焦平面以外的干扰光，从而通过针孔被探测器接收，对离焦信号的摈弃使共焦成像术可在三维空间上精确定位被测样品。

图2为传统采用激光光源的共聚焦显微术层析成像原理示意图。左图中，激光光斑聚焦到物面，形成点照明，聚焦光斑经扫描系统在焦平面所在的xy物面上逐点扫描；右图中，沿z轴方向，共聚焦光斑完成每幅图像的逐点扫描，合成形成三维图像。

传统采用激光光源的共聚焦点扫描成像模式，具有以下缺点：（1）系统由大体积光学元件（如多组激光器）构成，使系统配置非常复杂，结构笨重，价格昂贵；（2）若激光束的会聚点与针孔对准存在偏差，则会导致失真和像差，亚微米的移动都将导致像差及分辨率的下降；（3）测量时间长，需要待测对象的每个面进行逐点二维扫描，并通过轴向扫描合成三维图像。

目前，激光共聚焦显微镜主要生产厂家主要有徕卡、奥林巴斯、尼康、Lavision等，占领着共聚焦显微仪器市场的统治地位，其产品绝全部采用激光光源，根据荧光激发波长的不同，选择不同的波长的激光器实现荧光激发和共聚焦显微成像。

同时，为了降低系统成本，增加应用灵活性，适应目前仪器小型化的发展趋势，LED光源，尤其是面发光的高亮度LED光源，正在逐步取代传统卤钨灯、氙灯等高能耗、短寿命的光源和大体积、价格昂贵的激光光源，获得广泛应用。

与传统的共聚焦点扫描荧光检测方法相比, 本文提出的方法把点光源逐点扫描，变为线光源逐线扫描，把较复杂的二维点扫描变成了简单的一维线扫描，降低了扫描系统复杂性，并提高了成像的速度；同时，单一LED光源上封装多种不同中心波长芯片，可以通过一个LED光源发射多种波长的光能量，一个光源即可覆盖传统采用多个单波长的激光光源覆盖的波段，单一的紧凑型LED光源代替多个体积庞大的激光器，大大简化了光源系统设计。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种应用于共聚焦显微术中的LED线扫描光学系统，该光学系统将较复杂的二维点扫描变成了简单的一维线扫描，降低了扫描系统复杂性，并提高了成像的速度，单一的紧凑型LED光源代替多个体积庞大的激光器，大大简化了光源系统设计。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种应用于共聚焦显微术中的LED线扫描光学系统，包括高亮度LED光源模组，所述亮度LED模组设置有LED发光芯片，所述LED发光芯片的正前方设置有匀光耦合模块，所述匀光耦合模块前方设置有聚焦透镜，所述聚焦透镜前方设置有第一狭缝，第一狭缝后依次设置有二向色镜，成像系统，第二狭缝和物面。

进一步的，所述二向色镜，所述成像系统，所述第二狭缝和所述物面组成了照明光路，与所述照明光路垂直的方向是信号接收光路，所述信号接收光路包括第三狭缝和线阵CCD探测器，所述第三狭缝在所述线阵CCD探测器前方。

进一步的，所述匀光耦合模块包括匀光积分棒和耦合聚焦模块，所述匀光积分棒实现将所述LED芯片发出的光能量均匀化，形成均匀的线状光斑照明，并通过所述耦合聚焦模块将光能量聚焦到第一狭缝。

进一步的，所述成像系统包括物镜系统和扫描系统，所述物镜系统将光束聚焦到所述物面，所述扫描系统实现线状光斑在平面一维方向和轴向的扫描，从而实现三维成像。

优选的，所述LED光源相同中心波长的发光芯片，形成线性排列，同时发光形成线性照明光斑；不同中心波长的发光芯片可以排列形成多排的平行结构，形成多个不同中心波长的激发线性照明光斑。

进一步的，所述二向色镜对照明光路的激发光完全透过，而对从所述物面返回的反射光和激发荧光为全反射，激发荧光通过所述成像系统聚焦，被所述二向色镜反射后，聚焦于所述第三狭缝，并最终被所述线阵CCD探测器接收。

与现有技术相比，本发明的有益效果是:

本发明中线性阵列状排列的贴片式LED发光芯片构成的高亮度LED光源，发光均匀度不高，并非理想线光源，但经过所述匀光耦合模块，光线在匀光积分棒中多次反射，起到了混光的效果，出射的线光照明均匀度明显提高，实现了理想的线光源激发。而通过多种不同中心波长芯片的线阵排列，一个所述的LED光源即可灵活的实现多种中心波长的线光源激发，功能上完全等效于多个体积庞大、价格昂贵的的激光光源，更重要的是获得了激光光源所不具备的线光源激发。

从本发明的线光源出射的激发光，经匀光耦合模块、聚焦透镜、第一狭缝、成像系统、第二狭缝等，最终在物面上形成线聚焦光斑照明，如图5所示，扫描系统将线聚焦光斑沿Y方向进行一维扫描，即可获得整个二维平面的信息，扫描速度远高于图2所示的传统点扫描成像共聚焦显微术，而且一维扫描系统的结构复杂程度，远低于传统二维点扫描光学系统，大大降低了系统复杂程度和调试难度。

附图说明

图1为传统的激光共聚焦显微术成像原理示意图；

图2为传统的激光共聚焦显微术扫描成像原理示意图；

图3为本发明LED光源结构示意图；

图4为本发明LED线光源发出的光经匀光耦合系统后形成的典型线光源照度示意图；

图5为本发明应用于共聚焦显微术中的LED线扫描光学系统结构示意图。

图中标号说明：1、高亮度LED光源模组，2、匀光耦合模块，3、聚焦透镜，4、第一狭缝，5、二向色镜，6、成像系统，7、第二狭缝，8、物面，9、第三狭缝，10、线阵CCD探测器。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1所示，一种应用于共聚焦显微术中的LED线扫描光学系统，包括高亮度LED光源模组1所述亮度LED模组1设置有LED发光芯片，所述LED发光芯片的正前方设置有匀光耦合模块2，所述匀光耦合模块2前方设置有聚焦透镜3，所述聚焦叫透镜3前方设置有第一狭缝4，第一狭缝后依次设置有二向色镜5，成像系统6，第二狭缝7和物面8。

进一步的，所述二向色镜5，所述成像系统6，所述第二狭缝7和所述物面8组成了照明光路，与所述照明光路垂直的方向是信号接收光路，所述信号接收光路包括第三狭缝9和线阵CCD探测器10，所述第三狭缝9在所述线阵CCD探测器10前方。

进一步的，所述匀光耦合模块2包括匀光积分棒和耦合聚焦模块。

进一步的，所述成像系统6包括物镜系统和扫描系统。

本发明的原理：

如图3所示，示出了本发明高亮度LED光源模组1结构示意图，λ1，λ2，λ3分别代表图中所示LED发光芯片的中心波长，其中相同中心波长的芯片，排成一排，形成线状光源的结构；所述线状芯片组，通过电极n1，n2…控制，实现不同中心波长的芯片分时发光。例如，当中心波长为λ1的芯片同时发光时，形成的线光源，经匀光耦合模块2、聚焦透镜3、第一狭缝4、成像系统6、第二狭缝7，在物面8上形成线光源聚焦光斑。根据实际共聚焦显微系统需要，合理选择发光芯片数量，可形成不同尺寸的线光源

如图4所示，高亮度LED光源模组1上设置有沿x方向线排列的多种中心波长的LED发光芯片，根据激发波长的需要，选择相应的发光波长的芯片，线性排列的多个芯片同时发光时，形成近似的x方向线性光源，线性光能量耦合进入匀光耦合模块2，经匀光后形成均匀线照明；可见，聚焦光斑为光强分布均匀的矩形光斑。

如图5所示，示出了本发明一种应用于共聚焦显微术中的LED线扫描光学系统结构示意图。从高亮度LED光源模组1发出的线状光，经匀光耦合模块2、聚焦透镜3、第一狭缝4、成像系统6和第二狭缝7等，最终在物面8上形成线聚焦光斑照明，扫描系统将线聚焦光斑沿Y方向进行一维扫描，从而实现对整个画面的扫描，获得焦平面的二维图像，而在扫描系统控制下，z轴扫描实现了对物体的z轴方向断层成像，将多幅z轴方向断层成像合成，即可形成三维立体成像。

此外，本发明高亮度LED光源模组的光源功率达数瓦，远远大于激光器毫瓦量级的功率，解决了聚焦光斑处功率密度不够的问题。而其线阵发光面，具有比圆形激光光斑的天然优势，更容易聚焦形成光强分布均匀的矩形光斑，从根本上解决了目前采用激光光源的共聚焦显微术中圆形光斑对线扫描的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种应用于共聚焦显微术中的LED线扫描光学系统，包括高亮度LED光源模组（1），其特征在于，所述亮度LED模组（1）设置有LED发光芯片，所述LED发光芯片的正前方设置有匀光耦合模块（2），所述匀光耦合模块（2）前方设置有聚焦透镜（3），所述聚焦透镜（3）前方设置有第一狭缝（4），第一狭缝后依次设置有二向色镜（5），成像系统（6），第二狭缝（7）和物面（8）。

2.根据权利要求1所述的应用于共聚焦显微术中的LED线扫描光学系统，其特征在于，所述二向色镜（5），所述成像系统（6），所述第二狭缝（7）和所述物面（8）组成了照明光路，与所述照明光路垂直的方向是信号接收光路，所述信号接收光路包括第三狭缝（9）和线阵CCD探测器（10），所述第三狭缝（9）在所述线阵CCD探测器（10）前方。

3.根据权利要求1所述的应用于共聚焦显微术中的LED线扫描光学系统，其特征在于，所述匀光耦合模块（2）包括匀光积分棒和耦合聚焦模块。

4.根据权利要求1所述的应用于共聚焦显微术中的LED线扫描光学系统，其特征在于，所述成像系统（6）包括物镜系统和扫描系统。